Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu, mô phỏng mối quan hệ giữa sự tăng nhiệt độ của dầu thủy lực đến sự tăng lưu lượng rò rỉ và tổn thất công suất trong máy piston rotor hướng trục được sử dụng trong các máy khai thác mỏ lộ thiên.
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Nghiên cứu ảnh hưởng trình tăng nhiệt độ dầu thủy lực đến tổn thất lưu lượng công suất bơm piston rotor hướng trục Giang Quốc Khánh(1), Krivenko Alexander Evgenievich(2) NCS Liên bang Nga, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh (1) (2) Khoa Thiết bị mỏ, Vận tải Chế tạo máy, Trường Đại học Khoa học Công nghệ Quốc gia "MISiS" Email: quockhanh@edu.misis.ru Mobile: +8968.085.21.15 Tóm tắt Từ khóa: Máy bơm piston hướng trục, Nhiệt dầu thủy lực, Rò rỉ dầu thủy lực, Truyền động thủy lực thể tích, Tổn thất lưu lượng, Tổn thất công suất thủy lực Dầu thủy lực hệ hệ thống truyền động thủy lực nói chung máy khai thác mỏ nói riêng có vai trị vơ quan trọng: mơi trường trung gian truyền lượng, bôi trơn, giảm ma sát, hấp thụ tỏa nhiệt sinh trình vận hành hệ thống Những thay đổi môi trường làm việc như: nhiệt độ, độ ẩm, độ bụi, xạ mặt trời… phá vỡ cân nhiệt độ hệ thống, điều dẫn đến gia tăng nhiệt độ chất lỏng làm việc Sự gia tăng nhiệt độ chất lỏng làm việc dẫn đến giảm độ nhớt dầu, dẫn đến gia tăng rị rỉ, giảm lưu lượng, cơng suất, hiệu suất tuổi thọ bơm piston hướng trục, giảm độ cứng độ tin cậy toàn hệ thống truyền động thủy lực Bài báo trình bày kết nghiên cứu, mơ mối quan hệ tăng nhiệt độ dầu thủy lực đến tăng lưu lượng rò rỉ tổn thất công suất máy piston rotor hướng trục sử dụng máy khai thác mỏ lộ thiên ĐẶT VẤN ĐỀ Bơm piston hướng trục có nhiều ưu điểm bật so với máy bơm thủy lực khác, như: kích thước nhỏ gọn, áp suất làm việc cao, độ tin cậy cao, độ ồn thấp, v.v Vì vậy, máy bơm piston rotor hướng trục sử dụng rộng rãi nhiều hệ thống truyền động thủy lực máy mỏ, máy cơng trình Hình Cấu trúc máy bơm piston rotor hướng trục với đĩa nghiêng Cấu trúc máy bơm piston rotor hướng trục với đĩa nghiêng thường sử dụng hệ thống thủy lực máy xúc thủy lực lộ thiên nói riêng máy mỏ, máy cơng trình nói chung hình Trong q trình làm việc, chuyển động quay từ động truyền đến khối xilanh thông qua trục truyền động, làm cho piston vừa quay quanh trục bơm vừa chuyển động tịnh tiến xilanh Một đầu hình cầu piston nối với guốc trượt hãm nén đĩa nghiêng Do đó, piston di chuyển từ phía đáy đến miệng xilanh với khối xilanh quay theo chiều kim đồng hồ, chất lỏng làm việc hút vào buồng xilanh thông qua rãnh nạp đĩa phân phối; ngược lại piston di chuyển từ phía miệng xuống phía đáy xilanh với khối xylanh theo chiều kim đồng hồ, dầu thủy lực buồng xilanh thoát qua rãnh xả đĩa phân phối vào đường cao áp Khi khối xilanh quay chu kỳ (1 vòng quay quanh trục bơm), piston thực trình hút q trình xả Rị rỉ chất lỏng bơm piston rotor hướng trục xảy ba bề mặt tiếp xúc bơm: piston xilanh ( ), khối xilanh đĩa phân phối ( ) lề hình cầu guốc trượt hãm piston ( ) 265 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH Lưu lượng rị rỉ khơng đổi, lị xo ln ép bề mặt ma sát tiếp xúc với Tổng lưu lượng rò rỉ dầu thủy lực qua bề mặt ma sát thường không lớn chiếm khoảng 3% lưu lượng máy bơm [2, 5] Do đó, viết này, tác giả nghiên cứu cường độ chất rò rỉ chất lỏng làm việc thông qua bề mặt ma sát piston xilanh XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ DẦU THỦY LỰC VỚI TỔN THẤT LƯU LƯỢNG VÀ CÔNG SUẤT TRONG BƠM PISTON ROTOR HƯỚNG TRỤC Khi bơm