Thiết kế, chế tạo cơ cấu va đập tích hợp rung động theo phương ngang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





BÙI THANH BẮC




"THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU VA ĐẬP
TÍCH HỢP RUNG ĐỘNG THEO PHƢƠNG NGANG"





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí






Thái Nguyên - năm 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP



BÙI THANH BẮC

ĐỀ TÀI

"THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CƠ CẤU VA ĐẬP
TÍCH HỢP RUNG ĐỘNG THEO PHƢƠNG NGANG"


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

NGƢỜI HƢỚNG DẪN


PGS.TS Nguyễn Văn Dự
HỌC VIÊN



Bùi Thanh Bắc

PHÒNG QLĐT SAU ĐAI HỌC

XÁC NHÂN KHOA CƠ KHÍ



PGS.TS Nguyễn Văn Dự

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong cuốn luận văn này là của
bản thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp
nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự
đƣợc công bố, trừ những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn.
Tháng 12 năm 2013


Bùi Thanh Bắc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Tóm tắt

Một cơ cấu rung - va đập dùng khí nén có thể sử dụng cho các máy
chuyển động theo phƣơng ngang đã đƣợc cải tiến, thiết kế mới, chế tạo,
vận hành thí nghiệm, phân tích và cho ra các kết quả tích cực. Khả năng
hiện thực hóa ứng dụng của cơ cấu rung - va đập dùng khí nén trong các
máy khai thác rung - va đập trở nên hứa hẹn hơn.
Cơ cấu đƣợc cải tiến làm việc dựa trên nguyên lý đóng xả khí nén theo
chu kỳ. Chuyển động phản lực của ống khí nén thông qua một bảng mạch tạo
tần số đóng xả van đã đƣợc hỗ trợ bằng một hệ lò xo nhằm khai thác phản lực
khí nén và đặc tính cộng hƣởng cơ, từ đó có thể nâng cao hiệu năng của hệ
thống.
Đã mô hình thí nghiệm cơ cấu va đập dùng khí nén có tích hợp rung.
Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới;
hoạt động đạt đƣợc chức năng.
Đã thực nghiệm xác định đƣợc bộ thông số gồm tần số và khe hở va
đập cho ra khoảng di chuyển lớn nhất.
Các phân tích cơ hệ cho thấy, khoảng cách va đập, độ cứng của lò xo
và tần số đóng xả của van khí trên ống khí nén có ảnh hƣởng lớn đến khả
năng chuyển động thắng các lực cản của hệ thống. Các kết quả này có thể
đƣợc sử dụng hữu ích cho các nghiên cứu tiếp theo.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Lời cám ơn

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn
khoa học của tôi, Phó Giáo sư,Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, ngƣời đã tận tình chỉ
bảo, động viên và giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn
tốt nghiệp. Nhờ sự tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ của thầy mà tôi đã
hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Tôi cũng xin cám ơn anh Nguyễn Thuận và các kỹ thuật viên của trung
tâm gia công cơ khí TTT Group, xƣởng gia công cơ khí Hƣởng Hảo đã giúp
đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm của đề tài này.
Lòng biết ơn chân thành của tôi xin gửi tới bố mẹ của tôi đã dành cho tất
cả tình cảm của mình để chăm lo cho tôi, giúp tôi hoàn thành khóa học này.
Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn tới ngƣời vợ của tôi, ngƣời anh trai và
những ngƣời thân trong gia đình tôi đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thời
gian tôi học tập và làm luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp từ
trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và nhà máy Cán thép Lƣu
xá Thái Nguyên đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi.







