Tải bản đầy đủ

Nguyên cứu, xây đựng hệ truyền động bám điện thủy lực ứng dụng điều khiển lái tàu thủy

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TÔ VŨ THÀNH

NGUYÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM
ĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN
LÁI TÀU THỦY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2011


2


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TÔ VŨ THÀNH

NGUYÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM
ĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN
LÁI TÀU THỦY
Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã số: 60 52 60

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THANH TIÊN

Hà Nội - Năm 2011


3

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Cán bộ hướng dẫn chính: Thiếu tá. TS. Nguyễn Thanh Tiên

Cán bộ chấm phản biện 1: ...............................................................................
..........................................................................................................................
Cán bộ chấm phản biện 2: ...............................................................................
..........................................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
Ngày ……Tháng …… NĂM 2011


4


HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
PHÒNG SAU ĐẠI HỌC

ĐỘC LẬP – TỰ DO - HẠNH PHÚC
Hà nội, ngày …… tháng …. Năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TÔ VŨ THÀNH

Giới tính: Nam

Ngày tháng năm sinh: 26 – 12 – 1971

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Tự động hóa

Mã số: 60 52 60

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGUYÊN CỨU, XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
BÁM ĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN LÁI TÀU THỦY.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nhiệm vụ: Nghiên cứu, xây dựng hệ truyền động bám điện thủy lực
ứng dụng điều khiển lái tàu thủy.
Nội dung: Tổng hợp luật điều khiển bám sát góc bẻ lái tàu điện thủy
lực, dùng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hoạt động của nó.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 7 tháng 3 năm 2011.
IV. NGÀY HÒAN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 18 tháng 8 năm 2011.
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Thiếu tá, TS. NGUYỄN THANH TIÊN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QL. CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông
qua.

Ngày
TRƯỞNG PHÒNG SĐH

tháng

năm 2011

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


5

LỜI CẢM ƠN
Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khuẩn trương, được sự động viên
giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Tiên, luận
văn với đề tài “Nguyên cứu, xây dựng hệ truyền động bám điện thủy lực
ứng dụng điều khiển lái tàu thủy” đã hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Thanh Tiên đã chỉ dẫn, giúp đỡ tác
giả hoàn thành luận văn này.
Các thầy giáo, cô giáo thuộc khoa kỹ thuật điều khiển của Học viện Kỹ
thuật Quân sự đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá
trình nguyên cứu thực hiện luận văn.
Ban giám hiệu trường Cao đẳng nghề số 8 đã tạo điều kiện cho việc
học tập, nguyên cứu và tiến hành luận văn của tác giả.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm,
động viên.
Tác giả luận văn

Tô Vũ Thành


6

MỤC LỤC
Trang
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN THỦY LỰC, HỆ
THỐNG LÁI TÀU ĐIỆN THUỶ LỰC ...........................................................3
1.1 Tổng quan về hệ thống truyền động điện thủy lực .....................................3
1.2 Đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật của hệ truyền động điện thủy lực ...................7
1.2.1 Ưu điểm của hệ truyền động điện thủy lực ...............................7
1.2.2 Nhược điểm của hệ truyền động điện thủy lực .........................8
1.2.3 Các yêu cầu kĩ thuật cơ bản của hệ truyền động điện thủy lực
...........................................................................................................................8
1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống truyền động điện thủy lực ứng dụng
trong hệ thống lái tàu thủy ................................................................................9
1.3.1 Tổng quan về hệ thống ..................................................................9
1.3.2 Các yêu cầu cơ bản đối với máy lái tàu thủy ...............................12
1.3.3 Phân loại các hệ thống máy lái tàu thủy thường gặp ...................15
1.3.4 Hệ thống lái tàu thủy điện – thủy lực. ..........................................18
1.4 Giới thiệu về hệ thống lái tàu thủy điện – thủy lực điển hình ...................21
1.4.1 Máy lái thủy lực KE-W40 ...........................................................21
1.4.2 Các phần tử cơ bản của hệ thống bám điện thủy lực ...................23
Kết luận chương 1 ...........................................................................................24
Chương 2
BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG CỦA TÀU THỦY VÀ MÔ HÌNH
TOÁN HỌC CỦA NÓ ....................................................................................26
2.1 Chức năng, những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống lái ............................26
2.2 Các yêu cầu đối với hệ thống lái tự động .................................................29


