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

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt


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

Khoa Cơ - Điện, Trờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội. Xin chân thành cảm ơn!
Các tác giả

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt


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,…

ðộng
cơ

Me, ωe

Hệ thống
truyền ñộng

Ma, ωa, (Fa, va)

Máy hay thiết bị
cần dẫn ñộng

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 Me và ωe


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….1

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt


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,…

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.

Chuyển ñổi
công suất
cơ học
Pch = M 1ω1

Máy công
tác (máy nén
ép hoặc
truyền lực
chuyển ñộng
của xe hơi)

Máy ñộng
lực
(ñộng cơ
ñiện hoặc
ñộng cơ
ñốt trong)

Bơm
thuỷ lực

Pch= F.v
hoặc
Pch = M 2 ω 2


cho bơm mô men quay M1 và tần số quay n1 (v/s) và cung cấp một công suất cơ học:
Pch. =2 πM1n1
Công suất này ñược chuyển ñổi thành công suất thuỷ lực trong bơm:
Prl. = 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:
Pch. = Fv
ðối với ñộng cơ thuỷ lực công suất yêu cầu ñược tính theo số liệu của máy công tác:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….3

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt


Pmech. = 2 πM2n2
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.

a)


Van giới hạn áp suất ñược bố trí ñể giới hạn mô men quay khi quá tải.

1

2

3

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;

•

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

νmin (hoạt ñộng ngắn hạn)

10 mm2/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 400C (mm2/s - cSt)

ISOVG 10

10

ISOVG 22

22

ISOVG 32

32

ISOVG 46

46

ISOVG 68

68

ISOVG 100

Tính chất vật liệu

Ký hiệu

ðơn vị

Dầu khoáng

ðộ nhớt ñộng học ở 400C

ν

mm2/s

10 - 100

Khối lượng riêng ở 150C

ρ

g/cm3

0,85 – 0,91

Hệ số giãn nở nhiệt

γ

1/K


https://fb.com/tailieudientucntt


Nhiệt dung riêng

C

kJ/(kg.0K)

1,83 – 1,91

Hệ số dẫn nhiệt ở 200C

λ

W/(m.0K)

0,11 – 0,14

Nhiệt ñộ bốc cháy

tF

0

C

125 – 205

tZ

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 vxp. Trong khoảng cách giữa hai tấm có sự phân bố
vận tốc chất lỏng theo tỷ lệ:

h

vxp

y

vx(y)
x

Vx ( y) Vxp
=
y
h

vx= 0

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:
τ = −η

dVx
dy

ðây là ñịnh luật Niu tơn quen thuộc về ma sát, trong ñó hệ số tỷ lệ η ñược gọi là ñộ

nhiệt ñộ cho trường hợp dầu khoáng ở áp suất khí quyển có thể ñược biểu diễn bằng công thức
thực nghiệm:
b

η(ϑ) = ke c+ ϑ

hoặc theo dạng:

ln η(ϑ) =

b
+ ln k
c+ν

(1.3)

Hệ số k ñược tính bằng Ns/m2, các hệ số b, c ñược tính bằng 0C.
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 200C lên 300C, ñộ nhớt giảm từ 134,5 xuống 75,4 mm2/s;
Khi thay ñổi nhiệt ñộ từ 600C lên 700C, ñộ nhớt giảm từ 20,7 xuống 14,9 mm2/s.

mm2
s
400
300
200

10000


22
10

https://fb.com/tailieudientucntt


Hình 1.5. Sự thay ñổi ñộ nhớt ν
theo nhiệt ñộ
(HL 46, VI 100, p0 = 1 bar)

Hình 1.6. Biểu ñồ Ubbelohde ñể xác
ñịnh tính chất ñộ nhớt – nhiệt ñộ
(ISO VG 10./.100, VI 100, p0 = 1 bar)

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

η ( P ) = η o e α ( p − po )

(1.4)

Trong ñó: η0 là ñộ nhớt ñộng lực học tại áp

401bar

50
30
20
10
p =201 bar
1bar

5
0

0

20 40 60

80 0C 120

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

0,94
0
0
C
0,90
40
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng

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:

ρ(ϑ) =

ρ0
1 + γ (ϑ − ϑ 0 )

(1.6)

Trong ñó: ρ0 (kg/m3) và ϑ0 (0C) 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 150C thì công thức
(1.5) trở thành:
ρ(ϑ) =

ρ150 C
1 + γ (ϑ − 15)

Hệ số giãn nở nhiệt γ mô tả tính chất giãn nở của dầu tại áp suất không ñổi.
γ=


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 650C (tăng 500C) thì khối lượng riêng
giảm từ 0,877 xuống 0,847 g/cm3, có nghĩa là giảm xấp xỉ 3,4%. Từ ñó cho thấy, gia tăng
nhiệt ñộ lên 100C 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:
ρ0
(1.7)
1 − k (p − p 0 )
Trong ñó: ρ0 (kg/m3) và p0 là các giá trị khối lượng riêng và áp suất ở ñiều kiện chuẩn;
k (1/bar) là hệ số nén, mô tả tính chất nén khi nhiệt ñộ không ñổi:
ρ( p ) =

