1. Bơm thủy lực 2. Van phân phối 3. Bình tích áp
4. Đầu đo lưu lượng 5. Sensor áp suất 6. Kích thủy lực
7. Gối cầu 8. encoder đo chuyển vị 9.Tấm đệm đầu kích
10. Cảm biến nhiệt độ
- Hệ số tích lũy đàn hồi tương đương của ắc quy thủy lực, �a �a
= V d
Ea (4.1)
Trong đó, Vd - Thể tích dầu cơng tác trong ắc quy thủy lực, m3; Ea - Mô đun đàn hồi tương đương của ắc quy thủy lực, Pa; Mô đun đàn hồi tương đương của ắc quy thủy lực theo [52], như sau:
1 = Vk ( 1 ) + Vd ( 1 ) + 1 (4.2) Ea Vt Ek Vt Ed Eb
Trong đó, Vt - Thể tích tổng của ắc quy thủy lực, m3; Vk - Thể tích khí trong ắc quy thủy lực, m3 Ek - Mơ đun đàn hồi thể tích của khí nén, Pa; Ed - Mô đun đàn hồi thể tích của dầu thủy lực, Pa; Eb - Mơ đun đàn hồi của thép chế tạo bình chứa, Pa;
Xác định thể tích dầu thủy lực trong ắc quy theo các điều kiện làm việc của ắc quy thủy lực:
Gọi Vk0, Pk0 lần lượt là thể tích và áp suất khí ban đầu của ắc quy; Vk, Pk lần lượt là thể tích và áp suất khí làm việc của ắc quy;
Đối với bình ức quy thủy lực khí nén thì q trình nạp và xả diễn ra giống q trình trao đổi khí nói chung, khi đó:
1 n n Pk0.Vn n �k0. �k0 = �k1. �k1 => �k = ( k0) Pk (4.3)
Theo [21], Q trình nén - giãn nở khí trong ắc quy khi làm việc là quá trình đa biến với n=1,4.
Áp suất thủy lực của hệ thống, P1 ln bằng với áp suất khí Pk, nên phương trình 4.3 viết lại như sau:
�k = ( 1
Pk0.Vn n k0 ) P1
(4.4) + Nếu P1 ≤ Pk0, thì ắc quy thủy lực chưa làm việc, tức là Vd = Vd0;
+ Nếu P1 > Pk0, thì quá trình nạp xả xảy ra; Mặt khác:
1
Pk0.Vn n
�d = �t − �k => �d = �t −
(
Thay (4.4), (4.5) vào biểu (4.2) ta được:
k0) P1
1 Pk0.Vn Ea PA1 1 n ( 1 Vt Ek 1 n n 1 ) + [�t − ( k0) ] PA1 Vt ( 1 ) + 1 Ed Eb (4.6)
Thay (4.5), (4.6) vào (4.1), ta được
1 Pk0.Vn n 1 Pk0.Vn n 1 1 1 Pk0.Vn n 1 1 1 �a = [�t −
( PA1k0) ] . [( PA1k0) Vt E(k) + (�( t − PA1k0) ) ( ) +
Vt Ed ] (4.7)
Eb
Chạy chương trình mơ phỏng với Ca như cơng thức 4.7, ta có đồ thị so sánh hệ thống TĐTL khi lắp và chưa lắp bình tích áp.
Hình 4.10a. Hệ thống khi chưa lắp bình tích áp
Hình 4.10b. Hệ thống lắp bình tích áp.
Hình 4.10. Mơ phỏng dao động áp suất trong hệ thủy lực có bình tích áp và khơng có bình tích áp
= ( k0) P
1
Bảng 4.4. Tổn thất áp suất và sai số đo giữa có bình tích áp và khơng có bình tích áp
Từ hình 4.10, ta thấy rằng khi lắp bình tích áp đồ thì biên độ dao động áp suất của hệ thống TĐTL nhỏ hơn so với khi chưa lắp bình tích áp. Đồng thời độ dốc của đồ thị cũng mềm mại hơn rất nhiều. Điều đó khiến cho hệ số Kđ và sai số đo giảm đi đáng kể.
Nhìn vào bảng 4.4, cơng dụng của việc lắp bình tích áp càng được thể hiện rõ rệt. Với hệ số kđ giảm từ 1,03 xuống 1,02 và sai số lớn nhất giảm đến 1,1%.
Từ việc nghiên cứu, khảo sát tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số Kđ của áp suất hệ thống TĐTL của thiết bị TNGCTTL, NCS sẽ đề xuất các giải pháp kĩ thuật và ứng dụng các giải pháp đó lắp đặt vào hệ thống TĐTL nhằm làm giảm sai số đo, tăng độ chính xác cho thiết bị.
4.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài đường ống trong hệ thống TĐTL
Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài đường ống đến biên độ dao động áp suất của hệ thống TĐTL, ta tiến hành chạy chương trình mơ phỏng ba giá trị khác nhau của chiều dài đường ống thủy lực (đã kết hợp với dùng bình tích áp và lưu lượng là 3l/ph).
- Đối với chiều dài đường ống L= 5m, ta có đồ thị dao động áp suất thể hiện ở hình 4.11 dưới đây
Hình 4.11. Dao động áp suất khi L=5m
- Đối với chiều dài đường ống L= 10m, ta có đồ thị dao động áp suất thể hiện ở hình 4.12 dưới đây
Hình 4.12. Dao động áp suất khi L=10m
- Đối với chiều dài đường ống L= 20m, ta có đồ thị dao động áp suất thể hiện ở hình 4.13 dưới đây
Hình 4.13. Dao động áp suất khi L=20m
- Từ đồ thị 4.11, 4.12 và 4.13 có thể thấy chiều dài đường ống có ảnh hưởng đến biên độ dao động áp suất của hệ thống TĐTL, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo. Chiều dài đường ống càng lớn, càng cách xa nguồn gây dao động thì biên độ dao động áp suất càng nhỏ, hệ số áp suất động (kđ) càng nhỏ, dẫn đến sai số phép đo cũng giảm đi và độ chính xác của thiết bị được cải thiện.
Bảng 4.5. So sánh ảnh hưởng lưu lượng bơm.
- Bảng 4.5 cho thấy với chiều dài đường ống khác nhau thì biên độ dao động của áp suất cũng sẽ thay đổi đáng kể. Điều này gợi ý cho việc thay đổi vị trí lắp sensor đo lực để có thể giảm thiểu ảnh hưởng của đường ống, các nguồn gây dao động, nâng cao độ chính xác cho kết quả đo lực của thiết bị TNGCTTL.
4.2. Các giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao độ chính xác cho thiết bị TNGCTTLdo Việt Nam chế tạo do Việt Nam chế tạo
4.2.1. Giải pháp lựa chọn vị trí lắp sensor áp suất phù hợp
Trước đây, sensor áp suất việc lắp đặt ở ngay van phân phối. Điều này thuận lợi cho việc chế tạo, lắp đặt, bảo quản. Tuy nhiên ta thấy rằng: Lực tác dụng lên mẫu thử phụ thuộc vào áp suất dầu trong kích, do vậy sensor áp suất lắp càng gần kích thì độ chính xác càng cao, vị trí lắp sensor cũng là yếu tố ảnh hưởng đến dao động của áp suất hệ thống, cũng như gây ra sai số trong phép đo.
Hình 4.14. Sơ đồ thủy lực TBTNGCTTL lắp 2 sensor áp suất
Ta có: P1 = P2+ Pca (4.8)
Trong đó: P1: áp suất hệ TĐTL đo tại vị trí sensor 1, Pa; P2: áp suất hệ TĐTL đo tại vị trí sensor 2, Pa;
Pca: tổn thất áp suất trên đường ống cao áp, Pa;
Theo [52], ta có: Trong đó: �ca = 10. 2g S V2 d1 (4.9)
g: Gia tốc trọng trường (m/s2); v: Vận tốc trung bình của dầu (m/s); ξ: Hệ số tổn thất cục bộ;
l: Chiều dài ống dẫn (m); d1: Đường kính ống dẫn (m);
Đối với thiết bị TNGTTTL, việc đo lực được thực hiện gián tiếp qua đo áp xuất của XLTL. Chính vì vậy, với cách lắp sensor áp suất tại vị trí 1 như hiện nay, áp suất đo được so với áp suất thực tế trong khoang cao áp của xi lanh sẽ chênh lệch nhau một giá trị là �ca như (4.9). Điều đó sẽ gây ra sai số trong việc thử nghiệm.
Để kiểm chứng, ta lắp thêm thiết bị đo tốc độ dịng dầu như sơ đồ Hình 4.14, với chiều dài đường ống l = 10m và đường kính trong của tuy ơ thủy lực d1 = 6,4mm; thay đổi tốc độ dòng CLCT ta có bảng thơng số về độ chênh áp giữa hai vị trí lắp sensor như sau:
Hình 4.15. Đồ thị tổn thất áp suất - sai số đo phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy
Từ đồ thị 4.15 ta thấy khi vận tốc dịng chảy của CLCT càng lớn thì độ chênh lệch áp suất giữa hai vị trí lắp sensor càng lớn, dẫn đến sai số (%) đo đạc càng lớn. Khi vận tốc CLCT tại v=6,21m/s, chênh lệch lớn nhất giữa hai vị trị lắp sensor lên đến 15,88 bar tương ứng với sai số lên đến 3,18%. Điều này làm ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo.
