Untitled 4962(11) 11 2020 Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Đặt vấn đề Để đảm bảo khả năng làm việc và tuổi thọ của công trình cầu, gối cầu cần phải được kiểm tra chất lượng chặt chẽ trong phòng thí nghi[.]
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nghiên cứu động lực học thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 Phạm Đình Nam1*, Thái Hà Phi2, Trần Xuân Bộ3, Nguyễn Ngọc Hải3 Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải Trường Đại học Giao thông Vận tải Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngày nhận 15/5/2020; ngày chuyển phản biện 20/5/2020; ngày nhận phản biện 19/6/2020; ngày chấp nhận đăng 24/6/2020 Tóm tắt: Bài báo giới thiệu hệ thống thủy lực tạo tải thẳng đứng thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 thiết kế chế tạo Việt Nam Trên sở lý thuyết xây dựng toán động lực học hệ thống truyền động thủy lực tạo tải thẳng đứng có xét đến ảnh hưởng ma sát, nhóm nghiên cứu xây dựng thành cơng mơ hình tốn mơ q trình thử nghiệm gối so sánh kết mơ với kết thí nghiệm thực tế số gối cầu cụ thể Từ khóa: thiết bị 6.400 tấn, thí nghiệm gối cầu Chỉ số phân loại: 2.3 A research on the dynamics of laboratory equipment called bridge bearings with a capacity of 6,400 tons Dinh Nam Pham1*, Ha Phi Thai2, Xuan Bo Tran3, Ngoc Hai Nguyen3 Institute of Transport Science and Technology University of Transport and Communications Ha Noi University of Science and Technology Received 15 May 2020; accepted 24 June 2020 Abstract: This article introduces a hydraulic system creating a vertical load of testing equipment for bridge bearings with a capacity of 6,400 tons that was designed and made in Vietnam Based on the theory of dynamics problems of a hydraulic transmission system creating vertical load with regard to the effect of friction, the authors successfully generated mathematical models that simulated the process of testing bearings and comparing the simulation results with the actual experimental results on certain bridge bearings Keywords: bridge bearing experiment, 6,400 ton equipment Classification number: 2.3 Đặt vấn đề Để đảm bảo khả làm việc tuổi thọ cơng trình cầu, gối cầu cần phải kiểm tra chất lượng chặt chẽ phịng thí nghiệm hợp chuẩn chuyên ngành, thiết bị kiểm tra chuyên dùng trước đưa vào lắp đặt sử dụng Ở Việt Nam nay, thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng đến 6.400 thiết bị thí nghiệm gối lớn đại chế tạo nước Đây thiết bị chuyên dụng để gia lực trì lực mẫu thử Thiết bị thí nghiệm gối cầu thiết kế để thí nghiệm cho gối chậu có tải trọng thiết 4.000 (tải trọng thí nghiệm 1,5 lần tải trọng thiết kế gối) [1] Đối với thiết bị thí nghiệm gối cầu, độ xác yếu tố quan trọng đặt lên hàng đầu Theo [1], tổng tải trọng tác dụng lên mẫu thử không sai khác 1% so với yêu cầu Theo [2], biến dạng đo sau nén thẳng đứng không vượt 5% chiều dày gối Do đó, lực biến dạng hai yếu tố cần phải kiểm soát chặt chẽ q trình thí nghiệm gối Việc mơ xác hoạt động hệ thống thủy lực thiết bị thí nghiệm gối cầu 6.400 giúp kiểm sốt yếu tố ảnh hưởng đến kết thí nghiệm, dự đốn biến dạng gối cầu chịu nén thí