TỔNG QUAN
Bối cảnh và ý nghĩa phát triển van servo vòi phun điện thủy lực
Van servo vòi phun điện thủy lực (EHSV) là thiết bị chuyển đổi tín hiệu điện yếu thành tín hiệu thủy lực mạnh mẽ, như áp suất và lưu lượng Hiện nay, có nhiều loại van servo điện thủy lực khác nhau, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp Hình 1.1 minh họa một số loại van servo vòi phun điện thủy lực điển hình.
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 Thế chiến thứ hai, sự phát triển mạnh mẽ của ngành hàng không, vũ trụ và công nghiệp đã dẫn đến sự ra đời và phát triển của kỹ thuật điều khiển thủy lực.
Van servo điện thủy lực và kỹ thuật điều khiển điện thủy lực được phát triển từ việc kiểm soát hành trình trong hệ thống kiểm soát đạn đạo và dẫn đường.
Năm 1946, hãng Tinsley (Anh quốc) đã chế tạo thành công van servo 2 cấp, sử dụng thanh điện từ trực tiếp để dẫn động trục van trượt ở cấp 1, từ đó tạo ra sự chênh lệch áp suất cho cấp 2 Loại van này đã khắc phục hiệu quả vùng chết của van 1 cấp nhờ vào áp suất lưu chất Phòng thí nghiệm MIT đã đề xuất hai cải tiến cho van servo 2 cấp: đầu tiên, sử dụng momen xoắn từ trường vĩnh cửu thay cho thanh nam châm ở cấp 1, giúp giảm tổn thất năng lượng và nâng cao độ tuyến tính Thứ hai, việc sử dụng cảm biến vị trí để dịch chuyển con trượt đã giảm thiểu ảnh hưởng ma sát ở cấp 1, cải thiện đáng kể đặc tính vùng chết của con trượt van có phản hồi điện.
Vào năm 1950, W.C Moog Jr đã giới thiệu kỹ thuật van servo điện thủy lực không ma sát cấp 1 cho ngành hàng không và vũ trụ, giúp giảm giá trị ngưỡng và cải thiện đặc tính đáp ứng Kể từ đó, công nghệ điều khiển thủy lực đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng không, vũ trụ, tàu thuyền, luyện kim và ô tô Đến năm 1953, hãng Carson cải tiến van với phản hồi cơ học thông qua tỷ lệ giữa chuyển vị con trượt và lực căng lò xo, tạo ra phản hồi cơ cho động cơ điều khiển xoay Năm 1960, hãng Wolpin đã tách động cơ điều khiển xoay ra khỏi dầu, với van cấp 1 không ma sát và cấp 2 kết hợp với đường phản hồi từ cấp 1, hình thành điều khiển vòng kín Kết cấu đối xứng ở cấp 1 giúp giảm thiểu ảnh hưởng của biến đổi áp suất và nhiệt độ, nâng cao hiệu suất hoạt động.
1 cụm phần ứng (torque motor); 2 bộ khuếch đại thủy lực; 3 con trƣợt
Hình 1.2 Van servo vòi phun điện thủy lực
Thời kỳ đầu, van servo điều khiển vòng hở kiểu trực tiếp được phát triển, sau đó là van servo điều khiển vòng kín 2 cấp kiểu trực tiếp Ban đầu, van servo chủ yếu được sử dụng trong quân sự, nhưng với sự phát triển của ngành hàng không và vũ trụ, yêu cầu về độ tin cậy và tinh xảo của van servo ngày càng cao Năm 1963, công ty Moog giới thiệu sản phẩm van servo seri 73, phù hợp cho ngành công nghiệp với đặc trưng như van có thể tích lớn, thân van làm bằng nhôm dễ bảo trì và chỉnh sửa, và thích hợp cho áp suất thấp dưới 14 MPa Hình 1.2 minh họa một loại van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực.
Công ty Park đã phát triển công nghệ Voice Coil Drive (VCD), từ đó tạo ra van điều khiển DFplus Kỹ thuật VCD sử dụng cuộn dây di động trong ống nam châm vĩnh cửu hình trụ cố định Khi có dòng điện đi qua cuộn dây, hiệu ứng điện từ tạo ra lực tác dụng theo hướng trục, khiến trục chính van di chuyển, liên kết chặt chẽ với chuyển động của cuộn dây và tạo ra lực truyền động mạnh mẽ Van DFplus hoạt động theo phương thức điều khiển vòng kín, mang lại độ tuyến tính tốt.
1.1.2 Ý nghĩa nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực
Van servo vòi phun điện thủy lực đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới nhờ vào cấu trúc đơn giản, độ gia công không cần cao và khả năng chống bụi bẩn mạnh mẽ So với van servo bản chắn, van servo vòi phun có công suất và hiệu suất áp suất, lưu lượng lớn hơn, phù hợp cho hệ thống servo thủy lực công suất nhỏ Được coi là bộ khuếch đại thủy lực phi tiết lưu, van này có thiết kế và nguyên lý làm việc đặc thù, độ tin cậy cao và tuổi thọ lâu dài Sử dụng động cơ điều khiển xoay công suất lớn và cảm biến chuyển vị chính xác, van servo vòi phun có khả năng phản hồi tốt, mặc dù áp suất dầu nguồn có biến đổi lớn Với cấu trúc đơn giản, giá thành van servo vòi phun rẻ hơn, giúp nó trở thành lựa chọn phổ biến trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp.
Van servo vòi phun là linh kiện quan trọng trong hệ thống servo điện thủy lực, được sử dụng cho các thiết bị công nghiệp lớn và dây chuyền vận chuyển yêu cầu tính an toàn cao Nghiên cứu và phát triển loại van này không chỉ có ý nghĩa kinh tế mà còn ứng dụng kỹ thuật trong ngành hàng không và vũ trụ.
1.Vỏ van; 2.Áo con trƣợt; 3.Con trƣợt; 4.Bộ thu hồi áp suất; 5.Cụm phần ứng
Hình 1.3 Sơ đồ kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực
Xu hướng phát triển van servo vòi phun điện thủy lực
Van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực đã phát triển nhanh chóng từ trước Thế chiến II, khi chỉ có 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 đã ra đời Hiện nay, van servo vòi phun được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không và vũ trụ để điều khiển động lực học máy bay, trong khi van servo bản chắn được sử dụng trên tàu thuyền, trong ngành luyện kim và công nghiệp nặng.
Van servo vòi phun điện thủy lực đang ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực, dẫn đến việc van này không ngừng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu sử dụng Hiện nay, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc cải tiến phương pháp điều khiển, cấu trúc cơ khí và tìm kiếm vật liệu mới cho chế tạo van Xu hướng phát triển công nghệ van servo điện thủy lực hiện nay bao gồm thiết kế cấu trúc mới, ứng dụng vật liệu mới, tích hợp kỹ thuật thủy lực với kỹ thuật số hóa và điện tử, cùng với việc cải tiến phương pháp đo lường Hình 1.4 minh họa xu hướng phát triển công nghệ này theo khảo sát của công ty Moog.
Trong việc tối ưu hóa kết cấu cơ khí và kỹ thuật gia công, việc sử dụng máy vi tính trong thiết kế và chế tạo là rất quan trọng để cải thiện đặc tính của van servo Các sản phẩm mới như van servo sứ áp điện và van servo vòi phun truyền động trực tiếp đã được phát triển Các chi tiết quan trọng có thể được thay thế để đảm bảo hoạt động ổn định của van servo Bên cạnh phương pháp truyền động trực tiếp cho động cơ điều khiển xoay, còn có các lựa chọn như động cơ bước, động cơ servo và các cấu trúc truyền động mới Công nghệ "triple mode redundancy" cũng được áp dụng để cải tiến kết cấu van servo vòi phun, nhằm nâng cao các đặc tính tĩnh và động lực học của sản phẩm.
