Giáo trình truyền động thủy lực và khí nén pgs ts bùi hải triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Pgs.ts. BÙI HẢI TRIỀU (Chủ biên)
ts. nGUYỄN NGỌC QUẾ, ts. ðỖ HỮU QUYẾT
TS. NGUYỄN VĂN HỰU





GIÁO TRÌNH
TRUYỀN ðỘNG THUỶ LỰC
VÀ KHÍ NÉN














Hµ néi – 2006

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật tự động hoá,
kỹ thuật điện tử và kỹ thuật số, kỹ thuật thuỷ khí ngày càng có ý nghĩa lớn trong các hệ thống
truyền động và điều khiển. Trong các lĩnh vực chế tạo máy và kỹ thuật ô tô - máy kéo, thuỷ
lực và khí nén đang có một vai trò đáng kể do có mật độ công suất cao, cấu trúc hệ thống đơn
giản, độ tin cậy cao, và đặc biệt là có khả năng thiết lập một hệ thống truyền động và điều
khiển bất kỳ với các phần tử cấu trúc tiêu chuẩn. Hơn nữa, khả năng bố trí các phần tử tự do và
linh động theo không gian và sử dụng các van điều khiển điện có chi phí công suất nhỏ là tiền
đề quan trọng cho các giải pháp truyền động hiện đại.
Đặc điểm của hệ thống truyền động thuỷ lực, khí nén là các phần tử cấu trúc đòi hỏi độ
chính xác chế tạo và độ bền rất cao, do đó để chế tạo hoàn thiện một hệ thống với trình độ
công nghệ hiện tại ở nớc ta là cha cho phép. Thiết kế hệ thống trên cơ sở lựa chọn và nhập
ngoại các phần tử cấu trúc tiêu chuẩn, tự chế tạo các phần thô để hoàn thiện hệ thống truyền
động và điều khiển theo nhiệm vụ công nghệ cho trớc đang là hớng đi đúng để phát triển kỹ
thuật thuỷ lực và khí nén ở Việt Nam hiện nay. Đó cũng chính là mục đích mà cuốn sách này
muốn đạt đến. Giáo trình Truyền động Thuỷ lực và Khí nén giới thiệu những kiến thức cơ
bản nhất trong kỹ thuật thuỷ lực và khí nén, nh các cơ sở vật lý và kỹ thuật của thuỷ lực và
khí nén, các nguyên tắc cấu tạo và các tính chất hoạt động cơ bản của các phần tử cấu trúc nh
bơm dầu, máy nén khí, các van điều khiển, các động cơ và các xy lanh lực. Bên cạnh đó, cuốn
sách còn đề cập đến các kiến thức về kết nối mạch thuỷ lực, khí nén, về tính chất hoạt động
của các mạch truyền động và điều khiển tiêu biểu, về khả năng điều khiển và điều chỉnh hệ
thống một cách tự động, từ đó tạo khả năng để lựa chọn các phần tử tiêu chuẩn và thiết kế các
hệ thống truyền động, điều khiển thuỷ lực, khí nén phù hợp với yêu cầu công nghệ đ đặt ra.
Giáo trình truyền động thuỷ lực và khí nén đợc biên soạn theo yêu cầu giảng dạy môn
học Truyền động Thuỷ lực và Khí nén cho sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, trờng Đại học
Nông nghiệp I - Hà Nội. Kiến thức của môn học làm cơ sở cho các môn học tiếp theo, nh ô
tô - máy kéo và xe chuyên dụng, các máy nông nghiệp phức tạp, máy và thiết bị trong bảo
quản và chế biến nông sản. Ngoài ra, giáo trình cũng có thể đợc sử dụng làm tài liệu tham
khảo cho sinh viên và kỹ s hoạt động trong các lĩnh vực chế tạo máy và tự động hoá.
Giáo trình này do PGS. TS. Bùi Hải Triêù, trởng bộ môn Kỹ thuật Động lực làm chủ

biên, TS. Nguyễn Văn Hựu - bộ môn Máy Nông nghiệp, TS. Nguyễn Ngọc Quế - bộ môn Kỹ
thuật Động lực, TS. Đỗ Hữu Quyết bộ môn Cơ học kỹ thuật cùng tham gia biên soạn.
Giáo trình này đợc biên soạn trên cơ sở những tài liệu giảng dạy và nghiên cứu trong
và ngoài nớc về kỹ thuật thuỷ khí, về ứng dụng của thuỷ lực và khí nén trong các lĩnh vực kỹ
thuật, đặc biệt là ứng dụng trên các máy tự hành hoạt động trong các lĩnh vực: lâm nghiệp, xây
dựng, giao thông, khai khoáng
Để hoàn thiện cuốn giáo trình này các tác giả xin cám ơn TS. Hans Maack, viện Cơ
Điện tử và Kỹ thuật Truyền động, Trờng Tổng hợp Rostock đ tặng và giúp su tầm các tài
liệu quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ khí. Các tác giả cũng xin cảm ơn GS. TS. Renuis,
Viện máy Nông nghiệp, trờng Bách khoa Munich đ khuyến khích, t vấn xây dựng môn học
và giáo trình Truyền động Thuỷ lực và Khí nén ứng dụng trong lĩnh vực cơ khí nông nghiệp.
Môn học Truyền động thuỷ lực và khí nén lần đầu tiên đợc xây dựng, do đó giáo trình
sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong bạn đọc đóng góp những ý kiến để cuốn sách
đợc hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp phê bình xin gửi về Bộ môn Kỹ thuật Động lực,
Khoa Cơ - Điện, Trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội. Xin chân thành cảm ơn!
Các tác giả

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….1
Mở ñầu

Trong ngành cơ khí, truyền ñộng thuỷ lực và khí nén ñược xếp vào chuyên ngành kỹ
thuật truyền lực. Nhiệm vụ của kỹ thuật truyền lực là xây dựng hệ thống truyền lực của máy
hay thiết bị sao cho nhiệm cụ công nghệ của chúng ñược thực hiện tối ưu. Thí dụ hệ thống
truyền lực của một xe hơi, hệ thống truyền lực của một máy ép,…

Hình 1. Sơ ñồ nguyên lý của một hệ thống truyền lực

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền lực ñược trình bày trên hình 1. Công suất
truyền lực ñược cung cấp từ ñộng cơ ñiện hay ñộng cơ ñốt trong. Các thông số ra M
e
và ω
e

của ñộng cơ cần ñược chuyển ñổi thành các thông số vào yêu cầu của một máy hay thiết bị
chuyển ñộng quay M
a
, ω
a
, hoặc là các thông số vào của máy hay thiết bị chuyển ñộng tịnh
tiến F
a
, v
a
nhờ một bộ chuyển ñổi. Nhiệm vụ chuyển ñổi năng lượng này ñược các hệ thống
truyền ñộng ñảm nhận. ðối với các máy công tác khác nhau, các nhà thiết kế có rất nhiều
dạng truyền ñộng khác nhau ñể lựa chọn ra phương án phù hợp với ñiều kiện cụ thể.
Các hệ thống truyền ñộng có thể ñược phân loại theo loại phần tử ñể chuyển ñổi các
thông số vào thành các thông số ra:
* Truyền ñộng cơ học: Các phần tử truyền năng lượng là các bộ truyền cơ học (
bánh
răng, ñai, xích, v.v.). Trong loại truyền ñộng này việc thay ñổi tỷ số truyền vô cấp chỉ có thể
thực hiện trong khoảng giới hạn. Truyền ñộng cơ học yêu cầu một không gian lắp ñặt cố ñịnh
giữa ñộng cơ truyền lực và máy công tác.
* Truyền ñộng ñiện: Tần số quay của ñộng cơ ñiện hiện nay có thể thay ñổi trong

một khoảng rộng. Nhờ ñó một phần chức năng truyền ñộng từ ñộng cơ và ñiều khiển truyền
ñộng ñã ñược thực hiện ngay trên ñộng cơ ñiện. Trong ña số các trường hợp, hệ thống truyền
ñộng ñiện cần có một bộ truyền cơ học với tỷ số truyền không ñổi ñể làm thích ứng mô men
quay và tần số quay với các thông số yêu cầu của thiết bị cần dẫn ñộng. Hệ thống truyền ñộng
ñiện cũng yêu cầu một không gian lắp ñặt xác ñịnh giữa ñộng cơ và máy công tác.
* Truyền ñộng thuỷ lực: Trong truyền ñộng thuỷ lực việc truyền công suất trong hệ
thống do chất lỏng ñảm nhận. Tuỳ theo việc sử dụng năng lượng của dòng chất lỏng là thế
năng hay ñộng năng mà hệ thống ñược gọi là truyền ñộng thuỷ tĩnh hay truyền ñộng thuỷ
ñộng.
+ Truyền ñộng thuỷ tĩnh làm việc theo nguyên lý choán chỗ. Trong trường hợp ñơn
giản nhất, hệ thống gồm một bơm ñược truyền ñộng cơ học cung cấp một lưu lượng chất lỏng
ñể làm chuyển ñộng một xy lanh hay một ñộng cơ thuỷ lực. Áp suất tạo bởi tải trọng trên
ñộng cơ hay xi lanh lực cùng với lưu lượng ñưa ñến từ bơm tạo thành công suất cơ học truyền
ñến các máy công tác. ðặc tính của truyền lực thuỷ tĩnh có tính chất: tần số quay cũng như
vận tốc của máy công tác trong thực tế không phụ thuộc vào tải trọng. Do có khả năng tách
bơm và ñộng cơ theo không gian và sử dụng các ñường ống rất linh ñộng nên không cần một
không gian lắp ñặt xác ñịnh giữa ñộng cơ và máy công tác. Trên hệ thống truyền ñộng thuỷ
tĩnh có thể thay ñổi tỷ số truyền vô cấp trong một khoảng rộng. Chất lỏng thuỷ lực hiện nay
ðộng
cơ
Hệ thống
truyền ñộng
Máy hay thiết bị
cần dẫn ñộng
M
e
,
ω
e

