Cải thiện đặc tính động lực học tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực (luận án tiến sĩ kỹ thuật)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn dƣới hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu đƣợc thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả Phạm Xuân Hồng Sơn TÓM TẮT LUẬN ÁN Van servo điện thủy lực phần tử hệ thống điều khiển thủy lực điện thủy lực mà kỹ thuật khí, thủy lực điện tử đƣợc kết hợp cách hoàn hảo Với điểm bật nhƣ đáp ứng động lực học nhanh, độ xác điều khiển cao tuổi thọ cao, van servo điện thủy lực đƣợc sử dụng rộng rãi ngành nhƣ: vũ trụ, khơng gian, cơng nghiệp hóa chất, ngành luyện kim, vv… Van servo vòi phun điện thủy lực loại van phổ biến van servo điện thủy lực Dựa vào lƣợng lớn tài liệu nghiên cứu gần nƣớc ngồi, thơng tin chi tiết phát minh ứng dụng van servo điện thủy lực châu Âu, Á Mỹ, luận án thu thập nhiều liệu quan trọng để từ xây dựng phƣơng pháp lý thuyết để thiết kế van servo vòi phun điện thủy lực Thơng qua tình hình ứng dụng van servo điện thủy lực Việt Nam nƣớc cần thiết phải phát triển loại sản phẩm Từ việc trình bày chi tiết kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực hai cấp phản hồi lực, cân lực “động điều khiển xoay” (torque motor), cụm phần ứng trƣợt, luận án đề xuất phƣơng pháp lý thuyết, xây dựng mơ hình tốn thiết kế tối ƣu thơng số kết cấu khí cho van servo Trong “động điều khiển xoay”, cọc (càng) đàn hồi đƣợc xem nhƣ phần tử đàn hồi khó dự đốn trƣớc van servo hoạt động Bằng phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với phần mềm mô theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn, luận án xác định đƣợc độ cứng uốn tối ƣu cho cọc đàn hồi Nghiên cứu cịn cho thấy đặc tính động lực học cụm phần ứng „động điều khiển xoay‟ van servo vịi phun có liên quan đến độ cứng tổng hợp momen quán tính khối lƣợng cụm phần ứng, mơ hình tốn xác định độ cứng tối ƣu cho cụm phần ứng momen quán tính khối lƣợng cụm phần ứng đƣợc đề xuất Vì van servo vòi phun điện thủy lực đƣợc sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển thủy lực ngành hàng không, vũ trụ, công nghiệp luyện kim, hóa chất vv cần kích thƣớc nhỏ gọn nhƣng lại có kết cấu phức tạp nên yêu cầu đòi hỏi độ tin cậy làm việc van servo cao, từ việc cải thiện đáp ứng động lực học cần thiết để van hoạt động tốt điều kiện làm việc khác môi trƣờng thời tiết khắc nghiệt ABSTRACT Electro-hydraulic servo valves are key units in servo control system and highly combined components with mechanical, hydraulic and electronic technology With advantages such as rapid dynamics response, high controlling accuracy and long working life, electro-hydraulic servo valve have been widely used in aerospace, metallurgy, chemical industry and so on Jet pipe servo valve is the most common kind of servo valve However, the former has been replaced by the latter in the foreign aeroplane system and abroad companies and governments exercise strict control and blockade on technology introduction As a result, there is no complete theory and design principle on jet pipe electro-hydraulic servo valve in VietNam Referring to a large number of recent research materials on abroad, detailed introduction of patents and applications of servo valve products in Europe and America on papers, the dissertation has collected many important data for developing the theoretical method of designing electro hydraulic servo valve Based on the situation of servo valve research in Vietnam and oversea, it pointed out the difficulties in researching and developing this product Through recommendation of servo valve structure, it has made a detailed introduction of the structure