Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng hiện tượng dính trượt trong xy lanh khí nén

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu thực nghiệm mơ tượng dính-trượt xy lanh khí nén NGUYỄN NGỌC HẢI hailyclc@gmail.com Ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trần Xuân Bộ Khoa: Cơ khí Động lực HÀ NỘI, 04/2023 Chữ ký GVHD ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Thông tin học viên Họ tên: Nguyễn Ngọc Hải Điện thoại: 0969838534 Email: hailyclc@gmail.com Lớp: 21B-TE-CKĐL Mã số học viên: 20212191M Mục tiêu luận văn Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng yếu tố bao gồm loại/kích thước xy lanh, lưu lượng khí vào xy lanh, áp suất nguồn khí, tải, vị trí ban đầu pít tơng đến q trình xảy tượng dính-trượt phát triển mơ hình tốn học ma sát, hệ thống khí nén để mơ tượng dính-trượt xy lanh khí nén Các nhiệm vụ cụ thể luận văn - Nghiên cứu tượng dính-trượt khí nói chung xy lanh khí nén nói riêng dựa cơng trình khoa học cơng bố - Xem xét yếu tố ảnh hưởng đến tượng dính-trượt xy lanh khí nén để lựa chọn yếu tố tiến hành nghiên cứu - Xây dựng hệ thống thực nghiệm để khảo sát tượng dính-trượt xy lanh khí nén khảo sát ảnh hưởng yếu tố bao gồm loại/kích thước xy lanh, lưu lượng khí vào xy lanh, áp suất nguồn khí, tải, vị trí ban đầu pít tơng đến tượng dính-trượt - Phát triển mơ hình tốn học hệ truyền động khí nén, ma sát xy lanh khí nén, xây dựng chương trình mơ phần mềm Matlab/simulink để mơ tượng dính-trượt - Viết báo cáo khoa học Lời cam đoan học viên Tôi: Nguyễn Ngọc Hải cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn PGS TS Trần Xuân Bộ Các kết nêu báo cáo luận văn trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày Người thực tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Xuân Bộ, giảng viên Khoa Cơ khí Động lực, trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, người thầy trực tiếp hướng dẫn hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy cô Khoa Cơ khí Động lực giảng dạy, khơi nguồn tri thức truyền cảm hứng cho năm học vừa qua Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè giúp đỡ ủng hộ tơi suốt q trình học tập làm luận văn TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Hệ thống truyền động khí nén ngày sử dụng rộng rãi môi trường công nghiệp sống với nhiều ưu điểm vượt trội so với hệ truyền đơng khác Hiện tượng dính-trượt (stick-slip) tượng phổ biến chuyển động khí nói chung xy lanh khí nén nói riêng Hiện tượng gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động xy lanh gây khó khăn việc điều khiển xác vị trí xy lanh vận tốc thấp Do đó, việc nghiên cứu tượng dính-trượt cần thiết để hiểu rõ điều khiển hệ thống tránh khỏi tượng này, cải thiện tính xác hệ thống Luận văn tiến hành thí nghiệm để ảnh hưởng yếu tố loại xy lanh khí nén, lưu lượng khí vào xy lanh, áp suất nguồn khí, tải đặt vào hệ thống vị trí ban đầu pít tơng đến tượng dính-trượt xây dựng mơ hình tốn học để mơ tả tượng Để làm điều đó, hệ thống séc vơ khí nén sử dụng xy lanh khí nén tác động kép hai van điều khiển tỷ lệ lưu lượng triển khai Các yếu tố: loại xy lanh khí nén, lưu lượng khí vào xy lanh, áp suất nguồn