Lời cảm ơn
Lời đầu tiên tôi xin cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Đức Ngọc người đã đưa
ra ý tưởng và hướng dẫn tơi hồn thành luận văn.
Xin trân thành cảm ơn các Thầy trong bộ môn Máy xây dựng khoa Cơ khí –
Đại học Thủy lợi đã dạy tơi trong các môn học, cung cấp những kiến thức làm cơ sở
cho luận văn, cũng như có những nhận xét, ý kiến giúp tơi hồn thiện bản luận văn.
Xin trân thành cảm ơn Khoa Cơ khí – Đại học Thủy lợi và Trường Đại học
Thủy lợi đã tổ chức, tạo điều kiện tốt nhất thời gian, giảm khối lượng công việc, hỗ
trợ kinh phí giúp tơi hồn thành luận văn cũng như tồn bộ chương trình đào tạo.
Cuối cùng cho phép tôi gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp, gia đình tơi
đã ln động viên giúp đỡ tơi trong quá trình học tập cũng như làm luận văn.
Hà nội, ngày 20, tháng 11, năm 2014
Tác giả
Bùi Văn Hiệu
BẢN CAM KẾT
Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu xây dựng mơ hình thiết bị thí nghiệm
nâng thủy lực phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học”.
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tơi hồn tồn là do tơi làm. Những kết
quả nghiên cứu, tính tốn khơng sao chép từ bất kỳ nguồn thông tin nào khác. Nếu
vi phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm, chịu bất kỳ các hình thức kỷ luật nào
của Nhà trường.
Học viên
Bùi Văn Hiệu
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10
Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1. Tìm hiểu một số mạch thủy lực cơ bản trong chương trình đào tạo. ............1
1.1.1.
Hệ thủy lực thống nâng thùng xe ........................................................1
1.1.2.
Hệ thống lái thủy lực của xe tải hạng nặng .........................................5
1.1.3.
Hệ thống thủy lực nâng hạ cửa van trong môn thiết bị thủy công ......7
1.2. Hệ thống thủy lực trên máy đào trong mơn Máy làm đất ...........................10
1.3. Tìm hiểu cách xây dựng mơ hình thiết bị thí nghiệm nâng thủy lực...........14
1.3.1.
Mục tiêu .............................................................................................14
1.3.2.
Cách xây dựng và sơ đồ bố trí ...........................................................15
1.3.3.
Hệ thống thủy lực của mơ hình .........................................................16
Chương 2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ...............................................19
2.1. Thiết kế mạch thủy lực ................................................................................19
2.1.1.
u cầu thiết kế .................................................................................19
2.1.2.
Xác định lực tính tốn .......................................................................19
2.1.3.
Xây dựng mạch..................................................................................30
2.1.4.
Xác định thông số yêu cầu của hệ thống. ..........................................35
2.1.5.
Tính chọn trạm nguồn hệ thống. .......................................................36
2.1.6.
Lựa chọn ống dẫn ..............................................................................38
2.1.7.
Dầu thủy lực ......................................................................................39
2.2. Phân tích mạch.............................................................................................40
2.3. Động lực học mơ hình .................................................................................44
2.4. Kết luận chương ..........................................................................................50
Chương 3. MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ............................................51
3.1. Giới thiệu về phần mềm ..............................................................................51
3.1.1.
Giao diện chính của Automation Studio ...........................................53
3.1.2.
Giao diện thư viện chính ...................................................................54
3.1.3.
Mơ phỏng mạch thủy lực được kết nối với PLC ...............................55
3.2. Mô phỏng mạch ...........................................................................................56
3.2.1.
Mô phỏng bơm. .................................................................................56
3.2.2.
Mô phỏng các van .............................................................................57
3.2.3.
Mô phỏng xi lanh ..............................................................................59
3.2.4.
Mô phỏng các phần tử khác ..............................................................60
3.3. Kết quả mơ phỏng mạch ..............................................................................62
3.3.1.
Hành trình nâng .................................................................................63
3.3.2.
Hành trình hạ .....................................................................................64
3.3.3.
Vị trí giữ ............................................................................................65
3.3.4.
Xuất và phân tích kết quả ..................................................................66
Chương 4. XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM .........................71
4.1. Một số thiết bị cảm biến cần sử dụng ..........................................................71
4.1.1.
Cảm biến áp suất ...............................................................................71
4.1.2.
Cảm biến tải trọng .............................................................................71
4.1.3.
Cảm biến góc .....................................................................................72
4.1.4.
Cảm biến vị trí ...................................................................................73
4.2. Xây dựng bài thí nghiệm, thực hành trên mơ hình nâng hạ ca-bin .............74
4.2.1.
Mục đích thí nghiệm..........................................................................75
4.2.2.
Kiến thức sử dụng (cơng thức tính tốn) ...........................................75
4.2.3.
Trình tự thực hiện ..............................................................................77
4.2.4.
Xử lý số liệu và tính toán ..................................................................77
4.2.5.
