Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực kiểu bơm bình tích năng cho hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.42 MB, 82 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ VĂN TRỊNH
VŨ VĂN TRỊNH
MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỐI ƯU
HÓA TRẠM NGUỒN THỦY LỰC KIỂU BƠM-BÌNH TÍCH NĂNG
CHO HỆ THỐNG THỦY LỰC NHIỀU CƠ CẤU CHẤP HÀNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ
2009-2011
Hà Nội – 2012
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
MỤC LỤC
Phần I. Cơ sở hình thành đề tài
I. Cơ sở hình thành đề tài…………………………………………………….6
II. Cơ sở lý thuyết về cân bằng năng lượng trong hệ thống truyền động thủy
lực………………………………………………………………………..7
Phần II. Mục đích của đề tài
I. Phân loại mô hình các hệ thống thủy lực…………………………………10
1.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng
điều chỉnh lưu lượng………………………………………………………10
1.2 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng hệ thống nhiều bơm
cấp………………………………………………………………………….11
1.3 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bộ tiết lưu………….12
1.4 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp bình
tích năng……………………………………………………………………13
II. Những yêu cầu chỉ tiêu về cân bằng năng lượng tối ưu cho hệ thống thủy lực
nhiều cơ cấu chấp hành………………………………………………..16
III. Xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu chấp
hành…………………………………………………………………….17
3.1 Tổn thất cơ khí……………………………………………………………17
3.2 Tổn thất thể tích…………………………………………………………..18
3.3 Tổn hao áp suất…………………………………………………………..18
Phần III. Các vấn đề giải quyết
I. Xây dựng mô hình các hệ thống thủy lực chuẩn với nhiều CCCH……….29
1.1.
Tính chọn thiết bị cho cơ cấu chấp hành………………………………….29
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
1
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
1.1.1 Tính chọn cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng………………….29
1.1.2 Tính chọn cơ cấu chấp hành chuyển động quay…………………..30
1.1.3 Tính chọn ống dẫn………………………………………………….31
1.1.4 Tính chọn bơm nguồn……………………………………………..32
1.1.5 Tính chọn bình tích năng…………………………………………..33
1.1.6 Tính chọn các phần tử điều khiển…………………………………40
1.2.
Các yêu cầu kỹ thuật đối với các HTTL là cơ sở cho tính toán tối ưu……..43
II. Phương pháp xây dựng và tính toán tối ưu cho hệ thống……………….45
2.1.
Đối với các cơ cấu chấp hành…………………………………………45
2.2.
Xây dựng sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu
chấp hành………………………………………………………………45
2.3.
Tính toán thông số và lựa chọn thiết bị trạm bơm nguồn và trạm bình
tích……………………………………………………………………..46
Phần IV. Áp dụng cho mô hình thực tế
I. Giới thiệu chung…………………………………………………………..51
II. Mô tả sơ đồ nguyên lý hệ thống………………………………………….51
III. Phương án I: Cấu hình truyền thống có nguồn là một bơm có lưu lượng cố
định…………………………………………………………………….52
IV.
Phương án II: Hệ thống có nguồn sử dụng nhiều máy bơm………….56
V. Phương án III: Hệ thống có nguồn sử dụng một máy bơm có lưu lượng cố
định và một bộ khuyech đại áp suất………………………………….58
VI.
