Bơm thủy lực có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng thủy lực và ngược lại mô tơ thủy lực chuyển đổi năng lượng thủy lực đưa đến từ bơm thành năng lượng cơ học làm vận hành các bộ phận làm việc của máy công tác. Bơm thủy lực nhận truyền động từ động cơ điện khi hệ thống làm việc tĩnh tại, từ động cơ khi hoạt động trên các thiết bị tự hành như máy kéo, xe chuyên dụng.
Theo hoạt động có thể phân loại bơm và mô tơ thủy lực thành hai dạng: Thay đổi được thể tích làm việc và không thay đổi được thể tích làm việc. Thể tích làm việc của bơm được hiểu là thể tích dầu cung cấp trong một vòng quay, còn thể tích làm việc của mô tơ là thể tích dầu tiếp nhận sau mỗi vòng quay.
Tất cả các máy thủy tĩnh đều có thể hoạt động thuận nghịch, tuy nhiên có một số loại thường chỉ dùng hoặc ưu tiên dùng làm bơm hoặc mô tơ thủy lực. Thông thường chúng được phân làm các loại chính như sau:
a) Máy thủy lực kiểu bánh răng
Các máy thủy lực có bộ phận làm việc theo nguyên tắc cuốn dầu theo dạng quay, hổ biến nhất là máy bánh răng và máy vành răng. Chúng cũng có thể được sử
dụng làm bơm hoặc mô tơ thủy lực. Có thể phân biệt theo hai dạng: Máy bánh răng
ăn khớp ngoài và máy bánh răng ăn khớp trong.
a) b) Hình 1-13. Hoạt động của bơm bánh răng ăn khớp ngoài. a) Dạng đơn, b) Dạng kép.
Hình 1-14. Bơm bánh răng ăn khớp trong.
1-Vành răng trong; 2-Rôto có răng ngoài.
b) Máy thủy lực cánh quay
Hình 1-15. Nguyên lý cấu tạo bơm cánh quay: a) Bơm không cân bằng; b) Bơm cân bằng; 1-Cánh quay; 2-Rôto; 3-Vành rôtô; 4-Rãnh định hướng; 5- Cửa hút; 6, 8 -Cửa đẩy; 7-Cửa nạp.
c) Máy pittông hướng trục
Hình 1-16. Máy pittông hướng trục trục nghiêng:
1- Trục chủ động; 2- Đĩa chủ động; 3- Cần pittông; 4- Pittông; 5- Khối xylanh; 6- Chốt tựa; 7- Vỏ lắc; 8- Vỏ cố định; 9- Đĩa điều khiển; 10- Rãnh điều khiển; S- Phía nạp;
D- Phía đẩy;
OT- Điểm chết trên; UT- Điểm chết dưới.
d) Máy thủy lực pittông hướng kính
Hình 1-17. Máy hướng kính tựa trong:
1-Pittông; 2-Khối xylanh; 3-Vỏ; 4-Chốt điều khiển; 5-Vành trượt; 6-Đế trượt
1.4.2. Các van thủy lực
Để điều khiển hoặc điều chỉnh năng lượng cũng như công suất, trên các hệ thống thủy lực sử dụng rất nhiều các van khác nhau.
a) Van phân phối
Van phân phối được phân biệt theo chức năng là van phân phối không tiết lưu và van phân phối tiết lưu. Loại thứ nhất chỉ dùng để điều khiển khởi hành, dừng lại và điều khiển chiều dòng dầu, còn loại thứ hai có thêm các phương án khuếch đại lưu lượng. Chúng cho phép thay đổi vô cấp số lượng bất kỳ các vị trí trung gian giữa hai vị trí đầu và cuối của hành trình. Có rất nhiều cấu trúc van phân phối khác nhau, ở giáo trình này chỉ giới thiệu một vài loại thường sử dụng nhất trên máy kéo và xe chuyên dụng.
Hình 1-18. Van phân phối con trượt 3/3 tác động bằng tay có lò xo trả về:
b) Van chặn
Van chặn có tác dụng chặn dòng dầu theo một hướng và cho lưu thông dòng dầu theo hướng ngược lại. Các phần tử chặn được sử dụng là bi cầu hoặc đầu côn để tạo thành van đế tựa.
Hình 1-19. Van chặn dòng đơn
c) Van áp suất
Như đã biết, công suất thủy lực P = p.Q có thể thay đổi được nhờ thay đổi
lưu lượng Q hoặc thay đổi áp suất p. Để điều khiển lưu lượng có thể dùng van phân phối, để điều khiển áp suất có thể dùng van áp suất.
Trong thực tế có rất nhiều loại van áp suất có chức năng khác nhau. Van áp suất thường dùng làm van an toàn, giữ cho áp suất hoạt động của hệ thống được giới hạn bởi một giá trị điều chỉnh cho trước, để ngăn ngừa hỏng hóc các thiết bị
như đường ống, các đầu nối... và phải đáp ứng điều kiện sau: p1< p1max.
Hình 1-20. Van giới hạn áp suất điều khiển trực tiếp: a) Van giới hạn dạng con trượt; b) Dạng đế tựa côn; 1−Lò xo; 2−Lỗ khoan; 3−Rãnh điều khiển; 4−Giảm chấn; 5- Đế tựa côn
Ngoài các phần tử cơ bản trong hệ thống TLTT đã nêu ở trên, trong hệ thống thủy lực còn có các phần tử khác như các loại van khác nhau, tích áp thủy lực, ống nối cứng, ống nối mềm, khớp nối và các van phân phối khác…
1.5. Tình hình nghiên cứu về hệ thống TLTT
1.5.1. Hồ Hữu Hải, Model hydrostatickeho pohonu se dvema hydromototy v MATLABU-SIMULINKU
Bài báo khoa học trình bày mô hình mô phỏng hệ thống bơm, động cơ thủy lực bít tông hướng trục, van điều khiển hệ thống thủy lực mạch kín trong môi trường Matlab - Simulink. Mô phỏng khảo sát mô phỏng hệ thống thủy lực mạch kín có hai bơm thủy lực kết nối với hai động cơ thủy lực hoạt động song song dẫn động chuyển động của xe thông quan van điều khiển servo.
Đây là tiền đề của đề tài nghiên cứ luận văn và các công thức, một số kết quả tính toán đã được sử dụng trong luận văn này.
1.5.2. Nguyễn Ngọc Quế (2007), Giáo trình Ô tô máy kéo và xe chuyên dụng, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
Giáo trình giúp cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật cơ khí nắm vững nội
dungmôn học một cách đại cương, hiểu được nguyên lý kết cấu và làm việc của các
hệ thốngtrên ô tô máy kéo, có cách nhìn tổng quát về quá trình cải tiến và phát triển
kết cấu ô tô máy kéo và xe chuyên dụng từ đơn giản đến phức tạp, từ truyền động
cơ học đến truyền động thủy lực, từ điều khiển bằng tay đến điều khiển tự động,
trên cơ sở nắm vững nguyên lý cấu tạo, sinh viên tốt nghiệp có thể vận dụng kiến
thức môn học tham gia quản lý, khai thác sửdụng xe máy đạt hiệu quả kinh tế cao.
Một số nội dung kiến thức chung chuyên ngành của giáo tình này đã dược sử dụng trong phần đánh giá tổng quan của đề tài này.
1.5.3. Nguyễn Đình Tứ, Ứng dụng Matlab - Simulink để giải bài toán động lực học hệ thủy lực quay, Trường Đại học GTĐS Matxcơva (Miit)
Bài báo trình bày những kết quả nghiên cứu về mô hình hóa và mô phỏng của hệ thủy lực quay mạch hở bằng ứng dụng Matlab - Simulink. Kết quả nghiên
cứu có thể được sử dụng trong các nghiên cứu động lực học hệ thủy lực kiểu chuyển động quay mạch hở riêng biệt, đưa ra được các kết quả mô phỏng của từng kết cấu riêng biệt.
Bài báo đánh giá việc tính toán các thông số động lực học của hệ thủy lực trong Matlab - Simulink được thực hiện nhanh hơn, dễ hơn so với nhiều ngôn ngữ thông dụng như Pascal, Fortran,… Ngoài ra, việc xử lý dữ liệu, đồ họa cũng như thay đổi các hệ số, thông số cơ bản của mô hình như thời gian, bước tính, phương pháp tính được thực hiện một cách mềm dẻo, đơn giản, chính xác.
1.5.4. Kim Heybroek (2008), Saving Energy in Construction Machinery using Displacement Control Hydraulics, Department of Management and Engineering, Linköping University, Linköping, Sweden
Luận án này liên quan đến sự ra đời một loại mới của chuyển kiểm soát hệ thống thủy lực thích nghi cho máy móc xây dựng. Hệ thống tách riêng chức năng thủy lực sử dụng một máy thủy lực chuyên dụng cho từng hệ thống. Những máy này được thiết lập một loại mạch, có khả năng điều khiển hoạt động cho phép phục hồi năng lượng. Hệ thống này cũng bao gồm bốn van riêng biệt mà bằng phương tiện chuyển đổi cho phép các xi lanh phải được kiểm soát trên tất cả bốn phần bằng tải. Tùy thuộc vào phần cứng van được lựa chọn, hệ thống này cũng có thể bao gồm các tính năng có sẵn trong một hệ thống điều khiển van thông thường, chẳng hạn như kiểm soát dòng chảy. Hệ thống hỗ trợ cả hai xi-lanh đối xứng và bất đối xứng. Tuy nhiên, sử dụng các loại tải trọng đối xứng có thể được kiểm soát trong hai trạng thái khác nhau của hoạt động.