7

2.3 Các chế độ hoạt động của hệ thống lái .....................................................29
2.3.1 Chế độ lái tự động ........................................................................30
2.3.2 Chế độ lái lặp ...............................................................................34
2.3.3 Chế độ lái đơn giản ......................................................................35
2.4 Xây dựng mô hình toán học của bài toán điều khiển hướng tàu ..............41
2.4.1 Các hệ tọa độ cho tàu thủy và chuyển động của tàu ....................41
2.4.2 Mô hình Nomoto bậc nhất ...........................................................45
2.4.3 Mô hình Nomoto bậc hai .............................................................46
Kết luận chương 2 ...........................................................................................49
Chương 3
TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN LÁI TÀU KHI BỎ QUA ĐỘNG HỌC CỦA
MÁY LÁI THỦY LỰC ..................................................................................50
3.1 Giới thiệu Backstepping - Sliding Mode ..................................................51
3.1.1 Tính ổn định Lyapunov, hàm điều khiển Lyapunov ....................51
3.1.2 Phương pháp thiết kế Backstepping ............................................54
3.1.3 Phương pháp thiết kế Backstepping - Sliding Mode ...................60
3.2 Bài toán quan sát, cung cấp thông tin tạo luật điều khiển ........................63
3.3 Tổng hợp điều khiển hướng tàu sử dụng phương pháp Backstepping .....65
Kết luận chương 3 ...........................................................................................68
Chương 4
TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN BÁM SÁT GÓC BẺ LÁI TÀU ĐIỆN THỦY
LỰC ................................................................................................................69
4.1. Đặt vấn đề xây dựng bài toán ..................................................................69
4.2. Tổng hợp điện áp điều khiển tác động lên van tỷ lệ trong bài toán bám sát
góc bẻ lái .........................................................................................................73
4.3. Xây dựng mô hình mô phỏng ..................................................................80
Kết luận chương 4 ...........................................................................................83


8

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận.................................................................................................

84

2. Kiến nghị ..............................................................................................

84

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................

85

PHỤ LỤC.................................................................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG
trang
Bảng 2.1 Định nghĩa các chuyển động của phương tiện trên biển (SNAME,
1950)...............................................................................................................42
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
trang
Hình 1.1 Sơ đồ chức năng cơ bản của một hệ truyền động điện thủy lực ........6
Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ truyền động điện thủy lực ..................................6
Hình 1.3 Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái ......................................................11
Hình 1.4 Sơ đồ phân loại các hệ thống thiết bị lái ..........................................12
Hình 1.5 Sơ đồ phân loại truyền động lái .....................................................16
Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống thủy lực đơn giản ..................................................20
Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống thuỷ lực của máy lái KE-W40 ...............................22
Hình 1.8 Sơ đồ khối chức năng các phần tử cơ bản của hệ thống điện thủy lực
..........................................................................................................................23
Hình 2.1 Mô hình điều khiển hướng chuyển động của tàu thủy......................25
Hình 2.2 Mô hình hệ thống lái tự động của tàu thủy ......................................26
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của hệ thống lái tự động................................31
Hình 2.4 Sơ đồ khối cơ bản của chế độ lái lặp ...............................................34
Hình 2.5 Sơ đồ khối tạo ra tín hiệu độ lệch hướng đi của tàu thủy ................39


9

Hình 2.6 Sơ đồ khối tạo ra tín hiệu phản hồi góc lái.......................................40
Hình 2.7 Sơ đồ khối tạo ra các khâu vi phân...................................................40
Hình 2.8 Sơ đồ khối tạo khâu tích phân dùng máy điện đặc biệt....................41
Hình 2.9 Mạch tạo khâu tích phân dùng Op-am .............................................41
Hình 2.10 Các hệ trục tọa độ cho tàu biển (tàu nổi mặt nước)........................43
Hình 2.11 Chuyển động của tàu trong mặt phẳng nằm ngang ........................45
Hình 2.12 Sơ đồ khối của tàu thủy (máy lái + tàu + nhiễu).............................46
Hình 2.13 Sơ đồ khối hệ thống lái tự động......................................................49
Hình 3.1 Mô hình điều khiển bám sát quỹ đạo của tàu thủy...........................50
Hình 3.2 Mô hình hệ bậc 2 .............................................................................56
Hình 3.3 Thực hiện bước 1..............................................................................56
Hình 3.4 Kết quả cuối cùng ............................................................................57
Hình 4.1 Mô hình hệ thống điều khiển góc bẻ lái điện thủy lực .....................70
Hình 4.2 Đồ thị hàm arctang( λ x) ...................................................................76
Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng trong Simulink cho hệ thống ................................81
Hình 4.4 Góc quay yêu cầu và góc quay đầu ra .............................................82
Hình 4.5 Điện áp điều khiển đưa vào van tỷ lệ ...............................................82


