Chương 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC
2.2 Xây dựng mô hình hệ thống thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn
2.2.2 Mô hình hóa quá trình phanh thu năng thủy lực
2.2.2.2 Các phần từ thủy lực trên hệ thống phanh thu năng thủy lực
Bơm thủy lực
Bơm thủy lực là thiết bị tạo ra năng lượng dầu, là cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến đổi cơ năng thành thế năng của dầu [51]; mô hình bơm thủy lực được xác định thông qua mô men bơm thủy lực Mp và lưu lượng thực tế của bơm Qp
- Mô men của bơm thủy lực Mp
Bơm thủy lực với lưu lượng riêng cố định thì mô men trên trục được xác định theo biểu thức dưới đây [51] [52]:
p p
p
mp
d . p M 2 .
[N.m] (2.22) Trong đó: dp - lưu lượng riêng của bơm [m3/vòng].
32
pp - chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy ra với buồng vào của bơm (N/m2);
pp = pcr – pcv (2.23) pcr - áp suất dầu thủy lực ở buồng ra của bơm [N/m2];
pcv - áp suất dầu thủy lực ở buồng vào của bơm [N/m2];
mp – hiệu suất cơ khí của bơm;
- Lưu lượng thực tế của bơm thủy lực Qp
Quan hệ lưu lượng thực tế của bơm thủy lực với lưu lượng riêng cố định, theo [51]
[52] được xác định theo công thức:
p p vp
p
d . .
Q 2
(2.24) Trong đó: vp - hiệu suất thể tích của bơm.
p - tốc độ góc trục bơm [1/s].
ptc o p trp bx
bx
i .i .v
i r
Ta qui đổi tốc độ góc trục bơm sang số vòng quay theo phút (vòng/phút)
p p
n 60 2
np – số vòng quay của bơm [vòng/phút];
- Quan hệ truyền động từ bánh xe đến bơm thủy lực:
Từ sơ đồ Hình 2.14 hiệu suất truyền công suất [49] từ bánh xe đến bơm thủy lực được xác định:
p p p trp p ptc o
trp
bxp bx bxp bxp
M M i M i i
M M M
(2.25) bx p ptc o
trp
M i i M
(2.26)
với trp ptc o p
bx
i i i
(2.27) Trong đó: iptc - tỷ số truyền từ trục bơm đến trục thứ cấp hộp số;
io- tỷ số truyền truyền lực chính cầu chủ động;
p - tốc độ góc trục bơm [rad/s];
bx - tốc độ góc trục bánh xe [rad/s];
33
trp - hiệu suất truyền động cơ khí từ bánh xe đến trục bơm thủy lực.
Đường ống thủy lực
Mô hình tính đường ống thủy lực được thể hiện thông qua tổn thất áp suất, theo [51]
tổn thất áp suất trên đường ống thủy lực gồm tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ có thể được xác định như sau:
Tổn thất dọc đường là tổn thất xảy ra trên đường di chuyển của chất lỏng, chủ yếu là do ma sát. Ta có biểu thức tính tổn thất áp suất dọc đường khi chất lỏng chảy tầng như sau [51]:
2
p d
l1 v
l .v
p 10.( )
d 2.g
[N/m2] (2.28) Trong đó:
- khối lượng riêng của dầu [kg/m3];
g - gia tốc trọng trường [m/s2];
- hệ số cản phụ thuộc vào hệ số Raynon (Re);
lp - chiều dài đường ống nhánh thu năng [m];
d - đường kính ống dẫn dầu [m];
v - hệ số cản phụ thuộc vào ống, phụ thuộc vào độ đồng đều của tiết diện chảy;
vd - vận tốc trung bình của dầu [m/s];
Tổn thất cục bộ là tổn thất xảy ra khi dòng chất lỏng chảy qua các thiết bị thủy lực như van hoặc do biến dạng hay thay đổi hướng vận tốc của dòng chảy. Tổn thất áp suất do lực cản cục bộ được tính theo biểu thức sau [51] :
2 d l 2
p 10. .v 2.g
[N/m2] (2.29) Từ (2.28) và (2.29) tổn thất toàn bộ đường ống là:
2
p d
lp v p
l .v
p 10.( )
d 2.g
[N/m2] (2.30) Trong đó:
- khối lượng riêng của dầu [kg/m3] g - gia tốc trọng trường[m/s2];
- hệ số cản phụ thuộc vào hệ số Raynon (Re), trường hợp chảy tầng [53];
64
Re (2.31)
34
v .dd
R e
(2.32)
p - hệ số tổn thất cục bộ, được xác định theo từng vị trí trên đường ống nhánh thu;
lp - chiều dài đường ống nhánh thu[m];
d - đường kính ống dẫn dầu [m];
v - độ nhớt động học của dầu [m2/s];
vd - vận tốc trung bình của dầu [m/s], vận tốc trung bình của dầu thủy lực được xác định:
vd Q
A (2.33) Trong đó: Q - lưu lượng chảy trong đường ống [m3/s], đường dẫn nối bơm thủy lực với bình tích năng do đó Q = Qp.
