đ ánh giá v so sánh chất l ợ ng các hệ thống dẫn động thiết bị phụ trên đầu máy điezel TS. trơng duy phúc Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Bi báo trình by phơng pháp đánh giá, so sánh chất lợng các hệ thống dẫn động các thiết bị phụ trên đầu máy điêzel, bằng cách xây dựng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho các hệ thống dẫn động nói trên v qua đó để phân tích so sánh tính u việt giữa chúng với nhau. Kết quả của quá trình phân tích so sánh chất lợng của hệ thống dẫn động các thiết bị phụ trên đầu máy điêzel giúp cho các nh thiết kế có sự lựa chọn kiểu dẫn động hợp lý. Summary: This paper presents a method of assessing and comparing the quality of transmition systems of extra parts in the diesel engine by establishing technical, economic targets for the transmition systems mentioned above and thereby, analizing and comparing their outstanding features. The results of the analysis and comparation can help designers choosing suitable type of transmition. i. Đặt vấn đề Trên đầu máy điêzel hiện nay đang tồn tại các kiểu dẫn động các thiết bị phụ đó là các kiểu dẫn động cơ khí; dẫn động thuỷ lực và dẫn động điện. Để lựa chọn kiểu dẫn động hợp lý, phải tiến hành đánh giá, so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật giữa chúng với nhau. Vấn đề đợc đặt ra ở đây là đa ra đợc các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật phù hợp với từng kiểu loại đầu máy để so sánh. Chính vì thế mà sau khi nghiên cứu kỹ sự ảnh hởng các đặc tính kinh tế, kỹ thuật của các hệ thống dẫn động đến chất lợng hoạt động của các thiết bị phụ cũng nh chất lợng làm việc của cả đầu máy, chúng ta có thể đa ra một loạt các chỉ tiêu để qua đó mà đánh giá so sánh. Nội dung bài báo dới đây sẽ trình bày cụ thể các vấn đề đã nêu ở trên. II. Nội dung A. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống dẫn động các thiết bị phụ trên đầu máy điêzel 1. Hiệu suất của hệ thống dẫn động. 2. Tuổi thọ, độ bền của hệ thống dẫn động. 3. Trọng lợng, kích thớc của hệ thống dẫn động. 4. Không gian lắp đặt các thiết bị phụ. 5. Khả năng điều khiển dễ dàng các đặc tính của thiết bị phụ. 6. Sự phù hợp với đặc tính của các thiết bị phụ. 7. Khả năng tự động hoá điều khiển. 8. Độ chính xác điều chỉnh chế độ làm việc của thiết bị phụ. 9. Kết cấu của hệ thống dẫn động. 10. Thuận tiện trong bảo dỡng, kiểm tra, sửa chữa. 11. Chi phí vận dụng của hệ thống dẫn động. 12. Giá thành chế tạo của hệ thống dẫn động. B. Đánh giá, phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống dẫn động thiết bị phụ Các chỉ tiêu đã nêu nói trên, chỉ tiêu nào cũng đóng vai trò hết sức quan trọng và đều ảnh hởng nhất định đến chất lợng của đầu máy trong quá trình vận dụng, khai thác. Dới đây chúng ta sẽ phân tích từng chỉ tiêu để làm cơ sở lý luận cho việc lựa chọn kiểu truyền động nào cho các thiết bị phụ trên đầu máy điêzel là phù hợp hơn cả: 1. Hiệu suất truyền động: Đây là chỉ tiêu nhằm đánh giá khả năng tiêu hao nhiên liệu