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
Hiện nay, việc nghiên cứu và chế tạo trong lĩnh vực vật liệu đã ứng dụng nhiều loại vật liệu mới, như vật liệu sắt từ, vật liệu áp điện, hợp kim nhớ hình và vật liệu siêu từ co giãn, nhằm nâng cao đặc tính động lực học của van servo vòi phun điện thủy lực Đối với các chi tiết quan trọng, các nhà sản xuất ưu tiên sử dụng vật liệu có độ cứng, đàn hồi và cường độ cao, trong khi đó, các chi tiết làm kín được thay thế bằng vật liệu mới để cải thiện khả năng chịu áp lực dầu và chống mài mòn.
Trong ứng dụng kỹ thuật điều khiển, số hóa và kỹ thuật điện tử, có hai phương thức chính để điều khiển van servo điện thủy lực Phương thức đầu tiên là lắp thêm bộ chuyển đổi D/A vào van để thực hiện điều khiển số, cho phép tích hợp bộ điều khiển vào thân van và điều chỉnh thông qua lập trình máy vi tính, mặc dù cần lưu ý đến hiện tượng trôi điểm 0 và trôi nhiệt Phương thức thứ hai là sử dụng động cơ bước để điều khiển trực tiếp van servo, trong đó tín hiệu đầu vào được chuyển hóa thành tín hiệu bước, giúp kiểm soát lưu lượng đầu ra Nhờ đó, van servo mới có những ưu điểm như kết cấu nhỏ gọn, khả năng điều khiển vòng hở, cùng với việc điều khiển tốc độ và vị trí một cách hiệu quả.
Mỗi dụng cụ đo đều có sai số cơ bản, và kỹ thuật đo cũng có thể gặp sai số Ngoài ra, nhiễu từ tín hiệu điện bên ngoài cũng ảnh hưởng đến kết quả đo lường.
Để nâng cao độ chính xác của các dụng cụ đo lường, cần nghiên cứu sâu về kỹ thuật và thiết bị đo Việc ứng dụng máy vi tính trong việc đo lường và tính toán các đặc tính tĩnh và động lực học của van là rất quan trọng Đồng thời, sử dụng các phương pháp như tối ưu hóa tín hiệu đầu vào, giảm nhiễu wavelet và kỹ thuật lọc số sẽ hỗ trợ hiệu quả trong nghiên cứu, chế tạo và cải thiện van.
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, kỹ thuật điều khiển thủy lực đã ra đời để đáp ứng nhu cầu phát triển ngành công nghiệp, dẫn đến nhiều nguyên lý điều khiển van cơ bản và bằng sáng chế Công ty Askania và Askania-Werke phát minh ra nguyên lý van servo vòi phun, trong khi Foxboro phát minh ra van servo bản chắn Siemens của Đức đã phát triển loại van có hai ngõ nhập tín hiệu cho động cơ điều khiển xoay, sử dụng trong ngành hàng không và vũ trụ Viện nghiên cứu MIT cũng đã chế tạo torque motor tiết kiệm năng lượng, thay thế cuộn solenoid, giúp giảm công suất tiêu hao và cải thiện độ tuyến tính.
Sau chiến tranh thế giới thứ hai, nhu cầu quân sự đã thúc đẩy sự phát triển của lý thuyết điều khiển tự động, đặc biệt trong nghiên cứu hệ thống điều khiển vũ khí và thiết bị bay, dẫn đến việc chế tạo van servo điện thủy lực Năm 1950, công ty Moog đã phát minh ra van servo hai cấp với vòi phun ở phần sơ cấp Từ 1953 đến 1955, công ty Carson phát minh ra van servo hai cấp có phản hồi cơ khí, sau đó được Moog cải tiến thành cấu trúc hai vòi phun Năm 1957, công ty Acclli phát minh ra van servo hai cấp điện thủy lực và đến 1959, chế tạo thành công van servo ba cấp phản hồi tín hiệu điện Các sản phẩm van servo chủ yếu có hai loại: phản hồi điện và phản hồi cơ khí, với cấu trúc jet pipe phản hồi cơ là sản phẩm của Moog/Atchley-208A Van servo vòi phun có độ tin cậy cao, được sử dụng rộng rãi trong hàng không và vũ trụ tại Mỹ, với thời gian giữa hai lần hỏng hóc lên đến 115000 giờ Năm 1963, Moog đã nghiên cứu chế tạo van servo điện thủy lực seri 73, đáp ứng yêu cầu về độ tinh sạch của dầu thủy lực trong công nghiệp.
Để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp hiện đại, nghiên cứu và chế tạo van servo cơ bản đang tiếp tục phát triển, với những cải tiến như thể tích van lớn hơn, vật liệu không còn là thép rèn, và thiết kế cấp dẫn hướng độc lập để dễ bảo trì Áp suất cho phép của van đã giảm xuống còn 10 MPa đến 20 MPa, thay vì 30 MPa như trước đây, đồng thời sản xuất theo tiêu chuẩn hóa giúp giảm giá thành sản phẩm, phục vụ nhu cầu dân dụng Nhu cầu ứng dụng van servo trong ngành luyện kim ngày càng mở rộng, dẫn đến việc một số nhà máy sản xuất phát triển van servo chuyên dụng cho công nghiệp nặng Công ty Bosch đã nghiên cứu và chế tạo van servo phản hồi điện với vòi phun ở phần sơ cấp từ năm 1974.
Moog đã giới thiệu van servo ba cấp phản hồi điện với ống phun lớn và giá cả phải chăng Tại Trung Quốc, các nhà máy sản xuất van servo bao gồm viện nghiên cứu 609 và 618, nhà máy công cụ QinFeng, viện nghiên cứu máy công cụ Bắc Kinh, viện nghiên cứu 18, và viện nghiên cứu 704 thuộc tập đoàn công nghiệp nặng tàu thủy Trung Quốc Vào thập niên 80, các viện này đã nghiên cứu và chế tạo thành công van servo vòi phun kiểu CSDY1, loại van servo phản hồi cơ khí có khả năng sử dụng dầu thủy lực theo tiêu chuẩn NAS8.
Gần đây, nhiều nghiên cứu học thuật đã tập trung vào van servo vòi phun điện thủy lực, mang lại nhiều kết quả tích cực Tác giả Krivts, IL đã tiến hành nghiên cứu các đặc tính tĩnh và động của van servo bản chắn qua ba tầng: tầng phun từ vòi, tầng lưu chất vào và tầng thoát lưu chất, sử dụng phương pháp mô phỏng trên máy vi tính Kết quả cho thấy rằng giá trị tối ưu của các đặc tính này có thể xác định được nếu diện tích ảnh hưởng giữa các cửa nguồn và tầng thoát lưu chất đạt một giá trị nhất định.
Tác giả Li [9] đã sử dụng phần mềm CFD để xây dựng mô hình lưới phần tử hữu hạn ba chiều cho dòng chảy và trường dòng tia phun, kết hợp với phần mềm FLUENT để mô phỏng đặc tính dòng chảy Nghiên cứu của Li cũng tập trung vào ảnh hưởng của 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 sử dụng nước làm lưu chất.