nghiệm, từ nâng cao độ xác thiết bị thí nghiệm Nội dung nghiên cứu thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm gối cầu tạo lực nén lớn (lên đến 6.400 tấn) trì tải thời gian tương đối dài Hiện tại, lực nén mà thiết bị tạo đo gián tiếp thông qua cảm biến áp suất lắp đường dầu vào hệ kích thủy lực (hình 1), loại *Tác giả liên hệ: Email: phamnam711@gmail.com 62(11) 11.2020 49 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ đưa thùng qua bầu lọc dầu (17) Khi thực trình tạo tải nén thẳng đứng cho gối cầu van phân phối (10) điều khiển dòng dầu qua cụm van cảm biến sơ đồ đo thể hình 2, hình Tuy nhiên, đặc tính động hệ thống thủy lực tương đối phức tạp tính phi tuyến cao Một phi tuyến thủy lực ma sát Ma sát gây lỗi điều khiển, tổn hao lực, giảm hiệu suất hệ thống Do cần tìm mơ hình tốn học xác ma sát, từ xây dựng mơ hình tốn mơ q trình thí nghiệm nén thẳng đứng gối cầu, xác định mối quan hệ lực nén - biến dạng gối q trình thí nghiệm Nếu chuyển động hệ thống thủy lực dự đốn xác mơ hồn tồn dự đốn xác trình chuyển động hệ thống thủy lực, từ xây dựng mối quan hệ lực - biến dạng kiểm soát yếu tố ảnh hưởng đến độ xác thí nghiệm chiều - tiết lưu (12), van khóa tải (15) tới hệ xilanh (16) đẩy piston lên tạo lực nén, áp vào khoang phía piston kích, phần dầu trích điều dầu từ khoang phía piston qua van phân phối, qua bầu lọc thùng khiển mở van khóa tải hệ kích, piston xuống, dầu từ khoang cần giảm van phân phối điềuphân khiển phối, dẫn dầuqua cao bầu áp vào khoang phía dướiKhipiston tải quathìvan tiết lưu, van lọc phíadầu piston mộttải phần trích giữ điều khiển mở van khóa tải hệ kích, thùng Van kích, khóa códầutácsẽ dụng tải không bị giảm xuống, dầutải từ khoang phía cấp piston qua van lưu, van phân lưu phối,có qua suốtpiston thờiđigian gia lực Cụm mộttiếtchiều - tiết lọc giảm thùngchấn dầu Van tải có dụngvan giữ tải giảm suốt có thời tác bầu dụng khikhóa giảm tải.tácHệ ankhơng tồnbị(13) (14) gia tải cấp lực Cụm chiều - tiết lưu có tác dụng giảm chấn giảm tác gian dụng bảo vệ an toàn cho hệ xilanh hành trình nén Hệ van an tồn (13) (14) có tác dụng bảo vệ an tồn cho hệ xilanh hành hànhtải.trình giảm tải; đồng thời có tác dụng khống chế tải trọng nén trình nén hành trình giảm tải; đồng thời có tác dụng khống chế tải trọng nén lớn lớn theo yêu cầu; bảo vệ hệ thống có cố tải theo yêu cầu; bảo vệ hệ thống có cố tải Sensor đo áp suất Bộ chuyển đổi tương tự sang số Đường dầu cao áp vào hệ kích Bộ xử lý trung tâm Lưu giữ số liệu hiển thị lực thí nghiệm gối 16 Hình Sơ đồ đo lực thí nghiệm thiết bị Hình Hình Sensor áp Hình Sơ đồ đo lực thí nghiệm thiết Sensor áp suất thí nghiệm gối cầu suất bị thí nghiệm gối cầu 15 trình nghiệm Q Q trình thíthínghiệm 14 13 Q trình thí nghiệm gối cầu chia làm ba giai đoạn: Q trình thí nghiệm gối cầu chia làm ba giai đoạn: 12 - Giai đoạn 1: gá lắp gối tạo lực nén sơ ban đầu Đây giai đoạn bơm - Giai gốiđẩy vàpiston tạo nâng lực toàn nénbộsơtrọng bộlượng ban đầu cung cấp đoạn dầu thủy1:lựcgá cholắp xilanh, gối Đây cầu 11 10 17 M 1 Thùng dầu Bầu lọc đường hút 3, Bơm thủy lực Động điện Khớp nối Van an toàn cụm bơm Khóa đồng hồ Đồng hồ áp suất 10 Van