trong quá trình làm việc. Công suất của thiết bị phụ chiếm xấp xỉ 10% công suất của toàn bộ đầu máy cho nên nhiên liệu chi phí cho thiết bị phụ cũng chiếm một tỷ trọng đáng kể. Chính vì vậy mà chọn loại truyền động cho hiệu suất cao có ý nghĩa không kém phần quan trọng. Đối với ba kiểu truyền động điện, truyền động thuỷ lực và truyền động cơ khí, thì truyền động cơ khí có khả năng tiết kiệm công suất hơn. 2. Tuổi thọ, độ bền: Chỉ tiêu này đánh giá độ tin cậy làm việc của thiết bị dẫn động. Điều này cũng ảnh hởng đến độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc dẫn đến ảnh hởng sức kéo của cả đầu máy và an toàn chạy tàu. Thông thờng tuổi thọ, độ bền của hệ thống dẫn động không đợc kém hơn tuổi thọ độ bền của động cơ điêzel và hệ thống truyền động chính của đầu máy. Đối với ba kiểu truyền động: Cơ khí, thuỷ lực và truyền động điện, độ bền của chúng phụ thuộc phần nhiều vào vật liệu chế tạo và công nghệ gia công các chi tiết. Với vật liệu cao cấp và công nghệ hiện đại ngày nay có thể đánh giá độ bền và tuổi thọ của ba loại truyền động là nh nhau. 3. Trọng lợng v kích thớc của hệ dẫn động: Trên đầu máy điêzel, vấn đề trọng lợng và kích thớc của từng chi tiết, từng bộ phận của các thiết bị đợc xem xét theo hớng càng nhẹ càng gọn thì càng tốt. Trong quá trình xem xét một số kiểu truyền động lắp trên đầu máy sử dụng ở Việt Nam cũng nh ở nớc ngoài ta thấy kiểu truyền động điện có trọng lợng và kích thớc nhẹ và gọn nhất so với kiểu truyền động cơ khí và thuỷ lực. 4. Không gian lắp đặt các thiết bị phụ: Vị trí lắp đặt các thiết bị phụ có ảnh hởng rất lớn đến cấu trúc không gian của đầu máy. Mà vị trí đó lại phụ thuộc rất lớn đến kiểu truyền động. Đối với kiểu truyền động điện vị trí lắp đặt các thiết bị phụ nh máy nén khí và quạt làm mát có thể đợc tuỳ ý lựa chọn cho phù hợp trên đầu máy, ở những nơi mà thiết bị phụ phát huy hết tác dụng của mình. Còn đối với kiểu truyền động cơ khí và thuỷ lực, vị trí lắp đặt phần nhiều phụ thuộc kiểu truyền động. ở hai kiểu truyền động này nếu nh các thiết bị phụ ở xa động cơ điêzel thì hệ thống dẫn động sẽ rất phức tạp và tốn kém, ví dụ nh phải kéo dài trục dẫn hoặc đờng ống thuỷ lực hoặc phải thay đổi hớng của trục dẫn làm giảm tuổi thọ, gây tiếng ồn, rung của đầu máy. Nh vậy, không gian lắp đặt các thiết bị phụ ảnh hởng rất lớn đến chất lợng, hoạt động của đầu máy, mà không gian đó lại thuộc vào kiểu loại dẫn động các thiết bị phụ. Qua phân tích và xem xét các kiểu loại dẫn động thì kiểu dẫn động điện cho phép lựa chọn không gian lắp đặt hợp lý hơn các thiết bị phụ, vì kiểu loại này không phụ thuộc khoảng cách từ thiết bị phụ đến động cơ điêzel. 