CHƯƠNG 1 THUỶ LỰC CÔNG NGHIỆP
1.3. Sự phát triển của hệ thống thuỷ lực truyền thống
Hiện nay việc ứng dụng c h thác ệ ống thuỷ ực l r đã ất phổ biến trong công nghiệp, n ng nghiô ệp, khai thác mỏ, x y dâ ựng…. Chính vì thế ă n ng lượng thuỷ ực đóng l m ột vai tr quan trò ọng trong việc truyền công suất ớn l , độ tin cậy cao. Cùng với s ự phát triển c ủakhoa học kỹ thuật êtr n thế giới, c ác h ệ thống thuỷ ực ũng được l c thừa ưởng h những công nghệ cao cho việc chế t và ạo ứng ụng d . Các h ệ thống đ ều i khiển thuỷ ực l ngày àng hi c ện đại và d ần đáp ứng được những yêu c cầu ủa t ự động hoá s xu công nghi . ản ất ệp
Định ướng h phát triển của ngành áy M u lth ỷ ực và truyền động thuỷ lực là l n nàm thể ào để ăng lượng thuỷ ực được ử ụng l s d m cột ách hiệu quả nhất trong các h ệ thống m máy óc hiện đại, công suất l và ớn hiệu suất cao. Các h ệ thống thuỷ lực ngày àng hi c ện đại và kh n ng tả ă ự động hoá cao. Việc ết ợp k h điều khiển thu lỷ ực với c dác ạng iđ ềukhiển khác nh iư đ ều khiển c íơkh , iđ ều khiển iđ ện, kh éní n đã l àm cho hệ thống thuỷ ực l ngày àng c phong phú, đáp ứng tốt c êác chỉ ti u về kinh tế và k ỹ thuật. Hiệnnay kỹ thu ật thuỷ lực t l ỷ ệ đã trở nên ph biổ ến.Phương ph áp iđ ều khiển t l bỷ ệ ằng c ác van ph n phâ ối t lỷ ệ, van áp suất t l ỷ ệhay van lưu lượng t l là mỷ ệ ột phương pháp đi ềukhiển hiện đại, chỉ với một d chuy ịch ển nhỏ nó cho phép t ra ạo được công su lất ớn. Với c t ác ín hiệu v và ào ra tỷ ệ ới l v nhau ta c thó có ể nhiều m i ức đ ều khiển khác nhau, các t ín hiệu i đ ều khi nh nhển ẹ àng, chính x và m hác ịn ơn. C thó ể đưa ra m ví d v h ột ụ ề ệ thống đ ều i khiển ỷ ệ t l n ày như sau: Hệ thống l trợ ực tay lái trên xe lu thể hiệnnhưtrên h ình(1.4) như sau:
Control
1-1CL1
VS1
1-1S1
WH1
V i m ớ ạch thuỷ ực l n ày ta c thó d dể ễ àng i đ ều chỉnh được g óc cua của bánh xe bằng vô lăng th ng qua van ph n phô â ối ỷ ệ t l . Chỉ ần c t dác ụng ột ực m l nhỏ là ta có th l bể àm ánh xe d dễ àngđổi hướngchuyểnđộng.
Hoặc m h ột ệ thống ết ợp k h giữa thuỷ ực l , khí n và c én ác phần ử đ ện t i được iđ ều khi bển ằng b ộ logic l ập trình PLC cho một dây truyền dập s ản phẩm t ự động. Sơ đồ h ệ thốngđược thể ệnhi êtr n hình (1.5) dướiđây.
Hình 1.4: Hệ thống trợ lựctay lái ùng van t d ỷ ệ l
V s êới ơ đồ tr n ta nhận thấy ằng r việc ử ụng ệ s d h thống thuỷ ực l là r ất phong phú, đáp ứng được c dâác y truyền t ự động á ho phức tạp. Nó có thể phối h tợp ốt v c ới ác loại ă n ng lượng khác trong hệ thống công nghiệp. Việc điều khiển dây truyền êtr n được thực hiện bằng b logic lộ ập trình PLC với c ác t ín hiệu đầu v là c n i kào ác út đ ều hiển, các c ảm biến ị v í i ttr đ ện ừ, còn ác ín c t hiệuđầu ra chính là c ác cuộn dây điềukhiển van ph n phâ ối.
