33-99No. Đường Mufu E, Quận Gulou, Nam Kinh, Trung Quốc [email protected] | [email protected]
33-99No. Đường Mufu E, Quận Gulou, Nam Kinh, Trung Quốc [email protected] | [email protected]
Chất lưu là bất kỳ chất nào không có hình dạng cố định. Chất lưu bao gồm cả chất lỏng và khí.
Chất lỏng, giống như khí, được cấu tạo từ các phân tử. Tuy nhiên, khác với khí, các phân tử trong chất lỏng bị hút lại gần nhau — nhưng chưa chặt đến mức bị cố định ở những vị trí nhất định như trong chất rắn. Đây chính là lý do vì sao chất lỏng có thể chảy tự do và lấy hình dạng của vật chứa nó.
Hình 2-1 Các phân tử chất lỏng (phía dưới) được xếp sát nhau và luôn chuyển động, trong khi các phân tử khí (phía trên) nằm cách xa nhau.
Các phân tử bên trong chất lỏng luôn chuyển động — ngay cả khi chất lỏng trông hoàn toàn đứng yên. Chúng liên tục trượt và lướt qua nhau. Chuyển động phân tử này được gọi là năng lượng nội của chất lỏng.
Do sự trượt phân tử liên tục này, chất lỏng có khả năng chảy và lấp đầy bất kỳ vật chứa nào đựng nó. Dù lượng chất lỏng nhiều hay ít, nó luôn chiếm toàn bộ hình dạng của vật chứa. Khả năng này có mối liên hệ chặt chẽ với độ nhớt, đề tài sẽ được trình bày trong các chương sau.
Vì các phân tử chất lỏng được xếp sát nhau, nên chất lỏng thể hiện một đặc tính quan trọng giống như chất rắn: chúng tương đối không nén được — nghĩa là không thể bị nén vào một thể tích nhỏ hơn đáng kể.
Đây là lý do vì sao thợ lặn nhảy xuống nước bằng chân hoặc bằng tay (cách nhảy "như lưỡi dao") thay vì nhảy úp bụng. Khi một bề mặt phẳng lớn va chạm với nước, nước không thể dịch chuyển nhanh đủ để tránh ra, khiến lực va chạm tương tự như đập vào một vật rắn. Ngược lại, bàn chân hoặc bàn tay cắt qua nước trên một diện tích nhỏ, và diện tích nhỏ này dẫn đến lực va chạm thấp hơn nhiều.
Do chất lỏng tương đối không nén được và có khả năng lấy hình dạng của bất kỳ vật chứa nào, nên nó mang lại lợi thế thực sự trong việc truyền lực.
Bốn phương pháp truyền năng lượng (cơ học, điện, thủy lực và khí nén) đều có thể truyền cả lực tĩnh (năng lượng tiềm năng) và lực động (năng lượng động). Khi lực tĩnh được truyền qua chất lỏng, một hiện tượng đặc biệt xảy ra.
Khác với lực tác dụng lên vật rắn, lực tác dụng lên chất lỏng bị giới hạn trong một không gian kín sẽ được truyền đi toàn bộ chất lỏng dưới dạng áp suất — và áp suất này bằng nhau tại mọi điểm trong chất lỏng.
Nếu chúng ta đẩy một pít-tông có thể di chuyển đặt trên đỉnh một bình chứa đầy chất lỏng, lực mà chúng ta tác dụng sẽ tạo ra áp suất, và áp suất này truyền đi đều theo mọi hướng trong chất lỏng.
Dù áp suất được tạo ra bằng cách nào — thông qua pít-tông, bàn tay, trọng lực, lò xo, không khí nén hay bất kỳ sự kết hợp nào — thì một khi đã tồn tại bên trong chất lỏng bị giới hạn, lực sẽ chuyển thành áp suất và truyền đi đều khắp toàn bộ chất lỏng.
Vì chất lỏng có dạng của bất kỳ bình chứa nào, nên áp suất có thể được truyền đi bất kể hình dạng của bình chứa.