Phương án IV: Hệ thống có nguồn sử dụng van điền đầy và một sy lanh
tăng tốc…………………………………………………………………61
VII. Phương án V: Hệ thống sử dụng một bơm kết hợp một bình tích năng..67
VIII. So sánh hiệu suất các phương án lựa chọn……………………………...77
Phần V. Kết luận và kiến nghị
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
2
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống thủy lực hoạt động có chu kỳ
Hình 2.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cầu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng
điều chỉnh lưu lượng
Hình 2.2 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng nhiều bơm cấp
Hình 2.3 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm kết hợp bộ tiết
lưu
Hình 2.4 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp bình
tích năng
Hình 2.5 Hệ thống kết hợp trạm bình tích và trạm bơm nguồn cấp cho nhiều cơ cấu
chấp hành
Hình 2.6 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống
Hình 2.7 Trạm nguồn kết hợp trạm bình tích
Hình 2.8 Mô tả tổn thất cơ khí trong hệ thống
Hình 2.9 Biểu đồ quan hệ P-Q
Hình 2.10 Tổn thất trong hệ thống thủy lực
Hình 2.11 Biểu đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống hoạt động có chu kỳ
Hình 3.1 Sự biến thiên lưu lượng trong hệ thống có nhiều cơ cấu chấp hành
Hình 4.1 Hệ thống sử dụng một bơm cố định
Hình 4.2 Hệ thống sử dụng nhiều máy bơm
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
3
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
Hình 4.3 Hệ thống sử dụng một máy bơm cố định và một bộ khuyech đại áp suất
Hình 4.4 Hệ thống sử dụng van điền đầy và một xy lanh tăng tốc
Hình 4.5 Hệ thống sử dụng bơm kết hợp bình tích
Hình 4.6 Biểu đồ lưu lượng chất lỏng vào và ra khỏi bình tích
Hình 4.7 Sơ đồ mạch thủy lực với bình tích áp suất thấp
Hình 4.8 Sơ đồ điện mạch thủy lực với bình tích áp suất thấp.
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
4
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
MỤC LỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Các thông số máy ép Wukermam
Bảng 4.2 Bảng tóm tắt năng lượng phương án III
Bảng 4.3 Bảng tóm tắt năng lượng phương án IV
Bảng 4.4 Số hiệu và chức năng của các ký hiệu
Bảng 4.5 So sánh hiệu suất giữa các phương án lựa chọn
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
5
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
PHẦN I: CƠ SỞ HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI
I. Cơ sở hình thành đề tài
Hiện nay, trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước nói
chung và trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng, tốc độ công nghiệp hóa của
nước ta diễn ra với tốc độ chóng mặt. Bên cạnh việc tận dụng những nguồn lực,
cơ sở vật chất đã có từ trước đó thì việc đầu tư nghiên cứu, ứng dụng Khoa học
kỹ thuật vào sản xuất đang được nhà nước khuyến khích mạnh mẽ. Trong lĩnh
vực công nghiệp, các dây chuyền sản xuất cũ dần dần được thay thế bởi những
dây chuyền sản xuất tiên tiến, giúp tăng năng suất lao động, tiết kiệm chi phí
sản xuất, tiết kiệm năng lượng tiêu hao cho mỗi ca sản xuất.
Xuất phát từ thực tế về nhu cầu cân bằng năng lượng và tối ưu hóa trong quá
trình vận hành hệ thống dẫn đến yêu cầu cần phải thiết kế một hệ thống nhiều
cơ cấu chấp hành với các nhu cầu sử dụng năng lượng khác nhau tại những thời
điểm khác nhau đáp ứng được các yêu cầu đã đặt ra mà vẫn đảm bảo được khả
năng tối ưu hóa của hệ thống.
Một hệ thống thủy lực tối ưu là một hệ thống đáp ứng được các tiêu chí sau:
- Hiệu quả sản xuất;
- Tối ưu hóa trong vận hành;
- Tối ưu hóa trong sử dụng năng lượng;
- Đảm bảo bài toán kinh tế.
Trong phạm vi lĩnh vực nghiên cứu này, xin được đi sâu nghiên cứu về vấn
đề tối ưu hóa trong sử dụng năng lượng đối với hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu
chấp hành.
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
6
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
II. Cơ sở lý thuyết về cân bằng năng lượng trong hệ thống truyền động
thủy lực
Đối với một hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành, nhu cầu năng lượng
cấp cho hệ thống không phải lúc nào cũng luôn ổn định ở một mức nào đó mà
nó luôn biến đổi theo thời gian tùy theo yêu cầu của hệ thống. Nhưng ta luôn
xác định được biểu đồ năng lượng cần cấp cho hệ thống trong một chu kỳ vận
hành của nó. Sau mỗi chu kỳ vận hành, biểu đồ năng lượng lại trở về trạng thái
ban đầu, bắt đầu một quá trình mới lặp lại.
Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống thủy lực
hoạt động có chu kỳ
Nói đến năng lượng cấp lên cho hệ thống thủy lực là ta nói đến hai yếu tố
ảnh hưởng tới năng lượng cấp cho hệ thống là áp suất và lưu lượng.
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
7
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
Xét về yếu tố áp suất trong hệ thống thủy lực. Một ưu điểm tuyệt vời của hệ
thống thủy lực là khi cần lực bao nhiêu thì áp suất thay đổi để đáp ứng theo yêu
cầu bấy nhiêu. Chỉ với điều kiện cần là áp suất bơm nguồn đủ đáp ứng yêu cầu
của hệ thống thì hệ thống luôn được cấp đủ áp suất cần thiết để vận hành. Khi
hệ thống không hoạt động hết công suất định mức thì có thể xả áp để phù hợp
với yêu cầu hoạt động của hê thống tránh trường hợp hệ thống phải làm việc
quá áp. Đối với một hệ thống thủy lực thì áp suất bơm nguồn luôn là một hằng
số cố định, không thể thay đổi và là giá trị max cần có để đảm bảo hoạt động
của hệ thống. Việc thay đổi (giảm) áp suất của hệ thống có thể thông qua việc
điều chỉnh van tiết lưu hoặc xả qua van an toàn. Tuy nhiên các biện pháp này lại
làm giảm hiệu suất của hệ thống và không tối ưu về mặt năng lượng.
Xét về yếu tố lưu lượng cấp cho hệ thống thủy lực. Đối với một hệ thống
thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành bất kỳ, nhu cầu năng lượng của hệ thống
không phải lúc nào cũng ổn định ở một giá trị bất kỳ mà luôn thay đổi theo yêu
cầu của hệ thống. Thông thường áp suất trong hệ thống luôn là một hằng số vì
vậy để thay đổi lực tác động của các cơ cấu chấp hành thì chỉ còn cách điều
chỉnh lưu lượng cấp lên cho cơ cấu chấp hành. Có nhiều cách để điều chỉnh lưu
lượng cấp lên cho cơ cấu chấp hành:
- Sử dụng bơm cấp có khả năng điều chỉnh lưu lượng;
- Sử dụng hệ thống nhiều bơm cấp trong cùng một hệ thống;
- Sử dụng bộ tiết lưu;
- Sử dụng một bơm cấp kết hợp với bình tích năng.
Qua phân tích ta thấy để thay đổi lực tác động của các cơ cấu chấp hành
trong một hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành thì cách dễ nhất và tối ưu
năng lượng nhất là điều hỉnh lưu lượng cấp lên cho các cơ cấu chấp hành. Vấn
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
8
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
đề đặt ra ở đây là phân tích, lựa chọn phương án tối ưu để điều chỉnh lưu lượng
cấp lên cho các cơ cấu chấp hành trong hệ thống sao cho đảm bảo được tính vận
hành ổn định của hệ thống, thỏa mãn được bài toán kinh tế, đảm bảo hiệu suất
tối thiểu cần đạt được của hệ thống.
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
9
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
PHẦN II: MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
I. Phân loại mô hình các hệ thống thủy lực
1.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả
năng điều chỉnh lưu lượng
Hình 2.1 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng bơm cấp có khả năng điều
chỉnh lưu lượng
Xét hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng tự
điều chỉnh lưu lượng. Đối với hệ thống như trên, khi cơ cấu chấp hành yêu cầu
cần sử dụng lưu lượng bao nhiêu, bơm cấp tự động điều chỉnh lưu lượng cấp lên
nhằm đáp ứng đủ theo yêu cầu. Tuy nhiên, hệ thống như trên chỉ đáp ứng được
cho những hệ thống mà các cơ cấu chấp hành hoạt động độc lập và không cùng
đồng thời. Có nghĩa là khi cơ cấu này hoạt động thì cơ cấu khác sẽ phải nghỉ.
