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]
Trong các hệ thống thủy lực công nghiệp, bơm thường được lắp đặt trên đỉnh bể chứa chứa chất lỏng của hệ thống. Đường ống hút (còn gọi là đường ống đầu vào) nối đầu vào của bơm với dầu trong bể chứa.
Dòng chảy của chất lỏng từ bể chứa đến bơm có thể được xem như một hệ thống thủy lực riêng biệt. Trong hệ con này, áp suất thấp hơn áp suất khí quyển do bơm tạo ra đóng vai trò là lực cản đối với dòng chảy, còn năng lượng làm dịch chuyển chất lỏng bắt nguồn từ áp suất khí quyển. Khí quyển tác động lên bề mặt dầu trong bể chứa hoạt động giống như một bộ tích năng.
Hình 5-1 Lắp đặt bơm tiêu chuẩn — bơm đặt ở phía trên, đường hút nằm dưới mức dầu. Áp suất khí quyển tác dụng lên bề mặt dầu là lực đẩy dầu lên vào trong bơm.
Chúng ta thường cho rằng không khí không có trọng lượng, nhưng thực tế lớp khí quyển bao quanh Trái Đất lại tạo ra áp suất. Torricelli, nhà phát minh ra khí áp kế, đã chứng minh rằng áp suất khí quyển có thể được đo bằng một cột thủy ngân. Bằng cách úp ngược một ống thủy ngân đầy vào một chậu thủy ngân, ông phát hiện rằng ở mực nước biển, chiều cao cột thủy ngân mà áp suất khí quyển có thể nâng đỡ đạt 29,92 inch (760 mm). Do đó, trong điều kiện tiêu chuẩn, áp suất khí quyển ở mực nước biển bằng (hoặc tương đương với) một cột thủy ngân cao 29,92 inch (760 mm). Tất nhiên, bất kỳ vị trí nào ở độ cao lớn hơn mực nước biển đều sẽ có áp suất khí quyển thấp hơn.
Áp suất thủy lực thường được biểu thị bằng psi hoặc bar, nhưng áp suất khí quyển thường được đo bằng in.Hg (inch thủy ngân) hoặc mmHg. Ở nhiệt độ 68°F (20°C) và độ ẩm tương đối 36%, áp suất khí quyển ở mực nước biển = 29,92 in.Hg hoặc 760 mmHg, tương đương với 14,7 psia hoặc 1,01 bar. Điều quan trọng cần lưu ý là đơn vị bar không được sử dụng để định nghĩa áp suất khí quyển; thay vào đó, áp suất khí quyển tiêu chuẩn là 101.000 N/m².
Khi chuyển đổi giữa in.Hg và psi, cần lưu ý rằng 1 psia = 2,04 in.Hg và 1 bar ≈ 752 mmHg. Do đó, giá trị xấp xỉ là: 1 psia ≈ 2 in.Hg hoặc 1 bar ≈ 750 mmHg.
Cả áp suất tuyệt đối và áp suất dư đều có thể được sử dụng để đo áp suất trong một hệ thống thủy lực.
Áp suất tuyệt đối được đo từ điểm áp suất bằng không — tức là điểm không tồn tại áp suất nào cả. Đơn vị đo có thể là psi (bar) hoặc in.Hg (mmHg). Áp suất tuyệt đối được ký hiệu bằng cách thêm hậu tố "a": psia (psi tuyệt đối), bara.
Áp suất đo được tính từ điểm tham chiếu là áp suất khí quyển. Đơn vị đo là psi (bar). Áp suất tuyệt đối bằng áp suất đo cộng với áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Ví dụ: nếu hệ thống hiển thị 100 psig (6,9 bar đo) và áp suất khí quyển tiêu chuẩn là 14,7 psia (1 bar), thì áp suất tuyệt đối sẽ là 114,7 psia (7,9 bar tuyệt đối). Để phân biệt hai loại áp suất này, áp suất đo được ký hiệu là psig, còn áp suất tuyệt đối được ký hiệu là psia.
