Tài liệu Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------- Luyện Văn Hiếu NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------- Luyện Văn Hiếu NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THU HỒI ĐỂ TÁI SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG BẰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC KHI PHANH XE CƠ GIỚI Ngành: Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. NGÔ SỸ LỘC 2. TS. TRẦN KHÁNH DƯƠNG Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Công trình được thực hiện tại Bộ môn Máy và Tự động thủy khí, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc và TS. Trần Khánh Dương, các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được các tác giả khác công bố trong bất kì công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày TẬP THỂ HƯỚNG DẪN PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc TS. Trần Khánh Dương tháng năm Người cam đoan Luyện Văn Hiếu LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng nỗ lực của bản thân, Tôi đã nhận được sự động viên và giúp đỡ rất lớn của nhiều thầy cô giáo và tập thể nghiên cứu khoa học. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Ngô Sỹ Lộc và TS. Trần Khánh Dương - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, là những người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em nghiên cứu sinh, cao học và sinh viên các khóa thuộc bộ môn Máy và Tự động thủy khí - Viện Cơ khí động lực - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hết lòng hỗ trợ, động viên tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, em đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí Động lực, lãnh đạo trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên, Công ty Cổ phần Công nghệ ô tô Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và vật chất để tôi hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng kính yêu và biết ơn tới đại gia đình, bạn bè đã thực sự động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Hà Nội, ngày tháng Nghiên cứu sinh Luyện Văn Hiếu năm MỤC LỤC DANH MỤC KÍ HIỆU ......................................................................................................... iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .................................................................... vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..................................................... 3 1.1. Năng lượng động năng xe cơ giới ........................................................................... 3 1.2. Hệ thống phanh trên xe cơ giới ............................................................................... 5 1.3. Công suất và tần suất phanh phương tiện xe cơ giới .............................................. 9 1.4. Sự phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực trên thế giới ............................... 10 1.5. Tình hình nghiên cứu phát triển hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe cơ giới ở nước ta. ......................................................................................................................... 14 1.6. Nghiên cứu khai thác động năng trên xe chuyên dùng ở nước ta ......................... 15 Kết luận chương 1 ............................................................................................................ 15 Chương 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC........................... 17 2.1 Lựa chọn phương án xây dựng mô hình hệ thống phanh thu năng thủy lực ........ 17 2.2 Xây dựng mô hình hệ thống thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn .................................................................................................................. 23 2.2.1 Cấu hình hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn 23 2.2.2 Mô hình hóa quá trình phanh thu năng thủy lực ............................................... 27 2.2.2.1 Động lực học trong quá trình phanh xe trên đường nằm ngang........................ 27 2.2.2.2 Các phần từ thủy lực trên hệ thống phanh thu năng thủy lực ........................... 31 2.3 Một số phương án tái sử dụng năng lượng động năng.......................................... 40 2.3.1 Phương án phanh tái sử dụng trên hệ thống chuyên dùng cơ cấu nâng hạ. ...... 40 2.3.2 Phương án lắp thêm mô tơ thủy lực .................................................................. 42 2.3.3 Phương án thay đổi bơm thủy lực thành cụm bơm/mô tơ kết hợp .................... 44 2.3.4 Mô hình hóa quá trình tái sử dụng năng lượng trường hợp hỗ trợ di chuyển ... 48 Kết luận chương 2 ............................................................................................................... 55 Chương 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC ........................ 56 3.1 Khảo sát quá trình phanh thu năng thủy lực ......................................................... 56 3.1.1 Mô phỏng quá trình phanh thu năng thủy lực xe chuyên dùng bằng chương trình Matlab - Simulink.................................................................................................... 