CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thủy lực dẫn động bộ công
2.2.1. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực dẫn động động
cơ thuỷ lực quay mâm khoan
Từ sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động chung cho máy khoan cọc nhồi lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 ở trên xây dựng được sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn
Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động động cơ quay mâm khoan
1 - Động cơ Diezel; 2, 3 - Bơm thủy lực; 4- Bơm điều khiển; 5- Van phân phối chính; 6- Van an tồn động cơ thủy lực; 7- Van khóa thủy lực; 8- Động cơ thủy lực; 9- Mâm khoan; 10 - Van điều khiển van khóa thủy lực (7); 11- Van điều khiển
điều khiển van phân phối (5)
Nguyên lý làm việc: Động cơ Diezel (1) dẫn động các bơm dầu (2) tạo ra dịng
dầu có áp suất cao cung cấp cho hai động cơ thủy lực (8) quay mâm khoan (9). Hai
động cơ này làm việc hai chiều, việc thay đổi chiều làm việc của động cơ thủy lực
nhờ vào van phân phối (5). Bơm bánh răng (4) cung cấp dòng dầu cho van điều khiển
(11) để điều khiển van phân phối (5). Để đảm bảo an tồn cho động động cơ quay
mâm khoan có sử dụng các van an toàn (6).
2.2.1.1. Xây dựng mơ hình động lực học của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan
Để xây dựng mơ hình động lực học cần sử dụng các giả thiết sau [12], [13]: - Khơng xét q trình tạo sóng trong ống dẫn dầu thủy lực;
- Mo đun dầu đàn hồi của các ống dẫn không phụ thuộc vào áp suất trong hệ
thống;
- Tổn thất năng lượng trong hệ thống được tính thơng qua ma sát nhớt, ma sát khơ và mất mát thể tích của bơm và động cơ thủy lực;
- Ban đầu động cơ thủy lực đứng yên và áp suất dầu trong đường ống bằng 0;
- Không xét đến qn tính của chất lỏng trong q trình làm việc;
- Các thông số của chất lỏng làm việc (tỷ trọng riêng, độ nhớt, mô đun đàn hồi thể tích) là hằng số;
P4 P3 P2 P1
- Tổn thất lưu lượng của bơm thủy lực trong giới hạn chếđộ làm việc tỷ lệ với áp suất trong đường ống;
- Van an tồn được coi như khâu khơng tuyến tính và khơng qn tính;
- Khơng xét đển ảnh hưởng của van phân phối trong quá trình làm việc;
- Hai động cơ thủy lực quay mâm khoan coi như có cấu tạo và chế độ làm việc
giống nhau;
- Hai bơm thủy lực coi như có cấu tạo và chế độ làm việc giống nhau.
Kết hợp với các giả thiết như trên xây dựng được mơ hình ĐLH của hệ thống
TĐTL dẫn động động cơ quay mâm khoan như Hình 2.3 dưới đây.
Hình 2.3. Mơ hình động lực học hệ truyền động thủy lực dẫn động động cơ thủy lực
quay mâm khoan
Trong đó:
Vb1, Vd1: Lưu lượng riêng của bơm và động cơ thủy lực 1, m3/vòng; Vb2, Vd2: Lưu lượng riêng của bơm và động cơ thủy lực 2, m3/vòng;
nb1, nd1 : Số vòng quay của trục bơm và động cơ 1, vòng/s;
nb2, nd2 : Số vòng quay của trục bơm và động cơ 2, vịng/s; pa: Áp suất của dầu cơng tác trong nhánh cao áp của động cơ, Pa; pt: Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp của động cơ, Pa;
M pat Qat rb2 P pt pa T A B rb1 Qb2,Vb2 nb2 Vd1 Vd2 Qd1 nd1 Qd2 nd2 nb1 Qb pc pc rd2 rd1 Mc1 Mqt1 Mc2 Mqt2 Mc Qd Ea pa Qb1,Vb1 Jm1 Jm2
pat: Áp suất cài đặt của van an toàn, Pa;
rb1, rd1: Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 1 và động cơ thủy lực 1,
(m3/s)/Pa;
rb2, rd2: Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực 2 và động cơ thủy lực 2,
(m3/s)/Pa;
Ea: Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp, m3/Pa; Qb: Lưu lượng tổng của 2 bơm, m3/s;
Qb1: Lưu lượng của bơm số 1, m3/s; Qb2 : Lưu lượng của bơm số 2, m3/s;
Qd: Lưu lượng tổng cần thiết qua 2 động cơ, m3/s; Qd1: Lưu lượng của động cơ số 1; m3/s;
Qd2: Lưu lượng của động cơ số 2; m3/s; Qat : Lưu lượng dầu qua van an tồn, m3/s;
Mqt1: Mơ men qn tính của động cơ thủy lực 1, N.m; Mqt2: Mơ men qn tính của động cơ thủy lực 2, N.m; Mc: Mơ men cản chuyển động quay trên gầu khoan, N.m;
Mc1: Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 1, N.m; Mc2: Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 2, N.m.
