Giáo trình Nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của cấu hình đến hiệu suất của hệ thống thủy lực nâng hạ cửa van - Nguyễn Hữu Tuấn

Nội dung text: Giáo trình Nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của cấu hình đến hiệu suất của hệ thống thủy lực nâng hạ cửa van - Nguyễn Hữu Tuấn

1. NGHIÊN CỨU SO SÁNH ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU HÌNH ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC NÂNG HẠ CỬA VAN THS NGUYỄN HỮU TUẤN Trường Đại học Thủy lợi, Email: tuanNH@wru.vn Tóm tắt: Trong tình hình giá dầu tăng cao như hiện nay, việc nâng cao hiệu suất của các hệ thống truyền động thủy lực đã trở lên cấp thiết. Rõ ràng rằng muốn hiệu suất của hệ thống cao thì hiệu suất của các phần tử cấu hình cũng phải cao. Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu so sánh hiệu suất cho cấu hình hợp lý làm tăng đáng kể hiệu suất của hệ thống. Abstract: In the sky-rocketting oil price as it is of now, to increase the hydraulic system efficiency has became an important question. It is clear that hight system efficiency can be achieved if the component efficiencies one hight. This study however proves that system configuration can be important method to increase the system efficiency. 1 Đặt vấn đề Hệ thống truyền động thuỷ lực làm việc dựa trên nguyên lý thuỷ lực thể tích. Môi trường làm việc là chất lỏng. Sau khi chất lỏng ra khỏi bơm được dẫn qua đường ống áp lực, qua các van điều khiển, đến bộ phận công tác nhằm thực hiện chức năng hoạt động của bộ phận chấp hành. Trước đây người ta chỉ quan tâm đến áp suất truyền động để hệ thống làm việc. Nói một cách khác, hệ thống truyền động thủy lực được tổng hợp và tính toán chủ yếu dựa trên các yêu cầu về chức năng công nghệ hệ thống phải đảm nhiệm. Nhưng người ta nhận ra rằng hiệu suất truyền động là một thông số kỹ thuật quan trọng, nhằm nâng cao chất lượng truyền động của hệ thống, độ tin cậy của thiết bị, giảm tiêu hao năng lượng, giảm nhiệt cho chất lỏng, mang lại hiêu quả kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Vì vậy nâng cao hiệu suất của hệ thống truyền động là một hướng nghiên cứu đáng được quan tâm hiện nay. Bài báo này tác giả trình bày một phương pháp nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của cấu hình đến hiệu suất của hệ thống nâng hạ cửa van. DÉn ®éng §iÒu khiÓn ChÊp hµnh T¶i §éng c¬ ®iÖn B¬m Van ®/khiÓn Xi lanh VËt chuyÓn (§éng c¬ ®èt trong) T.lùc thñy lùc §éng c¬ ®éng N¨ng l­îng ®iÖn N¨ng l­îng N¨ng l­îng thñy lùc (N¨ng l­îng nhiÖt) c¬ häc N¨ng l­îng N¨ng l­îng c¬ khÝ c¬ khÝ Hình 1. Sơ đồ truyền năng lượng trong mạch thủy lực
2. Hiệu suất của hệ thống thủy lực thấp do thiết kế hệ thống và các phần tử không đúng kỹ thuật. Nhiều sự tiến bộ đã đạt được trong thập niên trước, đã làm cải thiện hiệu quả các phần tử. Tuy vậy, quan trọng hơn đối với hệ thống thủy lực là các bộ phận được tích hợp với nhau tạo thành hệ thống phải có chất lượng cao và kết hợp với nhau như thế nào để thỏa mãn yêu cầu về tải trọng. Có nhiều phương pháp kết hợp các phần tử với nhau để tạo thành một hệ thống thực hiện cùng một chức năng. Ví dụ cần thiết kế một hệ thống truyền động thực hiện chuyển động quay có số vòng quay điều chỉnh