khí, tải vị trí ban đầu pít tơng thay đổi Đặc tính vị trí pít tơng, vận tốc pít tơng, áp suất khí hai khoang xy lanh lực ma sát đo đạc tính tốn Mơ hình tốn học hệ thống xây dựng dựa phương trình van, phương trình khí khoang xy lanh, phương trình lực tác động lên pít tơng phương trình lực ma sát Mơ thực với liệu giống với thí nghiệm Kết thí nghiệm đạt cho phép đánh giá ảnh hưởng yếu tố kể đến tượng dính-trượt giải thích nguyên nhân gây ảnh hưởng Với việc phát triển mơ hình ma sát, kết mô mô tả tượng dính-trượt xảy loại xy lanh khí nén Với kết đó, luận văn đóng góp vào việc hiểu biết thêm tượng dính-trượt xy lanh khí nén yếu tố ảnh hưởng đến tượng Mơ tượng dính-trượt góp phần vào việc phát triển mơ hình ma sát xy lanh khí nén, phục vụ cho việc mơ xác tượng dính-trượt thiết kế điều khiển tương lai Người thực ii MỤC LỤC ĐỀ TÀI LUẬN VĂN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG vii CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG Tổng quan hệ truyền động khí nén Ứng dụng hệ truyền động khí nén Ưu nhược điểm hệ truyền động khí nén 1.2 1.3 Tổng quan tượng dính-trượt 1.2.1 Giới thiệu chung ma sát 1.2.2 Hiện tượng dính-trượt 1.2.3 Hiện tượng dính-trượt xi lanh khí nén 13 Lý chọn đề tài, mục tiêu nội dung nghiên cứu 15 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HIỆN TƯỢNG DÍNHTRƯỢT TRONG XY LANH KHÍ NÉN 17 Hệ thống thí nghiệm 17 Phương pháp thí nghiệm 21 Kết thí nghiệm thảo luận 23 Đặc tính dính-trượt xy lanh khí nén 23 Ảnh hưởng lưu lượng khí đến tượng dính-trượt 29 Ảnh hưởng áp suất nguồn khí đến tượng dính-trượt 32 Ảnh hưởng tải đến tượng dính-trượt 35 Ảnh hưởng vị trí ban đầu pít tơng đến tượng dính trượt 36 Kết luận Chương 38 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG DÍNH-TRƯỢT TRONG CÁC XY LANH KHÍ NÉN 39 Xây dựng mô hình tốn học hệ thống 39 Phương trình lưu lượng van tỷ lệ điện-khí nén 39 iii Phương trình khí khoang xy lanh 44 Phương trình chuyển động pít tơng 46 Phương trình lực ma sát 46 Xây dựng chương trình mơ 56 Kết mô thảo luận 58 Kết luận Chương 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Đà CƠNG BỐ 69 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Dây chuyền hàn tự động (nguồn: weldcom.vn) Hình 1.2 Dây chuyền đóng gói hàng tự động (nguồn: packagingstrategies.com) Hình 1.3 Bàn tay robot khí nén BionicSoftArm [1] Hình 1.4 Tiếp xúc xảy bề mặt nhám hai vật thể [2] Hình 1.5 Đường cong Stribeck [2] Hình 1.6 Liên kết lý tưởng hai bề mặt ma sát tĩnh [2] Hình 1.7 Bề mặt nhám liên kết bị phá vỡ có lực tác dụng (hiệu ứng Dahl) [2] Hình 1.8 Thời điểm cắt đứt, trượt hoàn toàn bắt đầu [2] Hình Sự trượt hai bề mặt rắn bôi trơn theo đường biên [2] Hình 10 Chuyển động hút chất bơi trơn vào khu vực tiếp xúc [2] Hình 11 Bơi trơn hỗn hợp [2] Hình 12 Bơi trơn thủy động [2] Hình 1.13 Sơ đồ thí nghiệm biểu diễn tượng dính-trượt [2] Hình 1.14 Lực lị xo q trình dính-trượt [2] Hình 1.15 Ma sát tĩnh hàm thời gian dừng [2] Hình 1.16 Thực nghiệm mối quan hệ ma sát tĩnh thời gian dừng Kato [2] 10 Hình 1.17 Chu kỳ dính-trượt hàm vận tốc [2] 10 Hình 1.18 Sự trễ lực ma sát theo đường cong Stribeck [2] 11 Hình 1.19 Sự trễ lực ma sát thực tế [2] 11 Hình 