1.4.2 .Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
2.1. Sơ đồ hệ thống truyền động thuỷ lực thiết bị thử nghiệm gối cầu
Sơ đồ HTTĐTL của thiết bị thử nghiệm gối cầu thể hiện trên hình 2.1
a. Nguyên lý làm việc của hệ thống TĐTL
- Đối với hệ xi lanh tạo lực nén thẳng đứng
Động cơ điện (5) sẽ dẫn động cho hệ thống bơm thủy lực (3) và (4) hút dầu từ thùng (1) tạo ra dầu có áp suất cao cung cấp cho hệ xi lanh (16). Ở vị trí trung gian của van phân phối điện từ (10), dầu cao áp sẽ được đưa về thùng qua bầu lọc dầu (17). Khi thực hiện quá trình tạo tải nén thẳng đứng cho gối cầu, thì van phân phối (10) sẽ điều khiển dòng dầu qua cụm van 1 chiều - tiết lưu (12), van khóa tải (15) tới hệ xi lanh (16) đẩy piston đi lên tạo lực nén, dầu từ khoang phía trên piston sẽ qua van phân phối, qua bầu lọc và về thùng.
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống TĐTL của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng 8.000 Tấn
1 - Thùng dầu thủy lực; 2 - Hệ thống lọc dầu; 3 - Bơm thủy lực;
5 - Động cơ điện; 6 - Khớp nối; 7 - Van an toàn cụm bơm; 8 - Khóa đồng hồ; 9 - Đồng hồ áp suất; 10- Van phân phối;
11- sensor áp suất; 12- Van tiết lưu 1 chiều; 13,14- Van an tồn hệ kích; 15- Van khóa tải một chiều điều khiển được; 16- Hệ xi lanh tạo lực thẳng đứng;
Khi cần giảm tải thì van phân phối sẽ điều khiển dẫn dầu cao áp vào khoang phía trên piston kích, một phần dầu sẽ trích ra điều khiển mở van khóa tải hệ kích, các piston đi xuống, dầu từ khoang phía dưới piston sẽ qua van tiết lưu, van phân phối, qua bầu lọc về thùng dầu. Van khóa tải có tác dụng giữ tải khơng bị giảm trong suốt thời gian gia tải của từng cấp lực. Cụm một chiều - tiết lưu có tác dụng giảm chấn khi giảm tải. Hệ van an tồn (13) và (14) có tác dụng bảo vệ an tồn cho hệ xi lanh trong hành trình nén hoặc hành trình giảm tải; đồng thời có tác dụng khống chế tải trọng nén lớn nhất theo yêu cầu; bảo vệ hệ thống khi có sự cố hoặc quá tải.
- Đối với hệ xi lanh tạo lực đẩy ngang
Chế độ chạy không tải:
Động cơ điện sẽ dẫn động cho hệ thống bơm thủy lực hút dầu từ thùng tạo ra dầu có áp suất cao cung cấp cho hệ xi lanh (18). Ở vị trí trung gian của van phân phối điện từ, dầu cao áp sẽ được đưa về thùng qua bầu lọc dầu.
Khi tạo lực đẩy ngang:
Van phân phối sẽ điều khiển dịng dầu qua van khóa tải tới hệ xi lanh đẩy piston đi lên tạo lực đẩy ngang, dầu từ khoang phía trên piston sẽ qua van phân phối, qua bầu lọc và về thùng.
b. Thông số kĩ thuật của thiêt bị TNGCTTL
- Bơm thủy lực tạo tải thẳng đứng có các thơng số kĩ thuật sau: + Áp suất làm việc: 70 MPa
+ Lưu lượng riêng: 8,7 cm3/vịng + Cơng suất động cơ dẫn động: 5 kW + Tốc độ vòng quay động cơ: 1450 V/ph - Bơm thủy lực tạo lực đẩy ngang + Áp suất làm việc: 40-60 MPa + Lưu lượng riêng: 5 cm3/vịng + Cơng suất động cơ dẫn động: 5kW + Tốc độ vòng quay động cơ: 1450V/ph - Xi lanh thủy lực tạo lực nén
+ Đường kính trong xi lanh: D = 400mm + Đường kính cán piston:d = 320mm
+ Lực nâng:800 tấn + Hành trình:200 mm + Số lượng: 10 cái
- Xi lanh thủy lực tạo lực đẩy ngang + Đường kính trong xi lanh: D = 270mm + Đường kính cán piston: d = 200mm + Lực thiết kế: 300 tấn
+ Hành trình: 250 mm + Số lượng: 03 cái
* Nhận xét:
Từ sơ đồ hệ thống TĐTL chung của thiết bị thử nghiệm gối cầu Hình 2.1 có thể thấy rằng, thiết bị có hai hệ thống TĐTL là hệ thống tạo lực thẳng đứng và hệ thống tạo lực ngang.