piston rotor hướng trục hoạt động, khối xilanh quay xung quanh trục bơm, tạo lực ly tâm, làm cho piston có xu hướng bị văng xa tâm ép chặt vào bên cạnh lỗ xilanh, tạo thành độ hình khuyên lệch tâm e piston lỗ xilanh (Hình 2) Do chênh lệch áp suất, lượng chất lỏng làm việc định chảy qua khe hở piston xilanh trở lại các-te Lưu lượng rò rỉ phụ thuộc vào sức cản thủy lực kênh hình khuyên, thay đổi tùy thuộc vào vị trí piston buồng làm việc khối xi lanh Hình Sơ đồ tính tốn rị rỉ qua khe hẹp piston xilanh bơm piston rotor hướng trục Để xác định lưu lượng rò rỉ chất lỏng qua khe hở piston xilanh, nhóm tác giả sử dụng phương trình Reynolds tổng quát cho dòng chất lỏng chảy qua khe hẹp với giả thiết sau: + Màng dầu khe hở pít tơng xi lanh mỏng có khối lượng khơng đáng kể (bỏ qua tác dụng trọng lực lên màng dầu); + Màng dầu mỏng, áp suất giả định không đổi theo chiều cao màng dầu; + Khơng có trượt ranh giới (chất lỏng làm việc chất lỏng Newton); + Dòng dầu chảy qua khe hở chế độ chảy tầng (số Reynold thấp); + Các lực quán tính sức căng bề mặt không đáng kể so với lực nhớt; + Độ nhớt dầu thủy lực không đổi màng dầu Sau thực lấy đạo hàm phương trình Reynolds tổng quát với giả thiết đưa ra, phương trình xác định cường độ rị rỉ chất lỏng làm việc khe hở piston xilanh sau [1,2,4]: * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 đó: – đường kính piston (m), – độ rộng lớn khe hình khuyên piston xilanh (m), – áp suất nén khoang xialnh (Па), – áp suất các-te (Pа), – độ nhớt động lực dầu thủy lực (Pаs), – chiều dài tiếp xúc piston xilanh (m), – độ lệch tâm tương đối piston xilanh, – vận tốc chuyển động tịnh tiến piston xilanh (m/s) Độ lệch tâm tương đối piston xilanh xác định qua cơng thức sau [2,3]: đó: e – khoảng cách lệch tâm piston xilanh (m) Sự thay đổi độ nhớt dầu thủy lực phụ thuộc vào thay đổi áp suất nhiệt độ xác định thơng qua cơng thức sau [3]: đó: – độ nhớt động lực dầu thủy lực nhiệt độ áp suất 105 (Pа); a, b – hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào loại dầu thủy lực; – nhiệt độ dầu thủy lực thời điểm khác Chiều dài tiếp xúc piston xilanh làm việc thay đổi theo chu kỳ quay khối xilanh, phụ thuộc vào góc nghiêng đĩa nghiêng tốc độ góc khối xilanh [1, 4]: đó: – góc nghiêng đĩa nghiêng so với phương thẳng đứng; – tốc độ góc khối xilanh ( ); – thời gian (s); – bán kính quay, khoảng cách từ đường tâm khối xilanh đến đường tâm xilanh (m); – chiều dài đường tiếp xúc piston xilanh góc nghiêng , (m) Vận tốc chuyển động tịnh tiến piston xilanh xác định qua công thức sau [1, 4]: Lưu lượng thể tích thực tế máy bơm lưu lượng lý thuyết trừ lưu lượng tổn thất sinh rò rỉ: – lưu lượng lý thuyết bơm Cơng suất thực tế máy bơm thủy lực xác định thông qua lưu lượng áp suất làm việc thực tế sau [5]: 266 ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH đó: – hiệu suất thể tích hiệu suất khí máy bơm KẾT QUẢ PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG TỔN THẤT LƯU LƯỢNG VÀ ÁP SUẤT CỦA MÁY BƠM PISTON ROTOR HƯỚNG TRỤC BẰNG PHẦN MỀM MATLABSIMULINK 7.04 Mơ hình tốn học sử dụng cho mô phần mềm Matlab-simulink 7.04 xây dựng từ biểu thức 6, kết hợp với số liệu kích thước thực tế loại máy bơm piston rotor hướng trục với đĩa nghiêng HPV95 sử dụng loại máy xúc mỏ lộ thiên Komatsu, dầu thủy lực Shell Tellus 46 sau: 0 = 0,1 (Pаs) (Shell Tellus 46); nhiệt độ dầu thủy lực chọn để mô phỏng: , , , , ; 16( ); 1,3Pа; mm; ; n = 1800 v/ph; =190; Q = 160 l/ph=2,7.10-3m3/s; số xilanh bơm m = 9; = 16mm; ; Các kết q trình mơ trình bày hình - từ hình đến hình sau đây: Hình Tổng tổn thất lưu lượng máy bơm nhiệt độ khác dầu thủy lực 267 Hình Lưu lượng thực tế máy bơm nhiệt độ khác dầu thủy lực Hình Tổn thất cơng suất máy bơm ΔN = nhiệt độ khác dầu thủy lực Hình Cơng suất lý thuyết N (W) công suất thực tế máy bơm (W) nhiệt độ khác dầu thủy lực * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH dẫn đến xung áp lực tăng độ rung hệ thống truyền động thủy lực - Từ hình 5, cho thấy cường độ chất thay đổi công suất thực tế máy bơm so với giá trị lý thuyết, nhiệt độ dầu thủy lực thay đổi phạm vi khảo sát tổn thất công suất tăng 2,04 lần nhiệt độ dầu thủy lực tăng từ 80 đến 110 (Hình 5) Sự giảm cơng suất máy bơm dẫn đến giảm cơng suất tồn hệ thống truyền động thủy lực nói chung Cơng suất giảm, xung áp lực, độ rung tăng lên dẫn đến giảm độ xác tin cậy hệ thống thủy lực Hình Mối quan hệ nhiệt độ dầu thủy lực với tổn thất lưu lượng bơm Hình Lưu lượng lý thuyết Q tổng tổng thất lưu lượng nhiệt độ khác dầu TL Từ kết mô nhận thấy rằng: Khi nhiệt độ dầu thủy lực cao, tổn thất lưu lượng cơng suất máy bơm thủy lực lớn Cụ thể sau: - Khi nhiệt độ khảo sát dầu thủy lực tăng lên (Hình 3,7) T = [ , tương ứng với tổng tổn thất lưu lượng máy bơm tăng theo 0,1.10-4; 0,72.10-4; 1,03.10-4; 1,47.10-4; 2,1.10-4], (m3/s) - Khi nhiệt độ dầu thủy lực tăng lên 1,375 lần (Hình 3,7) (từ 80 đến 110 ), tổng tổn thất lưu lượng máy bơm tăng lên 2,92 lần (từ m3/s đến m /s) - Từ hình 3, thấy rằng: nhiệt độ dầu thủy lực tăng lên, biên độ xung rò rỉ tăng lên Trong phạm vi nhiệt độ xem xét (80 110 ), biên độ xung rò rỉ tăng 2,85 lần Điều dẫn đến biên độ thay đổi lưu lượng máy bơm tăng lên, từ * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xingjian Wang, Siru Lin, Shaoping Wang, Zhaomin He, Chao Zhang (December 2015), ≪Remaining useful life prediction based on the Wiener process for an aviation axial piston pump≫, Chinese Journal of Aeronautics; [2] Jonathan Mark Haynes (November 2007), ≪Axial piston pump leakage modelling and measurement≫, A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy, The University of Cardiff.; [3] WANG Wei (2014) ≪Analysis on the side leakage amount of the friction between piston and cylinder block in axial piston pump≫, Journal Applied Mechanics and Materials, Switzerland; [4] S.L Nie, G.H Huang, Y.P Li (01 December 2005) ≪Tribological study on hydrostatic slipper bearing with annular orifice damper for water hydraulic axial piston motor≫, ScienceDirect, Elsevier; [5] Jonathan Mark Haynes (November 2007) ≪Axial Piston Pump Leakage Modelling and Measurement≫, The University of Cardiff.; [6] Н.Г Полюшкин (2013) ≪Основы теории трения, износа и смазки≫, Красноярск; [7] Тамбов (2010) “Гидравлический расчёт объёмного гидропривода с возвратнопоступательным движением выходного звена”, Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 268 ... Lưu lượng lý thuyết Q tổng tổng thất lưu lượng nhiệt độ khác dầu TL Từ kết mô nhận thấy rằng: Khi nhiệt độ dầu thủy lực cao, tổn thất lưu lượng cơng suất máy bơm thủy lực lớn Cụ thể sau: - Khi nhiệt. .. truyền động thủy lực nói chung Cơng suất giảm, xung áp lực, độ rung tăng lên dẫn đến giảm độ xác tin cậy hệ thống thủy lực Hình Mối quan hệ nhiệt độ dầu thủy lực với tổn thất lưu lượng bơm Hình Lưu. .. bơm nhiệt độ khác dầu thủy lực Hình Tổn thất cơng suất máy bơm ΔN = nhiệt độ khác dầu thủy lực Hình Cơng suất lý thuyết N (W) công suất thực tế máy bơm (W) nhiệt độ khác dầu thủy lực * HNKHCN Lần