Các tác giả Jazayeri, S.A và Ebrahimi, M đã tối ưu hóa hoạt động của hệ thống van servo vòi phun dựa trên áp suất hồi phục và mức độ tuyến tính của áp suất theo góc lệch vòi phun, coi đây là tiêu chuẩn tối ưu Tuy nhiên, các thông số kết cấu vẫn chưa được xem xét Hiện nay, van servo vòi phun điện thủy lực ba cấp đã ra đời, khiến việc nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu đến đáp ứng tĩnh và động trở nên quan trọng Nhóm tác giả Lin Wu và Lei Zhang đã thực hiện nghiên cứu này Bên cạnh đó, tác giả Rafa A.H.AL và Yahya A.F đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ rộng khe hở ở cửa van servo đến hệ thống điều khiển vị trí theo hàm truyền vòng kín, cho thấy van servo loại này có vai trò quan trọng trong điều khiển vị trí cho cơ cấu chấp hành.
Van servo điện thủy lực loại „under-lapped‟ cho thấy đặc tính tĩnh và động lực học tốt hơn so với loại „zero lapped‟ trong miền khe hở rộng Wu Shuai và Jiao ZongXia đã phát triển một loại van servo điều khiển dạng xoắn ốc, giúp cải thiện độ tin cậy và kích thước của van Nghiên cứu của Wang và Cai đã chỉ ra rằng lực thủy động ảnh hưởng trực tiếp đến đáp ứng của van servo khí nén, nhưng tác động của các thông số kết cấu cơ khí vẫn chưa được làm rõ Li và Song đã nghiên cứu nguyên lý làm việc của van servo vòi phun dùng dung dịch từ tính, tuy nhiên, thông số kết cấu cơ khí của torque motor chưa được đề cập Nghiên cứu của Paul Henri và Hollerbach đã mô phỏng động lực học của vòi phun và xác định được độ rộng tần số từ 10Hz đến 40Hz Các tác giả Somashekhar và Singaperumal đã sử dụng phần mềm FEM để mô phỏng đặc tính tĩnh của van servo vòi phun, nhưng đặc tính động lực học của tầng điều khiển vẫn chưa được xem xét Mô hình quan hệ giữa dòng điện và lưu lượng cho các loại van servo khác nhau cũng cần được nghiên cứu thêm.
Mô hình "over lapper" do tác giả Sadooghi và cộng sự thiết lập có ba vùng chính: vùng chết, vùng tuyến tính và vùng bão hòa, cho phép xác định chính xác các đường đặc tính như độ nhạy lưu lượng và dòng điện bão hòa Tuy nhiên, tác giả chưa khảo sát đáp ứng động lực học cho van servo điện thủy lực Dusan Gordić và Babić đã kết hợp mô hình toán học với thực nghiệm để đánh giá độ nhạy cảm của các thông số kết cấu van servo bản chắn hai cấp điện thủy lực phản hồi cơ Trong khi đó, tác giả Tian đã giới thiệu nguyên lý làm việc của van servo điện thủy lực hai cấp phản hồi điện kiểu cuộn dây động và thực hiện điều chỉnh độ dốc van servo loại cao tần bằng phương pháp trực tuyến đơn giản.
Nghiên cứu độ tin cậy của đặc tính động lực học van servo vòi phun dựa trên mạng Petri ngẫu nhiên đã được thực hiện bởi nhóm tác giả Chu YuanBo và cộng sự Nhóm Mesropyan và Sharipov đã xây dựng mô hình toán học sử dụng bộ điều khiển hai chế độ cho cơ cấu servo, giúp mô phỏng số trở nên thực tế và ổn định hơn thông qua tỷ số lưu lượng khối Mô phỏng động lực học đã làm rõ ứng xử của cơ cấu servo với các bộ điều khiển khác nhau Các tác giả Al Saloum và Shawki đã nghiên cứu nhận dạng bằng thông số thực nghiệm cho mô hình cơ cấu servo điện khí nén hiệu suất cao, xác định lưu lượng khối thông qua phương trình động lực học áp suất mà không cần cảm biến lưu lượng Họ cũng tìm ra các trường hợp đáp ứng liên quan đến đặc tính động lực học không mô hình Mô hình thực nghiệm còn cho thấy ma sát tĩnh là hàm theo tốc độ và áp suất trong hai khoang xylanh Tuy nhiên, bài báo chưa đề cập đến đáp ứng của van theo thông số kết cấu van Dựa vào mô hình dòng phun, tác giả Chen Jia và cộng sự đã thiết lập phương trình chuyển động của con trượt dựa trên phương trình Navier-Stokes và Reynolds, cho thấy cường độ dòng xoáy làm chậm đáp ứng bước của van servo, với góc giữa hai ống thu hồi áp suất tối ưu là 45 độ.
Bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Zhao KaiYu và Wu QingXun đã phân tích các kết cấu như torque motor, ống đàn hồi và ống thu hồi áp suất, cho thấy mối liên hệ toán học giữa dữ liệu đầu vào - đầu ra của van và các đáp ứng của van servo Đồng thời, B Lennox và A.D Ball đã nghiên cứu sự kết hợp giữa mô hình tuyến tính và ngưỡng tự thích nghi của tín hiệu để phát hiện lỗi trong quá trình hoạt động của van servo điện thủy lực.
Mô hình toán phân tích trạng thái tĩnh và động lực học cho trục chính van servo đã được nghiên cứu bởi Ballasoiu và Octavian Popoviciu, cho thấy mối quan hệ giữa kích thước hình học của van servo và các đại lượng đầu ra như áp suất, lưu lượng và phụ tải Tuy nhiên, tác giả chưa đề cập đến các thông số kết cấu cơ khí ảnh hưởng đến đặc tính động lực học của van Tác giả Urata đã chứng minh rằng momen hồi phục từ vòi phun qua ống đàn hồi đến cụm phần ứng có thể ảnh hưởng xấu đến đặc tính động lực học của van nếu độ cứng ống không được thiết kế thích hợp Do đó, độ cứng của các phần tử trong động cơ điều khiển xoay được khẳng định là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính động lực học của van, mặc dù việc tính toán độ cứng vẫn chưa được tác giả quan tâm.
H.A.Arafa và M.Rizk [41] đã khảo sát ảnh hưởng của lực tạo ra từ dòng lưu chất tác động lên con trƣợt 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 nhƣ độ cứng cọc đàn hồi, dịch chuyển của con trƣợt và dịch chuyển của bản chắn
Nghiên cứu của J Ruan và R Burton [42] sử dụng van servo hai cấp để phân tích ảnh hưởng của các thông số kết cấu, áp suất nguồn dầu và độ cứng cơ học đến đặc tính tĩnh và động cùng lưu lượng rò rỉ Tuy nhiên, tác giả không đề cập đến độ cứng cọc đàn hồi và độ cứng tổng hợp của torque motor Trong khi đó, Tadaya Ito và Shoji Takagi [44] đã chứng minh rằng khi môi chất làm việc được phun vào cửa thu hồi áp suất, sẽ gây ra dao động tự kích cho van servo, ảnh hưởng đến điều kiện ổn định của hệ thống Nghiên cứu của Kailash Krishnaswamy và Perry Y Li [45] cho thấy rằng trong trường hợp không ổn định vòng hở, năng lượng tiêu hao nhiều hơn, nhưng mối quan hệ giữa tiêu hao năng lượng và độ cứng tổng hợp của van servo chưa được phân tích Để đảm bảo chất lượng cao cho hệ thống điều khiển máy bay, nhóm nghiên cứu của Lorenzo Borello và Matteo Dalla Vedov [47] đã thiết lập một mô hình dự báo để cảnh báo tình trạng hoạt động xấu dần của van servo điện thủy lực, được kiểm chứng qua mô phỏng trong điều kiện làm việc thực tế.