56 3.1.2 Một số kết quả khảo sát quá trình phanh thu năng lượng động năng bằng mô hình mô phỏng ................................................................................................................. 57 3.1.2.1 Khảo sát trường hợp phanh khẩn cấp và trường hợp phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực .................................................................................................. 57 i 3.1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của mức áp suất làm việc ban đầu bình tích áp năng pgo khác nhau. ........................................................................................................................ 60 3.1.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc phanh ban đầu khác nhau ............................ 65 3.1.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng xe............................................................. 71 3.1.2.5 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng riêng bơm đến phanh thu hồi năng lượng động năng ........................................................................................................................ 76 3.2 Khảo sát quá trình tái sử dụng năng lượng từ bình áp năng ................................. 80 3.2.1 Mô hình mô phỏng quá trình tăng tốc xe bằng chương trình Matlab - Simulink 81 3.2.2 Khảo sát quá trình tái sử dụng hỗ trợ tăng tốc xe.............................................. 81 Kết luận chương 3 ............................................................................................................... 89 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................................................... 90 4.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu........................................................................... 90 4.2 Phương pháp nghiên cứu, đối tượng thực nghiệm và phương pháp đo ................ 90 4.2.1 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 90 4.2.2 Đối tượng thực nghiệm ..................................................................................... 90 4.2.3 Phương pháp đo................................................................................................. 94 4.3 Quy trình thực nghiệm .......................................................................................... 96 4.4 Kết quả thực nghiệm ............................................................................................. 97 4.4.1 Kết quả thực nghiệm 1: Thực nghiệm ảnh hưởng của áp suất làm việc ban đầu đến quá trình phanh thu năng lượng động năng............................................................... 97 4.4.2 Kết quả thực nghiệm 2: Thực nghiệm phanh thu năng lượng xe theo vận tốc ban đầu phanh khác nhau theo tay số tương ứng ............................................................. 99 4.4.3 Kết quả thực nghiệm 3: Thực nghiệm thay đổi khối lượng xe ....................... 102 4.5 Đánh giá kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán mô phỏng........................... 104 4.6 Chu kỳ phanh dừng cho mô hình thực nghiệm ................................................... 104 Kết luận chương 4 .......................................................................................................... 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 113 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 114 Phụ lục 1. Thông số kỹ thuật ô tô khảo sát ............................................................... 114 Phụ lục 2. Mô hình mô phỏng bằng chương trình Simulink..................................... 118 Phụ lục 3. Dữ liệu nhập từ chương trình Matlab ...................................................... 121 Phụ lục 4. Mạch điều khiển hệ thống phanh thu năng thủy lực. ............................... 131 Phụ lục 5. Chương trình chạy trên phần mềm Arduino ............................................ 131 Phụ lục 6. Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm ...................................................... 134 ii DANH MỤC KÍ HIỆU STT Ký hiệu Tên gọi Đơn vị 1 a Khoảng cách từ trọng tâm xe đến véc tơ phản lực Z1 2 av Gia tốc của xe m/s2 3 avtb Gia tốc phanh trung bình m/s2 4 b Khoảng cách từ trọng tâm xe đến véc tơ phản lực Z2 5 C Tỷ số truyền chung của cơ cấu phanh 6 d Đường kính ống dẫn dầu 7 dp Lưu lượng riêng của bơm thủy lực m3/vòng 8 dm Lưu lượng riêng mô tơ thủy lực m3/vòng 9 E Động năng của vật J 10 Ea Năng lượng bình tích năng J 11 Eamax Năng lượng bình tích năng lớn nhất J 12 Ekq Động năng của khối rắn chuyển động quay J 13 Ekt Động năng của khối rắn chuyển động tịnh tiến J 14 Ev Động năng của xe ở vận tốc v J 15 Evan Năng lượng điện cung cấp van J 16 Fbam Lực bám của bánh xe N 17 Fphmht Lực cản tăng thêm do hệ thống phanh N 18 G Trọng lượng xe N 19 Ght Trọng lượng tăng thêm do hệ thống phanh N 20 g Gia tốc trọng trường 21 H Khoảng cách từ trọng tâm xe đến mặt đường 22 hw 23 itrp Tỷ số truyền từ trục bơm đến trục bánh xe 24 ih Tỷ số truyền của hộp số sàn 25 io Tỷ số truyền bộ truyền lực chính 26 iptc Tỷ số truyền từ trục PTO đến trục thứ cấp của hộp số 27 K Hệ số khí động học của ô tô 28 k Hệ số đa biến của khí 29 L 30 Lph m m m m/s2 Khoảng cách từ điểm đặt lực cản không khí Pw đến mặt đường Khoảng cách từ điểm đặt lực véc tơ phản lực Z1 đến Z2 Chu kỳ phanh m m m m iii 31 Lphmax Chu kỳ phanh lớn nhất giữa 2 lần liên tiếp m 32 lm Chiều dài đường ống dẫn dầu nhánh tái sử dụng m 33 lp Chiều dài đường ống dẫn dầu nhánh thu m 34 Mbxp Mô men phanh tại bánh xe N.m 35 Mbxk Mô men kéo tại bánh xe N.m 36 Mp Mô men của bơm thủy lực Nm 37 Mm Mô men của mô tơ thủy lực Nm 38 Mtchs Mô men vị trí trục thứ cấp hộp số Nm 39 m Khối lượng vật, Khối lượng xe kg 40 mht Khối lượng tăng thêm do hệ thống phanh kg 41 Pw Lực cản không khí N 42 P’ Lực dẫn động tác dụng lên guốc phanh N 43 Pj Lực quán tính sinh ra trong khi phanh N 44 Pr1 Lực cản lăn ở các bánh trước xe N 45 Pr2 Lực cản lăn ở các bánh sau xe N 46 Pp Lực phanh tổng cộng tại các bánh xe chủ động N 47 Pp1 Lực phanh cơ khí đặt ở bánh trước N 48 Pp2 Lực phanh cơ khí đặt ở bánh sau N 49 Ppp 50 Pk 51 Lực phanh của hệ thống phanh thu năng thủy lực đặt ở bánh sau N Lực kéo tại các bánh chủ động N Pvan Công suất van điện từ W 52 pao Áp suất nạp ban đầu của khí N/m2 53 pcr Áp suất dầu thủy lực buồng cửa ra của bơm thủy lực N/m2 54 pcv 55 pcrm Áp suất dầu thủy lực buồng cửa ra mô tơ thủy lực N/m2 56 pcvm Áp suất dầu thủy lực buồng cửa vào mô tơ thủy lực N/m2 57 pg Áp suất khí trong quá trình làm việc N/m2 58 pgo Áp suất làm việc ban đầu của khí N/m2 59 pf Áp suất dầu thủy lực cửa vào bình tích áp thủy lực N/m2 60 Qp Lưu lượng của bơm thủy lực m3/s 61 Z1 62 Z2 Áp suất dầu thủy lực buồng cửa vào của bơm thủy lực Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe trước Phản lực thẳng góc từ mặt đường lên các bánh xe sau. iv N/m2 N N 63 Vao Thể tích khí nạp m3 64 Vgo Thể tích làm việc ban đầu của khí m3 65 Vg Thể tích khí nén trong quá trình nạp m3 66 Vf Thể tích dầu thủy lực được đẩy vào bình tích áp m3 67 v Vận tốc vật m/s 68 vo Vận tốc xe phanh ban đầu m/s 69 vt Vận tốc xe ở thời điểm ngừng phanh t m/s 70 bx Tốc độ của bánh xe 1/s 71 bxoi Tốc độ của bánh xe thứ i tương ứng vận tốc xe vo 1/s 72 m Vận tốc góc trục của mô tơ thủy lực 1/s 73 p Tốc độ góc trục của bơm 1/s 74 ti 75 Jqt Mô men quán tính của vật đối với trục quay của nó kgm2 76 Jbx Mô men quán tính bánh xe kgm2 77 Ji 78 Jd 79  80 Vận tốc góc tại thời điểm t của chi tiết thứ i quay quanh trục đi qua khối tâm của nó Mô men quán tính của chi tiết thứ i quay quanh trục đi qua khối tâm của nó Mô men quán tính của bánh đà và các chi tiết chuyển động quay của động cơ 1/s kgm2 kgm2 Tỉ lệ thu năng % max Tỉ lệ thu năng lớn nhất % 81 ct Tỉ lệ thu năng chu trình % 82 Re Hệ số rây nôn 83 rbx Bán kính làm việc của bánh xe m 84 rt Bán kính tang trống phanh m 85  Hệ số cản phụ thuộc vào hệ số Re 86  Độ nhớt động học của dầu 87 tph Thời gian phanh 88  89  Hệ số tính đến ảnh hưởng của các trọng khối chuyển động quay của xe Hệ số bám. 90  Hiệu suất truyền động của hệ thống ruyền lực. 91 mp Hiệu suất cơ khí của bơm thủy lực 92 mm Hiệu suất cơ khí của mô tơ thủy lực m2/s s v hiệu suất truyền động từ trục thứ cấp hộp số đến bơm 93 ηtcp 94 vp Hiệu suất thể tích của bơm thủy lực 95 vm Hiệu suất thể tích của mô tơ thủy lực 96  Khối lượng riêng của dầu 97  Hệ số tổn thất cục bộ đường dẫn dầu 98 v 99 vd 100 Evo Động năng của xe ở vận tốc vo 101 plp Tổn thất đường ống nhánh từ bơm đến bình tích năng N/m2 102 pp N/m2 103 pm Chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của bơm thủy lực Chênh lệch áp suất giữa buồng đẩy với buồng vào của mô tơ thủy lực thủy lực kg/m3 hệ số cản phụ thuộc vào ống, phụ thuộc vào độ đồng đều của tiết diện chảy Vận tốc trung bình của dầu m/s DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tên gọi 1 CBED Cumulo Brake Energy Drive 2 CHD Cumulo Hydrostatic Drive 3 FC Full scale 4 HDA Hydraulic Drive Assist 5 HLA Hydraulic Launch Assist 6 HPA Hydraulic Power Assist 7 HRB Hydrostatic Regenerative Braking 8 NCS Nghiên cứu sinh 9 MT Manual transmission 10 PHHV Parallel hydraulic hybrid vehicle 11 PTO Power take-off 12 RBS Regenerative Braking system vi J N/m2 13 USB Universal Serial Bus 14 FTP75 Federal Test Procedure 75 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3. 1 Bảng tổng hợp kết quả trường hợp phanh xe khẩn cấp và phanh bằng 100% hệ thống thu năng ..................................................................................................................... 59 Bảng 3. 2 Bảng tổng hợp kết quả trong trường thay đổi áp suất bình áp năng pgo khác nhau ............................................................................................................................................. 64 Bảng 3. 3. Bảng thông số dải vận tốc và tay số xe phù hợp trên xe tham khảo .................. 65 Bảng 3. 4 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản kết quả thu năng ở vận tốc khác nhau ................ 69 Bảng 3. 5 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản trong 3 trường hợp khối lượng khác nhau .......... 75 Bảng 3. 6 Bảng tổng hợp số liệu cơ bản các trường hợp lưu lượng riêng dp thay đổi ....... 80 Bảng 3. 7 Bảng tổng hợp các kết quả chính trong trường hợp tái sử dụng năng lượng ..... 85 Bảng 3. 8 Bảng tổng hợp trường hợp áp suất pga khác nhau .............................................. 88 Bảng 4. 1 Các thông số cơ bản của Card Arduino Uno R3 [65]......................................... 93 Bảng 4. 