Hoạt động của sơ đồ trên đ ợc mô tả nh sau: Giả sử thực nghiệm đ ợc tiến hành theo chiều hành trình thuận (piston chuyển động đẩy ra - chuyển động từ trái sang phía phải). Thoạt đầu piston đ ợc đ a về vị trí xuất phát. Tiếp theo buồng A2 sau khi đ ợc cung cấp khí nén nhờ van WV2 với áp suất nào đó sẽ đ ợc đóng kín. Sau đó thông qua van WV1 buồng A1 đ ợc nối với nguồn khí cấp. Khi đó áp suất khí trong buồng
này sẽ tăng nhanh, tới khi áp lực trên bề mặt làm việc A1 của piston v ợt quá giá trị lực cản sẽ dẫn tới sự chuyển động có gia tốc của piston. Chuyển động này tác động tới „lò xo“ khí ở phía khoang đối diện của xi lanh, cùng với quán tính khối l ợng của piston, xe lăn và vật nặng chất trên nó sẽ gây ra một quá trình „dao động“, quá trình này kết thúc khi đạt đ ợc trạng thái cân bằng tĩnh của sự cân bằng lực.
Nh đã nói ở trên, ph ơng pháp này dựa trên việc thu nhận đồng thời các đại l ợng đo thay đổi cần thiết trong quá trình chuyển động nhờ các phần tử đo thích hợp với sự hỗ trợ của máy tính điện tử (MTĐT) với phần mềm mang tên DIA DAGO, một công cụ chuyên dụng mạnh -
của máy tính phục vụ cho việc thu thập và xử lý dữ liệu. Từ ph ơng
trình (3.3) ta thấy các đại l ợng đo cần thiết nh p1, p2, x đ ợc thu
và l u trữ. Tiếp theo (cũng nhờ sự trợ giúp của MTĐT với phần mềm nói trên) các giá trị đo và tính toán nh x, x, và ∆p... đ ợc xử lý và
cuối cùng là 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 thực nghiệm: từ chu trình đo, thu thập, xử lý và tính toán tiếp theo đ ợc diễn ra một cách tự động theo ch ơng trình điều khiển đặt ra dựa trên phần mềm DIA DAGO nói trên.-
3.2.3 Mô tả các thiết bị đo l ờng của hệ thống
Để thu thập những giá trị của các đại l ợng đo cần thiết trong quá
trình thực nghiệm nh hành trình chuyển động x của piston, áp suất trong các khoang làm việc của xi lanh p1 và p2, các thiết bị đo đ ợc sử dụng trong hệ thống thực nghiệm đều là những thiết bị đo công nghiệp, có độ chính xác cao, kết cấu nhỏ gọn, thuận tiện cho tự động hoá. Chúng đ ợc cung cấp bởi các nhà sản xuất chuyên để phục vụ cho các phòng thí nghiệm cũng nh các đối t ợng công nghiệp khác nhau.
D ới đây là những thiết bị đo đ ợc sử dụng trong hệ thống thực nghiệm:
Sensor hành trình
Đây là loại sensor hành trình kiểu SL-Serie, φ 20 mm, đặc biệt thích hợp trong môi tr ờng làm việc khắc nghiệt nh áp suất và nhiệt độ cao cũng nh gia tốc và chu trình đo lớn.
Những thông số chủ yếu:
Phạm vi đo: ± 1 mm đến ± 500 mm
Tín hiệu ra: 0...10 V, 0...5 V, 4...20 mA, 0...20 mA Độ tuyến tính: ± 0,5%/±0,3%
Độ phân giải: 0,01%
...
Sensor áp suất
Đây là loại sensor với Typ: Precont KS, với cấu trúc gọn nhẹ cho các dải đo áp suất (áp suất t ơng đối) phong phú tuỳ chọn từ 0 đến 400 bar. Loại sensor này sử dụng đ ợc cả cho khí nén và thủy lực.
Những thông số chủ yếu:
Phạm vi đo: 0 đến 10 bar
Tín hiệu ra: 4...20 mA, 0...10 V Độ tuyến tính: < 0,6%
Độ chính xác: < 0,4%
Nhiệt độ làm việc cho phép: - 25... + 70° C ...
Hình dáng cũng nh những thông số chi tiết của các thiết bị đo này có thể tìm thấy ở phần phụ lục.
