Luận án tiến sĩ: Cải thiện đặc tính động lực học tầng điều khiển van servo vòi phun điện thủy lực - Tác giả: Phạm Xuân Hồng Sơn

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả Phạm Xuân Hồng Sơn.

TÓM TẮT LUẬN ÁN Van servo điện thủy lực là phần tử chính trong các hệ thống điều khiển thủy lực và điện thủy lực mà ở đó các kỹ thuật cơ khí, thủy lực và điện tử đƣợc kết hợp một cách hoàn hảo. Với các điểm nổi bật nhƣ đáp ứng động lực học nhanh, độ chính xác điều khiển cao và tuổi thọ cao, van servo điện thủy lực đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ngành nhƣ: vũ trụ, không gian, công nghiệp hóa chất, ngành luyện kim, vv… Van servo vòi phun điện thủy lực là loại van phổ biến nhất của van servo điện thủy lực. Dựa vào một lƣợng lớn các tài liệu nghiên cứu gần đây ở nƣớc ngoài, các thông tin chi tiết của các phát minh và ứng dụng van servo điện thủy lực ở châu Âu, Á và Mỹ, luận án đã thu thập nhiều dữ liệu quan trọng để từ đó xây dựng phƣơng pháp lý thuyết để thiết kế van servo vòi phun điện thủy lực. Thông qua tình hình ứng dụng van servo điện thủy lực ở Việt Nam và ở nƣớc ngoài đã chỉ ra sự cần thiết phải phát triển loại sản phẩm này.

Từ việc trình bày chi tiết kết cấu của van servo vòi phun điện thủy lực hai cấp phản hồi lực, sự cân bằng lực của “động cơ điều khiển xoay” (torque motor), cụm phần ứng và con trƣợt, luận án đã đề xuất phƣơng pháp lý thuyết, xây dựng mô hình toán và thiết kế tối ƣu các thông số kết cấu cơ khí cho van servo. Trong “động cơ điều khiển xoay”, cọc (càng) đàn hồi đƣợc xem nhƣ phần tử đàn hồi khó dự đoán trƣớc khi van servo hoạt động. Bằng phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với phần mềm mô phỏng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn, luận án đã xác định đƣợc độ cứng uốn tối ƣu cho cọc đàn hồi. Nghiên cứu còn cho thấy đặc tính động lực học cụm phần ứng của „động cơ điều khiển xoay‟ van servo vòi phun có liên quan đến độ cứng tổng hợp và momen quán tính khối lƣợng của cụm phần ứng, do đó các mô hình toán xác định độ cứng tối ƣu cho cụm phần ứng và momen quán tính khối lƣợng cụm phần ứng đƣợc đề xuất.

Vì van servo vòi phun điện thủy lực đƣợc sử dụng phổ biến ở các hệ thống điều khiển thủy lực trong những ngành hàng không, vũ trụ, công nghiệp luyện kim, hóa chất vv. đều cần kích thƣớc nhỏ gọn nhƣng nó lại có kết cấu phức tạp nên yêu cầu đòi hỏi về độ tin cậy làm việc của van servo rất cao, từ đó chỉ ra rằng việc cải thiện các đáp ứng động lực học là rất cần thiết để van hoạt động tốt trong mọi điều kiện làm việc khác nhau và ở các môi trƣờng thời tiết khắc nghiệt. ABSTRACT Electro-hydraulic servo valves are key units in servo control system and highly combined components with mechanical, hydraulic and electronic technology. With advantages such as rapid dynamics response, high controlling accuracy and long working life, electro-hydraulic servo valve have been widely used in aerospace, metallurgy, chemical industry and so on.

Jet pipe servo valve is the most common kind of servo valve. However, the former has been replaced by the latter in the foreign aeroplane system and abroad companies and governments exercise strict control and blockade on technology introduction. As a result, there is no complete theory and design principle on jet pipe electro-hydraulic servo valve in VietNam. Referring to a large number of recent research materials on abroad, detailed introduction of patents and applications of servo valve products in Europe and America on papers, the dissertation has collected many important data for developing the theoretical method of designing electro hydraulic servo valve.

Based on the situation of servo valve research in Vietnam and oversea, it pointed out the difficulties in researching and developing this product. Through recommendation of servo valve structure, it has made a detailed introduction of the structure of jet pipe servo valve with force feedback and analysis of force balances of torque motor, jet pipe feedback armature assembly and slide valve spool, it provides a theoretical base for setting up the mathematical model of jet pipe servo valve. In torque motor, the feedback spring pole is identified as more critical spring elements in servo valve operation. If this element is properly designed with respect to stiffness, automatically dynamics performance of the servo valve will be improved.

An attempt has been made to predict stiffness of this element by finite element method. Besides, dynamics characteristics of the armature assembly in jet pipe electro-hydraulic torque motor is involved by the stiffness of armature assembly and moment of mass inertia of armature assembly. Therefore, mathematical models for prediction and estimate of optimal stiffness of the armature assembly and of moment of inertia of armature assembly are established. While jet pipe servo valves frequently work in aerospace hydraulic system and their structures are complicated and sizes are limited, high requirements should be put on reliability of components in working of servo valve.

Hence, the improvement of the operating characteristics of torque motor and drive part is necessary for guaranteeing of normal work and improving its performance stability in electro-hydraulic jet pipe servo valve. LỜI CẢM ƠN Công việc nghiên cứu luận án này đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của PGS TS Trần Thiên Phúc, Ban giám hiệu trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Bắt đầu từ việc chọn đề tài, tiến hành nghiên cứu đến hoàn thành luận án đều có sự hƣớng dẫn tâm huyết của thầy. Vì vậy, tác giả đặc biệt trân trọng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới thầy hƣớng dẫn Trần Thiên Phúc.

