Nghiên cứu hệ thống phanh thuỷ lực ô tô vận tải mỏ và mô phỏng tính năng làm việc của hệ thống phanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT HOÀNG NGỌC SƠN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHANH THỦY LỰC Ô TÔ VẬN TẢI MỎ VÀ MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG PHANH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT HOÀNG NGỌC SƠN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHANH THỦY LỰC Ô TÔ VẬN TẢI MỎ VÀ MÔ PHỎNG TÍNH NĂNG LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG PHANH Chuyên ngành: Kỹ thuật máy thiết bị mỏ Mã số: 60.52.12 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Đức Sướng HÀ NỘI - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Người viết luận văn HỒNG NGỌC SƠN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ truyền động thuỷ lực có chuyển động tịnh tiến 12 Hình 1.2 Sơ đồ truyền động thuỷ lực có chuyển động quay 13 Hình 1.3 Sơ đồ mạch thuỷ lực hệ thống phanh xe ô tơ Volvo A40D 14 Hình 1.4 Sơ đồ mạch thuỷ lực hệ thống lái xe ô tô Volvo A40D 15 Hình 1.5 Sơ đồ mạch thuỷ lực hệ thống phanh xe ô tô Volvo A35C 16 Hình 1.6 Sơ đồ mạch thuỷ lực hệ thống lái xe ô tô Volvo A35C 17 Hình 2.1 Sơ đồ thuỷ lực chung xe ô tô Volvo A35C 20 Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống phanh thuỷ lực xe ô tô Volvo A35C 21 Hình 2.3 Kích thước sở xe tơ Volvo A 35C 24 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống phanh thuỷ lực bánh xe trước xe VolvoA35C 29 Hình 2.5 Sơ đồ lực phanh bánh xe 32 Hình 2.6 Sơ đồ cặp pít tơng phanh 34 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý TĐTLTT điều chỉnh phương pháp thể tích 56 Hình 2.8 Đường đặc tính lý thuyết TĐTLTT điều chỉnh phương pháp thể tích 56 Hình 2.9 Các đường đặc tính lý thuyết thực tế TĐTLTT Khi điều chỉnh phương pháp thể tích 60 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý ĐĐT TĐTLTT với tiết lưu đặt nối tiếp 64 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý ĐĐT TĐTLTT với tiết lưu đặt song song 67 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý ĐĐT TĐTLTT với ổn lưu 69 Hình 3-1 Mơ hình mô cấu phanh đĩa 74 Hình 3.2 Sơ đồ mơ xy lanh cầu dẫn hướng 77 Hình 3.3 Sơ đồ mơ xy lanh phanh cầu chịu tải 79 Hình 3.4 Sơ đồ mô má phanh đĩa phanh 81 Hình 3.5 Sơ đồ mô chuyển động bánh xe trước 81 Hình 3.6 Sơ đồ mơ chuyển động bánh xe sau 82 Hình 3.7 Cân lực khung xe 82 Hình 3.8 Sơ đồ mô hệ thống phanh 83 Hình 3.9 Đồ thị quãng đường phanh 85 Hình 3.10 Đồ thị vận tốc 86 Hình 3.11 Đồ thị gia tốc 86 DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TĐTLTT: Truyền động thuỷ lực tịnh tiến ĐĐT: Đường đặc tính MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ đồ thị Danh mục từ viết tắt Mở đầu Chương 1: Tổng quan ứng dụng hệ thống truyền động thủy lực ôtô mỏ 1.1 Sự phát triển ứng dụng kỹ thuật truyền động thuỷ lực ô tô mỏ 1.1.1 Lịch sử phát triển ô tô 1.1.2 Lịch sử phát triển thuỷ lực 1.1.3 Ứng dụng thuỷ lực ô tô vận tải mỏ 10 1.2 Ưu nhược điểm truyền động thuỷ lực ô tô vận tải mỏ 10 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý chung hệ thống thuỷ lực 10 1.2.2- Một số sơ đồ thuỷ lực dùng ô tô vận tải mỏ 14 1.3 Những vấn đề