4.2.2. Hệ thống thủy lực sử dụng bơm thể tích không đổi và van giới hạn áp suất suất
Phƣơng án mạch thứ 2 đƣợc hình thành trên cơ sở loại bỏ một số linh kiện thủy lực khó tìm và thay thế bơm trên sơ đồ hình 4.5 bằng một bơm thể tích không đổi nhằm giảm chi phí, đơn giản hóa kết cấu mạch, phù hợp với LHM cỡ nhỏ.
1. Bơm; 2. Van áp suất điều khiển điện; 3. Mô tơ; 4. Bộ phận tời kéo; 5. Dây tời; cS. Độ cứng dây tời;
FS. Lực căng dây tời; vm. Vận tốc của LHM, s. Quảng đƣờng dịch chuyển của LHM.
Hình 4.5. Sơ đồ mạch thủy lực neo giữ sử dụng bơm thể tích không đổi và van giới hạn áp suất van giới hạn áp suất
Hệ thống neo giữ đƣợc sử dụng phổ biến để kéo thả tàu biển trong bến cảng và cũng dùng để trợ giúp xe, máy vƣợt qua những đoạn đƣờng dốc trơn trợt. Trong lâm nghiệp xe chuyên dụng đƣợc neo giữ có thể làm việc ổn định trên sƣờn núi có dốc lớn đến 70% (Bombosch & cs., 2003).
Ý tƣởng thiết kế cơ bản là sử dụng truyền động thủy tĩnh cho cuộn tời để tạo ra lực căng tời FS gần nhƣ luôn cân bằng với lực xuống dốc FH. Điểm đặc biệt ở đây là cuộn dây tời đƣợc chuyển động cùng với xe vận chuyển gỗ, còn dây tời đƣợc neo cố định tại một điểm vững chắc trên dốc (hình 4.1).
Hệ thống neo giữ có thể tự động điều khiển lực căng FS bằng cách điều khiển áp suất trong hệ thống truyền động thủy lực. Áp suất trƣớc mô tơ thủy lực đƣợc giữ không đổi nhờ một van giới hạn áp suất điều khiển điện. Giá trị đặt p10~u0 đƣợc cho trƣớc theo độ dốc làm việc của LHM.
71
a) b) c)
a) Sơ đồ hoạt động của xy lanh bốc dỡ gỗ; b) Quan hệ lực – áp suất trong xy lanh; c) Quan hệ lực ma sát – vận tốc xy lanh
Hình 4.25. Sơ đồ hoạt động và sơ đồ khối mô phỏng
Vận tốc xy lanh đƣợc điều khiển bởi van tiết lƣu tại cửa vào. Từ quan hệ cân bằng lực và cân bằng lƣu lƣợng tại xy lanh:
̇ (4.10)
(4.11)
Sơ đồ khối mô phỏng quá trình nâng của xy lanh bốc dỡ gỗ từ rơ móc nhƣ hình 4.26
Hình 4.26. Sơ đồ khối mô phỏng xy lanh bốc dỡ gỗ
4.2.7.6. Bình tích áp
Trong mạch truyền động và điều khiển thủy lực, bình tích áp là một phần tử mạch có tính chất cản động lực học chống lại sự tích lũy năng lƣợng biến dạng. Để mô tả tính chất tƣơng đƣơng với mạch điện ngƣời ta còn gọi là phần tử dung kháng thủy lực (Will, 1999; Prokes, 1977).
Sơ đồ ký hiệu và sơ đồ hoạt động của phần tử tích áp đƣợc trình bày trên hình 4.27.
72
a) Sơ đồ ký hiệu; b) Sơ đồ khối mô phỏng
Hình 4.27. Sơ đồ ký hiệu và sơ đồ khối mô phỏng phần tử tích áp trong mạch thủy lực
Dung kháng thủy lực của bình tích áp bóng khí có thể tính theo công thức (Will, 2008; Töpfer & Schwarz, 1988).
