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 mô 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 mô 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 mô 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 mơ phỏng sử dụng mơ 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 mơ 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 mô tả sự phát triển của thuật toán nhận dạng hệ thống tự động cho bộ truyền động của máy ép thủy lực. Thuật toán được thực hiện thành công trên bộ điều khiển biến tần để tự động xác định các thông 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 đoán 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 toán nhận dạng trực tuyến có thể phát hiện thay đổi các thơng số hệ thống có thể được sử dụng để giám sát, dự đốn 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 mô 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 mơ 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 mơ 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 còn 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 đến độ chính xác cũng như phương pháp đo lực của thiết bị.
1.4.2.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất động của hệ TĐTL
Tài liệu [21], Tác giả đã xây dựng được mối quan hệ lưu lượng làm việc có
ích Qlv trong hệ thống có kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ chất lỏng công tác, lượng nước chứa trong chất lỏng công tác, chế độ tải trọng, tình trạng kỹ thuật của hệ thống.
Phân tích và xây dựng mơ hình bài tốn ĐLH trực tiếp trong HTTĐTL một số kiểu mạch điển hình, trong đó có xét các yếu tố ảnh hưởng như: Thể tích chịu nén của CLCT thay đổi theo vị trí piston, vận tốc đóng mở của con trượt van phân phối, kiểu van phân phối, tình trạng kỹ thuật của hệ thống, nhiệt độ và lượng nước chứa trong CLCT.
Nhiệt độ môi trường khai thác cao làm giảm năng suất và chất lượng khai thác của máy xây dựng có HTTĐTL, bên cạnh các biện pháp tăng cường hiệu quả hệ thống
lám mát CLCT khác, ta có thể thay đổi vị trí hệ thống làm mát để hiệu quả làm mát cao nhất, giảm nhiệt độ làm việc của chất lỏng trong hệ thống.
Khi trong hệ thống có ắc quy thủy lực, nó đóng vai trị tích phóng năng lượng, điều hịa áp suất trong q trình làm việc, do vậy giảm áp suất lớn nhất trong hệ thống.
Hình 1.21. Dao động áp suất có và khơng có ắc quy thủy lực
1.4.2.3. Nghiên cứu về mối quan hệ giữa lực – biến dạng nén của gối cầu
Tài liệu [30], đã đưa ra mối quan hệ giữa lực nén và biến dạng gối chậu
Đồ thị được xây dựng căn cứ trên các số liệu thực nghiệm trong quá trình thử nghiệm gối chậu.
Nhận xét: Tài liệu [30] đã đưa ra được biểu đồ quan hệ giữa biến dạng nén
với lực nén của gối chậu. Đây cũng là căn cứ để NCS thực hiện thêm thực nghiệm để tìm cách biển diễn mối quan hệ lực nén – biến dạng bằng phương trình tốn, làm thông số đầu vào để nghiên cứu ĐLH của thiết bị TNGCTTL.
Theo [30], Tốc độ gia tải khi nén gối cầu không lớn hơn 0,05N/mm2/s. Tốc độ gia tải lại phụ thuộc vào lưu lượng bơm thủy lực. Với mỗi loại gối cầu khác nhau sẽ có diện tích chịu lực khác nhau địi hỏi lưu lượng bơm cũng cần phải thay đổi để đáp ứng được tốc độ gia tải. Đối với thiết bị thử nghiệm gối cầu đang sử dụng bơm có lưu lượng cố định thì việc thay đổi lưu lượng bơm cũng cần phải xem xét và đưa ra giải pháp phù hợp.
1.5. Định hướng nghiên cứu
Để đảm bảo khả năng làm việc và tuổi thọ của công trình cầu, gối cầu cần phải được kiểm tra chất lượng chặt chẽ trong phòng thử nghiệm hợp chuẩn chuyên ngành trên các thiết bị kiểm tra chuyên dùng trước khi đưa vào lắp đặt sử dụng. Một trong những phép thử quan trọng để đánh giá khả năng làm việc của gối cầu là thử nghiệm trên gối hoàn chỉnh bao gồm thử nghiệm nén thẳng đứng, góc xoay, hệ số ma sát, lực đẩy ngang và việc thử nghiệm này được thực hiện trên thiết bị TNGCTTL.