M
a
,
ω
a
, (F
a
, v
a
)

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….2
có thể ñược sử dụng là dầu từ dầu mỏ, chất lỏng khó cháy, dầu có nguồn gốc thực vật hoặc
nước.
+ Truyền ñộng thuỷ ñộng ñược cấu tạo từ một phần bơm và một phần ñộng cơ (tua
bin). Việc chuyển ñổi mô men và tần số quay ñược thực hiện nhờ ñộng năng của khối chất
lỏng. ðường ñặc tính của truyền ñộng thuỷ ñộng có tính chất: tần số quay của phần bị ñộng
giảm khi mô men quay tăng. Trong sử dụng, truyền ñộng thuỷ ñộng có cấu trúc gọn nhưng
yêu cầu có một không gian xác ñịnh giữa ñộng cơ và thiết bị cần dẫn ñộng.
* Truyền ñộng khí nén: Cấu trúc tổng quát của truyền ñộng khí nén cũng tương tự
như cấu trúc của truyền ñộng thuỷ tĩnh. ðiều khác biệt cơ bản dẫn ñến sự khác biệt về tính
chất hoạt ñộng và cấu trúc của các chi tiết là môi chất truyền năng lượng. Trong các hệ thống
truyền ñộng khí nén môi chất là không khí nén – một chất “lỏng” chịu nén. Như vậy có thể
lấy không khí từ môi trường, nén lại, truyền dẫn làm hoạt ñộng các ñộng cơ khí nén hoặc xy
lanh khí nén và lại thải ra môi trường.
Ngoài ra ñể thiết kế một hệ thống truyền lực còn có các giải pháp kết hợp: thuỷ lực –
khí nén; ñiện – khí nén; ñiện – thuỷ lực, …
Giải pháp tối ưu cho một nhiệm vụ ñiều khiển và truyền lực luôn phụ thuộc vào mức
ñộ thực hiện các yêu cầu công nghệ, kỹ thuật và kinh tế. Trong kỹ thuật có hàng loạt các

trường hợp ứng dụng và các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu. Khi ñó việc lựa chọn sử dụng loại
truyền lực và truyền ñộng nào là dựa vào các lợi thế ñặc biệt của một loại. Các bộ truyền lực
tịnh tiến ñể khắc phục lực tải lớn với vận tốc nhỏ thường ñược thực hiện bằng thuỷ lực. Thí
dụ cho các trường hợp này là các máy nén ép trong công nghiệp ô tô và công nghiệp chế tạo
vật liệu nhân tạo, bộ phận nâng hạ trong các máy nâng hàng, máy xúc và cần cẩu tự hành,…
Cả truyền ñộng của các máy công tác hạng nặng và các máy công nghiệp cũng ñược thực hiện
bằng thuỷ lực. Trong các máy công cụ, trong kỹ thuật rô bốt và chế tạo máy, trong chế tạo tàu
biển, hàng không, trên các xe vận tải cũng luôn gặp các ứng dụng của kỹ thuật thuỷ lực và khí
nén. Trong kỹ thuật truyền lực, ñiều khiển và ñiều chỉnh ngoài thuỷ lực và khí nén còn ứng
dụng cả các giải pháp cơ học, ñiện - ñiện tử hoặc liên hợp các giải pháp. ðặc biệt các bộ
truyển thuỷ lực - ñiện và khí nén - ñiện ngày càng ñược phát triển rộng rãi do ñược kết nối
với máy tính và ứng dụng kỹ thuật ñiều khiển số. Các hệ thống thuỷ lực và khí nén ñiều khiển
số ngày càng có ý nghĩa lớn trong sản xuất.
Những cơ sở vật lý, những kiến thức về cấu trúc, các nguyên lý hoạt ñộng của các
thiết bị cũng như các mạch thuỷ lực và khí nén ñược trình bày trong cuốn sách sẽ giúp cho
sinh viên và các kỹ sư cơ khí có thể thiết kế ñược các hệ thống truyền lực thuỷ lực và khí nén
hoạt ñộng có hiệu quả và chính xác. Từ ñó tạo ra khả năng mở rộng phạm vi ứng dụng của kỹ
thuật thuỷ khí.











Tr

ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….3
Phần A
Truyền ñộng thuỷ lực
Chương I
Cơ sở kỹ thuật truyền ñộng thuỷ lực
1.1. Cấu trúc và hoạt ñộng của một bộ truyền ñộng thuỷ lực
Cấu trúc và tác ñộng lẫn nhau của các nhóm cấu trúc truyền ñộng thuỷ lực ñược trình
bày trên hình 1.1. Phần thuỷ lực bao gồm bơm thuỷ lực ñể tạo dòng dầu có áp suất, xy lanh
thuỷ lực hoặc ñộng cơ thuỷ lực là phụ tải. Giữa các phần tử cơ bản còn có ống dẫn dầu, các
van ñiều khiển và các bộ phận phụ trợ thuỷ lực ñặc biệt như bình lọc, bộ làm mát, bộ tích áp
và các bộ phận khác.

















Hình 1.1. Sơ ñồ truyền công suất trong một thiết bị thuỷ lực

Máy ñộng lực thường ñược sử dụng là ñộng cơ ñiện hoặc ñộng cơ ñốt trong, truyền
cho bơm mô men quay M
1
và tần số quay n
1
(v/s) và cung cấp một công suất cơ học:
P
ch.
=2 πM
1
n
1


Công suất này ñược chuyển ñổi thành công suất thuỷ lực trong bơm:
P
rl.
= pQ,
trong ñó: p là áp suất dầu yêu cầu từ máy công tác; Q- lưu lưu lượng ñược tính từ tần
số quay và kích thước của bơm.
Dòng dầu có áp suất trong thiết bị thuỷ lực ñược dẫn qua các ñường ống và các van
ñiều khiển ñến xy lanh lực hoặc ñộng cơ thuỷ lực, tại ñó công suất thuỷ lực lại ñược biến ñổi
thành công suất cơ học cần thiết của máy công tác. ðối với các xy lanh thuỷ lực công suất cần
thiết ñược tính theo lực yêu cầu trên cần pít tông và vận tốc pít tông:
P
ch.
= Fv
ðối với ñộng cơ thuỷ lực công suất yêu cầu ñược tính theo số liệu của máy công tác:
Máy ñ
ộng

lực
(ñộng cơ
ñiện hoặc
ñộng cơ
ñốt trong)
Máy công
tác (máy nén
ép hoặc
truyền lực
chuy
ển ñộng
của xe hơi)

Bơm
thuỷ lực

ðường ống

Phụ kiện
Phần tử
ñiều khiển

Xy lanh
thuỷ lực
hoặc ñộng
cơ thuỷ lực

Chuy
ển ñổi
công suất

cơ học
11ch
MP
ω
=


Công su
ất
thuỷ lực
P
rl
= p.Q
M
1
n
1


p
Q

F v

M
2
n
2

Chuyển ñổi công

suất cơ học

P
ch
= F.v
hoặc
22ch
MP
ω
=




Công suất
thuỷ lực
P
rl
= pQ


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….4
P
mech.
= 2 πM
2
n
2

Sơ ñồ kỹ thuật biểu diễn bộ truyền theo ký hiệu mạch xy lanh thuỷ lực ñược trình bày
trên hình 1.2. Hình trên cùng (1.2a) mô tả hoạt ñộng chung của bơm thuỷ lực, xy lanh thuỷ lực
và thùng dầu. Trong sơ ñồ này sử dụng bơm có thể tích làm việc không ñổi và một xy lanh tác
ñộng kép. Bơm thuỷ lực hút dầu từ bình và cung cấp lưu lượng dầu Q với áp suất p ñến xy
lanh. Lưu lượng Q tỷ lệ thuận với tần số quay của bơm dầu và xác ñịnh vận tốc của pít tông.
Mô men truyền lực tỷ lệ thuận với áp suất ñược tạo ra ứng với tải trọng tác ñộng lên pít tông.

Hình 1.2. Truyền ñộng cho một xy lanh thuỷ lực
a- Cấu trúc cơ bản; b- Hành tình tiến; c- Hành trình trả về.

Do bơm chỉ cung cấp một phía, trong khi ñó xy lanh lại cần chuyển ñộng ñược cả hai
chiều, cho nên cần bố trí một van phân phối ñể hướng dẫn dòng dầu ñến mỗi phía mong muốn
của pít tông. Van phân phối xác ñịnh việc khởi hành, dừng lại và chiều chuyển ñộng (nghĩa là
toàn bộ quá trình chuyển ñộng) của pít tông. Trên hình 1.2b van phân phối ñang ở vị trí ñiều
khiển hành trình tiến của pít tông. Lúc ñó dòng dầu từ bơm chuyển ñộng qua van ñến phần bên
trái của xy lanh và ñẩy pít tông chuyển ñộng sang phải, ñồng thời phần dầu ở ngăn bên phải
pít tông ñược chảy qua van trở về thùng. Hành trình trả về ñược thực hiện khi van phân phối ở
vị trí ñối diện (hình 1.2c). Tại vị trí trung gian của van phân phối cả hai ñường dầu ñến xy lanh
ñều bị chặn lại và dòng dầu từ bơm có thể chảy gần như không có áp suất về thùng.
ðể ñảm bảo an toàn cho thiết bị thuỷ lực hoặc hạn chế áp suất cực ñại người ta sử
dụng các van giới hạn áp suất (hình 1.2b,c). Khi áp suất dầu tạo ra áp lực lớn hơn lực lò xo,
a)
b)
c)


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….5
van sẽ mở ra và dòng dầu từ bơm sẽ chảy qua van về thùng mang theo cả phần nhiệt lượng
sinh ra khi ñó trong hệ thống.
Sơ ñồ truyền ñộng cho một ñộng cơ thuỷ lực cũng có thể ñược sử dụng tương tự. Sơ
ñồ hoạt ñộng và sơ ñồ mạch thuỷ lực ñối với ñộng cơ thuỷ lực không thay ñổi thể tích làm việc
ñược trình bày trên hình 1.3. ðộng cơ có thể quay hai chiều nhờ chuyển mạch van phân phối.
Van giới hạn áp suất ñược bố trí ñể giới hạn mô men quay khi quá tải.

