Cải thiện đặc tính động lực học tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực

Với các điểm nổi bật như đáp ứng động lực học nhanh, độ chính xác điều khiển cao và tuổi thọ cao, van servo điện thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các ngành như: vũ trụ, không gian, c

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả

Phạm Xuân Hồng Sơn

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Van servo điện thủy lực là phần tử chính trong các hệ thống điều khiển thủy lực

và điện thủy lực mà ở đó các kỹ thuật cơ khí, thủy lực và điện tử được kết hợp một cách hoàn hảo Với các điểm nổi bật như đáp ứng động lực học nhanh, độ chính xác điều khiển cao và tuổi thọ cao, van servo điện thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các ngành như: vũ trụ, không gian, công nghiệp hóa chất, ngành luyện kim, vv… Van servo vòi phun điện thủy lực là loại van phổ biến nhất của van servo điện thủy lực Dựa vào một lượng lớn các tài liệu nghiên cứu gần đây ở nước ngoài, các thông tin chi tiết của các phát minh và ứng dụng van servo điện thủy lực ở châu Âu, Á và Mỹ, luận

án đã thu thập nhiều dữ liệu quan trọng để từ đó xây dựng phương pháp lý thuyết để thiết kế van servo vòi phun điện thủy lực Thông qua tình hình ứng dụng van servo điện thủy lực ở Việt Nam và ở nước ngoài đã chỉ ra sự cần thiết phải phát triển loại sản phẩm này

Từ việc trình bày chi tiết kết cấu của van servo vòi phun điện thủy lực hai cấp phản hồi lực, sự cân bằng lực của “động cơ điều khiển xoay” (torque motor), cụm phần ứng và con trượt, luận án đã đề xuất phương pháp lý thuyết, xây dựng mô hình toán và thiết kế tối ưu các thông số kết cấu cơ khí cho van servo Trong “động cơ điều khiển xoay”, cọc (càng) đàn hồi được xem như phần tử đàn hồi khó dự đoán trước khi van servo hoạt động Bằng phương pháp lý thuyết kết hợp với phần mềm mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu hạn, luận án đã xác định được độ cứng uốn tối ưu cho cọc đàn hồi Nghiên cứu còn cho thấy đặc tính động lực học cụm phần ứng của „động

cơ điều khiển xoay‟ van servo vòi phun có liên quan đến độ cứng tổng hợp và momen quán tính khối lượng của cụm phần ứng, do đó các mô hình toán xác định độ cứng tối

ưu cho cụm phần ứng và momen quán tính khối lượng cụm phần ứng được đề xuất Vì van servo vòi phun điện thủy lực được sử dụng phổ biến ở các hệ thống điều khiển thủy lực trong những ngành hàng không, vũ trụ, công nghiệp luyện kim, hóa chất vv đều cần kích thước nhỏ gọn nhưng nó lại có kết cấu phức tạp nên yêu cầu đòi hỏi về

độ tin cậy làm việc của van servo rất cao, từ đó chỉ ra rằng việc cải thiện các đáp ứng động lực học là rất cần thiết để van hoạt động tốt trong mọi điều kiện làm việc khác nhau và ở các môi trường thời tiết khắc nghiệt

ABSTRACT

Electro-hydraulic servo valves are key units in servo control system and highly combined components with mechanical, hydraulic and electronic technology With advantages such as rapid dynamics response, high controlling accuracy and long working life, electro-hydraulic servo valve have been widely used in aerospace, metallurgy, chemical industry and so on Jet pipe servo valve is the most common kind

of servo valve However, the former has been replaced by the latter in the foreign aeroplane system and abroad companies and governments exercise strict control and blockade on technology introduction As a result, there is no complete theory and design principle on jet pipe electro-hydraulic servo valve in VietNam Referring to a large number of recent research materials on abroad, detailed introduction of patents and applications of servo valve products in Europe and America on papers, the dissertation has collected many important data for developing the theoretical method

of designing electro hydraulic servo valve Based on the situation of servo valve research in Vietnam and oversea, it pointed out the difficulties in researching and developing this product

Through recommendation of servo valve structure, it has made a detailed introduction of the structure of jet pipe servo valve with force feedback and analysis of force balances of torque motor, jet pipe feedback armature assembly and slide valve spool, it provides a theoretical base for setting up the mathematical model of jet pipe servo valve In torque motor, the feedback spring pole is identified as more critical spring elements in servo valve operation If this element is properly designed with respect to stiffness, automatically dynamics performance of the servo valve will be improved An attempt has been made to predict stiffness of this element by finite element method Besides, dynamics characteristics of the armature assembly in jet pipe electro-hydraulic torque motor is involved by the stiffness of armature assembly and moment of mass inertia of armature assembly Therefore, mathematical models for prediction and estimate of optimal stiffness of the armature assembly and of moment

of inertia of armature assembly are established

While jet pipe servo valves frequently work in aerospace hydraulic system and their structures are complicated and sizes are limited, high requirements should be put

on reliability of components in working of servo valve Hence, the improvement of the operating characteristics of torque motor and drive part is necessary for guaranteeing

of normal work and improving its performance stability in electro-hydraulic jet pipe servo valve

LỜI CẢM ƠN

Công việc nghiên cứu luận án này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS

TS Trần Thiên Phúc, Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Bắt đầu từ việc chọn đề tài, tiến hành nghiên cứu đến hoàn thành luận án đều có sự hướng dẫn tâm huyết của thầy Vì vậy, tác giả đặc biệt trân trọng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới thầy hướng dẫn Trần Thiên Phúc

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Phạm Huy Hoàng, công tác tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã đóng góp nhiều ý kiến có giá trị cao trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án Tác giả xin cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong quá trình tác giả làm nghiên cứu sinh tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Đồng thời, tác giả cũng xin cảm ơn đến quý viện nghiên cứu 704 thuộc tập đoàn công nghiệp nặng tàu thủy Thượng Hải (Trung Quốc) đã cung cấp và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả làm thực nghiệm Tác giả xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong

bộ môn chế tạo máy và Khoa cơ khí thuộc trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Cuối cùng tác giả ghi lòng sự hỗ trợ về vật chất và động viên tinh thần của những người thân trong gia đình và bạn bè, đồng nghiệp trong suốt quá trình nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này

TP.HCM, tháng 2 năm 2020

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Bối cảnh và ý nghĩa phát triển van servo vòi phun điện thủy lực 1

1.1.1 Bối cảnh phát triển của van servo điện thủy lực 1

1.1.2 Ý nghĩa nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực 3

1.2 Xu hướng phát triển van servo vòi phun điện thủy lực 4

1.3 Hiện trạng nghiên cứu và ứng dụng van servo vòi phun điện thủy lực 6

1.3.1 Hiện trạng nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực 6

1.3.2 Ứng dụng quan trọng của van servo vòi phun điện thủy lực 13

1.4 Mục tiêu và ý nghĩa của luận án 17

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN VAN SERVO VÒI PHUN ĐIỆN THỦY LỰC HAI CẤP PHẢN HỒI LỰC 19

2.1 Nguyên lý làm việc & kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực 20

2.2 Dòng chảy trong vòi phun 25

2.2.1 Các trạng thái của dòng chảy trong vòi phun 25

2.2.2 Kết cấu hệ thống điều khiển thủy lực 29

2.3 Mô hình toán van servo vòi phun điện-thủy lực 30

2.3.1 Mô hình toán torque motor van servo vòi phun 30

2.3.2 Mô hình toán cấp công suất van servo vòi phun 38

2.3.3 Mô hình chuyển vị vòi phun van servo vòi phun 43

2.4 Đặc tính tĩnh van servo vòi phun điện thủy lực 44

2.4.1 Đặc tính lưu lượng rò rỉ trong 44

2.4.2 Đặc tính lưu lượng không tải 45

2.4.3 Đặc tính lưu lượng phụ tải 46

2.4.4 Đặc tính áp suất 48

2.5 Tiểu kết 48

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH CỦA CỌC ĐÀN HỒI VAN SERVO VÒI PHUN ĐIỆN THỦY LỰC 49

3.1 Kết cấu cọc đàn hồi van servo vòi phun điện thủy lực 49

3.2 Phân tích đặc tính cọc đàn hồi van servo vòi phun 51

3.2.1 Nguyên lý làm việc của cọc đàn hồi 51

3.2.2 Thiết kế tối ưu độ cứng uốn của cọc đàn hồi van servo vòi phun 52

3.2.2.1 Hàm mục tiêu 53

3.2.2.2 Xác định độ cứng uốn của cọc đàn hồi 57

3.3 Xác định độ cứng cọc đàn hồi bằng phần mềm Abaqus 63

3.3.2 Xác định độ cứng cọc đàn hồi bằng mô phỏng 63

3.4 Kiểm nghiệm độ bền của cọc đàn hồi van servo vòi phun 66

3.5 Tiểu kết 69

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ĐỘ CỨNG VÀ MOMEN QUÁN TÍNH KHỐI LƯỢNG CỦA CỤM PHẦN ỨNG VAN SERVO VÒI PHUN 70

4.1 Hàm truyền của van servo vòi phun điện thủy lực 70

4.1.1 Đặc tính tần số và đặc tính thời gian của van servo vòi phun 70

4.1.2 Hàm truyền và sơ đồ hàm truyền của van servo vòi phun 73

4.2 Torque motor và ảnh hưởng của các thông số torque motor đến đặc tính động lực học van servo vòi phun 77

4.2.1 Torque motor van servo vòi phun điện thủy lực 77

4.2.2 Ảnh hưởng các thông số torque motor đến đặc tính động lực học 78

4.2.2.1 Ảnh hưởng số vòng cuộn dây đến đặc tính động lực học 79

4.2.2.2 Ảnh hưởng của độ dài khe hở đến đặc tính động lực học 80

4.2.2.3 Ảnh hưởng của khoảng cách đến đặc tính động lực học 80

4.2.2.4 Ảnh hưởng diện tích mặt cực đến đặc tính động lực học 81

4.2.2.5 Ảnh hưởng độ cứng tổng hợp đến đặc tính động lực học 82

4.2.2.6 Ảnh hưởng áp suất nguồn dầu đến đặc tính động lực học 82

4.2.2.7 Ảnh hưởng nhiệt độ/tỷ trọng dầu đến đặc tính động lực học 83

4.2.2.8 Ảnh hưởng của dòng điện đến đặc tính động lực học 84

4.3 Thiết kế độ cứng tổng hợp của động cơ điều khiển xoay 85

4.3.1 Độ cứng tổng hợp và độ cứng ống đàn hồi 85

4.3.2 Tính toán tối ưu độ cứng torque motor 88

4.4 Cụm phần ứng van servo vòi phun điện thủy lực 101

4.5 Ảnh hưởng của momen quán tính khối lượng cụm phần ứng đến đặc tính động lực học van servo vòi phun điện thủy lực 101

