Trên cơ sở chế tạo thiết bị thí nghiệm hệ thống tời điều khiển thủy lực, nghiên cứu thực nghiệm trong luận án đƣợc sử dụng để kiểm chứng lý thuyết, so sánh đánh giá mô hình mô phỏng. kết quả thí nghiệm dùng để làm cơ sở thực tiễn cho việc chế tạo hệ thống tời điều khiển thủy lực lắp trên LHM vận xuất gỗ cỡ nhỏ làm việc trên vùng đất rừng có độ dốc lớn.
Áp dụng phƣơng pháp nghiên cứu đơn yếu tố để nghiên cứu ảnh hƣởng riêng của từng yếu tố đầu vào tới các thông số đầu ra, qua đó tìm đƣợc mức biến thiên, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu thích hợp của từng yếu tố, làm cơ sở cho nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố. Nguyên tắc của phƣơng pháp này là cố định các yếu tố khác, thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hƣởng của yếu tố biến thiên tới các thông số ra, qua đó tìm đƣợc khoảng nghiên cứu cho phép của mỗi yếu tố.
Trong quá trình làm việc của LHM, có nhiều yếu tố làm tăng tải trọng dẫn đến phải thay đổi lực căng dây tời để đảm bảo cho LHM làm việc ở điều kiện tối ƣu về tốc độ di chuyển cũng nhƣ sự an toàn (dây tời luôn duy trì ở trạng thái căng). Trên cơ sở phân tích điều kiện hoạt động của LHM, lựa chọn ba thông số đầu vào cơ bản để điều khiển hệ thống: Độ dốc của đoạn đƣờng LHM phải vƣợt
34
qua, tải trọng của LHM và tốc độ quay của động cơ. Thông số đầu ra là giá trị lực kéo LHM vƣợt dốc, tốc độ di chuyển của LHM và áp suất dầu của hệ thống.
3.5.3.1. Phương pháp đo các đại lượng không điện
Phƣơng pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo, bao gồm các thao tác: xác định mẫu, thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị. Các phƣơng pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phƣơng pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác nhƣ đại lƣợng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu… Để xác định các thông số trong thực nghiệm nhƣ: Tốc độ quay, vị trí tay thƣớc nhiên liệu, giá trị lực (mô men) cản, bằng cách sử dụng các cảm biến biến đổi các đại lƣợng không điện thành tín hiệu điện tƣơng ứng để xử lý, điều khiển hệ thống.
a) Cảm biến tốc độ
Đƣợc sử dụng để chuyển đổi tốc độ quay thành tín hiệu điện, phục vụ xử lý, tính toán và hiện thị giá trị tốc độ tức thời của trục bơm dầu cung cấp cho HTTL. Để xác định tốc độ của bơm dầu cung cấp cho hệ thống, cảm biến tốc độ đƣợc dùng là loại cảm biến quang rất dễ tìm trên thị trƣờng và chi phí không đáng kể. Với cảm biến này, cần thiết kế và lắp thêm đĩa kim loại quay đồng trục với trục bơm. Tín hiệu từ cảm biến quang cũng đƣợc đƣa về board mạch arduino tƣơng tự tín hiệu áp suất.
Tốc kế vòng loại xung (encoder-ECD): Đƣợc sử dụng phổ biến trong kỹ thuật đo hiện đại, làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn. Cảm biến loại này thƣờng có một đĩa đƣợc mã hóa gắn với trục quay (đĩa có lỗ, rãnh) cho chùm sáng đi qua đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỷ lệ với vận tốc quay cần đo. Tốc kế loại này cho phép xác định chính xác số vòng quay, tốc độ quay và vị trí góc của trục quay (Dƣơng Minh Trí, 2007).
Trên cơ sở phân tích ƣu nhƣợc điểm, yêu cầu và điều kiện thí nghiệm, sử dụng cảm biến ECD là phù hợp.
b) Đo lực căng dây tời
Để xác định giá trị lực căng dây tời, nghiên cứu này sử dụng các cảm biến áp suất thủy lực đo trực tiếp giá trị áp suất trên đƣờng ống tại các vị trí cần thiết của HTTL. Theo mục đích thí nghiệm, và điều kiện thực tế, trong luận án sử dụng phƣơng pháp đo lực căng dây tời bằng phƣơng pháp gián tiếp qua áp suất
35
của chất lỏng trong HTTL. Giá trị áp suất trong hệ thống đƣợc chuyển đổi thông qua các cảm biến áp suất.