( ) (4.12)
Trong đó:
pG là áp suất khí nạp (pG=pmin=p0)
V1 là thể tích danh nghĩa của tích áp (V1=V0)
p là áp suất hệ thống
n là chỉ số đa biến.
Trong trƣờng hợp nạp chậm và xả chậm áp dụng cho HTTL neo giữ LHM vận xuất gỗ có thể chọn trạng thái nạp xả tích áp là trạng thái đẳng nhiệt (n=1) do đó:
(4.13)
Quá trình tích lũy áp suất và xả tích áp đƣợc mô tả bởi phƣơng trình cân bằng lƣu lƣợng và hình thành áp suất sau đây:
(4.14)
̇
(4.15)
∫ (4.16)
Sơ đồ khối mô phỏng quá trình nạp xả tích áp đƣợc biểu diễn trên hình 4.27.b)
73
4.3. NGHIEN CỨU MO PHỎNG TINH CHẤT DỘNG LỰC HỌC VA DIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC NEO GIỮ
Ngoài sự biến đổi vận tốc chuyển động của LHM vận xuất gỗ gây nhiễu cho HTTL điều khiển neo giữ đã đƣợc đánh giá tại mục 4.2.4. HTTL neo giữ còn bị thay đổi trạng thái do sự biến động lƣu lƣợng và áp suất hệ thống, là hệ quả của các quá trình tăng giảm ga của động cơ truyền lực, biến đổi tải trọng và tác động điều khiển áp suất.
Để đánh giá tính chất động lực học và điều khiển của HTTL neo giữ, nghiên cứu sinh sử dụng một mô hình mô phỏng rút gọn, mô tả trạng thái hoạt động khi LHM lên dốc xuất hiện kích động từ thay đổi áp suất, lƣu lƣợng và tác động điều khiển (hình 4.28)
Hình 4.28. Sơ đồ mô phỏng hệ thống thủy lực neo giữ 4.3.1. Khảo sát hệ thống khi thay đổi số vòng quay bơm 4.3.1. Khảo sát hệ thống khi thay đổi số vòng quay bơm
Trƣờng hợp này tƣơng tự trạng thái tăng giảm ga của động cơ máy kéo trên hiện trƣờng. Khi đó số vòng quay bơm nP tại trục trích công suất cũng thay đổi tƣơng ứng. Quá trình mô phỏng đƣợc thực hiện khi thay đổi nP và giữ tải trọng lúc này là mô men cản trục tời không thay đổi (MS=const).
Bảng 4.6. Bảng giá trị các thông số khi thay đổi số vòng quay bơm
Thông số Đơn vị Giá trị Thông số Đơn vị Giá trị
KCP (N/mm2)/V 2 V1 dm3 5
p10 N/mm2 10 VM cm3/vg 500
74
* Chế độ làm việc ban đầu: Up0 = 5V; p0 = 10N/mm2 Kết quả khảo sát đƣợc trình bày trên hình 4.29
a) Diễn biến của vận tốc bơm cung cấp dầu (np) và áp suất điều khiển (p)
b) Diễn biến của lƣu lƣợng trong hệ thống (QP, QM, QK)
Hình 4.29. Kết quả mô phỏng khi thay đổi số vòng quay bơm
Nhận xét: Với HTĐK đã thiết kế, kết quả khảo sát cho thấy khi thay đổi số vòng quay bơm cung cấp (nP) kéo theo sự biến đổi lƣu lƣợng dầu cung cấp (QP)
75
nhƣng áp suất (p) và lƣu lƣợng dầu qua mô tơ (QM) đƣợc giữ ổn định ở giá trị tính toán giúp cho mô tơ quay ổn định (ωM) đảm bảo tốc độ kéo LHM (vm) di chuyển với tốc độ phù hợp.
