Tự động hóa thủy khí trong máy công nghiệp nguyễn tiến lưỡng

THƯ VIỆN
ĐẠI HỌC NHA TRANG

TS. NGUYỄN TIẾN LƯỠNG

M
621.2
Ng 527 L

TựĐỘNGHQÁ
THUY
9

w

TRONG MÁY CÔNG NGHIỆP


TS. NGUYỄN TIẾN LƯỠNG

Tự DỘNG HỐTHUỶ-KHÍ
TRONG MÁY CƠNG NGHIỆP

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC


113-2008/CXB/56-175/GD

Mã số: 7B702Y8

LỊI NĨI ĐẦU

Trong nhiều năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của khoa học và cơng nghệ
đã nâng cao mức độ tự động hố q trình sản xuất cũng như các máy móc và thiết bị
lên mức đáng kể. Sự kết hợp các phương tiện truyền động như điện, điện tử - cơ khí thuỷ lực - khí nén ngày càng có hiệu quả. Tính ưu việt riêng của truyền động thuỷ lực khí nén như truyền dẫn vơ cấp về tốc độ, vô cấp về tải trọng, làm việc được trong mơi
trường khắc nghiệt... đã góp phần đáng kể trong tự động hố ở các ngành cơ khí chế
tạo, luyện kim, công nghiệp thực phẩm, hàng không, giao thơng...
Cuốn sách "T ư đ ơ n g hố th u ỷ - k h í trong m áy cơng nghiêp" trang bị cho
sinh viên các trường đại học và cao đẳng kỹ thuật những kiến thức cơ bản trong truyền
động và điều khiển dùng thuỷ lực - khí nén; đồng thời ứng dụng được trong tự động hố
máy cơng nghiệp và các ngành liên quan khác.
Cuốn sách được biên soạn trên cơ sở giáo trình đã được giảng dạy nhiều năm cho
sinh viên ngành Chế tạo máy ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội và đặc biệt đã tham
khảo các tài liệu mới nhất của các tác giả đã viết về điều khiển thuỷ lực - khí nén ở
trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Đà
Nắng và các tài liệu khác...
C uốn sá ch g ồ m ba p h ầ n chính:
- Hệ thống truyền dẫn và điều khiển thuỷ lực: chương 1, chương 2, chương 3.
- Hệ thống truyền dẫn và điều khiển khí nén: chương 4.
- Hệ thống kếừhợp điều khiển điện - thủy lực - khí nén: chương 5.
Trong hệ thống truyền dẫn gọi là mạch động lực - đề cập đến nguyên lý làm việc,
một số kết cấu và điều chỉnh bơm dầu, máy nén khí và các cơ cấu chấp hành.
Với mạch điều khiển, giới thiệu về nguyên lý làm việc, kết cấu của các phần tử
chính trong điều khiển như chỉnh áp suất, chỉnh lưu lượng và chỉnh hướng. Đặc biệt là
trình bày kỹ về điều chỉnh và ổn định tốc độ.

3


Các mạch điều khiển liên hệ ngược theo tốc độ, theo vị trí, theo tải trọng, theo áp

suất, theo cơng suất; và các vấn đề liên quan đến đồng bộ làm việc của nhiều cơ cấu
chấp hành dùng thuỷ - khí. Phần cuối cùng sách giới thiệu cách thiết kế mạch điện điều
khiển cơ bản cho một số sơ đồ đơn giản và một số ví dụ ứng dụng cơ bản.
Phần lý thuyết trong tài liệu này chỉ để cập những kiến thức cơ bản để xác định tính
năng kỹ thuật chính cho mạch động lực và chỉ nêu đặc tính kỹ thuật, khả năng sử dụng
của một số phần tử chức năng cơ bản trong mạch điều khiển nhằm giúp bạn đọc thiết
kế và khai thác máy có hiệu quả hơn.
Cuốn sách chắc hẳn còn khiếm khuyết, rất mong nhận được nhiều ỹ kiến đóng góp
của bạn đọc cho nội dung cuốn sách để lần tái bản sau được hồn chỉnh hơn.
Mọi ý kiến góp ý xin gửi về Công ty c ổ phần Sách Đại học - Dạy nghề (HEVOBCO),
25 Hàn Thuyên, Hà Nội.

TÁC GIẢ

4


Bài mỏ đầu

GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ CHỨC NÂNG
TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DAN THUỶ KHÍ

Yêu cầu chung cho các máy móc và thiết bị là phải bảo đảm các yêu cầu kỹ
thuật cần thiết, bảo đảm độ tin cậy, tuổi thọ, an tồn và giảm giá thành bảo trì trong
suốt thời gian sử dụng. Mỗi phần tử hay bộ phận cấu thành hệ thống truyền dẫn cho
máy móc và thiết bị đều phải thể hiện một nhiệm vụ xác định - ta gọi đó là các phần
tử chức năng.
Ví dụ: Chức năng của động cơ điện là biến điện năng thành cơ năng quay trục động
cơ, hoặc bơm dầu trong truyền dẫn thuỷ lực có chức năng là biến cơ năng (động cơ điện
quay) thành thế năng của chất lỏng dưới dạng áp suất và lưu lượng của nó. Cịn chọn

loại bơm gì phải do yêu cầu kỹ thuật cụ thể xác định.
Dù đơn giản hay phức tạp với mỗi máy móc hay thiết bị đều tồn tại hai dịng năng
lượng cho mạch động lực và mạch điều khiển.
Hình 0.1 giới thiệu sơ đồ tổng quát cho truyền dẫn thuỷ - khí trong máy, gồm mạch
động lực và mạch điều khiển.

Hình 0.1. Sơ đồ tổng quát truyền dẫn thuỷ - khí
------Mạch động lực;------- Mạch điều khiển.
Sơ đồ truyền dắn thuỷ - khí trong máy:
1.
2.
3.
4.
5.

Trung tâm xử lý điều khiển;
Động cơ điện'
BỚm dầu hoặc máy nén khí;
Cơ cấu điều khiển, điểu chỉnh;
Động cơ dầu hoặc khí chuyển động quay:

6. Động cơ dầu hoặc khí chuyển động thẳng;
7. Cơ cấu chấp hành trong trường hợp chuyển động
quay hoặc thẳng;
8. cảm biến;
9- Liên hệ ngược.

