Tổng Lưu Lượng Dầu Cung Cấp Cho Động Cơ Thủy Lực Dẫn Động Mâm Khoan

Hình 2.9. Tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan

Hình 2.10. Số vòng quay của mâm khoan

Nhận xét: Với các kết quả nhận được sau khi chạy chương trình mô phỏng có thể thấy rằng, các thông số ĐLH thay đổi nhiều trong giai đoạn khởi động hoặc khi lực cản tác dụng vào gầu khoan thay đổi, sau đó bình ổn về giá trị trung bình của nó, cụ thể như sau:

- Áp suất trong mạch cao áp thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi của mômen cản, áp suất động lớn nhất là 80.105 Pa. (Hình 2.6).

- Tổng công suất của động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan dao động trong khoản từ 16 ÷30 Kw, (Hình 2.8).

- Tổng lưu lượng dầu cung cấp cho động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan thay đổi theo thời gian với giá trị lớn nhất 342 lít/phút tại thời điểm 0,5s khi khởi động, lưu lượng đạt giá trị trung bình 236 lít/phút, (Hình 2.9).

- Số vòng quay của mâm khoan thay đổi theo thời gian, giá trị lớn nhất 17,4 vòng/phút tại thời điểm 0,5s khi khởi động và đạt giá trị trung bình 12 vòng/phút, (Hình 2.10).

2.2.2. Nghiên cứu động lực học hệ thống truyền động thuỷ lực ép mâm khoan‌

Từ sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động chung cho MKCN lắp trên cần trục bánh xích Hitachi CX500 ở Hình 2.1 ta có sơ đồ mạch thủy lực của hệ thống xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan được biểu diễn như Hình 2.11 dưới đây:

P1 P2 P3 P4

Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống truyền động thủy lực của xi lanh ép mâm khoan 1 - Động cơ Diezel; 2, 3 - Bơm thủy lực; 4 -Bơm điều khiển;

5 - Van phân phối chính; 6 - Xi lanh ép mâm khoan.

Nguyên lý làm việc: Động cơ Diezel (1) dẫn động bơm dầu (3) tạo ra dòng dầu có áp suất cao cung cấp cho hai xi lanh thủy lực (6) ép mâm khoan. Khi van (5) ở trạng thái đóng, dầu quay trở về thùng, khi van (5) mở, dầu cao áp được cung cấp cho 2 xi lanh tác động ép mâm khoan đi xuống. Để đảm bảo an toàn cho xi lanh ép mâm khoan trong mạch có sử dụng các van an toàn.

2.2.2.1. Xây dựng mô hình động lực học hệ thống xi lanh thủy lực khi ép mâm khoan

Khi ép mâm khoan đi xuống, dầu áp suất cao sẽ được cung cấp cho xi lanh ép, nhờ vậy xi lanh thủy lực duỗi ra để ép mâm khoan. Quá trình ép không diễn ra liên tục mà chỉ khi bị kẹt, người lái mới cho xi lanh ép làm việc trong thời gian ngắn để gầu thoát qua khỏi điểm kẹt hoặc khi gặp lớp đất cứng, người lái kết hợp cho

động cơ thủy lực dẫn động mâm khoan kết hợp với ép xi lanh để tăng cường hiệu quả cắt đất.

Để xây dựng mô hình ĐLH, cần sử dụng các giả thiết như sau [10], [17]:

- Không xét quá trình tạo sóng trong ống thủy lực;

- Van an toàn được coi như khâu không tuyến tính và không quán tính;

- Lực cản nội ma sát của xi lanh thủy lực được tính đến thông qua hiệu suất cơ khí ηc;

- Mô đun dầu đàn hồi của các ống dẫn không phụ thuộc vào áp suất trong hệ

thống;

- Tổn thất năng lượng trong hệ thống được tính thông qua ma sát nhớt, ma sát khô và mất mát thể tích của bơm thủy lực;