được, có thể thực hiện được bởi các phương pháp sau: Một máy bơm có lưu lượng điều chỉnh được và một môtơ không điều chỉnh được (hình 2a); một bơm cố định và một môtơ điều chỉnh được (hình 2b); cả bơm và môtơ đều cố định nhưng dùng van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ quay của môtơ (hình 2c). Tuy nhiên, dù hiệu suất bơm và môtơ có thể như nhau nhưng hiệu suất của hệ thống tạo thành (3 hệ thống trên) lại rất khác nhau. Có nghĩa là: Cấu hình của hệ thống sẽ là một yếu tố rất quan trọng đảm bảo hiệu suất của hệ thống cao hay thấp. TiÕt l­u B¬m M«t¬ B¬m M«t¬ B¬m M«t¬ Van trµn (a) (b) (c) Hình 2 Hệ thống truyền động thủy lực chuyển động quay điều chỉnh được. 2 Ứng dụng so sánh Như đã trình bày ở trên, khi thiết kế hệ thống thường người ta chỉ quan tâm đến thỏa mãn chức năng công nghệ mà hệ thống phải đảm nhiệm, khía cạnh hiệu suất ít khi được chú ý đến. Điều này có thể chấp nhận được nếu hệ thống làm việc không liên tục. Ví dụ, các hệ thống thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, chỉ hoạt động khi có sinh viên làm thí nghiệm. Tuy nhiên với các hệ thống truyền động thủy lực làm việc trong công nghiệp, tùy theo nhu cầu, hệ thống có thể làm việc 1 ca, 2 ca, 3 ca hoặc thậm chí là 24h/24h mỗi ngày. Trong những trường hợp này nâng cao hiệu suất của hệ thống được xem như một yêu cầu bắt buộc. Một mặt hiệu suất cao tiết kiệm được năng lượng đầu vào và làm giảm giá thành vận hành hệ thống, mặt khác lượng nhiệt làm nóng dầu sẽ giảm đi làm cho vấn đề làm mát hệ thống trở lên đơn giản hơn. Bài báo này chọn đối tượng nghiên cứu là một hệ thống truyền động thủy lực nâng hạ cửa van. Việc chọn bộ nguồn có cấu hình khác nhau áp dụng cho cùng một hệ thống sẽ làm nổi bật tính ưu việt của từng phương pháp, qua đó giúp người sử dụng có cơ sở để giải quyết các trường hợp cụ thể của mình. 2.1 Mô tả sơ đồ nguyên lý hệ thống Giả sử có nhu cầu tính toán thiết kế hệ thống nâng hạ cửa van dẫn động bằng thủy lực, trong đó: Hành trình nâng được thực hiện bởi chất lỏng, hành trình hạ do piston tự thực hiện. Hành trình nâng bao gồm: Nâng chậm với hành trình S1, trong thời gian t1, dưới áp suất là p1; tiếp theo là tăng tốc độ với thời gian nâng tương ứng t2, với áp suất p2, hành trình nâng là S2; 2
3. và cuối cùng là duy trì lực đó trong thời gian t3; tiếp theo piston tự lùi do tự trọng trong thời gian t4, đi hết hành trình S=S1+S2 về vị trí ban đầu. Như vậy, cả chu trình là t=t1+t2+t3+t4). Các thông số cơ bản của hệ thống được ghi trong bảng 1 Bảng 1 Các thông số của hệ thống đóng mở cửa van Tên đại lượng Ký hiệu Giá trị Đơn vị Đường kính xi lanh chính D 200 mm Tổng hành trình S = S1 + S2 5600 mm Hành trình tiến chậm S1 1000 mm Áp suất hành trình tiến chậm p1 200 bar Hành trình tiến nhanh S2 4600 mm Áp suất hành trình nhanh p2 150 bar Thời gian tiến chậm t1 120 s Thời gian tiến nhanh t2 276 s Thời gian giữ t3 120 s Thời gian hạ t4 336 s Tổng thời gian 1 chu kỳ t = t1 + t2 + t3 + t4 852 s Diện tích hình vành khuyên A 0,016 m2 2.2 Phương án 1: Cấu hình truyền thống có nguồn là một bơm cố định Tíi hÖ thèng pb Q b Hình 3 Hệ thống sử dụng 1 bơm cố định Tổng áp lực thực tế khi nâng ở hành trình chậm và hành trình nhanh là: P1 p1.A 320(kN) ; P2 p2 .A 240,3(KN) a. Công tiêu hao theo sơ đồ (Để đơn giản trong tính toán, ta bỏ qua tổn thất trên đường ống và qua các phần tử): Công để di chuyển trong 1 chu trình là: 5 O P1.S1 P2 .S2 14,2.10 (Nm) b. Năng lượng cấp từ bơm trong quá trình làm việc như sau:
4. Năng lượng cung cấp trong 1 chu trình là: 5 I p1.Q2 .t1 p2 .Q2 (t2 t3 ) 22,4.10 (Nm) Tóm lại, hiệu suất toàn bộ hệ thống là: O 14,2.105  5 100% 64(%) I 22,4.10 (1) Nhận xét: Như vậy cấu hình này tuy thỏa mãn được chức năng công nghệ nhưng hiệu suất của hệ thống thấp. Cấu hình này có thể áp dụng khi hệ thống làm việc với thời gian ngắn và thi thoảng mới hoạt động. Nếu thời gian làm việc của hệ thống là đáng kể thì chi phí hoạt động sẽ tăng cao. 2.3 Phương án 2: Có nguồn sử dụng nhiều máy bơm Cấu hình hệ thống gồm: 1- Các máy bơm (1 bơm áp suất thấp, lưu lượng cao (I), 1 bơm áp suất cao, lưu lượng thấp (II)). Tíi hÖ thèng Q1 Q 2 Hình 4 Hệ thống sử dụng nhiều máy bơm Hệ thống làm việc như sau: Khi van phân phối nối điện thì hệ thống làm việc. Ở hành trình nâng chậm, áp suất yêu cầu lớn, bơm (II) cung cấp dầu cho hệ thống. Đến hành trình nâng nhanh, khi áp suất 150bar thì cả hai bơm (I) và (II) cùng cung cấp lưu lượng để tăng tốc piston. Đến hành trình giữ là khi piston đi hết hành trình tăng tốc, áp suất vượt quá 150bar, máy bơm (I) được xả không tải về bể dầu, còn máy bơm (II) tiếp tục cung cấp dầu cho hệ thống. Với quá trình hoạt động như trên, ta có thể tính được năng lượng cung cấp từ bơm trong 1 chu trình làm việc như sau: ' 5 I p1.Q1.t1 p2 .Q2 (t2 t3 ) 19,2.10 (Nm) Tóm lại, hiệu suất toàn bộ hệ thống là: O 14,2.105 ' 5 100% 75(%) I' 19,2.10 (2) Nhận xét: Từ (1) và (2) có thể thấy: Rõ ràng việc sử dụng hai máy bơm đã làm cho hiệu suất của hệ thống tăng lên hơn 15% so với cấu hình truyền thống, trong khi các chức năng 4
5. công nghệ vẫn hoàn toàn đáp ứng theo yêu cầu. Nhưng phương án có nhược điểm là ta phải dùng hai máy bơm liền trục hoặc hai máy bơm riêng rẽ sẽ làm cho giá thành đầu tư ban đầu sẽ cao hơn. Trong thực tế, cấu hình này càng ngày càng được sử dụng rộng rãi. 3 Kết luận Với cùng một yêu cầu làm việc thì từng mạch với những cấu hình khác nhau sẽ có những hiệu suất khác nhau. Bài báo này chỉ rõ, ngoài quan tâm đến chức năng công nghệ mà hệ thống đảm nhiệm, thì còn phải quan tâm đến hiệu suất của hệ thống để tiết kiệm năng lượng, giảm giá thành vận hành, giảm nhiệt độ dầu Thực tế cho thấy, có cấu hình cho hiệu suất cao hơn khoảng 10 lần so với cấu hình hệ thống truyền thống.
6. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hữu Tuấn, 2008, Nghiên cứu sơ đồ hệ thống thủy lực đóng mở cửa van tải trọng lớn, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở 2008. [2] Nguyễn Đăng cường và nnk, 2003, Máy nâng chuyển và thiết bị cửa van, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội. [3] Nguyễn Ngọc Phương, 2000, Hệ thống điều khiển bằng thủy lực, Nhà xuất bản giáo dục. [4] Michael J.Pinches and John G.Ashby, 1989, Power Hydraulics, Prentice Hall International (UK) Ltd. [5] Merritt, H.E, 1967, Hydraulic Control Systems, Wiley, New York [6] Japanese Standards, 1993, Technical Standards for Gates and Penstock, Japanese Hydraulic Gate and Penstocks Association. 6