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
2.2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực ép mâm khoan
Từ sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động chung cho MKCN lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 ở Hình 2.1 ta có sơ đồ mạch thủy lực của hệ thống xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan được biểu diễn như Hình 2.11 dưới đây:
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của xi lanh ép mâm khoan
1 - Động cơ Diezel; 2, 3 - Bơm thủy lực; 4 -Bơm điều khiển; 5 - Van phân phối chính; 6 - Xi lanh ép mâm khoan.
Nguyên lý làm việc: Động cơ Diezel (1) dẫn động bơm dầu (3) tạo ra dòng dầu
có áp suất cao cung cấp cho hai xi lanh thủy lực (6) ép mâm khoan. Khi van (5) ở
trạng thái đóng, dầu quay trở về thùng, khi van (5) mở, dầu cao áp được cung cấp cho
2 xi lanh tác động ép mâm khoan đi xuống. Để đảm bảo an toàn cho xi lanh ép mâm
khoan trong mạch có sử dụng các van an tồn.
2.2.2.1. Xây dựng mơ hình động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi ép mâm khoan
Khi ép mâm khoan đi xuống, dầu áp suất cao sẽđược cung cấp cho xi lanh ép, nhờ vậy xi lanh thủy lực duỗi ra để ép mâm khoan. Q trình ép khơng diễn ra liên tục mà chỉ khi bị kẹt, người lái mới cho xi lanh ép làm việc trong thời gian ngắn
để gầu thoát qua khỏi điểm kẹt hoặc khi gặp lớp đất cứng, người lái kết hợp cho
P4 P3 P2 P1
động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan kết hợp với ép xi lanh để tăng cường hiệu quả cắt đất.
Để xây dựng mơ hình ĐLH, cần sử dụng các giả thiết như sau [10], [17]:
- Khơng xét q trình tạo sóng trong ống thủy lực;
- Van an tồn được coi như khâu khơng tuyến tính và khơng qn tính;
- Lực cản nội ma sát của xi lanh thủy lực được tính đến thơng qua hiệu suất
cơ khí ηc;
- Mơ 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 thủy lực;
- Khơng xét đến qn tính của dầu trong quá trình hệ thống thủy lực làm
việc;
- Các thông số kỹ thuật của dầu (trọng lượng riêng, độ nhớt, mô đun đàn
hồi) được coi là hằng số;
- Tổn thất lưu lượng của bơm thủy lực trong giới hạn chếđộ làm việc tỷ lệ
với áp suất trong đường ống;
- Không xét tới ảnh hưởng của rò rỉ trong các khoang của xi lanh;
- Lực ma sát ở van an toàn là nhỏ nên bỏ qua; - Chưa xét đến ảnh hưởng của van tiết lưu;
- Không xét đển ảnh hưởng của van phân phối trong quá trình làm việc;
- Coi lực cản đất tác dụng vào xi lanh là hằng số;
- Hai xi lanh thủy lực ép mâm khoan giống nhau.
Từ sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động xi lanh ép mâm khoan đã mơ tả ở trên,
Hình 2.12. Mơ hình nghiên cứu động lực học xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan
Trong đó:
Vb: Lưu lượng riêng của bơm số 3, m3/vòng;
nb: Số vòng quay của trục bơm số 3, vòng/s;
rb: Hệ số tổn thất lưu lượng ởbơm thủy lực số 3, (m3/s)/Pa; pa: Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp của xi lanh, Pa; pt: Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp của xi lanh, Pa; pat: Áp suất cài đặt của van an toàn, Pa;
Ea: Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp, m3/Pa;
Qb: Lưu lượng của bơm số 3, m3/s;
Qxl: Lưu lượng cần thiết cung cấp cho xi lanh, m3/s;
Qat: Lưu lượng dầu qua van an toàn, m3/s;
Fc: Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình làm việc, N.