Nhận xét, kết luận ..............................................................................78
4.3. Xây dựng các bài thí nghiệm trên bộ cơng tác máy đào .............................78
4.3.1.
Mục đích thí nghiệm..........................................................................79
4.3.2.
Trình tự thực hiện ..............................................................................80
4.3.3.
Kiến thức sử dụng (cơng thức tính tốn) ...........................................80
4.4. Xây dựng bài thí nghiệm nâng hạ cửa van ..................................................80
4.4.1.
Mục đích thí nghiệm..........................................................................81
4.4.2.
Trình tự thực hiện ..............................................................................81
4.4.3.
Kiến thức sử dụng (cơng thức tính tốn) ...........................................81
4.4.4.
Xử lý số liệu và tính tốn ..................................................................81
4.4.5.
Nhận xét, kết luận ..............................................................................81
Phụ lục
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ thống nâng thùng xe tải CAT 797.....................................................1
Hình 1.2. Hệ thống nâng thùng xe tải CAT 797 .........................................................2
Hình 1.3. Các chế độ làm việc của hệ thống nâng ......................................................3
Hình 1.4. Sơ đồ thống lái thủy lực cơ bản CAT 797 ..................................................5
Hình 1.5. Hệ thống lái nhìn từ dưới 797F ...................................................................7
Hình 1.6. Sơ đồ thủy lực cho cửa cung đóng bằng tự trọng .......................................8
Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống thủy lực máy đào 374DL .................................................10
Hình 1.8. Mơ hình máy nhổ cây thủy lực .................................................................14
Hình 1.9. Sơ đồ bố trí tổng thể các thiết bị trên bộ cơng tác.....................................15
Hình 1.10. Bố trí các thiết bị của mơ hình thí nghiệm ..............................................16
Hình 1.11. Sơ đồ một xi lanh thủy lực tác động kép ................................................16
Hình 1.12. Khối van với các đường vào đường ra độc lập .......................................17
Hình 1.13. Trạm nguần thủy lực ...............................................................................18
Hình 2.1. Ca-bin xe tải ..............................................................................................20
Hình 2.2. Sơ đồ tính tốn hệ thống nâng ca-bin........................................................20
Hình 2.3. Phân tích lực nâng ca-bin ..........................................................................21
Hình 2.4. Xác định góc β ..........................................................................................22
Hình 2.5. Xác định góc γ ...........................................................................................23
Hình 2.6. Xác định M(F Y ), M(F Z ) ...........................................................................24
Hình 2.7. Xác định M(G) ..........................................................................................25
Hình 2.8. Biểu đồ các thơng số ca-bin theo góc nâng α............................................29
Hình 2.9. Sơ đồ mạch thủy lực nâng hạ ca-bin .........................................................30
Hình 2.10. Xác định hành trình xi lanh .....................................................................32
Hình 2.11. Xi lanh thủy lực .......................................................................................34
Hình 2.12. Kích thước trạm nguồn ...........................................................................37
Hình 2.13. Biểu đồ mơ men các lực tác dụng lên ca-bin ..........................................47
Hình 3.1. Giới thiệu phần mềm Automation Studio .................................................52
Hình 3.2. Trình tự cơng việc .....................................................................................53
Hình 3.3. Giao diện chính của Automation Studio . .................................................53
Hình 3.4. Giao diện của thư viện chính. ...................................................................55
Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển ........................................................................................55
Hình 3.6. Mơ phỏng bơm trong Automation Studio. ................................................56
Hình 3.7. Các thơng số của bơm ...............................................................................57
Hình 3.8. Mơ phỏng van áp suất trong Automation Studio ......................................57
Hình 3.9. Mơ phỏng van phân phối trong Automation Studio .................................58
Hình 3.10. Mơ phỏng van tiết lưu trong Automation Studio ....................................58
Hình 3.11. Mơ phỏng van lựa chọn và van một chiều ..............................................59
Hình 3.12. Mơ phỏng xi lanh trong Automation Studio ..........................................59
Hình 3.13. Thơng số của xi lanh mơ phỏng ..............................................................60
Hình 3.14. Thơng số đường ống ...............................................................................61
Hình 3.15. Mơ phỏng bộ lọc, thùng dầu trong Automation Studio ..........................61
Hình 3.16. Mơ phỏng mạch trong Automation Studio .............................................63
Hình 3.17. Mơ phỏng hành trình nâng ......................................................................64
Hình 3.18. Mơ phỏng hành trình hạ ..........................................................................65
