Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN làm cơ sở cho nghiên cứu tính toán và thực nghiệm về ảnh hưởng của môi
Trang 1NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH MA SÁT CỦA XYLANH – PISTON KHÍ NÉN TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ẨM VIỆT NAM
RESEARCHING AND BUILDING AN EXPERIMENT SYSTEM TO INVESTIGATE FRICTION CHARACTERISTICS OF PNEUMATIC CYLINDER IN CONDITION OF
TEMPERATURE AND HUMIDITY IN VIETNAM
Nguyễn Thùy Dương1, Phạm Văn Hùng2
1,2 Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà nội
1duong.nguyenthuy@hust.edu.vn; 2hung.phamvan@hust.edu.vn
TÓM TẮT
Xylanh – piston khí nén (XLPTKN) là môđun động lực chuyển động thẳng được sử dụng nhiều trong các cơ cấu, cụm cơ cấu và máy Đặc biệt trong các hệ thống máy, thiết bị công nghiệp làm việc tự động với cấu hình là bộ phận động lực của hệ thống thiết bị cơ điện
tử hiện đại Việc điều khiển thay đổi áp suất và lưu lượng khí v.v cho phép thay đổi lực tác dụng, vận tốc, gia tốc cũng như vị trí của XLPTKN Máy công cụ CNC là thiết bị cơ điện tử hiện đại, trong đó hệ thống thay dao và cụm trục chính có tích hợp XLPTKN, do đó độ chính xác vị trí dịch chuyển của XLPTKN sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng tâm của gá dao với trục chính Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN làm cơ sở cho nghiên cứu tính toán và thực nghiệm về ảnh hưởng của môi trường nhiệt ẩm Việt Nam đến đặc tính của ma sát trong XLPTKN trong các mô hình tính toán về độ chính xác dịch chuyển của ổ chứa dao
Từ khóa: xylanh – piston khí nén, ma sát trong XLPTKN, đặc tính ma sát, khí hậu nhiệt đới ẩm, ảnh hưởng nhiệt ẩm đến ma sát
ABSTRACT
Pneumatic Cylinders (XLPTKN) is linear motion driving module which is common used in machines; especially in industrial automatic systems, with the role as driving module
of these systems Changing pressure and gas flow, etc lets change the force, speed, acceleration and position of XLPTKN CNC machine tools are modern mechatronic systems, where automatic tool change and spindle are integrated with XLPTKN, therefore piston position accuracy in moving process will directly affect the concentricity between cutting tool and spindle This paper presents the result of building XLPTKN friction characteristics measuring system, which is basis for calculating and experimentation on the effect of temperature and humidity environment Vietnam to friction characteristic of XLPTKN, a very important factor in calculations model of position accuracy of tool magazine
Keywords: pneumatic cylinder, friction in pneumatic cylinder, friction characteristics,
tropical humidity climate, affects of temperature and humidity to friction
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp nói chung và chế tạo máy công cụ CNC nói riêng, việc tích hợp XLPTKN trong hệ thống động lực chuyển động thẳng là rất phổ biến Tuy nhiên, độ chính xác vị trí của cơ cấu có tích hợp XLPTKN trong các hệ thống nói trên có những hạn chế nhất định Một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến độ chính xác vị trí của XLPTKN là đặc tính ma sát của nó, nhất là hiện tượng trượt bước nhảy thường xảy ra ở tốc độ dịch chuyển nhỏ
Trang 2Hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN đã được phòng thí nghiệm ma sát học - Viện Cơ khí ĐHBKHN triển khai nghiên cứu xây dựng Kết quả khảo sát đặc tính