Việc t ự động á h ho ệ thống thuỷ ực l là m bột ước đột á ph quan trọng trong c ng nghiô ệp. Các van ph n phâ ối t ác động đ ện i có d dthể ễ àng k n ết ối v b i ới ộ đ ều khiển logic khả ập l trình PLC. Việc đ ều i khiển ệ h thống ự động t hoá thuỷ ự l c kết ối n v m tới áy ính ng ày àng c nêtrở n phổ biến và r ất ệuhi quả. H ệ thống đ ều i khiểnthuỷ ực l ngày àng c g họn ơn, độ chính ác cao h x ơn. Đ ềui
Hình 1.5. Mô h m ình ạchthuỷ í kh cho máy d t ập ự động
CLAMP_V1B CLAMP_V2B
SV_PUNCH PB_START
CLAMP_V1A CLAMP_V2A
PUNCH_OUT
CONTROL PANEL
FEEDER FEEDER_P1
LS1 LS2
SV_CLAMP_OFF SV_CLAMP_ON
MOTOR1
SV_ELEV
FEEDER_P2 PB_STOP
ELEV_P1
ELEV_P2
PUNCH_IN
SV_DROP_L SV_DROP_R
0.00 daN 0.00 daN
khiển servo đ ệni -thuỷ ực l là c ấp độ i đ ềukhiển cao nhất và hiện đạinh hiất ện nay, vớithiết ị v n h ày ệ thốngthuỷ ực được l giám sát một cách hiệu quả và có c t ác ín hiệu phản ồi để đáp ứng được ự h s thay đổi êli n tục c ôác th ng số trong h ệthốngthuỷ ực l .
Có r ất nhiều công ty tr n thê ế giới n êghi n cứu và chế ạo t thiết ị b thuỷ l ựcnhư: Rexroth, Park , Atos…Cer ác công ty này ú đãch trọng nghi n cê ứu c ác phần t ử thuỷ ực ỹ l k thuật cao như c ác loại phanh thuỷ lực, các van tỷ ệ l , van servo… để ắp đặt l cho các h ệ thống đ ều i khiển hiện đại. Tuy nhiên những nghiên cứu và chế ạo t n ày chỉ nhằm mục đích hoàn thiện h ệ thống thuỷ lực truyền thống chứ chưa có những định ướng h cho hệ thống thuỷ ực l mới. Nhưng một nguyên tắc không thể thay đổi trong hệ thống thuỷ ực l n là ày dòng chất ỏng l trong hệ thống được ận v chuyển tuần hoàn trong hệ thống ừ t bơm đến các thiết ị b tiêu th ụ sau đó ại ồi ề l h v thùng, đ ềui n h ày đòi ỏi nhiều thiết b ị trong hệ thống thuỷ lực dẫn đến cồng kềnh và cũng đòi hỏi phải s ử dụng ột m t d l thể ích ầu ớn để truyền ă n ng lượng.
V t tới ư ưởng là v s dẫn ử ụng chất ỏng để l truyền ă n ng lượng thuỷ ực l , nhưng ph ng thươ ức truyền năng lượng ph khải ác so với các phương pháp truyềnthống, tức là :
+ Sử dụng ít hoặc ôkh ng s dử ụng chất lỏng để truyền năng lượng
+ Có s dthể ử ụng được nhiều loại chất lỏng khác nhau trong cùng m ột h ệthốngthuỷ ực l
+ Sử dụng nguồn dao động điều à ho để tạo ra sự biến êthi n áp suất trong hệ thống dưới dạng sóng.
+ Sử dụng sóng áp suất chứ ôkh ng phải là áp suất êli n tục để truyền năng lượng
+Hệ thống nh gỏ ọn h n, th h hơ ích ợp ơn với các chuyển động quay tần s ố thấp.
Để đáp ứng được những những yêu cầu êtr n cần ph ải đưa ra một ý tưởng ới ề ệ m v h thốngthuỷ ực l , đó là h ệ thốngthuỷ ực l nhiềupha AFH.
1.4. Hệ thống thuỷ lực AFH
1.4.1. Các nghiên cứu trước đây về AFH.
V ới những âph n tích ở phần 1.3, tư ưởng t là t để ạo ra một ệ h thống thuỷ lực hoàn àn khácto v h ới ệ thống thuỷ ực l truyền thống. Tức là s dử ụng nguồn dao động i đ ều hoà t ạo ra các dao động v ề áp suất êtr n các ođ ạn ống độc lập truyđể ền năng lượng t ừ ngu tồn ới c c các ơ ấu ch hành. K ấp ỹ thu này ật thực t tế đã ừng được đề ập ừ c t những ă n m 1920s của thế ỷ k trước và trong cuộc c mách ạng công nghiệp c ủanhững ă n m 1960s. Khi đó ập t trung chủ yếu v c ào ác dao động thuỷ ực l dùng cho c c thiá ết ị b rung lắc đơn giản. Quân đội Hoa Kỳ cũng phát triển h ệ thống rung thuỷ ực ắp đặt l l êtr n m áy bay chiến đấu. Tuy nhi n cê ho đến nay v chẫn ưa có êth m những nghi n c m v lý ê ứu ới ề thuyết cũngnhư thựcnghiệmđối v h ới ệ thống này, do vậynhững phần t cử ủa h ệ thống n v ày ẫn chưa xuất hiện êtr n thị trường và những ứng ụng ủa d c nó v là ẫnchỉ tiềm ă n ng.
à t t c c t
AFH l ừ viết ắt ủa ụm ừ “ Alternating Flow Hydraulic” có nghĩa là dòng thuỷ ực l dao động (qua lại) hay dòng thuỷ ực l xoay chiều. Đây là m ột kh niái ệm tương đối m ới trong kỹ thuật thu lỷ ực v ề phương diện truyền công suất trong thuỷ ực l . Chất ỏng ẽ l s chuyển động qua lại quanh một vị í trung tr gian để t ạo ra sự dao động v ề áp suất. Áp suất n s ày ẽ dao động trong một đoạn ống ngắn và t dác ụng lên b mề ặt piston ở đầu ra để truyền công suất cho t ải trọng. Nếu dao động ủa c c ác piston là i à ì sđ ều ho th óng áp su ất và v t ận ốc trong đoạn ống cũng có có dthể ạng đ ều i hoà h ình sin. Nếu trong hệ thống có nhiều o đ ạn ống độc l v ập ới nhau cùng hoạt động ì th vi truyệc ền công suất s ẽ liên tục và có thể hiệu qu ả hoạt động s cao h n. Mẽ ơ ỗi o đ ạn ống độc l ập được g là m ọi ột pha của ệ h thống.
K ỹ thuật thuỷ ực l AFH đã được ột ố m s t ác giả giới thiệu và đưa ra một s ố nhận định ề v tiềm ă n ng ứng ụng ủa d c nó trong c ng nghi . Tuy nhiô ệp ên những nghi n cê ứu đó m g ý ới chỉ ợi những những định ướng h nghiên cứu v ề m s v ột ố ấn đề sau:
ê c t lý c h
+ Hướng nghi n cứu ác đặc ính thuyết ủa ệ AFH một pha bằng m s ột ố phương pháp như: sử ụng d c ôác th ng số ập t trung gần đúng t ìm ra các ma trận chuyển đổi để t m êìm ối li n hệ giữa các ôth ng số áp suất và lưu lượng đầu vào và đầu ra của h ệ thống. Với hướng nghiên cứu này ác ác t t giả: Eizo Urata, Toshio Takenaka, Sadami Akiyama đã t ìm hiểu ề v c việ truyền áp suất và v ận tốc trong hệ AFH một pha, từ đó t ìm hiểu được quy luật truyền công suấttrong hệ.
C t êác ác giả tr n đã xây dựng m mô h ột ình thực nghiệm cho một pha đơn. Nghi n cê ứu cách lắp đặt b ộ chia, mở rộng mô h hình ệ AFH ba pha và định hướng cho hệnhiều pha.