4.5.1 Độ rộng băng thông tần số của tầng điều khiển van 101

4.5.2 Phân tích mô hình toán cụm phần ứng 102

4.6 Xác định momen quán tính khối lượng cụm phần ứng 104

4.6.1 Hàm truyền đạt cụm phần ứng 104

4.6.2 Xác định giá trị tối ưu của momen quán tính khối lượng 105

4.7 Tiểu kết 109

CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 110

5.1 Thực nghiệm momen quay torque motor van servo vòi phun 110

5.1.1 Mục đích thực nghiệm 110

5.1.2 Thiết bị thực nghiệm 110

5.2 Thực nghiệm đặc tính tĩnh van servo vòi phun điện thủy lực 114

5.2.1 Mục đích thực nghiệm 114

5.2.2 Thiết bị thực nghiệm 114

5.2.3 Thực nghiệm 116

5.3 Thực nghiệm đặc tính động lực học tầng điều khiển van vòi phun 118

5.3.1 Mục đích thực nghiệm 118

5.3.2 Thiết bị thực nghiệm 118

5.3.3 Thực nghiệm 121

5.3.4 Nhận xét và kết luận thực nghiệm 124

5.3.5 Thực nghiệm với momen quán tính cụm phần ứng 126

5.4 Tiểu kết 128

CHƯƠNG 6 TỔNG KẾT và HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 129

6.1 Tổng kết 129

6.2 Hướng phát triển của đề tài 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 138

Ký hiệu Diễn giải

a khoảng cách từ tâm mặt cực từ đến tâm quay phần ứng, tức cánh

tay momen lực điện từ

A g diện tích bề mặt cực từ

A v diện tích mặt đầu con trượt van

C hệ số giảm chấn nhớt con trượt (trục chính van)

I momen quán tính chống uốn mặt cắt ngang cọc

i c dòng điện điều khiển đầu vào

J a momen quán tính khối lượng của cụm phần ứng

K m độ cứng đàn hồi từ với phần ứng ở chính giữa torque motor

K mf độ cứng tổng hợp của torqur motor

K q hệ số gia tăng lưu lượng van servo vòi phun

K qr hệ số gia tăng lưu lượng ở vòi phun

K t hệ số momen điện từ ứng với phần ứng ở vị trí chính giữa của

torque motor

K u hệ số khuếch đại điện áp của bộ khuếch đại

K vf hệ số khuếch đại vòng hở đường phản hồi lực

L điện cảm đối với dòng điện điều khiển i c

l 0 chiều dài cọc đàn hồi

M 0 thế từ động của nam châm vĩnh cửu

M max momen uốn lớn nhất trong cọc đàn hồi

m v khối lượng con trượt (trục chính van)

N c số vòng mỗi cuộn dây điều khiển

N c ∆i thế từ động điều khiển do dòng điện điều khiển sinh ra

P áp suất tác dụng lên một đơn vị thể tích chất lỏng

p 0 chênh lệch áp suất ở cửa van

p L áp suất phụ tải trong van

q lưu lượng qua cửa van hình chữ nhật lý tưởng

q L lưu lượng đầu ra van, tức lưu lượng để đẩy con trượt di chuyển

r khoảng cách từ tâm quay cọc phản hồi đến đầu mút cọc phản hồi

R điện trở đối với dòng điện điều khiển i c

T d momen sinh ra ở phần ứng khi có dòng điện vào torque motor

u c điện áp điều khiển đi ra bộ khuếch đại để cấp cho torque motor

u g điện áp điều khiển đi vào bộ khuếch đại

u θ suất phản điện động torque motor

v vận tốc dòng chảy qua mặt cắt nhỏ nhất ở cửa van

V 0 dung tích một khoang áp suất khi con trượt nằm vị trí chính giữa

w độ bậc diện tích cửa van

W x mô đun chống uốn mặt cắt

x khoảng di chuyển lệch khỏi vị trí chính giữa của đầu phần ứng

x f thành phần đáp ứng cưỡng bức của phương trình vi phân

x n thành phần đáp ứng tự nhiên của phương trình vi phân bậc hai

x v chuyển vị con trượt (trục chính van)

 , 2 các hệ số phụ thuộc vào chế độ dòng chảy, bằng 1 nếu dòng

chảy rối, và bằng 2 nếu dòng chảy tầng

∆i chênh lệch cường độ dòng điện giữa hai cuộn dây

µ o suất từ thẩm chân không

β góc dòng chảy qua cửa van theo hướng trục chính

δ độ võng của cọc đàn hồi

ε biến dạng trong cọc đàn hồi

ζ tỷ số giảm chấn nhớt

ζ mf tỷ số giảm chấn cơ khí của torque motor

θ góc quay của phần ứng, tức góc quay của ống đàn hồi

μ độ nhớt động lực lưu chất

ν độ nhớt động học của lưu chất

ρ mật độ khối lượng môi chất

ζ ứng suất uốn phát sinh bên trong cọc đàn hồi

ϕ từ thông đi qua cực từ

ϕ 1 từ thông đi qua khe hở ① và ③

ϕ 2 từ thông đi qua khe hở ② và ④

ϕ c thông lượng điều khiển khe hở khi phần ứng ở vị trí chính giữa

ϕ g từ thông phân cực của khe hở khi phần ứng ở vị trí chính giữa

ω tần số góc của chuyển động khi hệ thống trong trạng thái bị cản

ω a tần số chuyển trạng thái cuộn dây

ω b độ rộng băng thông

ω mf tần số tự nhiên của torque motor

Tên hình Diễn giải Trang

Hình 1.3 Sơ đồ kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực 5 Hình 1.4 Định hướng phát triển công nghệ van servo điện thủy lực của

Hình 1.5 Bộ điều khiển servo điện thủy lực của cabin lái máy bay A340 17 Hình 1.6 Các ứng dụng của van servo vòi phun điện thủy lực (EHSV)

Hình 1.7 Modul điều khiển áp suất phanh tự động máy bay Boeing 18 Hình 1.8 Ứng dụng van servo vòi phun trong ngành vũ trụ 20 Hình 2.1 Van servo vòi phun có khả năng làm việc tốt khi bị bụi bẩn 22 Hình 2.2 Van servo jet pipe / flapper nozzle điện thủy lực 23 Hình 2.3 Kích thước thật bộ khuếch đại thủy lực của hai loại van servo

Hình 2.4 Hoạt động của van khi có / không có dòng điện đầu vào 24 Hình 2.5 Các bộ phận cấu thành van servo vòi phun điện thủy lực 26 Hình 2.6 Sơ đồ kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực 27

Hình 2.8 Nguyên lý làm việc của thiết bị có dòng chảy rối 30 Hình 2.9 Ảnh hưởng của dòng phun rối đến lớp lưu chất xung quanh 31

Hình 2.11 Hệ thống điều khiển chuyển động bàn làm việc với thiết bị

Hình 2.13 Mô hình vật lý cho torque motor của van servo vòi phun điện

Hình 2.16b Sơ đồ đoạn thẳng cho điều kiện ban đầu van servo vòi phun 43 Hình 2.17 Vị trí tương đối giữa mép trên con trượt và mép thành van 45 Hình 2.18 Mô hình vật lý lực thủy động tĩnh trong khoang van 46 Hình 2.19 Mô hình vật lý của con trượt cấp công suất khi van hoạt động 47

Hình 2.22 Đặc tính lưu lượng không tải van servo vòi phun 51

Hình 2.24 Đồ thị đặc tính lưu lượng - áp suất theo dòng điện đầu vào 53 Hình 3.1 Kết cấu, nguyên lý làm việc van servo vòi phun điện thủy lực 54

Hình 3.2b Kết cấu và yêu cầu kỹ thuật cọc đàn hồi van servo vòi phun 56

Hình 3.7 Phân bố biến dạng, chuyển vị phần tử hữu hạn cọc đàn hồi 70

Hình 4.3 Sơ đồ hàm truyền bộ khuếch đại vòi phun van servo vòi phun 80 Hình 4.4 Sơ đồ hàm truyền bộ khuếch đại thủy lực vòi phun 80 Hình 4.5 Sơ đồ giản lược van servo vòi phun điện thủy lực 81

Hình 4.7 Đáp ứng lưu lượng với số vòng cuộn dây (N c) thay đổi 84 Hình 4.8 Đáp ứng đặc tính lưu lượng với độ dài khe hở (g) thay đổi 85 Hình 4.9 Đáp ứng đặc tính lưu lượng với khoảng cách (a) thay đổi 85 Hình 4.10 Đáp ứng lưu lượng khi diện tích mặt cực từ (A g) thay đổi 86 Hình 4.11 Đáp ứng lưu lượng khi áp suất nguồn dầu (p s) thay đổi 87 Hình 4.12 Đáp ứng lưu lương khi nhiệt độ nguồn dầu (t 0

C) thay đổi 88

Hình 4.13 Đáp ứng động lực học khi dòng điện i c thay đổi 89 Hình 4.14 Mô hình vật lý của cụm phần ứng van servo vòi phun 90 Hình 4.15 Biểu đồ Bode hàm truyền vòng hở van servo vòi phun 96 Hình 4.16 Biểu đồ Bode hàm truyền vòng kín van servo vòi phun 97

Hình 4.18 Đáp ứng bước hệ thống với các độ cứng tổng hợp khác nhau 100 Hình 4.19 Biểu đồ Bode hệ thống với các độ cứng tổng hợp khác nhau 101 Hình 4.20 Sơ đồ kết cấu cụm phần ứng van servo vòi phun điện thủy lực 103 Hình 4.21 Ảnh hưởng của momen quán tính J a đến đáp ứng thời gian 105

Hình 4.22 Ảnh hưởng của momen quán tính J a đến đặc tính tần số 105 Hình 4.23 Quan hệ giữa momen quán tính cụm phần ứng J a và độ rộng

Hình 5.2 Torque motor van servo vòi phun điện thủy lực 113

Hình 5.4 So sánh lý thuyết và thực nghiệm quan hệ giữa momen và

Hình 5.5 Dụng cụ thực nghiệm đặc tính tĩnh van servo vòi phun 118

Hình 5.7 Thiết bị thực nghiệm đáp ứng động lực học cụm phần ứng van

Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm đặc tính động lực học 120

Hình 5.10 Biểu đồ Bode thực nghiệm và mô phỏng đáp ứng tần số van

Hình 5.11 Quan hệ giữa momen quán tính khối lƣợng với độ rộng băng

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Từ chiến tranh thế giới thứ 2, do sự cần thiết phải thiết kế và chế tạo các hệ thống như: lái máy bay tự động, ngắm bắn tự động, điều khiển anten của radar, cùng nhiều hệ thống thiết bị quân sự khác đều dựa trên phương thức điều khiển phản hồi mà sự phát triển về lý thuyết cũng như ứng dụng của điều khiển tự động ra đời Ngày nay với kỷ nguyên không gian, một động lực nữa của kỹ thuật điều khiển xuất hiện, đó là sự cần thiết phải thiết kế các hệ thống điều khiển vô cùng phức tạp

và có độ chính xác cao cho các hệ thống tên lửa và hệ thống thăm dò không gian

Hệ thống điều khiển chính xác vị trí thường thấy là hệ thống servo điện thủy lực hoặc servo thủy lực Ở các hệ thống điều khiển này có nhiều loại phần tử điều khiển khác nhau, trong đó có phần tử van servo