Yao XiaoXian đã nghiên cứu đặc tính áp suất và vấn đề dòng lưu chất trong hoạt động của van servo vòi phun điện thủy lực, nổi bật với khả năng chống bụi bẩn Việc chế tạo van để đảm bảo ưu điểm này là rất quan trọng, như Ceng GuangShang và cộng sự đã thực hiện Urata và Suzuki đã chỉ ra rằng độ cứng đàn hồi của cụm phần ứng ảnh hưởng đến tính ổn định của van servo điện thủy lực, thông qua việc áp dụng lý thuyết tính toán dầm kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn FEM để xác định độ cứng cho các phần tử Kết quả cho thấy phương pháp này hữu ích cho thiết kế, và để đạt được đáp ứng động lực học tốt, độ cứng hệ thống cần phải phù hợp Tuy nhiên, tác giả chưa đề cập đến ảnh hưởng của độ cứng tổng hợp và momen quán tính khối lượng của cụm phần ứng trong torque motor đến tính ổn định của van Dr Igor đã nghiên cứu cải thiện đặc tính tĩnh và động của van servo vòi phun hai cấp thông qua xác định tỷ số diện tích hiệu dụng ở cửa vào và cửa ra, trong khi không xem xét thông số độ cứng Bộ khuếch đại công suất thủy lực trong van servo vòi phun điện thủy lực có vai trò quan trọng, do đó, nghiên cứu về bộ hướng dòng chảy lưu chất là cần thiết, như nhóm tác giả Hao Yan đã thực hiện.
Mục tiêu và ý nghĩa của luận án
1.4.1 Mục tiêu của luận án
Hiện tại, van servo vòi phun điện thủy lực chưa có lý thuyết phân tích và tính toán chính xác, khiến việc dự đoán các đặc tính tĩnh và động lực học trở nên khó khăn Thiết kế chủ yếu dựa vào thực nghiệm và kinh nghiệm của nhà chế tạo Mục tiêu của luận án là phát triển phương pháp luận nghiên cứu và tính toán, thiết kế tối ưu các thông số kết cấu cơ khí nhằm cải thiện các chỉ tiêu 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 tập trung vào việc phát triển phương pháp lý thuyết để thiết kế các thông số kết cấu cơ khí của tầng điều khiển, bao gồm cọc đàn hồi và cụm phần ứng torque motor, nhằm cải thiện đặc tính động lực học của hệ thống.
Nghiên cứu phương pháp lý thuyết thiết kế momen quán tính khối lượng cho cụm phần ứng tầng điều khiển nhằm nâng cao tính ổn định của van servo vòi phun.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu của luận án
Van servo vòi phun điện thủy lực bao gồm hai cấp: cấp 1 (tầng điều khiển) và cấp 2 Bài nghiên cứu tập trung vào thiết kế các thông số kết cấu cơ khí của tầng điều khiển (pilot stage) nhằm cải thiện động lực học, khả năng đáp ứng và tính ổn định cho van servo Phương pháp nghiên cứu dựa trên lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật cơ khí, sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng kết hợp với thực nghiệm.
1.4.3 Những đóng góp mới của luận án
- Thiết lập mô hình toán để tìm độ cứng tối ƣu cho cọc (càng) đàn hồi trong tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực
Mô hình toán động lực học cho cụm phần ứng của tầng điều khiển van servo vòi phun được xây dựng nhằm tìm ra giá trị tối ưu của độ cứng tổng hợp của cụm phần ứng Việc tối ưu hóa độ cứng này giúp nâng cao hiệu suất hoạt động và độ chính xác của hệ thống điều khiển.
- 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 trƣợt, 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 ƣu 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 đƣợc
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 lƣợng của cụm phần ứng đến đặc tính động lực học van, xác định khoảng giá trị tối ƣu của momen quán tính khối lƣợng 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.
MÔ HÌNH TOÁN VAN SERVO VÒI PHUN ĐIỆN THỦY LỰC HAI CẤP PHẢN HỒI LỰC
Nguyên lý làm việc & kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực
Van servo là thiết bị điều khiển chuyển vị, tốc độ và lực của các cơ cấu chấp hành, đảm bảo định vị chính xác trong điều kiện hoạt động khác nhau Van này có thể được điều khiển theo hàm truyền vòng kín hoặc vòng hở, với các đặc tính phân loại dựa trên tín hiệu đầu vào, độ chính xác, hiện tượng trễ, mức tuyến tính, dải chết và băng thông Van servo vòi phun bao gồm bốn bộ phận chính: bộ khuếch đại thủy lực, động cơ điều khiển xoay (torque motor), cụm van trượt và cụm phản hồi Bộ khuếch đại thủy lực được cấu thành từ đầu phun, cụm vòi phun và chi tiết thu hồi áp suất, trong khi torque motor bao gồm cuộn dây, phần ứng, cực từ và ống mềm đàn hồi Cụm van trượt được tạo thành từ trục chính van và vỏ van, và cụm phản hồi gồm có cọc đàn hồi và đĩa đàn hồi.
Hình 2.3 Sơ đồ kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực
Van servo là loại van điều khiển lưu lượng điện thủy lực 2 cấp với 4 cửa thường đóng, bao gồm cấp thứ nhất với torque motor, ống phun, ống đàn hồi và ống thu hồi áp suất; và cấp thứ hai với con trượt và vỏ van servo Lưu chất trong hệ thống thủy lực đi qua bộ lọc dầu, sau đó được dẫn đến vòi phun, nơi dòng môi chất được hướng vào hai ống thu hồi áp suất liên thông với buồng áp suất và con trượt Torque motor ở cấp thứ nhất có chức năng biến đổi tín hiệu điện yếu thành momen cơ ở đầu ra, tỷ lệ với dòng điện 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 vào cuộn dây điều khiển, phần ứng nằm giữa khe của nam châm vĩnh cửu, dẫn đến việc không xuất hiện momen xoay, khiến vòi phun ở vị trí 0 giữa hai ống thu hồi áp suất Do đó, động năng dòng chảy và áp suất hồi phục tại hai ống này bằng nhau, không tạo ra lực tác dụng lên con trượt, khiến con trượt không dịch chuyển.
Khi dòng điện điều khiển vào cuộn dây, nó tạo ra momen cơ trên phần ứng và ống đàn hồi, momen này tỷ lệ với dòng điện Phần ứng xoay theo chiều kim đồng hồ, khiến ống đàn hồi và vòi phun xoay ngược lại, dẫn đến biến dạng ở ống đàn hồi và cọc đàn hồi, làm miệng vòi phun lệch sang bên phải so với vị trí ban đầu.
Khi dòng điện cấp cho van tăng, lực quay của cụm phần ứng cũng tăng, dẫn đến vòi phun lệch sang phải và môi chất chảy vào ống thu hồi áp suất nhiều hơn Sự chênh lệch động năng dòng chảy giữa hai ống thu hồi áp suất gia tăng, với động năng trong ống bên trái tăng và trong ống bên phải giảm Do áp suất hồi phục không đồng đều, áp suất phụ tải hình thành, tạo ra lực đẩy lên con trượt, khiến con trượt di chuyển sang phải, trong khi đầu cọc đàn hồi bị biến dạng và lệch sang trái.
