Sử dụng van tỷ lệ và van giảm áp trong điều khiển chính xác lực kẹp bom của máy đào gắp bom điều khiển từ xa

Bài báo tập trung vào việc xây dựng hoàn chỉnh mô hình động lực học hệ thống dẫn động cơ cấu kẹp. Trên cơ sở đó, thực hiện mô phỏng, tính toán để đưa ra quy luật thay đổi của các thông số động lực học trong quá trình kẹp bom.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 SỬ DỤNG VAN TỶ LỆ VÀ VAN GIẢM ÁP TRONG ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC LỰC KẸP BOM CỦA MÁY ĐÀO GẮP BOM ĐIỀU KHIỂN TỪ XA USING PROPORTIONAL VALVE AND REDUCING VALVE IN THE PRECISE CONTROL OF GRIPPING FORCE ON THE REMOTE CONTROLLED EXPLOSIVE DISPOSAL MACHINE NGUYỄN DUY ĐẠT1*, CHU VĂN ĐẠT1, LÊ VĂN SỸ2, LÊ VĂN DƯỠNG1 Khoa Động lực, Học viện Kỹ thuật Quân Trường Đại học Dầu khí Việt Nam *Email liên hệ: nguyenduydat1987@gmail.com Tóm tắt Máy đào gắp bom điều khiển từ xa thiết kế chế tạo Việt Nam sở nghiên cứu, thiết kế, tích hợp thiết bị lên máy sở Komatsu PC130-6 Một thao tác quan trọng máy gắp bom Ở thao tác này, yêu cầu độ xác (về lực kẹp, tốc độ tiếp xúc), tính an tồn đặt lên hàng đầu Để thực thao tác kẹp bom, máy sử dụng cấu kẹp gắp gồm má kẹp gầu xúc, dẫn động hệ thống thủy lực gồm bơm điều khiển LS-PC van điện tỷ lệ, van giảm áp Bài báo tập trung vào việc xây dựng hồn chỉnh mơ hình động lực học hệ thống dẫn động cấu kẹp Trên sở đó, thực mơ phỏng, tính tốn để đưa quy luật thay đổi thông số động lực học trình kẹp bom Quá trình điều khiển xác lực kẹp bom đánh giá đầy đủ, từ phân tích, đưa khuyến cáo cần thiết cho trình thiết kế, điều khiển vận hành cấu kẹp bom Từ khóa: Cơ cấu kẹp, hệ thống thủy lực, bơm LSPC, van tỷ lệ, van giảm áp Abstract The remote controlled explosive disposal machine is designed and manufactured in Vietnam on the basis of research, design, and integration of equipments on the Komatsu PC130-6 base machine One of the important operations of the machine is the bomb gripping In this operation, the requirements of accuracy (about gripping force, contact speed), and safety are put in the first place To perform the bomb gripping operation, the machine uses a gripping mechanism consisting of a gripper and an excavator bucket, driven by a hydraulic system including an LS-PC controlled pump and proportional electric valves and pressure reducing valves The article focuses SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) on building a complete dynamic model of the gripping mechanism drive system On that basis, perform simulations and calculations to give the law of dynamic parameters during bomb gripping The precise control of the bomb gripping force is fully evaluated, thereby the necessary recommendations are given for the design process as well as for controlling the operation of the bomb gripping mechanism Keywords: The gripping mechanism, hydraulic system, pump LS-PC, proportional valve, pressure reducing valve Đặt vấn đề Máy đào gắp bom điều khiển từ xa Việt Nam nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sở máy đào thủy lực Komatsu PC130-6 Máy tích hợp chức để phục vụ công tác xử lý bom mìn như: Cơ cấu đào đất - kẹp gắp bom, thiết bị Ra đa xuyên đất, thiết bị xói tia nước áp lực cao, bơm hút nước tiêu ngập, búa thủy lực hệ thống thủy lực điều khiển từ xa chỗ Các phận máy thể Hình Máy