hực nghiệm khai thác hiệu ứng giảm ma sát khi rung động trong máy đào ngầm ngang

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HỒ HỮU ĐỨC

THỰC NGHIỆM KHAI THÁC HIỆU ỨNG GIẢM MA SÁT
KHI RUNG ĐỘNG TRONG MÁY ĐÀO NGẦM NGANG

LUẬN VĂN THẠC SỸ: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã số

: 60520103

Thái Nguyên – 2016


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Hồ Hữu Đức
Học viên: Lớp Cao học chuyên ngành kỹ thuật cơ khí K16
Đơn vị công tác: Trường Cao đẳng nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc
Tên đề tài: “Thực nghiệm khai thác hiệu ứng giảm ma sát khi rung động
trong máy đào ngầm ngang” .
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn này là của bản
thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào

khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công
bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn.
Thái nguyên, Tháng 10 năm 2016
Tác giả

Hồ Hữu Đức


iii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ
từ phía nhà trường, các thấy cô giáo trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp
– Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô
giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành chương trình
học và hoàn thiện luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắcđến giáo viên hướng dẫn khoa học của
tôi, thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, ngườiđã định hướng, truyền đạt kiến
thức, tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôitrong suốt thời gian làm luận
văn này.Xin chân thành cảm ơn thầy giáo Ths. Chu Ngọc Hùng đã giúp đỡ tôi
rất nhiều trong quá trình làm luận văn.
Tôi xin cám ơn Ban giám hiệu, các thầy giáo trong khoa Cơ khí Trường
Cao đẳng nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốcđã tạo điều kiện để tôi được tham
gia và hoàn thành khóa học này.
Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với vợ và gia đình tôi, vì tất cả
những gì mà mọi người đã dành cho tôi. Mọi người đã chăm sóc, động viên tôi
trong suốt thời gian tôi sống, học tập và làm luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn các bạn bè, đồng nghiệplớp CHK16 đã hỗ trợ
và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi.

Tôi xin chân thành cảm ơn!


iv

TÓM TẮT
Trong nghiên cứu này,một cơ cấu rung - va đập mới theo phương ngang
có thể tùy biến kích cỡ đã được thiết kế chế tạo thành công. Mô hình thí nghiệm
dùng cơ cấu này cho phép đánh giá ảnh hưởng của rung động theo 3 phương
đến hiệu ứng giảm ma sát. Một mô hình máy đào ngầm ngang mới, có khả năng
tự di chuyển theo phương ngang mà không cần thiết bị hay lực tác động bên
ngoài sử dụng cơ cấu rung va đập này đã cho phép điều chỉnh được các thông
số như: khối lượng rung động, tần số lực cưỡng bức và cường độ rung động
của cơ hệ, thu thập và phân tích ý nghĩa dữ liệu thí nghiệm một cách đầy đủ.
Đã kiểm chứng và hiệu chỉnh đảm bảo khả năng làm việc ổn định nhằm thu
được những giá trị các thông số ảnh hưởng tới tốc độ dịch chuyển của cơ cấu
và khả năng thắng lực cản lớn. Một phạm vi ứng dụng rất hữu ích của cơ cấu
đã được phát hiện thêm là trong các thiết bị tự di chuyển nhờ rung động
(vibration-driven locomotion systems), không cần sử dụng thiết bị ngoài như
bánh xe hay các cơ cấu chấp hành khác. Ngoài khả năng sử dụng trong máy
đào ngầm ngang, hướng khai thác này có thể áp dụng trong các thiết bị thăm
dò công nghiệp (khảo sát đường ống ngầm, cứu hộ) hoặc trong y tế (viên nội
soi tự di chuyển – capsuled robots). Kết quả đã được gửi công bố và được chấp
nhận cho chỉnh sửa để được xuất bản tại tạp chí “Journal of Vibration and
Control” thuộc danh mục ISI (IF=1.64) với tên bài báo là “Effects of mass and
excitation frequency in electro _Vibroimpact systems an experimental study”.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................. iii
MỤC LỤC .................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................ xi
Chương 1 ...................................................................................................... 1
GIỚI THIỆU ................................................................................................ 1
1.1. Tổng quan.......................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu......................................................................... 5
1.3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................ 5
1.4. Phương pháp nghiên cứu................................................................... 6
1.5. Cấu trúc luận văn .............................................................................. 6
Chương 2 ...................................................................................................... 8
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ...................... 8
2.1. Giới thiệu........................................................................................... 8
2.2. Các cơ cấu rung - va đập thông dụng................................................ 8
2.2.1. Cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm .................................... 8
2.2.2 Cơ cấu rung động theo phương ngang sử dụng cơ cấu cam .... 10
2.2.3 Cơ cấu rung động va đập theo phương ngang sử dụng bộ tạo rung
shaker ................................................................................................. 11
2.2.4. Cơ cấu khai thác va đập của lõi sắt trong mạch RLC .............. 12


