STT Lực nén Pmax Ptb Kđ= Pmax/Ptb Sai số kN Pa (x105) Pa (x105) % 1 8000 64 60 1.07 6.67 2 12925 103.4 100 1.03 3.40 3 15337.5 122.7 120 1.02 2.25 4 22725 181.8 180 1.01 1.00 5 25175 201.4 200 1.01 0.70 6 30162.5 241.3 240 1.01 0.54 7 37625 301 300 1.00 0.33 8 50100 400.8 399.7 1.00 0.28 9 62562.5 500.5 500 1.00 0.10
Hình 1.8. Miền sai số đo lực nén của thiết bị TNGCTTL
Nhìn vào bảng 1.2 và hình 1.8, thấy rằng, ở áp suất nén càng nhỏ sai số khi đo lực nén qua áp suất càng lớn và ngược lại ở áp suất càng cao, lực nén càng cao thì sai số đo lực càng giảm, nói cách khác thiết bị TNGCTTL càng đảm bảo độ chính xác cấp 1 (sai số đo lực 1%). Với áp suất nén từ 180.105 Pa trở lên, tương ứng với lực nén từ 2300 Tấn trở lên thì thiết bị TNGCTTL đảm bảo cấp chính xác 1. Vậy với gối cầu có tải trọng nén thẳng đứng dưới 2300 tấn thì sao? Làm thế nào để đảm bảo sai số dưới 1% khi đo lực nén thông qua áp suất của hệ thống TĐTL? Chỉ có một cách duy nhất là nghiên cứu làm giảm biên độ dao động của áp suất trong hệ thống TĐTL của thiết bị TNGCTTL.
* Nhận xét chung:
- Như đã nói ở trên, các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị có thể kể đến như là: áp suất động của hệ thống TĐTL, Kết cấu thép chịu lực của thiết bị, thiết bị đo, mơi trường khai thác…. Tuy nhiên, qua tìm hiểu tổng quan về các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn ở trong và ngoài nước nhận thấy rằng:
+ Các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn có lực nén đến hàng nghìn tấn, do đó khơng có đầu đo lực nào đáp ứng được. Vì vậy, việc đo lực gián tiếp qua áp suất của hệ thống TĐTL là tất yếu. Tuy nhiên, độ chính xác của kết quả đo lực nén lại phụ thuộc vào sự hoạt động ổn định của hệ thống TĐTL tức là phải hạn chế các yếu tố gây ra dao động cho hệ thống TĐTL.
+ Ảnh hưởng của môi trường khai thác: các thiết bị thử nghiệm ln được đặt trong các phịng thí nghiệm tn thủ chặt chẽ về điều kiện nhiệt độ, độ ẩm theo tiêu chuẩn. Chính vì vậy, các phịng thí nghiệm ln có các thiết bị để điều hịa nhiệt độ,
độ ẩm phù hợp với điều kiện thử nghiệm. Do đó ảnh hưởng của mơi trường khai thác sẽ bị loại trừ.
+ Ảnh hưởng của kết cấu thép chịu lực: Với phương pháp đo biến dạng gối bằng encoder hoặc đồng hồ so gá trực tiếp vào giữa thớt trên và thớt dưới của gối thì đã loại bỏ hồn tồn ảnh hưởng của các biến dạng hệ thống. Chính vì vậy có thể bỏ qua ảnh hưởng của biến dạng của kết cấu thép đến độ chính xác của thiết bị thử nghiệm.
Do vậy, muốn nâng cao độ chính xác của thiết bị TNGCTTL, trong khuôn khổ luận án sẽ tập trung vào các giải pháp giảm dao động áp suất trong hệ TĐTL của thiết bị.
1.4. Tổng quan các cơng trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án
Với mong muốn nâng cao độ chính xác của thiết bị TNGCTTL, NCS tìm hiểu các cơng trình nghiên cứu về thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn, về động lực học và các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động áp suất của hệ thống TĐTL, mối quan hệ giữa lực nén và biến dạng của gối chậu tải trọng lớn.
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.4.1.1. Nghiên cứu về thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn
Tài liệu [50]: Mageba có một trong những thiết bị thử nghiệm gối cầu lớn
nhất trên thế giới với tải lên đến 100.000 kN. Thiết bị nén khổng lồ được chế tạo riêng để thử nghiệm gối cầu cầu và đã được sử dụng thành cơng từ năm 1981. Đã có nhiều gối cầu được thử nghiệm trên thiết bị này, tải trọng lớn nhất đã từng thử nghiệm lên đến 90.000 kN.