10

MỞ ĐẦU
Hệ thống truyền động điện thủy lực có những ưu điểm: tính tác động
nhanh cao, khả năng phát huy công suất lớn so với tỷ trong không lượng của
thiết bị, có thể làm việc trong chế độ thụ động mất nguồn điện … Tuy nhiên
nó có cấu trúc cơ khí phức tạp, các phần tử trong hệ thống có tính phi tuyến
mạnh vì vậy việc điều khiển sẽ gặp nhiều khó khăn hơn. Bài toán tổng hợp hệ
thống truyền động bám sát điện thủy lực đã được nhiều nhà nghiên cứu trên
thế giới quan tâm và đã có các kết quả nhất định.
Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của một số ngành
như điện tử công suất, vi xử lý… nhiều phương pháp điều khiển mới ra đời và
thu được hiệu quả rõ rệt trong nâng cao tính chính xác cho các hệ thống điều
khiển. Chính vì vậy các hệ thống truyền động bám sát điện thủy lực phát triển
và có các ứng dụng rộng rãi trong các hệ truyền động chất lượng cao. Đặc biệt
là trong các hệ truyền động bám điều khiển vị trí trên các phương tiện hoạt
động độc lập trên không, trên biển các nhà thiết kế thường hay chọn giải pháp
xây dựng hệ thống điện thủy lực.
Ngành công nghiệp đóng tàu hiện nay có nhu cầu rất lớn về giải bài
toán điều khiển hệ điện thủy lực trên các tàu đóng mới cỡ lớn. Đây là cơ sở
thực tiễn của đề tài.
Cấu trúc của luận văn gồm: phần mở đầu; chương 1, 2, 3 và 4; phần kết
luận và kiến nghị; tài liệu tham khảo; phụ lục.
Nội dung chính của luận văn:
Chương 1 Tổng quan về hệ thống điều khiển điện thủy lực, hệ thống lái
tàu điện thủy lực.
Chương 2 Bài toán điều khiển hướng của tàu thủy và mô hình toán học
của nó.


11

Chương 3 Tổng hợp điều khiển lái tàu khi bỏ qua động học của máy lái
thủy lực.
Chương 4 Tổng hợp điều khiển bám sát góc bẻ lái tàu điện thủy lực.


12

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN THỦY LỰC, HỆ
THỐNG LÁI TÀU ĐIỆN THUỶ LỰC
Hệ thống điện thủy lực đã ra đời từ rất sớm và ngày càng được hoàn
thiện, đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, máy công cụ,
công nghiệp khai khoáng…và trong quân sự như hệ thống vũ khí pháo, cơ cấu
của bệ phóng tên lửa, hệ thống điều khiển dàn phóng bom chống ngầm,…
Ngày nay, cùng với sự phát triển của lý thuyết điều khiển hiện đại và công
nghệ kỹ thuật điện tử công suất mới. Các tác giả trên thế giới đã nghiên cứu
điều khiển hệ thống ứng dụng dùng thủy lực theo các hướng khác nhau: Điều
khiển hệ thống van điện từ sử dụng các phần tử khóa theo thuật toán PWM,
điều khiển theo hệ rơ le, ứng dụng điều khiển mờ và mạng Nơ ron trong các
hệ điều khiển thông minh và điều khiển trong chế độ trượt làm cho các hệ
thống điều khiển ngày càng thông minh và mềm dẻo trong các thuật toán điều
khiển đáp ứng tối ưu cho các bài toán của hệ thống điều khiển tự động.
Trong chương này đề cập đến các vấn đề sau:
- Tổng quan về hệ thống điều khiển điện thủy lực.
- Các phần tử cơ bản trong hệ thống điện thủy lực.
- Xây dựng mô hình toán học hệ thống truyền động điện thủy lực điều
khiển tàu có tính đến các thành phần phi tuyến tác động lên hệ thống…
1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THỦY LỰC
Hệ thống truyền động thủy lực là một tập hợp các phần tử, thiết bị, máy
móc, chi tiết và cụm chi tiết … thủy lực được lắp nối với nhau theo một sơ
đồ nhất định nhằm đảm bảo chuyển động định trước của cơ cấp cháp hành.