Trong nghiên cứu này cả hai nghiên cứu lý thuyết và thực tế thực hiện cho thấy những lợi ích năng lượng liên quan đến các khái niệm mới. Các ứng dụng mục tiêu của nghiên cứu này là một phương tiện kích thước bánh xe. Kết quả đo bằng cách sử dụng bánh xe trong một chu kỳ xe chạy ngắn thể hiện giảm phần trăm 10% mức tiêu thụ nhiên liệu. Theo điều tra lý thuyết, điều này tương ứng với việc giảm 20% mức tiêu thụ năng lượng cho hệ thống thủy lực riêng của mình.
1.5.5. Erin E. Kruse (2001), Nonlinear Modeling and Simulation of a Hydrostatic Drive System, Michigan technological University
Đề tài nghiên cứu các thao tác thực hiện trên chiếc cần cẩu tàu cẩu Hải quân Mỹ. Khi biển động thì việc thực hiện bốc dỡ hàng hóa tốn nhiều thời gian và nguy hiểm. Một sáng kiến Hải quân hiện tại để phát triển và thử nghiệm là một bộ điều khiển kiểu treo tự do cho phép các hoạt động bốc dỡ hàng hóa được tiếp tục thực hiện khi biển động. Các công việc được mô tả trong luận án này là sự phát triển phi tuyến mô hình, hệ thống nhận dạng và mô phỏng hệ thống lái thủy lực hiện có của cẩu Hagglunds TG3637. Mục đích sử dụng của mô hình này là để xác định các thành phần có thể hiệu chỉnh cẩu, để phát triển các chiến lược điều khiển tiên tiến, và đánh giá kết quả treo tự do trong mô phỏng.
1.5.6. Tonglin Shang (2004), Improving Performance of an Energy Efficient Hydraulic Circuit, Department of Mechanical Engineering University of Saskatchewan Saskatoon, Saskatchewan
Mạch thủy lực phản ứng nhanh với động năng thường đặc trưng bởi hiệu quả năng lượng thấp; Mặt khác, các mạch năng lượng có hiệu quả trong những trường hợp nhất định, có thể chứng minh phản ứng thoáng qua chậm. Chi phí năng lượng tăng liên tục kết hợp với các yêu cầu về hiệu suất cao đã đòi rằng các mạch thủy lực trở nên hiệu quả hơn nhưng vẫn thể hiện phản ứng năng động vượt trội. Luận văn này giới thiệu một cấu hình mạch thủy lực mới trong đó chứng tỏ hiệu suất cao, năng động và hiệu quả cao.
Một hệ thống động cơ máy bơm thủy lực điều khiển được sử dụng làm cơ sở nghiên cứu vì hiệu quả mạch cao. Chủ yếu vì không có tổn thất điện năng giữa bơm và động cơ. Để cải thiện sự đáp ứng động của máy bơm, động cơ một chiều được thiết kế để điều khiển swashplate bơm (và do đó tốc độ dòng chảy) trực tiếp. Các máy bơm và động cơ DC được toán học mô hình và các thông số của họ đã được xác định bằng thực nghiệm. Dựa vào mô hình và kết quả thực nghiệm, một bộ điều khiển PID phi tuyến được thiết kế cho động cơ DC.
1.6. Mục tiêu, ý nghĩa của đề tài 1.6.1 Mục tiêu, ý nghĩa đề tài 1.6.1 Mục tiêu, ý nghĩa đề tài a) Mục tiêu:
Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống truyền lực thủy lực mạch kín (truyền động thủy lực) trên xe chuyên dụng.
Mô phỏng nghiên cứu các ảnh hưởng của các thông số kết cấu của các máy thủy lực đến các thông số làm việc của hệ thống.
b) Ý nghĩa :
- Ý nghĩa khoa học:
Đề xuất phương pháp đánh giá các hoạt động của hệ thống thủy lực đến các thông số làm việc riêng của hệ thống
Tính toán thiết kế các thông số kết cấu hệ thống động lực thủy lực phù hợp với điều kiện làm việc môi trường.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu có thể được dùng để định hướng cho các nhà sản xuất, đưa ra các cảnh báo cho người sử dụng khi sử dụng hệ thống tương tự.