Van servo là loại van được sử dụng để điều khiển liên tục chuyển vị, tốc độ hoặc lực/mô men của các cơ cấu chấp hành theo yêu cầu định vị chính xác hoặc cần sự chính xác trong các điều kiện hoạt động khác nhau Trong khi đó, van điện thủy lực

có khả năng thay đổi áp suất của lưu chất cho công suất lớn ở đầu ra cửa van để vận hành các cơ cấu chấp hành chuyển động thông qua tín hiệu dòng điện yếu ở đầu vào

bộ điều khiển của van

Van servo điện thủy lực (EHSV) có rất nhiều loại khác nhau, nó là linh kiện mấu chốt của hệ thống servo điện thủy lực Nó là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng thủy lực thông qua bộ khuếch đại công suất thủy lực được tích hợp bên trong van Van có thể chuyển đổi tín hiệu điện yếu ở đầu vào thành tín hiệu thủy lực (như áp suất, lưu lượng) có công suất lớn ở đầu ra Van servo vòi phun (jet pipe) là van servo điện thủy lực trong đó bộ khuếch đại công suất thủy lực

là vòi phun thủy lực có áp suất cao

Van servo vòi phun điện thủy lực có khả năng chống bụi bẩn tốt, độ tin cậy làm việc cao, lực truyền động cho trục chính van khá lớn Nếu có cùng kích thước thì công suất đầu ra của bộ khuếch đại van servo vòi phun (jet pipe) lớn hơn công suất của van servo bản chắn (flapper nozzle) nên van vòi phun có thể truyền động cho trục chính van có đường kính lớn (lớn hơn đường kính trục chính van flapper nozzle)

ở cấp thứ hai Hình 0.1 là sơ đồ kết cấu của hai loại van servo điện thủy lực thông dụng hiện nay gồm: van servo vòi phun (jet pipe servo valve) và van servo bản chắn (flapper-nozzle servo valve) [1, 2] Tuy nhiên, nhược điểm của van servo vòi phun

công suất đầu ra Hình 0.2 chỉ ra kích thước (đơn vị mm) của bộ khuếch đại thủy lực trong các loại van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực và van servo bản chắn (flapper nozzle) điện thủy lực [3, 4]

(a) (b)

Hình 0.1 (a) Van servo vòi phun điện-thủy lực; (b) Van servo bản chắn điện-thủy lực

1 Ống thu hồi áp suất; 2 & 4 Vòi phun; 3 Bản chắn.

Hình 0.2 Kích thước (mm) bộ khuếch đại thủy lực của hai loại van servo điện thủy lực

(a) Van servo vòi phun điện thủy lực; (b) Van servo bản chắn điện thủy lực

Bảng 0.1 Tiêu chí đánh giá / so sánh giữa van servo vòi phun và bản chắn

Kích thước hạt lưu chất qua bộ lọc dầu ≤ 25μm < 10μm

Khả năng làm việc bình thường ở áp suất thấp ≥ 0.5MPa > 3MPa

2 Tính cấp thiết của đề tài luận án

như khả năng chống ô nhiểm mạnh, độ tin cậy làm việc cao, tạo ra lực truyền động lớn hơn với các loại van khác cùng kích thước/công suất Ngoài ra, van vòi phun có tuổi thọ làm việc lâu Tuy nhiên, loại van này có đáp ứng động lực học chậm hơn so với các van servo bản chắn Mặt khác, các phiên bản chế tạo van servo điện thủy lực

ở các công ty chế tạo dù cũ hay mới thì các thông tin về kỹ thuật luôn bị kiểm soát

và không tiết lộ Vì vậy không có một lý thuyết hoàn chỉnh hay phương pháp luận cho việc thiết kế van servo vòi phun điện thủy lực ở Việt Nam phát triển Theo tình hình nghiên cứu van servo điện thủy lực, loại van servo bản chắn đã được nhiều tác giả nghiên cứu đến, nhưng ở van servo vòi phun thì còn nhiều vấn đề hãy còn bỏ ngõ chưa được nghiên cứu sâu hoặc chưa được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế Hiện nay chưa có công bố hoặc công khai phương pháp việc thiết kế, tính toán lý thuyết cụ thể cho loại van servo vòi phun điện thủy lực Việc tính toán, thiết

kế loại van servo này chủ yếu chỉ dựa vào thực nghiệm hoặc kinh nghiệm của nhà chế tạo Đây là một vấn đề khó khăn lớn cho việc thiết kế van servo vòi phun điện thủy lực Trong các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chỉ chủ yếu đề cập đến sự thay đổi áp suất và lưu lượng của trường dòng chảy khi ra khỏi vòi phun mà chưa quan tâm nhiều đến kết cấu cơ khí của cấp thứ nhất của van servo vòi phun điện thủy lực Do vậy mà luận án này được đề xuất để nghiên cứu các vấn đề nêu trên

3 Ý nghĩa khoa học của kết quả luận án

Hiện nay có các xu hướng phát triển van servo điện thủy lực như: thiết kế kết cấu cơ khí, chế tạo van bằng hợp kim nhớ hình hay sử dụng kỹ thuật điều khiển số hóa, kỹ thuật điện tử Ở luận án này chủ yếu đi sâu nghiên cứu thiết kế kết cấu cơ khí cho van Kết quả luận án có ý nghĩa khoa học như sau:

- Luận án đã xây dựng mô hình toán làm cơ sở lý thuyết cho việc tính toán và thiết

kế kết cấu ở tầng điều khiển van vòi phun như cọc (càng) đàn hồi, cụm phần ứng;

- Để nâng cao đặc tính đáp ứng động lực học cho van servo vòi phun, luận án đã tính toán, thiết kế ưu hóa các thông số kết cấu cơ khí của tầng điều khiển van

4 Ý nghĩa thực tiễn của kết quả luận án

- Đề tài đã cải thiện được các chỉ tiêu đáp ứng động lực học của tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực nhằm đảm bảo cho van hoạt động ổn định hơn

- Đề tài đã đề xuất phương pháp lý thuyết cơ bản cho việc thiết kế và chế tạo van servo điện thủy lực của ngành công nghiệp chế tạo van servo ở Việt Nam

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Trong chương này giới thiệu sơ lược lịch sử phát triển van servo vòi phun điện thủy lực, hiện trạng phát triển trong, ngoài nước và ý nghĩa việc nghiên cứu van servo vòi phun, đồng thời trình bày những nội dung nghiên cứu chủ yếu

1.1 Bối cảnh và ý nghĩa phát triển van servo vòi phun điện thủy lực

Van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực (EHSV) là loại van có thể chuyển đổi tín hiệu điện yếu ở đầu vào thành tín hiệu thủy lực (như áp suất, lưu lượng) công suất lớn ở đầu ra Hiện nay van servo điện thủy lực có rất nhiều loại khác nhau Hình 1.1 giới thiệu một số loại van servo vòi phun điện thủy lực điển hình [1, 3]

Hình 1.1 Một số loại van servo vòi phun điện thủy lực (EHSV)

1.1.1 Bối cảnh phát triển của van servo điện thủy lực

Trước đại chiến thế giới 2, do yêu cầu phát triển mạnh của các ngành hàng không,

vũ trụ, công nghiệp mà kỹ thuật điều khiển thủy lực xuất hiện và phát triển

Van servo điện thủy lực và kỹ thuật điều khiển điện thủy lực bắt nguồn từ việc điều khiển hành trình của hệ thống kiểm soát đạn đạo và hệ thống dẫn đường [2, 3] Năm

1946, hãng Tinsley (Anh quốc) lần đầu tiên chế tạo ra van servo 2 cấp, sử dụng thanh điện từ trực tiếp dẫn động trục van trượt ở cấp 1, trục này gây ra sự chênh lệch áp suất

để dẫn động con trượt ở cấp 2 Loại van 2 cấp này đã sử dụng hiệu quả áp suất lưu chất

để khắc phục vùng chết (của loại van chỉ có 1 cấp) do không đủ lực đẩy Khi đó, phòng thực nghiệm điều khiển và phân tích động lực học van servo của hãng MIT đã đưa ra hai vấn đề cải tiến cho van servo 2 cấp như sau: Thứ nhất là dùng momen xoắn

từ trường vĩnh cửu thay cho thanh nam châm truyền động cho cấp 1, điều này đã làm giảm đáng kể tổn thất năng lượng, đồng thời nâng cao độ tuyến tính van Thứ hai là dùng cảm biến vị trí để dịch chuyển con trượt của van 2 cấp phản hồi điện, do vậy đã làm giảm nhỏ ảnh hưởng ma sát lớn ở cấp 1, cải thiện khá lớn và đáng kể đặc tính vùng chết của con trượt van có phản hồi điện

Năm 1950, W.C Moog Jr (người Mỹ) lần đầu tiên đưa ra kỹ thuật van servo điện thủy lực dùng cho ngành hàng không, vũ trụ Đây là van servo không ma sát ở cấp 1,

có tác dụng giảm nhỏ giá trị ngưỡng và nâng cao đặc tính đáp ứng van Từ năm 1950 trở đi, kỹ thuật điều khiển thủy lực đã ứng dụng phổ biến trong các ngành hàng không,

vũ trụ, tàu thuyền, luyện kim, ô tô, vv…[4, 5, 6] Năm 1953, hãng Carson đã từng bước cải tiến mới van 2 cấp có phản hồi cơ, thông qua quan hệ tỷ lệ giữa chuyển vị con trượt van và lực căng lò xo Lực lò xo trực tiếp tác dụng momen xoắn lên động cơ điều khiển xoay (torque motor) tạo nên phản hồi cơ Năm 1960, hãng Wolpin đã phân tách động cơ điều khiển xoay (torque motor) ra khỏi dầu Cấp 1 của van không có ma sát, còn cấp 2 cùng với đường phản hồi từ cấp 1 hình thành điều khiển vòng kín, torque motor ở dạng khô, áp suất hồi phục ở cấp công suất so với sơ cấp đạt đến 50%, kết cấu đối xứng (về phương diện cơ khí) ở cấp 1 đã làm giảm đi ảnh hưởng của sự biến đổi áp suất nguồn dầu cấp và nhiệt độ ở vị trí trung gian

