Nghiên ứu đặc tính của hệ thống thuỷ lực afh

Thật vậy, nguyên lý chủ yếu của thuỷ lực lừ sử dụng dòng chảy để truyền năng lượng thuỷ lực là nước.. Nhưng khi sử dụng dầu khoáng, người ta gọi đó là "oléo-thuỷ lực" nhưng từ này chỉ đư

LỜI CAM ĐOAN

T ác giả luận ăn v

2.2.1 Mô t ả hoạt động 38

Danh mục các ký hiệu và viết tắt

Hình 2.15 Đặc t môính men thuỷ lực êtr n một pha 70

MỞ ĐẦUTrong lĩnh vực khoa học kỹ thuật (KHKT) việc nghiên cứu và đưa ra những phương pháp mới có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp

góp phần vào sự phát triển và tiến bộ xã hội Với sự ra đời của ngành thuỷ lực

và đặc biệt là việc truyền năng lượng thuỷ lực đã tạo ra cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật thực sự Cho đến nay năng lượng thuỷ lực đã có một vị trí hết sức quan trọng trong hầu hết tất cả các ngành công nghiệp, nông nghiệp, môi

ra một hướng nhìn ới ề ệ thống thu m v h ỷ lực đòi hỏi ải có ph những ương ph

Phương pháp truyền ăng lượng ằng ệ thống lực nhiều pha

dẫn, tạo ọi đ ều kiện thuận ợi nhất để i c thể thực hiện đề ài ày m i l tô ó t n

Người thực hiện

Nhã Tường Linh

CHƯƠNG 1 THUỶ LỰC CÔNG NGHIỆP 1.1 Lịch sử hình thành

nghĩa là nước và ống Thật vậy, nguyên lý chủ yếu của thuỷ lực lừ sử dụng

nói về vấn đề truyền năng lượng và áp suất trong các lưu chất ở trạng thái tĩnh Tuy nhiên trong thuỷ lực người ta phải tính đến hiện tượng của các dòng chảy trong một hệ thống thiết bị, vì vậy để đơn giản hoá trong vấn đề

chảy

Nhìn lại lịch sử các đây 5000 năm, Người Trung quốc và người Ai Cập

đã biết sử dụng cơ cấu thuỷ lực để làm các bánh xe nước Như vậy hệ thống dẫn nước từ xa xưa cơ thể xem là những ứng dụng đầu tiên của thuỷ lực

Vào thể kỷ thứ III trước công nguyên, Archimède đưa phát minh ra bơm nước đầu tiên, đó là bơm vít Archimède

Mãi cho đến thế kỷ thứ XV mới có các bản vẽ về máy thuỷ lực của Léonard de Vinci và sau đó phải đợi đến thế kỷ XVII mới có những nghiên

Ngày nay Pascal được coi là cha đẻ của nghành thuỷ lực vì ông đã tìm ra định luật căn bản của thuỷ lực là "Nguyên lý Pascal"

nguyên lý khác , nhất là định luật về ma sát của chất lỏng trong chuyển động

Vào khoảng giữa thế kỷ XVIII, Bernouilli và Euler đã đặt những nền móng căn bản toán học cho các nghành khoa học mới : là Cơ học chất lỏng và thuỷ lực.

Việc nghiên cứu căn bản vẫn được tiếp tục, tuy nhiên phải đợi đến năm

1795 người ta mới nhận thấy được những ứng dụng của nguyên lý Pascal nhờ

tên là Bramal

Vào khoảng năm 1850, Armstrong đã chế tạo thành công một cần cẩu thuỷ lực, ngoài ra còn chế tạo ra bộ tích năng thuỷ lực

Cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX, cùng với những bước tiến nhảy vọt

đời và được ứng dụng rộng rãi trên các máy ép, tời

1910 : Chế tạo thành công loại bơm quay đầu tiên

1920 : Xuất hiện những máy công cụ đầu tiên có bộ điều khiển bằng thuỷ lực

Những lý thuyết căn bản mới nhất được tìm ra là những nguyên lý

Ngay sau khi kết thúc chiến tranh thế giới thứ hai, nền công nghiệp hoá

sử dụng các máy móc thuỷ lực có một vị trí rất quan trọng Vào thế kỷ XX, việc sử dụng các máy thuỷ lực đã trở nên rất thông dụng (máy rèn , máy ép, luyện gang ), máy công cụ, máy tự động và trong lĩnh vực hàng không,

