Nghiên cứu khả năng dẫn động xu páp động cơ đốt trong bằng thuỷ lực
1 Phần 1:Đặc điểm của luận án 1. Tính thiết thực của luận án Luận án đã phân tích, đánh giá những hạn chế chủ yếu của việc dẫn động xu páp bằng cơ khí của động cơ trên bộ và đề xuất hớng dẫn động cơ - thủy lực áp dụng cho các động cơ có tốc độ tới 2000v/ph. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án - Trên cơ sở phân tích các phơng án dẫn động xu páp trên động cơ đốt trong, đề xuất phơng án dẫn động bằng thủy lực. - Vận dụng nguyên lý chuyển động Niu-tơn - Đa-lăm-be của vật rắn và phơng trình cân bằng lu lợng chất lỏng, xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống dẫn động bằng thuỷ lực và khảo sát các yếu tố ảnh hởng. - Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống dẫn động thủy lực, khảo sát thực nghiệm trên mô hình, trên cơ sở đó có những kết luận ban đầu về khả năng dẫn động xu páp bằng thủy lực. 3. Các vấn đề đã giải quyết trong luận án - Lựa chọn sơ đồ dẫn động bằng thủy lực cho xu páp và xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống. - Khảo sát ảnh hởng của các thông số kết cấu, áp suất nguồn và tốc độ trục phân phối tới hoạt động của hệ thống bằng mô hình toán học. - Chế tạo mô hình thực nghiệm, khảo sát trên mô hình thực nghiệm, đa ra các kết luận ban đầu về khả năng dẫn động xu páp bằng thủy lực với động cơ có tốc độ tơng đối cao ( 2000v/ph). 4. Bố cục của luận án: Luận án đợc trình bày ngoài phần mở đầu, kết luận chung và phụ lục gồm: ba chơng, 79 hình vẽ, đồ thị, ảnh, 14 bảng biểu cùng 41 tài liệu tham khảo, 4 phụ lục và 4 bài báo có liên quan tới luận án của tác giả. 2 Phần 2: Nội dung của luận án Chơng 1: Tổng quan Trong chơng này tác giả luận án đã trình bày các kết quả nghiên cứu đã đợc công bố liên quan đến các nội dung sau: - Các phơng án dẫn động xu páp bằng cơ khí và u nhợc điểm. - Các giải pháp hoàn thiện cơ cấu dẫn động xu páp bằng cơ khí. - Tổng quan các công trình nghiên cứu về các phơng án dẫn động xu páp của động cơ. Chơng 2: Mô hình hoá hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực 2.1. Lựa chọn sơ đồ dẫn động xu páp bằng thủy lực 2.1.1. Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực Trên hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn động bằng thủy lực điển hình. Hệ thống gồm: nguồn thủy lực, van phân phối và xi lanh thủy lực. Van phân phối đợc điều khiển bằng cơ khí hoặc điện từ, điện tử. Sơ đồ dẫn động xu páp sử dụng van phân phối kiểu khóa đợc giới thiệu trên hình 2.2. Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực 1 - Bơm dầu; 2 - Van phân phối; 3 - Van tiết lu; 4 - Đờng ống; 5 - Xi lanh thủy lực; 6 - Xu páp của động cơ; 7 - Thùng chứa; 8 - Van an toàn; 9 - Bầu lọc. 5 1 6 2 3 8 4 7 9 3 2.1.2. Kết cấu của hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực có sử dụng van phân phối Hệ thống dẫn động này đợc thể hiện trên hình 2.2 gồm hai khối: khối điều khiển con trợt và khối điều khiển xu páp của động cơ. Khối điều khiển con trợt gồm van phân phối 7, xi lanh dẫn động con trợt 3. Khối điều khiển xu páp gồm hộp con trợt 4, xi lanh dẫn động xu páp 5 và 6. Kết cấu của van phân phối điều khiển xi lanh dẫn động con trợt và sơ đồ kết nối đợc thể hiện trên hình 2.3. Van phân phối gồm: thân van 5, trục van 7 và ống lót 6. Trục của van đợc dẫn động từ trục khuỷu của động cơ thông qua cặp bánh răng 4. Trên trục của van có khoan hai lỗ A và B không thông nhau theo đờng tâm, lỗ A có áp suất cao đợc nối với xi lanh thủy lực, lỗ B nối thông với cửa xả. Các lỗ theo phơng hớng kính a, d là các cửa cấp, cửa xả. Trên ống lót có các rãnh dẫn dầu b, e với chiều dài, vị trí phù hợp với quy luật chuyển động của xu páp. Dầu thờng xuyên đợc cấp vào khoang A của trục phân phối với một áp suất nhất định. Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực sử dụng van phân phối kiểu khoá 1 - Thùng dầu; 2 - Bơm bánh răng; 3 - Xi lanh điều khiển con trợt van phân phối; 4 - Van phân phối 4/2; 5,6 -Xi lanh dẫn động xu páp; 7 - Van xoay; 8 - Bộ giảm tốc; 9 - Động cơ dẫn động van xoay; 10 - áp kế; 11-Van an toàn; M PT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 P PT 4 Khi động cơ làm việc, trục khuỷu quay, trục phân phối quay. Tại thời điểm cửa cấp a trùng vào rãnh cấp b, dầu thủy lực đợc cấp đến xi lanh dẫn động con trợt qua cửa cấp a rãnh b, cửa cấp c. Dới tác dụng của áp suất, pít tông và con trợt dịch chuyển mở đờng dầu cấp cho xi lanh mở xu páp. Ngay khi lỗ d trùng với rãnh e, khoang trên của xi lanh thủy lực thông với đờng xả qua cửa xả f, rãnh e, cửa d, khoang B của trục; áp suất giảm, dới tác dụng của lò xo hồi vị pít tông dịch chuyển theo chiều ngợc lại, dầu đợc xả về thùng và con trợt trở lại vị trí ban đầu, đồng thời dầu trong xi lanh dẫn động xu páp xả về thùng qua cửa xả, xu páp đóng. Van của khối điều khiển xi lanh dẫn động xu páp là loại van phân phối kiểu con trợt bốn đờng. Sơ đồ nguyên lý của van phân phối kiểu con trợt đợc thể hiện trên hình 2.4. Nguyên lý làm việc của van phân phối: chất lỏng công tác từ bơm đợc đa vào cửa 1. Tuỳ thuộc vào vị trí của con trợt 7 chất lỏng công tác sẽ H ình 2.4: Sơ đồ nguyên lý van phân phối kiểu con trợt 1 -Cửa cấp nguồn;2,5 - Các cửa xả; 3,4- Các cửa cấp tới xi lanh thủy lực; 6 - Thân van phân phối; 7 - Con trợt H ình 2.3: Sơ đồ kết cấu của van phân phối và sơ đồ kết nối A-Khoang cấp; B- Khoang xả; a,d- Cửa cấp, cửa xả trên trục phân phối; b,e - Rãnh cấp, rãnh xả trên ống lót;c,f-Các cửa cấp, cửa xả trên thân van; 1-Van phân phối;2-Xi lanh dẫn động con trợt;3-Hộp con trợt 4/2; 4- Cặp bánh răng dẫn động; 5-Thân van phân phối; 6-ống lót; 7- Trục phân phối 5 đợc đa vào khoang công tác của xi lanh thủy lực 5 (hình 2.2). Cũng tại thời điểm đó, chất lỏng từ xi lanh 6 (hình 2.2) theo cửa 4 thoát về bể chứa. 2.2. Xây dựng phơng trình toán học mô tả chuyển động của xu páp đợc dẫn động bằng thủy lực 2.2.1. Xác định kích thớc hình học của rnh cấp và vị trí bố trí chúng trên ống lót của van phân phối Xác định góc quay của cửa cấp trên trục phân phối (hình 2.5): )arcsin(2 1 t D d = ,[độ] (2.3) d - đờng kính của lỗ cấp trên trục phân phối, [m]; D t - đờng kính ngoài của trục phân phối, [m] ; Để mở xu páp hoàn toàn, trục phân phối cần quay một góc là: 1 * 2 += , trong đó - pha phối khí Chiều dài của rãnh cấp đợc tính bằng biểu thức sau: 360 * d L = ,[m] (2.5) Để giảm cản trở thủy động tại rãnh cấp, ta chọn hình dáng của rãnh cấp có dạng nh trên hình 2.6. H ình 2. 6 : Hình dáng của rãnh cấp trên ống lót van phân phối L d/2 H ình 2.5: Sơ đồ tính toán góc quay của cửa cấp trên trục phân phối 6 Trên cơ sở đồ thị pha phối khí của động cơ, vị trí các cửa cấp và cửa xả trên ống lót đợc bố trí nh trên hình 2.7. 2.2.2. Xây dựng quy luật cấp chất lỏng cho xi lanh dẫn động xu páp Quy luật cấp chất lỏng công tác cho xi lanh thủy lực đợc đặc trng bởi quy luật biến thiên của diện tích trùng khớp lỗ cấp trên trục phân phối và rãnh cấp trên ống lót. Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 2.8. H ình 2. 7 : Sơ đồ bố trí các cửa cấp và cửa xả trên ống lót 1,1' Cửa nạp và cửa xả của xi lanh dẫn động xu páp xả;2,2' Cửa nạp và cửa xả của xi lanh dẫn động xu páp nạp 2 Góc q ua y trục cam Hành trình xu páp 1 1' 2' 1 Đ C D Đ C T Đ C D 1 2 o d. 2 H ình 2.8: Sơ đồ tính toán sự biến thiên diện tích cửa cấp chất lỏng công tác điều khiển xu páp a- Khi bắt đầu mở cửa cấp; b- Khi cửa cấp mở hoàn toàn; c - Khi đóng cửa cấp. 7 Để giảm thiểu tổn thất lu lợng qua cửa cấp ta chọn bề rộng của rãnh cấp trên ống lót bằng đờng kính của cửa cấp trên trục phân phối. Diện tích trùng khớp của cửa cấp và rãnh cấp đợc tính nh sau: + < + = + <= + += = v ar t v ar khi r arvt r arvt r arvt rS v ar t v r khirS v r tkhi r tv r tv r tv r tF t t 42 2 2 1. 2 2 2 2 arcsin 2 .2 22 . 2 0 2 . 1.1 2 . 1 .2 . arcsin 2 2S )( 2 23 )( 22 )( 2 .21 (t) Đồ thị biến thiên diện tích cửa cấp F(t) của van theo thời gian nh trên hình 2.9 và 2.10. Quy luật biến thiên diện tích cửa xả tơng tự nh cửa cấp. Trên cơ sở biểu thức tính diện tích cửa cấp của van phân phối có thể khảo sát quy luật cấp chất lỏng công tác cho xi lanh đồng thời tìm đợc diện tích thích hợp cho từng loại động cơ. 2.2.3. Phơng trình toán học mô tả chuyển động của xu páp dẫn đợc động bằng thủy lực 2.2.3.1. Phơng trình mô tả chuyển động của con trợt. H ình 2. 