động lực học cơ cấu rung rlc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

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

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2

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
trƣờng 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 Lƣơng - 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
trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và trƣờng Đại học Sƣ
Phạm Kỹ thuật Vinh đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi.



Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3

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 trƣớc
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 thƣớc 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 cƣờng
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.


Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5
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. Phƣơng 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 đƣợc ........................................................ 76
5.2. Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo .................................................... 77
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 78
Phụ lục: CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC ................................................... 81

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6

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

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

7

Danh mục các hình ảnh


Hình Nội dung Trang
Hình 2.1. Cơ cấu rung Tsaplin................................................................................................................. 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. .......................................................................................
(a) Mô hình cho bánh lệch tâm/cam của Pavlovskaia
(b) Mô hình cho nam châm điện của Franca
25


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 phƣơng 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 đƣờng ray trong thí nghiệm. ................................................................ 42
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
1: Cuộn cảm
2: Định vị trục
3: Ổ bi
4: Bánh xe
5: Trục
6: Thân xe
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)Phƣơng 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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9

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











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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10


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. 47
Bảng 4.1 Lƣợng dịch chuyển sau thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-09
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 trƣợt
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









Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11

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 thƣờng 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 cƣơng, 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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12
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 hƣớng 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 trƣớc,
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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
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.
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14
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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
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.
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16
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.

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17

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)
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18

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.

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19

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

, 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:
 


 tmeF
c
cos
2
` (2.1)
Từ đây, có thể tính thành phần của lực này chiếu lên phƣơng thẳng
đứng theo công thức sau:
   
BtAMgtmeF
V


coscos
2
(2.2)
Trong đó: M là khối lƣợng của cả cơ cấu.
g là gia tốc trọng trƣờng.
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.
Điểm
va đập
Giá đỡ
Lò xo
Cọc cần đóng
Bánh
lệch
tâm
Động cơ
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20
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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21
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].
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 (Thƣờng gọi là các shaker) rất đắt tiền, có kích thƣớc ngang khoảng
trên 400 milimet, thƣờng đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm.
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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22

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 hƣởng 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.
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
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23


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.

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]
Vị trí lõi sắt (m)
Lực
điện
từ
(N)
(a)
(b)
Chốt chặn
L
C
R
V
S
Lõi sắt
Cuộn cảm
Tấm trượt
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
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 đƣợc
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 cƣờng,
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.