đào gắp bom điều khiển từ xa Việt Nam có số khả vượt trội so sánh với xe Cơng binh nước ngồi (Ubim Nga, Wisent Đức Kodiak Anh) như: Khả điều khiển từ xa, khả tự dò tìm, khả xử lý hố đào,… Cơ cấu đào đất - kẹp bom vừa có khả đào đất, vừa kẹp gắp bom xoay góc kẹp gắp khác Trong nghiên cứu [1], tác giả đưa phân tích động lực học cấu đào đất - kẹp gắp bom sử dụng hệ thống dẫn động thủy lực gồm: Bơm có điều khiển LS-PC, van servo điều khiển tao tác kẹp gắp xoay, sử dụng phản hồi áp suất thơng qua cảm biến áp suất khoang pít tơng xi lanh kẹp Vì nhiều lý khác (dịch bệnh, giá cả, thời 407 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 gian giao hàng) ý tưởng sử dụng van servo thực được, nhóm nghiên cứu định chuyển hướng sử dụng phương án tích hợp van giảm áp van điện tỷ lệ để điều khiển thao tác kẹp bom, thao tác xoay sử dụng van chờ máy đào sở Áp suất khoang pít tơng xi lanh kẹp vận tốc dịch chuyển pít tơng cần đạt quy luật Hình Khi bắt đầu tiếp xúc với bom, áp suất khoang pít tông dần đạt giá trị cài đặt, đồng thời vận tốc tiếp xúc giảm dần giá trị Hình Đồ thị áp suất vận tốc tiếp xúc bom u cầu Mơ hình động lực học Cơ cấu kẹp bom - hệ thống dẫn động Hình Máy đào gắp bom ĐKTX Téc nước 1,1m3; Bơm chìm đặt téc; Máy phát điện 7,5kW; Camera giám sát 360°; Lớp bảo vệ Cabin lái; Đối trọng cân cho téc nước; Cơ cấu bảo vệ hệ dẫn động bơm, radar; Hệ dẫn động Radar chuyển động tịnh tiến; Cơ cấu quay gầu; 10 Hệ dẫn động bơm bùn chuyển động tịnh tiến; 11 Hai camera giám sát trình đào, gắp; 12 Cơ cấu kẹp bom Khi tính tốn, mô động lực học cấu kẹp bom hệ thống dẫn động cần đưa giả thiết sau: - Hệ số lưu lượng cửa công tác van khơng đổi; - Khối lượng pít tơng servo bơm coi nhỏ so với thành phần lực dẫn động, bỏ qua; - Rị rỉ dầu qua khe hở hướng kính trượt van phân phối xi lanh công tác bỏ qua; - Áp suất đường dầu hồi không đổi coi không; - Khối lượng tay kẹp bom coi không đáng kể, chưa tiếp xúc bom, xi lanh chạy không tải; - Lớp giảm chấn tay kẹp bom coi cấu có tính đàn nhớt Theo [7], [8] xây dựng hồn chỉnh mơ hình động lực học bơm chính, thể Hình Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực dẫn động xi lanh kẹp Tay điều khiển điện; Bộ điều khiển khuếch đại tín hiệu; 3,4 Xi lanh kẹp; Khối van thủy lực; Khối bơm Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực dẫn động kẹp gắp bom thể Hình Để điều khiển xác lực kẹp bom, hệ thống sử dụng hệ thống thủy lực với bơm máy sở, khối van thủy lực gồm van phân phối điện tỷ lệ van giảm áp điều chỉnh khí Tín hiệu điều khiển LS lấy sau van phân phối tỷ lệ để điều khiển bơm Với việc xác định trước loại bom cần xử lý, tính tốn áp suất kẹp cần thiết cài đặt van giảm áp với giá trị phù hợp 408 Hình Sơ đồ tính tốn bơm pít tơng hướng trục đĩa nghiêng điều khiển LS-PC phản hồi khí SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 khiển; k - Độ cứng lị xo van Mơ hình tốn van phân phối tỷ lệ thể Hình Hình Mơ hình tính tốn cấu kẹp bom xi lanh dẫn động Mơ hình tính tốn q trình kẹp bom chia thành giai đoạn: Giai đoạn chưa tiếp xúc giai đoạn tiếp xúc Ở giai đoạn đầu xi lanh chạy không tải áp suất bắt đầu tăng dần giai đoạn tiếp xúc tiến dần đến giá trị cài đặt Hình Mơ hình tính tốn van phân phối tỷ lệ Phương trình lưu lượng dịch chuyển trượt van bù áp biểu diễn dạng sau: Qcom = kQx1.xcom + kQp1.