Hình 3.19. Mơ phỏng hành trình giữ.........................................................................66
Hình 3.20. Biểu đồ gia tốc, vận tốc, vị trí xi lanh .....................................................66
Hình 3.21. Biểu đồ áp suất đầu ra, đầu vào van đối trọng ........................................68
Hình 3.22. Đồ thị của van an toàn thời điểm bắt đầu và thời điểm mở van .............69
Hình 3.23. Đồ thị áp suất của bơm............................................................................70
Hình 4.1. Cảm biến áp suất MBS 2050.....................................................................71
Hình 4.2. Cảm biến tải trọng U9B ............................................................................72
Hình 4.3. Cảm biến góc.............................................................................................73
Hình 4.4. Cảm biến độ dài ........................................................................................73
Hình 4.5. Sơ đồ điều khiển mơ hình .........................................................................74
Hình 4.6. Sơ đồ bố trí cảm biến trên mơ hình ...........................................................74
Hình 4.7. Mơ phỏng hoạt động máy làm đất ảo trên Automation Studio 6.0 ...........79
Hình 4.8. Sơ đồ bố trí cảm biến trên máy dùng để thí nghiệm, thực hành ...............79
Hình 4.9. Sơ đồ bố trí cảm biến trên mơ hình thí nghiệm cửa van lật ......................80
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Kích thước của ca-bin ...............................................................................26
Bảng 2.2. Biến thiên các thơng số ca-bin theo góc nâng ..........................................27
Bảng 2.3. Xác định đường kính xi lanh ....................................................................32
Bảng 2.4. Xác định hành trình xi lanh ......................................................................33
Bảng 2.5. Thơng số của xi lanh .................................................................................33
Bảng 2.6. Thơng số hình học píttơng ........................................................................34
Bảng 2.7. Các thơng số khác của píttơng ..................................................................34
Bảng 2.8. Xác định hành lưu lượng hành trình nâng ................................................35
Bảng 2.9. Xác định hành lưu lượng hành trình nâng ................................................36
Bảng 2.10. Lưu lượng cần cung cấp của bơm...........................................................36
Bảng 2.11. Thông số trạm nguồn ..............................................................................37
Bảng 2.12. Thông số động cơ ...................................................................................38
Bảng 2.13. Lưu lượng của bơm theo m3/phút và m3/s ..............................................38
Bảng 2.14. Các thông số dầu thủy lực ......................................................................39
Bảng 2.15. Tổn thất do ma sát trong ống ..................................................................42
Bảng 2.16. Tổn thất do ma sát trong ống nối ............................................................43
Bảng 2.17. Tổn thất do ma sát trong van ..................................................................43
Bảng 2.18. Tổng tổn thất do ma sát ..........................................................................43
Bảng 2.19. Thông số xi lanh và khớp bản lề .............................................................46
Bảng 2.20. Thông số ca-bin ......................................................................................46
Bảng 2.21. Biểu đồ vận tốc góc ca-bin .....................................................................50
DANH MỤC VIẾT TẮT
ECM (Electronic Control Module): hệ thống kiểm soát điện tử.
PTO (Power Take Off): bộ phận trích cơng suất .
PLC (Programmable Logic Controller): Thiết bị điều khiển lập trình
MỞ ĐẦU
1.
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các loại máy móc
thiết bị ngày càng đóng vai trị quan trọng với con người trong tất cả các lĩnh vực.
Để có được các thiết bị máy hoạt động an toàn hiệu quả ngồi tính tốn lý thuyết thì
khơng thể thiếu đó là phải trải qua q trình thí nghiệm. Thí nghiệm kiểm tra lại lý
thuyết, kiểm chứng những vấn đề lý thuyết chưa giải quyết được, là nơi cải tiến,
hoàn thiện, phát minh, phát hiện ra các vấn đề các hiện tượng làm cơ sở để xây
dựng các học thuyết. Trong đào tạo, ngồi các mục đích trên, phịng thí nghiệm cịn
là nơi hỗ trợ đắc lực cho q trình đào tạo, phát huy khả năng tự học, tìm tịi sáng
tạo của sinh viên.
Các thiết bị thí nghiệm phục vụ đào tạo là thiết bị mang tính đặc thù, do khi
xây dựng các bài thí nghiệm phụ thuộc vào nội dung nghiên cứu, u cầu các mơn
học. Vì tính đặc thù đơn lẻ dẫn đến chi phí cao và khó khăn khi mua các bộ thí
nghiệm phù hợp. Thiết bị thủy lực nói chung và thiết bị nâng hạ thủy lực nói riêng
ngày càng ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực: cơng nghiệp, máy móc phục
vụ xây dựng, xe vận chuyển, các thiết bị nâng hạ trong thủy lực phục vụ trong thủy
lợi…. Thiết bị nâng hạ thủy lực với những ưu điểm về khả năng biến đổi chuyển
động, khuếch đại lực, dễ tự động hóa trong điều khiển đang dần thay thế các thiết bị
cơ khí đơn thuần.
Xuất phát từ yêu cầu của thực tế, đòi hỏi sinh viên ngành Cơ khí cần được
trang bị những kiến thức đầy đủ và toàn diện về các thiết bị nâng thủy lực. Trong
những năm gần đây các môn học cung cấp kiến thức về thiết bị thủy lực đã được
đào tạo phổ biến trong các trường đại học. Tuy nhiên phần lớn các môn học tập
trung nâng cao kiến thức về lý thuyết, lượng kiến thức về thực hành thực tập, các
bài thí nghiệm cho sinh viên rất ít. Do đó sinh viên khi ra trường cịn nhiều bỡ ngỡ
và hạn chế trong phân tích, tính tốn, thiết kế, sửa chữa các mạch thủy lực, thiết bị
thủy lực. Điều này tạo nên khoảng cách nhất định giữa đào tạo và thực tế.
