3.3.1. H thệ ống điều khiển
3.3.1.1. Biến Tần
Nguồn lực của thiết bị là động cơ điện 3 pha, công suất 5,5 kW của hãng Simens với tốc độ vòng quay 1455 vg/ph. Điều khiển tốc độ động cơ dùng biến tần ABB ACS355-03E-15A6-4 (Hình 3.14).
Hình 3.14: Biến tần C m b dụ ể ầu, bơm dầu và động cơ
Van đảo chi u, van an toàn ề T n nhi t ả ệ
Đồng h ồáp Van tiết lưu
Biến tần có công suất 7.5 kW (10 HP), nguồn cấp3 pha 380V, cấp độ ả b o v IP20, dệ ải tần số điều chỉnh - 0 500 Hz. Hệ thống điều khiển còn đảm nhiệm điều khi n h th ng thu l c cung c p dể ệ ố ỷ ự ấ ầu bôi trơn cho ổ.
Với yêu cầu của thiết bị thực nghiệm nhóm nghiên cứu đã cấu hình tốc độ c n ầ điều khi n cể ủa động cơ theo hai chế độ :
- Ch u khi n vô c p ế độ điề ể ấ
- Ch u khi n 3 c p tế độ điề ể ấ ốc độ ố đị c nh có th ể thay đổi theo tính toán
Dựa trên yêu cầu điều khiển tốc độtheo hai chế độ nói trên nhóm nghiên cứu đã quyết
định dùng cấu hình ABB standard Maccro theo sơ đồ ạch nguyên lý như hình m 3.15 .
Hình 3.15: Nguyên lý điều khi nể
Với sơ đồ nguyên lý này, ta có th thi t k mể ế ế ạch điều khi n cho biể ến tần như hình 3.16.
Hình 3.16 M: ạch điều khiển cho bi n t nế ầ
Ngu n ồ Bi n t n ế ầ ng Độ cơ
3.3.1.2. Động cơ
Với động cơ Siemens 5,5 kW, ta cài đặt các hàm thông s cho bi n tố ế ần như sau:
- Nhóm tham s ố cài đặt cho động cơ:
- Điện áp cao nhất cho động cơ đặt hàm 9905 = 400V - Dòng điện định mức cho động cơ đặt hàm 9906 = 12A - Công suất danh nghĩa động cơ đặt hàm 9909 =5,5 kW
Vì tốc độ ủ c a động cơ sau khi đã giảm t c yêu c u là 250ố ầ vg/ph trong khi động cơ ta
chọn lo i có tạ ốc độ 300 vg/ph, để ạ h n ch tế ốc độ vô c p phá hấ ỏng cơ cấu thanh truy n ta ề
phải đặt thêm hàm: T n s giầ ố ới hạn trên 9907= 42hz.
Tốc độ của đ ng cơ 1500ộ vg/ph h+ ộp giảm tốc tỉ ố s truyền = 1/5 nghĩa là động
cơ quay 5 vg/ph thì được 1vg/ph tại đầu h p gi m t c.ộ ả ố
3.3.1.3. Tủ điều khiển
T n ủ điệ điều khiển (hình 3.17) được thiết kế ớ v i mặt ngoài tủ ố trí đèn báo pha b và các nútđiều khiển cho các chế độ ậ v n hành thi t b . Bên trong t ế ị ủlà các phần tử ủ c a h thệ ống điều khiể nhưn biến tần, khởi động từ, bộ đổi nguồn, rơ le trung gian…(hình 3.18).
Hình 3.17: Tủ điện điều khi nể
Đèn báo pha D ng kh n c p ừ ẩ ấ Ch y tay/ t ng ạ ự độ Tốc độchạy tự độ ng Bơm dầu Ch y vô c p ạ ấ
Hình 3.18: Phầ ử điền t u khi n trong t ể ủ điệ n
H thệ ống điều khiển thiết bị ồm điề g u khiển tốc đ động cơ thông qua biếộ n tần
và điều khi n h th ng thu l c c p d u cho . Tể ệ ố ỷ ự ấ ầ ổ ốc độ quay c a tr c khu u s ủ ụ ỷ ẽ được hiển thị trên màn hình máy tính thông qua encoder giám sát tốc độ quay trục (hình 3.19a) và PLC S7-1200 (hình 3.19b). a) b) Hình 3.19: Ảnh ch p encoder và PLC ụ Bi n t n ế ầ Ngu n 24VDC ồ PLC Encoder
3.3.2. H thệ ống đo
3.3.2.1. Hệ thống đo lực.
Trong quá trình hoạt động, t i tr ng tác d ng lên thanh truy n g m hai thành ả ọ ụ ề ồ
phần (Hình 3.20), lực kéo/nén Fx và lực uốn Fy. Để xác định hai lực này, ta sử ụ d ng các cảm biến đo biến d ng và n i thành m ch c u, m t mạ ố ạ ầ ộ ạch cầu đo các lực dọc tr c ụ
(kéo/nén) và m t m ch cộ ạ ầu đo lực uốn. Tín hiệu từ mạch cầu k t nế ối v i module NI ớ
9219 qua b x lý tín hi u DAQ. ộ ử ệ
Hình 3.20 V : ị trí đặt cảm biến đo biến dạng để đo lực kéo/nén và ực uốl n.
