Tài liệu Khí nén và thủy lực trần thế san, trần thị kim lang

T H Ư V IỆ N ĐẠI HỌC NHA TRANG ẦN THẾ SAN - TRẦN THỊ KIM LANG HỌC Sư PHẠM KỸ THUẬT TP. Hồ CHÍ MINH NÉN TRẦN THẾ SAN - TRAN t h ị k i m l a n g TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHÍ NÉN , và THỦY Lực NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT KHÍ NÉN VÀ THỦY Lực TRẦN THẾ SAN - TRẦN THỊ KIM LANG C h ịu tr á c h n h iệ m x u ấ t b ả n : TS.PHẠM V Ă N DIỄN B iên t ậ p : TRƯƠNG Q U A N G H Ù N G V ẽ b ìa : KHÁNH THÀNH K ỷ t h u ậ t vi tín h : KHÁNH THÀNH Liên k ế t x u ấ t b ả n C .TY V Ă N H Ó A TRÍ DÂN - NS. NGUYỄN TRẢI 9 6 /7 D u y T â n - p . 1 5 - Q. P hú N h u ậ n - Tp. H C M ĐT: 08 39901846 - Fax: 08 39971765 NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 TRẦN HƯNG ĐẠO - HÀ NỘI In 1000 cu ố n khổ (lố X 24 Cm) tợ i xưởng c ty c ổ ph â n văn h ó a V ợn Xuân. Theo số đ ã n g kí 294 2 - 009/CXB/05 NXBKHKT c â p n g à y 13-4-2009. Inxong nộp lưu chiểu quí 2 năm 2009 - / j / '/ s ư '/ i ru khiến tự dộng các may móc ca qua trình sán Xíiât công nghiệp ngay nay đã trơ thanh một bộ phận kh ổ n g t h ế thiêu trong hệ thống sán x u ở t, nghiên cứu khổng gian, quản sự, và cả trong cuộc sống hàng ngay. May nioc k h ổ n g thờ vận hanh một cách bán tự dộng vờ tự động ÌÌCU không co họ thông diếu khiên. Diều khiến tự dộng bao quát lĩnh vực rất rộng. Hơn 50 n ă m qua, hệ thong diều k h iể n chu yếu bao gồm điểu khiến k h í nén, điểu kh iển thúy lực, diều khiến diện - điện tủ, điều khiển lập trình với m áy tính,... Các hệ thông này có t h ế hoạt động dộc lập, nhưng thường tích hợp với nhau. Mỗi hệ thống dều co các ưu, nhược dicììi va p h ạ m VI ứng d ụ n g riêng, khi tích hợp chúng sà phát huy cúc thế mạnh dặc thù, cho p h e p tăng độ chinh xác, dô tin cậy, tính vận hành, hiệu suàt, vờ g iả m giá thành. Khi nán va th ủ y lực là các hệ thòng được sứ d ụ n g rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, v è nguyên tấc dây là các quá trình chuyên dối nang lượng, chuyên dộng quay thành chuyến dộng tịnh tiên và ngược lại, thông qua lưu chát (chất công tác) lóng hoặc khí. Nguồn năng lượng chính là m áy bơm thủy lực vờ máy nen khí, kết hợp với hệ thống dường ô ng. ( C I C valve, các bộ cam biên, va các bộ tác dộng. Khỉ nen va tỉiuy lực dang được ứng d ụ n g rộng rãi (ý nước ta. Các trương dụi học kỹ thuật, trường dạy nghè,... dẻu co chương trình đào tạo vê lĩnh vực này, nhưng dào tạo chuyên ngành về thủy lực và k h í nén hiện nay chỉ có ớ vài trường. S ự quan tám của các nhà quán ly công nghiệp, kỹ sư, công nhân... về hệ thông khí nén và thúy lực ngày càng cao. Đó là nhu cầu thực tế. Mong ràng cuốn sách T h ủ y L ự c v à K h í N é n c ỏ t i g N g h i ệ p sẽ cung cấp du thông tin cơ ban vả hữu ich vẻ thúy lực và khí nen cho tát cá những người quan tâm đèn lĩnh vực này. Đ 5 NGUYÊN LÝ cd BẢN Cũ CÁU TRUYỀN NĂNG LƯỢNG CÔNG NGHIỆP Hầu h ế t các quá tr ìn h công nghiệp đòi hỏi những v ật th ể hoặc thực th ể chuyên dịch từ vị trí này sang vị trí khác, hoặc tác dụng lực để n ắm giữ, tao hình hoặc nén ép m ột sản phẩm nào đó. N hữ ng h o ạ t động này được thực h iệ n nhờ cơ cấu truyền năng lượng, máy móc tru y ền động tro n g sản xuất công nghiệp. T rong nhiều trường hợp, cơ cấu truyền động thường sử dụng điện nầng. C huyển động quay do các động cơ điện tạo ra. Chuyển động tịn h tiến được chuyến đối từ chuyền động quay th ô n g qua các cơ cấu, chẳng hạn cơ cấu tay quay - con trượt, bánh răng - th a n h răng... Đôi khi có th ể sử dụng cuộn dây solenoid để tạo ra lực hoặc chuyển động th ẳ n g trê n k h o án g cách ngần. Tuy nh iên , tlìiêt bị diện không phai là