- Không xét đến quán tính của dầu trong quá trình hệ thống thủy lực làm việc;

- Các thông số kỹ thuật của dầu (trọng lượng riêng, độ nhớt, mô đun đàn hồi) được coi là hằng số;

- Tổn thất lưu lượng của bơm thủy lực trong giới hạn chế độ làm việc tỷ lệ với áp suất trong đường ống;

- Không xét tới ảnh hưởng của rò rỉ trong các khoang của xi lanh;

- Lực ma sát ở van an toàn là nhỏ nên bỏ qua;

- Chưa xét đến ảnh hưởng của van tiết lưu;

- Không xét đển ảnh hưởng của van phân phối trong quá trình làm việc;

- Coi lực cản đất tác dụng vào xi lanh là hằng số;

- Hai xi lanh thủy lực ép mâm khoan giống nhau.

Từ sơ đồ hệ thống thủy lực dẫn động xi lanh ép mâm khoan đã mô tả ở trên, xây dựng được mô hình ĐLH xi lanh ép mâm khoan như sau:

Ea pa

Qxl

Qt

D

D

A1

pa pt

A B

A2

P T

d

d

Qat

Qb

Vb

pat

M

pt

mqd

nb

rb

Fc

Fqt

qe

Hình 2.12. Mô hình nghiên cứu động lực học xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan

Trong đó:

Vb: Lưu lượng riêng của bơm số 3, m3/vòng; nb: Số vòng quay của trục bơm số 3, vòng/s;

rb: Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực số 3, (m3/s)/Pa;

pa: Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp của xi lanh, Pa; pt: Áp suất của dầu công tác trong nhánh thấp áp của xi lanh, Pa; pat: Áp suất cài đặt của van an toàn, Pa;

Ea: Biến dạng đàn hồi trong đường ống cao áp, m3/Pa; Qb: Lưu lượng của bơm số 3, m3/s;

Qxl: Lưu lượng cần thiết cung cấp cho xi lanh, m3/s; Qat: Lưu lượng dầu qua van an toàn, m3/s;

Fc: Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình làm việc, N.

2.2.2.2. Thiết lập phương trình chuyển động

NCS sử dụng định luật bảo toàn năng lượng, viết cho phương trình dòng chảy liên tục của dầu công tác trong các đường ống và phương trình cân bằng lực. Xét cho trường hợp khi gầu khoan bị kẹt, cần ép xi lanh để gầu khoan thoát qua điểm kẹt.

a) Phương trình dòng chảy liên tục trong đường ống cao áp:

Qb = QE + Qrb + Qxl + Qat

Suy ra: QE = Qb - Qrb - Qxl - Qat (2.17)

Các đại lượng trong (2.17) được xác định như sau:

Lưu lượng lý thuyết của bơm:

Qb= Vb.nb.X(t), m3/s

(2.18)

Có thể bạn quan tâm!

• Sơ Đồ Cấu Tạo Của Máy Khoan Cọc Nhồi Kiểu Gầu Xoay
• Các Thông Số Cơ Bản Của Thanh Kelly Đã Tính Toán Thiết Kế
• Ứng Dụng Matlab – Simulink Giải Phương Trình Chuyển Động
• Sơ Đồ Khối Chương Trình Mô Phỏng Xi Lanh Thủy Lực Ép Mâm Khoan
• Số Vòng Quay Của Mâm Khoan Ứng Với Các Hiệu Suất Bơm Khác Nhau
• Thiết Lập Và Giải Bài Toán Xác Định Các Thông Số Kết Cấu Và Thông Số Làm Việc Hợp Lý Của Gầu Khoan Theo Hàm Chi Phí Năng Lượng Riêng‌

Xem toàn bộ 160 trang tài liệu này.