Hình 3.21a và hình 3.21b là sơ đồ nguyên lý mạch cầu đo các lực tác dụng lên thanh truy n. Hình 3.21ề c là sơ đồ nguyên lý m ch cạ ầu đo lực trên module NI 9219.
Để đo lực gây nén Fx ta dùng hai cảm biến dán song song lên mặt trên và mặt dưới thanh truy n và hai c m biề ả ến không đặt trên thanh truyền để ố n i thành mạch cầ Tương u. t ự để đo lực gây uốn Fy ta dùng mạch cầu bốn cảm biến dán song song ở hai mặt bên của thanh truyền. Vì thanh truyền ngâm trong dầu nên các cảm biến sẽ được phủ ớ l p
sơn cách đ ện và sơn chối ng d u. ầ
Các cảm bi n s ế ẽ được kế ố ớ ộ ửt n i v i b x lý d liữ ệu, sau đó tín hiệu được kế ố ớt n i v i
máy tính và đượ ậc l p trình hi n th k t qu thông qua ph n m m LabView. ể ị ế ả đo ầ ề
Hình 3.22: Mạch cầu đo lực u n và l c kéo/nén trên NI9219 ố ự
H thệ ống đo lực trên toàn bộ chu kỳ làm việc của ổ được lập trình theo sơ đồ
thuật toán hình 3.23. Thời gian lấy mẫu đựơc xác định từ ố t c độ quay của động cơ khi
thực nghiệm. Kết quả đo được hiển thị lên giao diện phần mề đồm ng thời lưu vào file d li u. ữ ệ
Hình 3.23: Sơ đồ thuật toán đo lực
H thệ ống đo lực sau khi hoàn chỉnh chế ạo đượ t c hiệu chuẩn về thông số tiêu chuẩn và đáp ứng độtin cậ và đạy t CCX= 0.5. Hình 3.24 là hiệu chuẩn h th ng ệ ố đo lực uốn tác dụng lên thanh truyền với quả ặ n ng tiêu chuẩn CCX= 0.2 và hình 3.25 là hiệu chuẩn đo lực kéo/nén tác d ng lên thanh truy n v i qu n ng tiêu chu n CCX= 0.2. ụ ề ớ ả ặ ẩ
Hình 3.25: Hiệu ch ẩu n thiết bị đo lực kéo
3.3.2.2. Hệ thống đo áp suất.
Để đo áp suất màng d u u to thanh truy n, ta dùng c m biầ ổ đầ ề ả ến điện tr XCQ-ở
062-35BARA của hãng KULITE được lựa chọn. Cảm biến có đường kính 1,7 mm, chiều dài 9,5 mm. Cảm biến có dải đo 0.7 ÷ 70 bar 5 ÷ 1000 Psi, d, ải áp suất max 2 ÷ 3 áp suất định mức, nguồn điện áp 10 ÷ 12 VDC, nhiệt độ hoạt động -65˚F ÷ +275˚F (-
55˚C ÷ +135˚C).
a) Lắp đặt cảm biến
Áp suất màng dầu tại mỗi thời điểm trong một chu kỳ hoạt động của động cơ là khác nhau. Để đo được áp su t t i m i thấ ạ ỗ ời điểm đó, cảm bi n áp suế ất được c nh trên ố đị
trục của ổ theo phương hướng kính, đầu đo được hướng ra bề ặ m t trục. Áp suất đo được t i ti t diạ ế ện giữa ổ theo phương chiều dài.
