TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢl KHOA CO KHÍ Bộ MÔN KỸ THUẬT cơ ĐIỆN TỬ GS TSKH NGUYỄN VĂN KHANG, PGS TS NGUYỄN PHONG ĐIỀN, TS NGUYỄN HUY THẾ GIÁO TRÌNH ĐỘNG Lực HỌC MÁY• • • NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜ[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢl KHOA CO KHÍ Bộ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ GS TSKH NGUYỄN VĂN KHANG, PGS TS NGUYỄN PHONG ĐIỀN, TS NGUYỄN HUY THẾ GIÁO TRÌNH ĐỘNG Lực HỌC MÁY • • • NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA Cơ KHÍ Bộ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ GS TSKH NGUYỄN VĂN KHANG PGS TS NGUYÊN PHONG ĐIỀN, TS NGUYÊN HUY THẾ GIÁO TRÌNH ĐỘNG Lực HỌC MÁY NHÀ XUẤT BÃN BÁCH KHOA HÃ NỘI Biên mục xuất phẩm Thư viện Quốc gia Việt Nam Nguyễn Văn Khang Giáo trinh Động lực học máy / Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Phong Điền, Nguyễn Huy Thế - H : Bách khoa Hà Nội, 2022 - 236 tr : hình vẽ, bảng ; 27 cm ĐTTS ghi: Trường Đại học Thuỷ lợi Khoa Cơ khí Động lực học chế tạo máy Giáo trình 621.80711 - dc23 BKM0187p-CIP Giáo trình Động lực học máy LỜI NĨI ĐÀU Động lực học máy mơn học nghiên cứu xử lý tượng động lực học máy cấu Đó tượng: dao động xoắn dao động uốn trục quay, điều khiển truyền lực động xuất máy xuống móng, điều khiển giảm dao động khâu máy giảm chấn động lực, giảm lực quán tính xuất khâu máy việc cân cấu, chẩn đốn dao động máy, tính tốn động lực học máy rắn, V.V Như thế, động lực học máy, ta sâu nghiên cứu toán động lực đặc thù phố biến xuất máy tìm giải pháp xử lý thích hợp Giáo trình Động lực học máy xây dựng sờ môn học Cơ học kỹ thuật Sức bền vật liệu, trình bày cho sinh viên trực tiếp làm quen với toán động lực học điển hình lĩnh vực máy cấu Ớ đây, Động lực học máy mặt tài liệu mẫu mực dạy cho sinh viên cách xây dựng mô hình học trình kỹ thuật để sở đó, xây dựng mơ hình tốn học cho trình kỹ thuật Mặt khác, Động lực học máy chuyên ngành chế tạo máy có nhiệm vụ tìm hiểu vấn đề động lực học chế tạo máy máy công cụ, máy lượng (máy động cơ, máy tuabin), máy công tác (máy dệt, máy in, máy đóng gói), thiết bị nâng chuyến, máy nông nghiệp, máy vận tải, hệ thống thiết bị hóa chất mỏ Các giáo sư F Holzweissig (1928 - 2018) H Dresig (1937 - 2018) Cộng hòa Liên bang (CHLB) Đức người có ý tưởng ban đầu việc xây dựng giáo trình Động lực học máy cho sinh viên ngành Cơ khí Giáo trình gồm chương tương đối độc lập với nhau, trình bày nội dung điển hình vấn đề nội dung động lực học máy theo quan điểm nhà chế tạo Theo định cùa Hội đồng Hiệu trường trường đại học CHLB Đức, tháng năm 1991, Động lực học máy môn học bắt buộc chương trình học tập sinh viên ngành khí trường đại học Hiện nay, đa số trường đại học thực hành (University of Applied Science), môn học Động lực học máy đưa vào chương trình đào tạo sinh viên ngành Cơ khí Cuốn giáo trình biên soạn theo ý tưởng sách “Dynamics of Machinery” cùa giáo sư H Dresig F Holzweissig, bao gồm chương sau: Chương 1: Động lực học máy rắn (GS TSKH Nguyễn Văn Khang) Chương 2: Cân trục máy quay cân khối lượng cấu (PGS TS Nguyễn Phong Điền) Chương 3: Cách ly rung lắp đặt máy rắn (GS TSKH Nguyễn Văn Khang) Chương 4: Dao động xoắn hệ truyền động (TS Nguyễn Huy Thế) Lời nói đầu Chương 5: Dao động uồn trục quay (TS Nguyễn Huy Thế) Chương 6: Giám sát chẩn đoán dao động máy (PGS TS Nguyễn