4.3.2. Khảo sát hệ thống khi thay đổi tải trọng trên trục tời
Trƣờng hợp này tƣơng tự trạng thái lên dốc của LHM gặp vật cản cục bộ hoặc trƣợt cục bộ làm thay đổi tức thời lực căng dẫn đến thay đổi mô men cản trên trục tời MS. Quá trình mô phỏng đƣợc thực hiện khi thay đổi MS và giữ số vòng quay bơm nP không đổi ở mức 1000 vòng/phút. Kết quả khảo sát đƣợc trình bày trên hình 4.30
a) Diễn biến của áp suất điều khiển (p) và mô men cản (MS)
b) Diễn biến của lƣu lƣợng trong hệ thống (QP, QM, QK)
76
Nhận xét: Với HTTL đƣợc trang bị bộ điều khiển áp suất, khi mô men cản (MS) thay đổi do tác động từ yếu tố bên ngoài nhƣ độ dốc, chất lƣợng mặt đƣờng hay tải trọng đặt lên LHM chẳng hạn thì hệ thống có thể tự động điều khiển để duy trì áp suất điều khiển chỉ dao động xung quanh giá trị tính toán (khoảng 10N/mm2). Lƣu lƣợng bơm cung cấp (QP) luôn đƣợc giữ ổn định và HTĐK điều tiết lƣu lƣợng qua mô tơ (QM) phù hợp với mô men cản nhằm đảm bảo cân bằng giữa lực cản dốc (FH) và lực căng dây tời (FS).
4.4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.4.1. Mục đích thí nghiệm 4.4.1. Mục đích thí nghiệm
Xác định các thông số của HTĐK áp suất nguồn;
Xác định một số quan hệ thực nghiệm trong mạch tích lũy năng lƣợng và tái sử dụng để hỗ trợ chuyển động của LHM;
Đánh giá một số tính chất động lực học và điều khiển của HTTL neo giữ.
4.4.2. Yêu cầu của mô hình thí nghiệm
Tái hiện đƣợc các trạng thái làm việc tƣơng tự ngoài hiện trƣờng;
Điều khiển đƣợc các trạng thái làm việc tƣơng tự ngoài hiện trƣờng;
Tự động điều khiển áp suất hệ thống, không đổi không phụ thuộc biến động áp suất, lƣu lƣợng do tải trọng hoặc nguồn thủy lực;
Đánh giá đƣợc khả năng thu hồi động năng khi xuống dốc và hỗ trợ chuyển động lên dốc của bộ phận tích lũy năng lƣợng;
Chi phí thí nghiệm phù hợp với điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam.
4.4.3. Sơ đồ mạch thủy lực của mô hình thí nghiệm
Trên cơ sở sơ đồ mạch thủy lực neo giữ LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ (hình 4.31), nghiên cứu sinh đã xây dựng một sơ đồ mạch thủy lực thí nghiệm thỏa mãn các yêu cầu đã đặt ra nhƣ hình 4.31.
Bơm dầu số 1 đƣợc dẫn động từ động cơ Diesel 18 mã lực, qua bộ truyền có số vòng quay là 1500v/ph. Động cơ thủy lực đƣợc lựa chọn là động cơ dẫn động tời RE 540 có thể quay 2 chiều với thể tích làm việc VM=450,6cm3/vòng. Các số liệu trên đây phù hợp với HTTL điều khiển neo giữ LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ trên cơ sở máy kéo Kubota L3408 dẫn động bơm từ trục trích công suất (KUBOTA Corporation, 2009a; KUBOTA Corporation, 2009b). Mô tơ thủy lực kéo tời có thể tạo chuyển động phù hợp với vận tốc LHM nhỏ hơn 1,7m/s. Các
77
van phân phối 16, 17, 18 có thể điều khiển chuyển mạch các trạng thái chuyển động của LHM. Để tái hiện chuyển động xuống dốc và tạo tải tái hiện trạng thái lên dốc, mô hình đƣợc bố trí thêm một mô tơ thủy lực cùng cỡ để dẫn động nhả tời và điều khiển mô men phanh tạo tải. Ngoài bộ tích áp giảm xung 7, trên mô hình còn bố trí một bộ tích áp 9 có dung tích 25 lít để tích lũy áp suất tạo bởi động năng của LHM khi xuống dốc. Để điều khiển phanh trục tời trong những trƣờng hợp cần thiết, còn đƣợc bổ sung một mạch điều khiển phụ với bơm số 19 và van phân phối 15.