vi

2.2.5. Cơ cấu khai thác va đập của cuộn dây trong mạch RLC ......... 14
2.3. Cơ cấu rung - va đập mới theo phương ngang ............................... 15
2.3.1 Nguyên lý làm việc của shaker MS20 .................................... 16
2.3.2 Thiết kế và chế tạo hệ thống thí nghiệm .................................. 19

2.4 Kết luận chương ............................................................................... 30
Chương 3 .................................................................................................... 32
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA RUNG ĐỘNG ĐẾN MA SÁT TRƯỢT32
3.1. Giới thiệu......................................................................................... 32
3.2. Mô tả thí nghiệm ............................................................................. 32
3.3. Ảnh hưởng của vận tốc đến ma sát khi không rung động. ............. 34
3.4. Ảnh hưởng khi rung dọc đến ma sát ............................................... 36
3.5. Ảnh hưởng khi rung đứng đến ma sát ............................................. 39
3.6. Ảnh hưởng khi rung ngang đến ma sát ........................................... 41
3.8. Kết luận .......................................................................................... 43
Chương 4 .................................................................................................... 45
KHAI THÁC RUNG ĐỘNG – VA ĐẬP CHO MÁY ĐÀO NGẦM NGANG
.................................................................................................................... 45
4.1 Giới thiệu.......................................................................................... 45
4.2. Lắp đặt và vận hành thí nghiệm ...................................................... 46
4.3. Khảo sát hoạt động của cơ cấu ........................................................ 48
4.4. Ảnh hưởng của tần số lực cưỡng bức ............................................. 51
4.4.1. Ảnh hưởng của tần số ở mức 1.71 A ....................................... 52


vii

4.5. Ảnh hưởng của khối lượng rung động ............................................ 55
4.6. Lựa chọn thông số vận hành ........................................................... 62
4.6.1. Chỉ tiêu tốc độ dịch chuyển...................................................... 62
4.6.2. Chỉ tiêu hiệu quả va đập ........................................................... 70
4.7. Kết luận ........................................................................................... 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................... 78
5.1 Kết luận ............................................................................................ 78
5.2. Kiến nghị ......................................................................................... 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 80


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nguyên lý đào ngầm ngang ......................................................... 3

Hình 2.1. Cơ cấu rung Tsaplin [4] ............................................................... 9
Hình 2.2. Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm ............................ 9
Hình 2.3. Cơ cấu rung va đập được dùng trong máy đóng cọc đứng ....... 10
Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm của Lok [12]. ................................................. 11
Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca [13] .......... 12
Hình 2.6. Mô hình cơ cấu rung va đập sử dụng lõi sắt trong mạch RLC .. 13
Hình 2.7. Cơ cấu rung-va đập sử dụng cuộn dây trong mạch RLC ........... 14
Hình 2.8. Mô hình loa điện động ............................................................... 16
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý thiết bị Shaker MS20 ...................................... 17
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu rung theo phương ngang ................... 18
Hình 2.11. Sơ đồ đánh giá rung động theo các phương khác nhau ........... 19
Hình 2.12. Sơ đồ khai thác rung động va đập ............................................ 20
Hình 2.13. Máy phát hàm Protek GD- 005N ............................................. 21
Hình 2.14. Mạch khuếch đại ...................................................................... 22
Hình 2.15. Thiết bị cấp nguồn Power supply RPS 305 DU....................... 22
Hình 2.16. Thiết bị sau khi được đấu nối ................................................... 23
Hình 2.17. Xe mang shaker MS 20 trong hệ thống thí nghiệm ................. 24
Hình 2.18. Bánh xe trong hệ thống thí nghiệm .......................................... 24
Hình 2.19. Kích thước thiết bị MS20 ........................................................ 25