5

0.1. MẠCH ĐỘNG

Lực

Xuất phát từ động cơ điện 2 quay (cơ năng) bơm dầu hoặc máy nén khí 3 tạo ra năng
lượng của chất lỏng dưới dạng áp suất (thế năng) truyền theo đường ống qua cơ cấu điều
khiển, điều chỉnh 4 tới động cơ chuyển động quay 5 (cơ năng), rồi tới cơ cấu chấp hành 7
như quay trục chính máy khoan, quay bàn máy, quay đầu vặn vít...; hoặc tới động cơ
chuyển động thẳng (pittông và xilanh) mang cơ cấu chấp hành 7 như đầu bào, các chuyển
động thẳng cho bàn máy...; hoặc tới một cơ cấu chấp hành nhận đồng thời cả hai
chuyển động thẳng và quay bằng năng lượng chất lỏng như đầu búa khoan thuỷ lực
(quay tròn để cắt, dao động thẳng để đập)...
Đặc trưng về kỹ thuật cho các cơ cấu chấp hành trong hệ thống truyền dẫn phải bảo
đảm các yêu cầu:
- Về động học: Tốc độ nmin - nmax hoặc vmin * vmax.
- Về động lực học:
Tải trọng lớn nhất Pmax cho chuyển động thẳng; mômen truyền Mxcho chuyển động
quay hoặc là công suất truyền động N.
- Về mức độ tự động hoá: chủ yếu do hệ thống điều khiển quyết định.
0.2. MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Mạch điều khiển phải bảo đảm thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật của các cơ cấu chấp
hành về động học, động lực học cũng như chế độ làm việc kể đến mức độ tự động của
toàn hệ thống.
Tín hiệu điều khiển vào X (hình 0.1) qua trung tâm xử lý điều khiển 1 đến các cơ
cấu, hoặc bộ phận chấp hành điều khiển (đơn lẻ hoặc kết hợp điều khiển): động cơ điện
2, bơm 3, cơ cấu điều chỉnh điều khiển 4 qua động cơ 5 hoặc 6 đến cơ cấu chấp hành 7.
Cơ cấu chấp hành 7 coi đại lượng ra là Y. Đại lượng ra Y có thể là: tốc độ, thời gian, vị
trí, lực hoặc công suất truyền... Sơ đồ khối của mạch điều khiển kín cho hệ thống thuỷ khí được chỉ trên hình 0.2a.

Hình 0.2. Mạch điêu khiển

6


X là tín hiệu vào thường là các đại lượng vật lý như hành trình dịch chuyển hoặc
tốc độ, thời gian, lực hoặc áp suất tác dụng, điện từ kể cả ánh sáng... được chuyển vào
vật mang tin (dưỡng, bìa đục lỗ, đĩa từ...), qua bộ phận xử lý tín hiệu đến khuếch đại
(KĐ), sau đó đến chấp hành điều khiển (CHĐK) như các van, rơ le,... và cuối cùng đến
cơ cấu chấp hành Y. Kiểm tra các yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu chấp hành với điều khiển
mạch kín phải dùng các cảm biến 8 (hình 0.1) (cảm biến hành trình, tốc độ, thời gian,
lực hoặc áp suất...) chuyển qua bộ phận liên hệ ngược (LHN) xử lý và gửi về bộ phận
nhận tín hiệu để bảo đảm cho tương thích với yêu cầu kỹ thuật của cơ cấu chấp hành.
Hình 0.2b mơ tả mơ hình tốn học chung cho hệ điều khiển với nhiều tín hiệu vào
và ra được sử dụng tham số thời gian t. Phương trình để giải quyết có thể dưới dạng hàm
tường Y(t) = F(Xt) hoặc ẩn F(X, Y) = 0.
Truyền dẫn bằng chất lỏng (dầu) hoặc khí, hai dạng truyền dẫn này về bản chất là
như nhau tức là dùng năng lượng áp suất (thế năng) biến thành cơ năng để quay hoặc
tịnh tiến cho cơ cấu chấp hành, v ề hình thức, kết cấu và chức năng của các phần tử
trong hệ thống truyền dẫn bằng dầu và khí là gần giống nhau. Song về cơng dụng, ưu
nhược điểm có khác nhau. Các cơng thức tính tốn cho truyền dẫn là gần giống nhau,
chỉ khác nhau về hệ số phản ánh bản chất vật lý của dầu và khí.

7


Chương 1

ĐẠI CƯƠNG VỂ TRUYỂN DẪN THỦY L ự c

1.1. KHÁI NIỆM CHUNG V É TRUYỀN DÂN BĂNG CHẤT LỎNG

Nối từ nguồn truyền động đến các cơ cấu chấp hành bằng truyền dẫn cơ khí dùng
các bộ truyền như: đai truyền, bánh ma sát, xích, bánh răng; cịn truyền dẫn bằng chất
lỏng tức là khâu truyền dẫn dùng chất lỏng.
Truyền năng lượng bằng chất lỏng có thể thực hiện dưới các dạng sau đây:
1.1.1. Thế năng - dưói dạng áp suất p

Nếu có thể tích chất lỏng là V(đơn vị là m3) với áp suất p (đơn vị là N/m2) thì sẽ
tích trữ năng lượng là E j:
E, - p .v
[Nm]
Công suất của năng lượng này là:
XT_ dE, _ d p w
dV
dt
dt
dt
Ở chế độ ổn định p = const thì — = 0
dt
dV
3
—- = Q
[m /s
dt
Q - gọi là lưu lượng.
Nếu có dịng chất lỏng với áp suất p chuyển động với lưu lượng là Q thì cơng suất
thực hiện được là:
N=

pQ 60.1000
Với p đơn vị là N/m2; Q đơn vị là m3/ph.

[kW]

(1.1)

Hoăc:

N = -^ 612

[kW ]

(1.2)

Trong đó:

d ^
p đơn vi là bar = kg/cm2; Q đơn vi l à ----- [l/phútj.
Ph .
.

