LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP
----------------***----------------
LA NGỌC TUẤN
ĐỘNG LỰC HỌC
CƠ CẤU RUNG
RLC
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN DỰ
THÁI NGUYÊN 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h
tt


p : /
/


ww w .
l


r
c


-
t

nu .
e
du .
v


n
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t

nu .
e


d u .
v


n
1
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.
La Ngọc
Tuấn
Tháng 11 năm
2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê

n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .
v


n
2

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Lời cám ơn
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên
hƣớng
dẫn khoa học
của tôi, 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. Tôi
cũng xin cám ơn anh Nguyễn Thuận và các kỹ thuật viên của trung tâm gia
công cơ khí TTT Group đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết
bị thí nghiệm của đề tài này.
Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo
tr
ƣ
ờng
Đại học
Sƣ
Phạm Kỹ thuật Vinh đã tạo điều kiện để tôi
đƣợc
tham
gia và hoàn thành khóa học này.
Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với
ngƣời
bố kính yêu của tôi -
La Ngọc Viện, vì tất cả những gì mà
ngƣời
đã dành cho tôi. Thêm nữa là
em gái tôi La Thị Việt Nga,
ngƣời

đã đảm nhiệm thay tôi trong quá trình
tôi xa nhà để tham gia khóa học này. Tôi cũng muốn nói lời cám ơn tới
gia đình bác Chuân - Thứ (Tích
L
ƣ
ơng
- Thái Nguyên) đã chăm sóc, động
viên tôi trong suốt thời gian tôi sống và học tập ở đây.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp từ
tr
ƣ
ờng
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và
tr
ƣ
ờng
Đại học
S
ƣ
Phạm Kỹ thuật Vinh đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//

www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .
v


n
3
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Tóm tắt
Qua phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính động lực
học của cơ cấu rung - va đập sử dụng mạch cộng hƣởng RLC, một cơ
cấu rung - va đập mới
đƣợc
cải tiến đã
đƣợc

thiết kế, chế tạo, vận hành
thí nghiệm, phân tích và cho ra các kết quả tích cực hơn hẳn so với
tr
ƣ
ớc
đây. Khả năng hiện thực hóa ứng dụng của cơ cấu rung - va đập mới này
trong các máy khai thác rung - va đập yêu cầu kích
th
ƣ
ớc
nhỏ gọn trở
nên hứa hẹn hơn.
Cơ cấu
đƣợc
cải tiến làm việc dựa trên nguyên lý cộng
hƣởng
trong
mạch điện gồm điện cảm và tụ điện mắc nối tiếp. Cơ cấu dao động dựa trên
nguyên lý này đã
đƣợc
Mendrella [1,2] giới thiệu và
đƣợc
phát triển thành
cơ cấu rung - va đập RLC bởi Nguyễn Văn Dự [3]. Tuy nhiên, cơ cấu
đƣợc
cải tiến trong luận văn này cho phép và khai thác chuyển động của ống dây
thay vì chuyển động của lõi sắt
nhƣ
trong [1,2,3]. Cơ cấu
đƣợc

thí nghiệm
có thể làm dịch chuyển một khối
lƣợng
trên 6 kg với lực ma sát tăng
c
ƣ
ờng
thêm 60 N với vận tốc nhanh gấp 6 lần so với
trƣớc
đây.
Chuyển động tuần hoàn của ống dây đã
đƣợc
hỗ trợ bằng một hệ lò
xo nhằm khai thác đặc tính cộng
hƣởng
cơ, từ đó có thể nâng cao hiệu năng
của hệ thống. Các phân tích động lực học đã cho thấy, khoảng cách va đập,
độ cứng của lò xo và điện áp cấp cho ống dây 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 – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//

www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .
v


n
4
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Mục lục
Lời cam đoan
............................................................................................. 1
Lời cám
ơn

................................................................................................. 2
Tóm
tắt

