Đề tài nghiên cứu khoa học Nghiên cứu động lực học xylanh thủy lực của xe nâng hàng bằng phần mềm matlab và automation studio

1 MỞ ĐẦU Tên đề tài: “Nghiên cứu động lực học xylanh thủy lực xe nâng hàng phần mềm Matlab Automation studio” Sự cần thiết việc nghiên cứu - Xe nâng hàng thuộc nhóm máy nâng phổ biến Việt Nam, máy thiếu công tác giới hóa xếp dỡ hàng nâng - Ở Việt Nam chủ yếu nhập máy nguyên từ nước mà chưa có đơn vị sản xuất thương phẩm - Môn học truyền động máy xây dựng trang bị cho sinh viên chuyên ngành máy xây dựng, nhằm giúp em tìm nắm vững hệ thống truyền động phổ biến loại máy Tuy nhiên việc trang bị kiến thức lý thuyết khó hiểu nằm bắt nội dung môn học Phần mềm Automation Studio phần mềm mạnh mô hệ thống truyền động, phần mềm cần thiết cho sinh viên - Ngoài Matlab-Simulink phần mềm mạnh cần thiết cho sinh viên theo học khối ngành kỹ thuật nói chung ngành MXD nói riêng Phần mềm giúp giải hiệu toán thường gặp kỹ thuật: Ma trận, dao động… với kết xác cao Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng, mô nguyên lý hoạt động mạch thủy lực theo mẫu máy nâng hàng có sẵn phần mềm Automation studio - Nghiên cứu động lực học xylanh Nội dung nghiên cứu 4.1 Tổng quan xe nâng hàng - Định nghĩa - Công dụng; phạm vi sử dụng - Phân loại - Tình hình sử dụng xe nâng hàng Việt Nam 4.2 Tìm hiểu phần mềm Matlab 4.3 Tìm hiểu phần mềm Automation studio 4.4 Ứng dụng phần mềm Automation studio xây dựng mô nguyên lý hoạt động mạch thủy lực 4.5 Ứng dụng phần mềm Matlab để giải toán động lực học xylanh Phương pháp nghiên cứu Phân tích, đánh giá khả ứng dụng phần mềm Automation studio để xây dựng, mô nguyên lý làm việc mạch thủy lực; khả ứng dụng phần mềm Matlab để giải toán động lực học xylanh Dự kiến kết đề tài - Xây dựng, mô nguyên lý hoạt động mạch thủy lực phần mềm Automation studio - Xây dựng giải sơ đồ toán xác định động lực học xylanh phần mềm Matlab Chương TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG HÀNG 1.1 Định nghĩa, công dụng, phạm vi sử dụng Xe nâng hàng tự hành dạng riêng máy nâng vận chuyển Nó dùng để nâng hạ, vận chuyển loại hàng kiện, hàng đóng gói, hàng hòm, container nhỏ cấu kiện bêtông có trọng lượng tương đối lớn Nó lắp thiết bị kẹp hàng để vận chuyển hàng ống dài Đôi nâng vận chuyển vật liệu rời phải đóng bao đựng thùng chứa, cự ly vận chuyển không xa (dưới 400 m) a) b) c) d) Hình 1.1 Phạm vi sử dụng xe nâng hàng a) Dùng nâng hàng kiện; b) Dùng nâng container c) Dùng nâng cấu kiện; d) Dùng vận chuyển vật liệu rời 1.2 Phân loại xe nâng hàng Xe nâng hàng thường phân loại theo nguồn động lực dẫn động Nguồn động lực sử dụng cho xe nâng là: ắc quy, động đốt hay động lực kết hợp Trong xây dựng thường sử dụng loại xe nâng tự hành có nguồn động lực động đốt trong, di chuyển có kết cấu ô tô kích thước nhỏ ô tô