7. Các kết quả mới
3.3.2 Thiết bị thực nghiệm đo ma sát trong xylanh –piston khí nén
3.3.2.1 Thiết bị tạo ôi trường nhi t ẩm BKNA1
Thiết bị BKNA01 là thiết bị thử nghiệm nhiệt ẩm của Bộ môn Máy và Ma sát học, Viện Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội có khả năng tạo ra môi trƣờng đặc trƣng nhiệt đới ẩm của Việt Nam.
- Thông số kỹ thuật của thiết bị tạo nhiệt ẩm: - Nhiệt độ: 15 ÷ 500C ± 10C;
- Độ ẩm tƣơng đối : 51 ÷ 99% ± 2%; - Kích thƣớc của tủ: 600x500x400mm;
- Dùng cảm biến nhiệt ẩm SHT11 để nhận biết nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối; - Hệ thống quạt để lƣu thông khí trong tủ;
- Chức năng điều khiển: Tăng nhiệt độ thông qua bộ phận gia nhiệt; Giảm nhiệt thông qua giàn lạnh; Tăng độ ẩm thông qua thiết bị phun ẩm; Giảm ẩm thông qua giàn lạnh.
D (mm)
72 Nguyên lý hoạt động của tủ nhiệt ẩm: Khi bắt đầu làm việc hệ thống quạt lƣu thông không khí đƣợc khởi động và trên màn hình điều khiển của tủ hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm tƣơng đối tức thời của môi trƣờng (T0, RH0). Đặt chế độ nhiệt ẩm cần thí nghiệm (T1, RH1). Bộ điều khiển thực hiện so sánh nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối theo yêu cầu với nhiệt độ và độ ẩm tức thời môi trƣờng và điều khiển các thiết bị gia nhiệt, giàn lành và thiết bị phun ẩm để đạt đƣợc chế độ nhiệt ẩm theo yêu cầu.
Do thí nghiệm đo ma sát nên thời gian thí nghiệm là tƣơng đối ngắn để đảm bảo thiết bị thí nghiệm làm việc đúng theo môi trƣờng nhiệt ẩm (T1, RH1), ƣu tiên điều khiển nhiệt độ trƣớc, độ ẩm tƣơng đối sau. Trong quá trình làm việc, khi nhiệt độ từ cảm biến báo về và nhiệt độ mong muốn cài đặt vào buồng chênh lệch nhau lớn hơn 10C thì điều khiển ( thiết bị gia nhiệt hoặc giảm nhiệt); Khi độ ẩm tƣơng đối từ cảm biến báo về và độ ẩm tƣơng đối mong muốn cài đặt vào buồng chênh lệch nhau lớn hơn 2% thì bắt đầu điều khiển (thiết bị nhiệt ẩm hoặc thiết bị tạo ẩm).
Sơ đồ thuật toán điều khiển đƣợc biểu diễn ở hình 3.4
73 Trong đó:
T0: Nhiệt độ môi trƣờng tại thời điểm thí nghiệm;
RH0: độ ẩm tƣơng đối môi trƣờng tại thời điểm thí nghiệm; T1: Nhiệt độ yêu cầu thí nghiệm;
RH1: Độ ẩm yêu cầu của thí nghiệm.
3.3.2.2 Thiết bị khảo sát ma sát c a XLPTKN
Thiết bị khảo sát ma sát đƣợc thiết kế theo yêu cầu của thực nghiệm, có kích thƣớc phù hợp với tủ nhiệt ẩm BKNA1, có khả năng thay đổi tốc độ, áp suất và tháo lắp dễ dàng.
a. Hệ thống dẫn động XLPTKN
Phương án 1: Dùng hệ thống xylanh - thủy lực dẫn động cho XLPTKN chuyển động.
Trong sơ đồ nguyên lý của hệ thống này chuyển động của XLPTKN đƣợc thực hiện nhờ hệ thống xylanh thủy lực. Tuy nhiên, hệ thống xylanh - thủy lực cồng kềnh, giá thành cao và khó điều khiển điều khiển chính xác vị trí và ổn định tốc độ đặc biệt do đặc tính độ nhớt dầu phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó, khi thí nghiệm trong điều kiện môi trƣờng nhiệt ẩm (T, RH thay đổi) việc điều khiển thủy lực gặp nhiều khó khăn (hình 3.5)
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý đo ma sát của Belforte và đồng nghiệp [30]
Phương án 2: Dùng hệ thống XLPTKN để dẫn động cho XLPTKN thí nghiệm [31]
Trong sơ đồ nguyên lý của hệ thống này nhƣ trên hình 3.6 chuyển động của XLPTKN khảo sát đƣợc dẫn động nhờ XLPTKN khác. Tuy nhiên do đặc tính nén đƣợc của khí nén nên việc điều khiển chính xác và ổn định tốc độ của XLPTKN trong quá trình thử nghiệm là khó khăn, và tốn kém khi sử dụng hệ thống van servo.
