Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực kiểu bơm bình tích năng cho hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống thủy lực hoạt động có chu kỳ Hình 2.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cầu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng điều chỉnh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

MỤC LỤC

Phần I Cơ sở hình thành đề tài

I Cơ sở hình thành đề tài……….6

II Cơ sở lý thuyết về cân bằng năng lượng trong hệ thống truyền động thủy lực……… 7

Phần II Mục đích của đề tài I Phân loại mô hình các hệ thống thủy lực………10

1.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng điều chỉnh lưu lượng………10

1.2 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng hệ thống nhiều bơm cấp……….11

1.3 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bộ tiết lưu………….12

1.4 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp bình tích năng………13

II Những yêu cầu chỉ tiêu về cân bằng năng lượng tối ưu cho hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành……… 16

III Xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành……….17

3.1 Tổn thất cơ khí………17

3.2 Tổn thất thể tích……… 18

3.3 Tổn hao áp suất……… 18

Phần III Các vấn đề giải quyết I Xây dựng mô hình các hệ thống thủy lực chuẩn với nhiều CCCH……….29

1.1 Tính chọn thiết bị cho cơ cấu chấp hành……….29

1.1.1 Tính chọn cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng……….29

1.1.2 Tính chọn cơ cấu chấp hành chuyển động quay……… 30

1.1.3 Tính chọn ống dẫn……….31

1.1.4 Tính chọn bơm nguồn……… 32

1.1.5 Tính chọn bình tích năng……… 33

1.1.6 Tính chọn các phần tử điều khiển………40

1.2 Các yêu cầu kỹ thuật đối với các HTTL là cơ sở cho tính toán tối ưu…… 43

II Phương pháp xây dựng và tính toán tối ưu cho hệ thống……….45

2.1 Đối với các cơ cấu chấp hành………45

2.2 Xây dựng sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành………45

2.3 Tính toán thông số và lựa chọn thiết bị trạm bơm nguồn và trạm bình tích……… 46

Phần IV Áp dụng cho mô hình thực tế I Giới thiệu chung……… 51

II Mô tả sơ đồ nguyên lý hệ thống……….51

III Phương án I: Cấu hình truyền thống có nguồn là một bơm có lưu lượng cố định……….52

IV Phương án II: Hệ thống có nguồn sử dụng nhiều máy bơm………….56

V Phương án III: Hệ thống có nguồn sử dụng một máy bơm có lưu lượng cố định và một bộ khuyech đại áp suất……….58

VI Phương án IV: Hệ thống có nguồn sử dụng van điền đầy và một sy lanh tăng tốc………61

VII Phương án V: Hệ thống sử dụng một bơm kết hợp một bình tích năng 67

VIII So sánh hiệu suất các phương án lựa chọn……… 77

Phần V Kết luận và kiến nghị

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống thủy lực hoạt động có chu kỳ Hình 2.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cầu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng điều chỉnh lưu lượng

Hình 2.2 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng nhiều bơm cấp

Hình 2.3 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm kết hợp bộ tiết lưu

Hình 2.4 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp bình tích năng

Hình 2.5 Hệ thống kết hợp trạm bình tích và trạm bơm nguồn cấp cho nhiều cơ cấu chấp hành

Hình 2.6 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống

Hình 2.7 Trạm nguồn kết hợp trạm bình tích

Hình 2.8 Mô tả tổn thất cơ khí trong hệ thống

Hình 2.9 Biểu đồ quan hệ P-Q

Hình 2.10 Tổn thất trong hệ thống thủy lực

Hình 2.11 Biểu đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống hoạt động có chu kỳ

Hình 3.1 Sự biến thiên lưu lượng trong hệ thống có nhiều cơ cấu chấp hành

Hình 4.1 Hệ thống sử dụng một bơm cố định

Hình 4.3 Hệ thống sử dụng một máy bơm cố định và một bộ khuyech đại áp suất Hình 4.4 Hệ thống sử dụng van điền đầy và một xy lanh tăng tốc

Hình 4.5 Hệ thống sử dụng bơm kết hợp bình tích

Hình 4.6 Biểu đồ lưu lượng chất lỏng vào và ra khỏi bình tích

Hình 4.7 Sơ đồ mạch thủy lực với bình tích áp suất thấp

Hình 4.8 Sơ đồ điện mạch thủy lực với bình tích áp suất thấp

MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Các thông số máy ép Wukermam

