Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ứng dụng mô hình ảo trong cải thiện hiệu suất máy ép thủy lực

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật cơ khí nghiên cứu ứng dụng mô hình ảo trong cải thiện đáp ứng động lực học và hiệu suất, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Vũ Đình Hải
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Triết Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình Ảo Để Cải Thiện Hiệu Suất Máy Ép Thủy Lực
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Tình hình phát triển về ứng dụng mô hình ảo trong thiết kế hệ thống thủy lực
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Tìm hiểu van servo được sử dụng nhiều trong các loại máy ép
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống thủy lực có ưu điểm về năng lượng trên máy ép
• 2.2. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động thủy lực
• 2.3. Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng thủy lực
• 2.4. Van tỷ lệ và van servo
• 2.5. Bộ điều khiển PID
• 2.6. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG
• 3.1. Đề xuất hệ thống thủy lực
• 3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dùng van servo
• 3.3. Mô tả hoạt động hệ thống thủy lực đề xuất
• 3.4. Giới thiệu hệ thống thủy lực truyền động servo
• 3.5. Đặc tính lưu lượng của hệ thống
• 3.6. Đặc tính công suất của hệ thống
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
• 4.1. Xây dựng mô hình trên AMESim
• 4.2. Mô hình hóa van servo trên phần mềm AMESim
• 4.3. Mô hình hóa hệ thống thủy lực đề xuất trên phần mềm AMESim
• 4.4. Kết quả mô phỏng
• 4.5. Mô phỏng hệ thống có phần tử chọn từ thư viện có sẵn với hệ thống có phần tử thiết kế thành phần chi tiết (components)
• 4.6. Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng hở và bơm có lưu lượng cố định
• 4.7. Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng kín với bơm có lưu lượng cố định
• 4.8. Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng kín với bơm có lưu lượng biến đổi
• 4.9. So sánh hiệu suất năng lượng hệ thống cho 3 trường hợp tín hiệu vào khác nhau
• 4.10. Kết luận chương
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VỚI MÔ HÌNH VẬT LÝ
• 5.1. Quá trình thực nghiệm
• 5.2. Kết quả thí nghiệm trên mô hình Vật lý
• 5.3. Với tín hiệu dạng Ramp, hệ thống thực cho kết quả thu được như sau
• 5.4. Với tín hiệu dạng Sine, hệ thống thực cho kết quả thu được như sau
• 5.5. Với tín hiệu dạng Step, hệ thống thực cho kết quả thu được như sau
• Danh mục công trình khoa học
• Tài liệu tham khảo
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình ảo trong thiết kế hệ thống thủy lực

Mô hình ảo được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế hệ thống thủy lực, đặc biệt trong máy ép thủy lực. Việc sử dụng mô hình ảo giúp giảm thiểu chi phí và thời gian trong quá trình phát triển sản phẩm. Các phần mềm mô phỏng như AmeSim cho phép người dùng mô phỏng và phân tích hiệu suất của hệ thống trước khi tiến hành lắp đặt thực tế. Nghiên cứu cho thấy rằng việc ứng dụng công nghệ 4.0 trong mô hình hóa giúp cải thiện đáng kể hiệu suất máy ép. Theo một nghiên cứu, mô hình hóa hệ thống thủy lực có thể giúp tăng cường khả năng điều chỉnh và tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm thiểu lãng phí năng lượng.

II. Phân tích hiệu suất của máy ép thủy lực

Máy ép thủy lực là thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất đến chế biến. Phân tích hiệu suất của máy ép thủy lực yêu cầu nghiên cứu kỹ lưỡng về các thành phần như bơm, van và xi lanh. Một trong những yếu tố quan trọng là cải thiện hiệu suất thông qua việc tối ưu hóa các thông số hoạt động. Việc sử dụng van servo trong hệ thống thủy lực giúp điều chỉnh lưu lượng và áp suất một cách chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của máy. Theo các nghiên cứu, việc áp dụng mô phỏng giúp phát hiện sớm các vấn đề trong thiết kế và cải thiện khả năng đáp ứng động lực học của hệ thống.

III. Ứng dụng công nghệ trong cải thiện hiệu suất máy ép

Công nghệ 4.0 đã tạo ra những cơ hội mới trong việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành máy ép thủy lực. Việc ứng dụng công nghệ trong thiết kế hệ thống giúp cải thiện đáng kể hiệu suất máy ép. Các phần mềm mô phỏng như AmeSim cho phép mô hình hóa và phân tích hệ thống trong môi trường ảo, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc thiết kế và điều khiển hệ thống. Hệ thống thủy lực được điều khiển bằng van servo có khả năng điều chỉnh lưu lượng và áp suất một cách linh hoạt, giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất sản xuất. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng mô phỏng có thể giúp giảm thiểu thời gian phát triển sản phẩm và tăng cường khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp.

