Đối với thử nghiệm nén thẳng đứng gối chậu, ta chỉ thực hiện nén đến 1,5 lần tải trọng thiết kế của gối mà không nén phá hủy gối. Sau thử nghiệm, nếu đạt yêu cầu gối chậu vẫn được sử dụng lại để sử dụng lắp đặt trong thực tế. Nhìn vào hình 2.11, ta thấy gối chậu khơng phải là vật liệu đồng nhất mà gồm có đĩa cao su, tấm PTFE, teflon, poly urethane, inox, thép và thanh đồng dẫn hướng…nên biến dạng của gối chậu không giống như gối cầu cao su. Hơn nữa, tùy theo tải trọng thiết kế mà khe hở h được thiết kế với một giá trị nhất định. Khi nén đến một giá trị tới hạn, khe hở h=0, lúc này tấm thép trên sẽ tiếp xúc trực tiếp với đế chậu dưới, và gối chậu coi như trở thành một khối cứng tuyệt đối.
Vậy lực nén thẳng đứng và biến dạng gối có mối quan hệ thế nào? Có biểu diễn bằng phương trình tốn được hay khơng? Là tuyến tính hay phi tuyến? Để trả lời cho câu hỏi đó, từ năm 2016 đến nay, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm trên gần 1700 gối cầu các loại, với các dải tải trọng khác nhau của các hãng sản xuất gối lớn trên thế giới. Với số liệu thực nghiệm thu được, nhóm nghiên cứu đã tìm ra được mối quan hệ giữa lực và biến dạng có dạng phương trình:
Fcs = cx ( ≈2) (2.67)
Trong đó: Fcs: Lực kháng nén của gối cầu, N c: Hệ số kháng nén, N/mm2 x: chuyển vị gối cầu, mm
(Thực nghiệm tìm ra mối quan hệ lực nén biến dạng thể hiển ở mục 3.5 chương 3 và phần phụ lục của luận án)
N = mqd. g (2.68) Thay 2.45, 2.53, 2.59, 2.62, 2.67, 2.68 vào 2.44, ta có Q1.t–X.Ỉ1 S(D2–d2)3 ̇2 dz 2 �qd X = V0+X.Ỉ1 �1�h,Ỉ1 − 8d5 � − [ơ0 � + 1 dt + �� 2(� �r + �)] − − �qd. � (2.69) Từ 2.26, 2.43, 2.69 ta được hệ phương trình (2.70): ⎧ � dP 1 = � � − �N. �3 . . � . (1 + 3. �2 ) − . � � �. . � 2� b J − � ̇ � − � (� − � ) h,Ỉ1 dt b b 12. [50. ( 50)n] . .� b 2. �2 d J[ 50 n 1 atỈ1 1 atỈ1 ⎪ ⎨ � T dP2 = ���− � ����(� . − � )ƒ|�� − 50. ( T ) ] �| − � ( � − � ) h,Ỉ2 dt 2 v 2 TT 2 atỈ2 2 atỈ2 . � �− .� � �(�2 − �2)3 �� ⎪ � X ̈= 1 1 � � − �̇2 − [ơ �+ � + �(�̇+ � �̈)] − − � . � ⎩ qd �0 + .� �1 1 h,Ỉ1 8�5 0 (2.70) 1 �� 2 r cc qd 2.5. Giải phương trình động lực học
Qua nghiên cứu và tìm hiểu, phần mềm MATLAB - SIMULINK được lựa chọn để xây dựng chương trình mơ phỏng ĐLH
Hệ phương trình vi phân mơ tả hoạt động của hệ thống TĐTL của thiết bị thí nghiệm gối cầu (công thức 2.70):
Giao diện của chương trình phần mềm MATLAB - SIMULINK để giải phương trình chuyển động hệ thống thuỷ lực của thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn được thể hiện trên Hình 2.12
1
N
N
Hình 2.12. Sơ đồ khối của chương trình mơ phỏng
Để nghiên cứu khảo sát đánh giá các thông số động lực học của hệ TĐTL của thiết bị thử nghiệm gối cầu, các thơng số đầu vào của bài tốn được tính tốn xác định và được thể hiện trong Bảng 2.2. Kết quả tính tốn trình bày dưới dạng đồ thị được giới thiệu 2.2.7 dưới đây. Chi tiết hơn về kết quả tính tốn được trình bày trong Phụ lục của Luận án.