Bảng 4.2 Bảng tóm tắt năng lượng phương án III

Bảng 4.3 Bảng tóm tắt năng lượng phương án IV

Bảng 4.4 Số hiệu và chức năng của các ký hiệu

Bảng 4.5 So sánh hiệu suất giữa các phương án lựa chọn

PHẦN I: CƠ SỞ HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI

I Cơ sở hình thành đề tài

Hiện nay, trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước nói chung và trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng, tốc độ công nghiệp hóa của nước ta diễn ra với tốc độ chóng mặt Bên cạnh việc tận dụng những nguồn lực,

cơ sở vật chất đã có từ trước đó thì việc đầu tư nghiên cứu, ứng dụng Khoa học

kỹ thuật vào sản xuất đang được nhà nước khuyến khích mạnh mẽ Trong lĩnh vực công nghiệp, các dây chuyền sản xuất cũ dần dần được thay thế bởi những dây chuyền sản xuất tiên tiến, giúp tăng năng suất lao động, tiết kiệm chi phí sản xuất, tiết kiệm năng lượng tiêu hao cho mỗi ca sản xuất

Xuất phát từ thực tế về nhu cầu cân bằng năng lượng và tối ưu hóa trong quá trình vận hành hệ thống dẫn đến yêu cầu cần phải thiết kế một hệ thống nhiều

cơ cấu chấp hành với các nhu cầu sử dụng năng lượng khác nhau tại những thời điểm khác nhau đáp ứng được các yêu cầu đã đặt ra mà vẫn đảm bảo được khả năng tối ưu hóa của hệ thống

Một hệ thống thủy lực tối ưu là một hệ thống đáp ứng được các tiêu chí sau:

- Hiệu quả sản xuất;

- Tối ưu hóa trong vận hành;

- Tối ưu hóa trong sử dụng năng lượng;

- Đảm bảo bài toán kinh tế

Trong phạm vi lĩnh vực nghiên cứu này, xin được đi sâu nghiên cứu về vấn

đề tối ưu hóa trong sử dụng năng lượng đối với hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành

II Cơ sở lý thuyết về cân bằng năng lượng trong hệ thống truyền động

Xét về yếu tố áp suất trong hệ thống thủy lực Một ưu điểm tuyệt vời của hệ thống thủy lực là khi cần lực bao nhiêu thì áp suất thay đổi để đáp ứng theo yêu cầu bấy nhiêu Chỉ với điều kiện cần là áp suất bơm nguồn đủ đáp ứng yêu cầu của hệ thống thì hệ thống luôn được cấp đủ áp suất cần thiết để vận hành Khi

hệ thống không hoạt động hết công suất định mức thì có thể xả áp để phù hợp với yêu cầu hoạt động của hê thống tránh trường hợp hệ thống phải làm việc quá áp Đối với một hệ thống thủy lực thì áp suất bơm nguồn luôn là một hằng

số cố định, không thể thay đổi và là giá trị max cần có để đảm bảo hoạt động của hệ thống Việc thay đổi (giảm) áp suất của hệ thống có thể thông qua việc điều chỉnh van tiết lưu hoặc xả qua van an toàn Tuy nhiên các biện pháp này lại làm giảm hiệu suất của hệ thống và không tối ưu về mặt năng lượng

Xét về yếu tố lưu lượng cấp cho hệ thống thủy lực Đối với một hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành bất kỳ, nhu cầu năng lượng của hệ thống không phải lúc nào cũng ổn định ở một giá trị bất kỳ mà luôn thay đổi theo yêu cầu của hệ thống Thông thường áp suất trong hệ thống luôn là một hằng số vì vậy để thay đổi lực tác động của các cơ cấu chấp hành thì chỉ còn cách điều chỉnh lưu lượng cấp lên cho cơ cấu chấp hành Có nhiều cách để điều chỉnh lưu lượng cấp lên cho cơ cấu chấp hành:

- Sử dụng bơm cấp có khả năng điều chỉnh lưu lượng;

- Sử dụng hệ thống nhiều bơm cấp trong cùng một hệ thống;

- Sử dụng bộ tiết lưu;

- Sử dụng một bơm cấp kết hợp với bình tích năng

Qua phân tích ta thấy để thay đổi lực tác động của các cơ cấu chấp hành trong một hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành thì cách dễ nhất và tối ưu