1 δV
( )ϑ
V0 δp

https://fb.com/tailieudientucntt


Tương ứng thấy rằng, khi tăng áp suất thêm 100 bar thì thể tích dầu giảm ñi khoảng
0,7%.

c) Khả năng tiếp nhận không khí của dầu thuỷ lực
Không khí có thể ñược hàm chứa trong dầu thuỷ lực ở hai dạng:
- Không khí hoà tan;
- Không khí không hoà tan, có nghĩa là ở dạng bọt khí.
Khi còn ở dạng hoà tan trong dầu, không khí không ảnh hưởng ñến tính chất của dầu
thuỷ lực, có nghĩa là không làm thay ñổi ñến tính chịu nén của dầu. Trong trạng thái bão hoà,
dầu khoáng có thể hoà tan khoảng 9% thể tích không khí, có nghĩa là trong một lít dầu có thể
hoà tan ñược 90 cm3 không khí. Khả năng tiếp nhận không khí của dầu tăng khi áp suất tăng,
trong khi sự thay ñổi của nhiệt ñộ lại hầu như không ảnh hưởng ñến khả năng này. Khả năng
tiếp nhận cực ñại ở dạng hoà tan của thể tích không khí có thể ñược tính theo ñịnh luật Henry:
Vkk = Vd α

p
p0

(1.8)

Trong ñó: Vol là thể tích dầu tại áp suất khí quyển; α - hệ số hoà tan Bunsen, có thể
lấy giá trị 0,09 ñối với dầu khoáng; p - áp suất tuyệt ñối.
Bọt khí sẽ xuất hiện trong dầu khi khả năng tiếp nhận không khí của dầu ở dạng hoà
tan ñã vượt quá mức giới hạn. ðồng thời không khí ở dạng hoà tan cũng có thể chuyển thành
bọt khí ở những nơi có áp suất vượt qua giá trị áp suất bão hoà, thí dụ trên ñường ống nạp, tại
các chỗ cong gấp, ñằng sau vị trí tiết lưu,… Bọt khí cũng có thể xâm nhập khi nạp khí, do lọt
khí tại các chỗ nứt trên ñường dầu về thùng. Bọt khí làm cho dầu bị “mềm” ñi, làm giảm mô


https://fb.com/tailieudientucntt


Hình 1.10. Lực tác ñộng lên pít
tông của một xy lanh thuỷ lực

Hình 1.9. Phân bố áp suất trong
thùng chứa chất lỏng lý tưởng

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:
p=

F
A

(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:
p=

F1
F
= 2
A1 A 2

S1

(1.14)

Công dịch chuyển của chất lỏng khi ñó sẽ là:

W = F1s 1 = F2 s 2

S2

A2
F1

A1

(1.15)
(1.16)

Hình 1.11. Sơ ñồ thiết bị nâng thuỷ lực

Q
nên
A
P = pQ
Trong ñó Q là lưu lượng dòng chất lỏng.
Do F = Ap và v =

(1.17)

1.3.3. Chuyển ñổi năng lượng trong thiết bị thuỷ lực chuyển ñộng quay

p
ϕ

3
A

Q1 = Q 2 = V1 n 1 = V2 n 2
2
r
n 1 V2
Có nghĩa là:
=
(1.20)
Hình 1.12. Bơm thuỷ lực cánh quay
n 2 V1
1- Vỏ; 2- Rô to; 3- Cánh quay.
Mô men quay sinh ra trong các máy
thuỷ lực chuyển ñộng quay (hình 1.12) sẽ là:
M = pAr
(1.21)
trong ñó p là áp suất tạo ra trong bơm theo yêu cầu của tải trọng.
V
, công thức (1.21) có dạng:
Với A =
2πr
pV
M=
(1.22)
2π
pQ

khối m
lỏng có khối lượng riêng không ñổi ñịnh luật này ñúng cho cả trường hợp chảy không dừng.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….15

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt


Khối lượng chất lỏng (lưu khối) chảy qua một mặt cắt ñường ống trong một ñơn vị
thời gian ñược xác ñịnh theo:
(1.26)

& = ρAv
m

Tương ứng hình 1.13, thoả mãn:
(1.27)

ρ1 A 1 v 1 = ρ 2 A 2 v 2

(1.28)

v2

A2
m2
Q2


2

(1.29)