Trong đó: Vb: Lưu lượng riêng của bơm số 3, m3/vòng; nb: Tốc độ quay của trục bơm, vòng/s;

X(t): Hệ số điều chỉnh lưu lượng của bơm: Lưu lượng chất lỏng rò rỉ ở bơm thủy lực:

0  X(t) 1

Qrb=rb.pa, m3/s

(2.19)

Trong đó: pa: Áp suất của dầu công tác trong nhánh cao áp, Pa;

rb: Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực số 3, (m3/s)/Pa.

Hệ số tổn thất lưu lượng ở bơm thủy lực được xác định như sau [50]:

r =Vb.[nb].(1−ηb), (m3/s)/Pa

b [pb]

(2.20)

Trong đó:

b: Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực số 3;

[pb]: Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực số 3, Pa;

[nb]: Tốc độ quay danh nghĩa của bơm thủy lực số 3, vòng/s.

Lưu lượng tiêu thụ của 2 xi lanh:

Qxl = 2A1.vxl, (m3/s)

(2.21)

Trong đó: A1: Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh ép, m2; vxl: Vận tốc dịch chuyển của xi lanh, m/s.

Lưu lượng chất lỏng làm biến dạng đường ống:

Q = E .dpa, (m3/s)

E a dt

(2.22)

Trong đó: Ea : Biến dạng đàn hồi trong ống dẫn cao áp, được xác định như sau[70]:

E = Vc + Vkl , (m3/Pa)

a Ec Ekl

(2.23)

Vc: Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng cao su, m3; Vkl: Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng kim loại, m3; Ec: Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng cao su, Pa;

Ekl: Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống dẫn bằng kim loại, Pa. Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng cao su được xác định như sau:

V = l . π.d2 , m3

c

c c 4

(2.24)

Trong đó: dc: Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng cao su, m;

lc: Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng cao su, m.

Thể tích dầu công tác trong đường ống dẫn bằng kim loại được xác định như sau:

π. d2l

V = l . k, m3 kl kl 4

(2.25)

Trong đó: dkl: Đường kính trong của ống dẫn dầu bằng kim loại, m; lkl: Chiều dài đường ống dẫn dầu bằng kim loại, m.

Lưu lượng qua van an toàn tổng:

Qat = (pa − pat). kat, m3/s

Nếu pa  pat thì Qat =(pa-pat).kat , ngược lại Qat = 0; Trong đó: pat: Áp suất cài đặt của van an toàn tổng, Pa;

kat: Hệ số lưu lượng qua van an toàn tổng, (m3/s)/Pa.

Thay các giá trị trên vào phương trình (2.17) ta được:

E .dpa= V . n

. X(t) − Vb.[nb].(1−ηb) . p

− 2A . v

− (p − p ). K

(2.26)

a dt b b

[Pb]

a 1 xl

a at at

b) Phương trình cân bằng lực

Fqt - mqd.g + Fc -2Fxl = 0

Suy ra: Fqt= 2Fxl + mqd.g – Fc

(2.27) (2.28)

Các đại lượng trong (2.27) và (2.28) được xác định như sau:

Lực quán tính:

F = m .dVe(N)

qt qd dt

(2.29)

Với mqd: Khối lượng quy dẫn về đỉnh piston, kg.

mqd = mmâmquay + mkelly + mgầu + mđất + mben

(2.30)

mmâmquay: Khối lượng của mâm quay, kg; mkelly: Khối lượng của thanh kelly, kg; mgầu: Khối lượng của gầu, kg;

mđất: Khối lượng của đất, kg;

mben: Khối lượng của Bentonite, kg.

Lực ép do xi lanh thủy lực tạo ra:

Fxl = (pa. A1 − pt. A2). ηc , (N) (2.31)

pa: Áp suất dầu công tác trong nhánh cao áp xi lanh ép, Pa; pt: Áp suất dầu công tác trong nhánh thấp áp xi lanh ép, Pa;

A1: Diện tích tiết diện khoang cao áp của xi lanh ép, m2; A2: Diện tích tiết diện khoang thấp áp của xi lanh ép, m2;

c: Hệ số tổn thất trong xi lanh ép.

