Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bằng khí nén cho động cơ 6nvd36 trong phòng thực hành máy tàu thủy

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 65 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN CHO ĐỘNG CƠ 6NVD36 TRONG PHÒNG THỰC HÀNH MÁY TÀU THỦY STUDY DESIGNING THE REMOTE CONTROL SYSTEM OF MAIN ENGINE 6NVD36 BY PNEUMATIC IN MARINE ENGINEERING LAB Lê Văn Vang, Vũ Minh Thái, Lê Hữu Cường Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh Tóm tắt: Bài báo giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa động cơ máy chính 6NVD36 bằng khí nén trong phòng thực hành máy tàu thủy. Qua đó, giúp sinh viên học tập và nghiên cứu với công nghệ mới phù hợp với sự phát triển của khoa học công nghệ. Từ khóa: Máy chính, điều khiển từ xa, khí nén. Abstract: This article introduces the remote control system of main engine 6NVD36 by pneumatic in marine engineering lab. Thereby, the students of Faculty of Marine Engineering can study and practice the professional majors with new technologies. Keywords: Main engine, remote control, pneumatic. 1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, đội tàu trong nước đã có sự phát triển mạnh mẽ cả về mặt số lượng cũng như chất lượng. Sự hiện đại hóa trong các đội tàu phát triển rất nhanh với những ứng dụng khoa học kỹ thuật được đưa vào như các hệ thống tự động, hệ thống điều khiển từ xa và hàng loạt các ứng dụng tiên tiến khác. Tuy nhiên, tại phòng thực hành Khoa Máy tàu thủy, việc khởi động máy chính được thực hiện bằng tay trang đơn giản đã lỗi thời, chưa phù hợp với xu hướng phát triển hiện nay. Nhằm giúp cho sinh viên tiếp cận và quen dần với thiết bị điều khiển tự động từ xa và hiện đại. Nhóm nghiên cứu chọn đề tài “Xây dựng mô hình hệ thống khí nén điều khiển động cơ 6NVD36 cho phòng thực hành máy tàu thủy” nhằm tự động hóa quá trình điều khiển cho động cơ diesel phù hợp với nhu cầu thực tế trong việc giảng dạy của giảng viên và thực hành cho sinh viên. Qua đó, giúp sinh viên tiếp cận được với các công nghệ tự động, phù hợp với nhu cầu thị trường và xu thế phát triển của ngành công nghiệp tàu thủy hiện nay. 2. Thiết kế hệ thống điều khiển từ xa máy chính 6NVD36 trong phòng thực hành Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế một hệ thống khí nén điều khiển từ xa động cơ 6NVD36 với các tính năng cơ bản như sau: − Thực hiện điều khiển máy chính như khởi động, dừng máy bằng một hệ thống điều khiển từ xa. − Hệ thống điều khiển phải đảm bảo điều chỉnh tốc độ láng theo yêu cầu, điều khiển tăng giảm vòng quay động cơ, dừng máy máy chính từ xa. − Hệ thống phải có điều khiển dự phòng, ngoài điều khiển động cơ từ xa còn có điều khiển tại đầu máy. − Trang bị các thiết bị chỉ báo các thông số làm việc của động cơ. − Kết cấu gọn nhẹ, kiểu dáng công nghiệp đẹp, tính ứng dụng thực tế cao. 2.1. Sơ đồ hệ thống Hệ thống điều khiển từ xa máy chính 6NVD36 được thiết kế phải đảm bảo làm việc an toàn, tin cậy, phù hợp với thực tế khai thác của phòng thực hành và phải có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và dễ khai thác. Sơ đồ hệ thống điều khiển từ xa 6NVD36 được thể hiện trên hình 1. 66 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 + - P A D Khởi động từ xa Khởi động tại đầu máy Van khởi động chính Chai gió Đĩa chia gió Suppap khởi động Bộ điều tốc Bơm cao áp Piston dừng Trạm giảm áp (20-25 bar) (0 -4 b ar ) Khởi độngDừng máy (0-4 bar) (3-5 bar) (2 0- 25 b ar ) P A D Van chuyểnTốc độ động cơ Hình 1. Sơ đồ hệ thống điều khiển động cơ 6NVD36. 2.2. Tính chọn áp suất làm việc trong hệ thống Để hệ thống làm việc được an toàn và tin cậy, áp suất khí điều khiển thường không được vượt quá 0.8 MPa, vận tốc dòng khí trong ống dẫn thường được chọn từ 6 – 10 m/s, đây là một trong những cơ sở để tính toán kích thước van, ống. Với hệ thống điều khiển cho động cơ diesel 6NVD36, áp suất khí điều khiển được chọn 0.3 - 0.5 MPa, đường kính ống 08 - 10 mm. Các ống dẫn từ hộp van tới động cơ được chọn là ống vật liệu bằng đồng. Việc thiết kế một hệ thống khí nén đảm bảo theo những tiêu chí hoạt động thì vấn đề tính toán tổn thất áp suất là một vấn đề rất quan trọng và phức tạp. Do hệ thống sử dụng lưu chất là khí nén nên cần quan tâm đến các tổn thất sau: Tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng (∆pR) được tính theo công thức: 2 2 R l.ρ.w Δp = λ. [N/m ] 2.d Tổn thất áp suất trong ống có tiết diện thay đổi: 2 E ρ p = ζ. .w 2  Tổn thất áp suất ống dẫn gãy khúc: 2 EΔp = 0,5.ζ.