kỹ thuật cần nghiên cứu việc sử dụng hệ thống truyền động thuỷ lực ô tô mỏ 18 Chương 2: Hệ thống thủy lực xe ơtơ Volovo A35C tính toán hệ thống phanh thủy lực 20 2.1 Sơ đồ thuỷ lực xe nguyên lý làm việc 20 2.1.1 Sơ đồ thuỷ lực chung xe 20 2.1.2 Sơ đồ thuỷ lực hệ thống phanh 21 2.2 Tính tốn hệ thống phanh ơtơ Volvo A35C 23 2.2.1 Nguyên lý làm việc hệ thống phanh 23 2.2.2 Tính tốn lực phanh mơ men phanh 24 2.2.3 Tính tốn kiểm tra mạch thuỷ lực hệ thống phanh bánh xe trước 29 2.3 Các phương pháp điều chỉnh hệ thống thuỷ lực 55 2.3.1 Điều chỉnh phương pháp thể tích 56 2.3.2 Điều chỉnh tiết lưu 62 2.3.3 Điều chỉnh ổn lưu 69 Chương 3: Mô mối quan hệ thông số làm việc hệ thống phanh ôtô 71 3.1 Giới thiệu nội dung Matlab – Simulink 71 3.2 Sơ đồ mô 72 3.2.1 Xây dựng mơ hình tính toán 72 3.2.2 Mơ hình mơ xy lanh phanh cầu dẫn hướng 74 3.2.3 Mơ hình mơ xy lanh phanh cầu chịu tải 77 3.2.4 Mơ hình mơ má phanh đĩa phanh 80 3.2.5 Mô hệ thống phanh 81 3.3 Trình tự chạy chương trình kết mơ 83 3.3.1 Trình tự chạy chương trình 83 3.3.2 Kết mô 85 Kết luận, kiến nghị 88 Tài liệu tham khảo 89 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Theo đạo phủ, đến năm 2015, Tập đồn Cơng nghiệp than – Khoáng sản Việt Nam phải khai thác 100 triệu than/ năm Với mục tiêu ngành than không ngừng mở rộng sản xuất, đầu tư thiết bị khai thác than, thiết bị vận chuyển than… Sau thời gian làm việc, thiết bị khai thác, vận chuyển than phát sinh số vấn đề cần giải để đảm bảo an toàn sản xuất nâng cao hiệu khai thác thiết bị Thuỷ lực áp dụng thuỷ lực vào ngành cơng nghiệp, máy móc, thiết bị tương đối phổ biến đặc biệt ngành tự động hố Tuy nhiên cơng trình nghiên cứu phần tử thuỷ lực hệ thống thuỷ lực thiết bị cụ thể làm việc mỏ khai thác than Việt Nam hạn chế, đặc biệt hệ thống thuỷ lực ôtô vận tải mỏ, cần thiết phải có nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng phần tử thuỷ lực, sơ đồ thuỷ lực môi trường làm việc đến hiệu suất, tính ổn định hệ thống thuỷ lực thiết bị vận chuyển than Hiện việc sử dụng thiết bị vận chuyển khai thác than vùng mỏ Quảng Ninh có nhiều chủng loại thiết bị khác băng tải, tàu điện, tàu hoả, ơtơ…trong vận chuyển than, đất đá ôtô phổ biến Hiệu suất sử dụng, tính ổn định, tính an tồn ơtơ vận tải mỏ phụ thuộc nhiều vào hệ thống phanh chúng Do việc nghiên cứu hệ thống phanh thuỷ lực ôtô vận tải mỏ, phạm vi nghiên cứu đề tài, cần thiết, thuận lợi có tác dụng thiết thực Mục đích đề tài - Nghiên cứu hệ thống phanh ôtô vận tải mỏ, tính tốn mơ tính làm việc hệ thông phanh nhằm nâng cao hiệu phanh ơtơ để phục vụ sản suất Từ có thể: 76 x1   Pdh Axl  Ft  Fms m xlt x1    Pdh Axl  Ft  Fms dt  s mxlt (3.20) (3.21) Trong đó: - mxlt: khối lượng píttơng xy lanh phanh bánh xe cầu dẫn hướng - Ft: lực cản chuyển động má phanh tác dụng ngược trở lại pít tơng - s: độ dịch chuyển ban đầu pít tơng xy lanh để khắc phục khe hở má phanh với đĩa phanh - k: độ cứng vật liệu làm má phanh - Fms: lực cản nhớt dầu - : hệ số cản nhớt dầu Khi pít tơng xi lanh phanh cấu phanh bắt đầu dịch chuyển x1 s, má phanh bắt đầu biến dạng ép chặt vào đĩa phanh Như vậy, để điểu khiển tăng mô men phanh bánh xe, người ta điều khiển lưu lượng dầu