Hơn nữa, từ biểu thức 4.9 ta thấy khi lắp sensor ở sau van phân phối, thì sai số áp suất đo khơng chỉ phụ thuộc vào tốc độ dòng CLCT (lưu lượng) mà còn bị ảnh hưởng bởi đường kính trong của tuy ơ thủy lực và chiều dài ống dẫn.
Hình 4.16. Đồ thị tổn thất áp suất - Đường kính ống- lưu lượng CLCT
Hình 4.16 cho thấy, cùng một mức lưu lượng, đường kính tuy ơ càng lớn thì tổn thất áp suất càng giảm.
Khi đặt sensor áp suất gần hệ xy lanh thuỷ lực thì hạn chế được ảnh hưởng của đường ống thuỷ lực. Đối với thiết bị thử nghiệm gối cầu 8000 tấn của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, giải pháp này làm biên độ dao động áp suất của hệ thống thuỷ lực khi làm việc giảm lên đến 3,18% so với đặt tại đầu ra của van phân phối thuỷ lực.
* Để chứng minh tính hiệu quả của giải pháp, NCS tiến hành thực nghiệm kiểm tra.
Trong trường hợp này, 2 sensor đo áp suất ở 2 vị trí khác nhau được lắp đặt: ở gần xi lanh và ở sau van phân phối với độ dài đường ống L=10 m.
Dao động áp suất đo được ở sensor áp suất lắp sau van phân phối thể hiện ở hình 4.17
Hình 4.17. Biểu đồ dao động áp suất sau van phân phối
Dao động áp suất đo được ở sensor áp suất lắp gần xi lanh thể hiện ở hình 4.18
So sánh biểu đồ dao động áp suất xét ảnh hưởng đường ống
Hình 4.19. Biểu đồ dao động áp suất ở gần xi lanh và sau van phân phối
Nhận xét:
- Qua hình 4.17, 4,18, ta thấy, biên độ dao động áp suất trung bình ở vị trí lắp gần xi lanh sẽ nhỏ hơn ở xa xi lanh. Biên độ dao động lớn nhất ở hình 4.17 là (7÷8)x105 Pa trong khi biên độ dao động lớn nhất ở hình 4.18 là (3÷5)x105 Pa.
- Qua hình 4.19, ta thấy đường ống có ảnh hưởng rõ rệt đến dao động áp suất. Ở vị trí sensor lắp sau van phân phối, cách xi lanh 10m ta thấy biên độ dao động áp suất đo được lớn hơn so với vị trí sensor lắp gần xi lanh.
4.2.2. Giải pháp lắp bình tích áp giảm áp suất động
Qua khảo sát ảnh hưởng của bình tích áp ở mục 4.1.4, ta thấy bình tích áp có tác dụng rõ rệt trong việc giảm dao động áp suất của hệ thống TĐTL.
* Để chứng minh tính hiệu quả của giải pháp, NCS tiến hành thực nghiệm kiểm tra.
Khi lắp đặt thêm bình tích áp có dung tích 5 lít vào hệ thống thuỷ lực của thiết bị thí nghiệm gối cầu 8000 tấn thuộc Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, biên độ dao động áp suất của hệ thống thuỷ lực khi làm việc giảm đi rõ rệt.
Hình 4.20. Thực nghiệm dao động áp suất trong hệ thủy lực có bình tích áp và khơng có bình tích áp
Bảng 4.7. Tổn thất áp suất và sai số đo giữa có bình tích áp và khơng có bình tích áp
Từ hình 4.20, ta thấy khi lắp bình tích áp vào hệ thống TĐTL của thiết bị TNGCTTL, biên độ dao động của áp suất trong hệ thủy lực giảm đi đáng kể.
Bảng 4.7 cho ta thấy rõ nhất về tác dụng của bình tích áp. Nhờ có bình tích áp, hệ số Kđ giảm xuống 1,03 so với 1,07 và sai số giảm từ 7,8% xuống còn 3,2%.
4.2.3. Giải pháp dùng biến tần thay đổi lưu lượng bơm thủy lực
Lưu lượng bơm thuỷ lực quyết định tốc độ chuyển động của kích, việc thay đổi lưu lượng bơm sẽ làm có ảnh hưởng trực tiếp đến dao động của hệ trong các giai đoạn chuyển tiếp, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng đó như thế nào chúng ta cần xem xét chi tiết vấn đề này.
Để thay đổi lưu lượng bơm thuỷ lực hiện nay người ta dùng nhiều phương án như: Dùng bơm có lưu lượng riêng tự động thay đổi theo áp suất làm việc, dùng bơm
2 cấp, thay đổi tốc độ vịng quay của bơm có lưu lượng riêng cố định… Trong các hệ tự động, việc dùng phương án thay đổi tốc độ vịng quay của bơm có lưu lượng riêng cố định được dùng nhiều hơn cả do dễ điều khiển, làm việc tin cậy.