ρ.w 2[N/m ] Tổn thất áp suất ống dẫn cong: 2 E3 g ρ Δp = ζ . w 2 2[N/m ] Tổn thất áp suất trong phân nhánh: 2 Ed d z ρ ΔP = ξ w 2 Tổn thất áp suất trong ống dẫn hợp dòng a: maq : 2 Ea a ρ Δp ξ w 2  Tổn thất áp suất trong ống dẫn hợp dòng d: mdq : 2 Ed d z ρ ΔP = ξ w 2 Tổn thất áp suất trong các loại van vp (van đảo chiều, van áp suất, van tiết lưu) được tính như sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 67 2 2 v v ρ Δp = ξ w [N/m ] 2 Vì tổn thất áp suất trong ống dẫn thẳng hay tổn thất áp suất của ống dẫn có tiết diện thay đổi hoặc tổn thất áp suất trong các loại van đều phụ thuộc vào hệ số 2 ρ w 2 , cho nên có thể tính tổn thất áp suất thành chiều dài ống dẫn tương đương và được xác định như sau: ' 2 2ρ l ρξ w = λ v 2 d 2 Từ đó, chiều dài ống dẫn tương đương: ' ξl = d λ Như vậy tổn thất áp suất của hệ thống ống dẫn là: ' 2 ges l+ l ρ ΔP = λ w d 2   Để hệ thống điều khiển bằng khí nén làm việc được an toàn và tin cậy, độ sụt áp không được vượt quá 0.1 MPa. Thực tế sai số cho phép đến 5% áp suất làm việc. Tổn thất áp suất bao gồm tổn thất cục bộ và tổn thất dọc đường. Tổn thất này được tính toán dựa trên chiều dài ống dẫn, những chỗ thay đổi tiết diện và những vị trí dòng chảy đổi hướng. Việc thống kê những vị trí này dựa trên sơ đồ bố trí các phần tử. Để việc tính toán được đơn giản, tổn thất cục bộ có thể quy về tổn thất trên chiều dài ống dẫn tương. Sau quy đổi, tổn thất áp suất được tính trên tổng chiều dài ống. 2.3 Tính chọn thiết bị cho hệ thống Các thiết bị chính trong hệ thống điều khiển bao gồm: − Van giảm áp. − Van điều khiển khí nén. − Xylanh khí nén. − Bàn điều khiển. Ngoài ra, còn có các thiết bị chỉ báo như đồng hồ áp suất, nhiệt độ để người sử dụng có thể giám sát trong quá trình vận hành của động cơ. Các thiết bị trên được lựa chọn theo tải và đặc tính của động cơ. Các thiết bị này có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và có trên thị trường ở Việt Nam. 2.4. Mô phỏng làm việc cho hệ thống Nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Festo Fluidsm. Quá trình mô phỏng đã giúp nhóm nghiên cứu nâng cao tính trực quan, giảm chi phí trong thiết kế và nghiên cứu. Ngoài ra qua quá trình mô phỏng nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa các quá trình công tác của hệ thống điều khiển từ xa bằng khí nén cho động cơ 6NVD36, lựa chọn được các kết cấu mới phù hợp cho người sử dụng. Hình 2. Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Festo Fluidsim. 2.5. Lắp ráp hệ thống điều khiển Việc lắp đặt cần đảm bảo hệ thống làm việc an toàn, tin cậy và tính thẩm mỹ cao. Khi lắp ống đồng cần tuân thủ đúng kỹ thuật về cắt, nong, loe và uốn ống. 68 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 Hình 3. Lắp ráp thiết bị cho hệ thống. 2.6. Thử hệ thống sau chế tạo Sau chế tạo, lắp đặt hệ thống cần được thử tại xưởng. Hình 4. Thử hệ thống sau chế tạo. Tại phòng thực hành, hệ thống đã được kiểm tra độ kín, kiểm tra các chức năng làm việc và nếu có thể hệ thống còn phải được kiểm tra trong môi trường nhiệt độ cao và rung lắc. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đã thiết kế làm việc an toàn, hiệu quả. Các ma nơ khởi động cơ “tiến”, “lùi” được thực hiện chính xác, thời gian khởi động nhanh, độ tin cây cao. 3. Kết luận Hệ thống điều khiển từ xa cho động cơ diesel 6NVD36 đã được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công trong phòng thực hành Máy tàu thủy. Sau thời gian chạy thử nghiệm, hệ thống hoạt động tin cậy. Người vận hành dễ dàng theo dõi quá trình làm việc cũng như dễ dàng can thiệp qui trình hoạt động của động cơ nếu có sự cố xảy ra. Do vậy, quá trình làm việc rất an toàn và giảm nhẹ được sức lao động cho người vận hành. Hệ thống có thể áp dụng cho các tàu biển Việt Nam chưa có điều khiển từ xa động cơ chính bằng khí nén. Kết cấu hệ thống phù hợp, bố trí thuận tiện cho giảng viên hướng dẫn và sinh viên học tập, nghiên cứu, vận hành, sửa chữa  Tài liệu tham khảo [1] Lê Văn Tiến Dũng (2011), Điều khiển khí nén và thủy lực, Trường Đại học kỹ thuật công nghệ TP.HCM [2] Phan Thanh Hải, Đặng Văn Uy (2005), Cơ sở lý thuyết tự động điều chỉnh và điều khiển, Trường Đại học Hàng Hải. [3] PGS TS Lê Xuân Ôn (1992), Cơ sở lý thuyết tự động điều chỉnh, Nhà xuất bản Đại học Hàng hải Việt Nam. [4] Đặng Văn Uy (2004), Hệ thống tự động hệ động lực tàu thủy, Trường Đại học Hàng Hải. Ngày nhận bài: 29/07/2016 Ngày chuyển phản biện: 03/08/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 19/08/2016 Ngày chấp nhận đăng: 26/08/2016