74
Hình 3.6 Sơ đồ đo lực ma sát của Hochang và đồng nghiệp[31]
Phương án 3: Dùng động cơ điện servo dẫn động XLPTKN thí nghiệm thông qua bộ
truyền vít me đai ốc bi. Phƣơng án này kết cấu đơn giản, dễ điều khiển, đảm bảo tốc độ đƣợc ổn định và thay đổi dễ dàng trong quá trình thực nghiệm.
Để đáp ứng tốt các yêu cầu của thực nghiệm, chọn phƣơng án 3 làm phƣơng án dẫn động cho XLPTKN trong thiết bị thực nghiệm hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động cho XLPTKN của thiết bị thực nghiệm.
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động cho XLPTKN của thiết bị thực nghiệm.
b. H thống đo
Hệ thống đo là hệ thống quan trọng nhất của thiết bị có nhiệm vụ đo lực ma sát biến đổi theo dịch chuyển ứng với tốc độ khảo sát và điều kiện (T, RH). Hệ thống gồm có 2 thành phần chính là cảm biến đo lực và thƣớc đo dịch chuyển thẳng đƣợc kết nối với máy tính thông qua bộ xử lý số liệu. Các thông số cơ bản của các phần tử đo nhƣ sau:
Cảm biến đo lực: LOADCELL GSL- 301A, tải trọng 5kG và 100 kG, độ chính xác 0,02%FS;
Thƣớc đo thẳng: DTH –A, độ chính xác ± 0.1% RO, 100mmcủa hãng Kyowa.
Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến lực và thƣớc đo dịch chuyển thẳng đƣợc xử lý và chuyển đổi từ tín hiệu điện áp sang tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi USB 1608 – FS rồi truyền vào máy tính. Sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống đo đƣợc thể hiện trên hình 3.8.
75
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống đo
Ph n mềm xử lý số li u [2]
Toàn bộ quá trình xử lý số liệu thực nghiệm từ xây dựng chƣơng trình đo, thu thập, xử lý số liệu, đọc lại số liệu và hiển thị kết quả trên màn hình đƣợc thực hiện trên phần mềm Dasylab 11.0
Phần mềm xử lý số liệu Dasylab 11.0, là phần mềm đo chuyên dụng của Đức do hãng NI sản xuất cho phép ghi số liệu, đọc lại dữ liệu và xuất file dữ liệu. Giá trị của cảm biến lực và thƣớc đo thẳng sau xử lý và chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu điện áp sang tín hiệu số đƣợc đƣa về máy tính và xử lý theo chƣơng trình đo lực ma sát theo dịch chuyển đƣợc xây dựng trên phần mềm Dasy lab 11.0.
Chƣơng trình đo và ghi dữ liệu đƣợc xây dựng dựa trên các modun của phần mềm Dasylab 11.0 đƣợc thể hiệnn nhƣ hình 3.9. Mỗi lần đo sẽ đƣợc lƣu 1 file dữ liệu có định dạng (.DDF)
Hình 3.9 Sơ đồ xử lý và lưu dữ liệu đo
Trong đó: Dev1_Ai0 - Các đầu vào (0: Lực; 1: Hành trình); Digital Fi00 - Lọc nhiễu đầu vào;
0 -5V In 0 0 -5V mV V In 1 Cảm biến lực Thƣớc đo dịch chuyển Mạch khuyếch đại Bộ Lọc Mạch lặp điện áp Bộ Lọc USB 1608 - FS Máy tính
76 Action01 - Chuyển chế độ chạy chƣơng trình theo yêu cầu (Full màn hình
hoặc chạy bình thƣờng); Scaling00 - Set 0;
L-Dig - Hiển thị số (điện áp và lực); LUC - Lập thang đo lực;
HT - Lập thang đo hành trình;
HT-Dig - Hiển thị số (điện áp và hành trình); Dig-luc - Hiển thị số giá trị lực;
Recorder - Hiển thị dạng biểu đồ (lực và HT theo thời gian); Dig-HT - Hiển thị số giá trị hành trình;
Write01 - Lƣu kết quả đo sang file có định dạng (.DDF); X/Y chart00 - Đồ thị “lực – hành trình”.
Chƣơng trình đọc lại dữ liệu nhƣ trên hình 3.10, cho phép chọn, đọc lại các file dữ liệu đo đã lƣu của chƣơng trình đo, mô phỏng lại quá trình đo vừa thực hiện và hiển thị trên màn hình giao diện đồng thời 3 đồ thị: Lực theo thời gian, lực theo hành trình, hành trình theo thời gian và giá trị Fmst, Fmsd.
Hình 3.10 Sơ đồ xử lý đọc lại dữ liệu
Màn hình giao diện hiển thị kết quả đo đƣợc thiết kế trên nền tảng phần mềm Dasy lab 11.0 đƣợc thể hiện trên hình 3.11 gồm có:
1- Đồ thị lực theo thời gian;
2- Đồ thị hành trình theo thời gian; 3- Đồ thị lực theo hành trình;
4- Hiển thị các giá trị đo lực ma sát tĩnh Fmst, lực ma sát động Fmsd, thời gian dịch chuyển tại vị trí con trỏ Y1, Y2 chỉ đến.