....................................................................................................... 3
Mục
lục ...................................................................................................... 4
Các ký hiệu viết
tắt..................................................................................... 6
Danh mục các hình ảnh
.............................................................................. 7
Danh mục các bảng,
biểu.......................................................................... 10
Chƣơng
1: GIỚI
THIỆU........................................................................... 11
1.1. Cơ cấu rung va đập
RLC

.............................................................
11
1.2. Các kết quả nghiên cứu gần
đây

..................................................
12
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
...................................................................
14
1.4. Các kết quả chính đã đạt

đƣợc ....................................................
14
1.5. Cấu trúc luận
văn

........................................................................
15
Chƣơng
2: PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN
.17
2.1. Giới
thiệu

.......................................................................................
17
2.2. Các mô hình rung va đập và
hƣớng
cải
tiến

....................................
17
2.2.1. Các cơ cấu rung va đập
...........................................................
17
2.2.2. Cơ cấu rung - va đập
RLC-07

..................................................
22

2.3. Mô hình và đặc điểm các cơ cấu
....................................................
24
2.4. Một số đề xuất cải tiến thử nghiệm mới
.........................................
27
2.4.1. Cơ sở đề xuất cải tiến
..............................................................
27
2.4.2. Thử nghiệm dùng cảm biến cấp nguồn và lò xo hỗ
trợ
............. 28
2.4.3. Thử nghiệm sử dụng hai ống dây nối
tiếp.................................
29
2.4.4. Thử nghiệm dùng cảm biến cắt nguồn theo vị trí
.....................
30
2.4.5. Khai thác rung động của ống dây
............................................
31
2.5. Kết
luận..........................................................................................
32
Chƣơng
3: CƠ CẤU RUNG VA ĐẬP
MỚI

............................................. 33
3.1. Giới

thiệu

.......................................................................................
33
3.2. Nguyên lý làm việc
........................................................................
34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .

e


d u .
v


n
5
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
3.2.1. Mô hình mô tả cơ cấu
..............................................................
36
3.2.2. Mô hình toán
học

.....................................................................
37
3.3. Thiết kế và chế tạo cơ
cấu ..............................................................
39
3.3.1. Ống dây và xe mang ống dây
...................................................
39
3.3.2. Hệ thống đường ray dẫn hướng
...............................................
41
3.3.3. Hệ thống rãnh trượt dẫn hướng
...............................................
43

3.3.4. Cơ cấu điều chỉnh lực ma
sát

...................................................
44
3.4. Các thiết bị
đo ................................................................................
45
3.4.1. Thiết bị đo chuyển
vị

................................................................
45
3.4.2. Thiết bị đo điện áp, điện cảm, điện
dung

..................................
45
3.4.3. Thiết bị đo
lực

..........................................................................
46
3.4.4. Thiết bị thu thập dữ
liệu

...........................................................
49
3.5. Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm
.............................................

49
3.6. Kết
luận..........................................................................................
55
Chƣơng
4: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU MỚI .................... 56
4.1. Giới
thiệu. ......................................................................................
56
4.2. Mô tả thí
nghiệm

............................................................................
57
4.3.
Ph
ƣ
ơng
pháp khảo sát thí
nghiệm...................................................
59
4.4. Kết quả thí
nghiệm

.........................................................................
61
4.4.1. Mức ma sát 4 kg
lực

...............................................................

61
4.4.2. Mức ma sát 6 kg
lực

.................................................................
66
4.5. Động lực học cơ
cấu.......................................................................
70
4.6. Kết
luận..........................................................................................
75
Chƣơng
5: KẾT
LUẬN ............................................................................
76
5.1. Các kết quả chính đã đạt
đƣ
ợc

........................................................
76
5.2. Đề xuất các nghiên cứu tiếp
theo

....................................................
77
Tài liệu tham
khảo....................................................................................
78

Phụ lục: CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC
...................................................
81
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .

v


n
6
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
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 thực hiện bởi nghiên cứu này, 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c