phương tiện duy n h ấ t cung cấp n ă n g lượng tru y ền động. Lưu chất trong hệ th ố n g kín (gồm cả ch ấ t lỏng và c h ấ t khí) cùng được dùng đè truyền năng lượng từ vị trí này đến vị trí khác, do đó có Ihế tạo ra chuyển động quay, tịn h tiến, hoặc tác dụng lực N hững hệ th ố n g dựa tr ê n cơ sở lưu chất dùng ch ấ t lỏng làm môi ch ất tru y ền động được gọi là hệ thống thủy lực (bắt nguồn từ tiến g Hy Lạp hydra là nước và aulos là ống; hydraulic). N hững hệ th ố n g dựa tr ê n cơ sở c h ấ t k h í được gọi là hệ thống khí nén (từ tiế n g Hy Lạp p n e u m n , pneumatics). H ầu h ế t khí thường dùng đơn giản chỉ là không khí nén. Sự kh ác biột cơ bản giữa hệ thnpg khí n én và thùv lưc là ohât khí (trọng lượng riên g th ấp ) có thê nén được, và c h ấ t lỏng (trọng lượng riêng tương đối cao) không th ể nén được. Ví dụ, hệ th ố n g khí nén có khuynh hướng h o ạ t động “linh h o ạt hơn”, hộ th ố n g thủy lực thường gây ra tiếng ồn, mài mòn, và va đập bên trong ống dẫn. Tuy nhiên, hệ thống thủy lực trên cơ sở c h ấ t lỏng có th ể vận h à n h với áp su ấ t cao hơn nhiều so với hệ thống khí n én , vì thế, có th ể áp dụng để tạo ra lực r ấ t lớn. SO SÁNH CÁC HỆ THONG TRUYỀN Lực Điều cần xem xét là phương pháp nâng một v ậ t n ặ n g lên k h o ản g cách 500 mm. Đây là loại h o ạ t động phố biến tro n g sả n xuất công nghiệp. 7 Hệ thống diện Với hệ thống điện chúng ta có ba lựa chọn cơ bản: cuộn dây solenoid, động cơ điện m ột chiều (DC), hoặc động cơ cảm ứng xoay chiều (AC). Trong các hệ th ố n g này, cuộn solenoid tạo ra h à n h trìn h tuyến tín h m ột cách trực tiếp nhưng thường bị giới h ạ n trong khoảng cách cực đại 100 mm. Cả động cơ m ột chiều (DC) và xoay chiều (AC) đều là th iế t bị quay và đầu ra cua chúng cần được chuyến đổi th à n h chuyền động th ẳ n g b ằ n g cơ cấu cơ khí, ch ẳn g h ạ n trục vít hoặc b án h ră n g - th a n h răng. Điều này đã được áp dụng nhiều trong sản xuất thực tế. Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc p h ần lớn vào yêu cầu điều k h iể n tốc độ. Động cơ m ột chiều DC lắp với tốc k ế và được dẫn động b ằn g m ạch điều khiên th y risto r có thê cung cấp sự điều khiển tốc độ tu y ệ t vời, nhưng yêu cầu bảo dường cao đối với chổi điện và vành góp. Tăng Động cơ 30 ■-j í - o 415 V 1Y Quá tải Giảm (a) Mạch điện LS1 Công tẳc giới hạn trên LS2 Công tắc giới hạn dưới Hình 1-1 Giải pháp điện trên cơ sở động cơ ba pha 8 D ộng cơ xoay chiều AC háu như không cần bảo dưỡng, nhưng cần th iè t bị th ay đòi tốc độ cò định (với tốc độ được xác định báng sô cực và tần sô nguồn). Tốc độ có thế được điều chinh b ằn g bộ điều k h iể n th ay đổi tần số (m ạch biến tần), nhưng phải tr á n h quá n h iệ t, dù ph ần lớn các động cơ được làm m á t bằng quạt bên trong gắn tr ê n trục động cơ. Nêu yẻu cáu tốc độ tần g /g iam theo các giá trị xác định, động cơ xoay chiều AC dần động kích vít có lẽ là sự lựa chọn hợp lý. K hông loại động cơ nào dược phép ngừng quay khi tiế n đến cừ chặn h à n h trìn h , (điều này cũng không hoàn toàn đúng; động cơ m ột chiều DC được th iế t k ế dặc biệt, có thổ điều chính dòng điện ốn định với bộ điều k h iể n th y risto r cùng với quạt làm m át bên ngoài, có th ê được phép ngừng quay), vì th ê ở cuối giới hạn h àn h trìn h cần phải dừng truyền động. Hệ th ố n g được trìn h bày trên H ìn h 1-1 gồm th iế t bị n â n g cơ khí được dán đọng bân g động cơ xoay chiều AC, động cơ này được điều k h iến bằng bộ khơi động đảo. T h iế t bị phụ gồm hai công tắc giới h ạ n và m ạch bảo vệ quá tai động cơ. Không có giới hạn tai thực tế theo ti sô tru y ền giừa hộp số/trục vít, kích thước động cơ và công suất công