Vào năm 1972, kỹ thuật thuỷ lực tỷ lệ xuất hiện Nó cho phép kết hợp

dễ dàng giữa phần điều khiển điện tử và các cơ cấu chấp hành của hệ thống thuỷ lực (xilanh, động cơ) Kỹ thuật thuỷ lực cho đến nay vẫn được sử dụng rộng rãi là vì chúng có công suất lớn, đồng thời lại bảo đảm được độ chính xác khi thực hiện công việc, không những thế việc điều khiển lại nhẹ nhàng

mà kết quả đạt được nhờ những máy có kỹ thuật tự động hoá cao lại rất hiệu quả

Ngày nay người ta cũng không sử dụng loại dầu khoáng nguyên chất

tổng hợp để phục vụ cho các ứng dụng đặc biệt

1.2 Hệ thống thuỷ lực truyền thống

Hình 1.1: Sơ đồ chuyển đổi năng lượng i - C - Đ ện ơ Thuỷ í kh

trong đường ống ới t c c c ác ơ ấu chấp ành, sau đó d s h ầu ẽ được ồi h v trở ề

1.2.1 Hệ thống thuỷ lực hở

thuỷ lực Trong mạch hở, dòng chất lỏng là dầu thuỷ lực chỉ đi theo một chiều nhất định: Dầu được bơm hút từ bể chứa lên đường ống đẩy qua các van phân

được hồi về bể qua đường ống hồi Lượng dầu rò rỉ thường được dẫn về bể

d ưới đây:

n b ổi ậtsau:

tăng l n ê

+ Tháo lắp và bảo dưỡng thiết b d dị ễ àng h n ơ

?

1.2.2 Hệ thống thuỷ lực kín

Hình 1.2: Hệ thống thuỷ lực mạch h ở

Trong tất c c h ả ác ệ thống thuỷ ực ín ần phải l ê l k c ắp th m hệ thống bù

(1.3)

1.2.3 Ưu nhược điểm của hệ thống thuỷ lực

 Ưu điểm

Hình 1.3: Hệ thống thuỷ lực kín

• S dử ụng nh ẹ nhàng: Sự đa dạng ủa ác thiết ị thuỷ ực cho c c b l

như ý muốn

buộc

• Giá thành: Phần ớn c l ác thiết ị phải b có k độ ín khít cao, đ ều àyi n

gia công phải rất cao (cỡ vài micron) Điều này giải thích giá thành các thiết

bị thuỷ lực cao Ngay cả bể dầu cũng có chi phí cao

tăng th m r ỉê ò r và k èm theo l việc ổn thất áp suấtà t và giảm ận ốc v t

1.3 Sự phát triển của hệ thống thuỷ lực truyền thống

Hình 1.4: Hệ thống trợ lực tay lái ùng van tỷ ệ d l

V s êới ơ đồ tr n ta nhận thấy ằng việc ử ụng ệ thống thuỷ ực r s d h l là r ất

t ín hiệu đầu ào v là c n i kác út đ ều hiển, các ảm biến ị tr đ ện ừ, còn ác ín c v í i t c t

Hình 1.5 Mô h m ình ạch thuỷ kh cho máy ập ự động í d t

0.00 daN 0.00 daN

khiển servo đ ện thuỷ ựci - l là c ấp độ i đ ềukhiển cao nhất và hiện đạinh hiất ện

Để đáp ứng được những những yêu cầu êtr n cần ph đưa ra một ý ải

1.4 Hệ thống thuỷ lực AFH

1.4.1 Các nghiên cứu trước đây về AFH

K ỹ thuật thuỷ ực AFH đã được ột ố ác giả giới thiệu l m s t và đưa ra một

m s v ột ố ấn đề sau:

+ Nghi n về ự đồng ộ chuyển động ủa hai máy ằng việc ử ụng

c t

Trên đây c c tác giả đã đề ập nhiều phương pháp như: phương pháp á c

C v òn đối ới chiến ược đ ều khiển, đ ều khiển tr tuệ nh n tạo, l thuyết l i i í â ý

Khi hệ thống hoạt động ới ần ố thấp, bước óng ủa óng áp suất ủa

ê t lý i v h n là r t

Hình 1.6: Cấu trúc c b c H ơ ản ủaAF

nhau hoạt động trong một chu kỳ quay Tức là có tthể ạo ra hai đĩa nghi ng ê

nhiều hơn thế

1.5 Cấu trúc của hệ thống AFH

(1.7)