Thiết bị có thể thử nghiệm với tải trọng thẳng đứng lên đến 10.000 kN, tải trọng ngang lên tới 10.000kN với các chuyển dịch ngang đến ±200 mm. Một hệ thống đo lường và xử lý dữ liệu điện tử hiện đại ghi lại các lực và biến dạng trong quá trình thử nghiệm. Nó có thể tính tốn, xử lý, và ghi lên đến 14 giá trị đo khác nhau.
Thiết bị bao gồm hai phần chính:
- Khung bê tơng dự ứng lực với kích thước bên ngồi khoảng (9 x 9 x 3,5)m, kích thước khoang làm việc (3 x 2,6 x 3,5)m.
Tài liệu [62], Công ty Pillar – Đài Loan đã lắp ráp thiết bị thử nghiệm gối
cầu 6000 tấn vào năm 2000, được xem là hệ thống thử nghiệm lớn nhất Châu Á, lớn thứ 2 trên thế giới, đáp ứng nhu cầu kiểm tra tính năng hồn thiện của các loại trụ đỡ - gối cầu.
Thiết bị có khả năng tạo ra lực nén lớn nhất lên đến 6000 tấn, lực đẩy ngang 600 tấn, tốc độ đẩy ngang 9,3mm/giây, tốc độ thẳng đứng 0,58mm/giây, diện tích khoang làm việc 2000mm x 2000mm.
Nhận xét: Các tài liệu này chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu tính năng, năng
lực của thiết bị TNGCTTL mà chưa công bố cấu tạo, sơ đồ thủy lực và các nghiên cứu chuyên sâu về thiết bị. Việc chế tạo thiết bị thử nghiệm đặc thù, hiện đại là bí kíp cơng nghệ riêng của từng hãng nên những nghiên cứu, thiết kế của những thiết bị này khơng được cơng bố rộng rãi. Chính vì vậy, NCS sẽ tìm hiểu các cơng trình nghiên cứu đối với các thiết bị có nguyên lý làm việc tương đương.
1.4.1.2. Nghiên cứu về động lực học, các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động áp suất và nghiên cứu mô phỏng hệ thống truyền động thuỷ lực của thiết bị có liên quan
a. Tài liệu [42]
Các tác giả xem xét ảnh hưởng của mơ hình ma sát đến độ chính xác mơ phỏng của xi lanh thủy lực bằng cách sử dụng ba mơ hình ma sát: mơ hình ma sát ở trạng thái ổn định, mơ hình LuGre và mơ hình LuGre sửa đổi. Hoạt động của xi lanh thủy lực được đo các thơng số đầu vào hình sin khác nhau tới van servo. Các mơ phỏng được tiến hành trong các điều kiện tương tự như khi thực nghiệm. Các tác giả tiến hành so sánh kết quả mơ phỏng với kết quả đo thực nghiệm (Hình 1.9) để nhận xét về phương pháp mơ phỏng.
Hình 1.9. Sơ đồ của thiết bị thí nghiệm: (a) mặt bên và (b) mặt trước
1.Khung máy 2. Xi lanh thủy lực 3. Thanh dẫn động
4. Bàn máy 5. Tải trọng 6. Đông cơ điện
7. Đai dẫn động 8. Sensor áp suất 9. Van servo
Mơ hình LuGre
Tác giả De Wit và cộng sự [42] đã đề xuất mơ hình LuGre, trong đó đã kết hợp ma sát cản với đặc tính ma sát ở trạng thái dừng tùy ý. Mơ hình LuGre dựa trên mơ hình sợi trong Hình 1.10.
Hình 1.10. Mơ hình sợi nhám trên hai mặt tiếp xúc
Khi lực tiếp tuyến tác dụng đủ lớn, các sợi nhám sẽ biến dạng như lò xo và làm tăng lực ma sát. Độ biến dạng danh nghĩa của các sợi nhám được biểu thị qua z và mơ hình ma sát được mơ tả như sau:
Trong đó σ0 là độ cứng của các sợi đàn hồi, σ1 là hệ số ma sát nhớt vi mơ và gs(ν) là một hàm Stribeck được cho bởi:
Mơ hình LuGre có thể dự đốn chính xác các hoạt động của xi lanh thủy lực trong khi mơ hình LuGre có thể gây ra tần số cao những dao động về vận tốc, lực ma sát và áp suất khơng quan sát được trong thí nghiệm.
Hình 1.11. So sánh kết quả thực nghiệm và mơ phỏng sử dụng mơ hình LuGre
tại u = 4 mA, f = 1 Hz và m = 18kg đối với xi lanh 2 (a) vận tốc, (b) lực ma sát, (c) áp suất p1, (d) áp suất p2.