Ta có: nb = 120ƒ (1 − )� (4.10)
Pđc
Trong đó: nb: Tốc độ vòng quay của động cơ điện, Vòng/s Pđc: Số cực động cơ
f: Tần số điện áp đầu vào, HZ
Thay (4.10) vào (2.3): Ta có lưu lượng bơm thủy lực
Q = V . n
= 120ƒ (1 − )V
� (4.11)
b b b Pđc b
Thay (4.11) vào hệ phương trình (2.70) chạy với các giá trị f khác nhau ta đo được hệ số Kđ theo bảng sau:
Bảng 4.8. Hệ số Kđ thay đổi theo tần số biến tần
Bảng 4.9. Sai số đo áp suất khi thay đổi tần số biến tần
Hình 4.22. Đồ thị biểu diễn sai số đo và tần số biến tần
Nhận xét:
- Lưu lượng có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số Kđ đại diện cho dao động của áp suất. Với bộ nguồn của thiết bị có lưu lượng tới 12 l/ph, ở các cấp tải khác nhau có thể gây ra hệ số Kđmax = 1,98, sai số lớn nhất lên đến 7,9%.
- Dùng biến tần điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện, từ đó điều chỉnh được lưu lượng bơm sẽ giúp kiểm soát được dao động của áp suất trong hệ thống. Lưu lượng càng thấp thì dao động áp suất càng nhỏ, lưu lượng càng cao thì hệ số Kđ càng lớn. Tuy nhiên nếu lưu lượng quá thấp, hoặc quá cao sẽ ảnh hưởng đến tốc độ
gia tải. Vì vậy cần lựa chọn được lưu lượng hợp lý vừa đảm bảo tốc độ gia tải, vừa giảm hệ số Kđ.
- Rõ ràng, áp suất càng lớn thì Kđ càng giảm, đồng nghĩa với sai số đo càng giảm hay độ chính xác của phép đo càng được nâng cao.
Với việc sử dụng biến tần điều chỉnh lưu lượng từ 12 lít/phút xuống 3 lít/phút đã giúp giảm sai số trung bình 5,1%.
* Để chứng minh tính hiệu quả của giải pháp, NCS tiến hành thực nghiệm kiểm tra.
- Dao động áp suất đo được khi lưu lượng bơm là Q=3 (l/ph) và Q=6 (l/ph)
Hình 4.23. Biểu đồ dao động áp suất khi thay đổi lưu lượng
Nhận xét: Từ hình 4.20, nhận thấy lưu lượng có ảnh hưởng đến dao động áp suất trong hệ thống. Ta thấy biên độ áp suất khi bơm với Q = 3 lít/phút nhỏ hơn biên độ áp suất khi bơm với lưu lượng áp suất Q = 6 lít/phút.
Bảng 4.10, cho thấy việc lựa chọn lưu lượng hợp lý khiến sai số giảm đi đáng kể. Do đó, giải pháp dùng biến tần thay đổi tốc độ động cơ điện từ đó điều chỉnh lưu bơm thủy lực có lưu lượng cố định, làm giảm áp suất động của hệ thống thủy lực, giảm sai số của phép đo, là giải pháp phù hợp với điều kiện thực tế.
4.2.4. Hiệu quả áp dụng đồng thời các giải pháp
- Với hệ thống truyền động thủy lực của thiết bị TNGCTTL khi chưa áp dụng các giải pháp kĩ thuật thể hiện ở dưới hình 4.21
Hình 4.24. Biểu đồ dao động áp suất của TBTNGCTTL ban đầu
- Sau khi áp dụng các giải pháp kĩ thuật: lắp bình tích áp, chuyển vị trí lắp sensor đo áp suất, điều chỉnh lưu lượng bơm
Hình 4.25. Biểu đồ dao động áp suất của TBTNGCTTL sau khi áp dụng các giải pháp
Bảng 4.11. So sánh sai số đo áp suất trước và sau khi áp dụng các giải pháp
Hình 4.26. Miền sai số đo lực nén của TBTNGCTTLtrước và sau khi áp dụng các giải pháp trước và sau khi áp dụng các giải pháp
Bảng 4.11 cho thấy, việc áp dụng các giải pháp kĩ thuật đã giúp cho sai số đo lực của thiết bị TNGCTTL giảm xuống đáng kể, ở mức lực nén 955 tấn (75x105Pa) đã đạt được sai số đo lực 1%, ở lực nén 1250 Tấn (100x105Pa) sai số đo lực đã giảm từ 2,96% khi chưa áp dụng các giải pháp xuống còn 0,49% khi đã áp dụng các giải pháp kĩ thuật, tương ứng với mức giảm lên đến 2,47%.