Lý thuyết Thiết kế Bộ Tích năng Áp suất Cao

3.3.1 Vai trò của bộ tích áp cao áp

Về lý thuyết, mọi máy đục đá thủy lực đều cần một bộ tích áp có áp suất thay đổi — đặc biệt là bộ tích áp cao áp cỡ lớn.

Bộ tích áp cao áp, được lắp đặt tại đầu vào hệ thống của máy đục đá thủy lực, đảm nhiệm ba chức năng sau:

(1) Cân bằng lượng dầu cung cấp dư thừa và thiếu hụt của hệ thống. Khi lưu lượng dầu do bơm xả ra lớn hơn lượng dầu tiêu thụ của hệ thống, bộ tích áp cao áp sẽ hấp thụ phần lưu lượng dư thừa và hoạt động như một thiết bị tích trữ dầu. Khi lưu lượng dầu do bơm xả ra nhỏ hơn lượng dầu tiêu thụ của hệ thống, bộ tích áp sẽ xả dầu để bổ sung phần thiếu hụt, hoạt động như một thiết bị xả dầu. Bộ tích áp cao áp đóng vai trò cân bằng sự dư thừa và thiếu hụt lưu lượng trong hệ thống, và là một thành phần quan trọng đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.

(2) Hấp thụ các dao động áp suất trong hệ thống và giảm thiểu các đỉnh áp suất nhỏ, từ đó bảo vệ đường ống và các bộ phận thủy lực, đồng thời kéo dài tuổi thọ sử dụng của chúng.

(3) Trong thiết kế các cơ cấu tác động thủy lực sử dụng lý thuyết biến số trừu tượng, phương pháp này hỗ trợ việc xác định lực tương đương. Miễn là bình tích áp được thiết kế đúng cách, lực tương đương chính xác có thể đạt được, từ đó đảm bảo hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về động học và động lực học.

Xét vai trò quan trọng của bình tích áp cao áp trong hệ thống máy đục đá thủy lực — đặc biệt là chức năng đặc biệt của nó trong việc đảm bảo hệ thống đáp ứng các yêu cầu về động học và động lực học — việc xây dựng một lý thuyết và phương pháp thiết kế bình tích áp cao áp chính xác là hết sức quan trọng.

3.3.2 Thể tích xả hiệu dụng của bình tích áp

Thể tích xả hiệu dụng là một thông số hiệu suất quan trọng của bình tích áp, đồng thời cũng là cơ sở cho các tính toán thiết kế bình tích áp. Khi máy đục đá thủy lực hoạt động ở trạng thái ổn định, thể tích dầu lớn nhất mà bình tích áp tích trữ và xả ra trong một chu kỳ được gọi là thể tích xả hiệu dụng, ký hiệu là Δ V .

Thể tích xả hiệu dụng Δ V liên quan đến đặc tính động học. Khi lưu lượng bơm được cố định và cấu trúc cũng như đặc tính động học của máy đập thủy lực được cố định, thì năng lượng va đập Đ _H , tần số f _H , và thể tích xả hiệu dụng Δ V đều nhất thiết phải cố định. Do đó, khi thiết kế bình tích áp, thể tích xả hiệu dụng đã được biết trước. Cách tính toán Δ V sẽ được trình bày trong các chương sau.

3.3.3 Tính toán thể tích hiệu dụng (thể tích nạp) Vₐ của bình tích áp

Cơ sở để tính toán thể tích hiệu dụng của bình tích áp V _một là thể tích xả hiệu dụng thực tế Δ V . Khi Δ V hoạt động bên trong bình tích áp, điều này nhất thiết gây ra sự thay đổi áp suất dầu trong hệ thống, và lực tương đương F _g phải được duy trì. Do đó, phương pháp tính toán thiết kế bình tích năng đáp ứng các yêu cầu nêu trên cần được nghiên cứu. Đồ thị biểu diễn quan hệ áp suất (lực)–thể tích của bình tích năng trong quá trình hoạt động được thể hiện trong Hình 3-2.

Mặc dù tần số làm việc của máy đục đá thủy lực không cao lắm, nhưng quá trình nén và giãn nở nitơ bên trong nó vẫn diễn ra khá nhanh, với thời gian trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh là không đủ; do đó, quá trình này có thể được coi là một quá trình đoạn nhiệt. Từ phương trình trạng thái khí:

p ₁V ^k ₁ = p ₂V ^k ₂ = p _một V ^k _một                                                              (3.12)

ở đâu: p _một — áp suất nạp, tức là áp suất của khí được niêm phong;

       V _một — thể tích nạp, tức là thể tích bình tích năng khi piston ở vị trí va chạm (thường là thể tích làm việc lớn nhất V _amax );

       p ₂— áp suất làm việc lớn nhất;

       V ₂— thể tích tương ứng với p ₂(thường là thể tích làm việc nhỏ nhất V _2phút );

       p ₁— áp suất làm việc nhỏ nhất;

       V ₁— thể tích tương ứng với p ₁, V ₁ < V _một .