Bảng 2.2. Các thơng số đầu vào của bài tốn phân tích động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực
TT Thông số Ký
hiệu Đơn vị Giá trị
Bơm thủy lực
1 Lưu lượng riêng Vb m3/vịng 8,7.10-6
TT Thơng số Ký
hiệu Đơn vị Giá trị
3 Áp suất danh nghĩa của bơm pb Pa 55.106
4 Áp suất lớn nhất của bơm Pa 70.106
5 Hiệu suất thể tích của bơm b - 0,92
Xi lanh thủy lực
6 Đường kính trong xi lanh D m 0,4
7 Đường kính cán piston d m 0,32
8 Áp lực dầu ở khoang cao áp p1 Pa -
9 Áp lực dầu ở khoang thấp áp p2 Pa 6.105
10 Hiệu suất cơ khí của xilanh c - 0,96
Van an toàn
11 Áp suất của van an toàn pat Pa 6.107
12 Hệ số lưu lượng qua van an toàn kat (m3/s)/pa 6,67.10-10
13 Lưu lượng qua van an toàn Qat m3/s 0,004
Đường ống dẫn dầu thủy lực
14 Chiều dài đường ống dẫn bằng cao su lc m 5,5
15 Chiều dài đường ống dẫn bằng kim loại lk m 4,5
16 Đường kính trong của đường ống dẫn
bằng cao su dc m 0,006
17 Đường kính trong của đường ống dẫn
bằng kim loại dk m 0,032
18 Mô đuyn đàn hồi của đường ống dẫn
bằng cao su Ec Pa 0,09.10
9
19 Mô đuyn đàn hồi của đường ống dẫn
bằng kim loại Ek Pa 0,21.10
9
Dầu công tác
20 Mô đuyn đàn hồi của dầu công tác Elq Pa 150.103 21 Độ nhớt chất lỏng công tác ở 50oC 50 mm2/s 46
TT Thông số Ký
hiệu Đơn vị Giá trị
22 Nhiệt độ chất lỏng công tác T oC 40
23 Chỉ số phụ thuộc vào loại chất lỏng n - 1,68
24 Khối lượng riêng chất lỏng công tác Kg/m3 862
Các thông số khác
37 Khối lượng quy dẫn của gối, tấm
trung gia mqd kg 9999,72
38 Đường kính đầu tì của van 1 chiều Ds m 15.10-3
39 Độ cứng lò xo S kN/m 15
2.6. Kết quả tính tốn
Hình 2.13. Áp suất dầu thủy lực trong XLTL tạo lực nén
Từ hình 2.13, ta tính được bảng sau:
Bảng 2.3. Hệ số Kđ và sai số đo tại từng nấc gia tải.
bắt giá trị áp suất lớn nhất Pmax, trong khi đó giá trị mong muốn thu được là giá trị áp suất Ptb, điều này gây ra sai số trong phép đo lực nén.
Kđ – hệ số đại diện cho biên độ dao động của áp suất Kđ = Pmax / Ptb
Khi Kđ 1 thì khi ấy biên độ dao động áp suất là nhỏ nhất, nghĩa là độ chính xác của phép đo lực qua áp suất là cao nhất.
Nhận xét:
- Trong quá trình thử nghiệm gối cầu, quá trình gia tải sẽ tiến hành theo các cấp lực, tại mỗi cấp lực sẽ giữ tải để đo chuyển vị gối cầu. Nhìn vào đồ thị, ta thấy tại cuối mỗi mức gia tải khi dừng lại để giữ tải, biên độ dao động của áp suất là rất lớn. Khi áp suất càng lớn, biên độ dao động áp suất càng giảm, đồng nghĩa với sai số đo lực cũng giảm dần, độ chính xác của thiết bị cũng được đảm bảo. Điều đó cho thấy đối với thiết bị TNGCTTL nói chung và thiết bị thử nghiệm gối cầu 8000 Tấn nói riêng, việc lựa chọn tải trọng gối thử nghiệm cũng rất quan trọng. Nếu lực nén quá nhỏ so với năng lực thiết bị thì cũng sẽ gây ra sai số lớn.
- Từ bảng 2.3, ta thấy ở cấp gia tải 1 tương ứng với lực nén 12925kN (1317,5 Tấn) sai số của phép đo là lớn nhất vì hệ số Kđmax = 1,03 và sai số đo lực lên tới 3,4% và đạt giá trị mong muốn 1% ở cấp lực từ 25175 kN (2500 tấn) trở lên.
- Hiện nay ở trong nước, các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng trung bình được cơ quan nhà nước cấp phép thử nghiệm gối cầu hồn chỉnh là rất ít. Do vậy, các gối cầu có tải trọng thử nghiệm từ 1000 tấn trở lên đều phải thử nghiệm trên thiết bị TNGCTTL. Để có thể thử nghiệm các gồi cầu có tải trọng nén từ 1000 tấn đến 2500 tấn đạt độ chính xác cao thì cần phải nghiên cứu ĐLH để tìm ra các giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao phạm vi hoạt động của thiết bị TNGCTTL, đáp ứng được nhu cầu thực tại trong nước.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
- Đường kính của xy lanh thuỷ lực trong hệ thống thuỷ lực của thiết bị tải trọng lớn gấp hàng trăm lần đường kính đường ống thuỷ lực. Như vậy thiết diện xy lanh sẽ gấp hàng trăm lần bình phương thiết diện đường ống. Khi thử nghiệm, mặc dù vận
tốc di chuyển của đầu xy lanh rất nhỏ nhưng vận tốc dòng chảy của chất lỏng công tác rất lớn (gấp hàng vạn lần vận tốc di chuyển của đầu xy lanh thuỷ lực). Khi dòng chảy chất lỏng công tác với vận tốc rất lớn như vậy bị đổi hướng hoặc bị đi qua các thiết diện van thay đổi..., nó làm cho hệ thống thuỷ lực sinh ra dao động. Biên độ dao động áp suất của hệ thống thuỷ lực chính là nguyên nhân ảnh hưởng đến sai số chỉ thị về lực vì sai số của sensor áp suất rất nhỏ, không đáng kể.
- Đã xây dựng được phương trình ĐLH hệ TĐTL tạo tải thẳng đứng của TBTNGC (Biểu thức 2.70) và giải bằng phần mềm matlab, đã xác định được biên độ dao động của áp suất hệ thống TĐTL của thiết bị TNGCTTL như hình 2.13.
- Bằng thực nghiệm trên hơn 1700 gối cầu đã đưa ra được mơ hình tốn thể hiện mối quan hệ giữa phản lực của gối cầu trong quá trình nén là hàm mũ phụ thuộc vào độ cứng kháng nén của gối cầu và biến dạng gối cầu trong quá trình nén thẳng đứng. Điều đó giúp chúng ta xây dựng được đồ thị thể hiện mối quan hệ lực - biến dạng, có thể dự đốn chính xác biến dạng thực tế của gối cầu và kiểm soát, loại bỏ được các giá trị sai khác trong quá trình thử nghiệm nhằm tăng độ chính xác của kết quả (biểu thức 2.67).
- Áp suất càng lớn thì biên độ dao động của áp suất càng nhỏ, kđ càng nhỏ và ngược lại.