1.1.2. Động năng

Như ta biết năng lượng do khối lượng m (kg), chuyển động với vận tốc là v(m/s)
sẽ là:
E2 = ị mv2 = ị V.p.v2

[N.m]

V - thể tích (m3); p - khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3).
8


Trong truyền dẫn ở các máy khối lượng chất lỏng và vận tốc chuyển động khơng
cao, nên khi tính tốn truyền dẫn cho mạch động lực bỏ qua năng lượng này.
1.1.3. Dưói dạng nhiệt

E3 = m. c AT

[J = N.m]

c - tỷ nhiệt trung bình (J / kg.K).
AT - nhiệt độ tính theo K.
Trong truyền dẫn bằng chất lỏng khơng dùng truyền dẫn bằng nhiệt và đặc biệt phải
giảm nhiệt sinh ra trong hệ thống ống truyền dẫn.
Vậy truyền dẫn thuỷ lực trong máy dùng thế năng dưới dạng áp suất là chính.
1.2. HỆ THỐNG THUỶ Lực THỰC HIỆN CHUYÊN động thang
Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ hệ thống thuỷ lực thực hiện chuyển động thẳng với bơm
lưu lượng không đổi.

Hình 1.1.
1. Bể dấu- 2, 2'. Bộ lọc thơ, tinh; 3. Bơm; 4. Van cản; 5. Van trượt điều khiển 5/2; 6. Xilanh;
7. Pittông; 8. Càng gạt điều khiển; 9. Van tiết lưu; 10. Van một chiều; 11. Áp kế; 12. Van an toàn.

Nguyên lý làm việc:
Bơm dầu 3 hút dầu từ bể dầu lqua bộ lọc thô 2 tới bộ lọc tinh 2', rồi qua van một
chiều 10 (van một chiều 10 để giữ dầu trong đường ống khi bơm ngừng hoạt động).
9

Tiếp tục dầu được đẩy qua van tiết lưu 9 (để điều chỉnh tốc độ V của bàn máy) vào cửa p
của van đảo chiều 5, sau đó qua cửa B vào bên phải của xilanh 6 đẩy pittơng có cán 7
gắn với bàn máy, bàn máy chuyển động sang trái. Dầu từ buồng trái của xilanh 6 đi qua
cửa ra T của van 5 và qua van cản 4 (để bàn máy chuyển động êm và giữ dầu trong
đường ống khi ngừng hoạt động) về bể.
Khi bàn máy chuyển động sang trái ở cuối hành trình, vấu di động (gắn liền với bàn
máy) tác động vào đầu trên của càng gạt điều khiển 8, làm con trượt của van trượt điều
khiển 5 dịch sang trái mở cửa A cho dầu từ p qua A tới buồng trái của xilanh 6, đẩy bàn
máy chuyển động sang phải. Dầu từ bên phải của xilanh 6 qua B rồi van cản 4 về bể.
Quá trình đi về của bàn máy hoạt động được lặp lại.
Khoảng cách vấu di động xác định hành trình chuyển động của bàn máy.
Trong sơ đồ trên cịn bố trí đồng hồ đo áp lực là áp kế 11. Van an toàn 12 để đảm
bảo an toàn khi làm việc, tức là phòng quá tải. Nguyên lý làm việc của van an toàn 12
là: giả sử hệ thống bình thường làm việc với áp suất p, khi quá tải bàn máy chuyển động
chậm lại hoặc ngừng chuyển động, áp suất trong đường ống tăng quá áp sụất p, van an
toàn sẽ mở để dầu từ bơm về bể.
Tốc độ chuyển động của bàn máy: Lưu lượng dầu qua van tiết lưu là Q(m3/ph) chảy
vào xilanh 6 tác động lên diện tích làm việc F(m2) của pittơng, mang bẩn máy chuyển
động với vận tốc

V

sẽ là:

V

= — (m/ph).

Diện tích làm việc của pittông khi thực hiện Vj và v2 là như nhau:

F = —(D2- d2)
4
4Q
- thường dùng cho máy mài.
7ĩ(D2 - d 2)
(bàn máy mang phôi, hai chiều đi và về của bàn máy đều được mài).
Công suất truyền dẫn: Công suất của nguồn thuỷ lực phải thắng được công suất
thực hiện truyền động cơ học của cơ cấu chấp hành.
Trong trường hợp chuyển động thẳng như sơ đồ trên (hình 1.1), giả thiết bàn máy
chuyển động sang phải với vận tốc V với tải trọng do lực cắt chẳng hạn cùng với lực ma
sát trên bàn trượt bàn máy, ma sát pittông và xilanh chuyển về lực tác dụng trên cán
pittơng là p (N) thì cơng suất cơ học là:
V, = v2

N = p.v

N.m
ph

Lực p phải cân bằng với lực do áp lực p Jtác dụng trên diện tích F: p = p ,. F (tạm bỏ qua
lực do áp suất p2).
Vận tốc
Thế V

10

(Q được điều chỉnh bằng van tiết lưu 9).
F
vào trên ta có: N = p ,. Q
V

xác định:

V

=


Nếu gọi:

p„ - là áp suất dầu ra của bơm

' n;
,m 2y

Qb - là lưu lượng của bơm
.p.h ,
Thì cơng suất thuỷ lực của bơm là:
N h= ~ —Qb- [kW]
b 60.1000
Công suất động cơ điện quay trục bơm là:
Nh
N dc= ^
Tlb
r)b- hiệu suất của bơm.
XT

(1.3)

(1.4)

Áp suất p„= p I + 2A pv
ZA p v- là tổng tổn thất áp suất trên đường vào xilanh, cách xác định p ! và IA p
sẽ trình bày ở các phần sau.
Lưu lượng Q b là lưu lượng lớn nhất cần thiết, ví dụ: Q b = F. V .
1.3.

HỆ THỐNG THUỶ Lực THỰC HIỆN CHUN ĐƠNG QUAY
+
Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ hệ
thống thuỷ lực thực hiện chuyển động
quay với bơm lưu lượng khơng đổi.
Trong sơ đồ này có lắp thêm các
phần tử:
- Bộ ổn tốc 4: Để điểu chỉnh và ổn
định tốc độ khi tải trọng thay đổi (trình
bày sau).
- Van trượt đảo chiểu 5/3.
- Điều chỉnh bằng điện từ.
- Ăcquy 7: Để cải thiện ổn định
áp suất dầu vào hệ thống.
- Động cơ dầu chuyển động quay
6: Ví dụ dùng cho khoan đất đá trong
các cơng trình hầm:
thực hiện
khoan cắt,

để lùi mũi khoan, hoặc

vào các máy và thiết bị khác.