Hình 1.3. Truyền ñộng cho một ñộng cơ thuỷ lực
1- Van giới hạn áp suất; 2- Van phân phối 4/3; 3- ðộng cơ thuỷ lực.
Trong nhiều trường hợp sử dụng cần tìm những giải pháp thích hợp cho các hệ thống
truyền lực. Khi ñó cần biết ưu ñiểm, nhược ñiểm của mỗi loại truyền lực. Các tính chất ưu việt
của truyền ñộng thuỷ lực ñược tóm tắt như sau:
• Kết cấu ñơn giản nhờ các cụm chi tiết tiêu chuẩn;
• Có thể bố trí tự do tất cả các chi tiết mà không cần chú ý ñến vị trí của liên hợp cơ
học;
• Truyền lực lớn khi thể tích kết cấu tương ñối nhỏ do có trọng lượng trên ñơn vị công
suất của bơm và ñộng cơ nhỏ (trọng lượng công suất của ñộng cơ thuỷ lực so với ñộng
cơ ñiện là 1/10);
• Tính chất ñộng lực học khá tốt (tăng tốc, giảm tốc) do mô men quán tính của ñộng cơ
thuỷ lực nhỏ (tỷ lệ mô men quán tính so với ñộng cơ ñiện cùng mô men quay là 1/50);
• Chuyển ñổi ñơn giản chuyển ñộng quay thành chuyển ñộng dao ñộng và ngược lại;
• ðảo chiều ñơn giản;
• Thay ñổi tỷ số truyền vô cấp theo tải trọng (ñặc biệt có lợi cho các máy tự hành);
• Bảo vệ quá tải ñơn giản nhờ van giới hạn áp suất;
• Giám sát ñơn giản nhờ áp kế;
• Có khả năng tự ñộng hoá chuyển ñộng dễ dàng.
Bên cạnh ñó, các nhược ñiểm làm hạn chế khả năng sử dụng truyền ñộng thuỷ lực là:
• Hiệu suất thấp so với truyền ñộng cơ học, do ma sát của chất lỏng trong ñường ống và
các phần tử, do hao tổn lọt dòng trong các khe hở lắp ghép;

• Không thể (hay khó) ñồng bộ quá trình chuyển ñộng do hiện tượng trượt giữa phần
chủ ñộng và phần thụ ñộng, do hao tổn lọt dòng và tính chịu nén của dầu;
• Chi phí chế tạo cao do yêu cầu ñộ chính xác cao của các phần tử trong hệ thống thuỷ
lực.
1

3
2


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….6
1.2. Chất lỏng thuỷ lực
Chất lỏng thuỷ lực là môi chất mang năng lượng trong hệ thống thuỷ lực. Kiến thức về
loại chất lỏng, về tính chất và về tính chất hoạt ñộng có ý nghĩa rât lớn ñối với việc thiết kế và
vận hành các thiết bị thuỷ lực.
1.2.1. Nhiệm vụ và yêu cầu
Nhiệm vụ của chất lỏng thuỷ lực là truyền lực và lưu thông dưới dạng một dòng chất
lỏng có áp suất từ bơm thuỷ lực ñến ñộng cơ và xy lanh thuỷ lực. Ngoài ra chất lỏng thuỷ lực
còn ñảm nhận việc bôi trơn, chống rỉ và làm mát các chi tiết của hệ thống.
Yêu cầu về chất lỏng thuỷ lực xuất phát từ nhiệm vụ của chúng. Tuy nhiên giữa các
thiết bị khác nhau có các dạng yêu cầu khác nhau, ñôi khi còn mâu thuẫn với nhau. Có thể
tham khảo các yêu cầu quan trọng nhất dưới ñây:
• Tính chất nhiệt ñộ - ñộ nhớt hợp lý, ñộ nhớt cần thay ñổi ít nhất trong khoảng nhiệt ñộ
rộng ;
• Tính chất chống mòn và bôi trơn tốt, cần lưu ý là luôn xuất hiện chế ñộ ma sát hỗn
hợp nhất là ñối với các máy thuỷ lực pít tông;
• Tính chống rỉ tốt, thích ứng với các phớt làm kín, các phần tử cao su, vật liệu nhân tạo
và hợp kim ;
• ðộ bền lão hoá tốt kể cả trong các ñiều kiện làm việc nặng nề ;

• Khả năng tách bọt khí tốt.
1.2.2. Phân loại chất lỏng thuỷ lực
a) Các loại
Trong truyền ñộng thuỷ tĩnh người ta sử dụng chủ yếu các loại chất lỏng thuỷ lực sau:
- Chất lỏng thuỷ lực từ dầu mỏ (dầu khoáng);
- Chất lỏng thuỷ lực khó cháy.
Dầu khoáng là chất lỏng thuỷ lực ñược sử dụng phổ biến nhất, ñây là loại dầu chuyên
dùng cho các thiết bị thuỷ lực có pha thêm một số chất phụ gia. Các chất phụ gia dùng ñể cải
thiện các tính chất của dầu thuỷ lực, thí dụ tính chất nhớt – nhiệt ñộ, tính chất bôi trơn –
chống mòn, tính chất chống rỉ hoặc ñộ bền lão hoá.
Chất lỏng thuỷ lực khó cháy có nhiệt ñộ bắt cháy cao hơn hẳn dầu khoáng, thường
ñược sử dụng trên các thiết bị có nguy cơ cháy nổ. Có hai loại chất lỏng thuỷ lực khó cháy là
chất lỏng chứa nước có nguồn gốc dầu mỏ và chất lỏng không chứa nước trên cơ sở vật liệu
tổng hợp.
Ngoài ra trên các thiết bị tự hành còn sử dụng dầu ñộng cơ và dầu truyền lực làm
chất lỏng thuỷ lực. Dầu này ñược sử dụng trong một mạch dầu chung vừa ñể bôi trơn ñộng cơ
và hộp số, vừa ñể thực hiện cả nhiệm vụ truyền lực trong hệ thống thuỷ lực.
ðôi khi trên các thiết bị di ñộng và có nhiệt ñộ làm việc thấp người ta còn sử dụng
dầu truyền lực tự ñộng (ATF) làm chất lỏng thuỷ lực, ví dụ trong bộ phận lái tuỳ ñộng của
PKW.
b) Cơ sở phân loại

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….7
Dầu khoáng ñược phân loại theo ñộ nhớt (Viscosity Grad: VG). Cơ sở phân loại theo
ñộ nhớt là dựa trên ñộ nhớt ñộng học trung bình tại nhiệt ñộ chuẩn 40
0
C (bảng 1.1). ðể thiết
bị thuỷ lực hoạt ñộng tốt cần giữ một giới hạn ñộ nhớt xác ñịnh, giới hạn ñó ñược các nhà sản
xuất dầu thuỷ lực quy ñịnh. Dưới ñây là một số giá trị kinh nghiệm có thể tham khảo:

ν
max
(khởi hành lạnh) 50 … 1000 mm
2
/s (cSt);
ν
hñ
(hoạt ñộng lâu dài) 15 80 mm
2
/s (cSt);
ν
min
(hoạt ñộng ngắn hạn) 10 mm
2
/s (cSt).
Bảng 1.1 Phân loại ñộ nhớt ISO ñối với dầu thuỷ lực theo DIN E51524
Loại ñộ nhớt ðộ nhớt ñộng học trung bình ở 40
0
C (mm
2
/s - cSt)
ISOVG 10 10
ISOVG 22 22
ISOVG 32 32
ISOVG 46 46
ISOVG 68 68
ISOVG 100 100

Chất lỏng thuỷ lực khó cháy ñược phân ra 4 vùng ñộ nhớt theo báo cáo Luxemburg
lần thứ 5 (bảng 1.2).

Bảng 1.2. Phân loại ñộ nhớt chất lỏng thuỷ lực khó cháy
Vùng ñộ nhớt ðộ nhớt ñộng học ở 50
0
C (mm
2
/s - cSt)
HFA - 1 1 ñến 1,5
HFA – 2 11 ñến 14
HFA – 4 20 ñến 40
HFA - 8 50 ñến 70

Dầu ñộng cơ và dầu truyền lực ñược phân loại theo SAE.
Bảng 1.3 trình bày các giá trị số liệu quan trọng nhất của các chất lỏng thuỷ lực thông
dụng trên các thiết bị thuỷ lực tự hành.
Bảng 1.3. Tổng hợp các số liệu quan trọng nhất của chất lỏng thuỷ lực
Tính chất vật liệu Ký hiệu ðơn vị Dầu khoáng
ðộ nhớt ñộng học ở 40
0
C
ν
mm
2
/s 10 - 100
Khối lượng riêng ở 15
0
C
ρ
g/cm
3
0,85 – 0,91

Hệ số giãn nở nhiệt
γ
1/K
≈ 0,65.10
-4

ðộ nén k 1/bar
≈ 7.10
-5

Mô ñun nén K bar
≈ 1,4.10
4

Hệ số hoà tan Bunsen
α
1
≈ 0,09

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….8
Nhiệt dung riêng C kJ/(kg.
0
K) 1,83 – 1,91
Hệ số dẫn nhiệt ở 20
0
C
λ
W/(m.
0

K) 0,11 – 0,14
Nhiệt ñộ bốc cháy t
F

0
C 125 – 205
Nhiệt ñộ tự cháy t
Z
0
C 310 – 360
Nhiệt ñộ hoạt ñộng cực ñại t
max

0
C 90

Do sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ lực và chất lỏng thuỷ lực,
do sự cần thiết làm thích ứng các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế với nhau nên việc tiêu chuẩn
hoá luôn nằm trong trạng thái vận ñộng. Các trích dẫn trong tài liệu này chỉ ñưa ra một số các
tiêu chuẩn quan trọng nhất ñể tham khảo.
1.2.3. Các tính chất vật lý
a) Tính chất nhớt
ðộ nhớt là một thông số ñặc trưng ñặc biệt quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật thuỷ
lực. ðộ nhớt cung cấp thông tin về ma sát trong của chất lỏng thuỷ lực và cùng với khối lượng
riêng của chất lỏng cung cấp thông tin về tính chất cản trên dòng chảy (thí dụ trên ñường ống),
và quan trọng hơn cả là cung cấp thông tin về khả năng tải của chất lỏng, có nghĩa là về khả
năng chịu tải của các phần tử máy, các trục trên ổ trượt hoặc pít tông và xy lanh.
ðể dễ dàng làm sáng tỏ khái niệm ñộ nhớt có thể sử dụng một thí dụ quen thuộc dưới
ñây (hình 1.4): Hai tấm phẳng song song chuyển ñộng tương ñối với nhau với một vận tốc nhỏ
có môi trường ngăn cách là chất lỏng. Tấm phẳng dưới không chuyển ñộng còn tấm phẳng

trên chuyển ñộng sang phải với vận tốc v
xp
. Trong khoảng cách giữa hai tấm có sự phân bố
vận tốc chất lỏng theo tỷ lệ:



h
V
y
)y(V
xp
x
=


Hình 1.4. Phân bố vận tốc chất lỏng giữa hai tấm phẳng song song
Từ ñó xuất hiện sức cản ma sát trên một ñơn vị diện tích hay còn gọi là ứng suất trượt
ma sát:
dy
dV
x
η−=τ

ð
ây là
ñị
nh lu
ậ
t Niu t

ơ
n quen thu
ộ
c v
ề
ma sát, trong
ñ
ó h
ệ
s
ố
t
ỷ
l
ệ
η
ñượ
c g
ọ
i là
ñộ

nh
ớ
t
ñộ
ng l
ự
c h
ọ

c.

ðố
i v
ớ
i k
ỹ
thu
ậ
t thu
ỷ
l
ự
c
ñộ
nh
ớ
t
ñộ
ng h
ọ
c ν th
ườ
ng có kh
ả
n
ă
ng bi
ể
u hi

ệ
n cao h
ơ
n
vì nó mô t
ả
tính ch
ấ
t dòng ch
ả
y c
ủ
a ch
ấ
t l
ỏ
ng d
ướ
i
ả
nh h
ưở
ng c
ủ
a quán tính kh
ố
i l
ượ
ng và l
ự

c
tr
ọ
ng tr
ườ
ng.
h

v
x
= 0
y

x

v
xp

v
x
(y)

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….9

ρ
η
=ν
(1.2)
Các hệ ñơn vị dưới ñây ñược sử dụng cho ñộ nhớt:

+ ðộ nhớt ñộng lực học η:
1 Ns/m
2
= 1 Pa.s = 10
3
mPa.s
hoặc 1 P (Poise) = 100 cP = 10
-1
Ns/m
2
;
+ ðộ nhớt ñộng học ν:
1 m
2
/s = 10
6
mm
2
/s
hoặc 1 St (Stoke) = 100 cSt = 100 mm
2
/s.
Cả hai loại ñộ nhớt phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt ñộ và áp suất.
Tính chất nhiệt ñộ - ñộ nhớt
Nhiệt ñộ càng tăng ñộ nhớt của chất lỏng càng giảm. Chất lỏng thuỷ lực bị loãng ñi thì
sức cản ma sát giảm, tuy nhiên khả năng tải của chất lỏng cũng giảm. Tính chất ñộ nhớt –
nhiệt ñộ cho trường hợp dầu khoáng ở áp suất khí quyển có thể ñược biểu diễn bằng công thức
thực nghiệm:
ϑ+
=ϑη

c
b
ke)(

hoặc theo dạng:

kln
c
b
)(ln +
ν+
=ϑη
(1.3)
Hệ số k ñược tính bằng Ns/m
2
, các hệ số b, c ñược tính bằng
0
C.
Sự phụ thuộc mạnh của ñộ nhớt ñộng học vào nhiệt ñộ ñược thể hiện rõ hơn trên ñồ
thị hình 1.5. ðặc biệt thấy rõ rằng, sự thay ñổi nhiệt ñộ ở vùng nhiệt ñộ thấp làm thay ñổi ñộ
nhớt mạnh hơn ở vùng nhiệt ñộ cao. Thí dụ với dầu khoáng:
Khi thay ñổi nhiệt ñộ từ 20
0
C lên 30
0
C, ñộ nhớt giảm từ 134,5 xuống 75,4 mm
2
/s;
Khi thay ñổi nhiệt ñộ từ 60
0

C lên 70
0
C, ñộ nhớt giảm từ 20,7 xuống 14,9 mm
2
/s.










ðộ nhớt ñộng học
ν

0

100

200

300

400

600

mm
2

s
ðộ nhớt ñộng học ν
5

ISO VG32

22
10

ISO VG100

62
46
10

20

50

100

200

500

1000

10000

mm
2
/s


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….10









Trong thực tế các nhà thiết kế không tính toán tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ theo công
thức (1.3) mà tra theo một biểu ñồ ñơn giản do các hãng sản xuất dầu khoáng cung cấp, biểu
ñồ Ubbelohde (hình 1.6).
ðể mô tả tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ, ñặc biệt ñể so sánh các loại dầu với nhau
người ta thường sử dụng một thông số ñặc trưng nữa gọi là chỉ số ñộ nhớt VI. VI càng tăng
ñường cong ñộ nhớt – nhiệt ñộ càng thẳng hơn, có nghĩa là ñộ nhớt thay ñổi càng ít theo nhiệt
ñộ. VI của các dầu khoáng thông thường có giá trị ≈ 100, nếu bổ sung chất phụ gia có thể làm
tăng giá trị VI.
Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt
Áp suất tăng sẽ làm tăng ñộ nhớt của chất
lỏng thuỷ lực. Chất lỏng trở nên ñặc hơn sẽ làm
tăng sức cản ma sát, tuy nhiên cũng làm tăng khả

năng tải. Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt
cũng có thể ñược xác ñịnh từ công thức thực
nghiệm:

)pp(
o)P(
o
e
−α
η=η

(1.4)
Trong ñó: η
0
là ñộ nhớt ñộng lực học tại áp
suất p
0
; α (1/bar) là hệ số áp suất – ñộ nhớt, α phụ
thuộc vào cấu trúc dầu, ñộ nhớt và nhiệt ñộ, với
dầu khoáng α nằm trong khoảng (1,3 - 2,4).10
-3

(1/bar).
Tính chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt có
thể tra cứu từ biểu ñồ (hình 1.7). Từ biểu ñồ nhận
thấy rằng, ảnh hưởng của áp suất ñến ñộ nhớt ñộng
học không mạnh mẽ như ñối với nhiệt ñộ. Khi
nhiệt ñộ ở khoảng 30
0
C, áp suất tăng từ 1 ñến 300

bar, ñộ nhớt cũng chỉ tăng khoảng 2 lần.
ở nhiệt ñộ cao áp suất có ảnh hưởng ñến ñộ
nhớt nhỏ hơn ở nhiệt ñộ thấp.
Hình 1.5. Sự thay ñổi ñộ nhớt
ν
νν
ν

theo nhiệt ñộ
(HL 46, VI 100, p
0
= 1 bar)

Hình 1.6. Biểu ñồ Ubbelohde ñể xác
ñịnh tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ
(ISO VG 10./.100, VI 100, p
0
= 1 bar)
ðộ nhớt ñộng học
ν

Hình 1.7. Biểu ñồ xác ñịnh tính
chất nhiệt ñộ – áp suất – ñộ nhớt
(HL 46, VI 100)

p=601 bar
401bar
0 20 40 60 80 120
0
C

0
5
10
20
30
50
100
200
500
1000
10000
mm
2
/s
Nhiệt ñộ
ϑ

p =201 bar

1bar

0
C

0,94

0,90

0,88

0,86

g/cm
3

100

80

60

40

0

ợng ri
êng ρ

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….11
b) Tính chất khối lượng riêng
Khối lượng riêng của chất lỏng là
tỷ lệ giữa khối lượng và thể tích của nó:

V
m
=ρ
(1.5)
Khối lượng riêng là một thông số
ñặc trưng ñể tính toán sức cản dòng chảy

có nghĩa là hao tổn dòng chảy và cũng là
thông số ñể tính toán hao tổn va ñập
trong ñường ống và các phần tử cấu trúc.
Khối lượng riêng cũng phụ thuộc
vào nhiệt ñộ và áp suất. Sự phụ thuộc
vào nhiệt ñộ và áp suất của khối lượng
riêng có thể ñược tra cứu rất thuận lợi từ
ñồ thị. Hình 1.8 là một thí dụ biểu diễn
sự tăng khối lượng riêng khi tăng áp suất
và giảm khi tăng nhiệt ñộ. Nhiệt ñộ và
áp suất ảnh hưởng ñến khối lượng riêng với mức ñộ không giống như ñối với ñộ nhớt. ảnh
hưởng của nhiệt ñộ và áp suất ñến khối lượng riêng cũng có thể ñược biểu diễn theo các công
thức thực nghiệm.
Tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng
Tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng có thể ñược mô tả theo công thức:
)(1
)(
0
0
ϑ−ϑγ+
ρ
=ϑρ
(1.6)
Trong ñó: ρ
0
(kg/m
3
) và ϑ
0
(

0
C) là khối lượng riêng và nhiệt ñộ trong ñiều kiện dẫn
xuất, γ (1/K) là hệ số giãn nở nhiệt của dầu. Nếu lấy nhiệt ñộ dẫn xuất là 15
0
C thì công thức
(1.5) trở thành:
)15(1
)(
C15
0
−ϑγ+
ρ
=ϑρ
Hệ số giãn nở nhiệt γ mô tả tính chất giãn nở của dầu tại áp suất không ñổi.

