Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ kh Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Mùi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƯU KẾT CẤU ĐIỀU HƯỚNG TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Mùi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƯU KẾT CẤU ĐIỀU HƯỚNG TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG Ngành : Kỹ thuật khí Mã số : 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS LÊ GIANG NAM TS BÙI QUÍ LỰC Hà Nội – 2019 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh cố gắng thân, Tôi nhận đƣợc động viên giúp đỡ nhiều Thầy Cô giáo, nhà Khoa học, đồng nghiệp bạn bè Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Giang Nam TS Bùi Quí Lực, Bộ môn Máy Ma sát, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng, đào tạo giúp đỡ suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo Bộ môn Máy Ma sát học Trƣờng ĐHBKHN giảng dạy, bảo tạo điều kiện giúp đỡ tơi thời gian làm nghiên cứu hồn thành luận án Xin cảm ơn đồng nghiệp Khoa Cơ khí, lãnh đạo trƣờng Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ thời gian ủng hộ để tơi hồn thành luận án Xin cảm ơn nhà Khoa học, bạn Viện Ứng dụng Công nghệ, Bộ Khoa học Cơng nghệ, Viện Nghiên cứu Cơ Khí, Bộ Cơng thƣơng… giúp đỡ tơi hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ kính trọng, biết ơn lịng u thƣơng tới đại gia đình, bạn bè thực động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Mùi i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Cơng trình đƣợc thực Bộ mơn Máy Ma sát học - Viện Cơ khí, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Lê Giang Nam TS Bùi Quí Lực Các số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2019 THAY MẶT TẬP THỂ HƢỚNG DẪN Ngƣời cam đoan PGS.TS Lê Giang Nam Nguyễn Văn Mùi ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xi PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Đối tƣợng nghiên cứu 3 Phạm vi nghiên cứu 4 Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Những điểm đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 1.1 Thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động 1.1.1 Thiết bị cấp phôi dạng phễu rung có đƣờng xoắn vít 1.1.2 Thiết bị cấp phôi theo phƣơng thẳng 1.2 Xu hƣớng nghiên cứu giới 10 1.3 Phƣơng pháp thực 10 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 11 1.4.1.Tình hình nghiên cứu nƣớc 11 1.4.1.1 Ảnh hƣởng biên độ rung đến tốc độ di chuyển phôi 11 1.4.1.2 Ảnh hƣởng biên độ rung đến định hƣớng phôi 14 iii 1.4.1.3 Ảnh hƣởng thông số động lực học khác 17 1.4.1.4 Các nghiên cứu khác 20 1.4.2.Tình hình nghiên cứu nƣớc 25 Kết luận chƣơng 28 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 29 2.1 Cơ sở lý thuyết cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động 29 2.1.1 Phân tích lực tác dụng lên phôi 29 2.2.2 Các thông số ảnh hƣởng đến q q trình di chuyển phơi 31 2.2.2.1 Ảnh hƣởng thơng số kết cấu (góc nghiêng rãnh xoắn θ) [4] 31 2.2.2.2 Ảnh hƣởng thông số động lực học 32 2.2 Định hƣớng phân loại phôi 35 2.2.1 Phân loại phôi 35 2.2.2 Phơi có bề mặt mặt trịn xoay ngồi 35 2.2.3 Phơi có bề mặt mặt phẳng 37 2.2.4 Phơi có hình dạng phức tạp, tập hợp bề mặt trịn xoay trong, ngồi, mặt phẳng bề mặt định hình 37 2.3 Phân loại thiết bị cấp phôi dạng phễu rung 39 2.4 Tính tốn thiết kế thiết bị cấp phôi dạng phễu rung 41 2.4.1 Tính tốn thiết kế thơng số thiết bị 41 2.4.1.1 Phân tích sản phẩm 41 2.4.1.2 Chọn vật liệu làm phễu 41 2.4.1.3 Cân suất cấu cấp phôi rung động 42 2.4.1.4 Xác định thông số hình học phễu rung 42 2.4.1.5 Xác định kích thƣớc đế máy rung 44 2.4.1.6 Xác định thơng số cho nhíp đàn hồi 46 2.4.1.7 Xác định biên độ rung động 47 2.4.1.8 Tính nam châm điện 49 2.4.1.9 Xác định kích thƣớc giảm chấn cao su [3] 51 iv 2.4.2 Thiết kế cấu hình kênh phân loại 53 2.4.2.1.Phân tích đối tƣợng yêu cầu định hƣớng 53 2.4.2.