ê s b c b s d
+ Nghi n về ự đồng ộ chuyển động ủa hai máy ằng việc ử ụng h ệ AFH được c t ác ác giả Yoshio Tanaka, Isao Yokomichi, Hiroshi Hamamatsu thuộc trường công nghệ quốc gia Nhật ản đưa ra. Với b việc t ìm ra quy luật truyền năng lượng, đưa ra các phương trình chuyểnđộngquay của hai thiết b ị khi sử dụng hệ AFH ba pha. Nhận định c i ác đ ều kiện quay đồng b c ộ ủahai máy, các i đ ềukiện ề ự ổn định v s trong chuyển độngquay
mô t và k c t c h
+ Việc ả hoạt động thiết ế ác phần ử ủa ệ thốngAFH được m s t ột ố ác giả thuộc trường Đại ọc ỹ h k thuật Bombay Ấn Độ giới thiệu. C c á v ấn đề được đề ập c là: sự chuyển đổi dòng thuỷ ực ột l m chiềusang dòng thuỷ l ựcxoay chiều, kết ấu ộ c b chia và k c b ết ấu ộ truyềnAFH.
c t
+ Với ác ác giả Yao Chengyu, Zhao Jingi của trường Đại ọc h Yanshan, Trung Quốc đã giới thiệu v c ề ác phương ph mô h á, c áp ình ho ác chiến lược đ ều i khiển và tiềm ă n ng ứng ụng ới ệ d v h thốngAFH.
Trên đây c c tác giá c ả đã đề ập nhiều phương pháp như: phương pháp biểuđồ êli n kết, phương pháp kết nối c h ác ệ thống con hay lý thuyết v mề ạng trởkháng thuỷ lựcđểnghi n cê ứu mô hình c h ủa ệAFH.
C v ònđối ới chiến ược đ ều l i khiển, đ ềui khiển í âtr tuệ nh n tạo, l thuyý ết điều khiển m , iờ đ ều khiển phối ợp h hay iđ ều khiển servo l nhà ững phương pháp iđ ềukhiểnđang rất được quan tâm và s ẽ phát triển mạnh trong tương lai.
C lý ác thuyết đ ều i khiển truyềnthống là d êựatr n những t ính chất ủa c mô h ình tuyến t v c ính ề ác nhiễu. Tuy nhi n cê ầnphải đề xuất những ấu c trúc i đ ềukhi n ể dạng phi tuyến và thiết ế k chiến ược đ ều l i khiển m ới để đem đến những t ác dụngnhư: thứ nhất là t dác ụng lên các thông s mô h ố ình tuyền tính, thứ hai là loại b ỏ nhiễutrong hệ ốngth .
Thiết k m ế ột chiến ược l i đ ều khiển ốt t phải ắt b nguồn ừ t những kiến thức c b v ơ ản ềhoạt động ủa ệ ống c h th c íơ kh , hệ thống n có ày thể một phần được mô t vả ới c mô h ác ình tuyến t ính ho phi tuy và mặc ến ột ph không ần thể mô h á ình ho được. Trong nhiều ứng ụn d g, một mô h ình tuyến t s ôính ẽ kh ng có độ tin cậy cao khi mô t m ả ột hoạt động ổng t c h thể ủa ệ thống, v thì ế động l h ực ọcphi tuyến ẽ ất s r ngắn ọn g và hiệuquả.
Như vậy h thệ ốngAFH đãđược nhiềugiáo sư, các à k nh ỹ thuật c c ủa ác trường h n đại ọc ổi tiếng quan t m, â đ ềui n ày chứng ỏ ệ t h thống n có ày khả năng ph t triá ểntrong tương lai.
1.4.2. Kết quả thu được
V ớinhững nghi n cê ứu ước đầ b u về AFH của c t ác ác giả, những ết k quả thu được là h s ết ức khảquan và có t t m s i thể óm ắt ở ột ố đ ểm chính sau:
v t s s c s c
Khi hệ thốnghoạt động ới ần ố thấp, bước óng ủa óng áp suất ủa chất lỏng ươ t ng ứng ới v chiều d oài đ ạn ống trong hệ thống. Chất lỏng có thể xem như một khối êli n kết. Với t s ần ố cao, chiều d cài ủa o đ ạn ống được so sánh v bới ước sóng c sủa óng áp su ất, sóng ti u chu ê ẩn được ạo t ra.