1 và 19. Bơm thủy lực; 2 và 20. Van giới hạn áp suất, 3. Van đóng ngắt; 4. Bộ điều khiển xung PWM; 5. Bộ điều khiển điện áp; 6. Cảm biến áp suất; 7. Tích áp giảm xung; 8. Van đóng ngắt điều khiển chế độ tích lũy năng lƣợng; 9. Bộ tích lũy năng lƣợng; 10. Van giới hạn áp suất tích áp; 11 và 15. Van chuyển mạch điều khiển phanh trục tời; 12. Phanh thủy
lực; 13 và 14. Mô tơ thủy lực; 16, 17 và 18. Van chuyển mạch các trạng thái chuyển động.
Hình 4.31. Sơ đồ mạch thủy lực của mô hình thí nghiệm
Dựa vào sơ đồ mạch thủy lực, nghiên cứu sinh đã triển khai mua sắm linh kiện, thiết bị và tiến hành lắp đặt hoàn chỉnh toàn bộ mô hình hệ thống thiết bị để có thể tổ chức thí nghiệm với các trạng thái điển hình tƣơng ứng khi LHM làm việc thực tế trên hiện trƣờng. HTĐK thiết bị đƣợc kết nối với máy tính và dữ liệu
78
đƣợc xử lý bằng phần mềm LabVIEW. Thiết bị thí nghiệm đƣợc thể hiện ở hình 4.32
1. Động cơ Diesel; 2. Bơm dầu; 3. Van giới hạn áp suất; 4. Các van phân phối; 5. Cảm biến lƣu lƣợng;
6. Van điều khiển áp suất; 7. Tích áp lƣu lƣợng; 8. Tích áp giảng xung; 9. Đồng hồ áp suất; 10. Cảm biến áp suất; 11. Cụm điều khiển điện; 12. Máy tính; 13. Mô tơ thủy lực; 14. Thùng dầu.
Hình 4.32. Thiết bị thí nghiệm 4.4.4. Hệ thống đo và xử lý số liệu 4.4.4. Hệ thống đo và xử lý số liệu
4.4.4.1. Bộ gom dữ liệu và chuyển đổi tín hiệu
Trong quá trình thí nghiệm các tín hiệu cảm biến phải đƣợc thu thập và xử lý tức thời để điều khiển hệ thống tời thủy lực. Tín hiệu ra của các cảm biến bao gồm tín hiệu số, tín hiệu tƣơng tự (cảm biến áp suất) và tín hiệu điều khiển van thủy lực có dạng xung. Việc lựa chọn Modun kết nối các phần tử của thí nghiệm với máy tính điều khiển là rất quan trọng, ảnh hƣởng trực tiếp tới chất lƣợng (độ trễ, độ ổn định) của quá trình điều khiển. Modun kết nối cần đáp ứng các yêu cầu:
+ Dải tín hiệu vào phải đủ rộng, phù hợp với tín hiệu ra của cảm biến; + Độ nhạy cao, tần số lấy mẫu lớn;
+ Có ít nhất bốn cổng xuất tín hiệu điều khiển; + Khả năng tƣơng thích mạch điều khiển công suất; + Khả năng chống nhiễu tốt;
+ Tƣơng thích với các phần mềm thí nghiệm kỹ thuật (LabVIEW); + Kết nối với máy tính đơn giản.
79
Trên cơ sở yêu cầu kỹ thuật của thí nghiệm và sự phân tích, đánh giá các thiết bị trên thị trƣờng, lựa chọn modun Arduino Uno R3. Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm (Enrique & cs., 2012).