A - tiết diện đường ống (m2), sử dụng tiết diện ống tròn:
A = (.d2)/4 (2.34)
p
d 2
v = 4.Q
π.d (2.35) Tổn thất áp suất nhánh thu từ bơm đến bình tích năng được xác định theo chênh lệch áp suất 2 đầu như sau:
plp = pcrb - pf (2.36) Trong đó:
plp – tổn thất áp suất đường ống từ bơm đến bình tích năng[N/m2];
pcrb - áp suất dầu thủy lực cửa ra bơm [N/m2];
pf - áp suất dầu thủy lực tại bình tích áp [N/m2];
Bình tích áp năng thủy lực
Theo [51] Bình tích năng thủy lực hay ắc quy thủy lực là bộ phận chứa dầu thủy lực ở áp suất cao, nó được sử dụng nhiều trong các hệ truyền dẫn thủy lực để điều hòa năng lượng thông qua áp suất và lưu lượng của chất lỏng làm việc. Bình tích năng thủy lực làm việc theo hai quá trình là tích năng lượng vào và đẩy năng lượng ra [51].
Theo nguyên lý tạo ra tải [51], bình tích áp năng thủy lực có thể có nhiều loại như:
bình tích áp năng sử dụng trọng vật, bình tích áp năng sử dụng piston - lò xo, bình tích áp năng sử dụng bóng khí, khí thông thường sử dụng là khí ni tơ, là loại khí trơ trong điều kiện
35
khí quyển [54]. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án ta sử dụng bình tích áp năng thủy lực loại bóng khí ni tơ làm đối tượng nghiên cứu.
Giả thiết trong quá trình phanh thu năng, khí trong bình không có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quang, do đó quan hệ giữa thể tích bóng khí và áp suất bóng khí phù hợp với quá trình đoạn nhiệt [55] [56] khi đó ta có:
k k k
ao ao go go g g
p V p V p V
(2.37) Trong đó:
k - hệ số mũ đoạn nhiệt, chọn sử dụng khí nitơ k =1,4 [55] [56]
Vao - thể tích khí ban đầu theo dung tích bình (m3)
pao - áp suất nạp khí ban đầu của bình tích áp năng (N/m2) pg - áp suất làm việc bình tích áp năng thủy lực (N/m2)
pgo - áp suất làm việc ban đầu của bình tích áp, áp suất làm việc nhỏ nhất (N/m2) Vgo - thể tích làm việc ban đầu của khí (m3)
pg - áp suất làm việc bình tích năng thủy lực (N/m2) Vg - thể tích làm việc của khí (m3)
Hình 2. 15 Sơ đồ bình tích áp năng thủy khí theo các trạng thái làm việc
a-Trạng thái bình nạp khí ban đầu, b- Trạng thái áp suất thấp (trạng thái áp suất làm việc ban đầu), c – Trạng thái áp suất làm việc
Quá trình thu hồi năng lượng:
Từ (2.37) ta có:
k k
p V p V
go go = g g (2.38) pao ,Vao pgo ,Vgo
pg , Vg
Vf = Vgo-Vg
a b c
KhÝ N2 KhÝ N2
KhÝ N2
Dầu thủy lực
36
Từ Hình 2.15 ta có mối quan hệ giữa áp suất và thể tích khí nén trong bình tích năng như sau:
Vgo - Vg = Vf (2.39) Trong đó:
pgo – áp suất làm việc ban đầu của khí [N/m2]
Vgo - thể tích làm việc ban đầu của khí tương ứng với pgo [m3] pg - áp suất của khí nén [N/m2]
Vg - thể tích của khí khi bị nén tương ứng với pg [m3] Vf - thể tích của dầu thủy lực được đẩy vào bình tích áp [m3]
Quan hệ giữa lưu lượng thực tế của bơm với thể tích của dầu thủy lực được nạp vào bình tích áp thủy lực
dVf
Qp dt (2.40)
f p
dV Q dt (2.41) Từ (2.41) ta có
t f
0
Qp
V dt (2.42) Từ (2.39) Vg = Vgo - Vf (2.43)
Kết hợp (2.38), (2.42) và (2.43)
1.4
p p . Vgo
g go t
Vgo Q .dt o p
(2.44)
Biểu thức (2.44) thể hiện quan hệ áp suất bình áp năng thủy lực với lưu lượng dầu thực tế nạp vào bình trong quá trình thu năng.
Từ (2.37) ta có
k k
ao ao go go
p V p V
=>
p 1
( )
V V pao
go k
go ao (2.45) Trong quá trình thu năng lượng vào bình tích năng thủy lực, khí bị nén lại do đó ta có thể xác định năng lượng được nạp vào bình chính là công làm thay đổi thể tích [56] [55] của bóng khí, do đó năng lượng nạp vào bình áp năng thủy lực có thể được xác định theo biểu thức sau:
37
g
go
v a
v
E pdV (2.46) Từ (2.37) và (2.46) => ta có thể xác định năng lượng nạp vào bình:
1 k
go go g
a
go
p V V
=
k - 1 V
E 1
(2.47) Trong đó:
Ea - năng lượng bình tích năng [J];
pgo – áp suất làm việc ban đầu của khí [N/m2];
Vgo - thể tích làm việc ban đầu của khí tương ứng với pgo [m3];
pg - áp suất của bình áp năng thủy lực [N/m2];
Vg - thể tích của khí khi bị nén tương ứng với pg [m3];
Từ (2.37) và (2.39) =>
1 1
k k
ao ao
f go g ao
go g
p p
V V V V .
p p
(2.48)
Biểu thức (2.48) sử dụng để xác định được lượng dầu nạp vào bình áp năng theo thông số của bình ban đầu và áp suất của bình áp năng thủy lực.
Tỉ lệ thu năng lượng
Đánh giá khả năng thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực, ta có thể sử dụng biểu thức (1.4) để tính tỉ lệ thu năng lượng phanh theo chu trình, tuy nhiên để áp dụng được ta cần phải thực hiện trên chu trình thử và thực hiện nhiều lần phanh vấn đề này trở nên phức tạp với điều kiện thử ở nước ta, để đơn giản hơn ta xác định tỉ lệ thu năng lượng phanh trong một lần phanh, thông số tỉ lệ thu năng α là thương số giữa năng lượng thu được vào bình tích áp với động năng giảm của xe trong một lần phanh như sau:
a v
E 100%
E
(2.49) Trong đó: - tỉ lệ thu năng.