2 Bảng các thông số cơ bản cảm biến tiệm cận ..................................................... 95 Bảng 4. 3 Quy hoạch thí nghiệm ......................................................................................... 96 Bảng 4. 4 Bảng so sánh kết quả giá trị tỉ lệ thu năng giữa mô phỏng với thực nghiệm ... 104 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1. 1 Đồ thị quan hệ động năng (E) với khối lượng (m) và vận tốc (v) của một số xe cơ giới ......................................................................................................................................... 4 Hình 1. 2 Sơ đồ cơ cấu phanh ma sát loại tang trống (nguồn - [7]) ..................................... 5 Hình 1. 3 Cơ cấu phanh ma sát loại đĩa (nguồn - [8]) .......................................................... 5 Hình 1. 4 Bình tích áp năng thủy lực................................................................................... 8 Hình 1. 5 Biều đồ quan hệ năng lượng riêng và công suất riêng của các phương tiện tích trữ năng lượng (nguồn: [21]) ................................................................................................ 9 Hình 1. 6 Quan hệ Công suất phanh và tần suất phanh ở một số xe cơ giới (nguồn: [27]) . 9 Hình 1. 7 Hệ thống CBED - Cumulo Brake Energy Drive (nguồn: [28]) ........................... 10 Hình 1. 8 Hệ thống CHD - Cumulo Hydrostatic Drive (nguồn [16]).................................. 11 Hình 1. 9 Parker advanced series hydraulic hybrid (nguồn: [30]) ..................................... 11 vii Hình 1. 10 Sơ đồ hệ thống HLA trên xe thu gom rác của tập đoàn Eaton (nguồn [31]) .... 12 Hình 1. 11 Sơ đồ bố trí hệ thống HRB cùng hệ thống truyền lực trên xe thu gom rác của Bosch Rexroth group (nguồn: [33])..................................................................................... 12 Hình 1. 12 Tỉ lệ năng lượng phanh và các tổn thất năng lượng so với tổng động năng của một số chủng loại xe (nguồn: [37]). ................................................................................... 13 Hình 2. 1 Mô hình thực nghiệm hệ thống thu hồi động năng khi phanh bằng bình áp năng thủy lực đặt trong phòng thí nghiệm, khoa cơ khí động lực trường Đại học Ulsan – Hàn Quốc (nguồn: [43]) .............................................................................................................. 17 Hình 2. 2 Sơ đồ hệ thống trong trường hợp phanh thu năng thủy lực (nguồn: [43]).......... 18 Hình 2. 3 Sơ đồ hệ thống trong trường hợp tái sử dụng (nguồn: [43]) ............................... 19 Hình 2. 4 Sơ đồ cấu tạo điển hình hệ thống truyền lực trên ô tô chuyên dùng ................... 19 Hình 2. 5 Ảnh xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn do Công ty cổ phần công nghệ ô tô Việt Nam sản xuất lắp ráp. .................................................................................................. 20 Hình 2. 6 Sơ đồ điển hình hộp số sàn loại 5 cấp số tiến cùng với hộp PTO trên xe chuyên dùng ..................................................................................................................................... 21 Hình 2. 7 – Sơ đồ chi tiết hộp số sàn MT (5 số tiến+1 số lùi) cùng hộp PTO và dòng truyền công suất từ động cơ đến trục thứ cấp theo vị trí các số khác nhau (1,2,3,4,5, R) ............. 22 Hình 2. 8 Sơ đồ đường truyền năng lượng từ động cơ đến trục PTO ................................. 22 Hình 2. 9 Sơ đồ dòng truyền công suất từ trục thứ cấp đến trục PTO theo vị trí tay số 1, 2, 3, 4, 5 và số lùi R ................................................................................................................. 23 Hình 2. 10 Sơ đồ hệ thống phanh trường hợp không hoạt động, ĐT4 ở vị trí off ............... 24 Hình 2. 11 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ không tải, ĐT4 ở vị trí on ......................... 25 Hình 2. 12 Sơ đồ hệ thống hoạt động ở chế độ phanh thu động năng ................................ 26 Hình 2. 13 Lực tác dụng lên ô tô khi phanh trên đường nằm ngang................................... 27 Hình 2. 14 Sơ đồ quá trình phanh bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực ....................... 28 Hình 2. 15 Sơ đồ bình tích áp năng thủy khí theo các trạng thái làm việc ......................... 35 Hình 2. 16 Sơ đồ phương án hệ thống thu năng thủy lực và tái sử dụng lại năng lượng vào hệ thống công tác chuyên dùng nâng hạ ben thủy lực (chế độ phanh thu năng) ................ 40 Hình 2. 17 Sơ đồ phương án hệ thống trường hợp tái sử dụng năng lượng vào cơ cấu công tác nâng ben thủy lực........................................................................................................... 41 Hình 2. 18 Sơ đồ hoạt động bổ sung áp năng thủy lực từ bơm để công tác nâng ben thủy lực ........................................................................................................................................ 41 Hình 2. 19 Sơ đồ hoạt động trong trường hợp hạ ben xả dầu về thùng chứa ..................... 42 Hình 2. 20 Sơ đồ hệ thống thu và tái sử dụng năng lượng động năng trên xe chuyên dùng tác giả đã đề xuất trên Hội nghị cơ học thủy khí toàn quốc năm 2016 ............................... 