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Mục lục
Lời cam đoan 3
Tóm tắt 4
Lời cám ơn 5
Mục lục 6
Các ký hiệu viết tắt 8
Danh mục các hình ảnh 9
Danh mục các bảng, biểu 12
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 13
1.1.Cơ cấu rung va đập theo phƣơng ngang 13
1.2.Các kết quả nghiên cứu gần đây 14
1.3.Mục tiêu nghiên cứu 16
1.4.Các kết quả chính đã đạt đƣợc 16
1.5.Cấu trúc luận văn 17
Chƣơng 2: PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN
CƠ CẤU RUNG NGANG KHÍ NÉN 18
2.1. Giới thiệu 18
2.2. Các cơ cấu, mô hình rung va đập 18
2.3 Cơ cấu rung - va đập RLC-09 22
2.4. Đề xuất cải tiến thử nghiệm mới 23
2.4.1. Cơ sở đề xuất cải tiến 23
2.4.2. Xe gắn ống khí nén 23
2.4.3. Thử nghiệm các đƣờng kính van xả 24
2.5. Kết luận 25
Chƣơng 3: CƠ CẤU RUNG NGANG PHẢN LỰC KHÍ NÉN 26
3.1. Giới thiệu 26
3.2. Nguyên lý làm việc 26
3.3. Thiết kế và chế tạo cơ cấu 28

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

3.3.1. Ống khí nén và xe mang khí nén 28
3.3.2. Hệ thống đƣờng ray dẫn hƣớng 29
3.3.3. Hệ thống rãnh trƣợt dẫn hƣớng 31
3.3.4. Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát 31
3.4. Thiết bị điều khiển tạo tấn số xả 32
3.5. Thiết bị tạo khí nén 33
3.6. Các thiết bị đo 33
3.6.1. Thiết bị đo chuyển vị 33
3.6.2. Thiết bị đo lực 34
3.7. Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm 36
3.8. Kết luận 40
Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM LỰA CHỌN THÔNG SỐ LÀM VIỆC 41
4.1. Giới thiệu 39
4.2. Thí nghiệm khởi đầu 39
4.3. Thí nghiệm CCD 50
4.4. Kết luận 63
Chƣơng 5: KẾT LUẬN 66
5.1. Các kết quả chính đã đạt đƣợc 66
5.2. Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo 66
Tài liệu tham khảo 66



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Các ký hiệu viết tắt

FFT Phép biến đổi nhanh Fourier (Fast Fourier Transform)
LVDT Thiết bị đo chuyển vị tuyến tính (Linear Variable Displacement

Transducer)
RLC Mạch điện trở (R), điện cảm (L) và điện dung (C) mắc nối tiếp
RLC-07 Cơ cấu rung RLC của tác giả Nguyễn Văn Dự, 2007
RLC-09 Cơ cấu rung RLC của tác giả La Ngọc Tuấn, 2009
RKN-13 Cơ cấu Rung Ngang Phản Lực Khí Nén thực hiện bởi nghiên cứu
này, 2013














Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

1: Cuộn cảm
2: Định vị trục
3: Ổ bi
4: Bánh xe
5: Trục
6: Thân xe
Danh mục các hình ảnh
Hình

Nội dung
Trang
Hình 1.1.
Nguyên lý đào hầm ngang
11
Hình 2.1.
Cơ cấu rung Tsaplin
16
Hình 2.2.
Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm
17
Hình 2.3.
Cơ cấu rung va đập đƣợc dùng trong máy đóng cọc đứng
(Theo nhà sản xuất ICE)
17
Hình 2.4.
Sơ đồ thí nghiệm của Lok.
18
Hình 2.5.
Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca
19
Hình 2.6.
Mô hình cơ cấu rung va đập RLC 07
20
Hình 2.7.
Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 09.
20
Hình 2.8.
(a) Phụt khí
(b) Phản lực

21
Hình 2.9
Xe gắn ống khí nén
21
Hình 2.10
Cơ cấu chốt chặn, lò xo
22
Hình 2.11
Đầu xả khí
22
Hình 3.1
Sơ đồ nguyên lý cơ cấu rung ngang phản lực khí nén
25
Hình 3.2
Ống khí nén
26
Hình 3.3
Cơ cấu chuyển động ống khí nén trong thí nghiệm
27
Hình: 3.4
Bánh xe trong hệ thống thí nghiệm
27
Hình 3.5
Hệ thống đƣờng ray trong thí nghiệm
28
Hình 3.6
Sống trƣợt dẫn hƣớng đƣợc lắp trên hệ thống ray
28
Hình 3.7
Hệ thống rãnh trƣợt dẫn hƣớng