Nguyên lý làm việc:
Tương tự như phần trên đã trình
bày. Trong sơ đổ này khi chưa có tín
hiệu tác động vào nam châm từ Nj, N2

1. Bể dầu; 2. Bộ lọc thô, tinh; 3. Bơm; 4. Bộ ổn tốc;
5. Van trượt điểu khiển (van đảo chiều 5/3);
6. Động cơ dầu; 7. Ăcquy; 8. Áp kế; 9. Van an toàn.


nhờ lực lị xo ở hai phía trong van đảo chiều 5 làm con trượt trong van ở vị trí giữa, lúc
này cửa A và B đóng, động cơ khơng quay (nd = 0), dầu từ bơm qua van an toàn 9 về bể.
Giả sử khi nam châm N I có điện, con trượt trong 5 dịch chuyển sang trái cửa dầu p nối
A và B nối T, động cơ sẽ quay theo chiều nd. Tốc độ quay của động cơ được điều chỉnh
bằng lượng dầu đi qua van tiết lưu trong bộ ổn tốc 4 về bể. Tương tự như vậy khi nam
châm N2 có điện cửa p nối B và A nối T động cơ thực hiện quay nã .
Như phần đầu đã nêu, bơm dầu thực hiện nguyên lý cơ năng (quay trục bơm) biến
thành thế năng dưới dạng áp suất p của chất lỏng. Động cơ thì ngược lại, với thế năng
dưới dạng áp suất p các chất lỏng làm quay trục động cơ dầu. Nếu như không kể đến
tổn thất, thông số (p,Q) của bơm dầu và động cơ dầu như nhau thì cơng suất của động
cơ dầu cũng được tính như bơm dầu:
N = — EO— [kW]
60.1000
Nếu tính với mơmen M [N.m] trên trục động cơ dầu có số vịng quay n d (vg/ph)thì:
N
Hoặc:

MW
102

M = 975

M.2ĩc.n,.
102.60
N _ 975
n,, n.

Mn.H
[kW]
975
p.Q
6 . 104

M = 0,0163 ^ [ N .m ]
n.

(1.5)
í'

Nếu gọi lưu lượng riêng của động cơ dầu là q d

m3

\

thì:

Vvỗ
Q = n d.qd

[m 3/ph]

( 1. 6 )

M = 0,0163p.qd (N.m)

(1.7)

Thay (1.6) vào (1.5) ta có:
Tốc độ vòng quay của động cơ dầu từ (1.6) ta có:
n d= — [vg/ph]

( 1.8)

Nghĩa là n d được điều chỉnh bằng van tiết lưu trong bộ ổn tốc 4 (hình 1.2).
Nếu bơm và động cơ dầu điều chỉnh được lưu lượng ta có các phương pháp điều
chỉnh n d: Ta gọi q b và n b là lưu lượng riêng (m3/ph) và số vịng quay của bơm Ịvg/ph]
thì lưu lượng của bơm là: Qb = nb . qb.
Nêu như khơng kể đến tổn thất thể tích thì ta coi động cơ dầu nhận toàn bộ lưu
lượng của bơm đưa tới ta có: nb . qb = nd . qd.

12


Qh
%
Từ đây ta có 3 phương pháp điều chỉnh số vòng quay của động cơ dầu:
Hay

(1.9)

n d = n b-

- Thay đổi lưu lượng riêng qb của động cơ dầu. Trường hợp này mômen của động
cơ dầu sẽ thay đổi (theo công thức 1.7) và công suất của động cơ dầu sẽ khơng thay đổi
với sự thay đổi số vịng quay nd của động cơ dầu.
- Thay đổi lưu lượng riêng qb của bơm tức là .thay đổi lưu lượng của bơm dẫn đến
thay đổi lưu lượng dầu qua động cơ dầu. Trường hợp này công suất của động cơ dầu
thay đổi và mômen sẽ không đổi với sự thay đổi của nd.
- Thay đổi số vòng quay nb của bơm, tương tự như trường hợp thay đổi qb.
1.4. MỘT SỐ TÍNH CHẤT c ơ LÝ CỦA CHẤT LỎNG DÙNG TRONG TRUYỀN DẪN
1.4.1. Độ nhót

Độ nhớt là đặc trưng quan trọng cho chất lỏng
truyền dẫn cũng như bôi trơn.
Giả sử có nguồn chất lỏng có áp suất là p và lưu
lượng Q chảy qua một ống có kích thước hạn chế (hình
1.3). Do hiện tượng bám thành, lớp chất lỏng bám
thành không chuyển động, đồ thị biểu thị tốc độ tức
thời được chỉ trên hình 1.3. Qua đây, ta nhận thấy có
sự trượt tương đối giữa các lớp chất lỏng. Có sự trượt
tương đối sẽ sinh ra lực ma sát. Độ nhớt của chất lỏng
được đặc trưng bởi nội ma sát trong chất lỏng khi
chuyển động.

y(m)
/ /

/

/

/

/

/

/

/

V

(m/s)

/

/

dv

1

---- ►
/

/

/

/

*
/

/

/

7

/

/

/

/

/

Hình 1.3. Đồ thị biểu thị tốc độ

1. Độ nhớt động lực

Theo công thức của Niutơn:
T=r|.