đề đặt ra ở đây là phân tích, lựa chọn phương án tối ưu để điều chỉnh lưu lượng cấp lên cho các cơ cấu chấp hành trong hệ thống sao cho đảm bảo được tính vận hành ổn định của hệ thống, thỏa mãn được bài toán kinh tế, đảm bảo hiệu suất tối thiểu cần đạt được của hệ thống

PHẦN II: MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

I Phân loại mô hình các hệ thống thủy lực

1.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng điều chỉnh lưu lượng

  Hình 2.1 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng bơm cấp có khả năng điều

chỉnh lưu lượng

Xét hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng tự điều chỉnh lưu lượng Đối với hệ thống như trên, khi cơ cấu chấp hành yêu cầu cần sử dụng lưu lượng bao nhiêu, bơm cấp tự động điều chỉnh lưu lượng cấp lên nhằm đáp ứng đủ theo yêu cầu Tuy nhiên, hệ thống như trên chỉ đáp ứng được cho những hệ thống mà các cơ cấu chấp hành hoạt động độc lập và không cùng đồng thời Có nghĩa là khi cơ cấu này hoạt động thì cơ cấu khác sẽ phải nghỉ Như vậy sẽ không đáp ứng được nhu cầu hoạt động cùng lúc của các cơ cấu

chấp hành Đối với các hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành ngày nay, việc nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống đòi hỏi việc sử dụng đồng thời cùng lúc nhiều cơ cấu chấp hành để có thể làm được nhiều thao tác trong cùng một khoảng thời gian

Như vậy biện pháp sử dụng một bơm cấp có khả năng điều chỉnh lưu lượng cho hệ thống nhiều cơ cấu chấp hành là không tối ưu về mặt hiệu suất của hệ thống

1.2 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng hệ thống nhiều bơm cấp

Hình 2.2 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng nhiều bơm cấp

Xét hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng nhiều bơm cấp Để giải quyết bào toán hiệu suất của hệ thống nhiều cơ cấu chấp hành, đảm bảo việc

sử dụng đồng thời các cơ cấu chấp hành trong cùng một khoảng thời gian, người ta

đưa ra phương án sử dụng nhiều bơm cấp Mỗi cơ cấu chấp hành sử dụng một bơm cấp riêng lẻ, công suất của bơm cấp tùy thuộc vào yêu cầu của cơ cấu chấp hành Như vậy các cơ cấu chấp hành có thể vận hành độc lập hoặc đồng thời mà không bị ảnh hưởng lẫn nhau qua đó phát huy tối đa hiệu suất của hệ thống Tuy nhiên, xét

về mặt kinh tế, việc sử dụng nhiều bơm cấp kéo theo các thiết bị phụ trợ đi kèm theo chúng (van, khóa các loại, đường ống….) lại tăng lên đáng kể về số lượng dẫn tới chi phí đầu tư ban đầu tăng cao

Vì vậy phương án sử dụng nhiều bơm cấp cho hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành là không tối ưu về mặt kinh tế

1.3 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm kết hợp bộ tiết lưu

chỉnh thông qua bộ tiết lưu tùy theo yêu cầu của cơ cấu chấp hành Hệ thống này đảm bảo được khả năng vận hành độc lập hay đồng thời của các cơ cấu chấp hành,

sử dụng một bơm cấp, số lượng thiết bị phụ trợ đi kèm ít, chi phí đầu tư ban đầu không lớn Tuy nhiên, khi hệ thống hoạt động không hết công suất thì bơm nguồn vẫn cấp lên lượng lưu lượng như khi hoạt động hết công suất Lưu lượng chuyển lên cơ cấu chấp hành bị điều tiết qua hệ thống tiết lưu dẫn đến tình trạng hệ thống

bị tổn hao năng lượng khi qua bộ tiết lưu, toàn bộ nguồn năng lượng thừa không sử dụng sẽ bị chuyển hóa thành nhiệt năng Điều này sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới tuổi thọ của hệ thống Vì vậy xét về mặt tối ưu hóa năng lượng trong hệ thống thì phương án sử dụng bộ tiết lưu điều chỉnh lưu lượng cấp lên cho hệ thống nhiều

cơ cấu chấp hành là không đạt yêu cầu

1.4 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp bình tích năng

Hình 2.4 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng bơm cấp kết hợp

Xét hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp bình tích năng Hệ thống sử dụng một bơm cấp có công suất vừa đủ đáp ứng nhu cầu năng lượng bình quân của cơ cấu chấp hành, một bơm phụ có tác dụng cấp lưu lượng cho bình tích năng Trong trường hợp cơ cấu chấp hành có nhu cầu năng lượng lớn, bên cạnh việc bơm cấp chính cấp lưu lượng lên thì bình tích năng sẽ cấp thêm phần lưu lượng thiếu hụt mà bơm cấp không đáp ứng được Bằng phương pháp này, nhu cầu năng lượng của hệ thống luôn được đảm bảo cấp đủ và kịp thời

