Băng thử thủy lực FROUDE có tại Trung tâm nghiên cứu ứng dụng năng lượng thay thế - Đại học Đà Nẵng, được sử dụng trong đề tài là thiết bị đo công suất động cơ đã được cải tiến lại bằng
Trang 11 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO BĂNG THỬ THỦY LỰC FROUDE
1.1 Nguyên lý phanh Prony.
Hình 1.1 Nguyên lý phanh Prony.
Cấu tạo phanh gồm một bánh công tác gắn với trục động cơ, quay bên trong đai phanh, cơ cấu đai phanh có một điểm đầu đặt lực có chiều dài cánh tay đòn r xác định như hình vẽ 1.1 Khi bánh công tác quay, mômen tác dụng lên bánh công tác là Mx
Năng lượng bị mất đi trên bánh công tác:
Trong đó: N - Tốc độ quay của bánh công tác
Mx- Mô men xoắn tác dụng lên bánh công tác
Khi đo mômen xoắn nhờ cơ cấu phanh hãm, công suất đo được cấp cho bánh công tác Do tác dụng tương hỗ giữa bánh công tác và dây đai phanh, mômen phản lực Mx phát sinh trên đai phanh và chiều dài cánh tay đòn r đã biết Theo trị số cân bằng lực và trị số của tay đòn ta tính ra mômen xoắn của động cơ:
Trong đó: F - Lực tác dụng lên bàn cân
r - Chiều dài cánh tay đòn
Trang 21.2 Cấu tạo băng thử thủy lực FROUDE
Thay vì để hãm phanh bằng cơ cấu dây đai, dựa trên nguyên lý đó William Froude đã phát minh ra phanh bằng thủy lực năm 1877 [14] Cấu tạo băng thử thủy lực như hình 3.15, gồm trục nối với trục quay của động cơ cần đo, một đồng hồ đo khối lượng, một đồng hồ đo tốc độ trục quay, một đồng hồ đo áp lực nước và bộ giảm chấn, đầu nước vào và nước ra, tay điều khiển lực phanh Sự thay đổi lực phanh (Tải đặt vào động cơ) này phụ thuộc vào việc điều chỉnh hướng dòng chất lỏng từ cánh stato tương tác vào cánh rôto
Băng thử thủy lực FROUDE dùng để đo công suất động cơ có công suất đo từ
0 ÷ 200 mã lực
Hình 1.2 Cấu tạo băng thử thủy lực FROUDE.
1.Ống nước ra; 2.Ống nước vào; 3.Van chỉnh lượng nước vào; 4,11.Mặt bích nối trục các đăng; 5.Ổ đỡ trục; 6.Van điều chỉnh áp lực nước; 7.Đồng hồ đo khối lượng; 8.Cánh rôto; 9.Cánh stato (Điều chỉnh tải); 10.Đối trọng; 12.Chân đế.
Sự tiêu hao công suất trong
phanh thủy lực xảy ra một phần
để vận chuyển chất lỏng chứa
trong phanh, còn một phần để
thắng lực ma sát giữa roto và
Hình 1.3 Các thông số trên băng thử thủy lực
FROUDE.
Trang 3chất lỏng Chất lỏng trong phanh được sử dụng là nước vì nước có nhiệt dung riêng lớn, độ nhớt ít thay đổi và rẻ
Băng thử thủy lực FROUDE có tại Trung tâm nghiên cứu ứng dụng năng lượng thay thế - Đại học Đà Nẵng, được sử dụng trong đề tài là thiết bị đo công suất động cơ đã được cải tiến lại bằng việc đo tốc độ động cơ N bằng encoder và đồng
hồ xác định khối lượng W bằng loadcell, có các thông số sau:
Model: DPX3
Công suất đo lớn nhất: 200 mã lực
Công thức tính công suất:
Công suất [mã lực] =
1300
W N
(1.3) Trong đó: N – Tốc độ quay của trục (xác định trên đồng hồ)[v/p]
W – Lực tác dụng (xác định trên đồng hồ)[kG]
2 CÁC CẢM BIẾN GẮN TRÊN BĂNG THỬ THỦY LỰC
FROUDE
2.1 Cảm biến tốc độ động cơ
Để xác định tốc độ quay của động cơ, trên động cơ thường sử dụng cảm biến điện từ để cho ra tín hiệu điện áp từ cuộn dây của cảm biến, phạm vi làm việc của điện áp tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ khá cao (0 ÷ 36) [V] nên không phù hợp với thiết bị kết nối với máy tính Bên cạnh đó, trên động cơ cũng dùng cảm biến quang để thu nhận tín hiệu từ cảm biến tốc độ quay của động cơ, cấu tạo và nguyên
lý làm việc của loại này cũng giống với cảm biến góc quay được dùng rộng rãi trong công nghiệp đó là encoder Encoder được dùng để đo tốc độ, đo chiều dài, đo dịch chuyển, vị trí hay góc quay Dựa theo tín hiệu
phát ra của encoder mà có hai loại encoder khác
nhau
Encoder tuyệt đối có ưu điểm dùng trong
những trường hợp khi góc quay là nhỏ và động cơ
không quay nhiều vòng Khi đó, việc xử lý Hình 2.1 Hình dạng của
encoder.