tắc tơ được tín h toán chính xác. Hệ thống thủy lực Giải p h áp thủy lực được trìn h bày trê n H ình 1-2. Bộ tác động thủy lực tuvên tín h phù hợp với ứng dụng nàv là piston trụ trượt, được trìn h bày dưới d ạn g sơ đồ trê n H ìn h l-2a, gồm một piston di trượt nối trực tiếp với trục đầu ra. Nếu lưu c h ấ t được bơm vào ông A, piston sẽ di chuyền lên và trục sẽ đi lên; nếu lưu ch â t được bơm vào ống B, trục sẽ lùi lại T ấ t nhiên phai phôi hợp vài phương pháp thu chất long về từ phía khô n g có áp suất của piston. Lực tối đa từ bộ piston - cylinder tùy thuộc vào áp su ất lưu ch ấ t và diộn tích bề m ặ t piston. Ví dụ, áp suất ch ất lỏng 150 b a r sè tạo ra áp lực n ân g 150 kg/cm2 diện tích piston. Vì th ế đường k ín h bề m ặ t piston 4.2 cm co thé n àn g tai đến 2000 kg. Hộ th o n g thuy lực được trình bày trên H ình l-2b. Hệ th ô n g này cần dòng c h ấ t long đê vận h à n h , đắt tiền và dề bị bụi bám , vì thê đường ống phái h o ạt động theo vòng kín, chất lỏng đi từ th ù n g chứa đèn một phía cua piston và trơ về th u n g chứa từ phía khác của piston. C h ấ t lóng được bơm ra khỏi th ù n g chứa bằng bơm thủy lực, với lưu lượng theo yêu cầu áp suất 150 bar. Nếu bơm liên tục, áp suất sè tă n g cao đ ến mức phá hủy hệ th ố n g đường ống, do đó cần có th iế t bị điều áp và đưa lưu ch ấ t trở về th ù n g chứa theo kiêu vòng kín. H oạt động của cylinder được điều khiển b ằ n g valve chuyền đổi ba vị trí. Đế kéo dài cylinder, cổng A được nối với đường áp su ất và cổng B nối với th ù n g chứa. Đế đáo ngược chuyên động, cổng B được nối với đường áp su ấ t và cống A nối với th ù n g chứa, ơ vị trí giữa, valve ngăn không cho dòng ch ất lỏng vào cylinder (do đó giừ nguyên vị trí đó) và đóng đường 9 Cylinder (b) Những bộ phận vật lý Hình 1-2 Giải pháp thủy lực ch ât long (làm cho toàn bộ c h ấ t long được bơm trở về th ù n g chứa qua bộ điều chinh áp suất). Có vài vấn đề cần xem xét. Thứ n h ấ t, điều k h iển tốc độ được thực hiện b ằn g cách điều chỉnh lưu lượng th ể tích ch ấ t lỏng đ ến cylinder. Điều k h iể n chính xác ở k h o ản g tốc độ th ấ p là m ột tro n g nh ữ n g ưu điếm chính của hệ th ố n g thủy lực. Thứ hai, giới h ạ n h à n h trìn h được xác định b ằn g h à n h tr ìn h cylinder, và nói chung, cylinder thường dừng lại ở cuối h ạ n h trìn h , vì t h ế k h ô n g cần sự bảo vệ vượt quá h à n h trìn h . l() Thứ ba, bơm quay bằng nguồn n ă n g lượng bên ngoài, thường sử dụng động cơ cam ứng xoay chiều AC, bộ khới động động cơ và m ạch bảo vệ quá tải. T hứ tư, c h ấ t lóng cần phải r ấ t sạch, do đó bộ lọc được dùng đế loại bỏ tạ p c h ấ t (H ình l-2b) khi chất lỏng đi từ th ù n g chứa đ ến bơm. Điều đ á n g quan tâ m cuối cùng là ch ấ t lỏng rò rỉ ra khỏi hệ th ố n g sẽ d ần đôn ỏ nhiẻm , trơn trượt (do đó gây nguy hiếm ) và ả n h hưởng xấu đ ến môi trường. Khi mới quan sát, H ình l-2b dường như quá phức tạ p so với hệ th ố n g đ iện (H ình 1-1), nhưng nên nhớ rằ n g t ấ t cả n hữ ng chi tiế t được đóng khu n g bèn trong đường n é t đứt ớ H ìn h 1-2 là b ìn h thường đối với th iế t bị th ủ y lực công nghiệp, và r ấ t th ô n g dụng tro n g n h iều hệ th ố n g tru y ền lực. Hệ thông khí nén H ìn h 1-3 m inh họa các bộ phận của hệ th ố n g k h í nén. Bộ d ẫ n động cơ ban vẩn là cylinder, với lực cực đại trê n trục được xác định b ằn g áp su ất khí và diện tích bề m ặ t piston. Áp su ất vận h à n h tro n g hệ th ố n g khí n én th ấ p hơn nhiều so với áp suất tro n g hệ th ố n g thủy lực, th ô n g thường là 10 bar, có áp lực n â n g 10 kg/cm2 diện tích piston, vì th ê cần dùng piston đường k ính 16 cm đế n â n g 2000 kg tải trọng. Do đó, hệ th