Chương 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
5.2. Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm
Hệ thống thiết bị thí nghiệm và chương trình điều khiển được xây dựng theo các yêu cầu sau:
+ Phần truyền lực (bánh đai, dây đai) đảm bảo truyền công suất, mô men và tốc độ quay phù hợp với các thông số kỹ thuật của máy kéo công suất nhỏ;
+ Phần truyền động và điều khiển thủy lực (điều khiển thay đổi tỷ số truyền) đảm bảo đáp ứng kịp thời, ổn định với các tác động tải trọng thay đổi;
+ Hệ thống cảm biến, bộ phận tiếp nhận, xử lý dữ liệu nhanh, chính xác và
phản ánh trung thực các trạng thái thay đổi trong quá trình thí nghiệm;
+ Các chi tiết của thiết bị thí nghiệm đƣợc chế tạo chính xác, có độ bền, độ tin cậy đáp ứng đƣợc các yêu cầu thực nghiệm, phù hợp với điều kiện sản xuất chế tạo trong nước với chi phí chế tạo hợp lý.
Trên cơ sở các yêu cầu đặt ra, thiết bị thí nghiệm đƣợc thiết kế có sơ đồ nhƣ hình 5.1.
Hình 5.1. Sơ đồ kết nối các phần tử của thiết bị thí nghiệm
5.2.2. Tính toán, thiết kế các phần tử thiết bị thí nghiệm 5.2.2.1. Động cơ sử dụng cho thí nghiệm
Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển bộ truyền động vô cấp, công suất nguồn động lực (động cơ) không là đối tƣợng phải quan tâm lớn và không ảnh hưởng tới mục tiêu của thí nghiệm. Như đã phân tích, máy kéo nhỏ sử dụng trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam thường có công suất 8,8 – 17,6 kW (12 - 24 mã lực). Trong thí nghiệm sử dụng động cơ diesel một xi lanh có công suất 9,6kW (12 mã lực), tốc độ quay 2200v/ph, làm mát bằng nước (hình 5.2).
CB-1: Cảm biến ga CB-2: cảm biến tốc độ động cơ
CB-3: Cảm biến tốc độ trục thứ cấp CVT
CB-4: Cảm biến tải trọng ĐỘNG CƠ
TẢI
CB-2
CB-3 CB-4
CB-1
LABVIEW
MÁY TÍNH
CARD KẾT NỐI
XI LANH
VAN 3/3
TĐ ĐAI VÔ CẤP NGUỒN ÁP SUẤT
Hình 5.2. Động cơ dùng thí nghiệm Nguồn: VEAM, 2013
5.2.2.2. Bộ truyền động đai vô cấp
* Tính toán bộ truyền động
Với mục đích tính toán truyền động đai cho máy kéo nhỏ, Nguyễn Công Thuật (2012) đã tính toán bộ truyền vô cấp đai thang có công suất cực đại 13,5kW với các thông số cơ bản sau:
+ Đường kính lớn nhất của bánh đai chủ động: D1 = 346mm;
+ Đường kính lớn nhất của bánh đai bị động: D2 = 346mm;
+ Đường kính trục lớn nhất: d1 = d2= dmax= 42 mm;
+ Kích thước rộng và cao của đai thang: 52 x 15mm;
+ Chiều dài dây đai: l = 1800 mm;
+ Khoảng cách trục của bộ truyền e = 513,75mm;
+ Lực ép lớn nhất trên bánh đai chủ động: Fmax = 1050,7 Nm;
+ Lực ép ban đầu của lò xo trên bánh đai bị động: Flx0 = 349,2 Nm.
* Thiết kế bánh đai CVT
Bộ truyền động vô cấp đai thang có hai bánh đai: chủ động và bị động.
Bánh đai chủ động nhận mô men động cơ qua trục chủ động, truyền động qua dây đai tới bánh đai bị động. Để thay đổi đƣợc tỷ số truyền trong quá trình truyền động, cấu tạo bánh đai gồm hai đĩa côn, một cố định với trục, đĩa kia di chuyển trên trục nhờ mối ghép then hoa. Trong quá trình làm việc, bánh đai chịu lực ép nên cần có độ cứng vững cao và hệ số ma sát lớn để truyền mô men. Vật liệu chế
tạo có thể dùng gang xám, thép, hợp kim nhôm… Chọn hợp kim nhôm 5086 là loại có độ cứng, độ bền khá cao, chịu đƣợc va đập, trọng lƣợng riêng nhẹ và đặc biệt có tính đúc tốt thuận lợi cho gia công cơ khí. Cấu tạo các đĩa của bánh đai thể hiện trên hình 5.3.