of jet pipe servo valve with force feedback and analysis of force balances of torque motor, jet pipe feedback armature assembly and slide valve spool, it provides a theoretical base for setting up the mathematical model of jet pipe servo valve In torque motor, the feedback spring pole is identified as more critical spring elements in servo valve operation If this element is properly designed with respect to stiffness, automatically dynamics performance of the servo valve will be improved An attempt has been made to predict stiffness of this element by finite element method Besides, dynamics characteristics of the armature assembly in jet pipe electro-hydraulic torque motor is involved by the stiffness of armature assembly and moment of mass inertia of armature assembly Therefore, mathematical models for prediction and estimate of optimal stiffness of the armature assembly and of moment of inertia of armature assembly are established While jet pipe servo valves frequently work in aerospace hydraulic system and their structures are complicated and sizes are limited, high requirements should be put on reliability of components in working of servo valve Hence, the improvement of the operating characteristics of torque motor and drive part is necessary for guaranteeing of normal work and improving its performance stability in electro-hydraulic jet pipe servo valve LỜI CẢM ƠN Công việc nghiên cứu luận án đƣợc hoàn thành dƣới hƣớng dẫn PGS TS Trần Thiên Phúc, Ban giám hiệu trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM Bắt đầu từ việc chọn đề tài, tiến hành nghiên cứu đến hồn thành luận án có hƣớng dẫn tâm huyết thầy Vì vậy, tác giả đặc biệt trân trọng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy hƣớng dẫn Trần Thiên Phúc Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Phạm Huy Hồng, cơng tác trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM đóng góp nhiều ý kiến có giá trị cao suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án Tác giả xin cảm ơn đến thầy giáo, cô giáo tham gia giảng dạy đào tạo trình tác giả làm nghiên cứu sinh trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM Đồng thời, tác giả xin cảm ơn đến quý viện nghiên cứu 704 thuộc tập đồn cơng nghiệp nặng tàu thủy Thƣợng Hải (Trung Quốc) cung cấp tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả làm thực nghiệm Tác giả xin cảm ơn thầy giáo, cô giáo mơn chế tạo máy Khoa khí thuộc trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM Cuối tác giả ghi lòng hỗ trợ vật chất động viên tinh thần ngƣời thân gia đình bạn bè, đồng nghiệp suốt trình nghiên cứu sinh hoàn thành luận án TP.HCM, tháng năm 2020 i MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Bối cảnh ý nghĩa phát triển van servo vòi phun điện thủy lực 1.1.1 Bối cảnh phát triển van servo điện thủy lực 1.1.2 Ý nghĩa nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực 1.2 Xu hƣớng phát triển van servo vòi phun điện thủy lực 1.3 Hiện trạng nghiên cứu ứng dụng van servo vòi phun điện thủy lực 1.3.1 Hiện trạng nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực 1.3.2 Ứng dụng quan trọng van servo vòi phun điện thủy lực 13 1.4 Mục tiêu ý nghĩa luận án 17 CHƢƠNG MƠ HÌNH TỐN VAN SERVO VỊI PHUN ĐIỆN THỦY LỰC HAI CẤP PHẢN HỒI LỰC 19 2.1 Nguyên lý làm việc & kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực 20 2.2 Dòng chảy vòi phun 25 2.2.1 Các trạng thái dòng chảy vòi phun 25 2.2.2 Kết cấu hệ thống điều khiển thủy lực 29 2.3 Mơ hình tốn van servo vòi phun điện-thủy lực 30 2.3.1 Mơ hình tốn torque motor van servo vịi phun 30 2.3.2 Mơ hình tốn cấp cơng suất van servo vịi phun 38 2.3.3 Mơ hình chuyển vị vịi phun