ố n g k h í n én yêu cầu bộ d ẩn động lớn hơn hệ th ố n g thủy lực với cùng tả i trọng. Valve p h â n phối khí đến cylinder vận h à n h tương tự hệ th ố n g thủy lực. Sự khác biệt chính là không khí không phải mua, k h ô n g khí trở về đơn giản là xả ra xung quanh. Không khí được h ú t từ khí quyến qua bộ lọc khí và n é n đến áp su ất yêu cầu b ằn g ináy n én khí (thường được d ẫn động b ằ n g động cơ xoay chiều AC). N h iệ t độ khí sau khi nén sẽ tă n g đ án g kể. K hông k h í luôn luôn chứa m ột lượng hơi nước đ án g kể. Trước khi sử dụng, k h ô n g khí 11 phải được làm nguội và k ết quả là tạo ra nước ngưng tụ. Vì th ế , máy nén khí phải kèm theo bộ làm nguội và xử lý k h ô n g khí. Do tín h nén được của không khí nên cần tích trừ m ột lượng khí nén trong bình chứa đê đưa vào tải. Nếu không có b ìn h chứa này, sự tă n g áp su ất theo h àm số mũ làm cho cylinder chuyền động k h ô n g ổn định. Do dó bộ xứ lý khí được đi kèm theo bình chứa khí. Hệ thống thủy lực cần có bộ điều chỉnh áp su ấ t để đưa c h ấ t lỏng dư trở về th ù n g chứa, như ng bộ điều khiển áp su ấ t tro n g hệ th ố n g khí n én thường đơn g iản hơn nhiều. Công tắc áp suất lắ p ở b ìn h chứa khí sẽ khởi động động cơ m áy n é n khi áp su ấ t giảm xuống và dừng động cơ khi áp su ất đ ạ t mức yêu cầu. N hiều n h à máy sả n xuất khí nén ở một trạ m tru n g tâ m và p h ân phối bằng đường ống đ ến các bộ p h ận sử dụng, tương tự hệ th ố n g điện, nước, khí đốt... So sánh Bảng 1-1 trìn h bày các đặc điểm so sán h sơ bộ về hệ th ố n g điện, thủy lực, và khí nén. Bảng 1-1 So sánh hệ thống diện, thủy lực và khí nén. Đ iện Thủy lực K h í nén Nguồn năng lượng Nguổn bẽn ngoải Động cơ điện, động cơ đốt trong Động cơ điện, động cơ đot trong Tích lũy năng lượng Hạn chế (Ăcqui) Han chế (bô tích lũy) Tốt (bình chứa) Hệ thống phân phối Tổn thất nhỏ Hạn chế Tốt Chi phí năng lượng Thấp nhất Trung bình Cao nhất Bộ dẫn động quay Động cơ AC và DC. Điều khiển tót với động cơ DC. Động cơ AC rẻ. Tốc độ thấp. Điều khiển tốt. Có thể dửng lại. Phạm vi tốc độ rộng. Khó điều khiển tốc độ chính xác. Bộ dần động tuyến tỉnh Solenoid, cơ cấu cơ khí Cylinder. Lực rất cao. Cylinder. Lực trung bình. Điều khiển lực Cuộn dây solenoid, động cơ DC. Yéu cầu làm nguội Dễ điều khiển lực cao Dễ điều khiển lực trung bình Nhược điểm Nguy hiểm, điện giật, cháy nổ. Nguy hiểm và dơ bẩn vì rò rĩ. Dễ bắt cháy. ỏn 12 THUẬT NGỮ KỸ THUẬT Nói chung, h iện nay chưa có hộ thống tiêu chuẩn hóa đơn vị đo tro n g còng nghiệp. Hệ th ố n g thủy lực và khí nén sử dụng nhiều đơn vị đo khác nhau cho cùng một đại lượng, ví dụ bar, Pascal và psi. Tô chức tiêu chuẩn hóa quốc tê (ISO) đã đưa ra hệ đơn vị quôc tê (SI), tuy dược sứ dụng rộng rãi nhưng vẫn chưa hoàn chinh và chưa được áp dụng n h iề u ớ một số quốc gia (Anh, Canada, Hoa Kỳ,...) Mọi hệ th ố n g đo lường đều yêu cầu định n ghĩa sáu đại lượng chính, bao gồm: • Chiều dài. • Khối lượng. • Thời gian. • N h iệ t độ. • D òng điện. • Cường độ án h sáng. Lĩnh vực thuy lực/khí nén quan tâm đặc b iệ t đến ba đại lượng đầu. Các đại lượng khác (vận tốc, lực, áp suất...) có th ể được định n ghĩa dựa vào ba đại lượng cơ bản này. Ví dụ, định nghĩa vận tốc dưới d ạn g chiều dài/thời gian. Hộ đơn vị đo lường Anh dùng đơn vị foot, pound và giây (được gọi là hẹ fps). Hộ m é t cũ dùng centim ét, gram và giây (được gọi là hệ cgs) và mét, kilogram và giây (hệ mks). Hệ mks p h á t triể n th à n h hệ S I với các định n g h ĩa hợp lý hơn về lực và áp suất. B ảng 1-2 cung cấp hệ số chuyền đổi giữa các đơn vị cơ bản. Bảng 1-2 Những đơn vị cơ học cơ bản Khối lượng l kg = 2.2046 pound (lb) = 1000 g L lb = 