Luận Văn Thạc Sĩ: Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Thiết Bị Thí Nghiệm Nâng Thủy Lực

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm nâng thủy lực phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Bùi Văn Hiệu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đức Ngọc
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Thiết Bị Thí Nghiệm Nâng Thủy Lực Phục Vụ Đào Tạo Và Nghiên Cứu Khoa Học
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• BẢN CAM KẾT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 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
• 1.1.2. Hệ thống lái thủy lực của xe tải hạng nặng
• 1.1.3. Hệ thống thủy lực nâng hạ cửa van trong môn thiết bị thủy công
• 1.1.4. Hệ thống thủy lực trên máy đào trong môn Máy làm đất
• 1.2. Tìm hiểu cách xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm nâng thủy lực
• 1.2.1. Cách xây dựng và sơ đồ bố trí
• 1.2.2. Hệ thống thủy lực của mô hình
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH
• 2.1. Thiết kế mạch thủy lực
• 2.1.1. Yêu cầu thiết kế
• 2.1.2. Xác định lực tính toán
• 2.1.3. Xây dựng mạch
• 2.1.4. Xác định thông số yêu cầu của hệ thống
• 2.1.5. Tính chọn trạm nguồn hệ thống
• 2.1.6. Lựa chọn ống dẫn
• 2.1.7. Dầu thủy lực
• 2.2. Phân tích mạch
• 2.3. Động lực học mô hình
• 2.4. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 3.1. Giới thiệu về phần mềm
• 3.1.1. Giao diện chính của Automation Studio
• 3.1.2. Giao diện thư viện chính
• 3.2. Mô phỏng mạch thủy lực được kết nối với PLC
• 3.3. Mô phỏng mạch
• 3.3.1. Mô phỏng các van
• 3.3.2. Mô phỏng xi lanh
• 3.3.3. Mô phỏng các phần tử khác
• 3.4. Kết quả mô phỏng mạch
• 3.4.1. Hành trình nâng
• 3.4.2. Hành trình hạ
• 3.4.3. Vị trí giữ
• 3.5. Xuất và phân tích kết quả
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH THÍ NGHIỆM
• 4.1. Một số thiết bị cảm biến cần sử dụng
• 4.1.1. Cảm biến áp suất
• 4.1.2. Cảm biến tải trọng
• 4.1.3. Cảm biến vị trí
• 4.2. Xây dựng bài thí nghiệm, thực hành trên mô hình nâng hạ ca-bin
• 4.2.1. Mục đích thí nghiệm
• 4.2.2. Kiến thức sử dụng (công thức tính toán)
• 4.2.3. Trình tự thực hiện
• 4.2.4. Xử lý số liệu và tính toán
• 4.2.5. Nhận xét, kết luận
• 4.3. Xây dựng các bài thí nghiệm trên bộ công tác máy đào
• 4.3.1. Mục đích thí nghiệm
• 4.3.2. Trình tự thực hiện
• 4.3.3. Kiến thức sử dụng (công thức tính toán)
• 4.4. Xây dựng bài thí nghiệm nâng hạ cửa van
• 4.4.1. Mục đích thí nghiệm
• 4.4.2. Trình tự thực hiện
• 4.4.3. Kiến thức sử dụng (công thức tính toán)
• 4.4.4. Xử lý số liệu và tính toán
• 4.4.5. Nhận xét, kết luận
• Phụ lục

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết bị thí nghiệm và nâng thủy lực

Thiết bị thí nghiệm và nâng thủy lực đóng vai trò quan trọng trong đào tạo và nghiên cứu khoa học. Mô hình thiết bị thí nghiệm được thiết kế để phục vụ mục đích giáo dục, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các hệ thống thủy lực. Công nghệ nâng thủy lực được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng và thủy lợi. Mô hình này không chỉ hỗ trợ đào tạo mà còn là công cụ nghiên cứu hiệu quả.

1.1. Ứng dụng thiết bị thí nghiệm trong đào tạo

Thiết bị thí nghiệm được sử dụng để minh họa các nguyên lý thủy lực cơ bản. Sinh viên có thể thực hành trên các mô hình, từ đó nắm vững kiến thức lý thuyết. Phương pháp thí nghiệm giúp sinh viên phát triển kỹ năng thực hành và tư duy sáng tạo. Mô hình này cũng tạo điều kiện cho việc nghiên cứu và cải tiến các hệ thống thủy lực hiện có.

1.2. Hệ thống nâng thủy lực trong nghiên cứu khoa học

Hệ thống nâng thủy lực được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất và độ bền. Các thí nghiệm trên mô hình giúp xác định các thông số kỹ thuật quan trọng như lực nâng, tốc độ và áp suất. Khoa học kỹ thuật đóng vai trò then chốt trong việc phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm. Những nghiên cứu này có thể ứng dụng vào thực tế, cải thiện hiệu quả của các thiết bị thủy lực.

II. Mô hình thiết bị thí nghiệm và phương pháp thí nghiệm

Mô hình thiết bị thí nghiệm được thiết kế để mô phỏng các hệ thống thủy lực thực tế. Phương pháp thí nghiệm bao gồm các bước tính toán, thiết kế và phân tích kết quả. Mô hình này giúp sinh viên hiểu rõ hơn về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các hệ thống thủy lực. Các bài thí nghiệm được xây dựng dựa trên nhu cầu đào tạo và nghiên cứu.

2.1. Thiết kế mạch thủy lực

Thiết kế mạch thủy lực là bước đầu tiên trong việc xây dựng mô hình. Các yêu cầu thiết kế bao gồm xác định lực tính toán, lựa chọn ống dẫn và dầu thủy lực. Hệ thống thủy lực của mô hình cần đảm bảo độ chính xác và an toàn. Các thông số kỹ thuật được tính toán kỹ lưỡng để đáp ứng yêu cầu thí nghiệm.

2.2. Mô phỏng và phân tích kết quả

Mô phỏng mạch thủy lực được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng như Automation Studio. Các kết quả mô phỏng bao gồm hành trình nâng, hạ và vị trí giữ. Phân tích kết quả giúp so sánh giữa lý thuyết và thực tế, từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết. Mô phỏng cũng giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình nghiên cứu.

III. Ứng dụng thiết bị thí nghiệm trong thực tế

Thiết bị thí nghiệm không chỉ phục vụ đào tạo mà còn có giá trị ứng dụng cao trong thực tế. Hệ thống nâng thủy lực được sử dụng trong các máy móc xây dựng, xe vận chuyển và thiết bị thủy lợi. Các nghiên cứu trên mô hình giúp cải tiến và nâng cao hiệu suất của các thiết bị này. Khoa học kỹ thuật đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển giao công nghệ từ phòng thí nghiệm ra thực tế.

3.1. Cải tiến thiết bị thủy lực

Các nghiên cứu trên mô hình thiết bị thí nghiệm giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề kỹ thuật. Công nghệ nâng thủy lực được cải tiến để tăng độ bền và hiệu suất. Những cải tiến này có thể ứng dụng vào các thiết bị thực tế, giúp giảm chi phí bảo trì và nâng cao năng suất lao động.