1.20 Trễ ma sát chu kỳ bôi trơn hỗn hợp [2] 12 Hình 1.21 Sự trễ ma sát theo tần số dao động [2] 12 Hình 1.22 Hiện tượng dính trượt xi lanh khí nén [11] 14 Hình 2.1 Hình ảnh hệ thống thí nghiệm thực tế…………………………………17 Hình 2.2 Sơ đồ ngun lý hệ thống thí nghiệm 18 Hình 2.3 Hình ảnh, ký hiệu đường đặc tính van tỉ lệ khí nén VEF3121-1-02 18 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động van tỉ lệ VEF3121-1-02 19 Hình 2.5 Sơ đồ nhập, xuất, xử lý liệu thí nghiệm 23 Hình 2.6 Hiện tượng dính-trượt xy lanh 25 Hình 2.7 Hiện tượng dính-trượt xy lanh 27 Hình 2.8 Hiện tượng dính-trượt xy lanh 28 Hình 2.9 Ảnh hưởng lưu lượng khí đến tượng dính-trượt, hành trình 30 v Hình 2.10 Ảnh hưởng lưu lượng khí đến tượng dính-trượt, hành trình 31 Hình 2.11 Ảnh hưởng áp suất nguồn khí đến tượng dính-trượt, hành trình 33 Hình 2.12 Ảnh hưởng áp suất nguồn khí đến tượng dính-trượt,hành trình 34 Hình 2.13 Ảnh hưởng tải đến tượng dính-trượt với xy lanh 35 Hình 2.14 Ảnh hưởng vị trí ban đầu pít tơng đến tượng dính-trượt 37 Hình 3.1 Sơ đồ tính lưu lượng khối lượng chất khí từ bình tích khí…………….40 Hình 3.2 Quan hệ mk y mk max p 42 p0 Hình 3.3 So sánh kết thực nghiệm mơ tượng dính-trượt với ba mơ hình ma sát [16] 48 Hình 3.4 Mơ hình biến dạng sợi liên kết hai bề mặt tiếp xúc 49 Hình 3.5 So sánh kết thực nghiệm mơ (mơ hình MGL) xy lanh 51 Hình 3.6 So sánh kết thực nghiệm mơ (mơ hình MGL) xy lanh 52 Hình 3.7 So sánh kết thực nghiệm mô (mơ hình MGL) xy lanh 53 Hình 3.8 Cách xác định hệ số mơ hình ma sát 55 Hình 3.9 Xác định hệ số mơ hình ma sát ba loại xy lanh 55 Hình 3.10 Sơ đồ Simulink mơ hệ thống 56 Hình 3.11 Sơ đồ Simulink mô lực ma sát 57 Hình 3.12 So sánh kết thực nghiệm mơ (mơ hình mới) xy lanh 61 Hình 3.13 So sánh kết thực nghiệm mô (mô hình mới) xy lanh 62 Hình 3.14 So sánh kết thực nghiệm mơ (mơ hình mới) xy lanh 63 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thông số loại xy lanh dùng thí nghiệm 20 Bảng 2.2 Thông số thiết bị sử dụng hệ thống thí nghiệm 20 Bảng 3.1 Các thông số hệ thống sử dụng mô phỏng…………………57 Bảng 3.2 Các thông số xy lanh sử dụng mô 57 Bảng 3.3 Các thơng số mơ hình ma sát sử dụng mô 58 vii CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG Tổng quan hệ truyền động khí nén Ứng dụng hệ truyền động khí nén Ngày nay, hệ truyền động khí nén hệ truyền động thông dụng, sử dụng rộng rãi cơng nghiệp Một số ví dụ ứng dụng hệ thống truyền động khí nén: sử dụng ngành cơng nghiệp mà dễ gặp vấn đề nguy hiểm, hay xảy cháy nổ đồ giá kẹp chi tiết nhựa, chất dẻo; ngành khí cấp phơi gia cơng, hàn tự động (Hình 1.1); môi trường vệ sinh công nghệ sản xuất thiết bị điện tử Ngoài hệ truyền động khí nén sử dụng dây chuyền sản xuất thực phẩm như: rửa bao bì tự động, chiết nước vào chai, thiết bị vận chuyển kiểm tra băng tải, thang máy công nghiệp, thiết bị lị hơi, đóng gói bao bì (Hình 1.2), in ấn, phân loại sản phẩm nghiệp hóa chất, y học, sinh học Hình 1.1 Dây chuyền hàn tự động (nguồn: weldcom.vn) Hình 1.2 Dây chuyền đóng gói hàng tự động (nguồn: packagingstrategies.com) Hình 1.3 Bàn tay robot khí nén BionicSoftArm [1] Ngồi việc ứng dụng tự động hóa dây chuyền sản xuất, với phát