2.2.1.2. Thiết lập phương trình chuyển động
Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, viết cho phương trình dịng chảy liên tục của dầu cơng tác trong các đường ống và phương trình cân bằng lực [46]:
a. Phương trình dịng chảy liên tục trong đường ống cao áp:
Phương trình cân bằng lưu lượng:
(Qb1+ Qb2) − (Qrb1 + Qrb2) − (Qd1 + Qd2) − (Qrd1+ Qrd2) − 2QE− Qat− Qc = 0 Với giả thiết : Q = Qb1 b2, Q = Qd1 d2,Q = Qrd1 rd2,Q = Qrb1 rb2
→ 2Qb1− 2Qrb1 − 2Qd1− 2Qrd1− 2QE− Qat− Qc = 0 (2.1) Suy ra:
QE = Qb1− Qrb1− Qd1− Qrd1−Qat
2 −Qc
2 (2.2)
Các đại lượng trong (2.1) và (2.2) được xác định như sau: Lưu lượng của bơm thủy lực:
Qb1 = Qb2 = Vb1. nb1. X(t), m3/s (2.3) Với: Qb1: Lưu lượng của bơm thủy lực 1, m3/s;
Vb1: Lưu lượng riêng của bơm thủy lực 1, m3/vòng; nb1: Số vòng quay của bơm thủy lực 1, vòng/s; X(t): Hệ số điều chỉnh lưu lượng của bơm: Lưu lượng rò rỉ ở bơm thủy lực:
Qrb1 = Qrb2 = rb1. pa, m3/s (2.4) Với: Qrb1: Lưu lượng rò rỉ của bơm thủy lực 1, m3/s;
Qrb2: Lưu lượng rò rỉ của bơm thủy lực 2, m3/s;
rb1: Hệ số tổn thất lưu lượng ởbơm thủy lực 1, (m3/s)/Pa; pa: Áp suất của dầu công tác trong đường ống cao áp, Pa; Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực được xác định:
rb1 = rb2 =Vb1.[nb1].(1−ηb1)
[Pb1] , (m3/s)/Pa [nb1]: Số vòng quay danh nghĩa của bơm thủy lực 1, vòng/s; [pb1]: Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực 1, Pa;
ηb1: Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực 1;
Lưu lượng tiêu thụđộng cơ thủy lực 1:
Qd1 = Qd2 = Vd1. nd1, m3/s (2.5) Với: Qd1: Lưu lượng của động cơ thủy lực 1, m3/s;
Vd1: Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực 1, m3/vòng; nd1: Số vòng quay của động cơ thủy lực 1, vòng/s;
Lưu lượng rò rỉởđộng cơ thủy lực 1:
Qrd1 = Qrd2 = rd1. pa, m3/s (2.6) Với: Qrd1: Lưu lượng rò rỉ của động cơ thủy lực 1, m3/s
rd1: Hệ số tổn thất lưu lượng ở động cơ thủy lực 1, (m3/s)/Pa; pa: Áp suất của dầu công tác trong đường ống cao áp, Pa; Hệ số tổn thất lưu lượng ở động cơ thủy lực 1 được xác định:
rd1 =Vd1.[nd1].(1−ηd1)
[pd1] , (m3/s)/Pa Với:
[nd1]: Sốvòng quay danh nghĩa của động cơ thủy lực 1, vòng/s; [pd1]: Áp suất danh nghĩa của động cơ thủy lực 1, Pa;
ηd1: Hiệu suất thể tích của động cơ thủy lực 1;
Vd1: Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực 1, m3/vòng;
Lưu lượng dầu làm biến dạng đường ống:
QE = Ea.dpa
dt m3/s (2.7)
Với: Ea : Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp [69]: Ea =Vc
Ec + Vkl
Ekl , m3/Pa
Vc: Thể tích dầu cơng tác trong đường ống dẫn bằng cao su, m3; Vkl: Thể tích dầu cơng tác trong đường ống dẫn bằng kim loại, m3; Ec: Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng cao su, Pa; Ekl: Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng kim loại, Pa. Thể tích dầu cơng tác trong đường ống dẫn bằng cao su được xác định như sau: Vc = lc.π.dc2
4 , m3
Với: dc : Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng cao su, m; lc : Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng cao su, m;
Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng kim loại được xác định như sau: Vkl = lkl.π.dkl2
4 , m3
Với: dkl : Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng kim loại, m; lkl : Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng kim loại, m;
Lưu lượng dầu qua van an toàn tổng:
Qat = (pa− pat). kat, m3/s (2.8) Nếu (pa − pat) ≥ 0 thì Qat = (pa− pat). kat, ngược lại Qat = 0
Với: pat: Áp suất cài đặt của van an toàn, Pa; kat: Hệ số lưu lượng qua van an toàn, m3/s.