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Phạm Huy Hoàng, công tác tại trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM đã đóng góp nhiều ý kiến có giá trị cao trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong quá trình tác giả làm nghiên cứu sinh tại trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM Đồng thời, tác giả cũng xin cảm ơn đến quý viện nghiên cứu 704 thuộc tập đoàn công nghiệp nặng tàu thủy Thƣợng Hải (Trung Quốc) đã cung cấp và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả làm thực nghiệm. Tác giả xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn chế tạo máy và Khoa cơ khí thuộc trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Cuối cùng tác giả ghi lòng sự hỗ trợ về vật chất và động viên tinh thần của những ngƣời thân trong gia đình và bạn bè, đồng nghiệp trong suốt quá trình nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này.HCM, tháng 2 năm 2020 i MỤC LỤC CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN .1 Bối cảnh và ý nghĩa phát triển van servo vòi phun điện thủy lực .1 Bối cảnh phát triển của van servo điện thủy lực .2 Ý nghĩa nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực .2 Xu hƣớng phát triển van servo vòi phun điện thủy lực .3 Hiện trạng nghiên cứu và ứng dụng van servo vòi phun điện thủy lực .1 Hiện trạng nghiên cứu van servo vòi phun điện thủy lực .2 Ứng dụng quan trọng của van servo vòi phun điện thủy lực .4 Mục tiêu và ý nghĩa của luận án.

17 CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN VAN SERVO VÒI PHUN ĐIỆN THỦY LỰC HAI CẤP PHẢN HỒI LỰC .1 Nguyên lý làm việc & kết cấu van servo vòi phun điện thủy lực .2 Dòng chảy trong vòi phun .1 Các trạng thái của dòng chảy trong vòi phun .2 Kết cấu hệ thống điều khiển thủy lực .3 Mô hình toán van servo vòi phun điện-thủy lực .1 Mô hình toán torque motor van servo vòi phun .2 Mô hình toán cấp công suất van servo vòi phun .3 Mô hình chuyển vị vòi phun van servo vòi phun .4 Đặc tính tĩnh van servo vòi phun điện thủy lực .1 Đặc tính lƣu lƣợng rò rỉ trong .2 Đặc tính lƣu lƣợng không tải .3 Đặc tính lƣu lƣợng phụ tải .4 Đặc tính áp suất. 48 CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH CỦA CỌC ĐÀN HỒI VAN SERVO VÒI PHUN ĐIỆN THỦY LỰC .1 Kết cấu cọc đàn hồi van servo vòi phun điện thủy lực .2 Phân tích đặc tính cọc đàn hồi van servo vòi phun .1 Nguyên lý làm việc của cọc đàn hồi .2 Thiết kế tối ƣu độ cứng uốn của cọc đàn hồi van servo vòi phun .1 Hàm mục tiêu .2 Xác định độ cứng uốn của cọc đàn hồi .3 Xác định độ cứng cọc đàn hồi bằng phần mềm Abaqus .1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Abaqus .2 Xác định độ cứng cọc đàn hồi bằng mô phỏng.4 Kiểm nghiệm độ bền của cọc đàn hồi van servo vòi phun. 69 CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ ĐỘ CỨNG VÀ MOMEN QUÁN TÍNH KHỐI LƢỢNG CỦA CỤM PHẦN ỨNG VAN SERVO VÒI PHUN .1 Hàm truyền của van servo vòi phun điện thủy lực .1 Đặc tính tần số và đặc tính thời gian của van servo vòi phun .2 Hàm truyền và sơ đồ hàm truyền của van servo vòi phun.2 Torque motor và ảnh hƣởng của các thông số torque motor đến đặc tính động lực học van servo vòi phun .1 Torque motor van servo vòi phun điện thủy lực .2 Ảnh hƣởng các thông số torque motor đến đặc tính động lực học .1 Ảnh hƣởng số vòng cuộn dây đến đặc tính động lực học .2 Ảnh hƣởng của độ dài khe hở đến đặc tính động lực học.3 Ảnh hƣởng của khoảng cách đến đặc tính động lực học .4 Ảnh hƣởng diện tích mặt cực đến đặc tính động lực học .5 Ảnh hƣởng độ cứng tổng hợp đến đặc tính động lực học .6 Ảnh hƣởng áp suất nguồn dầu đến đặc tính động lực học .7 Ảnh hƣởng nhiệt độ/tỷ trọng dầu đến đặc tính động lực học .8 Ảnh hƣởng của dòng điện đến đặc tính động lực học .3 Thiết kế độ cứng tổng hợp của động cơ điều khiển xoay .1 Độ cứng tổng hợp và độ cứng ống đàn hồi.2 Tính toán tối ƣu độ cứng torque motor .4 Cụm phần ứng van servo vòi phun điện thủy lực .5 Ảnh hƣởng của momen quán tính khối lƣợng cụm phần ứng đến đặc tính động lực học van servo vòi phun điện thủy lực .1 Độ rộng băng thông tần số của tầng điều khiển van .2 Phân tích mô hình toán cụm phần ứng .6 Xác định momen quán tính khối lƣợng cụm phần ứng .1 Hàm truyền đạt cụm phần ứng .2 Xác định giá trị tối ƣu của momen quán tính khối lƣợng. 109 CHƢƠNG 5 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.1 Thực nghiệm momen quay torque motor van servo vòi phun.1 Mục đích thực nghiệm .2 Thiết bị thực nghiệm .