b) Trục củ ổa (trục)
tr c khu u và quay cùng tr c khuụ ỷ ụ ỷu, là nơi lắp cảm bi n áp suế ất để đo áp suất màng d u ầ
của ổ. V t li u ch tậ ệ ế ạo trục là thép h p kim 40X. Trợ ục có đường kính ngoài 100 mm,
đường kính trong 97 mm, chi u r ng B=20 mm.ề ộ
Hình 3.26 Trục củ ổ (chi tiết bạc)a
Cảm biến áp suất XCQ-062-35BARA (Hình 3.27) và dây dẫn ra đầu phát sóng
RF được thi t k ế ế đặt trong đường dẫn. Để để đo áp suấ ầ ạ t d u t i các v trí khác nhau c a ị ủ
màng dầu theo phương chu vi ổ, chi tiết bạc mang c m bi n sả ế ẽ quay các v ở ị trí khác nhau. Một đĩa lỗ (Hình 3.28) định v 24 vị ị trí cảm biến, cách đều 15độ. Đĩa lỗ đượ ắc l p chặt trên tr c khu u b ng then và l p v i tr c cụ ỷ ằ ắ ớ ụ ủ ổ ằng ba vít M3. Như vậa b y ta có th ể đo được áp su t c a màng d u t i 24 v ấ ủ ầ ạ ị trí theo phương chu vi củ ổa và theo góc quay c a tr c khu u. ủ ụ ỷ
Thông s k thuố ỹ ật của cảm biến được gi i thi u trong b ng 3.2. ớ ệ ả
B ng 3. 2ả : Thông số ỹ k thuậ ảt c m biếp áp suất XCQ-062
Tr ởkháng ra 1000 Ohms
Tín hiệu đầu ra (FSO) 100mV ± 5mV
Phi tuyến tính, độ ễ tr và lặ ạp l i 0,1% FSO BFSL, ± 0,5% FSO (Max) T n s cầ ố ảm biến 150, 175, 240, 380, 550, 700, 1000
Độ nh y gia t c ạ ố 1,5x10-3, 5,0x10-4, , 1,5x10-4,6,0x10-5 Nhiệt độhoạt động -65˚F to +275˚F ( 55˚C to +135˚C)-
Rung động 10 - 2000Hz
K t n i ế ố 4 dây 36AWG
Khối lượng 2 gram
c) Phương pháp thu nhận tín hi u t c m bi n. ệ ừ ả ế
Vì c m bi n quay cùng v i tr c nên không thả ế ớ ụ ể ế k t nối điện tr c ti p giự ế ữa bộ ả c m biến và bộ ử x lý dữ ệ li u trung tâm. Một giải pháp đặt ra là truyền nhận tín hiệu không
dây. Để gi i quy t vả ế ấn đề này, ta ch n h th ng truy n tín hi u b ng sóng RF. Hình ọ ệ ố ề ệ ằ
3.28 là sơ đồ khối của hệ ố th ng thu tín hiệu cảm biến không dây. Tín hiệu của cảm biến áp su t XCQấ -062-35BARA là tín hiệu tương tự. Vi c truy n tín hiệ ề ệu tương tự không dây qua b phát sóng RF cho giá trộ ị đo rất nh nên tín hi u cỏ ệ ủa cảm bi n áp su t XCQế ấ - 062-35BARA cần được khuếch đại và sẽ được chuyển đổi từtín hiệu tương tự sang tín hi u s qua b chuyệ ố ộ ển đổi tín hi u s hình 3.29. ệ ố
Hình 3.29: Sơ đồ khối hệ thống nh n tín hi u cậ ệ ảm biến áp su t ấ
Thiết bị thu nhận tín hiệu gồm b ộ phát tín hiệu được cố định trên trục quay và kết nối trực tiếp với cảm biến. Một pin năng lượng được sử ụng để ấ d c p nguồn cho cảm biến và bộ phát tín hiệu. Bộ thu tín hiệu không đặt trên trục và thu nhận tín hiệu bằng sóng RF. B thu tín hi u g i tín hiộ ệ ử ệu đến m ch Adruino, tín hiạ ệu từ ộ b Adruino thu nhận được sẽ ử đến máy tính và đượ g i c lập trình hiển thị ế k t quảthông qua phần mềm LabView. Hình 3.30 là Bộ phát (a) và thu (b) tín hiệu bằng sóng RF cho cảm biến áp su t và b phát tín hiấ ộ ệu lắp trên thi t b (c) ế ị
Hình 3.30 B phát và b thu tín hi u b ng sóng RF c a c: ộ ộ ệ ằ ủ ảm biến áp su tấ
Hình 3.31 là màn hình hi n th khi lể ị ập trình đo áp suấ ổ đầt u to thanh truy n. ề
Hình 3.31 Màn hình : hiển th khi lị ập trình đo áp suất màng d u ầ
H thệ ống đo áp suất trên toàn bộ chu kỳ làm việc của ổ. Vị trí đo được chọn theo góc thanh truyền. Hình 3.32 là giao diện kế ốt n i giữa bộthu tín hi u v i ph n mệ ớ ầ ềm Labview. Hình 3.33 là giao diện hiển thị ế k t quả đo áp suất hi n th trên giao di n theo ể ị ệ
hàm th i gian liên t ờ ục.
Hình 3.33 Giao di: ện đồ thị tín hi u thu nhệ ận trên Labview.