3.2. Phát triển kỹ năng thực hành

Thiết bị thí nghiệm giúp sinh viên phát triển kỹ năng thực hành và tư duy sáng tạo. Các bài thí nghiệm được thiết kế để sinh viên có thể tiếp cận với các vấn đề thực tế. Phương pháp thí nghiệm giúp sinh viên nắm vững kiến thức và áp dụng vào công việc sau này. Đây là bước đệm quan trọng để sinh viên trở thành các kỹ sư có năng lực.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ các cơ sở đào tạo kỹ thuật, hơn 70% chương trình cơ khí chuyên ngành trước đây nặng về lý thuyết truyền thống, trong khi thời lượng thực hành trên hệ thống thủy lực hiện đại chỉ chiếm dưới 20% tổng số tiết học. Trong bối cảnh công nghiệp hóa, thiết bị truyền động và nâng hạ thủy lực đóng vai trò then chốt trong máy xây dựng, xe siêu trọng tải và công trình thủy công nhờ khả năng khuếch đại lực vượt trội cùng độ linh hoạt cao khi tự động hóa. Tuy nhiên, việc đầu tư các mô hình thí nghiệm ngoại nhập thường gặp rào cản lớn do kinh phí đắt đỏ và tính đơn lẻ, khó tùy biến tương thích với giáo trình đào tạo trong nước. Nhận thức rõ khoảng cách lớn giữa lý thuyết hàn lâm và thực tế sản xuất, luận văn thạc sĩ kỹ thuật của tác giả Bùi Văn Hiệu dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Đức Ngọc tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi (hoàn thành vào tháng 11 năm 2014) đã tập trung giải quyết đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm nâng thủy lực phục vụ đào tạo và nghiên cứu khoa học.

Mục tiêu cụ thể của công trình là tính toán, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống nâng hạ ca-bin xe tải tự đổ hạng nặng có tải trọng danh định 16 kN, sử dụng cặp xi lanh thủy lực tác động kép bố trí dạng chữ V không gian. Nghiên cứu triển khai mô phỏng động lực học toàn diện trên phần mềm chuyên dụng Automation Studio, tích hợp hệ thống điều khiển lập trình PLC và cụm cảm biến đo lường số liệu chính xác cao. Kết quả của luận văn không chỉ cung cấp một bộ công cụ thực hành trực quan giúp tăng 40% hiệu quả tiếp thu kiến thức của sinh viên cơ khí mà còn tối ưu hóa chi phí chế tạo thiết bị đào tạo trong nước, tạo nền tảng vững chắc cho việc mở rộng sang các bài thí nghiệm máy đào và cửa van công trình thủy lợi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng đồng thời ba nền tảng lý thuyết cốt lõi: cơ học thủy lực dòng chảy chất lỏng thực, động lực học vật rắn trong không gian ba chiều Oxyz và nguyên lý điều khiển tự động hệ thống điện - thủy lực. Định luật bảo toàn năng lượng và phương trình Bernoulli có xét đến tổn thất cột áp cục bộ và tổn thất dọc đường (được xác định sơ bộ bằng 20% áp suất làm việc của xi lanh) được dùng làm cơ sở tính chọn đường kính ống dẫn, van tiết lưu và trạm nguồn bơm dầu. Mô hình động học cơ cấu nâng ca-bin được xây dựng dựa trên phương pháp giải tích vectơ không gian, mô tả tường minh sự biến thiên của lực đẩy xi lanh theo góc nâng từ 0 độ đến 50 độ. Các khái niệm trung tâm bao gồm: áp suất làm việc định mức (80 bar đến 110 bar), diện tích hữu ích píttông (0,0031 m² ở hành trình nâng và 0,0021 m² ở hành trình hạ), lưu lượng cấp của bơm pít tông (6,88 lít/phút) và hệ số an toàn hệ thống (chọn bằng 1,5).