( p1 - p2 ) (5) p2 Acom = pcy Acom + kcom xcom (6) Trong đó: kQx1 , kQp1 - Các hệ số tuyến tính hóa; p2 - Áp suất sau van bù áp; Acom - Tiết diện tác dụng Hình Mơ hình tính tốn van giảm áp áp suất điều khiển; kcom - Độ cứng lò xo van bù áp Theo [1], phương trình động lực học cấu kẹp bom dạng Laplace sau: Lực quán tính, khối lượng trượt nhỏ, bỏ qua, lực đàn hồi lị xo van tỷ lệ cân với lực điện từ, tức là: Fcy pcy (s) - (m pi s2 + k fri -cy s) y pi (s) = Plo (1) Trong đó: m pi - Khối lượng pít tơng; k fri -cy - Hệ số ma sát xi lanh; Plo - Tải trọng tác dụng lên đầu cán xi lanh Tải trọng Plo tính sau: ék ( y pi - y0 ) + C y pi y pi ³ y0 Plo = ê êë0 y pi < y0 (2) Phương trình lưu lượng qua van giảm áp có dạng sau: Qre = kQx xre + kQp ( p p - p1 ) (7) kv xv = ki i Trong đó: i - Cường độ dòng điện cuộn dây điều khiển; ki - Hệ số sức điện động; - Độ cứng lò xo van tỷ lệ; xv - Dịch chuyển trượt van Lưu lượng qua van tỷ lệ xác định sau: Qv = kQxv xv + kQpv ( p2 - pcy ) (8) Lưu lượng qua van bù áp van phân phối tỷ lệ nhau, đồng thời nửa lưu lượng qua van giảm từ phương trình (3), (5), (8) ta có: kQx1 xcom + kQp1 ( p1 - p2 ) = kQxv xv + kQpv ( p2 - pcy ) (9) (10) (3) Trong đó: kQx , kQp - Các hệ số tuyến tính hóa; p p - Áp suất bơm chính; p1 - Áp suất sau van giảm áp Phương trình dịch chuyển trượt van giảm áp (bỏ qua khối lượng trượt van): (4) p1.A = k.xre A Trong đó: - Tiết diện tác dụng áp suất điều SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Sơ đồ tính tốn cấu kẹp bom dẫn động điều khiển 409 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Chương trình mơ tính tốn LMS Amesim Khảo sát ảnh hưởng thơng số đến điều khiển q trình kẹp bom Để khảo sát trình kẹp bom sử dụng phần mềm LMS Amesim hãng Siemens, phần mềm sử dụng rộng rãi giới nghiên cứu hệ thống - điện - điều khiển phức tạp Các thông số ban đầu [1, 8, 10]: Bơm LS-PC: Tốc độ vòng quay 1000v/ph, lưu lượng riêng 95cc/v; Đường kính pít tơng servo chia theo tỷ lệ 1:2 tương ứng 20:40 (mm); Đường kính trượt van LS, PC: 10mm xi lanh kẹp khác Kết hợp với Hình 13, nhận thấy, tín hiệu điều khiển nhỏ 200, 400 mA, xi lanh di chuyển đoạn ngắn áp suất kẹp không đạt yêu cầu Chỉ mức tín hiệu 800mA, giá trị áp suất kẹp đạt u cầu đặt Điều giải thích được, tín hiệu điều khiển nhỏ, hình thành áp suất khoang pít tơng xi lanh kẹp làm cho dịng dầu có xu hướng hồi thùng qua cửa T áp suất kẹp tăng đến giá trị yêu cầu Van an toàn tổng: Áp suất cài đặt 350bar, lưu lượng lớn 250l/ph Van giảm áp: Áp suất cài đặt đầu p1 = 80bar; Lưu lượng lớn qua van Q re = 38l/ph Van tỷ lệ: Dòng điện điều khiển i max = 800mA; Áp suất làm việc lớn p max = 350bar; Lưu lượng lớn qua van Q max = 23l/ph Hình 10 Tín hiệu điều khiển van giảm áp Xi lanh kẹp bom: Đường kính pít tơng Dev=60mm; Đường kính cán pít tơng dev = 40mm; Hành trình xi lanh s = 320mm Khoảng cách dịch chuyển không tải l0 = 200mm Tính tốn gắp bom lớn MK-84 có trọng lượng 907kg, áp suất kẹp cần thiết tính tốn xấp xỉ 80bar Theo Hình 10, 11, 12, tín hiệu điều khiển van phân phối tỷ lệ thay đối mức 200, 400, 800 mA, quy luật thay đổi dịch chuyển, vận tốc 410 Hình 11 Dịch chuyển xi lanh kẹp dòng điện điều khiển khác SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 đạt áp suất điều khiển cần thiết - Việc lắp đặt lớp giảm chấn cần lựa