Lưu lượng dầu qua van an toàn thứ cấp Qc:
Qc = ( pa -pc ).kc , m3/s (2.9) Nếu (pa − pc) ≥ 0 thì Qc = (pa − pc). kc, ngược lại Qc = 0
Với: pc: Áp suất cài đặt của van an toàn thứ cấp, Pa; kc: Hệ số lưu lượng qua van an toàn thứ cấp, m3/s;
Thay các biểu thức (2.3), (2.4), (2.5), (2.6), (2.7), (2.8), (2.9) vào biểu thức (2.2) ta có:
Ea.dpdta = Vb1. nb1. X(t) −12(pa − pc). Kc−Vb1. [nb1]. (1 − ηb1) [pb1] . pa − Vd1. nd1−Vd1[nd1](1 − ηd1) [pd1] . pa − 1 2(pa − pat). Kat (2.10)
b. Phương trình cân bằng mơ men:
Mqt1 = Md1− Mms1− Mc1 (2.11)
Với: Mqt1: Mơ men qn tính của động cơ thủy lực 1, N.m; Md1: Mô men dẫn động trên trục động cơ thủy lực 1, N.m; Mms1: Mô men ma sát nhớt trong hệ thống thủy lực 1, N.m;
Mc1: Mô men cản chuyển động quay trên trục của động cơ thủy lực 1, N.m.
Các đại lượng trong (2.11) được xác định như sau:
Mơ men qn tính của động cơ thủy lực 1:
Mqt1 = Jm1dnd1
dt , N.m (2.12)
Với Jm1 là mơ men qn tính quy dẫn của hệ lên trục của động cơ thủy lực 1, kg.m2. Mô men dẫn động trên trục động cơ thủy lực 1:
Md1 = Vd1pa
2π , N.m (2.13)
Mô men ma sát nhớt trong hệ thống thủy lực:
Mms1 = f. nd1, N.m (2.14) Với fn là hệ số ma sát nhớt và được xác định như sau, [69] :
fn1 =Vd1. [pd1]. (1 − ηc1ηh1ηd1) 2π[nd1]
ηc1 : Hiệu suất cơ khí của động cơ thủy lực 1; ηh1 : Hiệu suất cơ khí của bộ truyền động;
ηd1 : Hiệu suất thể tích của động cơ thủy lực 1. Mô men cản trên trục động cơ thủy lực 1:
Mc1 = Mc
2. i2. η
Với:
Mc: Mô men cản chuyển động quay trên gầu khoan được xác định thông qua đo
i2: Tỷ số truyền của bộ truyền hộp giảm tốc và bộ truyền bánh răng, Phụ lục 1; i2 = ihgt.ibr
ight: tỷ số truyền của hộp giảm tốc; ibr: tỷ số truyền bộ truyền bánh răng; : Hiệu suất của bộ truyền.
Thay các biểu thức (2.12), (2.13), (2.14) vào biểu thức (2.11) ta có:
Jm1.dndtd1 = Vd1.2πpa −Vd1. [pd1]. (1 − ηc1ηh1ηd1)
2π. [nd1] . nd1 − Mc1 (2.15) Vậy hệ phương trình vi phân mơ tả hoạt động của hệ thống TĐTL dẫn động động cơ thủy lực quay mâm khoan như sau:
Ea.dpadt = Vb1. nb1. X(t) −21(pa− pc). Kc−Vb1.[nb1].(1−ηb1)
[Pb1] . pa− Vd1. nd1−Vd1.[nd1].(1−ηd1)
[pd1] . pa−12(pa− pat). Kat
Jm1.dnd1
dt = Vd1.pa
2π−Vd1.[pd1].(1−ηc1ηh1ηd1)
2π.[nd1] . nd1− Mc1
(2.16)
2.2.1.3. Ứng dụng Matlab – Simulink giải phương trình chuyển động
Qua nghiên cứu và tìm hiểu, NCS lựa chọn phần mềm MATLAB SIMULINK
để xây dựng chương trình tính tốn mô phỏng ĐLH của hệ. MATLAB (Matrix
Laboratory) là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung cấp việc tính tốn số và hiển thịđồ họa bằng ngơn ngữ lập trình cấp cao. MATLAB cung cấp các tính năng
tương tác cho phép người sử dụng thao tác dữ liệu linh hoạt dưới dạng mảng ma trận để tính tốn và quan sát.