Trang 4encoder tuyệt đối trở nên dễ dàng cho người dùng hơn, vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay được vị trí góc của trục quay
Encoder tương đối có cấu tạo gồm một đĩa mã có khắc vạch sáng tối, đặt giữa nguồn sáng và transistor quang (phototransistor) Trục encoder được gắn quay đồng tốc với tốc độ động cơ Sau đây là cấu tạo và sơ đồ mạch điện của một encoder tương đối [20]
Hình 2.2 Cấu tạo và sơ đồ mạch điện của encoder tương đối.
1.Trục; 2.Ổ bi; 3.Giá đỡ trục; 4,10 Đĩa mã có khắc vạch; 5.Bộ thu phát hồng ngoại; 6.Vỏ; 7.Lỗ trống nhỏ; 8.Lỗ trống lớn; 9.Điện trở; 11.Điốt quang;
12.Phototransistor; 13.Tín hiệu ra.
Nguyên lý cơ bản của encoder đó là một đĩa mã có khắc vạch, quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ (Rãnh) Bộ thu phát hồng ngoại gồm một điốt quang (Đèn led) và một phototransistor (Mắt thu) Cho đèn led chiếu lên mặt đĩa, khi đĩa quay, chỗ không có lỗ, đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa được đặt một con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua tương ứng cho ra tín hiệu mức 1 và tín hiệu mức 0 Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng chiếu qua các lỗ mà phototransistor thu nhận được
Như vậy, encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và tần số của xung đầu ra
sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của đĩa mã có khắc vạch Do đặc điểm của động cơ là quay nhiều vòng nên encoder tương đối được lựa chọn sử dụng trong đề tài
2.2 Cảm biến lực (Loadcell)
a Cảm biến biến dạng (Strain gage)
Trang 5Cảm biến biến dạng gồm
một sợi dây dẫn có điện trở suất
ρ (Thường dùng hợp kim của
Niken) có chiều dài l và có tiết
diện s, được cố định trên một phiến cách điện như hình vẽ 3.19
Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, người ta dán chặt bề mặt strain gage lên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng Điện trở của cảm biến:
l R
s
Khi cảm biến bị biến dạng, do kích thước của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở của cảm biến thay đổi một lượng ΔR:
Trong đó: Δl - Biến thiên chiều dài của dây dẫn;
Δρ - Biến thiên điện trở suất của dây dẫn;
Δs - Biến thiên tiết diện của dây dẫn;
R - Điện trở của cảm biến khi chưa bị biến dạng
Ứng dụng của cảm biến biến dạng được dùng để đo lực, đo mômen xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi tiết cơ khí, dùng để chế tạo cảm biến trọng lượng, cảm biến đo ứng suất …
b Cảm biến lực (Loadcell)[21]
Loadcell gồm một vật chứng đàn hồi, là một
khối nhôm hoặc thép không rỉ được xử lý đặc biệt,
trên vật chứng có dán 4 strain gage Khi vật chứng
bị biến dạng dưới tác dụng của trọng lượng tác
động vào loadcell thì có thể có 2 hoặc 4 strain gage
bị tác động Tùy vào dạng của vật chứng mà
loadcell có nhiều loại khác nhau như loadell chịu
Hình 2.3 Cảm biến biến dạng.
Hình 2.4 Hình dạng của
loadcell.
Trang 6nén, chịu kéo, chịu uốn, chịu xoắn…Sau đây là kết cấu và nguyên lý của loadcell
chịu kéo được sử dụng trong đề tài
Các strain gage trong loadcell được kết nối
thành một mạch cầu Wheastone, các strain gage trong mạch cầu có tác dụng bù ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi không bị tác động,
điện trở của các strain gage
bằng nhau cầu ở trạng thái cân
bằng Khi bị tác động, vật
chứng bị biến dạng, các strain
gage thay đổi điện trở làm cầu
lệch cân bằng và làm xuất hiện
ở ngõ ra một điện áp V0
Khi loadcell có 2 strain gage tích cực (R2, R4 giãn, R1 = R3 = R cố định):
3 2
R
� �
Khi loadcell có 4 strain gage tích cực (R2 = R4 = R + ΔR, R1 = R3 = R -ΔR) Điện áp ra của cầu V0:
Điện áp đặt vào loadcell V0 được lấy từ nguồn của cổng USB là điện áp 5 [V],
do điện áp của ngõ ra quá nhỏ, khoảng (1 ÷ 3) [mV] khi không đặt tải và cả khi đặt tải nên tín hiệu từ loadcell phải được khuếch đại Sơ đồ và mạch khuếch đại dùng chip LM358 được dùng để khuếch đại tín hiệu loadcell như hình 3.22
Hình 2.5 Sơ đồ và mạch khuếch đại tín hiệu loadcell.
Hình 3.21 Kết nối các strain gage trong
loadcell.
Trang 72.3 Cảm biến nhiệt độ.
Hình 3.9 Sơ đồ mạch điện cảm biến
nhiệt độ nước làm mát.
1.Nhiệt điện trở; 2.Ren lắp ghép;
3.Dây dẫn; 4 Thân cảm biến; 5.Chân
cắm điện.
Cảm biến nhiệt độ nước làm mát động cơ được gắn trên đường nước sau khi làm mát cho động cơ
Khi động cơ hoạt động, cảm biến
nhiệt độ nước làm mát thường xuyên
theo dõi và báo cho máy tính tình hình
nhiệt độ động cơ Cảm biến có cấu tạo từ
một nhiệt trở, có hệ số nhiệt âm Sự thay
đổi nhiệt độ của nước làm mát sẽ làm
thay đổi điện trở của nhiệt điện trở bên
trong cảm biến Khi nhiệt độ động cơ
tăng, điện trở sẽ giảm và ngược lại
Điện áp 5 [V] qua điện trở chuẩn
R (Điện trở này có giá trị không đổi
theo nhiệt độ) tới cảm biến rồi về
“mass” Như vậy điện trở chuẩn và
nhiệt điện trở trong cảm biến tạo thành
một cầu phân áp, điện áp điểm giữa cầu
được đưa đến máy tính, khi nhiệt độ
thay đổi sẽ làm cho điện áp này thay
đổi
Hình 2.6 Đặc tính của cảm biến nhiệt độ nước làm mát.
Hình 2.7 Mạch điện của cảm biến nhiệt độ nước làm mát khi gắn trên
động cơ ô tô.
Trang 82.4 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 733S
AVL fuel Balance 733S sử dụng nguyên lý đo trọng lượng, do vậy khắc phục được sai số khi nhiệt độ của nhiên liệu thay đổi trong quá trình đo (thường gặp với thiết bị đo theo nguyên lý thể tích) Dải đo thông dụng của AVL Fuel Balance 733S
từ 0-15 kg/h, khối lượng nhiên liệu trong bình đo lớn nhất 1800 (g), độ chính xác 0,1% Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 733S là xác định tiêu hao nhiên liệu (Kg/h), (g/KW.h)
Trang 93 NỘI DUNG VÀ CÁC CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM
3.1 Nội dung thực nghiệm
Với các thiết bị đo và cảm biến được lắp cố định trên động cơ, các thông số đo thu được gồm:
- Công suất P [Hp];
- Tốc độ động cơ N [v/p];
- Nhiệt độ nước làm mát t [0C];
3.2 Các chế độ thực nghiệm
Để khảo sát quá trình biến thiên của các thông số, ta cho động cơ hoạt động ở các vị trí % cần ga như sau:
3.3 TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
Trình tự tiến hành thí nghiệm là các thao tác vận hành động cơ hoạt động ở chế
độ thực nghiệm, các bước điều khiển vận hành thiết bị đo, theo dõi các thông số thể hiện trên thiết bị và thu thập số liệu Các bước tiến hành là những chỉ dẫn cụ thể việc sử dụng thiết bị sao cho an toàn trong quá trình hoạt động, kết quả đo được chính xác và đầy đủ nhất
3.3.1 Trình tự tiến hành thực nghiệm
a Các bước tiến hành khi động cơ chưa hoạt động
Kiểm tra động cơ và các thiết bị được lắp đặt phải được chắc chắn, kiểm tra các vị trí lắp ghép trục các đăng và tấm chắn bảo vệ
Kiểm tra các mức nước làm mát, nhớt bôi trơn động cơ và nhiên liệu phải được đầy đủ
vào thể hiện trên đồng hồ đo áp suất trên băng thử là 1 [at]
Trang 10 Vô lăng điều chỉnh tải trên băng thử phải vặn về vị trí đặt tải nhỏ nhất (Vặn ngược theo chiều kim đồng hồ)
Kiểm tra các đường dây điện và dây tín hiệu các cảm biến phải được kết nối đúng và gọn gàng, nguồn điện cho máy tính và nguồn điện từ ắc quy phải cung cấp đầy đủ
Khi ta nhấn nút chạy ứng dụng ở trên thanh công cụ là phần mềm đã bắt đầu hoạt động Nếu không có báo hiệu gì từ chương trình của phần mềm thì chương trình đã xác nhận các tín hiệu thu được là đầy đủ và chương trình hoạt động không
bị lỗi
Tiếp theo ta nhấn nút “Bat dau chay” trên giao diện người sử dụng và nhấn nút “Dat diem 0” để đặt lại lực tác động cánh tay đòn lúc ban đầu bằng 0
b Các bước tiến hành khi động cơ hoạt động
Sau khi các thao tác trên đã được thực hiện đầy đủ, ta tiến hành khởi động động cơ, vận hành động cơ hoạt động đạt đến nhiệt độ làm việc, ta mới tiến hành thu thập số liệu Lúc này động cơ hoạt động thì các thiết bị đo trên giao diện LabVIEW đã thể hiện đầy đủ các thông số đo Các bước tiến hành như sau:
động cơ hoạt động đạt đến tốc độ cao nhất
Trên giao diện ta nhấn nút “Lay mau”, các thông số thể hiện trên đồng hồ được tự động lưu vào bảng số liệu
Ta bắt đầu đặt tải cho động cơ bằng việc vặn vô lăng điều chỉnh tải trên băng thử theo chiều kim đồng hồ, để tải đặt vào động cơ được đều đặn, ta chỉ cần vặn vô lăng tải từng một phần tư vòng, và nhấn nút “Lay mau” trên giao diện LabVIEW Khi ta đặt tay vào vô lăng tải cũng làm tác động đến lực trên cánh tay đòn, nên khi lấy mẫu người điều chỉnh tải phải phối hợp chính xác với người nhấn nút “Lay mau” thì kết quả đo mới chính xác
Cứ như thế ta đặt tải và lấy mẫu cho đến khi tốc độ động cơ giảm xuống còn khoảng (900 ÷ 1000) [vòng/phút] thì nhấn nút “Thoat” trên giao diện LabVIEW
Trang 11Kết thúc công việc lấy mẫu, ta kéo cần ga động cơ về vị trí “Stop” để tắt máy, khóa đường nước cung cấp cho băng tải và trả vô lăng tải về vị trí tải nhỏ nhất
Ta tiến hành lưu số liệu từ tab “Bang so lieu” bằng việc nhấn nút “Luu” để lưu
dữ liệu ta có thể lư dữ liệu dưới dạng bảng và lưu ở file Excel Để dễ dàng xử lý số liệu, các số liệu thu được trong đề tài được lưu dưới dạng file Excel
Để kết thúc chương trình sau khi lưu các số liệu ta nhấn nút ngừng chạy ở trên thanh công cụ
Tương tự ta tiến hành lấy mẫu ở các chế độ vị trí cần ga 50%, 75% và 100%
4 NỘI DUNG VÀ CÁC CHẾ ĐỘ THỰC NGHIỆM
4.1 Nội dung thực nghiệm
Với các thiết bị đo và cảm biến được lắp cố định trên động cơ, các thông số đo thu được gồm:
- Công suất P [Hp];
- Tốc độ động cơ N [v/p];
- Nhiệt độ nước làm mát t [0C];
4.2 Các chế độ thực nghiệm
Để khảo sát quá trình biến thiên của các thông số, ta cho động cơ hoạt động ở các vị trí % cần ga như sau:
5 TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
Trình tự tiến hành thí nghiệm là các thao tác vận hành động cơ hoạt động ở chế
độ thực nghiệm, các bước điều khiển vận hành thiết bị đo, theo dõi các thông số thể hiện trên thiết bị và thu thập số liệu Các bước tiến hành là những chỉ dẫn cụ thể việc sử dụng thiết bị sao cho an toàn trong quá trình hoạt động, kết quả đo được chính xác và đầy đủ nhất
Trang 125.1 Trình tự tiến hành thực nghiệm
c Các bước tiến hành khi động cơ chưa hoạt động
Kiểm tra động cơ và các thiết bị được lắp đặt phải được chắc chắn, kiểm tra các vị trí lắp ghép trục các đăng và tấm chắn bảo vệ
Kiểm tra các mức nước làm mát, nhớt bôi trơn động cơ và nhiên liệu phải được đầy đủ
vào thể hiện trên đồng hồ đo áp suất trên băng thử là 1 [at]
Vô lăng điều chỉnh tải trên băng thử phải vặn về vị trí đặt tải nhỏ nhất (Vặn ngược theo chiều kim đồng hồ)
Kiểm tra các đường dây điện và dây tín hiệu các cảm biến phải được kết nối đúng và gọn gàng, nguồn điện cho máy tính và nguồn điện từ ắc quy phải cung cấp đầy đủ
Khi ta nhấn nút chạy ứng dụng ở trên thanh công cụ là phần mềm đã bắt đầu hoạt động Nếu không có báo hiệu gì từ chương trình của phần mềm thì chương trình đã xác nhận các tín hiệu thu được là đầy đủ và chương trình hoạt động không
bị lỗi
Tiếp theo ta nhấn nút “Bat dau chay” trên giao diện người sử dụng và nhấn nút “Dat diem 0” để đặt lại lực tác động cánh tay đòn lúc ban đầu bằng 0
d Các bước tiến hành khi động cơ hoạt động
Sau khi các thao tác trên đã được thực hiện đầy đủ, ta tiến hành khởi động động cơ, vận hành động cơ hoạt động đạt đến nhiệt độ làm việc, ta mới tiến hành thu thập số liệu Lúc này động cơ hoạt động thì các thiết bị đo trên giao diện LabVIEW đã thể hiện đầy đủ các thông số đo Các bước tiến hành như sau:
động cơ hoạt động đạt đến tốc độ cao nhất
Trên giao diện ta nhấn nút “Lay mau”, các thông số thể hiện trên đồng hồ được tự động lưu vào bảng số liệu
Trang 13 Ta bắt đầu đặt tải cho động cơ bằng việc vặn vô lăng điều chỉnh tải trên băng thử theo chiều kim đồng hồ, để tải đặt vào động cơ được đều đặn, ta chỉ cần vặn vô lăng tải từng một phần tư vòng, và nhấn nút “Lay mau” trên giao diện LabVIEW Khi ta đặt tay vào vô lăng tải cũng làm tác động đến lực trên cánh tay đòn, nên khi lấy mẫu người điều chỉnh tải phải phối hợp chính xác với người nhấn nút “Lay mau” thì kết quả đo mới chính xác
Cứ như thế ta đặt tải và lấy mẫu cho đến khi tốc độ động cơ giảm xuống còn khoảng (900 ÷ 1000) [vòng/phút] thì nhấn nút “Thoat” trên giao diện LabVIEW Kết thúc công việc lấy mẫu, ta kéo cần ga động cơ về vị trí “Stop” để tắt máy, khóa đường nước cung cấp cho băng tải và trả vô lăng tải về vị trí tải nhỏ nhất
Ta tiến hành lưu số liệu từ tab “Bang so lieu” bằng việc nhấn nút “Luu” để lưu
dữ liệu ta có thể lư dữ liệu dưới dạng bảng và lưu ở file Excel Để dễ dàng xử lý số liệu, các số liệu thu được trong đề tài được lưu dưới dạng file Excel
Để kết thúc chương trình sau khi lưu các số liệu ta nhấn nút ngừng chạy ở trên thanh công cụ
Tương tự ta tiến hành lấy mẫu ở các chế độ vị trí cần ga 50%, 75% và 100%
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1] Trần Vũ An,Thái Thị Thu Hà (chủ biên), Nguyễn Lê Quang (2001), Kỹ thuật đo
lường tập 2, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh.
[2] PGS.TS.Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điện và điện tử trên ôtô hiện đại, Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp.Hồ Chí Minh
[3] TS.Dương Việt Dũng (2000), Quy trình vận hành hệ thống các trang thiết bị
phòng thí nghiệm động cơ…, Tài liệu hướng dẫn vận hành thiết bị AVL, Trung
tâm thí nghiệm động cơ và ô tô, Đại học Đà Nẵng
[4] TS.Dương Việt Dũng (2000), Thí nghiệm động cơ đốt trong, Tài liệu hướng dẫn
vận hành thiết bị AVL, Trung tâm thí nghiệm động cơ và ô tô, Đại học Đà Nẵng
[5] Lê Lân Hùng (2000), Lý thuyết điều khiển tự động tập 1 và tập 2, Trường Đại
học Giao thông Vận tải Hà Nội
[6] Nguyễn Thị Lan Hương, Phan Thị Ngọc Yến, Nguyễn Việt Tùng (2008),