Nghiên cứu mô phỏng số vị trí của piston xylanh khí nén trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm thay đổi

Vai trò và đặc điểm của piston-xylanh khí nén

Piston xylanh khí nén (PTXLKN) là thiết bị chính trong hệ thống khí nén, có chức năng chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động cho bộ phận công tác, bao gồm cả chuyển động thẳng và chuyển động quay.

Hình 1.1: Xylanh piston khí nén Đặc điểm của piston-xylanh khí nén:

PTXLKN sở hữu kết cấu đơn giản và tiêu chuẩn hóa, giúp dễ dàng trong việc sử dụng và thay thế Sản phẩm này còn có khả năng đáp ứng nhanh chóng trong một dải tốc độ lớn.

Nguồn truyền động khí nén là một giải pháp vô tận và sạch, không gây ô nhiễm môi trường Với độ nhớt động học thấp, khí nén có khả năng truyền tải hiệu quả qua khoảng cách xa và giảm thiểu tổn thất áp suất trên đường dẫn.

Hệ thống phòng quá áp đảm bảo áp suất giới hạn, tạo sự an toàn trong môi trường dễ cháy nổ Việc truyền dẫn khí nén qua các đường ống cho phép hoạt động hiệu quả trong những điều kiện khắc nghiệt như nước, hóa chất và phóng xạ.

Do tính đàn hồi của chất khí trong quá trình truyền dẫn, việc ổn định tốc độ khi có sự thay đổi tải trọng gặp khó khăn, dẫn đến hiện tượng giật cục khi di chuyển với tốc độ chậm Điều này gây ra tiếng ồn trong suốt quá trình làm việc.

- Hệ truyền động khí nén thường có kích thước lớn hơn so với các hệ thủy lực cùng công suất.

Một số đặc điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén

Độ an toàn khi quá tải của hệ thống được đảm bảo khi áp suất làm việc đạt tới mức tối đa mà không xảy ra sự cố hay hư hỏng nào.

- Sự truyền tải năng lượng: Tổn thất áp suất và giá đầu tư cho mạng truyền tải bằng khí nén tương đối thấp

Hệ thống điều khiển và truyền động bằng khí nén có tuổi thọ cao và hoạt động hiệu quả khi đạt áp suất tối ưu mà không gây ảnh hưởng đến môi trường Tuy nhiên, để duy trì hiệu suất, việc lọc bụi bẩn trong áp suất không khí là rất quan trọng.

- Khả năng thay thế những phẩn tử, thiết bị: Trong hệ thống truyền động bằng khí nén, khả năng thay thế các phần tử dễ dàng

Vận tốc truyền động trong hệ thống điều khiển bằng khí nén có thể đạt rất cao nhờ vào trọng lượng nhẹ của các phần tử và khả năng giãn nở lớn của áp suất khí.

Truyền động bằng khí nén cho phép điều chỉnh lưu lượng dòng và áp suất một cách dễ dàng Tuy nhiên, khi có sự thay đổi về tải trọng, vận tốc sẽ bị ảnh hưởng và thay đổi theo.

- Vận tốc truyền tải: Vận tốc truyền tải và xử lý tín hiệu tương đối chậm.

Cấu tạo piston xylanh khí nén

Hình 1.2 trình bày cấu tạo chung của PTXLKN [1]

Hình 1.2: Cấu tạo piston xylanh khí nén [1]

Thân xylanh thường được chế tạo từ ống thép với bề mặt chịu lực được gia công nhẵn bóng và chính xác Trong những trường hợp đặc biệt, xylanh có thể được làm từ nhôm, đồng thau hoặc thép ống với bề mặt chịu lực được mạ crom, nhằm đảm bảo độ bền trong các hoạt động không thường xuyên hoặc khi chịu ảnh hưởng của các yếu tố ăn mòn.

Đế xylanh và nắp xylanh thường được chế tạo từ vật liệu đúc như nhôm hoặc gang Hai nắp này có thể được gắn chắc chắn vào thân xylanh thông qua các phương pháp như cần nối, mối ren hoặc mặt bích.

Cần piston được chế tạo từ thép đã qua xử lý nhiệt, với thành phần crom giúp bảo vệ chống gỉ sét Thiết kế đầu cần piston có mối ren xoắn không chỉ tăng cường độ bền mà còn giảm thiểu nguy cơ gãy cần.

- Bạc lót: Dẫn hướng cần piston, có thể được làm bằng hợp kim đồng hoặc kim loại bọc nhựa

Gioăng cần piston đóng vai trò quan trọng trong việc chịu áp lực, ngăn ngừa nước và bụi Mặt trên của gioăng khép kín với rãnh gioăng, đảm bảo áp suất thích hợp Mặt bên trong bao quanh cần piston giúp ngăn chặn sự thất thoát khí nén qua khe hở Đồng thời, mặt ngoài gioăng có chức năng làm sạch, gạt bỏ bụi và nước khi cần piston di chuyển Việc duy trì bề mặt sạch sẽ là rất cần thiết để tránh các hạt mài dính vào lớp màng bôi trơn trên cần piston.

Hạt mài xâm nhập vào xylanh có thể làm giảm tuổi thọ của cơ cấu dẫn hướng và gioăng bên trong Trong môi trường làm việc khắc nghiệt, cần sử dụng gioăng đặc biệt Đối với xylanh chịu tải trọng cao, gioăng gạt nước (bụi) và gioăng kín khít thường được tách rời để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

Gioăng piston đóng vai trò quan trọng trong việc giữ kín các buồng xylanh, ngăn chặn sự rò rỉ khí khi có sự chênh lệch áp suất Có nhiều loại gioăng piston khác nhau, bao gồm gioăng nhẫn và gioăng cốc, mỗi loại đều có chức năng đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho động cơ.

Gioăng nhẫn O-ring là một thành phần quan trọng trong cơ cấu kín của piston, được thiết kế để lồng hơi lỏng vào rãnh với đường kính ngoài phù hợp tiếp xúc với thành xylanh Khi áp suất tác động lên piston, gioăng nhẫn sẽ bị đẩy ngang, tạo áp lực để kín khe hở giữa piston và xylanh Tuy nhiên, thiết kế này không đảm bảo kín khít khi có chênh lệch áp suất nhỏ, thường yêu cầu chênh lệch áp suất lớn hơn 0,5 bar Nếu gioăng bị lồng căng trong cả hai rãnh và thành xylanh, ma sát có thể tăng cao, gây ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.

Gioăng cốc piston là thành phần quan trọng được sử dụng cho các piston của xylanh có đường kính trung bình và lớn, giúp kín không khí theo một chiều Đối với xylanh tác động 1 chiều, chỉ cần một gioăng cốc, trong khi xylanh tác động 2 chiều cần hai gioăng cốc Các môi gioăng có góc mở rộng và độ bền dẻo cao, giúp giảm ma sát tĩnh nhờ áp lực theo phương kính nhỏ Thiết kế của gioăng cốc cho phép chịu tải bên nhờ vòng dẫn hướng chống mòn, giúp chúng thích ứng tốt với dung sai độ tròn và lệch tâm của lòng xylanh và piston.

Gioăng giảm chấn là loại gioăng thực hiện chức năng của gioăng và van chặn một chiều, giúp làm kín đường kính trong một cách hiệu quả Chúng cho phép không khí chảy tự do theo chiều ngược lại xung quanh đường kính ngoài và các bề mặt khác có rãnh thoát.

Gioăng thường được làm từ các vật liệu như perbunan, viton và teflon, với nhiệt độ làm việc tiêu chuẩn từ +2 o C đến +80 o C Nhiệt độ cao hơn có thể làm mềm gioăng và thay đổi tính năng ma sát, trong khi nhiệt độ thấp hơn làm gioăng trở nên cứng và dễ bị nứt Đối với ứng dụng ở nhiệt độ cao lên đến 150 o C, gioăng Viton được khuyến nghị, còn gioăng Teflon thích hợp cho xylanh hoạt động liên tục ở nhiệt độ thấp xuống đến -20 o C, với khả năng chịu nhiệt từ -80 o C đến +200 o C.

Hình 1.3: Một số loại gioăng trong xylanh piston khí nén [1]

Phân loại piston xylanh khí nén

Hiện nay, PTXLKN có nhiều chủng loại, kích thước và kết cấu khác nhau, được phân loại theo chức năng thành hai loại chính: xylanh lực và xylanh quay Trong đó, xylanh lực có nhiệm vụ biến năng lượng khí nén thành chuyển động thẳng của cơ cấu chấp hành.