p
0
V
V
1






δϑ
δ
=γ

Khi áp suất tăng thì hệ số giãn nở nhiệt γ sẽ giảm.
Nếu giả thiết rằng, ñối với dầu khoáng tính chất nhiệt ñộ – khối lượng riêng là tuyến
tính ở trong vùng nhiệt ñộ hoạt ñộng (ñiều này là cho phép trong thực tế), thì hệ số giãn nở
nhiệt có thể ñược xác ñịnh theo công thức:

)(V
V
00
ϑ−ϑ
∆
=γ


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….12
Từ các biểu thức trên có thể xác ñịnh ñược các mối quan hệ giữa lượng biến ñổi thể
tích và khối lượng riêng của một chất lỏng thuỷ lực theo sự biến ñổi của nhiệt ñộ,:

)(VV)(VV
000
ϑ
−
ϑ
γ
=
−
ϑ
=
∆

))(()(
00
ϑ
−
ϑ
ϑ
γρ
−
=
ρ
−
ϑ
ρ
=
ρ
∆

Giá trị γ ở áp suất khí quyển có thể lấy tương ứng theo các loại dầu như sau:
dầu khoáng: 0,65.10
-3
K
-1

dầu HFC; 0,70.10
-3
K
-1

dầu HFD; 0,75.10
-3

K
-1

Thí dụ dưới ñây làm rõ thêm sự ảnh hưởng của nhiệt ñộ:
Dưới áp suất khí quyển, tăng nhiệt ñộ từ 15 ñến 65
0
C (tăng 50
0
C) thì khối lượng riêng
giảm từ 0,877 xuống 0,847 g/cm
3
, có nghĩa là giảm xấp xỉ 3,4%. Từ ñó cho thấy, gia tăng
nhiệt ñộ lên 10
0
C sẽ làm thay ñổi thể tích dầu khoảng 0,7%.
Tính chất áp suất – khối lượng riêng
Tính chất áp suất – khối lượng riêng của chất lỏng thuỷ lực có ý nghĩa trong việc ñánh
giá tính chất ñộng lực học của một thiết bị thuỷ lực. Công thức dưới ñây mô tả tính chất áp
suất – khối lượng riêng:
)pp(k1
)p(
0
0
−−
ρ
=ρ
(1.7)
Trong
ñ
ó: ρ

0
(kg/m
3
) và p
0
là các giá tr
ị
kh
ố
i l
ượ
ng riêng và áp su
ấ
t
ở

ñ
i
ề
u ki
ệ
n chu
ẩ
n;
k (1/bar) là h
ệ
s
ố
nén, mô t
ả

tính ch
ấ
t nén khi nhi
ệ
t
ñộ
không
ñổ
i:
ϑ
δ
δ
−= )
p
V
(
V
1
k
0

Thông s
ố
t
ỷ
l
ệ
ngh
ị
ch v

ớ
i k là mô
ñ
un nén K = 1/k.
T
ừ
hình 1.8 cho th
ấ
y có th
ể
tính toán quan h
ệ
áp su
ấ
t – kh
ố
i l
ượ
ng riêng theo quan h
ệ

tuy
ế
n tính. Do v
ậ
y h
ệ
s
ố
nén

ñượ
c xác
ñị
nh theo:

)pp(V
V
k
00
−
∆
−
=
Nh
ư
v
ậ
y, v
ớ
i các lo
ạ
i ch
ấ
t l
ỏ
ng thu
ỷ
l
ự
c s

ự
thay
ñổ
i th
ể
tích c
ũ
ng nh
ư
kh
ố
i l
ượ
ng
riêng ph
ụ
thu
ộ
c vào áp su
ấ
t
ñượ
c xác
ñị
nh theo bi
ể
u th
ứ
c:

)pp(kVV)p(VV
000
−
−
=
−
=
∆

H
ệ
s
ố
nén và mô
ñ
un nén
ñố
i v
ớ
i các lo
ạ
i d
ầ
u thu
ỷ
l
ự
c
ñượ
c l

ấ
y nh
ư
sau:
D
ầ
u khoáng k = 0,7.10
-4
1/bar); K = 1,4.10
4
bar;
D
ầ
u HFC k = 0,3.10
-4
1/bar; K = 3,3.10
4
bar;
D
ầ
u HFD k = 0,35.10
-4
bar; K = 2,85.10
4
bar.
Tính ch
ấ
t nén c
ủ
a d

ầ
u thu
ỷ
l
ự
c c
ầ
n
ñượ
c
ñặ
c bi
ệ
t chú ý khi áp su
ấ
t c
ủ
a h
ệ
th
ố
ng l
ớ
n
h
ơ
n 150 bar. Thí d
ụ
d
ướ

i
ñ
ây làm sáng t
ỏ
thêm
ñ
i
ề
u
ñ
ó:
N
ế
u t
ă
ng áp su
ấ
t t
ừ
1
ñế
n 301 bar (t
ă
ng thêm 300 bar) t
ạ
i nhi
ệ
t
ñộ
15

0
C thì kh
ố
i l
ượ
ng
riêng t
ă
ng t
ừ
0,877
ñế
n 0,982 g/cm
3
, có ngh
ĩ
a là t
ă
ng 2,1%.

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….13
T
ươ
ng
ứ
ng th
ấ
y r
ằ

ng, khi t
ă
ng áp su
ấ
t thêm 100 bar thì th
ể
tích d
ầ
u gi
ả
m
ñ
i kho
ả
ng
0,7%.
c) Khả năng tiếp nhận không khí của dầu thuỷ lực
Không khí có th
ể

ñượ
c hàm ch
ứ
a trong d
ầ
u thu
ỷ
l
ự
c

ở
hai d
ạ
ng:
- Không khí hoà tan;
- Không khí không hoà tan, có ngh
ĩ
a là
ở
d
ạ
ng b
ọ
t khí.
Khi còn
ở
d
ạ
ng hoà tan trong d
ầ
u, không khí không
ả
nh h
ưở
ng
ñế
n tính ch
ấ
t c
ủ

a d
ầ
u
thu
ỷ
l
ự
c, có ngh
ĩ
a là không làm thay
ñổ
i
ñế
n tính ch
ị
u nén c
ủ
a d
ầ
u. Trong tr
ạ
ng thái bão hoà,
d
ầ
u khoáng có th
ể
hoà tan kho
ả
ng 9% th
ể

tích không khí, có ngh
ĩ
a là trong m
ộ
t lít d
ầ
u có th
ể

hoà tan
ñượ
c 90 cm
3
không khí. Kh
ả
n
ă
ng ti
ế
p nh
ậ
n không khí c
ủ
a d
ầ
u t
ă
ng khi áp su
ấ
t t

ă
ng,
trong khi s
ự
thay
ñổ
i c
ủ
a nhi
ệ
t
ñộ
l
ạ
i h
ầ
u nh
ư
không
ả
nh h
ưở
ng
ñế
n kh
ả
n
ă
ng này. Kh
ả

n
ă
ng
ti
ế
p nh
ậ
n c
ự
c
ñạ
i
ở
d
ạ
ng hoà tan c
ủ
a th
ể
tích không khí có th
ể

ñượ
c tính theo
ñị
nh lu
ậ
t Henry:

0

dkk
p
p
VV α=
(1.8)
Trong
ñ
ó: V
ol

là th
ể
tích d
ầ
u t
ạ
i áp su
ấ
t khí quy
ể
n; α - h
ệ
s
ố
hoà tan Bunsen, có th
ể

l
ấ
y giá tr

ị
0,09
ñố
i v
ớ
i d
ầ
u khoáng; p - áp su
ấ
t tuy
ệ
t
ñố
i.
B
ọ
t khí s
ẽ
xu
ấ
t hi
ệ
n trong d
ầ
u khi kh
ả
n
ă
ng ti
ế

p nh
ậ
n không khí c
ủ
a d
ầ
u
ở
d
ạ
ng hoà
tan
ñ
ã v
ượ
t quá m
ứ
c gi
ớ
i h
ạ
n.
ðồ
ng th
ờ
i không khí
ở
d
ạ
ng hoà tan c

ũ
ng có th
ể
chuy
ể
n thành
b
ọ
t khí
ở
nh
ữ
ng n
ơ
i có áp su
ấ
t v
ượ
t qua giá tr
ị
áp su
ấ
t bão hoà, thí d
ụ
trên
ñườ
ng
ố
ng n
ạ

p, t
ạ
i
các ch
ỗ
cong g
ấ
p,
ñằ
ng sau v
ị
trí ti
ế
t l
ư
u,… B
ọ
t khí c
ũ
ng có th
ể
xâm nh
ậ
p khi n
ạ
p khí, do l
ọ
t
khí t
ạ

i các ch
ỗ
n
ứ
t trên
ñườ
ng d
ầ
u v
ề
thùng. B
ọ
t khí làm cho d
ầ
u b
ị
“m
ề
m”
ñ
i, làm gi
ả
m mô
ñ
un nén K. Khi t
ă
ng áp su
ấ
t có th
ể

gây va
ñậ
p sau b
ơ
m, gây chuy
ể
n
ñộ
ng ng
ượ
c, làm cho t
ầ
n
s
ố
quay thay
ñổ
i theo d
ạ
ng b
ậ
c, gây
ồ
n, gãy ho
ặ
c mài mòn (xâm th
ự
c). Chính vì v
ậ
y c

ầ
n ph
ả
i
thi
ế
t k
ế
b
ộ
ph
ậ
n tách b
ọ
t, mà tr
ướ
c h
ế
t là tách b
ọ
t trong thùng d
ầ
u.
1.3. Cơ sở kỹ thuật thuỷ tĩnh
1.3.1. Tính chất thuỷ tĩnh của chất lỏng
Khi phát triển lý thuyết về chất lỏng, người ta xuất phát từ giả thiết chất lỏng lý tưởng.
ðây là chất lỏng không ma sát, không chịu nén, không giãn nở, khi ñược nạp vào thùng chỉ
truyền áp lực vuông góc với thành và ñáy thùng (hình 1.9). ðộ lớn của áp suất phụ thuộc vào
cột chất lỏng, có nghĩa là khoảng cách từ ñiểm ño ñến mặt thoáng của chất lỏng:

ghp
ρ
=
(1.9)
Với chất lỏng lý tưởng, không xuất hiện lực tiếp tuyến cũng như các ứng suất tiếp tại
thành thùng và giữa các lớp chất lỏng.