ma sát nhận được trên các thiết bị này sẽ giúp cho việc tính toán mô phỏng độ chính xác vị trí dịch chuyển của XLPTKN gần với thực tế vận hành hơn Hiện nay, việc tính toán sai lệch dịch chuyển của XLPTKN chủ yếu thực hiện thông qua các tính toán mô phỏng trên các phần mềm chuyên dụng, trong đó đặc tính của ma sát trong XLPTKN được đưa vào với hệ số ma sát hoặc lực ma sát có giá trị không đổi trong suốt chu kỳ làm việc của nó Do đó, để có được các tính toán mô phỏng chính xác hơn, thực tiễn hơn cần có kết quả khảo sát đặc tính ma sát phụ thuộc vào dịch chuyển của XLPTKN trong các điều kiện môi trường khác nhau Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện tốc độ dịch chuyển, áp suất và môi trường thay đổi
2 NÔI DUNG
2.1 Một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính ma sát trong XLPTKN
Các cặp ma sát nói chung và XLPTKN nói riêng khi làm việc trong điều kiện môi trường khí hậu Việt nam chịu tác động của một số yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính ma sát như sau[1]:
(1) Trong đó:
p: áp suất
v: tốc độ dịch chuyển
: vectơ thông số ma sát phụ thuộc vào tính chất vật liệu, tính chất tiếp xúc, chất lượng
bề mặt, yếu tố khí quyển (nhiệt độ t, độ ẩm RH%), rung động…
Trong các yếu tố trên có những yếu tố không thay đổi trong quá trình vận hành như: Tính chất ma sát tiếp xúc phụ thuộc vào bản chất vật liệu, chất lượng bề mặt…Vì vậy, đặc tính ma sát của XLPTKN trên thực tiễn sẽ phụ thuộc chủ yếu vào áp suất danh nghĩa p, tốc độ dịch chuyển, điều kiện môi trường, bôi trơn …
Trong thực tế, chế tạo và sử dụng các yếu tố ảnh hưởng thay đổi nói trên có tính ngẫu nhiên và có ảnh hưởng rất khác nhau đến đặc tính ma sát của XLPTKN Do đó, cần thiết phải
có hệ thống thiết bị thí nghiệm đặc thù để khảo sát được đặc tính ma sát của XLPTKN khi các yếu tố p, v, môi trường thay đổi
2.2 Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống thiết bị thực nghiệm
2.2.1 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị thực nghiệm
Trong quá trình làm việc XLPTKN chịu tác dụng của lực dọc trục và lực quán tính Trong thành phần của lực dọc trục có lực ma sát Lực ma sát cản trở chuyển động của XLPTKN xuất hiện chủ yếu trong kết cấu gioăng của cần – xylanh, gioăng piston – xylanh như trên hình 1
Hình 1 Cấu tạo của xy lanh –piston khí nén
Trang 3Căn cứ theo sơ đồ nguyên lý cấu tạo của XLPTKN như trên hình 1, đề xuất sơ đồ động
và nguyên lý của hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính của XLPTKN được thể hiện trên hình 2 Trong sơ đồ này, cụm XLPTKN là đối tượng khảo sát được thiết kế, lắp đặt hoàn toàn trong môi trường có thể thay đổi được nhiệt ẩm, nguồn động lực cấp cho chuyển động thẳng được đặt bên ngoài môi trường nhiệt ẩm để tránh hư hỏng khi độ ẩm thay đổi và có giá trị cao
Tủ nhiệt ẩm sử dụng: Thiết bị BKNA1 tại phòng thí nghiệm ma sát học – Viện cơ khí – Trường đại học Bách khoa Hà nội với các thông số kỹ thuật như sau:
Dải độ ẩm RH (%): 40 - 99% ± 2%
Dải nhiệt độ : 10 – 550C ±10C
Dung tích: 400 x 500 x 600 mm
Để đảm bảo điều kiện làm việc của XLPTKN chỉ chịu lực dọc trục, bố trí 2 đường dẫn hướng song song trục của piston và liên kết cứng với xylanh Trong thiết bị này xylanh chuyển động tịnh tiến, piston được gắn cố định với hệ thống đo dẫn động cho xylanh chuyển động tịnh tiến bằng động cơ servo điện thông qua cụm truyền động vít me - đai ốc bi Cảm biến đo lực ma sát CB1 và thước đo dịch chuyển thẳng CB2 được gá ngoài môi trường nhiệt
ẩm như trên sơ đồ nguyên lý 2 Toàn bộ hệ thống điều khiển và cảm biến được kết nối với máy tính trên mền phần mềm chuyên dụng Dasylab 11.0
