Nghiên cứu động lực học hệ thống lái trên máy san

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI TRÊN MÁY SAN RESEARCHING ON THE HYDRAULIC STEERING SYSTEM DYNAMICS ON MOTORIZED GRADERS BÙI VĂN TRẦM1*, NGUYỄN XUÂN HÒA1, NGUYỄN VĂN HÙNG2 Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải Viện Khoa học Công nghệ Giao thông vận tải *Email liên hệ: trambv@utt.edu.vn Tóm tắt Bài báo nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ động lực học hệ thống thủy lực dẫn động lái máy san Việc xây dựng mơ hình động lực học hệ thống lái máy san thực từ xây dựng mơ hình cụm chi tiết hệ thống gồm van xoay, van an toàn, cấu chuyển hướng, ô dẫn dầu thủy lực, xylanh lái, đến xây dựng mơ hình hệ thống Q trình mơ động lực học hệ thống lái thủy lực máy san khảo sát trạng thái làm việc thực tế hệ thống nhằm phục vụ cho việc khai thác sử dụng máy hiệu Từ khóa: Hệ thống lái thủy lực, động lực học hệ thống lái thủy lực, máy san ДZ-122 Abstract The article researchs on building models and simulating the dynamics of hydraulic steering system on the motorized graders The building of a dynamical model of hydraulic steering system is made from building a model of the assembly in the system including swing valve, safety valve, diverter mechanism, oil pipeline, steering cylinder, to build the system model The process of simulating the dynamics of hydraulic steering system on the motorized graders is to survey the real work of the system to efficiently exploitation and use of the graders cụm máy (trong có hệ thống thủy lực dẫn động lái) qua sửa chữa nhiều lần, chí cải hốn tính kết cấu so với thiết kế ban đầu Do đó, cần có mơ hình mơ để khảo sát đánh giá chất lượng hệ thống thủy lực dẫn động lái máy cũ này, đồng thời phục vụ cơng tác nghiên cứu cải tiến, chẩn đốn sửa chữa đánh giá sau sửa chữa nhằm nâng cao khả khai thác sử dụng máy trình làm việc Xylanh thủy lực phận quan trọng cấu lái thủy lực, chịu tác động trực tiếp ngoại lực từ bánh lái áp lực dòng dầu thủy lực điều khiển Việc xây dựng mơ hình mơ động lực học xylanh thủy lực trình bày kỹ tài liệu [3; 5], hệ thống thủy lực dẫn động lái trình bày chi tiết tài liệu [4; 6], tài liệu [1; 2] trình bày hệ thống lái máy xây dựng khung cứng Những tài liệu nêu trình bày nội dung động lực học kết cấu thép, chưa mô tả hệ thống thủy lực trình điều khiển Bài báo sử dụng lý thuyết từ tài liệu nêu để xây dựng mơ hình động lực học chi tiết hệ thống thủy lực cấu lái máy san ДZ-122, sau khảo sát đánh giá trường hợp làm việc thực tế máy phần mềm chuyên dùng Keywords: Hydraulic steering system, dynamics of hydraulic steering system, grader ДZ-122 Đặt vấn đề Máy san máy chủ đạo nhóm máy làm đất, máy có cấu lái tiêu biểu nhóm máy xây dựng bánh lốp, cấu lái trang bị hệ thống thủy lực dẫn động giúp điều khiển nhẹ nhàng, giảm tải trọng động từ mặt đường tác dụng lên vành lái, giảm mệt nhọc trình điều khiển chuyển