Để nghiên cứu sự ảnh h ởng của các đại l ợng quan trọng nh vận tốc, áp suất tới lực ma sát trong xi lanh khí nén, các thực nghiệm đ ợc tiến hành khảo sát thông qua việc thay đổi khối l ợng tải chất trên xe lăn hoặc các mức áp suất đ ợc điều chỉnh khác nhau, nhờ đó mà thay đổi đ ợc các thông số làm việc của hệ thống.
4.2.1 ảnh h ởng của khối l ợng tới độ chênh áp
Để nghiên cứu sự ảnh h ởng này, các thực nghiệm đ ợc tiến hành
với cùng điều kiện áp suất tác động nh nhau, chỉ khác nhau ở khối
l ợng tải chất trên xe lăn. Sự ảnh h ởng này có thể thấy rõ trên hình 4-13 d ới đây:
Hình 4-13: ảnh h ởng của khối l ợng tới độ chênh áp ∆p [bar]
Hình 4-14: ảnh h ởng của khối l ợng tới độ chênh áp (hình trích) Thực nghiệm đ ợc tiến hành đối với xi lanh loại 32*400 mφ m. Từ hình 4 13, 4 14 và 4 15 (xem trang bên) ta thấy sự thay đổi khối l ợng - - - m ảnh h ởng đáng kể tới độ chênh áp giữa các buồng xi lanh. Điều này có thể nhận thấy dễ dàng khi ta để ý tới sự thay đổi gia tốc của piston do quán tính của hệ bị thay đổi.
Quan hệ giữa khối l ợng m với độ chênh áp lớn nhất là đơn điệu tăng, khi khối l ợng m thay đổi từ 6,5 kg đến 26,5 kg thì độ chênh áp
lớn nhất biến đổi t ơng ứng từ 0,53 bar đến 0,78 bar. Quan hệ tuyến tính này đ ợc biểu diễn d ới dạng hàm số t ơng quan y và độ sai lệch R đ ợc thể hiện nh trên hình 4 15.-
∆p [bar]
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 5 10 15 20 25 30 m [kg] ∆ ∆ ∆ ∆ ∆p [bar] Giá trị đo y = 0.0123x + 0.4526 R2 = 0.9952 y x
Hình 4-15: ảnh h ởng của khối l ợng tới độ chênh áp lớn nhất
4.2.2 ảnh h ởng của khối l ợng tới vận tốc chuyển động của piston
Cũng giống nh ở phần trên, để xét sự ảnh h ởng của khối l ợng tới vận tốc chuyển động của piston các thực nghiệm đ ợc tiến hành với cùng điều kiện áp suất tác động nh nhau, chỉ khác nhau ở khối l ợng tải chất trên xe lăn. Sự ảnh h ởng này có thể thấy rõ trên hình 4 16 ở - trang bên:
Hình 4-16: ảnh h ởng của khối l ợng tới vận tốc của piston
Thực nghiệm đ ợc tiến hành đối với xi lanh loại φ32*400 mm. Khối l ợng m có ảnh h ởng tới vận tốc chuyển động của piston. Tuy nhiên quan hệ giữa sự thay đổi của m với vận tốc lớn nhất là đơn điệu giảm. Khi khối l ợng m tăng từ 6,5 kg đến 26,5 kg thì vận tốc lớn
nhất của piston giảm t ơng ứng từ 0,82 m/s xuống 0,68 m/s. Hàm số t ơng quan y biểu diễn mối quan hệ tuyến tính và độ sai lệch R đ ợc thể hiện nh trên hình 4 18.-
v [m/s]
Hình 4-17: ảnh h ởng của khối l ợng tới vận tốc của piston (hình trích)
Hình 4-18: ảnh h ởng của khối l ợng tới vận tốc lớn nhất v [m/s] t [s] 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 5 10 15 20 25 30 m [kg] v [m/s] Giá trị đo y = -0.0071x + 0.8594 R2 = 0.9843 y x
4.2.3 ảnh h ởng của áp suất tới vận tốc chuyển động của piston
Để khảo sát sự ảnh h ởng của áp suất tới vận tốc chuyển động của piston các thực nghiệm đ ợc tiến hành với cùng điều kiện khối l ợng tải chất trên xe lăn nh nhau, chỉ khác nhau ở áp suất tác động trong các buồng làm việc của xi lanh. Sự ảnh h ởng này có thể thấy rõ ở trên hình 4-19:
