tính toán thiết kế he thong dieu khien tu dong thuy luc

Trần Xuân Tùy Hệ thống Điều khiển tự động thủy lực 11 Nhà xuất khoa học kỹ thuật 12 TS Trần Xuân Tùy Hệ thống Điều khiển tự động thủy lực 13 Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội 2002 14 Lời giới thiệu Truyền động thủy lực máy công cụ, thiết bị thuộc lĩnh vực kỹ thuật tiên tiến khí hóa tự động hóa trình sản xuất công nghiệp Với cách mạng khoa học công nghệ thời truyền động thủy lực phát triển công nghệ cao Đó điều khiển tự động hệ thủy lực cho máy công cụ, trung tâm gia công CNC, dây chuyền tự động linh hoạt robot hóa Việc đào tạo đội ngũ kỹ thuật chuyên gia lÜnh vùc nµy ë ViƯt Nam thêi kú công nghiệp hóa đại hóa quan trọng cấp thiết Những năm trớc đây, việc đào tạo ngành khí trờng đại học kỹ thuật - công nghệ, có giảng dạy, thí nghiệm, thiết kế tốt nghiệp, viết giáo trình, sách tham khảo truyền động thủy lực máy công cụ thiết bị nhng cha đề cập đến phần đại đáp ứng cho trình công nghiệp hóa, tự động hóa trình độ cao Đó điều khiển tự động hệ thống thủy lực Để viết sách này, tác giả dành nhiều thời gian khảo cứu lý thuyết, xây dựng thí nghiệm, nghiên cứu khoa häc vµ øng dơng thùc tiƠn, còng nh− tham quan, thùc tËp vµ tiÕn hµnh thÝ nghiƯm ë n−íc ngoµi lĩnh vực điều khiển tự động thủy lực Chơng tổng hợp có tính hệ thống, phân tích, tính toán thông số mạch truyền động thủy lực Chơng trình bày đặc trng chủ yếu nh độ đàn hồi dầu, độ cứng thủy lực, tần số dao động riêng nhằm phục vụ cho nghiên cứu động lực học truyền động thủy lực chơng 3, kết giúp cho việc nghiên cứu điều khiển hệ thủy lực làm việc ổn định, tin cậy, xác Nội dung chơng súc tích Từ chơng đến trình bày nội dung với phơng pháp tính toán thiết kế đại Tác giả viết sở ứng dụng điều khiển học kỹ thuật để phân tích sai số, xác định hàm truyền số mạch điều khiển, điều khiển vị trí, vận tốc, tải trọng với phần tử điều khiển hệ điều khiển tự động thủy lực nh van điều khiển, khuếch đại, loại cảm biến Từ tính toán thiết kế mạch điều khiển tự động thủy lực với nhiều ví dơ thĨ cã chän läc PhÇn tin häc øng dụng để phục vụ cho nghiên cứu, thiết kế, thí nghiệm điển hình điều khiển tự động hệ thủy lực, nh điều khiển tự động thủy-khí, tác giả thực thu đợc kết đáng kể, đợc tiếp tục tài liệu sau Trên sở 28 tài liệu tham khảo đợc công bố năm gần tác giả viết sách này, với " Điều khiển tự động lĩnh vực khí" (Nhà xuất Giáo dục- 1998) tạo kết hợp hoàn chỉnh hớng chuyên môn hẹp đại ngành khí, giúp cho công việc giảng dạy, đào tạo, nghiên cứu chuyển giao công nghệ thuộc lĩnh vực truyền động điều khiển tự động hệ thủy lực có hiệu cao PGS.TS Phạm Đắp Khoa 15 khí Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội 16 lời nói đầu "Điều khiển tự động hệ thủy lực" giáo trình phục vụ cho đối tợng học tập, nghiên cứu điều khiển tự động ngành khí tự động hoá trờng đại học kỹ thuật, trờng cao đẳng kỹ thuật sở sản xuất, nghiên cứu Đây tập giáo trình" Điều khiển tự động lĩnh vực khí" Nhà xuất Giáo dục phát hành năm 1998 Kỹ thuật truyền động điều khiển hệ thủy lực phát triển mạnh nớc công nghiệp Kỹ thuật đợc ứng dụng để truyền động cho cấu có công suất lớn, thực điều khiển logic cho thiết bị dây chuyền thiết bị tự động, đặc biệt nhờ khả truyền động đợc vô cấp mà đợc ứng dụng để điều khiển vô cấp tốc độ, tải trọng vị trí cấu chấp hành Hiện nay, hệ thủy lực đợc sử dụng để điều khiển thiết bị nh máy ép điều khiển số, robot công nghiệp, máy CNC dây chuyền sản xuất tự động Giáo trình chủ yếu trình bày phơng pháp tính toán thiết kế cho hệ điều khiển vô cấp mà tài liệu khác cha bàn đến đề cập mức sơ lợc Nội dung giáo trình bao gồm vấn đề sau : Phơng pháp phân tích tính toán thông số mạch điều khiển thủy lực; tính toán độ đàn hồi dầu, độ cứng thủy lực tần số dao động riêng hệ thủy lực; toán nghiên cứu động lực học hệ thủy lực; giới thiệu phần tử điều khiển hệ thủy lực; kỹ thuật điều khiển vị trí, tốc độ tải trọng, tài liệu giới thiệu lý thuyết tính toán thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thủy lc ví dụ minh hoạ Đây giáo trình chuyên ngành mang tính nghiên cứu ứng dụng, vấn đề lý thuyết ví dụ trình bày giúp cho ngời đọc tiếp cận nhanh với toán thực tế, giai đoạn nay, kü tht ®iỊu khiĨn tù ®éng ®ang cã khuynh hớng phát triển mạnh, thiết bị dây chuyền sản xuất tự động ứng dụng kỹ thuật điều khiển thủy lực thâm nhập vào Việt Nam ngày nhiều nên việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật để thiết kế, bảo dỡng khai thác có hiệu việc làm thiết thực Chúng mong giáo trình giúp ích cho đối tợng học tập, nghiên cứu làm việc lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực mong nhận đợc ý kiến đóng17góp để lần tái tới, giáo trình hoàn thiện Tác giả 18 Chơn g1 Phơng pháp phân tích tính toán thông số mạch điều khiển thủy lực 1.1 quan hệ áp suất lu lợng 1.1.1 Nguồn thủy lực HiƯn ng−êi ta chia ngn thđy lùc thµnh hai dạng sau : - Nguồn lu lợng không đổi - Nguồn áp suất không đổi Theo ISO R1219, nguồn thủy lực đợc ký hiệu nh hình 1.1 I I b) a) H×nh 1.1 Ký hiƯu vỊ ngn thđy lực a- Nguồn lu lợng không đổi; b- Nguồn áp suất không đổi Ký hiệu thực chất ký hiệu bơm dầu, có thêm chữ I, có nghĩa nguồn cung cấp lý tởng (không có tổn thất lu lợng tổn thất áp suất bơm) Công suất mạch thủy lực đợc xác định theo : N= dE với E = dt hay : ®ã : P.dV dV = P.Q dt N = P E - đặc trng cho công; 19 (1.1) (1.2) V - thĨ tÝch chÊt láng trun đợc; N - công suất truyền; P - áp suất chÊt láng 20 Tõ (1.121) vµ (1.122) suy : v B2 − v12.B0  F2 − F1 0 hay : B  − F2 F1 v2 − v2 Thay (1.124) vµo (1.121) ta cã : (1.123 ) (1.124 ) F hay : FL  ⎡ F −F ⎤ 2  v F1 ⎣ ⎦ v2 F1 2− v F2 v 2− 2v (1.125 ) Nh biết trớc cặp giá trị v1, F1 v2, F2 xácF B0 định đợc L Có nghĩa biết F B0 ta xác định đợc thông số P L thøc sau : B0  A P ⎛  v⎞ ⎜1  〉 ⎟3 x ⎠ ⎝ KP S, A K từ P P công (1.126 ) FL  SP A P C¸c tr−êng hợp xảy nh sau : Trờng hợp A : Nếu cho trớc PS : A P : hay : FL0 ⎡ 2v F1 2− v F ⎤   1⎢ 2 A ⎥ PS PS ⎣ v2 − v1  K 2P  K   ⎛  v2 ⎞ AP ⎛ ⎜ 3v ⎟⎞  ⎜1 ⎟ P   B ⎝  x ⎠  1− x ⎠ ⎝F F ⎜ ⎟ 2 ⎝ vv − ⎠ A (v )⎛ P P 2 −v 2 ⎞ ⎟ ⎜1 F1 − F2 ⎝ Tr−êng hỵp B : NÕu cho tr−íc AP th× :  v x ⎠ ⎡ v2 F1 − v (1.127 ) (1.128 ) (1.129 ) PS F ⎤ ⎢ 2 A P ⎣ v − v1 ⎥ ⎦ (1.130 ) KP đợc xác định theo công thøc (1.128) Tr−êng hỵp C : NÕu biÕt tr−íc KP PS AP xác định nh sau K 2P.B K P (F1 − 2F A =  )  ⎡ 2 1 3v (v2 − v1 )  v 〉x 2 ⎢1 ⎤ ⎣ 〉3 x ⎦ P (1.131 ) hay : K 2P (F1 − F ) A  P ⎡  ⎤ (v  −vv ) ⎢ ⎥ ⎣ 〉x ⎦ vµ : (1.132 ) 2 ⎡ v2 − v F ⎤ 2 F v PS  ⎢  2⎥ 22 AP v − ⎣ (1.133 ) Khi biết cặp giá trị v3, F3 (hình 1.27) Nếu biết trớc AP KP PS đợc xác định theo công thức (1.115) : v A 2 K S P  2 ⎞ F ⎟  A ⎛ ⎜ P P v  ⎝ x ⎠ (1.134 ) P v v3 F3 FL Hình 1.27 Đồ thị biểu diễn cặp giá trị v3, F3 đặc tính v - FL Nếu biết trớc AP áp suất cung cấp PS ta xác định KP từ công thøc (1.115) nh− sau : v2 A3 KP  P A S P − ⎛ ⎜1 F  ⎝ x ⎠ P  ⎞ ⎟ v (1.135) Khi biết thông số PS, AP KP Nếu biết trớc thông số thiết kế PS, AP KP dạng toán phân tích hệ thống, tức xác định vận tốc tải trọng làm việc Nếu biết trớc vận tốc làm việc vT tải trọng : v AT P ⎛  ⎞ ⎜1  F  P A − v ⎟ T S P K P ⎜⎝ 〉 3x ⎠⎟ NÕu biÕt tr−íc t¶i trọng làm việc FT vận tốc : (1.136 ) v2T A3 P⎛  ⎞ ⎜1  K 2P ⎜⎝ 〉 3x ⎠⎟ v ⎟  P A S P −F T Suy : K P(PS AP − FT ) v  T (1.137 ) ⎛3  ⎞ A v.⎜⎟1  P ⎜ x 1.5.3 Xác định công suất lớn áp suất cung cấp nhỏ Xác định công suất lớn Đồ thị biểu diễn quan hệ tải trọng FL, công suất N vận tốc v thể hình 1.28 Nhân v vào c«ng thøc (1.115) ta cã : v P A − v S P A ⎡P ⎢1  v.F  K 2P ⎣ 〉 3x ⎥⎦  v ⎤ (1.138 ) − L FL N (1) Nmax FL0 (2) v0 v Hình 1.28 Đồ thị biểu diễn quan hệ FL, N v N = v.FL công suất truyền xylanh thủy lực, công thøc (1.138) cã thĨ viÕt gän l¹i nh− sau : N = v.FL = v.PS.AP - v3.B0 (1.139) Để công suất lớn Nmax cần tìm vận tốc v0 thỏa mãn : dN = P A - v B0 dv hay : v0  (1.140)S PS A 3.B P P (1.141 ) Thay (1.141) vào (1.139) ta đợc : PS.A P Suy : − PS A P 3.B0 PS A FLO P − (1.142 ) B − F LO  =0 (1.143) mµ PS.AP =F tải trọng "dừng" nên : L F  FLO 3L (1.14 4) VËy c«ng st lín vận tốc xác định theo (1.141) tải trọng FLO tải trọng "dừng" Xác định áp suất cung cấp nhỏ Từ công thức (1.115) ta suy : ⎤ FL ⎥  K A x R ⎦ P PS = v 2P A ⎡ 22  K ⎣ P (1.145 ) Lấy đạo hàm áp suất theo diện tích AP cho không ta đợc : 1 ⎤ FL  2.v A  −  P ⎢ ⎥ dA K  K A P ⎣ P x R ⎦ P dPS hay : A 3P = FL (1.147 ) ⎤ 2⎡ 2.v ⎢2  2⎥ ⎣ K P x KR ⎦ Thay (1.147) vµo (1.115) ta cã : ⎡ F L ⎢ K  (1.146 ) ⎤ ⎥  K  P Pmin − S A P v ⎣ x R ⎦ − FL  ⎤ 2⎡ 2.v⎢  ⎥ ⎣K P x KR ⎦ hay : nªn : PS A P − FL  − FL (1.148 ) P  FL S AP (1.149 ) mi Công thức xác (1.149) phù hợp với công thức (1.143) xác định PSn công suất định lớn Nmax 1.5.4 Xác định gia tốc chuyển động lớn pittông Từ hình 1.24b ta có phơng trình cân lực sau : dv m PP.AP PR.AR − FL = (1.150) dt Q PP  PS −  PS − 2P KP ∆PP ®ã : (1.151 ) Q PR  ∆PP  2R KR Nên phơng trình (1.150) viết lại nh sau : 2 Q A Q A P.S A − P P − R R − KP KR F P L 2 v A − P v A R hay : P.S A ®ã : QP = v.AP vµ QR = v.AR P m − KP K2R d v dt (1.152 ) FL m.a gia tốc chuyển động pittông mang khối lợng d m v dt Khi pittông chun ®éng cã gia tèc, ë thêi ®iĨm gia tèc lớn tạo khoảng trống xylanh, tức áp suất PP giảm xuống Khi công thức (1.152) : a P.S A P − v2 A P (1.153 )  K 2P v 3.AR vµ : m.a − max P K2 KR ASP2 − FL R (1.154)   〉 − − FL  − ⎢ A R KS  FL ⎥  P AP R x ⎣ ⎦ hay : Suy : m.a a max max 〉 2v 1⎡ − ⎢A  FL ⎥ m⎣ x v R PS (1.155 ) (1.156 ) Chơn g2 Mô hình nghiên cứu độ đàn hồi dầu, độ cứng thủy lực, tần số dao động riêng xylanh động dầu 2.1 quan hệ áp suất lu lợng tính đến độ đàn hồi dầu 2.1.1 Hệ số khả tích luỹ đàn hồi dầu Khi áp suất buồng chứa dầu thay đổi thể tích dầu thay đổi dầu có biến dạng đàn hồi Nếu gọi C hệ số tích lũy đàn hồi dầu C đựơc xác ®Þnh nh− sau : dV dV C= = =q dt dt dp dt dp dp q = C d p dt hay : ®ã : víi C = V0 B (2.1) (2.2) q - lu lợng biến dạng đàn hồi dầu; V - thể tích dầu biến dạng; P - áp suất buồng dầu; V0- thể tích ban đầu buồng dầu; B - mô đun đàn hồi dầu 2.1.2 Hệ số tích lũy đàn hồi tơng đơng áp suất mạch thủy lực Xét mạch thủy lực hình 2.1a hình 2.1b, toán có tính đến biến dạng đàn hồi dầu ống dẫn buồng làm việc xylanh 45 sơ đồ hình 2.1a hình 2.1b chuyển thành sơ đồ tính toán nh hình 2.1c hình 2.1d Phơng trình cân lu lợng có dạng : QT =Q = C P hay : P +Q x +Q dp V dt Q = C dp + C x + Q V = (C dt C x ) dp =TQ +T Q dt dp + +Q dt (2.3) V (2.4) +Q V P R 45 v p p v QT QT FL QT Qp AP a) Cp Cx p v Qv Qx AR b) p Qp FL Qx AR AP QT v QV FL v Qv QT Q® FL Cp c) d) Hình 2.1 Sơ đồ mạch thủy lực tính đến biến dạng đàn hồi dầu áp suất a b - Các sơ đồ nguyên lý; c d - Các sơ đồ tính toán : QP - lu lợng biến dạng đàn hồi dầu đờng ống dẫn; Qx - lu lợng biến dạng dầu xylanh; QR - lu lợng biến dạng đàn hồi dầu đờng ống dẫn xylanh; Qv - lu lợng cần thiết để pittông chuyển động với vận tèc v; CP vµ Cx - hƯ sè tÝch lòy đàn hồi dầu đờng ống dẫn xylanh; CT - hệ số tích luỹ đàn hồi tơng đơng Bài toán ứng dụng cho trờng hợp coi áp suất ống dẫn 46 xylanh 2.1.3 Hệ số tích lũy đàn hồi tơng đơng áp suất mạch thủy lực khác 46 ... tài liệu giới thiệu lý thuy t tính toán thiết kế mạch điều khiển tự động hệ thủy lc ví dụ minh hoạ Đây giáo trình chuyên ngành mang tính nghiên cứu ứng dụng, vấn đề lý thuy t ví dụ trình bày... tích tính toán van trợt điều khiển 1.2.1 Mô hình tính toán tải trọng trợt Van trợt điều khiển phận quan trọng mạch điều khiển thủy lực, chúng có nhiều loại, loại có đặc điểm kết cấu tính toán. .. khiển phức tạp mặt kết cấu tính toán Hiện có nhiều công trình nghiên cứu vấn đề Phần giới thiệu tính toán cần thiết cho nghiên cứu van trợt điều khiển Khi trợt di chuyển theo hớng x, cưa cđa