29
Hình 3.8
Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát
30
Hình 3.9
Bảng mạch điều khiển tần số
30
Hình 3.11
Cảm biến vị trí (LVDT)
31

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Hình 3.12
Cơ cấu đo lƣợng dịch chuyển
31
Hình 3.13
(a) Lực kế, (b)Phƣơng pháp đo độ cứng lò xo
32
Hình 3.14
Đồ thị kiểm tra độ cứng lò xo
33
Hình 3.15
Tấm trƣợt dẫn hƣớng
34
Hình 3.16
Chốt chặn điều chỉnh khoảng cách.
35
Hình 3.17
Điều chỉnh lực ma sát giữa tấm trƣợt và hệ rãnh dẫn bằng

cách thay đổi khoảng cách S
36
Hình 3.18
Kết cấu hệ thống rung ngang phản lực khí nén
37
Hình 4.1
Hộp thoại Create Factorial Design - Designs
40
Hình 4.2
Bảng thiết lập các mức biến thí nghiệm leo dốc
40
Hình 4.3
Ngẫu nhiên hóa thí nghiệm leo dốc
41
Hình 4.4
Dữ liệu thí nghiệm leo dốc
42
Hình 4.5
Hộ thoại phân tích dữ liệu thí nghiệm
43
Hình 4.6
Hộp thoại Analyze Factorial Design - Terms
44
Hình 4.7
Hộp thoại Analyze Factorial Design - Terms
46
Hình 4.8
Hộp thoại Contour/Surface Plots
46
Hình 4.9

Hộp thoại đặt tên biểu đồ đƣờng mức
47
Hình 4.10
Biểu đồ đƣờng mức
47
Hình 4.11
Hộp thoại Contour/Surface Plots
48
Hình 4.12
Bề mặt chỉ tiêu thí nghiệm leo dốc
48
Hình 4.13
Khoảng dịch chuyển tại các bƣớc leo dốc
50
Hình 4.14
Hộp thoại chính thiết kế thí nghiệm RSM
51
Hình 4.15
Thiết kế thí nghiệm CCD
51
Hình 4.16
Thiết lập các mức cho các biến thí nghiệm CCD
52
Hình 4.17
Ngẫu nhiên hóa thí nghiệm
52
Hình 4.18
Ma trận thí nghiệm
53

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu


Hình 4.19
Kết qủa thí nghiệm CCD
54
Hình 4.20
Hộp thoại thí nghiệm CCD
55
Hình 4.21
Lựa chọn mô hình phân tích thí nghiệm CCD
56
Hình 4.22
Kết quả phân tích hồi quy thí nghiệm CCD
57
Hình 4.23
Hộp thoại Contour/Surface Plots
58
Hình 4.24
Hộp thoại đặt tên biểu đồ đƣờng mức
58
Hình 4.25
Biểu đồ đƣờng mức thí nghiệm CCD
59
Hình 4.26
Hộp thoại Contour/Surface Plots
59
Hình 4.27
Bề mặt chỉ tiêu thí nghiệm CCD

60
Hình 4.28
Hộp thoại Response Optimizer
61
Hình 4.29
Hộp thoại thiết lập khoảng tối ƣu hóa
62
Hình 4.30
Kết quả tối ƣu hóa thí nghiệm
63

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Danh mục các bảng, biểu

Bảng
Nội dung
Trang
Bảng 3.1
Số liệu đo đƣợc của các bộ lò xo tạo cộng hƣởng cho ống dây.
33
Bảng 4.1
Phân tích các ảnh hƣởng chính thí nghiệm leo dốc
43
Bảng 4.2
Phân tích phƣơng sai thí nghiệm leo dốc
45
Bảng 4.3
Kết quả thí nghiệm leo dốc
50