ix

Hình 2.20. Hệ thống đường ray trong thí nghiệm ...................................... 26
Hình 2.21. Sống trượt dẫn hướng được lắp trên hệ thống ray .................. 26
Hình 2.22. Hệ thống rãnh trượt dẫn hướng ................................................ 27
Hình 2.23. Thiết bị đo chuyển vị LVDT .................................................... 28
Hình 2.24. Bộ tiếp nhận dữ liệuDAQ USB-6008 ...................................... 28
Hình 2.25. Thiết bị đo lực loadcell ............................................................ 29
Hình 2.26. Thực nghiệm xác định quan hệ lực- điện áp của loadcell........ 29
Hình 2.27. Quan hệ giữa giá trị Lực và điện áp từ loadcell đã qua khuếch đại
.................................................................................................................... 30

Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của ma sát ...... 33
Hình 3.2. Ảnh chụp hệ thống thí nghiệm thực ........................................... 33
Hình 3.3. Quan hệ giữa vận tốc trượt và hệ số ma sát ............................... 35
Hình 3.4. Lực ma sát khi cơ cấu không rung động .................................... 37
Hình 3.5. Giá trị lực ma sát ở chế độ không rung sau khi thống kê mô tả 37
Hình 3.6. Ảnh chụp kết quả thống kê mô tả khi rung dọc ......................... 38
Hình 3.7. Ảnh hưởng của rung dọc đến ma sát .......................................... 39
Hình 3.8. Ảnh chụp kết quả thống kê mô ta khi rung đứng ....................... 40
Hình 3.9. Ảnh hưởng của rung đứng đến ma sát ....................................... 41
Hình 3.10. Ảnh chụp thống kê mô tả khi rung ngang ................................ 42
Hình 3.11. Ảnh hưởng của rung ngang đến ma sát .................................... 42


x

Hình 4.1. Hệ thống thí nghiệm khai thác rung động cho máy đào ngầm ngang
.................................................................................................................... 46
Hình 4. 2. Khảo sát lượng dịch chuyển của cơ cấu.................................... 48
Hình 4.3. Khảo sát lượng chuyển dịch của cơ cấu..................................... 49

Hình 4.4. Khảo sát lượng dịch chuyển khi khối lượng thay đổi ................ 50
Hình 4.5. Đồ thị ảnh hưởng chính của khối lượng và tần số ..................... 51
Hình 4.6. Lượng dịch chuyển khi tần số thay đổi ...................................... 52
Hình 4.7. Ảnh hưởng của tần số tới lượng dịch chuyển (cường độ 1.71 A)53
Hình 4.8. Ảnh hưởng của tần số tới lượng dịch chuyển (cường độ 1.18 A)54
Hình 4.9. Lượng dịch chuyển khi khối lượng rung động thay đổi ............ 55
Hình 4.10. Ảnh hưởng của khối lượng rung động tới lượng dịch chuyển . 56
Hình 4.11. Lượng dịch chuyển của bàn trượt sau 5 giây tại cường độ 1.71 A
.................................................................................................................... 57
Hình 4.12. Lượng dịch chuyển của bàn trượt tại cường độ 1.18 A ........... 59
Hình 4.13. Đồ thị lượng dịch chuyển phụ thuộc tần số và khối lượng (cường độ
1.71A) ......................................................................................................... 60
Hình 4.14. Đồ thị lượng dịch chuyển phụ thuộc tần số và khối lượng (cường độ
1.18A) ......................................................................................................... 61
Hình 4.15. Sai khác thời điểm va đập ∆t.................................................... 63
Hình 4. 16. Sai khác thời điểm va đập ∆t................................................... 64
Hình 4.17. Sai khác thời điểm va đập ∆t.................................................... 64
Hình 4.18. Sai khác thời gian ở tần số 7 Hz (a) và tần số 9 Hz (b) ........... 65
Hình 4. 19. Lượng dịch chuyển của bàn trượt khi va đập ......................... 71


xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3 1. Giá trị vận tốc trượt và ma sát ........................................................ 34
Bảng 3.2. Giá trị lực ma sát trung bình khi rung dọc...................................... 38
Bảng 3.3. Giá trị lực ma sát trung bình khi rung đứng ................................... 40
Bảng 3. 4. Giá trị lực ma sát trung bình khi rung ngang................................. 42