Hình 2-4: Lực tác dụng lên pít-tông trở thành áp suất trong chất lỏng. Áp suất này lan tỏa đều theo mọi hướng — đây chính là nguyên lý cốt lõi của thủy lực.
Tính chất của chất lỏng truyền áp suất đều theo mọi hướng được gọi là Định luật Pascal, đặt theo tên nhà phát hiện ra nó là Blaise Pascal.
Dạng toán học của Định luật Pascal giống hệt công thức tính áp suất đã giới thiệu ở Chương 1:
Áp suất (psi) = Lực (lbs) / Diện tích (in²)
Áp suất (bar) = Lực (N) / [Diện tích (m²) × 100.000]
Định luật Pascal: áp suất tác dụng lên một chất lỏng bị giới hạn được truyền nguyên vẹn theo mọi hướng trong toàn bộ chất lỏng và tác dụng với lực bằng nhau lên mọi diện tích bằng nhau.
Đồng hồ đo áp suất đo áp suất tác dụng lên chất lỏng trong hệ thống. Hai loại phổ biến nhất trong các hệ thống thủy lực là đồng hồ ống Bourdon và đồng hồ kiểu piston.
Đồng hồ ống Bourdon bao gồm mặt đồng hồ và kim chỉ thị. Kim chỉ thị nối với một ống kim loại cong, linh hoạt gọi là ống Bourdon. Áp suất của hệ thống đi vào ống qua cổng vào. Thang đo thường được chia vạch theo đơn vị psi, bar hoặc Pa.
Khi áp suất hệ thống tăng lên, sự chênh lệch diện tích giữa mặt trong và mặt ngoài của ống cong có xu hướng làm cho ống thẳng ra. Chuyển động làm thẳng này điều khiển kim chỉ thị di chuyển trên mặt đồng hồ để hiển thị giá trị áp suất. Đồng hồ đo áp suất kiểu ống Bourdon là các thiết bị chính xác với độ sai lệch từ 0,1% đến 3,0% so với thang đo toàn phần; chúng được sử dụng trong phòng thí nghiệm hoặc bất kỳ nơi nào yêu cầu độ chính xác cao trong việc đo áp suất.
Đồng hồ đo kiểu piston bao gồm một piston, một lò xo cân bằng, một kim chỉ thị và một thang đo. Áp suất hệ thống tác động lên mặt piston, đẩy piston nén vào lò xo. Chuyển động của piston điều khiển kim chỉ thị di chuyển trên mặt đồng hồ. Thang đo được hiệu chuẩn theo đơn vị psi (bar). Đồng hồ đo kiểu piston bền bỉ và kinh tế — là lựa chọn phổ biến cho việc giám sát hệ thống hàng ngày.
Hình 2-6 Đồng hồ đo kiểu piston: áp suất hệ thống đẩy piston nén vào lò xo. Độ dịch chuyển của piston làm kim chỉ thị chuyển động.
Truyền áp suất thông qua một chất lỏng kín chỉ có ích nếu áp suất đó có thể được chuyển đổi trở lại thành lực cơ học ở đâu đó. Đó chính là nhiệm vụ của bộ chấp hành (actuator) — bộ này nhận áp suất thủy lực và chuyển đổi nó thành lực cơ học.
Xilanh thủy lực là một loại bộ chấp hành.
Xilanh thủy lực nhận áp suất thủy lực và chuyển đổi nó thành lực cơ học theo đường thẳng (lực tuyến tính). Thông qua các liên kết cơ khí phù hợp, lực này cũng có thể được chuyển đổi thành chuyển động quay.
Các bộ phận cơ bản của một xilanh gồm: thân xilanh (ống), nắp bịt hai đầu, pít-tông, cần pít-tông và các cổng vào/ra. Mỗi đầu xilanh đều có một nắp bịt. Pít-tông có thể trượt bên trong thân xilanh. Cần pít-tông được nối với pít-tông. Các cổng vào và ra đặt ở hai đầu thân xilanh cho phép dầu làm việc đi vào và ra.