'd v V

( 1. 10)

v dy;
T - ứng suất trượt giữa các lớp chất lỏng ( n / m2);
V

- vận tốc chất lỏng (m/s);

y - chiều dài theo phương vng góc với vận tốc (m);
dv
—— radian vân tốc;
dy

13


n - hệ số phụ thuộc vào loại chất lỏng:
n = 1 gọi là chất lỏng Niutơn;
n * 1 là chất lỏng phi Niutơn.
T|- ký hiệu độ nhớt động lực của chất lỏng.
Hình 1.4. Biểu diễn quan hệ (1.10).
Nhận xét:
n < 1 có ứng suất trượt lớn, ma sát lớn, loại này tương
ứng với chất lỏng dạng "sệt" như thuốc đánh răng, mỡ...
n > 1 có ứng suất trượt bé, ma sát nhỏ, có thể chất
lỏng tự bốc hơi được như xăng, benzen ẹhẳng hạn.
Trong truyền dẫn thuỷ lực, dùng loại chất lỏng có n = 1 - gọi
là chất lỏng Niutơn - dầu Niutơn, với n = 1 thì độ nhớt động
lực học r| được suy từ (1.10) có đơn vị là:

Hình 1.4. Biểu diễn
quan hệ (1.10)

1 Ns
Đơn vi đo lường hợp pháp goi — —Y là Poadơ (ký hiêu P)
10 m
1

Ns

1P = — —7 = le m -1. g. s~’ (= Pa. s)
10 m
2. Độ nhớt động học (ký hiệu là o)
Độ nhớt động học là thương số của độ nhớt động lực và khối lượng riêng của chất
lỏng đó:
J Tì
Q
u = —; p - khối lượng riêng của chất lỏng kg/m .
p
Đơn vị của nhớt động học u:
Ns/m 2
kg/m 3 _

kg.m/s2.s/m 2
kg/m 3

_2

m2

. s

__ 2

m
t cm
, 1N - A
/ , ,,.
ÌO-4 ——
—= 1 —— gọi là Stốc: ký hiệu St.
s
s
1 r\—4

Tức là:

i s t = Ỉ0 -4 — = 1 — .
s
s

m2
cm2
mm2
—— = 10 2—— = 1—
=l cSt gọi là centyStốc.
s
s
s
Ví dụ: Ký hiệu theo ISO loại dầu ISO - VG46.
, „

10

_ 6

, n

_2

,

,

„

.

, x

^

.

46 - chỉ độ nhớt động học trung bình là 46cSt ở 40°C; thực tế dao động từ
(41,4-r 50,6)cSt.
14


3. Độ nhớt Engler (ký hiệu E°)

Độ nhớt Engler là tỷ số quy ước để so sánh thời gian chảy của 200cm3 chất lỏng
(dầu) qua ống dẫn có đường kính trong 2,8mm với thời gian chảy của 200cm3 nước cất
ở nhiệt độ 20°c qua ống dẫn có cùng đường kính.
Độ nhớt Engler của dầu tuỳ theo hãng sản xuất đưa ra số liệu ở các nhiệt độ khác
nhau E°2(), Eo40, ẽ °50, E°10() - đo ở nhiệt độ 20°c, 40°c, 50°c, 1Ị0°C.
Ví dụ dầu cơng nghiệp 30 có độ nhớt E°,(l = 3,81-4- 4,59 nghĩa là ở 50°c dầu đó đặc
hơn nước từ 3,81- 4,59 lần.
Mối quan hệ giữa độ nhớt động học và độ nhớt Engler thể hiện theo cơng thức sau:
u = í 7,31E° - —
10~6 m2/s = { 7 ,3 1 E ° -% ^ ìc S t
(1.11)
V
7
V
Ghi chú: Trong nhiều trường hợp cần pha trộn dầu có độ nhớt khác nhau để được
loại dầu có độ nhớt cần thiết. Công thức thực nghiệm:
aE" + bE "-K (E ;, - E ‘’)
E

= --------T O

—

E 0- độ nhớt cần thiết;
a% - theo thể tích của dầu có độ nhót E “ ;
b% - theo thể tích của dầu có độ nhớt E “ , E " > E 2.
Trị số K theo bảng sau:
a

10

20

30

40

50

60

70

80

90

b

90

80

70

60

50

40

30

20

10

K

6,7

13,1

17,9

22,1

25,5

27,9

28,2

25

17

1.4.2. Một số nhân tố ảnh hưởng đến độ nhớt và khả năng làm việc của chất lỏng chất lỏng Niutơn - dầu khoáng
1.4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Đối với dầu khoáng: nhiệt độ càng tăng thì độ nhớt càng giảm (dầu lỗng hơn). Sự
thay đổi này được thể hiện qua quan hệ:
u,

D50

r 50 V
Vt )

u„ o5() - là độ nhớt động học dầu ở nhiệt độ t°c, 50°c.
n - chỉ số phụ thuộc vào độ nhớt của từng loại dầu (xác định bằng thực nghiệm).
Sự thay đổi nhiệt độ khi làm việc càng ít càng tốt vì khi nhiệt độ thay đổi độ nhớt
của dầu thay đổi sẽ làm cho hệ thống làm việc kém ổn định. Đánh giá sự thay đổi này
thường theo chỉ số độ nhớt k: k

50

u í 00
15


Ta ln mong muốn chỉ số độ nhớt k « 1. Để đạt được điều này người ta cho thêm
chất phụ gia vào dầu khoáng - dầu tổng hợp.
1.4.2.2. Ảnh hưởng của áp suất

Áp suất tăng, độ nhớt của dầu cũng tăng theo quan hệ:
Op = 0 o-ap

T|0,TỊ —độ nhớt ở áp suất khí quyển, áp suất p:
Trong đó:

hoặc:

a = 1 ,0 0 2 1 ,0 0 4
uH.(l + k.p)

o , u —độ nhớt động học ở áp suất khí quyển, áp suất p;
k —hệ số phụ thuộc vào dầu có độ nhớt: với u50 < 15cSt —» k = 0,02
với

u 50>15

cSt —>k = 0,003

Ta thấy độ nhớt này tăng khơng nhiều, khi tính tốn trong truyền dẫn cho thiết bị
và máy móc thường lấy cố định theo tiêu chuẩn đã ghi cho mỗi loại dầu.
1.4.2.3. Độ đàn hói của dầu

Khi dầu chịu áp suất cao sẽ bị biến dạng, thể tích bị giảm. Trong hệ thống dầu ép,
đặc biệt khi áp suất thay đổi, sự biến dạng đó ln thay đổi sẽ gây ra rung động và
truyền động trong hệ thống khơng ổn định.
Thể tích dầu bị giảm A V được xác định theo:
AV= - ^ - . Ap
Ed
Ở đây:

[m3j

V - thẻ tích ban đầu [m 3].
A p- hiệu áp suất trước và sau khi chịu áp^N /m 2).
( Ap < 0 - chịu nén, Ap > 0 - nở ra).