Trong quá trình cọc và ống đàn hồi biến dạng, một momen xuất hiện do dòng điện điều khiển và nam châm vĩnh cửu, khiến cụm vòi phun trở về vị trí cân bằng Khi đầu cọc đàn hồi lệch sang trái, vòi phun sẽ xoay về vị trí chính giữa, dẫn đến áp suất hồi phục bên trái giảm và áp suất bên phải tăng Khi các lực như lực chênh lệch áp suất, lực thủy động và lực đàn hồi cân bằng, con trượt sẽ ngừng chuyển động tại vị trí mà momen hồi phục bằng momen do dòng điện đầu vào tạo ra Do đó, độ dịch chuyển của con trượt và lưu lượng đầu ra sẽ tỷ lệ thuận với dòng điện điều khiển.
Con trượt (trục chính van) di chuyển ngược chiều quay của ống đàn hồi, và khi nó chuyển động, cọc đàn hồi tạo ra lực ngược chiều với momen quay có ích Con trượt sẽ tiếp tục di chuyển cho đến khi lực từ cọc đàn hồi cân bằng với momen quay có ích, đưa vòi phun về vị trí chính giữa Để khắc phục lực dòng chảy Bernoulli và lực lò xo, cần duy trì chênh lệch áp suất nhỏ ở hai đầu con trượt Chuyển động của con trượt tỷ lệ với dòng điện điều khiển vào động cơ xoay, và khi con trượt di chuyển, môi chất vào và ra ở cửa điều khiển luôn có tỷ lệ tương ứng.
Khi tín hiệu điện vào động cơ điều khiển xoay thay đổi độ lớn hoặc chiều dòng điện, khối lượng môi chất và độ dịch chuyển của con trượt cũng sẽ thay đổi theo tín hiệu đó Áp suất hồi phục ở trạng thái tĩnh trong các ống thu hồi áp suất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm góc lệch của vòi phun, đường kính miệng vòi phun, miệng ống thu hồi áp suất và khoảng cách giữa vòi phun và bề mặt ống thu hồi áp suất.
Kết cấu van servo vòi phun:
Van servo vòi phun điện thủy lực bao gồm bốn bộ phận chính: bộ khuếch đại thủy lực, động cơ điều khiển xoay (torque motor), cụm van trượt và cụm phản hồi Hình 2.6 minh họa cấu trúc của các bộ phận này với các chi tiết cụ thể.
Bộ khuếch đại thủy lực bao gồm đầu phun, cụm vòi phun và chi tiết thu hồi áp suất, cụ thể là các chi tiết số 3 và số 4 trong hình 2.6.
Động cơ mô-men xoắn được cấu thành từ cụm cuộn dây, cụm phần ứng, cụm cực từ và ống mềm đàn hồi, bao gồm các chi tiết số 1, số 2, số 9, số 10 và số 11 như thể hiện trong hình 2.6.
- Cụm van trƣợt do trục chính van và vỏ van tạo thành, cụ thể là các chi tiết số 5, số
- 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 minh họa cấu trúc của van servo vòi phun điện thủy lực, trong đó i1 và i2 là các dòng điện vào cuộn dây điều khiển của motor mô-men, là góc quay của cụm phần ứng Áp suất nguồn dầu được ký hiệu là p s, trong khi p t là áp suất dầu trở về thùng chứa Các cửa dầu ra được ký hiệu là A và B, và T là cửa dầu về thùng chứa Áp suất hồi phục tại hai đầu con trượt van được ký hiệu là p a và p b, còn p L là áp suất tại cửa phụ tải Thêm vào đó, α là góc giữa hai ống thu hồi áp suất, và b là khoảng cách từ miệng vòi phun đến miệng ống thu hồi áp suất.
Van servo vòi phun điện thủy lực được cấu thành từ torque motor kiểu nam châm vĩnh cửu, bộ khuếch đại thủy lực và van trượt Cấp sơ cấp bao gồm torque motor và bộ khuếch đại thủy lực, với bộ khuếch đại được tạo bởi vòi phun 3 và hai ống thu hồi áp suất 4 nối tiếp với hai khoang áp suất Cấp thứ cấp gồm vỏ van trượt và con trượt 5, trong đó con trượt di chuyển nhờ cọc đàn hồi 8 liên kết với phần ứng của torque motor Dầu cấp được phun qua ống phun vào hai ống thu hồi áp suất, chuyển hóa áp suất dầu thành động năng dòng chảy và sau đó chuyển thành áp suất thông qua các ống thu hồi Torque motor hoạt động như bộ chuyển đổi điện năng thành cơ năng, chuyển tín hiệu điện đầu vào thành chuyển động cơ khí đầu ra, dựa trên nguyên lý điện – từ với sự tương tác giữa hai từ trường, tạo ra lực hoặc momen từ tính tương ứng với tín hiệu điều khiển.
Dòng chảy trong vòi phun
2.2.1 Các trạng thái của dòng chảy trong vòi phun a) Các trạng thái của dòng chảy:
Dòng chảy của lưu chất có ba dạng chính: chảy tầng, chảy trung gian và chảy rối, phụ thuộc vào số Reynold Số Reynold được xác định theo công thức cụ thể, giúp phân loại các dạng chảy này.
Re (2.01) trong đó, D là đường kính ống; V là vận tốc dòng chảy;
là độ nhớt động học của lưu chất
Hình 2.7 Các dạng của dòng chảy
Khi số Reynolds (Re) nhỏ hơn 2000, dòng chảy được coi là chảy tầng; khi số Re lớn hơn 4000, dòng chảy chuyển sang trạng thái chảy rối Đối với số Re nằm trong khoảng từ 2000 đến 4000, dòng chảy sẽ có đặc điểm vừa chảy tầng vừa chảy rối Hình 2.8 minh họa nguyên lý làm việc của thiết bị phun thủy lực.
1 Ống điều khiển 2 Ống thu hồi 3 Ống chính Hình 2.8 Nguyên lý làm việc của thiết bị có dòng chảy rối
Trong các thiết bị phun thủy lực, khi dòng chảy ở chế độ chảy tầng, áp suất và lưu lượng qua ống thu hồi sẽ lớn nếu ống được đặt ở khoảng cách thích hợp Tuy nhiên, khi bị kích thích bởi dao động nhỏ, dòng chảy tầng có thể chuyển sang chảy rối, dẫn đến áp suất và lưu lượng giảm hoặc không có Khi dao động được triệt tiêu, dòng chảy sẽ trở lại chế độ chảy tầng, phản ánh đặc tính của dòng chảy này và nguyên lý hoạt động của thiết bị Ảnh hưởng của dòng chảy rối đến lớp lưu chất chảy tầng xung quanh tạo ra hiện tượng “tác dụng lôi cuốn”, làm tăng lưu lượng dòng phun và giảm áp suất xung quanh, khiến lưu chất từ xa chảy về vùng áp suất thấp Nếu các bề mặt bao quanh dòng phun đồng dạng, áp suất sẽ đồng nhất, giúp dòng rối tiếp tục chảy thẳng ra khỏi khe hẹp.
Kỹ thuật chất lỏng thủy lực sử dụng các đặc tính vật lý của quá trình chuyển động chất lỏng, kết hợp với linh kiện khác để tạo ra thiết bị với nhiều chức năng như công tắc và bộ khuếch đại Hệ thống này được thiết kế để hoàn thành các tác vụ đã định trước, phục vụ cho mục đích tự động hóa điều khiển.
1 Dòng phun rối 2 Dòng chảy tĩnh 3 Dòng chảy bị nhiễm rối Hình 2.9 Ảnh hưởng của dòng phun rối đến lớp lưu chất xung quanh
1 Lưu chất từ bên ngoài; 2 Lưu chất đi vào vùng lôi cuốn; 3 Dòng phun chính
Hình 2.10 Dòng rối phun ra ngoài mà không có thành bên b) Các phương trình của dòng chảy:
Phương trình liên tục của dòng chất lỏng là [54]:
(2.02) trong đó, là khối lượng riêng của lưu chất u là vận tốc của dòng lưu chất
Với lưu chất không nén được thìlà hằng số, phương trình liên tục được viết lại
(2.03) Phương trình bảo toàn động lượng của lưu chất, phương trình Navier-Stokes [28] i i i i j i j i g x u x
(2.04) Phương trình Navier-Stokes viết dưới dạng vector như sau: g u p u t u u
là toán tử Laplace, p là áp suất tác dụng lên một đơn vị thể tích chất lỏng; μ là độ nhớt động lực lưu chất; g là gia tốc trọng trường
Phương trình Navier-Stokes mô tả sự bảo toàn động lượng trong chất lỏng, bao gồm các thành phần quan trọng: tốc độ biến đổi địa phương của động lượng, sự biến đổi do đối lưu, áp suất, khuếch tán do độ nhớt, và tác động của trọng lực Nó cung cấp các thành phần vận tốc dòng chảy theo ba hướng cùng với phương trình liên tục, cho phép mô tả chính xác dòng chảy của chất lỏng.
Chất lỏng lý tưởng là loại chất lỏng có độ nhớt bằng không Nước, với tính chất không nén được và độ nhớt có thể bỏ qua, được xem là chất lỏng lý tưởng Phương trình Euler mô tả hành vi của chất lỏng lý tưởng.
Phương trình Bernoulli cho chất lỏng lý tưởng được áp dụng cho các chất lỏng không nén được, có dòng chảy không xoáy và dòng chảy dừng.
(2.08) trong đó, z là chiều cao cột áp hình học; g u
2 là chiều cao cột áp vận tốc; g
là chiều cao cột áp áp suất; C c là chiều cao cột áp, C c = hằng số
Phương trình Bernoulli viết cho chất lỏng thực là [54]:
(2.09) trong đó, h 1-2 là tổn thất cột áp
1, 2 là các hệ số phụ thuộc vào chế độ dòng chảy, bằng 1 nếu dòng chảy rối, và bằng 2 nếu dòng chảy tầng
2.2.2 Kết cấu hệ thống điều khiển thủy lực
Hình 2.11 chỉ ra quan hệ giữa các bộ phận hợp thành hệ thống điều khiển thủy lực hoặc điện thủy lực điển hình
Hình 2.11 Sơ đồ hệ thống điều khiển thủy lực
Mô hình toán van servo vòi phun điện-thủy lực
2.3.1 Mô hình toán torque motor van servo vòi phun
Động cơ torque được đặt trong tầng điều khiển của van servo vòi phun hai cấp, có phản hồi lực điện thủy lực Nguyên lý hoạt động của động cơ điều khiển xoay (torque motor) được minh họa trong hình vẽ 2.12.
Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của torque motor van servo vòi phun điện thủy lực
Các ký hiệu của hình 2.12 được diễn tả như sau:
Hệ số khuếch đại điện áp của bộ khuếch đại phụ thuộc vào hai cuộn dây điều khiển, với điện áp điều khiển u_g và tín hiệu điện áp đầu vào u_1 và u_2 của cuộn dây 1 và cuộn dây 2, trong đó u_1 = u_2 Để tạo ra dòng điện không đổi, cần có điện áp E_b, trong khi R_a là điện trở nội của bộ khuếch đại và R_c là điện trở của mỗi cuộn dây điều khiển Trở kháng Z_b tại đoạn chung của hai cuộn dây ảnh hưởng đến dòng điện i_1 và i_2 trong cuộn dây Động cơ điều khiển xoay bao gồm cuộn dây điều khiển, hai mảnh nam châm vĩnh cửu, phần ứng, ống đàn hồi và các giá đỡ dẫn từ và không dẫn từ Mạch từ khép kín được hình thành bởi hai nửa nam châm vĩnh cửu, hai vành dẫn từ và bốn khe hở, trong đó nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường cố định Phần ứng được treo đối xứng giữa hai vành dẫn từ, tạo ra bốn khe hở đối xứng.
(1) Mô hình toán mạch từ với dòng điện vào i :
Sơ đồ cấu tạo của motor mô men (torque motor) cho thấy khi dòng điện i1 và i2 được cấp vào, từ thông xuất hiện trong motor Nguyên lý mạch từ của motor được minh họa qua sơ đồ, cho thấy lực hút tại bốn khe hở mạch từ đẩy phần ứng, từ đó xác định momen điện từ Phân tích mạch từ cho phép thiết lập mối quan hệ giữa các thông số kết cấu và momen đầu ra của motor mô men.
Lực hút điện từ trong từ trường phần ứng [77] là: g o A
2 (2.1) ở đây, F là lực hút điện từ (N) ϕ là từ thông đi qua cực từ (Wb) à o là suất từ thẩm chõn khụng, à o =1.25610 -6 (H/m) = 4 10 -7 (Wb/A.m)
A g là diện tích bề mặt cực từ (m 2 )
Diện tích bề mặt cực từ tại khe hở A g là hằng số, và lực hút điện từ F phụ thuộc vào từ thông ϕ qua cực từ Qua đó, ta thiết lập phương trình mạch từ, từ đó xác định quy luật biến đổi của từ thông và phương trình momen điện từ.
1 cuộn dây điều khiển; 2 ống đàn hồi; 3 thân van
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý torque motor
N: cực bắc; S: cực nam Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch từ
Khi phần ứng nằm ở chính giữa và khe hở từ trở của vật liệu từ tính là nhỏ, có thể bỏ qua ảnh hưởng của khe hở Từ trở của các khe hở ở vị trí đối xứng khi phần ứng lệch góc là bằng nhau Ở vị trí chính giữa, từ trở của mỗi khe hở được xác định là g o g A.
(2.2) ở đây, R g là từ trở khe hở ở vị trí chính giữa (hay vị trí 0), (A/Wb) g là độ dài mỗi khe hở khi phần ứng ở vị trí chính giữa, (m).
Khi phần ứng lệch khỏi vị trí chính giữa (hay vị trí 0) một góc thì từ trở mỗi khe hở là:
(2.3) ở đây, x là khoảng di chuyển lệch khỏi vị trí chính giữa của đầu phần ứng, (m)
R 1 là từ trở khe hở ①，(A/Wb); R 2 là từ trở khe hở ②, (A/Wb)
R 3 là từ trở khe hở ③, (A/Wb); R 4 là từ trở khe hở ④, (A/Wb)
Để thuận tiện cho việc tính toán và thiết lập các phương trình điện từ cho motor mô men xoắn, sơ đồ mạch từ tương đương của motor đã được thiết lập như hình 2.15 Dựa trên sơ đồ này và định luật Ohm thứ hai, có thể xây dựng phương trình mạch từ cho motor mô men xoắn.
M o c (2.5) Kết hợp phương trình (2.4) và (2.5), ta được g x g
(2.7) trong đó, M 0 là thế từ động của nam châm vĩnh cửu, (A)
N c là số vòng mỗi cuộn dây điều khiển
Chênh lệch cường độ dòng điện giữa hai cuộn dây được ký hiệu là ∆i (A) Từ thông đi qua khe hở ① và ③ được gọi là ϕ 1 (Wb), trong khi từ thông qua khe hở ② và ④ được ký hiệu là ϕ 2 (Wb) Cuối cùng, từ thông phân cực của khe hở khi phần ứng ở vị trí chính giữ được biểu thị bằng ϕ g (Wb).