Như vậy sẽ không đáp ứng được nhu cầu hoạt động cùng lúc của các cơ cấu
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
10
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
chấp hành. Đối với các hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành ngày nay,
việc nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống đòi hỏi việc sử dụng đồng thời
cùng lúc nhiều cơ cấu chấp hành để có thể làm được nhiều thao tác trong cùng
một khoảng thời gian.
Như vậy biện pháp sử dụng một bơm cấp có khả năng điều chỉnh lưu lượng
cho hệ thống nhiều cơ cấu chấp hành là không tối ưu về mặt hiệu suất của hệ
thống.
1.2 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng hệ thống nhiều bơm
cấp
Hình 2.2 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng nhiều bơm cấp
Xét hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng nhiều bơm cấp. Để
giải quyết bào toán hiệu suất của hệ thống nhiều cơ cấu chấp hành, đảm bảo việc
sử dụng đồng thời các cơ cấu chấp hành trong cùng một khoảng thời gian, người ta
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
11
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
đưa ra phương án sử dụng nhiều bơm cấp. Mỗi cơ cấu chấp hành sử dụng một bơm
cấp riêng lẻ, công suất của bơm cấp tùy thuộc vào yêu cầu của cơ cấu chấp hành.
Như vậy các cơ cấu chấp hành có thể vận hành độc lập hoặc đồng thời mà không bị
ảnh hưởng lẫn nhau qua đó phát huy tối đa hiệu suất của hệ thống. Tuy nhiên, xét
về mặt kinh tế, việc sử dụng nhiều bơm cấp kéo theo các thiết bị phụ trợ đi kèm
theo chúng (van, khóa các loại, đường ống….) lại tăng lên đáng kể về số lượng dẫn
tới chi phí đầu tư ban đầu tăng cao.
Vì vậy phương án sử dụng nhiều bơm cấp cho hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu
chấp hành là không tối ưu về mặt kinh tế.
1.3 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm kết hợp bộ tiết
lưu
Hình 2.3 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng bơm kết hợp bộ tiết
lưu
Xét hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bộ tiết lưu điều chỉnh
lưu lượng. Hệ thống sử dụng một bơm cấp có công suất đủ lớn để đáp ứng nhu cầu
năng lượng của hệ thống. Lưu lượng cấp lên cho cơ cấu chấp hành sẽ được điều
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
12
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
chỉnh thông qua bộ tiết lưu tùy theo yêu cầu của cơ cấu chấp hành. Hệ thống này
đảm bảo được khả năng vận hành độc lập hay đồng thời của các cơ cấu chấp hành,
sử dụng một bơm cấp, số lượng thiết bị phụ trợ đi kèm ít, chi phí đầu tư ban đầu
không lớn. Tuy nhiên, khi hệ thống hoạt động không hết công suất thì bơm nguồn
vẫn cấp lên lượng lưu lượng như khi hoạt động hết công suất. Lưu lượng chuyển
lên cơ cấu chấp hành bị điều tiết qua hệ thống tiết lưu dẫn đến tình trạng hệ thống
bị tổn hao năng lượng khi qua bộ tiết lưu, toàn bộ nguồn năng lượng thừa không sử
dụng sẽ bị chuyển hóa thành nhiệt năng. Điều này sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng
tới tuổi thọ của hệ thống. Vì vậy xét về mặt tối ưu hóa năng lượng trong hệ thống
thì phương án sử dụng bộ tiết lưu điều chỉnh lưu lượng cấp lên cho hệ thống nhiều
cơ cấu chấp hành là không đạt yêu cầu.
1.4 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp
bình tích năng
Hình 2.4 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng bơm cấp kết hợp
bình tích năng
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
13
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
Xét hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp bình
tích năng. Hệ thống sử dụng một bơm cấp có công suất vừa đủ đáp ứng nhu cầu
năng lượng bình quân của cơ cấu chấp hành, một bơm phụ có tác dụng cấp lưu
lượng cho bình tích năng. Trong trường hợp cơ cấu chấp hành có nhu cầu năng
lượng lớn, bên cạnh việc bơm cấp chính cấp lưu lượng lên thì bình tích năng sẽ cấp
thêm phần lưu lượng thiếu hụt mà bơm cấp không đáp ứng được. Bằng phương
pháp này, nhu cầu năng lượng của hệ thống luôn được đảm bảo cấp đủ và kịp thời.