Trong Phương trình (3.12), k = 1,4 là chỉ số đoạn nhiệt. Rõ ràng:

δ V = V ₁ − V ₂                                                                      (3.13)

Từ Phương trình (3.12):

V ₁ = V _một (p _một / p ₁)^1/K                                                                 (3.14)

V ₂ = V ₁ (p ₁ / p ₂)^1/K                                                                 (3.15)

Thay vào Phương trình (3.13) ta được:

δ V = V _một (p _một / p ₁)^1/K [1 − 1 / ( p ₂ / p ₁)^1/K ] (3.16)

Trong Phương trình (3.16), đặt p _một / p ₁ = một = 0,8 đến 1; và tỷ số áp suất làm việc của khí γ = p ₂ / p ₁, thường thì γ = 1,2 đến 1,45, được chọn dựa trên đặc tính làm việc của máy đục đá thủy lực. một khi = 1, áp suất làm việc nhỏ nhất của pít-tông bằng áp suất nạp ( p _một = p ₁); ở trạng thái này V ₁ = V _một . Để ngăn màng tích năng không chạm vào đáy ở áp suất làm việc tối thiểu của máy đục đá thủy lực — điều này sẽ làm giảm tuổi thọ sử dụng — một cần được thiết lập nhỏ hơn 1.

Có hai yếu tố cần xem xét khi lựa chọn γ : khi γ lớn, do tích năng hoạt động trong trạng thái đoạn nhiệt, nhiệt độ tăng mạnh, có thể gây lão hóa sớm màng tích năng hoặc thậm chí làm cháy màng; tuy nhiên, việc tăng γ có thể làm giảm hiệu quả thể tích V _một của tích năng một cách đáng kể, điều này rất có lợi trong việc thu nhỏ kích thước cấu trúc của tích năng. Nhà thiết kế phải cân nhắc kỹ các ưu và nhược điểm để đưa ra quyết định dựa trên điều kiện ứng dụng; do đó:

δ V = V _một một ^1/K (1 − 1 / γ ^1/K ) (3.17)

Từ phương trình (3.17), thể tích hiệu dụng của bộ tích năng có thể được xác định:

V _một = Δ Vγ ^1/K \/ [ một ^1/K (γ ^1/K − 1)] (3.18)

Phương trình (3.18) cho thấy rằng, từ thể tích xả hiệu dụng Δ V , thể tích nạp tương ứng có thể được xác định để đảm bảo đạt được động học thiết kế và Δ V đã định. Trong thực tế, thể tích xả hiệu dụng Δ V là lượng dầu mà bộ tích năng bổ sung cho piston trong hành trình sinh công nhằm bù đắp cho lượng cung cấp không đủ từ bơm.

Đối với tính toán thiết kế thể tích xả hiệu dụng Δ V , vui lòng tham khảo Mục 7.5. Để đáp ứng các yêu cầu về thiết kế tối ưu, đối với các mục tiêu thiết kế khác nhau, việc tính toán thể tích xả hiệu dụng Δ V thay đổi tùy theo lựa chọn α _bạn (xem các Mục 7.2.5 và 7.27a).

3.3.4 Tính áp suất làm việc tối thiểu p₁ và áp suất nạp pₐ

Tại thời điểm này, mặc dù V _một đã được xác định và có thể được sử dụng để thiết kế các thông số kết cấu của bình tích năng, nhưng công việc tính toán thiết kế bình tích năng vẫn chưa hoàn tất. Vấn đề quan trọng nhất là làm thế nào để điều khiển áp suất dầu nhằm đảm bảo lực tương đương được đạt tới; và chỉ khi đạt được lực tương đương thì mới đảm bảo được động học đã thiết kế, từ đó đảm bảo Δ V . Nói cách khác, tồn tại một mối quan hệ tương ứng giữa Δ V và F _g .