1 cụm phần ứng (torque motor); 2 bộ khuếch đại thủy lực; 3 con trượt

Hình 1.2 Van servo vòi phun điện thủy lực

Thời kỳ đầu phát triển van servo điều khiển vòng hở kiểu trực tiếp, sau đó là van servo điều khiển vòng kín 2 cấp kiểu trực tiếp ra đời Bấy giờ van servo chủ yếu dùng

trong lãnh vực quân sự Cùng với sự phát triển của thời đại không gian, van servo được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không, vũ trụ, do vậy, van servo chế tạo ra cần có độ tin cậy cao và tinh xảo Năm 1963, công ty Moog đầu tiên giới thiệu sản phẩm van servo seri 73 sử dụng thích hợp cho ngành công nghiệp, loại này có những đặc trưng như sau: van có thể tích lớn, tiện lợi cho chế tạo, thân van làm bằng nhôm ở cấp 1 được chế tạo độc lập nên tiện lợi cho bảo trì và chỉnh sửa, nó phù hợp với việc

sử dụng ở nơi có áp suất thấp dưới 14 MPa Hình 1.2 là một loại van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực [3]

Công ty Park đã phát triển kỹ thuật Voice Coil Drive (VCD), dựa trên kỹ thuật này van điều khiển DFplus được phát triển Trong kỹ thuật VCD, kết cấu cơ bản là cuộn dây di động được trong ống nam châm vĩnh cửu hình trụ cố định Khi tín hiệu dòng điện vào cuộn dây, dưới tác dụng của hiệu ứng điện từ, trong cuộn dây sinh ra tín hiệu dòng điện tương ứng với lực tác dụng hướng trục và làm dịch chuyển trục chính van, trục này liên quan đến chuyển động của cuộn dây, lực truyền động rất lớn Van DFplus truyền động VCD trên thực chất là hoạt động theo phương thức điều khiển vòng kín, nên độ tuyến tính tương đối tốt

1.1.2 Ý nghĩa nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực

Hiện nay vấn đề nghiên cứu van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm Đặc điểm đặc thù của van servo vòi phun so với các loại van khác là kết cấu đơn giản hơn, độ gia công tinh không cần cao, đặc biệt là

nó có khả năng chống bụi bẩn mạnh, làm việc thì tin cậy, lực điều khiển thì nhỏ Van servo vòi phun có công suất ở cấp 1 và hiệu suất áp suất, hiệu suất lưu lượng lớn hơn so với van servo bản chắn (flapper nozzle) Có thể dùng van servo vòi phun trong hệ thống servo thủy lực công suất nhỏ Van servo vòi phun được coi là một bộ khuếch đại thủy lực phi tiết lưu, thiết kế kết cấu và nguyên lý làm việc có tính đặc thù cao, khả năng chống bụi bẩn mạnh, độ tin cậy làm việc cao, tuổi thọ sử dụng lâu [6] Van servo này sử dụng động cơ điều khiển xoay (torque motor) công suất lớn để trực tiếp kéo con trượt van và dùng cảm biến chuyển vị con trượt có độ chính xác cao làm phản hồi Do nó có kết cấu chính xác nên khi áp suất nguồn dầu cấp có sự biến đổi lớn,

sẽ làm tính năng thay đổi theo Vì trong kết cấu không có những chi tiết gia công khó

và phức tạp nên đã làm cho giá thành van servo vòi phun rẻ hơn so với loại van khác

và có thể sử dụng nó phổ biến trong lãnh vực điều khiển công nghiệp

Ngoài ra, van servo vòi phun còn được sử dụng cho những thiết bị công nghiệp loại lớn, hoạt động liên tục trong thời gian dài hoặc là những dây chuyền vận chuyển cần

tính an toàn cao Có thể thấy, van servo vòi phun điện thủy lực là linh kiện mấu chốt của hệ thống servo điện thủy lực và việc nghiên cứu loại van này có ý nghĩa quan trọng về kinh tế, về kỹ thuật ứng dụng trong ngành hàng không, vũ trụ.

1.Vỏ van; 2.Áo con trượt; 3.Con trượt; 4.Bộ thu hồi áp suất; 5.Cụm phần ứng

Hình 1.3 Sơ đồ kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực

1.2 Xu hướng phát triển van servo vòi phun điện thủy lực

Van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực phát triển rất nhanh, trước đại chiến thế giới hai, người ta mới chỉ phát minh ra van vòi phun đơn cấp và van bản chắn (flapper-nozzle) đơn cấp hai vòi phun Sau đó van servo 2 cấp loại vòi phun điện thủy lực và bản chắn điện thủy lực lần lượt xuất hiện Từ đó van servo vòi phun được dùng nhiều trong ngành hàng không, vũ trụ để điều khiển động lực học máy bay, còn van servo bản chắn dùng trên tàu thuyền, ngành luyện kim, công nghiệp nặng, vv…

Van servo vòi phun điện thủy lực ngày càng được dùng nhiều trong các lãnh vực khác nhau nên dựa vào nhu cầu sử dụng mà van đã không ngừng được cải tiến Hiện tại, các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào cải tiến phương pháp điều khiển, cải tiến kết cấu cơ khí và tìm vật liệu mới để chế tạo van Xu hướng phát triển công nghệ van servo điện thủy lực hiện nay chủ yếu thể hiện ở một số phương diện như thiết kế mới kết cấu, sử dụng vật liệu mới, tích hợp kỹ thuật thủy lực với kỹ thuật số hóa, kỹ thuật điện tử, cải tiến phương pháp đo lường Hình 1.4 là xu hướng phát triển công nghệ van servo điện thủy lực do công ty Moog khảo sát [5]

Về phương diện kết cấu: từng bước cải tiến tối ưu hóa kết cấu cơ khí cũng như kỹ thuật gia công Trong thiết kế và chế tạo cần có sự hỗ trợ của máy vi tính, từ đó đề xuất phương án sản xuất thỏa mãn yêu cầu cải thiện đặc tính van Ví dụ như van servo

sứ áp điện, van servo vòi phun truyền động trực tiếp đã ra đời Các chi tiết quan trọng thường phát sinh sự cố, đều có thể được thay mới, bảo đảm cho van servo luôn hoạt động bình thường Ngoài phương pháp truyền động trực tiếp cho động cơ điều khiển xoay (torque motor), còn có các phương án sử dụng động cơ bước, động cơ servo, kết cấu truyền động mới cho nam châm điện, hay van servo kết cấu chuyển đổi trực tiếp quang học thủy lực [4] Hơn nữa, công nghệ “triple mode redundancy” được ứng dụng vào chế tạo để thực hiện cải tiến kết cấu van servo vòi phun Những ứng dụng kỹ thuật mới này nhằm nâng cao các đặc tính tĩnh và động lực học cho van servo.

1 Van bản chắn; 2 Van vòi phun; 3 Van phun servo Hình 1.4 Định hướng phát triển công nghệ van servo điện thủy lực của công ty Moog

Về phương diện vật liệu: hiện nay đã ứng dụng các vật liệu mới vào việc nghiên cứu và chế tạo, ví dụ như vật liệu sắt từ trong bộ chuyển đổi của động cơ điều khiển xoay (torque motor) được thay bằng vật liệu phần tử áp điện hay hợp kim nhớ hình hay vật liệu siêu từ co giãn Mỗi loại vật liệu đều có đặc tính tuyệt vời riêng nhưng đều

có mục đích chung là nâng cao đặc tính động lực học van servo vòi phun điện thủy lực Trong chế tạo, đối với những chi tiết quan trọng thì dùng vật liệu ưu việt hơn về tính cứng, đàn hồi, cường độ, còn đối với các chi tiết dùng làm kín thì thay thế loại vật liệu mới để nâng cao tính chịu áp lực dầu cao, tính chống mài mòn

Về phương diện ứng dụng kỹ thuật điều khiển, số hóa và kỹ thuật điện tử: có hai phương thức, một là trong van servo điện thủy lực lắp thêm bộ chuyển đổi D/A để thực hiện điều khiển số, với công nghệ vi điện tử phát triển có thể lắp bộ điều khiển vào thân van, rồi thông qua lập trình trên máy vi tính để điều khiển đặc tính van, thực

hiện chức năng bù sai số, nhưng chú ý vấn đề mạch điện tương tự dễ sinh ra sự trôi điểm 0, trôi nhiệt, cần thêm chuyển đổi D/A tại chỗ giao tiếp Hai là van servo điều khiển số trực tiếp bằng cách dùng động cơ bước truyền động cho trục chính van, tín hiệu đầu vào chuyển hóa thành tín hiệu bước của động cơ để điều khiển lưu lượng đầu

ra của van servo [2] Do vậy van mới có những ưu điểm như kết cấu nhỏ gọn, có thể điều khiển vòng hở, vận tốc và vị trí và điều khiển số trực tiếp

Về phương diện đo lường: mỗi dụng cụ đo luôn có sai số cơ bản, kỹ thuật đo cũng

có sai số, nhiễu do tín hiệu điện từ bên ngoài đều gây ảnh hưởng đến kết quả đo lường

Vì vậy cần nâng cao độ chính xác đo của các dụng cụ đo lường, đồng thời cần nghiên cứu sâu kỹ thuật đo và thiết bị đo lường Ứng dụng máy vi tính để hỗ trợ thực hiện đo lường, tính toán các đặc tính tĩnh và động lực học của van Sử dụng các phương pháp như: tối ưu hóa tín hiệu đầu vào, giảm nhiễu wavelet, kỹ thuật lọc số để thực hiện nghiên cứu, chế tạo và cải thiện van

1.3 Hiện trạng nghiên cứu và ứng dụng van servo vòi phun điện thủy lực 1.3.1 Hiện trạng nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực

Trước đại chiến thế giới thứ hai, cùng với nhu cầu phát triển ngành công nghiệp

mà kỹ thuật điều khiển thủy lực ra đời, rất nhiều những nguyên lý điều khiển van cơ bản và bằng sáng chế là sản phẩm của thời đại này [4] Ví dụ công ty máy điều hòa Askania và Askania-Werke đã phát minh và xin cấp bằng sáng chế nguyên lý van servo vòi phun (jet pipe) Công ty Foxboro đã phát minh bằng sáng chế nguyên lý van servo bản chắn (flapper-nozzle) Công ty Siemens của Đức đã phát minh loại van có hai ngõ nhập tín hiệu vào (gồm điện và cơ) cho động cơ điều khiển xoay (torque motor) được làm bằng nam châm vĩnh cửu Lúc đó, loại van này được sử dụng trong ngành hàng không, vũ trụ Viện nghiên cứu Massachsetts Institute of Technology (MIT) đã chế tạo torque motor tiết kiệm năng lượng thay thế cuộn solenoid để dẫn động trục van, làm cho công suất tiêu hao của torque motor càng giảm nhỏ và độ tuyến tính càng tốt [6] Sau đại chiến thế giới thứ hai, do nhu cầu và kích thích của quân sự mà lý thuyết điều khiển tự động, đặc biệt là nghiên cứu hệ thống điều khiển vũ khí hoặc thiết bị bay

đã phát triển thêm một bước, đây là động lực thúc đẩy nghiên cứu và chế tạo mới van servo điện thủy lực Năm 1950 công ty Moog đã phát minh ra van servo hai cấp dùng một vòi phun ở phần sơ cấp [2, 5] Từ năm 1953 đến năm 1955, công ty Carson, trên

cơ bản, đã phát minh ra van servo hai cấp có phản hồi cơ khí, sau đó được công ty Moog cải tiến thành kết cấu có hai vòi phun và hãng Wall đã cải tiến cọc điện từ kiểu