b) a) c) d) Hình 1.2 Các dạng xe nâng hàng a) Dùng động đốt trong; b) Dùng động điện c, d) Dẫn động tay Dạng công tác đặt xe nâng tự hành bàn nâng có gắn với hai nâng hình chữ L Với hai nâng này, mang loại hàng nào, cách đặt thêm đáy lên hai nâng chứa sẵn thùng chứa Với vật liệu rời dùng gầu xúc treo nâng 1.3 Đặc điểm cấu tạo xe nâng tự hành Đặc điểm máy là: Có tính động cao, có nhiều chức năng: nâng hạ, bốc xếp vận chuyển hàng hóa Trọng lượng hàng nâng lớn từ 3÷5 tấn, chiều cao nâng đạt 6m, tốc độ nâng hàng đạt 0,27 m/s; tốc độ di chuyển đạt 20 km/h Xe nâng hàng tự hành sử dụng phổ biến kho bãi Hình 1.3 Cấu tạo tổng thể xe nâng hàng 1-Khung nâng; 2-Xích kéo; 3-Tay điều khiển; 4-Bàn nâng 5- Càng nâng; 6-Bánh chủ động; 7-Xylanh nghiêng bàn nâng; - Bánh sau 9-Đối trọng; 11-Ghế ngồi; 12-Vôlăng; 13-Mái che Muốn lấy hàng ta hạ nâng (5) đến vị trí thấp nhất, điều khiển xylanh (7) nghiêng khung phía trước khoảng 3÷4 0,điều chỉnh vị trí máy cho đỉnh nâng vừa chạm đến đáy kiện hàng cho máy tiến phía trước, cho nâng ngập hoàn toàn vào đáy kiện hàng, sau nghiêng khung nâng sau khoảng 12÷150 Di chuyển hàng đến vị trí cần thiết, ta cần nâng nâng lên khoảng 0,5m di chuyển Đến vị trí xếp hàng, nâng hàng lên chiều cao cần thiết, di chuyển xe vào vị trí xếp hàng, nghiêng khung phía trước lùi máy, hàng xếp xong máy lùi vị trí ban đầu làm việc * Trình tự thao tác dỡ hàng xe nâng mô tả sau 1) 5) 2) 6) 3) 7) 4) 8) Hình 1.4 Thao tác dỡ hàng xe nâng - cho máy tiến đến gần kiện hàng, nghiêng khung phía sau - điều khiển cho lưỡi nâng nằm ngang, khung thẳng đứng - nâng nâng lên cao ngang với vị trí lấy hàng - tịnh tiến máy, đưa nâng vào vị trí kiện hàng - nâng hàng lên chiều cao cần thiết - nghiêng khung phía sau, nâng nghiêng theo để giữ hàng không bị trượt - lúi máy lại khoảng cách an toàn, hạ bớt chiều cao hàng - hạ hàng đến vị trí cần thiết, nâng thường cách mặt đất khoảng 0,5÷1m trình di chuyển hàng * Trình tự xếp hàng xe nâng sau 1) 5) 2) 6) 3) 7) 4) 8) Hình 1.5 Thao tác xếp hàng xe nâng - máy di chuyển mang hàng đến vị trí cần xếp hàng - nâng hàng lên đến chiều cao cần thiết để xếp - tịnh tiến máy đến cự lý cho phép - điều khiển đưa khung vị trí thẳng đứng - hạ hàng xuống xếp hàng vào vị trí - lùi máy đến vị trí cần thiết (càng nâng rút khỏi đáy kiện hàng) - nghiêng khung phía sau - hạ nâng xuống tới vị trí chiều cao di chuyển 1.4 Tình hình sử dụng xe nâng Việt Nam Các xe nâng hàng sử dụng Việt Nam hầu hết nhập từ nước ngoài: Đức, Nga, Hàn Quốc…, có nhiều dải sức nâng từ nhỏ, trung bình đến lớn lớn Hầu hết xe nâng hàng sử dụng xưởng chế tạo, sửa chữa, công trường xây dựng Xe nâng hàng Hyundai Xe nâng hàng đứng lái Xe nâng hàng loại nhỏ Xe nâng hàng tải trọng lớn Ở Việt Nam dừng việc vận hành, sửa chữa, bảo dưỡng kỹ thuật xe nâng hàng Chưa có đơn vị chế tạo thành phẩm xe nâng hàng Do việc nghiên cứu để tiến đến sản xuất chế tạo xe nâng hàng nước cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Chương PHẦN MỀM MATLAB-SIMULINK 2.