Bảng 4.1. Lượng dịch chuyển của bàn trượt sau 5 giây khi cường độ dòng điện

là 1.71 A. ......................................................................................................... 53
Bảng 4.2. Lượng dịch chuyển của bàn trượt sau 5 giây khi cường độ dòng điện
là 1.18 A. ......................................................................................................... 54
Bảng 4.3. Lượng dịch chuyển của bàn trượt sau 5s khi cường độ dòng điện 1.71
A ...................................................................................................................... 56
Bảng 4.4. Lượng dịch chuyển của bàn trượt sau 5s khi cường độdòng điện là
1.71 A. ............................................................................................................. 57
Bảng 4.5. Lượng dịch chuyển của bàn trượt sau 5s khi cường độ dòng điện là
1.18 A. ............................................................................................................. 58
Bảng 4.6 Sai khác thời gian khi cường độ dòng điện 1.18 A; khối lượng rung
2.5 kg. .............................................................................................................. 66
Bảng 4. 7 Sai khác thời gian, hệ số thời gian và lượng dịch chuyển sau 5 giây
(cường độ 1.18 A) ........................................................................................... 67
Bảng 4.8. Sai khác thời gian, hệ số thời gian và lượng dịch chuyển sau 5 giây
(cường độ 1.71 A) ........................................................................................... 68


xii

Bảng 4.9. Lượng dịch chuyển sau một lần va đập tại cường độ 1.18 A, khối
lượng rung động là 2.5 kg. .............................................................................. 71
Bảng 4.10. Sai khác thời gian, hệ số thời gian và lượng dịch chuyển sau 5 giây
(cường độ 1.18 A) ........................................................................................... 72
Bảng 4.11. Lượng dịch chuyển 1 lần va đập, hệ số thời gian va đập và lượng
dịch chuyển sau 5 giây (cường độ 1.71A) ...................................................... 73
Bảng 4.12. Giá trị tần số tự nhiên tương ứng của cơ hệ ................................. 76


1

Chương 1
GIỚI THIỆU

Nội dung chương này giới thiệu các cơ sở lý luận của đề tài. Phần thứ
nhất, phần 1.1, sẽ giới thiệu tóm tắt nghiên cứu tổng quan về các kết quả nghiên
cứu liên quan ở trong và ngoài nước, từ đó thấy được tính cấp thiết của đề tài.
Phần 1.2 trình bày mục tiêu; cách tiếp cận; phương pháp nghiên cứu, phạm vi
nghiên cứu được đặt ra cho đề tài. Cuối cùng, cấu trúc nội dung của báo cáo sẽ
được trình bày trong phần 1.3.
1.1. Tổng quan
Ứng dụng của rung động kết hợp với va đập trong các máy xây dựng đã
được biết đến ở Liên Xô (cũ) từ những năm 1940. Cơ cấu rung-va đập đầu tiên,
còn được biết đến với tên gọi “búa rung-va đập”, được Tsaplin giới thiệu năm
1949 [1]. Các nghiên cứu đã cho thấy việc sử dụng va đập kết hợp với rung
động đã làm tăng hiệu năng của cơ cấu “xét về cả khả năng xuyên sâu xuống
đất lẫn tốc độ xuyên” [2].
Năm 1955, Lukomskii đã khảo sát ảnh hưởng của các thông số độ cứng lò
xo và khoảng cách búa-điểm tiếp nhận va đập, từ đó có những đóng góp quan
trọng cho việc thiết kế các cơ cấu rung-va đập sau đó [2]. Ảnh hưởng tích cực
của rung động đến việc làm giảm sức cản tiếp tuyến cũng như hệ số ma sát của
đất cát đối với các đối tượng chuyển động đã được nghiên cứu bởi Barkan [3].
Các kết quả nghiên cứu này sau đó đã được khẳng định bằng các nghiên cứu
thực nghiệm của Rodger and Littlejohn [4], không những cho các vật liệu đất
cát mà còn cho những vật liệu kém dính kết khác. Các thành tựu nghiên cứu đã
được ứng dụng trong các máy đóng cọc, tấm, máy đầm rung và nhiều thiết bị
xây dựng khác.