phân phối 11 Sensor áp suất 12 Van tiết lưu chiều 13, 14 Van an tồn hệ kích 15 Van khóa tải chiều điều khiển 16 Hệ xi lanh tạo lực thẳng đứng 17 Bầu lọc đường giai đoạn bơm thủythiếtlực cho đixilanh, đẩy thiết bị phụ trợ (tấmcung trung cấp gian, dầu đệm, bị đo ) lên, ép sát vàopiston mặt nângcủatồn lượng củađiều gốiđó cầu vàbộcác thiết trợlưu(tấm khungbộ thử.trọng Để thực đòi hỏi nguồn thủybị lựcphụ phải có lượng trung đệm, bị đo ) đigiảm lên,thời épgian sátchờ vàođợi.mặt lớngian, nhờ làm tăng vận thiết tốc piston, nhằm làm khung thử Để thực điều địi hỏi nguồn thủy lực phải có lưu lượng lớn nhờ làm tăng vận tốc piston, nhằm làm giảm thời gian chờ đợi - Giai đoạn 2: thí nghiệm gối gia tải theo cấp lực Trong giai đoạn này, bơm thủy lực tiếp tục cung cấp dầu thủy lực cho hệ xilanh tạo lực nén lên gối thí nghiệm Trong giai đoạn này, áp suất hệ thống lớn - Giai đoạn 3: trình xả tải, thu xilanh kết thúc q trình thí nghiệm Mơ hình động lực học hệ thống tạo tải thẳng đứng Các giả thiết nghiên cứu Hình Sơ đồ thủy lực hệ thống thủy lực tạo tải thẳng đứng Hình sơ đồ hệ thống thủy lực tạo tải thẳng đứng thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 Hệ thống bao gồm: động điện (5) dẫn động cho hệ thống bơm thủy lực (3) (4) hút dầu từ thùng (1) tạo dầu có áp suất cao cung cấp cho hệ xilanh (16) Ở vị trí trung gian van phân phối điện từ (10), dầu cao áp đưa thùng qua bầu lọc dầu (17) Khi thực trình tạo tải nén thẳng đứng cho gối cầu van phân phối (10) điều khiển dịng dầu qua cụm van chiều - tiết lưu (12), van khóa tải (15) tới hệ xilanh (16) đẩy piston lên tạo lực nén, dầu từ khoang phía piston qua van phân phối, qua bầu lọc thùng Để xây dựng mơ hình tốn nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực, giả thiết nghiên cứu đưa sau: không xét q trình tạo sóng ống thủy lực; van an tồn coi khâu khơng tuyến tính khơng qn tính; modun dầu đàn hồi ống dẫn không phụ thuộc vào áp suất hệ thống; mát lượng hệ thống tính ma sát nhớt, ma sát khơ mát thể tích bơm thủy lực; coi lưu lượng đến xilanh nhau; xilanh hoàn toàn giống kết cấu Khối lượng quy dẫn bao gồm khối lượng gối thí nghiệm, trung gian coi chia cho xilanh Khi cần giảm tải van phân phối điều khiển dẫn dầu cao Trên sở hệ thống thủy lực tạo tải thẳng đứng thiết bị thí 62(11) 11.2020 Mơ hình nghiên cứu động lực học 50 Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ nghiệm gối cầu 6.400 (hình 1), kết hợp với giả thiết trên, xây dựng mơ hình động lực học hệ thống truyền động thủy lực hình = Q2 Cd Ft x x Fr mg Fms N P2, A2 Fqt F Q2 Q1 Q Cd = Ps (3) Lưu lượng Q1 Q2 qua cửa van độ dịch chuyển trượt van xv>G mô tả: Q Cd = P1, A1 P x P w ( G + ε ) s + v P2 - s xv 2 ρ P x P - Cd w ( G - xv ) s + v s - P2 xv ρ ρ ρ w ( G + xv ) Ps xv Ps + - P1 xv (4) w ( G + xv ) Ps xv Ps + P2 - xv 2 (5) Pr A B P T Trong đó, w chiều rộng khe hở cửa lưu thông van; Cd hệ số lưu lượng van; r khối lượng riêng dầu thủy lực; Q1 Q2 tương ứng lưu lượng cấp vào xả khoang bên xilanh; P1 P2 tương ứng áp suất khoang bên xilanh; Ps áp suất nguồn dầu Xv u Phương trình liên tục thể mối quan hệ áp suất lưu lượng hai khoang xilanh: nb M V1 P= Q1 - A1 x rb