9 : Đồ thị biến thiên diện tích cửa cấp của van phân phối với n = 500vg/ph, r = 2mm, a = 2r+1. H ình 2.10: Đồ thị biến thiên diện tích cửa cấp của van phân phối với n = 1000vg/ph, r = 2mm, a = 2r+1. (2.18) 8 Sơ đồ tính toán quy luật chuyển động của con trợt đợc thể hiện trên hình 2.11. Trên cơ sở quy luật cung cấp chất lỏng công tác cho xi lanh thủy lực dẫn động xu páp trong mục 2.2.2, phơng trình chuyển động của con trợt đợc thiết lập nh sau: Phơng trình cân bằng lực cho pít tông dẫn động con trợt: 111 11 2 1 2 1 pSyk dt dy signf dt dy k dt yd M msbqd =+++ (2.20) Trong đó: M qd1 - khối lợng chuyển động của pít tông, con trợt và lò xo quy dẫn về đờng tâm pít tông dẫn động con trợt, [kg] ; y 1 - chuyển dịch của pít tông dẫn động con trợt, [m]; S - diện tích tiết diện ngang của pít tông dẫn động con trợt, [m 2 ]; p 1 - áp suất chất lỏng công tác trong xi lanh, [Pa]; k b - hệ số cản nhớt [N/(m/s)]; ms f - hệ số ma sát giữa pít tông và xi lanh, [N/(m/s)]; k 1 - hệ số độ cứng của lò xo hồi vị, [N/m]; Phơng trình liên tục của hệ thống: 11 1 2 1 1 2 2 2 111 80 1. 2 . . pp Sdu Sl S S S S u dt du S M do i ii i k k k A = +++ (2.25) Trong đó : ' 11 clqd MMM += = i i i cl S l SM 1 2 2 Biến thiên áp suất trong xi lanh dẫn động con trợt: 1 5 2 3 4 6 p 1 Fm s F lx t y 1 y 1 (t) H ình 2.11: Mô hình tính toán quy luật chuyển động của con trợt 1 - Xi lanh thủy lực; 2 - Pít tông; 3 - Lò xo hồi vị của pít tông; 4 -Hộp van phân p hối; 5 - Con trợt; 6 - Lò xo hồi vị của con trợt; 9 ).( 1 .)( 2 )( 10 1 111 1 ySV E dt dy SpptF dt dp do + = (2.28) 1 - hệ số lu lợng của van phân phối; )(tF - diện tích cửa van phân phối, [m 2 ]; p - áp suất chất lỏng trớc van phân phối, [Pa]; ).( 1 10 ySV E k v += -hệ số đàn hồi thể tích của chất lỏng công tác, [m 3 /Pa]; 0 V - thể tích ban đầu của khoang trong xi lanh tại thời điểm xu páp đóng, [m 3 ]; )(tF - biến thiên diện tích cửa cấp theo thời gian, [m 2 ]; Lu lợng chất lỏng công tác cấp cho van phân phối pkpptFQ Qdob += )( 2 )( 111 (2.30) áp suất của bơm: ppp b + = ; p - tổng tổn thất áp suất trong đờng ống [Pa]; pppp qtdovan ++= 2 2 u p van = tổn thất áp suất của van; - Hệ số tổn thất của van. 2 2 1 u d l p do = tổn thất áp suất trên đờng ống; - Hệ số tổn thất trên đờng ống. p u d l u p qt ++= 2 2 . 2 1 2 1 p qt tổn thất áp suất của chất lỏng do quán tính, [Pa]; 2.2.3.2.Phơng trình mô tả chuyển động của xu páp Sơ đồ tính toán quy luật chuyển động của xu páp đợc thể hiện trên hình 2.13. Phơng trình mô tả quy luật động học của dẫn động xu páp gồm các phơng trình (2.31) đến (2.35). H ình 2.13: Mô hình tính toán quy luật chuyển động của xu páp dẫn động bằng thủy lực. 10 Phơng trình cân bằng lực cho pít tông dẫn động xu páp: 2202 22 2 2 2 2 .).( pSFyyk dt dy signf dt dy k dt yd M Kxalxmsbqd =+++++ (2.32) Trong đó: 2qd M - khối lợng chuyển động của pít tông, xu páp, lò xo, móng hãm, đĩa đệm quy dẫn về pít tông, [kg]; kx F - lực khí xả tác dụng lên xu páp, [N]; 2 y - chuyển dịch của pít tông, [m]; S - diện tích tiết diện ngang của pít tông, [N]; 2 p - áp suất của chất lỏng công tác trong xi lanh, [Pa]; 0 y - chiều cao nén sơ bộ của lo xo, [m]; 2 y - chuyển vị của xu páp, [m]; 2 k - hệ số độ cứng của lò xo, [N/m]; Phơng trình liên tục của hệ thống: 22 1 2 2 1 2 2 2 222 80 1. 