van servo vịi phun 43 2.4 Đặc tính tĩnh van servo vòi phun điện thủy lực 44 2.4.1 Đặc tính lƣu lƣợng rị rỉ 44 2.4.2 Đặc tính lƣu lƣợng khơng tải 45 2.4.3 Đặc tính lƣu lƣợng phụ tải 46 2.4.4 Đặc tính áp suất 48 2.5 Tiểu kết 48 CHƢƠNG PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH CỦA CỌC ĐÀN HỒI VAN SERVO VÒI PHUN ĐIỆN THỦY LỰC 49 3.1 Kết cấu cọc đàn hồi van servo vòi phun điện thủy lực 49 3.2 Phân tích đặc tính cọc đàn hồi van servo vòi phun 51 3.2.1 Nguyên lý làm việc cọc đàn hồi 51 3.2.2 Thiết kế tối ƣu độ cứng uốn cọc đàn hồi van servo vòi phun 52 3.2.2.1 Hàm mục tiêu 53 3.2.2.2 Xác định độ cứng uốn cọc đàn hồi 57 3.3 Xác định độ cứng cọc đàn hồi phần mềm Abaqus 63 ii 3.3.1 Giới thiệu phần mềm mô Abaqus 63 3.3.2 Xác định độ cứng cọc đàn hồi mô 63 3.4 Kiểm nghiệm độ bền cọc đàn hồi van servo vòi phun 66 3.5 Tiểu kết 69 CHƢƠNG THIẾT KẾ ĐỘ CỨNG VÀ MOMEN QUÁN TÍNH KHỐI LƢỢNG CỦA CỤM PHẦN ỨNG VAN SERVO VÒI PHUN 70 4.1 Hàm truyền van servo vòi phun điện thủy lực 70 4.1.1 Đặc tính tần số đặc tính thời gian van servo vòi phun 70 4.1.2 Hàm truyền sơ đồ hàm truyền van servo vòi phun 73 Torque motor ảnh hƣởng thông số torque motor đến đặc tính động 4.2 lực học van servo vòi phun 77 4.2.1 Torque motor van servo vòi phun điện thủy lực 77 4.2.2 Ảnh hƣởng thông số torque motor đến đặc tính động lực học 78 4.2.2.1 Ảnh hƣởng số vịng cuộn dây đến đặc tính động lực học 79 4.2.2.2 Ảnh hƣởng độ dài khe hở đến đặc tính động lực học 80 4.2.2.3 Ảnh hƣởng khoảng cách đến đặc tính động lực học 80 4.2.2.4 Ảnh hƣởng diện tích mặt cực đến đặc tính động lực học 81 4.2.2.5 Ảnh hƣởng độ cứng tổng hợp đến đặc tính động lực học 82 4.2.2.6 Ảnh hƣởng áp suất nguồn dầu đến đặc tính động lực học 82 4.2.2.7 Ảnh hƣởng nhiệt độ/tỷ trọng dầu đến đặc tính động lực học 83 4.2.2.8 Ảnh hƣởng dịng điện đến đặc tính động lực học 84 4.3 Thiết kế độ cứng tổng hợp động điều khiển xoay 85 4.3.1 Độ cứng tổng hợp độ cứng ống đàn hồi 85 4.3.2 Tính toán tối ƣu độ cứng torque motor 88 4.4 Cụm phần ứng van servo vòi phun điện thủy lực 101 4.5 Ảnh hƣởng momen quán tính khối lƣợng cụm phần ứng đến đặc tính động lực học van servo vịi phun điện thủy lực 101 4.5.1 Độ rộng băng thông tần số tầng điều khiển van 101 4.5.2 Phân tích mơ hình tốn cụm phần ứng 102 4.6 Xác định momen quán tính khối lƣợng cụm phần ứng 104 4.6.1 Hàm truyền đạt cụm phần ứng 104 4.6.2 Xác định giá trị tối ƣu momen quán tính khối lƣợng 105 4.7 Tiểu kết 109 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 110 5.1 Thực nghiệm momen quay torque motor van servo vòi phun 110 5.1.1 Mục đích thực nghiệm 110 5.1.2 Thiết bị thực nghiệm 110 iii 5.1.3 Thực nghiệm 113 5.2 Thực nghiệm đặc tính tĩnh van servo vịi phun điện thủy lực 114 5.2.1 Mục đích thực nghiệm 114 5.2.2 Thiết bị thực nghiệm 114 5.2.3 Thực nghiệm 116 5.3 Thực nghiệm đặc tính động lực học tầng điều khiển van vịi phun 118 5.3.1 Mục đích thực nghiệm 118 5.3.2 Thiết bị thực nghiệm 118 5.3.3 Thực nghiệm 121 5.3.4 Nhận xét kết luận thực nghiệm 124 5.3.5 Thực nghiệm với momen quán tính cụm phần ứng 126 5.4 Tiểu kết 128 CHƢƠNG TỔNG KẾT HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 129 6.1 Tổng kết 129 6.2 Hƣớng phát triển đề tài 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 138 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu a Diễn giải khoảng cách từ tâm mặt cực từ đến tâm quay phần ứng, tức cánh tay momen lực điện từ Ag diện tích bề mặt cực từ Av diện tích mặt đầu trƣợt van C hệ số giảm chấn nhớt trƣợt (trục van) Ca hệ số giảm chấn nhớt cụm phần ứng Cc chiều cao cột áp, Cc : số Ct tổng hệ số rò rỉ van servo vòi phun Cv hệ số vận tốc D đƣờng kính ống d đƣờng kính cọc đàn hồi E môđun đàn