Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn chế tạo tại Việt Nam

Chia sẻ: Dongcoxanh10 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:130

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn chế tạo tại Việt Nam" nhằm nghiên cứu xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo lực nén của thiết bị TNGCTTL do Việt Nam chế tạo. Dựa trên kết quả nghiên cứu thu được, luận án đưa ra một số giải pháp nâng cao độ chính xác đo lực nén của thiết bị TNGCTTL do Việt Nam chế tạo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn chế tạo tại Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------------**------------- PHẠM ĐÌNH NAM NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG LỚN CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội, 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------------**------------- PHẠM ĐÌNH NAM NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG LỚN CHẾ TẠO TẠI VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS THÁI HÀ PHI 2. TS. NGUYỄN VĂN THỊNH Hà Nội, 2022
i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Thái Hà Phi - Bộ môn máy xây dựng - Xếp dỡ, Trường Đại học Giao thông Vận tải và TS. Nguyễn Văn Thịnh - Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông Vận tải, hai người thầy đã hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo tại Bộ môn Máy xây dựng - xếp dỡ, các nhà khoa học của Trường Đại học Giao thông Vận tải, Viện Khoa học và Công nghệ giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghiệp sau thu hoạch, Trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải… đã giúp đỡ và góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu và viết luận án của mình. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Giao thông Vận tải, phòng Đào tạo sau đại học, Khoa cơ khí, Bộ môn Máy Xây Dựng cùng các phòng ban chức năng trong nhà trường đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để đạt được kết quả mong muốn. Tôi xin cảm ơn Lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ giao thông vận tải, Lãnh đạo Viện Chuyên ngành Cơ khí Tự động hóa Đo lường, Xưởng cơ khí Viện chuyên ngành cơ khí Tự động hóa Đo lường, Bộ môn Xe máy công binh - Học viện kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi đo đạc thực nghiệm thiết bị để hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều về mặt thời gian, cũng như ủng hộ về vật chất lẫn tinh thần để giúp tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Phạm Đình Nam
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn chế tạo tại Việt Nam” là công trình nghiên cứu riêng tôi. Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào. Tất cả những nội dung tham khảo và thiết kế đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Tác giả Phạm Đình Nam
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH ................................................................................ x DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU .................................................................................. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN ...................................viii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................... 6 1.1. Giới thiệu về gối cầu tải trọng lớn ................................................................. 6 1.2. Giới thiệu về thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn .............................................. 7 1.3. Giới thiệu về thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn................................... 8 1.3.1. Thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn trên thế giới ............................ 9 1.3.2. Thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn trong nước ............................ 12 1.4. Tổng quan các công trình đã nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến luận án ............................................................................................................... 20 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................ 20 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ......................................................... 29 1.5. Định hướng nghiên cứu ............................................................................... 32 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................... 34 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC CỦA THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG LỚN DO VIỆT NAM CHẾ TẠO.......................................................................................... 36 2.1. Sơ đồ hệ thống truyền động thuỷ lực thiết bị thử nghiệm gối cầu ................ 36 2.2. Mô hình động lực học hệ thống truyền động thủy lực tạo tải thẳng đứng của thiết bị TNGCTTL ............................................................................................. 38 2.3. Quy định về chế độ gia tải trong thử nghiệm gối cầu theo các tiêu chuẩn liên quan ................................................................................................................... 41