động địa hình gồ ghề Đối tượng khảo sát báo máy san ДZ-122, máy cũ sử dụng lâu dài, SỐ 71 (8-2022) Hình Sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động lái máy san ДZ-122 1-Van xoay; 2-Vô lăng; 3-Bộ đếm lưu lượng; 4-Xylanh lái; 5-Bơm lái; 6-Thùng dầu; 7, 12, 13-Van an toàn; 8, 9, 10, 11-Van chiều 53 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Mục tiêu đối tượng nghiên cứu 3.1 Mơ hình tốn van lái Mục tiêu báo giúp cho trình nghiên cứu cải tiến, sửa chữa đánh giá sau sửa chữa hệ thống lái thủy lực máy san cũ, qua sử dụng xác hiệu Bài báo nghiên cứu hệ thống thủy lực dẫn động cấu lái máy san ДZ-122 có đặc điểm sau: Hệ thống thủy lực dẫn động lái lắp độc lập, có van lái dạng mở trung gian, khơng có tải trọng động lên vành tay lái (Open center, Non- reaction) có cấu lái dạng hình thang có sơ đồ Hình Theo [2, 5, 6], phương trình cân lưu lượng qua van xoay viết sau: QB = QV − QH − Qr (1) Thiết lập mơ hình động lực học hệ thống lái Để thiết lập mơ hình động lực học hệ thống lái (Hình 2) cần xây dựng mơ hình tốn cụm chi tiết hệ thống, trình xây dựng trình bày chi tiết theo mục Với: Qi = Bi ( y0,i + yi ) pi Qr = (2)  rG (rG − rZ )3 (1 +  ).(PV − PB ) 6v  L (3) Trong đó: QV QB - Là lưu lượng đầu vào van xoay; QH, Qr - Là lưu lượng đường dầu hồi rò rỉ; PV PB - Áp suất đầu vào đầu van xoay; i thể cửa V, B, H van; Bi - Là số van; yi y0,i - Là dịch chuyển vị trí ban đầu ruột van, Δpi - Là chênh lệch áp suất qua cửa van;  - Là khối lượng riêng chất lỏng; rG - Là bán kính ống van ngồi;  - Là hệ số động học chất lỏng;  - Là hệ số lệch tâm ống van ống van ngoài; L - Là độ dài ống van trong; fh Là tiết diện đường hồi van lái Hình Sơ đồ khối sơ đồ tính tốn van lái Hình Sơ đồ tính toán hệ thống thủy lực cấu lái Các ký hiệu Hình gồm: QC - Lưu lượng đầu bơm cấp đầu vào đường ống nối bơm cấp với van lái; QV - Lưu lượng đầu đường ống đầu vào van xoay (phân phối); QB - Lưu lượng đầu từ van xoay đầu vào đếm lưu lượng; QH - lưu lượng đường hồi thùng; QR lưu lượng đầu đếm lưu lượng đầu vào đường ống nối van lái với xylanh lái; QXL1 - Lưu lượng đầu đương ống dẫn đầu vào xylanh lái; RXL - Lực cản lái tác động lên cán piston xylanh lái; PXL1 - Là áp suất khoang xylanh lái đầu đường ống dẫn; PR - Áp suất đầu đếm lưu lượng đầu vào đường ống nối van lái với xylanh lái; PB - Áp suất đầu từ van xoay đầu vào đếm lưu lượng; PV - Áp suất đầu đường ống đường vào van xoay (phân phối); PC - Áp suất đầu bơm cấp đầu vào đường ống nối bơm cấp với van lái; α(t) - Góc quay ống van (vành tay lái); αON(t) - Góc quay ống van ngoài; x(t) - Dịch chuyển piston xylanh lái 54 3.2 Mơ hình tốn đếm lưu lượng Lưu lượng chất lỏng qua van xoay vào đếm lưu lượng đến xylanh lái Dòng chất lỏng qua khe hở bánh đếm lưu lượng làm cho ống van ngồi quay góc ON Chính quay ống van ngồi điều chỉnh tiết diện cửa van xoay Theo [2], phương trình cân lưu lượng cân lực viết sau: QR = QB − QN − Qr ; (4) Với đại lượng phương trình (4) lần lượt: QR = qV d ON d d ; QN = k N (p B − pR ) ; M ms = kms ON ; dt dt dt Qr = kr (pB − pR ) kr = q dON (1 − V ) pdn dt Thay đại lượng (1) vào (4) ta có: q ( pB - pR ) = kms d ON d +  Bt ( pB - pR ) + 1 sign ON (5) dt dt Trong đó: QR - Lưu lượng đầu đếm lưu lượng; QB - Lưu lượng đầu vào đếm lưu lượng; QN - Lưu lượng dầu bị nén; Qr - Lưu lượng dầu SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY rò rỉ qua đếm lưu lượng; pB - Áp suất đầu vào đếm lưu lượng; pR - Áp suất đầu đếm lưu lượng; q - lưu lượng riêng đếm lưu lượng; Mms Mô men ma sát nhớt; kms - hệ số ma sát nhớt; ON -góc quay bánh trong; V - Hệ số lưu lượng đếm; kN - Hệ số nén dầu; pdn - Áp suất danh định đếm lưu lượng; kr - Hệ số rò rỉ dầu đếm lưu lượng; Bt - Hệ số cản nhớt dầu thủy lực pA1.FA1 =pA2 FA2 + c(z A − c0 ) (10) Hình Sơ đồ đồ khối tính tốn van tồn dQA = B(.(f Z A ) 2. −1 pA1 − pA2 − Q A ) dt Hình Sơ đồ tính tốn đếm lưu lượng 3.6 Mơ hình tốn cấu chuyển hướng 3.3 Mơ hình tốn xylanh lái Theo [2, 3, 6], phương trình lưu lượng phương trình cân lực cho xylanh lái sau: QXL1 = QXL = dPXL1 dx d (PXL1 − PXL ) K N + F1 + K r1 dt dt dt dPXL d (PXL − PXL1 ) d PXL dx K N + F2 + K r1 + Kr dt dt dt dt (11) (6) (7) d2x  dx  =  PXL1 F1 − PXL F2 − Fmsk sign − RXL  (8) dt m dt  Mô men cản tổng cộng MC tác động lên đầu đòn quay (bàn tay ếch) hình thang lái, cản trở quay bánh xe dẫn hướng thực quay vòng xe xác định theo [1, 2, 4] sau: M c = M cq + M odl + M z  + M y + M fh (12) 3.7 Tính tốn lực cản lái tác dụng lên xylanh lái Theo [2], lực cản tổng cộng lái tác động lên hai cán piston sau: Rxl = Rxl1 + Rxl = 2(M c / lxl ) (13) Hình Sơ đồ tính tốn sơ đồ khối xylanh lái Hình Sơ đồ bố trí cấu lái máy sauДZ-122 3.4 Mơ hình tốn đường ống dẫn dầu Theo [1, 2, 6], phương trình cân lưu lượng cho đường ống dẫn dầu viết sau: QXL = QR − QNO (9) Mô động lực học hệ thống thủy lực dẫn động lái 4.1 Xây dựng mơ hình mơ Sử dụng tính Simulink Matlab để mơ hình hố, mơ phân tích hệ thống động Hình Sơ đồ tính sơ đồ khối đường ống dẫn dầu 3.5 Mô hình tốn van an tồn Theo [2, 4, 6], phương trình lưu lượng qua van phương trình cân lực cho van viết sau: SỐ 71 (8-2022) Hình Sơ đồ khối hệ thống thủy lực 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 4.2 Mơ hình mơ hệ thống thủy lực dẫn động lái Từ mơ hình mơ phân tử hệ thống thủy lực trên, tiến hành ghép nối phần tử lại với nhau, ta mơ hình mơ hệ thống thủy lực dẫn động lái Hình 10 Khi tính tốn chạy chương trình, ta chọn quy luật đánh lái (góc quay vành tay lái) dạng bậc thang tuyến tính Tác giả chọn quy luật đánh lái dạng tuyến tính Bộ thơng số đầu vào mơ hình thông số kỹ thuật máy san ДZ-122 trình bày chi tiết tài liệu [2] Hình 11 Đồ thị góc quay vành tay lái đánh lái Hình 12 Đồ thị góc quay vành tay lái dừng đánh lái Hình 13 Đồ thị khảo sát trình mở cửa van xoay Hình 10 Mơ hình mơ hệ thống thủy lực dẫn động lái máy san ДZ-122 Khảo sát động lực học hệ thống thủy lực dẫn động lái máy san ДZ-122 5.1 Khảo sát trình đánh lái sang trái dừng lại (trường hợp tốc độ đánh lái trung bình) a Khảo sát q trình mở đóng cửa van xoay Một thông số thường quan tâm hệ thống lái thủy lực q trình mở đóng cửa van xoay, ảnh hưởng đến độ êm dịu độ trễ trình lái Quá trình mở cửa van xoay chia làm giai đoạn (Hình 13) Giai đoạn đầu trình đánh lái, cửa van chưa mở (đây vùng chết) dầu chưa đưa đến cấu chấp hành (xylanh lái) để quay bánh dẫn hướng Nghĩa có đánh lái bánh dẫn hướng chưa quay Quá trình diễn thời ngắn 0,05s tương ứng góc quay 0,05rad (Trong thực tế, có khe hở hai ống 56 Hình 14 Đồ thị khảo sát q trình đóng cửa van xoay van nên có tiết diện rị rỉ fr cho dầu qua, nhiên giá trị fr tương đối bé nên ta bỏ qua) Giai đoạn 2, cửa van mở mở hồn tồn, thể đường cong đồ thị Giai đoạn 3, cửa van mở hoàn toàn, vành tay lái đánh tiết diện cửa van không thay đổi biểu thị đường thẳng nằm ngang phía đồ thị SỐ 71 (8-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Q trình đóng cửa van xoay xảy đánh lái sang trái ta dừng lại Khi cửa van xoay trạng thái mở hồn tồn từ từ đóng lại đóng hồn tồn, biểu thị đường cong (Hình 14) Điều có nghĩa dừng đánh lái, cửa van chưa đóng lại ngay, nguyên nhân gây q trình lái có độ trễ, điều thấy rõ đồ thị thể dịch chuyển piston xylanh lái dừng đánh lái tương ứng với q trình đóng cửa van xoay Khi dừng đánh lái, cửa van chưa đóng hồn tồn nên có lượng dầu qua van lái đến xylanh lái làm cán piston xylanh lái dịch chuyển, thể đường cong đồ thị (Hình 18) Điều có nghĩa dừng đánh lái, bánh xe dẫn hướng chưa dừng hẳn Bánh xe dẫn hướng dừng quay cửa van đóng hồn tồn b Khảo sát q trình dịch chuyển xylanh lái * Khảo sát vận tốc dịch chuyển piston xylanh lái Hình 17 Sự dịch chuyển piston lái (khi đánh lái) Hình 15 Vận tốc dịch chuyển piston (khi đánh lái) Hình 18 Sự dịch chuyển piston (dừng đánh lái) Kết luận Hình 16 Vận tốc dịch chuyển piston (dừng đánh lái) * Khảo sát dịch chuyển piston xy lanh lái Từ đồ thị khảo sát dịch chuyển piston xylanh lái ta thấy: - Quá trình dịch chuyển piston xylanh lái đánh lái sang trái chia làm giai đoạn tương ứng với giai đoạn trình mở cửa van xoay vận tốc dịch chuyển piston xylanh (Hình 17) Giai đoạn đầu trình piston xylanh lái chưa dịch chuyển Giai đoạn 2, piston xylanh lái dịch chuyển chậm biểu thị đường cong Giai đoạn 3, piston xylanh lái dịch chuyển với vận tốc không đổi biểu thị đường thẳng đồ thị Ở giai đoạn góc đánh lái dịch chuyển piston xylanh lái tuyến tính với - Q trình dịch chuyển piston xylanh SỐ 71 (8-2022) - Quá trình đánh lái (tính từ thời điểm bắt đầu đánh lái đến dừng đánh lái, bánh dẫn hướng đứng yên), góc quay vành tay lái tỷ lệ với độ dịch chuyển piston xylanh lái - Quá trình đánh lái có độ trễ, cụ thể giai đoạn đầu trình đánh lái, vành tay lái quay piston xylanh lái không dịch chuyển