-
t


nu .
e


d u .
v


n
7
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Danh mục các hình ảnh
Hình
Hình
2.1.
Nội
dung
Cơ cấu rung Tsaplin.................................................................................................................
Trang
18
Hình 2.2. Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm.......................................... 19
Hình 2.3. Cơ cấu rung va đập đƣợc dùng trong máy đóng cọc đứng
(Theo nhà sản xuất ICE)....................................................................................................
20
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm của

Lok.
............................................................................................... 21
Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca. ......................... 22
Hình 2.6. Mô hình cơ cấu rung va đập RLC 07. ................................................................. 23
Hình 2.7. Lực điện từ Fm của ống dây tác dụng lên lõi sắt. ................................ 23
Hình 2.8. Mô hình hóa các cơ cấu rung. ....................................................................................... 25
(a) Mô hình cho bánh lệch tâm/cam của Pavlovskaia
(b) Mô hình cho nam châm điện của Franca
Hình 2.9. Mô hình mô tả cơ cấu RLC
07.
................................................................................... 26
Hình 2.10 Hành trình chuyển động của lõi
sắt.
...................................................................... 27
Hình 2.11
Hành trình chuyển động của lõi sắt trong
phƣơng
án đƣa lò
xo vào cơ
cấu.

.............................................................................................................................
....
28
Hình 2.12 Hành trình chuyển động của lõi thép theo
phƣơng
án hai ống
dây nối
tiếp.
.............................................................................................................................

.......... 29
Hình 2.13 Quá trình chuyển động của lõi sắt ở
ph
ƣ
ơng
án điều khiển
hành
trình.

.............................................................................................................................
...............
30
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC -
09.
.......................................................................... 34
Hình 3.2 Mô hình cơ cấu rung va đập
RLC-09.
................................................................. 36
Hình 3.3 Ống dây khi
đƣợc
tháo vỏ ngoài. .............................................................................. 40
Hình 3.4 Cơ cấu chuyển động ống dây trong thí
nghiệm.
...................................... 41
Hình: 3.5 Bánh xe trong hệ thống thí
nghiệm.
....................................................................... 41
Hình 3.6 Hệ thống
đ
ƣ

ờng
ray trong thí
nghiệm.
................................................................ 42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e

d u .
v


n
8
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Hình 3.7 Sống
trƣợt
dẫn
hƣớng đƣợc
lắp trên hệ thống
ray.
............................... 42
Hình 3.8 Hệ thống rãnh
trƣợt
dẫn
hƣớng.
................................................................................. 43
Hình 3.9 Cơ cấu điều chỉnh lực ma
sát.
....................................................................................... 44
Hình 3.10 Cảm biến vị trí
(LVDT).
..................................................................................................... 45
Hình 3.11 Bộ điều chỉnh điện áp và thiết bị
đo.
.................................................................... 45
Hình 3.12 Đồng hồ đo điện trở, điện cảm, điện dung OMEGA - HHM30. 46
Hình 3.13 (a) Lực kế,

(b)Ph
ƣ
ơng
pháp đo độ cứng lò xo. ......................................... 46
Hình 3.14 Đồ thị kiểm tra độ cứng lò
xo.
..................................................................................... 48
Hình 3.15 Thử nghiệm lò
xo.
...................................................................................................................... 48
Hình 3.16 Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ
USB-6008.
............................................................... 49
Hình 3.17 Lắp đặt bộ phận chốt chặn khai thác lực va đập (a) khi khai
thác va đập từ ống dây, (b) khi khai thác va đập từ lõi
sắt.
......... 51
Hình 3.18 Điều chỉnh lực ma sát giữa tấm
trƣợt
và hệ rãnh dẫn bằng
cách thay đổi khoảng cách
S.
............................................ ........................................... 52
Hình 3.19 Lắp đặt LVDT vào cơ hệ.
...............................................................................................
... 53
Hình 3.20 Kết cấu hệ thống thí nghiệm
RLC-09.
................................................................ 54
Hình 4.1 (a) Sơ đồ chi tiết, (b) Hình ảnh của hệ thống thiết bị trong