Các loại cảm biến áp suất nói chung đều sử dụng nguyên lý đo sức căng nhƣ dùng tấm điện trở đo ứng suất thông qua biến dạng, màng đàn hồi khí nén, các khâu đàn hồi tuyến tính nhƣ lò xo, cầu chữ U. Tuy nhiên các ứng dụng trên đều liên quan đến bộ tạo điện áp (dòng điện) ra. Điện áp (dòng điện) phải tỷ lệ thuận với áp suất, lực hoặc mô men xoắn. Tín hiệu điện trên cơ sở áp suất của hệ thống tạo tải đƣợc tính toán tƣơng ứng với mô men cản động cơ. Bộ phận điều khiển xử lý, đƣa ra tín hiệu điều khiển đóng mở các van phân phối trong HTTL để duy trì áp suất chất lỏng ở giá trị mong muốn. Lực căng dây tời là thông số có tính chất quyết định đến việc đảm bảo LHM làm việc ổn định trong các trạng thái lên dốc, xuống dốc hoặc tạm dừng trên dốc, … cảm biến áp suất cần có độ nhạy, độ chính xác cao.
Trong mô hình thí nghiệm có sử dụng 2 cảm biến áp suất chịu đƣợc áp suất đến 240MPA (24N/mm2). Các cảm biến này đƣợc lắp trực tiếp vào mạch thủy lực để xác định áp suất dầu thủy lực tại vị trí lắp và tín hiệu truyền về bộ gom là tín hiệu điện áp từ 0 đến 10V và dòng điện tƣơng ứng từ 4 đến 20mA đƣợc lắp trực tiếp lên board mạch arduino uno R3. Nguồn điện cung cấp để cảm biến hoạt động từ 12VDC đến 30VDC.
Để có dữ liệu sát với từng vị trí khi thí nghiệm các phƣơng án, mô hình đƣợc lắp 2 cảm biến áp suất có chuẩn loại giống nhau. Một cảm biến cung cấp tín hiệu áp suất cung cấp cho mô tơ kéo tời và một cảm biến lắp tại cơ cấu phanh (mô tơ tạo tải). Điểm mạnh khi dùng arduino là việc thay đổi các cảm biến có thông số kỹ thuật khác nhau (do các điều kiện tải trọng hoặc do khả năng trang bị các cảm biến) là rất linh hoạt (Nguyễn Bá Hải, 2016) và chỉ cần thay đổi chƣơng trình cho tƣơng thích rồi nạp lại cho board mạch của arduino là có thể hoạt động tốt.
c) Đo lưu lượng
Để có dữ liệu về lƣu lƣợng lƣu chất đi qua các mạch trong hệ thống, mô hình có dùng một cảm biến lƣu lƣợng kiểu chênh lệch áp suất lắp trực tiếp trên đƣờng dầu cấp vào mô tơ thủy lực kéo tời.
Trong thực tế có nhiều loại cảm biến lƣu lƣợng có thể đƣợc sử dụng, tuy nhiên với loại lƣu chất là dầu thủy lực, có độ nhớt cao, khả năng chịu nén thấp cũng nhƣ trọng lƣợng riêng khá lớn nên việc chọn loại cảm biến lƣu lƣợng của công ty AW-Lake của Hoa kỳ sản xuất là phù hợp (AW-Lake Company, 2016).
36
Với các loại cảm biến cần thiết đƣợc lắp trên mô hình thiết bị ta có đƣợc các thông số kỹ thuật của từng loại cho thấy tất cả đều có thể hoạt động tốt trong điều kiện về nhiệt độ làm việc của HTTL, áp suất làm việc của hệ thống cũng nhƣ nguồn điện 1 chiều cung cấp cho các cảm biến, … mô hình thí nghiệm đƣợc cung cấp bởi 1 nguồn điện 1 chiều chung cho các cảm biến cũng nhƣ 1 board mạch arduino uno R3 phù hợp để tiếp nhận tín hiệu tƣơng tự và xử lý nhờ vi xử lý để có tín hiệu xuất ra dƣới dạng số điều kiển các cô cấu chấp hành khá thuận tiện và nhỏ gọn.
3.5.3.2. Phương pháp điều khiển lực căng dây tời
Mục tiêu cuối cùng của hệ thống tời điều khiển thủy lực là điều khiển giá trị lực căng dây tời sao cho dây luôn ở trạng thái căng với lực vừa đủ để bù trừ lực cản dốc gây nên do độ dốc của mặt đƣờng. Khi LHM di chuyển lên dốc hay xuống dốc dây tời luôn duy trì trạng thái căng vừa đủ để LHM di chuyển đƣợc gần giống nhƣ nó đang làm việc trên đƣờng bằng. Để đạt đƣợc mục tiêu đó, lực căng dây tời phải đƣợc điều khiển một cách tự động để bù trừ lực tục dốc thƣờng xuyên biến đổi khi LHM làm việc. Quá trình điều khiển tự động đó đƣợc thực hiện nhờ cụm điều khiển nhận tín hiệu từ các cảm biến đƣa về dƣới dạng tín hiệu điện áp (tăng hay giảm) để điều khiển các van phân phối của HTTL đóng hay mở (nhanh hay chậm) nhằm tạo ra áp suất chất lỏng trong hệ thống lớn hay bé. Nếu cần lực căng dây tời lớn thì áp suất chất lỏng trong HTTL phải đủ lớn để thu dây tời khi LHM vƣợt dốc hoặc để hãm tời khi LHM xuống dốc và ngƣợc lại.