iv 2.4. Thiết lập phương trình động lực học............................................................ 43 2.5. Giải phương trình động lực học ................................................................... 58 2.6. Kết quả tính toán ......................................................................................... 61 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2................................................................................... 62 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 ................................................................................... 64 3.1. Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm ........................................................ 64 3.2. Các thông số cần đo đạc, thực nghiệm......................................................... 64 3.3. Chuẩn bị thực nghiệm ................................................................................. 64 3.3.1. Giới thiệu đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ....................................... 64 3.3.2. Giới thiệu về thiết bị đo ........................................................................ 67 3.4. Sơ đồ lắp đặt thiết bị đo và Trình tự đo đạc thực nghiệm ............................. 69 3.4.1. Sơ đồ lắp đặt thiết bị đo ........................................................................ 69 3.4.2. Trình tự lắp đặt thử nghiệm .................................................................. 70 3.5. Kết quả thực nghiệm và so sánh với kết quả lý thuyết ................................. 72 3.5.1. Xử lý kết quả đo thực nghiệm ............................................................... 72 3.5.2. Đo xác định lực nén - biến dạng gối...................................................... 73 3.5.3. Thực nghiệm giá trị áp suất khi nén gối ................................................ 77 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................... 79 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG LỚN DO VIỆT NAM CHẾ TẠO .......... 81 4.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến dao động áp suất của hệ TĐTL có áp dụng mô hình ĐLH ............................................................................................ 81 4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng bơm đến dao động áp suất .............. 81 4.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của độ nhớt dầu thủy lực....................................... 83 4.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng thí nghiệm ........................................ 85 4.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của bình tích áp trong hệ thống TĐTL .................. 86
v 4.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài đường ống trong hệ thống TĐTL..... 90 4.2. Các giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao độ chính xác cho thiết bị TNGCTTL do Việt Nam chế tạo ............................................................................................... 92 4.2.1. Giải pháp lựa chọn vị trí lắp sensor áp suất phù hợp ............................. 93 4.2.2. Giải pháp lắp bình tích áp giảm áp suất động ........................................ 97 4.2.3. Giải pháp dùng biến tần thay đổi lưu lượng bơm thủy lực ..................... 98 4.2.4. Hiệu quả áp dụng đồng thời các giải pháp........................................... 102 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4................................................................................. 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 107 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN ..................................................................................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 110 PHỤ LỤC............................................................................................................ 116
vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Ký hiệu Diễn giải Đơn vị Qb Lưu lượng lý thuyết của bơm thủy lực m3/s Qrr Lưu lượng rò rỉ qua các bề mặt làm kín m3/s Qe1 Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống khoang A1 m3/s Qe2 Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng hệ thống khoang A1 m3/s Vb Lưu lượng riêng của bơm thủy lực m3/vòng nb Tốc độ vòng quay của trục bơm thủy lực Vòng/s A1 Diện tích khoang bụng xi lanh m2 A2 Diện tích khoang cán piston m2 Cd Hệ số lưu lượng của van -  Khối lượng riêng của dầu thủy lực kg/m3 s Toán tử laplace - 50 Độ nhớt của chất lỏng ở 50oC Cst o T Nhiệt độ của chất lỏng công tác C n Chỉ số phụ thuộc vào chất lỏng - Số mũ ảnh hưởng đến độ dốc của đường cong Tribeck m - đối với chiều vận tốc âm 0 Độ cứng của sợi đàn hồi N/m 1 Hệ số ma sát vi nhớt N/m Ts Hằng số thời gian đối với động lực học ma sát nhớt s hp Hằng số thời gian đối với thời kỳ tăng tốc s hn Hằng số thời gian đối với thời kỳ giảm tốc s h0 Hằng số thời gian đối với thời gian nghỉ s  Độ lệch tâm m 𝑃 Độ chênh áp của bơm thủy lực Pa l Chiều dài đoạn ăn khớp m lc Chiều dài đường ống dẫn bằng cao su m
vii Ký hiệu Diễn giải Đơn vị lk Chiều dài đường ống dẫn bằng kim loại m dc Đường kính trong của đường ống dẫn bằng cao su m dk Đường kính trong của đường ống dẫn bằng kim loại m Ecs Mô đuyn đàn hồi của đường ống dẫn bằng cao su Pa Ek Mô đuyn đàn hồi của đường ống dẫn bằng kim loại Pa Et Mô đuyn đàn hồi của vật liệu thép chế tạo xi lanh Pa pat Áp suất của van an toàn Pa kat Hệ số lưu lượng qua van an toàn (m3/s)/pa Qat Lưu lượng qua van an toàn m3/s FCN Lực cản nhớt N Fqt Lực quán tính N Fcs Phản lực gối cầu N Fp Lực tác dụng piston N C Hệ số kháng nén N/mm2
viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Diễn giải CLCT Chất lỏng công tác HTTĐTL Hệ thống truyền động thủy lực TĐTL Truyền động thủy lực ĐLH Động lực học NCS Nghiên cứu sinh XLTL Xi lanh thủy lực TBTNGC Thiết bị thử nghiệm gối cầu TBTNGCTTL Thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật của thiết bị .................................................................. 9 Bảng 1.2. Sai số đo lực nén của thiết bị khi đo bằng áp suất .................................. 18 Bảng 2.2. Các thông số đầu vào của bài toán phân tích động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực ............................................................................. 59 Bảng 2.3. Hệ số Kđ và sai số đo tại từng nấc gia tải. .............................................. 61 Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật của thiết bị thử nghiệm gối cầu 8.000 tấn ............ 65 Bảng 3.2. Kết quả thử nghiệm biến dạng nén - gối OVM ...................................... 74 Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm biến dạng nén- gối Kawakin.................................... 75 Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm biến dạng nén- gối Mageba ..................................... 76 Bảng 4.1. So sánh ảnh hưởng lưu lượng bơm. ....................................................... 83 Bảng 4.2. So sánh ảnh hưởng độ nhớt dầu. ............................................................ 85 Bảng 4.3. So sánh ảnh hưởng tải trọng thử nghiệm. ............................................... 86 Bảng 4.4. Tổn thất áp suất và sai số đo giữa có bình tích áp và không có bình tích áp .. 90 Bảng 4.5. So sánh ảnh hưởng lưu lượng bơm. ....................................................... 92 Bảng 4.6. Tổn thất áp suất và sai số đo giữa 2 vị trí lắp sensor............................... 94 Bảng 4.7. Tổn thất áp suất và sai số đo giữa có bình tích áp và không có bình tích áp .. 98 Bảng 4.8. Hệ số Kđ thay đổi theo tần số biến tần ................................................... 99 Bảng 4.9. Sai số đo áp suất khi thay đổi tần số biến tần ....................................... 100 Bảng 4.10. Sai số đo áp suất khi lưu lượng thay đổi............................................. 101 Bảng 4.11. So sánh sai số đo áp suất trước và sau khi áp dụng các giải pháp ....... 103
x DANH MỤC HÌNH VẼ, ẢNH Hình 1.1. Cấu tạo gối chậu (di động) ....................................................................... 6 Hình 1.2. Cấu tạo bên trong khung .......................................................................... 9 Hình 1.3. Thiết bị thử nghiệm gối cầu 5.000 tấn của Tứ Xuyên - Trung Quốc ....... 11 Hình 1.4. Thiết bị thử nghiệm gối cầu 5000 tấn của hãng OVM ............................ 12 Hình 1.5. Thiết bị thử nghiệm gối cầu 4.000 tấn .................................................... 13 Hình 1.6. Thiết bị thử nghiệm gối cầu 8000 Tấn .................................................... 15 Hình 1.7. Sơ đồ hoạt động của thiết bị TNGCTTL ................................................ 16 Hình 1.8. Miền sai số đo lực nén của thiết bị TNGCTTL ....................................... 19 Hình 1.9. Sơ đồ của thiết bị thí nghiệm: (a) mặt bên và (b) mặt trước .................... 22 Hình 1.10. Mô hình sợi nhám trên hai mặt tiếp xúc ............................................... 22 Hình 1.11. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng sử dụng mô hình LuGre..... 