thí
nghiệm.
.............................................................................................................................
............ 57
Hình 4.2 Đồ thị chuyển động của cơ cấu RLC-09 trong 3 lần lấy số
liệu tại 80V điện áp cấp vào và khoảng va đập 3mm. ....................... 59
Hình 4.3 Đồ thị chuyển động của cơ cấu RLC-09 với 5 khoảng va đập
tại 80V điện áp cấp
vào.
...................................................................................................... 60
Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5
giây của cơ cấu RLC-09 tại các điều kiện làm
việc.
........................... 63
Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5
giây của cơ cấu RLC-07 tại các điều kiện làm
việc.
........................... 64
Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5
giây của cơ cấu RLC-09 và cơ cấu RLC-07 tại các điều kiện
làm việc 64
Hình 4.7 Đặc tính và hành trình chuyển động của cơ cấu RLC-09 (a)
và cơ cấu RLC-07 (b) tại điều kiện tốt nhất cho từng cơ cấu. 65
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :

//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .
v


n
9
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5
giây tại các điều kiện làm việc của cơ cấu RLC-09 ở mức ma
sát 6kg
lực.

.............................................................................................................................
............. 67
Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5
giây tại các điều kiện làm việc của cơ cấu RLC-07 ở mức ma
sát 6kg
lực.
.............................................................................................................................
............. 68
Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn
lƣợng
dịch chuyển sau thời gian 5 giây của
cơ cấu RLC-09 và RLC-07 tại các điều kiện làm việc ở mức
ma sát 6kg
lực.

.............................................................................................................................
.. 69
Hình 4.11 Dao động của lõi sắt, ống dây khi chạy tự do và ống dây khi
thực hiện va đập sinh công tại điện áp cấp vào 95V (a,c,e) và
110V
(b,d,f).

.............................................................................................................................
......... 71
Hình 4.12 Tần số dao động của lõi sắt, ống dây khi chạy tự do và ống dây
khi thực hiện va đập sinh công tại điện áp cấp vào 95V (a,c,e) và
110V
(b,d,f).

....................................................................................................

...... 72
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .
v

n
10
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Danh mục các bảng, biểu
Bảng Nội dung Trang
Bảng 3.1
Bảng 4.1
Số liệu đo
đƣợc
của các bộ lò xo tạo cộng
h
ƣ
ởng
cho ống
dây.
L
ƣ
ợng
dịch chuyển sau thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-09
47
ứng với các mức điện áp (U) và khoảng va đập (L) khác
nhau (F
ms
=4kg
lực).
............................................................................................................... 61
Bảng 4.2 Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va
đập của cơ cấu RLC-09 và
lƣợng

dịch chuyển của tấm
tr
ƣ
ợt
sau thời gian 5 giây (F
ms
=4kg
lực).
..................................................................... 62
Bảng 4.3
Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va
đập của cơ cấu RLC-07 và
lƣợng
dịch chuyển sau thời gian
5 giây (F
ms
=4kg
lực).
........................................................................................................... 63
Bảng 4.4 Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va
đập của cơ cấu RLC-09 và
lƣợng
dịch chuyển sau thời gian
5 giây (F
ms
=6kg
lực).
...........................................................................................................
67
Bảng 4.5 Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va

đập của cơ cấu RLC-07 và
lƣợng
dịch chuyển sau thời gian
5 giây (F
ms
=6kg
lực).
...........................................................................................................
68
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t

nu .
e


d u .
v


n
11
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Chương 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 khai thác cộng
hƣởng
trong mạch R-L-C
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 RLC
Trong các máy xây dựng phổ biến nhƣ các máy đóng cọc, máy đầm
đất, rung động kết hợp với va đập
th
ƣ
ờng