ướt thành kiểu khô để khắc phục vấn đề ban đầu là torque motor bị ngâm trong dầu thủy lực nhiễm bẩn nên làm ảnh hưởng đến độ tin cậy Năm 1957, công ty Acclli phát minh ra van servo hai cấp điện thủy lực có vòi phun ở sơ cấp và đến năm 1959 nghiên cứu chế tạo thành công van servo ba cấp phản hồi tín hiệu điện Sản phẩm van servo bấy giờ chủ yếu có hai loại: loại phản hồi điện và loại phản hồi cơ khí Kết cấu van servo jet pipe phản hồi cơ là kiểu kết cấu của seri sản phẩm Moog/Atchley-208A, nó

có đặc điểm cơ bản là dùng cọc (càng) đàn hồi truyền thống để thực hiện phản hồi cơ

và hình thành nên điều khiển vòng kín cho van servo Ưu điểm của kiểu này là kết cấu tinh gọn, nhưng độ khó chế tạo lớn [6] Đặc điểm cơ bản của kết cấu van servo jet pipe phản hồi điện là dùng cảm biến và bộ khuếch đại để thực hiện phản hồi, hình thành nên điều khiển vòng kín cho van servo

Ở Mỹ, do đặc điểm van servo vòi phun có độ tin cậy cao nên được sử dụng phổ biến trong lãnh vực hàng không, vũ trụ Máy bay chiến đấu cơ và máy bay dân dụng của Mỹ đều sử dụng van servo vòi phun điện thủy lực Từ 1965 đến tháng 7/1971, công ty hàng không Mỹ đã tiến hành theo dõi, điều tra hơn 9000 van servo vòi phun, kết quả cho thấy thời gian giữa hai lần xảy ra hỏng hóc của van là 115000 giờ [8] Năm 1963 công ty Moog đã nghiên cứu chế tạo ra van servo điện thủy lực seri 73, loại này thỏa mãn các yêu cầu về độ tinh sạch của dầu thủy lực dùng cho công nghiệp [12] Để đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp hiện đại, việc nghiên cứu chế tạo, thiết kế kết cấu van servo cơ bản vẫn tiếp tục phát triển Ví dụ như thể tích van thay đổi lớn (so với van dùng trong ngành hàng không vũ trụ), vật liệu van không làm bằng thép rèn, cấp dẫn hướng thiết kế độc lập để thuận lợi cho bảo trì và chỉnh sửa, giảm phạm vi áp suất cho phép của van xuống 10 MPa đến 20 MPa, không còn loại 30 MPa như ban đầu, bắt đầu sản xuất theo tiêu chuẩn hóa, giảm thấp giá thành sản phẩm, thỏa mãn các nhu cầu dân dụng Cùng với nhu cầu ứng dụng van servo trong ngành luyện kim không ngừng mở rộng, một số nhà máy sản xuất đã nghiên cứu, chế tạo ra van servo chuyên ứng dụng trong lãnh vực công nghiệp nặng [4] Công ty Bosch đã nghiên cứu, chế tạo van servo phản hồi điện có vòi phun ở phần sơ cấp Năm 1974, công ty Moog lại đưa ra van servo ba cấp phản hồi điện, ống phun lớn, giá cả thấp

Ở Trung quốc các nhà máy sản xuất van servo là viện nghiên cứu 609 và 618, nhà máy công cụ QinFeng, viện nghiên cứu máy công cụ Bắc Kinh, viện nghiên cứu 18, viện nghiên cứu 704 thuộc tập đoàn công nghiệp nặng tàu thủy Trung quốc vào thập niên 80 đã nghiên cứu chế tạo thành công van servo vòi phun kiểu CSDY1, là loại van servo phản hồi cơ khí, nó có thể sử dụng dầu thủy lực dưới tiêu chuẩn NAS8 [1, 8]

Về phương diện nghiên cứu học thuật, gần đây, nhiều tác giả đã nghiên cứu chuyên sâu về van servo vòi phun điện thủy lực và đã đạt được nhiều kết quả tốt Tác giả Krivts, IL [7] đã nghiên cứu các đặc tính tĩnh và đặc tính động của van servo bản chắn theo ba tầng khác nhau (gồm tầng phun từ vòi, tầng lưu chất vào và tầng thoát lưu chất) bằng phương pháp mô phỏng trên máy vi tính Kết quả cho thấy giá trị tối ưu của các đặc tính tĩnh và động có thể xác định nếu diện tích ảnh hưởng giữa các cửa nguồn và tầng thoát lưu chất có một giá trị xác định nào đó

Vận dụng phần mềm CFD, tác giả Li [9] đã thiết lập mô hình lưới phần tử hữu hạn ba chiều cho dòng chảy và trường dòng tia phun, kết hợp phần mềm FLUENT để mô phỏng đặc tính dòng chảy Đồng thời Li cũng nghiên cứu ảnh hưởng các kích thước hình học của bộ khuếch đại công suất và các điều kiện biên đến đặc tính dòng chảy trong van servo vòi phun điện thủy lực dùng lưu chất là nước

Các tác giả Jazayeri, S.A , Ebrahimi, M [10] đã thực hiện tối ưu hóa hoạt động của hệ thống van servo vòi phun bằng cách dựa vào áp suất hồi phục tại hai đầu con trượt và mức độ tuyến tính của thông số áp suất theo góc lệch của vòi phun và xem vấn đề này

là tiêu chuẩn tối ưu Ở đây, việc tối ưu hoạt động của van servo vòi phun bằng các thông số kết cấu đã chưa được xét đến Ngày nay van servo vòi phun điện thủy lực ba cấp đã xuất hiện, việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu chính trong van đến các đáp ứng tĩnh và động là điều hết sức quan trọng Vì vậy nhóm tác giả Lin Wu

và Lei Zhang, vv đã thực hiện đề tài này [11] Ảnh hưởng của độ rộng khe hở ở cửa van servo đến hoạt động của hệ thống điều khiển vị trí theo hàm truyền vòng kín được triển khai bởi các tác giả Rafa A.H.AL và Yahya A.F [13], điều khiển vị trí vòng kín cho cơ cấu chấp hành dùng van servo điện thủy lực Kết quả cho thấy van servo loại

„under- lapped‟ hoạt động trong miền khe hở rộng thì cả đặc tính tĩnh và động lực học của van đều tốt hơn so với loại van không khe hở „zero lapped‟ Vậy, ảnh hưởng của các thông số kết cấu cơ khí đến đáp ứng tầng điều khiển đã không được đề cập đến Các tác giả Wu Shuai và Jiao ZongXia [15] đề xuất loại van servo điện thủy lực điều khiển dạng xoắn ốc cho đáp ứng nhanh và lưu lượng định mức cao bằng cách dùng tầng điều khiển dạng mạch cầu thủy lực dạng xoắn để làm bộ khuếch đại thủy lực Thông qua nghiên cứu tác giả đã thiết kế ra van servo có kết cấu nhỏ gọn hơn và có độ tin cậy cao hơn so với các van servo truyền thống Một mô hình toán phi tuyến cho van servo khí nén loại bản chắn có bốn cửa đã được thiết lập bởi nhóm tác giả Wang

và Cai, vv [16] Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của họ cho biết lực thủy động có ảnh hưởng trực tiếp đến các đáp ứng tĩnh và động của van servo Tuy

nhiên các đặc tính tĩnh và đặc tính động của van servo điện thủy lực có bị ảnh hưởng bởi các thông số kết cấu cơ khí hay không vẫn còn là vấn đề bỏ ngõ Gần đây, các tác giả Li, Song, vv [17, 40] đưa ra nguyên lý làm việc, kết cấu van servo vòi phun dùng dung dịch từ tính Nhằm có thể cải thiện các đặc tính tĩnh và động cho van servo vòi phun, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng khe hở từ của động cơ điều khiển xoay (torque motor) van servo vòi phun đến các đáp ứng của hệ thống khi cho thêm dung dịch từ tính vào torque motor Tuy nhiên, thông số kết cấu cơ khí của torque motor chưa được các tác giả này đề cập đến

Đặc tính động lực học cơ cấu vòi phun khí nén của van servo vòi phun điện khí nén được nhóm tác giả Paul Henri và Hollerbach, vv [19] nghiên cứu Nghiên cứu đưa ra

mô hình dòng chảy phi tuyến và đáp ứng động lực học của vòi phun và miệng vòi Thông qua đáp ứng động lực học từ hàm truyền vòng kín và vòng hở, độ rộng tần số được khảo sát, độ rộng tần số đạt lớn nhất là 40Hz và nhỏ nhất là 10Hz Ở bài báo này,

mô hình ảnh hưởng của các thông số kết cấu cơ khí đến việc nâng cao tính năng hoạt động cho van servo vòi phun chưa được xem xét Các tác giả Somashekhar và Singaperumal, vv [20, 22, 35] đã làm mô phỏng đặc tính tĩnh cho van servo vòi phun bằng phần mềm phần tử hữu hạn FEM Áp suất hồi phục, lưu lượng hồi phục ở cấp công suất của van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực được xác định thông qua mô phỏng bằng phần mềm Abaqus, chúng phụ thuộc vào chuyển vị của vòi phun và con trượt van Với phần mềm này, đặc tính động lực học của con trượt cấp công suất đã được các tác giả phân tích nhưng đặc tính động lực học của tầng điều khiển đã không được nhắc đến ở bài báo này Mô hình quan hệ giữa dòng điện và lưu lượng cho van servo điện thủy lực với các van loại khác nhau như „under lapped‟, „zero lapper‟ và

„over lapper‟ đã được thiết lập bởi tác giả Sadooghi và các cộng sự [24] Đường đặc tính này có ba vùng chính: vùng chết, vùng tuyến tính và vùng bão hòa Mô hình cho phép xác định chính xác các đường đặc tính như: độ nhạy lưu lượng, lưu lượng bão hòa, dòng điện bão hòa ở vùng chết Mô hình này còn có thể khảo sát ảnh hưởng của

sự thay đổi các thông số hình học của van đến đường đặc tính dòng điện – lưu lượng Vậy là tác giả chưa có khảo sát đáp ứng động lực học cho van servo điện thủy lực Dusan Gordić cùng với Babić, vv [25] đã dựa vào mô hình toán kết hợp với thực nghiệm cho van servo bản chắn (flapper nozzle) hai cấp điện thủy lực phản hồi cơ để thực hiện để đánh giá độ nhạy cảm của các thông số kết cấu van Tác giả Tian [28] đã giới thiệu nguyên lý làm việc van servo điện thủy lực hai cấp phản hồi điện kiểu cuộn

dây động và dựa vào phương pháp trực tuyến đơn giản để thực hiện điều chỉnh độ dốc van servo điện thủy lực loại cao tần

Nghiên cứu độ tin cậy của các đặc tính động lực học van servo vòi phun dựa trên mạng Petri ngẫu nhiên đã được nhóm tác giả Chu YuanBo, vv [29] thực hiện Nhóm tác giả Mesropyan, A.V ; Sharipov, R.P [30] đã thiết lập mô hình toán sử dụng bộ điều khiển hai chế độ cho cơ cấu servo trong điều khiển vòng lặp Mô hình này sử dụng tỷ

số lưu lượng khối để việc mô phỏng số được thực tế và ổn định hơn Mô phỏng động lực học đã thể hiện rõ ứng xử của cơ cấu servo theo các bộ điều khiển khác nhau trong diều khiển vòng lặp Còn mô hình toán dùng để kiểm tra các bộ điều khiển tỷ lệ và các loại bộ điều khiển lặp trình Các tác giả Al Saloum và Shawki, vv [31] đã nghiên cứu nhận dạng bằng thông số thực nghiệm cho mô hình cơ cấu servo điện khí nén loại có hiệu suất cao Bài báo đã xác định lưu lượng khối thông qua phương trình động lực học áp suất trong khoang xylanh mà không dùng đến cảm biến lưu lượng Thông qua nhận dạng thực nghiệm đáp ứng tần số, các tác giả đã tìm ra các trường hợp đáp ứng liên quan đến đặc tính động lực học không có mô hình Ngoài ra, mô hình thực nghiệm còn cho mô hình ma sát tĩnh là một hàm theo tốc độ và áp suất trong hai khoang xylanh Ở bài báo này, các tác giả chưa quan tâm đáp ứng của van theo thông số kết cấu van Dựa vào mô hình dòng phun của van servo vòi phun, tác giả Chen Jia và các cộng sự [32] đã thiết lập phương trình chuyển động của con trượt dựa trên phương trình Navier-Stokes và Reynolds cho lưu chất từ dòng phun đến ống thu hồi áp suất Kết quả cho thấy cường độ dòng xoáy làm chậm đáp ứng bước của van servo Ngoài ra, tác giả Chen Jia còn cho biết góc giữa hai ống thu hồi áp suất tốt nhất là 450

Bằng phương pháp phần tử hữu hạn, các tác giả Zhao KaiYu và Wu QingXun, vv [34]

đã phân tích các kết cấu torque motor, ống đàn hồi, ống thu hồi áp suất, vv Nghiên cứu cho thấy có mối liên hệ toán học giữa dữ liệu đầu vào - đầu ra của van, và các đáp ứng của van servo Các tác giả B Lennox và A.D Ball, vv [36] đã nghiên cứu sự kết hợp giữa mô hình tuyến tính với ngưỡng tự thích nghi của tín hiệu để phát hiện các lỗi xảy ra khi van servo điện thủy lực đang hoạt động

Một mô hình toán phân tích trạng thái tĩnh và đáp ứng động lực học cho trục chính van servo được thực hiện bởi các tác giả Ballasoiu và Octavian Popoviciu, vv [37] Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa các kích thước hình học của van servo đến các đại lượng đầu ra như áp suất, lưu lượng và phụ tải ở trạng thái tĩnh và động Tuy nhiên, tác giả đã không đề cập các thông số kết cấu cơ khí đến các đặc tính động lực học của van Tác giả Urata [39, 43] đã chứng minh momen hồi phục được tạo ra từ vòi phun qua

ống đàn hồi đến cụm phần ứng, nếu độ cứng ống đàn hồi thiết kế không thích hợp thì các đặc tính động lực học của van bị ảnh hưởng xấu Như vậy tác giả đã khẳng định độ cứng của các phần tử trong động cơ điều khiển xoay là yếu tố ảnh hưởng đặc tính động lực học van, tuy nhiên việc tính toán độ cứng chưa được tác giả quan tâm đến

H.A.Arafa và M.Rizk [41] đã khảo sát ảnh hưởng của lực tạo ra từ dòng lưu chất tác động lên con trượt van theo các điều kiện thực nghiệm khác nhau Thông qua mô hình cân bằng momen từ phần ứng và momen tạo ra từ dòng thủy lực tác dụng lên tấm chắn của loại van servo bản chắn cho thấy độ cứng cọc đàn hồi không phải là hằng số mà luôn thay đổi Đồng thời các tác giả đã chỉ ra quan hệ ràng buộc giữa ba yếu tố như độ cứng cọc đàn hồi, dịch chuyển của con trượt và dịch chuyển của bản chắn

Sử dụng van servo hai cấp để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu, áp suất nguồn dầu cấp và độ cứng cơ học đến các đặc tính tĩnh và động, lưu lượng rò rỉ trong van servo được các tác giả J.Ruan và R.Burton [42] thực hiện Ở đây, các tác giả không thảo luận đến độ cứng cọc đàn hồi, độ cứng ống đàn hồi, độ cứng tổng hợp của torque motor Đối với van servo vòi phun, khi môi chất làm việc được phun vào các cửa thu hồi áp suất, sẽ gây nên dao động tự kích cho van, vấn đề này được các tác giả Tadaya Ito và Shoji Takagi chứng minh [44] Sự dao động này có liên quan đến điều kiện ổn định của hệ thống servo thủy lực và nguồn dầu cung cấp cho van Sự dao động

có bị ảnh hưởng bởi các thông số kết cấu hay không thì chưa được tác giả phân tích

Để động lực học của con trượt van servo có tính năng tốt mà lại ít tiêu hao năng lượng, các tác giả Kailash Krishnaswamy và Perry Y Li [45] đi nghiên cứu hoạt động của van servo một cấp nhờ lực thủy động tức thời với hai trường hợp: hoạt động ổn định vòng hở và không ổn định vòng hở Nghiên cứu chỉ ra rằng trường hợp không ổn định vòng hở thì năng lượng tiêu hao nhiều hơn Tuy nhiên, quan hệ giữa tiêu hao năng lượng nhiều hay ít với sự ảnh hưởng của độ cứng tổng hợp của van servo chưa được xem xét trong bài báo này Muốn hệ thống điều khiển máy bay luôn có chất lượng cao, một mô hình dự báo được thiết lập để cảnh báo tình trạng hoạt động xấu dần đi của van servo điện thủy lực so với giá trị đặt cho trước Mô hình được tiến hành mô phỏng trong điều kiện làm việc thực tế nhằm kiểm chứng lại thuật toán dự báo Nghiên cứu này do nhóm Lorenzo Borello, Matteo Dalla Vedov, vv [47] thực hiện

Yao XiaoXian [48] đã tìm hiểu đặc tính áp suất cũng như các vấn đề về dòng lưu chất trong khi van servo vòi phun điện thủy lực hoạt động Van servo vòi phun điện thủy lực có khả năng chống bụi bẩn rất tốt Nghiên cứu chế tạo van sao cho để đảm bảo ưu điểm này là vấn đề hết sức quan trọng, đó là công việc mà Ceng GuangShang và cộng

sự đã thực hiện [49] Các tác giả Urata và Suzuki [50] đã chứng minh rằng độ cứng đàn hồi của cụm phần ứng có ảnh hưởng đến đặc tính ổn định của van servo điện thủy lực Trong nghiên cứu, các tác giả đã dùng lý thuyết tính toán dầm kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn FEM để xác định độ cứng cho các phần tử, sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm Kết quả cho thấy, phương pháp tính toán rất hữu ích cho việc thiết kế, hơn thế nữa, để van servo điện thủy lực có đáp ứng động lực học tốt thì độ cứng hệ thống phải thích hợp Có thể thấy ở đây, tác giả chưa đề cập ảnh hưởng của độ cứng tổng hợp và momen quán tính khối lượng cụm phần ứng trong torque motor đến đặc tính ổn định của van Tác giả Dr Igor [52] đã nghiên cứu cải thiện đặc tính tĩnh và đặc tính động van servo vòi phun hai cấp bằng phương pháp xác định tỷ số diện tích hiệu dụng ở cửa vào và cửa ra van, trong khi đó thông số độ cứng không phải là vấn đề tác giả xem xét Trong van servo vòi phun điện thủy lực, bộ khuếch đại công suất thủy lực giữ vai trò rất quan trọng, nên cần thiết phải nghiên cứu kỹ bộ hướng dòng chảy lưu chất, do vậy mà nhóm tác giả Hao Yan, vv đã thực hiện vấn đề này [55] Tác giả

Li, vv [56, 65] đã chứng minh nếu thiết kế các thông số kết cấu cơ khí của torque motor van servo điện thủy lực không hợp lý thì thường dẫn đến gia tăng độ phi tuyến

và thuộc tính mất ổn định van servo Tuy nhiên, các tác giả lại chưa đề cập ảnh hưởng của các thông số độ cứng torque motor đến các đường đặc tính tĩnh và động lực học của van servo Ảnh hưởng của sự thay đổi các thông số của cụm phần ứng như độ dảy khe hở từ, mật độ dòng từ, số vòng của cuộn dây nam châm, vv đến các đặc tính tĩnh

và động của van servo B.31.210.12 U2VPPT đã được các tác giả Gordić và Babić [63, 66] nghiên cứu Momen phần ứng được thiết lập theo các thông số như: độ dày khe hở

từ, góc lệch phần ứng, số vòng cuộn dây, mật độ dòng từ, vv Hơn nữa, lực tác dụng lên bản chắn, áp suất và lưu lượng ra khỏi miệng vòi phun cũng được xác định Kết quả nghiên cứu cho thấy khe hở từ có ảnh hưởng lớn nhất đến đặc tính động lực học van servo Tuy nhiên, ở đây các tác giả đã không xem xét sự ảnh hưởng độ cứng của các phẩn tử trong torque motor đến các đường đặc tính tĩnh và động của van servo Hiện tại ở Việt Nam, các nhà khoa học nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực không nhiều, về phương diện nghiên cứu, sản xuất và sử dụng van servo vòi phun điện thủy lực còn hạn chế Sản phẩm van chủ yếu chỉ dùng trong lãnh vực hàng không,

vũ trụ, tàu quân sự Sản phẩm không có mặt ở thị trường dân dụng, do vậy trong nước

sự phát triển của van servo vòi phun điện thủy lực gặp nhiều bất lợi Một số tác giả đã

có công trình nghiên cứu có liên quan đến vấn đề van servo bản chắn điện thủy lực như bài báo “Động lực học và mô phỏng van servo điều khiển bơm linh hoạt theo tải”

tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2009, No.142, trang 20-22, ISSN 0866-7056, các tác giả Trần Quang Hùng, Phạm Duy Hải đã đi phân tích một van servo điều khiển bơm Hoặc bài báo “Modeling of electro-hydraulic control system using nozzle flapper servo valve,” (Hội nghị VCM 2012), tác giả Nguyễn Đông Anh và Hoàng V Tiến có trình bày về van servo bản chắn và vòi phun Tác giả Trần Xuân Tùy, Trần Đình Sơn với bài báo “Research on dynamics of linear electro-hydraulic system with linear variable load”(Đại học Bách Khoa Đà Nẵng)

1.3.2 Ứng dụng quan trọng của van servo vòi phun điện thủy lực

Từ sau năm 1950, kỹ thuật điều khiển thủy lực được ứng dụng phổ biến trong các ngành hàng không, vũ trụ, luyện kim,vv…, do vậy các loại van điện từ, van tỉ lệ, van servo thứ tự lần lượt ra đời Lúc đó van servo chỉ là van điều khiển vòng hở đơn cấp, dùng cuộn dây solenoid truyền động trực tiếp con trượt Khi đó công ty hàng không Abex (Mỹ) sản xuất chủ yếu van servo điện thủy lực có các kích cỡ khác nhau và được

sử dụng với số lượng lớn trên nhiều loại máy bay khác nhau Ứng dụng của van servo vòi phun trên máy bay cho ở các hình 1.5, 1.6 và 1.7 Tình hình ứng dụng van servo vòi phun điện thủy lực của công ty Abex được cho trong các bảng 1.1 và 1.2

Bảng 1.1

15700XX SH-60H, EH, máy bay trực thăng62R RTM322, kiểm soát nhiên liệu đông cơ

15704XX CRJ700, Dash8, BD100, máy bay khách Hệ thống kiểm soát bay

15720XX EC225, EC725, Máy bay trực thăng Điều chỉnh áp suất & lưu lượng, động

cơ Makila

Bảng 1.2

McDonnel-DouglasDC-8 13 tay lái/bánh lái/cánh phụ/điều khiển cất cánh trực tiếp

Lockhead L-1011 10 tay lái/bánh lái/cánh phụ/điều khiển cất cánh trực tiếp

1 Bình tích năng, 2 Cửa thăm bình tích năng, 3 Cảm biến vị trí cho van chọn làm mẫu,

4 Cảm biến áp suất, 5 Van chọn mẫu, 6.Vòi phun, 7 Van xả, 8 Cảm biến phản hồi,

9 Bộ điều chỉnh cảm biến phản hồi, 10 Cuộn solenoid, 11 Van servo điện-thủy lực, 12 Lọc dầu,

13 Van tích hợp, 14 Công tắc kiểm tra tiếp điểm, 15 Van ngắt dầu hồi, 16.Van chảy tràn

Hình 1.5 Bộ điều khiển servo điện thủy lực của cabin lái máy bay A340

Trong hệ thống điều khiển điện thủy lực, van servo điện thủy lực là thiết bị điều khiển trung tâm tinh vi nhất của hệ thống Các đặc tính của van servo trực tiếp ảnh hưởng đến đặc tính cả hệ thống Loại van này có đáp ứng động lực học nhanh, độ chính xác điều khiển cao, tuổi thọ lâu, nên van được dùng trong ngành hàng không, vũ trụ, tàu thuyền, công nghiệp Trên máy bay, rất cần có loại van servo điện thủy lực có kích cỡ nhỏ, trọng lượng nhẹ và được modul hóa Hình 1.5 là bộ điều khiển servo điện thủy lực của cabin lái máy bay A340 [3] và hình 1.6 là các ứng dụng của van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực (EHSV) trên cánh tà lưng của máy bay [3]

(a) Hệ thống điều khiển khởi động hai chiều (b) Hệ thống khởi động tấm lái ngang A340

1.Tấm lái ngang; 2.Torque motor van vòi phun; 3.Tầng thứ cấp van vòi phun

Hình 1.6 Các ứng dụng của van servo vòi phun điện thủy lực (EHSV) trên máy bay

1 Cụm van servo; 2, 5 Đường dầu thủy lực; 3 Phanh áp lực; 4 Đầu nối điện; 6 Van điện

Hình 1.7 Modul điều khiển áp suất phanh tự động máy bay Boeing

Ở Trung quốc việc thiết kế, nghiên cứu, chế tạo van servo vòi phun do viện nghiên cứu 704 đảm nhận, đây là trung tâm nghiên cứu chuyên sâu, có kinh nghiệm chế tạo hơn 30 năm về van servo vòi phun điện thủy lực Sản phẩm của viện 704 được tiêu thụ rất nhiều trong ngành tàu thuyền, công nghiệp và bắt đầu được sử dụng trong ngành hàng không, vũ trụ Van servo vòi phun được sử dụng ở hệ thống điều khiển cánh máy bay, hệ thống nhiên liệu động cơ, điều khiển hướng chuyển động và thay đổi tốc độ cho tay lái bánh trước, hệ thống phanh chống trượt điện tử vv Trong hệ thống phanh, dùng áp lực phanh tỷ lệ với tín hiệu điều khiển và tín hiệu đầu ra, xem hình 1.7 [6] Hình 1.8 chỉ ra các vị trí sử dụng van servo vòi phun điện thủy lực trên máy bay [6]

Ở Việt nam, tình hình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng van servo vòi phun điện thủy lực còn rất hạn chế Trong ngành hàng không, van servo vòi phun được sử dụng nhiều nhưng các thiết bị của van servo này chủ yếu mua từ nước ngoài

Bảng theo dõi ứng dụng trong hàng không van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực của công ty IH-LHC như sau:

1.Cánh tà mép trước; 2.Cánh cản; 3.Cánh tà sau; 4.Cửa cánh lái; 5.Cánh lái độ cao; 6.Cánh lái hướng

Hình 1.8 Ứng dụng van servo vòi phun điện thủy lực trong ngành hàng không

1.4 Mục tiêu và ý nghĩa của luận án

1.4.1 Mục tiêu của luận án

Hiện tại van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực chưa có lý thuyết phân tích, tính toán một cách chính xác Các đặc tính tĩnh và động lực học của van khó dự đoán, phần lớn việc thiết kế chỉ dựa vào thực nghiệm hoặc kinh nghiệm của nhà chế tạo Mục tiêu của luận án là đưa ra phương pháp luận về nghiên cứu tính toán, thiết kế tối

ưu các thông số kết cấu cơ khí nhằm cải thiện các chỉ tiêu đáp ứng động lực học của tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực:

- Nghiên cứu đặc tính động lực học ở tầng điều khiển (pilot stage) của van servo;

- Nghiên cứu phương pháp lý thuyết thiết kế các thông số kết cấu cơ khí của tầng điều khiển như cọc đàn hồi, cụm phần ứng torque motor để cải thiện đặc tính động lực học;

- Nghiên cứu phương pháp lý thuyết thiết kế momen quán tính khối lượng cụm phần ứng tầng điều khiển để cải thiện tính ổn định cho van servo vòi phun

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu của luận án

Van servo vòi phun điện thủy lực có hai cấp gồm: cấp 1 (pilot stage) và cấp 2 Trong điều kiện không xét đến các bộ điều khiển được tích hợp trong van servo, luận

án chủ yếu nghiên cứuphương pháp lý thuyết thiết kế các thông số kết cấu cơ khí của tầng điều khiển van (pilot stage) nhằm cải thiện các chỉ tiêu động lực học, đáp ứng của cụm chuyển đổi tín hiệu điện thành năng lượng cơ và tính ổn định cho tầng điều khiển của van servo loại này tốt hơn Phương pháp nghiên cứu đề tài được dựa vào lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật cơ khí, các phần mềm mô phỏng chuyên dùng, kết hợp với thực nghiệm để tiến hành thực hiện

1.4.3 Những đóng góp mới của luận án

- Thiết lập mô hình toán để tìm độ cứng tối ưu cho cọc (càng) đàn hồi trong tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực

- Xây dựng mô hình toán động lực học cụm phần ứng của tầng điều khiển van servo vòi phun và tìm giá trị tối ưu của độ cứng tổng hợp cụm phần ứng

- Xác định khoảng giá trị của momen quán tính cụm phần ứng tầng điều khiển van servo vòi phun

1.4.4 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, sáu chương với 151 trang, 77 hình vẽ và đồ thị

Chương 1: Nêu mục đích, ý nghĩa, bối cảnh nghiên cứu của đề tài Tổng kết thành quả nghiên cứu trong và ngoài nước về van servo vòi phun điện thủy lực, xác định trọng điểm và phương hướng nghiên cứu đề tài

Chương 2: Phân tích kết cấu, nguyên lý làm việc, thiết lập mô hình toán van servo vòi phun cho cụm phần ứng, cọc đàn hồi, con trượt, và các đặc tính tĩnh

Chương 3: Giới thiệu cấu tạo, nguyên lý làm việc và thiết lập mô hình toán tìm độ cứng tối ưu cho cọc (càng) đàn hồi Ứng dụng phần mềm Abaqus thực hiện mô phỏng tìm độ cứng cọc (càng) đàn hồi So sánh kết quả tìm được

Chương 4: Lập mô hình toán động lực học van servo vòi phun, dựa vào phân tích hàm truyền tìm điều kiện ổn định cho hệ thống Dùng phần mềm Matlab tìm độ cứng tối ưu cụm phần ứng và mô phỏng đặc tính động lực học van Tìm ảnh hưởng của momen quán tính khối lượng của cụm phần ứng đến đặc tính động lực học van, xác định khoảng giá trị tối ưu của momen quán tính khối lượng để nâng cao chỉ tiêu đáp ứng động lực học tầng điều khiển của van

Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm Thực nghiệm đặc tính tĩnh và đặc tính động lực học tầng điều khiển của van servo vòi phun điện thủy lực

Chương 6: Kết luận và đánh giá kết quả Đề xuất hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN VAN SERVO VÒI PHUN ĐIỆN

THỦY LỰC HAI CẤP PHẢN HỒI LỰC

Van servo vòi phun điện thủy lực được sử dụng phổ biến, van này là thiết bị quan trọng trong hệ thống servo điện thủy lực và là thiết bị dùng chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu thủy lực Ưu – nhược điểm của loại van servo này như sau:

Ưu điểm của van servo là đáp ứng động lực học nhanh, độ chính xác điều khiển cao, độ tuyến tính tốt, tính từ trễ nhỏ, yêu cầu tín hiệu điều khiển nhỏ

So với van servo bản chắn (flapper-nozzle), van servo vòi phun (jet pipe) có tính chống bụi bẩn mạnh, độ tin cậy làm việc cao Tuy nhiên, van vòi phun cũng có những

sự cố xuất hiện trong hệ thống điện thủy lực, chủ yếu là do bụi bẩn của dầu thủy lực gây ra, biểu hiện như “bị trôi, bị kẹt, bị tắt” Bộ khuếch đại van servo vòi phun (jet pipe) là do dòng phun lưu chất chảy qua miệng vòi và ống thu hồi áp suất tạo nên Khi làm việc thì khoảng cách giữa miệng vòi phun và ống thu hồi áp suất bị thay đổi, nên không làm thay đổi tính năng bộ khuếch đại “Trôi” là thuật ngữ chỉ trôi điểm không,

do miệng vòi phun bị vật bụi bẩn làm tắt nghẽn, lại bị tác dụng xói mòn, mòn dần, dẫn đến trôi dịch điểm chính giữa