- Hệ thống tạo lực thẳng đứng: Đây được coi là hệ thống chính của thiết bị TNGCTTL vì những lí do sau đây:
+ Tạo ra lực gia tải rất lớn đến hàng ngàn tấn.
+Gia tải theo từng cấp lực và kiểm soát chặt chẽ lực nén và biến dạng nén tại mỗi cấp lực.
+ Hệ thống này tham gia toàn bộ vào các nội dung thử nghiệm gối cầu. - Hệ thống tạo lực ngang được coi là hệ thống phụ vì:
+ Tạo ra lực nhỏ chỉ bằng 10-15% lực nén thẳng đứng
+ Không phải gối cầu nào cũng thử nghiệm lực đẩy ngang. Chỉ gối chậu cố định và di động đơn hướng mới có lực ngang, gối song hướng khơng có lực ngang.
+ Q trình thử nghiệm lực ngang khơng gia tải theo từng cấp lực như nén thẳng đứng mà chỉ gia tải thẳng lên lực lớn nhất và không xét đến biến dạng gối mà chỉ quan tâm đến tình trạng gối sau khi thử nghiệm.
+ Trong lực đẩy ngang, khối lượng quy dẫn vng góc với chiều lực tác dụng nên ít chịu ảnh hưởng của lực quán tính.
Xuất phát từ phân tích trên đây, Luận án lựa chọn hệ thống TĐTL tạo tải thẳng đứng của thiết bị làm đối tượng phân tích động lực học.
a. Sơ đồ hệ thống TĐTL
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống TĐTL tạo tải thẳng đứng của TBTNGCTTL
1 - Thùng dầu thủy lực; 2,4 – Hệ thống lọc dầu; 3 - Bơm thủy lực;
5 - Động cơ điện; 6 - Khớp nối; 7 - Van an toàn cụm bơm; 8 - Khóa đồng hồ; 9 - Đồng hồ áp suất; 10- Van phân phối; 11- Sensor áp suất; 12- Van tiết lưu 1 chiều; 13,14- Van an tồn hệ kích;
15- Van khóa tải một chiều; 16- Hệ xi lanh tạo lực thẳng đứng; A,B- tuy ơ thép.
Nhìn vào sơ đồ thủy lực, thấy rằng dòng dầu thủy lực từ bộ nguồn sẽ qua hệ thống tuy ơ bằng thép có đường kính trong rất lớn (đường kính trong tới 60mm) bao quanh các XLTL (16) rồi được dẫn vào các XLTL bằng các tuy ơ mềm có đường kính nhỏ hơn (đường kính trong 6,5mm) cung cấp cho các XLTL. Điều này đảm bảo cho chiều dài đường ống đến 10 XLTL là bằng nhau, đồng thời hạn chế tổn thất đường ống. Hơn nữa 10 XLTL cùng loại, cùng tình trạng kĩ thuật nên có thể chuyển về 1 XLTL tương đương trong quá trình nghiên cứu ĐLH cuả hệ thống TĐTL.
b. Các giả thiết khi nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực tạo tải thẳng đứng của thiết bị TNGCTTL
Để xây dựng mơ hình tốn nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực, các giả thiết nghiên cứu được đưa ra như sau:
- Môđun dầu đàn hồi của các ống dẫn không phụ thuộc vào áp suất trong hệ thống;
- Hệ khung của thiết bị TNGCTTL cứng tuyệt đối;
- Ban đầu bơm thủy lực đứng yên và áp suất dầu trong đường ống bằng 0; - Khơng xét đến qn tính của chất lỏng trong quá trình làm việc;
- Khơng xét đến q trình tạo sóng trong ống dẫn dầu thủy lực;
- 10 xi lanh thủy lực cùng loại, giống nhau; chiều dài đường ống đến các XLTL như nhau nên sẽ xét cho 1 xi lanh thủy lực tương đương.
- Khối lượng thớt trên của gối chậu quy kết về khung; khối lượng thớt dưới của gối chậu quy kết về đầu xi lanh;
Kết hợp với các giả thiết như trên, mơ hình động lực học của hệ thống truyền động thủy lực tạo tải thẳng đứng được thiết lập (Hình 2.3).
c. Mơ hình động lực học của hệ thống truyền động thủy lực thiết bị
Đối với thiết bị thử nghiệm gối cầu, yêu cầu về độ chính xác cấp lực là yếu tố quan trọng được đặt lên hàng đầu. Theo [30], tổng tải trọng tác dụng lên mẫu thử không được sai khác quá 1% so với yêu cầu. Theo [29], biến dạng đo được sau khi nén thẳng đứng không vượt quá 5% chiều dày gối. Do đó, lực và biến dạng là hai yếu tố cần phải được kiểm sốt chặt chẽ trong q trình thử nghiệm gối cầu.
