I.Phân loại máy

Máy như là hệ thống kỹ thuật
Để nhận biết chức năng và tác dụng của một cái máy, người ta có thể xem máy tổng quát như một hệ thống kỹ thuật, trong đó năng lượng, nguyên vật liệu và thông tin được đưa vào, nhận được sự chuyển đổi ở đây và sau đó lại rời khỏi máy (Hình 1).

II.Máy động lực

Chức năng chính của máy động lực là chuyển đổi năng lượng. Trong đó năng lượng dẫn vào được chuyển đổi thành dạng năng lượng cần thiết cho một mục đích sử dụng nhất định.
Thí dụ: Động cơ ô tô là một máy động lực. Trong máy, hóa năng trong nhiên liệu được chuyển đổi thành động năng cần thiết cho việc truyền động của ô tô. Điều nói trên sẽ được trình bày một cách rõ ràng với sự hỗ trợ của một sơ đồ dòng chảy năng lượng (Hình 2).

Năng lượng được dẫn vào trong máy động lực. Sau khi chuyển đổi, nó được sử dụng như là năng lượng có ích. Những chức năng phụ của máy động lực là:
• Dòng chảy vật liệu, thí dụ như nhiên liệu đi vào động cơ và khí đốt cháy thoát ra ngoài.
• Dòng chảy thông tin, tức là tín hiệu vào và ra.

1 Vật lý cơ bản cho máy động lực

1.1.Công
Trong những quá trình chuyển động, người ta gọi công W là tích số của lực F và đoạn đường s. Đơn vị của công là Joule (ký hiệu đơn vị là J) Công 1J được tạo ra khi lực 1N tác dụng trên đoạn đường 1m. 1J = 1N.m Thí dụ như công nâng được thực hiện khi chi tiết được nâng lên cao (Hình 1).

Công nâng được lưu trữ trong chi tiết được nâng cao.

Thí dụ: Một chi tiết với khối lượng m = 4,5 kg được nâng lên cao 2,4 m với lực nâng F = 44,15 N. Như vậy công
nâng là bao nhiêu?
Lời giải: W = F.s = 44,15 N . 2,4 m = 105,96 N.m Công cũng được tạo ra khi gia công cắt gọt hoặc do tăng tốc.
1.2.Năng lượng
Công được lưu trữ trong một vật thể, cũng như khả năng có thể tạo ra công, được gọi là năng lượng. Đơn vị của năng lượng là Joule (J). Năng lượng xuất hiện dưới nhiều hình thức:
• Thế năng W
pot (năng lượng của vị thế), thí dụ như công nâng lưu trữ trong một chi tiết gia công được nâng cao. Công nâng được tính từ trọng lượng FG của phôi và chiều cao được nâng h. Trọng lượng FG của phôi được tính từ khối lượng m của phôi và gia tốc trọng trường g trong công thức F
G = m . g. Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2.
• Động năng Wkin (Năng lượng của chuyển động) là năng lượng trữ trong vật thể chuyển động. Nó lệ thuộc vào khối lượng m và vận tốc v của vật thể.
• Nhiệt năng trữ trong vật thể được hâm nóng, thí dụ trong khí nóng để truyền động cho tuabin.
• Điện năng có thể lấy từ lưới điện và truyền động cho động cơ điện.
• Hóa năng được trữ trong kết nối hóa học. Nó được phóng thích khi kết nối hóa học bị phá vỡ. Thí dụ như trong trường hợp đốt cháy nhiên liệu. Chuyển đổi năng lượng. Các dạng năng lượng khác nhau có thể được chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Thí dụ như trong động cơ điện, điện năng được dẫn vào được chuyển sang động năng của trục động cơ và nhiệt lượng (Hình 2).

Về năng lượng ta có Định luật bảo
toàn năng lượng. Năng lượng không tự sinh ra cũng như không bị hủy diệt. Nó chỉ có thể chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác.
Sự cân bằng năng lượng. Trong kỹ thuật, để đánh giá năng suất máy, năng lượng dẫn vào sẽ được so sánh với năng lượng thoát ra. Người ta tưởng tượng ra một đường biên chung quanh hệ thống kỹ thuật và khảo sát năng lượng vào và ra khỏi hệ thống (Hình 2, Trang 331). Thông thường người ta dùng tỷ lệ phần trăm để mô tả năng lượng khi quan sát việc cân bằng năng lượng.
1.3.Công suất
Để có thể so sánh các máy với nhau, năng lượng được chuyển đổi cũng như công cơ học được tạo ra của một máy được tính theo đơn vị thời gian cần thiết. Đơn vị của công suất là Watt, ký hiệu đơn vị là W; được đặt tên theo nhà vật lý Anh James Watt. Bội số của đơn vị cơ bản Watt là Kilo Watt (kW), Mega Watt (MW) và Giga Watt (GW).
1 kW = 1000 W; 1 MW = 1000 kW = 1.000.000 W; 1 GW = 1000 MW = 1.000.000 kW
1.4.Hiệu suất
Trong máy và thiết bị, chỉ một phần của công suất đưa vào được chuyển đổi thành công suất hữu dụng về mặt kỹ thuật. Thí dụ như trong máy với các cơ phận chuyển động, phần còn lại của công suất được chuyển đổi sang nhiệt ma sát hay biến thành nhiệt mất đi trong động cơ nhiệt và máy điện. Phần lớn năng lượng này không thể sử dụng được về mặt kỹ thuật. Hiệu suất được biểu hiện bằng số thập phân hay tỷ lệ bách phân (tỷ lệ phần trăm), thí dụ như η = 0.85 hay η = 85%. Hiệu suất luôn luôn nhỏ hơn 1 cũng như nhỏ hơn 100%, vì lý do thất thoát, công suất hữu dụng kỹ thuật P2 luôn luôn nhỏ hơn công suất dẫn vào P1.
 

2 Các loại máy động lực

2.1.Động cơ điện là loại máy động lực cố định thường được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực công nghiệp (Hình 1).

Loại này được sử dụng như đơn vị truyền động cho máy công cụ, thiết bị nâng, các hệ thống vận chuyển, máy bơm, máy nén. Trong động cơ điện, điện năng được chuyển thành động năng. Động cơ điện nổi trội với một hiệu suất cao (η = 70... 95%). Động cơ điện được chế tạo theo kích cỡ với công suất từ vài Watt đến hàng chục nghìn Kilo Watt. Động cơ điện vận hành ít tiếng ồn và ít rung, có thể sẵn sàng hoạt động ngay và có thể chịu quá tải trong thời gian ngắn. Ngoài ra động cơ điện thân thiện với môi trường vì không tạo ra khí thải.
2.2.Động cơ đốt trong là máy động lực mà trong đó hóa năng trữ trong chất đốt qua đốt cháy nhiên liệu trước tiên được chuyển sang nhiệt lượng và rồi qua việc chuyển hóa nhiệt động sang động năng. Động cơ đốt trong là tuabin khí, động cơ dầu (động cơ điêzen) và động cơ xăng (động cơ Otto) (Hình 1).

Động cơ đốt trong là những đơn vị truyền động được ưu tiên sử dụng cho máy không cố định, thí dụ như ô tô hoặc máy xây dựng. Hiệu suất của máy động lực đốt trong từ 30% đến 40%. Một ứng dụng hiện đại của động cơ đốt trong là được sử dụng như một nhà máy phát điện nhỏ qua kết nối cơ-nhiệt. Trong trường hợp này một động cơ điêzen kéo một máy phát và tạo ra dòng điện. Nhiệt thải ra của động cơ điêzen được sử dụng để sưởi nhà. Hiệu suất tổng quát của một hệ thống như thế lên đến 90%.
2.3. Máy thủy động lực (Máy vận hành bằng phương pháp thủy lực) là máy thủy động lực (máy chạy bằng sức nước) cũng như động cơ thủy lực và xi lanh thủy lực (Hình 2).

Trong máy thủy lực, năng lượng của dòng chảy và áp lực của chất lỏng được biến thành cơ năng trong các cơ phận chuyển động. Thí dụ như máy thủy lực truyền động roto của máy phát điện. Động cơ thủy lực tạo ra chuyển động tròn, xi lanh thủy lực tạo ra chuyển động thẳng. Qua áp lực cao trong cơ phận thủy lực, lực tạo ra có thể rất lớn trong môi trường nhỏ (khoảng không gian nhỏ). Những lực này được sử dụng để di chuyển các chi tiết máy (Trang 496).
2.4.Máy động lực vận hành bằng khí nén thí dụ như máy chạy bằng năng lượng gió, xi lanh khí nén từ hệ điều khiển hay động cơ khí nén trong thiết bị vặn vít bằng khí nén (Hình 3).

Trong những thiết bị này, năng lượng tạo ra do dòng chảy và sức nén từ không khí chuyển động hay dưới áp lực được chuyển thành động năng cơ học. Phần nhiều các ứng dụng cho máy động lực vận hành bằng khí nén là thiết bị vặn vít đập bằng khí nén cũng như xi lanh và động cơ khí nén trong máy công cụ và điều khiển.