Hình 2-8: Mặt cắt ngang của xilanh thủy lực. Dầu đi vào một cổng, đẩy pít-tông và cần pít-tông duỗi ra. Dầu thoát ra từ cổng còn lại sẽ trở về bể chứa.
Khi cổng vào xi-lanh được kết nối với hệ thống, xi-lanh trở thành một phần của hệ thống. Áp suất từ điểm A truyền qua hệ thống tới pít-tông bên trong xi-lanh. Áp suất này tác dụng lên diện tích bề mặt pít-tông tạo ra lực cơ học tại điểm B — ở đầu cần pít-tông.
Khi áp suất được truyền qua một chất lỏng kín, một bộ phận chuyển động nào đó tạo ra áp suất đó. Trong tất cả các ví dụ đã nêu cho đến nay, bộ phận chuyển động đó là pít-tông. Việc chia lực cho diện tích pít-tông sẽ cho ta áp suất trong hệ thống (P = F/A).
Hệ thống thủy lực có thể khuếch đại (nhân bội) lực cơ học. Hệ số khuếch đại phụ thuộc vào diện tích bề mặt pít-tông của xi-lanh thủy lực (tính bằng in² hoặc cm²). Vì áp suất được truyền đều trong một chất lỏng kín, nên nếu diện tích pít-tông của xi-lanh đầu ra lớn hơn diện tích pít-tông của xi-lanh đầu vào, thì lực đầu ra sẽ lớn hơn lực đầu vào.
Ví dụ: Một lực 5.000 lbs (22.200 N) tác dụng lên pít-tông có diện tích 10 in² (64,52 cm²), tạo ra áp suất:
P = F / A = 5.000 lbs / 10 in² = 500 psi (34,5 bar)
Cùng áp suất 500 psi đó tác dụng lên pít-tông đầu ra có diện tích 15 in² (96,78 cm²):
F_out = P × A_out = 500 psi × 15 in² = 7.500 lbs (33.360 N)
Công thức khuếch đại lực: F_out = P × A_out, trong đó P = F_in / A_in
Hình 2-9: Khuếch đại lực cơ học. Cùng một áp suất tác dụng lên cả hai pít-tông, nhưng pít-tông lớn hơn tạo ra lực lớn hơn. F = P × A.
Bộ tăng áp (còn gọi là bộ tăng áp lực) có thể khuếch đại áp suất thủy lực. Thiết bị này sử dụng hai pít-tông được nối với nhau bằng một thanh truyền nằm trong một vỏ bọc duy nhất, có các cổng vào, cổng ra và cổng xả. Pít-tông lớn cảm nhận áp suất hệ thống; lực do pít-tông này sinh ra được truyền tới pít-tông nhỏ, từ đó tạo ra áp suất đầu ra cao hơn vì diện tích của pít-tông nhỏ hơn.
Piston lớn cảm nhận áp suất hệ thống và truyền lực đó qua thanh nối đến piston nhỏ. Vì piston nhỏ có diện tích nhỏ hơn nên áp suất đầu ra tại đầu piston nhỏ cao hơn — áp suất được khuếch đại.
Ví dụ: Lực 5.000 lbs (22.200 N) tác dụng lên piston lớn (diện tích: 15 in² / 96,78 cm²). Áp suất = 333 psi (22,9 bar). Lực này được truyền tới piston nhỏ (diện tích: 0,76 cm²). Áp suất đầu ra = 5.000 lbs / 0,76 cm² × (1/10.000) = 2.000 psi (137,9 bar). Lực đầu ra = 30.000 lbs (133.200 N).
Một ứng dụng phổ biến của bộ khuếch đại áp suất là trong các đồ gá kẹp.