1.6.2. Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết
Để đáp ứng các mục tiêu đã đưa ra, ta tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: - Tiến hành tìm hiểu về các hệ thống truyền động nói chung và hệ thống truyền lực thủy lực nói riêng.
- Xây dựng các mô hình mô phỏng về bơm, mô tơ thủy lực, mô hình mô phỏng về bơm bù và các van tràn, van điều khiển áp suất và mô phỏng hệ thống truyền lực thủy lực mạch kín.
- Tiến hành khảo sát mô phỏng các điều kiện làm việc của hệ thống, sự ảnh hưởng của các thông số kết cấu của hệ thống đến các thông số làm việc của hệ thống. Trên cơ sở kết quả mô phỏng nhận xét đánh giá, kết luận đối với hệ thống truyền lực thủy lực này.
Phương pháp nghiên cứu được tiến hành với việc xây dựng các mô hình mô phỏng trên máy tính bằng ứng dụng Matlab - Simulink.
Chương 2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐỘNG LỰC THỦY LỰC TRÊN XE CHUYÊN DỤNG TRONG MATLAB - SIMULINK
2.1. Sơ lược về Matlab - Simulink 2.1.1. Phần mềm Matlab 2.1.1. Phần mềm Matlab
MATLAB là phần mềm ứng dụng của tập đoàn Mathworks (Mỹ). Đây là phần mềm xử lý toán học rất mạnh, thông qua việc thực hiện các phép toán trên ma trận (MAT - Matrix), được các chuyên gia toán học và máy tính lập trình các thuật giải thông qua các thư viện công cụ xử lý toán học (LAB - Laboratory). Phần mềm cũng cung cấp nhiều mô đun khác nhau, phục vụ cho các lĩnh vực, các chuyên ngành cụ thể.
Định hướng của phần mềm Matlab là dùng cho những người nghiên cứu, thiết kế và lập trình. Đối với ngôn ngữ lập trình thông thường để giải bài toán cơ học người ta phải thực hiện qua các bước sau:
- Xây dựng mô hình cơ học Xây dựng mô hình toán học Áp dụng
phương pháp toán Xây dựng thuật toán Lập trình.
Trong môi trường Matlab ta không cần quan tâm nhiều đến việc sử dụng phương pháp toán.
2.1.2. Phạm vi ứng dụng phần mềm Matlab
Matlab đóng vai trò như một công cụ tính toán mạnh cho phép nhanh chóng tính ra trị số của biểu thức phức tạp và lưu giữ trị số của biểu thức vào bộ nhớ của máy tính.
Malab cung cấp các công cụ xử lý các mảng dữ liệu: véc tơ và ma trận, cho phép tính toán ra kết quả của các biểu thức với dữ liệu đầu vào là các véc tơ.
Phần mềm Matlab cung cấp các hàm để giải quyết các vấn đề thường gặp trong kỹ thuật như:
- Xử lý các đa thức (nhân, chia, tìm điểm 0 (nghiệm) của đa thức).
- Giải các phương trình tổng quát.
- Giải hệ phương trình vi phân.
- Xử lý các tín hiệu đo bằng phép khai triển furier nhanh.
- Các phép nội suy để xử lý dữ liệu trong bảng.
- Thuật giải bài toán tối ưu.
- Phép tích phân vi phân.
- Công cụ đồ họa.
Matlab cung cấp công cụ lập trình để xây dựng các chương trình ứng dụng. Ngoài ra trong còn có các mô đun ứng dụng riêng phục vụ cho nghiên cứu sâu như:
- Giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng phục vụ để giải quyết các bài
toán bền dùng phương pháp phần tử hữu hạn.
- Simulink cho phép mô phỏng các cơ cấu máy.
- Stateflow: để nghiên cứu các dòng chảy khí hay chất lỏng.
- Fuzzy logic: nghiên cứu lôgic mờ.
2.1.3. Sử dụng SIMULINK trong mô phỏng các hệ động lực a) Các thao tác cơ bản a) Các thao tác cơ bản
SIMULINK là một phần mềm mô phỏng, định hướng sơ đồ khối dùng để mô phỏng các hệ động lực. Đây là sản phẩm nằm bên trong MATLAB và sử dụng nhiều hàm của MATLAB, và cũng có thể trao đổi qua lại với môi trường của MATLAB để tăng thêm khả năng mềm dẻo của nó.
Khi mô phỏng hệ thống phức tạp có nhiều phần tử nối ghép, ta có thể tạo các mô đun độc lập để mô phỏng các hệ thống con (hệ thống thành phần) trong sơ đồ