F

p

A

p

h

p


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….14

Khi tính toán các thiết bị thuỷ tĩnh có thể giả thiết bỏ qua trọng lượng bản thân của
chất lỏng do quá nhỏ so với lực tác ñộng ngoài.
Áp suất tạo ra từ lực ngoài (hình 1.10) ñược xác ñịnh theo biểu thức:
A
F
p =
(1.10)
Áp suất này có thể ñược tạo ra từ chuyển ñộng gián ñoạn của thiết bị ví dụ như pít
tông trong xy lanh hoặc chuyển ñộng liên tục như trong bơm bánh răng, bơm cánh quay,…
1.3.2. Chuyển ñổi năng lượng nhờ pít tông và xy lanh
Áp suất làm việc tạo ra trong thiết bị nâng trên hình 1.11 sẽ là:
2
2
1
1
A
F
A
F
p ==
(1.11)
N
ế
u b
ỏ

qua hao t
ổ
n l
ọ
t dòng, chuy
ể
n
ñộ
ng cu
ố
n theo pít tông thì s
ẽ
làm d
ị
ch chuy
ể
n
các th
ể
tích nh
ư
nhau:

221121
sAsAVV
=
=
=
(1.12)
T

ừ

ñ
ó có:

1
2
2
1
A
A
s
s
=
,
1
1
2
2
F
A
A
F =
(1.13)
và
1
2
2
1
A

A
v
v
=
(1.14)
Công d
ị
ch chuy
ể
n c
ủ
a ch
ấ
t l
ỏ
ng khi
ñ
ó s
ẽ
là:

2211
sFsFW
=
=
(1.15)
và công su
ấ
t: FvP
=

(1.16)
Do ApF
=
và
A
Q
v =
nên

pQP
=
(1.17)
Trong
ñ
ó Q là l
ư
u l
ượ
ng dòng ch
ấ
t l
ỏ
ng.
1.3.3. Chuyển ñổi năng lượng trong thiết bị thuỷ lực chuyển ñộng quay
Trên hình 1.12 trình bày s
ơ

ñồ
m
ộ

t b
ơ
m thu
ỷ
l
ự
c cánh quay.
Trong m
ộ
t vòng quay, cánh quay có di
ệ
n tích A chuy
ể
n
ñộ
ng
ñượ
c quãng
ñườ
ng 2
π
r
và cu
ố
n theo m
ộ
t th
ể
tích ch
ấ

t l
ỏ
ng:
Hình 1.9. Phân bố áp suất trong
thùng chứa chất lỏng lý tưởng
Hình 1.10. Lực tác ñộng lên pít
tông của một xy lanh thuỷ lực
Hình 1.11. Sơ ñồ thiết bị nâng thuỷ lực

F
2

S
1
S
2
A
1

A
2

F
1


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….15
rA2V
π

=
(1.18)
Th
ể
tích choán ch
ỗ
này c
ủ
a b
ơ
m và
ñộ
ng c
ơ
thu
ỷ
l
ự
c còn
ñượ
c g
ọ
i là th
ể
tích làm
vi
ệ
c. L
ư
u l

ượ
ng tính theo t
ầ
n s
ố
quay s
ẽ
là:

VnQ
=
(1.19)
N
ế
u gi
ả
thi
ế
t r
ằ
ng, b
ơ
m (1) và
ñộ
ng c
ơ

(2) c
ủ
a m

ộ
t truy
ể
n
ñộ
ng thu
ỷ
l
ự
c ho
ạ
t
ñộ
ng
không có hao t
ổ
n thì l
ư
u l
ượ
ng b
ơ
m Q
1
s
ẽ

b
ằ
ng l

ư
u l
ượ
ng ti
ế
p nh
ậ
n c
ủ
a
ñộ
ng c
ơ
Q
2
:
221121
nVnVQQ
=
=
=

Có ngh
ĩ
a là:
1
2
2
1
V

V
n
n
=
(1.20)
Mô men quay sinh ra trong các máy
thu
ỷ
l
ự
c chuy
ể
n
ñộ
ng quay (hình 1.12) s
ẽ
là:

pArM
=
(1.21)
trong
ñ
ó
p
là áp su
ấ
t t
ạ
o ra trong b

ơ
m theo yêu c
ầ
u c
ủ
a t
ả
i tr
ọ
ng.
V
ớ
i
r
2
V
A
π
=
, công th
ứ
c (1.21) có d
ạ
ng:

π
=
2
pV
M

(1.22)
ho
ặ
c:
n
2
pQ
M
π
=
(1.23)
T
ừ

ñ
ó, công su
ấ
t s
ả
n ra ho
ặ
c công su
ấ
t ti
ế
p nh
ậ
n c
ủ
a m

ộ
t máy thu
ỷ
l
ự
c chuy
ể
n
ñộ
ng
quay s
ẽ
là:

n2MMP
π
=
ω
=
(1.24)

pQP
=
(1.25)
ở ñây n ñược tính là số vòng quay trong 1 giây và tương ứng Q là lượng chất lỏng
trong 1 giây.
1.4. Cơ sở thuỷ ñộng lực học
Cở sở lý thuyết của cơ học chất lỏng cũng như thuỷ ñộng lực học ñược xuất phát từ
chất lỏng lý tưởng. Trong ñó các nhà khoa học ñã xây dựng ñược các công thức tính toán
quan trọng. ðầu thế kỷ 20 Prandt lần ñầu tiên ñã tổng hợp thuần tuý lý thuyết về thuỷ ñộng

lực học với kỹ thuật thuỷ lực ñược các kỹ sư ứng dụng trong sản xuất bằng cách bổ sung thêm
lực ma sát sinh ra do tính nhớt của chất lỏng thuỷ lực.
Cơ sở ñể tính toán các thiết bị thuỷ lực là các phương trình liên tục, phương trình
Bernoulli cho chất lỏng thuỷ lực. Các phương pháp tính toán sức cản dòng chảy, có nghĩa là
các phương pháp tính toán hao tổn áp suất trong các ống dẫn có ý nghĩa quan trọng trong thực
tế.
1.4.1. Phương trình liên tục
Dòng chảy dừng của chất lỏng lý tưởng thoả mãn ñịnh luật bảo toàn khối lượng: Lưu
khối
1
m
&
chảy qua mặt cắt A
1
luôn bằng với lưu khối
2
m
&
chảy qua mặt cắt A
2
. ðối với chất
lỏng có khối lượng riêng không ñổi ñịnh luật này ñúng cho cả trường hợp chảy không dừng.
Hình 1.12. Bơm thuỷ lực cánh quay
1- Vỏ; 2- Rô to; 3- Cánh quay.

r

p
M
1

2

A
ϕ

3


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….16
Khối lượng chất lỏng (lưu khối) chảy qua một mặt cắt ñường ống trong một ñơn vị
thời gian ñược xác ñịnh theo:

Avm
ρ
=
&
(1.26)
Tương ứng hình 1.13, thoả mãn:

222111
vAvA
ρ
=
ρ
(1.27)
ðối với chất lỏng có khối lượng
riêng không ñổi:
2211

vAvA
=
(1.28)
1.4.2. Phương trình Bernoulli
Ph
ươ
ng trình Bernoulli xu
ấ
t phát t
ừ
gi
ả
thi
ế
t r
ằ
ng n
ă
ng l
ượ
ng c
ủ
a m
ộ
t ch
ấ
t l
ỏ
ng ch
ả

y
d
ừ
ng không ma sát trên m
ọ
i
ñ
i
ể
m c
ủ
a m
ặ
t c
ắ
t ngang t
ạ
i m
ọ
i th
ờ
i
ñ
i
ể
m là không
ñổ
i. Ph
ươ
ng

trình này tho
ả
mãn trong tr
ườ
ng h
ợ
p riêng c
ủ
a dòng ch
ả
y m
ộ
t chi
ề
u, và c
ũ
ng bi
ể
u di
ễ
n tr
ườ
ng
h
ợ
p
ñặ
c bi
ệ
t c

ủ
a h
ệ
ph
ươ
ng trình vi phân Navier-Stocke xây d
ự
ng cho tr
ườ
ng h
ợ
p t
ổ
ng quát
cho dòng ch
ả
y 3 chi
ề
u. M
ặ
c dù v
ậ
y c
ũ
ng có th
ể

ứ
ng d
ụ

ng
ñủ
chính xác làm c
ơ
s
ở
tính toán
trong l
ĩ
nh v
ự
c thu
ỷ
l
ự
c d
ầ
u. N
ă
ng l
ượ
ng t
ạ
i m
ộ
t
ñ
i
ể
m xác

ñị
nh trên
ñườ
ng dòng c
ủ
a m
ộ
t dòng
ch
ả
y ch
ấ
t l
ỏ
ng lý t
ưở
ng bao g
ồ
m
ñộ
ng n
ă
ng dòng ch
ả
y, áp n
ă
ng c
ủ
a ch
ấ

t l
ỏ
ng và th
ế
n
ă
ng.
Hình 1.14 trình bày s
ơ

ñồ
dòng ch
ả
y qua hai m
ặ
t c
ắ
t khác nhau. Ph
ươ
ng trình
Bernoulli vi
ế
t cho tr
ườ
ng h
ợ
p này nh
ư
sau:
22

2
22
211
2
11
1
gh
2
v
pgh
2
v
p ρ+
ρ
+=ρ+
ρ
+
(1.29)
ðố
i v
ớ
i ch
ấ
t l
ỏ
ng không ch
ị
u nén:

2

2
2
21
2
1
1
gh
2
v
pgh
2
v
p ρ+
ρ
+=ρ+
ρ
+

ho
ặ
c t
ổ
ng quát:
constgh
2
v
p
2
=ρ+
ρ

+
(1.30)
Th
ế
n
ă
ng v
ị
trí c
ủ
a ch
ấ
t l
ỏ
ng h
ầ
u nh
ư
trong
t
ấ
t c
ả
các tr
ườ
ng h
ợ
p
ứ
ng d