hồi Young vật liệu cọc đàn hồi e Sai số xác lập hệ thống E0 modul đàn hồi thể tích chất lỏng F lực hút điện từ g độ dài khe hở phần ứng vị trí giữa, h1-2 tổn thất cột áp I momen quán tính chống uốn mặt cắt ngang cọc ic dòng điện điều khiển đầu vào Ja momen quán tính khối lƣợng cụm phần ứng K1 hệ số khuếch đại tốc độ Ka độ cứng ống đàn hồi Kam độ cứng tĩnh torque motor Kc hệ số lƣu lƣợng-áp suất van Kf độ cứng uốn cọc đàn hồi Km độ cứng đàn hồi từ với phần ứng torque motor Kmf độ cứng tổng hợp torqur motor Kq hệ số gia tăng lƣu lƣợng van servo vòi phun Kqr hệ số gia tăng lƣu lƣợng vòi phun Kt hệ số momen điện từ ứng với phần ứng vị trí torque motor Ku hệ số khuếch đại điện áp khuếch đại Kvf hệ số khuếch đại vòng hở đƣờng phản hồi lực v l khoảng cách từ tâm chốt quay đến miệng vòi phun van L điện cảm dòng điện điều khiển ic l0 chiều dài cọc đàn hồi M0 từ động nam châm vĩnh cửu Mmax momen uốn lớn cọc đàn hồi Mp lƣợng mức mv khối lƣợng trƣợt (trục van) Nc số vịng cuộn dây điều khiển Nc ∆i từ động điều khiển dòng điện điều khiển sinh P áp suất tác dụng lên đơn vị thể tích chất lỏng p0 chênh lệch áp suất cửa van pL áp suất phụ tải van q lƣu lƣợng qua cửa van hình chữ nhật lý tƣởng qL lƣu lƣợng đầu van, tức lƣu lƣợng để đẩy trƣợt di chuyển r khoảng cách từ tâm quay cọc phản hồi đến đầu mút cọc phản hồi R điện trở dòng điện điều khiển ic R1 từ trở khe hở ① R2 từ trở khe hở ② R3 từ trở khe hở ③ R4 từ trở khe hở ④ Rc điện trở cuộn dây điều khiển Re Số Reynold Rg từ trở khe hở vị trí (vị trí 0), s tốn tử Laplace T momen xoắn ống đàn hồi Td momen sinh phần ứng có dịng điện vào torque motor TL momen phụ tải uc điện áp điều khiển khuếch cấp cho torque motor ug điện áp điều khiển vào khuếch đại uθ suất phản điện động torque motor V vận tốc dòng chảy v vận tốc dòng chảy qua mặt cắt nhỏ cửa van V0 dung tích khoang áp suất trƣợt nằm vị trí w độ bậc diện tích cửa van Wx mơ đun chống uốn mặt cắt x khoảng di chuyển lệch khỏi vị trí đầu phần ứng xf thành phần đáp ứng cƣỡng phƣơng trình vi phân vi xj chuyển vị miệng vòi phun xn thành phần đáp ứng tự nhiên phƣơng trình vi phân bậc hai xv chuyển vị trƣợt (trục van) z chiều cao cột áp hình học  u vận tốc dịng lƣu chất e modul đàn hồi thể tích mơi chất dầu  max độ võng lớn 1 ,  hệ số phụ thuộc vào chế độ dòng chảy, dòng chảy rối, dòng chảy tầng ∆i chênh lệch cƣờng độ dịng điện hai cuộn dây µo suất từ thẩm chân khơng β góc dịng chảy qua cửa van theo hƣớng trục δ độ võng cọc đàn hồi ε biến dạng cọc đàn hồi ζ tỷ số giảm chấn nhớt ζmf tỷ số giảm chấn khí torque motor θ góc quay phần ứng, tức góc quay ống đàn hồi μ độ nhớt động lực lƣu chất ν độ nhớt động học lƣu chất ρ mật độ khối lƣợng môi chất ζ ứng suất uốn phát sinh bên cọc đàn hồi ϕ từ thông qua cực từ ϕ1 từ thông qua khe hở ① ③ ϕ2 từ thông qua khe hở ② ④ ϕa từ thông phần ứng ϕc thông lƣợng điều khiển khe hở phần ứng vị trí ϕg từ thơng phân cực khe hở phần ứng vị trí ω tần số góc chuyển động hệ thống trạng thái bị cản ωa tần số chuyển trạng thái cuộn dây ωb độ rộng băng thông ωmf tần số tự nhiên torque motor ...ệ dịng điện điều khiển lƣu lƣợng đầu Thực nghiệm đặc tính động lực học tầng điều khiển van vòi phun 5.3 Tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực giữ vai trò quan trọng van, đáp ứng động lự... đại thủy lực hai loại van servo điện thủy lực (a) Van servo vòi phun điện thủy lực; (b) Van servo chắn điện thủy lực Bảng 0.1 Tiêu chí đánh giá / so sánh van servo vịi phun chắn Thơng số Van. ..c nghiệm đặc tính động lực học tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực đƣợc trình bày hình 5.7 Hình 5.8a sơ đồ nguyên lý thiết bị dùng thực nghiệm đặc tính động lực học cho tầng điều khiển va