Hình 4-19: ảnh h ởng của áp suất tới vận tốc chuyển động của piston t [s] v [m/s]
Thực nghiệm đ ợc tiến hành đối với xi lanh loại φ32*400 mm. áp suất thay đổi gây ảnh h ởng rất mạnh tới vận tốc chuyển động của piston. Quan hệ giữa sự thay đổi của áp suất với vận tốc lớn nhất là đồng biến. Khi áp suất thay đổi từ 2,5 bar đến 6 bar sẽ kéo theo giá trị lớn nhất của vận tốc thay đổi t ơng ứng từ 0,49 m/s đến 0,75 m/s. Quan hệ tuyến tính này đ ợc biểu diễn d ới dạng hàm số t ơng quan y và độ sai lệch R đ ợc thể hiện nh trên hình 4 20.-
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 2 3 4 5 6 7 p [bar] v [m/s] Giá trị đo y = 0.0749x + 0.3011 R2 = 0.9962 x y
4.2.4 ảnh h ởng của áp suất tới lực ma sát
Để khảo sát sự ảnh h ởng của áp suất tới lực ma sát trong xi lanh các thực nghiệm đ ợc tiến hành với cùng điều kiện khối l ợng tải chất trên xe lăn nh nhau, chỉ khác nhau ở áp suất tác động trong các buồng làm việc của xi lanh. Có thể thấy rõ sự ảnh h ởng này trên hình 4-21:
Hình 4-21: ảnh h ởng của áp suất tới lực ma sát trong xi lanh FR[N]
Thực nghiệm đ ợc tiến hành đối với xi lanh loại φ63*125 mm. áp suất thay đổi gây ảnh h ởng tới ma sát trong xi lanh khí nén. Từ hình 4 23 (trong một thử nghiệm khác cũng với xi lanh này) ta thấy - khi áp suất thay đổi từ 2,5 bar đến 6,0 bar sẽ kéo theo giá trị lớn nhất của lực ma sát thay đổi t ơng ứng từ 117 N đến 155N.
Hình 4-22: ảnh h ởng của áp suất tới ma sát trong xi lanh (hình trích) FR[N]
Quan hệ giữa sự thay đổi của áp suất với giá trị lớn nhất của lực ma sát là đồng biến và là quan hệ bậc hai. Quan hệ này đ ợc biểu diễn d ới dạng hàm số t ơng quan y và độ sai lệch R đ ợc thể hiện nh trên hình 4 23.- 110 120 130 140 150 160 2 3 4 5 6 7 p [bar] FR [N] Giá trị đo y = 2.513x2 - 13.067x + 134.22 R2 = 0.9964 x y
4.3 Đánh giá các kết quả thực nghiệm và nghiên cứu
Nh đã trình bày, với stand thực nghiệm kiểu dao động” này, các “ thử nghiệm để xác định một cách nhanh chóng và chính xác lực ma sát trong xi lanh khí nén đã đ ợc thực hiện có kết quả. Những u điểm của
ph ơng pháp này nh đã thấy là thực sự nổi bật. Điều đặc biệt với hệ thống thực nghiệm này là khả năng nghiên cứu, khảo sát lực ma sát ở
khu vực vận tốc cao (có thể tới ≈ 0,8 m/s), điều mà tất cả các ph ơng pháp khác đều không đạt đ ợc. Hệ thống thử nghiệm n y hoà àn toàn có thể khảo sát có hiệu quả hiện t ợng dính tr ợt (hiệu ứng St- ick-Slip). Các kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu ứng này chỉ xảy ra ở khu vực vận tốc thấp, th ờng tại những nơi đ ờng cong vận tốc (trên đồ thị x&- t) có xu h ớng đạt cực trị tại 0. Các kết quả nghiên cứu về sự ảnh h ởng lẫn nhau của các thông số và tới lực ma sát cụ thể trong một vài loại xi lanh cho thấy:
Quan hệ giữa khối l ợng m với độ chênh áp lớn nhất là đồng biến và tuyến tính. Khi khối l ợng m thay đổi từ 6,5 kg đến 26,5 kg thì
độ chênh áp biến đổi t ơng ứng từ 0,53 bar đến 0,78 bar. Mối
quan hệ này đ ợc biểu diễn d ới dạng hàm số y = 0.0123x + 0.4526, với độ sai lệch đ ợc xác định là R2 = 0.9952.