Việc mơ phỏng chính xác hoạt động của hệ thống thủy lực của thiết bị thử nghiệm gối cầu 8.000 tấn giúp chúng ta có thể kiểm sốt được các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm, có thể dự đốn được biến dạng của gối cầu khi chịu nén, tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động áp suất trong hệ thống TĐTL là yếu tố chính gây sai số trong q trình đo lực nén gián tiếp qua áp suất. Từ đó đưa ra các giải pháp kĩ thuật nhằm giảm biên độ dao động của áp suất, nâng cao độ chính xác đo lực của thiết bị TNGCTTL.
Hình 2.3. Mơ hình ĐLH hệ thống truyền động thủy lực tạo tải thẳng đứng
2.3. Quy định về chế độ gia tải trong thử nghiệm gối cầu theo các tiêu chuẩnliên quan liên quan
Theo các tiêu chuẩn có liên quan, khi thử nghiệm gối cầu, lực nén được tạo theo những giá trị tương ứng để thực hiện các pháp đo về chuyển vị gối, độ nén gối và các thông số cần thiết. Đối với thử nghiệm nén thẳng đứng - một trong những thử nghiệm quan trọng nhất đối với gối cầu - Tải trọng nén phải được thực hiện tối thiểu 5 cấp gia tải, thông thường sẽ gia tải theo các bước như hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đồ gia tải khi thử nghiệm tải trọng nén thẳng đứng của gối cầu
Tải trọng nén trong thử nghiệm gối cầu phải đảm bảo độ chính xác theo quy định, thường thì sai số khơng lớn hơn 1%. Trong thực tế thử nghiệm gối cầu, tốc độ di chuyển piston của các XLTL tạo lực thẳng đứng rất nhỏ nên nó khơng gây ra dao động nhiều cho hệ kết cấu khung của thiết bị thử nghiệm. Nếu đo lực bằng loadcell thì tải trọng nén theo từng cấp lực hồn toàn đảm bảo sai số dưới 1%, [30].
Tuy nhiên đối với các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn hiện nay, chưa thấy thiết bị nào trang bị loadcell đến hàng nghìn tấn đề đo trực tiếp lực. Việc đo lực trong thử nghiệm đối với các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng đến hàng ngàn tấn, người ta thường thực hiện gián tiếp thông qua áp suất của hệ thống TĐTL.
Việc đo áp suất hệ thống thủy lực của thiết bị thử nghiệm gối cầu để từ đó tính ra lực nén sẽ khơng đơn giản như đo lực trực tiếp bằng loadcell. Do khi hệ thống TĐTL hoạt động, bất kể lưu lượng có giá trị lớn hay nhỏ nó đều bị rung, từ đó sinh ra dao động.
Trong khi thử nghiệm gối cầu, vận tốc nâng của các XLTL là rất nhỏ, không đáng kể. Tuy nhiên tiết diện của các XLTL trong TBTNGC tải trọng lớn gấp nhiều lần tiết diện đướng ống dẫn chất lỏng cơng tác. Từ đó cho thấy, mặc dù vận tốc chuyển động piston của các XLTL rất nhỏ nhưng vận tốc dòng chất lỏng công tác trong đường ống dẫn lại rất lớn. Với vận tốc lớn như thế, khi đổi hướng, khi đi qua tiết diện các chi tiết thuỷ lực khác nhau, dịng chất lỏng cơng tác gây ra dao động cho hệ thống thuỷ lực.
150% 125% Ftn 100% 80% 60% 40% 20% 10%
Bằng trực giác, khi để tay vào đường ống của hệ thống TĐTL khi nó hoạt động, người ta có thể cảm nhận được điều đó.
Từ sơ đồ gia tải theo lực Hình 2.5, nếu sơ đồ gia tải này theo áp suất thì nó sẽ có dao động nhất định. Dao động này có biên độ cao hay thấp sẽ quyết định đến sai số điều khiển lực. Điều này gây bất lợi trong thí nghiệm gối cầu vì theo qui định tại các tiêu chuẩn liên quan, sai số điều khiển lực theo các cấp tải khơng được vượt q 1%.
Sơ đồ gia tải tính theo áp suất được thể hiện trên Hình 2.5.