IV. Kết quả thực nghiệm và so sánh với mô hình ảo

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự tương đồng giữa dữ liệu thu thập từ mô hình vật lý và mô hình ảo. Việc xây dựng mô hình thực nghiệm giúp kiểm chứng và điều chỉnh thiết kế, từ đó cải thiện hiệu suất của hệ thống. Các thí nghiệm được thực hiện với các tín hiệu vào khác nhau như dạng step, ramp và sine cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong đáp ứng động lực học của hệ thống. Sự kết hợp giữa mô hình ảo và thực nghiệm vật lý cho phép đánh giá chính xác hơn về khả năng hoạt động của hệ thống, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu cho việc thiết kế và vận hành máy ép thủy lực.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống thủy lực đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp nhờ khả năng chịu tải cao, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn và tính linh hoạt trong điều khiển. Máy ép thủy lực là một trong những thiết bị phổ biến, góp phần nâng cao năng suất và giải phóng sức lao động trong công nghiệp. Tuy nhiên, hiệu suất và đáp ứng động lực học của các máy ép thủy lực truyền thống còn nhiều hạn chế, đặc biệt khi sử dụng các hệ thống điều khiển thủy lực truyền thống với van điều khiển tiết lưu hoặc bơm có lưu lượng cố định.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình ảo sử dụng phần mềm mô phỏng AmeSim để cải thiện đáp ứng động lực học và hiệu suất năng lượng của máy ép thủy lực. Nghiên cứu đề xuất một hệ thống thủy lực truyền động servo với xi lanh tác động kép, van servo 4/3 điều khiển vị trí và bơm thủy lực biến đổi lưu lượng được dẫn động bằng động cơ servo AC điều khiển biến tần. Hệ thống được mô phỏng và phân tích dưới các dạng tín hiệu đầu vào Step, Ramp và Sine, đồng thời áp dụng thuật toán điều khiển PID để tối ưu hóa đáp ứng và hiệu suất.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hóa, mô phỏng và xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống thủy lực tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh trong năm 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ thiết kế hệ thống thủy lực máy ép có hiệu quả cao hơn, giảm tổn thất năng lượng và nâng cao độ chính xác điều khiển, góp phần thúc đẩy công nghiệp hóa, hiện đại hóa thiết bị cơ khí thủy lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc hệ thống thủy lực cơ bản: Bao gồm nguồn cấp thủy lực (bơm), van điều khiển (van servo, van tỷ lệ), cơ cấu chấp hành (xi lanh thủy lực), đường ống và thiết bị phụ trợ. Hệ thống truyền động thủy lực chuyển đổi công suất cơ sang công suất thủy lực và ngược lại.

• Tính chất vật lý của chất lỏng thủy lực: Áp suất, độ nhớt, tỷ trọng và mô đun đàn hồi của dầu thủy lực ảnh hưởng đến động lực học và hiệu suất hệ thống. Các phương trình dòng chảy liên tục và áp suất chuyển tiếp được sử dụng để mô hình hóa lưu lượng qua van.

• Van servo và van tỷ lệ: Van servo có độ chính xác cao nhờ cơ chế phản hồi vị trí con trượt, điều khiển lưu lượng vô cấp với sai số thấp, phù hợp cho các hệ thống yêu cầu độ chính xác và đáp ứng nhanh. Van tỷ lệ có công suất đầu vào lớn hơn và độ trễ cao hơn, thường dùng trong các ứng dụng ít yêu cầu chính xác hơn.

• Bộ điều khiển PID: Thuật toán điều khiển phổ biến trong hệ thống thủy lực, gồm ba thành phần tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D), giúp cải thiện độ ổn định và độ chính xác của hệ thống điều khiển vị trí và lưu lượng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập thông tin từ tài liệu chuyên ngành, tài liệu kỹ thuật của các hãng sản xuất van servo và bơm thủy lực, đồng thời xây dựng mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.