từ cụm van điều khiển đến xi lanh phanh bánh xe cầu dẫn hướng * Mơ hình mơ xy lanh phanh cầu dẫn hướng - Đầu vào khối: + Qdh lưu lượng dầu chảy qua van điều khiển tới cấu phanh bánh xe phía trước bên trái - Đầu khối: + Pdh áp suất xy lanh phanh bánh xe cầu dẫn hướng + x1 độ dịch chuyển pít tơng xy lanh cơng tác 77 Hình 3.2 Sơ đồ mô xy lanh cầu dẫn hướng 3.2.3 Mơ hình mơ xy lanh phanh cầu chịu tải Quá trình vật lý xảy xy lanh phanh cấu phanh bánh xe cầu chịu tải tương tự cấu phanh bánh xe dẫn hướng Ta có Pct   K (Qct  xl x2 )dt Vct Vct  Vdoct  V xlct Vdoct   d V xlct  Axl  l doct  D l xlct  D (3.22) (3.23) (3.24) (3.25) (3.26) Trong đó: - d, ldoct: đường kính, chiều dài đường ống dẫn từ van điều khiển đến xy lanh phanh bánh xe cầu chịu tải 78 - Vdoct: thể tích đường ống dẫn dầu từ van điều khiển tới xy lanh phanh bánh xe cầu chịu tải Với ldoct = 13,326 m, d = 0,01 m ta có Vdoct 3,14.0,012  13,326  10,46.10 4 m - D, lxlct : đường kính, chiều dài xy lanh phanh bánh xe cầu chịu tải - Vxlct : thể tích khoang xy lanh phanh V xlct  12 3,14.0,065 0,08 =31,84.10-4 m - Vct: tổng thể tích đường ống dẫn dầu đến xy lanh phanh thể tích khoang xy lanh phanh Vct  10,46.10 4  31,84.10 4  42,3.10 4 m - Axl: diện tích làm việc xy lanh phanh Axl   D  3,14.0.065 2 33,17.10  m - x2: độ dịch chuyển pít tông xy lanh phanh bánh xe cầu chịu tải Phương trình xác định chuyển động pít tơng xy lanh cấu phanh bánh xe cầu chịu tải: m xlct x2  Pct Axl  Fs  Fms (3.27) Fms   x (3.28) Ft  k  x2  s  (3.29) x2  Pct Axl  Fs  Fms  m xls x2   Pct Axl  Fs  Fms dt  s m xlct (3.30) (3.31) Trong đó: - mxlct: khối lượng pít tơng xy lanh phanh bánh xe cầu chịu tải - Fs: lực cản chuyển động má phanh tác dụng ngược trở lại pít tơng 79 - s: độ dịch chuyển ban đầu pít tơng xy lanh để khắc phục khe hở má phanh với đĩa phanh - k: độ cứng vật liệu làm má phanh - Fms: lực cản nhớt dầu - : hệ số cản nhớt dầu Như vậy, mơ hình mơ xi lanh phanh cầu chịu tải gồm : - Đầu vào khối: + Qct lưu lượng dầu chảy qua van điều khiển tới cấu phanh bánh xe cầu chịu tải - Đầu khối: + Pct áp suất xy lanh phanh bánh xe cầu chịu tải + x2 độ dịch chuyển pít tơng xy lanh cơng tác Hình 3.3 Sơ đồ mô xy lanh phanh cầu chịu tải 80 3.2.4 Mơ hình mơ má phanh đĩa phanh Khi pít tơng xi lanh cơng tác cấu phanh dịch chuyển chưa khắc phục khe hở má phanh đĩa phanh xi  s coi lực Ft  Nếu pít tông xi lanh công tác cấu phanh bánh xe tiếp tục dịch chuyển, xi  s , má phanh biến dạng ép chặt vào đĩa phanh, lưu lượng dầu đến xi lanh công tác cấu phanh tiếp tục tăng lên, má phanh ép chặt vào đĩa phanh làm cho mô men phanh bánh xe tăng lên Mô men phanh tương ứng bánh xe: Mp1 Mp2 xác định: M p  f Ft rd (3.32) Trong đó: - Ft: lực ép, ép má phanh với đĩa phanh - f: hệ số ma sát má phanh với đĩa phanh - rd: bán kính trung bình ma sát Mơ hình mơ má phanh đĩa phanh gồm: - Đầu vào khối: + x1 dịch chuyển pít tơng xy lanh phanh cấu phanh bánh xe cầu dẫn hướng + x2 dịch chuyển pít tơng xy lanh phanh cấu phanh bánh xe cầu chịu tải - Đầu khối: + M p1 mô men phanh bánh xe cầu dẫn hướng + M p mô men phanh bánh xe cầu chịu tải 81 Hình 3.4 Sơ đồ mô má phanh đĩa phanh 3.2.5 Mơ hệ thống phanh Để mơ q trình phanh