Simulink là một công cụ trong Matlab dùng để mơ phỏng và phân tích các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa [31]. Việc xây dựng mơ
hình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả. Simulink bao gồm một bộ thư viện khối với các hộp công cụ tồn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến. Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển
đổi qua lại trong q trình phân tích, và vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu
thế của cả hai môi trường.
Để nghiên cứu khảo sát đánh giá các thông số ĐLH của hệ TĐTL dẫn động động cơ thủy lực quay mâm khoan trên MKCN kiểu gầu xoay, tiến hành tính tốn xác định
các thơng số đầu vào của bài tốn, kết quả tính tốn thu được như trong Bảng 2.1. Chi tiết về kết quảtính tốn được trình bày trong Phụ lục 1 của luận án.
Bảng 2.1. Bảng các thơng số chạy chương trình mơ phỏng của động cơ thủy lực 1 quay mâm khoan
TT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Bơm thủy lực số 1
1 Lưu lượng riêng của bơm thủy lực số 1 Vb1 m3/vòng 0,000071
2 Số vòng quay danh nghĩa của bơm thủy
lực số 1 [nb1] vòng/s 36,67
3 Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực số 1 [pb1] Pa 3.107
4 Hệ số điều chỉnh lưu lượng bơm X(t) - 0 – 1
Động cơ thủy lực số 1
5 Lưu lượng riêng của động cơ thủy lực số 1 Vd1 m3/vòng 0,00009
6 Số vòng quay danh nghĩa của động cơ thủy
lực số 1 [nd1] vòng/s 55
7 Áp suất danh nghĩa của động cơ thủy lực
số 1 [pd1] Pa 3.10
7
Van an toàn
8 Áp suất van an toàn tổng pat Pa 2,8.107
9 Áp suất van an toàn pa Pa 2,5.107
Đường ống dẫn dầu thủy lực
10 Chiều dài đường ống bằng cao su lc m 7,5
11 Chiều dài đường ống bằng kim loại lkl m 3,0
12 Đường kính trong của đường ống cao su dc m 0,03175
13 Đường kính trong của đường ống kim loại dkl m 0,03175
14 Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống
cao su Ec MPa 0,21.10
6
15 Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống
kim loại Ekl MPa 0,09.10
6
16 Chiều dày của đường ống cao su δc m 0,006
17 Chiều dày của đường ống kim loại δkl m 0,004
Các thông số khác
18 Mô đun biến dạng đàn hồi của dầu công tác Elq MPa 150
19 Tỷ số truyền của hộp giảm tốc ir - 25
21 Mơ men qn tính của các phần tử quay quy
dẫn về trục quay của động cơ thủy lực 1 Jm1 Kg.m2 0,093
Sơ đồ mô men cản cho như Hình 2.4 dưới đây:
Hình 2.4. Sơ đồ mơ men cản thay đổi theo thời gian ứng với tầng địa chất sét pha màu xám nâu trạng thái dẻo mềm
2.2.1.4. Chương trình chạy mơ phỏng động lực học động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan
Xây dựng chương trình, xác lập được sơ đồ khối bài tốn biểu thị như trên Hình
2.5 dưới đây:
Hình 2.5. Sơ đồ khối của chương trình mơ phỏng động cơ thủy lực quay mâm khoan 2.2.1.5. Kết quả chạy chương trình mơ phỏng 2.2.1.5. Kết quả chạy chương trình mơ phỏng
Sau khi chạy chương trình thu được các kết quảnhư sau:
Hình 2.6. Áp suất dầu trong khoang cao áp của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan
Hình 2.7. Vận tốc góc của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan
Hình 2.9. Tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan
Hình 2.10. Số vịng quay của mâm khoan
Nhận xét: Với các kết quả nhận được sau khi chạy chương trình mơ phỏng có thể thấy rằng, các thông số ĐLH thay đổi nhiều trong giai đoạn khởi động hoặc khi lực cản tác dụng vào gầu khoan thay đổi, sau đó bình ổn về giá trị trung bình của nó, cụ thể như sau:
- Áp suất trong mạch cao áp thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của mômen cản, áp suất động lớn nhất là 80.105 Pa. (Hình 2.6).
- Tổng cơng suất của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan dao động trong khoản từ 16 ÷30 Kw, (Hình 2.8).
- Tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan thay
đổi theo thời gian với giá trị lớn nhất 342 lít/phút tại thời điểm 0,5s khi khởi động, lưu lượng đạt giá trị trung bình 236 lít/phút, (Hình 2.9).
- Số vịng quay của mâm khoan thay đổi theo thời gian, giá trị lớn nhất 17,4 vòng/phút tại thời điểm 0,5s khi khởi động và đạt giá trị trung bình 12 vịng/phút, (Hình 2.10).