43 viii Hình 2. 21 Sơ đồ hệ thống phanh thu năng thủy lực phương án thay cụm bơm thủy lực ... 45 Hình 2. 22 Sơ đồ hệ thống hoạt động trong trường hợp phanh thu năng thủy lực ............. 46 Hình 2. 23 Trường hợp tái sử dụng hỗ trợ di chuyển .......................................................... 46 Hình 2. 24 Sơ đồ trường hợp hỗ trợ cơ cấu nâng ben thủy lực ........................................... 47 Hình 2. 25 Trường hợp bổ sung năng lượng nâng ben thủy lực ......................................... 47 Hình 2. 26 Trường hợp xả dầu về thùng chứa..................................................................... 48 Hình 2. 27 Sơ đồ các thành phần lực tác dụng lên xe khi tăng tăng tốc trên đường nằm ngang ................................................................................................................................... 48 Hình 2. 28 Sơ đồ phối trộn công suất động cơ với công suất từ bình áp năng cấp đến bánh xe.......................................................................................................................................... 50 Hình 2. 29 – Trạng thái hoạt động của bình áp năng trong quá trình xả ........................... 53 Hình 3. 1 Lưu đồ tính toán các thông số trong quá trình phanh thu năng lượng động năng ............................................................................................................................................. 56 Hình 3. 2 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp ................................................................................................ 57 Hình 3. 3 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp ................................................................................................ 58 Hình 3. 4 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp............................................................................. 58 Hình 3. 5 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp ................................................................................... 58 Hình 3. 6 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp............................................................................. 59 Hình 3. 7 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp bằng hệ thống thu năng và trường hợp phanh khẩn cấp .............................................................. 59 Hình 3. 8 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ................. 61 Hình 3. 9 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau.................. 61 Hình 3. 10 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ............................................................................................................................................. 61 Hình 3. 11 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ............................................................................................................................................. 62 Hình 3. 12 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ............................................................................................................................................. 62 Hình 3. 13 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ............................................................................................................................................. 62 ix Hình 3. 14 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ............................................................................................................................................. 63 Hình 3. 15 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ............................................................................................................................................. 63 Hình 3. 16 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau............................................................................................................................. 63 Hình 3. 17 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh trường hợp pgo khác nhau ..................................................................................................................................... 64 Hình 3. 18 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số................................................................................................... 66 Hình 3. 19 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số................................................................................................... 66 Hình 3. 20 Biểu đồ quãng đường phanh xe trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 67 Hình 3. 21 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số .......................................................................................... 67 Hình 3. 22 Biểu đồ vận tốc bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 67 Hình 3. 23 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 68 Hình 3. 24 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ................................................................. 68 Hình 3. 