Nhằm mục đích xây dựng mơi trường cho sinh viên tự học tự tìm hiểu nâng
cao kiến thức, kỹ năng thực hành hiểu biết thực tế về máy móc và các thiết bị thủy
lực. Đề tài nghiên cứu xây dựng mơ hình thí nghiệm thiết bị nâng thủy lực của cabin xe tải hạng nặng, thiết bị đo và hệ thống điều khiển được tính tốn lắp đặt phù
hợp với các bài thí nghiệm trong từng bài học cụ chắc chắn sẽ giúp ích rất nhiều cho
q trình tìm tịi học tập, nghiên cứu của sinh viên.
2.
Mục đích của đề tài
− Nghiên cứu các mạch thủy lực chính trong chương trình đào tạo ngành kỹ
thuật cơ khí làm cơ sở xây dựng mơ hình thí nghiệm phục vụ thí nghiệm, thực hành
và nghiên cứu cho sinh viên.
− Để sử dụng các thiết bị sẵn có đề tài sẽ tốn thiết kế cho mơ hình nâng ca-bin
xe tải hạng nặng.
− Phân tích động học, động lực học mơ hình để xây dựng các đồ thị các thông
của hệ thống làm cơ sở về lý thuyết để nghiên cứu, so sánh với thơng số đo được
của mơ hình thực. Các đường đặc tính xây dựng bao gồm các đường đặc tính về lực,
mô men, vân tốc…
− Dùng phần mềm mô phỏng mạch xây dựng các đường đặc tính của các phần
tử thủy lực, phân tích kết quả so sánh với kết quả tính tốn và kết quả đo được của
mơ hình.
− Xây dựng các bài thí nghiệm, thực hành cho sinh viên học tập, nghiên cứu
củng cố kiến thức tạo cơ hội tiếp cận thực tế cũng như nghiên cứu cải tiến mơ hình.
Các bài thí nghiệm bao gồm: Bài thí nghiệm xác định lực nâng ca-bin theo góc
nâng, bài thí nghiệm xác định mô men các lực tác dụng lên ca-bin theo góc nâng,
bài thí nghiệm xác định vân tốc nâng của ca-bin, bài thí nghiệm xác định tổn thất về
áp suất của hệ thống.
− Công bố bài báo khoa học và báo cáo khoa học.
3.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
− Đối tượng nghiên cứu là mơ hình thiết bị thủy lực nâng hạ ca-bin xe tải phục
học tập, nghiên cứu của sinh viên.
− Phạm vi nghiên cứu:
+ Tính tốn thiết kế, khảo sát, nghiên cứu chi tiết các thơng số của mơ hình
một cách tổng qt.
+ Dùng phần mềm mô phỏng mạch thủy lực, xây dựng các bài thí nghiệm
cho mơ hình.
4.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
− Cách tiếp cận: Tiếp cận vấn đề thơng qua những nghiên cứu trước đó kết hợp
với những nghiên cứu, tìm hiểu những đặc điểm riêng trong chương trình đào tạo
của ngành kỹ thuật cơ khí. Cùng với đó là q trình tìm hiểu, nghiên cứu những
thiết bị thực tế để xây dựng được mơ hình có hiệu quả cao trong đào tạo và nghiên
cứu của sinh viên đồng thời tận dụng được cơ sở vật chất sẵn có.
− Phương pháp nghiên cứu:
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
+ Phương pháp xây dựng mơ hình tính tốn có sự hỗ trợ của các phần
mềm.
+ Phương pháp phân tích, tổng hợp.
1
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.
Tìm hiểu một số mạch thủy lực cơ bản trong chương trình đào tạo.
1.1.1. Hệ thủy lực thống nâng thùng xe
Hình 1.1. Sơ đồ thống nâng thùng xe tải CAT 797
(A) Đến hệ thống vận hành
phanh
(B) Đến hệ thống làm mát
phanh
(1) Thùng dầu thủy lực
(2) Bơm vận hành hệ thống
(5) Hệ thống các van
(14) Van giảm áp chính
của hệ thống nâng
(15) Van trượt hai vị trí
(6) Van điện từ nâng
(16) Van giảm áp - áp suất
(7) Vị trí hạ
cao
(8) Vị trí thả trơi
(17) Van giảm áp - áp suất
thấp
2
nâng, làm mát phanh, hệ
(9) Vị trí hãm
(18) Van giảm áp hệ thống
thống phanh
(10) Vị trí giữ
làm mát phanh
(3) Màng lọc dầu
(11) Vị trí nâng
(19) Xi lanh nâng
(4) Chuyển đổi vượt qua bộ (12) Van điện từ hạ
lọc
(13) Van đối trọng
(20) Bộ lọc, làm mát hệ
thống nâng và hệ thống
phanh.
Hình 1.2. Hệ thống nâng thùng xe tải CAT 797
(1) Thùng dầu thủy lực
(4) Chuyển đổi vượt qua bộ lọc
(2) Bơm vân hành hệ thống nâng, làm (5) Van nâng (19) Xi lanh nâng
mát phanh, hệ thống phanh
(20) Bộ lọc, làm mát hệ thống nâng và
(3) Màng lọc dầu.
hệ thống phanh.
3
1.1.1.1. Hoạt động
− Hệ thống nâng được điều khiển bằng điện bởi bộ ECM. Hệ thống nâng giống
nhau trong hoạt động với các hệ thống của các xe tải hạng nặng khác của CAT. Hệ
thống có bốn vị trí hoạt động sau:
(A) Vị trí nâng
(B) Vị trí giữ
(C) Vị trí thả trơi
(D) Vị trí hạ
Hình 1.3. Các chế độ làm việc của hệ thống nâng
− Vị trí nâng
− Vị trí giữ
− Vị trí thả tự hạ
− Vị trí hạ
Thùng xe tải thường xuyên được hoạt động ở chế độ thả trôi (floating) ở hệ
thống thủy lực nâng. Hoạt động của thùng xe tải ở chế độ thả trôi sẽ đảm bảo rằng
trọng lượng của thùng xe tải sẽ nằm trên khung và các vị trí gối đỡ.
Chú ý: Trọng lượng của thùng xe sẽ được đỡ bởi xi lanh nâng nếu hệ thống
thủy lực của xe tải không hoạt động ở chế độ thả trôi.
Khi người điều khiển gạt cần gạt đến một trong bốn vị trí (A), (B), (C), (D)
sẽ tạo ra tín hiệu đến bộ ECM, kết hợp với các cảm biến về tình trạng của xe. Bộ
ECM sẽ tạo ra tín hiệu điện đến van trượt dịch chuyển đến vị trí tướng ứng. Vị trí
4
của van trượt điều khiển dòng dầu vào xi lanh đảm bảo đúng với yêu cầu và điều
kiện làm việc của xe.
Bộ ECM và van điều khiển cũng cung cấp các chức năng sau cho sự điều
khiển cơ cấu nâng cái mà không được điều khiển bởi người vận hành:
− Điều khiển hãm khi hạ (lower snub control).
− Điều khiển ngoài trung tâm (overcenter control).
− Điều khiển hãm khi nâng (raise snub control).
Điều khiển hãm khi hạ xảy ra khi thùng xe được hạ xuống vị trí thấp. Trước
khi thùng xe tiếp xúc với thân xe, bộ ECM tạo tín hiệu đến nam châm điện di
chuyển van trượt đến vị trí hãm khi hạ. Điều này xảy ra khi khung xe tải ở vị trí
khoảng giữa bốn độ đến mười lăm độ so với khung xe. Ở vị trí hãm hạ, tốc độ thả
trôi của thùng xe được giảm để ngăn thùng xe tiếp xúc với khung xe quá mạnh.
Chế độ điều khiển ngoài trung tâm ngăn sự xâm thực trong xi lanh nâng bằng
việc ngăn chặn thùng xe nâng nhanh hơn hệ thống yêu cầu. Điều kiện này có thế
xảy ra nếu có một sự chuyển đổi đột xuất trong vị trí của tải. Trong khi thùng xe
đang nâng, bộ ECM phát ra tín hiệu đến nam châm điện di chuyển van trượt đến vị
trí ngồi trung tâm khi góc của thùng xe tải xấp xỉ ở bốn mươi độ.
Chế độ hãm khi nâng xảy ra khi thùng xe tải đang nâng và xi lanh nâng hầu
như duỗi hết. Thùng xe tải ở góc độ vào khoảng năm mươi lăm độ. Bộ ECM phát ra
tín hiệu đến nam châm điện di chuyển van trượt đến vị trí hãm nâng. Ở vị trí hãm
nâng, tốc độ của thùng xe tải được hạn chế để ngăn píttơng của xi lanh nâng tiếp
xúc với đỉnh xi lanh mạnh.
5
1.1.2. Hệ thống lái thủy lực của xe tải hạng nặng
Hình 1.4. Sơ đồ thống lái thủy lực cơ bản CAT 797
(A) Đến quạt mơ tơ
(B) Đến quạt bơm
(1) Bình tích năng hệ
thống lái
(2) Cảm biến áp suất (bơm
(3) Nam châm điện và
van
(8) Làm mát dầu
(4) Bơm hệ thống lái
(9) Van giảm áp
(5) Bộ lọc dầu
(10) Bộ phận đo vô lăng lái
(6) Thùng dầu (hệ (11) Van điều khiển lái
thống lái)
(12) Xi lanh lái
lái)
(7) Lọc dầu hồi
1.1.2.1. Hoạt động
Hệ thống lái là hệ thống lái thủy lực và bơm của hệ thống lái được điều khiển
điện. Khơng có kết nối cơ học giữa vô lăng và xi lanh lái (6) - cái mà điều khiển
6
bánh xe dẫn hướng. Bơm píttơng điều khiển hệ thống lái là bơm có thể điều chỉnh
được lưu lượng. Cảm biến áp suất bộ tích năng (1) gửi áp suất ghi được của bộ tích
năng đến bộ ECM.
a. Bơm của hệ thống lái
Bơm píttơng hệ thống lái sẽ cung cấp dịng dầu ở áp suất cao đến khi bộ tích
năng hệ thống lái (8) đạt đến áp suất tới hạn. Khi đạt được áp suất tới hạn, cảm biến
áp suất bình tích năng (1) sẽ gửi một tín hiệu tới bộ ECM (2). Bộ ECM (2) sau đó sẽ
tăng dịng điện đến nam châm điện (4). Nam châm điện (4) điều khiển đĩa nghiêng
của bơm píttơng hệ thống lái, chuyển bơm sang trạng thái chờ ở áp suất thấp.
Ở chế độ chờ áp suất thấp, bơm hệ thống lái hoạt động ở góc nghiêng đĩa nhỏ
nhất để cung cấp dầu cho sự bơi trơn và sự rị rỉ bình thường bên trong hệ thống. Do
sự rị rỉ bình thường bên trong của hệ thống lái, áp suất bên trong bộ tích năng sẽ
dần dần giảm đến khi áp suất mở, cảm biến áp suất bình tích năng (1) gửi một tín
hiệu đến bộ ECM (2). Bộ ECM (2) sau đó sẽ giảm lượng của dòng điện cho nam
châm điện (4). Lực lo xo thắng lực nam châm điện (4) điều khiển đĩa nghiêng của
bơm píttơng hệ thống lái, bơm lái hướng lên lưu lượng lớn nhất.
b. Bộ tích năng
Khi cảm biến áp suất của bộ tích năng (1) nhận thấy áp suất dưới hoặc gần
dưới, hệ thống nạp sẽ hoạt động. Bơm của hệ thống lái được hoạt động đến khi áp
suất hệ thống cao. Ở điểm đó, hệ thống nạp sẽ ngừng hoạt động. Hệ thống sẽ ở chế
độ ngừng hoạt động đến khi những rị rỉ thơng thường hoặc một số hoạt động hệ
thống lái phục hồi lại hoạt động của hệ thống nạp. Hệ thống nạp có 3 chế độ hoạt
động: tắt, thấp, cao.
Ứng với mỗi chế độ hoạt động, để tiết kiệm năng lượng, động cơ sẽ được
điều khiển với những chế độ khác nhau từ đó điều khiển dịng dầu được nạp vào bộ
tích năng. Mặt khác, dịng dầu nạp vào bộ tích năng phụ thuộc vào tốc độ của xe,
khi xe chạy ở tốc độ thấp cần góc quay lớn của bánh xe để dẫn hướng xe do đó cần
dịng dầu có lưu lượng lớn hơn, ở tốc độ cao cần lượng dầu ít hơn.
7
c. Xi lanh lái
ECM nhận các tín hiệu của biến từ hệ thống đo vô lăng lái và một loạt các
cảm biến tình trạng hoạt động của xe bao gồm tốc độ, tải trọng, độ trượt… Bộ ECM
sẽ xử lý tín hiệu đó và đưa ra tin hiệu điều khiền van điều khiển lái (11(7)). Van
điều khiển lái 11 sẽ điều khiển 2 xi lanh lái (12), xi lanh lái (12 (6)) điều khiển bánh
dẫn hướng của xe.
Hình 1.5. Hệ thống lái nhìn từ dưới 797F
(6) Xi lanh lái
(18) Bộ lọc của hệ thống lái và quạt
(7) Van điều khiển lái
(23) Van an tồn
(8) Bình tích năng hệ thống lái
1.1.3. Hệ thống thủy lực nâng hạ cửa van trong môn thiết bị thủy công
Xét sơ đồ thủy lực cho hai cửa van cung đóng bằng trọng lượng cửa, mỗi cửa
van điều khiển bằng hai xi lanh thủy lực, như đã sử dụng trong các đập dâng. Hai bộ
8
máy bơm có động cơ điện chạy bơm dầu, trong đó một là để dự phịng. Việc vận
hành mở và đóng cửa được thực hiện lần lượt từng cửa và được mơ tả như sau
Hình 1.6. Sơ đồ thủy lực cho cửa cung đóng bằng tự trọng
S - Nam châm điện; EV -Van 3 đường 1 chiều điện từ; VR. Van một chiều;
R. van tay; VRS- Van điều khiển lưu lượng không bù áp; VRV/VRP- Van điều
chỉnh lượng dầu và vị trí pittơng; SM- Xi lanh; FS, FR-Van lọc; PB- Ôn áp; PMThiết bị áp lực;
9
Mở cửa:
−
Trước khi bắt đầu, tất cả các cuộn điện từ (SA, SB và SF) được cấp điện,
tương ứng van điện từ EVA, EVB và EVF chưa hoạt động.
− Khi có lệnh mở cửa, các động cơ bơm và van điện từ EVA đồng thời hoạt
động;
− Dầu cung cấp vào hệ thống qua van lọc FS và bơm B, hồi về bể qua van an
toàn VLP và EVB;
− Sau khi vận hành không tải một số giây, EVB được tự động làm việc, điều
khiển van an tồn VLP đóng lại. Từ đó, VLP chỉ xả dầu về bể bất cứ khi nào áp
suất trong đường ống vượt quá giá trị đặt trước;
− Dầu được bơm qua VR1 (VR2), R3 (R4), VR5 (VR6), EVA, R5, R6, VSR 1
và VSR2 đến mặt dưới của pistông trong xi lanh và SM1 SM2;
− Dầu khoang đỉnh của xi lanh hồi về bể qua R7, R8, R9, VR7, VR4 và FR4;
− Cửa van bắt đầu mở;
− Các hoạt động mở là tự động dừng khi đạt tới cao trình dừng định trước, do
đó động cơ bơm và van điện từ EVA bị cắt điện;
− Sau mỗi lần dừng, phải có lệnh mở cửa mới thì cửa van mới vận hành trở lai.
− Ở các vị trí đóng, các van EVA và EVF ngăn chặn dầu quay trở lại bể.
Đóng cửa:
− Khi có lệnh đóng cửa, các van từ EVA và EVF được khởi động và động cơ
máy bơm bắt đầu hoạt động;
− Cửa bắt đầu đóng tự động nhờ trọng lượng cửa van, sau khi chạy không tải
một vài dây, các vạn điện từ EVB được thay đổi vị trí;
− Dầu ở khoang dưới của pittông đi lên khoang đỉnh của pittông qua VSR1,
(VSR2), R5, R6, VRV, R7 và R8;Dầu được bơm đi qua VR1 (VR2), R3 (R4), VR5
(VR6), EVA và VRV. Tại cửa ra VRV, dòng dầu được chia và một phần của dầu đi
qua R7 và R8 để điền đầy lượng dầu trong khoang đỉnh xi lanh (cấp thêm dầu thiếu
10
do chiếm chỗ của cán pitơng). Phần dầu cịn lại quay về bể đi qua R9. VR7, VR4 và
FR4; Các van điều chỉnh lưu lượng dầu VRV và tỷ lệ độ đóng cửa.[2, 269]
1.2.
Hệ thống thủy lực trên máy đào trong môn Máy làm đất
Các máy làm đất rất đa dạng và phong phú, trong đó máy đào là một trong
những máy quan trọng nhất. Do đó ta sẽ phân tích hoạt động của hệ thống thủy lực
của máy đào 374DL do hãng Caterpillar chế tạo.
Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống thủy lực máy đào 374DL
1. Xi lanh gầu
24. Van phân phối chính
2. Xi lanh tay gầu
25. Van phục hồi/chống trôi cần
3. Các xi lanh cần
26. Van một chiều làm chậm dầu
4. Mô tơ di chuyển trái
5. Mô tơ di chuyển phải
hồi
27. Lọc dầu hệ thống thủy lựcđiều
khiển
11
6. Mô tơ quay toa trái
28. Lọc dầu hồi;
7. Van điện từ (Phanh dừng quay toa)
29. Lọc dầu hồi
8. Mô tơ quay toa phải
30. Lọc dầu xả (bơm và mô tơ
9. Van cân bằng (Mô tơ di chuyển trái)
Van cân bằng (Mô tơ di chuyển
10.
phải)
11. Van chống phản hồi (Mô tơ di
chuyển trái)
quạt, các mô tơ quay toa và di
chuyển)
31. Lọc dầu xả (bơm quay toa,
bơm trước và sau)
32. Két làm mát dầu thủy lực
12. Van điều khiển quay toa
33. Mơ tơ quạt gió
13. Khớp khun
34. Bơm dầu hệ thống thủy lực
14. Van phục hồi/chống trôi tay gầu
15. Van điện từ (tốc độ di chuyển)
16. Van giảm theo tỉ lệ (áp suất thay đổi
điều khiển
35. Bơm quạt gió
36. Van điền từ theo tỉ lệ (bơm
quạt gió)
cơng suất)
17. Van an tồn hệ thống thủy lực điều
37. Cảm biến áp suất cho bơm
quay toa
khiển
18. Van (tác động hệ thống thủy lực)
19. Van điện từ (khóa hệ thống thủy lực)
20. Bình tích áp
21. Cổ góp dầu điều khiển
22. Van an tồn một chiều
38. Bơm quay toa
39. Cảm biến áp suất cho bơm
trước
40. Bơm trước
41. Bơm sau
42. Thùng dầu thủy lực
23. Van giảm tín hiệu cảm biến tải
Máy đào này được dẫn động và điều khiển bằng năm hệ thống sau:
12
− Hệ thống thủy lực chính điều khiển các xi lanh công tác và các mô tơ di
chuyển.
− Hệ thống thủy lực quay toa điều khiển các mô tơ quay toa.
− Hệ thống thủy lực điều khiển cung cấp dầu tới các bơm chính và các mạch
cơng tác.
− Hệ thống điều khiển điện tử kiểm sốt cơng suất của động cơ và bơm.
− Hệ thông làm mát riêng rẽ cung cấp dầu tới mơ tơ quạt gió để làm mát dầu
thủy lực.
Hệ thống thủy lực chính cấp dầu từ các bơm công tác 40, 41 để điều khiển
các bộ phận sau: xi lanh gầu (1), xi lanh tay gầu (2), xi lanh cần (3), các mô tơ di
chuyển (4) và (5). Các bơm công tác 40, 41 là loại bơm pít tơng có dung tích làm
việc thay đổi được. Hoạt động của hai bơm này như nhau và chúng được đấu nối
tiếp. Bơm 40 dẫn động trực tiếp từ động cơ bằng một khớp nối để cung cấp dầu tới
cổ góp trung tâm của van cơng tác chính 24. Bơm 41 được nối với bơm bơm 40 để
cung cấp dầu tới cổ góp trung tâm của van cơng tác chính 24. Dầu từ hai bơm này
được kết hợp với nhau ở van phân phối 24. Hệ thống thủy lực điều khiển kiểm sốt
lưu lượng ra của các bơm cơng tác.
Hệ thống thủy lực quay toa cấp dầu từ bơm quay toa 38 tới các mô tơ quay
toa 6 và 8 qua van điều khiển quay toa 12. Hệ thống này dẫn động đồng thời cả hai
mô tơ. Bơm 38 được nối cơ khí với bộ phận trích cơng suất PTO của động cơ. Hệ
thống thủy lực điều khiển nhận dầu từ bơm dầu điều khiển 34 để thực hiện các chức
năng sau: Điều khiển hoạt động của các van phân phối và van công tác của cơ cấu
quay toa. Dầu điều khiển chảy từ bơm 34 tới van phân phối 24 qua cổ góp dầu điều
khiển 21. Khi máy khơng hoạt động, áp suất dầu điều khiển tác động lên cả hai đầu
các ruột van công tác. Khi tác động lên một tay điều khiển hoặc một bàn đạp, một
tín hiệu điện được truyền đến hệ thống kiểm soát điện tử ECM.
ECM cung cấp dòng điện cho các van điện từ tỉ lệ với mức độ dịch chuyển
của tay điều khiển sự dich chuyển của tay điều khiển tác động đến một ruột van
13
trong van phân phối 24 hoặc van phân phối cơ cấu quay 12. Khi một van điện từ
được cấp điện, dầu ở cuối ruột van phân phối thoát về thùng dầu thủy lực. Dầu điều
khiển ở đầu kia của ruột van này đẩy nó về phía van điện từ được cấp điện. Khi ruột
van công tác này dịch chuyển, dầu từ các bơm công tác 40, 41 và/hoặc bơm cơ cấu
quay 38 tới các xi lanh và/hoặc các mô tơ. Bằng cách này, dầu điều khiển dẫn động
mạch của van phân phối và van công tác cơ cấu quay.
Hệ thống thủy lực điều khiển cũng kiểm soát lưu lượng các bơm chính. Dầu
từ bơm dầu điều khiển thay đổi thành áp suất tín hiệu, gọi là áp suất thay đổi công
suất. Áp suất này điều khiển lưu lượng ra của các bơm cơng tác 40, 41 qua van 16,
sau đó truyền tới các bộ điều chỉnh lưu lượng bơm chính để điều chỉnh lưu lượng
các bơm chính theo tải trọng trên hệ thống. Áp suất của hệ thống thủy lực điều
khiển cũng được sử dụng để thực hiện các hoạt động sau:
− Nhả phanh dừng cơ cấu quay bằng cách sử dụng van điện từ 7.
− Tự động thay đổi tốc độ di chuyển lên số cao hoặc xuống số thấp tùy theo tải
trọng hệ thống. Van điện từ 15 điều khiển các van thay đổi dung tích làm việc trong
các mô tơ di chuyển. Thay đổi áp suất cấp của các bơm chính theo việc sử dung
máy.
− Dầu điều khiển được cấp đến cụm van phục hồi/chống trôi tay gầu 14. Van
này điều khiển hệ thống phục hồi tay gầu.
− Dầu điều khiển được cấp đến cụm van phục hồi/chống trôi tay cần 25. Van
này điều khiển hệ thống phục hồi cần.
Bơm quạt gió 35 dẫn động mơ tơ thủy lực riêng cho quạt làm mát. Bơm 35 là
loại pít tơng có dung tích làm việc thay đổi. Khi nhiệt độ dầu tăng, một tín hiệu điện
được truyền từ ECM của máy tới van 36. Hoạt động của van 36 làm cho việc cấp
dầu từ bơm quạt gió thay đổi làm tốc độ quay của mơ tơ quạt gió thay đổi theo.
[4,107]