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Chƣơng 1

GIỚI THIỆU
Chƣơng này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cần thiết thực hiện của
đề tài nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã đạt đƣợc. Cơ cấu
rung - va đập theo phƣơng ngang đƣợc giới thiệu trong phần 1.1. Các nghiên
cứu liên quan trong lĩnh vực khai thác cộng hƣởng đƣợc tóm tắt trong phần
1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài sẽ đƣợc giới thiệu trong phần 1.3. Tiếp
theo, phần 1.4. sẽ trình bày các kết quả chính đã đạt đƣợc của nghiên cứu
này. Phần cuối cùng, phần 1.5 là cấu trúc của luận văn.
1.1. Cơ cấu rung va đập theo phƣơng ngang
Trên thế giới, khai thác rung động tích cực trong các thiết bị xây dựng
công trình đã đƣợc quan tâm từ những năm 1940 [1]. Những ƣu việt nổi bật
của việc tích hợp rung động với va đập trong các thiết bị này đã đƣợc chứng
minh là làm tăng năng suất của các máy đào/ nén đất, giảm sức cản của đất và
tăng tính ổn định của hệ thống [2-6]. Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập
trung cho mô hình rung động theo phƣơng thẳng đứng, sử dụng cơ cấu quay
lệch tâm do Tsaplin [1] đề xuất, có thành phần ngoại lực tĩnh chính là trọng
lƣợng của chính cơ cấu. Việc khai thác nguyên lý này cho các máy móc thiết
bị có hành trình theo phƣơng ngang nhƣ máy đào ngầm ngang (moling), máy
khoan ngầm (boring) còn rất bị hạn chế.
Nguyên lý làm việc của một máy đào ngầm ngang đƣợc trình bày trên
hình 1.1.

Hình 1.1. Nguyên lý đào ngầm ngang

Công trình
Hố đích
Máy đào ngầm
moling
Vỏ ống
Hố khởi đầu

Ống
dẫn khí
Máy nén khí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Trên hình 1.1, máy đào ngầm sử dụng nguyên lý nén đất để tạo đƣờng
ống ngầm. Nguyên lý này đã đƣợc chứng thực là thích hợp với các dạng đất
có thể nén đƣợc nhƣ đất sét, đất phù sa, than bùn… Tuy nhiên, với các dạng
đất khó dính kết nhƣ cát chẳng hạn, vấn đề khó khăn nảy sinh là rất khó giữ
đƣợc hƣớng chuyển động thẳng và ổn định cho máy. Việc tích hợp rung động
vào máy không những làm tăng năng suất mà còn làm tăng thêm khả năng
dính kết và hóa bùn (fluidisation) của lớp vỏ đƣờng ngầm đƣợc tạo thành
[13].
Mô hình khai thác rung-va đập theo phƣơng ngang đƣợc Rodger và
Littlejohn quan tâm từ những năm 1980 [7] và đƣợc Lok, Neilson và Rodger
tiếp tục phát triển [8]. Các nghiên cứu tiếp theo của Wiercigroch, Pavlovskaia
và Woo [8-10], Franca [11] đã tiếp tục khẳng định tính ƣu việt và hiệu quả
của mô hình rung va đập theo phƣơng ngang. Tuy vậy, trong các nghiên cứu
đã thực hiện, kết cấu cơ khí tạo rung và lực va đập rất cồng kềnh, ma sát lớn.
Xuất phát từ nhu cầu kích thƣớc nhỏ gọn cho hệ cơ cấu rung ngang, một
cơ cấu rung va đập có kích thƣớc nhỏ gọn đã đƣợc Nguyễn Văn Dự giới
thiệu năm 2007 [2-5] và đƣợc La Ngọc Tuấn cải tiến, nâng cao hiệu năng
[12]. Tuy vậy, công suất cơ cấu đƣa ra vẫn chƣa đủ lớn để thắng lực cản của
đất nên chƣa thể áp dụng trong các máy đào ngầm ngang.
Các máy đào ngầm Moling thƣơng mại hiện nay vẫn chỉ có thể khai thác
tính năng va đập thuần túy, bằng cách sử dụng các đầu búa dạng piston khí
nén.
Đề tài này đƣợc tiến hành nhằm chế tạo, thử nghiệm một cơ cấu mới
nhằm tích hợp rung động với nguồn năng lƣợng phản lực khí nén, nhằm thử

nghiệm khả năng tích hợp rung động với trong một cơ cấu có kích thƣớc nhỏ.
1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây
Từ những thập kỷ 40 của thế kỷ trƣớc, các máy móc khai thác tính tích
cực của rung động đã đƣợc giới thiệu và đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

khi Tsaplin [1] đƣa ra mô hình cơ cấu rung - va đập sử dụng bánh quay lệch
tâm. Các công trình nghiên cứu của Barkan [18] Rodger và Littejohn [19] đã
chứng minh đƣợc lợi ích rất lớn của việc tích hợp rung động với va đập. Các
nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng của Pavlovskaia [6],[10], Wiercigroch
[20,21], Woo [22] đã khẳng định rõ hơn lợi ích này. Tuy nhiên các mô hình
ứng dụng vẫn chỉ dựa trên cơ cấu bánh lệch tâm rất cồng kềnh. Với ý đồ giảm
thiểu kích thƣớc và khai thác rung - va đập theo phƣơng ngang, cơ cấu cam đã
đƣợc sử dụng để tạo ra va chạm với nghĩa là rung động. Mô hình này đã đƣợc
Lok [8] giải quyết tƣờng minh bằng toán học. Dù vậy, cơ cấu này với nhƣợc
điểm ma sát lớn, làm phát sinh nhiệt cao và nhanh mòn đã cản trở việc phát
triển và ứng dụng trong thực tiễn. Franca và Weber [11] đã tiến hành nghiên
cứu ứng dụng va đập trong các máy khoan ngang sử dụng nguồn rung động
làm máy tạo rung dựa trên nguyên lý nam châm điện. Cơ cấu này cũng đòi
hỏi kích thƣớc máy khá lớn để có thể sinh đƣợc lực va đập đủ lớn. Các ví dụ
ứng dụng của nguyên lý dùng nam châm điện nhƣ chuông điện, bơm phun
có thể minh hoạ rằng cơ cấu dạng này chỉ phù hợp cho ứng dụng cần biên độ
rung cũng nhƣ lực va đập nhỏ.
Cho đến nay chƣa có một nghiên cứu nào nghiên cứu sự chuyển động
cộng hƣởng của phản lực khí nén tạo ra sự rung động dịch chuyển theo
phƣơng ngang, mà đã có các nghiên cứu về cuộn cảm đƣợc tiến hành cho các
dạng ứng dụng nhƣ một cơ cấu đóng mở [23-25] hoặc rung động hành trình
ngắn [26-28]. Việc sử dụng cuộn cảm nhƣ một động cơ chuyển động thẳng
khứ hồi đã đƣợc Mendrela [14,15] đề xuất và nghiên cứu. Tuy nhiên, động

cơ của ông chỉ đƣợc phân tích ở chế độ không tải và ở dạng một mô hình đơn
giản. Động cơ chuyển động khứ hồi do Mendrela đề xuất đã đƣợc phát triển
thành cơ cấu rung va đập và nghiên cứu bởi Nguyễn Văn Dự và các cộng sự
[17, 29-35].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Mô hình toán học và các đặc tính động lực học cơ bản của cơ cấu rung -
va đập khai thác chuyển động tuần hoàn của lõi sắt trong lòng ống dây của
mạch RLC đã đƣợc phân tích và kiểm chứng bằng thực nghiệm trong nghiên
cứu của Nguyễn Văn Dự. Một hƣớng cải tiến cơ cấu bằng cách sử dụng rơle
trạng thái nhằm cấp điện gián đoạn và tuần hoàn cho hệ thống đã đƣợc khảo
sát chi tiết. Điều kiện làm việc tối ƣu của hệ thống này đã đƣợc xác định
Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ rõ, đƣợc tiếp tục nghiên cứu, phát triển
để có thể tạo ra lực va đập lớn hơn. Một trong những hƣớng phát triển khả dĩ
là cải thiện đặc tính động lực học của hệ thống. Luận văn này triển khai,
hiện thực hóa và xây dựng mô hình thí nghiệm cho hệ thống mới.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này đặt mục tiêu chính là tìm cách áp dụng nguyên tắc cộng tác
dụng giữa rung động và và đập theo phương ngang một cách hợp lý nhằm cải
thiện được hiệu năng của cơ cấu rung sử dụng cho máy đào ngầm ngang.
Thông qua cơ cấu này phân tích đánh giá và đề xuất cho các cải tiến tiếp theo.
Các mục tiêu cụ thể là:
1. Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm khảo sát khả năng tích hợp rung
động cho cơ cấu va đập;
2. Thực nghiệm phân tích và đề xuất, kiểm chứng mô hình rung tích hợp
va đập mới.
1.4. Các kết quả chính đã đạt đƣợc
Đề tài này đã đế xuất một cơ cấu rung ngang mới mà vẫn đảm bảo tính
nhỏ gọn và đơn giản của nó. Cơ cấu mới đã có khả năng thắng đƣợc lực cản

cao; tốc độ dịch chuyển của nó cũng đƣợc cải thiên đáng kể. Các đóng góp
mới của nghiên cứu sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong từng chƣơng tiếp theo.
Dƣới đây là các thành tựu chính mà nghiên cứu này đạt đƣợc:
1. Đã mô hình thí nghiệm cơ cấu va đập dùng khí nén có tích hợp rung.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2. Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới;
hoạt động đạt đƣợc chức năng.
3. Đã thực nghiệm xác định đƣợc bộ thông số gồm tần số và khe hở va đập
cho ra khoảng di chuyển lớn nhất.
1.5. Cấu trúc luận văn
Luận văn đƣợc chia thành 5 chƣơng với các nội dung chính nhƣ sau.
Trong chương 1 trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực hiện đề tài. Các
nghiên cứu tƣơng tự gần đây cũng đƣợc giới thiệu tóm tắt nhằm nêu bật các
kết quả đóng góp mới.
Chương 2, các mô hình của các cơ cấu rung - va đập đã đƣợc sử dụng
trong thực tế và trong các nghiên cứu thí nghiệm trƣớc đây, đặc biệt là cơ cấu
RLC đƣợc trình bày. Trên cơ sở đó, một số đề xuất cải tiến cơ cấu rung ngang
phản lực khí nén mới đƣợc thử nghiệm.
Cơ cấu đƣợc cải tiến và hoàn thiện nhất đƣợc trình bày chi tiết trong
chương 3. Ở đó, sơ đồ nguyên lý, mô hình lý thuyết, cấu tạo và thiết kế cơ cấu
mới đƣợc trình bày một cách cụ thể. Hệ thống các thiết bị thí nghiệm sử dụng
để khảo sát đặc tính động lực học của cơ hệ cũng đƣợc mô tả.
Chương 4 trình bày quá trình thực nghiệm lựa chọn thông số làm việc
các kết quả nghiên cứu, đánh giá cơ cấu rung - va đập mới. So sánh trực tiếp
thông qua các chỉ tiêu tốc độ dịch chuyển của hệ thống.
Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo đƣợc trình bày trong
chương 5.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Chƣơng 2
PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN
CƠ CẤU RUNG NGANG KHÍ NÉN
2.1. Giới thiệu
Trong chƣơng này sẽ giới thiệu về nguyên lý làm việc của các cơ cấu
rung - va đập hiện có, nêu nên những vấn đề còn tồn tại, phân tích cơ cấu
RLC 09. Đề xuất hƣớng cải tiến một cơ cấu mới rung ngang khí nén và trình
bày chi tiết các cải tiến thử nghiệm.
Phần 2.2 sẽ trình bày khái quát về các thiết bị rung va đập thƣơng mại
và các cơ cấu, mô hình cơ học rung - va đập mới nhất hiện vẫn còn trong giai
đoạn thí nghiệm gần đây. Trong phần 2.3 sẽ phân tích cơ cấu rung - va đập
mới nhất đƣợc trình bày và từ đó đề xuất nhu cầu cần cải tiến, tạo ra cơ cấu
mới. Tiếp theo phần 2.4 sẽ trình bày cơ sở đề xuất cải tiến và các cải tiến thử
nghiệm. Cuối cùng phần 2.5 sẽ tóm tắt các kết luận chính.
2.2. Các cơ cấu, mô hình rung va đập
Nhƣ chúng ta thấy đa số các máy rung va đập thƣơng mại hiện nay đều
sử dụng mô hình bánh quay lệch tâm do Tsaplin đề xuất năm 1949 [4]
(hình 2.1)

Hình 2.1. Cơ cấu rung Tsaplin [4]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Cơ cấu rung - va đập này làm theo nguyên lý sử dụng bánh lệch tâm
đƣợc mô tả trên hình 2.2.

Hình 2.2. Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm
Cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm đƣợc sử dụng rất phổ biến trong các
máy đóng cọc, đầm đất… (xem minh họa trên hình 2.3, 2.4).

Hình 2.3. Cơ cấu rung va đập được dùng trong máy đóng cọc đứng
(Theo nhà sản xuất ICE)
Điểm
va đập
Giá đỡ
Lò xo
Cọc cần đóng

Động cơ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Do cơ cấu rung dùng bánh lệch tâm cần có kích thƣớc rất lớn để có
đƣợc lực tuần hoàn đủ lớn và khả năng tích hợp cơ cấu này vào các máy đào
ngang không phá hủy là không cao. Nên hiện nay, các máy đào ngang thƣơng
phẩm chỉ hoạt động dựa trên nguyên tắc va đập nhƣng không có rung tích hợp
và sử dụng các búa hơi hoặc thủy lực. Các mô hình rung - va đập dự định
dùng cho máy đào ngang vẫn chỉ tồn tại trong các nghiên cứu thí nghiệm.
Dƣới đây sẽ trình bày tóm tắt về các cơ cấu đó.
Với ý đồ giảm thiểu kích thƣớc và khai thác rung - va đập theo phƣơng
ngang, cơ cấu cam đã đƣợc sử dụng để tạo ra va chạm và rung động tích hợp.
Mô hình này (xem hình 2.4) đã đƣợc Lok [12] nghiên cứu chi tiết về thiết kế,
chế tạo và phân tích động lực học. Dù vậy, cơ cấu này với nhƣợc điểm ma sát

lớn, làm phát sinh nhiệt cao và nhanh mòn đã cản trở việc phát triển và ứng
dụng trong thực tiễn.



Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm của Lok [12]
Bộ khuyếch đại
cảm biến vị trí
Hệ thống tiếp nhận dữ liệu
Bộ khuyếch đại
cảm biến tải trọng
Hệ thống động cơ & cam
Khối đất
Đầu vào lỗ
Cảm biến vị trí
Kết cấu đỡ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Nghiên cứu ứng dụng va đập trong các máy khoan ngang sử dụng
nguồn rung động là máy tạo rung dựa trên nguyên lý nam châm điện đã đƣợc
Franca và Weber [13] tiến hành (xem hình 2.5). Cơ cấu này cũng đòi hỏi kích
thƣớc máy khá lớn để có thể sinh đƣợc lực va đập đủ lớn. Mặt khác bộ tạo
rung này (Thƣờng gọi là các shaker) rất đắt tiền, có kích thƣớc ngang khoảng
trên 400 milimet, nên thƣờng đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm.



Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca [13]

Dựa trên nguyên lý mạch cộng hƣởng điện RLC một cơ cấu rung va
đập có kích thƣớc khá nhỏ gọn đã đƣợc tác giả Nguyễn Văn Dự đề xuất năm
2007 [3]. Trong cơ cấu này (xem hình 2.6), cuộn cảm có kích thƣớc đƣờng
kính ngoài 94 milimet đƣợc mắc nối tiếp với một tụ điện, đƣợc cấp điện xoay
chiều có điện áp dƣới 100 vôn. Bằng cách lựa chọn các giá trị thích hợp của
giá trị điện dung, điện cảm và điện áp đƣợc cấp, cộng hƣởng điện trong ống
dây gây chuyển động tuần hoàn liên tục của lõi sắt chạy trong lòng ống dây.
Bộ khuyếch đại công suất
Máy phát
sóng
2- Lò xo
4- Thanh dẫn hướng
3- Thiết bị tạo ma sát khô
1- Bàn rung
5- Mũi đột
6- Tải đặt trước
7- Encoder
8- Thiết bị va đập
1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu








Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 07 [3]

2.3. Cơ cấu rung - va đập RLC-09
Trong cơ cấu RLC 09 của tác giả La Văn Tuấn, ống dây không đƣợc
cố định nhƣ trong RLC-07. Thay vào đó, ống dây đƣợc gắn trên bốn bánh xe
có khả năng lăn tự do trên hai đƣờng ray dẫn hƣớng. Do vậy, cả lõi sắt và ống
dây đều có khả năng chuyển động tự do. Lực điện từ tác dụng tƣơng hỗ giữa
ống dây và lõi sắt làm cho cả ống dây và lõi chuyển động nhƣng ngƣợc pha
nhau. Lực va đập thu đƣợc từ chuyển động và va đập của ống dây với chốt
chặn (xem hình 2.7). Lực này đẩy tấm trƣợt chuyển động.


Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 09
Mô hình này có thể đƣợc sử dụng để khảo sát chi tiết các đặc tính động
lực học cũng nhƣ tối ƣu hóa cơ cấu trong các nghiên cứu tiếp theo.
L
C
R
V
S
Lõi sắt
Cuộn cảm
Tấm trượt
Chốt chặn
L
C
R
V
S
Chốt chặn
Lõi sắt
Cuộn cảm

Base board
Lò xo
Tấm trượt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.4. Đề xuất cải tiến thử nghiệm mới
2.4.1. Cơ sở đề xuất cải tiến
Từ cơ sở một ống khí bị nén khi mở van khí đột ngột sẽ phụt khí bị nén
tạo ra một phản lực làm cho ống khí nén lao về phía trƣớc



(a) (b)

Hình 2.8: (a) Phụt khí, (b) phản lực.

2.4.2. Xe gắn ống khí nén:

èng khÝ nÐn
Xe di chuyÓn
Van x¶
KhÝ nÐn


Hình 2.9: Xe gắn ống khí nén

Từ ý tƣởng này, phƣơng án về gắn ống khí nén lên xe đƣợc hình
thành, xe sẽ di chuyển mỗi khi van khí nén xả đột ngột.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

2.4.3. Cơ cấu lò xo chốt chặn
Xe di chuyÓn
chèt chÆn
lß xo
TÊm tr-ît
èng khÝ nÐn
Van x¶
KhÝ nÐn

Hình 2.10: Cơ cấu chốt chặn, lò xo

Khi xả khí, theo phản lực xe mang ống khí sẽ di chuyển đến vị trí chốt
chặn làm nén lò xo ở vị trí đó lại, tiếp đó ống khí sẽ bị di chuyển quay trở lại
vị trí xuất phát bằng một lò xo mềm, khi về đến vị trí điểm xuất phát van khí
lại tiếp tục xả. Cứ nhƣ vậy xe mang ống khí sẽ đƣợc chuyển động một cách
tuần hoàn, liên tục.
Nhƣ vậy có thể sƣ dụng phản lực khí nén và lò xo để tạo chuyển động
khứ hồi.
2.4.4. Thử nghiệm các kích thước đường kính van xả



Hình 2.11: Đầu xả khí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Thực nghiệm cho thấy với các đƣờng kính xả của van khác nhau sẽ cho
các kết quả di chuyển của cơ hệ là khác nhau: Tiến hành với cá đƣờng kính lỗ

xả là 1mm, 2mm, 2.5mm, 3mm, 4mm, 5mm, kết quả cho thấy với đƣờng kính
lỗ xả là 5mm cơ hệ di chuyển tối ƣu nhất.
2.5. Kết luận
Chƣơng này đã trình bày các thông tin tổng quan về các cơ cấu rung -
va đập đã có. Dựa trên các thông tin phân tích về nguyên lý làm việc của các
cơ cấu rung đã có, một số ý tƣởng về một cơ cấu rung mới dùng phản lực khí
nén đã đƣợc đề xuất.
Mô hình thực cho ý tƣởng này sẽ đƣợc trình bày ở chƣơng tiếp theo.