5. Điều khiển dễ dng các đặc tính của thiết bị phụ: Đặc tính của thiết bị phụ luôn luôn thay đổi theo nhu cầu và công suất của đầu máy. Khi đầu máy tăng công suất thì công suất quạt cũng phải tăng theo và ngợc lại. Khi đầu máy tiêu hao nhiều khí nén cho việc hãm đoàn tàu thì công suất máy nén khí cũng phải tăng theo, hoặc khi áp lực khí đã đạt mức quy định thì máy nén ngừng hoạt động để tiết kiệm năng lợng Nh vậy hệ thống dẫn động phải đợc điều khiển một cách linh động để đáp ứng các trạng thái làm việc của các thiết bị phụ. Mục tiêu của chúng ta là lựa chọn kiểu loại dẫn động phải đợc điều khiển đặc tính làm việc của các thiết bị phụ một cách dễ dàng. Trong kiểu truyền động cơ khí muốn thay đổi đặc tính của thiết bị phụ ngời ta thay đổi tỷ số truyền trong hộp số để thay đổi tốc độ dẫn động thiết bị phụ. Cách thay đổi nh vậy sẽ tạo ra đờng đặc tính không liên tục và không đảm bảo độ êm dịu trong quá trình chuyển đổi. Đối với kiểu dẫn động thiết bị phụ bằng thuỷ lực, loại thuỷ tĩnh, phơng pháp điều khiển đặc tính làm việc của thiết bị phụ bằng cách thay đổi lu lợng của bơm hoặc điều chỉnh các van hồi dầu và van áp lực dầu để thay đổi vòng quay và mômen của môtơ thuỷ lực, dẫn đến việc thay đổi đặc tính làm việc của các thiết bị phụ. Cách điều khiển này tuy thuận lợi, gọn nhẹ về mặt kỹ thuật nhng lại ảnh hởng đến hiệu quả kinh tế và khi thay đổi lu lợng và áp lực đối với bơm sẽ làm cho hiệu suất của nó giảm đi vì hiệu suất cao của bơm sẽ đạt đợc ở chế độ làm việc định mức, ngoài chế độ đó ra hiệu suất sẽ giảm. Còn đối với loại truyền động thuỷ lực thì việc điều khiển đặc tính làm việc của thiết bị phụ thông qua việc thay đổi mức độ nạp dầu vào côn thuỷ lực để thay đổi mômen vào vòng quay của bánh tua bin dẫn đến việc thay đổi chế độ làm việc của thiết bị phụ. Phơng pháp điều khiển này cũng có u điểm là thuận tiện về mặt kỹ thuật nhng lại kém về hiệu quả kinh tế vì côn thuỷ lực chỉ có hiệu suất cao khi làm việc ở chế độ định mức và ở tỷ số truyền cao vào khoảng 95% trở lên. Còn các chế độ khác hiệu suất thấp dẫn đến tiêu hao nhiều nhiên liệu và làm nóng dầu thuỷ lực, làm giảm tuổi thọ của hệ thống dẫn động. Cho nên đối với kiểu truyền động thuỷ lực đặc tính của thiết bị phụ ít khi đợc điều chỉnh dẫn đến sự làm việc không đồng bộ giữa động cơ điezel và thiết bị phụ. 6. Sự phù hợp giữa đặc tính của hệ thống: Dẫn động với đặc tính lm việc của các thiết bị phụ đóng vai trò hết sức quan trọng. Nếu giữa chúng không có sự phù hợp thì khó mà dẫn động cho các thiết bị phụ làm việc có hiệu suất cao. ở chỉ tiêu này hệ thống dẫn động bằng điện có u điểm hơn cả. Bất kỳ đặc tính nào của thiết bị phụ với kiểu dẫn động này đều tìm đợc điểm làm việc chung với hiệu suất và năng suất cao nhất. Còn kiểu truyền động cơ khí và truyền động thuỷ lực chỉ phù hợp với một kiểu loại nhất định nào đó của thiết bị phụ trong phạm vi chế độ làm việc rất hẹp. 7. Khả năng tự động hoá điều khiển: Đây là chỉ tiêu đánh giá mức độ hiện đại của đầu máy. Với hệ thống dẫn động bằng điện các thông số đo đạc để đa vào hệ điều khiển đợc thông qua giá trị dòng điện hoặc điện áp của mạch điện vì vậy rất dễ dàng và thuận tiện cho việc điều khiển chế độ làm việc của thiết bị phụ. Với kết cấu này dễ dàng thiết lập một hệ thống điều khiển tự động bằng mối liên hệ ngợc do những cảm ứng