Hình 2.5 Hệ thống kết hợp trạm bình tích và trạm bơm nguồn cấp cho nhiều

cơ cấu chấp hành (Nhà máy xi măng Bỉm Sơn – Thanh Hóa)

Khi hệ thống hoạt động, bơm cấp luôn hoạt động đảm bảo cung cấp một năng lượng tối thiểu trong một chu trình vận hành của hệ thống (Qmin) Khi hệ thống có nhu cầu cao hơn về lưu lượng, ngoài phần lưu lượng có được từ bơm cấp,

bình tích năng sẽ có nhiệm vụ bù phần thiếu hụt cho hệ thống, đảm bảo cung cấp

đủ nhu cầu năng lượng cho hệ thống

Hình 2.6 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống

Ta có thể nhận thấy ưu điểm của hệ thống sử dụng bơm cấp kết hợp bình tích năng như đáp ứng đủ và kịp thời nhu cầu năng lượng của cơ cấu chấp hành, giải quyết được vấn đề tối ưu hóa năng lượng trong hệ thống, đảm bảo

sự hoạt động độc lập hay đồng thời của các cơ cấu chấp hành, chi phí đầu tư ban đầu không lớn

Hình 2.7 Trạm nguồn kết hợp trạm bình tích

II Những yêu cầu chỉ tiêu về cân bằng năng lượng tối ưu cho hệ thống

thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành

Qua quá trình phân tích, phân loại mô hình các hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành, ta nhận thấy để đảm bảo tối ưu hóa năng lượng cho hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành thì mô hình 1.4: Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành

sử dụng bơm cấp kết hợp bình tích năng là tối ưu nhất

Vấn đề đặt ra tiếp theo là cần chỉ ra được những chỉ tiêu về cân bằng năng lượng tối ưu cho hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành

Xét một hệ thống thủy lực nói chung, mối quan hệ giữa công suất tiêu thụ của

hệ thống với công suất có ích của cơ cấu chấp hành nói lên hiệu suất đạt được của

hệ thống Nếu coi công suất có ích của cơ cấu chấp hành là A và công suất tiêu thụ

của hệ thống là B thì hiệu suất của hệ thống sẽ là A/Bx100% Mục tiêu khi thiết kế bao giờ cũng đặt ra là hiệu suất phải đạt được tối thiểu là bao nhiêu nhằm đảm bảo được Hiệu quả sản xuất;Tối ưu hóa trong vận hành; Tối ưu hóa trong sử dụng năng lượng; Đảm bảo bài toán kinh tế Mối quan hệ giữa công suất tiêu thụ và công suất

có ích trong hệ thống thủy lực được quy đổi về mối quan hệ giữa lưu lượng cấp của nguồn cấp và lưu lượng vận hành của cơ cấu chấp hành

Sở dĩ có sự khác nhau giữ lưu lượng cấp của nguồn cấp và lưu lượng vận hành của cơ cấu chấp hành là do trong quá trình vận hành của hệ thống có sự tổn thất lưu lượng trong hệ thống (như đã nói ở trên, trong phạm vi bài viết này ta coi áp suất là một hàng số không đổi nên ta coi việc tổn thất áp suất trong quá trình vận hành là không có và do đó việc tổn hao công suất không liên quan đến áp suất của

1 1

- Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường chuyển động của dầu từ bơm đến các cơ cấu chấp hành Tổn thất đó phụ thuộc vào những yếu tố sau:

+ Chiều dài ống dẫn;

+ Độ nhẵn thành ống;

+ Độ lớn tiết diện ống;

+ Tốc độ dòng chảy;

+ Sự thay đổi tiết diện

+ Trọng lượng riêng và độ nhớt của chất lỏng

Tổn thất áp suất trong đường ống xuất hiện chủ yếu do ma sát của chất lỏng nên thường được gọi là tổn thất ma sát, đối với đường ống tròn ta có:

Dp = p1- p2 = l.(L/d) ( r/2) v2,

trong đó Dp – tổn thất áp suất;

l – hệ số ma sát;