13

Máy thủy lực là tên gọi chung của tất cả các loại máy móc, thiết bị mà
nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên sự trao đổi năng lượng với dòng chất
lỏng
Trong hệ truyền động điện thủy lực (TĐĐTL) sử dụng các phần tử thủy lực
cơ bản như: khuếch đại thủy lực, bơm thủy lực, động cơ thủy lực, píttông thủy
lực, các loại van điều khiển được. Các phần tử này nằm trong mạch chính và
quyết định đến tính chất động học của hệ. Ngoài ra trong hệ còn có các thiết
bị phụ trợ như: các loại van áp suất, bình chứa, ống dẫn dầu, bộ lọc v.v...
Theo nguyên lý tác động của máy thủy lực với dòng chất lỏng trong quá trình
làm việc, máy thủy lực được chia làm 2 nhóm:
- Máy thủy lực thể tích: là các loại máy thủy lực hoạt động dựa trên sự trao
đổi năng lượng bằng cách nén thất lỏng tỏng một thể tích kín dưới áp suất
thủy tĩnh.
- Máy thủy lực cánh dẫn (Hay thủy động): là loại máy thủy lực hoạt động dựa
trên sự trao đổi năng lượng với chất lỏng công tác bằng cách biến đổi động
năng của dòng chảy qua máy
Các thành phần cơ bản của một hệ truyền động thủy lực bao gồm:
+ Nguồn cung cấp năng lượng tích trữ trong môi chất công tác
+ Các phần tử điều khiển và điều chỉnh thủy lực ( Các loại van phân phối)
+ Cơ cấu chấp hành thủy lực (Động cơ thủy lực, xy lanh thủy lực)
+ Đường ống và thiết bị đường ống.
Các hệ thống điều khiển thủy lực được chia thành hai loại cơ bản:
- Hệ thống điều khiển bằng van tiết lưu
- Hệ thống điều khiển bằng khối lượng (hay thể tích).
Ví dụ hệ thống điều khiển bằng van tiết lưu được sử dụng trong hệ
thống điều khiển cánh lái của thiết bị bay (máy bay, tên lửa). Còn hệ thống


14

điều khiển bằng khối lượng được sử dụng rộng rãi hơn, nhất là trong kỹ thuật
Hải quân.
Trong đó, hệ thống điều khiển bằng khối lượng được phân thành hai
loại: Loại ngang (động học phẳng), trong đó các xi lanh lực phân bố trên mặt
phẳng vuông góc với trục quay của phần tử thủy lực. Loại dọc (động học
không gian), trong đó các xi lanh thủy lực đặt song song với trục quay của
phần tử thủy lực. Đây là loại hay dùng nhất.
Dầu thủy lực dùng trong hệ thống điều khiển thủy lực là một dung môi
đặc biệt. Yêu cầu đối với loại dung môi này là: bền hóa học, không gây gỉ
kim loại, không đông đặc và sủi bọt khi sử dụng nhiều lần, có độ nhớt xác
định và ít thay đổi khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi lớn (± 600C) và có độ
chịu nén thấp.
Trong các bộ TĐĐTL điều chỉnh kiểu thể tích điều chỉnh tốc độ động cơ
thuỷ lực được thực hiện bằng cách thay đổi tương ứng năng suất của bơm. Sơ
đồ chức năng của bộ truyền động thuỷ lực kiểu thể tích gồm có: bơm có năng
suất thay đổi và động cơ thủy lực chấp hành. Để điều khiển bơm ta dùng bộ
khuếch đại thủy lực, cơ cấu điện từ (nam châm điện) hay một động cơ điện.
Trong bộ TĐĐTL điều chỉnh kiểu thể tích dòng lưu thông chất lỏng công
tác là một vòng kín (giữa bơm - động cơ thuỷ lực). Trong đường dẫn dầu từ
bơm đến động cơ chất lỏng được nén với áp suất cao, độ lớn của áp suất này
được xác định bởi tỷ trọng của động cơ thủy lực. Còn chất lỏng từ động cơ
đến bơm có áp suất thấp. Việc đảo chiều quay của động cơ được thực hiện
bằng cách đổi chiều tuần hoàn của dòng chất lỏng giữa bơm và động cơ thủy
lực. Nguyên nhân chính của sự mất mát năng lượng dòng chất lỏng là do rò rỉ,
hiệu suất của bộ TĐĐTL kiểu thể tích có thể đạt tới 50 - 60%.
Tuy nhiên, kết cấu của bộ TĐĐTL điều chỉnh kiểu thể tích phức tạp hơn
nhiều so với kết cấu của bộ TĐĐTL kiểu tiết lưu vì nó có bơm với năng suất


15

thay đổi. Ngoài ra trong bộ TĐĐTL kiểu thể tích còn có hệ thống thủy lực bổ
trợ dùng để điều khiển bơm với năng suất thay đổi và bù phần chất lỏng bị rò
rỉ. Công suất điều khiển bơm với năng suất thay đổi còn lớn hơn vài lần công
suất cần để điều khiển các hệ truyền động thủy lực kiểu tiết lưu.

Hình 1.1: Sơ đồ chức năng cơ bản của một hệ truyền động điện thủy lực.