Các tác giả đã tiến hành cả thực nghiệm và mơ phỏng để khảo sát ảnh hưởng của mơ hình ma sát nhằm đánh giá độ chính xác việc tính tốn mơ phỏng các cơ cấu thuỷ lực chấp hành. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng sử dụng mô hình LuGre trong nghiên cứu của các tác giả được giới thiệu trên Hình 1.11, các kết quả cho thấy mơ hình LuGre sửa đổi mới có thể dự đốn các hoạt động của thiết bị truyền động thủy lực với độ chính xác cao và mơ hình LuGre có thể cung cấp kết quả tương đối tốt .
Nhận xét: Việc ứng dụng mô hình ma sát LuGre sửa đổi trong mơ phỏng
hệ thống có độ chính xác cao hơn và giống với thực tế hơn so với khi sử dụng các mơ hình ma sát thường dùng.
b. Tài liệu [60]
Tobias Schulze và cộng sự đã mơ tả sự phát triển của thuật tốn nhận dạng hệ thống tự động cho bộ truyền động của máy ép thủy lực. Thuật tốn được thực hiện thành cơng trên bộ điều khiển biến tần để tự động xác định các thơng số hệ thống truyền động. Nội dung chính của cơng trình nghiên cứu là sự ứng dụng của mơ hình hệ thống thích hợp và thuật tốn nhận dạng với việc triển khai trên bộ điều khiển biến tần. Thuật tốn của mơ hình này được xác minh bằng các thí nghiệm trên máy ép sâu thủy lực 2500kN. Kết quả nghiên cứu về mơ hình hệ thống với các tham số của nó sẽ được đánh giá thêm để chẩn đốn hệ thống và cũng được sử dụng để mô phỏng hệ thống và thiết kế bộ điều khiển. Nghiên cứu được thực hiện trên máy ép có sẵn tại Viện Truyền động thuỷ lực ở Đại học Bách khoa Dresden (xem hình 1.12). Nó có lực ép tối đa 2500 kN với vận tốc ép lớn nhất đến 300mm/s.
Hình 1.12. Máy ép thuỷ lực của TU Dresden
Máy ép được trang bị các cảm biến liên quan đến các thông số của hệ thuỷ lực, cơ khí và điện cũng như hệ thống đo lường. Sơ đồ hệ thống thủy lực của máy ép và các thông số cần đo được giới thiệu trên Hình 1.13.
Hình 1.13. Sơ đồ hệ thống thủy lực của máy ép và các thông số cần đo
Các tác giả đã triển khai thành cơng thuật tốn nhận dạng trong bộ điều khiển dùng biến tần của một máy ép thủy lực. Điều này cho phép ứng dụng tiếp theo để giảm bớt cơng bảo trì và tăng hiệu suất của hệ thống thủy lực. Thuật tốn nhận dạng trực tuyến có thể phát hiện thay đổi các thơng số hệ thống có thể được sử dụng để giám sát, dự đoán hoặc chẩn đốn lỗi. Các phương pháp được mơ tả được áp dụng cho các hệ thống thủy lực khác hệ thống và không giới hạn đối với máy ép thuỷ lực. Kết quả thử nghiệm áp suất của hệ thống thuỷ lực của máy ép được mơ tả trong bài báo này được giới thiệu trên Hình 1.14.
Rõ ràng việc sử dụng biến tấn điều chỉnh van servo đã giúp cho quá trình ép của xi lanh hoạt động nhịp nhàng hơn so với thông thường.
Nhận xét: các tác giả đã ứng dụng biến tần điều chỉnh tần số phù hợp điều khiển van
servo cung cấp lưu lượng cho xi lanh của máy ép giúp cho quá trình làm việc của máy ép được êm dịu hơn, giảm áp lực động, tăng hiệu suất của hệ thống truyền động thủy lực. Điều này mở ra việc có thể ứng dụng biến tần trong việc nghiên cứu tăng hiệu suất làm việc của hệ thống TĐTL của thiết bị TNGCTTL do Việt Nam chế tạo.
c. Tài liệu [34]
Các tác giả Bureček và cộng sự: đề cập đến việc mô phỏng số các đặc tính động lực học của hệ thống bao gồm đường ống thủy lực và xy lanh thủy lực với tải trọng từ khối lượng tuyến tính. Mơ hình động lực học được thiết lập sử dụng phần mềm Matlab SimHydraulics. Các thông số liên quan đến dầu thuỷ lực, độ đàn hồi và khối lượng của đường ống và ống mềm đóng một vai trị quan trọng trong mơ hình này.