ta chia hệ thống làm cụm: bánh xe dẫn hướng, bánh xe cầu chịu tải khung xe Đối với bánh xe cầu dẫn hướng thông số đầu vào lưu lượng bơm Qb, lực phanh Pp1, thơng số đầu vận tốc góc 1 Quan hệ xác định phương trình: Hình 3.5 Sơ đồ mô chuyển động bánh xe trước 82 Vận tốc góc ban đầu 01 = v0/rbx nằm khối tích phân Tương tự ta có sơ đồ mơ bánh xe Hình 3.6 Sơ đồ mô chuyển động bánh xe sau Cân xe phanh thể phương trình 3.3 mô khối “Thân xe” với thông số đầu vào lực phanh Pp1, Pp2 thông số đầu gia tốc chậm dần xe vận tốc xe Sơ đồ mơ khối thân xe sau: Hình 3.7 Cân lực khung xe 83 Trên sở khối Subsystem xây dựng ta có chương trình mơ hệ thống phanh thường sau: Hình 3.8 Sơ đồ mơ hệ thống phanh 3.3 Trình tự chạy chương trình kết mơ 3.3.1 Trình tự chạy chương trình Chương trình chạy sở kết cấu xe hệ thống phanh cho Vận tốc bắt đầu phanh 40 km/h, lưu lượng bơm Qb = 9,57 lít/phút Các thơng số điều khiển q trình mơ lấy chế độ mặc định Q trình mơ dừng lại tốc độ ô tô tiến đến (được xác định khối STOP) Bước 1: Gọi lệnh: solieu.m Bước 2: Start mơ hình mophong.mdl 84 Script file số liệu: v0=40 m=32500 a=3.850 b=1.555 hg=1.6 g=9.81 i=0.118 rbx=0.9306 Kl_rieng= 7800 K= 3e+9 Axl=3.17*10^-4 Vxlt=21.23*10-4 Axl=3.17*10^-4 Vxlct=31.84*10^-4 lxlt=0.08 lxlct=0.08 Vxlt= Axl*lxlt Vxlct= Axl*lxlct mt= Vxlt*Kl_rieng ms= Vxlct*Kl_rieng Muy= 0.015 Vdot=6.53*10^-4 Vdoct=10.46*10^-4 Vdh= Vdot+Vxlt Vct= Vdoct+Vxlct k=7e+8 85 3.3.2 Kết mô Đồ thị kết bao gồm thời gian phanh (tp), quãng đường phanh (sp), vận tốc (vp), gia tốc (jp) 3.3.2.1 Đồ thị quãng đường phanh Thoi gian phanh (s) Hình 3.9 Đồ thị quãng đường phanh 86 3.3.2.2 Đồ thị vận tốc Thoi gian phanh (s) Hình 3.10 Đồ thị vận tốc 3.3.2.3 Đồ thị gia tốc Thoi gian phanh (s) Hình 3.11 Đồ thị gia tốc 87 Từ đồ thị kết ta thấy phanh tốc độ 40 km/h ứng với lưu lượng bơm 10 lít/ phút thì: Quãng đường phanh: sp = 13,6 m Thời gian phanh = 1,8 s Gia tốc chậm dần cực đại ô tô phanh ngặt jmax = 11,3 m/s2 Gia tốc ổn định phanh: = 10,3 m/s2 jođ Dựa vào kết mơ có nhận xét sau: - Quãng đường phanh sp = 13.6 m nằm giới hạn quãng đường phanh cho phép Theo tài liệu [1] - Nếu lưu lượng bơm cung cấp lớn (nghĩa tốc độ quay động cao) mơ men phanh sinh lớn dẫn đến quãng đường phanh sp thời gian phanh giảm - Tuyệt đối không cho ô tô chuyển động động xe ngừng hoạt động lúc lưu lượng bơm - Gia tốc phanh xe tương đối ổn định nhiên trách chế độ phanh gấp gia tốc chậm dần xe đạt giá trị jpmax dẫn đến ô tô ổn định 88 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Kết luận - Bản luận văn tổng hợp hình thành phát triển ngành cơng nghiệp tơ nói chung tơ vận tải mỏ nói riêng, đồng thời tổng hợp phát triển thuỷ lực ứng dụng hệ thống truyền động thuỷ lực ô tô vận tải mỏ - Đã trình bày hệ thống phanh thuỷ lực xe tơ Volvo A35C Đã tiến hành tính toán lý thuyết áp suất tổn hao áp suất mạch thuỷ lực hệ thống phanh Từ nêu lên quan hệ thơng số hệ thống phanh - Trên sở lý thuyết tính tốn, tác giả ứng dụng phần mềm Matlab – Simulink để mô mối quan hệ vận tốc xe, lưu lượng bơm thời gian phanh, quãng đường phanh, vận tốc phanh, gia tốc phanh - Những kết nghiên cứu luận văn có ý nghĩa thực tiễn cho việc vận hành, khai thác vận