Hình 1.2 Sơ đồ chức năng hệ truyền động điện thủy lực
Cảm biến
phát

Thiết bị đo: thiết bị đo dùng các biến áp quay tần số làm việc 400Hz
mắc theo kiểu biến áp.
Thiết bị khuếch đại: khuếch đại sơ bộ và khuếch đại thủy lực dùng van
tiết lưu điều khiển bởi nam châm điện có tốc độ dịch chuyển tỉ lệ với dòng
điện đi qua các cuộn điều khiển của nam châm điện, đầu ra của tầng khuếch
đại này là sự thay đổi lưu lượng dầu qua động cơ thủy lực làm cho tốc độ
quay của động cơ thủy lực tỉ lệ với dòng điều khiển của tầng thứ nhất.


16

Các hộp đổi tốc thực hiện các biến đổi tỉ số truyền tương ứng cho các
thiết bị đo và thực hiện biến đổi tốc độ góc của động cơ chấp hành thành góc
quay tương ứng của đối tượng điều khiển.
1.2 ĐẶC ĐIỂM, YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
THỦY LỰC
1.2.1 Ưu điểm của hệ truyền động điện thủy lực
- Truyền được công suất cao và lực lớn nhờ các cơ cấu tương đối đơn
giản, hoạt động với độ tin cậy cao đòi hỏi ít phải chăm sóc, bảo dưỡng.
- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí của các phần tử dẫn động và bị dẫn động
không lệ thuộc với nhau, các bộ phận nối thường là những đường ống dễ đổi
chỗ, do vậy quán tính của hệ thống nhỏ cùng với tính chịu nén của dầu nên có
thể sử dụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như khi sử dụng hệ
thống điện cơ.
- Điều chỉnh được vận tốc làm việc tinh và vô cấp, dễ thực hiện tự
động hoá theo điều kiện làm việc hay theo chương trình cho sẵn.
- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất
thuỷ lực cao.
- Dễ bảo vệ quá tải nhờ các van an toàn.
- Dễ giám sát trạng thái làm việc của hệ thống bằng áp kế, kể cả các hệ
phức tạp, nhiều mạch.
- Tự động hoá đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các
phần tử tiêu chuẩn hoá.
- Hiệu suất lớn; (η = 85% ÷ 94%).
- Bền trong điều kiện làm việc phức tạp;
- Không cần bôi trơn các bộ phận chuyển động;


17

- Bảo đảm vùng hiệu chỉnh rộng (γ = 1000).
1.2.2 Nhược điểm của hệ truyền động điện thủy lực
- Tổn hao năng lượng trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần
tử và ở các mối ghép nối đường ống và các phần tử trong hệ thống làm giảm
hiệu suất và hạn chế phạm vi sử dụng.
- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do tính nén được
của chất lỏng và tính đàn hồi của đường ống dẫn.
- Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ công tác cũng như nhiệt độ môi
trường làm độ nhớt thay đổi ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển.
- Khả năng tích hợp hệ thống kém nên khó khăn khi thay đổi chương
trình làm việc.
- Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm
việc thay đổi do độ nhớt của chất lỏng thay đổi.
1.2.3 Các yêu cầu kĩ thuật cơ bản của hệ truyền động điện thủy lực
Hệ truyền động phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau:
- Bảo đảm khả năng điều khiển ruly quay với vận tốc và gia tốc cần
thiết, đáp ứng được với tốc độ chuyển động của tàu:
Điều này đòi hỏi hệ bám phải phục hồi được qui luật chuyển động của
thiết bị phát do mục tiêu dịch chuyển. Độ chính xác bám sát thực tế phải lớn
hơn độ chính xác yêu cầu của hệ. Ngoài ra, để rút ngắt thời gian xử lý góc
không đồng bộ ban đầu (giá trị có thể đạt tới 180 0) hệ bám phải có khả năng
tăng được vận tốc lên khoảng 20 ÷ 60% giá trị vận tốc cực đại.
- Bảo đảm vùng hiệu chỉnh rộng:
γ=

ω max
, khi mô men tải Mt = const,
ωmin

100 ≤ γ ≤ 1000

- Bảo đảm khả năng quá tải cao:


18

Khả năng quá tải là tỷ số giữa mô men cực đại M max mà động cơ đạt được
với mô men định mức M dm , tức là:

λ=

M max
M dm

Yêu cầu này xuất phát từ thực tế là tải của hệ truyền động có tính va đập
mạnh, tăng nhanh gấp nhiều lần trong một số thời điểm (ví dụ khi bắn pháo).
Đối với các hệ bám dạng điện cơ, khả năng quá tải λ = 2,5 ÷ 3,5, sự quá tải
tức thời cho phép đạt tới 6, 0. Đối với hệ bám dạng điện thủy lực, λ = 2 ÷ 3.
- Bảo đảm tốt tính ổn định:
- Bảo đảm độ chính xác cao
- Độ tin cậy cao, đảm bảo các chỉ số theo yêu cầu: xác xuất làm việc
không hỏng, tính dễ sửa chữa, tính lâu bền..
- Làm việc không hỏng trong các điều kiện thời tiết khí hậu khác nhau,
ở nhiệt độ môi trường ± 500C, độ ẩm tới 98%.
- Sử dụng các nguồn điện áp chuẩn, khả năng làm việc từ mạng điện
công nghiệp 127/220/380V 50Hz.
- Kích thước và trọng lượng nhỏ, hiệu suất cao, giá thành rẻ, dễ cải tiến
v.v…
1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN THỦY LỰC ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG LÁI TÀU THỦY
1.3.1 Tổng quan về hệ thống
Để có thể điều khiển một con tàu chuyển động(chạy) được như mong
muốn cần phải có một hệ thống các trang thiết bị chuyên dùng được gọi
chung là hệ thống thiết bị lái.
Để làm được điều đó thì yêu cầu của các hệ thống lái phải đáp ứng điều
kiện sau:


19

+ Đảm bảo cho tàu có đặc tính ăn lái tốt, điều này có nghĩa là khi có tín
hiệu điều khiển thì hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo chuyển hướng con tàu
như mong muốn.
Về tính ăn lái của con tàu có thể hiểu đó là khả năng chuyển động của
con tàu theo ý muốn của người lái. Điều đó có nghĩa là tàu phải có khả năng
ổn định hướng đi cũng như thực hiện các xoay trở khi cần thiết. Do đó, tính
ăn lái sẽ gồm hai lĩnh vực quan hệ mật thiết và đối lập nhau đó là tính ổn định
hướng và tính xoay trở. Một con tàu có tính ổn định hướng tốt thì tính xoay
trở sẽ kém và ngược lại. Vì vậy khi thiết kế cần biết dung hoà các mâu thuẫn
đó, phải nhấn mạnh những đặc tính nào cần thiết hơn cho từng loại tàu. Tính
ăn lái phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dáng con tàu, số lượng chân vịt…
Trong đó việc tính toán thiết kế xác định kích thước của, số lượng chân vịt
cũng như mômen lái, tốc độ lái là vấn đề quan trọng nhất.
+ Hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo tù ổn định. Ở đây tính tù ổn định
của quá trình lái được đặc trưng bởi khả năng chạy tàu và chuyển hướng (khi
tàu đang chạy) tin cậy và không có dao động.
+ Hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo cho người lái thao tác thuận tiện,
linh hoạt tin cậy và chính xác trong mọi tình huống.
+ Hệ thống thiết bị lái phải được trang bị đầy đủ các thiết bị đo báo,
kiểm tra cảnh giới, an toàn và khiếm thiết, có thể nâng cấp, lắp các hệ thống
định vị và dẫn đường hiện đại nhất để đảm bảo tàu đi đúng hướng của hải
trình.
Ta hãy xem sơ đồ hình 1.3 dưới đây để thấy được cấu tạo cơ bản của
một hệ thống thiết bị lái:
1: Cánh bánh lái; 2: Ổ đỡ cánh bánh lái; 3: Ổ bi dưới; 4: Trục bánh lái;
5: Ổ bi trên của trục bánh lái; 6: Thiết bị lái ; 7: Hệ dẫn động lái; 8: Hệ dẫn
động điều; 9: Cabin(đài) điều khiển


20

Hình 1.3 - Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái
Các thành phần cấu tạo cơ bản của hệ thống thiết bị lái tàu, bao gồm:
+ Bánh lái có kết cấu phẳng, khi quay chìm trong nước trong quá trình
tàu chạy sẽ hình thành phản lực cần thiết để điều khiển tàu;
+ Trục bánh lái: được dùng để quay bánh lái;
+ Hệ dẫn động bánh lái: hệ thống truyền chuyển động từ phần tử điều
khiển đến phần tử lái.
+ Phần tử lái: cơ cấu tạo ra mômen để dịch chuyển bánh lái;
+ Phẩn tử điều khiển: phần tử tạo ra tín hiệu điều khiển.