L, d – chiều dài và đường kính đoạn ống;

r – khối lượng riêng của chất lỏng;

v – tốc độ chảy của chất lỏng trong đường ống

Trong chế độ chẩy tầng (Re < 2300), hệ số ma sát:

l = 64/Re = 64ν/vd

Thay giá trị của l vào phương trình ta được

trong đó lr - hệ số ma sát trong chế độ chẩy rối

Hệ số ma sát trong chế độ chẩy rối phụ thuộc vào số Re và độ nhám bề mặt của đường ống như đã nghiên cứu trong giáo trình “Thuỷ lực”

Thay v = Q/f vào phương trình (10), ta có:

Kt = 1/Rt =Q/∆p; Q = Kt Dp

Trong chế độ chẩy rối độ dẫn thuỷ lực:

Kr = 1/Rr =Q2/∆p; Q = sqrt(Kr∆p)

Sức cản cục bộ Nếu như tổn thất ma sát xẩy ra trên toàn bộ chiều dài của đường

ống thì tổn thất cục bộ chỉ xuất hiện ở những nơi dòng chẩy bị biến đổi đột ngột về tiết diện và hướng khi qua các phần tử của hệ thống thuỷ lực hay còn gọi là sức cản cục bộ

Tổng thất áp suất tại sức cản cục bộ đươc tính theo công thức

trong đó f1 và f2 – tiết diện nhỏ và tiết diện lớn của dòng chẩy, hay còn gọi là tiết diện của dòng chẩy trước và sau sức cản thuỷ lực

Dòng chẩy đột thu:

xđt = 0,5(1 – (f2/f1))

Có hai trường hợp đặc biệt:

Khi chất lỏng chẩy từ đường ống có kích thước hữu hạn vào bể lớn (dòng đột mở) thì tỷ số 0 vì vậy có thể lấy xđm =1 Ngược lại khi dòng chấy lỏng chẩy từ bể vào ống có thể lấy xđt = 0,5

Trong giáo trình “Thuỷ lực”, khi tính toán dòng chẩy qua lỗ và vòi ta đã biết công thức tính lưu lượng chất lỏng qua lỗ như sau:

Q = mf.sqrt(2∆p/r)

trong đó m – hệ số lưu lượng;

f – tiết diện lỗ;

Dp = p1- p2 - tổn thất áp suất qua lỗ

p1 và p2 - áp suất trước và sau lỗ;

r – khối lượng riêng của chất lỏng

Hệ số lưu lượng m được xác định bằng thực nghiệm theo công thức

m =Q/Qt,

trong đó Q – lưu lượng thực tế đo được;

Qt = f sqrt(2∆p/r) – lưu lượng tính theo lý thuyết

Hình 2.10 Tổn thất trong hệ thống thủy lực

Sau khi xác định các dạng tổn thất gây ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống thủy lực, ta tiến hành xây dựng mô hình tối ưu hóa trong hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành Cụ thể như sau:

Công suất hữu ích tiêu thụ của mỗi hệ thống điều khiển trong vận hành dây chuyền công nghệ luôn là một đại lượng biến thiên theo thời gian:

N = f(t) Đối với các hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành, công suất đầu vào do trạm nguồn cấp sẽ là :

N0 = k.P0.Q0

Trong đó:

k = const – hệ số công suất;

P0 – áp suất trạm nguồn;

Q0 – lưu lượng trạm nguồn

Công suất hữu ích của cơ cấu chấp hành thứ i sẽ là:

Ni = k.Pi.Qi Cân bằng năng lượng trong hệ thống ta có:

- Trạm nguồn thủy lực được tích hợp tối ưu khi có khả năng điều chỉnh bám theo giá trị công suất hữu ích tức thời N i của hệ thống dựa trên tính chu

kỳ hoạt động tuần hoàn của hệ thống trong dây chuyền công nghệ

- Do đặc tính tự động điều chỉnh áp suất hệ thống theo tải của cơ cấu chấp hành trong các hệ thống thủy lực, khả năng điều chỉnh bám theo giá trị công suất tức thời N i cũng tương đương với khả năng bám theo giá trị tổng lưu lượng tức thời Q t i của hệ thống

Trạm nguồn hệ thống thủy lực trong mọi trường hợp đều phải đáp ứng các điều kiện cần sau:

- Điều kiện cần đối với áp suất: P0 > Pi max (1) (Áp suất trạm nguồn P0 luôn lớn hơn áp suất yêu cầu lớn nhất của các cơ cấu chấp hành Pi max)