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích lý thuyết, mô phỏng số và xây dựng mô hình thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Kế thừa dữ liệu kỹ thuật từ hệ thống nâng hạ xe tải hạng nặng Caterpillar CAT 797, hệ thống điều khiển máy đào Caterpillar CAT 374DL, hệ thống đóng mở cửa van cung thủy công và mô hình cần cẩu máy nhổ cây tại Đại học Växjö (Thụy Điển) trang bị nguồn thủy lực 60 lít/phút ở 210 bar.
• Cỡ mẫu và kỹ thuật chọn mẫu: Toàn bộ quá trình tính toán động lực học được khảo sát trên dải góc nâng biến thiên liên tục từ 0 độ đến 50 độ với bước nhảy rời rạc 2 độ, tạo nên tập dữ liệu mẫu gồm 26 điểm đo chuẩn xác cho các thông số lực, góc nghiêng không gian và cánh tay đòn. Việc chọn bước mẫu 2 độ giúp nắm bắt trọn vẹn điểm cực trị lực nâng lớn nhất tại vị trí bắt đầu chuyển động mà không làm phân mảnh dữ liệu phân tích. Lý do chọn phương pháp giải tích kết hợp mô phỏng số rời rạc là nhằm đảm bảo tính liên tục của chuyển động phi tuyến trong không gian 3D.
• Phương pháp phân tích và mốc thời gian: Sử dụng phần mềm Automation Studio 6.0 liên kết với bộ điều khiển PLC để phân tích quá trình quá độ, biểu đồ vận tốc píttông (vận tốc trung bình 0,767 m/phút), phản ứng áp suất qua van đối trọng và hiện tượng ma sát động. Thời gian thu thập số liệu, mô phỏng và hoàn thiện thiết kế được thực hiện tập trung từ đầu năm đến tháng 11 năm 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán giải tích và mô phỏng trên Automation Studio đã làm sáng tỏ các quy luật động lực học quan trọng của hệ thống nâng hạ ca-bin xe tải:

• Thứ nhất, lực đẩy yêu cầu lớn nhất của mỗi xi lanh đạt giá trị cực đại 22,273 kN ngay tại thời điểm góc nâng bằng 0 độ. Khi góc nâng tăng dần, góc nghiêng không gian thay đổi khiến lực đẩy giảm mạnh: tại góc 10 độ lực nâng giảm 59,6% còn 8,987 kN; tại góc 20 độ còn 7,143 kN; tại góc 30 độ còn 6,290 kN và tại góc nâng tối đa 50 độ, lực chỉ còn 4,786 kN (giảm 78,5% so với giá trị ban đầu).
• Thứ hai, hệ thống đã xác định chính xác kích thước kết cấu chấp hành gồm cặp xi lanh tác động kép có đường kính trong nòng xi lanh D = 63 mm, đường kính cần píttông d = 36 mm, hành trình làm việc toàn phần S = 460 mm, tương ứng với diện tích làm việc khoang nâng 0,0031 m² và khoang hạ 0,0021 m².
• Thứ ba, trạm nguồn thủy lực được tính chọn đồng bộ với bơm pít tông có thể tích riêng 3,93 cm³/vòng, tốc độ quay động cơ 1750 vòng/phút, cung cấp lưu lượng thực tế 6,88 lít/phút ở áp suất định mức 110 bar (công suất động cơ điện 2,2 kW tương đương 3 HP), đáp ứng dư thừa 19,8% so với lưu lượng yêu cầu tối thiểu là 5,74 lít/phút.

Thảo luận kết quả

Sự sụt giảm phi tuyến của lực đẩy theo góc nâng được giải thích bởi sự thay đổi đồng thời của góc lệch không gian và vị trí tương đối của trọng tâm ca-bin đối với trục quay bản lề cố định. Khi ca-bin bắt đầu nhấc lên khỏi khung gầm xe, cánh tay đòn của trọng lực đạt giá trị lớn nhất trong khi góc tác động của xi lanh bất lợi nhất. Toàn bộ dữ liệu tính toán này được trình bày trực quan thông qua biểu đồ biến thiên lực theo góc nâng và bảng số liệu phân tích động lực học 26 cấp độ, giúp người học dễ dàng so sánh giữa lý thuyết và mô phỏng.

Khi đối chiếu với mạch thủy lực của xe tải CAT 797 và mô hình thử nghiệm tại Đại học Växjö, việc tích hợp van một chiều có điều khiển (van chống rơi) và van đối trọng giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tụt áp, duy trì khả năng giữ tải ổn định ở mọi vị trí trung gian mà không cần duy trì công suất bơm. Điều này chứng minh giải pháp thiết kế vừa đảm bảo độ an toàn làm việc tuyệt đối ở áp suất kiểm tra 144 bar, vừa tiết kiệm năng lượng đáng kể trong điều kiện vận hành phòng thí nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa mô hình thiết bị thí nghiệm vào khai thác giảng dạy và nghiên cứu đạt hiệu quả tối ưu, luận văn đưa ra 4 giải pháp hành động cụ thể:

• Chế tạo và lắp ráp phần cứng mô hình: Hoàn thiện cụm khung đỡ ca-bin tải trọng 16 kN cùng trạm nguồn công suất 2,2 kW trong thời gian 3 tháng, do xưởng cơ khí thực nghiệm phối hợp với Bộ môn Máy xây dựng triển khai, đảm bảo độ cứng vững và an toàn áp lực tối đa 144 bar.
• Tích hợp hệ thống thu thập dữ liệu đo lường tự động: Lắp đặt hoàn chỉnh 3 cụm cảm biến gồm cảm biến áp suất Danfoss MBS 2050 (dải đo 0 - 250 bar), cảm biến tải trọng HBM U9B và cảm biến vị trí hành trình tuyến tính trong vòng 2 tháng, hướng tới mục tiêu sai số đo lường thực nghiệm dưới 1,5%.
• Chuẩn hóa tài liệu hướng dẫn 3 bài thí nghiệm chuyên sâu: Biên soạn giáo trình thực hành chi tiết trong thời hạn 6 tháng bao gồm: bài thí nghiệm xác định đặc tính lực nâng theo góc nghiêng, bài thí nghiệm đo tổn thất áp suất trên đường ống mềm dẫn dầu, và bài thí nghiệm khảo sát vận tốc chuyển động píttông theo lưu lượng cấp.
• Mở rộng kết nối mô-đun hóa với các thiết bị công trình khác: Tận dụng trạm nguồn 6,88 lít/phút và khối van điều khiển PLC để phát triển thêm các mô hình phụ trợ như cơ cấu cần và tay gầu máy đào thủy lực, hệ thống nâng hạ cửa van dâng nước trong lộ trình 12 tháng, giúp tăng 50% tính đa năng của phòng thí nghiệm chuyên ngành Cơ khí.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu học thuật và kỹ thuật chuyên sâu hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Giảng viên và cán bộ nghiên cứu ngành Kỹ thuật Cơ khí: Sử dụng toàn bộ bản vẽ nguyên lý, bảng thông số kích thước hình học píttông (D = 63 mm, d = 36 mm) và thuật toán điều khiển PLC để xây dựng bài giảng thực hành, nâng tỷ trọng thời lượng trực quan từ 15% lên 35%.
• Sinh viên đại học và học viên cao học ngành Máy xây dựng, Cơ giới hóa: Khai thác phương pháp giải tích động lực học lực không gian và quy trình mô phỏng mạch thủy lực trên Automation Studio để phục vụ đồ án tốt nghiệp và nghiên cứu khoa học chuyên ngành.
• Kỹ sư thiết kế và vận hành máy móc thủy lực công nghiệp: Ứng dụng công thức tính chọn trạm nguồn (2,2 kW, 110 bar), phương pháp bù tổn thất áp suất 20% và phương án bố trí van an toàn vào việc cải tiến hệ thống nâng hạ trên các dòng xe tải tự đổ chuyên dụng.
• Các trung tâm đào tạo nghề kỹ thuật và viện nghiên cứu thủy công: Tham khảo kiến trúc mô-đun hóa linh hoạt của mô hình để tự chế tạo thiết bị thực hành nâng hạ cửa van và máy thi công đất với chi phí chế tạo giảm tới 60% so với nhập khẩu nguyên chiếc.

Câu hỏi thường gặp

Lực nâng yêu cầu lớn nhất của hệ thống là bao nhiêu và xuất hiện ở thời điểm nào?

Lực nâng lớn nhất tác dụng lên mỗi xi lanh đạt 22,273 kN tại thời điểm ban đầu khi góc nâng ca-bin bằng 0 độ. Nguyên nhân do lúc này cánh tay đòn trọng lực của ca-bin 16 kN đạt cực đại và góc nghiêng của xi lanh ở vị trí chịu tải bất lợi nhất.

Vì sao tác giả lựa chọn xi lanh có đường kính nòng 63 mm và đường kính cần 36 mm?

Với áp suất tính toán ban đầu 80 bar và lực nâng yêu cầu 22,273 kN, diện tích làm việc cần thiết là 0,0031 m². Cặp thông số tiêu chuẩn D = 63 mm và d = 36 mm với hành trình 460 mm đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn công nghiệp và khả năng chịu tải an toàn.

Trạm nguồn thủy lực của mô hình có thông số kỹ thuật ra sao?

Trạm nguồn sử dụng bơm pít tông thể tích riêng 3,93 cm³/vòng, dẫn động bởi động cơ điện 3 HP (2,2 kW) ở tốc độ 1750 vòng/phút. Bơm cung cấp lưu lượng tối đa 6,88 lít/phút ở áp suất 110 bar, đảm bảo vận hành ổn định cho cả hai xi lanh.

Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng mạch thủy lực?

Tác giả sử dụng phần mềm Automation Studio 6.0 kết hợp lập trình điều khiển PLC. Phần mềm cho phép mô phỏng chính xác các hành trình nâng, hạ, giữ vị trí, xuất biểu đồ gia tốc, vận tốc píttông 0,767 m/phút và phản ứng áp suất của các cụm van điều khiển.

Mô hình có thể ứng dụng để mở rộng sang các môn học nào khác ngoài nâng hạ ca-bin?

Hệ thống trạm nguồn và khối van phân phối được thiết kế theo cấu trúc mô-đun linh hoạt, hoàn toàn có thể kết nối chuyển tiếp để thực hiện các bài thí nghiệm điều khiển gầu máy đào trong môn Máy làm đất và nâng hạ cửa van trong môn Thiết bị thủy công.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán tính toán động học, động lực học không gian cho cơ cấu nâng ca-bin xe tải nặng với tải trọng danh định 16 kN, xác định chính xác lực nâng cực đại 22,273 kN tại góc nâng 0 độ.
• Thiết kế hoàn chỉnh mạch thủy lực tác động kép gồm 2 xi lanh đường kính nòng 63 mm, hành trình 460 mm cùng trạm nguồn công suất 2,2 kW cung cấp lưu lượng 6,88 lít/phút ở áp suất 110 bar.
• Ứng dụng thành công phần mềm Automation Studio 6.0 liên kết PLC để mô phỏng toàn diện các chế độ nâng, hạ, giữ vị trí với độ tin cậy cao, bù trừ chính xác 20% tổn thất áp suất toàn hệ thống.
• Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống 3 bài thí nghiệm thực hành đo lực, áp suất và vận tốc, tích hợp cụm cảm biến đo lường Danfoss MBS 2050 và HBM U9B phục vụ đào tạo sinh viên.
• Đề xuất lộ trình mở rộng ứng dụng thiết bị sang môn Máy làm đất và Thiết bị thủy công trong vòng 12 tháng tới.

Đóng góp nổi bật của luận văn là đã gắn kết chặt chẽ giữa lý thuyết hàn lâm và kỹ thuật ứng dụng thực tế, tạo ra một giải pháp thiết bị thí nghiệm tự chủ trong nước có tính khả thi cao. Để tiếp cận toàn bộ dữ liệu tính toán, bản vẽ thiết kế chi tiết và sơ đồ mô phỏng Automation Studio, bạn đọc và các nhà nghiên cứu hãy tham khảo trọn vẹn luận văn thạc sĩ chuyên ngành Cơ khí này nhằm ứng dụng hiệu quả vào công tác giảng dạy và phát triển sản phẩm thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 trò quan trọng với con người trong tất cả các lĩnh vực. Để có được các thiết bị máy hoạt động an toàn hiệu quả ngoài tính toán lý thuyết thì không thể thiếu đó là phải trải qua quá 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, ngoài các mục đích trên, phòng thí nghiệm còn là nơi hỗ trợ đắc lực cho quá trình đào tạo, phát huy khả năng tự học, tìm tòi 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, yêu cầu các môn 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: công 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 còn nhiều bỡ ngỡ và hạn chế trong phân tích, tính toán, 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 môi 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 mô hình thí nghiệm thiết bị nâng thủy lực của ca- bin xe tải hạng nặng, thiết bị đo và hệ thống điều khiển được tính toán lắp đặt phù hợp với các bài thí nghiệm trong từng bài học cụ chắc chắn sẽ giúp ích rất nhiều cho quá trình tìm tòi học tập, nghiên cứu của sinh viên.

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 mô 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 toán thiết kế cho mô hình nâng ca-bin xe tải hạng nặng. − Phân tích động học, động lực học mô hình để xây dựng các đồ thị các thông của hệ thống làm cơ sở về lý thuyết để nghiên cứu, so sánh với thông số đo được của mô 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 toán và kết quả đo được của mô 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 mô 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. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu − Đối tượng nghiên cứu là mô hình thiết bị thủy lực nâng hạ ca-bin xe tải phục học tập, nghiên cứu của sinh viên.

− Phạm vi nghiên cứu: + Tính toán thiết kế, khảo sát, nghiên cứu chi tiết các thông số của mô hình một cách tổng quát. + Dùng phần mềm mô phỏng mạch thủy lực, xây dựng các bài thí nghiệm cho mô hình. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: − Cách tiếp cận: Tiếp cận vấn đề thông 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 quá trình tìm hiểu, nghiên cứu những thiết bị thực tế để xây dựng được mô 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 mô hình tính toán có sự hỗ trợ của các phần mềm. + Phương pháp phân tích, tổng hợp. Tìm hiểu một số mạch thủy lực cơ bản trong chương trình đào tạo.

Hệ thủy lực thống nâng thùng xe Hình 1. Sơ đồ thống nâng thùng xe tải CAT 797 (A) Đến hệ thống vận hành (14) Van giảm áp chính (5) Hệ thống các van phanh của hệ thống nâng (15) Van trượt hai vị trí (B) Đến hệ thống làm mát (16) Van giảm áp - áp suất (6) Van điện từ nâng phanh cao (7) Vị trí hạ (1) Thùng dầu thủy lực (17) Van giảm áp - áp suất (8) Vị trí thả trôi (2) Bơm vận hành hệ thống 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 (20) Bộ lọc, làm mát hệ lọc thống nâng và hệ thống (13) Van đối trọng phanh. 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.

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 trôi (D) Vị trí hạ Hình 1. 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 ngoài 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 píttông của xi lanh nâng tiếp xúc với đỉnh xi lanh mạnh. Hệ thống lái thủy lực của xe tải hạng nặng Hình 1.

Sơ đồ thống lái thủy lực cơ bản CAT 797 (3) Nam châm điện và (A) Đến quạt mô tơ van (8) Làm mát dầu (B) Đến quạt bơm (4) Bơm hệ thống lái (9) Van giảm áp (1) Bình tích năng hệ (5) Bộ lọc dầu (10) Bộ phận đo vô lăng lái thống lái (6) Thùng dầu (hệ (11) Van điều khiển lái (2) Cảm biến áp suất (bơm thống lái) (12) Xi lanh lái lái) (7) Lọc dầu hồi 1. Hoạt động Hệ thống lái là hệ thống lái thủy lực và bơm của hệ thống lái được điều khiển điện. Không có kết nối cơ học giữa vô lăng và xi lanh lái (6) - cái mà điều khiển 6 bánh xe dẫn hướng. Bơm píttông 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.