ụ
ng c
ủ
a k
ỹ
thu
ậ
t thu
ỷ

l
ự
c th
ườ
ng
ñượ
c b
ỏ
qua do có giá tr
ị
quá nh
ỏ
so v
ớ
i
ñộ
ng n
ă
ng và áp n
ă

ng. Nh
ư
v
ậ
y ph
ươ
ng trình
Bernoulli trong k
ỹ
thu
ậ
t thu
ỷ
l
ự
c có th
ể
vi
ế
t:

const
2
v
p
2
=
ρ
+
(1.31)

1.4.3. Hao tổn áp suất trong ñường ống
a) Các khái niệm cơ bản
Khác v
ớ
i ch
ấ
t l
ỏ
ng lý t
ưở
ng, ch
ấ
t l
ỏ
ng th
ự
c có tính ch
ị
u nén và ma sát, h
ơ
n n
ữ
a ma sát
có ý ngh
ĩ
a ch
ủ
y
ế
u

ñể
tính toán và
ñ
ánh giá các quá trình
ñộ
ng l
ự
c h
ọ
c v
ớ
i ch
ấ
t l
ỏ
ng,
ñặ
c bi
ệ
t
Hình 1.13. Dòng chảy qua ống thu hẹp
m
1

Q
1

v
1
A

1
v
2
A
2
m
2

Q
2

Hình 1.14. Dòng chảy qua
hai mặt cắt khác nhau
h
2

h
1

v
1

v
2

p
1
; Q
1

p
2
; Q
2

1
2

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….17
ñể
xác
ñị
nh s
ứ
c c
ả
n dòng ch
ả
y khi ch
ả
y qua
ñườ
ng
ố
ng ho
ặ
c các ph
ầ
n t

ử
m
ạ
ch thu
ỷ
l
ự
c.
Trong ch
ấ
t l
ỏ
ng thu
ỷ
l
ự
c xu
ấ
t hi
ệ
n c
ả
ma sát trong gi
ữ
a các l
ớ
p ch
ấ
t l
ỏ

ng v
ớ
i nhau và c
ả
ma
sát gi
ữ
a ch
ấ
t l
ỏ
ng v
ớ
i thành
ố
ng d
ẫ
n. Nh
ư
v
ậ
y ngoài các l
ự
c
ñ
ã bi
ế
t còn xu
ấ
t hi

ệ
n thêm l
ự
c
ti
ế
p tuy
ế
n và
ứ
ng su
ấ
t ti
ế
p.
ứng suất tiếp ñược tạo ra do ma sát giữa các lớp chất lỏng và ñộ
bám của chất lỏng với thành ống, từ ñó tạo ra sức cản, có nghĩa là hao tổn áp suất khi chất
lỏng chảy qua ống dẫn. Hao tổn áp suất tăng khi tăng ñộ nhớt của chất lỏng và do ñó hao tổn
áp suất trong các thiết bị thuỷ lực dầu cao hơn rất nhiều so với các thiết bị sử dụng môi chất có
ñộ nhớt nhỏ, thí dụ như nước.
Khi tính toán một thiết bị thuỷ lực ñồng bộ cần phải tính ñến cả hao tổn áp suất cục bộ
tại các chỗ cong, gãy khúc, nối ống và tại các van,…
Prandt ñã xây dựng các công thức xác ñịnh hao tổn áp suất khi chất lỏng thực chảy
trong ống dẫn bằng cách lấy quan hệ tỷ lệ thuận giữa áp suất với ñộng năng dòng chảy:

2
v
d
1
dl

dp
2
R
ρ
λ−=
(1.32)
Tích phân hai vế phương trình này sẽ ñược công thức hao tổn áp suất dòng chảy không
chịu nén, chảy dừng và ñẳng nhiệt:

2
v
d
l
ppp
2
R21
ρ
λ=−=∆
(1.33)
Trong ñó (hình 1.15)
∆p = p
1
– p
2
là hao tổn áp suất trong ñoạn ống l từ mặt cắt 1 ñến mặt cắt 2;
d - ñường kính trong của ống;
v - vận tốc dòng chảy ;
ρ - khối lượng riêng của chất lỏng.
Hệ số tỷ lệ λ
R

là hệ số cản của ñường ống,
là một hàm số của số Reynold Re:

(Re)f
R
=
λ
(1.34)

η
ρ
=
ν
=
vdvd
Re
(1.35)
v
ớ
i
ν
là
ñộ
nh
ớ
t
ñộ
ng h
ọ
c và

η
là
ñộ
nh
ớ
t
ñộ
ng
l
ự
c h
ọ
c.










p
1

p
2
< p
1

l

1

2

Hình 1.15. Hao tổn áp suất
trên ống thẳng
∆
p
R
e

0,010

0,012

0,014

0,016

0,020

0,04

0,03

0,05

0,06

10
3

2

3

4

6

8

10
4

2

3

4

6

8

10
5

2

3

4

6

8

10
6

d/k=100
200

500

1000

2000

5000



λ
R
=64/Re

51,2
R
log2
1
Re
R
λ
=
λ

Prand
Ch. tầng Ch. rối
Re
gh
=2320


λ
R
=0,3164Re
-
0,25

Blasius


k=0

Hệ số cản của ñường ống
λ

R

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….18






Hình 1.16. Biểu ñồ tổng hợp sức cản dòng chảy
λ
λλ
λ
R

Hình 1.17. Biểu ñồ tính toán sức cản dòng chảy thuỷ lực dầu
Trong kỹ thuật thuỷ lực dầu cũng phân chia thành hai trường hợp, chảy tầng và chảy rối.
Ngoài ra trong cả hai trường hợp cũng quan tâm ñến các quá trình chảy ñẳng nhiệt hay không
ñẳng nhiệt. ðối với các trường hợp môi chất có ñộ nhớt nhỏ như nước, không khí có thể tính toán
với quá trình chảy ñẳng nhiệt, còn dầu thuỷ lực có ñộ nhớt rất cao nên chỉ có thể tính toán với quá
trình không ñẳng nhiệt. Tuy nhiên có thể tính toán gần ñúng với quá trình ñoạn nhiệt.
Sự phụ thuộc của hệ số cản λ
R
vào số Reynold ñã ñược Prandt và cộng sự và các nhà
khoa học khác nghiên cứu ñầy ñủ. Các kết quả nghiên cứu ñược tổng hợp trên hình 1.16. Do
hai nguyên nhân dưới ñây mà việc sử dụng biểu ñồ này cho kỹ thuật thuỷ lực dầu sẽ gặp khó
khăn. Thứ nhất ở ñây không tính ñến tình trạng không ñẳng nhiệt nên không ñưa ra các số liệu
hiệu chỉnh hao tổn áp suất vốn dĩ là quá lớn. Thứ hai, cần quan tâm cả ñến vùng có số
Reynold nhỏ nhưng ở ñây lại xuất phát từ Re=10
3
.
ðể tính toán trong lĩnh vực thuỷ lực dầu nên sử dụng biểu ñồ hình 1.17.
b) Dòng chảy tầng
Dòng chảy ñẳng nhiệt
Khi chảy tầng, ñẳng nhiệt xuất hiện profil dòng chảy dạng Parabol (hình 1.18). Vận
tốc dòng chảy trung bình theo mặt cắt ngang có thể tính theo vận tốc cực ñại:
v = 0,5 v
max
(1.36)
Trong vùng chảy tầng có thể xây dựng bằng giải tích một công thức hao tổn áp suất
trong ñường ống mà không cần sự trợ giúp của nghiên cứu thực nghiệm. Tách một phân tố
chất lỏng πy
2
l, trên diện tích ñáy của phân tố hình trụ này tác dụng một áp lực πy
2

p
1
và πy
2
p
2
.
R
e

Hệ số cản của ñường ống λ
R
0,01

0,02

0,04

0,1

0,2

0,4

1

2

4

10

20

40

100

1

2

4

6

10

2

4

6

10
2

2

4

6

10
3

4

2

10
4

2

4

10
5

2

4

10
6

λ
R
=64/Re

λ
R
=0,3164.Re
-
0,25


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….19
Như vậy phân tố chất lỏng chịu tác ñộng của ñộ lệch áp lực:
(p
1
– p
2
)πy
2

Tác ñộng ngược chiều là ứng suất tiếp trên diện tích xung quanh và lực 2πylτ.
Phương trình cân bằng lực của phân tố sẽ là:
τπ=π∆ yl2yp
2
(1.37)

Trong ñó τ ñược tính theo ñịnh luật ma sát Newton:
dy
dv
η−=τ

do ñó
2
y
l
p
dy
dv
η
∆
−=
(1.38)
Tích phân công thức (1.38) sẽ có giá trị cực ñại của vận tốc dòng chảy theo trục ống
dẫn:
2
max
r
l4
p
v

η
∆
=
(1.39)
Lưu lượng chảy qua mặt cắt ñường ống sẽ là:

max
2
v
2
1
rQ π=

Thay thế v
max
từ (1.39) sẽ dẫn ñến ñịnh luật Hagen và Poisseulle cho dòng chảy tầng,
ñẳng nhiệt:
p
l8
r
Q
4
∆
η
π
=
(1.40)
Thay v = Q/πr
2
s

ẽ
tính
ñượ
c ∆p:
v
r
l
8p
2
η=∆
(1.41)
Có th
ể
nh
ậ
n th
ấ
y r
ằ
ng s
ứ
c c
ả
n dòng ch
ả
y ∆p có quan h
ệ
tuy
ế
n tính v

ớ
i v
ậ
n t
ố
c trong
vùng ch
ả
y t
ầ
ng.
T
ừ
công th
ứ
c (1.41) và (1.35) có th
ể
rút ra:
Hình 1.18. Profil vận tốc khi chảy tầng

r

x

v
max
v

p
2

p
1

y
l
∆p

τ

τ


π
y
2


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….20

Re
64
R
=λ
(1.42)
Dòng chảy không ñẳng nhiệt
Dầu thuỷ lực có ñộ nhớt cao hơn nước khoảng 100 lần và ñộ nhớt dầu phụ thuộc rất
mạnh vào nhiệt ñộ. ðộ nhớt ban ñầu cao dẫn ñến ma sát lớn, ñặc biệt giữa dòng dầu và thành
ống, do ñó xuất hiện sự tăng nhiệt ñộ và tương ứng là sự giảm ñộ nhớt (hình 1.19).