77
Hình 3.11 Màn hình hiển thị kết quả đo
Trên cơ sở phần cứng và phần mềm của thiết bị đã đƣợc thiết kế, chế tạo và tổng hợp. Các bƣớc thực hiện quá trình đo nhƣ sau:
Bƣớc 1: Chuẩn máy đo và kiểm tra các cứ hành trình; Bƣớc 2: Reset chuẩn 0 cho các thiết bị đo;
Bƣớc 3: Điều chỉnh tốc độ dịch chuyển theo yêu cầu. Tiến hành đo và lƣu file dữ liệu;
Bƣớc 4: Mở file dữ liệu, đọc lại kết quả đo, lấy số liệu.
c. Tổ hợp thiết bị thực nghiệm
Hình 3.12 mô tả sơ đồ nguyên lý tổng thể của thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam.
Nguyên lý làm việc của thiết bị thực nghiệm nhƣ sau:
Piston đƣợc giữ cố định và kết nối với cảm biến đo lực, xylanh chuyển động tƣơng đối với piston. Tốc độ dịch chuyển của xylanh đƣợc thay đổi nhờ bộ điều khiển động cơ điện servo đƣợc dẫn động qua bộ truyền vít me đai ốc bi và đƣợc dẫn hƣớng trên 2 đƣờng dẫn hƣớng ma sát lăn. Dịch chuyển của xylanh đƣợc đo bằng thƣớc đo thẳng DTH –A, độ chính xác ±0.1% RO. Lực ma sát đƣợc đo bằng cảm biến lực S-stype LOADCELL GSL - 301A tải trọng 100kG có độ chính xác 0,02%FS. Tín hiệu đƣa ra của cảm biến lực và thƣớc đo thẳng là tín hiệu điện áp. Các tín hiệu về dịch chuyển, lực ma sát đƣợc khuyếch đại và chuyển đổi từ giá trị điện áp sang tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu ADC.
78 Việc xử lý và hiển thị số liệu thu đƣợc từ 2 cảm biến trên màn hình máy tính thông qua phần mềm Dasylab 11.0.
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN
Hệ thống truyền động cơ khí và XLPTKN đƣợc đặt hoàn toàn trong tủ nhiệt ẩm, nhƣng toàn bộ động cơ và hệ thống đo đƣợc bố trí bên ngoài tủ nhiệt ẩm nhằm đảm các thiết bị đo không chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng trong tủ nhiệt ẩm..
Trên cơ sở nguyên lý máy thí nghiệm, thực hiện các thiết kế chi tiết, chế tạo, tích hợp và lặp đặt máy thí nghiệm. Trên hình 3.13 là bản thiết kế 3D của hệ thống thiết bị và hình 3.14, 315 là hình ảnh các bộ phận của thiết bị khi lắp đặt.
79
Hình 3.14 Thiết bị trong tủ nhiệt ẩm
Trong đó :
1- Tủ nhiệt ẩm; 2- Xylanh - piston khí nén; 3- Gía đỡ; 4- Đường dẫn hướng bi; 5- Vít me đai ốc bi; 6 – Gối đỡ, 7- Khớp nối
Hình 3.15 Hệ thống đo và bộ XLSL
Trong đó: 1 – Cần Piston; 2 – Khớp cầu; 3 - Cảm biến lực; 4 – Máy tính; 5 – bộ điều khiển & XLSL; 6 – Thước đo thẳng; 7 – Công tắc hành trình
80
Hình 3.16 Hình ảnh thước đo dịch chuyển thẳng
Thông số kỹ thuật thƣớc đo thẳng DTH- A-100 (hình 3.16) Độ lặp lại: 0.1% RO;
Độnhạy: 5mv/V (10000µm/m)±0.1%; Dải nhiệt độ hoạt động: -10 70°C; Dải nhiệt độ bù: 060°C
Nguồn nuôi cảm biến: 6V AC or DC; Điệ Điện áp nuôi: 1-4 V AC, DC;
Điện trở đầu vào: 350±1%.
Hình 3.17 Hình ảnh thiết bị đo lực dạng chữ S
Thông số kỹ thuật cảm biến lực Loadcell GSL -301A Độ nhạy: 0.03%F.S; Tín hiệu ra: 2±0.02mV/V; Mức độ phi tuyến: 0.03%F.S; Trễ: 0.03%F.S; Độ chính xác lặp lại: 0.02%F.S; Cân bằng gốc 0: ±1%F.S; Điện trở đầu vào350±5 Ω; Điện trở ra: 350 ± Ω; Điện trở cách ly: 5000 MΩ; Điện áp cảm biến: 9 -12DC; Khoảng bù nhiệt độ: -100C÷ +400C; Nhiệt độ làm việc: -200C ÷ +550C; Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến gốc 0; 0.03%F.S/100C;
Ảnh hƣởng của T đến giá trị đo: 0.03%F.S/100C.
81