25 Biểu đồ năng lượng tích trữ bình áp năng trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ........................................................... 68 Hình 3. 26 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ............................................................................ 69 Hình 3. 27 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng ở vận tốc phanh ban đầu khác nhau tương ứng các tay số ................................................................. 69 Hình 3. 28 Biểu đồ giá trị tốc độ bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ........................................................................ 72 Hình 3. 29 Biểu đồ giá trị mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................ 72 Hình 3. 30 Biểu đồ giá trị lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................ 73 Hình 3. 31 Biểu đồ giá trị thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg .................................................. 73 x Hình 3. 32 Biểu đồ giá trị áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu năng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................................... 73 Hình 3. 33 Biểu đồ giá trị năng lượng thu được Ea trong quá trình phanh thu năng lượng trường hợp khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................................................ 74 Hình 3. 34 Biểu đồ miền giá vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ........................................................... 74 Hình 3. 35 Biểu đồ giá trị gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ........................................................... 74 Hình 3. 36 Biểu đồ giá trị mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ............................... 75 Hình 3. 37 Biểu đồ giá trị quãng đường phanh trong quá trình phanh thu năng lượng xe ở vo =30km/h, pgo=85bar, khối lượng xe m =1800; 2400; 3000kg ...................................... 75 Hình 3. 38 Biểu đồ tốc độ bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 76 Hình 3. 39 Biểu đồ mô men bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 77 Hình 3. 40 Biểu đồ lưu lượng bơm thủy lực trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 77 Hình 3. 41 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp khác nhau. ............................................................................................. 77 Hình 3. 42 Biểu đồ áp suất bình áp năng trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 78 Hình 3. 43 Biểu đồ năng lượng thu được Ea trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp khác nhau .................................................................................................... 78 Hình 3. 44 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp khác nhau............................................................................................................................. 78 Hình 3. 45 Biểu đồ gia tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp khác nhau............................................................................................................................. 79 Hình 3. 46 Biểu đồ quãng đường phanh trong quá trình phanh thu năng lượng xe lưu lượng riêng dp khác nhau ............................................................................................................... 79 Hình 3. 47 Biểu đồ mô men trục thứ cấp hộp số trong quá trình phanh thu năng lượng lưu lượng riêng dp khác nhau .................................................................................................... 79 Hình 3. 48 Lưu đồ qui trình tính toán quá trình tái sử dụng năng lượng .......................... 81 Hình 3. 49 Biểu đồ vận tốc xe trường hợp dm khác nhau .................................................... 82 Hình 3. 50 Biểu đồ gia tốc xe trường hợp dm khác nhau ..................................................... 82 Hình 3. 51 Biểu đồ quãng đường di chuyển xe trường hợp dm khác nhau .......................... 83 xi Hình 3. 52 Biểu đồ áp suất bình áp năng trường hợp dm khác nhau .................................. 83 Hình 3. 53 Biểu đồ mô men mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau................................ 83 Hình 3. 54 Biểu đồ tốc độ mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau .................................. 84 Hình 3. 55 Biểu đồ tốc lực kéo trường hợp dm khác nhau ................................................... 84 Hình 3. 56 Biểu đồ thể tích dầu cung cấp cho mô tơ thủy lực trường hợp dm khác nhau ... 84 Hình 3. 57 Biểu đồ vận tốc xe trường hợp pga khác nhau ................................................... 86 Hình 3. 58 Biểu đồ gia tốc xe trường hợp pga khác nhau .................................................... 86 Hình 3. 59 Biểu đồ quãng đường di chuyển xe trường hợp pga khác nhau ......................... 86 Hình 3. 60 Biểu đồ áp suất bình áp năng trường hợp pga khác nhau .................................. 87 Hình 3. 61 Biểu đồ mô men mô tơ trường hợp pga khác nhau ............................................. 87 Hình 3. 62 Biểu đồ tốc độ mô tơ trường hợp pga khác nhau................................................ 87 Hình 3. 