2

Trong một xu hướng tương tự, kỹ thuật tạo các đường ống nhỏ, xuyên
ngầm dưới lòng đất nhưng theo phương ngang đã được phát triển rất mạnh mẽ
ở các nước công nghiệp phát triển. Các máy tạo các đường này được gọi là
Impact Moling. Thuật ngữ Moling cũng được dùng để chỉ kỹ thuật tạo các
đường ngầm nằm ngang nhưng sử dụng phương pháp KHÔNG đào-lấp
(Trenchless). Kỹ thuật này, như được định nghĩa trong [5], “là một phương
pháp không đào-lấp dùng để lắp đặt các đường ống dẫn cáp tín hiệu, ống dẫn
nước và các dạng ống khác có kích thước nhỏ. Kỹ thuật này sử dụng các dụng
cụ va đập được sử dụng để nén đất tạo thành đường ống chứ không di chuyển
đất ra ngoài”. Các máy móc loại này, cũng theo [5], có thể tạo các lỗ và đặt
đường ống ngầm có kích thước thông thường từ 12 đến 100 mm, tối đa đến 250
mm.
So với phương pháp đào-lấp truyền thống, kỹ thuật Moling có ưu điểm nổi
trội là không phá hủy các công trình đã có trên mặt đất. Thêm nữa, nó tiết kiệm
đáng kể công sức và giá thành. Trong nhiều dự án, thời gian tiết kiệm được so
với các đào-lấp truyền thống có thể là nhiều giờ, thậm chí nhiều ngày [5].
Cho đến nay, các máy đào ngầm Moling thương mại vẫn chỉ có thể khai
thác tính năng va đập thuần túy, bằng cách sử dụng các đầu búa dạng piston khí
nén. Nguyên lý làm việc của một máy đào ngầm ngang được trình bày trên hình
1.1.


3

Hình 1.1. Nguyên lý đào ngầm ngang

Trên hình 1.1, máy đào ngầm sử dụng nguyên lý nén đất để tạo đường ống
ngầm. Nguyên lý này đã được chứng thực là thích hợp với các dạng đất có thể
nén được như đất sét, đất phù sa, than bùn… Tuy nhiên, với các dạng đất khó
dính kết như cát chẳng hạn, vấn đề khó khăn nảy sinh là rất khó giữ được hướng

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 đường ngầm được tạo thành [3].
Tuy nhiên, cho đến nay, ý tưởng tích hợp rung vào các máy Moling vẫn
mới chỉ được thử nghiệm trong các nghiên cứu và thí nghiệm. Hầu hết các
nghiên cứu đều sử dụng mô hình bánh lệch tâm của Tsaplin. Cơ cấu lệch tâm
có nhược điểm lớn là cồng kềnh, rất khó áp dụng vào các máy Moling. Dù vậy,
các nhà nghiên cứu vẫn sử dụng cơ cấu này trong các nghiên cứu thực nghiệm
của họ do chưa tìm được cơ cấu phù hợp. Chẳng hạn, các nghiên cứu lý thuyết
và mô phỏng của Pavlovskaia và Wiercigroch [6,7], Woo [8-9] đều sử dụng mô
hình này để kiểm chứng. Với ý đồ giảm thiểu kích thước và khai thác rung - va
đập theo phương ngang, cơ cấu cam đã được sử dụng để tạo ra va chạm với
nghĩa là rung động. Mô hình này đã được Lok [10] giải quyết tường minh bằng
toán học. Dù vậy, cơ cấu này với nhược điểm ma sát lớn, làm phát sinh nhiệt
cao và nhanh mòn đã cản trở việc phát triển và ứng dụng trong thực tiễn.