tải xe Volvo A35C Làm sở tài liệu cho hướng dẫn bảo dưỡng, sửa chữa, vận hành xe góp phần vào việc hồn thiện sở lý thuyết hệ thống thuỷ lực ô tô vận tải mỏ nói riêng máy mỏ nói chung Kiến nghị - Trong trình thực đề tài, tác giả nghiên cứu tổn hao áp suất bên hệ thống phanh thuỷ lực xe Volvo A35C, muốn có kết luận xác chúng cần phải nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố khác như: chế độ làm việc, khí hậu, thời tiết, chất lỏng công tác hệ thống phanh thuỷ lực - Để nhận kết nghiên cứu đầy đủ hơn, có ý nghĩa thực tế cao hơn, cần tiếp tục nghiên cứu cách toàn diện yếu tố ảnh hưởng đến khản làm việc ôtô điều kiện làm việc thực tế khắc nghiệt mơi trường mỏ nhằm tối ưu hố việc vận hành thiết bị, bảo dưỡng đầu tư thiết bị 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Ngọc Bích (2002), Lý thuyết ơtơ, Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Tp Hồ Chí Minh Ngơ Hắc Hùng (2010), Kết cấu tính tốn ơtơ, Nxb Giao thơng vận tải, Hà Nội Nguyễn Văn Hùng (2007), Đánh giá tính làm việc hệ thống thuỷ lực thiết bị nâng sử dụng xí nghiệp liên doanh dầu khí VietSovPetro, nhằm nâng cao hiệu khai thác thiết bị phục vụ sản xuất, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học mỏ địa chất Hà Nội Hoàng Thị Bích Ngọc (2007), Máy thuỷ lực thể tích phần tử thuỷ lực & cấu điều khiển trợ động, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Vũ Nam Ngạn (2006), Truyền động thuỷ lực khí nén, giáo trình cho ngành máy thiết bị mỏ, điện mỏ, Đại học mỏ địa chất Hà Nội, Hà Nội Roãn Văn Nghĩa (2010), Khảo sát kiểm nghiện hệ thống phanh xe Kamaz 65115 dùng mỏ Mạo Khê, Đồ án tốt nghiệp ngành máy thiết bị mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Phù Quang (2004), MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đức Sướng (2005), Truyền động thuỷ lực khí nén, giáo trình cao học, Đại học mỏ địa chất Hà Nội, Hà Nội Phạm Thị Thanh Tâm (2000), Thuỷ Lực máy thuỷ lực, Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Tp Hồ Chí Minh 10 Đồng Minh Tuấn (2008), Mô hệ thống chống trượt quay ô tô con, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Đại học bách khoa Hà Nội, Hà Nội 90 11 Đỗ Văn Vận (2010), Tính tốn hệ thống thuỷ lực máy xúc tải ZL50C, Đồ án tốt nghiệp ngành máy thiết bị mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội, Hà Nội 12 Repair mamual 1PZ, 1HZ, 1HD-T engine (1990), Toyota motor Corporation, Japan 13 Service manual A35C (ref no 21 431 3043), Volvo Construction Equipment, Sweden 14.Service manual A40D (ref no 21 431 3080), Volvo Construction Equipment, Sweden ... tài nghiên cứu xe tơ mỏ cịn hạn chế Với mục đích nghiên cứu hệ thống phanh thuỷ lực thường dùng xe ô tô vận tải mỏ, cụ thể xe ô tô Volvo A35C Đề tài: ? ?Nghiên cứu hệ thống phanh thuỷ lực ô tô vận. .. nghiên cứu đề tài - Đối tượng nghiên cứu đề tài ? ?tô vận tải mỏ khai thác than vùng mỏ Quảng Ninh - Phạm vi nghiên cứu đề tài: hệ thống phanh thuỷ lực ? ?tô vận tải mỏ, sâu nghiên cứu hệ thống phanh. .. phanh ô tô Volvo A35C Nội dung nghiên cứu đề tài - Tổng quan ứng dụng hệ thống truyền động thuỷ lực ? ?tô vận tải mỏ - Nghiên cứu hệ thống thuỷ lực xe ơtơ Volvo A35C tính tốn hệ thống phanh thuỷ lực