Hình 5.3. Bánh đai CVT
* Thiết kế trục CVT
Trục của CVT có nhiệm vụ truyền mô men, chịu mô men xoắn và lực uốn do do lực căng đai. Bề mặt then hoa của trục cứng, khả năng chống mài mòn tốt. Vật liệu chế tạo trục sử dụng thép C40 có chất lƣợng tốt, thành phần hóa học: 0,38- 0,45% Cacbon; lượng Silic và lưu huỳnh < 4%. Trục được chế tạo với độ chính xác cao, đặc biệt là mối ghép then hoa với đĩa di động của bánh đai (hình 5.4, 5.5).
2 0 0 1 5 5 1 8 0 1 8 3
ỉ140 ỉ50k6
2 ,5 2 ,5
ỉ45
Hình 5.4. Trục chủ động CVT
2 ,5
ỉ80H7
2 ,5
ỉ350
ỉ120
ỉ55
ỉ4 4
8 4 0
2 ,5
ỉ45H7 ỉ60
4 0 8
2 ,5
500
30 38 150
27 18 200
M36x2
M34x2 M60x3
ỉ50k6
ỉ50k6
ỉ42k6 ỉ45k6
2,5 2,5
2,5 2,5 2,5
ỉ55
Hình 5.5. Trục bị động CVT
Hình 5.6. Bản vẽ lắp
1- Đĩa xích; 2- Vòng bi; 3- Giá cố định trục bị động; 3- Vành chặn; 5- Bánh đà;
6-Trục chủ động 7- Đĩa cố định của bánh đai chủ động; 8- Đĩa di động của bánh đai chủ động; 9- Ống tì; 10- Bi tì (bi T); 11- Dây đai; 12- Đĩa di động của bánh
đai bị động; 13- Đai ốc; 14- Trục bị động; 15- Lò xo; 16- Đai ốc.
Trên hình 5.6 là bản vẽ lắp của CVT. Trong đó: các đĩa cố định đƣợc lắp với trục nhờ mối ghép then; các đĩa di động trƣợt trên trục nhờ mối ghép then hoa; Lực ép bánh đai chủ động tác động qua ống tì (9) và bi T(10); lực ép lò xo vào đĩa di động bánh đai bị động đƣợc điều chỉnh nhờ đai ốc 16.
1 2
4 3 5
7 8
9
10 11 12 13
14 15
16
6
* Tính chọn dây đai CVT
Với công suất lớn nhất cần truyền của bộ truyền đai vô cấp là công suất cực đại của động cơ, sử dụng dây 3426V723 của hãng Bando- Nhật bản (hình 5.7).
34- Bề rộng đai: 34/16 (inch) = 52,09mm;
26- Độ nghiêng của dây đai: 260;
723- Chiều dài dây đai: 72,3 inch = 1800mm.
Hình 5.7. Dây đai CVT (BANDO) 5.2.3. Hoàn thiện thiết bị thí nghiệm
Trên cơ sở tính toán thiết kế và lựa chọn, các phần tử của hệ thống thí nghiệm được chế tạo và lắp ráp tại xưởng thực hành của Trường Đại học Công nghiệp Việt – Hung (hình 5.8)
Hình 5.8. Thiết bị thí nghiệm 5.3. Tổ chức thí nghiệm
Trong thí nghiệm, đối tƣợng nghiên cứu là tính chất truyền động của bộ truyền đai vô cấp và tính chất điều khiển - điều chỉnh của bộ điều khiển tỷ số truyền bằng thủy lực sử dụng van đóng ngắt 3/3.
Ở chế độ canh tác động cơ thường làm việc với mức ga cố định, tải trọng chủ yếu của động cơ là mô men cản của máy canh tác. Do đó, thông số vào chính để điều khiển tự động tỷ số truyền của bộ truyền động đai vô cấp là mô men cản của máy canh tác.
Trong khuôn khổ của thí nghiệm chỉ xem xét đánh giá tính chất truyền động và điều khiển của bộ truyền động vô cấp ứng với chế độ canh tác, nghĩa là thay đổi tải trọng động cơ và giữ nguyên vị trí tay thước nhiên liệu. Thí nghiệm thực hiện khảo sát tính chất truyền động và điều khiển của hệ thống theo các phương án:
+ Điều khiển tỷ số truyền bằng tay;
+ Điều khiển tỷ số truyền tự động;
+ Thí nghiệm đối chứng với mô phỏng lý thuyết;
Hình 5.9. Tổ chức thí nghiệm
5.3.1. Thí nghiệm hệ thống điều khiển tỷ số truyền vô cấp bằng tay
* Mục đích của thí nghiệm: Thí nghiệm điều khiển bằng tay nhằm đánh giá khả năng hoạt động điều khiển tỷ số truyền CVT của hệ thống thủy lực, độ ổn định của thiết bị thí nghiệm và làm cơ sở cho đánh giá các phương án thí nghiệm điều khiển tiếp theo.