- Xylanh tác động đơn (hình 1.5):

Xylanh tác động đơn hoạt động với áp lực khí nén tác dụng vào một chiều, trong khi chiều ngược lại được điều khiển bởi lò xo hoặc ngoại lực Lực lò xo được thiết kế để piston trở lại vị trí ban đầu với tốc độ cao trong điều kiện không tải, cho phép xylanh có hành trình dài khoảng 80mm Với cấu tạo và hoạt động đơn giản, xylanh tác động đơn có hành trình ngắn, rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính nhỏ gọn và hiệu quả trong việc kẹp chi tiết.

Xylanh tác động đơn có các kiểu dáng khác nhau gồm:

+ Xylanh kiểu màng (Diaphragm Cylinder)

+ Xylanh kiểu màng lăn (Rolling Diaphragm Cylinder)

- Xylanh tác động kép (hình 1.6):

Xylanh tác dụng kép hoạt động bằng cách cấp áp suất khí nén vào cả hai phía, cho phép thực hiện công việc ở cả hai hướng chuyển động Trong quá trình làm việc, lực truyền cho cần piston khi di chuyển về phía trước lớn hơn so với khi trở lại, do diện tích trên phía cần piston giảm.

- Xylanh có giảm chấn (hình 1.7):

Khi PTXLKN hoạt động với tải trọng lớn, rung động ở cuối hành trình có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống cơ khí Để giảm thiểu tác động tiêu cực do va đập, nhà sản xuất đã thiết kế gioăng ở các vị trí cuối hành trình nhằm bảo vệ hệ thống.

Trước khi piston đạt đến vị trí kết thúc, gioăng piston ngăn chặn dòng chảy không khí ra bên ngoài, chỉ cho phép một đường xả nhỏ có thể điều chỉnh thông qua các vít điều chỉnh Cuối hành trình làm việc, tốc độ của xilanh sẽ giảm dần.

Hình 1.5: Xylanh tác động đơn [1]

Hình 1.6: Xylanh tác động kép [1]

Hình 1.4: Xylanh màng [2] a, Xylanh màng kiểu cuộn b, Xylanh màng kiểu hộp

Hình 1.7: Xylanh tác động kép có giảm chấn [1]

- Xylanh tác động kép tiếp đôi (hình 1.8):

Xylanh tác động kép tiếp đôi kết hợp hai xylanh tác động kép thành một, giúp tăng cường lực ở cần piston gần gấp đôi Điều này rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu lực lớn nhưng lại có đường kính xylanh hạn chế.

Xylanh này có cần piston ở cả hai bên, piston được dẫn hướng tốt hơn

Xylanh có tác động kép và lực tác động 2 chiều có giá trị như nhau:

- Xylanh nhiều vị trí (hình 1.11):

Xylanh nhiều vị trí bao gồm nhiều xylanh tác động kép được kết nối với nhau, trong đó các xylanh đơn di chuyển khi có áp suất tác động Khi hai xylanh có chiều dài hành trình làm việc khác nhau, sẽ xác định được bốn vị trí khác nhau.

Hình 1.8: Xylanh tác động kép tiếp đôi [1]

Hình 1.9: Xylanh piston hai đầu cần [1]

Hình 1.11: Xylanh nhiều vị trí [1]

Xylanh va đập tạo ra động năng lớn, đạt được khi piston có vận tốc từ 7,5 đến 10 m/s Tuy nhiên, trong trường hợp hành trình làm việc dài, vận tốc của piston sẽ giảm nhanh chóng.

Xylanh va đập vì thế không thích hợp với các ứng dụng có hành trình làm việc lớn

Van điều khiển có tác động làm tăng áp suất trong buồng xylanh A, dẫn đến việc toàn bộ bề mặt piston tham gia vào quá trình di chuyển khi xylanh chuyển động theo hướng Z Không khí từ buồng xylanh A nhanh chóng chảy vào buồng xylanh thông qua tiết diện C, giúp piston được gia tốc một cách nhanh chóng.

Xylanh không cần piston mang lại lợi ích vượt trội so với xylanh có cần piston nhờ thiết kế ngắn hơn, chỉ bằng một nửa chiều dài Điều này không chỉ giúp giảm thiểu nguy cơ mất ổn định của cần piston mà còn cho phép chuyển động diễn ra mượt mà trên toàn bộ chiều dài hành trình làm việc.

Hành trình làm việc của xylanh không cần có thể đến 10m Lực đẩy piston ở hai hướng của chuyển động có giá trị bằng nhau b, Xylanh quay (Rotary Cylinders)

Xylanh tác động hai chiều được thiết kế với cần piston có biên dạng thanh răng truyền động, giúp truyền chuyển động quay cho bánh răng thông qua việc ăn khớp Phạm vi góc quay của hệ thống thay đổi từ 45 độ đến 360 độ Các yếu tố như áp suất, bề mặt piston và đường kính bánh răng ảnh hưởng đến mô-men xoắn, có thể đạt tối đa 150 Nm.

Hình 1.12: Xylanh không cần loại đai [1]

Đặc tính làm việc của piston xylanh khí nén

Lực đẩy piston

Lực đẩy của piston chịu ảnh hưởng bởi áp suất không khí, đường kính xylanh và lực cản ma sát từ các bộ phận làm kín Lực piston lý thuyết có thể được tính toán bằng công thức cụ thể.

Trong đó: A - Diện tích của piston (m 2 ); p - Áp suất (Pa)

Lực piston hữu ích đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động Khi thực hiện các phép tính, cần phải xem xét lực cản do ma sát gây ra Trong điều kiện hoạt động bình thường, áp lực nên được duy trì trong khoảng từ 400 đến

800 kPa/4-8bar) lực ma sát thường chiếm khoảng 10% ÷15% lực piston lý thuyết

Xylanh tác động đơn, lực piston được tính theo công thức:

Xylanh tác động kép lực piston được tính theo công thức:

Trong đó: F eff - Lực piston hữu ích (N);

A - Diện tích hữu ích của piston (m 2 ) ( 2 )

A’ - Diện tích mặt hình khuyên hữu ích (m 2 ) 2 2

 p - Áp suất làm việc (Pa);

FF - Lực lò xo trở lại (N);

D - Đường kính piston (m); d - Đường kính cần piston (m)

Trong ngành công nghiệp, đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa lực, áp suất và đường kính piston thường được sử dụng để xác định lực hiệu dụng.

Hình 1.14: Đồ thị quan hệ giữa lực, áp suất và đường kình của PTXLKN [1]

Chiều dài hành trình

Để đảm bảo ổn định trong quá trình làm việc, hành trình làm việc cho phép của xylanh có cần tối đa 2m và 10m đối với xylanh không cần [1]

Với hành trình dài, áp lực lên piston và bạc dẫn hướng tăng cao, gây ra nguy cơ mất ổn định Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, cần chú ý đến vùng mất ổn định không hoạt động, như đã chỉ ra trong hình 1.15.

Hình 1.15: Đồ thị quan hệ giữa chiều dài hành trình, lực và đường kính cần

PTXLKN [1] Đường kính cần piston (mm)

Hành tr ình làm v iệ c h (mm)

Lực đẩy piston (N) Đư ờ ng kí nh pi st on (mm)

Lực đẩy piston (N) Áp suất hoạt động

Tốc độ piston

Tốc độ piston trong xylanh khí nén bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm tải trọng, áp suất làm việc, độ dài ống dẫn khí, diện tích mặt cắt ngang của dòng khí tại phần tử điều khiển, phần tử làm việc và lưu lượng dòng chảy qua phần tử điều khiển Bên cạnh đó, các gioăng giảm chấn ở vị trí cuối cũng có tác động đến tốc độ piston.

Tốc độ trung bình của piston trong xylanh tiêu chuẩn dao động từ 0,1 đến 1,5 m/s, trong khi xylanh đặc biệt có thể đạt tốc độ lên tới 10 m/s Piston thường được điều chỉnh tốc độ thông qua van điều khiển lưu lượng, và có thể tăng tốc nhờ vào việc sử dụng các van xả nhanh.

Lượng khí tiêu thụ

Lượng khí tiêu thụ được đo bằng lít không khí mỗi phút và phụ thuộc vào áp lực vận hành, đường kính piston, hành trình cũng như số hành trình Công thức tính toán lượng tiêu thụ không khí được xác định rõ ràng để đảm bảo hiệu quả trong quá trình vận hành.