Khi bơm không hoạt động, phía đầu vào của hệ thống ở trạng thái cân bằng — chênh lệch áp suất giữa bơm và khí quyển bằng không, nghĩa là không có dòng chảy. Để bơm cung cấp dầu cho cụm quay của nó, khi bơm đang chạy sẽ tạo ra một áp suất thấp hơn áp suất khí quyển — hệ thống trở nên mất cân bằng — và dòng chảy bắt đầu.
Áp suất do khí quyển tác dụng lên chất lỏng đảm nhiệm hai chức năng:
Hầu hết áp suất khí quyển được sử dụng để tăng tốc chất lỏng vào bơm, nhưng công việc đầu tiên cần phải được thực hiện trước tiên: cung cấp chất lỏng tới cửa vào của bơm. Nếu tiêu tốn quá nhiều áp suất khí quyển ở giai đoạn này, sẽ không còn đủ áp suất để tăng tốc chất lỏng vào cụm quay. Điều này khiến bơm bị thiếu hụt chất lỏng (starve), dẫn đến hiện tượng gọi là xâm thực (cavitation).
Xâm thực (cavitation) là sự hình thành và sụp đổ của các khoang hơi trong chất lỏng. Hiện tượng này gây hại cho bơm theo hai cách:
Ở phía đầu vào của bơm, các khoang hơi hình thành khắp chất lỏng. Điều này làm giảm hiệu quả bôi trơn và tăng tốc độ mài mòn. Khi những khoang hơi này di chuyển đến vùng áp suất cao tại đầu ra của bơm, thành của các khoang bị nén lại và sụp đổ mạnh mẽ, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ làm "bong tróc" bề mặt kim loại — tương tự như một nhà điêu khắc dùng búa và đục để chạm khắc trên đá. Nếu hiện tượng xâm thực tiếp diễn, tuổi thọ của bơm sẽ bị rút ngắn, đồng thời các mảnh vụn do xâm thực tạo ra có thể lan truyền tới các bộ phận khác trong hệ thống và gây hư hại cho các thành phần khác.
Hình 5-5: Hư hỏng do xâm thực trên lòng vỏ bơm. Mẫu rỗ vi mô xuất hiện do sự xẹp lặp đi lặp lại của các khoang hơi ngay trên bề mặt kim loại.
Dấu hiệu rõ ràng nhất của hiện tượng xâm thực là tiếng ồn — khi các túi hơi sụp đổ, chúng tạo ra rung động biên độ cao lan truyền khắp toàn bộ hệ thống, và bơm thủy lực phát ra âm thanh sắc, chói tai. Khi hiện tượng xâm thực xảy ra, do các buồng bơm không được lấp đầy hoàn toàn bằng chất lỏng nên lưu lượng giảm và áp suất hệ thống trở nên không ổn định.
Hiện tượng xâm thực hình thành trong chất lỏng do chất lỏng sôi — tuy nhiên sự sôi này không do nhiệt gây ra, mà do chất lỏng đạt tới áp suất tuyệt đối đủ thấp.
Tất cả các phân tử trong chất lỏng đều chuyển động liên tục, nhưng không phải tất cả đều có cùng tốc độ. Các phân tử chuyển động nhanh hơn ở gần bề mặt cố gắng thoát ra không gian phía trên, bất chấp lực hút của các phân tử xung quanh. Lực mà các phân tử chuyển động nhanh cần vượt qua để thoát vào khí quyển chính là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng.
Nếu bình chứa chất lỏng được bịt kín, các phân tử chuyển động nhanh sẽ đi vào không gian phía trên bề mặt chất lỏng. Khi không gian này đạt đến trạng thái bão hòa hơi, các phân tử va chạm với nhau và quay trở lại pha lỏng. Quá trình các phân tử rời khỏi bề mặt chất lỏng được gọi là bay hơi; quá trình các phân tử quay trở lại pha lỏng được gọi là ngưng tụ. Khi tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ bằng nhau, hệ đạt trạng thái cân bằng và áp suất do hơi tạo ra được gọi là áp suất hơi của chất lỏng đó. Áp suất hơi thường được biểu thị bằng đơn vị áp suất tuyệt đối, tính theo inch thủy ngân (in.Hg).