ðiều này có hậu quả là làm giảm sức cản dòng chảy và cần phải chú ý ñến khi tính
toán hao tổn áp suất.
Theo Kahrs có thể áp dụng công thức (1.33) nếu ñưa vào hai yếu tố hiệu chỉnh:
+ Yếu tố K
S
(hình 1.20) tính ñến sự thay ñổi nhiệt ñộ và ñộ nhớt theo các mặt cắt
ngang và chủ yếu phụ thuộc vào tích số vận tốc dòng chảy trung bình v và ñộ nhớt ñộng lực
học trung bình
η
tính theo nhiệt ñộ trung bình trên các mặt cắt ngang.
+ Yếu tố K
X
(hình 1.21), tính ñến ảnh hưởng của thay ñổi nhiệt ñộ và ñộ nhớt theo
chiều dài ñường ống và phụ thuộc mạnh vào áp suất.
Công thức hao tổn áp suất trong trường hợp chảy tầng không ñẳng nhiệt trở thành:
2
v
d

l
KKp
2
RXS
ρ
λ=∆
(1.43)















Tích số v.
η
Tích số v.
η

Hình 1.20. Yếu tố K
S
cho dòng chảy

không ñ
ẳng nhiệt

Hình 1.21. Yếu tố K
X
cho dòng chảy
không ñẳng nhiệt
0

0,4 0,8 1,2 2,0 N/m
2

0,7
0,8
0,9
1,0
K
s
0 100

200

300

N/m
2

0,7
0,8
0,9

1,0
K
x

Hình 1.19. Nhiệt ñộ, ñộ nhớt và vận tốc dòng chảy qua
mặt cắt khi chảy ñẳng nhiệt và không ñẳng nhiệt
v

η

ϑ

ðẳng nhiệt
Không ñẳng nhiệt

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….21



c) Dòng chảy rối
Dòng chảy ñẳng nhiệt
So với chảy tầng, ñường cong vận tốc theo mặt cắt
ngang khi chảy rối ít lồi hơn nhiều (hình 1. 22). Vận tốc
trung bình tại mặt cắt ngang có giá trị v ≈ (0,79
÷0,82)v
max
.
ðối với các môi chất có ñộ nhớt nhỏ như không
khí và nước, chuyển ñổi từ chảy tầng sang chảy rối diễn ra

ở một vùng rất hẹp của số Re, nằm rất gần với Re = 2320
(hình 1.16).
Trong các thiết bị thuỷ lực do dòng chảy hoàn toàn
có tính chất xung và do ñộ nhớt bị giảm thiểu cục bộ nên
quá trình chuyển tiếp rất khó ñược xác ñịnh chính xác.
Nhiều trường hợp cần phải tính toán với vùng chuyển tiếp
rộng, có Re nằm trong khoảng 1900 ÷ 3000.
Trong vùng chảy rối, sóng dọc của dòng chảy hàm chứa cả sóng ngang lan truyền
không theo quy luật. Tuy nhiên gần sát với thành ống xuất hiện một lớp giới hạn chảy tầng,
ñược gọi là lớp bôi trơn. Chiều dày lớp bôi trơn giảm khi số Re tăng. Nếu chiều dày lớp giới
hạn chảy tầng lớn hơn chiều cao nhám của thành ống, người ta gọi là ống nhẵn thuỷ lực.
Trường hợp này có sức cản thuỷ lực nhỏ hơn trong trường hợp ống nhám. Trên hình 1.16 giới
thiệu quan hệ giữa hệ số cản λ
R
với Re cho trường hợp chảy rối. Có thể nhận ra ñường cong ít
cong hơn ñối với ống nhẵn thuỷ lực và các ñường cong do Colebrook và White xây dựng cho
các ñường ống nhám với các giá trị chiều cao nhám K khác nhau, hoặc các giá trị d/K khác
nhau. Các ống thuỷ lực chính xác theo DIN 2391 có giá trị ñộ nhám rất nhỏ, K ≤ 0,01 mm, do
ñó khi tính toán người ta thường tính
theo ống nhẵn thuỷ lực.
ðường cong λ
R
cho ống nhẵn
thuỷ lực có thể ñược mô tả theo công
thức Prandt:
51,2
Re
log2
1
R

R
λ
=
λ

(1.44)
ðố
i v
ớ
i k
ỹ
thu
ậ
t thu
ỷ
l
ự
c d
ầ
u
có th
ể
s
ử
d
ụ
ng
ñủ
chính xác v
ớ

i công
th
ứ
c Blasius:
25,0
R
Re.3164,0
−
=λ (1.45)
Tuy nhiên
ñơ
n gi
ả
n nh
ấ
t là tra
c
ứ
u h
ệ
s
ố
c
ả
n t
ừ
các bi
ể
u
ñồ

hình 1.16

Hình 1.23. Biểu ñồ xác ñịnh yếu tố k
t

cho dòng ch
ảy rối không ñẳng nhiệt

Hình 1.22. Profil vận tốc

khi chảy rối

v
max
v

Yếu tố hiệu chỉnh k
t


Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….22
và hình 1.17. Biểu ñồ trên hình 1.16 khái quát một cách tổng thể về các ñường cong hệ số cản
khi chảy tầng và chảy rối và về ảnh hưởng của ñộ nhám khi chảy rối.
Biểu ñồ hình 1.17 ñặc biệt thích hợp ñể tra cứu hệ số cản dòng trong kỹ thuật thuỷ lực
ñối với số Reynold nhỏ.
Dòng chảy không ñẳng nhiệt
Trong trường hợp chảy rối có thể tính ñến tính chất không ñẳng nhiệt nhờ bổ sung yếu
tố hiệu chỉnh
t

k
.
Giá trị
t
k
ñược lấy từ biểu ñồ trên hình 1.23. Nhờ ñó có thể tính ñược hao tổn áp suất
khi chảy rối không ñẳng nhiệt theo công thức sau:
2
v
d
l
kp
2
Rt
ρ
λ=∆
(1.46)
d) Hao tổn áp suất cục bộ
Khi chảy qua ống cong và các phần tử ñường ống như ñoạn ống phân nhánh, nhập
dòng, thay ñổi mặt cắt ngang, nối ống sức cản thuỷ lực sẽ lớn hơn khi chảy qua ống thẳng
ñường kính không ñổi do tại ñó xuất hiện các dòng chảy thứ cấp. Trong thực tế không thể ñưa
ra những biểu thức toán học thoả mãn tổng quát ñể tính toán sức cản ñối với các phần tử này,
bởi vì rất nhiều trường hợp xuất hiện cả chảy tầng lẫn chảy rối.
ðể tính toán hao tổn áp suất trong các phần tử ñường ống có thể sử dụng công thức:

2
v
p
2
ξρ

=∆
(1.47)








Hệ số cản cục bộ ξ có thể xác ñịnh bằng thực nghiệm cho các phần tử tiêu biểu. Một
số giá trị ξ ñối với các trường hợp trên hình 1.24 và hình 1.25 ñược cho trên các bảng 1.4 ñến
bảng 1.7.







Hình 1.25. Các dạng nối ống


a)
Q

b)

Q

c)
Q

ξ
a

c)
Q
,
v

Q
a

Q
b

ξ
c

α

b)
Q, v
Q
a

ξ
a

Q
b

ξ
b

α

Q, v
d

R

α

a)
Hình 1.24. Các loại phần tử ñường ống
a) ống cong; b) ống phân nhánh; c) ống nhập dòng

Vận tốc v

Tr
ường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén… ……………….23
Bảng 1.4. Giá trị
ξ
ξξ
ξ
cho ống cong (hình 1.24a)
R/d
α = 45

0
α = 90
0

1 0,14 0,21
2 0,09 0,14
4 0,08 0,11
6 0,075 0,09
10 0,07 0,11

Bảng 1.5. Giá trị
ξ
ξξ
ξ
cho ống phân nhánh (hình 1.24b)
Q
b

α = 45
0
α = 90
0

Q
ξ
a
ξ
b
ξ
a

ξ
b
0,6 0,07 0,33 0,07 0,96
0,8 0,20 0,29 0,21 1,10
1,0 0,33 0,35 0,35 1,29

Bảng 1.6. Giá trị
ξ
ξξ
ξ
cho ống nhập dòng (hình 1.24c)
Q
b

α = 45
0
α = 90
0

Q
ξ
a
ξ
b
ξ
a
ξ
b
0,6 0,05 0,22 0,40 0,47
0,8 -0,2 0,37 0,50 0,73

1,0 -0,57 0,38 0,60 0,92

Bảng 1.7. Giá trị
ξ
ξξ
ξ
cho các phần tử nối ống (hình 1.25)
Các dạng nối Cạnh sắc Cạnh gãy khúc
a 3,0 0,55
b 0,5 0,25
c 0,06 . . . 0,005 tuỳ theo ñộ nhám thành ống

Ngoài ra ñối với dòng chảy rối có
thể giả thiết hệ số cản ξ là không ñổi .
Trong vùng chảy tầng ξ tăng mạnh khi
Re giảm. Theo Chaimowitsch nên bổ
sung một yếu tố hiệu chỉnh:

2
v
bp
2
ξρ
=∆
(1.48)
Trong ñó yếu tố hiệu chỉnh b có
thể xác ñịnh theo ñồ thị trên hình 1.26.
Hình 1.26. Yếu tố hiệu chỉnh b cho hệ
s
ố cản của ống cong v

à các ph
ần tử ống

1

2

10

4

6

20

40

100

6

10
3

4

2

10
1

2

10
2

4

6

2

Re

b