Trong đó: qB - Lượng khí tiêu thụ ( lít/phút);

   p p - Áp suất làm việc (kPa);

A – Diện tích piston (m 2 ); s – Hành trình (cm); n – Số hành trình trong một phút (lần/phút)

Lượng khí tiêu thụ có thể được xác định theo đồ thị trên hình 1.17:

T ố c đ ộ tr ung bình pi st on mm /s Đường kính piston (mm)

Van trung bình, nhỏ có điều khiển xả Van lớn, trung bình xả nhanh

Hình 1.16: Tốc độ trung bình của piston [1]

Hình 1.17: Đồ thị quan hệ giữa đường kình piston (mm) , áp suất làm việc (bar) và lưu lượng khí tiêu thụ (l/phút) [1]

Lượng khí tiêu thụ có thể được tính theo công thức sau cho xylanh tác động đơn và xylanh tác động kép:

Với xylanh tác động đơn:

Với xylanh tác động kép:

Trong đó: qH - Lượng khí tiêu thụ trên chiều dài hành trình (l/cm)

Trong các công thức trên, lượng khí tiêu thụ của xylanh tác động kép trong hành trình trước và hành trình trở lại không được tính đến Sự không xem xét này có thể được bỏ qua nhờ vào dung sai khác nhau trong dòng chảy và van.

Lượng khí tiêu thụ chung của một xylanh bao gồm cả việc làm đầy các vùng chết, mà có thể chiếm tới 20% tổng lượng khí tiêu thụ Vùng chết này không chỉ là khu vực cần thiết để cung cấp khí nén mà còn nằm trong xylanh, không phải ở vị trí cuối của piston – nơi được gọi là vùng hành trình hữu ích.

Điều khiển vị trí của piston xylanh khí nén

Hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất một mạch điều khiển, cụ thể là mạch điều khiển theo tiêu chuẩn DIN 19266 của Cộng hòa liên bang Đức Mạch này bao gồm các phần tử như đường kín hợp piston mm và áp suất làm việc (bar).

Lượng khí tiêu thụ ( l/cm)

Hình 1.18: Sơ đồ hệ thống điều khiển piston-xylanh khí nén [2]

Phần tử đưa tín hiệu là thành phần đầu tiên trong mạch điều khiển, có nhiệm vụ nhận các giá trị của đại lượng vật lý như đại lượng vào Ví dụ về các phần tử này bao gồm van đảo chiều và rơ le áp suất.

Phần tử xử lý tín hiệu là thiết bị có khả năng tiếp nhận và xử lý tín hiệu đầu vào theo các quy tắc logic nhất định, từ đó điều chỉnh trạng thái của phần tử điều khiển Ví dụ điển hình cho các phần tử này bao gồm van đảo chiều, van tiết lưu, và các loại van logic như OR hoặc AND.

Phần tử điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh dòng năng lượng và lưu lượng theo yêu cầu, đồng thời thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành Các ví dụ tiêu biểu của phần tử điều khiển bao gồm van đảo chiều, li hợp và van servo, giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.

- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lượng ra của mạch điều khiển Ví dụ: xylanh, động cơ,…

Hệ thống điều khiển phức tạp, với nhiều phần tử và mạch điều khiển khác nhau, đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như robot, máy điều khiển, máy hàn, tán đinh, thiết bị chọn và đặt, cũng như trong nhiều loại thiết bị khác Hệ thống định vị khí nén đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ chính xác của các thiết bị này.

Cơ cấu chấp hành định vị khí nén được phân thành hai nhóm chính: điều khiển vị trí vòng hở và điều khiển vị trí vòng kín.

Bộ truyền động định vị khí nén vòng hở thường bao gồm các điểm dừng cơ khí cứng Trong cấu trúc đơn giản nhất, hệ thống sử dụng một xylanh khí nén, với hai đầu của xylanh đảm nhận chức năng của các điểm dừng cơ khí cứng, xác định các vị trí dừng cụ thể.

Hình 1.19: Sơ đồ hệ thống điều khiển xylanh khí nén đơn giản [3]

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển xylanh khí nén đơn giản được mô tả trong hình 1.19, bao gồm một piston với hai đầu hình trụ và hai khoang nắp cung cấp cơ cấu đệm khí Van điều khiển điện từ kết nối xylanh với áp suất cung cấp và cổng xả theo thuật toán điều khiển, trong khi các van tiết lưu có thể điều chỉnh xác định vận tốc tối đa của piston Piston được trang bị hai nam châm vĩnh cửu và hai cảm biến tiệm cận gắn bên ngoài ống xylanh.

Việc điều khiển vị trí của piston được thực hiện thông qua các tín hiệu từ cảm biến tiệm cận Để xây dựng hệ thống vòng hở với nhiều vị trí, người ta sử dụng "xylanh khí nén nhiều vị trí", thường bao gồm hai hoặc ba xylanh được nối liền với nhau.

Hình 1.20: Sơ đồ cấu tạo của cơ cấu chấp hành xylanh nhiều vị trí [3]

Van điều khiển Van điều khiển

Piston-xylanh nhiều vị trí

Bộ truyền động với ba xylanh khí nén, như hình 1.20, có khả năng đạt bốn điểm định vị Mặc dù có cấu trúc đơn giản và độ tin cậy cao, cơ cấu chấp hành này đôi khi gây ra tác động trong quá trình dừng, ảnh hưởng đến sự ổn định vị trí Hơn nữa, trong một số trường hợp, hệ thống này có thể trở nên cồng kềnh do số lượng van điện từ điều khiển lớn.

Thiết bị truyền động định vị khí nén vòng kín sử dụng bộ chuyển đổi để đo và chuyển đổi tín hiệu đầu ra thành tín hiệu điện, cho phép so sánh với tín hiệu lệnh và tín hiệu lỗi nhằm đạt được vị trí cần thiết Hai công nghệ chính thường được áp dụng trong các hệ thống định vị vòng kín điểm - điểm là điều chỉnh luồng không khí qua van điều khiển phần servo hoặc van điều khiển tỷ lệ, và cơ cấu phanh Trong hệ thống phanh khí nén, việc định vị diễn ra bằng cách tác động phanh tại một điểm xác định trước khi đạt đến vị trí mục tiêu, với cơ chế phanh được áp dụng theo cách “bật” hoặc “tắt”, không cho phép điều khiển vận tốc phức tạp.

Hình 1.21: Điều khiển vị trí bằng phanh khí nén [3]

Hệ thống bao gồm xylanh khí nén, phanh cơ dẫn động bằng xylanh khí nén, cảm biến định vị đo chuyển vị tải, các van điều khiển và van tiết lưu Bốn van điều khiển xylanh khí nén được bố trí theo cặp nối tiếp, cho phép điều chỉnh độc lập tốc độ cao và tốc độ thấp của tải Các van tiết lưu đảm nhiệm việc điều chỉnh tốc độ cho các chế độ khác nhau Van điều khiển xylanh khí nén phanh giúp giảm thời gian phản hồi của phanh, có thể kết hợp với van xả nhanh để tối ưu hóa hiệu suất.

Trình định vị (dừng) bao gồm hai giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên là giảm tốc độ tải từ cao xuống thấp (leo dốc) bằng cách sử dụng phương tiện khí nén Giai đoạn thứ hai kích hoạt phanh cơ để giữ tải ở vị trí mong muốn.

Bộ truyền động định vị thường được áp dụng cho van servo hoặc van điều khiển tỷ lệ, giúp đạt được vị trí mong muốn bằng cách điều chỉnh thể tích và tốc độ dòng khí vào và ra khỏi bộ truyền động khí nén, như minh họa trong hình 1.22.

Hình 1.22: Điều khiển vị trí với van servo và van tỷ lệ [3]

Hệ thống định vị tuyến tính bao gồm xylanh khí nén, cảm biến vị trí, hệ thống điều khiển điện tử và van hoạt động liên tục Để đảm bảo chuyển động của cơ cấu truyền động tốc độ cao và chính xác, van cần phản ứng nhanh chóng và chính xác với các lệnh từ hệ thống điều khiển.

Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước về đặc tính ma sát của

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.7.1.1 Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí PTXLKN Để nâng cao độ chính xác trong quá trình làm việc PTXLKN, các nhà khoa học đã đưa các mô hình ma sát trong PTXLKN vào bài toán điều khiển, có thể kể đến như: Bashir M Y Nouri [4] đã xác định nguyên nhân gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác vị trí PTXLKN là lực ma sát trong quá trình làm việc Tiến hành mô hình hóa hệ thống điều khiển vô cấp vị trí sử dụng xylanh khí nén có kể đến ma sát trong PTXLKN ở 2 trạng thái dịch chuyển ban đầu và trạng thái trượt hoàn toàn Kuo-Ming Chang [5] đã đề xuất sơ đồ điều khiển mờ với bù ma sát và áp dụng cho điều khiển chính xác vị trí hệ thống khí nén Kết quả cho thấy với việc bù ma sát bằng điều khiển mờ có thể được áp dụng thành công cho hệ thống định vị khí nén với độ chính xác vị trí đạt được dưới nanomet, độ chính xác vị trí nhỏ hơn 30nm Tran Xuan Bo et al [6] nghiên cứu ảnh hưởng của ba mô hình ma sát: mô hình ma sát trạng thái ổn định (mô hình SS), mô hình LuGre (mô hình LG) và mô hình LuGre sửa đổi (mô hình RLG) về độ chính xác mô phỏng chuyển động của xylanh khí nén Kết quả chứng minh rằng sử dụng mô hình

Mô hình RLG cho thấy kết quả mô phỏng tốt nhất trong số ba mô hình ma sát được nghiên cứu, bao gồm mô hình Leuven, LG và RLG, nhằm điều khiển chính xác vị trí Các mô hình ma sát này chủ yếu dựa vào các yếu tố như áp suất và vận tốc, trong khi ảnh hưởng của môi trường không khí, đặc biệt là độ ẩm tương đối và nhiệt độ, vẫn chưa được xem xét Do đó, nghiên cứu về tác động của độ ẩm không khí đến vị trí dừng là cần thiết.

PTXLKN chưa được đề cập tới

1.7.1.2 Nghiên cứu ma sát trong piston xylanh khí nén Đã có nhiều nghiên cứu về hành vi ma sát trong xylanh khí nén T Raparelli đã chỉ ra rằng với áp suất không đổi trong xylanh, mối quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc là một phương trình hàm mũ và ma sát giảm khi piston được bôi trơn [7]

G Belforte [8] đã đề xuất thiết bị đo lực ma sát của xylanh khí nén, trong đó chuyển động của piston được điều khiển bởi xylanh thủy lực trong điều kiện thay đổi vận tốc, áp suất và đường kính xylanh Kết quả cho thấy ma sát phụ thuộc vào vị trí của xylanh Đối với các xylanh có cùng thông số, lực ma sát tăng khi tốc độ và áp suất tăng Nouri [9] đã thiết lập một thí nghiệm để khảo sát lực ma sát ở cả chế độ dịch chuyển ban đầu và chế độ trượt hoàn toàn của xylanh khí nén không cần Ma sát trong giai đoạn chuyển dời ban đầu chủ yếu phụ thuộc vào dịch chuyển và trong giai đoạn trượt hoàn toàn chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ

Nghiên cứu của Chang – Ho [10] đã khảo sát tổng ma sát của xylanh khí nén ở hai trạng thái có và không có chất bôi trơn tại tốc độ 5 mm/s ÷ 200 mm/s, cho thấy đặc tính ma sát động tuân theo quy luật Stribeck, với lực ma sát giảm đáng kể khi được bôi trơn bằng mỡ Nghiên cứu cũng chỉ ra hiện tượng Stick-slip ở tốc độ thấp Xuan Bo Tran và Hideki Yanada [11] đã nghiên cứu hành vi ma sát động trong giai đoạn trượt của PTXLKN bằng mô hình LuGre sửa đổi, cho thấy hiện tượng trễ ở tốc độ thấp và mối quan hệ lực ma sát – tốc độ – áp suất thay đổi tuyến tính khi tốc độ cao Thêm vào đó, nghiên cứu thực nghiệm về hành vi rung và ma sát của xylanh khí nén cũng chỉ ra hiện tượng chuyển động trượt dính xảy ra với tốc độ 0,010 m/s [12].

Niko Herakovič đã chỉ ra rằng áp suất và nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến lực ma sát trong PTXLKN Cụ thể, khi nhiệt độ tăng từ 20°C đến 22°C, lực ma sát giảm trung bình từ 2 đến 2.5N cho mỗi 1°C tăng Nghiên cứu của Takahiro Kosaki và Manabu Sano cũng cho thấy rằng khi nhiệt độ và vận tốc tăng, lực ma sát trong PTXLKN giảm và ngày càng phụ thuộc nhiều hơn vào vận tốc cao.

Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào hành vi ma sát trong xylanh khí nén, xem xét các yếu tố như áp suất (p), vận tốc (v), đường kính (D) và rung động, cả trong điều kiện có và không có bôi trơn Tuy nhiên, yếu tố môi trường khí quyển, bao gồm độ ẩm tương đối và nhiệt độ không khí, vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ trong bối cảnh ma sát trong xylanh khí nén Mặc dù có một số nghiên cứu đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ đến ma sát, nhưng chủ đề này vẫn cần được khai thác sâu hơn.

PTXLKN có biên độ nhiệt thay đổi nhỏ, nhưng tại Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, biên độ này lại lớn hơn Độ ẩm tương đối ở đây dao động từ 51-99% và nhiệt độ thay đổi từ 15-49°C tùy theo mùa Do đó, các kết cấu mát hoạt động trong môi trường khí hậu Việt Nam sẽ bị ảnh hưởng và cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu của Nguyễn Minh Trường về lực ma sát trong piston xylanh khí nén tại Việt Nam đã phát triển một hệ thống thí nghiệm theo nguyên lý dao động Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ dịch chuyển có hình dạng đường cong Stribeck, với hiện tượng trượt bước nhảy thường xảy ra ở vận tốc thấp Ngoài ra, sự thay đổi áp suất cũng ảnh hưởng đến vận tốc chuyển động của piston và ma sát trong hệ thống.

Hình 1.23: Quan hệ phụ thuộc lực ma sát với vận tốc [15]

Trần Xuân Bộ đã tiến hành nghiên cứu về ma sát trong quá trình PTXLKN ở giai đoạn dịch chuyển ban đầu dưới các điều kiện áp suất khác nhau Kết quả cho thấy chuyển động của piston trong giai đoạn này mang tính phi tuyến.

Tính trễ đã được kiểm tra trong bộ nhớ cục bộ, áp lực có ảnh hưởng đến kích thước vòng trễ

Trần Xuân Bộ đã tiến hành mô phỏng động lực học của hệ thống servo khí nén, cho thấy rằng việc tích hợp đặc tính xả nhanh của van và áp dụng mô hình ma sát LuGre sửa đổi giúp cải thiện độ chính xác của kết quả mô phỏng.

Hình 1.24: Đặc tính ma sát giai đoạn dịch chuyển ban đầu với các áp suất khác nhau [17]

Nguyễn Thùy Dương [18, 19, 20] nghiên cứu khảo sát đặc tính của PTXLKN trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam với độ ẩm 51-99% và nhiệt độ 15-49 0 C

Kết quả nghiên cứu cho thấy khí hậu nhiệt ẩm ở Việt Nam có ảnh hưởng rõ rệt đến đặc tính ma sát của PTXLKN Cụ thể, đặc tính ma sát thay đổi theo tốc độ dịch chuyển theo hình dạng đường cong Stribeck, với giá trị ma sát nhỏ nhất nằm trong khoảng 25 ÷ 35mm/s Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng từ 15°C lên 49°C, đặc tính ma sát giảm khoảng 10% ÷ 17%, và khi độ ẩm tương đối tăng từ 51% lên 99%, mức giảm này đạt khoảng 14% ÷ 24%.

Nghiên cứu về quy luật biến thiên của ma sát trong điều kiện nhiệt ẩm đã chỉ ra rằng sai lệch vị trí dừng của ổ cấp dao trên máy CNC V30 phụ thuộc vào các yếu tố như giá trị nhiệt ẩm, tốc độ dịch chuyển và khối lượng của ổ cấp dao Cụ thể, sai lệch vị trí dừng tăng lên khi tốc độ dịch chuyển cao hơn, với mức sai lệch lớn nhất ghi nhận ở điều kiện nhiệt ẩm (T = 49°C, RH = 99%) và mức sai lệch nhỏ nhất ở điều kiện nhiệt ẩm (T = 15°C, RH = 51%).