• Phương pháp phân tích: Mô hình hóa hệ thống thủy lực trên phần mềm mô phỏng AmeSim, bao gồm các thành phần như bơm thủy lực servo, van servo 4/3, xi lanh thủy lực, đường ống và bộ điều khiển PID. Mô phỏng được thực hiện với các tín hiệu đầu vào dạng Step, Ramp và Sine, so sánh hiệu suất và đáp ứng động lực học giữa các trường hợp.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm giai đoạn tìm hiểu lý thuyết, xây dựng mô hình mô phỏng, thực nghiệm mô hình vật lý và phân tích kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình vật lý được xây dựng với các thiết bị thủy lực thực tế có thông số kỹ thuật tương đương mô hình mô phỏng, đảm bảo tính đại diện và khả năng so sánh kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cải thiện đáp ứng động lực học với van servo và điều khiển PID: Mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển vòng kín với van servo 4/3 và thuật toán PID có đáp ứng nhanh hơn, sai số vị trí giảm khoảng 30% so với hệ thống điều khiển vòng hở hoặc dùng van tỷ lệ. Ví dụ, với tín hiệu Step, thời gian ổn định giảm từ khoảng 5 giây xuống còn 3,5 giây.

2. Hiệu suất năng lượng tăng khi sử dụng bơm thủy lực biến đổi lưu lượng: So sánh ba trường hợp bơm lưu lượng cố định, bơm biến đổi lưu lượng và bơm servo, hệ thống với bơm biến đổi lưu lượng tiết kiệm năng lượng khoảng 20-25% so với bơm cố định, đặc biệt khi tải thay đổi theo dạng Ramp và Sine.

3. Độ chính xác điều khiển vị trí piston được nâng cao: Mô hình thực nghiệm cho thấy sai số vị trí piston giảm xuống dưới 2% khi sử dụng van servo và điều khiển PID, trong khi hệ thống truyền thống có sai số trên 5%.

4. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm: Dữ liệu thực nghiệm tương đồng với kết quả mô phỏng AmeSim với sai số dưới 10%, chứng tỏ mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao trong dự báo hiệu suất và đáp ứng hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cải thiện đáp ứng và hiệu suất là do van servo có khả năng điều khiển lưu lượng chính xác và phản hồi nhanh, kết hợp với thuật toán PID giúp giảm sai số và tăng độ ổn định. Bơm thủy lực biến đổi lưu lượng cung cấp lưu lượng phù hợp với nhu cầu tải, giảm tổn thất năng lượng do bơm chạy quá tải hoặc không đủ tải.

So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào mô phỏng hệ thống thủy lực máy xúc hoặc máy ép gạch, nghiên cứu này mở rộng phạm vi ứng dụng cho máy ép thủy lực công nghiệp với hệ thống điều khiển tích hợp và mô hình thực nghiệm đối chiếu. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng vị trí piston theo thời gian, biểu đồ hiệu suất năng lượng theo dạng tín hiệu đầu vào và bảng so sánh sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng hiệu quả cho thiết kế hệ thống thủy lực máy ép, giúp giảm chi phí, tăng tuổi thọ thiết bị và nâng cao năng suất công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống điều khiển PID tích hợp cho van servo và bơm biến đổi lưu lượng nhằm cải thiện đáp ứng động lực học và hiệu suất năng lượng, áp dụng trong vòng 6-12 tháng tại các nhà máy sản xuất máy ép thủy lực.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng dựa trên AmeSim để hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống thủy lực, giúp kỹ sư dễ dàng kiểm tra các phương án thiết kế trước khi chế tạo, thực hiện trong 1 năm với sự phối hợp của các viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành về công nghệ van servo và bơm biến đổi lưu lượng nhằm nâng cao kỹ năng vận hành và bảo trì hệ thống thủy lực hiện đại, tổ chức các khóa đào tạo định kỳ hàng năm.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng mô hình ảo cho các loại máy thủy lực khác như máy xúc, máy nâng, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác điều khiển, thực hiện trong giai đoạn 2-3 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế hệ thống thủy lực: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa, mô phỏng và điều khiển hệ thống thủy lực hiện đại, giúp tối ưu thiết kế và nâng cao hiệu suất.

2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí thủy lực: Hiểu rõ các giải pháp cải tiến công nghệ giúp giảm chi phí vận hành, tăng năng suất và độ tin cậy của máy ép thủy lực.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình ảo và điều khiển PID trong hệ thống thủy lực, hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy.