Hình 2.5 Hệ thống kết hợp trạm bình tích và trạm bơm nguồn cấp cho nhiều
cơ cấu chấp hành (Nhà máy xi măng Bỉm Sơn – Thanh Hóa)
Khi hệ thống hoạt động, bơm cấp luôn hoạt động đảm bảo cung cấp một
năng lượng tối thiểu trong một chu trình vận hành của hệ thống (Qmin). Khi hệ
thống có nhu cầu cao hơn về lưu lượng, ngoài phần lưu lượng có được từ bơm cấp,
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
14
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
bình tích năng sẽ có nhiệm vụ bù phần thiếu hụt cho hệ thống, đảm bảo cung cấp
đủ nhu cầu năng lượng cho hệ thống.
Hình 2.6 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống
Ta có thể nhận thấy ưu điểm của hệ thống sử dụng bơm cấp kết hợp bình
tích năng như đáp ứng đủ và kịp thời nhu cầu năng lượng của cơ cấu chấp
hành, giải quyết được vấn đề tối ưu hóa năng lượng trong hệ thống, đảm bảo
sự hoạt động độc lập hay đồng thời của các cơ cấu chấp hành, chi phí đầu tư
ban đầu không lớn.
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
15
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
Hình 2.7 Trạm nguồn kết hợp trạm bình tích
II. Những yêu cầu chỉ tiêu về cân bằng năng lượng tối ưu cho hệ thống
thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành
Qua quá trình phân tích, phân loại mô hình các hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu
chấp hành, ta nhận thấy để đảm bảo tối ưu hóa năng lượng cho hệ thống thủy lực
nhiều cơ cấu chấp hành thì mô hình 1.4: Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành
sử dụng bơm cấp kết hợp bình tích năng là tối ưu nhất.
Vấn đề đặt ra tiếp theo là cần chỉ ra được những chỉ tiêu về cân bằng năng
lượng tối ưu cho hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành.
Xét một hệ thống thủy lực nói chung, mối quan hệ giữa công suất tiêu thụ của
hệ thống với công suất có ích của cơ cấu chấp hành nói lên hiệu suất đạt được của
hệ thống. Nếu coi công suất có ích của cơ cấu chấp hành là A và công suất tiêu thụ
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
16
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
của hệ thống là B thì hiệu suất của hệ thống sẽ là A/Bx100%. Mục tiêu khi thiết kế
bao giờ cũng đặt ra là hiệu suất phải đạt được tối thiểu là bao nhiêu nhằm đảm bảo
được Hiệu quả sản xuất;Tối ưu hóa trong vận hành; Tối ưu hóa trong sử dụng năng
lượng; Đảm bảo bài toán kinh tế. Mối quan hệ giữa công suất tiêu thụ và công suất
có ích trong hệ thống thủy lực được quy đổi về mối quan hệ giữa lưu lượng cấp của
nguồn cấp và lưu lượng vận hành của cơ cấu chấp hành.
Sở dĩ có sự khác nhau giữ lưu lượng cấp của nguồn cấp và lưu lượng vận hành
của cơ cấu chấp hành là do trong quá trình vận hành của hệ thống có sự tổn thất
lưu lượng trong hệ thống (như đã nói ở trên, trong phạm vi bài viết này ta coi áp
suất là một hàng số không đổi nên ta coi việc tổn thất áp suất trong quá trình vận
hành là không có và do đó việc tổn hao công suất không liên quan đến áp suất của
hệ thống).
III.
Xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu
chấp hành
Để xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành,
trước tiên ta phải tìm hiểu đến các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất của hệ thống
thủy lực. Trong một hệ thống thủy lực nói chung, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới
hiệu suất của hệ thống. Cụ thể ở đây là các nhân tố gây nên tổn thất của hệ thống.