Quan hệ giữa sự thay đổi khối l ợng m với vận tốc lớn nhất là nghịch biến và tuyến tính. Khi m tăng từ 6,5 kg đến 26,5 kg thì
vận tốc lớn nhất của piston giảm t ơng ứng từ 0,82 m/s xuống 0,68 m/s. Hàm số t ơng quan là y = -0.0071x + 0.8594, với độ sai lệch là R2 = 0.9843.
áp suất thay đổi gây ảnh h ởng rất mạnh tới vận tốc chuyển động của piston. Cụ thể là khi áp suất thay đổi từ 2,5 bar đến 6 bar sẽ kéo theo giá trị lớn nhất của vận tốc thay đổi t ơng ứng từ 0,49
suất với vận tốc lớn nhất là y = 0.0749x + 0.3011, với độ sai lệch là R2 = 0.9962.
áp suất thay đổi gây ảnh h ởng tới ma sát trong xi lanh khí nén. Khi áp suất thay đổi từ 2,5 bar đến 6,5 bar sẽ kéo theo giá trị lớn nhất của lực ma sát thay đổi t ơng ứng từ 117 N đến 155N. Quan hệ này biểu thị ở dạng hàm số y = 2.513x2 - 13.067x + 134.22 là một phần của đ ờng cong parabol với độ sai lệch R2 = 0.9964.
Tuy nhiên, từ các phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm trên, bên cạnh những u điểm nổi bật của ph ơng pháp nh đã trình bày, với việc nhìn nhận một cách khách quan ta cũng thấy còn một nh ợc điểm sau: Với mô hình thực nghiệm này độ chênh áp giữa các khoang xi lanh đ ợc tạo ra khá nhỏ, sự cải thiện thông qua các ph ơng án nh đã thực hiện cũng vẫn không đáng kể. Khi muốn xây dựng các quan hệ giữa lực ma sát FR và vận tốc chuyển động của piston x& trong điều kiện xi lanh hoạt động d ới điều kiện độ chênh áp ∆p mong muốn nào đó thì điều này ch a thực hiện đ ợc trong khuôn khổ mô hình thực nghiệm này.
Sau đây là một giải pháp cải tiến đ ợc trình bày nhằm khắc phục những nh ợc điểm đó, phát huy đ ợc các u điểm của các ph ơng pháp đã biết mà đồng thời vẫn mang những u điểm nổi bật của mô hình thực nghiệm kiểu “dao động” nói trên.
Ch ơng 5
Đề xuất giải pháp phát triển hệ thống thử nghiệm
Ch ơng này giới thiệu một giải pháp đ ợc đ a ra trên cơ sở của ph ơng pháp thực nghiệm kiểu dao động“ nhằm khắc phục hạn chế của „ mô hình đã thiết kế.
5.1 Sơ đồ nguyên lý và cấu hình hệ thống thử nghiệm
Để hoàn thành mục tiêu đặt ra, sau đây trình bày một mô hình hệ thống thực nghiệm (hình 5 1) liên kết đ ợc u điểm- của những ph ơng pháp tr ớc với thế mạnh của ph ơng pháp dao động“ đã trình bày trên „ [ ] [10 , 23]:
Hình 5 1:- Sơ đồ thực nghiệm phát triển đ ợc dùng để xác định lực ma sát trong xi lanh khi nén
Từ hình vẽ ta thấy 3 xi lanh đ ợc liên kết với một xe lăn nhỏ, trên xe có thể chất lên các tải trọng khác nhau thay đổi đ ợc. Hai xi lanh đồng dạng A và B đ ợc nối đối áp với nhau, nhờ đó mà có thể tạo ra độ chênh áp lớn tùy ý giữa các buồng của xi lanh, hơn thế độ chênh áp này là không đổi trong quá trình chuyển động. Hai xi lanh này đ ợc truyền chuyển động nhờ một xi lanh thứ ba nối cứng với chúng và có đặc điểm cùng chiều dài với hai xi lanh kia. Các buồng của xi lanh truyền động đ ợc nối với 2 van tr ợt WV1 và WV2
điều khiển bằng điện để có thể thực hiện đ ợc quá trình điều khiển một cách độc lập giữa các buồng của xi lanh. Tuy nhiên, ma sát đ ợc khảo sát ở đây
không phải trong xi lanh truyền động, mà trong xi lanh khí nén A (đ ợc nối với xe lăn thông qua hộp đo lực F loại 0 5000 N).-
5.2 Mô tả sự làm việc của hệ thống thử nghiệmChu trình đo đ ợc thực hiện nh sau: Chu trình đo đ ợc thực hiện nh sau:
Quá trình làm việc của xi lanh khí nén dẫn động hoàn toàn vẫn đ ợc giữ nguyên nh ở trong sơ đồ thực nghiệm đã đ ợc trình bày ở ch ơng 3. Bởi vì nh đã nói ở trên, cả ba xi lanh đ ợc nối cứng với nhau qua xe lăn nên sự chuyển động của cả hai xi lanh A và B đ ợc thực hiện thông qua sự truyền động của xi lanh dẫn động kia. Cả ba xi lanh cùng thực hiện một chuyển động „dao động“, trong khi đó độ chênh áp giữa các buồng xi lanh cần khảo sát đ ợc duy trì không đổi ở mức tuỳ ý. Cũng với sự trợ giúp của máy tính các đại l ợng đo đ ợc thu thập đồng thời nhờ các đầu đo thích hợp. Trong việc đánh giá tính toán tiếp theo (cũng nhờ sự trợ giúp của MTĐT) lực ma sát đ ợc tính toán và mô tả là hàm theo thời gian hoặc phụ thuộc vào các đại l ợng khác nh vận tốc, áp suất.... Toàn bộ quá trình thí nghiệm xảy ra tự động theo ch ơng trình điều khiển đặt ra.