21

Trong thành phần hệ thống thiết bị lái còn có: Hệ dẫn động dự phòng
và hệ dẫn động sự cố; Cơ cấu giới hạn góc quay của bánh lái; Các phần tử và
cơ cấu phụ khác được sử dụng để đảm bảo cho hệ thống làm việc tin cậy và
hiệu quả cao…
1.3.2 Các yêu cầu cơ bản đối với máy lái tàu thủy:
Khi tính toán thiết kế máy lái, người thiết kế phải nắm rõ được những
quy định, yêu cầu đặt ra cho máy lái. Trong các quy phạm của đăng kiểm và
công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển cã SOLAS
(Safety of Life At Sea), đặc biệt là đối vối hệ thống điều khiển tàu (hệ thống
lái) nhằm nâng cao tính an toàn cho con người cũng như hàng hoá trên biển.
Theo Đăng kiểm Việt Nam, công ước quốc tế SOLAS và quy phạm
phân cấp đóng tàu biển vỏ thép Việt Nam là những cơ sở pháp lý cơ bản để
người thiết kế, chế tạo và sử dụng, khi triển khai việc tính toán thiết kế, chế
tạo và sử dụng các máy lái điện thuỷ lực xác định rõ những vấn đề kỹ thuật
công nghệ, làm việc và an toàn …
Về số lượng thiết bị lái, theo [8], quy định như sau:
- Mỗi tàu phải được trang bị một máy lái chính và một máy lái phụ.
Máy lái chính và máy lái phụ phải bố trí sao cho sự hư hỏng của một
trong các máy đó không làm tê liệt hoạt động của máy lái kia.
- Thiết bị lái chính có khả năng điều khiển hoạt động của bánh lái
thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật khi các máy lái này làm việc.
Cũng theo [8] các thiết bị lái chính và trục lái thì phải đảm bảo:
- Có khả năng quay lái từ 350 mạn này sang 300 mạn kia khi tàu toàn
tải và đang chạy tiến với vận tốc khai thác tối đa với thời gian không
quá 28s
- Trụ lái ở vùng séctơ phải có đường kính lớn hơn 120mm không kể
phần kích thước gia cường.


22

- Được thiết kế sao cho không bị hỏng khi tàu chạy lùi với vận tốc tối
đa.
Các thiết bị lái phụ phải đảm bảo:
- Có đủ độ bền và khả năng điều khiển được tàu với vận tốc đảm bảo
tính năng hàng hải của tàu và có khả năng hoạt động nhanh chóng
khi máy lái chính gặp sự cố.
- Có khả năng dịch chuyển bánh lái từ 15 0 mạn này sang 150 mạn kia
trong vòng không quá 60s khi tàu toàn tải và đang chạy tiến với vận
tốc bằng nửa vận tốc khai thác lớn nhất hoặc bằng 7 hải lý/h (lấy giá
trị lớn hơn).
- Lực quay vô lăng lái do người điều khiển không quá 160N (16kg).
Trong trường hợp bị mất nguồn bất kỳ trong các bộ động lực lái phải có
tín hiệu bằng âm thanh và ánh sáng trên buồng lái.
Các đường ống, két dầu theo [8] phải đảm bảo:
- Hệ thống ống thuỷ lực phải được bố trí sao cho có thể sẵn sàng
chuyển đổi được giữa các máy lái với nhau.
- Có hệ thống xả khí ra khỏi hệ thống truyền động.
- Áp lực thiết kế của ống phải chịu áp suất của chất lỏng ít nhất = 1,25
lần áp suất làm việc lớn nhất.
- Mỗi két chứa chất lỏng thuỷ lực phải có thiết bị báo động mức thấp
của chất lỏng để chỉ báo sớm nhất sự rò rỉ chất lỏng. Tín hiệu này
phải bằng âm thanh hoặc bằng ánh sáng tới buồng lái.
Đề phòng xảy ra trường hợp khác thuỷ lực do một hư hỏng nào đó
theo [8] cũng quy định:
- Hệ thống điều khiển thiết bị lái cho máy lái phụ ở buồng lái và
buồng đặt máy lái.


23

- Hệ thống điều khiển thiết bị lái cho máy lái phụ ở buồng lái phải
độc lập với hệ thống điều khiển máy lái chính.
- Ở khoang máy lái có thể ngắt hệ thống điều khiển từ cabin lái.
- Phải có khả năng đưa hệ thống điều khiển hoạt động được từ mọi vị
trí trên buồng lái .
- Nếu mất nguồn điện cho hệ thống điều khiển, phải có tín hiệu bằng
âm thanh và ánh sáng trên buồng lái.
- Mạch điều khiển phải có thiết bị bảo vệ ngắt mạch.
- Có khả năng chuyển đổi nhanh chóng từ lái tự động sang lái trực
tiếp.
Đối với các hệ thống liên lạc và chỉ báo góc lái, quy định:
- Có phương tiện liên lạc giữa buồng máy lái và buồng lái.
- Vị trí của bánh lái tính bằng độ phải được chỉ báo trên buồng lái. Bộ
chỉ báo góc lái phải độc lập với hệ thống điều khiển máy lái để nhận
được một vị trí bánh lái trong buồng máy lái.
Thiết bị lái phải đặt trong một khoang kín nhưng cho phép tiếp cận dễ
dàng, ngăn cách với buồng máy chính và được trang bị các phương tiện thích
hợp, đảm bảo có thể tiếp cận với máy lái, hệ điều khiển nhanh chóng, an toàn.
Các máy lái khác (trừ palăng lái) phải có khả năng tự hãm được; có bộ
phận giới hạn góc quay lái bằng cơ khí về mỗi mạn cho phép, theo quy định
là:
(α max + 10 ) < α < (α max + 1,50 )
0

0

Trong đó:
α max 0 : là góc quay lớn nhất của bánh lái theo sự điều khiển của hệ

thống truyền động;
α0 :

Góc quay bánh lái sang một bên mạn.