Hình 2-11 Bộ khuếch đại áp suất. Piston lớn truyền lực của nó tới piston nhỏ, vốn có diện tích nhỏ hơn nhiều — từ đó tạo ra áp suất đầu ra cao hơn nhiều.
Mục đích của việc sử dụng thủy lực (hoặc bất kỳ phương pháp truyền năng lượng nào khác) trong một máy móc là thực hiện công có ích. Để một xi-lanh thực hiện công, nó phải tác dụng lực lên tải và di chuyển tải đó qua một khoảng cách — do đó hệ thống cần một bộ phận có khả năng sử dụng năng lượng để cung cấp dòng chất lỏng liên tục.
Tất cả những thiết bị mà chúng ta đã xem xét cho đến nay nhằm tạo ra áp suất trong một chất lỏng kín đều sử dụng pít-tông và xi-lanh. Pít-tông tác dụng lực; xi-lanh giữ kín chất lỏng. Loại thiết bị này được gọi là bình tích áp.
Bình tích áp có thể lưu trữ năng lượng tiềm năng của chất lỏng dưới áp suất. Năng lượng tiềm năng được lưu trữ này có thể được chuyển đổi thành năng lượng làm việc (dòng chảy và áp suất).
Ví dụ: Một bình tích áp có áp suất 500 psi (34,5 bar) cung cấp áp suất để đẩy tải. Trong số 500 psi được tích trữ, 400 psi (27,6 bar) được sử dụng để vượt qua lực cản của tải, còn phần áp suất còn lại được chuyển đổi thành dòng chảy để di chuyển tải.
Các bộ tích năng thực sự có một hạn chế: nếu tải rất lớn, áp suất có thể không đủ để vượt qua tải đó, do đó không thể thực hiện được công việc nào. Ngoài ra, một khi chất lỏng đã tích trữ được xả hết hoàn toàn, sẽ không còn dòng chảy nào nữa.
Để tạo ra đủ áp suất nhằm vượt qua tải và duy trì dòng chảy liên tục, cần sử dụng một thiết bị khác — bơm thủy lực kiểu dịch chuyển dương.
Hình 2-12: Hoạt động của bộ tích năng. Áp suất đã tích trữ có thể đẩy tải, nhưng một khi chất lỏng đã cạn kiệt, dòng chảy sẽ ngừng — bộ tích năng không thể tự mình duy trì công việc liên tục.
Một bơm kiểu dịch chuyển dương tạo ra dòng chảy liên tục của chất lỏng thông qua chuyển động nội tại lặp đi lặp lại theo kiểu tịnh tiến hoặc quay. Bơm cung cấp cả năng lượng động (dòng chảy) lẫn năng lượng áp suất — tức là năng lượng làm việc cần thiết để thực hiện công việc thủy lực liên tục.
Máy bơm piston chuyển động tịnh tiến có một piston được nối với nguồn động lực (động cơ hoặc động cơ điện) thông qua tay quay hoặc cam. Cửa vào và cửa ra mỗi cửa đều được trang bị van một chiều kiểu bi. Khi piston được kéo ra, thể tích bên trong tăng lên, van bi ở cửa vào mở ra và chất lỏng chảy vào. Khi piston được đẩy vào, thể tích giảm đi, áp suất tăng lên, van bi ở cửa vào đóng lại và van bi ở cửa ra mở ra — đẩy chất lỏng vào hệ thống. Chuyển động liên tục qua lại tạo ra dòng chảy đập nhịp; áp suất có thể đạt mức bất kỳ mà hệ thống yêu cầu.
Hình 2-13 Máy bơm piston chuyển động tịnh tiến. Piston di chuyển vào và ra, hút dầu vào qua van một chiều cửa vào và đẩy dầu ra qua van một chiều cửa ra.
Loại máy bơm phổ biến nhất trong các hệ thống thủy lực công nghiệp là máy bơm thể tích quay. Máy bơm này tạo ra dòng chảy tương đối êm và có áp, đồng thời dễ dàng được dẫn động bởi động cơ điện hoặc động cơ đốt trong. Mỗi vòng quay của bộ phận quay sẽ dịch chuyển một thể tích chất lỏng cố định.