0.4536 kg I tấ n (Anh) - 2240 lb - lOlC kg - 1.12 tấ n (US) I ta n = 1000 kg = 2204.6 lb = 0.9842 ta n (Anh) \ ta n (US) = 0.8929 ta n (Anh)_______________________________ Chiều dài I m et = 3.281 foot (ft) = 1000 mm = 100 cm l inch = 25.4 mm = 2.54 cm I yard = 0.9144 m T h e tick 1 lit = 0.2200 gallon (Anh) = 0.2642 gallon (US) 1 gallon (Anh) = 4.546 lit = 1.2011 gallon (US) = 0.161 ft khối l gallon (US) = 3.785 lit = 0.8326 gallon (Anh) 1 m é t khối = 220 gallon (Anh) = 35.315 feet khối I inch khôi = 16.387 centim et khối 13 Khối lượng và lực Hệ th ô n g th u y lực và khí n én thường dựa vào áp su ấ t lưu chất. Trước khi định n g h ĩa áp suất, cần phải hiểu rõ các định n g h ĩa về trọ n g lượng, khối lượng và lực. Đ ịnh n g h ĩa phố th ô n g về trọ n g lượng cho b iế t đây là lực p h á t sin h từ lực h ấp d ẫn giữa khối lượng v ậ t th ể và trá i đất. Ví dụ, trọ n g lượng của người lớn là 75 kg, có th ế hiểu là có 75 kg lực giữa người đó và m ặ t đất. Vì th ế trọ n g lượng tùy thuộc vào lực trọ n g trường. T rên m ặ t trăn g , lực h ú t b ằ n g m ộ t p h ầ n sáu tr ê n m ặ t đ ất, trọ n g lượng 75 kg trê n m ặ t đ ấ t chi còn k h o ản g 12.5 kg. Khi rơi tự do, trọ n g lượng sè b ằn g khỏng, nhưng tro n g mọi trư ờng hợp, khối lượng luôn luôn k h ô n g đổi. Hệ đơn vị đo lường Anh fps và hệ m é t cũ liên k ế t khối lượng và trọng lượng (lực) b ằ n g cách xác đ ịnh đơn vị lực là lực h ấ p d ẫn khối lượng đơn vị tại bề m ặ t tr á i đất. Vì t h ế chúng ta có khối lượng được định n g h ĩa b ằn g pound và lực xác định b ằn g pound lực (lbsf) ở hệ th ố n g fps, và khối lượng b ằn g kilogram và lực b ằn g kg lực (kgf) tro n g hệ mks. Nếu lực tác dụng vào khối lượng, làm tă n g tốc (hoặc giảm tốc) sẽ có k ế t quả theo công thức Newton: F = ma (1.1) P h ải cẩn th ậ n với các đơn vị khi lực F được xác định b ằn g lb sf hoặc kgf và khối lượng được đ ịnh n g h ĩa b ằ n g lbs hoặc kg, bởi vì gia tốc cho k ế t quá là b ằn g đơn vị g, gia tốc trọ n g trường. Một lực 25 kgf tác dụng vào khối lượng 75 kg sè tạo ra gia tốc 0.333 g. Theo hệ đơn vị SI, lực là new ton (N), kh ô n g xác định từ lực h ú t của trá i đ ất, được tín h m ộ t cách trực tiế p từ biếu thức 1.1. Một new ton được đinh n g h ĩa là lực tạo r a gia tốc 1 m /s2 khi tác dụng vào khối lượng 1 kg. Một kgf tạo ra gia tốc 1 g (9.81 m /s2) khi tác dụng vào khối lượng 1 kg. M ột new ton tạo ra gia tốc 1 m /s2 khi tác dụng vào khối lượng 1 kg. Do đó: 1 kgf = 9.81 N H ầu h ế t các dụng cụ đo tro n g hệ th ố n g công nghiệp với độ chính xác 2% có th ể áp dụng ¿ông thức: lk g f = 10 N cho n h ữ n g ứng dụng thực tế. B ản g 1-3 cung cấp hệ số chuyển đổi giữa các đơn vị lực k h ác nhau. Bảng 1-3 Đơn vị lực 1 new ton (N) = 0.2248 pound lực (lb f) = 0.1019 kilogram lực (kgf) 1 lbf = 4.448 N = 0.4534 kgf 1 kgf = 9.81 N = 2.205 lb Các đơn vị khác bao gồm: dynes (Cgs unit); 1 N = 10 ’ dynes ponds (gram lực); 1 N = 102 ponds Đơn vi SI là newton: N = kgms 2______________________________________________________ Áp suât Ap su ấ t trong lưu ch ất là k ết quả của lực tác dụng. T rê n H ình 1-4, lực F tác dụng vào lưu ch ấ t kín qua piston có diện tích A, tạo ra áp su ất p. Khi tă n g lực tác dụng, áp suất sẽ tă n g theo tỉ lệ th u ậ n , và giảm diện tích piston (nghĩa là giảm diện tích chịu lực) cùng làm tă n g áp suất. Vì t h ế áp suất trong lưu c h ấ t có th ể được xác định theo tỷ số giữa lực tác động và diện tích chịu lực: P = F/A (1.2) F Hình 1-4 Áp suất trong lưu chất dưới tác động của lực. Mặc dù biểu thức 1.2 r ấ t đơn giản, nhưng có nhiều đơn vị áp su ất th ô n g dụng. Ví dụ, trong hệ đo lường Anh fps, F tín