Trong hệ thống AFH, máy phát òng ao động được ùng để ạo ra dao

nghiệm đơn giản Trong tất cả các phương pháp, có một phương pháp là sử

Hình 1.7: Hệ thống truyền động AFH đơn giản

Cũng có s dthể ử ụng các lo bại ơm khả ăcó n ng thay lưu lượng như ơđổi b m

v l câụ àm n bằng ác pha ở ị tr nghỉ c v í

thể hiện những đặc tính điển hình của bơm Ưu điểm của một hệ thống được

l tâ ệch m của rôto v stato, khi r to quay sẽ ạo ra sự ến thi n về thể à ô t bi ê

t ích trong c xilanh C đối ới ột ố loại ơm kh để ạo ra sự ến ác òn v m s b ác t bi thi ê n về ưu lượng c b l ủa ơ m cần ết ải ử ụng thi ph s d các van m chi ột ều

B ơ m piston đơn kh ng c ô ó quá trình tách dòng ho để ạt động ống gi nh ư máy phát dao động Sự khác nhau chính ủa ơm piston đơ với áy c b n m phát dao động thu lực là s lượng các ỷ ố xilanh - piston trong m áy phát

lu ô à b s c các n l ội ố ủa pha trong bộ truy ền AF H.

ê sóng á t t t b

Bi n dạng p suất ạo ra với ải trọng ừ ộ truyền AFH sẽ

g v biê ần ới n dạng ình sin (cho h phép sai số động ọc) v h à biên l độ ớn

nh c l ất ủa ư u lượng ẽ ị ụ thuộc s b ph vào áp suất Đặc ính t này được thể

hi ê ện tr n hình (1.8)

AFH Hình (1.9) thể hiện cấu trúc của pha đơn này Biên độ thay đổi được tạo

ra nhờ cơ cấu lệch tâm kép (1) Cần nối giữa cơ cấu tay quay là cần piston (2)

t s ần ố thấp để tr ánh được ện ượng ộng ưởng hi t c h trong hệ thống khi tần

s ố quay tr ùng v t s gi h c ới ần ố ới ạn ủa đường ống

Hình 1.8: Đặc t lưu lượng- ính áp suất ủa áy phát c m

M ph dao áy át động

Biến t m chi đổi ừ ột ều sang dao động

1.5 2 Bộ truyền T

hoặc bằng piston và có thể tiến hành dễ dàng bằng thực nghiệm Xét đến tuổi thọ và sự thay đổi thể tích thì bộ truyền sử dụng piston phù hợp với hệ thống

AF tần số thấp

Thiết ị ủa ộ truyền T trong hệ thống bao gồm hai phần: Phần n

Hình 1.9: Kết c m ấu áy ph dao át động một pha

b

Nguyên nhân gây ra sự lệch tâm chính là sự thay đổi vị trí cân bằng của

sẽ làm cho piston dịch chuyển xa nhất, đây là nguyên nhân làm sụt giảm công

Nếu gọi lưu lượng của phần thứ nhất và phần thứ hai lần lượt là q1(t) và

t XA

t q

t XA

t q

ω ω

ω ω

cos )

(

cos )

(

2 2

1 1

2

02 1

1

) cos(

) (

) cos(

) (

P t

P t p

P t

P t p

+ +

=

+ +

=

θ ω

θ ω

Hình 1.10: K c b ết ấu ộ truyền dao động thuỷ ực l

Ở đó P01 và P02 là áp suất ban đầu trong hai phần iston tương ứn p g P

1 1 01

dao động

xung vào buồng thứ nhất của mạch Có một dòng chất lỏng thông thường đi

từ bình chứa tới buồng thứ nhất, nó duy trì áp suất cho buồng này

trực tiếp với mục đích để bù lại tổn hao áp suất Vì có sự lệch tâm của bộ truyền piston Sự lệch tâm này là do sự khác nhau giữa thể tích dầu thay đổi

buồng thứ hai trong khi buồng thứ nhất có một sự cung cấp của dòng, phụ thuộc vào phạm vi áp suất nhỏ nhất cho phép Sự sắp xếp này sẽ làm hướng

trị nào đó và kết nối cửa A2 tới buồng thứ hai thì dòng chất lỏng từ C2 sẽ sang buồng thứ hai Sự thay đổi vị trí trung gian của bộ truyền piston hướng về

tổng của áp suất khí quyển ở bình chứa và áp suất do tải trọng

cầu cơ bản để duy trì được các hoạt động

1.5.3 Bình tích năng thuỷ lực

t l ính àm việc ủa chúng, sự ảnh ưởng ủa ác ếu tố như ần ố àm àm c h c c y t s l l