Cần lưu ý rằng khi V _một là một giá trị cố định, p ₁, p ₂, và p _một có thể có nhiều tổ hợp khác nhau, tạo ra nhiều lực tương đương, nhiều đặc tính động lực học và nhiều đặc tính động học — tức là nhiều giá trị Δ V giá trị. Nhiệm vụ sau đây là, với một giá trị cố định V _một , tìm tổ hợp của p ₁, p ₂, và p _một có thể đạt được lực tương đương yêu cầu F _g và Δ V . Bởi vì khi p _một thay đổi, Đ _H , f _H , Δ V , p ₁, và p ₂đều thay đổi tương ứng. Nói cách khác, phải tồn tại một áp suất nạp p _một có thể đảm bảo đạt được áp suất tương đương p _g . Tất nhiên, cơ sở để tìm p _một is p ₁và p ₂, tức là áp suất tương đương p _g . Khi đã hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số này, phương pháp xác định p ₁, p ₂, và p _một từ áp suất tương đương p _g có thể được nghiên cứu.

Hình 3-2 mô tả sơ đồ p –V của bình tích áp suất cao trong quá trình vận hành. Dựa trên sơ đồ này và kết hợp với nguyên lý lực tương đương — công do lực biến thiên thực hiện bằng công do lực tương đương thực hiện — ta có:

p _g δ V = ∫ _V₂ ^V₁ p d V                                                                  (3.19)

Trong Phương trình (3.19):

p = C / V ^k

Thay vào Phương trình (3.19) và lấy tích phân:

p _g δ V = C ∫_V₂ ^V₁ d V / V ^k = 1 / (1 − k ) ( p ₁V ^k ₁V ^1−k ₁ − p ₂V ^k ₂V ^1−k ₂) (3.20)

Do đó:

p _g δ V = 1 / (1 − k ) ( p ₁V ₁ − p ₂V ₂) (3.21)

Loại bỏ V ₁và V ₂bằng cách thay thế và thay thế Phương trình (3.17) ta được:

p _g = p ₁\/ ( k − 1) · ( γ − γ ^1/K ) / ( γ ^1/K − 1) (3.22)

Sau khi sắp xếp lại:

p ₁ = p _g (k − 1) ( γ ^1/K − 1) / ( γ − γ ^1/K ) (3.23)

Trong Phương trình (3.23), p _g là áp suất tương đương tác dụng lên mặt chịu áp của piston. Khi xét đến tổn thất áp suất trong hệ thống, đại lượng này cần được biểu thị bằng áp suất định mức của hệ thống p _g = p _H / K . p ₁và p ₂được xác định theo cách này sẽ gần sát với giá trị thực tế hơn. Do đó:

p ₁= ( p _H / K )(k − 1)( γ ^1/K − 1) / ( γ − γ ^1/K ) (3.24)

p ₂ = γp ₁                                                                             (3.25)

p _một = ap ₁                                                                             (3.26)

Trong Phương trình (3.24), hệ số kháng lực tính đến tổn thất áp suất trong hệ thống là K = 1,1 đến 1,2.

Khi bộ tích áp thủy lực của máy đục đá thủy lực hoạt động ở các thông số này, điều kiện đảm bảo đạt được hiệu ứng chuyển động lực tương đương, thực hiện đúng quỹ đạo chuyển động học đã thiết kế và cung cấp đủ năng lượng va chạm cũng như tần số va chạm yêu cầu. Nhờ đó, một bài toán tính toán phức tạp được đơn giản hóa và một bài toán phi tuyến được tuyến tính hóa.

Dựa trên những phân tích nêu trên, thiết bị va chạm thủy lực (máy khoan đá thủy lực và máy đục đá thủy lực) — một hệ thống phi tuyến — được chuyển đổi thành một hệ thống tuyến tính. Về mặt lý thuyết, piston có thể di chuyển dọc theo hành trình S theo bất kỳ quy luật nào, miễn là quá trình chuyển động có thể điều khiển được và tại điểm va chạm, piston đạt được vận tốc cực đại yêu cầu v _m — tất cả những điều này đều khả thi. Đối với mỗi mô hình chuyển động của piston, phải tồn tại một mô hình biến thiên lực tương ứng; hai mô hình này có mối quan hệ nhân – quả. Nói cách khác, bất kỳ mô hình chuyển động nào của piston cũng đòi hỏi phải áp dụng một mô hình biến thiên lực tương ứng lên nó — lực là nguyên nhân, chuyển động là hệ quả.

Dĩ nhiên, sau khi thiết kế xong mô hình chuyển động tối ưu, mô hình biến thiên lực tương ứng cũng có thể được xác định, từ đó nảy sinh hai chủ đề lý thuyết cho nghiên cứu về máy đập đá thủy lực: động học và động lực học của máy đập đá thủy lực.