Một bơm quay gồm một thân bơm và một cụm quay. Thân bơm có một cửa vào và một cửa ra. Cụm quay tạo ra dòng chảy và áp suất. Ví dụ minh họa ở đây gồm một roto và các cánh gạt có thể trượt tự do vào và ra khỏi các rãnh trên roto.
Cụm quay được lắp đặt lệch tâm (không đồng tâm) bên trong thân bơm và được nối với động cơ dẫn động thông qua trục truyền động — roto quay. Khi roto quay, lực ly tâm đẩy các cánh gạt hướng ra ngoài, ép sát vào thành thân bơm, tạo thành các buồng kín. Ở phía cửa vào, thể tích buồng tăng lên, chất lỏng được hút vào; ở phía cửa ra, thể tích buồng giảm đi, áp suất tăng lên và chất lỏng bị đẩy ra ngoài hệ thống. Bơm chỉ tạo ra áp suất bằng đúng mức trở kháng nhỏ nhất trong hệ thống — không hơn thế.
Hình 2-15: Bơm cánh gạt quay. Các cánh gạt ép sát thành thân bơm tạo thành các buồng mở rộng (cửa vào) và co lại (cửa ra) khi roto quay.
Trong một hệ thống thủy lực, áp suất và lực cản có mối quan hệ trực tiếp với nhau. Bơm đẩy chất lỏng vào hệ thống; mức áp suất được xác định bởi mức độ lực cản. Lực cản cao → áp suất cao; lực cản thấp → áp suất thấp. Lực cản đối với dòng chảy chất lỏng quyết định mức áp suất được tạo ra.
Một bơm phải chịu hai loại lực cản: lực cản tải và lực cản dòng chảy. Nếu bỏ qua lực cản dòng chảy, thì lực cản duy nhất chính là lực cản tải. Nếu cần 200 psi (13,8 bar) để vượt qua lực cản tải, bơm sẽ tạo ra áp suất 200 psi và truyền năng lượng làm việc thủy lực vào bộ chấp hành, từ đó làm chuyển động tải.
Lực cản dòng chảy luôn tồn tại. Nó buộc bơm phải lấy thêm năng lượng từ động cơ dẫn động và tạo ra áp suất cao hơn để khắc phục lực cản này.
Hình 2-16: Lực cản và áp suất. Áp suất bơm tăng lên để vượt qua tổng lực cản mà nó phải đối mặt — bao gồm lực cản tải cộng với lực cản dòng chảy (ma sát).
Năng lượng bổ sung mà bơm cung cấp cho chất lỏng để vượt qua lực cản dòng chảy không được chuyển đổi thành năng lượng làm việc thủy lực hữu ích tại cơ cấu chấp hành — thay vào đó, nó bị tiêu hao do ma sát dòng chảy. Năng lượng này bị "tiêu hao" không bị mất đi theo nghĩa bảo toàn năng lượng; nó được chuyển hóa thành nhiệt, làm tăng nhiệt độ của chất lỏng. Nhiệt lượng này chính là nguyên nhân gây ra sự kém hiệu quả của hệ thống.
Trong một hệ thống thủy lực động (có dòng chảy), chất lỏng di chuyển trong các đường ống với một vận tốc nhất định (tốc độ). Vận tốc được đo bằng ft/s (foot trên giây) hoặc m/s.
Thể tích chất lỏng đi ngang qua một điểm trong một đơn vị thời gian được gọi là lưu lượng. Trong các hệ thống thủy lực, đơn vị thường dùng là gpm (gallon Mỹ trên phút) hoặc Lpm (lít trên phút).