Khoảng hiệu chỉnh vị trí ổ cấp dao là yếu tố quan trọng trong việc hiệu chỉnh và vận hành thử máy phay CNC khi lắp đặt tại Việt Nam Việc này giúp duy trì độ chính xác của máy và đảm bảo chất lượng chi tiết gia công trong điều kiện khí hậu đặc thù của Việt Nam.

Đến nay, nghiên cứu về tác động của môi trường không khí tại Việt Nam, đặc biệt là hai yếu tố nhiệt độ và độ ẩm, đối với sai lệch vị trí của PTXLKN vẫn còn hạn chế Do đó, luận văn này sẽ tiến hành mô phỏng số vị trí của PTXLKN dưới các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau.

PTXLKN được sử dụng phổ biến trong hệ thống cơ điện tử, chất lượng chuyển động của PTXLKN quyết định đến chất lượng của cả hệ thống Hiện nay,

PTXLKN dùng trong các hệ thống cơ điện tử nói chung và ổ cấp dao máy phay

CNC nói riêng tại Việt Nam thường được nhập khẩu từ nước ngoài

Nhiều nghiên cứu đã khảo sát đặc tính của PTXLKN dưới các điều kiện như áp suất, tốc độ, chất bôi trơn và vật liệu gioăng Tuy nhiên, ảnh hưởng của môi trường làm việc, đặc biệt là nhiệt độ và độ ẩm tương đối, đến đặc tính ma sát của PTXLKN vẫn chưa được đề cập nhiều.

Luận văn này sẽ nghiên cứu tác động của khí hậu nhiệt đới ẩm tại Việt Nam, với hai yếu tố chính là nhiệt độ dao động từ 15°C đến 49°C và độ ẩm tương đối từ 51% đến 99%, đến vị trí dừng của PTXLKN.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MA SÁT & PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG DỪNG CỦA PISTON XYLANH KHÍ NÉN

Lực ma sát trong piston xylanh khí nén

Ma sát ngoài xảy ra khi hai vật thể rắn chuyển động tương đối tại vùng tiếp xúc dưới tác động của tải trọng Lực ma sát, một đại lượng vật lý quan trọng trong quá trình này, đóng vai trò cản trở sự dịch chuyển của các vật rắn với hướng ngược lại chuyển động Lực ma sát ngoài không ổn định và công của lực này phụ thuộc vào quãng đường di chuyển của vật rắn Độ lớn của lực ma sát ngoài thường được xác định dựa trên khoảng dịch chuyển của vật theo phương tiếp tuyến.

Trong quá trình hoạt động của PTXLKN, ma sát trượt chủ yếu xảy ra giữa vòng gioăng piston và thành xylanh, cũng như giữa cần piston và gioăng cần piston, như thể hiện trong hình 2.1.

Hình 2.1: Cấu tạo xylanh khí nén Đồ thị sự phụ thuộc ma sát trượt vào dịch chuyển thể hiện như trên hình 2.2 Đồ thị gồm 3 giai đoạn [21]:

Giai đoạn 1: Giai đoạn dịch chuyển ban đầu OA, lực ma sát Fms tăng từ 0÷ Fmst (giai đoạn khởi động)

Giai đoạn 2: Giai đoạn gián đoạn AA’, lực ma sát giảm đột ngột từ Fmst xuống giá trị Fmsd

Giai đoạn 3: Giai đoạn ổn định

A’B với giá trị lực ma sát Fmsd

Lực ma sát ngoài có quan hệ

Gioăng giảm chấn Gioăng cần Piston

Đồ thị nguyên tắc biến thiên lực ma sát theo dịch chuyển cho thấy cường độ biến dạng của lớp bề mặt trên vật thể mềm hơn do sự thâm nhập của các nhấp nhô bề mặt cứng hơn Tuy nhiên, không phải mọi quá trình biến dạng trên lớp bề mặt đều liên quan đến ma sát ngoài; thực tế, ma sát ngoài chỉ liên quan đến biến dạng của lớp bề mặt theo phương tiếp tuyến với chuyển động trong tiếp xúc của vật thể rắn Để đánh giá ma sát, ba đại lượng không thứ nguyên thường được sử dụng là hệ số ma sát trượt, hệ số ma sát khi va đập và hệ số mất mát năng lượng khi ma sát.

- Hệ số ma sát trượt f là tỷ số giữa lực ma sát và tải pháp tuyến [21]: f F

Trong đó : F - Lực ma sát (N);

- Hệ số ma sát khi va đập (f vđ ): là tỷ số của sự thay đổi động lượng của vật thể va đập theo hướng tiếp tuyến và pháp tuyến [20]:

Trong đó :  mv t - Thay đổi động lượng theo phương tiếp tuyến (N.s);

 mv n - Thay đổi động lượng theo phương pháp tuyến (N.s);

- Hệ số mất mát năng lượng f w khi ma sát là tỷ số của công tiêu hao để thắng lực ma sát và công tiêu hao chung: w

Trong đó : W T - Công tiêu hao để thắng lực ma sát (J);

Các đại lượng đặc trưng nói trên thường được sử dụng để phân tích và đánh giá các tổn thất về ma sát trong máy và cơ cấu.

Đặc điểm tiếp xúc ma sát của cặp ma sát trượt

Hiện tượng ma sát xảy ra giữa các bề mặt khi có chuyển động tương đối tại các điểm tiếp xúc thực, khiến việc tính toán lực ma sát trở nên khó khăn và phức tạp Điều này là do các bề mặt tiếp xúc khác nhau về cấu tạo vật lý, hóa học và cơ học Thêm vào đó, đặc tính bề mặt có thể thay đổi do sự tương tác nguyên tử dưới tác động của môi trường và các điều kiện làm việc khác.

Để hiểu cơ chế của hiện tượng ma sát trượt, cần xem xét hình dạng tiếp xúc giữa hai bề mặt Các bề mặt công nghệ thường có lớp nhám tự nhiên và được bao phủ bởi các lớp oxit và vật liệu khác Khi hai vật thể có chuyển động tương đối, chúng tiếp xúc tại các đỉnh nhấp nhô cao nhất, tạo thành diện tích tiếp xúc thực Ma sát giữa hai bề mặt trượt phụ thuộc vào tính chất cơ học, mô đun đàn hồi, hình dạng hình học của bề mặt tiếp xúc, cùng với sự phân bố và kích thước của các đỉnh nhấp nhô Nếu vùng tiếp xúc được bôi trơn, sẽ hình thành một lớp màng dầu hoặc mỡ trên bề mặt.

Hình 2.4: Tiếp xúc bề mặt ma sát trượt [9]

Quá trình ma sát giữa hai bề mặt trượt là sự kết hợp của nhiều yếu tố, bao gồm sự bám dính của các bề mặt tiếp xúc và sự biến dạng của lớp nhám.

Tổng hợp của mỗi thành phần phụ thuộc vào vật liệu, hình dáng bề mặt, điều kiện trượt, môi trường hoạt động

Tại vùng tiếp xúc, có hai hiện tượng chính xảy ra: biến dạng đàn hồi dẫn đến dịch chuyển, tương tự như một vật rắn gắn với lò xo cứng, và sự biến dạng của lớp nhám và lớp màng bao dưới tác dụng của tải, làm tăng lực ma sát tĩnh tại điểm tiếp xúc Điểm tiếp xúc lý tưởng được mô tả như những lò xo tuyến tính, trong đó lực là hàm tuyến tính của sự dịch chuyển nhỏ Khi lực nhỏ hơn lực ma sát tĩnh, biến dạng đàn hồi xảy ra và tỉ lệ với lực tác dụng Khi lực tác dụng được loại bỏ, năng lượng trong vùng tiếp xúc sẽ phục hồi, làm biến dạng đàn hồi biến mất Ngược lại, nếu lực tác dụng vượt quá lực ma sát tĩnh, vùng tiếp xúc lý tưởng sẽ bị phá vỡ, dẫn đến quá trình trượt bắt đầu.

Hình 2.5: Điểm tiếp xúc lý tưởng mô tả như lò xo tuyến tính [23]

Hình 2.6: Biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của lực [23]

Hình 2.7: Liên kết phá vỡ bắt đầu hiện tượng trượt [23]

Lực tác dụng ≥ ma sát tĩnh

Lý tưởng hóa điểm tiếp xúc

Lực tác dụng < Lực ma sát tĩnh Lực tác dụng < Lực ma sát tĩnh

Tỷ lệ lực Tỷ lệ lực

Các yếu tố ảnh hưởng đến cặp ma sát trượt

Khi cặp ma sát hoạt động trong chế độ ổn định, lực ma sát sẽ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố cơ bản như áp suất, tốc độ di chuyển, loại vật liệu, chất lượng bề mặt, chất bôi trơn và môi trường làm việc.