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 2.1.1 Khái niệm Matlab (Matrix) công cụ phần mềm Math Work, ban đầu phát triển nhằm mục đích phục vụ chủ yếu cho việc mô tả nghiên cứu kỹ thuật toán học với phần tử ma trận Trong lĩnh vực kỹ thuật chuyên ngành điện điện tử, vật lý hạt nhân, điều khiển tự động, Robốt công nghiệp, xử lý toán chuyên dụng… thường liệu rời rạc lưu dạng ma trận Còn với liệu liên tục: âm thanh, hình ảnh, dòng điện, số, áp suất phải biến đổi thành tín số tập hợp lại file liệu Quá trình xử lý hàm toán học Matlab Ngày nay, Matlab phát triển sâu rộng ứng dụng với nhiều ngành kỹ thuật Do ngôn ngữ cầu trúc lệnh dễ hiểu, hàm sẵn có phong phú, giúp người dùng không nhiều thời gian lập trình lập trình đơn giản Không cần phải biết nhiều lập trình, cần biết lý thuyết số, toán ứng dụng, phương pháp tính lập trình thông dụng người dùng sử dụng Matlab công cụ hữu hiệu cho lĩnh vực ngành nghề Với Matlab, vấn đề cần giải phân tích xử lý theo bước sau: - Bước 1: Đặt vấn đề Bài toán đưa phải phân tích, biểu diễn cách rõ ràng cụ thể Đây bước đầu quan trọng, định hướng giải toán - Bước 2: Mô ta liệu vào/ra Việc mô tả thông tin cần giải đáp có liên quan trực tiếp đến tham số sử dụng tính toán, bước cần tiến hành cẩn trọng Trong nhiều trường hợp phải dựng sơ đồ khối - Bước 3: Tính toán tay với liệu đầu vào đơn giản Đây bước tiền đề để nhằm tìm kiếm giải pháp cụ thể, bạn không nên bỏ qua kể toán đơn giản - Bước 4: Chuyển toán sang giải Matlab Ở bước sử dụng hàm, câu lệnh, thuật toán để mô tả toán - Bước 5: Kiểm tra Đây bước cuối tiến trình giải toán Bài toán kiểm tra liệu đầu vào Matlab thực toán cho kết đầu Trong trường hợp kết giải sai cần kiểm tra lại Matlab ngày trở lên thông dụng công cụ trợ giúp hữu ích cho nhà chuyên môn, sinh viên học trường kỹ thuật, kỹ sư, cán kỹ thuật… nhằm giải vấn đề gặp phải lĩnh vực hoạt động 10 2.1.2 Giao diện phần mềm Hình 2.1 Giao diện Matlab Cửa sổ thư mục Current Directory Browser (1): giúp người sử dụng nhanh chóng nhận biết, chuyển đổi thư mục môi trường công tác, mở file, tạo thư mục Cửa sổ Command Windows (2): Đây cửa sổ Matlab Tại ta thực toàn công việc nhập liệu xuất kết tính toán dấu nhấp nháy >> báo hiệu chương trình sẵn sàng hoạt động Cửa sổ Command history (3): Lưu trữ tất lệnh thực cửa sổ Comman Windows(2) lặp lại lệnh cũ cách nháy kép chuột vào lệnh Cũng cắt, xoá nhóm lệnh lệnh riêng rẽ Cửa sổ Workspace browser (4): Tất biến, hàm tồn môi trường công tác cửa sổ Cửa sổ Editor : soạn thảo chương trình Ngoài có Cửa sổ trợ giúp Help phong phú giúp người sử dụng trình tính toán Bằng câu lệnh Help [command]↵ Bảng 2.1 Các phím chức đặc biệt (chuyên dùng) 35 Hình 3.18 Lựa chọn thông số quan tâm Phần mầu Automation Studio cho phép mô vẽ đồ thị đặc trưng phần tử mạch mà ta quan tâm Ví dụ hình 3.17 ta qua tâm đến thay đổi áp suất dầu theo thời gian hai bên píttông đồ ta chọn vào phần tương ứng Rod side pressure Piston side Pressure Hình 3.19 Lựa chọn hiểu thị cho đồ thị 36 Hình 3.20 Đồ thị áp suất van phân phối vị trí bên phải Hình 3.21 Đồ thị áp suất van phân phối vị trí bên trái Không cho dạng đồ mà phầm mềm cho cho phép xuất liệu qua định dạng file.txt để dùng cho phần mềm khác 37 Hình 3.22 Định dạng liệu xuất Notepad 3.2.5 Mô nguyên lý hoạt động phần tử Một ưu điểm lớn phần mềm cho phép xem mô trình làm việc phần tử mạch thủy lực, phần trực quan giúp cho người học nắm vững không cấu tạo mà hiểu nguyên lý làm việc phần tử Hình 3.23 Mô làm việc xylanh thủy lực 38 Hình 3.24 Mô nguyên lý hoạt động van an toàn Hình 3.25 Mô nguyên lý hoạt động bơm Hình 3.26 Mô nguyên lý hoạt động thùng dầu thủy lực Ngoài mô mạch thủy lực Automation Studio cho phép mô mạch điện, kết hợp mô điện điều khiển thủy lực 39 Hình 3.27 Mô mạch điện điều khiển động pha Hình 3.28 Mạch điện điều khiển thủy lực Chương ỨNG DỤNG PHẦN MỀM AUTOMATION VÀ MATLAB ĐỂ MÔ PHỎNG NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XYLANH 4.1 Xây dựng phương trình vi phân 40 Hệ phương trình động lực học pittông viết dạng hai phương trình: Phương trình lực phương trình lưu lượng Xét trường hợp xylanh nâng hạ hàng, điều kiện khởi động nâng hàng lên Fc x p D Hình 4.1 Sơ đồ mạch sơ đồ xylanh thủy lực a Phương trình lực dv p.S pt = Fc + m dt (4.1) Ở bỏ qua hệ số cản k b Phương trình lưu lượng V dp Q = S pt v + p + Rh E dt (4.2) Trong đó: Rh – Hệ số tính đến tổn thất lưu lượng E – Mô đun đàn hồi chất lỏng m – Khối lượng qui kết pittông v – Vận tốc pittông V – Thể tích làm việc chất lỏng công tác p – Áp suất dầu công tác mạch thủy lực 41 Spt – Diện tích pittông Fc – Trọng lượng vật nâng dp = p& & dt v = x Với , Từ biểu thức (4.1) suy ra: & x&= ( p.S pt − Fc ) m (*) Từ biểu thức (4.2) suy p&= E (Q − S pt x&− p) V Rh (**) 4.2 Giải phương trình vi phân phân mềm SIMULINK Bằng phần mềm SIMULINK xây dựng sơ đồ toán sau: Hình 4.2 Mô hình tính SIMULINK Áp dụng chương trình chạy với thông số cụ thể đầu Trong thông số diện tích píttông Spt, lực Fc, khối lượng quy dẫn m, mô đuyn đàn hồi E, thể tích làm việc V, lưu lượng Q không đổi, có tổn thất R h thay đổi Vì ta tiến hành chạy chương trình cho thay đổi hệ số tổn thất lưu lượng Rh Áp suất dầu xy lanh thay đổi ảnh hưởng đến lực tác dụng lên đỉnh píttông theo công thức: Td = p.S pt Trong đó: η (4.3) 42 Td - Lực đẩy píttông (N) P - Áp suất dầu công tác, (N/m2) Spt - Diện tích píttông (m2) η - Hiệu suất khí xy lanh thủy lực Chạy mô hình tính với thông số