bh V2 P2 A2 x - Q2 = (6) bh Hình Mơ hình lực tác dụng lên gối cầu Trong đó: Ft lực phản hồi gối cầu; N=mg trọng lượng thân gối; Fr lực ma sát xilanh thủy lực; Fqt lực quán tính; F lực nén kích thủy lực Mối quan hệ độ dịch chuyển trượt van phân phối xv tín hiệu u van xác định phương trình sau: kvωv2 (1) xv = u s + 2ζ vωv s + ωv2 Ở đây, kv hệ số vị trí trượt van, ωv tần số góc tự nhiên van, ζv hệ số giảm chấn van, s tốn tử Laplace Tín hiệu điện u van phân phối có giá trị sau: u=24 V với van hoạt động vị trí bên trái (tương ứng hành trình lên piston), u=0 với van vị trí cân (piston bị khóa), u=-24 V với van hoạt động vị trí bên phải (hành trình xuống piston) Lưu lượng chảy qua van: Giả sử rằng, van sử dụng van có độ chờm âm (chiều dài cửa van lớn chiều dài trượt) Lưu lượng Q1 Q2 qua cửa van độ dịch chuyển trượt van xv hss ) (14) ( v = 0) (v ≤ v ) (v > v ) -2 (1 - Fc / Fs ) vb K v 23 f hss = K f vb K f= (13) STT b (15) b (16) Ở đây, hss thông số độ dày màng bôi trơn trạng thái ổn định; Kf số tỷ lệ độ dày màng bôi trơn; vb vận tốc mà độ dày màng bơi trơn thay đổi; thp, thn th0 tương ứng số thời gian thời kỳ tăng tốc, giảm tốc thời gian nghỉ Kết mô thảo luận Trên sở mơ hình tốn học xây dựng trên, sử dụng phần mềm Matlab/SIMULINK 2016a để giải toán Phương pháp giải số Dormand-Prince sử dụng mô để giải phương trình vi phân tích phân Với thông số sử dụng cho mô cho sau: Cd=0,009; W=8.10-6; kv=0,0096 m/V; V10=V20=0,008 m3; A1=0,1256 m3; A2=0,045216 m3; r=862 kg/m3; với thông số ổn định lực ma sát cho bởi: Fs=850 N; Fc=180 N; vs=0,0125 m/s; n=0,6; s2=320 Ns/m đối chiếu với vận tốc dương Fs=435 N; Fc=105 N; vs=0,015 m/s; n=0,9; s2=350 Ns/m chiều vận tốc âm, tiến hành chạy mô với ba gối khác (giả thiết khung thử tải cứng tuyệt đối) Hình Kết mơ thực tế Nhận xét: bảng cho thấy biến dạng mô biến dạng gối đo thực tế gần tương đương, với sai số trung bình 2,53%, vị trí sai số lớn so với vị trí cịn lại Đồ thị biến dạng gối cầu mơ ngồi thực tế (hình 5) tương đối giống Điều cho thấy việc lựa chọn mơ hình tốn thực mơ hoàn toàn phù hợp sát với thực tế Thí nghiệm loại gối chậu KAWAKIN Nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm thực tế để xác định biến dạng thực tế gối chạy chương trình xác định biến dạng mô (bảng 2), tiến hành vẽ đồ thị thể mối tương quan lực - biến dạng hai trường hợp mô thực tế (hình 6) Bảng So sánh kết thí nghiệm mơ thực tế Thí nghiệm loại gối OVM GPZ (2009)4SX-HTB Nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm thực tế để xác định biến dạng thực tế gối chạy chương trình xác định biến dạng mô (bảng 1), tiến hành vẽ đồ thị thể mối tương quan lực - biến dạng hai trường hợp mô thực tế (hình 5) 62(11) 11.2020 52 STT Lực nén gối (N) Biến dạng thực tế (mm) Biến dạng mô (mm) Sai số (%) 187.500 0,53 0,48 9,4 375.000 0,65 0,62 4,6 750.000 0,88 0,86 2,3 1.125.000 1,05 1,05 0,0 1.500.000 1,20 1,22 1,7 1.875.000 1,35 1,36 0,7 2.250.000 1,58 1,55 1,9 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nhận xét: bảng cho thấy biến dạng mô biến dạng gối đo thực tế gần tương đương, với sai số trung bình 3,33%, vị trí sai số lớn so với vị trí cịn lại Đồ thị biến