Tốc độ dịch chuyển của XLPTKN được điều khiển từ máy tính thông qua bộ điều khiển động cơ servo (servo drive) Máy tính cũng tiếp nhận giá trị lực ma sát và lượng dịch chuyển của xylanh từ các cảm biến CB1 và CB2 thông qua các thiết bị thu nhận và xử lý số liệu (ADC) Với phần mềm chuyên dụng Dasylab 11.0 cho phép hiển thị mối quan hệ giữa lực ma sát – hành trình dịch chuyển ở tốc độ khảo sát; giá trị lực ma sát tĩnh Fmst, giá trị lực ma sát động Fmsđ cùng với thời gian đạt được
CB 2
CB 1
Servo Drive
bkna1
CB 3 CB 4
Servo
motor
Computer ADC
Hình 2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính của XLPTKN
CB1- Cảm biến lực, CB2- Thước đo dịch chuyển thẳng
CB3- Cảm biến hành trình bên trái, CB4 – Cảm biến hành trình bên phải
Việc xây dựng sơ đồ thiết bị như trên hình 2 có tham khảo sơ đồ nguyên lý của tác giả [4,5,6] cho phép dễ dàng thay đổi và ổn định tốc độ dịch chuyển của XLKN thông qua mạch điều khiển động cơ điện servo Đây là điểm khác biệt so với hệ thống thiết bị của tác giả [4,5,6] đã đề xuất
Việc bố trí hệ thống cảm biến lực, thước đo dịch chuyển thẳng và các CB hành trình hoàn toàn bên ngoài môi trường nhiệt ẩm cho phép xác định chính xác được quan hệ lực ma
Trang 4sát – dịch chuyển ở các tốc độ và các môi trường nhiệt ẩm khác nhau nhưng vẫn đảm bảo được tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống đo
2.2.2 Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản của hệ thống thiết bị thực nghiệm
Mục đích chính của thực nghiệm là khảo sát đặc tính ma sát XLPTKN được sử dụng trong các thiết bị cơ điện tử nói chung và hệ thống thay dao tự động của máy CNC cỡ trung nói riêng, do đó nhóm đối tượng nghiên cứu là XLPTKN 1 đầu cần có đường kính piston lớn nhất đến D = 50mm, đường kính cần d=20mm, hành trình làm việc đến 100mm, tuân theo ISO 9001- 2008, tốc độ dịch chuyển lớn nhất vmax = 200mm/s
Hệ thống cơ khí thiết bị thực nghiệm
Hệ thống dẫn động XLKN: Sử dụng cụm truyền động vít me đai ốc bi được tính toán
lựa chọn theo lực tác dụng Fa, tốc độ dịch chuyển Vmax, chế độ tải f w, kiểu lắp f:
- Với hệ số hiệu dụng của XLPTKN là 0,7 xác định được lực Fa = 824N;
- Bước vít me tp=5mm;
- Tải trọng động của vít me được tính theo công thức sau [3]:
60 m t a w 10
Ca N L F f (2) Trong đó:
Nm: số vòng quay lớn nhất của động cơ, Nm = 3000vg/phút
Lt: Tuổi thọ làm việc của vít me đai ốc bi, L= 25000h
fw : Hệ số tải trọng, trường hợp này thiết bị thí nghiệm chế độ làm việc nhẹ, chọn f w = 1.0
Do đó Ca=1360,4 kgf
- Đường kính của trục vít me được tính theo công thức [3]
2 7 max
10
dr
f
(3) Trong đó:
f: Hệ số phụ thuộc kiểu lắp đặt ổ đỡ trên trục vít me với kiểu lắp đặt của hệ thống thiết
bị thực nghiệm lắp kiểu cố định – tự do, f = 3,4
L: Tổng chiều dài của vitme, L = 350 mm
Thay vào công thức (3) tính được dr ≥ 10,8 mm
Trên cơ sở bước vít me, đường kính tính toán sơ bộ, tải trọng động Ca, chọn vít me kí hiệu SPU2005 của hãng TBI có d = 20mm, l = 5mm, Ca =1551(kgf)
Động cơ dẫn động
Công suất động cơ tính theo công thức:
(4) Trong đó:
Ne: công suất động cơ
Mx : Mô men xoắn trên động cơ (Nm),
2
a x
F l M
Trang 5: Hiệu suất truyền động, = 0,9
l: Bước vít me, l =5 bước vít
Trong điều kiện thiết bị thí nghiệm chọn động cơ servo lai (Hybrid servo motor) 86HS40-EC- 1000 với thông số: Mô men xoắn T = 4Nm, Nmax = 3000 vg/phút
Hệ thống đường dẫn hướng
XLKN được gắn lên bàn máy dẫn hướng có 2 đường dẫn hướng ma sát lăn Khối lượng tổng cộng tác dụng lên đường dẫn hướng: W = 15(kg) Tốc độ dịch chuyển của hệ thống trong mỗi thí nghiệm không đổi và có Vmax = 200mm/s Lực tác dụng lên mỗi block của ray trượt được tính: Pi(i=1~4)= 150/4 = 36,75N
Tải trọng tĩnh tác dụng lên mỗi block tính theo công thức
Trong đó: fSL = 1-3 là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn, lấy fSL =3
Do đó : Co = 110,25N