23 Hình 1.12. Máy ép thuỷ lực của TU Dresden ......................................................... 24 Hình 1.13. Sơ đồ hệ thống thủy lực của máy ép và các thông số cần đo ................. 25 Hình 1.14. Kết quả thử nghiệm hệ thống thuỷ lực của máy ép ............................... 25 Hình 1.15. Mô hình nghiên cứu ............................................................................. 26 Hình 1.16. Mô tả chi tiết các đường ống thuỷ lực HL A và HL B .......................... 27 Hình 1.17. Biểu đồ áp suất theo thời gian giữa lý thuyết và thực nghiệm ............... 27 Hình 1.17 cho thấy thử nghiệm và mô phỏng là tương đồng nhau.......................... 27 Hình 1.18. Ứng suất nén được khuyến nghị so với Đường cong biến dạng phụ thuộc vào hệ số hình dạng của gối cao su cốt sợi thủy tinh ............................. 28 Hình 1.19. Ứng suất nén được khuyến nghị so với đường biến dạng phụ thuộc vào hệ số hình dạng của gối cao su cốt bản thép .............................................. 29 Hình 1.20. Hệ khung gia tải ................................................................................... 30 Hình 1.21. Dao động áp suất có và không có ắc quy thủy lực ................................ 31 Hình 1.22. Biểu đồ quan hệ lực – biến dạng .......................................................... 31 Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống TĐTL của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng 8.000 tấn ......36 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống TĐTL tạo tải thẳng đứng của TBTNGCTTL ................. 39
xi Hình 2.3. Mô hình ĐLH hệ thống truyền động thủy lực tạo tải thẳng đứng ............ 41 Hình 2.4. Sơ đồ gia tải khi thử nghiệm tải trọng nén thẳng đứng của gối cầu ......... 42 Hình 2.5. Sơ đồ gia tải dự kiến khi thí nghiệm tải trọng nén thẳng đứng theo áp suất ... 43 Hình 2.6. Sơ đồ dòng chảy trong mạch thủy lực cao áp ......................................... 44 Hình 2.7. Lưu lượng rò rỉ qua khe hở piston - xi lanh của bơm thủy lực ................ 46 Hình 2.8. Lưu lượng rò rỉ qua van ......................................................................... 47 Hình 2.9. Sơ đồ dòng chảy trong mạch thủy lực thấp áp ........................................ 50 Hình 2.10. Lực tác dụng lên đỉnh piston ................................................................ 53 Hình 2.11. Cấu tạo chung của gối chậu .................................................................. 57 Hình 2.12. Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng ................................................ 59 Hình 2.13. Áp suất dầu thủy lực trong XLTL tạo lực nén ...................................... 61 Hình 3.1. Sơ đồ thiết bị thử nghiệm gối cầu ........................................................... 65 Hình 3.2. Encoder dây rút ...................................................................................... 67 Hình 3.3. Hình ảnh và thông số kỹ thuật của đầu đo áp suất MI-08S-OE-2000 ...... 68 Hình 3.4. Hình ảnh và thông số kỹ thuật của đầu đo lưu lượng .............................. 68 Hình 3.5. Bộ chuyển đổi tín hiệu NI-USB 6009. .................................................... 69 Hình 3.6. Chi tiết kênh tín hiệu của NI USB-6009. ................................................ 69 Hình 3.7. Sơ đồ bố trí Thiết bị đo .......................................................................... 70 Hình 3.8. Trình tự thực hiện thử nghiệm ................................................................ 72 Hình 3.9. Đồ thị lực nén – biến dạng của gối OVM ............................................... 75 Hình 3.10. Đồ thị lực nén – biến dạng của gối - gối Kawakin ............................... 76 Hình 3.11. Kết quả mô phỏng - thực tế gối Mageba ............................................... 77 Hình 3.12. Biểu đồ dao động áp suất thực nghiệm ................................................. 77 Hình 3.13. Biểu đồ dao động áp suất tính toán lý thuyết ........................................ 78 Hình 3.14. Biểu đồ dao động áp suất lí thuyết - thực tế .......................................... 78 Hình 4.1. Dao động áp suất khi Q1= 12 L/ph ......................................................... 82 Hình 4.2. Dao động áp suất khi Q2= 8 L/ph ........................................................... 82 Hình 4.3. Dao động áp suất khi Q2= 3 L/ph ........................................................... 82 Hình 4.4. Dao động áp suất với dầu CS32 ............................................................. 84
xii Hình 4.5. Dao động áp suất với dầu CS46 ............................................................. 84 Hình 4.6. Dao động áp suất với dầu CS68 ............................................................. 84 Hình 4.7. Đồ thị dao động áp suất.......................................................................... 85 Hình 4.8. Sơ đồ thủy lực TBTNGCTTL lắp thêm bình tích áp............................... 87 Hình 4.9. Mô tả cách tính mô đun đàn hồi quy dẫn của bình tích áp ...................... 87 Hình 4.10a. Hệ thống khi chưa lắp bình tích áp ..................................................... 89 Hình 4.10b. Hệ thống lắp bình tích áp. .................................................................. 89 Hình 4.10. Mô phỏng dao động áp suất trong hệ thủy lực có bình tích áp và không có bình tích áp ...................................................................................... 89 Hình 4.11. Dao động áp suất khi L=5m ................................................................. 91 Hình 4.12. Dao động áp suất khi L=10m ............................................................... 91 Hình 4.13. Dao động áp suất khi L=20m ............................................................... 92 Hình 4.14. Sơ đồ thủy lực TBTNGCTTL lắp 2 sensor áp suất ............................... 93 Hình 4.15. Đồ thị tổn thất áp suất - sai số đo phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy ..... 95 Hình 4.16. Đồ thị tổn thất áp suất - Đường kính ống- lưu lượng CLCT ................. 95 Hình 4.17. Biểu đồ dao động áp suất sau van phân phối ........................................ 96 Hình 4.18. Biểu đồ dao động áp suất ở gần xi lanh ................................................ 96 Hình 4.19. Biểu đồ dao động áp suất ở gần xi lanh và sau van phân phối............... 97 Hình 4.20. Thực nghiệm dao động áp suất trong hệ thủy lực có bình tích áp và không có bình tích áp ...................................................................................... 98 Hình 4.21. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Kđ và tần số biến tần .............................. 99 Hình 4.22. Đồ thị biểu diễn sai số đo và tần số biến tần ....................................... 100 Hình 4.23. Biểu đồ dao động áp suất khi thay đổi lưu lượng ................................ 101 Hình 4.24. Biểu đồ dao động áp suất của TBTNGCTTL ban đầu ........................ 102 Hình 4.25. Biểu đồ dao động áp suất của TBTNGCTTL sau khi áp dụng các giải pháp ........................................................................................................... 102 Hình 4.26. Miền sai số đo lực nén của TBTNGCTTL .......................................... 103
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thử nghiệm gối cầu được quan tâm từ lâu do gối cầu là bộ phận rất quan trọng đòi hỏi phải đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe để đảm bảo an toàn cho toàn bộ công trình cầu. Trước khi đưa vào sử dụng, gối cầu phải được thử nghiệm để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật theo các tiêu chuẩn hiện hành. Trong thử nghiệm, người ta cho gối cầu chịu tác dụng của các loại lực (nén thẳng đứng hay đẩy ngang) và tiến hành đo các loại biến dạng của nó theo các cấp quy định. Thử nghiệm nhằm xem xét sự thoả mãn của các loại biến dạng của gối cầu theo lực tác dụng tại các tiêu chuẩn có liên quan. Thiết bị thử nghiệm gối cầu phải đạt cấp chính xác quy định tại các tiêu chuẩn hiện hành, theo đó nó phải đạt cấp chính xác tối thiểu 1 và tổng tải trọng tác dụng lên gối không được sai khác quá 1% so với lực yêu cầu, [29]. Ngày nay, các thiết bị đo lực, đo biến dạng, đo áp suất, đo lưu lượng của hệ thống thuỷ lực cho độ chính xác rất cao. Sai số của chúng có thể đến phần nghìn hoặc phần vạn và có thể nhỏ hơn nữa. Đối với các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng nhỏ, lực do thiết bị tạo ra được đo trực tiếp bằng cảm biến lực (loadcell). Loadcell cho giá trị đo rất chính xác. Sai số chỉ thị của nó chỉ khoảng phần nghìn giá trị đo. Do vậy, vấn đề đảm bảo cấp chính xác của những thiết bị này không cần quan tâm lớn. Hiện nay, đối với các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng nhỏ đã được chế tạo đại trà ở nước ta. Những thiết bị này hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu theo tiêu chuẩn hiện hành. Đối với việc chế tạo thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn, chúng ta hoàn toàn chủ động được phần khung, hệ thống thuỷ lực và phần điều khiển thiết bị. Do không có loại loadcell đến hàng nghìn tấn nên lực do thiết bị tạo ra được đo gián tiếp thông qua áp suất hệ thống TĐTL. Trong khi thử nghiệm, chỉ số áp suất của hệ thống TĐTL của thiết bị thường dao động. Việc đọc chính xác giá trị lực vì thế là vấn đề nan giải. Như vậy để đảm bảo được cấp chính xác theo yêu cầu của thiết bị thử nghiệm gối cầu thì vẫn còn có những khó khăn nhất định về đo lực cần giải quyết.
2 - Biên độ dao động áp suất của hệ thống TĐTL của thiết bị ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề đọc giá trị thực của lực trong quá trình thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn. Biên độ dao động áp suất càng nhỏ thì độ chính xác đọc lực càng cao. Vì vậy cần phải phân tích động lực học hệ thống TĐTL của thiết bị để tìm ra các thông số động lực học ảnh hưởng đến biên độ dao động áp suất. Từ đó tìm ra các thông số động lực học đáp ứng biên độ dao động áp suất nhỏ cho phép để đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác theo quy định của phép đo lực tại các tiêu chuẩn có liên quan. Trên cơ sở đó, NCS thực hiện nghiên cứu với đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ chính xác của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn chế tạo tại Việt Nam”. Vấn đề nghiên cứu của đề tài luận án là thiết thực, cần thiết và cũng cấp bách trong giai đoạn nước ta đang xây dựng rất nhiều công trình cầu lớn hiện nay. 2. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo lực nén của thiết bị TNGCTTL do Việt Nam chế tạo. Dựa trên kết quả nghiên cứu thu được, luận án đưa ra một số giải pháp nâng cao độ chính xác đo lực nén của thiết bị TNGCTTL do Việt Nam chế tạo. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án là thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn do Việt Nam chế tạo đang được sử dụng cho thử nghiệm các gối cầu tải trọng lớn nhập khẩu và chế tạo trong nước. b. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án là nghiên cứu động lực học hệ thống TĐTL tạo tải thẳng đứng của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn do Việt Nam chế tạo nhằm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động của áp suất hệ thống TĐTL và đưa ra các giải pháp nhằm giảm biên độ dao động của áp suất, nâng cao độ chính xác phép đo lực nén của thiết bị theo quy định tại các tiêu chuẩn hiện hành. 4. Phương pháp nghiên cứu
3 Phương pháp nghiên cứu của đề tài luận án là nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thống kê và nghiên cứu thực nghiệm. a. Nghiên cứu lý thuyết Tiến hành xây dựng sơ đồ mạch và sơ đồ động lực học hệ thống TĐTL của thiết bị; thiết lập và giải bài toán động lực học hệ thống TĐTL nhằm xác định các thông số động lực học ảnh hưởng đến biên độ dao động của áp suất hệ thống TĐTL. b. Nghiên cứu thống kê Đề tài tiến hành nghiên cứu thống kê từ các mẫu gối đã thử nghiệm trong thực tế để tìm ra mối quan hệ giữa biến dạng gối cầu và lực tác dụng đề lấy số liệu đầu vào cho phương trình động lực học hệ thống thuỷ lực. c. Nghiên cứu thực nghiệm Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu bằng lý thuyết từ đó so sánh, đánh giá rút ra kết luận về sự hợp lý mô hình tính toán theo lý thuyết. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học Luận án đưa ra được cơ sở khoa học để minh chứng rằng hoạt động của hệ thống thuỷ lực thủy tĩnh có phát sinh dao động áp suất rõ rệt ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả đo. Kết quả nghiên cứu này mang ý nghĩa khoa học lớn. Trên cơ sở nghiên cứu ĐLH hệ TĐTL của thiết bị và áp dụng phần mềm Matlab simulink để giải, luận án đã xác định được biên độ dao động của áp suất hệ TĐTL tại các nấc gia tải và đây là nguyên nhân làm giảm độ chính xác của TBTNGCTTL. Bên cạnh đó cũng tìm ra được công thức biểu thị mối quan hệ giữa lực gia tải và biến dạng của gối cầu khi thử nghiệm. b. Ý nghĩa thực tiễn Đã nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác của TBTNGCTTL làm cơ sở khoa học để hoàn thiện các TBTNGCTTL do Việt Nam chế tạo.
4 Kết quả nghiên cứu của luận án đã áp dụng vào thực tế thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT, tạo điều kiện thuận lợi cho các đơn vị thử nghiệm gối cầu không phải mang ra nước ngoài, nhờ đó tiết tiệm được nhiều tiền bạc, thời gian, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đảm bảo tiến độ thi công các công trình cầu ở nước ta. Việc làm của luận án có ý nghĩa thực tế rất rõ. 6. Điểm mới của luận án Luận án đã đưa ra cơ sở khoa học thể hiện qua những vẫn đề mới sau đây: a. Đã xây dựng và khảo sát mô hình động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn, phát hiện được hiện tượng phát sinh dao động áp suất trong hoạt động của hệ thống thuỷ lực thuỷ tĩnh. b. Đã xác định được biên độ dao động của áp suất hệ thống truyền động thuỷ lực tại các nấc gia tải (nguyên nhân làm giảm độ chính xác của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn). c. Xác định được quan hệ giữa lực gia tải và biến dạng gối cầu khi thử nghiệm và các yếu tố ảnh hưởng đến dao động áp suất của hệ thống thuỷ lực của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn chế tạo tại Việt Nam. d. Đã đề xuất giải pháp kĩ thuật nhằm nâng cao độ chính xác của TBTNGCTTL do Việt Nam chế tạo. 7. Bố cục và nội dung nghiên cứu của luận án Bố cục và nội dung của luận án bao gồm các phần sau: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Giới thiệu về gối cầu tải trọng lớn, công tác thử nghiệm gối cầu, thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn ở Việt Nam và trên thế giới. Trình bày tổng quan về các kết quả nghiên cứu đã công bố ở trong và ngoài nước có liên quan đến nội dung của luận án. Từ đó xây dựng mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu của luận án. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC HỆ TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC CỦA THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG LỚN DO VIỆT NAM CHẾ TẠO
5 Trình bày phương pháp tính toán, xây dựng hệ thống TĐTL của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn. NCS tiến hành thiết lập và giải mô hình ĐLH hệ thống TĐTL của máy trong quá trình làm việc. Từ đó xác định biên độ dao động áp suất trong hệ thống, các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động áp suất. Là căn cứ đưa ra các giải pháp kĩ thuật làm giảm biên độ dao động áp suất, nâng cao độ chính xác của thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG THUỶ LỰC CỦA THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG LỚN DO VIỆT NAM CHẾ TẠO Nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng đến 8000 tấn do Việt Nam chế tạo để kiểm chứng phương pháp tính toán, mô hình thuật toán cũng như xác định một số thông số đầu vào để giải bài toán ĐLH hệ thống TĐTL ở chương 2. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG LỚN DO VIỆT NAM CHẾ TẠO Sau khi đã thực nghiệm kiểm tra tính đúng đắn của mô hình toán, NCS tiến hành khảo sát ảnh hưởng các thông số đến biên độ dao động áp suất của hệ thống. Trên cơ sở phân tích các yếu tố ảnh hưởng đó, tiến hành đưa ra các giải pháp kĩ thuật nhằm giảm biên độ dao động áp suất trong hệ thống TĐTL của thiết bị, từ đó nâng cao độ chính xác của thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn do Việt Nam chế tạo. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu về gối cầu tải trọng lớn Gối cầu là bộ phận trung gian liên kết giữa kết cấu nhịp phần trên và kết cấu phần dưới như mố, trụ cầu của công trình cầu. Gối cầu có nhiệm vụ truyền áp lực tập trung từ kết cấu nhịp xuống mố trụ, đảm bảo cho đầu kết cấu nhịp có thể quay hoặc di động tự do dưới tác dụng của hoạt tải và nhiệt độ thay đổi, [22]. Gối cầu tải trọng lớn là loại gối cầu có tải trọng thử nghiệm từ 3000 Tấn (tương đương 30.000kN) trở lên. Các loại gối cầu tải trọng lớn rất đa dạng có thể là gối thép, gối cao su, gối chậu…tuy nhiên gối chậu được sử dụng nhiều và phổ biến nhất. Gối chậu được chia làm hai loại: gối cố định và gối di động. Cấu tạo gối chậu gồm một tấm cao su hình tròn đặt trong một bộ phận bằng thép có dạng hình chậu. Chuyển vị xoay của đầu kết cấu nhịp được đảm bảo bởi biến dạng cắt đàn hồi của tấm cao su. Nhờ có chậu thép, tấm cao su có khối lượng không đổi và không bị nén dưới tải trọng. Trong gối di động, chuyển vị trượt của gối do tấm Teflon PTFE (polytetra fluoroethylene) trượt trên mặt thép. Tấm trượt Teflon PTFE được đặt trong khấc lõm của bản thép. Trên mặt tấm trượt PTFE là một lá thép làm bằng thép hợp kim, mịn phẳng và không gỉ. Hình 1.1. Cấu tạo gối chậu (di động)