2 . . pp Sdu Sl S S S S u dt du S M do i ii i k k k A = +++ (2.33) Trong đó : ' 22 clqd MMM += = i i i cl S l SM 1 2 2 Biến thiên áp suất trong xi lanh dẫn động xu páp: ).( 1 .)( 2 20 2 1212 2 ySV E dt dy Sppyd dt dp doct + = (2.35) 2 - hệ số lu lợng của van trợt; ct d - đờng kính công tác của con trợt, [m]; p - áp suất chất lỏng trớc van phân phối, [Pa]; 2do p - áp suất trong đờng ống trớc xi lanh dẫn động xu páp, [Pa]; E - mô đun đàn hồi của chất lỏng, [N/m 2 ]; Lu lợng chất lỏng công tác cấp cho van trợt: pkppydQ Qdocb += )( 2 2122 (2.36) 2b Q - lu lợng chất lỏng công tác cấp cho van trợt, [m 3 /s] Hệ phơng trình mô tả hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực bao gồm hệ các phơng trình (2.20), (2.24), (2.28), (2.32), (2.33) và (2.35) với các biến số: y 1 (t), y 2 (t), p 1 (t), p 2 (t), p do1 , p do2 . 2.3. Khảo sát mô hình dẫn động xu páp bằng thủy lực [...]... páp a, Nhìn từ phía hộp điều khiển; b, Nhìn từ phía hộp phân phối dẫn động xu páp; c, Nhìn từ trên xu ng; d, Nhìn từ phía xi lanh dẫn động xu páp. 1- động cơ dẫn động bơm dầu;2Van điều khiển con trợt dẫn động xu páp; 3- Van an toàn;4-Van phân phối dẫn động xu páp; 5- Xi lanh dẫn động xu páp; 6-Xi lanh dẫn động con trợt; 7-Khối nắp máy động cơ; 8-Đồng hồ áp suất 3.2.2 Các thông số và thiết bị đo 3.2.2.1 Xác... khiển xu páp dẫn động bằng thủy lực trên động cơ đốt trong, Tạp chí Giao thông vận tải số 1+2/2005, trang 112 - 114 4 Phạm Đức Minh, Vy Hữu Thành, Xây dựng mô hình dẫn động xu páp bằng thủy lực, Tạp chí Giao thông vận tải số 6/2005, trang 41 - 44 25 Bộ giáo dục v Đo tạo Bộ Quốc Phòng Học viện Kỹ thuật Quân sự === === Phạm đức minh Nghiên cứu khả năng dẫn động xu páp động cơ đốt trong bằng thủy lực Chuyên... khác là bố trí một cụm tự động thay đổi cản trở thủy động trên đờng dầu theo tốc độ hoặc hớng thứ ba là tổ hợp của hai hớng trên kết luận 1 Trên cơ sở phân tích, đánh giá các phơng án dẫn động xu páp bằng cơ khí hiện đang sử dụng trên các động cơ, các biện pháp hoàn thiện cơ cấu dẫn động bằng cơ khí và tìm hiểu các phơng án dẫn động khác ta thấy hớng dẫn động xu páp bằng thủy lực khắc phục đợc phần nào... dẫn động xu páp bằng thủy lực 2.4 Kết quả khảo sát mô hình toán học dẫn động xu páp bằng thủy lực 2.4.1 áp suất nguồn nuôi không đổi, tốc độ trục phân phối thay đổi Kết quả khảo sát chuyển vị của xu páp và áp suất trong xi lanh dẫn động xu páp thay đổi theo góc quay trục khuỷu, áp suất nguồn nuôi 2,0 MPa với các chế độ tốc độ n = 600, 700, 800 vg/ph đợc thể hiện trên hình 2.18, 2.22 Chuyển vị của xu. .. chuyển vị của xu páp dẫn động bằng thủy lực Hình 2.34: ảnh hởng của độ cứng lò xođến vận tốc của xu páp dẫn động bằng thủy lực Với một gía trị áp suất nguồn nuôi và tốc độ trục phân phối nhất định, ảnh hởng của độ cứng lò xo xu páp đến chuyển vị của xu páp cũng không nhỏ và đợc thể hiện trên bảng 2.3 Bảng 2.3: ảnh hởng của độ cứng lò xo xu páp đến chuyển vị của xu páp Hành trình của xu páp Hệ số độ... thiết kế hệ thống dẫn động xu páp theo hớng "động cơ không cam" và cho động cơ đảo chiều quay Hớng hoàn thiện: Khi đa mô hình dẫn động xu páp bằng thủy lực lên động cơ cần phải giải quyết vấn đề đảm bảo lu lợng cần thiết dầu thủy lực qua xi lanh chấp hành cho các chế độ tốc độ khác nhau Yêu cầu thứ hai là phải có bình tích áp để đảm bảo việc đóng mở xu páp đúng quy luật lúc khởi động động cơ và duy trì... nghiệm dẫn động xu páp bằng thủy lực đợc xây dựng thể hiện trên hình 3.1a, 31b Hình 3.1 a: Sơ đồ bố trí chung các phần tử của mô hình thực nghiệm 1- Bệ cảm biến H7; 2 - Xu páp của động cơ; 3- Nắp xi lanh của động cơ R180; 4 Các xi lanh dẫn động xu páp; 5,7 - Đờng ống; 8 - Van phân phối kiểu khoá; 9 - Xi lanh dẫn động con trợt; 10 - Đồng hồ đo áp suất; 11 - Hộp con trợt 4/2; 12 - Động cơ dẫn động bơm... hình thực nghiệm đánh giá đợc khả năng dẫn động xu páp bằng thủy lực b Yêu cầu - Mô hình phải đảm bảo việc đóng mở xu páp phù hợp với quy luật chọn trớc theo sự biến thiên tốc độ trục khuỷu từ 500 đến 2000 vg/ph - Hành trình của xu páp trên mô hình thực phải lớn hơn hoặc bằng hành trình của xu páp dẫn động bằng cơ khí - Trên mô hình phải đo đợc biến thiên của chuyển vị xu páp và áp suất dầu tại các vị... thì hành trình này sẽ giảm (tham khảo bảng 2.1) Xu t phát từ nhu cầu thực tế về hành trình lớn nhất của động cơ và thông qua bảng 2.2 cho phép ta lựa chọn dải áp suất của hệ thống 2.4.3 ảnh hởng của độ cứng lò xo xu páp đến quy luật động học của xu páp dẫn động bằng thủy lực Kết quả khảo sát ảnh hởng của độ cứng lò xo đến quy luật động học của xu páp dẫn động bằng thủy lực đợc thể hiện trên hình 2.33,... chọn dải áp suất phù 13 hợp trong quá trình thiết kế hệ thống dẫn động bằng thủy lực cho xu páp trên động cơ Bảng 2.2 trình bày ảnh hởng của áp suất nguồn đến các giá trị cực đại của chuyển vị, vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực Để đảm bảo hành trình xu páp không nhỏ hơn hành trình khi đợc dẫn động bằng cơ khí (7mm đối với xu páp động cơ R180) thì phải chọn áp suất nguồn thấp nhất là khoảng 2,0MPa, . các công trình nghiên cứu về các phơng án dẫn động xu páp của động cơ. Chơng 2: Mô hình hoá hệ thống dẫn động xu páp bằng thủy lực 2.1. Lựa chọn sơ đồ dẫn động xu páp bằng thủy lực 2.1.1. Sơ. việc dẫn động xu páp bằng cơ khí của động cơ trên bộ và đề xu t hớng dẫn động cơ - thủy lực áp dụng cho các động cơ có tốc độ tới 2000v/ph. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án - Trên cơ sở. hệ thống dẫn động xu páp. a, Nhìn từ phía hộp điều khiển; b, Nhìn từ phía hộp phân phối dẫn động xu páp; c, Nhìn từ trên xu ng; d, Nhìn từ phía xi lanh dẫn động xu páp. 1- động cơ dẫn động bơm