nhiệt độ, áp suất để tác động lên các thông số đầu vào của mạch điện nh dòng điện, điện áp nhằm mục đích thay đổi vòng quay của quạt làm mát và máy nén khí khi nhiệt độ của két làm mát và áp suất của gió nén ở hệ thống hãm có sự thay đổi trong quá trình vận dụng của đầu máy trên đờng. 8. Độ chính xác điều chỉnh chế độ lm việc của các thiết bị phụ: Các kiểu dẫn động có ảnh hởng rất lớn đến quá trình điều chỉnh chính xác chế độ làm việc của thiết bị phụ. Đây là một trong những chỉ tiêu phản ánh chất lợng làm việc của các thiết bị phụ. Nếu nh chế độ làm việc của quạt đợc điều chỉnh một cách chính xác thì sẽ làm cho quá trình làm mát động cơ cũng nh hệ thống truyền động đợc đảm bảo ở chế độ tối u nhằm nâng cao tuổi thọ động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu. Tơng tự nh thế đối với máy nén khí, việc điều chỉnh chính xác chế độ làm việc sẽ đảm bảo độ tin cậy làm việc và nâng cao khả năng đảm bảo an toàn cho hệ thống hãm đồng thời nâng cao tuổi thọ của máy nén khí. Đối với hệ thống dẫn động bằng điện có u thế hơn trong việc điều chỉnh chính xác chế độ làm việc của các thiết bị phụ vì mômen truyền dẫn cũng nh vòng quay của môtơ điện đợc điều chỉnh vô cấp và linh hoạt hơn. Còn đối với truyền động cơ khí và thuỷ lực ở chỉ tiêu này có phần kém hơn vì độ linh hoạt kém khi thay đổi chế độ làm việc của hệ thống dẫn động. Nếu đạt đợc mức độ linh hoạt nh truyền động điện thì hệ thống truyền động cơ khí và thuỷ lực phải bố trí thêm nhiều bộ phận phức tạp nh nâng cao số cấp tốc độ, bố trí thêm các van điều chỉnh lu lợng và áp lực đối với truyền động thuỷ lực, việc này làm tăng thêm độ phức tạp của hệ thống truyền động. 9. Kết cấu của hệ thống truyền động: Chỉ tiêu này nói lên sự phức tạp của cấu tạo hệ thống truyền động. Xu hớng đợc u tiên là kết cấu càng đơn giản càng tốt, số lợng chi tiết càng ít càng tốt, các chi tiết đó càng đơn giản, dễ chế tạo càng tốt và đợc chuẩn hoá, sử dụng rộng rãi trong nhiều loại thiết bị của nhiều lĩnh vực công nghiệp. Có nh vậy giá thành sản xuất sẽ giảm nhiều so với sản xuất đơn chiếc và dễ tìm kiếm trên thị trờng để phục vụ cho việc lắp ráp cũng nh sửa chữa thay thế trong quá trình vận dụng. Đối với truyền động điện, kết cấu có phần đơn giản hơn so với truyền động cơ khí và thuỷ lực. Mô tơ dẫn động quạt và máy nén khí có thể sử dụng trong truyền động cơ khí là loại có kết cấu đặc biệt chỉ dùng trên đầu máy và cũng chỉ dùng để dẫn động một loại quạt và máy nén khí nhất định cho một loại đầu máy nào đó. Việc lắp lẫn và chuẩn hoá là rất hạn chế. Trong truyền động thuỷ lực, kết cấu của nó cũng rất phức tạp do hệ thống đờng ống liên kết với nhau rất phức tạp, cha kể ở các mối nối thờng hay bị rò rỉ dầu công tác. Việc lắp lẫn các chi tiết với nhau cũng rất hạn chế. Đối với chỉ tiêu này, truyền động điện có nhiều u việt hơn cả. 10. Thuận tiện trong kiểm tra, bảo dỡng v sửa chữa: Đây là chỉ tiêu không kém phần quan trọng trong quá trình vận dụng đầu máy. Việc kiểm tra, chẩn đoán