* Phương án thí nghiệm: Giữ cố định tải trọng và vị trí tay thước nhiên liệu (mức ga không đổi), tiến hành cấp điện dạng xung cho van đóng ngắt 3/3 để thực
hiện hành trình cấp dầu (giảm tỷ số truyền CVT) và xả dầu từ xi lanh về thùng (tăng tỷ số truyền CVT), tiến hành thí nghiệm với các vị trí của van tiết lưu trong hệ thống điều khiển thủy lực ứng với các giá trị tải khác nhau nhằm đánh giá độ nhạy và khả năng điều khiển của hệ thống điều khiển.
* Kết quả thí nghiệm: Các thống số của hệ thống trong quá trình thí nghiệm nhƣ:
tỷ số truyền, tốc độ góc hai trục của CVT và tải trọng được biểu diễn dưới dạng đồ thị theo thời gian. Kết quả này đƣợc thể hiện trên hình 5.10, 5.11 và trên phụ lục .
Hình 5.10. Kết quả thí nghiệm giảm tỷ số truyền
Hình 5.11. Kết quả thí nghiệm tăng tỷ số truyền
1- Xung điện điều khiển van đóng ngắt 3/3; 2- Tỷ số truyền của CVT;
3,4 - Tốc độ quay trục sơ cấp và trục thứ cấp CVT(vòng/phút).
Nhận xét: Trong các phương án thí nghiệm, các thông số thu nhận được phản ánh đúng quy luật điều khiển. Thời gian tăng tỷ số truyền từ 1,2 lên 1,8 hết 0,55 giây, thời gian giảm tỷ số truyền từ 1,8 xuống 1,2 hết 0,75 giây. Cùng một
1 2
3
4 1
2
3
4
dải thay đổi tỷ số truyền của CVT, hành trình giảm tỷ số truyền - tức là hành trình tác động của hệ thống điều khiển thủy lực- lớn hơn hành trình tăng tỷ số truyền- hành trình tác động trả về nhờ lực lò xo.
Sự chênh lệch thời gian điều khiển tăng và giảm tỷ số truyền thay đổi khi thay đổi vị trí van tiết lưu trong hệ thống thủy lực điều khiển , nghĩa là thay đổi lưu lượng dầu vào xi lanh. Tuy nhiên lưu lượng lớn thì quá trình điều khiển bị dao động và không ổn định, giá trị lưu lượng (tốc độ thay đổi tỷ số truyền) phù hợp phụ thuộc rất lớn vào kết cấu hệ thống điều khiển thủy lực.
5.3.2. Thí nghiệm điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp
Mục đích của thí nghiệm: Nhằm đánh giá khả năng điều khiển tự động tỷ số truyền CVT của hệ thống điều khiển khi tải trọng ngoài thay đổi.
Hình 5.12. Kết quả thí nghiệm điều khiển tự động tỷ số truyền vô cấp 1- Mô men cản(*4Nm); 2- Tỷ số truyền của CVT;
3,4 - Tốc độ quay trục sơ cấp và trục thứ cấp CVT(vòng/phút).
1
2
3
4
Phương án thí nghiệm: Giữ cố định vị trí tay thước nhiên liệu (mức ga không đổi), tiến hành thay đổi tải trọng bằng cách thay đổi vị trí van tiết lưu và đóng ngắt van điện từ 2/2 trong hệ thống tạo tải. Giá trị mô men cản thông qua sự thay đổi của áp suất chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ cảm biến là thông số vào cơ bản cho bộ điều khiển.
Kết quả thí nghiệm: Kết quả thí nghiệm là các thông số động học của bộ truyền thể hiện mối quan hệ giữa tỷ số truyền CVT, tốc độ quay hai trục của CVT theo thời gian khi tải trọng ngoài thay đổi. Kết quả này đƣợc thể hiện trên hình 5.12 và trên phụ lục.
Nhận xét: Khi thực hiện các phương án thay đổi tải trọng, hệ thống đã tự động điều khiển đƣợc tỷ số truyền của CVT linh hoạt theo yêu cầu của bài toán.
Sự đáp ứng của hệ thống khi tải trọng tăng tốt hơn khi tải trọng giảm, độ trễ điều khiển khi tăng tải 0.12 giây, khi giảm tải hết 0,4 giây. Điều này đƣợc giải thích hệ thống thủy lực trong thí nghiệm không sử dụng phương án ổn định áp suất, nên khi không tác động áp suất hệ thống giảm bằng không, khi tác động điều khiển thí áp suất phải tăng từ không lên áp suất đủ lớn để ép đĩa di động của bánh đai. Đây là nguyên nhân cơ bản làm trễ tác động của hệ thống điều khiển.
5.3.3. Thí nghiệm đối chứng đánh giá độ tin cậy của mô hình mô phỏng
Để kiểm chứng kết mức độ chính xác giữa kết quả mô phỏng và thí nghiệm, kết quả thí nghiệm đƣợc so sánh với kết quả mô phỏng trên cùng đồ thị với các điều kiện thông số vào của quá trình điều khiển là tải trọng và mức ga đƣợc thực hiện nhƣ nhau giữa mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng.
Sự giống nhau của kết quả thu đƣợc giữa thí nghiệm và mô phỏng đánh giá độ tin cậy trong mô phỏng và thực nghiệm. Thông số vào của thí nghiệm là tải trọng và thông số ra là tỷ số truyền và tốc độ góc của CVT. Mục tiêu so sánh sự khác biệt trong quá trình điều khiển và độ trễ điều khiển của mô hình thực tế và mô hình mô phỏng. Thí nghiệm đối chứng thực hiện hai phương án tăng và giảm tải trọng, kết quả đƣợc thể hiện trên hình 5.13 và 5.14.
Hình 5.13. Kết quả đối chứng với phương án tăng tải
Hình 5.14. Kết quả đối chứng với phương án giảm tải
Nhận xét: kết quả thực nghiệm cho thấy tính chất truyền động và điều khiển phản ánh đúng dạng với kết quả mô phỏng. Thời gian thay đổi tỷ số truyền trong thực nghiệm lớn hơn trong mô phỏng (thể hiện rõ khi giảm tỷ số truyền).
Thời gian trễ trong thí nghiệm cũng lớn hơn trong mô phỏng (trong mô phỏng thời gian trễ trong cả hai phương án là 0,06 giây, trong thực nghiệm: phương án
iCVT 3 2 1
Nm 45 30 15 Rad/s 200 100 iCVT
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0(s) Kết quả mô phỏng
Kết quả thực nghiệm iCVT MC
ω1 ω2
iCVT 3 2 1
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0(s) Nm 45 30 15 Rad/s 200 100 Kết quả mô phỏng
Kết quả thực nghiệm
iCVT MC
ω1 ω2
tăng tải là 0,1 giây; phương án giảm tải là 0,37 giây). Cùng khoảng thay đổi tỷ số truyền (i=0,5), quá trình điều khiển tính từ khi tải trọng tăng (có tín hiệu điều khiển) đến khi kết thúc điều khiển, trong thực nghiệm khi tăng tải hết 0,5 giây và phù hợp với kết quả mô phỏng, nhƣng khi giảm tải hết 1,1 giây trong khi kết quả mô phỏng là 0,2 giây. Sở dĩ có hiện tƣợng nhƣ vậy vì trong mô phỏng sử dụng nguồn áp suất không đổi, trong thí nghiệm là hệ thống lưu lượng không đổi. Áp suất trong hệ thống khi chuyển mạch sẽ thay đổi từ giá trị áp suất làm việc đến giá trị áp suất không tải và ngƣợc lại. Việc thiết lập một hệ thống thủy lực thí nghiệm với nguồn áp suất không đổi là hoàn toàn có thể, tuy nhiên sẽ làm tăng chi phí thiết bị. Ngoài ra hệ thống áp suất không đổi là điều khiện bắt buộc chỉ khi sử dụng van tùy động để điều khiển vị trí, khi sử dụng van đóng ngắt để điều khiển tỷ số truyền CVT thì có thể chấp nhận một số tính chất không hoàn hảo trong tương quan với chi phí đầu tư thiết bị.
Kết luận chương 5
+ Sử dụng hệ thống tạo tải bằng thủy lực có thể thực hiện nhiều phương án thay đổi tải trọng sát với sự thay đổi tải của MNN và đáp ứng tốt mục tiêu thí nghiệm với những ƣu điểm: kết cấu đơn giản, tạo tải đa dạng, đo và chuyển đổi tín hiệu mô men cản thuận lợi, khả năng tạo tải tự động cao.
+ Thời gian trễ và thời gian tăng, giảm tỷ số truyền của hệ thống điều khiển là khá lớn và không bằng nhau, phụ thuộc nhiều vào kết cấu, lưu lượng, áp suất của hệ thống thủy lực điều khiển.
+ Kết quả thí nghiệm tự động điều khiển tốt tỷ số truyền CVT theo tải trọng phản ánh đúng dạng với kết quả mô phỏng lý thuyết, điều này minh chứng cho tính đúng đắn của nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
+ Hệ thống thủy lực với van đóng ngắt điện từ 3/3 có thể điều khiển tự động tỷ số truyền của CVT. Trong LHM không đòi hỏi quá khắt khe về tính chất điều khiển và điều chỉnh nhƣ máy kéo nông nghiệp việc sử dụng hệ thống này để điều khiển tự động tỷ số truyền truyền động đai vô cấp máy kéo nông nghiệp là phương án khả thi, cải thiện các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