Áp suất hơi chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng lên, các phân tử chất lỏng nhận được nhiều năng lượng hơn và chuyển động nhanh hơn, dẫn đến áp suất hơi tăng lên. Khi áp suất hơi bằng áp suất khí quyển, các phân tử chất lỏng có thể tự do thoát vào khí quyển — hiện tượng này được gọi là sôi. Nước tại mực nước biển sôi ở 212°F (100°C), vì tại nhiệt độ này áp suất hơi của nước bằng áp suất khí quyển.
Một chất lỏng cũng có thể được đun sôi bằng cách giảm áp suất tác dụng lên nó. Khi áp suất giảm xuống bằng áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, các phân tử chất lỏng có thể tự do bay vào không gian phía trên bề mặt chất lỏng. Nước ở nhiệt độ 100°F (37,2°C) có áp suất hơi là 2 in.Hg (0,068 bar). Nếu một bình chứa nước ở 100°F được nối với máy bơm chân không và áp suất tuyệt đối bên trong giảm xuống còn 2 in.Hg (0,068 bar), thì nước sẽ sôi. Các máy bơm vận chuyển chất lỏng thường gặp hiện tượng sôi loại này.
Dầu thủy lực ở mực nước biển chứa khoảng 10% không khí hòa tan. Không khí này tồn tại dưới dạng hòa tan trong chất lỏng — nó vô hình và không làm tăng đáng kể thể tích chất lỏng. Khả năng hòa tan không khí của dầu thủy lực hoặc bất kỳ chất lỏng nào khác giảm khi áp suất tác dụng lên chất lỏng giảm. Ví dụ, nếu một cốc dầu thủy lực ở áp suất khí quyển được đặt vào chân không, không khí hòa tan sẽ chuyển thành các bọt khí và thoát ra khỏi dung dịch. Trong quá trình xâm thực (cavitation), không khí hòa tan thoát ra khỏi dầu và gây hư hại cho bơm thủy lực.
Không khí lẫn là không khí tồn tại trong chất lỏng ở trạng thái chưa hòa tan — dưới dạng các bọt khí. Nếu bơm thỉnh thoảng hút phải dầu chứa không khí lẫn, các bọt khí này sẽ gây ra những ảnh hưởng tương tự như hiện tượng xâm thực đối với bơm. Tuy nhiên, do hiện tượng này không liên quan đến áp suất hơi bão hòa của chất lỏng, nên chúng ta gọi nó là hiện tượng xâm thực giả (pseudo-cavitation).
Nếu có rò rỉ trên đường ống hút hoặc phớt trục bơm bị hỏng, không khí lẫn vào hệ thống gần như luôn luôn xuất hiện. Vì áp suất ở phía đầu vào của bơm thường thấp hơn áp suất khí quyển, nên bất kỳ khe hở nào tại vị trí này đều khiến không khí bị hút vào dầu và vào bên trong bơm. Bất kỳ bọt khí nào lẫn trong dầu mà không thể thoát ra khỏi bể chứa cũng sẽ đi vào bơm.
Hiện tượng xâm thực gây hư hại nghiêm trọng cả đối với bơm lẫn hệ thống. Vì lý do này, các nhà sản xuất bơm quy định các giới hạn phía đầu vào cho sản phẩm của họ. Các nhà sản xuất bơm thủy lực công nghiệp kiểu dịch chuyển dương thường quy định rằng áp suất tại đầu vào bơm phải thấp hơn áp suất khí quyển để chất lỏng có thể được đưa vào cụm quay của bơm. Tuy nhiên, thông số áp suất này thường không được nêu theo đơn vị áp suất tuyệt đối — mà được biểu thị dưới dạng độ chân không.
Chân không là bất kỳ áp suất nào thấp hơn áp suất khí quyển. Khái niệm chân không gây nhầm lẫn vì điểm xuất phát của nó giống như áp suất đo (áp suất khí quyển), nhưng các giá trị được tính giảm dần theo đơn vị inch thủy ngân (in.Hg) hoặc milimét thủy ngân (mmHg).
0 in (0 mm) chân không = áp suất khí quyển hoặc áp suất đo bằng không. 29,92 in.Hg (760 mmHg) chân không = chân không tuyệt đối hoặc áp suất tuyệt đối bằng không.
Như minh họa trong sơ đồ, một chậu thủy ngân được nối qua một ống thủy tinh với một bình chứa ở áp suất khí quyển: do áp suất bên trong bình chứa bằng áp suất khí quyển tác động lên mặt chậu thủy ngân, nên cột thủy ngân không dâng lên trong ống thủy tinh. Chiều cao cột thủy ngân bằng không cho thấy bình chứa không ở trạng thái chân không.
Nếu thùng chứa được hút chân không cho đến khi áp suất bên trong giảm xuống 10 inch Hg (254 mmHg), thì áp suất khí quyển tác động lên mặt máng có thể nâng đỡ cột thủy ngân cao 10 inch (254 mm) — độ chân không đo được là 10 inch Hg (254 mmHg). Nếu thùng chứa được hút chân không hoàn toàn (áp suất tuyệt đối bằng 0), thì áp suất khí quyển có thể nâng đỡ cột thủy ngân cao 29,92 inch (760 mm) — độ chân không đo được là 29,92 inch Hg (760 mm).
chân không 0 inch (0 mm) thủy ngân = áp suất khí quyển = áp suất dư bằng 0. Chân không 29,92 inch Hg (760 mm) = chân không tuyệt đối = áp suất tuyệt đối bằng 0.
Hình 5-9 Đo độ chân không bằng áp kế thủy ngân. Ba trạng thái từ trên xuống dưới: khí quyển (chân không bằng 0), chân không một phần (10 inch Hg) và chân không tuyệt đối (29,92 inch Hg = 0 psia).
Một đồng hồ đo chân không được hiệu chuẩn từ 0 đến 30 in.Hg (0–760 mmHg), với mỗi vạch chia tương ứng 1 in.Hg. Ở mực nước biển, để chuyển giá trị đọc trên đồng hồ đo chân không sang áp suất tuyệt đối, chỉ cần lấy 30 in.Hg (760 mmHg) trừ đi giá trị chân không đọc được (tính bằng in.Hg). Ví dụ, giá trị chân không 7 in.Hg (177 mmHg) tương ứng với áp suất tuyệt đối là 23 in.Hg (583 mmHg).
Các nhà sản xuất bơm sử dụng đơn vị chân không cho các yêu cầu đầu vào vì đại lượng này liên quan đến mực nước biển — khi bơm được sử dụng ở độ cao trên mực nước biển, áp suất khí quyển thấp hơn tại độ cao đó phải được tính đến.
Ví dụ: Nếu nhà sản xuất quy định áp suất chân không đầu vào tối đa không được vượt quá 7 in.Hg (177 mmHg), điều này có nghĩa là nhà sản xuất yêu cầu ít nhất 23 in.Hg (583 mmHg) áp suất tuyệt đối (hoặc áp suất khí quyển) tại đầu vào bơm để đẩy chất lỏng vào cụm quay. Nếu áp suất tuyệt đối tại đầu vào bơm giảm xuống dưới mức 23 in.Hg (583 mmHg), bơm có thể bị hư hại, mặc dù điều này còn phụ thuộc vào hệ số thiết kế mà nhà sản xuất cho phép đối với giới hạn chân không. Tất cả các thông số kỹ thuật về đầu vào bơm được công bố đều giả định tốc độ định mức và dầu khoáng. Nếu bơm hoạt động ở tốc độ khác hoặc sử dụng chất lỏng khác, các thông số kỹ thuật này phải được hiệu chỉnh.
Áp suất chân không tối đa cho phép của bơm phụ thuộc vào loại chất lỏng đang được bơm. Các yêu cầu kỹ thuật ở phía đầu vào được tính toán dựa trên trọng lượng riêng và áp suất hơi bão hòa của dầu mỏ. Nếu sử dụng các loại dầu thủy lực chống cháy, sự thay đổi về trọng lượng riêng và áp suất hơi bão hòa sẽ ảnh hưởng đến áp suất chân không tối đa cho phép ở đầu vào.
