BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------VŨ VĂN TRỊNH

VŨ VĂN TRỊNH

MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỐI ƯU
HÓA TRẠM NGUỒN THỦY LỰC KIỂU BƠM-BÌNH TÍCH NĂNG
CHO HỆ THỐNG THỦY LỰC NHIỀU CƠ CẤU CHẤP HÀNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
MÁY VÀ THIẾT BỊ THỦY KHÍ

2009-2011
Hà Nội – 2012


Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

Luận văn thạc sỹ

MỤC LỤC
Phần I. Cơ sở hình thành đề tài
I. Cơ sở hình thành đề tài…………………………………………………….6
II. Cơ sở lý thuyết về cân bằng năng lượng trong hệ thống truyền động thủy
lực………………………………………………………………………..7
Phần II. Mục đích của đề tài

Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

Luận văn thạc sỹ

1.1.1 Tính chọn cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng………………….29
1.1.2 Tính chọn cơ cấu chấp hành chuyển động quay…………………..30
1.1.3 Tính chọn ống dẫn………………………………………………….31
1.1.4 Tính chọn bơm nguồn……………………………………………..32
1.1.5 Tính chọn bình tích năng…………………………………………..33
1.1.6 Tính chọn các phần tử điều khiển…………………………………40
1.2.

Các yêu cầu kỹ thuật đối với các HTTL là cơ sở cho tính toán tối ưu……..43

II. Phương pháp xây dựng và tính toán tối ưu cho hệ thống……………….45
2.1.

Đối với các cơ cấu chấp hành…………………………………………45

2.2.

Xây dựng sơ đồ nguyên lý làm việc của hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu
chấp hành………………………………………………………………45

2.3.

Tính toán thông số và lựa chọn thiết bị trạm bơm nguồn và trạm bình
tích……………………………………………………………………..46



Luận văn thạc sỹ

MỤC LỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống thủy lực hoạt động có chu kỳ
Hình 2.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cầu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả năng
điều chỉnh lưu lượng
Hình 2.2 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng nhiều bơm cấp
Hình 2.3 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm kết hợp bộ tiết
lưu
Hình 2.4 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp bình
tích năng
Hình 2.5 Hệ thống kết hợp trạm bình tích và trạm bơm nguồn cấp cho nhiều cơ cấu
chấp hành
Hình 2.6 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống
Hình 2.7 Trạm nguồn kết hợp trạm bình tích
Hình 2.8 Mô tả tổn thất cơ khí trong hệ thống
Hình 2.9 Biểu đồ quan hệ P-Q
Hình 2.10 Tổn thất trong hệ thống thủy lực
Hình 2.11 Biểu đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống hoạt động có chu kỳ
Hình 3.1 Sự biến thiên lưu lượng trong hệ thống có nhiều cơ cấu chấp hành
Hình 4.1 Hệ thống sử dụng một bơm cố định
Hình 4.2 Hệ thống sử dụng nhiều máy bơm
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
3

 


Bảng 4.2 Bảng tóm tắt năng lượng phương án III
Bảng 4.3 Bảng tóm tắt năng lượng phương án IV
Bảng 4.4 Số hiệu và chức năng của các ký hiệu
Bảng 4.5 So sánh hiệu suất giữa các phương án lựa chọn

GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
5

 


Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

Luận văn thạc sỹ

PHẦN I: CƠ SỞ HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI
I. Cơ sở hình thành đề tài
Hiện nay, trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước nói
chung và trong lĩnh vực công nghiệp nói riêng, tốc độ công nghiệp hóa của
nước ta diễn ra với tốc độ chóng mặt. Bên cạnh việc tận dụng những nguồn lực,
cơ sở vật chất đã có từ trước đó thì việc đầu tư nghiên cứu, ứng dụng Khoa học
kỹ thuật vào sản xuất đang được nhà nước khuyến khích mạnh mẽ. Trong lĩnh
vực công nghiệp, các dây chuyền sản xuất cũ dần dần được thay thế bởi những
dây chuyền sản xuất tiên tiến, giúp tăng năng suất lao động, tiết kiệm chi phí
sản xuất, tiết kiệm năng lượng tiêu hao cho mỗi ca sản xuất.
Xuất phát từ thực tế về nhu cầu cân bằng năng lượng và tối ưu hóa trong quá

nó luôn biến đổi theo thời gian tùy theo yêu cầu của hệ thống. Nhưng ta luôn
xác định được biểu đồ năng lượng cần cấp cho hệ thống trong một chu kỳ vận
hành của nó. Sau mỗi chu kỳ vận hành, biểu đồ năng lượng lại trở về trạng thái
ban đầu, bắt đầu một quá trình mới lặp lại.

 
Hình 1.1 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống thủy lực
hoạt động có chu kỳ
Nói đến năng lượng cấp lên cho hệ thống thủy lực là ta nói đến hai yếu tố
ảnh hưởng tới năng lượng cấp cho hệ thống là áp suất và lưu lượng.

GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
7

 


Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

Luận văn thạc sỹ

Xét về yếu tố áp suất trong hệ thống thủy lực. Một ưu điểm tuyệt vời của hệ
thống thủy lực là khi cần lực bao nhiêu thì áp suất thay đổi để đáp ứng theo yêu
cầu bấy nhiêu. Chỉ với điều kiện cần là áp suất bơm nguồn đủ đáp ứng yêu cầu
của hệ thống thì hệ thống luôn được cấp đủ áp suất cần thiết để vận hành. Khi
hệ thống không hoạt động hết công suất định mức thì có thể xả áp để phù hợp

 

Luận văn thạc sỹ

đề đặt ra ở đây là phân tích, lựa chọn phương án tối ưu để điều chỉnh lưu lượng
cấp lên cho các cơ cấu chấp hành trong hệ thống sao cho đảm bảo được tính vận
hành ổn định của hệ thống, thỏa mãn được bài toán kinh tế, đảm bảo hiệu suất
tối thiểu cần đạt được của hệ thống.

GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
9

 


Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

Luận văn thạc sỹ

PHẦN II: MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
I. Phân loại mô hình các hệ thống thủy lực
1.1 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp có khả
năng điều chỉnh lưu lượng

 


cho hệ thống nhiều cơ cấu chấp hành là không tối ưu về mặt hiệu suất của hệ
thống.
1.2 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng hệ thống nhiều bơm
cấp

 

 
Hình 2.2 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng nhiều bơm cấp

Xét hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng nhiều bơm cấp. Để
giải quyết bào toán hiệu suất của hệ thống nhiều cơ cấu chấp hành, đảm bảo việc
sử dụng đồng thời các cơ cấu chấp hành trong cùng một khoảng thời gian, người ta
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
11

 


Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

Luận văn thạc sỹ

đưa ra phương án sử dụng nhiều bơm cấp. Mỗi cơ cấu chấp hành sử dụng một bơm
cấp riêng lẻ, công suất của bơm cấp tùy thuộc vào yêu cầu của cơ cấu chấp hành.
Như vậy các cơ cấu chấp hành có thể vận hành độc lập hoặc đồng thời mà không bị

Luận văn thạc sỹ

chỉnh thông qua bộ tiết lưu tùy theo yêu cầu của cơ cấu chấp hành. Hệ thống này
đảm bảo được khả năng vận hành độc lập hay đồng thời của các cơ cấu chấp hành,
sử dụng một bơm cấp, số lượng thiết bị phụ trợ đi kèm ít, chi phí đầu tư ban đầu
không lớn. Tuy nhiên, khi hệ thống hoạt động không hết công suất thì bơm nguồn
vẫn cấp lên lượng lưu lượng như khi hoạt động hết công suất. Lưu lượng chuyển
lên cơ cấu chấp hành bị điều tiết qua hệ thống tiết lưu dẫn đến tình trạng hệ thống
bị tổn hao năng lượng khi qua bộ tiết lưu, toàn bộ nguồn năng lượng thừa không sử
dụng sẽ bị chuyển hóa thành nhiệt năng. Điều này sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng
tới tuổi thọ của hệ thống. Vì vậy xét về mặt tối ưu hóa năng lượng trong hệ thống
thì phương án sử dụng bộ tiết lưu điều chỉnh lưu lượng cấp lên cho hệ thống nhiều
cơ cấu chấp hành là không đạt yêu cầu.
1.4 Hệ thống thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành sử dụng bơm cấp kết hợp
bình tích năng

 

 
Hình 2.4 Hệ thống thủy lực nhiều CCCH sử dụng bơm cấp kết hợp
bình tích năng

GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
13

 



 

Luận văn thạc sỹ

bình tích năng sẽ có nhiệm vụ bù phần thiếu hụt cho hệ thống, đảm bảo cung cấp
đủ nhu cầu năng lượng cho hệ thống.

Hình 2.6 Sơ đồ biến đổi lưu lượng trong hệ thống
Ta có thể nhận thấy ưu điểm của hệ thống sử dụng bơm cấp kết hợp bình
tích năng như đáp ứng đủ và kịp thời nhu cầu năng lượng của cơ cấu chấp
hành, giải quyết được vấn đề tối ưu hóa năng lượng trong hệ thống, đảm bảo
sự hoạt động độc lập hay đồng thời của các cơ cấu chấp hành, chi phí đầu tư
ban đầu không lớn.

GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
15

 


Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

Luận văn thạc sỹ

Hình 2.7 Trạm nguồn kết hợp trạm bình tích
II. Những yêu cầu chỉ tiêu về cân bằng năng lượng tối ưu cho hệ thống

Sở dĩ có sự khác nhau giữ lưu lượng cấp của nguồn cấp và lưu lượng vận hành
của cơ cấu chấp hành là do trong quá trình vận hành của hệ thống có sự tổn thất
lưu lượng trong hệ thống (như đã nói ở trên, trong phạm vi bài viết này ta coi áp
suất là một hàng số không đổi nên ta coi việc tổn thất áp suất trong quá trình vận
hành là không có và do đó việc tổn hao công suất không liên quan đến áp suất của
hệ thống).
III.

Xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu
chấp hành

Để xây dựng quy trình tối ưu hóa trạm nguồn thủy lực nhiều cơ cấu chấp hành,
trước tiên ta phải tìm hiểu đến các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất của hệ thống
thủy lực. Trong một hệ thống thủy lực nói chung, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới
hiệu suất của hệ thống. Cụ thể ở đây là các nhân tố gây nên tổn thất của hệ thống.
Có thể chỉ ra một số yếu tố sau:
- Tổn thất cơ khí;
- Tổn thất thể tích (lưu lượng);
- Tổn hao áp suất.
3.1 Tổn thất cơ khí
- Ma sát giữa các vật rắn: ổ bi, pít tông – xy lanh (chỉ bơm và động cơ)
ck  ckBom .ckDC
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
17

 



Qb 

Q Q  Qb  Qb 

 1 

Q0
Q0
Q0 


Q0 Qd  Qd  Qd 

 1 

Qd
Qd
Qd 

Q  Qb .Q d

Qd 

P

Bom

Q

Qo

+ Độ nhẵn thành ống;
+ Độ lớn tiết diện ống;
+ Tốc độ dòng chảy;
+ Sự thay đổi tiết diện.
+ Trọng lượng riêng và độ nhớt của chất lỏng.
Tổn thất áp suất trong đường ống xuất hiện chủ yếu do ma sát của chất lỏng nên
thường được gọi là tổn thất ma sát, đối với đường ống tròn ta có:
Dp = p1- p2 = l.(L/d) .( r/2). v2,
trong đó Dp
l
L, d

– tổn thất áp suất;

– hệ số ma sát;
– chiều dài và đường kính đoạn ống;

r – khối lượng riêng của chất lỏng;
v – tốc độ chảy của chất lỏng trong đường ống.
Trong chế độ chẩy tầng (Re < 2300), hệ số ma sát:
l = 64/Re = 64ν/vd
Thay giá trị của l vào phương trình ta được
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
19

 



 


Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

Luận văn thạc sỹ

Kt = 1/Rt =Q/∆p; Q = Kt Dp
Trong chế độ chẩy rối độ dẫn thuỷ lực:
Kr = 1/Rr =Q2/∆p; Q = sqrt(Kr∆p)
Sức cản cục bộ. Nếu như tổn thất ma sát xẩy ra trên toàn bộ chiều dài của đường
ống thì tổn thất cục bộ chỉ xuất hiện ở những nơi dòng chẩy bị biến đổi đột ngột về
tiết diện và hướng khi qua các phần tử của hệ thống thuỷ lực hay còn gọi là sức cản
cục bộ.
Tổng thất áp suất tại sức cản cục bộ đươc tính theo công thức
Dp = x(v2r/2.) , DH = x(v2/2g),
trong đó Dp và DH

– tổn thất áp suất và tổn thất cột áp;

x – hệ số tổn thất cục bộ.
Trong các tính toán thuỷ lực thường gặp nhất hai trường hợp: dòng chẩy mở rộng
đột ngột và thu hẹp đột ngột.
Đối với hai trường hợp này, hệ số tổn thất cục bộ được xác định bởi công thức
Dòng chẩy đột mở:
xđm =(1-(f1/f2))2
hoặc xđm =((f2/f1)-1)2,



f – tiết diện lỗ;
Dp = p1- p2 - tổn thất áp suất qua lỗ
p1 và p2 - áp suất trước và sau lỗ;
r – khối lượng riêng của chất lỏng.
Hệ số lưu lượng m được xác định bằng thực nghiệm theo công thức
m =Q/Qt,
GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường

Học viên: Vũ Văn Trịnh
22

 


Viện Cơ khí Động lực
Bộ môn Máy và Tự động thủy khí
 

trong đó

Q

Luận văn thạc sỹ

– lưu lượng thực tế đo được;

Qt = f. sqrt(2∆p/r)

– lưu lượng tính theo lý thuyết.

Ni = k.Pi.Qi
Cân bằng năng lượng trong hệ thống ta có:
N 0   Ni  N

Trong đó:
ΔN – tổn thất công suất trong hệ thống;

 N   k.P .Q  T – Tổng công suất tiêu thụ của các cơ cấu chấp hành (là một đại
i

i

i

lượng biến thiên).
Chính vì vậy hệ thống được đánh giá là tối ưu về năng lượng khi trạm nguồn có
khả năng điều chỉnh bám theo giá trị biến thiên

N

i

. Qua những phân tích trên

đây, ta có nhận xét sau:
- Trạm nguồn thủy lực được tích hợp tối ưu khi có khả năng điều chỉnh bám
theo giá trị công suất hữu ích tức thời   Ni của hệ thống dựa trên tính chu
kỳ hoạt động tuần hoàn của hệ thống trong dây chuyền công nghệ.

GVHD: TS. Hoàng Sinh Trường