N c ∆i là thế từ động điều khiển do dòng điện điều khiển sinh ra, (A) ϕ c là thông lƣợng điều khiển khe hở khi phần ứng ở vị trí chính giữa, (Wb) g o g R
Gọi lực hút điện từ ở khe hở ① và ③ là F 1 , lực hút điện từ ở khe hở ② và ④ là
F 2 , khi đó phương trình (2.1) được viết lại như sau: g o A
Momen điện từ trên phần ứng được sinh ra từ sự tương tác giữa từ thông điều khiển và từ thông phân cực, như thể hiện trong sơ đồ nguyên lý ở hình 2.12 và 2.14.
T (2.10) trong đó, a là khoảng cách từ tâm mặt cực từ đến tâm quay phần ứng, tức cánh tay momen lực điện từ, (m)
Kết hợp phương trình (2.6) và (2.7) cho
Từ phương trình (2.11) và (2.12) cho
Từ hình 2.13 và hình 2.14, ta có quan hệ hình học: xa (2.14) ở đây, là góc quay của phần ứng, tức góc quay của ống đàn hồi, (rad)
Thay các phương trình (2.2), (2.9), (2.13) và (2.14) vào phương trình (2.10), đồng thời xem góc quay của phần ứng là nhỏ, nên
a tg x khi đó phương trình xác định momen điện từ là
(2.15) ở đây, T d là tổng momen sinh ra ở phần ứng khi có dòng điện vào torque motor, nó chính là momen ở đầu ra của torque motor, (Nm)
K t là hệ số momen điện từ ứng với phần ứng ở vị trí chính giữa của torque motor, (Nm/A)
K m là độ cứng đàn hồi từ với phần ứng ở chính giữa torque motor, (Nm/rad)
Momen đầu ra của torque motor, dòng điện đi vào và góc quay của phần ứng có mối quan hệ phi tuyến Để biến mối quan hệ này thành tuyến tính, cần đảm bảo các biểu thức thiết kế torque motor được thỏa mãn.
Lúc đó phương trình (2.15) được viết gọn như sau:
Khi tín hiệu điện điều khiển được cung cấp cho cuộn dây của motor mô-men, theo phương trình (2.18), momen sinh ra khiến phần ứng quay một góc về phía nam châm vĩnh cửu Sự thay đổi khe hở từ tạo ra momen điện từ tăng thêm Do phần ứng gắn liền với lò xo, khi momen xoắn của lò xo cân bằng với momen điện từ, phần ứng sẽ dừng lại ở một góc quay xác định Kết quả là momen đầu ra tỷ lệ thuận với góc quay.
(2) Mô hình toán mạch điện với dòng điện đầu vào i :
Khi hai cuộn dây điều khiển của torque motor được cấp điện bởi một bộ khuếch đại đẩy kéo, dòng điện trong mỗi cuộn dây sẽ bằng nhau nhưng ngược dấu, dẫn đến việc không tạo ra momen điện từ trên phần ứng Giả sử điện áp điều khiển đầu vào bộ khuếch đại servo là u g và điện áp điều khiển đầu ra là u c, thì dòng điện trong mỗi cuộn dây được ký hiệu là i Do đó, dòng điện điều khiển vào torque motor được xác định bằng sai lệch cường độ dòng điện giữa hai cuộn dây, tức là i c = 2i = Δi.
Điện áp điều khiển đầu ra của bộ khuếch đại được xác định bởi công thức u c = K u u g, trong đó u c là điện áp điều khiển đầu ra, và u g là điện áp điều khiển đầu vào Cả u c và u g đều được đo bằng volt (V), với u c cũng bằng u 1 và u 2.
K u là hệ số khuếch đại điện áp của bộ khuếch đại, giá trị của nó phụ thuộc vào hai cuộn dây điều khiển, theo [17] chọn K u = 1.3
Phương trình cân bằng điện áp cho một cuộn dây điều khiển là: dt
(2.20) trong đó, R c là điện trở mỗi cuộn dây điều khiển, () ϕ a là từ thông phần ứng, (Wb)
Từ phương trình (2.19) và (2.20) cho phương trình điện áp cơ bản của torque motor là dt
Phương trình (2.21) chỉ ra rằng điện áp đầu ra của bộ khuếch đại ngoài bị suy giảm do điện trở phát nhiệt, và sự suy giảm này chủ yếu ảnh hưởng đến việc tạo ra từ thông phần ứng ϕ a.
Dựa vào hình 2.15, ta có từ thông phần ứng là: ϕ a = ϕ 1 – ϕ 2 = ϕ 3 – ϕ 4
Do đó phương trình (2.12) được viết lại như sau:
Do thiết kế torque motor đã thỏa mãn điều kiện: 1 g x , nên (2.22) viết lại là:
N g g c a 2 (2.23) Kết hợp các phương trình (2.21), (2.23), phương trình điện áp cơ bản torque motor là dt d g
(2.24) trong đó, R = 0.5R c là điện trở của dòng điện điều khiển i c trong torque motor, ()
L N c 2 R g là điện cảm của dòng điện điều khiển i c , (H) u 2 g N c a g là hằng số thế phản điện động, (Vs/rad)
(3) Phân tích chuyển động phần ứng:
Trạng thái động học giữa góc quay của phần ứng và điện áp đầu vào u g của bộ khuếch đại servo có mối quan hệ chặt chẽ Động lực học giữa phụ tải phần ứng và mạch điện được thiết lập thông qua quá trình cân bằng các momen, bao gồm momen đàn hồi phần ứng, momen điện từ, momen giảm chấn, momen phụ tải và momen quán tính.
Phương trình chuyển động cụm phần ứng van servo vòi phun là:
Momen điện từ T d là tổng momen sinh ra trong phần ứng khi dòng điện điều khiển đi vào torque motor, đo bằng Nm Momen quán tính khối lượng của cụm phần ứng được ký hiệu là J a, với đơn vị kgm² Hệ số giảm chấn nhớt của cụm phần ứng là C a, tính bằng Ns/m Độ cứng ống đàn hồi được ký hiệu là K a, với đơn vị Nm/rad Cuối cùng, momen phụ tải được ký hiệu là T L, cũng đo bằng Nm.
Đặc tính tĩnh van servo vòi phun điện thủy lực
2.4.1 Đặc tính lưu lượng rò rỉ trong Đặc tính lưu lượng rò rỉ trong là lưu lượng phụ tải ở vị trí 0, nó chính là đường đặc tính quan hệ giữa lưu lượng tổng chảy ra cửa dầu hồi và dòng điện điều khiển Lưu lượng rò rỉ trong thay đổi theo dòng điện đầu vào, phương thức làm việc, độ chính xác gia công van servo, áp suất dầu cấp, vv…Khi van ở vị trí 0 thì lưu lượng rò rỉ trong đạt cực đại Với van servo vòi phun hai cấp, lưu lượng rò rỉ trong do lưu lượng rò rỉ ở tiền cấp q Po và lưu lượng rò rỉ cấp công suất q 0 hợp thành, xem hình 2.21
Tỷ số áp suất dầu cấp và lưu lượng rò rỉ trong được coi là hệ số lưu lượng - áp suất Lưu lượng rò rỉ cực đại q c là yếu tố quan trọng để kiểm tra chất lượng của van mới Đối với van mới, lưu lượng rò rỉ ở vị trí 0 là tiêu chí đánh giá chất lượng chế tạo van trượt, trong khi đối với van cũ, chỉ tiêu này phản ánh tình trạng mòn của van trượt.
Hình 2.21 Lưu lượng rò rĩ trong
Trên lý thuyết, dựa vào lưu lượng dầu cấp q s , ta có c L
Áp suất dầu cấp p s được sử dụng để xác định lưu lượng rò rỉ q s tại vị trí 0 Hệ số lưu lượng – áp suất K c ở vị trí này có thể được tính toán và xác định theo công thức cụ thể.