4

Trong một nghiên cứu khác, 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
thước máy khá lớn để có thể sinh được lực va đập đủ lớn. Các ví dụ ứng dụng
của nguyên lý dùng nam châm điện như chuông điện, bơm phun... có thể minh
hoạ rằng cơ cấu dạng này chỉ phù hợp cho ứng dụng cần biên độ rung cũng như
lực va đập nhỏ.
Trong nỗ lực tìm kiếm mô hình cơ cấu rung nhỏ gọn, khả dĩ đưa vào máy
đào ngầm Moling, đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm tìm ra khả năng
hoạt động tối ưu nhất cho cơ cấu. Năm 2007, tác giả Nguyễn Văn Dự đã nghiên
cứu và chế tạo thành công cơ cấu khai thác va đập của lõi sắt trong mạch RLC

[12-14], đặt nền móng cho các nghiên cứu về rung động sau này của tác giả.
Năm 2009, một cơ cấu rung động va đập mới dựa trên nguyên tắc cơ cấu RLC
do Nguyễn Văn Dự nghiên cứu nhưng khai thác chuyển động của ống dây thay
vì chuyển động của lõi sắt đã được đề xuất[15]. Các đặc tính động lực học cơ
bản của cơ cấu rung - va đập khai thác chuyển động tuần hoàn của ống dây
trong mạch RLC đã được phân tích và kiểm chứng bằng thực nghiệm. Tuy
nhiên, cơ cấu rung va đập dựa trên mạch cộng hưởng RLC vẫn tồn tại nhược
điểm là không điều chỉnh được biên độ và tần số rung động. Đây là hai thông
số rất quan trọng trong các bài toán rung động và va đập.
Gần đây, cơ cấu rung va đập được nhiều nha nghiên cứu quan tâm, ứng
dụng trên các hệ thống tự hành không bánh xe [16-18]. Ưu điểm của cơ cấu
này là nhỏ gọn, có thể cung cấp chuyển động cho hệ thống trong các môi trường
có lực cản khác nhau mà không cần lực tác động từ bên ngoài. Trong các nghiên
cứu này, một số thông số làm việc quan trọng như độ cứng lò xo, tần số và biên
độ, cường độ lực cưỡng bức rung động, hình dạng vỏ máy đã được đánh giá là
có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ dịch chuyển và được tối ưu hóa theo chỉ tiêu


5

này. Tuy nhiên, trong một hệ rung động, khối lượng rung có liên quan mật thiết
với tần số lực cưỡng bức. Ảnh hưởng đồng thời của hai thông số này chưa được
tìm thấy trong các công bố khoa học gần đây.
Đề tài này được thực hiện nhằm đề xuất, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm
nâng cao hiệu quả làm việc của cơ cấu rung - va đập, góp phần nâng cao khả
năng ứng dụng trong các hệ thống tương tự. Ảnh hưởng của rung động theo
các phương đến lực ma sát theo các phương sẽ được đánh giá. Các thí nghiệm
được tiến hành nhằm xác định cách thức điều khiển tần số rung động phù hợp
với khối lượng dao động nhằm thu được tốc độ dịch chuyển hoặc lực va đập
lớn nhất.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này nhằm đạt được các mục tiêu cụ thể sau đây:
 Đề xuất được mô hình đánh giá hiệu ứng giảm ma sát và cơ cấu rung va
đập có thể điều chỉnh biên độ và tần số rung động;
 Thiết kế chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm nhằm đánh giá
hiệu ứng giảm ma sát mô phỏng nguyên lý máy đào ngầm ngang, có thể
điều chỉnh được các thông số vào, thu thập được dữ liệu đầu ra;
 Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số chính đến tốc độ dịch chuyển
của cơ cấu;
 Lựa chọn được vùng làm việc hợp lý nhất cho cơ cấu trong điều kiện
tương tự các máy đào ngầm ngang ( Moling Machine).
1.3. Nội dung nghiên cứu
 Tìm hiểu nguyên lý làm việc của các cơ cấu rung và va đập theo phương
ngang đã có;
 Đề xuất và thử nghiệm cơ cấu rung va đập mới đáp ứng hai chỉ tiêu: kích
thước nhỏ gọn và có thể điều chỉnh được biên độ, tần số;


6

 Chế tạo mô hình thí nghiệm mới cho cơ cấu;
 Kết nối các dụng cụ đo để thử nghiện và thu thập dữ liệu về các thông số
vào-ra của mô hình thí nghiệm;
 Thực nghiệm nhằm xác định ảnh hưởng của rung động đến ma sát, xác
định các thông số ảnh hưởng chính đến tốc độ dịch chuyển của cơ cấu;
 Thiết kế và triển khai thí nghiệm nhằm đánh giá khả năng làm việc của
cơ cấu rung-va đập mới theo chỉ tiêu lượng dịch chuyển;
 Thực nghiệm lựa chọn các thông số làm việc hợp lý nhất;
 Đánh giá hiệu quả và khả năng phát triển, ứng dụng mô hình.
1.4. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
 Nghiên cứu thiết kế: Dựa trên nguyên tắc hoạt động của các cơ cấu tạo
rung động;
 Nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát, phân tích và đánh giá trên mô hình

thí nghiệm thực;
1.5. Cấu trúc luận văn
Nội dung báo cáo đề tài được chia thành 4 chương với các nội dung chính
như sau.
Chương 1, trình bày một cách tóm tắt nghiên cứu tổng quan nhằm nêu
bật nhu cầu, tính cấp thiết của đề tài; các cơ sở phương pháp luận như mục tiêu,
cách tiếp cận, phạm vi nghiên cứu và các kết quả chính.
Trong chương 2 đã trình bày nguyên tắc và kết quả triển khai việc thiết
kế, chế tạo cơ cấu rung va đập mới. Hệ thống thí nghiệm sử dụng cơ cấu mới


7

đã được vận hành thử nghiệm, có khả năng đánh giá được hiệu ứng giảm ma
sát khi rung động, thay đổi và xác lập các thông số đầu vào.
Chương 3, trình bày cách đánh giá hiệu ứng giảm ma sát khi rung động,
đánh giá ảnh hưởng của phương rung: rung dọc, rung đứng, rung ngang tới hiệu
ứng giảm ma sát của cơ cấu.
Chương 4, trình bày quá trình và kết quả thuđược trong khai thác rung
động – va đập cho máy đào ngầm ngang nhằm xác định thông số vận hành theo
hai chỉ tiêu là tốc độ dịch chuyển nhanh nhất và lực va đập lớn nhất


8

Chương 2
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
2.1. Giới thiệu
Chương này trình bày cơ sở thiết kế các cơ cấu rung, va đập, các bước
tiến hành thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm rung va đập mới theo phương
ngang. Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm để khảo sát các đặc tính của hệ thống sẽ
được mô tả cụ thể. Các thiết bị đo và cách thức tiến hành thí nghiệm khảo sát
động lực học và lợi ích của cơ cấu mới cũng được trình bày chi tiết.
Trong phần 2.2, các cơ cấu rung-va đập đã có sẽ được phân tích, từ đó
rút ra nguyên tắc hoạt động chung của chúng. Trên cơ sở đó, đề xuất các mô
hình thí nghiệm rung va đập mới theo phương ngang. Phần 2.3, sẽ giới thiệu
cấu tạo, nguyên lý làm việc và tóm tắt các thông số chế tạo cơ bản của các mô
hình thí nghiệm rung va đập mới theo phương ngang. Phần kết luận chương sẽ
được trình bày trong phần 2.4.
2.2. Các cơ cấu rung - va đập thông dụng
Phần này sẽ giới thiệu tóm tắt cấu tạo, nguyên lý làm việc của các cơ cấu
tạo rung va đập thông dụng và các mô hình nghiên cứu thực nghiệm đã có.
2.2.1. Cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm
Cơ cấu được Tsaplin đề xuất năm 1949 [1], mô hình bánh quay lệch tâm
được thể hiện trên hình 2.1


9

Hình 2.1. Cơ cấu rung Tsaplin [4]