2.2.2.2. Thiết lập phương trình chuyển động
NCS sử dụng định luật bảo tồn năng lượng, viết cho phương trình dịng chảy liên tục của dầu công tác trong các đường ống và phương trình cân bằng lực. Xét cho trường hợp khi gầu khoan bị kẹt, cần ép xi lanh để gầu khoan thốt qua điểm kẹt.
a) Phương trình dịng chảy liên tục trong đường ống cao áp:
Qb = QE + Qrb + Qxl + Qat
Suy ra: QE = Qb - Qrb - Qxl - Qat (2.17)
Các đại lượng trong (2.17) được xác định như sau: mqd qe Fqt D d Qb pt Qxl Qt Ea pa M pat Qat rb Vb P pt pa T A B nb D d A1 A2 Fc
Lưu lượng lý thuyết của bơm:
Qb= Vb.nb.X(t), m3/s (2.18)
Trong đó: Vb: Lưu lượng riêng của bơm số 3, m3/vòng; nb: Tốc độ quay của trục bơm, vòng/s;
X(t): Hệ sốđiều chỉnh lưu lượng của bơm: Lưu lượng chất lỏng rò rỉ ở bơm thủy lực:
Qrb=rb.pa, m3/s (2.19)
Trong đó: pa: Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp, Pa;
rb: Hệ số tổn thất lưu lượng ởbơm thủy lực số 3, (m3/s)/Pa. Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực được xác định như sau [50]:
rb =Vb.[nb].(1−ηb)
[pb] , (m3/s)/Pa (2.20)
Trong đó:
b: Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực số 3; [pb]: Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực số 3, Pa;
[nb]: Tốc độquay danh nghĩa của bơm thủy lực số 3, vòng/s.
Lưu lượng tiêu thụ của 2 xi lanh:
Qxl = 2A1.vxl, (m3/s) (2.21)
Trong đó: A1: Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh ép, m2; vxl: Vận tốc dịch chuyển của xi lanh, m/s.
Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng đường ống: QE = Ea.dpa
dt , (m
3/s) (2.22)
Trong đó: Ea : Biến dạng đàn hồi trong ống dẫn cao áp, được xác định như sau[70]: Ea =VcE
c +Vkl
Ekl , (m3/Pa) (2.23)
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 (2.24) Trong đó: 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 cơng tác trong đường ống dẫn bằng kim loại được xác định như sau:
Vkl = lkl.π. d4kl2 , m3 (2.25) Trong đó: 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 qua van an toàn tổng:
Qat = (pa − pat). kat, m3/s Nếu pa pat thì Qat =(pa-pat).kat , ngược lại Qat = 0;
Trong đó: pat: Áp suất cài đặt của van an toàn tổng, Pa;
kat: Hệ số lưu lượng qua van an toàn tổng, (m3/s)/Pa. Thay các giá trịtrên vào phương trình (2.17) ta được:
Ea.dpa dt = Vb. nb. X(t) −Vb.[nb].(1−ηb) [Pb] . pa − 2A1. vxl− (pa − pat). Kat (2.26) b) Phương trình cân bằng lực Fqt - mqd.g + Fc -2Fxl = 0 Suy ra: Fqt= 2Fxl + mqd.g – Fc (2.27) (2.28)
Các đại lượng trong (2.27) và (2.28) được xác định như sau:
Lực quán tính:
Fqt = mqd.dVe
dt (N)
(2.29)
Với mqd: Khối lượng quy dẫn về đỉnh piston, kg.
mqd = mmâmquay + mkelly + mgầu + mđất + mben (2.30)
mmâmquay: Khối lượng của mâm quay, kg; mkelly: Khối lượng của thanh kelly, kg; mgầu: Khối lượng của gầu, kg;
mđất: Khối lượng của đất, kg;
mben: Khối lượng của Bentonite, kg. Lực ép do xi lanh thủy lực tạo ra:
Fxl = (pa. A1− pt. A2). ηc , (N) (2.31) pa: Áp suất dầu công tác trong nhánh cao áp xi lanh ép, Pa;
A1: Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh ép, m2; A2: Diện tích tiết diện khoang thấp áp của xi lanh ép, m2;
c: Hệ số tổn thất trong xi lanh ép.
Fc: Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình máy làm việc, N, (Phụ lục P1.5).
Thay (2.29), (2.30) và (2.31) vào phương trình (2.28) chúng ta được: e
qd a 1 t 2 c qd c
dv
m 2(p .A p .A ). m .g F
dt = − + − (2.32)
Vậy hệ phương trình vi phân mơ tả hoạt động của hệ thống TĐTL dẫn động xi lanh thủy lực ép mâm khoan đi xuống như sau:
Ea.dpa dt = Vb.nb.X(t) − Vb. [nb]. (1 − ηb) [pb] . pa − 2A1. vxl− (pa− pat). Kat mqd dve 2(p .Aa 1 p .A ).t 2 c m .g Fqd c dt = − + − (2.33)
2.2.2.3. Ứng dụng Matlab – Simulink giải phương trình chuyển động
Để giải hệ phương trình vi phân (2.33) trên, sử dụng thuật tốn Runge-Kutta trong mơi trường Matlab Simulink [38]. Để nghiên cứu khảo sát đánh giá các thông số ĐLH của xi lanh ép mâm khoan trên MKCN kiểu gầu xoay, tiến hành xác định các thơng số đầu vào của bài tốn, nội dung tính tốn được trình bày trong Phụ lục 1.