- Điều kiện cần đối với lưu lượng: Q0 Q CHmax 2 (lưu lượng Q0 của trạm nguồn luôn lớn hơn tổng lưu lượng lớn nhất QCH max của các cơ cấu chấp hành trong hệ thống)

Như nhận xét phần trên, điều đặc biệt của hệ thống thủy lực là áp suất của các

cơ cấu chấp hành luôn luôn tự động điều chỉnh bám theo tải Chính vì vậy, để thỏa mãn điều kiện (1), trạm nguồn dễ dàng đáp ứng nhờ chọn loại bơm và loại bình tích áp phù hợp tiêu chuẩn Tuy nhiên để hệ thống đủ điều kiện hoạt động và tối ưu hóa năng lượng, ngoài việc cần thỏa mãn điều kiện cần (2), cấu hình trạm nguồn cần phải có khả năng điều chỉnh lưu lượng bám theo giá trị biến thiên tổng lưu lượng tức thời Q t i  của các cơ cấu chấp hành

Với trạm nguồn có cấu hình gồm trạm bơm điều chỉnh lưu lượng kết hợp trạm bình tích thủy lực ta sẽ có:

Trong đó:

ΔQ – tổn thất lưu lượng trong hệ thống;

Qbt(t) – lưu lượng tức thời cấp từ trạm bình tích thủy lực;

Qb – lưu lượng cấp từ bơm nguồn điều chỉnh;

 

i

Q t

 - tổng lưu lượng tức thời của các cơ cấu chấp hành

Hình 2.11 Biểu đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống hoạt động có chu kỳ

Chính vì vậy, trong trường hợp lý tưởng, điều kiện cần sẽ là:

Xác định lưu lượng trạm bơm nguồn;

Biểu đồ lưu lượng tức thời của các cơ cấu chấp hành (hình 1) trong hệ thống luôn có thể xác định được trên cơ sở dữ liệu có được từ quy trình công nghệ Từ điều kiện cần (4) và biểu đồ lưu lượng, ta có thể xác định lưu lượng Qb của trạm bơm nguồn cần chọn theo công thức sau:

 

1

1 1 0

t b

Q t Q t dt

Xác định dung lượng trạm bình tích:

Trong mỗi chu trình hoạt động t1 của hệ thống, quá trình xả và nạp của trạm bình tích phải cân bằng thể tích để cuối chu trình, trạm lại trở về trạng thái no ban đầu Lượng dầu trạm cần cấp cho hệ thống ΔV được xác định từ điều kiện (5) Dung lượng bình tích có thể được xác định theo công thức:

p0 – áp suất nạp ban đầu của khí trơ nạp vào bình tích;

p1 – giới hạn áp suất xả của bình tích;

p2 – giới hạn áp suất nạp của bình tích

PHẦN III: CÁC VẤN ĐỀ GIẢI QUYẾT

I Xây dựng mô hình các hệ thống thủy lực chuẩn với nhiều cơ cấu chấp

hành

Để xây dựng mô hình các hệ thống thủy lực chuẩn với nhiều cơ cấu chấp hành, trước tiên ta tiến hành xác định các bước tính chọn thiết bị cho hệ thống

1.1 Tính chọn thiết bị cho cơ cấu chấp hành

Trong một hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành thì cơ cấu chấp hành ở đây có thể là cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng (xy lanh chuyển động tịnh tiến) hoặc

cơ cấu chấp hành chuyển động quay (động cơ thủy lực hoặc bơm thủy lực)

1.1.1 Tính chọn cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng

Ở đây ta quan niệm trong hệ thống thủy lực thì cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng được coi là xy lanh chuyển động tịnh tiến Để tính toán lựa chọn xy lanh thì trước tiên ta cần nắm được các thông số đầu vào để tính toán như: Áp suất làm việc, hành trình xy lanh, tải trọng tác động lên xy lanh, vận tốc dịch chuyển của cần pít tông… Sau khi xác định được các thông số đầu vào cho bài toán, bước tiếp theo ta tiến hành tính toán các thông số hình học của xy lanh

- Lực quán tính: Fa = m.a

Trong đó:

+ Fa – Lực quán tính;

+ m – Khối lượng tải trọng;

+ a – gia tốc chuyển động của tải trọng

- Lực ma sát: Fms = m.g.f

Trong đó:

Với R = A1/A2 – là hệ số điện tích của buồng xy lanh và cần pit tông

Sau khi tổng hợp các giá trị thong số đầu vào của bài toán, ta xác định được tiết diện buồng xy lanh và tiết diện cần pít tông tương ứng Từ đó ta xác định được đường kính của xy lanh D và đường kính cần pít tông d Cụ thể như sau:

- Đường kính của xy lanh:

Việc tính chọn cơ cấu chấp hành chuyển động quay cũng được phân tích như hệ thủy lực chuyển động thẳng Các thông số cần xác định bao gồm các loại mô men xoắn tác dụng lên trục động cơ Cụ thể như sau:

- Mô men do quán tính:

.

a

Trong đó:

+ J – mô men quán tính khối lượng trên trục động cơ dầu;

+ θ – Gia tốc góc của trục động cơ dầu

- Mô men do ma sát nhớt trên trục động cơ dầu MD;

- Mô men do tải trọng ngoài ML;

- Mô men xoắn tổng cộng MX sẽ là:

10 2

m T

Q1 = Q2 = 1000.Dm.nmax

Trong đó:

+ nmax – số vòng quay lớn nhất của trục động cơ dầu;

+ Dm – Thể tích riêng của động cơ dầu

Công suất truyền động động cơ dầu:

2

6.10

t

p Q

- Chọn vận tốc chảy qua ống:

+ Ở ống hút: v = 0,5÷1,5m/s

+ Ở ống nén:

P<50bar thì v=4÷5m/s P=50÷100bar thì v=5÷6m/s p>100bar thì v=6÷7m/s + Ở ống xả: v=0,5÷1,5m/s

.

d

Q d

V – lưu lượng riêng của bơm [cm3/vòng]

ηv – hiệu suất thể tích [%]

Tuy nhiên khi tính chọn lưu lượng cho bơm nguồn ta cần xét đến lượng dầu tổn thất ΔQ trong toàn bộ hệ thống Thông thường thì lượng tổn thất này sẽ chiếm khoảng 10%÷20% lưu lượng cần cấp cho hệ thống Vì vậy lưu lượng thực tế bơm cần cung cấp sẽ là:

Qb = Qht + ΔQ = (110%÷120%)Qht

Áp suất của bơm:

 

.10 r

hm b

.10 6.

b b t

M – Momen trên trục động cơ nối bơm [Nm];

ηhm – hiệu suất cơ – thủy lực [%];

ηt – hiệu suất toàn phần [%]

Căn cứ vào mối quan hệ giữa số vòng quay n của bơm, lưu lượng riêng V của bơm và mô men trên trục động cơ ta có thể lựa chọn được loại bơm có các thông số kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu của hệ thống

Công suất cần thiết của động cơ điện dẫn động bơm sẽ là:

 

d t

Nhiệm vụ chính của một ắc quy thủy lực là tích trữ chất lỏng dưới áp suất của hệ thống thủy lực là lưu trữ chúng cho đến khi hệ thống cần sử dụng

Giống như chất lỏng bị nén dưới áp suất, ắc quy thủy lực sử dụng như là một bình chứa và được thiết kế để có thể chịu được áp suất vận hành lớn nhất Tuy nhiên, chúng cũng phải được tuân thủ theo các tiêu chuẩn quốc gia mà chúng được

 Chức năng

Ắc quy thủy lực có chức năng trung chuyển chất lỏng trong hệ thống thủy lực:

- Tích trữ năng lượng

Bằng cách sử dụng ắc quy thủy lực, công suất bơm có thể giảm tới công suất đòi hỏi tương ứng Lưu lượng nhỏ hơn của bơm điền đầy ắc quy thủy lực theo một chu trình khép kín khi mà lưu lượng yêu cầu cho hệ thống là nhỏ hơn lưu lượng cấp từ bơm Nếu lưu lượng lớn nhất được đòi hỏi, sự khác nhau giữa lưu lượng của bơm sẽ được bổ sung từ ắc quy thủy lực

Một vài đặc điểm có thể chỉ ra:

- Có khả năng sử dụng các bơm nhỏ hơn

- Công suất lắp đặt thấp hơn

- Nhiệt sản xuất ít hơn

- Bảo dưỡng và lắp đặt đơn giản

Bên cạnh đó, bộ phận giảm chấn áp suất và giảm xung mạch (phụ thuộc vào từng hệ thống) được lắp đặt Điều này sẽ làm tăng tuổi thọ của hệ thống