h b ằ n g lbsf và A tín h theo inch vuông, áp suất được đo bằng pound lực tr ê n inch vuông (psi). Trong hệ mét, F thường được tính bằng kgf và A bằng centim ét vuông, do đó đơn vị áp su ất sẽ là kilogram lực trên cen tim ét vuông (kgfcm'2). Hệ ST dịnh n ghía áp suất th°o đơn 'ậ ne\vton trô n m é t vuông (Nrr/2). Đơn vị áp su ất trong hệ SI là Pascal (với 1 Pa = 1 Nm 2). Tuy nhiên, Pascal là áp su ấ t r ấ t th ấ p đế dùng trong thực tế, vì th ế thường dùng kiloPascal (1 k P a = 103 Pa) hoặc megaPascal (1 M Pa = 106 Pa). Ap su ất cũng có thề p h á t sinh trong lưu c h ấ t do khối lượng của lưu chất. Điều này thường được gọi là áp lực cột lưu ch ấ t và tùy thuộc vào chiều cao của cột lưu chất. Hình 1-5 minh họa áp su ất tại đáy của cột lưu c h ấ t tỉ lệ th u ậ n với chiều cao h. Trong hệ m é t và hệ đo lường Anh, áp lực cột lưu c h ấ t được tín h theo công thức: P= ph. (1.3) Trong đó p là trọng lượng riêng và h là chiều cao (cả hai với đơn vị ch ín h xác) cho p bằng psi hoặc kgcm 2. 15 Hình 1-5 Ap lực cột nước trong lưu chất. Áp suất lưu chất tại đáy bình: p = ph (psi hoặc kgcrrv2 p = pgh (pascal) T rong hệ SI, biểu thức 1.3 được định nghĩa lại là: p = pgh (1.4) T rong đó g là gia tốc trọng trường (9.81 ms'2), đơn vị áp su ấ t là pascal. Nói chung, áp suất trong th ù n g ch ất lỏng được định nghĩa dưới d ạn g áp lực cột nước tương đương. Đơn vị thường dùng là m ilim ét thủy ngân và centim et, inch, feet hoặc m ét nước. Chúng ta sống tại đáy của khối k hông khí, vì th ế phải chịu áp lực đán g kê từ trọ n g lượng khối không khí bên tr ê n chúng ta. Ap su ất này, 15 psi, 1.05 kgfcm 2 hoặc 101 kPa, được gọi là áp suất khí quyến và cũng được dùng làm đơn vị đo áp suất. T rong thực tế, 100 kP a được coi là m ột atm osphere, đây là đơn vị th u ậ n tiệ n cho nhiều ứng dụng. 100 k P a (10;) P a hoặc 0.1 MPa) dược gọi là bar. Với độ chính xác của các th iế t bị đo công nghiệp, 1 b ar tương đương 1 atm osphere. Nói chung, có ba phương ph áp đo áp su ất th ô n g dụng (H ình 1-6). H ầu h ế t các bộ chuyển đổi áp suất đều đo sự chênh lệch áp su ất giữa hai cổng vào. Áp su ất này được gọi là hiệu á p , P] - P-2 , (Hình l-6a). Áp kê Pl Áp kê p2 Cao Tháp Pi —► Cao Thấp Thông VỚI khí quyển V (a) Chênh áp p, - p ? (b) Áp suất đo Áp kế Hình 1-6 Các dạng đo chênh áp 16 (c) Áp suất tuyệt đối T rê n H ìn h l-6b, áp suất th ấp ở cổng n ạp được mở th ô n g với khí quyến, vì th ế , áp kế biểu thị áp suất cao hơn áp su ấ t khí quyển. Áp su ất này được gọi là áp suất đo, còn được gọi là áp su ấ t tương đối. Giá trị áp su ấ t đo được dùng trong hầu h ế t các hệ th ố n g thủy lực và khí nén. H ình l-6c trìn h bày áp kế đo áp suất quy chiếu theo chân không, được gọi là áp suất tuyệt dối và quan trọ n g khi xem x ét quy trìn h n én khí. Mối liên hệ giừa áp suất đo và áp suất tu y ệt đối được m inh họa trê n H ình 1-7. B áng 1-4 so sá n h các đơn vị áp suất. Hệ th ố n g thủy lực thường có á p su ấ t kho ản g 150 bar, còn hệ thống khí n én thường có áp su ất k h o an g 10 bar. u Áp suất tuyệt đối Hình 1-7 Quan hệ Áp suất đo (áp suất tương đối) giữa áp suất đo vả Áp suất khí quyển ap suất tuyệt đối 0 — Chân không Bảng 1-4 Đơn vị áp suất 1 b a r = 100 kP a = 14.5 psi = 750 mmHg - 4 0 1 . 