đƣợc
khai thác để nâng cao công
suất máy và giảm tác động xấu đến địa chất xung quanh. Trong gia công cơ
khí, rung động cũng
đƣợc
khai thác trong gia công các vật liệu cứng và dòn
nhƣ
kim
c
ƣ
ơng,
đá, gốm, hợp kim cứng…
Hầu hết các cơ cấu rung va đập truyền thống cho đến nay đều sử dụng
nguyên lý bánh quay lệch tâm do Tsaplin đề xuất từ 1940 [4]. Tuy nhiên,
do cơ cấu này cần có kích
thƣớc
lớn (đủ khoảng cách lệch tâm cần thiết để
có thể gây biên độ dao động lớn), nên khả năng ứng dụng trong các máy
khai thác rung động có yêu cầu kích thƣớc nhỏ gọn là rất hạn chế. Xuất
phát từ nhu cầu kích

thƣớc
nhỏ gọn cho hệ cơ cấu rung, một cơ cấu rung va
đập có kích thƣớc nhỏ gọn đã
đƣợc
giới thiệu bởi Nguyễn Văn Dự năm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e

d u .
v


n
12
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
2007 [3]. Cơ cấu này
đƣợc
gọi là cơ cấu rung va đập RLC, do đặc tính khai
thác khả năng gây rung động và va đập của lõi sắt chuyển động trong lòng
một cuộn cảm (L) mắc nối tiếp với một điện dung (C) của mạch điện RLC.
Cơ cấu rung va đập khai thác chuyển động tuần hoàn của lõi sắt trong
cuộn cảm đã
đƣợc
thiết kế, chế tạo và phân tích đặc tính động lực học lần
đầu tiên năm 2007. Để nâng cao hiệu năng của nó, tác giả của nó đã sử
dụng thêm hệ điều khiển dùng Rơ-le trạng thái và hệ lò xo với mục đích
khai thác cộng
hƣởng
của hệ thống. Kết quả cho thấy cải tiến đã mang lại
tốc độ dịch chuyển của cơ hệ tăng lên 2 lần. Nghiên cứu cũng đã đề xuất
các
hƣớng
nghiên cứu tiếp theo là phân tích động lực học của cơ hệ để tiếp
tục nâng cao hiệu năng của nó, nhằm hiện thực hóa ứng dụng của cơ cấu
trong các hệ thống yêu cầu lực va đập lớn và kích
thƣớc
nhỏ gọn.

Đề tài này tiếp tục
h
ƣ
ớng
nghiên cứu đó, nghiên đặc tính động lực học
nhằm cải tiến và nâng cao hiệu năng của cơ cấu RLC 07 mà tác giả Nguyễn
Văn Dự đã đề xuất.
1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây
Các máy móc khai thác tính tích cực của rung động đã
đƣợc
giới thiệu
và
đƣợc
sử dụng rộng rãi trên thế giới từ những năm 40 của thế kỷ
tr
ƣ
ớc,
khi Tsaplin [4]
đƣa
ra mô hình cơ cấu rung - va đập sử dụng bánh quay
lệch tâm. Các công trình nghiên cứu của Barkan [5] Rodger và Littejohn
[6] 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 [7,8],
Wiercigroch [9,10], Woo [11] 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê

n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .
v


n
13

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
ngang, cơ cấu cam đã đƣợc sử dụng để tạo ra va chạm với nghĩa là rung
động. Mô hình này đã
đƣợc
Lok [12] 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 [13] 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 các nghiên cứu về cuộn cảm
đƣợc
tiến hành cho các dạng
ứng dụng
nhƣ
một cơ cấu đóng mở [14-16] hoặc rung động hành trình ngắn