Tải đặt lên Block ray dẫn hướng là tải trọng nhẹ nhưng làm việc trong môi trường nhiệt
ẩm và là máy thí nghiệm nên chọn loại block và thanh ray là TRS – 15VN của hãng TBI với các thông số như sau: C = 1206 (kgf), C0 = 2206 (kgf)
Hệ thống đo của thiết bị thực nghiệm
Hệ thống quan trọng nhất của thiết bị là hệ thống đo có nhiệm vụ đo lực ma sát biến đổi theo dịch chuyển gồm 2 thành phần chính là cảm biến đo lực và thước đo dịch chuyển thẳng được kết nối với máy tính thông qua các mạch ghép nối
Cảm biến đo lực: LOADCELL GSL- 301A, tải trọng 100 kg, độ chính xác 0,02%FS Thước đo thẳng: DTH –A, độ chính xác ± 0,1% RO, 100mmcủa hãng Kyowa
Tín hiệu thu được từ cảm biến lực và thước đo dịch chuyển thẳng được xử lý và chuyển đổi từ tín hiệu điện áp sang tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi USB 1608 – FS rồi truyền vào máy tính Sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống đo được thể hiện trên hình 3
Hình 3 Sơ đồ kết nối phần cứng của hệ thống đo
Phần mềm xử lý số liệu
Thiết bị sử dụng phần mềm xử lý số liệu tự động Dasylab 11.0 là phần mềm đo chuyên dụng cho phép ghi số liệu, đọc lại dữ liệu và xuất file dữ liệu Giá trị của cảm biến lực và thước đo thẳng sau khi được gia công và chuyển đổi tín hiệu từ tín hiệu điện áp sang tín hiệu
số được đưa về máy tính với chương trình đo lực ma sát theo dịch chuyển được xây dựng trên phần mềm Dasylab 11.0
Chương trình đo và ghi dữ liệu được xây dựng dựa trên các modun của phần mềm như hình 4 Mỗi lần đo sẽ được lưu 1 file dữ liệu có định dạng (.DDF)
0 -5V
In
0
0 -5V
m
V
1
Cảm biến lực
Thước đo
dịch chuyển
Mạch khuyếch đại
Bộ Lọc
Mạch lặp điện áp
Bộ Lọc
USB
1608
-FS
Máy tính
Trang 6Hình 4 Chương trình đo lực ma sát
Trong đó:
- Dev1_Ai0: Các đầu vào (0: Lực; 1: Hành trình)
- Digital Fi00: Lọc nhiễu đầu vào
- Action01: Chuyển chế độ chạy chương trình theo yêu cầu (Full màn hình hoặc chạy bình thường)
-Scaling00: Set 0
- L-Dig: Hiển thị số (điện áp và lực)
- LUC: Lập thang đo lực
- HT: Lập thang đo hành trình
- HT-Dig: Hiển thị số (điện áp và hành trình)
- Dig-luc: Hiển thị số giá trị lực
- Recorder: Hiển thị dạng biểu đồ (lực và HT theo thời gian)
- Dig-HT: Hiển thị số giá trị hành trình
- Write01: Lưu kết quả đo sang file có định dạng (.DDF)
- X/Y chart00: Đồ thị “lực – hành trình”
Chương trình đọc lại dữ liệu như trên hình 5 cho phép chọn, đọc lại các file dữ liệu đo
đã lưu của chương trình đo, mô phỏng lại quá trình đo vừa thực hiện và hiển thị trên màn hình giao diện đồng thời 3 đồ thị: Lực theo thời gian, lực theo hành trình, hành trình theo thời gian
và giá trị Fmst, Fmsđ
Hình 5 Chương trình đọc lại dữ liệu
Trang 73 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hệ thống thiết bị thực nghiệm khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam đã được xây dựng hoàn chỉnh như trên hình 6 Trên hình 6 là hình ảnh tổng quát của hệ thống thiết bị bao gồm các mô đun cơ bản: Hệ thống cơ khí, hệ thống đo, thiết bị nhiệt ẩm, bộ điều khiển và xử lý số liệu
co ntro
l bo x
Hình 6 Thiết bị khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam
Thực nghiệm với XLPTKN có thông số: D = 50mm, d = 20mm, hành trình làm việc đến 150mm, tuân theo ISO 9001- 2008; Với hành trình thí nghiệm L = 80mm, tốc độ dịch chuyển
v = 5 ÷100mm, áp suất buồng XL 1 bar ÷ 6 bar, T = 15÷ 500C, RH = 50 ÷ 99%
Hình 7 Kết quả thực nghiệm được hiển thị trên màn hình giao diện đo
HỆ THỐNG CƠ KHÍ
THIẾT BỊ NHIỆT
ẨM
HỆ THỐNG
ĐO
BỘ ĐK &
XLSL
Trang 8Kết quả thực nghiệm được hiển thị trên màn hình máy tính như trên hình 7 với điều kiện
v = 15mm/s, áp suất khí quyển, T = 32,50C, RH = 50% bao gồm các thông tin như sau:
1- Đồ thị lực theo thời gian
2- Đồ thị hành trình theo thời gian
3- Đồ thị lực theo hành trình
4- Hiện thị giá trị đo tại vị trí mà con trỏ Y1, Y2 trỏ đến
Giá trị Max – là giá trị lực ma sát tĩnh Fmst = 22,2199N
Giá trị RMS – là giá trị lực ma sát động Fmsđ = 15,60 N
Giá trị dt – thời gian dịch chuyển (thời gian dịch chuyển ban đầu tt = 0,064s, thời gian đạt trạng thái ổn định tđ = 0,112s)
Căn cứ vào số liệu thực nghiệm thu được cho thấy hệ thống thiết bị hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu thí nghiệm đề ra Đặc tính ma sát của XLPTKN hoàn toàn tuân theo qui luật biến thiên của ma sát nói chung [1,2]
Kết quả thu được đã thể hiện rõ sự khác biệt của ma sát tĩnh và ma sát động với những giá trị đo cụ thể về lực và thời gian Các đường biểu diễn lực ma sát tương đối ổn định, biên
độ biến động rất nhỏ, dễ dàng xác định được các thời điểm đặc trưng của đặc tính ma sát để phân biệt ma sát tĩnh, động khi điều kiện thực nghiệm thay đổi
KẾT LUẬN
Hệ thống thiết bị khảo sát đặc tính ma sát của XLPTKN khi áp suất và tốc độ thay đổi hoàn toàn tương thích với các thực nghiệm có yếu tố nhiệt ẩm cao và biến thiên phức tạp do
hệ thống đo lực và đo dịch chuyển cũng như động cơ dẫn động hoàn toàn ở bên ngoài môi trường nhiệt ẩm Hệ thống thiết bị thực nghiệm đã xác định được các thông số đặc trưng ma sát của XLPTKN bao gồm: Quan hệ giữa lực ma sát và hành trình ở các tốc độ dịch chuyển khảo sát, giá trị lực ma sát tĩnh Fmst, giá trị lực ma sát động Fmsđ cùng với thời gian đạt được các giá trị trên
Truyền động và điều khiển tốc độ dịch chuyển trong thiết bị có độ chính xác phù hợp với thực nghiệm do sử dụng mạch điều khiển động cơ điện servo với lượng dịch chuyển tương ứng với máy công cụ CNC và thước đo thẳng cho phép phát hiện sai lệch cỡ 1µm Chương trình đo lực ma sát theo dịch chuyển được xây dựng trên phần mềm Dasylab 11.0 và các drive nối ghép cho phép kết nối có hiệu quả giữa thiết bị thực nghiệm với máy tính đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc hiển thị kết quả đo cũng như xử lý số liệu thu được Sai lệch lớn nhất của giá trị đo so với kỳ vọng của các thông số: Lực ma sát, tốc độ dịch chuyển cho thấy hoàn toàn nằm trong vùng giá trị cho phép, sai số dưới 3%, do đó thiết bị thử nghiệm BKMSXLPT-2014 đáp ứng được các thông số yêu cầu cần thiết cho nghiên cứu đặc tính ma sát của XLPTKN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng, Kỹ thuật ma sát, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007 [2] Nguyễn Doãn Ý, Giáo trình ma sát mòn bôi trơn, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2008 [3] PMI linear motion system, Precision motion industries, INC
[4] Belforte G, Mattiazzo G, Mauro S Measurement of friction force in pneumatic cylinders Tribotest, 10, 2003, No.1, p.33 - 48
[5] Ho Chang, Chou Wei LAN, Chih Hao Chen, TsingTshih Tsung, Jia Bin GUO, Measurement
of frictional force characteristics of pneumatic cylinders under dry and lubricated conditions,
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R 88 NR 7b
Trang 9[6] Xuan Bo Tran and Nguyen The Trung (2014), Friction behavior of pneumatic cylinder in Pre-sliding regime, RCMME2014
[7] M GAWLIŃSKI (2007), Friction and wear of elastomer seals Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2014, Vol VII, No.4, p.57-67
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1 Nguyễn Thuỳ Dương Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà nội
duong.nguyenthuy@hust.edu.vn 0904.447.096
2 Phạm Văn Hùng Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà nội
hung.phamvan@hust.edu.vn 0913.359.081