kỹ thuật hệ thống dẫn động là việc làm thờng xuyên có tính chu kỳ sau một thời gian vận dụng của đầu máy trong đó có hệ thống dẫn động. Để kiểm tra, thông thờng ngời ta đo đạc các thông số đặc trng cho trạng thái kỹ thuật của hệ thống dẫn động. Quá trình đo đạc phải chính xác, nhanh chóng, trong nhiều trờng hợp các công việc đó đợc tự động hoàn toàn. Nó làm cơ sở cho công tác bảo dỡng, sửa chữa, sau khi đã xác định đợc thông số kỹ thuật, ví dụ nh độ rơ của ổ bi trong truyền động cơ khí, độ cách điện của các lớp cách điện trong truyền động điện, áp suất dầu trong truyền động thuỷ lực. Ngoài ra quá trình giải thể để thay thế chi tiết trong khi sửa chữa cũng phải có đợc sự đơn giản và thuận tiện, các chi tiết phải đợc tháo lắp dễ dàng. Đối với chỉ tiêu này, hệ thống dẫn động thiết bị phụ bằng điện có u thế hơn so với truyền động cơ khí và thuỷ lực. Bởi vì hệ thống điện dễ dàng đo đợc các thông số kỹ thuật kể cả lúc ngừng hoạt động và kể cả trong quá trình hoạt động, và việc đo đạc đó có thể đợc tự động hoàn toàn. Còn việc thay thế các chi tiết hỏng hóc cũng đơn giản hơn so với kiểu truyền động cơ khí và truyền động thuỷ lực. 11. Chi phí vận dụng: Đây là chỉ tiêu liên quan đến giá thành vận chuyển. Chi phí vận dụng bao gồm các chi phí về nhân công, tiêu hao vật t trong quá trình vận dụng sửa chữa, chi phí về tiêu hao nhiên liệu (liên quan đến hiệu suất của bộ truyền động). Đối với từng loại truyền động chi phí này phụ thuộc vào chất lợng chế tạo, nếu chất lợng kém thì chi phí cao và ngợc lại. Vì vậy để đánh giá chỉ tiêu này một cách chính xác cần phải xem xét từng loại cụ thể. Cho nên đối với chỉ tiêu này có thể xem ba loại truyền động có cùng một u thế nh nhau. 12. Giá thnh chế tạo: Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng trong khi lựa chọn các thiết bị. Tuy nhiên so với giá trị của cả đầu máy thì các chỉ tiêu đã nêu trớc đó cũng không kém phần quan trọng. Với hệ thống dẫn động chất lợng cao thì có thể nhận thấy rằng hệ thống dẫn động bằng điện có thể giá thành chế tạo có thể cao hơn chút ít so với hệ thống dẫn động bằng cơ khí và thuỷ lực. C. So sánh các kiểu dẫn động các thiết bị phụ trên đầu máy điêzel Sau khi phân tích đánh giá từng chỉ tiêu đối với từng kiểu dẫn động cho các thiết bị phụ, ta phải tổng hợp lại để so sánh xem kiểu dẫn động nào có khả năng đáp ứng nhiều nhất các chỉ tiêu đã phân tích ở trên để có một cách nhìn tổng quát u thế của từng kiểu loại truyền động. Để làm đợc điều đó, một trong những phơng pháp đánh giá tơng đối chính xác là lợng hoá các chỉ tiêu và đa ra hàm mục tiêu cho từng loại dẫn động. ở đây hàm mục tiêu là tổng số điểm của các chỉ tiêu. Công thức tổng quát có thể biểu diễn nh sau: = = 12i i CM Trong đó: M - Tổng số điểm của hệ thống dẫn động C i - Điểm của chỉ tiêu thứ i Để lợng hoá các chỉ tiêu có thể dùng phơng pháp cho điểm, tùy chỉ tiêu mà cho điểm cao hay thấp. Trong trờng hợp đánh giá u nhợc điểm của từng loại hệ thống dẫn động đã nêu ở trên, các chỉ tiêu đã