Hình 3.34 là sơ đồ thuật toán đo áp suất màng d u trong ầ ổ đầu to thanh truyền. Tín hi u tệ ừ ả c m bi n sau khi truy n tế ề ừ ộ b phát t i b thu, b thu nh n tín hi u k t nớ ộ ộ ậ ệ ế ối v i ớ máy tính và hiển thị ế k t quả trên màn hình và đồng thời lưu kết quả đo vào file dữ
li u. ệ
H thệ ống đo áp suất màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền sau khi được thiết kế
chế ạ t o, trước khi ti n hành th c nghiế ự ệm được hi u chuệ ẩn độ tin c y CCX=0.5. Quá ậ
tình hi u chu n sệ ẩ ử ụ d ng máy nén khí c a hãng Festo là m t hãng cung c p thi t bủ ộ ấ ế ị ủ th y lực khí nén thương ạ m i uy tín của CHLB Đức. Máy nén cấp vào một lượng áp suất cố định hi n th trêể ị n đồng h cồ ủa máy nén khí, đầu ra thi t b ế ị đo áp suất hi n th trên màn ể ị
hình k t quế ả đo. So sánh kết qu áp su t c p vào và áp su t hi n th trên màn hình giao ả ấ ấ ấ ể ị
diện đo cho kết qu ả tương đồng.
3.3.2.3. Hệ thống đo nhiệt độ màng dầu.
a) Cảm biến nhiệt độ
Để đo được nhiệt độ màng d u ầ bôi trơn ổ đầ u to thanh truyền t i các v trí khác ạ ị
nhau trong toàn b quá trình làm vi c, ta cộ ệ ần xem xét đến các yế ốu t sau: - V t li u cậ ệ ủa đầu to thanh truy n nghiên c u và trề ứ ục của ổ
- Thông s ố kích thước của cảm biến nhiệt “thermocouple type K” - Mối tương quan và vị trí của cảm bi n v i các ph n khác trên thiế ớ ầ ết bị
- Phần thu nh n và x lý tín hi u. ậ ử ệ
Đầu to thanh truy n nghiên cề ứu được làm t v t liừ ậ ệu quang đàn hồi chuyển động song ph ng trong quá trình làm viẳ ệ do đó có thể đặc, t c m biả ến trên đầu to thanh truyền nghiên c u mà không gây ứ ảnh hưởng đến các kế ấu cơ khí khác. Để đo đượt c c nhiệt độ
tại các vị trí khác nhau trong cùng một thời điểm ta cần đặt nhiều cảm biến có điểm tiếp
xúc cách đều nhau trên b mề ặt bôi trơn của đầu to thanh truy n nghiên c u. S c m ề ứ ố ả
biến càng nhiều thì ta có thể đo được càng nhiều vị trí tuy nhiên số lượng vị trí đặt cảm biến cũng ảnh hưởng đến áp suất màng dầu trong quá trình hoạt động của thiết bị, gây sai lệch hình ảnh thu được khi chụp ảnh chi u dày màng d u và ng suề ầ ứ ất trên đầu to thanh truy n. ề
Hình 3.35. là c u tấ ạo của cảm bi n c p nhiế ặ ệt điện. Cảm biến gồm hai dây kim loại khác nhau về ả b n chất hóa học hàn dính nhau ở một đầu (đầu nóng) đầu còn lại
(đầu l nh). D a trên s chênh l ch nhiạ ự ự ệ ệt độ hai đầu n i c a hai dây dố ủ ẫn (đầu nóng và
đầ ạu l nh) làm xu t hi n sấ ệ ức điện động trong m ch. Thông qua viạ ệc đo sức điện động để
x ử lý ta có thể thu được nhiệt độ tương ứng. Dải nhiệt từ -200oC đến 1450oC, làm việc
được trong môi trường kh c nghi t và ắ ệ ổn định.
b) Lắp đặ ảt c m biến
Nhiệt độ màng dầ ổ đầu u to thanh truyền được đo ạt i sáu vị trí điển hình theo
theo phương chu vi và ạt i ti t di n gi a ế ệ ữ ổ theo phương chiều dài (Hình 3.36) b i sáu ở
cảm biến nhiệt độ. Vị trí thứ nhất là tại 0o của thanh truyền, các vị trí tiếp theo sẽ cách
đều 60o. Các c m biả ến sẽ được kết nối với modul của bộ ử x lý d li u và lữ ệ ập trình đo
nhiệt độ ằ b ng phần mềm LabView. Các cảm biến đặt lần lượt tại các vịtrí 00, 450, 1350, 1800, 2250, 3150 theo phương chu vi ổ. Đồng thời các cảm biến cũng đặt trên thanh truy n t i ti t diề ạ ế ện giữa ổ theo phương chiều dài.
Hình 3.36 V : ị trí lắp cảm biến nhiệt độ
c)K t nế ối hệ thống đo nhiệt độmàng dầu ổ đầ u to thanh truy n ề
Kết nối sáu cảm biến nhiệt độ ớ v i module NI-9213 c b x ủa ộ ửlý tín hiệu DAQ và