8 in c h w G = 1 .0197 k g ... - _________ = .0.9872 a t m o s p h e r e TW ử u O b Ạ l HỤC M A ÎWftlÜ 1 kilopascal = 1000 Pa = 0.01 bar thư ■ = 0.145 psi = 1.0197 X 10 2 k g f c m '2 / 7 . - 1.0IS inch w G /vỉ A i ' i s = 9.872 X 10 1 a t m o s p h e r e 1 pound/inch vuông (psi) = 6.895 k P a = 0.0703 kgf cm'2 = 27.7 inch w G 1 kilogram lực/cm vuông (kgf cm'2) = 98.07 k P a = 14.223 psi 1 A tm osphère = 1.013 bar = 14.7 psi = 1.033 kgf cm '2 Đơn vị á p su ấ t trong hệ SI là pascal (Pa) 1 P a = 1 N m •2 Các đơn vi thông dụng là bar và psi._______________ VIE lí m fị /) ỊS r\ 17 Công, năng lượng và cồng suất Công được sin h ra (hoặc n ă n g lượng được truyền) khi v ậ t th ể di chuyển dưới tác dụng cua lực, và được đ ịnh nghĩa: Công = Lực X k h o ản g cách di chuyển (1.5) Trong hệ Anh fps, biểu thức 1.5 được tín h theo đơn vị ftlbf. Với hệ m ét, dơn vị là cmkgf. T rong hệ SI, đơn vị công íà joule, 1 J = 1 Nm (= 1 n r k g s "). Bang 1-5 so sá n h các dơn vị công. Bảng 1-5 Đơn vị công (năng lượng) 1 joule (J) = = = = 2.788 X 10'4 W h ( 2 .7 8 8 X 1CT7 k W h ) 0.7376 ft lbf 0.2388 calori 9.487 X 10'4 đ ơ n vị n h i ệ t A n h (B T u - B r i t i s h t h e r m a l u n it) = 0.102 kgf m = 107 e r g s (đ ơ n vị cgs) Đơn vị công tro n g hệ SI là joule (J) 1J = 1N m _____________ = 1 m 2k g s 2______________________________________ Công su ất là công thực h iệ n tro n g m ộ t đơn vị thời gian: Công su ất = công/thời gian (1.6) ị Trong hệ SI, đơn vị công su ất là w att, tương ứng 1 J s '. Đây là n h ữ n g đơn vị thường dùng của công suất, cũng được dùng phổ biến để đo công su ất điện. Hệ Anh dùng m ã lực (Hp), tro n g lịch sử được d ù n g đế xác đ ịnh công su ất động cơ. M ột m.ã lực tương đương 550 ftlbfs \ B ả n g 1-6 so s á n h các đơn vị công suất. Bảng 1-6 Đơn vị công suất 1 k w a tt (kw) = = = = 1 m ã lực (Hp) 1.34 Hp 1.36 m etric Hp 102 k g fm s '1 1000 W = 0.7457 kw = 550 F t lb s ' 1 = 2545 BTU h ' Đơn vi công s u ấ t tro n g hệ SI (đơn vị th ô n g dụng) là w a tt (W). 18 Moment T h u ậ t ngữ m o m e n t được dùng đế xác định lực quay, là tích sô giữa lực và bán k ín h h iệu dụng (H ình 1-8). Do đó ta có: ! T = F X d (1.7). H I I 1 r F Hình 1-8 Định nghĩa moment Trong hệ Anh, đơn vị là lbf ft; trong hệ m ét, đơn vị là kgf m hoặc kgf cm; và trong hệ SI, đơn vị lă Nm. ĐỊNH LUẬT PASCAL Áp su ấ t tro n g c h ấ t lỏng kín có th ể được xem là đồng n h ấ t tro n g to àn bộ hệ th ố n g thực tế. Có sự chênh lệch nhỏ do áp lực cột nước ở n hữ ng độ cao khác nhau, nhưng thường không đáng kế so với áp su ấ t v ận h à n h hệ thống. Áp su ấ t b ằn g nhau này được gọi là đ ịn h luật Pascal (H ình 1-9), ở đó lực 5 k g f tác dụn g vào piston diện tích 2 cm2. Lực này tạo áp su ấ t 2.5 kg f cm'2 tạ i mọi điểm trong ch ất lỏng và tác dụng lực b ằ n g nhau lên k h ắ p d iện tích vách hệ thống. G iá sứ đáy b ình b ên trá i là 0.1 X 0.1 m có diện tích tồ n g cộng là 100 cm2. T ổng lực tác dụn g lên đáy bình sẽ là 250 kgf. Nếu đ ỉn h của b ìn h bên ph ai là 1 m X 1.5 m, lực hướng lên r ấ t lớn, đến 37.500 kgf. Chú ý, kích cỡ ống nối h ầu như k h ô n g ả n h hưởng đến lực tác dụng. N guyên tắc cơ b ản nòy cri^i fJ-mçVl lý çio çr\ +1>Ố Ì£>rp Hp chai pư^c b4ng cápb t^c m ột lực nhỏ vào n ú t chai (Hình l-9b). Lực tá c dụng tạo ra áp suất, được tín h theo biểu thức: p =! a (1.8) Lực tr ê n m ặ t đáy là: F = P X A (1.9) từ đó có th ể chuyển th à n h : F = f X( 1 . 10 ) a Biểu thức 1.10 cho th ấ y có th ế dùng dòng c h ấ t lỏng k ín đế khuếch đại lực. T rê n H ìn h 1-10, tả i 2000 kg d ặ t tr ê n piston d iện tích 500 cm2 (bán 19 kính k h o ả n g 12 cm). P istón nhỏ có diện tích 2 cm 2. Lực f được tín h n h ư sau: f = 2000 X — 500 sẽ n â n g được tải trọ n g 2000kg, do đó độ 8= kgf về công là 250 lần. F = 5kg Diện tích đáy 100 cm2 Lực = 250 kgf (a) Lực và áp suất trong bình kín (b) Áp suất trong chai Hình 1-9 Áp suất trong chất lỏng kín. f = 8 kgf 2000 kgf Hình 1-10 20 Lợi về cồng /////S /A o u ’Z ZZZ2Z2ỊZZZZZZ2Z22jQ 3ịỊZn£L (a) Đòn bẩy K y n F (b) Ròng rọc