[17-19]. Việc sử dụng cuộn cảm
nhƣ
một động cơ chuyển động thẳng khứ
hồi đã
đƣợc
Mendrela [1,2] 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 [3, 20-26].
Trong nghiên cứu của Nguyễn Văn Dự, 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. 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t

t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .
v


n
14
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ rõ, cơ cấu cần
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 qua phân tích động lực học của cơ
cấu RLC, cải thiện được hiệu năng của cơ cấu. Thông số này đƣợc đánh
giá qua khả năng hệ thống thắng
đƣợc
lực cản ma sát lớn hơn, cho tốc độ di
chuyển lớn hơn so với kết quả cũ.
Các mục tiêu cụ thể là:
1. Phân tích đặc tính động lực học của cơ cấu RLC 07 để tìm ra khả
năng tiếp tục cải tiến cơ cấu này;
2. Thiết kế, chế tạo hệ thống cơ cấu cải tiến để tiến hành thí nghiệm
khảo sát và so sánh hiệu năng với cơ cấu cũ;
3. Tiến hành thí nghiệm để phân tích, đánh giá các đặc tính động lực
học chính của cơ hệ mới nhằm tiếp tục phát triển, hoàn thiện và hiện
thực hóa ứng dụng của nó;
1.4. Các kết quả chính đã đạt được
Đề tài này đã giải quyết đƣợc vấn đề chính
đƣợc
đặt ra là nâng cao
hiệu năng của cơ cấu RLC mà vẫn đảm bảo tính nhỏ gọn và đơn giản của
nó. Cơ cấu mới đã có khả năng thắng
đƣợc
lực cản cao hơn 4 lần so với cơ

cấu cũ; tốc độ dịch chuyển của nó cũng
đƣợc
nâng lên hơn 6 lần. Các đóng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .

v


n
15
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
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 phân tích và khai thác đặc tính động lực học của cơ hệ để đề xuất
mô hình mới; Mô hình thí nghiệm mới này có hiệu năng cao hơn hẳn
mô hình cũ;
2. Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập
mới;
3. Đã thiết lập và thực thi các bộ thí nghiệm khẳng định
ƣu
việt của mô
hình mới;
4. Đã khảo sát, phân tích và đánh giá đặc tính hoạt động của mô hình
mới;
5. Đã xác định các
hƣớng
căn bản để tiếp tục nâng cao hiệu năng mô
hình mới dựa trên khả năng khai thác cộng
hƣởng

của cơ hệ.
Các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố trên các hội nghị và tạp
chí
chuyên ngành sau:
1. Hội nghị khoa học quốc tế “Recent Advances in Nonlinear
Mechanics” (Các tiến bộ gần đây trong Cơ học phi tuyến), Kuala
Lumpur, Malaysia, tháng 8/2009.
2. Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật,
trang
88-91, số 74, tháng 11/2009.
1.5. Cấu trúc luận văn
Luận văn
đƣợc
chia thành 5
chƣơng
với các nội dung chính
nhƣ
sau.
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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t

p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e


d u .
v


n
16
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Trong 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 cũ,
đƣợc
trình bày chi tiết. Trên cơ sở đó, một số đề xuất cải
tiến cơ cấu đã
đƣợc
thử nghiệm. Các kết quả thử nghiệm cũng
đƣợc
trình
bày cụ thể.
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.
Trong chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu, đánh giá cơ cấu
rung - va đập mới.
Ƣu
việt của cơ cấu mới so với cơ cấu cũ vận hành trong
cùng điều kiện

đƣợc
so sánh trực tiếp thông qua 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 – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e

d u .
v


n
17
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Chương 2
PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN
2.1. Giới thiệu
Chƣơng
này giới thiệu về nguyên lý làm việc của các cơ cấu rung -
va đập hiện có, phân tích cụ thể và nêu rõ vấn đề còn tồn tại. Đề xuất
hƣớng
cải tiến cho cơ cấu và trình bày chi tiết các cải tiến thử nghiệm.
Phần 2.2 tiếp theo trình bày tổng quan về các thiết bị rung va đập
thƣơng mại và các cơ cấu rung - va đập hiện vẫn còn trong giai đoạn thí
nghiệm gần đây. Các mô hình cơ học bộ phận rung - va đập mới nhất đƣợc
trình bày và phân tích
ƣu nhƣợc
điểm, từ đó nêu rõ nhu cầu cần cải tiến hay
tạo ra cơ cấu mới.
đƣợc
trình bày trong phần 2.3. Cơ sở đề xuất cải tiến và
các cải tiến thử nghiệm
đƣợc
trình bày, phân tích trong phần 2.4. Phần 2.5,
phần cuối cùng của
chƣơng,

sẽ tóm tắt các kết luận chính.
2.2. Các mô hình rung va đập và hướng cải tiến
2.2.1. Các cơ cấu rung va đập
Hầu hết 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] (Xem hình 2.1)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .

e


d u .
v


n
18
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Hình 2.1. Cơ cấu rung Tsaplin [4]
Nguyên lý làm việc của cơ cấu rung va đập sử dụng bánh lệch tâm
đƣợc
mô tả trên hình 2.2. Đúng
nhƣ
tên gọi của nó, cơ cấu tích hợp cả rung
động và va đập để nâng cao hiệu quả hoạt động. Rung động
đƣợc
tạo ra do
lực lệch tâm phát sinh khi các bánh lệch tâm quay. Cả cơ cấu dao động theo
phƣơng
thẳng đứng nhờ các thanh dẫn
hƣớng.
Hệ lò xo hỗ trợ cơ cấu nhằm
đạt đến trạng thái cộng hƣởng cơ. Lúc này, biên độ dao động lớn của cơ
cấu
vƣợt
quá khe hở giữa khung cơ cấu và điểm chặn, lực va đập sẽ
đƣợc
sinh ra. Các tính toán cơ bản về lực và dao động của cơ cấu có thể đƣợc

tóm tắt
nhƣ dƣới
đây.
2
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngu
yê
n h t
t


p :
//


www .
l


r
c


-
t


nu .
e

d u .
v


n
19
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Động cơ
Giá đỡ
Lò xo
Bánh
lệch
tâm
Điểm
va đập
Cọc cần đóng
Hình 2.2. Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm
Gọi khối
lƣợng
lệch tâm là m, tốc độ quay của các bánh lêch tâm là
ω, khoảng lệch tâm của mỗi bánh là e, thì lực tổng hợp sinh ra từ các lực
quán tính ly tâm có thể tính theo công thức:
F
c
=

me
ω
c

os
(
ω
t

+

ϕ

)

`
(2.1)
Từ đây, có thể tính thành phần của lực này chiếu lên
ph
ƣ
ơng
thẳng
đứng theo công thức sau:
F
V
=

me
ω
cos
(
ω
t

+
ϕ
)
+
Mg =
Acos
(
ω
t

+
ϕ
)
+
B
(2.2)
Trong đó: M là khối
lƣợng
của cả cơ cấu.
g là gia tốc trọng
tr
ƣ
ờng.
A là đại
lƣợng
đặc
trƣng
cho biên độ dao động của cơ cấu.
B là trọng lực có vai trò
nhƣ

một thành phần lực tĩnh.
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)
Cơ cấu rung dùng bánh lệch tâm đòi hỏi kích thƣớc rất lớn để có
đƣợc
lực tuần hoàn đủ lớn. Khả năng tích hợp cơ cấu này vào các máy đào
ngang không phá hủy là không khả thi. Do vậy cho đến nay, các máy đào
ngang thƣơng phẩm chỉ hoạt động dựa trên nguyên tắc va đập không có
rung tích hợp, 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.
Hệ thống động cơ & cam
Cảm biến vị trí
Kết cấu đỡ
Đầu vào lỗ
Khối đất
Bộ khuyếch đại
cảm biến vị trí
Bộ khuyếch đại
cảm biến tải trọng
Hệ thống tiếp nhận dữ liệu
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm của Lok [12].
Franca và Weber [13] đã tiến hành 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 (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. Bộ tạo rung
này
(Th
ƣ
ờng
gọi là các shaker) rất đắt tiền, có kích
thƣớc
ngang khoảng
trên 400 milimet,
thƣờng đƣợc
sử dụng trong các phòng thí nghiệm.