Nguyên lý làm việc của cơ cấu rung va đập sử dụng bánh lệch tâm được
mô tả trên hình 2.2. Cơ cấu tích hợp cả rung động và va đập để nâng cao hiệu
quả hoạt động. Rung động được tạo ra do lực lệch tâm phát sinh khi các bánh
lệch tâm quay. Cả cơ cấu dao động theo phương thẳng đứng nhờ các thanh dẫn

hướng. Hệ lò xo hỗ trợ cơ cấu nhằm đạt đến trạng thái cộng hưởng cơ. Lúc này,
biên độ dao động lớn của cơ cấu vượt quá khe hở giữa khung cơ cấu và điểm
chặn, lực va đập sẽ được sinh ra.

Hình 2.2. Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm


10

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

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 thước rất lớn để có được
lực tuần hoàn đủ lớn. Khả năng tích hợp cơ cấu này vào các máy đào ngang
(theo phương ngang không có tác dụng gây chuyển động của trọng lực) là
không khả thi. Do vậy cho đến nay, các máy đào ngang thương 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.
2.2.2 Cơ cấu rung động theo phương ngang sử dụng cơ cấu cam
Với ý đồ giảm thiểu kích thước và khai thác rung - va đập theo phương
ngang, cơ cấu cam đã được sử dụng để tạo ra va chạm và rung động tích hợp.
Mô hình này (xem hình 2.4) đã được Lok [10] nghiên cứu chi tiết về thiết kế,
chế tạo và phân tích động lực học. Dù vậy, cơ cấu này với nhược điểm ma sát


11

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].

2.2.3 Cơ cấu rung động va đập theo phương ngang sử dụng bộ tạo rung
shaker
Cơ cấu được Franca và Weber [11] 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
thước máy khá lớn để có thể sinh được lực va đập đủ lớn. Bộ tạo rung này
(Thường gọi là các shaker) rất đắt tiền, có kích thước ngang khoảng trên 400
milimet, thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm.


12

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

2.2.4. Cơ cấu khai thác va đập của lõi sắt trong mạch RLC
Cơ cấu được Nguyễn Văn Dự đề xuất năm 2007 [12], đây là một cơ cấu
rung va đập có kích thước khá nhỏ gọn, dựa trên nguyên lý mạch cộng hưởng
điện RLC. Trong cơ cấu này (xem hình 2.6), cuộn cảm có kích thước đường
kính ngoài 94 milimet được mắc nối tiếp với một tụ điện, được cấp điện xoay
chiều có điện áp dưới 100 vôn. Bằng cách lựa chọn các giá trị thích hợp của giá
trị điện dung, điện cảm và điện áp được cấp, cộng hưởng điện trong ống dây
gây chuyển động tuần hoàn liên tục của lõi sắt chạy trong lòng ống dây.

13

Hình 2.6. Mô hình cơ cấu rung va đập sử dụng lõi sắt trong mạch RLC [12]

Trên hình 2.6, một chốt chặn được đặt chắn ngang trên đường chuyển
động của lõi sắt. Cả cuộn cảm và chốt đều được gắn cố định trên một tấm trượt.
Tấm trượt này có thể trượt trên bàn trượt có rãnh dẫn hướng. Ma sát giữa tấm
trượt và bàn trượt này có thể điều chỉnh được để phục vụ cho các khảo sát số
liệu. Kết quả rung động - va đập mang lại chuyển động của tấm trượt có ma sát
với rãnh dẫn hướng được tăng cường, được coi như chuyển động tương tự của
máy đào ngầm có lực cản của đất.
Với cơ cấu rung-va đập sử dụng lõi sắt trong mạch RLC mà tác giả
Nguyễn Văn Dự đã trình bày, các nghiên cứu đã khẳng định được tính tích cực
và ưu điểm vượt trội của nó [3].Tuy nhiên, công suất sinh ra của cơ cấu này
còn nhỏ, chưa đủ lớn để thắng được lực cản của đất và công suất cần thiết để
nén đất trong quá trình thâm nhập vào đất nên cơ cấu vẫn ở dạng mô hình
thí nghiệm chưa ứng dụng được vào thực tiễn.