Hình 1-11 Độ lợi công cơ học, lực f nhỏ ở đầu vào tạo ra lực F lớn ở đầu ra. Tuy n h iên , n ă n g lượng luôn luôn bảo toàn. Để m in h họa điều này, giả sử piston bên trá i di chuyến xuống 100 cm (1 m). Do c h ấ t lỏng k h ô n g nén được, th ề tích c h ấ t rỏng 200 cm3 được chuyển từ cylinder bên tr á i qua cylinder bên phải, tải được nâng lên 4 cm. Vì thế, mặc dù lực được khuếch đại lên 250 lần, khoảng cách di chuyển sẽ giảm với cùng hệ số. Bởi vì công là tích của lực và khoảng cách dịch chuyển, lực được khuếch đại và k h o án g cách dịch chuyến giảm xuống'với cùng hệ số, chính là sự bao toàn n ăn g lượng. Do đó hoạt động trê n H ình l-io tương tự hệ th ố n g cơ trô n H ìn h 1-11, cũng biểu thị độ lợi về công. Nguyên tắc cơ b ản (H ình 1-10) được ứng dụng rộng rãi khi có yêu cầu lực lớn với k h o ản g di chuyển nhỏ. Ví dụ gá kẹp, m áy ép, kích thủy lực, th ắ n g xe ôtỏ, cơ cấu vận h àn b ly hợp... Cần lưu ý, áp su ấ t bên trong cylinder chỉ được xác định b ằn g tải và diện tích piston ở tìn h tr ạ n g ổn định và k h ô n g phụ thuộc vào vận tốc của pistcn khi đ ạt được tốc độ không đổi. Quan hệ giữa lực, áp suất, lưu lượng và tốc độ được m in h họa trê n Hình 1-12. T rên H ìn h l-1 2 a, ch ấ t lỏng được phân phối vào cylinder với lưu tốc Q c m V 1. Khi valve n ạp mở ra trước, đỉnh áp su ất có th ể quan s á t khi tải tă n g tốc, nhưng áp su ất d ần dần ổn định đến giá trị xác định p = F/A kgf cm 2 với A là d iệ n tích piston tính theo cm 2 và F được đo b ằ n g kgf. Tải tă n g lên với v ậ n tốc V = Q/A cm s*1 và có th ể điều k h iể n vận tốc b ằn g cách điều k h iể n lưu tốc Q. T rên H ìn h l-12b, valve nạp đóng và valve xả mở, cho phép R cm 3 s 1 lưu ch ất chảy ra khỏi cylinder. ớ đây cũng xuất h iệ n đỉnh áp su ấ t (âm) khi tai gia tốc hướng xuống, nhưng áp suất trở lại tr ạ n g th á i p = F/A khi đ ạ t được tốc độ ổn định V = R/A cm s*1. Cuối cùng, t r ê n H ình l-12c, cả hai valve đều mở. Lưu lượng thực là (Q-R) cho vận tốc cylinder là (Q-R)/A có th ể dương (tăng) hoặc âm (giảm) 21 V (néu Q > R) Valve nap Valve xà P O (d) So do âp suât H inh 1-12 Moi lien hê giüa lue, âp suât, li/u lUçfng và toc dô tùy thuôc vào lifu luong nào lôn hon. Tuy nhiên, tr a n g th â i âp su ât on dinh van k h ô n g doi, P = F/A. BO ÂP SUÂT H oat dông cüa lifu ch a t thuông cô th é duoc suy lu â n tùr k e t qua do lUu luçrng hoac âp suât. Bô chuyên doi lifu luong phâi duoc d à t vào ong dan lifu chat. Dung eu tim sai hông co ban trong câ hai hê th o n g th ü y lue và khi nén th ô n g dung là âp kê, dây là dông hô don g iân thucmg cô the gàn vào nhüfng bô p h â n khâc nhau cüa hê th o n g qua k h ô p nôi linh hoat. Câc dông hô kiem tra âp suât thucmg do âp su â t tuong doi b â n g âp ke Bourdon (H inh 1-13). Âp ke Bourdon cô ong chûf C p h ân g duoc cô dinh m ot dâu (H inh l-13a). Khi âp su ât tac dung vào ong, dàu tu do cô khuynh huông di lên và vê phia phài. Trong k h o ân g âp s u â t th â p , cô th e dung ong xoàn ôc de tà n g dô nhay. Su di chuyên này duoc bien doi th à n h chuyên dông quay cüa kim dông hô b ân g ca câu gôc p h ân tu và b â n h rang. N êu càn cô tin hiêu diên ô ngô ra, cô th ê th ay kim dông hô b ân g chiêt âp (H inh l-13b). Hê th ô n g thüy lue và khi n én cô k h uynh huông biêu th i dô chênh âp rông khi tâi tà n g toc hoac giàm toc (H inh l-12c). Cô th ê tà n g dô nhay cüa câm bien âp su â t b ân g each làp th ê m bô g iàm chân (H inh l-13c). Nhüfng bô chuyên doi dua theo âp k ê Bourdon th u ô n g tuong doi m an h , nhUng cô dô chinh xâc th â p (khoâng 2%). Giôi h an p h ân giài thi giâc cüa vi tr i kim dông hô cüng khô n g hon ± 2%. 22