Hình 1.15. Mơ hình nghiên cứu
Mơ hình động lực học được kiểm chứng bằng thực nghiệm trên thiết bị thí nghiệm. Áp suất và toạ độ khi dừng đột ngột của một xi lanh đang chuyển động được xem xát chủ yếu tại mơ hình này. Mơ hình nghiên cứu được thể hiện trên Hình 1.15.; Mơ tả chi tiết các đường ống thuỷ lực HL A và HL B được giới thiệu trên Hình 1.16.
Hình 1.16. Mơ tả chi tiết các đường ống thuỷ lực HL A và HL B
Mơ hình nghiên cứu bằng mơ phỏng động lực học đã được kiểm chứng với các phép đo thực nghiệm giá trị áp suất biến đổi theo thời gian và vị trí piston của xy lanh thủy lực tại dừng ở vị trí giữa. Kết quả nghiên cứu về sự biến đổi áp suất thể hiện qua biểu đồ áp suất theo thời gian giữa lý thuyết và thực nghiệm được thể hiện trên Hình 1.17.
Hình 1.17. Biểu đồ áp suất theo thời gian giữa lý thuyết và thực nghiệm
Hình 1.17 cho thấy thử nghiệm và mơ phỏng là tương đồng nhau.
Trên cơ sở đó nhóm tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng khơng khí khơng hịa tan trong dầu thủy lực đến tần số dập tắt dao động áp suất và độ trễ khi dừng đột ngột của xi lanh thủy lực. Các tác giả đã đi đến kết luận: Tần số dao động giảm khi hàm lượng khơng khí khơng hịa tan trong dầu thủy lực tăng lên. Biên độ dao động áp suất cũng giảm. Đồng thời độ trễ khi dừng đột ngột của piston cũng
tăng lên.
Nhận xét:
Đã có các nghiên cứu về động lực học của hệ thống thủy lực bị ảnh hưởng bởi mô đun đàn hồi của dầu, hàm lượng khơng khí khơng hịa tan trong dầu, độ nhớt của dầu, độ đàn hồi của đường thủy lực (tức là đường ống và ống mềm), tải trọng, chiều dài đường ống, v.v. ..ở các thiết bị thủy lực tương tự cịn trên thiết bị TNGCTTL chưa có nghiên cứu nào cơng bố.
1.4.1.3. Nghiên cứu về mối quan hệ giữa lực – biến dạng nén của gối cầu
Tài liệu [37] đưa ra mối quan hệ giữa ứng suất nén với biến dạng chịu nén của
gối cầu phụ thuộc vào yếu tố hình dạng SF.
��= ��
�(� + �) ���ề� �à� �ớ� ���
��
Với SF: hệ số phụ thuộc yếu tố hình dạng W: Chiều rộng của gối (mm)
L: Chiều dài của gối (mm)
Hình 1.18. Ứng suất nén được khuyến nghị so với Đường cong biến dạng phụ thuộc vào hệ số hình dạng của gối cao su cốt sợi thủy tinh
Hình 1.19. Ứng suất nén được khuyến nghị so với đường biến dạng phụ thuộc vào hệ số hình dạng của gối cao su cốt bản thép
Nhận xét: Tài liệu [37] đã đưa ra được mối quan hệ giữa biến dạng nén với ứng suất
nén của gối cầu cao su là đường phi tuyến thể hiện trên hình 1.18, 1.19. Mối quan hệ này phụ thuộc vào hệ số hình dạng của gối cầu cao su. Tuy nhiên, mới chỉ đưa ra mối quan hệ giữa ứng suất nén – biến dạng nén của gối cầu cao su cốt bản thép và cốt sợi thủy tinh mà chưa đề cập đến gối chậu.
1.4.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
1.4.2.1. Nghiên cứu về thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn
Tài liệu [6]: Nhóm tác giả đã tiến hành thiết kế, chế tạo và sử dụng khung gia tải
50.000 kN. Hệ khung gia tải là kết cấu thép tấm không gian, được cấu tạo từ các thép tấm liên kết hàn.
Hình 1.20. Hệ khung gia tải
Hệ kết cấu khung gia tải được mơ hình hố thành các phần tử tấm liên kết ngàm với nhau (hàn). Kích thước phần tử 0,75m x 0,1m; 0,1m x 0,1m và 0,1 x 0,125m. Chiều dày phần tử tấm tuỳ từng vị trí trong khung, gồm các loại 20mm, 30mm, 40mm, 50mm và 70mm. Liên kết hệ khung với móng được mơ hình hố dưới dạng gối cố định.
Nhận xét : Nhóm tác giả mới chỉ đề cập đến phương pháp tính tốn kết cấu
thép, đường hàn… trong chế tạo khung thử của thiết bị TNGCTTL mà chưa đề cập