Hình 4.33. Board mạch Arduino Uno
Nguồn: Enrique & cs. (2012)
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở đƣợc thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại đƣợc trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tƣơng thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Bảng 4.7. Các thông số của Arduino Uno R3
TT Thông số Giá trị
1 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
2 Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)
3 Tần số hoạt động 16 MHz
4 Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
5 Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC 6 Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
7 Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) 8 Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) 9 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
10 Dòng ra tối đa (5V) 500 mA 11 Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
12 Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
80
Môi trƣờng phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng cross- platform (đa nền tảng) đƣợc viết bằng Java, và từ IDE này sẽ đƣợc sử dụng cho ngôn ngữ lập trình xử lý.
Hình 4.34. Sơ đồ kết nối Arduino với máy tính
Nguồn: Nguyễn Công Thuật (2014)
Board mạch Arduino Uno R3 đƣợc dùng để tiếp nhận dữ liệu từ các cảm biến truyền về, sau đó vi xử lý tiến hành xử lý theo chƣơng trình nạp sẵn rồi cung cấp tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành. Căn cứ vào các thông số kỹ thuật của từng loại cảm biến (áp suất, tốc độ, nhiệt độ, lƣu lƣợng) một chƣơng trình đƣợc lập và nạp lên vi xử lý của board mạch Arduino.
Khi vận hành thiết bị, các tín hiệu tƣơng tự từ các cảm biến đƣợc arduino tiếp nhận và xử lý đồng thời arduino cũng phát ra các tín hiệu số để điều khiển các cơ cấu chấp hành nhƣ các van thủy lực, các van điều khiển áp suất.
Bộ điều khiển p/u đƣợc tích hợp trên board mạch của Arduino Uno R3 là nơi tổng hợp tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi để truyền tín hiệu thích hợp đến van điều khiển điện.
Hình 4.35. Bộ điều khiển p/u
81
Tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi đến các cực đƣợc thực hiện thuật toán "+" hoặc "-" với chức năng của điểm tụ: Uv = Ur - Up. Tuy nhiên giới hạn của điện áp vào và phản hồi phải tƣơng thích, nếu không tƣơng thích thì phải hiệu chỉnh bộ đo điện áp để thực hiện bù trừ sự không tƣơng ứng đó.
Để điều khiển tự động vị trí đóng, ngắt của van điều khiển, việc sử dụng bộ điều khiển p/u có nhiều ƣu điểm và phù hợp (Will & Gebhardt, 2008) và quan hệ giữa thông số vào và ra của bộ điều khiển có dạng:
Trong đó: Ustell: Điện áp điều khiển (V) Usoll: Điện áp so sánh (V) Uist: Điện áp chuyển đổi (V)
Theo Nollau (2009) hệ số phù hợp cho điều khiển thủy lực là KPR=20V/V và TR = 12ms.
4.4.4.2. Phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu
Chƣơng trình điều khiển HTTL có thể đƣợc thiết kế trên cơ sở các phần mềm lập trình khác nhau, các phần mền máy tính hiện đại đƣợc xây dựng cho mục đích thu thập dữ liệu và điều khiển, điển hình C++, Matlab/Simulink, và LabVIEW…
LabVIEW là một môi trƣờng phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình đồ họa, thƣờng sử dụng cho mục đích đo lƣờng, kiểm tra, đánh giá, xử lý và điều khiển các tham số của thiết bị. Việc xây dựng giao diện ngƣời dùn bằng cách thiết lập các công cụ và các đối tƣợng. Giao diện ngƣời dùng đƣợc hiểu nhƣ là một khung trƣớc sau đó mã hóa, lập trình vào trong sơ đồ khối để điều khiển các đối tƣợng ở trên front panel. LabVIEW đƣợc tích hợp đầy đủ các chức năng giao tiếp với các phần cứng GPIB, VXI, PXI, RS-232, RS-485, các thiết bị thu nhận dữ liệu…