Để điều khiển tự động lực căng dây tời theo tải trọng hoặc độ dốc hoặc cả hai trƣờng hợp, cụm điều khiển tự động các van phân phối đƣợc thiết kế để tiếp nhận các tín hiệu điện áp từ các cảm biến rồi thông qua bộ biến đổi bề rộng rộng xung để điều khiển các van phân phối (Bùi Hải Triều & Nguyễn Đình Tùng, 2017). HTTL thủy tĩnh với ƣu điểm vƣợt trội về khả năng tự động hóa là lựa chọn phù hợp để điều khiển áp suất hệ thống (Trần Xuân Tùy, 2002).
3.5.3.3. Các phương án thiết lập mạch thủy lực áp suất không đổi
a) Kết cấu mạch thủy lực áp suất không đổi
Mạch thủy lực áp suất không đổi là mạch có một nguồn áp suất cung cấp năng lƣợng thủy lực cho các phụ tải mắc song song với nhau và ít có ảnh hƣởng lẫn nhau (Bùi Hải Triều & cs., 2006). Điều kiện để hình thành mạch thủy lực áp suất không đổi là:
37
Áp suất của nguồn thủy lực gần nhƣ không đổi khi cung cấp lƣu lƣợng khác nhau.
Tất cả phụ tải và phần tử điều khiển thủy lực đƣợc định cỡ với áp suất riêng biệt.
Việc tiếp nhận lƣu lƣợng của phụ tải đƣợc giới hạn một cách phù hợp. Tác động qua lại giữa các nguồn áp suất và các phụ tải đƣợc trình bày theo sơ đồ hình 3.3
a) Lƣu đồ tín hiệu b) Sơ đồ khối điều khiển áp suất
Hình 3.3. Sơ đồ hình thành áp suất và liên kết nguồn áp suất với phụ tải
Nguồn: Bùi Hải Triều & cs. (2006)
b) Hình thành áp suất không đổi
Yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất của nguồn áp suất là áp suất nguồn pDQ không biến động quá mức cho phép khi đáp ứng yêu cầu lƣu lƣợng thay đổi của phụ tải. Yêu cầu kinh tế quan trọng nhất là nguồn áp suất không đƣợc quá đắt và hao tổn năng lƣợng cần phải nhỏ.
Để hình thành một nguồn áp suất không đổi có thể lựa chọn trong các phƣơng án kết cấu dƣới đây (Bùi Hải Triều & cs., 2006):
- Bơm điều khiển hành trình không
Hình 3.4 giới thiệu một HTĐK hành trình không tác động trực tiếp. Hoạt động điều khiển đƣợc thực hiện theo nguyên lý tự động điều khiển vòng kín. Nhiễu trong mạch điều khiển đến từ các phụ tải. Nếu tổng lƣu lƣợng yêu cầu ∑ mới nhất của phụ tải tăng lên lớn hơn so với lƣu lƣợng cung cấp mới nhất
38
từ bơm QP thì áp suất sẽ giảm. Khi đó lực do áp suất sẽ nhỏ hơn lực lò xo làm cho đĩa lắc của bơm nghiêng theo hƣớng tăng thể tích bơm và lƣu lƣợng sẽ tăng đến giá trị ∑ .
Hình 3.4. Nguồn áp suất điều khiển hành trình không
Nguồn: Bùi Hải Triều & cs. (2006)
Hệ thống tự động điều khiển hành trình không có thể làm việc với tích áp hoặc không có tích áp. Khi làm việc với bình tích áp sẽ mang lại hai lợi ích cơ bản nhƣ sau:
- Không có tích áp bơm cần đƣợc định cỡ với yêu cầu lƣu lƣợng cực đại. Có tích áp bơm chỉ cần định cỡ với lƣu lƣợng trung bình, phần lƣu lƣợng yêu cầu cao hơn do bình tích áp đảm nhiệm.
- Có tích áp sẽ làm tăng dung kháng thủy lực trong sơ đồ điều khiển áp suất, làm giảm xung áp suất do thay đổi lƣu lƣợng cung cấp, giảm chậm chuyển động định vị, tăng tuổi thọ và giảm lỗi động lực học điều khiển.
- Bơm đóng ngắt
Bơm đóng ngắt cũng là một phƣơng án điều khiển áp suất nguồn có tính kinh tế thuận lợi (hình 3.5). Việc điều khiển áp suất đƣợc thực hiện theo nguyên lý điều khiển 2 điểm với trợ giúp của một van đóng ngắt 2/2 điều khiển xung.