chọn độ cứng phù hợp, theo nghiên cứu với độ cứng k=10 6N/m đáp ứng tốt yêu cầu đặt - So với phương án sử dụng van servo kết hợp cảm biến áp suất [1], việc giá thành rẻ việc sử dụng van giảm áp kết hợp van tỷ lệ khơng có hình thành xung áp suất trình kẹp TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 12 Vận tốc xi lanh kẹp dịng điện điều khiển khác Hình 13 Áp suất kẹp bom dòng điện điều khiển khác Hình 14 Dịch chuyển, vận tốc xi lanh kẹp thay đổi hệ số đàn hồi Theo Hình 14, với hệ số đàn hồi lớp giảm chấn khác nhau, dịch chuyển, vận tốc có thay đổi rõ rệt Với độ cứng k = 104÷105N/m, sau tiếp xúc, xi lanh tiếp tục di chuyển đoạn dài 10cm, với độ cứng k = 106N/m, độ dịch chuyển thêm xi lanh cịn 2cm theo Hình 13 khơng có xung áp suất xảy Kết luận Qua phân tích động lực học rằng: - Việc sử dụng van giảm áp kết hợp van tỷ lệ đem lại kết phù hợp với yêu cầu đặt áp suất kẹp tốc độ tiếp xúc bom Tuy nhiên, tín hiệu điều khiển cần đảm bảo yếu tố, chưa tiếp xúc bom, điều khiển mức tín hiệu thấp, bắt đầu tiếp xúc cần điều khiển mức tín hiệu cao nhằm đảm bảo khả SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) [1] Nguyễn Duy Đạt, Chu Văn Đạt, Lê Văn Sỹ, Sử dụng van servo q trình điều khiển xác lực kẹp bom máy đào gắp bom điều khiển từ xa, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (Số đặc biệt 10/2020), tr.47-54, 2020 [2] Trần Quang Hùng, Đỗ Doãn Phi, Lê Trọng Cường, Trần Hữu Lý, Truyền động thủy lực Xe máy Công binh, Học viện kỹ thuật Quân sự, 2013 [3] Bùi Hải Triều, Nguyễn Đình Tùng, Truyền động điều khiển thủy lực ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2017 [4] Trần Xuân Tùy, Trần Minh Chính, Trần Ngọc Hải, Hệ thống truyền động thủy khí, Đà Nẵng, 2005 [5] Попов Д.Н., Динамика и регулирование гидрои пневмосистем, Машиностроение, 1987 [6] А Г Гимадиев, LMS Imagine.lab Amesim Как эффективное средство моделирования динамических процессов в мехатронных системах, Самара, 2014 [7] Dat Nguyen Duy, Dat Chu Van, Sy Le Van, Modelling and simulation of the hydraulic system on EODM machine, The Second International Conference on Material, Machines, and Methods for Sustainable Development, 2020 [8] Dat Nguyen Duy, Dat Chu Van, Sy Le Van, Dynamic analysis and simulation of the hydraulic control system on the remote-controlled explosive ordnance disposal machine, The international journal of manufacturing, materials, and mechanical engineering (IJMMME), 1/2021 [9] Nicolae Vaseliu, Radu Puhalschi, Simulation of fluid power systems with Simcenter Amesim, Siemens - Germany, 2018 [10] Shop manual Komatsu PC120, 130-6 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 29/6/2021 09/8/2021 15/8/2021 411 ... Để điều khiển xác lực kẹp bom, hệ thống sử dụng hệ thống thủy lực với bơm máy sở, khối van thủy lực gồm van phân phối điện tỷ lệ van giảm áp điều chỉnh khí Tín hiệu điều khiển LS lấy sau van. .. (10-2021) [1] Nguyễn Duy Đạt, Chu Văn Đạt, Lê Văn Sỹ, Sử dụng van servo q trình điều khiển xác lực kẹp bom máy đào gắp bom điều khiển từ xa, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (Số đặc biệt 10/2020), tr.47-54,... - ĐỘNG LỰC 2021 gian giao hàng) ý tưởng sử dụng van servo thực được, nhóm nghiên cứu định chuyển hướng sử dụng phương án tích hợp van giảm áp van điện tỷ lệ để điều khiển thao tác kẹp bom, thao