dạng gối cầu mô ngồi thực tế (hình 7) tương đối giống Điều cho thấy việc lựa chọn mơ hình tốn thực mơ hồn tồn phù hợp sát với thực tế Hình Kết mơ thực tế Nhận xét: bảng cho thấy biến dạng mô biến dạng gối đo thực tế gần tương đương, với sai số trung bình 2,94%, vị trí sai số lớn so với vị trí cịn lại Đồ thị biến dạng gối cầu mô ngồi thực tế (hình 6) tương đối giống Điều cho thấy việc lựa chọn mơ hình tốn thực mơ hồn tồn phù hợp sát với thực tế Thí nghiệm loại gối OVM GPZ(2009)2SX-PBD Nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm để xác định biến dạng thực tế gối chạy chương trình xác định biến dạng mơ (bảng 3), tiến hành vẽ đồ thị thể mối tương quan lực - biến dạng hai trường hợp mô thực tế (hình 7) Bảng So sánh kết thí nghiệm mơ thực tế STT Lực nén gối (N) Biến dạng thực tế (mm) Biến dạng mô (mm) Sai số (%) 50.000 0,29 0,28 3,4 100.000 0,40 0,41 2,5 150.000 0,50 0,51 2,0 200.000 0,58 0,60 3,4 250.000 0,66 0,67 1,5 312.500 0,78 0,75 3,8 375.000 0,89 0,83 6,7 Qua việc mơ q trình nén ba gối cầu trên, rút nhận xét chung sau: việc mơ xác hoạt động hệ thống thủy lực thiết bị thí nghiệm gối cầu 6.400 giúp kiểm soát yếu tố ảnh hưởng đến kết thí nghiệm, dự đốn biến dạng gối cầu chịu nén thí nghiệm Từ nâng cao độ xác thiết bị thí nghiệm Trong nghiên cứu này, chưa đánh giá ảnh hưởng thơng số khai thác, điều gây sai số vài điểm đo mô thực tế Điều nhóm tác giả làm rõ nghiên cứu thực nghiệm tới Kết luận Bài báo đưa mơ hình tốn để mơ hoạt động hệ thống truyền động thủy lực tạo tải thẳng đứng thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 có xét đến ảnh hưởng ma sát Kết mô thực nghiệm tương đối phù hợp với sai số trung bình lớn 3,33%, chứng tỏ mơ hình tốn mơ hình ma sát đưa hợp lý Nghiên cứu cho thấy, mối quan hệ phản lực gối cầu trình nén hàm bậc hai phụ thuộc vào độ cứng kháng nén gối cầu biến dạng gối cầu q trình nén thẳng đứng Điều giúp xây dựng đồ thị thể mối quan hệ lực - biến dạng, dự đốn xác biến dạng thực tế gối cầu kiểm soát, loại bỏ giá trị sai khác q trình thí nghiệm nhằm tăng độ xác kết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Khoa học Công nghệ (2014), TCVN 10269:2014 - Gối cầu kiểu chậu - Phương pháp thử [2] Bộ Khoa học Công nghệ (2014), TCVN 10268:2014 - Gối cầu kiểu chậu Yêu cầu kỹ thuât [3] X.B Tran, W.H Khaing, H Endo, H Yanada (2014), “Effect of friction model on simulation of hydraulic actuator, Proc IMechE Part I”, J Systems and Control Hình Kết mơ thực tế 62(11) 11.2020 Engineering, 228, pp.1-9 53 ... lực thí nghiệm thiết bị Hình Hình Sensor áp Hình Sơ đồ đo lực thí nghiệm thiết Sensor áp suất thí nghiệm gối cầu suất bị thí nghiệm gối cầu 15 trình nghiệm Q Q trình thíth? ?nghiệm 14 13 Q trình thí. .. tạo tải thẳng đứng Các giả thiết nghiên cứu Hình Sơ đồ thủy lực hệ thống thủy lực tạo tải thẳng đứng Hình sơ đồ hệ thống thủy lực tạo tải thẳng đứng thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6. 400. .. sở hệ thống thủy lực tạo tải thẳng đứng thiết bị thí 62 (11) 11.2020 Mơ hình nghiên cứu động lực học 50 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ nghiệm gối cầu 6. 400 (hình 1), kết hợp với giả thiết trên, chúng