Ở van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực có thể thấy kích thước nhỏ nhất của

bộ khuếch đại thủy lực là đường kính trong vòi phun, nó khoảng 200m, do đó khó xuất hiện bị tắt Hiện tượng tắt là do kích thước nhỏ nhất của ống dẫn hay của lỗ trong cấu tạo cấp thứ nhất gây ra Kích thước nhỏ nhất của vòi phun trong van jet pipe thường gấp 8 lần kích thước nhỏ nhất của van servo bản chắn (flapper-nozzle) nên van servo vòi phun (jet pipe) không yêu cầu cao về độ tinh sạch của dầu thủy lực Do van servo vòi phun (jet pipe) chỉ có một vòi phun, nên khi vòi phun tắt hoàn toàn, lưu chất không thể đi vào 2 ống thu hồi áp suất, làm con trượt không thể di chuyển, van không hoạt động, nên không gây ra sự cố

Nếu làm việc trong dầu bụi bẩn, con trượt van thường bị kẹt Cần nâng cao độ chính xác kích thước và độ chính xác hình học của con trượt van và vỏ van để khắc phục hiện tượng kẹt và ngăn không cho hạt bụi cỡ lớn chui vào, còn những hạt bụi bẩn

li ti chui vào khe hở sẽ không làm kẹt Ngoài ra để chống sự cố kẹt cần gia tăng lực truyền động cho con trượt mà được sản sinh từ cấp thứ nhất, hoặc tăng đường kính con trượt van Vì bộ khuếch đại không có khâu phản hồi áp suất nên có thể tăng hệ số khuếch đại áp suất ở cấp thứ nhất lên rất cao Hình 2.1 và 2.2 là ảnh thực của con trượt van servo vòi phun (jet pipe) vẫn làm việc khi bị bám bụi bẩn [49]

Hình 2.1 Van servo vòi phun có khả năng làm việc tốt khi bị bụi bẩn

Hình 2.2 Van servo vòi phun có khả năng làm việc tốt khi bị bụi bẩn

2.1 Nguyên lý làm việc & kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực Van servo là loại van đƣợc sử dụng để điều khiển liên tục chuyển vị, tốc độ và lực của các cơ cấu chấp hành theo yêu cầu định vị chính xác hoặc cần sự chính xác trong các điều kiện hoạt động, van đƣợc điều khiển theo hàm truyền vòng kín hoặc vòng hở

Đặc tính của van servo được phân loại theo các tính chất: tín hiệu đầu vào, độ chính xác, hiện tượng trễ, mức tuyến tính giữa đầu vào – đầu ra, dải chết, băng thông, vv Van servo vòi phun gồm bốn bộ phận tạo thành là bộ khuếch đại thủy lực, động cơ điều khiển xoay (torque motor), cụm van trượt và cụm phản hồi Bộ khuếch đại thủy lực do đầu phun, cụm vòi phun và chi tiết thu hồi áp suất tạo thành Torque motor do cụm cuộn dây, cụm phần ứng, cụm cực từ và ống mềm đàn hồi tạo thành Cụm van trượt do trục chính van và vỏ van tạo thành Cụm phản hồi do cọc đàn hồi và đĩa đàn hồi tạo thành Hình 2.3 là sơ đồ kết cấu của van servo vòi phun điện thủy lực

Hình 2.3 Sơ đồ kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực

Nguyên lý làm việc:

Van servo được phân tích là một van điều khiển lưu lượng điện thủy lực loại 2 cấp

có 4 cửa thường đóng Van được chia thành 2 cấp: cấp thứ nhất bao gồm torque motor (động cơ điều khiển xoay), ống phun, ống đàn hồi và ống thu hồi áp suất; cấp thứ hai bao gồm con trượt (trục chính van) và vỏ van servo Lưu chất trong hệ thống thủy lực

đi qua bộ lọc dầu đến ống dẫn môi chất rồi đến vòi phun Vòi phun trực tiếp hướng dòng môi chất vào hai ống thu hồi áp suất, các ống này liên thông với buồng áp suất và con trượt thuộc cấp thứ hai Động cơ điều khiển xoay (torque motor) nằm ở cấp thứ nhất của van, và có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện yếu ở đầu vào thành momen cơ ở đầu ra, momen cơ này tỷ lệ với giá trị dòng điện có công suất nhỏ ở đầu vào

Hình 2.4 và hình 2.5 là nguyên lý làm việc của van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy

lực loại hai cấp có phản hồi lực

Hình 2.4 Hoạt động của van khi không có dòng điện đầu vào

Hình 2.5 Hoạt động của van khi có dòng điện đầu vào

Khi chưa có dòng điện đi vào cuộn dây điều khiển, phần ứng được tựa vào ống đàn hồi tại vị trí chính giữa khe của nửa trên và nửa dưới của nam châm vĩnh cửu, dẫn tới không xuất hiện momen xoay trên cụm phần ứng nên lúc đó vòi phun nằm chính giữa hai ống thu hồi áp suất (còn gọi là vị trí 0) và chúng tiếp nhận động năng dòng chảy bằng nhau, do đó áp suất hồi phục ở hai ống này cũng bằng nhau, vì vậy không

có lực tác dụng lên con trượt, tức con trượt không dịch chuyển (hình 2.4)

Khi có dòng điện điều khiển đi vào cuộn dây, nó sẽ sinh ra momen cơ trên cụm phần ứng và ống đàn hồi, momen này tỷ lệ với dòng điện đi vào Phần ứng xoay lệch

một góc (giả sử thuận chiều kim đồng hồ), làm cho ống đàn hồi và vòi phun xoay theo một góc giống hệt với chiều ngược lại, lúc này ống đàn hồi và cọc (càng) đàn hồi bị biến dạng, làm cho miệng vòi phun bị lệch sang bên phải so với vị trí 0

Khi dòng điện cấp cho van càng lớn thì lực sinh ra làm quay cụm phần ứng càng lớn, do đó vòi phun càng bị lệch sang phải, môi chất chảy vào một ống thu hồi áp suất nhiều hơn Lúc này động năng dòng chảy trong hai ống thu hồi áp suất chênh lệch càng nhiều, động năng trong ống bên trái tăng lên còn động năng trong ống bên phải giảm xuống Do áp suất hồi phục trong hai ống không bằng nhau nên hình thành áp suất phụ tải, tạo lực đẩy lên con trượt, làm con trượt di chuyển sang phải, đồng thời đầu cọc đàn hồi bị biến dạng rồi lệch sang trái (hình 2.5)

Trong lúc cọc (càng) đàn hồi và ống đàn hồi biến dạng, sẽ phát sinh ra một momen bằng momen điện từ sinh ra bởi dòng điện điều khiển và nam châm vĩnh cửu, vì vậy cụm vòi phun trở về vị trí cân bằng Lúc này đầu cọc đàn hồi đang lệch sang trái, vòi phun chuyển hướng xoay trở về vị trí chính giữa (vị trí 0), làm cho áp suất hồi phục ở đầu bên trái con trượt giảm dần, áp suất hồi phục ở đầu bên phải tăng lên Cho đến khi các lực tác dụng lên con trượt như lực chênh lệch áp suất, lực thủy động, lực đàn hồi vv , cân bằng nhau thì con trượt ngừng chuyển động Con trượt dừng lại tại vị trí bất

kỳ mà momen hồi phục cân bằng với momen tạo ra bởi dòng điện đầu vào Do vậy mà

độ dịch chuyển con trượt và lưu lượng đầu ra tỷ lệ với dòng điện điều khiển

Con trượt (trục chính van) di chuyển ngược chiều quay của ống đàn hồi Lúc con trượt chuyển động, cọc (càng) đàn hồi tác dụng một lực lên vòi phun ngược chiều với momen quay có ích Con trượt tiếp tục chuyển động cho đến khi lực do cọc đàn hồi sinh ra cân bằng với momen quay có ích thì vòi phun được trở về vị trí chính giữa Luôn duy trì một chênh lệch áp suất nhỏ ở hai đầu con trượt để khắc phục lực dòng chảy Bernoulli có xu hướng đóng cửa van và lực lò xo Chuyển động của con trượt tỷ

lệ với dòng điện điều khiển đi vào động cơ điều khiển xoay Lúc con trượt chuyển động, môi chất đi vào và đi ra cửa điều khiển ở thứ cấp của van luôn tỷ lệ nhau

Nếu tín hiệu điện đi vào động cơ điều khiển xoay (torque motor) thay đổi độ lớn hoặc đổi chiều dòng điện, thì khối lượng môi chất đi vào và độ dịch chuyển của con trượt sẽ thay đổi chính xác theo tín hiệu vào Có thể thấy áp suất hồi phục ở trạng thái tĩnh trong các ống thu hồi áp suất là một hàm số theo các thông số như: góc lệch của vòi phun, đường kính miệng vòi phun, miệng ống thu hồi áp suất, khoảng cách giữa vòi phun và bề mặt ống thu hồi áp suất, vv

Kết cấu van servo vòi phun:

Van servo vòi phun điện thủy lực gồm bốn bộ phận tạo thành gồm: bộ khuếch đại thủy lực, động cơ điều khiển xoay (torque motor), cụm van trƣợt và cụm phản hồi Hình 2.6 cho thấy kết cấu các bộ phận trên bao gồm các chi tiết nhƣ sau [58, 60, 72]:

- Bộ khuếch đại thủy lực do đầu phun, cụm vòi phun và chi tiết thu hồi áp suất tạo thành, cụ thể là các chi tiết số 3, số 4 trên hình 2.6

- Torque motor do cụm cuộn dây, cụm phần ứng, cụm cực từ và ống mềm đàn hồi tạo thành, cụ thể là các chi tiết số 1, số 2, số 9, số 10, số 11 trên hình 2.6

- Cụm van trƣợt do trục chính van và vỏ van tạo thành, cụ thể là các chi tiết số 5, số

6, số 7, hình 2.6

- Cụm phản hồi do cọc đàn hồi và đĩa đàn hồi tạo thành, cụ thể là chi tiết số 8

1,9 nam châm vĩnh cửu 2 cuộn dây điều khiển 3 vòi phun 4 ống thu hồi áp suất

5 trục chính 6 thân van 7 áo van trƣợt 8 cọc đàn hồi 10 ống đàn hồi 11 phần ứng

Hình 2.6 Sơ đồ kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực

Hình 2.6 là kết cấu của van servo vòi phun điện thủy lực Theo hình vẽ i1 , i2 là các dòng điện đi vào cuộn dây điều khiển của torque motor,  là góc quay của cụm

phần ứng, p s là áp suất nguồn dầu, p t là áp suất dầu về thùng chứa, A và B là các cửa

dầu ra, T là cửa dầu về thùng chứa, áp suất p a và p b là các áp suất hồi phục tại hai đầu

con trƣợt van, p L là áp suất cửa phụ tải α là góc tạo bởi hai ống thu hồi áp suất, b là

khoảng cách từ miệng vòi phun đến miệng ống thu hồi áp suất