sau: Q = 0,004 m3/s E = 1,77.109 N/m2 V = 0,1099 m3 Spt = 0,0314 m3 m = 7000 kg a Xét đến trường hợp Rh = 2.109 Ns/m5 Hình 4.3 Sự thay đổi gia tốc cán píttông theo thời gian Hình 4.4 Sự thay đổi vận tốc cán píttông theo thời gian 43 Hình 4.5 Sự thay đổi chuyển vị cán píttông theo thời gian Hình 4.6 Sự thay đổi lực đẩy cán píttông theo thời gian Hình 4.7 Sự thay đổi áp lực dầu theo thời gian b Xét đến trường hợp Rh = 5.109 Ns/m5 44 Hình 4.8 Sự thay đổi gia tốc cán píttông theo thời gian Hình 4.9 Sự thay đổi vận tốc cán píttông theo thời gian Hình 4.10 Sự thay đổi chuyển vị cán píttông theo thời gian 45 Hình 4.11 Sự thay đổi lực đẩy cán píttông theo thời gian Hình 4.12 Sự thay đổi áp lực dầu theo thời gian 4.3 Mô hoạt động mạch thủy lực phần mềm Automation 5.0 46 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch thủy lực 47 Hình 4.14 Mạch thủy lực chưa làm việc Hình 4.15 Hoạt động xylanh nâng hạ 48 Hình 4.16 Hoạt động xylanh nghiêng trụ nâng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Đề tài tìm hiểu tổng quan xe nâng hàng sử dụng Việt Nam - Tìm hiểu hai phần mềm cần thiết sinh viên chuyên ngành máy xây dựng: Matlab-Simulink Automation Studio 49 - Áp dụng phần mềm Automation Studio để mô nguyên lý làm việc mạch thủy lực điều khiển điện xe nâng hàng - Áp dụng phần mềm Sumulink để xây dựng sơ đồ tính động lực học xylanh thủy lực Kiến nghị - Đề tài xây dựng mạch thủy lực đơn giản, mô gần với mạch thực tế xe nâng, mạch thực phức tạp - Đề tài nghiên cứu động lực học phần tử riêng lẻ mạch thủy lực, chưa nghiên cứu động lực học toàn mạch thủy lực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Hợp, Phạm Thị Nghĩa, Lê Thiện Thành (2000), Máy trục vận chuyển, Nhà xuất Giao thông Vận tải [2] Phạm Thị Ngọc Yên, Ngô Hữu Tình, Lê Tấn Hùng, Nguyễn Thị Lan Hương (2005), Cơ sở Matlab ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [3] Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Chu Tạo Đoan (2011), Cơ lý thuyết, Nhà xuất Giao thông Vận tải [5] Vũ Thanh Bình, Nguyễn Đăng Điệm (1999), Truyền động máy xây dựng xếp dỡ, Nhà xuất Giao thông Vận tải [6] Automation Studio Tutorial ... dựng, mô nguyên lý hoạt động mạch thủy lực phần mềm Automation studio - Xây dựng giải sơ đồ toán xác định động lực học xylanh phần mềm Matlab Chương TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG HÀNG 1.1 Định nghĩa, công... trường xây dựng Xe nâng hàng Hyundai Xe nâng hàng đứng lái Xe nâng hàng loại nhỏ Xe nâng hàng tải trọng lớn Ở Việt Nam dừng việc vận hành, sửa chữa, bảo dưỡng kỹ thuật xe nâng hàng Chưa có đơn... phẩm xe nâng hàng Do việc nghiên cứu để tiến đến sản xuất chế tạo xe nâng hàng nước cần thiết có ý nghĩa thực tiễn Chương PHẦN MỀM MATLAB- SIMULINK 2.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 2.1.1 Khái niệm Matlab