Phong Điền) Chương 7: Quan hệ động lực học máy số môn học liên quan (GS TSKH Nguyễn Văn Khang) Qua cách trình bày tương đối độc lập chương, giáo trình cho phép người học ơn luyện phương pháp học tốn học Một vài chỗ chồng chéo nhiều nhắc lại nhằm mục đích giúp người học dễ dàng liên kết chương với Trong mồi chương trình bày vài ví dụ thực tế Các ví dụ thực tế từ nhiều lĩnh vực khác chế tạo máy, số liệu tham số, dẫn sử dụng tiêu chuẩn đưa giúp cho người học áp dụng cơng việc người kỹ sư sau Khi trình bày, tác giả quan tâm đến cách suy nghĩ người làm kỹ thuật Ví dụ phương pháp ước lượng, tính tốn dự trù mơ hình tối thiếu đề cập đến, nhiều hiệu ứng động lực giải thích Những điều có ý nghĩa việc thiết kế máy có khả bị dao động chịu tải trọng lớn Người kỹ sư thiết kế cần phải dự kiến tính chất động lực học tác dụng thay đổi tham số, trước thực tính tốn lý thuyết thực nghiệm Với phát triển nhanh chóng cơng nghệ thơng tin, vấn đề động lực học máy ngày có phần mềm tính tốn Nhiệm vụ người kỹ sư phải chuẩn bị trước mơ hình tính tốn tham số mơ hình, nhận biết chức hoạt động chương trình tính, biết cách kiểm tra kết tính dự đốn trước tính kết có Giáo trình biên soạn cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Trường Đại học Thủy lợi Giáo trình sử dụng cho học phần Động học Động lực học máy, đồng thời sử dụng làm tài liệu tham khảo cho số môn học khác bao gồm: Động lực học hệ nhiều vật, Động lực học ô tô, Thực tập chuyên ngành Cơ điện tử, Thực tập chuyên ngành Cơng nghệ Cơ khí, Thực tập chun ngành Máy xây dựng, v.v giảng dạy Trường Đại học Thủy lợi Do khn khổ chương trình học có hai tín nên tác giả cố gắng biên soạn giáo trình theo hướng ngắn gọn dễ hiếu Giáo trình sử dụng cho sinh viên ngành Cơ khí Trường Đại học Thủy lợi (trong lĩnh vực chế tạo máy, xây dựng, giao thông, v.v.) trường đại học kỹ thuật khác Ngồi ra, giáo trình tài liệu tham khảo bổ ích cho kỹ sư ngành Cơ khí cơng tác chun mơn họ Giáo trình biên soạn lần đầu nên chắn nhiều thiếu sót Các tác giả mong nhận ý kiến đóng góp bạn đồng nghiệp bạn sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử ngành Cơ khí khác để hồn thiện lần xuất sau Mọi góp ý xin gửi Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi gửi địa email: nguyenhuythe@tlu.edu.vn Giáo trình Động lực học máy MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương ĐỘNG LỤC HỌC MÁY RẮN 1.1 PHƯƠNG TRÌNH CHUYÊN ĐỘNG CỦA MÁY RẮN 1.1.1 Động hệ vật rắn phang 10 1.1.2 Động hệ vật rắn không gian 11 1.1.3 Lực suy rộng 14 1.1.4 Phưong trình vi phân chuyến động máy rắn 15 1.2 TRẠNG THÁI CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY RẮN 17 1.2.1 Giải phương trình chuyển động máy rắn phương pháp giải tích 17 1.2.2 Giải phương trinh chuyển động máy rắn phương pháp số 20 1.3 PHẢN Lực KHỚP ĐỘNG 26 1.3.1 1.3.2 Các khái niệm chung 26 Quan hệ lực quán tính thu gọn đại lượng động lực vật rắn 26 1.3.3 Thu gọn hệ lực quán tính vật rắn chuyến động khối tâm 28 1.3.4 Tính tốn phản lực khớp động 28 1.4 CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG 30 Chương CÂN BẰNG TRỤC MÁY QUAY VÀ CÂN BẰNG KHỐI LƯỢNG Cơ CẤU 41 2.1 CÂN BẰNG VẬT QUAY 41 2.1.1 Một số khái niệm 41 2.1.2 Cơ sở lý thuyết cân vật quay rắn 43 2.1.3 Các phương pháp cân vật quay rắn 49 2.1.4 Máy cân động 51 2.1.5 Các tiêu chuẩn cân vật quay 52 2.2 CÂN BẰNG ĐỘNG Lực CