Mô hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp

Mục tiêu của bài báo là giới thiệu mô hình thí nghiệm (bệ thử) hộp số phân nhánh công suất được xây dựng tại Bộ môn Động lực, Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Mô hình bệ thử bao gồm động cơ dẫn động, hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh và bộ phận tạo tải, cùng với các thiết bị đo và xử lý số liệu hiện đại.

Vietnam J Agri Sci 2020, Vol 18, No 5: 360-366 Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 2020, 18(5): 360-366 www.vnua.edu.vn MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM HỘP SỐ PHÂN NHÁNH CÔNG SUẤT DÙNG CHO MÁY KÉO NÔNG NGHIỆP Phạm Duy Súy1*, Hàn Trung Dũng2, Trịnh Minh Hoàng3, Bùi Hải Triều4 Trung tâm Phát triển Công nghệ cao, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Học viện Nông nghiệp Việt Nam Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải * Tác giả liên hệ: pdsuy@ctdas.vast.vn Ngày chấp nhận đăng: 12.05.2020 Ngày nhận bài: 20.03.2020 TÓM TẮT Do ưu điểm điều khiển vô cấp với hiệu suất cao, hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh cho thấy khả ứng dụng máy kéo nông nghiệp Điều thể số kết nghiên cứu lý thuyết Tuy nhiên, cần thiết phải có thử nghiệm thực tế để đánh giá cấu hình hộp số nguyên lý hoạt động tính chất động lực học cho mục tiêu thiết kế sau Mục tiêu báo giới thiệu mơ hình thí nghiệm (bệ thử) hộp số phân nhánh công suất xây dựng Bộ môn Động lực, Học viện Nơng nghiệp Việt Nam Mơ hình bệ thử bao gồm động dẫn động, hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh phận tạo tải, với thiết bị đo xử lý số liệu đại Mơ hình sử dụng để tái nguyên lý hoạt động, nghiên cứu tính chất tĩnh học, động lực học hộp số phân nhánh công suất làm sở cho chiến lược điều khiển chuyển số điều kiện làm việc đặc trưng máy kéo nơng nghiệp Từ khóa: Hộp số phân nhánh cơng suất thủy tĩnh, mơ hình thí nghiệm, tỷ số truyền hộp số Hydrostatic Power Split Transmission Test Band for Agricultural Tractor ABSTRACT Due to the advantages of continuously variable transmission and high efficiency, hydrostatic power-split transmission (HPST) shows the applicability on the agricultural tractor This is also shown in some theoretical research results However, practical tests are needed to evaluate the power-split transmission configuration for the operating principle and dynamics properties for the next design goal This article introduces the experimental model (test band) of a HPST built at the Department of Dynamics, Vietnam National University of Agriculture The test band consists of a drive motor, a HPST, load generator and modern data processing and measuring equipment The model can be used to reproduce the operating principle and to study the static and dynamic properties of the HPST, as the basis for control strategies in working conditions of agricultural tractors Keywords: Hydrostatic power-split transmission, experimental model, agricultural tractor ĐẶT VẤN ĐỀ Hộp số phân nhánh công suất (HSPNCS) hộp số vô cấp phối hợp thủy cơ, kết nối song song phận truyền động hành tinh với biến tốc thủy tĩnh (Wik & cs., 1999) Trên giới, HSPNCS trang bị cho máy kéo nông nghiệp từ cuối kỷ trước bộc lộ vượt trội so với hộp số phân cấp khí 360 truyền thống tích hợp ưu điểm việc điều khiển vơ cấp số vịng quay hộp số thủy tĩnh hiệu suất tương đối cao hộp số sang số tải trọng (Murrenhuff & Wallentowtz, 1998, Skirde & Gigling, 1996) Theo số kết nghiên cứu ban đầu (Bùi Hải Triều & cs., 2018, Phạm Duy Súy & cs., 2018), phù hợp với máy kéo nông nghiệp hoạt động Việt Nam với cỡ công suất 20-30kW, sử dụng Phạm Duy Súy, Hàn Trung Dũng, Trịnh Minh Hoàng, Bùi Hải Triều HSPNCS đơn giản có cấu hình CRO sở phận truyền hành tinh đơn trục Để phục vụ cho nghiên cứu HSPNCS làm sở phát triển ứng dụng cho máy kéo nông nghiệp cỡ vừa nhỏ, bệ thử nghiệm hộp số với hệ thống đo xử lý tín hiệu đại xây dựng Bộ môn Động lực, Học viện Nơng nghiệp Việt Nam Mơ hình thí nghiệm cho phép mơ tả phân tích tính chất tĩnh học, động lực học điều khiển điển hình hộp số nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mô hình thí nghiệm Mơ hình thí nghiệm phát triển sở sơ đồ kết cấu hoạt động HSPNCS theo cấu hình CRO (Hình 1) Cơng suất trục vào từ động truyền đến trục dẫn C, sau phân nhánh thành dịng: dịng thứ - công suất thủy lực truyền qua vành R, bơm P biến tốc đến động thủy lực M, dịng thứ hai - cơng suất khí truyền qua bánh mặt trời S Hai dịng cơng suất hợp trục trục thứ cấp hộp số nhờ cặp bánh có tỷ số truyền i2 (Bùi Hải Triều & cs., 2018) Đối với sơ đồ HSPNCS với cấu hình 1, số quan hệ động lực học: - Quan hệ mô men: M e  MS  M R ; MR Me  zR zS  z R MS Me  zS zS  z R ; (1) ; M A  M M  MS i - Quan hệ vận tốc góc tỷ số truyền:   e zS  zR  S zS  R zR l; i0  i1  P R ; i2  M S ; iH  VP VM ; iG  zR zS ; M (2) e Trong công thức trên: zR, zS: số vành (R) bánh mặt trời (S); R, S, P, M vận tốc góc vành răng, bánh mặt trời, trục bơm trục động thủy lực; i1, i2 tỷ số truyền truyền tách nhập dịng cơng suất; VP, VM thể tích làm việc bơm (P) động (M); Mi thành phần mô men phần tử tương ứng Để thuận tiện cho việc lắp ráp, điều chỉnh khoảng cách trục việc lắp đặt cảm biến mà thỏa mãn yêu cầu đánh giá hiệu suất phân tích trạng thái động lực học điều khiển HSPNCS, cặp bánh i1, i2 thay truyền xích có tỷ số truyền tương đương Sơ đồ truyền động đo mơ hình thí nghiệm trình bày hình bao gồm phần tử kết cấu đây: - Động truyền lực động diesel có cơng suất định mức 20,8kW, tương ứng số vịng quay 2400 vịng/phút, mơ men xoắn cực đại 95Nm đạt số vòng quay 1.400 vòng/phút; Ghi chú: C - Cần dẫn; R - Vành răng; S - Bánh mặt trời; i1 - Bộ truyền bánh phân nhánh; i2 - Bộ truyền bánh nhập dòng; P, M - Các đơn nguyên bơm/động Hình Sơ đồ HSPNCS cấu hình CRO 361 Mơ hình thí nghiệm hộp số phân nhánh cơng suất dùng cho máy kéo nông nghiệp - Bộ truyền hành tinh đơn trục có cơng suất danh nghĩa 30kW, tỷ số truyền z sở i  R  57 / 27  2,1 ; zS - Bộ biến tốc thủy lực có cơng suất truyền 20-30kW, đơn nguyên bơm (P) động (M) điều khiển thể tích đến thể tích cực đại VPmax = 33 cm3/vòng VMmax= 37 cm3/vòng; - Bộ phân tạo tải: phanh thủy tĩnh bơm thủy lực Tải trọng thí nghiệm tạo phanh thủy tĩnh Bơm thủy lực tạo tải dẫn động từ trục thứ cấp hộp số qua cặp xích với tỷ số truyền i p  Các phương án tải trọng thực cách phối hợp điều khiển van: VG, Vw, VDr Các loại cảm biến sử dụng hệ thống bao gồm: Cảm biến đo áp suất (C5) loại Huba Pressure Transmitter Type 511.954603142, áp suất 0-400bar, dây đo dòng 4-20 mA; cảm biến đo lưu lượng (C6) loại Lake Flow Transmitter R-4A-6HD-50RF Cảm biến đo mô men (C2) loại Kistler Torque Sensor Model 4502A Các cảm biến đo số vòng quay (C1, C3, C4) loại E2A-M18KS08-WP-C1 2M cảm biến tiệm cận đo tần số Các tín hiệu đo từ cảm biến thu nhận Card chuyển đổi A/D loại Ni PCI-6251, sau lưu trữ vào máy tính xử lý trực tiếp phần mềm DASYLab Tất thiết bị lắp đặt, chuẩn hóa, kết nối đo ghi Bộ mơn Động lực, Học viện Nông nghiệp Việt Nam 2.2 Nghiên cứu thực nghiệm - Việc xác định xác hiệu suất hộp số cần thiết thực phòng thí nghiệm cách đo trực tiếp hao tổn cơng suất đánh giá gián tiếp từ giá trị công suất đầu so với đầu vào hộp số (Heribert, 1990; Thiel, 1983) Đối với hệ thống có hiệu suất cao (≥95%), phương pháp đo trực tiếp hao tổn cơng suất có ưu việc đo sai lệch tương đối công suất vào - phương pháp đánh giá cơng suất khó xác, yêu cầu độ xác kỹ thuật đo cao Tuy nhiên, vùng hiệu suất từ (78-93%) sai số tương đối hai phương pháp không 362 chênh lệch nhiều (Heribert, 1990) Do đó, hộp số HSPNCS, có hiệu suất dự kiến (80-90%) việc xác định hiệu suất lựa chọn theo phương pháp đánh giá công suất đầu vào - Trên sơ đồ hình 2, cơng suất vào xác định nhờ cảm biến số vòng quay C1 cảm biến mô men C2 trục sơ cấp Công suất xác định nhờ cảm biến: cảm biến số vòng quay C4, cảm biến áp suất C5 cảm biến lưu lượng C6 công suất thủy lực quy dẫn đến trục thứ cấp HSPNCS - Phân tích động lực học điều khiển HSPNCS: Các trạng thái động lực học điều khiển HSPNCS xuất nhờ trình phối hợp điều khiển động diesel (thay đổi tay ga), HSPNCS (thay đổi VP, VM cách thay đổi góc nghiêng đĩa phản ứng bơm động thủy lực) thay đổi tải (điều khiển van thủy lực VG, Vw, VDr) Do đó, cấu hình thí nghiệm phân tích số tính chất động lực học điển hình hộp số máy kéo như: Khởi hành, sang số, tăng giảm ga tăng giảm tải trọng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mơ hình thí nghiệm HSPNCS thiết kế, chế tạo lắp đặt phịng thí nghiệm Bộ mơn Động lực, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ảnh chụp hệ thống thiết bị thí nghiệm trình bày hình Mơ hình thí nghiệm chạy thử ổn định thực phương án theo mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Trong khuôn khổ báo, tác giả giới thiệu số kết thử nghiệm mơ hình để đánh giá khả tạo tải, khả tái hiện, đo phân tích số trạng thái hoạt động điển hình HSPNCS phịng thí nghiệm 3.1 Thí nghiệm thay đổi tỷ số truyền Trong thí nghiệm, động hoạt động theo đặc tính ngồi (ga cực đại), tải trọng giữ giá trị xác định (Vw vị trí khóa, điều chỉnh VDr đến mức tải thí nghiệm), đặt VM vị trí max, tiến hành điều chỉnh VPđến vị trí max để thay đổi tỷ số truyền HSPNCS Sau giữ VP vị trí max, giảm VM để tiếp tục có tỷ số truyền lớn Quy trình điều khiển mơ tả hình Phạm Duy Súy, Hàn Trung Dũng, Trịnh Minh Hoàng, Bùi Hải Triều Ghi chú: ĐC - Động truyền lực; C - Cần dẫn; R - Vành răng; S - Bánh mặt trời;i1 - Xích phân nhánh; i2 Xích nhập dịng; ip - Xích tải trọng; P, M - Các đơn nguyên bơm/động cơ; C1, C3, C4 - Các cảm biến số vịng quay; C2 - Cảm biến mơ men; C5,C6 - Cảm biến áp suất lưu lượng gây tải; VG - Van giới hạn áp suất; Vw - Van phân phối đóng ngắt; VDr - Van tiết lưu Hình Sơ đồ truyền động, điều khiển đo thí nghiệm HSPNCS Hình Bệ thử cơng suất để thí nghiệm HSPNCS Hình Quy trình điều khiển tỷ số truyền thay đổi thể tích VP, VM 363 Mơ hình thí nghiệm hộp số phân nhánh cơng suất dùng cho máy kéo nơng nghiệp Hình Kết thí nghiệm thay đổi tỷ số truyền Hình mơ tả q trình tín hiệu từ cảm biến C1 đến C6 Các q trình tín hiệu từ cảm biến nhiễu, biến đổi phù hợp theo thay đổi VP, đáp ứng tốt với tín hiệu điều khiển 3.2 Thí nghiệm thay đổi tải trọng Trong thí nghiệm, động hoạt động theo đặc tính ngồi, điều khiển VP, VM để có tỷ số truyền xác định, tải trọng thay đổi chậm (đường chấm đỏ) cách thay đổi Vw vị trí khóa xoay vị trí van tiết lưu VDr Nếu muốn thay đổi tải nhanh (đường liền xanh) cần cố 364 định vị trí VDr mức độ tải chuyển mạch Vw từ vị trí lưu thơng đến vị trí khóa (tăng tải) ngược lại (giảm tải) Phản ứng tín hiệu cảm biến trình bày hình Nhận xét: Khi thay đổi tải cách thay đổi vị trí van tiết lưu, q trình tín hiệu từ cảm biến biến đổi phù hợp Các tín hiệu mơ men trục sơ cấp (cảm biến C2), số vòng quay trục sơ cấp (cảm biến C1) đáp ứng tốt với thay đổi từ cảm biến áp suất (C5) cảm biến số vòng quay trục thứ cấp (C4) phù hợp với biến đổi qua tỷ số truyền HSPNCS Phạm Duy Súy, Hàn Trung Dũng, Trịnh Minh Hồng, Bùi Hải Triều Hình Kết thí nghiệm thay đổi tải trọng HSPNCS 3.3 Thí nghiệm đánh giá công thức tỷ số truyền HSPNCS Mục tiêu nghiên cứu đánh giá hệ thống thí nghiệm khả tái nguyên lý làm việc HSPNCS, tái cấu hình CRO khả đáp ứng yêu cầu theo mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Theo nguyên lý kết cấu HSPNCS có cấu hình CRO, tỷ số truyền hộp số (iG) xác định từ tỷ số truyền biến tốc thủy lực (iH) theo công thức: iG  M e   iH  i0  i0 i1  i2 iH (3) Trong đó: 57 18 14 ;i1  ;i  ; 27 14 12 VP 24 i3  i p  ;i  12 H VM i0  (4) 365 Mơ hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp Bảng Kết thí nghiệm xác định tỷ số truyền 3 VP (cm /vg) VM (cm /vg) iH iGLT iGTN RMS sai số tương đối (%) 0,5×VPmax VMmax 0,4459 0,4289 0,4292 1,09 VPmax VMmax 0,8919 0,7390 0,7392 1,17 VPmax 0,5×VMmax 1,7838 1,1573 1,1565 1,16 Hình Kết so sánh kết thí nghiệm với cơng thức lý thuyết Việc đánh giá so sánh kết thí nghiệm với công thức lý thuyết thực theo bảng 1, VPmax = 33 cm3/vịng, VMmax = 37 cm3/vịng, kết thí nghiệm giá trị trung bình lần đo Kết so sánh tổng hợp trình bày đồ thị hình Từ kết cho thấy, giá trị thí nghiệm khơng sai lệch nhiều so với công thức lý thuyết, thể khả tái nguyên lý làm việc HSPNCS đáp ứng yêu cầu theo mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Thực tế thí nghiệm với VM tiến gần tới giá trị iG tiến   gần đến giá trị cực đại i G max   i / i KẾT LUẬN Mơ hình thí nghiệm hoạt động ổn định, có khả thực thí nghiệm theo yêu cầu để phân tích tĩnh học động lực học HSPNCS Nhờ kết nối trực tiếp tín hiệu cảm biến phần mềm DASYLAB, xác định hiệu suất hộp số phụ thuộc điểm làm việc đặc tính động phụ thuộc tỷ số truyền HSPNCS Các tính chất động lực học 366 điều khiển phân tích thí nghiệm, thí dụ q trình biến thiên tải trọng, trình khởi hành, sang số tăng giảm ga động truyền lực TÀI LIỆU THAM KHẢO Wik D., Strohl H & Gebhandt N (1999) Hydraulik Grandlagen, Komponenten, Schaltungen Springer - Verlag Berlin Murrenhuff H & Wallentowtz H (1998) Fluidtechnik fiir mobile Anendungen RWTH Aachen Skirde E & Gigling M (1996) VDI/MEG Koloqium Agrartechnik, Mobilhydraulik Braunschwelge Bùi Hải Triều, Trịnh Minh Hoàng, Phạm Duy Súy & Chu Văn Huỳnh (2018) Truyền động phân nhánh công suất thủy tĩnh cho máy kéo nơng nghiệp Tạp chí Cơ khí Việt Nam 5: 101-105 Phạm Duy Súy, Trịnh Minh Hoàng & Bùi Hải Triều (2018) Hiệu suất truyền động hộp số phân nhánh công suất thủy tĩnh Tạp chí Cơ khí Việt Nam 6: 36-43 Heribert R (1990) Verluste und wirkungsgrade bei Trakrogetriebe VDI Verlag Thiel E (1983) Messung der Verlustleistung von Kraftfahrzeug - Schalt - Und Achsgetrieben Dis Uni Stuttgart  ... truyền thay đổi thể tích VP, VM 363 Mơ hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp Hình Kết thí nghiệm thay đổi tỷ số truyền Hình mơ tả q trình tín hiệu từ cảm biến... Hình Sơ đồ HSPNCS cấu hình CRO 361 Mơ hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nông nghiệp - Bộ truyền hành tinh đơn trục có cơng suất danh nghĩa 30kW, tỷ số truyền z sở i ... i0  (4) 365 Mơ hình thí nghiệm hộp số phân nhánh công suất dùng cho máy kéo nơng nghiệp Bảng Kết thí nghiệm xác định tỷ số truyền 3 VP (cm /vg) VM (cm /vg) iH iGLT iGTN RMS sai số tương đối (%)