Có thể chỉ ra một số yếu tố sau:
- Tổn thất cơ khí;
- Tổn thất thể tích (lưu lượng);
- Tổn hao áp suất.
3.1 Tổn thất cơ khí
- Ma sát giữa các vật rắn: ổ bi, pít tông – xy lanh (chỉ bơm và động cơ)
ck ckBom .ckDC
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
17
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
P>po
Qd
¦Q
¤b
Po
o
¦Q
¤b
¦Q
¤d
P
Qo
Hình 2.8 Mô tả tổn thất cơ khí trong hệ thống
3.2 Tổn thất thể tích (dò dầu): Q
Tổn thất thể tích là do dầu thủy lực chảy qua các khe hở trong các phần tử của hệ
thống. Áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ nhớt càng nhỏ thì tổn thất thể tích
càng lớn.
Qb
Q Q Qb Qb
1
Q0
Q0
Q0
Q0 Qd Qd Qd
1
Qd
Qd
Qd
Q Qb .Q d
Qd
P
Bom
Q
Qo
¦Q
¤b
¦Q
¤d
Qd
Q
Hình 2.9 Biểu đồ quan hệ P-Q
3.3 Tổn hao áp suất: ∆p
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
18
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
- Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường chuyển động
của dầu từ bơm đến các cơ cấu chấp hành. Tổn thất đó phụ thuộc vào
những yếu tố sau:
+ Chiều dài ống dẫn;
+ Độ nhẵn thành ống;
+ Độ lớn tiết diện ống;
+ Tốc độ dòng chảy;
+ Sự thay đổi tiết diện.
+ Trọng lượng riêng và độ nhớt của chất lỏng.
Tổn thất áp suất trong đường ống xuất hiện chủ yếu do ma sát của chất lỏng nên
thường được gọi là tổn thất ma sát, đối với đường ống tròn ta có:
Dp = p1- p2 = l.(L/d) .( r/2). v2,
trong đó Dp
l
L, d
– tổn thất áp suất;
– hệ số ma sát;
– chiều dài và đường kính đoạn ống;
r – khối lượng riêng của chất lỏng;
v – tốc độ chảy của chất lỏng trong đường ống.
Trong chế độ chẩy tầng (Re < 2300), hệ số ma sát:
l = 64/Re = 64ν/vd
Thay giá trị của l vào phương trình ta được
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
19
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
Dp = p1 - p2 = 32(L/d).(νr/d). v
Từ đây ta suy ra, trong chế độ chẩy tầng, tổn thất áp suất tỷ lệ bậc nhất với tốc độ
chẩy của chất lỏng.
Trong chế độ chẩy rối (Re > 2300) các phần tử chất lỏng chuyển động hỗn loạn.
Tổn thất áp suất:
Dp = p1 – p2 = lr.(L/d).( r/2). v2,
trong đó lr - hệ số ma sát trong chế độ chẩy rối.
Hệ số ma sát trong chế độ chẩy rối phụ thuộc vào số Re và độ nhám bề mặt của
đường ống như đã nghiên cứu trong giáo trình “Thuỷ lực”.
Thay v = Q/f vào phương trình (10), ta có:
Dp = p1 – p2 = lr(L/d).( r/2). (Q2/f2)
Đặt Rr = lr(L/d).( .( r/2f2) – sức cản thuỷ lực và thay vào phương trình ta được
Dp = Rr Q2
Trong thực tế tính toán và nghiên cứu thường dùng khái niệm độ dẫn thuỷ lực K, là
đại lượng nghịch đảo của sức cản thuỷ lực R
K = 1/R
Trong chế độ chẩy tầng, độ dẫn thuỷ lực đối với đường ống tròn được tính theo
công thức
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
20
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
Kt = 1/Rt =Q/∆p; Q = Kt Dp
Trong chế độ chẩy rối độ dẫn thuỷ lực:
Kr = 1/Rr =Q2/∆p; Q = sqrt(Kr∆p)
Sức cản cục bộ. Nếu như tổn thất ma sát xẩy ra trên toàn bộ chiều dài của đường
ống thì tổn thất cục bộ chỉ xuất hiện ở những nơi dòng chẩy bị biến đổi đột ngột về
tiết diện và hướng khi qua các phần tử của hệ thống thuỷ lực hay còn gọi là sức cản
cục bộ.