Trọng lượng riêng là tỷ số giữa trọng lượng của một chất lỏng so với trọng lượng của một chất lỏng khác. Cụ thể hơn, đây là tỷ số giữa trọng lượng của một thể tích cố định chất lỏng so với trọng lượng của cùng thể tích nước. Ở 60°F (15,6°C), 1 ft³ nước nặng 62,4 lbs (28,3 kg). Khi chia trọng lượng dầu cho trọng lượng nước, ta thấy trọng lượng dầu bằng 90% trọng lượng nước, hay tỷ lệ trọng lượng là 1 (nước) trên 0,90 (dầu mỏ) — do đó trọng lượng riêng (SG) của dầu mỏ là 0,90.
Các yêu cầu về phía đầu vào của bơm được tính toán cho dầu mỏ có tỷ trọng riêng (SG) từ 0,87 đến 0,90. Đối với chất lỏng chống cháy dạng este phốtphat, tỷ trọng riêng tăng lên 30%, đạt khoảng 1,15. Tỷ trọng riêng của chất lỏng thủy lực gốc nước dao động từ 0,93 (nhũ tương HFB) đến 1,08 (nước–glycol). Để đẩy nhanh dòng chảy của các chất lỏng nặng hơn này vào bơm, cần áp suất cao hơn tại đầu vào bơm. Do đó, chân không tối đa cho phép cần được giảm nhẹ.
Dầu mỏ và các chất lỏng chống cháy dạng este phốtphat ở nhiệt độ vận hành thủy lực thông thường có áp suất hơi rất thấp; tuy nhiên, các chất lỏng thủy lực gốc nước lại khác biệt. Các chất lỏng thủy lực gốc nước chứa một tỷ lệ nước cao. Áp suất hơi của cả nhũ tương HFB và hỗn hợp nước–glycol có thể đạt tới vài inch thủy ngân, trong khi áp suất hơi của dầu mỏ và các chất lỏng tổng hợp chỉ bằng một phần nhỏ inch thủy ngân. Vì vậy, các chất lỏng thủy lực gốc nước dễ bay hơi và xâm thực hơn.
Để ngăn chất lỏng dựa trên nước bị xâm thực (cavitation), các nhà sản xuất bơm yêu cầu áp suất đủ tại đầu vào bơm nhằm tăng tốc chất lỏng làm việc vào bên trong bơm. Yêu cầu này có thể được đáp ứng bằng cách giảm độ chân không tối đa cho phép.
Hình 5-13 So sánh áp suất hơi bão hòa. Các chất lỏng dựa trên nước có áp suất hơi bão hòa cao hơn nhiều so với dầu khoáng ở cùng nhiệt độ, do đó dễ bị xâm thực hơn nếu độ chân không đầu vào quá cao.
Nhân viên bảo trì thường là những người phát hiện sớm nhất hiện tượng xâm thực ở bơm hoặc hiện tượng bơm hút vào không khí, bởi vì sự quen thuộc của họ với máy móc giúp họ nhận ra những dấu hiệu đầu tiên của sự cố.
Dấu hiệu rõ ràng nhất của hiện tượng xâm thực bơm thủy lực hoặc hút khí là âm thanh cao, nhưng có những khác biệt tinh tế: bơm bị xâm thực phát ra âm thanh cao đều đặn — âm thanh này có thể do các bọt khí có kích thước tương tự nhau vỡ ra gây ra. Khi hút khí, âm thanh do bơm phát ra thay đổi rất nhiều: khi một lượng nhỏ khí lọt vào, tiếng ồn nghe giống như tiếng lạch cạch hoặc như tiếng hỏng bạc đạn; nếu lượng khí lọt vào lớn, bơm sẽ phát ra âm thanh gõ mạnh hoặc lạo xạo kỳ lạ.