Thiết bị thử nghiệm gối cầu phải có cấp chính xác tối thiểu là cấp 1, [30] . Với thiết bị có cấp chính xác là 1 thì sai số cho phép khơng được vượt q 1%, [31]. Hiện nay, các thiết bị đo lực, đo biến dạng, đo các thông số hệ thống TĐTL thường là những loại cảm biến lực, encoder, cảm biến áp suất...có sẵn, cho độ chính xác rất cao, sai số đo của chúng có thể đạt tới phần vạn hoặc thậm chí cịn nhỏ hơn.
Đối với những thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trong nhỏ, các thiết bị đo biến dạng, đo lực đều sử dụng các loại cảm biến có sẵn nên cấp chính xác của những thiết bị thử nghiệm loại này không phải là mối quan tâm lớn. Thế nhưng đối với thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn đến hàng ngàn tấn, như đã trình bày tại các phần trên đây, hiện nay khơng có cảm biến đo lực (loadcell) tải trọng đến hàng ngàn tấn để đo
trực tiếp cho nên lực thử nghiệm được đo gián tiếp qua áp suất hệ thống TĐTL của thiết bị.
Đo lực gián tiếp thông qua áp suất hệ thống TĐTL của thiết bị mà yêu cầu về độ chính xác là vấn đề rất nan giải đối với những nhà thiết kế. Khi thử nghiệm gối cầu, vận tốc nén hoặc đẩy gối rất nhỏ, khơng đáng kể, từ đó giá trị gia tốc nén hoặc đẩy coi như bằng khơng và tồn hệ kết cấu coi như khơng dao động vì vậy đối với thiết bị này hiện có quan niệm rằng hệ thống TĐTL cũng khơng có dao động. Thế nhưng, trong thực tế thử nghiệm, giá trị áp suất chịu dao động với biên độ không nhỏ. Dao động của áp suất gây ra sai số của giá trị lực đo và vì vậy thiết bị khó đạt u cầu về cấp chính xác theo tiêu chuẩn.
Qua phân tích ban đầu cho thấy, mặc dù khi thử nghiệm gối cầu, hệ khung của thiết bị coi như làm việc tĩnh, không dao động nhưng hệ thống TĐTL chịu dao động rõ rệt. Bằng cảm quan khi sờ tay vào đường ống thuỷ lực có thể nhận biết rất rõ về điều đó. Lý giải về vấn đề này thơng qua phân tích như sau:
Đường kính của xy lanh thuỷ lực trong hệ thống TĐTL của thiết bị tải trọng lớn gấp hàng trăm lần đường kính đường ống thuỷ lực. Như vậy thiết diện xy lanh sẽ gấp hàng trăm lần bình phương thiết diện đường ống. Khi thử nghiệm, mặc dù vận tốc di chuyển của đầu xy lanh rất nhỏ nhưng vận tốc dịng chảy của chất lỏng cơng tác rất lớn (gấp hàng vạn lần vận tốc di chuyển của đầu xy lanh thuỷ lực). Khi dịng chảy chất lỏng cơng tác với vận tốc rất lớn như vậy bị đổi hướng hoặc bị đi qua các thiết diện van thay đổi..., nó làm cho hệ thống TĐTL sinh ra dao động. Biên độ dao động áp suất của hệ thống thuỷ lực chính là nguyên nhân ảnh hưởng đến sai số chỉ thị về lực vì sai số của sensor áp suất rất nhỏ, khơng đáng kể.
Để đảm bảo cấp chính xác của thiết bị thử nghiệm gối cầu, thiết bị cần phải đảm bảo để áp suất trong hệ thống ổn định, có biên độ dao động nhỏ, thời gian dập tắt dao động nhanh.
Vì vậy, việc nghiên cứu dao động của hệ thống TĐTL để tìm các nguồn gây ra dao động và giải pháp dập tắt, hạn chế biên độ dao động áp suất, nâng cao độ chính xác
chỉ số lực điều khiển theo qui định nhằm nâng cao chất lượng của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn do Việt Nam chế tạo là vấn đề rất quan trọng và cần thiết.
Nghiên cứu động lực học hệ TĐTL của thiết bị TNGCTTL nhằm xác định biên độ dao động áp suất tại mỗi nấc gia tải cũng như sử dụng mơ hình ĐLH để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến dao động áp suất tại mỗi nấc gia