2.3.1 Ảnh hưởng của áp suất pháp tuyến

Trên hình 2.8 thể hiện đồ thị nguyên tắc về quan hệ giữa hệ số ma sát f và áp lực pháp tuyến [21, 22] Quan hệ này có ba vùng đặc trưng:

I – Vùng ổn định, ứng với chế độ làm việc bình thường của cặp ma sát

III – Vùng hư hỏng, trên đó diễn ra những quá trình không bình thường

Hình 2.8: Đồ thị nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc áp suất pháp tuyến f = f(p) [21]

Vùng I: Chế độ ma sát bình thường được đặc trưng bởi hệ số ma sát ổn định và mòn nhỏ nhất, diễn ra do việc hình thành các cấu trúc thứ cấp bên trên bề mặt các kim loại chịu ma sát Đoạn chuyển tiếp ứng với khả năng thích ứng của bề mặt, trong đó hàm f = f(p) có thể có cường độ khác nhau (như đường biểu diễn bằng nét đứt trong vùng II)

Vùng II: Đặc trưng cho một sự chuyển tiếp nào đó ứng với các trị số p nhỏ, trong đó không có điều kiện bình thường hóa hoàn toàn quá trình ma sát Các giá trị áp suất ấy không đủ để làm bền và tạo dải giới hạn là những điều kiện cần cho tính thích ứng của vật liệu Trong vùng chuyển tiếp, các lực có liên quan với sự dịch sát của các đoạn bề mặt đến một khoảng cách bằng khoảng cách giữa các nguyên tử, sẽ đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo nên lực ma sát Tỷ số E/A tiến đến giá trị cực tiểu

Trong đó: E – Năng lượng được hấp thụ vào bề mặt ma sát;

A – Công của lực ma sát

Vùng III – Biến dạng và phá hủy các cấu trúc thứ cấp bảo vệ diễn ra mạnh hơn Trên vùng này tỷ số E/A tiến đến giá trị lớn nhất

Giới hạn của chế độ làm việc bình thường, hay còn gọi là ma sát bình thường, được xác định bởi áp suất pháp tuyến giới hạn pth Khi áp suất vượt quá pth, sẽ xảy ra hiện tượng tróc, dập, cào xước và các quá trình bất thường khác với cường độ khác nhau, thể hiện rõ qua nét đứt trên đồ thị đặc trưng dao động lớn của lực ma sát.

III) và mòn mãnh liệt do đó nó chuyển nhanh sang trạng thái hư hỏng

2.3.2 Sự phụ thuộc của hệ số ma sát vào vận tốc trượt

Trên hình 2.9 thể hiện đồ thị nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát f phụ thuộc vào vận tốc trượt, f = f(V); Đồ thị có ba vùng đặc trưng [21, 22]:

I – Vùng bình thường, ứng với ma sát oxy hóa ổn định V’th  V  Vth”

II – Vùng chuyển tiếp - không bình thường, với tróc loại I ( 0 < V < V’th)

III – Vùng không bình thường với tróc loại II (V > Vth”)

Hình 2.9: Đồ thị nguyên tắc biến thiên hệ số ma sát phụ thuộc vận tốc trượt f = f(V)[21]

Vùng ma sát bình thường, nằm giữa tốc độ Vth’ và Vth”, đặc trưng bởi giá trị ổn định của hệ số ma sát và mức độ mòn cho phép Điều này được hình thành nhờ vào việc cực tiểu hóa chiều dày của lớp biến dạng dẻo và sự hình thành các cấu trúc thứ cấp.

Khi V > Vth” nhiệt độ tăng, sự phá hoại cấu trúc diễn ra mạnh mẽ hơn dẫn tới hiện tượng tróc nhiệt

2.3.3 Sự phụ thuộc lực ma sát vào tốc độ dịch chuyển khi có bôi trơn Đường cong Stribeck chỉ ra sự phụ thuộc của lực ma sát vào vận tốc trượt được thể hiện trên hình 2.10 gồm 4 trạng thái [23]: Ma sát tĩnh, bôi trơn giới hạn, bôi trơn từng phần và bôi trơn ướt hoàn toàn

Trạng thái 1 của ma sát tĩnh, hay còn gọi là vùng bám dính, không có sự dịch chuyển và quá trình bôi trơn chưa bắt đầu Ma sát xuất hiện tại các đỉnh nhấp nhô, hay các mối nối, được mô tả như lò xo cứng Khi các nhấp nhô bị biến dạng dưới tải trọng, ma sát tĩnh sẽ tăng lên.

Trạng thái 2 của quá trình bôi trơn là bôi trơn giới hạn, trong đó sự dịch chuyển giữa các bề mặt tiếp xúc bắt đầu xuất hiện Tuy nhiên, vận tốc lúc này vẫn chưa đủ lớn để hình thành màng bôi trơn giữa hai bề mặt.

Hình 2.11: Vùng bôi trơn giới hạn [23]

Trạng thái 3 đề cập đến việc bôi trơn từng phần với vận tốc đủ lớn, giúp chất bôi trơn chuyển động theo, tạo ra một màng bôi trơn giữa hai bề mặt tiếp xúc.

Hình 2.12: Chuyển động cuốn chất bôi trơn vào vùng tiếp xúc [23]

Tuy nhiên, do bề mặt nhám nên tiếp xúc lưỡng tính cục bộ, quá trình bôi trơn xảy ra trên nhiều vùng khác nhau như trên hình 2.13

Hình 2.13: Vùng 3 bôi trơn hỗn hợp [23]

Trạng thái 4: Bôi trơn ướt hoàn toàn: Xuất hiện khi hai bề mặt bị phân cách hoàn toàn bởi lớp màng bôi trơn như hình 2.14

Hình 2.14: Trạng thái 4- bôi trơn uớt hoàn toàn [23]

2.3.4 Ảnh hưởng của vật liệu bôi trơn [18]

Vật liệu bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm ma sát và bảo vệ bề mặt khi hoạt động Việc lựa chọn chất bôi trơn phù hợp dựa trên tải trọng, tốc độ di chuyển và nhiệt độ làm việc Chất bôi trơn thích hợp không chỉ giảm hệ số ma sát mà còn bảo vệ bề mặt tiếp xúc và giảm nhiệt lượng sinh ra trong quá trình làm việc Nếu không xác định rõ loại chất bôi trơn trên bề mặt, tình trạng này được gọi là ma sát khô hoặc không có chất bôi trơn.

Bôi trơn ướt hoàn toàn

2.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ [18]

Trong quá trình làm việc, các cặp ma sát tiếp xúc gây ra sự gia tăng nhiệt độ tại các bề mặt tiếp xúc Nhiệt độ này bao gồm nhiệt độ môi trường xung quanh và nhiệt độ phát sinh từ ma sát giữa các bề mặt.

Nhiệt độ tăng cao sẽ làm mềm các bề mặt tiếp xúc, từ đó thúc đẩy quá trình khuếch tán kim loại Đồng thời, lực ma sát cũng có xu hướng gia tăng do sự biến dạng nhiệt.

Khi nhiệt độ giảm, vật liệu thường co lại, với lớp bề mặt bên ngoài co nhiều hơn do tiếp xúc với môi trường và bị cản trở bởi lớp kim loại liền kề, dẫn đến kích thước chi tiết giảm Sự co không đều do hình dáng, kích thước và vật liệu của các chi tiết sẽ ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của các bề mặt, từ đó tác động đến quá trình làm việc của cặp ma sát.

Nhiệt độ thay đổi có thể ảnh hưởng đến độ nhớt của chất bôi trơn, dẫn đến việc giảm hiệu suất bôi trơn và tác động tiêu cực đến bề mặt tiếp xúc.