3.2.4 Giới thiệu phần mềm ứng dụng
Để phục vụ cho toàn bộ quá trình thực nghiệm từ xây dựng chu
trình đo, thu thập dữ liệu đo, xử lý và tính toán tiếp theo, biểu diễn, trình bày các đồ thị (splines, hình bao...) v.v... không thể không nói đến một công cụ hỗ trợ vô cùng mạnh, đó là phần mềm DIA DAGO. Đây là - phần mềm tiêu chuẩn, đ ợc ứng dụng rộng rãi cho các mục đích đo (thu thập dữ liệu), điều khiển, điều chỉnh, phân tích và xử lý dữ liệu... thông qua những khả năng to lớn của nó cùng với giao diện sử dụng rất thuận
tiện. DIA-DAGO là phần mềm mở, nên ngoài những khả năng trên nó còn có thể thực hiện các liên kết trực tuyến và rất thuận tiện cho việc kết nối với các thiết bị phụ trợ khác phục vụ cho tính toán cũng nh các công việc khác. Một số khả năng ứng dụng của phần mềm này có thể đ ợc thấy rõ hơn trong phần phụ lục.
Ngoài ra, để xác định quan hệ của lực ma sát FR với vận tốc x từ các kết quả đo trong điều kiện ∆p = pk = constant, một ch ơng trình đ ợc viết với sơ đồ khối đ ợc trình bày nh trên hình 3 2 (xem hình vẽ trang bên).-
Các giá trị đo đ ợc của mỗi thí nghiệm đ ợc đọc vào và qua chúng sẽ đặt splines cấp 1 và tìm lời giải tk của ph ơng trình ∆(tk) = pk. Các giá trị tk này đ ợc đ a vào FR(tk) cũng nh x(tk) để nhận đ ợc lực ma sát và vận tốc. Trình tự này đ ợc thực hiện cho tất cả các dữ liệu.
Hình 3 2:- L u đồ thuật toán xác định quan hệ FR( x ) đúng
sai
Đọc các giá trị thực nghiệm FR[n], x[k], , =1,2, n k
Nội suy spline bậc nhất để đ ợc FR( )t và x(t) Trích lại mẫu để có FR[n], x[n], n =1,2, Đã xử lý hết các giá trị thực nghiệm ? Bắt đầu Kết thúc In kết quả quan hệ FR(x)
3.3 Xây dựng các thực nghiệm và điều kiện thử nghiệm Xây dựng các thực nghiệm Xây dựng các thực nghiệm
Để khảo sát lực ma sát trong xi lanh khí nén, các thí nghiệm đ ợc tiến hành với cả hai h ớng hành trình chuyển động của piston. Tr ớc khi thu nhận kết quả thực nghiệm, hệ thống đ ợc tiến hành chạy thử lặp đi lặp lại nhiều lần (khoảng 30 phút) để ổn định các thông số.
Nh đã nói ở trên, tiến trình thí nghiệm diễn ra hoàn toàn theo trình tự điều khiển tự động của ch ơng trình DIA-DAGO, trong đó các
tham số phục vụ quá trình đo nh tần số quét, thời gian bắt đầu, thời gian đo cũng nh độ dài kênh tiếp nhận các giá trị đo phải đ ợc chỉnh định. Trong các thử nghiệm đã đ ợc tiến hành, thời gian dao động“ của „ piston diễn ra trong khoảng 2 giây. Trong thời gian này tần số quét đ ợc điều chỉnh ở mức 3000 Hz, t ơng ứng với 6000 trị số đo cách đều đ ợc ghi lại.
Giả sử thực nghiệm đ ợc tiến hành theo hành trình thuận (chiều piston xuất phát chuyển động đẩy ra trên hình vẽ là chuyển động từ – trái sang phía phải), buồng A1 của xi lanh đ ợc nối với nguồn áp suất qua van phân phối WV1 và buồng A2 của xi lanh đ ợc nối qua van phân phối WV2 với van điều áp. Tr ờng hợp tiến hành thực nghiệm theo hành trình ng ợc (chiều xuất phát ng ợc lại của piston là chuyển động từ phải sang phía trái), các đ ờng nối tới các buồng xi lanh sẽ đ ợc đổi lại để phù hợp, nghĩa là lúc này buồng A1 của xi lanh đ ợc nối với van
phân phối WV2 và buồng A2 của xi lanh đ ợc nối với nguồn áp suất qua van phân phối WV1. Trong cả hai tr ờng hợp, áp suất ở buồng đối áp đều đ ợc điều chỉnh tuỳ ý theo mong muốn.
Các thực nghiệm để xác định lực ma sát đ ợc khảo sát trên cả hai loại xi lanh có cần và không cần của các nhà sản xuất ORIGA và REXROTH với các thông số khác nhau về đ ờng kính cũng nh chiều
dài xi lanh, nh ng chủ yếu đ ợc tiến hành với loại có thông số φ32*150 mm, φ32*400 mm và 63*125 mm. φ
♦ Bảng 1 liệt kê các thực nghiệm đ ợc tiến hành trên những xi lanh của các nhà sản xuất ORIGA và REXROTH với các ph ơng án khác
nhau về tải cũng nh các áp suất nguồn cấp, áp suất đối trong các buồng làm việc của xi lanh.
Bảng 1: Các thực nghiệm đã tiến hành (tiếp theo)
Việc tiến hành thực nghiệm diễn ra d ới các điều kiện sau: áp suất làm việc tối đa: 8 bar
Phạm vi nhiệt độ làm việc: Nhiệt độ t ơng ứng với nhiệt độ trong phòng thí nghiệm, trong khoảng từ 15°C đến 35°C.
Điều kiện môi tr ờng khí: khí làm việc đã qua xử lý về độ sạch cũng nh độ ẩm.
Loại đệm làm kín: Cao su Nitril với các nẹp x ơng là thép không rỉ hay cao su đặc biệt.
3.4 Kết quả thử nghiệm
Kết quả thực nghiệm, nh đã nói ở trên, chỉ đ ợc thu nhận khi các thông số của hệ thống đã hoàn toàn ổn định sau một quá trình chạy thử lặp đi lặp lại nhiều lần. Những kết quả điển hình có độ lặp lại cao sẽ đ ợc chọn lấy làm ví dụ tiêu biểu để khảo sát và nghiên cứu.
Hình 3-3 (xem hình trang bên) là một ví dụ đặc tr ng cho sự biến thiên theo thời gian của các đại l ợng đo đ ợc (áp suất p1, p2, hành trình x của
piston) cũng nh các đại l ợng tính toán (chênh lệch áp suất p giữa các ∆ buồng xi lanh, tốc độ x , gia tốc x và lực ma sát FR) của một thí nghiệm với hành trình thuận của piston và khối l ợng m = 6,7 kg. Thời gian “dao động” diễn ra khoảng 2 giây. Trong vòng thời gian này đã ghi đ ợc 6000 trị số đo
cách đều, t ơng ứng với tần số quét 3000 Hz. Quá trình này bao gồm 4 khoảng thời gian sau:
1. Khu vực 1 là khoảng thời gian từ khi các van phân phối WV bắt đầu hoạt động đến khi bắt đầu có sự chuyển động của piston, tuy nhiên vận tốc piston x = 0.
Đối áp trong khoang xi lanh 2 đ ợc điều chỉnh ở trị số 2 bar vào thời điểm bắt đầu thí nghiệm bằng van điều chỉnh áp suất. Sau khi chuyển mạch van WV1 khí nén đ ợc đ a vào khoang xi lanh 1. Qua đó áp suất p1 trong
khoang xi lanh 1 tăng lên và nh vậy độ chênh áp suất ∆p cũng tăng lên. Cùng với điều này ma sát bám cũng tăng lên đồng thời do tác động của các phần tử dính bám và các biến dạng. Phạm vi ma sát bám kết thúc với giá trị cực đại của ma sát khô gọi là tụ số (lực phá vỡ)
2. Khu vực 2 là khu vực ma sát hỗn hợp. Phạm vi này nằm trong khoảng thời gian từ khi piston bắt đầu chuyển động ( tốc độ x > 0 ) đến thời điểm đạt vận tốc giới hạn x , n Gr ơi mà ở đó lực ma sát FR đạt giá trị cực tiểu.
Hình 3 3:- Kết quả thử nghiệm với xi lanh φ32*150 mm p1 p2 áp s uấ t Thời gian t [s] V ậ n tố c H à nh tr ì nh L ực m a sá t Gia tốc Độ chênh áp Vận tốc Hành trình Đ ộ ch ên h áp G ia tố c [m/s2]
Khi áp suất p1 và độ chênh áp suất ∆p tăng lên đến mức mà các lực khí nén tác động lên piston theo ph ơng trình (3- ắng đ ợc lực ma sát bám 3) th dính FRH thì piston sẽ chuyển động với gia tốc tăng lên. Trong khu vực này áp suất p2 tăng lên, tuy nhiên vẫn tăng chậm hơn áp suất p1, vì vậy độ chênh lệch áp suất cũng vẫn tăng lên. Lực ma sát giảm từ tụ số đến giá trị cực tiểu. Khu vực này kết thúc khi lực ma sát đạt giá trị cực tiểu (t ơng ứng với vận tốc giới hạn x ). Gr
3. Khu vực 3 nằm trong khoảng thời gian tiếp theo cho tới khi piston bắt đầu vào bộ phận giảm chấn.
Lực ma sát thay đổi phụ thuộc vào vận tốc của piston cũng nh vào sự chênh lệch áp suất giữa hai buồng xi lanh. Trong khu vực này tồn tại ma sát
ớt và có thể cả ma sát hỗn hợp. ở khu vực này trong một số tr ờng hợp sẽ xuất hiện hiệu ứng dính tr ợt.-
3.1 Từ thời điểm bắt đầu của khu vực này (0,4 đến 0,5 s) vận tốc chuyển động của piston tăng liên tục tới giá trị cực đại của nó. Đồng thời lực ma sát
cũng tăng từ giá trị cực tiểu đến giá trị cực đại. Sự thể hiện của đồ thị ở đây hoàn toàn phù hợp với trạng thái ma sát trong phạm vi ma sát lỏng của đ ờng
cong Stribeck (hình1-5). Trong khoảng thời gian này, độ chênh áp và gia tốc tăng nhanh, và đạt các giá trị cực đại ngay sau khi lực ma sát đạt cực tiểu.
Việc tăng nhanh tốc độ dẫn đến sự giảm nhanh thể tích của khoang xi lanh 2 và ng ợc lại làm thể tích khoang xy-lanh 1 tăng nhanh, do đó áp suất p2
tăng mạnh và áp suất trong khoang 1 không tăng, thậm chí còn giảm chút ít vì không có đủ khí nén bù vào do sức cản đ ờng ống và nh vậy không khí nén trong khoang xi lanh 1 sẽ nở ra. Điều này dẫn đến việc giảm độ chênh áp suất giữa các khoang xi lanh cũng nh gia tốc chuyển động của piston.
3.2 Trong phạm vi thời gian tiếp theo (từ 0,5 s đến 0,63 s), tốc độ giảm liên tục từ giá trị cực đại của nó xuống giá trị cực tiểu và bên cạnh đó lực ma sát cũng giảm. ở đoạn đầu của khu vực (từ 0,5 đến 0,55 giây), thoạt tiên độ chênh áp suất và gia tốc giảm và đạt tới giá trị cực tiểu, sau đó chúng lại tăng lên. Vì ở đây tốc độ giảm tới mức không khí nén từ nguồn lại đủ kịp đ a vào nên áp suất p1 trong khoang xi lanh 1 lại tăng lên mạnh không lệ thuộc vào sự thay đổi của áp suất p2 trong khoang xi lanh 2, bởi vậy độ chênh áp và gia tốc
không tiếp tục giảm nữa mà đạt cực tiểu ở đó rồi sau đó lại tăng lên.
3.3 Trong khoảng thời gian tiếp theo các quá trình sẽ đ ợc lặp lại nh đã mô tả ở khoảng thời gian trong 3.1 và 3.2 tới khi piston bắt đầu vào bộ phận giảm chấn.
4. Khu vực 4: Sự giảm chấn đ ợc thấy rõ trên đồ thị với sự giảm đột ngột và dao động đột ngột của vận tốc cũng nh của gia tốc.
Việc tính toán ở khu vực này không phản ánh các mối quan hệ thực nữa. Khu vực này kết thúc với việc piston dừng hẳn khi đạt tới trạng thái tĩnh của cân bằng lực tức là không có sự chuyển động t ơng đối của piston nữa.
Hình 3-4 là một ví dụ minh họa khác mô tả kết quả một thực nghiệm mà trong đó vận tốc của piston đạt tới hơn 0,8 m/s. Thực nghiệm đ ợc tiến hành trên xi lanh loại 32*400 mm theo chiều hành trình thuận của piston và φ khối l ợng m = 6,5 kg với sự biến thiên theo thời gian của các đại l ợng đo đ ợc (áp suất p1, p2, hành trình x của piston) cũng nh các đại l ợng tính toán (chênh lệch áp suất p giữa các buồng xi lanh, tốc độ ∆ x và lực ma sát FR) đ ợc biểu diễn nh trên hình vẽ trang bên.
Hình 3 4:- Kết quả thử nghiệm với xi lanh φ 32*400 mm
Nhận xét:
Từ một số kết quả thử nghiệm thu đ ợc trên, ta có thể nhận thấy hệ thống thực nghiệm đ ợc đề xuất đã đ ợc xây dựng thành công, đã đạt đ ợc mục đích đề ra. Cụ thể là có thể xác định lực ma sát một cách nhanh chóng và chính xác. Hệ thống thực nghiệm này có những u nh ợc điểm chính sau:
u điểm:
Sơ đồ thực nghiệm đơn giản, bởi vậy chi phí về thiết bị nhỏ.
Việc khảo sát ma sát trong xi lanh khí nén đ ợc tiến hành d ới