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

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