Áp suất,
0 Thời gian,s
Hình 2.5. Sơ đồ gia tải dự kiến khi thử nghiệm tải trọng nén thẳng đứng theo áp suất
Khi áp suất của hệ thống TĐTL chịu sự dao động, việc điều khiển các cấp lực đúng giá trị quy định tại các tiêu chuẩn liên quan sẽ có sai số nhất định. Sai số này phụ thuộc vào biên độ dao động áp suất của hệ thống TĐTL. Như vậy việc phân tích động lực học hệ thống TĐTL của TBTNGCTTL để tìm ra các thơng số ảnh hưởng đến biên độ dao động của áp suất, từ đó đưa ra biện pháp giảm sai số điều khiển lực khi gia tải. Đây là vấn đề rất thực tế và rất cần thiết đối với thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn.
2.4. Thiết lập phương trình động lực học
Hình 2.6. Sơ đồ dịng chảy trong mạch thủy lực cao áp
Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, viết cho phương trình dịng chảy liên tục của dầu công tác trong các đường ống (sơ đồ Hình 2.6) và phương trình cân bằng lực:
Qb = QatA1 + Qrr + QE1 + Qx1 (2.1)
Hay: Qe1 = Qb − Qrr − Qx1 − QatA1 (2.2)
Trong đó:
�b- Lưu lượng lý thuyết của bơm thủy lực, m3/s;
�rr- Tổng tổn thất lưu lượng rò rỉ qua các bề mặt làm kín, m3/s;
e1
� - Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống khoang A1, m3/s;
s1
� - Lưu lượng có ích làm piston chuyển động, m3/s;
atỈ1
� - Lưu lượng chất lỏng qua van an toàn khoang A1, m3/s;
- Lưu lượng lý thuyết bơm thủy lực, Qb:
Trong đó: Vb - lưu lượng riêng của bơm thủy lực, m3/vòng; nb - Tốc độ vòng quay của trục bơm thủy lực, vòng/s;
- Lưu lượng hữu ích làm piston chuyển động, Qx1:
Qx1 = A1.�̇ (2.4)
Trong đó: A1 - diện tích khoang bụng xi lanh, m2; X - Độ dịch chuyển của piston, m;
- Lưu lượng rị rỉ qua các bề mặt làm kín, �rr:
Chất lỏng rị rỉ có 2 dạng: rị rỉ trong và rị rỉ ngồi.
Rị rỉ ngồi là chất lỏng trong hệ thủy lực rị rỉ qua bên ngồi qua các mối ghép nối, vết nứt các mối hàn, khuyết tật các chi tiết khi chế tạo…Đặc điểm của rị rỉ ngồi là gây tổn thất chất lỏng công tác, gây bẩn máy, tổn hao cơng suất. Nói chung, loại rị rỉ này rất dễ phát hiện và khắc phục, do vậy lưu lượng rị rỉ ngồi có giá trị nhỏ khơng đáng kể, thường được khắc phục ngay.
Rị rỉ trong là rị rỉ chất lỏng cơng tác từ khoang cao áp về khoang thấp áp trong nội bộ hệ thống, loại rị rỉ này nhìn bên ngồi khơng phát hiện được nhưng nó ln ln tồn tại vì các bề mặt làm việc ln có khe hở, độ lớn các khe hở phụ thuộc vào dung sai chế tạo, bề mặt làm việc bị mịn do ma sát cơ khí, do ăn mịn hóa học, sói mịn do dịng chất lỏng…Để giảm lượng chất lỏng rò rỉ, tại một số bề mặt làm việc, người ta dùng vật liệu đàn hồi để bù vào các khe hở, chúng gồm các vật liệu như gioăng phớt cao su, nhựa tổng hợp. Các bền mặt làm kín kiểu các bộ đơi, sau một thời gian làm việc, các khe hở giữa các bề mặt làm việc tăng dần, làm tăng lượng dầu rò từ khoang cao áp về khoang thấp áp. Ta xét mối quan hệ giữa lưu lượng rò rỉ với khe hở giữa các bề mặt làm việc chủ yếu trong hệ thủy lực như: bề mặt piston - xi lanh bơm, con trượt - thân van phân phối, rô to - mặt chia bơm, van - đế van an tồn…
- Lưu lượng rị rỉ qua piston bơm:
Piston và xi lanh bơm là cặp chi tiết có dạng hình trụ ăn khớp với nhau. Dịng chất lỏng rị rỉ được thể hiện như hình 2.7.
Hình 2.7. Lưu lượng rò rỉ qua khe hở piston - xi lanh của bơm thủy lực
Trong trường hợp piston đứng yên, chất lỏng rị rỉ xác định bằng cơng thức [26]:
Qr1 =dm.s3 .G 12..l. . Pb. (1 + 3.e2 2.s2 ) (2.5)
Theo [21], độ nhớt động học phụ thuộc vào nhiệt độ trong chất lỏng cơng tác:
= 50
. (50)n (2.6)
T
Trong đó: 50 - Độ nhớt của chất lỏng ở 50oC (Cst);