Vận tốc và lưu lượng có mối quan hệ với nhau: để đổ đầy một bình chứa 5 gallon (18,95 L) trong vòng một phút thông qua một đường ống lớn, chất lỏng phải di chuyển với vận tốc 10 ft/s (3,04 m/s). Còn qua một đường ống có kích thước chỉ bằng một nửa, chất lỏng phải di chuyển với vận tốc 20 ft/s (6,10 m/s) để vẫn đảm bảo lưu lượng 5 gpm như cũ. Lưu lượng là như nhau; còn vận tốc thì khác nhau.
Hình 2-17 Cùng lưu lượng, vận tốc khác nhau. Trong một ống có đường kính nhỏ hơn, chất lỏng phải di chuyển nhanh hơn để vận chuyển cùng một thể tích mỗi phút.
Chất lỏng chảy qua các đường ống thủy lực sinh nhiệt do ma sát — tốc độ chảy càng cao thì lượng nhiệt sinh ra càng lớn. Trong các ứng dụng công nghiệp, vận tốc chất lỏng được khuyến nghị bên trong đường ống nối giữa bơm và cơ cấu chấp hành là 15 ft/s (4,572 m/s).
Chất lỏng chảy trong một ống thẳng khi gặp một đoạn cong phải thay đổi hướng đột ngột. Các phân tử chất lỏng va chạm với nhau và với thành ống — điều này cũng sinh nhiệt. Tùy theo kích thước ống, một cút 90° đơn lẻ có thể sinh ra lượng nhiệt tương đương với vài feet ống thẳng.
Chênh lệch áp suất là sự chênh lệch về áp suất giữa hai điểm bất kỳ trong một hệ thống. Chênh lệch áp suất cho biết hai điều sau:
Ví dụ: Đồng hồ đo áp suất 1 hiển thị 200 psi (13,79 bar); đồng hồ đo áp suất 2 hiển thị 180 psi (12,41 bar). Chênh lệch áp suất = 20 psi (1,38 bar). Điều này có nghĩa là:
Hình 2-19: Chênh lệch áp suất. Sự sụt giảm 20 psi dọc theo đoạn ống này cho thấy dòng chảy đang tồn tại và định lượng phần năng lượng thủy lực bị mất do ma sát sinh nhiệt.
Việc chuyển đổi năng lượng thủy lực thành nhiệt đồng nghĩa với việc hệ thống đang lãng phí năng lượng. Để nâng cao hiệu suất, các kỹ sư thiết kế phải lựa chọn độ nhớt dầu phù hợp, xác định kích thước ống chính xác và giảm thiểu số lượng chỗ uốn cong cũng như phụ kiện nối. Tất cả những yếu tố này giúp giảm sức cản dòng chảy, từ đó làm giảm năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt.
Hình 2-20: Phát sinh nhiệt trong một mạch thực tế. Mỗi đoạn ống, phụ kiện nối, chỗ uốn cong và van đều góp phần gây ra sự sụt giảm áp suất và tổn thất năng lượng.
CÁC CÔNG THỨC CHÍNH – CHƯƠNG 2
|
Khái niệm |
Công thức |
Đơn vị / Ghi chú |
|
Định luật Pascal / Áp suất |
P = F / A |
psi = lb/in² | bar = N/(m² × 100.000) |
|
Lực sinh ra từ áp suất |
F = P × A |
lb = psi × in² |
|
Bội số lực |
F_out = (A_out / A_in) × F_in |
Tỷ số diện tích pít-tông xác định hệ số khuếch đại |
|
Tăng áp suất |
P_out = (A_in / A_out) x P_in |
Diện tích đầu ra nhỏ hơn = áp suất đầu ra cao hơn |
Chào mừng đến với HOVOO, một nhà máy sản xuất con dấu ở Trung Quốc. Sản xuất các loại con dấu PU, cao su và PTFE. Các con dấu bao gồm O-ring, con dấu piston, con dấu trục, Gray ring và con dấu khí.
EN
AR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
IW
ID
LV
SR
SK
VI
HU
MT
TH
TR
FA
MS
GA
CY
IS
KA
UR
LA
TA
MY