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống kênh phân loại 54 Kết luận chƣơng 56 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA, KIỂM TRA VÀ XÁC NHẬN MÔ PHỎNG SỐ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 58 3.1 Mơ hình hóa thiết bị cấp phôi dạng phễu rung 58 3.1.1 Cơng cụ thực mơ hình hóa 58 3.1.2 Mô hình hóa phễu rung 59 3.1.2.1 Thông số thiết kế phễu rung theo tính tốn (bảng 2.4) 59 3.1.2.2 Quy trình thực 60 3.1.2.3 Kết 60 3.1.3 Mơ hình hóa chi tiết nguồn rung 61 3.1.3.1 Quy trình thực 61 3.1.3.2 Công cụ thiết kế kết mơ hình hóa 61 3.1.4 Lắp ráp hệ thống 62 3.1.4.1 Quy trình lắp ráp 62 3.1.4.2 Tiến hành lắp ráp 63 3.1.4.3 Kết lắp ráp 64 3.2 Tự động hóa thiết kế tham số sử dụng catia 64 3.2.1 Xây dựng liên kết tham số hàm số 64 3.2.1.1 Tham số cho phễu chứa 64 3.2.1.2 Tham số cho đế đỡ phễu chứa 65 3.2.1.3 Tham số cho đế nhíp đàn hồi 65 3.2.1.4 Tham số cho nhíp đàn hồi 65 3.2.1.5 Tham số cho đế máy rung 65 3.2.2 Thiết kế theo tham số phần mềm Catia 66 3.2.2.1 Sơ đồ q trình tự động hóa thiết kế tham số 66 3.2.2.2 Quá trình thực tham số hóa Catia 66 v 3.3 Kiểm tra xác nhận mơ hình số 68 3.3.1 Xác định tần số dao động riêng 68 3.3.1.1 Công cụ mô số 68 3.3.1.2 Quy trình mơ 69 3.3.1.3 Kết mô 73 3.3.2 Xác định hệ số ma sát phôi phễu 75 3.3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm đo: Máy pháp VF 75 3.3.2.2 Phƣơng pháp đo lực ma sát máy VF 75 3.3.2.3 Các số liệu máy VF 76 3.3.2.4 Thông số máy đo hệ số ma sát VF 76 3.3.2.5 Trình tự thí nghiệm: 76 3.3.3 Xác định tần số dao động hệ thống 77 3.3.3.1 Thiết bị Detector III FAG 77 3.3.3.2 Thiết bị đo Nacentech 79 3.3.4 Xác định biên độ dao động xây dựng hàm động học tƣơng đƣơng hệ thống… 80 3.3.4.1 Sơ đồ thiết bị đo 81 3.3.4.2 Kết xử lý số liệu 82 3.3.4.3 Xây dựng hàm động học tƣơng đƣơng cho chuyển động phễu 82 3.4 Mô số thiết bị 84 3.4.1 Công cụ mô [42] 84 3.4.2 Quy trình mơ MSC ADAMS 85 3.4.2.1 Xác định nguyên lý làm việc q trình mơ 85 3.4.2.2 Các thông số thực mô 86 3.4.2.3 Kết mô MSC ADAMS 87 Kết luận chƣơng 88 CHƢƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƢU KẾT CẤU ĐIỀU HƢỚNG TRONG PHỄU CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 89 vi 4.1 Đánh giá ảnh hƣởng góc nghiêng rãnh xoắn đến suất cấp phơi 89 4.1.1 Trình tự thực 89 4.1.2 Xử lý số liệu kết 89 4.2 Đánh giá ảnh hƣởng điện áp đến suất cấp phôi 93 4.2.1 Quy trình thực 93 4.2.2 Xử lý số liệu kết 94 4.3 Tối ƣu hóa điện áp góc nghiêng rãnh xoắn đến suất cấp phơi 95 4.3.1 Quy trình tối ƣu 96 4.3.2 Các đại lƣợng đầu vào 96 4.3.3 Các đại lƣợng đầu 96 4.3.4 Các đại lƣợng cố định 96 4.3.5 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm 97 4.3.5.1 Quy trình lấy số liệu mơ số 97 4.3.5.2 Số liệu mô số 97 4.3.5.3 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm [39,40,41] 99 4.3.5.4 Tìm hàm hồi quy 101 4.3.5.5 Tối ƣu hóa hàm mục tiêu 102 4.3.6 Thực nghiệm, kiểm tra so sánh với mơ hình số 103 4.4 Tối ƣu hóa kết cấu điều hƣớng phôi đến suất cấp phôi 105 4.4.1 Kết cấu cấu hình hệ thông điều hƣớng 105 4.4.2 Năng suất cấp phôi 106 4.4.3 Các đại lƣợng cố định 107 4.4.4 Mô số kết cấu điều hƣớng 108 Kết luận chƣơng 110 KẾT L UẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 120 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, viết tắt Đơn vị Automatic Dynamic Analysis of Mechanical ADAMS AW b Bowl Ý nghĩa System (mô động lực học đa vật thể) Ansys Workbench mm Chiều rộng lò xo Phễu Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application (xử lý tƣơng tác không gian ba CATIA chiều có trợ giúp máy tính) D mm Đƣờng kính phễu Dd mm Đƣờng kính đế E Pa module đàn hồi f Hz Tần số rung 10 fr Hz Tần số dao động riêng hệ 11 H mm Chiều cao phễu 12 h mm Chiều cao chi tiết 13 NX 14 l mm 15  α Độ Góc nghiêng rãnh xoắn Độ Độ Góc nghiêng lị xo Góc lực qn tính mặt phẳng nghiêng mm Nm Hệ số ma sát phôi rãnh