- Tại cuối mỗi nấc gia tải, ở áp suất 100 bar biên độ dao động của áp suất lực trong hệ thống xung quanh giá trị trung bình là rất lớn (Hình 2.13), với sai số lớn nhất tới 3,4% trong khi yêu cầu đối với thiết bị đo lường là sai số không quá 1%. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác khi đo lực nén.
Vì vậy, xác định các nguồn gây ra dao động áp suất và giảm thiểu, thậm chí triệt tiêu được chúng sẽ nâng cao độ chính xác cho kết quả thử nghiệm. Đây cũng chính là mục tiêu chính của luận án.
- Các nguồn gây ra dao động áp suất ở đây được dự đốn là: lưu lượng chất lỏng, vị trí lắp sensor thủy lực, độ nhớt dầu thủy lực, ảnh hưởng bình tích áp…sẽ được NCS đo đạc, thử nghiệm trong thực tế ở chương 3.
CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG LỚN
DO VIỆT NAM CHẾ TẠO 3.1. Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm
Nghiên cứu thực nghiệm trên TBTNGCTTL được thực hiện với mục đích sau: - Xác định mối quan hệ lực - biến dạng gối làm thơng số đầu vào để giải bài tốn động lực học hệ thống truyền động thủy lực.
- Xác định các thơng số đầu vào cho bài tốn ĐLH
- Xác định mức độ ảnh hưởng của một số yếu tố đến hệ số áp suất động, biên độ dao động, thời gian tắt dao động... của hệ thống TĐTL.
- Đánh giá kết quả giải bằng lý thuyết với kết quả thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy của mơ hình tính tốn động lực học hệ thống TĐTL của thiết bị.
3.2. Các thông số cần đo đạc, thực nghiệm
Để đạt được mục đích đã nêu ở trên NCS đã tiến hành đo đạc và xác định các thông số cụ thể sau:
- Áp suất của xi lanh thuỷ lực tạo tải thẳng đứng; - Lưu lượng cung cấp của bộ nguồn thủy lực; - Chuyển vị của xi lanh thuỷ lực tạo tải thẳng đứng. - Biến dạng của gối cầu.
- Các thơng số đầu vào phục vụ cho bài tốn ĐLH.
Từ đó có thể xác định được một cách gián tiếp độ cứng của gối cầu, hiệu suất lưu lượng theo tải trọng, hệ số cản nhớt...
3.3. Chuẩn bị thực nghiệm
3.3.1. Giới thiệu đối tượng nghiên cứu thực nghiệm
Qua nghiên cứu nhu cầu thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn ở trong nước cũng như ưu, nhược điểm của các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn hiện có ở nước ta hiện nay, Nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng 8000 tấn. Hiện nay đây là thiết bị thử nghiệm gối cầu lớn
nhất, hiện đại nhất ở Việt Nam do Viện Khoa học và Công nghệ Giao thơng Vận tải thiết kế chế tạo.
Hình 3.1. Sơ đồ thiết bị TNGCTTL
1.Bàn nâng 2. Gối thí nghiệm 3. Khung thử tải 4. Cơ cấu treo bộ đẩy ngang 5. Vít me điều chỉnh chiều cao kích đẩy ngang 6. Cơ cấu đẩy ngang 7. Động cơ 1,5 kW dẫn 8. Xích truyền động bàn nâng di chuyển 9. XLTL thẳng đứng động bàn nâng di chuyển 10. Bộ nguồn tạo tải đứng 11. Bộ nguồn tạo tải ngang 12.Tấm trung gian
Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của thiết bị thử nghiệm gối cầu 8.000 tấn
I Khung thử tải IV Hệ XLTL đẩy ngang
1 Kích thước khung thử tải (dài x rộng x
cao) 2200x3200x3400 mm 20 Lực lớn nhất: Fmax = 900 tấn 2 Kích thước khoang làm việc (dài x rộng
x cao) 2100 x 2100 x 1800 mm 21
Áp suất làm việc: Pmax = 52 MPa
3 Tải trọng thẳng đứng: Fđmax = 8.000 tấn 22 Hành trình: Hmax = 250mm 4 Tải trọng ngang: Fnmax = 900 tấn V Hệ XLTL tạo tải thẳng đứng
5 Góc xoay thí nghiệm: =0,02 rad 23 Lực làm việc:Fmax = 8.000 tấn 6 Hệ số ma sát: đáp ứng được yêu cầu 24 Áp suất: Pmax = 62 MPa 7 Tải trọng thiết kế gối lớn nhất thí
nghiệm: 5.200 tấn 25
Hành trình làm việc: Hmax = 200mm
8 Sai số lực nâng 0,95 FS
VI Hệ điều khiển và quan trắc
số liệu tự động
9 Tổng trọng lượng máy: 90.000 Kg
II Bộ nguồn tạo tải thẳng đứng 26 Kiểu điều khiển: Tự động /
bằng tay 10 Áp suất làm việc lớn nhất: Pmax = 70
MPa 27
Kiểu hiển thị: Hiện thị số trên LCD
11 Lưu lượng riêng: 8,7 cm3/vòng
28
Điều khiển tộc độ gia tải nén thẳng đứng: Tự động / bằng tay
12 Lưu lượng làm việc: 12 l/ph
13 Công suất động cơ điện dẫn động: 5 kW 29
Điều khiển tốc độ gia tải hệ thống đẩy ngang: Tự động / bằng tay
14 Tốc độ động cơ: 1440 vòng/phút 15 Khả năng điều chỉnh lưu lượng: vô cấp
30
Điều khiển tốc độ bàn nâng di chuyển: Tự động / bằng tay
III Bộ nguồn tạo tải nằm ngang
15 Áp suất làm việc lớn nhất: Pmax = 60 MPa
31
Ghi nhận số liệu quan trắc: Tự động
16 Lưu lượng làm việc: 4 ÷ 10 l/ph
17 Công suất động cơ điện dẫn động: 5 kW 32
Tự động lưu trữ số liệu khi gặp sự cố về điện
18 Tốc độ động cơ: 1440 vòng/phút 19 Khả năng điều chỉnh lưu lượng: vô cấp
Mô tả hoạt động của thiết bị:
Hệ bàn nâng di chuyển (1) có thể di chuyển vào- ra nhờ động cơ điện hai chiều 1,5 kW (7) thơng qua bộ truyền xích (8). Khi bàn nâng (1) chạy ra ngồi, hệ thống cổng trục 10 tấn sẽ nâng gối cầu (2), XLTL, tấm trung gian (12) gá lắp lên bàn nâng như sơ đồ hình 3.1.
Gá lắp xong, bàn nâng di chuyển vào trong khoang làm việc của khung thử tải. Cơ cấu đẩy ngang (6) được hạ xuống nhờ hệ thanh treo (4) và gá lắp với tấm trung gian và tấm đệm đầu kích bằng các chốt. Thanh ren (5) dùng để điều chỉnh chiều cao của thiết bị tạo tải ngang để phù hợp với chiều cao của nhiều loại gối khác nhau.
Bộ nguồn tạo tải đứng (10) sẽ cung cấp nguồn dầu thủy lực cho hệ kích (9) để tạo lực nén cho gối. Khi lực nén thẳng đứng đạt đến lực cần thiết, thì hệ tạo tải ngang (6) sẽ tác động lực ngang vào gối thông qua tấm trung gian (12).
3.3.2. Giới thiệu về thiết bị đo
3.3.2.1. Đầu đo chuyển vị gối cầu
Trong quá trình thử nghiệm gối cấu để đảm bảo kết quả đo chính xác, người ta lắp 4 encoder ở 4 góc của gối để đo chuyển vị thẳng đứng. Có nhiều loại của các hãng khác nhau, ở đây chọn Rotary Encoder kiểu VL10-06G-10-30F-2000BM của