Xét sự cân bằng lực của piston A trong quá trình chuyển động ta có: R 2 2 1 1A p A mx F p F 0 F = = − + − − ∑ && (5.1) Trong đó: F - Lực đo từ hộp lực kế
p1, p2 - áp suất khí nén trong 2 buồng xi lanh 1 và 2 A1, A2 - Các diện tích tác dụng của piston
m - Khối l ợng của piston
x&& - Gia tốc chuyển động
FR - Lực ma sát Từ đây ta sẽ có đ ợc giá trị lực ma sát cần tính: x m A p A p F FR = − 1 1+ 2 2 − && (5.2) Trong tr ờng hợp đối t ợng khảo sát là loại xi lanh không cần, sơ đồ thực nghiệm sẽ trở nên đơn giản hơn và đ ợc trình bày nh hình 5-2:
Vì do đặc điểm cấu tạo, diện tích mặt làm việc ở hai phía piston của xi lanh là nh nhau nên thay vì phải sử dụng hai xi lanh đồng dạng nối đối nhau
chỉ cần một xi lanh dùng để khảo sát ma sát. Khi đó trong cả hai buồng của xi lanh đ ợc nối thông với nhau, chỉ còn áp suất đặt ban đầu và không đổi trong quá trình chuyển động.
Hình 5 2:- Sơ đồ thực nghiệm đ ợc thay đổi dùng để xác định lực ma sát trong xi lanh khi nén loại không cần
Bởi vì độ chênh áp trên piston giữa hai buồng của xi lanh không còn nữa nên ph ơng trình (5.2) sẽ trở nên đơn giản nh sau:
x m F
FR = − && (5.3)
Nguyên tắc đo cũng nh chu trình thực nghiệm hoàn toàn giống nh ở các thực nghiệm tiến hành khảo sát ma sát đối với loại xi lanh khí nén có cần thông th ờng. - Khuêch đại - Điều khiển - Thu thập số liệu đo - Xử lý và đánh giá kết quả đo
Lực kế Xi lanh khí nén dẫn động Xi lanh không cần
5.3 Đánh giá hệ thống thử nghiệm phát triển ♦ Nhận xét: ♦ Nhận xét:
So với các ph ơng pháp đã biết tr ớc để xác định lực ma sát trong xi lanh khí nén, stand thực nghiệm này có những u điểm nổi bật sau:
Một đ ờng cong quan hệ giữa lực ma sát với vận tốc trong điều kiện độ chênh áp không đổi hoàn toàn có thể có đ ợc chỉ sau một lần thực nghiệm. Điều đó dẫn tới việc giảm đáng kể chi phí về mặt thời gian.
Việc khảo sát lực ma sát diễn ra d ới điều kiện hoàn toàn thực tế. Có thể khảo sát với cả hai h ớng xuất phát của piston.
Lực ma sát đ ợc tính toán trong điều kiện động lực học, các đ ờng cong động học cũng nh áp suất đ ợc thu nhận ở trạng thái động (với gia tốc biến đổi). Piston thực hiện chuyển động tăng, hay giảm tốc theo cả hai h ớng xuất phát chuyển động.
Với ph ơng pháp dao động“ này, vận tốc khảo sát có thể đạt đ ợc„