Đối với van servo mới, lưu lượng rò rỉ tối đa q c ở vị trí 0 gần như là chảy tầng và được tính theo công thức q c = B.μ.p s Ngược lại, với van servo cũ, các bề mặt chuyển động tương đối không còn song song mà trở nên lồi lõm, khiến khe hở giữa các bề mặt lớn hơn mức cho phép Điều này dẫn đến việc lưu chất chảy qua các khe hở phải vượt qua những chỗ lồi, chỗ lõm, làm thay đổi hướng vận tốc của chúng Khi van càng mòn, khe hở càng lớn và độ dày của lớp lưu chất chảy qua cũng tăng, tạo ra dòng xoáy khi đi qua các bề mặt không đều Lưu lượng rò rỉ trong trường hợp này được xác định bởi công thức q c = s c B p, trong đó s c là độ nhớt động học của lưu chất.
K i là hệ số; w là độ bậc diện tích ở cửa van;
C q là hệ số lưu lượng rò rỉ trong ở vị trí 0;
2.4.2 Đặc tính lưu lượng không tải Đồ thị lưu lượng không tải là đồ thị quay vòng - hai chiều của lưu lượng đầu ra theo dòng điện đầu vào Ở điều kiện áp suất vào van không đổi còn áp suất phụ tải bằng 0, cho dòng điện điều khiển thay đổi giá trị định mức từ âm sang dương rồi cho thay đổi theo chiều ngược lại, ta được đường cong liên tục, khép kín và có chu kỳ, gọi là đặc tính lưu lượng không tải, xem hình 2.22 Trong hình, q n là giá trị lưu lượng định mức, i n là giá trị dòng điện điều khiển định mức, i 0 mức độ trễ, i là mức trôi điểm 0 Tín hiệu điện vào và áp suất nguồn dầu càng lớn, lưu lượng không tải càng lớn Lưu lượng không tải van servo cơ bản là tỷ lệ thuận với dòng điện điều khiển, lưu lượng rò rĩ trong gia tăng thì lưu lượng phụ tải giảm dần Đồ thị lưu lượng không tải cho biết: phân cực của van, lưu lượng không tải định mức, độ gia tăng lưu lượng theo danh nghĩa, độ tuyến tính, độ đối xứng, tính trễ và đặc tính “vùng không” của van
Độ trễ đáp ứng động lực học của van servo vòi phun chủ yếu do độ từ trễ của mạch từ phần ứng và khe hở trượt trong van Độ trễ này phụ thuộc vào cường độ tín hiệu đầu vào; tín hiệu nhỏ dẫn đến độ từ trễ nhỏ Khe trượt tăng lên do lực ma sát giữa con trượt và vỏ van, và nếu lưu chất bẩn, tình trạng này có thể gây mất ổn định cho hệ thống servo Thông thường, độ trễ của van servo không vượt quá 5%.
Các hệ thống khác nhau có yêu cầu riêng về mức độ gia tăng áp suất Việc gia tăng áp suất sẽ làm tăng tính cứng của hệ thống Hệ số gia tăng áp suất của van servo trong hệ thống điều khiển vị trí nên càng cao càng tốt, vì nó giúp giảm thiểu ảnh hưởng của sự thay đổi phụ tải đến độ chính xác trong việc điều khiển.
Hệ thống điều khiển lực và áp suất cần có hệ số tăng áp suất phẳng, độ tuyến tính tốt và khả năng điều chỉnh dễ dàng Đặc tính lưu lượng phụ tải của bộ khuếch đại thể hiện mối quan hệ giữa chênh lệch áp suất (p L), chênh lệch lưu lượng (q L) và góc quay (θ) của miệng vòi phun trong điều kiện tải Mỗi góc quay tạo ra một đường cong quan hệ riêng biệt, dẫn đến đặc tính lưu lượng – áp suất là một tập hợp nhiều đường cong khác nhau Hình 2.23 minh họa cấu trúc bộ khuếch đại thủy lực ở cấp thứ nhất của van servo vòi phun điện thủy lực.
1 miệng vòi phun 2 bộ thu hồi áp suất Hình 2.23 Kết cấu bộ khuếch đại thủy lực van servo vòi phun
Phương trình đặc tính tĩnh lưu lượng – áp suất của van trượt là
Khi dòng điện điều khiển i c đi vào van servo, chuyển vị x v của con trƣợt và tín hiệu i c tỷ lệ thuận nhau, khi đó: x v = K i i c Nhƣ vậy,
1 (2.41) trong đó, p L là áp suất phụ tải; p s áp suất nguồn dầu cấp; q L là lưu lượng phụ tải; ρ là mật độ khối lượng của môi chất;
K i là hệ số tỷ lệ; i c là dòng điện điều khiển;
C d là hệ số lưu lượng; x v là dịch chuyển của con trượt w là độ bậc diện tích ở cửa van (hay gradient diện tích)
Gọi K q là hệ số gia tăng lưu lượng van trượt,
1 , khi đó phương trình (2.41) được viết lại như sau: v q
Từ phương trình (2.41), khi dòng điện điều khiển i c thay đổi trong khoảng từ -0.5 mA đến +0.5 mA, ta nhận được đồ thị đặc tính lưu lượng – áp suất theo dòng điện đầu vào i c, như thể hiện trong hình 2.24 Đồ thị này cho thấy rằng với cùng một giá trị áp suất phụ tải p L đầu ra, dòng i c càng lớn thì lưu lượng phụ tải q L cũng tăng Hơn nữa, tại một giá trị xác định của dòng i c, khi áp suất phụ tải p L tăng, lưu lượng phụ tải q L sẽ giảm và trở về 0 khi áp suất phụ tải đạt bằng áp suất nguồn dầu cấp Hình 2.24 mô tả toàn bộ đặc tính trạng thái tĩnh của van servo vòi phun điện thủy lực.
-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 áp suất phụ tải pL (MPa) 1/i=0.5mA; 2/i=0.3mA; 3/i=0.1mA; 4/i=-0.1mA; 5/i=-0.3mA; 6/i=-0.5mA lưu lượ ng phụ tải qL (L /min)
Hình 2.24 Đồ thị đặc tính lưu lượng - áp suất theo dòng điện đầu vào
2.4.4 Đặc tính áp suất Đặc tính áp suất là đồ thị quan hệ giữa áp suất phụ tải p L và dòng điện điều khiển i c Tỷ lệ giữa thay đổi áp suất phụ tảip L theo dòng điện điều khiển đầu vào i c gọi là hệ số gia tăng áp suất phụ tải Thông thường quy định hệ số gia tăng áp suất phụ tải là độ nghiêng trung bình của đồ thị giảm áp phụ tải theo dòng điện điều khiển ở trong khoảng 40% áp suất phụ tải lớn nhất.
Tiểu kết
Chương 2 đã giới thiệu kết cấu và nguyên lý làm việc của một số bộ phận quan trọng trong van servo vòi phun (jet pipe) điện thủy lực nhƣ: động cơ điều khiển xoay (torque motor), bộ khuếch đại cấp công suất, con trƣợt van, cụm phản hồi van servo vòi phun Lý thuyết cơ bản về kỹ thuật chất lỏng thủy lực, kỹ thuật điện từ trường đã đƣợc trình bày, từ đó đƣa ra mô hình toán cho torque motor, mô hình toán cấp công suất và các đường đặc tính trạng thái tĩnh gồm đặc tính lưu lượng và đặc tính áp suất của van servo vòi phun điện thủy lực