CHƯƠNG 2 ĐẶC TÍNH CỦA HỆ TH ỐNG AFH 2.1 Hướng nghi n cứu lý thuyết ê

t

t n cài ày ũng đề ập đến c

2.2 Mạch AFH một pha đơn.

2.2.1 Mô tả hoạt động

nhất Nó bao gồm:

phải g v t ắn ới ảitrọng đầu ra

1 2 3 4 5

ω

2.2.2.Truyền áp suất và vận tốc

Vận tốc của âm thanh trong đoạn ống được viết bằng công thức:

0

ρ

α = K (2.1) Trong đó: K : độ nén của dầu trong đoạn ống

áp suất và u là giá trị trung bình của vận tốc trên mặt cắt ngang của đoạn ống

Hình 2.1 Sơ đồ AFH một pha

Biến đổi Laplace của các tỷ số ∆ p / K và u / α ta được áp suất P và vận

2 G UPU

12 11 G G

G G

α β β

α β

/ sinh(

) / 1 (

) / sinh(

) / cosh(

21 12

22 11

L s G

L s G

L s G

2 / 1 0 1

sa z

z zJ z J

Biểu diễn ma trận chuyển tiếp được tính toán với giả thiết sự tác động

như sau:

) / 1 (

) / sinh(

) / cosh(

21 12

22 11

α β β

α β β

α β

L s G

L s G

L s G

G

p p

p

p p

p p

p

(2.6)

βp = 1 + ( 8 ν / sa 2 ) (2.7)

trong đường ống có thể dựa vào các thông số tập trung gần đúng Chúng ta

i

tại trung điểm của đoạn ống, chúng ta có:

1 2. ( 8 ) U

a

s K

L P

=

=

α

α α

α

sL G

z

sL z

sL G

z

sL G

G

l l

l l

21

2 2

2 2

12

2

2 12

11

8 1 4

1 8 1

8 1 2

1 1

(2.11)

Mục đích của các thông số tập trung gần đúng là đem lại sự đơn giản

t ính dao động lý thuyết ủa ác phần ử trong ma trận {G} c c t được thể hiện

v t s ới ần ốthấp ơn tần ố ủa ống h s c

2.2.3 Truyền năng lượng và công suất

1

* 2

j

t j t

j

e A P e A P

e A U e A U

ω ω

ω ω

,

.

,

.

22

* 2 21

* 1

12

* 2 11

/ ), Re(

/

) Re(

/ ), Re(

/

* 2 2

* 1 1

* 2 2

* 1 1

P K

p P K

p

U u

* 1

* 22

* 21

* 12

* 11

* 2

*

U

P G G

G G U

P

(2.14)

Trong quá trình truyền công suất thì hiệu suất của quá trình truyền được tính theo công thức sau:

dt u p

dt u p

Từ phương trình (2.12) và (2.15) ta có:

Re(Re( .. ))

11 21

12 22 A A

A A

=

chất tải trọng ở đầu ra của đoạn ống, được thể hiện bằng công thức sau:

P = 2 G U 2 (2.17) Thông thường G là hàm của s Khi ta thay thế jω trong s vào G ta được

tính tổng quát của phương pháp

Từ phương trình (2.14) và (2.18) ta có:

* 21

*

* 11

*

* 2

* 1

* 21

*

* 11

* 2

* 1

* 11

* 21

*

* 22

*

* 12

* 1

1

U G G G

G P

U G G G U

U G G G

G G G P

*

* 11

* 12

* 11

*

* 21

*

* 11

* 21

*

* 11

*

Re

1 Re

G G G

G G G

G G G G G G

G

Hiệu suất biến thiên với điều kiện biên tại đầu ra của đoạn ống Ví dụ

Vì tải trọng trong trường hợp này giống với trở kháng của các thông số phân tán tuyến tính trong mạch điện Nên ta có thể coi việc nghiên cứu đặc

tính trở kháng được tính như sau: Giả thiết chiều dài đường ống là vô cùng, ta có:

* 2

* 2

* 1

*

1 / U P / U P

Từ phương trình (2.14) và (2.21) ta có:

21

* 12 2

* 2

* 21

* 12

* 11

* 1

* 2

{2Re( / )} exp{2 ( / )}

dt

dx c dt

x d m p

u dt

A

kA u A

A c dt

du A

mA

f p

∫

+ +

=

1 2 2 1

2 2 1

A

2 1

2.3 Kết cấu hệ thống AFH ba pha.

Một trong các phương pháp tạo ra sự đồng dạng cho dòng chảy và áp suất của AFH là sử dụng mạch thuỷ lực ba pha AFH Đây là sự kết hợp của

ba pha AFH đơn đã được nghiên cứu ở phần trên

Hình 2.2 C ấutrúc ộ truyền AFH ba pha b

V s h ới ơ đồ ình (2.2), th ác đ ạn ống được ố định tr n hai bệ đỡì c o c ê và

2.3.1 Nguyên lý

2.3.2 Tính toán đặc tính tĩnh của hệ thống

γ γ

i ) 1

( i

) (

i ) ' (

sin ).

' (

sin ' = −

=

R R

R OB

OA

OB OA AB

x

(2.30)

ϕ γ ω

dx dt

dx

ϕ γ ω

π r 2 R sin sin

N ếu hai piston có r1=r2 ì th hai piston này ẽ chuyển động ùng ốc độ, s c t

t là: ức

v1 = v2 => ω1=ω2

piston bị động là:

ϕ γ ω

dx dt

dx

ϕ γ ω π

ϕ

2 1

2 1 2

+ Nếu r1< r2 => ω2 < ω1

+ Nếu r1> r2 => ω2 > ω1

bên phải Gọi F l ực ác ụng n đĩa nghi ng th ng qua p ton c à l t d lê ê ô is ủa ỗi m pha

= Q N P

Q = P.sinγ

Hình 2.5 Sơ đồ t môính men của pha AFH

t dác ụng n đĩa lê nghi ngê

V b ới ộ truyền ba pha, m men được truyền li n tục ằng ba piston tr n ô ê b ê

2 2 1

2.4 Khả năng kết hợp giữa AFH với hệ thuỷ lực truyền thống

2.4.1 Bộ truyền AFH trong chuyển động tịnh tiến

65

Hình 2.6 Sơ đồ mạch kết hợp giữa AFH với m ạchtruyền thống

5 Thiết b ịđ độ d o ịchchuyển

ba pha AFH đơn đã được nghiên cứu ở phần trên

đĩa tròn lệch tâm Ba piston đầu vào được sắp xếp vòng quanh đĩa cách nhau

so với trường hợp sử dụng một pha đơn

thể t l ích àm việc trong pha đó ng lê tă n, áp ất su trong buồng àm việc ày nhỏ l n

c i ơ chế đ ều chỉnh và i đ ềukhiển

Lưu lượng ổng đi qua ba đ ạn ống trong một thời gian trung bình được t o

ω

π ω

ωω

π

/ 6

2 / sin

2

0 10

1 x t dt A x A

0 p h p l

p = +

Khi dòng chất lỏng qua van một chiều, dù là nhỏ, tổn thất áp suất vẫn

độ của sóng áp suất tại điểm cuối của đoạn ống lớn hơn độ chênh áp suất giữa hai bình tích áp bằng hai lần áp suất tổn thất qua van một chiều

Công suất đầu ra của hệ AFH ba pha được tạo ra bởi sự chênh áp giữa các bình tích năng và dòng đến tải trọng Công suất đầu vào được tính bằng

Tại đầu ra của đoạn ống chất lỏng đi vào bình tích cao áp đến van một

Nếu sự đáp ứng của van một chiều đủ nhanh thì áp suất sẽ không tăng

trong hình (2.8)

Trong trường hợp áp suất tại đầu ra không có dạng hình sin Khai triển Fourier của sóng áp suất từ sóng điều hoà cơ bản, ta được:

p

ch l

ω

π

/ 2 )/2

đưa ra những tính toán tương đối tốt đối với hiệu suất Sự dao động của áp

tương tự cho trường hợp trên

(2.20) ta được kết quả là tỷ số công suất tại đầu ra và đầu vào của đoạn ống Hiệu suất của mạch ba pha là kết quả của giá trị này và tổn thất qua van một chiều;

(ph – pl)/ph – pl+ 2∆pch)

−

=

* 21

*

* 11

* 12

* 11

*

* 21

*

* 11

* 21

*

* 11

*

Re

1 Re

2

G G G

G G G

G G G G G G G

p p

p

p p

ch l

h

l h

Việc ính toán hiệu suất phải ựa tr n các th ng số ập trung gần đúng

su thất ấp

0 20 40 60 80 100