Tổng thất áp suất tại sức cản cục bộ đươc tính theo công thức
Dp = x(v2r/2.) , DH = x(v2/2g),
trong đó Dp và DH
– tổn thất áp suất và tổn thất cột áp;
x – hệ số tổn thất cục bộ.
Trong các tính toán thuỷ lực thường gặp nhất hai trường hợp: dòng chẩy mở rộng
đột ngột và thu hẹp đột ngột.
Đối với hai trường hợp này, hệ số tổn thất cục bộ được xác định bởi công thức
Dòng chẩy đột mở:
xđm =(1-(f1/f2))2
hoặc xđm =((f2/f1)-1)2,
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
21
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
trong đó f1 và f2 – tiết diện nhỏ và tiết diện lớn của dòng chẩy, hay còn gọi là tiết
diện của dòng chẩy trước và sau sức cản thuỷ lực.
Dòng chẩy đột thu:
xđt = 0,5(1 – (f2/f1))
Có hai trường hợp đặc biệt:
Khi chất lỏng chẩy từ đường ống có kích thước hữu hạn vào bể lớn (dòng đột mở)
thì tỷ số 0 vì vậy có thể lấy xđm =1. Ngược lại khi dòng chấy lỏng chẩy từ bể vào
ống có thể lấy xđt = 0,5.
Trong giáo trình “Thuỷ lực”, khi tính toán dòng chẩy qua lỗ và vòi ta đã biết công
thức tính lưu lượng chất lỏng qua lỗ như sau:
Q = mf.sqrt(2∆p/r)
trong đó
m
– hệ số lưu lượng;
f – tiết diện lỗ;
Dp = p1- p2 - tổn thất áp suất qua lỗ
p1 và p2 - áp suất trước và sau lỗ;
r – khối lượng riêng của chất lỏng.
Hệ số lưu lượng m được xác định bằng thực nghiệm theo công thức
m =Q/Qt,
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
22
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
trong đó
Q
Luận văn thạc sỹ
– lưu lượng thực tế đo được;
Qt = f. sqrt(2∆p/r)
– lưu lượng tính theo lý thuyết.
Hình 2.10 Tổn thất trong hệ thống thủy lực
Sau khi xác định các dạng tổn thất gây ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động
của hệ thống thủy lực, ta tiến hành xây dựng mô hình tối ưu hóa trong hệ thống
thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành. Cụ thể như sau:
Công suất hữu ích tiêu thụ của mỗi hệ thống điều khiển trong vận hành dây
chuyền công nghệ luôn là một đại lượng biến thiên theo thời gian:
N = f(t)
Đối với các hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành, công suất đầu vào do
trạm nguồn cấp sẽ là :
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
23
Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
Luận văn thạc sỹ
N0 = k.P0.Q0
Trong đó:
k = const – hệ số công suất;
P0 – áp suất trạm nguồn;
Q0 – lưu lượng trạm nguồn.
Công suất hữu ích của cơ cấu chấp hành thứ i sẽ là:
Ni = k.Pi.Qi
Cân bằng năng lượng trong hệ thống ta có:
N 0 Ni N
Trong đó:
ΔN – tổn thất công suất trong hệ thống;
N k.P .Q T – Tổng công suất tiêu thụ của các cơ cấu chấp hành (là một đại
i
i
i
lượng biến thiên).
Chính vì vậy hệ thống được đánh giá là tối ưu về năng lượng khi trạm nguồn có
khả năng điều chỉnh bám theo giá trị biến thiên
N
i
. Qua những phân tích trên
đây, ta có nhận xét sau:
- Trạm nguồn thủy lực được tích hợp tối ưu khi có khả năng điều chỉnh bám
theo giá trị công suất hữu ích tức thời Ni của hệ thống dựa trên tính chu
kỳ hoạt động tuần hoàn của hệ thống trong dây chuyền công nghệ.
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường
Học viên: Vũ Văn Trịnh
24