Nếu bơm đƣợc định cỡ đúng, pDQ(t) đạt đƣợc giá trị pDS0 và lại tiếp tục ngắt. Trong khi lƣu lƣợng yêu cầu nhỏ hơn Qp, pDQ(t) dao động trong vùng pDQ0-pDQu.
Cần lƣu ý rằng, tuy đạt đƣợc hiệu suất thể tích cao nhƣng do có bộ tích áp nên nguồn áp suất kiểu này có thể tích kết cấu tƣơng đối lớn và tính chất điều khiển hai điểm có thể dẫn đến biến động áp suất lớn.
39
a) Sơ đồ mạch b) Quá trình lƣu lƣợng, áp suất với tích áp lớn, nhỏ
Hình 3.5. Bơm đóng ngắt
Nguồn: Bùi Hải Triều & cs. (2006)
- Bơm thay đổi số vòng quay
Sự phát triển của kỹ thuật truyền động điện cho phép sử dụng một cách kinh tế động cơ điện điều khiển đƣợc số vòng quay dẫn động cho bơm để hình thành nguồn áp suất (hình 3.6).
Tích áp, van giới hạn áp suất, van khóa và van một chiều cũng nhƣ bộ lọc dầu đƣợc bố trí tƣơng tự nguồn có bơm đóng ngắt. Bộ điều khiển áp suất cung cấp giá trị cần điều khiển số vòng quay để xác định lƣu lƣợng của bơm là thông số định vị. Nguồn áp suất điều khiển này cũng điều khiển áp suất liên tục do đó có đặc tính tƣơng tự điều khiển hành trình không.
a) Mạch điều khiển thủy lực b) Sơ đồ khối điều khiển
M. Động cơ điện; TG. Tachomet; n. Số vòng quay; i. Dòng điện; u. Điện áp.
Hình 3.6. Nguồn áp suất điều khiển số vòng quay bơm
40
Khác với bộ điều khiển áp suất không phải là điều khiển P mà cần phải là điều khiển PI. Phần tích phân (I) của bộ điều khiển này có nhiệm vụ điều khiển upi=ups và pDQ = pDQS = const.
- Bơm thể tích không đổi với van giới hạn áp suất
Bơm thể tích không đổi với van giới hạn áp suất có thể thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của nguồn áp suất một cách đơn giản và chắc chắn (hình 3.7) khả năng điều khiển QDQ đƣợc thực hiện bằng cách xả phần lƣu lƣợng không cần thiết về thùng qua van giới hạn áp suất. Tính chất điều khiển tƣơng tự HTĐK hành trình không. Vùng điều khiển đƣợc thay đổi nhờ thay đổi sức căng lò xo của van áp suất. Bình tích áp cũng có vai trò tƣơng tự. Nhƣợc điểm lớn nhất của kiểu nguồn áp suất này là hao tổn năng lƣợng qua van lớn.
Hình 3.7. Bơm thể tích không đổi với van giới hạn áp suất
Nguồn: Bùi Hải Triều & cs. (2006)
3.5.3.4. Phương án điều khiển gián đoạn.
Từ thập kỷ 70 ngƣời ta đã nghiên cứu và sử dụng điều khiển tƣơng đƣơng liên tục nhờ các van đóng ngắt trong các thiết bị thuỷ lực và khí nén (Will & cs., 2008). Tuy nhiên mới từ một vài năm gần đây mới có khả năng sử dụng có hiệu quả các hệ thống này do năng lực máy tính ngày càng tăng mạnh và còn do tính thích ứng động lực học ngày càng cao của các phần tử khí nén. Việc điều khiển với các van đóng ngắt, về nguyên lý có thể thực hiện theo hai sơ đồ khác nhau điều khiển không đồng bộ và điều khiển điều hƣởng xung.
a) Điều khiển không đồng bộ
Khi điều khiển không đồng bộ, các van sẽ tác động nếu thông số định vị vƣợt qua một giá trị ngƣỡng xác định về phía trên và phía dƣới (hình 3.8a).
41
Trong trƣờng hợp này ngƣời ta gọi là điều khiển 2 điểm. Cũng thƣờng gặp điều khiển không đồng bộ có vùng chết. Khi đó van không hoạt động với độ lệch nhỏ của giá trị định vị (điều khiển 3 điểm, hình 3.8b). Trƣờng hợp này có thể giảm tần số đóng ngắt và do đó giảm hao mòn và tiếng ồn của van.
a) Điều khiển 2 điểm; b) Điều khiển 3 điểm
Hình 3.8. Điều khiển không đồng bộ
Nguồn: Bùi Hải Triều & cs. (2006)
b) Phương pháp điều hưởng xung
Khác với điều khiển không đồng bộ, trong phƣơng pháp điều hƣởng xung