giai đoạn dừng đánh lái vành tay lái dừng lại piston xylanh lái dịch chuyển Đây hai giai đoạn có tác dụng xấu cho q trình lái - Ở giai đoạn đầu q trình đánh lái, góc chết thơng số có yếu tố định Góc chết thơng số kết cấu van, nên q trình tính chọn van phải ý đến yếu tố để chọn van phù hợp Thơng thường góc chết từ 0,035 đến 0,07 rad - Ở giai đoạn dừng đánh lái, lò xo yếu tố định đến q trình đóng cửa van xoay Lị xo đủ cứng 57 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY để đưa hai ống van vị trí trung gian đủ mềm để van mở hoàn toàn Do thiết kế sửa chữa thay van lái, người ta phải tính tốn độ cứng lị xo cho phù hợp [3] Bùi Văn Trầm (2019), Nghiên cứu động lực học thiết bị khoan xoay đập lắp máy đào phục vụ thi công hầm độ vừa nhỏ, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân - Ngoài ra, lưu lượng riêng van lái định đến độ dịch chuyển piston xylanh lái giai đoạn dừng đánh lái lượng đánh lái (số vòng đánh lái từ biên bên trái sang biên bên phải) Khi lưu lượng riêng tăng độ dịch chuyển piston tăng lượng đánh lái giảm ngược lại Do vậy, tùy loại máy mà ta chọn lưu lượng riêng van lái cho phù hợp Đặc biệt sửa chữa thay van lái ta nên ý đến điều [4] Marcus Rosth, Hydraulic Power Steering System Design in road vehicle, Linkoping University, 2007 - Kết nghiên cứu báo tham khảo để nghiên cứu động lực học hệ thống lái thủy lực máy xây dựng bánh lốp [6] Wolfgang Kemmetmuller, Steffen Muller, and Andreas Kugi (2007), Mathematical Modeling and Nonlinear Controller Design for a Novel Electrohydraulic Power-Steering System, IEEE/ASME transactions on mechatronics, Vol.12, No.1 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Mạnh Quyền (2019), Nghiên cứu động lực học máy san thi công điều kiện Việt Nam, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân [2] Trương Văn Lợi (2018), Nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực dẫn động lái xe máy công binh bánh lốp khung cứng, Luận văn Thạc sĩ Học viện Kỹ thuật Quân 58 [5] A Alexandera, A Vaccaa, D Cristoforib (2017), Active vibration damping in hydraulic construction machinery Procedia Engineering, Dynamics and Vibroacoustics of Machines (DVM2016), Vol.176, pp.514-528 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 31/7/2022 09/8/2022 22/8/2022 SỐ 71 (8-2022) ... sau sửa chữa hệ thống lái thủy lực máy san cũ, qua sử dụng xác hiệu Bài báo nghiên cứu hệ thống thủy lực dẫn động cấu lái máy san ДZ-122 có đặc điểm sau: Hệ thống thủy lực dẫn động lái lắp độc... (2019), Nghiên cứu động lực học máy san thi công điều kiện Việt Nam, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân [2] Trương Văn Lợi (2018), Nghiên cứu động lực học hệ thống thủy lực dẫn động lái. .. QV − QH − Qr (1) Thiết lập mơ hình động lực học hệ thống lái Để thiết lập mơ hình động lực học hệ thống lái (Hình 2) cần xây dựng mơ hình tốn cụm chi tiết hệ thống, trình xây dựng trình bày chi