4. Doanh nghiệp sản xuất và bảo trì máy ép thủy lực: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cấp hệ thống điều khiển, cải thiện hiệu suất và giảm tổn thất năng lượng trong sản xuất thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình ảo trên AmeSim có chính xác không?
   Kết quả mô phỏng trên AmeSim được kiểm chứng với mô hình thực nghiệm vật lý, sai số dưới 10%, cho thấy độ tin cậy cao trong dự báo đáp ứng và hiệu suất hệ thống.

2. Van servo khác gì so với van tỷ lệ?
   Van servo có cơ chế phản hồi vị trí con trượt, độ chính xác cao hơn, đáp ứng nhanh hơn và phù hợp với các hệ thống yêu cầu điều khiển chính xác, trong khi van tỷ lệ có công suất lớn hơn nhưng độ trễ cao hơn.

3. Tại sao cần bơm thủy lực biến đổi lưu lượng?
   Bơm biến đổi lưu lượng cung cấp lưu lượng phù hợp với nhu cầu tải tại từng thời điểm, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm tổn thất do bơm chạy quá tải hoặc không đủ tải.

4. Thuật toán PID có vai trò gì trong hệ thống?
   PID giúp điều chỉnh tín hiệu điều khiển van servo và bơm thủy lực, giảm sai số vị trí và tăng độ ổn định đáp ứng động lực học của hệ thống.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các máy thủy lực khác không?
   Có, phương pháp mô hình hóa và điều khiển có thể mở rộng cho các loại máy thủy lực khác như máy xúc, máy nâng, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác điều khiển.

Kết luận

• Ứng dụng mô hình ảo trên phần mềm AmeSim giúp mô phỏng chính xác hệ thống thủy lực máy ép với van servo và bơm biến đổi lưu lượng.
• Hệ thống điều khiển PID cải thiện đáng kể đáp ứng động lực học và độ chính xác vị trí piston.
• Bơm thủy lực biến đổi lưu lượng nâng cao hiệu suất năng lượng, tiết kiệm khoảng 20-25% so với bơm cố định.
• Mô hình thực nghiệm đối chiếu với mô phỏng cho thấy tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu.
• Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống thủy lực công nghiệp khác trong giai đoạn tiếp theo.

Để tiếp tục phát triển công nghệ thủy lực hiện đại, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình ảo và thuật toán điều khiển tiên tiến trong thiết kế và vận hành hệ thống thủy lực. Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp này để nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm năng lượng ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 khác thì truyền động thủy lực được đặc trưng bởi khả năng chịu tải cao, tỉ lệ công xuất trên trọng lượng cao mà điển hình là các loại máy ép thủy lực. Máy ép thủy lực là loại máy được sử dụng phổ biến trong đời sống hiện nay, đặc biệt là trong các hoạt động của một số ngành công nghiệp. Chúng đóng vai trò lớn trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa của dất nước và trên thế giới. Máy móc giúp nâng cao năng suất công việc, giải phóng sức lao động đồng thời thực hiện các nhiệm vụ mà con người khó có thể thực hiện được.

Một trong số đó là máy ép thủy lực, đây là loại máy đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau hiện nay. Minh họa một loại máy ép thủy lực dùng trong công nghiệp. KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ Có nhiều phương pháp được sử dụng để cải thiện hiệu quả của hệ thống thủy lực trên máy ép như ứng dụng bộ phần mềm FluidSim, ứng dụng bộ phần mềm Automatin Studio trong việc hổ trợ tính toán và thiết kế hệ thống thủy lực trên máy ép. Tuy nhiên những phần mềm này cũng còn nhiều hạn chế nhất định.

Do đó học viên lựa chọn ứng dụng có nhiều ưu điểm hơn để xây dựng mô hình ảo cho hệ thống thủy lực của máy ép thủy lực là chương trình phần mềm Amesim. Minh họa sơ đồ của một hệ thống thủy lực của máy ép được thể hiện trong Hình 1. Sơ đồ hệ thống thủy lực của một máy ép thủy lực Mô hình ảo của hệ thống thủy lực trên máy ép thủy lực được thể hiện minh họa như Hình 1. KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ.

Mô hình ảo ứng dụng trên Amesim tương ứng. Tình hình phát triển về ứng dụng mô hình ảo trong thiết kế hệ thống thủy lực. Nghiên cứu trong nước: Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống thủy lực máy xúc Komatsu PC450 dùng phần mềm Automation Studio. Nguyễn Văn Sĩ, Lê Văn Quỳnh, Khoa Kỹ thuật Ô tô và Máy động lực, Đại học Kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên.

Nghiên cứu này tập trung vào hệ thống thủy lực của máy xúc Kumasu PC450 và mô phỏng hoạt động của hệ thồng thủy lực trên phần mềm Automation Studio. Nghiên cứu không đi sâu vào vấn đề cải thiện động học và hiệu suất của máy. Nghiên cứu mô phỏng hệ thống thủy lực trên máy xúc đào Komatsu PC200, Lê Văn Trường, Võ Thành Bắc, Đại học Cần Thơ, năm 2012. Nghiên cứu cũng hướng đến mô phỏng hoạt động của hệ thồng thủy lực của xe đào Komatsu PC200 trên phần mềm Automation Studio nhằm cải thiện năng lượng sử dung trong hệ thống máy.

KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng của hệ thống phanh tái sinh trên ô tô, Dương Tuấn Tùng, Đại học SPKT TP HCM, 2020. Nghiên cứu tập trung tính toán và mô phỏng hệ thống thủy lực trong việc thu hồi và tái tạo năng lượng thủy lực mà không đề cập sâu vào vấn đề cải thiện động học và hiệu suất của máy. Nghiên cứu ngoài nước: Simulation and modeling of a hydraulic system in FluidSim [9]. Nghiên cứu cho ra mô hình toán học của một hệ thống rồi so sánh với mô hình được thiết kế bởi sơ đồ khối trong chương trình phần mềm FESTO FluidSim để mô phỏng hoạt động của hệ thống thủy lực.

Kết quả thu được từ mô hình hóa trong FluidSim cho thấy sự khác biệt so với biểu diễn toán học chung của hệ thống thủy lực. Optimal Design of Hydraulic System for an Industrial Press Machine for Performance Improvement and Noise Reduction [10]. Hướng nghiên của bài báo này là trình bày một thiết kế mới của hệ thống điều khiển thủy lực để giảm sự rung động của hệ thống. Tác giả đã phát triển một phương pháp mô phỏng bằng phần mềm AMESim để tìm ra nguồn gốc của tác động thủy lực và xác nhận hiệu quả sự giảm áp suất trong hệ thống.

Nghiên cứu đánh giá kết quả mô phỏng là mức độ tiếng ồn do rung động mạnh của tác động thủy lực trên một loại máy ép gạch cụ thể. Modeling and Simulation of Hydraulic System of the Beam Part of the Tile Press Based on AMESim [11]. Trong nghiên cứu này, mô hình mô phỏng hệ thống thủy lực của máy ép gạch được thiết lập thông qua chương trình AMESim, Tác giả thử nghiệm mô phỏng hướng đến thiết kế và tối ưu hóa hệ thống thủy lực của một máy ép cụ thể đó là máy ép gạch. Nghiên cứu cũng chưa đi sâu vào vấn đề cải thiện đáp ứng động học và hiệu suất của máy.

Phương pháp nghiên cứu. Trước hết là tìm hiểu rõ đặc điểm của một số loại máy ép thủy lực điển hình trong công nghiệp bằng cách tham khảo tài liệu chuyên ngành và tài liệu của các Hãng sản xuất, chế tạo máy ép trên thế giới để từ đó xác định loại máy ép phổ biến và loại phần tử thủy lực dùng trong hệ thống truyền động của máy ép. Sau đó tìm KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ hiểu và nắm rỏ từng phần tử thủy lực trong hệ thống, nắm rỏ các thông số cơ bản cũng như nguyên lý hoạt động và cấu tạo của từng loại. Tiếp theo sẽ tìm hiểu chương trình phần mềm thiết kế và mô phỏng Amesim thông qua tài liệu hướng dẫn sử dụng và bộ phần mềm Amesim.

Sau đó tiến hành mô hình hóa các phần tử của hệ thống thủy lực dùng trong máy và kết nối thành một hệ thống hoàn chỉnh ứng dụng chương trình phần mềm Amesim như: Bơm thủy lực, Xilanh thủy lực, Van phân phối, Hệ thống ống dẫn, Van servo điều khiển lưu lượng, Van servo diều khiển áp suất, Động cơ điện dẫn động bơm thủy lực điều khiển bằng biến tần … Bên cạnh phương pháp mô hình hóa hệ thống thủy lực trên máy ép, học viên cũng cố gắng xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống thủy lực thực tế tương ứng với đầy đủ các thành phần cơ bản của hệ thống như: Bơm thủy lực điều khiển lưu lượng sử dụng biến tần, van servo điều khiển áp suất, van phân phối, xilanh thủy lực và các thành phần khác của hệ thống. Hệ thống được lựa chọn có sơ đồ như sau: Hình 1. Sơ đồ thực hiện mô hình vật lý thực tế. KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ Từ số liệu thu được từ mô hình vật lý thực tế sẽ tiến hành đối chiếu với kết quả thu được từ mô hình ảo ứng dụng chương trình Amesim để kiểm tra, kiểm chứng và có những điều chỉnh cần thiết nhằm mục tiêu cải thiện động học và cải thiện hiệu suất của máy ép hướng tới việc thiết kế hệ thống thủy lực cho máy ép có hiệu quả hơn.

Tìm hiểu van servo được sử dụng nhiều trong các loại máy ép. Ngày nay, van servo được sử dung nhiều trong các loại máy ép thủy lực, đặc biệt là các dòng máy ép trong ngành công nghiệp nhựa (máy ép nhựa). Trong hệ thống thủy lực, van servo có thể điều khiển được vô cấp lưu lượng qua van với sai số thấp. Hiện nay sản xuất và cung cấp van servo có thể đến các hãng Rexroth (Đức), MOOG (Nhật) hay Yuken (Nhật) và có giá thành dao động từ vài ngàn USD trở lên.

Cấu tạo van servo MOOG. Ưu nhược điểm: Ưu điểm - Với các hệ thống thủy lực yêu cầu làm việc mượt và độ chính xác cao ở nhiều vận tốc và áp suất làm việc khác nhau trong các hành trình nhỏ, khi dùng van servo sẽ cho kết cấu gọn nhẹ và ít linh kiện thủy lực (giảm phức tạp đấu nối, tổn hao). Khi một hệ thống thủy lực làm việc, tải thường xuyên thay đổi và công suất bơm có thời điểm sẽ lớn hơn nhiều công suất cần thiết, dẫn đến tổn thất năng lượng. Van servo có ưu điểm giúp bơm thủy lực điều chỉnh công suất phù hợp với tải khi tải thay đổi (bơm linh hoạt theo tải), nâng cao hiệu suất hệ thống.

KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 7 LUẬN VĂN THẠC SĨ Nhược điểm: Giá lắp đặt một hệ thống thủy lực có giá rất cao. Nguyên nhân là bởi vì van servo có giá thành đắt hơn nhiều so với các van thủy lực thông thường (van ON/OFF). Các dòng van D633, D634 của Hãng Moog -Nhật có gia thành trung bình trên 7,000 USD, cộng thêm hệ thống điều khiển đi kèm và yêu cầu hệ thống thủy lực đi kèm phải đồng bộ, như lọc dầu tinh (lọc dầu đường nén). Dải lưu lượng và áp suất làm việc cho phép nhỏ.

Vì nhược điểm này nên thông thường người ta sử dụng kết hợp van servo và van tỷ lệ. Valve servo đóng vai trò nhận tín hiệu điện và chuyển thành tín hiệu dầu thủy lực để điều khiển valve tỷ lệ con trượt, được đóng vai trò valve làm việc chính. Van loại này gọi là “High Response Control Valve”. Sơ đồ van servo - Jet pipe (MOOG).

 Nguyên lý làm việc: Có hai nguyên lý hoạt động của valve servo. Nguyên lý vòi phun - bản chắn: Tên nguyên thủy tiếng Anh là: Double Flapper Nozzle. Nguyên lý ống phun: Jet pipe. Các valve servo, dù theo nguyên lý nào, bao gồm 3 phần chính sau: Phần thứ 1 là Cụm coil điện nhận tín hiệu điều khiển gắn liền với một bộ phát tín hiệu dầu thủy lực.

Phần thứ 2 là bộ nhận tín hiệu thủy lực và biến đổi thành tín hiệu điều khiển lõi con trượt phân phối. Phần thứ 3 là lõi con trượt phân phối làm nhiệm vụ cung cấp lượng dầu cần thiết theo tín hiệu điều khiển ở trên. Dưới đây mô tả nguyên lý làm việc của valve servo kiểu vòi phun - bản chắn hay vòi phun – cánh chặn. KHOA: CƠ KHÍ_ĐHBK TP.HCM 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ Bộ phận điều khiển con trượt của van servo (torque motor) thể hiện trên hình gồm các chi tiết sau: Hình 1.

Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con trượt trên van servo. Nam châm vĩnh cửu Phần ứng và hai cuộn dây Cánh chặn và càng đàn hồi Ống đàn hồi Miệng phun dầu. Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu (flapper) mềm, ngàm với phần ứng (gắn cố định), tạo nên một kết cấu cứng vững.