Cách đáng tin cậy hơn để phân biệt hiện tượng xâm thực với hiện tượng hút khí là sử dụng đồng hồ đo chân không để xác định áp suất tuyệt đối tại đầu vào của bơm. Lấy áp suất khí quyển trừ đi giá trị đọc trên đồng hồ đo chân không; nếu giá trị áp suất tuyệt đối thu được không đủ, hiện tượng xâm thực có thể đang xảy ra.
Đối với hệ thống thủy lực mới: nếu bơm bị xâm thực, có thể do đường ống hút được thiết kế kém hoặc độ nhớt của dầu quá cao. Việc sử dụng dầu có độ nhớt phù hợp hoặc tăng đường kính ống hút để giảm tổn thất áp suất trên đường ống sẽ giúp cải thiện hiện tượng xâm thực. Đối với hệ thống hiện hữu đã được thiết kế đúng: nếu bơm bị xâm thực, có thể do đường ống hút bị tắc bởi bụi bẩn, giấy hoặc động vật nhỏ — hoặc bộ lọc đầu vào quá bẩn mà không có van nối tắt (bypass), hoặc van nối tắt không mở đủ.
Đối với bơm thủy lực, "mồi bơm" nghĩa là đổ đầy chất lỏng vào cơ cấu bơm. Một bơm chưa được mồi sẽ chứa không khí hoặc "khóa khí". Trước khi bắt đầu quá trình bơm, không khí này phải được loại bỏ khỏi đường ống hút và buồng bơm. Nếu bỏ qua bước này, việc khởi động bơm thủy lực mà chưa mồi có thể gây hư hỏng vĩnh viễn trong vòng vài phút do thiếu bôi trơn.
Một bơm có đường ra được nối trực tiếp với bể chứa thông qua van điều hướng thường có thể dễ dàng xả khí còn sót lại vào bể chứa ngay khi khởi động. Nếu bơm phải xả không khí bên trong qua van an toàn, thao tác này có thể không thực hiện được — bởi vì một bơm thủy lực công nghiệp điển hình là máy nén khí rất kém.
Để xả khí còn sót lại khỏi một bơm chưa được mồi, hãy nới lỏng khớp nối ống tại đường ra của bơm, sau đó quay chậm bơm cho đến khi dầu phun ra từ khớp nối, chứng tỏ bơm đã được mồi đầy, rồi siết chặt lại khớp nối. Khí còn sót lại cũng có thể được xả bằng cách giảm tải van an toàn.
Các bơm thủy lực thường chỉ cần được mồi khi khởi động hệ thống mới hoặc khi đã thực hiện bảo trì ở phía đầu hút của một hệ thống hiện hữu.
Các thuật ngữ và công thức sau đây được sử dụng khi làm việc với các điều kiện đầu hút của bơm:
Tình trạng mà đầu vào của bơm nằm thấp hơn mức chất lỏng trong bể chứa. Với điều kiện hút ngập (flooded suction), cột áp chất lỏng (do trọng lực) cung cấp thêm năng lượng để đẩy chất lỏng vào bơm.
Áp suất tại đáy của một cột chất lỏng. Khi đầu vào của bơm nằm thấp hơn mức chất lỏng, áp suất cột (head pressure) cung cấp thêm nguồn năng lượng cho bơm. Các công thức tính áp suất cột:
Áp suất cột (in.Hg) = Chiều cao (inch) × 0,036 × Tỷ trọng riêng ÷ 0,491
Áp suất cột (mmHg) = Chiều cao (mm) × 0,0288 × Tỷ trọng riêng
Chiều cao tương đương của cột chất lỏng được biểu thị bằng đơn vị chiều dài, đo từ một điểm tham chiếu nhất định trở xuống. Công thức tính áp suất nâng (theo in.Hg):
Áp suất nâng (in.Hg) = Chiều cao (inch) × 0,036 × Tỷ trọng riêng ÷ 0,491
Áp suất nâng (mmHg) = Chiều cao (mm) × 0,0288 × Tỷ trọng riêng
Hành động mà bơm thủy lực thực hiện nhằm tạo ra chênh lệch áp suất giữa chính nó và khí quyển.
Áp suất tuyệt đối của chất lỏng tại đầu vào bơm.
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