ê t lý i v h n là r t Việcnghi n cứu đặc ính thuyết đố ới ệthống ày ấtphức ạp, ta phải s dử ụngnhiềuđịnh luật vật lý cũng như các kiếnthứcto hán ọc. V thì ế để việc nghiên cứu được toàn diện nên sử dụng c í ác th nghiệm thực nghiệm đối với h ệ thống AFH.
t l c h y v t
Đặc ính àm việc ủa ệ thống AFH phụ thuộc chủ ếu ào ính chất c t ủa ải trọng ại đầu t Có l ra. thể àm thực nghiệm ới v c ác loại ải t trọng khác nhau như: Tải trọng c ố định, tải trọng lò xo hoặc tải trọng là b t . ình ích áp
V ớiquan niệmcho rằng, nếu ử ụng ệ s d h thống dao động trong thuỷ ực l s gâẽ y ra những ư ại h h cho hệ thống như ự s va đập hay hiện ượng ộng t c hưởng ần ố t s . Tuy nhiên đối ới ệ v h thống AFH thì v nàấn đề y sẽ được khắc phục vì nguồn năng lượng chất ỏng l là giới h và ạn chất ỏng l dao động quanh m v í câột ị tr n bằng. M ìnhô h đơn giản ủa ệ c h thốngAFH được thể hiệntrong h ình (1.6) dưới đây:
V k c êới ết ấu tr n, tr n ê ođ ạn ống được ắp l hai piston b n tráiê và bên phải. Bên trong đ ạn ống được đ ền đầyo i chất ỏng l . Nguồn dao động được ắp ở l piston đầu v bêào n trái, nó s l ẽ àm cho piston này chuyển độngqua lại. Khi đó dòng chất ỏng l trong đ ạn ống ũng ẽo c s chuyển động qua lại ạo t ra sự biến thiên ápsuấttrong đ ạn ốngo . Sự biến êthi n này s ẽ truyềndao động đến piston đầu ra b n ph và làm cho piston này cê ải ũng chuy ển động qua l . Ta có ại thể g h ọi ệ thống đơn giản n là m ày ột pha đơn của ệ h thống AFH. Để ạo t ra sự liên tục cho qu ình truyá tr ền công suất, có thể ta phải ạo t ra nhiều pha khác
Hình 1.6: Cấu trúc c b c H ơ ản ủaAF
nhau hoạt động trong một chu kỳ quay. Tức là có tthể ạo ra hai đĩa nghi ng ê đồng dạng, sau lđó ắp các pha l n hai ê đĩa nghi ng ê đó theo các óc t l g đặ ệch pha đều nhau tr n mê ặt phẳng đĩa để t ạo thành h ệ thống AFH ba pha hoặc nhiều hơn thế.
1.5. Cấu trúc của hệ thống AFH.
T ừnhững êmi u tảtrong phần1.4, ta c thó ể đưa ra được ấu c trúc c c ủa ác phần t và ử nguyên lý l àm việc của chúng. Về ơ c bản h thệ ống AFH c thó ể hoạt động được bao gồm bao gồm ba bộ phận chính: Máy phát thuỷ ực l xoay chiều G1, bộ truyền T1 và t ải trọng M1. Mô h n ình ày được thể hiện êtr n hình (1.7)
1.5.1. Máy phát òng dao d động
d d d t
Trong hệ thốngAFH, máy phát òng ao động được ùngđể ạora dao động. Dao động n có ày thể được tạo ra bằng việc chuyển dòng thuỷ lực m ột chiều thông qua van một chiều hoặc thiết b ịph m át ộtchiều.
• Biến t dđổi ừ òng thuỷ ực ột l m chiềusang dòng thuỷ ực l dao động
Có nhiều phương pháp khác nhau để chuyển đổi từ dòng m ột chiềusang dòng dao động, các phương pháp này có thể tiến hành kiểm tra bằng các thực nghiệm đơn giản. Trong tất cả các phương pháp, có một phương pháp là sử dụng van thuỷ lực để tạo ra dòng dao động. Những loại van có s dthể ử ụng được cho việc thử nghi làệm : van ph n phâ ối tác động bằng cam, van phân phối servo iđ ều khiển điện thuỷ lực hoặc các van xoay được thiết kế đặc biệt.
Hình 1.7: Hệ thống truyềnđộng AFH đơn giản