ðối với chất lỏng không chịu nén:
ρv 2
ρv 2
p 1 + 1 + ρgh 1 = p 2 + 2 + ρgh 2
2
2

p1; Q1

v2

h1

ρv 2
+ ρgh = const
(1.30)
2
Thế năng vị trí của chất lỏng hầu như trong
tất cả các trường hợp ứng dụng của kỹ thuật thuỷ
lực thường ñược bỏ qua do có giá trị quá nhỏ so với
ñộng năng và áp năng. Như vậy phương trình
Bernoulli trong kỹ thuật thuỷ lực có thể viết:
p+

h2




ñể xác ñịnh sức cản dòng chảy khi chảy qua ñường ống hoặc các phần tử mạch thuỷ lực.
Trong chất lỏng thuỷ lực xuất hiện cả ma sát trong giữa các lớp chất lỏng với nhau và cả ma
sát giữa chất lỏng với thành ống dẫn. Như vậy ngoài các lực ñã biết còn xuất hiện thêm lực
tiếp tuyến và ứng suất tiếp. 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:

dp
1 ρv 2
= −λ R
dl
d 2

(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:
∆p = p1 − p 2 = λ R

l ρv 2
d 2


p2 < p1

∆p

Re =

Hình 1.15. Hao tổn áp suất
trên ống thẳng

Hệ số cản của ñường ống λR

0,06
0,05

d/k=100

0,04
0,03
λR=64/Re
0,020
0,016
0,014

200

1
λR

= 2 log


2 3 4 6 8 10
CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt


Hệ số cản của ñường ống λR

Hình 1.16. Biểu ñồ tổng hợp sức cản dòng chảy λR
100
40
20
10
4
2
1
0,4
0,2
0,1
0,04
0,02
0,01

λR=64/Re

λR=0,3164.Re-0,25
Re
6
1 2 4 610 2 4 6 10 2 4 6 10 2 4 10 2 4 10 2 4 10
2

chất lỏng πy2l, trên diện tích ñáy của phân tố hình trụ này tác dụng một áp lực πy2p1 và πy2p2.

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

CuuDuongThanCong.com

https://fb.com/tailieudientucntt


Như vậy phân tố chất lỏng chịu tác ñộng của ñộ lệch áp lực:
(p1 – p2)πy2
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:
∆pπy 2 = 2πylτ

(1.37)
vmax

y
r

τ
p1

πy2

x

p2



1
v max
2

Thay thế vmax từ (1.39) sẽ dẫn ñến ñịnh luật Hagen và Poisseulle cho dòng chảy tầng,
ñẳng nhiệt:
Q=

πr 4
∆p
8ηl

(1.40)

Thay v = Q/πr2 sẽ tính ñược ∆p:
∆p = 8η

l
v
r2

(1.41)

Có thể nhận thấy rằng sức cản dòng chảy ∆p có quan hệ tuyến tính với vận tốc trong
vùng chảy tầng.
Từ công thức (1.41) và (1.35) có thể rút ra:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Giáo trình Truyền ñộng thuỷ lực và khí nén…..……………….19


Theo Kahrs có thể áp dụng công thức (1.33) nếu ñưa vào hai yếu tố hiệu chỉnh:
+ Yếu tố KS (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 KX (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:
∆p = K S K X λ R

l ρv 2
d 2

(1.43)

1,0

1,0

Ks

Kx

0,9

0,9

0,8

0,8



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)vmax.
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.

vmax

v

Hình 1.22. Profil vận tốc
khi chảy rối

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 λR với Re cho trường hợp chảy rối. Có thể nhận ra ñường cong ít

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

CuuDuongThanCong.com

Hình 1.23. Biểu ñồ xác ñịnh yếu tố kt
cho dòng
chảy rối không ñẳng nhiệt
https://fb.com/tailieudientucntt


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.
Vận tốc v

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 k t .
Giá trị k t 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:
∆p = k t λ R

l ρv 2
d 2

(1.46)

d) Hao tổn áp suất cục bộ


Qb

α
ξc

Qb

b)

Q,v

c)

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

Q

Q
a)

Q
c)

b)
Hình 1.25. Các dạng nối ống


0,11

6

0,075

0,09

10

0,07

0,11

Bảng 1.5. Giá trị ξ cho ống phân nhánh (hình 1.24b)
α = 450

Qb

α = 900

Q

ξa

ξb

ξa


1,29

Bảng 1.6. Giá trị ξ cho ống nhập dòng (hình 1.24c)
α = 450

Qb

α = 900

Q

ξa

ξb

ξa

ξb

0,6

0,05

0,22

0,40

0,47

0,8


b

0,5

0,25

c

0,06 . . . 0,005 tuỳ theo ñộ nhám thành ống
100
b
Ngoài ra ñối với dòng chảy rối có
40
thể giả thiết hệ số cản ξ là không ñổi .
Trong vùng chảy tầng ξ tăng mạnh khi
20
Re giảm. Theo Chaimowitsch nên bổ
sung một yếu tố hiệu chỉnh:
10
ξρv 2
6
∆p = b
(1.48)
2
4
Trong ñó yếu tố hiệu chỉnh b có
thể xác ñịnh theo ñồ thị trên hình 1.26.
2
1