đợc chia nhỏ (12 chỉ tiêu), cho nên có thể lợng hoá nh sau: Hệ thống nào có u thế trong chỉ tiêu đa ra xem xét thì cho 1 còn không có u thế thì cho 0. Nh vậy đối với từng chỉ tiêu hệ thống dẫn động chỉ có đợc số điểm 1 hoặc 0. Tổng số điểm của các chỉ tiêu phản ánh u thế của từng kiểu loại dẫn động các thiết bị phụ. Để tiện việc đánh giá, so sánh có thể lập bảng dới đây: Kiểu truyền động TT Các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật Điện Cơ khí Thuỷ lực 1 Hiệu suất truyền động 0 1 0 2 Tuổi thọ, độ bền 1 1 1 3 Trọng lợng, kích thớc 1 0 0 4 Không gian lắp đặt 1 0 0 5 Khả năng điều khiển 1 0 0 6 Sự phù hợp đặc tính 1 0 0 7 Khả năng tự động hoá 1 0 0 8 Độ chính xác điều chỉnh chế độ làm việc 1 0 0 9 Kết cấu bộ truyền động 1 0 0 10 Thuận tiện trong bảo dỡng sửa chữa 1 0 0 11 Chi phí vận dụng 1 1 1 12 Giá thành chế tạo 1 1 1 M = =12i i C 11 4 3 Với phơng pháp lựa chọn, đánh giá nh bảng đã nêu ở trên ta có đợc giá trị hàm mục tiêu của từng kiểu loại truyền động nh sau: Đối với truyền động điện ta có: M d = = 11 =12i i C Đối với truyền động cơ khí ta có: M C = = 4 =12i i C Đối với truyền động thuỷ lực ta có: M T = = 3 =12i i C Nh vậy dễ dàng nhận thấy kiểu truyền động điện cho các thiết bị phụ trên đầu máy điêzel là kiểu truyền động hợp lý hơn cả. III. Kết luận Hệ thống dẫn động các thiết bị phụ đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình vận dụng đầu máy. Chất lợng của hệ thống đó là sự đảm bảo cho hoạt động của động cơ điêzel, hệ thống truyền động chính, hệ thống hãm. Nội dung nghiên cứu đã đa ra cơ sở khoa học để lựa chọn kiểu truyền động hợp lý cho các thiết bị phụ, đó là kiểu truyền động điện. Kết quả so sánh đợc bằng lý thuyết cũng phản ánh đợc tơng đối chính xác bằng sự ứng dụng của nó ở ngoài thực tế. Các loại đầu máy hiện đại ngày nay ngời ta cũng đã sử dụng phần lớn kiểu truyền động điện cho các thiết bị phụ. Với lập luận nh trên có thể kiến nghị với ngành đờng sắt một số vấn đề sau: - Nên đặt mua các loại đầu máy có hệ thống dẫn động bằng điện cho các thiết bị phụ. - Nếu cải tạo lắp đặt thiết bị mới hoặc thay mới động cơ điêzel cho các đầu máy cũ thì nên thay thế hoặc cải tạo hệ thống dẫn động thiết bị phụ bằng hệ thống dẫn động điện. Tài liệu tham khảo [1]. Tài liệu kỹ thuật của các đầu máy: D4H; D5H; D112D; D18E. [2]. Đầu máy điêzel: Thiết bị và sơ đồ. Ruđai K.I, Loginova E.IU- Moskva 1991Ă . phơng pháp đánh giá, so sánh chất lợng các hệ thống dẫn động các thiết bị phụ trên đầu máy điêzel, bằng cách xây dựng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho các hệ thống dẫn động nói trên v qua đó. C. So sánh các kiểu dẫn động các thiết bị phụ trên đầu máy điêzel Sau khi phân tích đánh giá từng chỉ tiêu đối với từng kiểu dẫn động cho các thiết bị phụ, ta phải tổng hợp lại để so sánh. Đặt vấn đề Trên đầu máy điêzel hiện nay đang tồn tại các kiểu dẫn động các thiết bị phụ đó là các kiểu dẫn động cơ khí; dẫn động thuỷ lực và dẫn động điện. Để lựa chọn kiểu dẫn động hợp lý,