Bƣớc xoắn Mô men xoắn 16 17 18 19 20  μs t T 21 22 Track 23 24  SUS 304 25 Vct Phần mềm NX Chiều dài lò xo Máng dẫn hƣớng Hệ số tần suất  Hệ số hấp thụ Inox 304 cm/s Vận tốc phôi viii Thông số ảnh hưởng Năm STT Tên tài liệu 47 Physically Based Simulation in Parts Feeding 48 Design of a Modular Feeder for Optimal Operating Performance f LT X X X 50 On the conveying velocity of a vibratory feeder 1997 51 DEM simulation of particles damping 2004 TN X X 2005 of restitution on the impact velocity in a 2010 Dynamics of Vibratory Bowl Feeders Modeling the dependence of the coefficient HD phôi 2012 49 52 D μ α VT nam châm Phương pháp thực X X 1999 X X 127 Phễu X X [55] X [56] X [57] X [58] X X X Thẳng Tài liệu MP X X Kiểu cấp X [59] [60] Thông số ảnh hưởng Năm STT Tên tài liệu f D μ α HD phôi a VT nam châm Phương pháp thực Kiểu cấp Tài liệu MP Phễu Thẳng X X X X X X [62] LT TN elasto-plastic collisions 53 A study on a novel vibrating conveyor 2010 X 54 Configuration and Validation of Dynamic Simulation for Design of Vibratory Bowl 2016 X X [61] Feeders 55 Optimisation of Trap Design for Vibratory Bowl Feeders 2018 X X X X [63] 56 Configuration system for simulation based design of vibratory bowl feeders 2016 X X X X [64] 128 Thông số ảnh hưởng Năm STT Tên tài liệu 57 Automatic Selection and Sequencing of Traps for Vibratory Feeders 2017 58 Nonlinear vibrations of dynamical systems with a general form of piecewiselinear viscous damping by incremental harmonic balance method 2002 58 Bifurcation and chaos of a harmonically excited oscillator with both stiffness and viscous damping piecewise linearities by incremental harmonic balance method 2003 X 2005 X 59 Super- and sub-harmonic response calculations for a torsional system with clearance nonlinearity using the harmonic f D μ α HD phôi X X balance method 129 a VT nam châm Phương pháp thực Kiểu cấp MP Phễu X X X X X X X X LT TN X Thẳng Tài liệu [65] X [66] X X [67] X X [68] Phương pháp thực Thông số ảnh hưởng Năm VT nam châm STT Tên tài liệu 60 Bifurcation analysis of aeroelastic systems with hysteresis by incremental harmonic balance method 2012 61 Trap design for vibratory bowl feeders 2011 X X 2006 X X f D μ α HD phôi a LT X TN MP X X Kiểu cấp Phễu Thẳng X Tài liệu [69] X X [70] X X [71] X X [72] X X [73] Blades:A New Class of Geometric 62 63 64 Primitives for Feeding 3D Parts onVibratory Tracks On the Design of Guillotine Traps for Vibratory Bowl Feeder Automated generation of orienting devices for vibratory bowl feeders 2005 X 2017 X X 130 X Thông số ảnh hưởng Năm STT Tên tài liệu 65 Automated supply of micro parts based on the micro slide conveyi ng principle f 2011 D μ α X X 131 HD phôi a VT nam châm Phương pháp thực LT TN MP X X Kiểu cấp Phễu Thẳng X Tài liệu [74] Phụ lục 2: Thông số kiểm định thiết bị đo 132 Phụ lục 3: Giấy chứng nhận kết đo 133 Phụ lục 4: Một số hình ảnh trình thí nghiệm Hình phụ lục 4.1 Đo dao động theo phương thẳng đứng thiết bị Detector III FAG Hình phụ lục 4.2 Đo dao động theo phương thẳng đứng thiết bị Detector III FAG 134 Hình phụ lục 4.3 Điều chỉnh điện áp trình đo Hình phụ lục 4.4 Hiển thị xử lý số liệu 135 Hình phụ lục 4.5 Thiết bị đo Nacentech Hình phụ lục 4.6 Hiển thị xử lý số liệu 136 Hình phụ lục 4.7 Xác định tần số dao động riêng thiết bị đo VIBROPOST 80 Hình phụ lục 4.8 Hiển thị xử lý số liệu 137 Hình phụ lục 4.9 Đo biên độ dao động theo phương thẳng đứng dùng mơ hình thay Hình phụ lục 4.10 Đo biên độ dao động theo phương ngang dùng mơ hình thay 138 Hình phụ lục 4.11 Hiển thị xử lý số liệu Hình phụ lục 4.12 Đo biên độ mơ hình thực nghiệm theo hai phương 139 Hình phụ lục 4.13 Kết xử lý số liệu Hình phụ lục 4.14 Đo biên độ dao động theo phương thẳng đứng thiết bị đo laze 140 Hình phụ lục 4.15 Đo biên độ dao động theo phương ngang thiết bị đo laze Hình phụ lục 4.16 Kết xử lý số liệu 141