1 k
go go g
a
go
p V V
=
k - 1 V
E 1
(2.50)
38
pgo – áp suất làm việc ban đầu của khí [N/m2]
Vgo - thể tích làm việc ban đầu của khí tương ứng với pgo [m3] pg - áp suất của khí nén [N/m2]
Vg - thể tích của khí khi bị nén tương ứng với pg [m3]
Ev – Độ biến thiên động năng của xe ở vận tốc phanh ban đầu vo đến vt
Hệ thống phanh thu năng hoạt động trong trường hợp ngắt ly hợp, do đó ta bỏ qua ảnh hưởng của trọng khối quay của cụm bánh đà và các chi tiết có trọng khối nhỏ trên đường truyền lực, biến thiên động năng của xe ở vận tốc phanh ban đầu vo đến vt được xác định:
2 2 2 2
o bxi bxo t bxi bxt
v vo vt
i=1 i=1
m.v J m.v J
ΔE = [ ] - [ ]
2 2 2 2
.ω .ω
= E - E + +
n n
(2.51) Trong trường hợp phanh thu năng đến khi xe dừng vt =0 (Evt=0), động năng xe được xác định:
2 2
o bxi bxo
v vo
i=1
m.v J
ΔE E [ ]
2 2
= = + .ω
n
(2.52) m – khối lượng xe [kg];
vo- vận tốc xe phanh ban đầu [1/s];
vt- vận tốc xe ở thời điểm ngừng phanh t [1/s];
Jbxi -mô men quán tính bánh xe thứ i [kgm2];
bxo-vận tốc góc bánh xe ở vận tốc phanh ban đầu[rad/s];
bxt-vận tốc góc bánh xe ở thời điểm dừng phanh t[rad/s];
n – số bánh xe
Yêu cầu bơm thủy lực:
Thông qua các thông số quan trọng là tốc độ làm việc, lưu lượng riêng và áp suất làm việc của bơm thủy lực.
Đối với tốc độ làm việc của bơm thủy lực lớn nhất phải nằm trong miền tốc độ giới hạn thiết kế của bơm thủy lực chọn lựa.
np ≤ [np] (2.53) np – tốc độ vòng quay của bơm thủy lực [vg/ph]
[np]- tốc độ vòng quay giới hạn cho bơm thủy lực [vg/ph]
Đối với áp suất làm việc lớn nhất của bơm thủy lực làm việc trong trường hợp phanh thu năng cần thỏa mãn điều kiện áp suất làm việc giới hạn của hệ thống truyền động thủy lực trên xe chuyên dùng, mặt khác áp suất lựa chọn này và lưu lượng riêng của bơm cần phải đảm
39
bảo để hệ thống truyền lực đảm bảo điều kiện bền trong quá trình phanh thu năng. Do đó tại vị trí hộp số sàn ta có yêu cầu về sức chịu mô men của hộp số như sau:
Mtchs ≤ [Mhs] (2.54) [Mhs] - Sức chịu mô men của hộp số [Nm]
Từ quan hệ về hiệu suất bộ truyền cơ khí [49], ta có quan hệ công suất truyền từ trục thứ cấp hộp số đến bơm thủy lực thông qua hiệu suất truyền động ηtcp theo biểu thức dưới đây:
p p
tcp
tc tchs
.M .M
(2.55)
p ptc
tc
i
(2.56) Mtchs - mô men vị trí trục thứ cấp hộp số [Nm];
Mp – mô men bơm thủy lực [Nm];
iptc - tỷ số truyền từ trục PTO đến trục thứ cấp của hộp số;
p - vận tốc góc bơm [1/s];
tc - vận tốc góc trục thứ cấp [1/s];
ηtcp - hiệu suất truyền động từ trục thứ cấp hộp số đến bơm thủy lực;
Từ (2.55) và (2.56) mô men tại vị trí trục thứ cấp hộp số, được xác định:
ptc p tchs
tcp
M i .M
(2.57) Theo [51] bơm thủy lực với lưu lượng riêng cố định thì mô men trên trục được xác định theo biểu thức dưới đây:
p p
p
mp
d . p M 2 .
(2.58) Trong đó:
dp - lưu lượng riêng của bơm [m3/vòng];
pp - chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của bơm (N/m2);
mp – hiệu suất cơ khí của bơm;
Từ (2.54), (2.55), (2.56), (2.57) và (2.58) ta có:
ptc p
tchs hs
tcp
M i .M [M ]
(2.59)
ptc p p
tchs hs
mp tcp
i .d . p
M [M ]
2 . .
(2.60)
40
Biểu thức (2.60) sử dụng để kiểm tra thông số bơm thủy lực, thông số kết cấu cụm hộp chia công suất và hộp số đảm bảo sức chịu mô men yêu cầu.