24

Góc α (góc bẻ lái) là góc mà từ đó cơ cấu hạn chế phải dừng chuyển
động quay bánh lái phải ở góc α max = 35,50 . Đối vơi máy lái tay thì α max = 350 .
Các máy lái có động cơ chỉ được quay lái đến góc α max = 35,50 , bánh lái ngừng
quay trước khi chạm vào bộ giới hạn cơ khí.
1.3.3 Phân loại các hệ thống máy lái tàu thủy thường gặp
Trong hệ thống lái bất kỳ thì bộ phận tạo ra mômen và truyền tới trục
bánh lái là máy lái. Nó có ảnh hưởng quan trọng tới khả năng cũng như sự ổn
định trong quá trình làm việc của toàn bộ hệ thống lái. Đây là thiết bị chính và
quan trọng nhất và cả hệ thống điều khiển của nó.
Các hệ truyền động lái có thể phân loại theo sơ đồ 1.4

Hình 1.4 - Sơ đồ phân loại truyền động lái
Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu vài nét về các loại máy lái kể trên:
Máy lái dây: Đây là loại máy lái dùng dây xích (cáp) để truyền động
bằng tay. Thông qua vô lăng cỡ lớn được đặt trên đài lái. Loại này dùng cho
các tàu cỡ nhỏ có mômen lái tới 0,4Tm. Nhược điểm của máy lái dây là có
trọng lượng lớn, khi làm việc có tiêng ồn, thường bị kÑt ở vị trí chuyển
hướng của các đầu nối, các chốt thường hay phải thay thế nhiều. Hơn nữa do
không có thiết bị hãm nên toàn bộ mômen thủy động từ bánh lái tác động
ngược lại về tay người lái (khi có sóng gió), nhiều khi gây nguy hiểm, hơn


25

nữa do cáp có sự co dãn trong quá trình làm việc nên độ quay lái không chính
xác. Nhưng lại có ưu điểm là đơn giản giá thành thấp .
Máy lái trục: Đây là loại máy lái truyền lực lái từ vô lăng tới bánh lái
thông qua hệ thống trục các đăng nối tiếp nhau thông qua các khớp chữ thập.
Máy lái trục làm việc êm, tin cậy hơn máy lái dây thông thường, máy lái trục
dùng cho các tàu nhỏ, có mômen lái không quá 0,5Tm và đường kính trục lái
chữ thập nghiêng với nhau một góc 90 0. Nhược điểm của hệ thống lái này là
do độ nghiêng của các khớp các đăng lớn nên hay bị kẹt, các đầu nối của trục
dễ bị gẫy, dễ hỏng khớp và lực điều khiển lớn; hơn nữa cũng như máy lái dây
do không có thiết bị hãm nên toàn bộ mômen thuỷ động từ bánh lái sẽ tác
động ngược trở lại khi có sóng gió, nhiều khi gây nguy hiểm cho người điều
khiển. Tuy nhiên ở loại máy lái này có ưu điểm hơn máy láy dây là do không
bị dãn dài (như cáp) trong quá trình làm việc cho nên đạt được độ quay lái
chính xác từ vị trí điều khiển. Loại máy này dẫn được thay thế bằng máy lái
điện thủy lực.
Máy lái trục vít-đai ốc: Là loại máy lái dùng lực từ vòng quay tay kiểu
truyền động này có hiệu suất thấp nên chỉ còn áp dụng cho các máy lái phụ
của tàu nhỏ. Ưu điểm của loại máy lái này là kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và hạn
chế được sự tác động ngược của mômen.
Hiện nay loại máy lái này hầu như kh«ng còn được sử dụng nữa.
Máy lái điện: Loại máy lái này có bộ phận chủ yếu là động cơ điện,
thông qua hộp giảm tốc để phát động lực lái. Ưu điểm của loại máy lái này là:
làm việc êm, người điều khiển chỉ cần ấn nút cho động cơ chạy do vậy lực tác
dụng lên tay điều khiển là rất nhỏ, không có sự tác động ngược từ mômen
thủy động của bánh lái lên tay người điều khiển, truyền động được đi xa bằng
các đường dây. Tuy nhiên nhược điểm của loại máy lái này: do lực lái có
nguồn dẫn động từ động cơ, trong quá trình làm việc thay đổi góc lái làm cho


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×