2.3.6 Ảnh hưởng của độ ẩm [18] Độ ẩm không khí là một trong những thông số quan trọng của môi trường khí hậu, có ảnh hưởng rất lớn đến tính năng của vật liệu, độ chính xác, độ bền của vật liệu Đã có nhiều nhà nghiên cứu về ảnh hưởng của độ ẩm không khí đến chi tiết ma sát Độ ẩm không khí được xác định theo 2 đại lượng: Độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối: Tính theo lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí kg/cm 3 Độ ẩm tương đối: (RH%) được biểu thị dưới dạng % của tỷ số lượng ẩm tuyệt đối và lượng ẩm bão hòa Độ ẩm tương đối cho biết mức độ hòa tan thêm hơi nước trong không khí so với mức tuyệt đối Do vậy, thực tế thường sử dụng đại lượng độ ẩm tương đối thay cho đại lượng độ ẩm tuyệt đối

Công thức tính hệ số ma sát

2.4.1 Công thức tính hệ số ma sát theo thực nghiệm

Các nghiên cứu về thực nghiệm đã khẳng định mối quan hệ [21]:

Trong đó: Fms - Lực ma sát (N);

Các nghiên cứu của Leonardevinci đã thừa nhận f = 0,25

Nhà khoa học C.A Coulomd đã đưa ra công thức tính lực ma sát có dạng [21]: ms A B N A

Trong đó: A - Đặc trưng cho môi trường tác dụng giữa hai vật thể ma sát;

Công thức tính của Coulomb xác định hai thành phần của lực ma sát, trong đó có một thành phần không phụ thuộc vào tải trọng bên ngoài.

Lần đầu tiên diện tích tiếp xúc thực đã được hai nhà khoa học Tabor và

Bovden xác định rằng trong điều kiện ma sát trượt, nhiệt độ bốc cháy xuất hiện tại vết tiếp xúc thực và có sự hình thành các mối liên kết hàn dính giữa các bề mặt ma sát Trong những điều kiện nhất định, thành phần ma sát biến dạng là không đáng kể so với thành phần phân tử của lực ma sát Thành phần phân tử trong trường hợp này được xác định theo công thức [21]: f PT.

Trong đó:  - Độ bền cắt của vật liệu (kGf/mm 2 );

PT - Áp lực giới hạn chảy (kGf/cm 2 )

Trong trường hợp chung hệ số ma sát được xác định là f = 0,2  0,17, giá trị hệ số ma sát này có tính thực tế rất cao

R.Kinh và Tabor đã phát triển công thức nói trên và đưa ra công thức tổng quát hơn, trong đó hệ số ma sát được xác định theo công thức [21]:

Trong đó: K –Hệ số thực nghiệm;

Khi f0 = 0 và K = 1 thì (2.7) trở thành công thức của Tabor và Bovden

Trong những điều kiện ma sát nhất định, thành phần phân tử có thể rất nhỏ

Công thức tính hệ số ma sát chỉ có thành phần cơ học của R.T.Spurr và

T.P.Navcomb có mối quan hệ sau [21]: f = 4d

Trong đó: D - Đường kính mẫu thử (mm); d - Chiều rộng vết đường trượt (mm)

Lưu ý là mô hình thực nghiệm là mô hình ma sát dạng đĩa chốt

Theo quan điểm nghiên cứu ma sát mòn trên cơ sở năng lượng, trong điều kiện tiếp xúc dẻo Rabinowic đưa ra công thức tính hệ số ma sát [21]:

Trong đó:  và PT - Sức bền cắt và giới hạn chảy;

Wab - Năng lượng bám dính;

 - Góc nghiêng của nhấp nhô; a - Bán kính chỗ bám dính

Trong một số điều kiện ma sát nhất định, hệ số ma sát có thể phụ thuộc vào vận tốc Hệ số ma sát này được xác định thông qua công thức thực nghiệm.

Trong đó: f 0 - Hệ số ma sát tĩnh; v - Vận tốc ; c - Hằng số

Bằng thực nghiệm A.Shallamach đưa ra công thức tính lực ma sát phụ thuộc vào vận tốc và nhiệt độ đồng thời :

Trong đó: U - Năng lượng liên kết bám dính;

K,  - Các hệ số thực nghiệm

2.4.2 Tính lực ma sát của xylanh piston khí nén

Trong quá trình làm việc của PTXLKN, ma sát chủ yếu là ma sát trượt xảy ra giữa vòng gioăng cao su và thành xylanh, như thể hiện trong hình 2.15.

Hình 2.15: Các loại gioăng trên PTXLKN

Ma sát gioăng và PTXLKN

Khi tính toán lực đẩy piston trong PTXLKN, cần xem xét các yếu tố như đường kính piston, đường kính cần piston, áp suất hai buồng và lực ma sát từ gioăng và xylanh Thông số hình học của xylanh thường được cung cấp trong tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất, trong khi áp suất được xác định trong quá trình thiết kế Lực ma sát, một yếu tố quan trọng nhưng chưa có mô hình tổng quát để mô tả, phát sinh từ gioăng làm kín ép sát vào bề mặt xylanh để ngăn ngừa rò rỉ khí Nhiều nghiên cứu hiện nay vẫn dựa vào kết quả của Stribeck để phân tích hiện tượng ma sát này.

Tustinl [25] xây dựng một mô hình tính lực ma sát như sau: exp

Trong đó: Fms - Lực ma sát tổng cộng (N);

Fcoulomb - Lực ma sát Coulomb (N);

Kprop - Hệ số ma sát phụ thuộc vào vận tốc (N.m/s);

Fstribeck - Lực ma sát Stribeck (N); fexp - Hệ số mũ của tốc độ phá hủy (s/m)

Phương trình (2.12) có thể áp dụng cho truyền động khí nén khi áp lực buồng không đáng kể Để piston di chuyển trong xylanh, lực đẩy phải lớn hơn lực ma sát tĩnh Gioăng cần có độ đàn hồi phù hợp để đảm bảo sự kín khít giữa piston và xylanh, đồng thời giúp đẩy chất bôi trơn vào giữa gioăng và thành xylanh, cho phép gioăng tiếp xúc hiệu quả với bề mặt xylanh.

Gioăng giảm chấn Gioăng giảm chấn

Sau một thời gian không hoạt động, áp suất cần thiết để khởi động chuyển động của piston sẽ cao hơn so với trường hợp piston chỉ dừng lại rồi di chuyển ngay lập tức Lực ma sát tĩnh phụ thuộc vào đường kính và áp suất tác động lên gioăng.

Lực ma sát động xuất hiện khi piston di chuyển hoàn toàn, đạt được trạng thái ổn định khi piston hoạt động với tốc độ không đổi.

Fleisher [26] đã đưa ra công thức kinh nghiệm xác định lực ma sát động và lực ma sát tĩnh như sau:

Lực ma sát tĩnh Fmst:

Lực ma sát động Fmsd:

Trong đó: D: Đường kính piston (mm)

Một số nhà sản xuất xác định hiệu suất của xylanh bằng công thức kinh nghiệm [27]:

Trong đó: Frod - Lực tác dụng cần piston (N); p - Áp suất làm việc (bar);

Apiston - Diện tích piston (mm 2 )

Giá trị hiệu suất  của xylanh thường nằm trong khoảng 0.85 - 0.9, tuy nhiên có thể thấp hơn đối với các xylanh có đường kính rất nhỏ hoặc rất lớn Hiệu suất xylanh thường phụ thuộc vào áp suất, như được thể hiện trong hình 2.16.

Hình 2.16: Hiệu suất là hàm của áp suất và đường kính piston [27]

Hi ệu su ất ( %) Áp suất làm việc (bar)

Ballard [28] tính lực ma sát F ms theo kinh nghệm trên cơ sở lực ma sát ổn định và các hệ số xác định từ thực nghiệm

Trong đó: Fms - Lực ma sát (N);

Fc - Lực ma sát ổn định (N);

CA, CB – Hệ số phụ thuộc tốc độ và chênh lệch áp suất 2 buồng;

p - Chênh lệch áp suất giữa 2 buồng xylanh (bar)

Một mô hình chính xác, thích hợp cho mô phỏng động lực học của PTXLKN được đưa ra bởi Esch-mann [29]: min min 0 min min 0

( ) 1 stat crit crit ref crit ref crit crit

Trong đó: α(v) – Hệ số phụ trợ;

Fstat - Lực ma sát tĩnh (N) với v= 0 và pref xem hình 2.17;

Fmin - Lực ma sát nhỏ nhất (N) với pref xem hình 2.17;

F0 - Lực ma sát (N) với v= 0 và p = 0, xem hình 2.17;

Fref - Lực ma sát(N) với v= vref và pref ;

Dref - Đường kính tham chiếu (mm);

Vcrit - Vận tốc giới hạn (mm/s) xem hình 2.17

Hình 2.17; Đặc tính ma sát tương ứng với phương trình (2.17) và (2.18) [28]

Hình 2.18: Đặc tính ma sát tương ứng phương trình (2.17) và (2.18) cho trường hợp chênh lệch áp suất 0, 2 , 4, 6, 8, 10 bar [28]

Phương pháp xác định lực ma sát bằng thực nghiệm

Lực là đại lượng vật lý, thường xác định theo định luật II Newton:

M - Khối lượng của vật (kg); a 

Nguyên tắc đo lực dựa trên việc cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng, đảm bảo tổng lực và momen bằng không Hiện nay, cảm biến lực được sử dụng phổ biến để xác định lực cần đo, với nhiều loại như cảm biến áp điện và cảm biến chữ S.

Cảm biến đo lực thường bao gồm một kết cấu trung gian, chịu tác động của lực cần đo và bị biến dạng Biến dạng này tạo ra lực đối kháng, và trong giới hạn đàn hồi, mức độ biến dạng tỉ lệ thuận với lực đối kháng.

Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể được đo trực tiếp bằng cảm biến biến dạng hoặc gián tiếp thông qua các tính chất điện của vật liệu kết cấu phụ thuộc vào biến dạng Ngoài ra, lực cũng có thể được xác định bằng cách cân bằng với một lực đã biết Đặc tính ma sát của PTXLKN bao gồm hai yếu tố chính.

- Lực ma sát tĩnh - Lực ma sát được xác định trong quá trình dịch chuyển ban đầu với thời gian rất ngắn

Lực ma sát động được xác định trong quá trình làm việc ổn định của PTXLKN Để khảo sát chính xác đặc tính ma sát, cần lựa chọn cảm biến lực có dải đo phù hợp, độ chính xác cao, dễ lắp đặt và thời gian đáp ứng ngắn.

Để đo lực ma sát của PTXLKN, cảm biến được lắp trực tiếp trên thân xylanh hoặc cần piston Để thuận tiện cho việc lắp đặt và thực hiện đo lực ma sát, cảm biến Loadcell S-type được chọn với hai phương án gá lắp khác nhau.

Phương án 1: Xylanh chuyển động, piston giữ cố định;

Phương án 2: Xylanh giữ cố định, piston chuyển động

Phương án 1: Cảm biến chữ S một bên được kết nối với cần piston và một bên được cố định như hình 2.19:

Để khảo sát ma sát trong môi trường nhiệt ẩm, toàn bộ thiết bị thí nghiệm cần được đặt trong môi trường này Piston phải được nối dài ra ngoài tủ nhiệt ẩm để truyền lực, giúp cảm biến lực không bị ảnh hưởng bởi điều kiện nhiệt ẩm, đồng thời giữ cho kết cấu thiết bị đơn giản, gọn nhẹ và kín khít Trong phương án này, piston sẽ được giữ cố định trong khi xylanh thực hiện chuyển động.

Phương án 2: Cảm biến lực chữ S một bên được cố định, một bên kết nối với xylanh như hình 2.20:

Để đảm bảo mục đích thực nghiệm trong phương án 2, một phần xylanh cần được bố trí ngoài tủ nhiệt ẩm để lắp đặt cảm biến lực Tuy nhiên, do kích thước lớn của xylanh, việc thiết kế và lắp đặt kín khít cho tủ nhiệt ẩm gặp nhiều khó khăn Trong phương án này, xylanh sẽ được cố định và piston sẽ thực hiện chuyển động.

So sánh hai phương án, phương án 1 được chọn để thiết kế thiết bị thực nghiệm khảo sát ma sát của PTXLKN Phương trình cân bằng lực của xylanh được xác định theo công thức cụ thể.

: Lực ma sát gioăng piston với xylanh;

: Lực ma sát gioăng với cần piston;

: Lực cân bằng do biến dạng của cảm biến

Lực ma sát trong PTXLKN được xác định từ cảm biến loadcell khi xylanh di chuyển so với piston Để khảo sát chính xác lực ma sát của các gioăng, việc chọn vị trí và hành trình là rất quan trọng.

PTXLKN được sử dụng để đảm bảo các gioăng trong vùng giảm chấn không ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu Khi xylanh di chuyển vào vùng giảm chấn, tác động của các gioăng giảm chấn làm giảm tốc độ chuyển động của xylanh, đồng thời làm tăng lực ma sát, từ đó ảnh hưởng đến kết quả đo.

Hệ thống dẫn động PTXLKN

Phương án 1: Dùng hệ thống xylanh - thủy lực dẫn động cho PTXLKN chuyển động

Trong sơ đồ nguyên lý của hệ thống, chuyển động của PTXLKN được thực hiện nhờ hệ thống xylanh thủy lực Tuy nhiên, hệ thống này có nhược điểm là cồng kềnh, giá thành cao và khó khăn trong việc điều khiển chính xác vị trí và ổn định tốc độ Đặc biệt, tính chất độ nhớt của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ, gây ra nhiều khó khăn trong điều khiển thủy lực khi thí nghiệm trong điều kiện môi trường nhiệt ẩm (T, RH thay đổi).

Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý đo ma sát của Belforte và đồng nghiệp [8]

Phương án 2: Dùng hệ thống PTXLKN để dẫn động cho PTXLKN thí nghiệm

Trong sơ đồ nguyên lý của hệ thống này như trên hình 2.22 chuyển động của

PTXLKN hoạt động dựa trên sự dẫn động từ một PTXLKN khác Tuy nhiên, do đặc tính nén của khí nén, việc điều khiển tốc độ một cách chính xác và ổn định trở nên khó khăn.

PTXLKN trong quá trình thử nghiệm là khó khăn, và tốn kém khi sử dụng hệ thống van servo

Hình 2.22: Sơ đồ đo lực ma sát của Hochang và đồng nghiệp [10]

Phương án 3 đề xuất việc sử dụng động cơ điện servo để dẫn động PXLTKN thông qua bộ truyền vít me đai ốc bi Kết cấu của phương án này đơn giản và dễ điều khiển, đồng thời đảm bảo tốc độ ổn định và có khả năng thay đổi linh hoạt trong quá trình thực nghiệm Để đáp ứng tốt các yêu cầu thực nghiệm, phương án 3 được chọn làm phương án dẫn động cho PTXLKN trong thiết bị thực nghiệm như mô tả trong hình 2.23, kèm theo sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động.

Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động cho XLPTKN của thiết bị thực nghiệm [18]

2.6 Xây dựng phương trình mô phỏng sai lệch vị trí dừng của xylanh- piston khí nén

Khi hệ thống làm việc, PTXLKN di chuyển tịnh tiến đến vị trí được xác định bởi cảm biến vị trí LS Tuy nhiên, do ảnh hưởng của môi trường khí hậu Việt Nam, vị trí dừng của PTXLKN sẽ bị tác động bởi ma sát biến thiên, dẫn đến sự thay đổi trong vị trí dừng như được thể hiện trong hình 2.24.

Hình 2.24: Sơ đồ chuyển động của piston-xylanh khí nén

Dung sai sai lệch vị trí  dừng của PTXLKN được tính như sau: max min

Lmax: sai lệch lớn nhất của PTXLKN khi dừng;

Lmin: Sai lệch nhỏ nhất của PTXLKN khi dừng;

LT: Tâm của dung sai sai lệch

Giả sử phân bố dung sai vị trí dừng là phân bố chuẩn, thì tâm vị trí cần dừng Ls sẽ trùng với tâm dung sai, từ đó tạo ra sai lệch dừng nhỏ nhất.

Phương trình chuyển động của PTXLKN có dạng như sau:

Trong đó: p1 – Áp suất buồng 1; p2 – Áp suất buồng 2;

A2 - Diện tích buồng 2; x – Dịch chuyển của piston tại thời điểm t; m – Khối lượng của chi tiết lắp ghép; m1– Khối lượng của cần piston;

M – Khối lượng của toàn bộ hệ thống;

Fms - Lực ma sát giữa các gioăng – xylanh;

Khi dừng, lực đẩy piston FP = 0, phương trình chuyển động của ổ cấp dao có dạng sau:

Mv F F dx dv dx F F dx Mv dv

Khoảng dịch chuyển quá độ hay trong quá trình dừng (sai lệch vị trí dừng) của piston xylanh khí nén được tính theo công thức:

Trong đó: v : vận tốc PTXLKN khi bắt đầu dừng;

F ms : Lực ma sát động trong Piston xylanh khí nén

MÔ PHỎNG SỐ VỊ TRÍ PISTON XYLANH KHÍ NÉN