Fc: Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình máy làm việc, N, (Phụ lục P1.5).

Thay (2.29), (2.30) và (2.31) vào phương trình (2.28) chúng ta được:

m dve  2(p .A  p .A ). m .g  F

qd dt a 1 t 2 c qd c

(2.32)

Vậy hệ phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống TĐTL dẫn động xi lanh thủy lực ép mâm khoan đi xuống như sau:

dpa

E . = V n

Vb. [nb]. (1 − ηb)

X(t) − . p

− 2A . v

− (p − p

). K

a dt

b. b.

[pb]

a 1 xl

a at at

m dve

 2(p .A  p .A ). m .g  F

(2.33)

qd dt

a 1 t 2 c qd c

2.2.2.3. Ứng dụng Matlab – Simulink giải phương trình chuyển động

Để giải hệ phương trình vi phân (2.33) trên, sử dụng thuật toán Runge-Kutta trong môi trường Matlab Simulink [38]. Để nghiên cứu khảo sát đánh giá các thông số ĐLH của xi lanh ép mâm khoan trên MKCN kiểu gầu xoay, tiến hành xác định các thông số đầu vào của bài toán, nội dung tính toán được trình bày trong Phụ lục 1.

Các thông số tính toán được liệt kê tóm tắt trong Bảng 2.2 dưới đây:

Bảng 2.2. Bảng các thông số chạy chương trình mô phỏng của xi lanh thủy lực ép mâm khoan

TT

Thông số	Ký hiệu	Đơn vị	Giá trị
	Bơm thủy lực số 3
1	Lưu lượng riêng của bơm thủy lực số 3	Vb	m3/vòng	0,000112
2	Số vòng quay danh nghĩa của bơm thủy lực số 3	[nb]	vòng/s	35
3	Áp suất danh nghĩa của bơm thủy lực số 3	[pb]	Pa	2,5.107
4	Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực số 3	ηb	-	0.92
5	Hệ số điều chỉnh lưu lượng bơm	X(t)	-	0 - 1
	Van an toàn

6

Áp suất van an toàn tổng	pat	Pa	2,8.107
7	Hệ số lưu lượng qua van an toàn tổng	Kat	(m3/s)/Pa	6,67.10-10
8	Lưu lượng qua van an toàn tổng	Qat	m3/s	0,004
	Đường ống dẫn dầu thủy lực
9	Chiều dài đường ống bằng cao su	lc	m	5,5
10	Chiều dài đường ống bằng kim loại	lkl	m	3,0
11	Đường kính trong của đường ống cao su	dc	m	0,018
12	Đường kính trong của đường ống kim loại	dkl	m	0,018
13	Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống làm bằng cao su	Ec	MPa	0,09.106
14	Mô đun biến dạng đàn hồi của đường ống làm bằng kim loại	Ekl	MPa	0,21.106
15	Chiều dày của đường ống cao su	δc	m	0,006
16	Chiều dày của đường ống kim loại	δkl	m	0,004
	Dầu công tác
17	Mô đun biến dạng đàn hồi của dầu công tác	Elq	MPa	150
	Xi lanh thuỷ lực
18	Đường kính trong của xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan	D	mm	112
19	Đường kính cán piston ép mâm khoan	d	mm	50
20	Hành trình xi lanh thuỷ lực ép mâm khoan	H	mm	800
	Các thông số khác
21	Khối lượng quy dẫn về đỉnh của piston	mqd	kg	25171
22	Tổng lực cản quy dẫn về cán xi lanh trong quá trình máy làm việc	Fc	N	22660

2.2.2.4. Chương trình chạy mô phỏng động lực học xi lanh thủy lực ép mâm khoan

Sau khi xây dựng chương trình, xác lập được sơ đồ khối bài toán biểu thị như trên Hình 2.13 dưới đây: