CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung Hệ thống thủy lực là yếu tố quan trọng góp phần gián tiếp vào chất lượng cuộc sống của con người. Chúng được sử dụng phố biến cho nhiều ứng dụng khác nhau từ xây dựng đến công nghiệp, quân sự, hàng không vũ trụ, tàu thủy, nông nhiệp, cơ giới… nhờ vào các đặc tính đặc trưng độc đáo của nó. So với các thiết bị truyền động điện thì truyền động thủy lực được đặc trưng bởi khả năng chịu tải cao, tỉ lệ công xuất trên trọng lượng cao.
Chúng có hiệu quả trong các ứng dụng thường xuyên dừng và có tải biến động đột ngột. Tuy nhiên hệ thống thủy lực vẫn còn tồn tại những nhược điểm như tổn thất năng lượng và tính phi tuyến dẫn đến hệ thống điều khiển gặp nhiều thách thức hơn. Tính phi tuyến này phần lớn là do ma sát và hiện tượng trễ cơ học.1 minh họa cho các tổn thất đối với hệ thống thủy lực cơ giớ cảm biến tải. Khoảng 25-30% năng lượng thất thoát do các hệ thống van truyền thống gây ra.
Minh họa các tổn thất của hệ thống thủy lực sử dụng các loại van con trượt và van có hành trình thay đổi truyền thống trong máy cơ giới. Có nhiều phương pháp được sử dụng để cải thiện hiệu quả các tổn thất của hệ thống thủy lực như hệ thống cảm biến tải là một trong những hệ thống nổi tiếng nhất được sử dụng trong các ứng dụng thủy lực, tuy nhiên hệ thống này vẫn được KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ điều khiển bằng các van con trượt thông thường nên vẫn bị tổn thất bướm ga do kết nối cơ khí giữa đầu vào và đầu ra. Các kết nối này được minh họa trong Hình 1. Các kết nối cơ khí giữa van con trượt truyền thống với nguyên lý điều khiển lưu lượng đầu vào và đầu ra của bộ truyền động.
Để giảm những tổn thất này, các kết nối cơ học nên được ngắt bỏ để cải thiện về mật độ công suất và tính linh hoạt của hệ thống thủy lực, điều này dẫn đến việc phát triển công nghệ đo (định lượn) độc lập (Independent Metering-IM). Việc kết hợp cả hai hệ thống này là cách tiếp cận có thể tiết kiệm được nhiều năng lượng hơn và tạo ra khả năng kiểm soát tốt hơn, nó cũng có khả năng chuyển chức năng từ phần cứng sang phần mềm, đẩy nhanh chu kỳ làm việc và thực hiện các chế độ hoạt động có thể điều chỉnh bằng điện tử. Do đó, các viện nghiên cứu khoa học, các công ty trên thế giới đã và đang nghiên cứu về hệ thống đo độc lập (IM) với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Tình hình phát triển về hệ thống đo độc lập (IM).
Biểu đồ thống kê những phát triển về hệ thống IM được cập nhật hàng năm biểu thị thông qua Hình 1. Số lượng các nghiên cứu liên quan đến IM trong những năm qua. KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ Các viện khoa học chính phát triển hệ thống thủy lực thông minh và công nghệ IM chính xác được tóm tắt như trong Bảng 1. Các viện nghiên cứu phát triển về IM.
STT University Research Trends Sample of Studies Institute of Hydraulic and 1. Automation at Tampere System. Hydraulic Manipulation University of Technology, 2. IM and Load Sensing Institute of Fluid and System.
Mechatronics systems at 1. Load Sensing with 2 2. Linkoping University, IM. Real-Time-Simulation of Sweden.
Hybrid Hydraulic STEAM. Metering and Institute of Fluid power 2. Intelligent Hydraulic Decentralization for 3 at Dresden University of Systems. Hybrid Hydraulic Mechatronics system.
Poppet Valve School of Mechanical Development. 4 Engineering at Georgia 2. Intelligent Control of 2. Independent Institute of Technology, Hydraulic Manipulators Metering System.
State Key Laboratory of 1. Independent Fluid Power and Independent Metering Metering Mode 5 Mechatronics System, Switching Methods. Hydraulic Drive Motion 2. Load Sensing with Maha Fluid Power Modelling.
Mobile Hydraulic Systems 2. Modelling of Purude University, USA. Key Lab of Advanced 1. Independent Transducers and Intelli- System.
7 Metering Performance gent System, Taiyuan 2. Modelling of Hydraulic Analysis. System School of Mechanical 1. Independent Metering and Automotive Implementation.
IM Energy Saving. of Ulsan, South Korea. Energy Institute of Mechanical 9 1. Dynamic and Control 1.
Engineering, Illinois, USA. KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ Số lượng các nghiên cứu và bằng sáng chế được phát triển bởi các viện nghiên cứu này và các công ty dược minh họa qua Hình 1. Đóng góp hàng đầu của những viện nghiên cứu và công ty cho sự phát triền về IM. Phương pháp nghiên cứu.
Sử dụng phương pháp tách riêng lẽ hệ thống thủy lực để cải thiện về công suất, khả năng tải và tính linh hoạt. Phương pháp tách riêng lẽ có thể được chia thành hai phần: điều khiển bơm và điều khiển van. Về tách riêng lẽ điều khiển bơm được thể hiện trong Hình 1. Minh họa các kiểu tách riêng lẽ hệ thống truyền động thủy lực khác nhau dựa trên việc sử sụng bơm và động cơ.
KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ Sơ đồ đầu tiên bên trái là hình thức phổ biến nhất là sử dụng một bơm cho nhiều thiết bị truyền động. Cách thiết lập được dùng nhiều trong các máy ép khuôn. Sơ đồ ở giữa chủ yếu được dùng trong hệ thống truyền động thủy lực của máy cơ giới. Sơ đồ cuối bên phải được áp dụng cho các ứng dụng có công suất cao, là hình thức mà các thiết bị truyền động đều cần có bơm riêng.
Các đặc điểm chính của hệ thống loại này là tỉ lệ tiêu thụ năng lượn thấp hơn, do đó tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn. Hạn chế chính của nó là động lực học chậm hơn so với bộ truyền động servo. Về tách riêng lẽ điều khiển van, có ba hình thức chính được thể hiện trong Hình 1. Tách riêng lễ hệ thống truyền động thủy lực dựa trên cấu trúc van.
Tách riêng lẽ hệ thống truyền động thủy lực dựa trên cấu trúc van có thể đạt được tính linh hoạt bằng cách sử dụng nguyên lý đo độc lập. Sơ đồ đầu tiên bên trái là dạng đo thông thường được sử dụng phổ biến, nó là phương pháp điều khiển lưu lượng theo hướng truyền thống, mỗi cơ cấu chấp hành được điều khiển bởi một van. Cách thiết lập này hạn chế tính linh hoạt của hệ thống nhưng nó có ưu điểm làm tăng độ cứng vững. Để cải thiện hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, xu hướng là thay đổi phương pháp điều khiển lưu lượng sao cho linh hoạt hơn, đây là lý do để nghiên cứu và phát triển phương pháp đo độc lập, các thuật ngữ khác được sử dụng cho IM như đo KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ riêng lẽ, van đa chức năng, kiểm soát riêng biệt lưu lượng đầu vào và và lưu lượng đầu ra.
Vì có các tính chất đó nên nó có thể lập trình được và nó thay đổi hệ thống điều khiển từ khái niệm cơ thủy lực thành một hệ thống điều khiển kiểm soát thông minh dựa trên phần mềm. Các loại van độc lập. Các loại van IM đã được sản xuất để triển khai cho hệ thống đo độc lập được liệt kê trong Bảng 1.2 và đặc điểm của các loại van điều khiển lưu lượng khác nhau được thể hiện trong Bảng 1. Các loại van đo độc lập được sản xuất công nghiệp.
Response Pressure STT Manufacturer Product Flow Rate Hysteresis Time Drop 2 EATON EPV10 30 L/min < 4% 35 ms 200bar 3 BUCHER WS22GD 30 L/min < 5% 20 ms 350bar 4 EATON CMA90 90 L/min sub-micron 24 ms 25bar 5 EATON CMA200 200 L/min sub-micron 24 ms 35bar 75, 150, 800 6 HUSCO EHPV very Low 100 ms 15bar L/min Bảng 1. Đặc điểm của các loại van điều khiển lưu lượng khác nhau. Characteristic Spool Poppet Digital Flexibility Low Medium High Flow accuracy High Medium Low Redundancy Low Medium High Manufacturing cost High Medium Low Anti-leakage Low Medium High Sensitive to contamination High Medium Low Stability High Medium medium KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ 1. Ưu và nhược điểm của IM.
Nguyên lý IM có những ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: Kiểm soát độc lập các vị trí đầu vào và đầu ra, tăng hiệu quả năng lượn bằng cách cho phép điều khiển lưu lượng bằng các chế độ riêng lẽ, ứng dụng các van đơn, tránh tình trạng xâm thực trong quá trình kéo tải (xâm thực là sự hình thành và vỡ ra của bóng bóng khí và đẩy dung dịch đi với một lực có thể làm rỗ bề mặt van hay của van), cấu hình hệ thống linh hoạt, có thể chuyển các chức năng từ phần cứng sang phần mềm, có khả năng áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến… Nhược điểm: Chi phí linh kiện cao, yêu bộ điều khiển phức tạp, khi chuyển đổi giữa các chế độ dẫn đến thay đổi vận tốc đột ngột, khó khăn trong việc tích hợp bộ bù áp, rung động mạnh Với những ưu điểm vượt trội của phương pháp đo độc lập nên nó có thể kết hợp được với các mạch thủy lực để cải thiện hiệu suất và tiết kiệm năng lượng qua nhiều hình thức khác nhau như: Kết hợp giữa hệ thống cơ thủy lực cảm biến tải truyền thống với đo độc lập, Kết hợp giữa hệ thống cảm biến tải và cấu hình van đo độc lập, kết hợp mạch kín với phương pháp đo độc lập để loại bỏ tổn thất van tiết lưu, kết hợp với bộ tích áp lưu trữu năng lượng dự trữ để tái sử, kết hợp giữa thuật toán điều khiển bơm với điều khiển hệ thống van độc lập… = > Từ những phân tích trên cho thấy việc hệ thống hóa phần cơ sở lý thuyết và cần được kiểm chứng thông qua thực nghiệm. Với những ưu điểm nổi bật đã kể ở trên về hệ thống van IM và mặc dù cũng đã có rất nhiều nghiên cứu về mảng này trên thế giới. Tuy nhiên, về cơ sở lý thuyết và đặc biệt là sự kết hớp với hệ thống servo mà tách riêng cho từng van tác giả chưa tìm thấy một cách đầy đủ. Do đó, trong luận văn này tác giả thực hiện các phần tiếp theo để làm rõ và để kiểm chứng hệ thống về tính linh hoạt, khả năng đáp ứng động học và tiết kiệm năng lượng… KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ngày nay, hệ thống thủy lực điều khiển bằng van được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như các loại máy ép.
Tuy nhiên, nhược điểm phổ biến nhất của các hệ thống thủy lực điều khiển bằng van truyền thống là hiệu quả thấp do điều khiển tiết lưu hoặc công suất chưa phù hợp. Để khắc phục những vấn đề này, dựa trên các hệ thống được điều khiển bằng van, trong luận văn này, một hệ thống thủy lực theo nguyên lý đo độc lập được đề xuất và nghiên cứu.