Bằng cách sử dụng ắc quy thủy lực, năng lượng sẽ được tích trữ

Trong các hệ thống thủy lực, nơi mà yêu cầu trong thời gian ngắn cấp một lượng lớn dầu hoặc chu trình ngắn, ắc quy thủy lực phải được sử dụng để đạt được hiệu quả kinh tế

Dự trữ chất lỏng

Nếu ắc quy thủy lực được sử dụng như là một thiết bị đảm bảo an toàn, nó không vận hành như là một nguồn cấp năng lượng theo suốt quá trình vận hành thông thường của hệ thống Tuy nhiên nó cũng vẫn được nối với bơm Bằng cách

sử dụng thiết bị chống chảy ngược, năng lượng tích trữ có thể được giữ lại và ngay lập tức đáp ứng khi có yêu cầu

Các hệ thống an toàn sử dụng ắc quy thủy lực được sử dụng trong các hệ thống thủy lực vận hành sự cố để tạo ra các tác động đặc biệt khi mất tín hiệu

Vận hành sự cố

Trong trường hợp sự cố, nếu công suất bị mất tín hiệu, một chu trình làm việc hoặc ngắt chu trình sẽ được thực hiện với sự giúp đỡ của nguồn năng lượng hiện có trong ắc quy thủy lực

Một ứng dụng nữa của vận hành sự cố khi sử dụng ắc quy thủy lực là khi một chu trình vận hành cần khởi động để hoàn thiện khi một bơm hoặc van gặp trục trặc

Đặc điểm chính của trường hợp sử dụng ắc quy thủy lực vận hành sự cố là:

- Lực điều chỉnh ngắn và vì vậy ít gây kéo căng khung giàn

- Lưu lại được đối trọng và vì vậy giảm bớt được trọng lượng và khoảng cách yêu cầu cho lắp đặt

Bù dầu rò rỉ

Lực tác động ban đầu trong xy lanh thủy lực chỉ có thể được duy trì nếu lượng dầu rò rỉ trong hệ thống được bù đắp Ắc quy thủy lực được tích hợp để đáp ứng cho yêu cầu này

Các trường hợp có thể xảy ra:

- Bơm vận hành không liên tục

- Nhiệt sản xuất thấp vì vậy giá thành vận hành giảm

- Nâng cao tuổi thọ cho hệ thống

Giảm chấn và rung động

Sự dao động áp suất có thể xảy ra trong hệ thống thủy lực nếu lưu lượng dòng chất lỏng thay đổi theo quá trình biến đổi phụ thuộc trên hệ thống

Có thể do một số nguyên nhân sau:

- Sự không đồng đều của các bơm thủy lực

- Tổn thất áp suất trong các van Kết nối gián đoạn giữa các khoang chứa khi

áp suất thay đổi

- Quá trình vận hành ngắt và điều khiển các van với thời gian đóng mở ngắn

- Quy trình kết nối bao gồm cả các bơm phân phối

Trong các tình huống kể trên, lưu lượng và áp suất biến động phụ thuộc vào chế

độ vận hành, điều này có một ảnh hưởng nhất định đến tuổi thọ của các phần tử trong hệ thống

Sự biến động áp suất có thể tách thành va đập áp suất và xung áp phụ thuộc vào từng nguyên nhân Để đảm bảo rằng quá trình vận hành không bị ảnh hưởng bất lợi bởi các biến đổi đó, nó cần thiết phải giới hạn khoảng biến đổi áp suất khi thiết kế

một số cách để giảm xung động áp suất, nhưng bộ giảm chấn thủy lực đặc biệt thích hợp trong các hệ thống thủy lực

Để đáp ứng yêu cầu làm việc của hệ thống,trạm bình tích năng phải tính toán sao cho lượng dầu có trong bình tích phải đảm bảo đủ cho hệ thống hoạt động được 5 phút mà không được cấp dầu (hệ thống hoạt động được 3 lần hành trình không có nạp)

Chọn loại khí nạp vào bình dầu có áp là khí N2

Căn cứ theo từng trường hợp yêu cầu cụ thể của hệ thống để lựa chọn áp suất cho trạm bình tích một cách phù hợp

Xét quá trình giãn nở đoạn nhiệt :

V : thể tích dầu hoạt động trong 3 lần hành trình

P1 – Áp suất ban đầu nạp vào bình tích

P2 = Áp suất bình tích sau giãn nở

k = 1,4 : số mũ đoạn nhiệt của khí N2