1- Bàn rung
2- Lò xo
3- Thiết bị tạo ma sát khô
4- Thanh dẫn hướng
5- Mũi đột
6- Tải đặt trước
7- Encoder
8- Thiết bị va đập
1
Bộ khuyếch đại công suất
Máy phát
sóng
Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca [13]
2.2.2. Cơ cấu rung - va đập RLC-07
Một cơ cấu rung va đập có kích
thƣớc
khá nhỏ gọn, dựa trên nguyên
lý mạch cộng
h
ƣ
ởng
điện RLC đã
đƣợc
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. Trong thuyết minh này, cơ cấu rung - va đập mà tác giả Nguyễn Văn
Dự đã công bố vào năm 2007
đƣợc
gọi là RLC-07 để phân biệt với cơ cấu
mới, từ đây
đƣợc
gọi là RLC-09.
Cuộn cảm
C
R
V
S
L
Lõi sắt
Chốt chặn
Tấm trượt
Hình 2.6. Mô hình cơ cấu rung va đập RLC 07 [3].
Do hiện
tƣợng
cộng hƣởng điện trong mạch RLC cũng
đƣợc
khai
thác trong đề tài này nên nó sẽ
đƣợc
trình bày kỹ hơn

dƣới
đây.
(a)
Lực
điện
từ
(N)
(b)
Vị trí lõi sắt (m)
Hình 2.7. Lực điện từ Fm của ống dây tác dụng lên lõi sắt
Fm

11
, Fm
22
và
tương hỗ của lõi sắt lên ống dây Fm
12
, Fm
22
phụ thuộc vị trí tương
đối
của lõi sắt
[3]
Cuộn cảm có chứa lõi sắt có thể chuyển động tự do trong lòng nó.
Tụ điện C,
đƣợc
mắc nối tiếp với cuộn cảm, có giá trị điện dung
đ
ƣ

ợc
chọn sao cho gây nên hiện
tƣợng
cộng
hƣởng
điện ở gần hai đầu ống dây
(xem hình 2.7).
Khi lõi sắt có vị trí tại nơi xảy ra cộng hƣởng, lực điện từ
tƣơng
tác
giữa ống dây và lõi có giá trị rất lớn sẽ kéo lõi sắt chuyển động rất nhanh
về phía điểm giữa ống dây. Do quán tính, lõi sắt tiếp tục chuyển động về
phía đầu kia của ống dây. Tại đây, lực điện từ có giá trị lớn sẽ buộc lõi sắt
dừng lại và chuyển động
ngƣợc
lại. Điều chỉnh các giá trị phù hợp của điện
áp xoay chiều, điện cảm của ống dây và điện dung … sẽ nhận
đƣợc
chuyển
động tuần hoàn, liên tục của lõi sắt. Một chốt chặn
đƣợc
đặt chắn ngang
trên
đƣờng
chuyển động của lõi sắt. Cả cuộn cảm và chốt đều
đƣợc
gắn cố
định trên một tấm
trƣợt.
Tấm

trƣợt
này có thể
trƣợt
trên bàn
trƣợt
có rãnh
dẫn
hƣớng.
Ma sát giữa tấm
trƣợt
và bàn
trƣợt
này có thể điều chỉnh
đƣợc
để phục vụ cho các khảo sát số liệu. Kết quả rung động - va đập mang lại
chuyển động của tấm
trƣợt
có ma sát với rãnh dẫn
hƣớng đƣợc
tăng
c
ƣ
ờng,
đƣợc
coi
nhƣ
chuyển động
tƣơng
tự của máy đào ngầm có lực cản của đất.
Để tiếp tục nghiên cứu, phát triển mô hình động lực học cho cơ cấu

rung va đập, mô hình và đặc điểm các cơ cấu đã có cần
đƣợc
phân tích chi
tiết hơn. Nội dung này sẽ
đƣợc
trình bày trong phần
dƣới
đây.
2.3. Mô hình và đặc điểm các cơ cấu
Mô hình hóa của cơ cấu dùng bánh lệch tâm/cam và mô hình dùng
nam châm điện
đƣợc
trình bày trên hình 2.8.