E d - môđun đàn hồi của dầu^N/m 2Ị.

Trong giới hạn áp suất (5 -100) bar, E d = (1,4-ỉ-1,75) 109-^rm
Và áp suất < 5 bar thì Ed = O^S.IO9-^ -.
m-

/

1.4.2.4. Ảnh hưởng của khơng kh í lẩn trong dâu

Thông thường trong hệ thống chuyển động bằng dầu ép lượng khơng khí lẫn trong
dầu từ (0,5 —5%) thể tích của dầu (có khi đến 15% -r 20%). Cứ tăng áp suất khí 1 at lên
bề mặt dầu thì khí lẫn trong dầu khoảng 10% thể tích dầu.
16


Khí lẫn trong dầu làm thay đổi độ nhớt của dầu (chất lỏng khơng đồng nhất), có
quan hệ:
H iL

1 + 0,015b; b - tỷ lệ phần trăm (%)
bd
lượng khí lẫn trong dầu.
Tlh và r)d - độ nhớt động lực của hỗn hợp dầu
lẫn khơng khí và dầu khơng lẫn khơng khí.
Điều đáng chú ý nhất là khơng khí lẫn trong
dầu làm giảm mơđun đàn hồi khi làm việc (hình
1.5), giảm độ ổn định truyền động của cơ cấu.
Làm chuyển động bị đứt quãng, rung động, chậm
truyền tín hiệu cho cơ cấu.

V
-4-%
vk

Hình 1.5. Ảnh hưỏrtg của khí lẫn
trong dầu dến mơđun đàn hồi của dầu

% khơng khí

00
Đường 1
0
Đường 2
100
1
Đường 3
20
5
Đường 4
10
10
0
Đường 5
100
Để giảm lượng khơng khí lẫn trong dầu ở hệ thống truyền dầu ép ta phải làm kín
ống hút từ bơm và kết cấu bể dầu cho phù hợp, nhiều khi người ta đật bơm thấp hơn
mức dầu trong bế’ dầu.
Việc giảm lượng khơng khí lẫn trong dầu cũng là để giảm chất bẩn trong khơng khí
lẫn vào dầu. Trong khí quyển cứ một lít khơng khí thì có 10 4- 200.000 số lượng hạt bẩn
có kích thước từ (5L- 10) pm. Trong đó có 80% hạt bẩn là bụi thiên thạch có độ cứng là

7 đơn vị, 17% là ơxyt nhơm có độ cứng là 9 đơn vị, cịn lại là các thứ khác (kim cương
có độ cứng là 10 đơn vị, thép: 4,4; đồng: 3, nhôm 2,9 đơn vị).
Dầu bẩn sẽ ảnh Hưởng đến độ tin cậy và khả năng làm việc của thiết bị. Theo tổng
kết của nhiều tài liệu dẫn ra cứ có 100 sự cố trong hệ thống dầu ép thì có 80 - 90 sự cố
là sử dụng dầu bẩn. Các hạt bẩn có tác hại: làm tắc dòng chảy ở van tiết lưu, van phân
phối, làm gián đoạn màng dầu ảnh hưởng xấu cho bôi trơn, làm rung động trong hệ
thống, gây xước, mịn bề mặt làm việc của pittơng,xilanh... Bởi vậy phải lọc sạch dầu
trước khi sử dụng là rất quan trọng.
1.4.3. Lựa chọn dẩu

Chọn dầu trong hệ thống truyền dẫn phải đảm bảo các chỉ tiêu về kỹ thuật, sau đó
là chỉ tiêu kinh tế và an toàn làm việc, chú ý giảm ô nhiễm môi trường.
1.4.3.1. Chỉ tiêu vê k ỹ thuật: Với nguyên tắc chung là độ nhớt phù hợp với điều kiện
làm việc:

2 -‘TĐHTHỦY-KHÍ...

17


- Hệ thống làm việc với vận tốc cao, yêu cầu chọn dầu có độ nhớt thấp để giảm ma
sát sinh nhiệt.
- Hệ thống làm việc với áp suất cao, yêu cầu chọn dầu có độ nhớt cao để giảm sự dò rỉ.
1.4.3.2. Vê' các vấn đê' này cẩn luu ý

a) Đối với hệ thống dầu ép thực hiện chuyển động thẳng làm việc với khoảng áp
suất từ (20-ỉ-30) bar có vận tốc V > 8 m/ph, thường dùng dầu có độ nhớt (11 -ỉ-20) cSt.
b) Đối với hệ thống dầu ép thực hiện chuyển động quay thường dùng dầu có độ
nhớt (204-40) cSt.
c) Đối với hệ thống làm việc với áp suất từ (304-70) bar, thì dùng dầu có độ nhớt

(30 50) cSt; áp suất từ (70 -ỉ-175) bar thì dùng dầu có độ nhớt (60-ỉ- 100)cSt; với áp suất
>175 bar thì dùng dầu có độ nhớt từ (100 4-200) cSt.
Để tạo nên chất lỏng có độ nhớt cao người ta dùng những hỗn hợp đặc biệt gồm
nhiều chất lỏng khác nhau như dầu hoả, các loại dầu, các chất lỏng tổng hợp...
1.
Đối với hệ thống làm việc trong giới hạn nhiệt độ t khá rộng (t -2 0 + 70°c) thì
có thể dùng dầu có độ nhớt (20 4-30) cSt. Nếu cần đảm bảo độ chính xác truyền động
trong trường hợp thay đổi nhiệt độ rộng ta dùng dầu tổng hợp có tên là Silicơn. Nó là
chất trùng hợp hữu cơ Silic có nhiệt độ đơng đặc từ -50° đến -70°c và độ nhớt ít bị thay
đổi trong giới hạn nhiệt độ cao. Một số loại dầu điển hình được ký hiệu theo ISO ở bảng
dưới đây:

18

Độ nhớt tới hạn ỏ 40°

Độ nhót trung bình
ỏ 40° (mm/s)

Thấp nhất

Cao nhất

ISO.VG 2

2,2

1,98

2,24

ISO.VG 3

3 2

2,88

3,52

ISO.VG 5

4,6

4,14

5,00

ISO.VG 7

6,8

6,12

7,48

ISO.VG 10

10

9,0

11

ISO.VG 15

15

13,5

16,5

ISO.VG 22

22

19,8

24,2

ISO.VG 32

32

28,8

35,2

ISO.VG 46

46

41,4

50,6

ISO.VG 68

68

61,2

74,8

ISO.VG 100

100

90

110

ISO.VG 150

150

135

165

ISO.VG 220

220

198

240

ISO.VG 320

320

288

352

ISO.VG 460

460

414

506

ISO.VG 680

680

612

748

ISO.VG 1000

1000

900

1100

ISO.VG1500

1500

1350

1650

Kỷ hiệu theo ISO


2. Độ nhớt ít thay đổi theo nhiệt độ (K ^iy. vì khi nhiệt độ thay đổi, độ nhớt thay
đổi dẫn đến điều kiện làm việc các hệ thống không ổn định.
3. Đảm bảo tính bơi trơn tốt, khơng phá huỷ (ơxy hố, cong vênh, mịn...) các bề
mặt tiếp xúc.
4. Dầu ít bị ơxy hố, dẫn nhiệt tốt, dễ tách nước, mơđun đàn hồi ổn định: ít lẫn khơng
khí. An tồn khi sử dụng như dùng dầu ít gây độc hại, ít bốc hơi ở nhiệt độ mơi trường làm
việc và chú ý phải xử lý dầu có độ tinh sạch cần thiết - phải có bộ lọc phù hợp.
1.5. HIỆU SUẤT TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DAN d ầ u é p

Mạch động lực trong hệ thống truyền dẫn thuỷ - khí được mơ tả trong hình 0.1 bao

gồm từ: Động cơ điện - bơm - ống dẫn chất lỏng - cơ cấu điều khiển, điều chỉnh (các
loại van chỉnh áp, chỉnh lưu, chỉnh hướng...) đến động cơ chuyển động thẳng hoặc
chuyển động quay. Hiệu suất truyền dẫn trong hệ thống này được đánh giá bằng tỷ số
giữa công suất ra của động cơ thuỷ khí và cơng suất vào của trục bơm.
Các dạng tổn thất trong hệ thống:
Mỗi một phần tử chức năng tham gia trong truyền dẫn đều có tổn thất về năng
lượng nhất định. Trong hệ thống truyền dẫn này có hai phần: tổn thất cơ khí và tổn thất
trong dịng chảy.
1.5.1. Tổn thất cơ khí

Là tổn thất do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tương đối như tổn thất trong ổ bi
lắp trong bơm, lắp trong động cơ dầu chuyển động quay; tổn thất trong pittơng và xilanh,
cán pittơng với vịng chắn dầu trong chuyển động thẳng (động cơ dầu chuyển động thẳng).
Tổn thất cơ khí trong bơm được biểu thị bằng hiệu suất cơ khí của bơm:
N

trong đó:

N - cơng suất cần thiết để tao ra lưu lương và áp suất, N =

6.10

- [kW];

p - áp suất của dầu, ( N/m2);
N0<^- công suất thực tế đo trên trục bơm.
Hiệu suất cơ khí của động cơ dầu:

N d - công suất đo trên trục động cơ dầu.
N H]- công suất tương ứng với lưu lượng dầu Q dthực tế chảy qua

động cơ và áp suất để quay động cơ:
N , = -£ % . [kW]
od 6.104
19


Tổn thất cơ khí trong hệ thống là:
Tlc = Tlcb-Tlal
1.5.2. Tổn thất thể tích

Dạng tổn thất này do dầu chảy qua các khe hở của các cơ cấu. Nếu áp suất càng
lớn, độ nhớt của dầu càng nhỏ thì tổn thất thể tích càng lớn. Trong đó áp suất có
ảnh hưởng nhiều nhất. Tổn thất có thể xảy ra ở các bộ phận trong hệ thống dầu ép,
nhưng đáng kể nhất là ở các cơ cấu biến đổi năng lượng: bơm dầu, động cơ dầu (xilanh
truyền lực).
Tổn thất thể tích của bơm được thể hiện bằng hiệu suất thể tích của bơm:

Qb - lưu lượng thực tế của bơm khi làm việc với áp suất p.
Q0 - lưu lượng danh nghĩa của bơm, có thể lấy bằng trị số lưu lượng khi p = 0.

a)
Hình 1,6. Quan hệ p - Q cho bơm dầu
a) Sơ đổ ký hiệu; b) Quan hệ p - Q cho bơm dầu.

Hình 1.6a là sơ đồ ký hiệu bơm lưu lượng cố định và hình l.ổb biểu diễn quan hệ
giữa p - Q kể đến sự dò rỉ dầu của bơm. Đường lý tưởng là khi áp suất tăng khơng có dị
rỉ Qb = Q0 (điều này khó thực hiện).
Tương tự cho động cơ dầu, hiệu suất thể tích của động cơ dầu là:
Ui

=Q
d
Q

Q - lưu lượng dầu vào bơm;
Q J - lưu lượng chảy qua bơm để tạo số vòng thực nđ của bơm.
Theo công thức (1.6): Qd = nđ.qd

20


Hình 1.7. Quan hệ p - Q cho động cơ dầu
a) Sơ đồ ký hiệu; b) Quan hệ p - Q cho động cơ dầu.