63 Biểu đồ lực kéo trường hợp pga khác nhau ........................................................ 88 Hình 3. 64 Biểu đồ thể tích dầu cung cấp cho mô tơ thủy lực trường hợp pga khác nhau .. 88 Hình 4. 1 Xe chuyên dùng thu gom chở rác 2,5 tấn làm sử dụng mô hình nghiên cứu....... 91 Hình 4. 2 Ảnh bơm bánh răng thủy lực trên xe ................................................................... 92 Hình 4. 3 Ảnh van thủy lực điều khiển ................................................................................ 92 Hình 4. 4 Ảnh thiết bị đồ hồ đo áp suất, cảm biến thủy lực và công tắc áp suất trên hệ thống ............................................................................................................................................. 92 Hình 4. 5 Ảnh thùng chứa dầu thủy lực và nguồn điện ắc quy ........................................... 92 Hình 4. 6 Ảnh bộ điều khiển sử dụng mạch Arduino Uno R3 gắn trên ca bin xe ............... 93 Hình 4. 7 Lưu đồ thuật toán điều khiển mô hình hệ thống thu năng thủy lực ..................... 94 Hình 4. 8 Sơ đồ cấu trúc đo vận tốc xe trên mô hình thí nghiệm xe chuyên dùng. ............. 94 Hình 4. 9 Sơ đồ cấu trúc đo áp suất bình áp năng thủy khí trên mô hình thí nghiệm xe chuyên dùng ..................................................................................................................................... 95 Hình 4. 10 Biểu đồ quá trình giảm tốc độ trong quá trình phanh xe thu năng lượng xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau................................................................................... 97 Hình 4. 11 Biểu đồ áp suất bình áp năng thủy khí trong quá trình phanh xe thu năng lượng với vận tốc phanh ban đầu vo=30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau. ..... 97 Hình 4. 12 Biểu đồ thể tích dầu thu được trong quá trình phanh xe thu năng lượng với vận tốc phanh ban đầu vo=30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau. .................. 98 Hình 4. 13 Biểu đồ tỉ lệ thu năng trong quá trình phanh xe thu năng lượng với vận tốc phanh ban đầu vo=30km/h, xe chạy ở tay số 3, theo 3 mức pgo khác nhau. ................................... 98 Hình 4. 14 Biểu đồ áp suất bình áp năng thủy khí trong quá trình phanh xe thu năng lượng theo tay số và vận tốc phanh ban đầu vo tương ứng, áp suất pgo = 85(bar). ...................... 99 xii Hình 4. 15 Biểu đồ vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng theo tay số và vận tốc phanh ban đầu vo tương ứng, áp suất pgo = 85(bar). ........................................................ 100 Hình 4. 16 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí theo các tay số và vận tốc phanh ban đầu vo tương ứng.................................................................. 100 Hình 4. 17 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) theo động năng Ev(J) ở vo ban đầu tương ứng. .................................................................................................... 101 Hình 4. 18 Biểu vận tốc xe trong quá trình phanh thu năng lượng ở 2 trường hợp khối lượng khác nhau........................................................................................................................... 102 Hình 4. 19 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) theo động năng Ev(J) ở vo ban đầu tương ứng. .................................................................................................... 102 Hình 4. 20 Biểu đồ thể tích dầu thủy lực thu được trong bình tích áp năng thủy khí theo trường hợp khối lượng xe thay đổi .................................................................................... 103 Hình 4. 21 Biểu đồ năng lượng thu được Eamax và tỉ lệ thu năng α (%) ở các trường hợp thay đổi khối lượng xe. .............................................................................................................. 103 xiii MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Hiện nay, năng lượng hóa thạch truyền thống đang dần cạn kiệt [1], để phát triển bền vững kinh tế, cũng như bảo vệ môi trường là yêu cầu cấp bách đối với mọi quốc gia. Ngày 25 tháng 11 năm 2015 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050. Do vậy vấn đề tiết kiệm năng lượng, cũng như khai thác các nguồn năng lượng tái tạo đang được ưu tiên phát triển ở nước ta hiện nay [2]. Hiện nay xe chuyên dùng sử dụng thu gom chở rác ở nước ta với số lượng lớn [3], hệ thống phanh của dòng xe này đang sử dụng thường là hệ thống phanh dạng ma sát, trong quá trình phanh hãm xe, hệ thống phanh kiểu này thực hiện biến đổi động năng của xe sang nhiệt năng, tiêu tán ra môi trường xung quanh, không được thu hồi, hơn nữa do đặc điểm khai thác mà dòng xe này có tần xuất phanh dừng cao, công suất phanh lớn, dẫn đến sự lãng phí năng lượng, ngoài ra còn sản sinh ra lượng khí phát thải lớn gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên để thay thế hết các dòng xe đang lưu hành này trong điều kiện kinh tế khó khăn ở nước ta là một công việc khó khăn, do đó hướng nghiên cứu để phát triển một hệ thống phanh thu năng thủy lực trên các dòng xe chuyên dùng thu gom chở rác cần được đặt ra. Nhằm hướng đến phát triển một hệ thống phanh có khả năng khai thác, thu năng lượng động năng trên xe chuyên dùng thu gom chở rác, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu công nghệ thu hồi để tái sử dụng năng lượng bằng hệ thống truyền động thủy lực khi phanh xe cơ giới” là nội dung nghiên cứu trong luận án. 2. Mục đích nghiên cứu Đề xuất cấu hình một hệ thống thủy lực có khả năng thu hồi năng lượng động năng khi phanh xe chuyên dùng thu gom rác tải trọng 2,5 tấn; Từ cấu hình đề xuất, nghiên cứu đánh giá khả năng phanh thu năng lượng động năng của hệ thống phanh như một hàm số của các thông số vận hành như: tốc độ xe theo các tay số, khối lượng xe và thông số áp suất bình áp năng thủy lực. 3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Xe chuyên dùng thu gom chở rác loại nhẹ sử dụng hộp số sàn có gắn hộp chia công suất. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tỉ lệ thu năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng bình áp năng lắp kết nối với hộp chia công suất trên xe chuyên dùng thu gom chở rác loại 2,5 tấn di chuyển ở vùng đồng bằng. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu tính toán lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm vật lý có tham khảo các kết quả nghiên cứu ở trong nước và quốc tế: 1 + Nghiên cứu lý thuyết: Mô hình lý thuyết phù hợp với môi trường Matlab-Simulink được xây dựng để khảo sát, nghiên cứu các đặc tính của xe và hệ thống, tính toán và lựa chọn phần tử hệ thống phanh thu năng thủy lực. + Nghiên cứu thực nghiệm: Hệ thống được thiết kế, lựa chọn, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm. Các đặc tính được đánh giá và so sánh với kết quả nghiên cứu lý thuyết. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đã vận dụng nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để chỉ rõ cụ thể phương pháp phanh thu năng lượng động năng trong quá trình phanh xe chuyên dùng thu gom rác bằng hệ thống truyền động thủy lực, năng lượng thu được tích trữ vào bình áp năng thủy lực, năng lượng thu sẽ được tái sử dụng trên chính phương tiện xe đó. Công nghệ phanh thu năng lượng động năng xe cơ giới ngày càng được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước, tuy nhiên ở nước ta nghiên cứu về công nghệ này còn hạn chế, do đó nội dung nghiên cứu của luận án góp phần vào kho nguồn tài liệu bổ trợ cho các nhà sản xuất xe chuyên dùng ở nước ta, thúc đẩy sự phát triển hệ thống phanh thu động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực sử dụng bình áp năng thủy lực lắp trên dòng xe chuyên dùng thu gom rác. 5. Các điểm mới của luận án đạt được  Đề xuất được cấu hình hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên xe chuyên dùng thu gom chở rác tải trọng 2,5 tấn;  Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm thành công hệ thống phanh thu năng lượng động năng bằng hệ thống truyền động thủy lực lắp đặt trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác 2,5 tấn;  Đánh giá tỉ lệ thu năng của hệ thống phanh thu năng thủy lực trên xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn theo chế độ vận hành xe như: thay đổi tay số truyền - vận tốc xe, áp suất bình áp năng thủy lực và khối lượng xe.  Có thể vận dụng khai thác động năng bằng hệ thống phanh thu năng thủy lực kết nối với hộp chia công suất trên đối tượng xe chuyên dùng thu gom rác loại 2,5 tấn và dòng xe chuyên dùng có tính năng tương đương. 6. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm: MỞ ĐẦU Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Chương 2. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC Chương 3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG PHANH THU NĂNG THỦY LỰC Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 2 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Năng lượng động năng xe cơ giới Tập đoàn dầu khí BP của Anh đánh giá [1] với tốc độ khai thác dầu mỏ như năm 2016 thì trữ lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ còn đủ để khai thác trong khoảng thời gian 50 năm nữa, điều này cảnh báo chúng ta về sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và nhân loại phải khẩn chương tìm và tận dụng cũng như khai thác các nguồn năng lượng khác thay thế để tồn tại và phát triển bền vững. Việc tận dụng khai thác năng lượng động năng ở các vật chuyển động đã, đang và sẽ là một vấn đề được nghiên cứu rộng rãi. Động năng của một vật là năng lượng mà nó có được từ chuyển động của nó, động năng cũng được định nghĩa là công cần thực hiện để gia tốc một vật với khối lượng cho trước từ trạng thái nghỉ tới vận tốc hiện thời của nó, sau khi đạt được năng lượng này bởi gia tốc của nó, vật sẽ duy trì động năng này trừ khi tốc độ của nó thay đổi [4]. Theo lý thuyết cơ học cổ điển đã chỉ ra động năng là một đại lượng vô hướng và được xác định như sau [4]: Đối với vật chuyển động tịnh tiến động năng được xác định bởi phương trình: m.v2 Ekt  2 (1.1) Trong đó: Ekt – động năng của vật chuyển động tịnh tiến (J) m – khối lượng của vật (kg) v – vận tốc của vật (m/s) Đối với vật chuyển động quay động năng được xác định: Ekq  Jqt .2 2 (1.2) Trong đó: Jqt – mô men quán tính của vật chuyển động quay (kgm2)  - vận tốc góc của vật đang chuyển động quay (rad/s) Nếu vật chuyển động cả tịnh tiến và quay thì động năng được xác định: E  E kt  E kq 3 (1.3)