triển lĩnh vực điều khiển xác hệ truyền động khí nén (servo pneumatic positioning system) hệ truyền động khí nén cịn sử dụng mạnh mẽ cơng nghiệp robot Một số ví dụ như: robot khí nén sử dụng cơng nghệ lắp ráp, hàn vỏ tơ, robot phẫu thuật, nơi địi hỏi u cầu xác cao mơi trường sạch; robot thay phận người, giúp đỡ hoạt động người khuyết tật Hình 1.3 bàn tay robot khí nén BionicSoftArm phát triển BionicMotionRobot Festo cho thấy bước phát triển truyền động khí nén tạo bàn tay robot chuyển động linh hoạt giống bàn tay người Ưu nhược điểm hệ truyền động khí nén Hệ truyền động khí nén sử dụng rộng rãi chúng có lợi sau đây: x x x x x x x x x Truyền động khí nén an tồn ngun liệu sử dụng khơng khí Chi phí tương đối thấp, yêu cầu bảo trì thấp Tạo chuyển động thẳng vận tốc lớn mà không yêu cầu hộp số khí Tỉ số trọng lượng lực tạo cao Hoạt động cường độ cao kéo dài mà khơng có rủi ro nhiệt độ cao, dải nhiệt độ làm việc rộng Hiệu suất học cao, tuổi thọ làm việc dài Chi phí vận hành thấp sử dụng lượng khí nén Có thể hoạt động mơi trường ẩm ướt, bụi bẩn, tính hóa học cao mà khơng có nguy cháy nổ Các thiết bị truyền động khí nén hoạt động điều kiện xạ, từ trường dao động học, nơi mà nhiều truyền động khác bị lỗi Tuy nhiên, ưu điểm trên, hệ truyền động khí nén có nhược điểm như: (3.33) v đó: V0 (N/m) - độ cứng sợi liên kết đàn hồi, g(v) (N) - hàm Stribeck định nghĩa sau: g v, h Fc  êơ1  h Fs  Fc ẳ e  v / vs n (3.34) đó: Fs (N)- lực ma sát tĩnh, Fc (N) - lực ma sát Coulomb, vs (m/s) - vận tốc Stribeck, n - số mũ ảnh hưởng đến độ dốc đường cong Stribeck, v (m/s) - vận tốc tương đối tiếp tuyến hai bề mặt tiếp xúc, h (m) - chiều dày màng bôi trơn không thứ nguyên cho bởi: dh dt Wh hss  h (3.35) 49 ­W hp ° ° ®W hn ° ° ¯W h Wh hss Kf v z 0, h d hss v z 0, h ! hss v (3.36) v d v v ! v (3.37) ­K v 23 ° f ® °¯ K f vb b b  Fc / Fs vb 2 (3.38) đó: hss - tham số độ dày màng bơi trơn trạng thái ổn định không thứ nguyên, Kf - số tỉ lệ thuận cho độ dày màng bôi trơn, vb (m/s) - vận tốc mà độ dày màng bôi trơn thay đổi, Whp, Whn Wh0 (s) - số thời gian cho giai đoạn tăng tốc, giảm tốc dừng tương ứng Lực ma sát tính bởi: Fr V z  V1 (3.39) dz  V 2v dt đó: V1 (Ns/m) - hệ số ma sát nhớt sợi liên kết đàn hồi V2 (Ns/m) - hệ số ma sát nhớt Ở trạng thái ổn định, lực ma sát xỏc nh bi: Frss Fc  êơ1  hss Fs  Fc º¼ e  v / vs n  V 2v (3.40) Mơ hình ma sát LuGre sửa đổi trình bày kiểm chứng tính hiệu Yunada Sekikawa [39] Tác giả chứng minh mơ hình LuGre sửa đổi mô gần tất hành vi động lực ma sát quan sát với độ xác cao Ngồi ra, mơ khơng chuyển động dínhtrượt kéo dài mà dập tắt hữu ích việc mơ phân tích dao động ma sát gây [39] Tác giả tin mơ hình đề xuất thể hành vi ma sát quan sát thấy nhiều loại bề mặt tiếp xúc áp dụng cho nhiều hệ học Áp dụng phương trình mơ hình ma sát LuGre sửa đổi phương trình mơ hình hóa hệ thống khí nén đề cập từ Phần 3.1.1 đến 3.1.3, học viên tiến hành mô chuyển động dính-trượt ba loại xy lanh khí nén thí nghiệm phần 3.1.1 Các kết mơ thể Hình 3.5 đến Hình 3.7 50 Hình 3.5 So sánh kết thực nghiệm mơ (mơ hình MGL) xy lanh (a) Vị trí dịch pít tơng, (b) Vận tốc pít tông, (c) Áp suất p1, p2, (d) Lực ma sát 51