Các thơng số tính tốn được liệt kê tóm tắt trong Bảng 2.2 dưới đây:
Bảng 2.2. Bảng các thông số chạy chương trình mơ phỏng của xi lanh thủy lực ép mâm khoan
TT Thông số Ký
hiệu Đơn vị Giá trị Bơm thủy lực số 3
1 Lưu lượng riêng của bơm thủy lực số 3 Vb m3/vòng 0,000112
2 Số vòng quay danh nghĩa của bơm thủy lực số 3 [nb] vòng/s 35
3 Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực số 3 [pb] Pa 2,5.107
4 Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực số 3 ηb - 0.92
5 Hệ số điều chỉnh lưu lượng bơm X(t) - 0 - 1
6 Áp suất van an toàn tổng pat Pa 2,8.107
7 Hệ số lưu lượng qua van an toàn tổng Kat (m3/s)/Pa 6,67.10-10
8 Lưu lượng qua van an toàn tổng Qat m3/s 0,004
Đường ống dẫn dầu thủy lực
9 Chiều dài đường ống bằng cao su lc m 5,5
10 Chiều dài đường ống bằng kim loại lkl m 3,0
11 Đường kính trong của đường ống cao su dc m 0,018
12 Đường kính trong của đường ống kim loại dkl m 0,018
13 Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống làm bằng
cao su Ec MPa 0,09.10
6
14 Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống làm
bằng kim loại Ekl MPa 0,21.10
6
15 Chiều dày của đường ống cao su δc m 0,006
16 Chiều dày của đường ống kim loại δkl m 0,004
Dầu công tác
17 Mô đun biến dạng đàn hồi của dầu công tác Elq MPa 150
Xi lanh thuỷ lực
18 Đường kính trong của xi lanh thuỷ lực ép mâm
khoan D mm 112
19 Đường kính cán piston ép mâm khoan d mm 50
20 Hành trình xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan H mm 800
Các thông số khác
21 Khối lượng quy dẫn về đỉnh của piston mqd kg 25171
22 Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá
trình máy làm việc Fc N 22660
2.2.2.4. Chương trình chạy mơ phỏng động lực học xi lanh thủy lực ép mâm khoan
Sau khi xây dựng chương trình, xác lập được sơ đồ khối bài toán biểu thị như
Hình 2.13. Sơ đồ khối chương trình mơ phỏng xi lanh thủy lực ép mâm khoan 2.2.2.5. Kết quả chạy chương trình mơ phỏng 2.2.2.5. Kết quả chạy chương trình mơ phỏng
Sau khi chạy chương trình mơ phỏng thu được kết quảnhư sau:
Hình 2.15. Lực ép của xi lanh ép mâm khoan
Hình 2.16. Vận tốc của xi lanh ép mâm khoan
Nhận xét:
Khi khởi động xi lanh để ép gầu khoan đi xuống, trong thời gian ngắn sẽ làm cho gầu khoan vượt qua điểm bị kẹt, biên độ và tần số của áp suất dầu trong hệ thống
thay đổi gây ra các lực động làm ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ thống, ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của các phần tử thủy lực và sự làm việc đồng thời
của hai xi lanh thủy lực. Ở trường hợp này áp suất dầu lớn nhất là 31.105 Pa và khi làm việc bình ổn tại giá trị 16.105 Pa, (Hình 2.14).
Lực ép của xi lanh thủy lực cũng thay đổi khi ép gầu khoan đi xuống. Giá trị của lực ép xi lanh khi làm việc bình ổn là 1,63.104 N, (Hình 2.15).
Vận tốc và gia tốc của xi lanh thủy lực thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi này sẽ làm xuất hiện lực động trong hệ thống và gây ra tải trọng động trong kết cấu thép của máy khi làm việc, vận tốc dao động quanh giá trị bình ổn 0,05 m/s, (Hình 2.16).
V a n t o c e p c ủ a x i lan h m/ s
2.3. Khảo sát các yếu tốảnh hưởng đến đặc trưng động lực học hệ thống truyền động thủy lực của máy khoan cọc nhồi
2.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của các tầng địa chất đến các thông số động lực học của hệ thống truyền động thủy lực dẫn động mâm khoan