Mômen tải trọng M (với chuyển động quay) và lực p (đối với chuyển động thẳng)
tăng lên thì sự dị rỉ càng lớn. Nếu khơng kể đến dị dầu trên đường truyền thì tổn thất
thể tích trong hệ thống được xác định theo hiệu suất thể tích là:
Tl. =rl1h-ĩl1d
1.5.3. Tổn thất áp suất

Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do sức cản trên đường truyền động của dầu từ
bơm đến động cơ dầu. Sức cản này phụ thuộc vào nhiều yếu tố do: chiều dài ống dẫn,
thay đổi tiết diện ống dẫn, thay đổi hướng chuyển động, tốc độ và loại dầu hay độ nhớt
của dầu. Hiệu suất áp suất được tính theo:
_ P _ P o - AP - 1 AP
p„
Po
Po
p0 và p - áp suất vào và ra trong hệ thống.
A p- tổn thất áp suất trên đường dẫn: Ap = Po - p

Những yếu tố về hình dạng hình học trên đường dẫn dầu ảnh hưởng tới Ap thể hiện trên
hình 1.8. Tổn thất trên chiều dài t của ống; tổn thất do thay đổi tiết diện (đột mở, đột thắt); tổn
thất do ống bị cong - thay đổi hướng chuyển động của dầu.

77777

h

Hình 1.8. Dạng tổng quát cho ống dẫn

21


Những yếu tố hoặc những trị số đặc trưng cho sức cản thuỷ lực gọi là trở thuỷ
lực R; gây ra biến dạng gọi là trở biến dạng; gây ra thắng lực quán tính gọi là trở
quán tính.
a) Tẩn thất áp suất trên chiều dài ống có tiết diện khơng đổi
Tổn thất này còn phụ thuộc vào chảy tầng hoặc chảy rối. Đặc trưng cho chế độ chảy
tầng hoặc rối bằng trị số Reynol (Re):
Re =

Lực quán tính của chất lỏng
Lực ma sát trong chất lỏng

v.d
Ví dụ đối với ống trịn: Re = —o
V - vận tốc trung bình trong ống ( mm/s ).
d - đường kính trong ống (mm).
u - độ nhớt động học của dầu (mm2/s)).
Re < 2300 có dịng chảy tầng (dịng chảy tuyến tính).

Re > 2300 có dịng chảy rối (dịng chảy phi tuyến).
Trong trường hợp ống dẫn có chiều dài l > lOOd, cần phải tính đến tổn thất áp suất
do ma sát của dầu trong ống dẫn. Theo [1], tổn thất do ma sát trong ống dẫn với tiết
diện trịn tính theo:
Àp = 8K u - ^
Ở đây:

[bar]

( 1. 12)

Q - lưu lượng dầu [1/ph];
1 - chiều dài ống [m];
d - đường kính trong của ống [mm];
u - độ nhớt động học của dầu

mm'

= cSt

K - hệ số phụ thuộc vào trị số Re.
Nếu

Re < 2000 (tức là — < 1) thì K = u
SKọt9
AP = —
= R.Q
d4
8K oí
R

gọi là trở thuỷ lực tuyến tính.

Nếu

Re > 2000 (tức là — > 1) thì K = 6,8 4
o.,

Thay giá trị K trên vào (1.12) ta có:

22

(1.13)


7

Ap= 8-6' 8ề - ỉ
Ở đây R = 8.6,8

V

1

Vd d
theo [8] có thể tính như sau:

7

Q 4 = R . Q 4 = R Q n,n ^ 1

- gọi là trở thuỷ lực phi tuyến. Với dịng chảy tuyến tính

- Với ống trịn hình 1.9a:

R=

+ Lỗ tiết diện chữ nhật hình 1.9b:

R=

128.TỊ.1
7i.d4

12ĩ].l
, 192b
7ta
ab3. 1—
tgh-—•
u5a
2b.
32,2r|.l
R=
a4
12r|.l
R=
ab3
24t|.l
R=
n(D + d)s3

+ Với lỗ vng a = b:
- Nếu a » b (khe hẹp):
- Với khe hở đối xứng 1.9c:

d » s; 1» s

Khi

a)

b)

Hình 1.9. Mơ tả các tiết diện chảy

Với khe hở lệch tâm 1.9d:
24r|.l

R=

7i(D + d)s3 1+ 1,5
R=
ở đây

vsy

24r|.l
khi e = s.
2,57i(D + d)s?

r| = u.p - độ nhớt động lực học (Ns/m2)

b) Tổn thất áp suất do sức cản cục bộ gây nên được tính theo cơng thức
A p = 1 0 ỉ;. +

2g

V:

N
m

=

l(T4ệ

—

2g

.V2

[bar]

(1.14)

23


Ở đây:

kg

p - khối lượng riêng của dầu,

m

g - gia tốc trọng trường, 9,81™
s .
V -

m

vận tốc trung bình của dầu,

.s .

ệ - hệ số tổn thất cục bộ.
Hệ số tổn thất cục bộ của từng bộ phận trong hệ thống thuỷ lực thường được xác
định bằng thực nghiệm. Trên hình 1.8 là ví dụ, ệị là hệ số tổn thất cục bộ đối với thay
đổi tiết diện chảy đột mở, £,2 với tiết diện đột thắt và

với dòng chảy đổi hướng:

c) Tổn thất áp suất để thắng quán tính dầu
Giả sử cần đẩy khối lượng dầu m
chuyển động với gia tốc a (khi khởi động
chẳng hạn). Khối lượng dầu m được tính
(hình 1.10): m = lSp
Ở đây:

Q

1 - chiều dài chứa dầu.
s - diện tích đường ống.
p - khối lượng riêng của dầu.
Phương trình cân bằng về lực ta có:
(p , - p 2 ).s - ma = 0

dv
Thay Ap = p, - p2: Àp.S-m — = 0
dt
m dS.v m dQ
Ap
s z dt
s 2~dt
z dt

Hình 1.10. Sơ đồ mơ tả
tính trỏ quán tính

dQ
dt

L - trở quán tính - ký hiệu:
di
(liên hệ với truyền dẫn điện AU = L. — )
dt

(1.15)
Pi /~ \r\r\ P2

d) Tổn thất áp suất làm biến dạng dầu và thành ống
Giả sử có thể tích dầu ban đầu V0 = l.s ở áp
suất p ị . Khi tăng lên áp suất p2 dầu chịu nén
một lượng AV. Theo phần (1.4.2) ta có:
V.
V..
AV=- ^ L(P2- Pi ) = — Ap
Đạo hàm hai vế theo thời gian:
dAV v{) dAp
dt
E, dt
24

Q
I

1
1

'2

Hình 1.11. Sơ dồ mơ tả
tính trở biến dạng

=c
dt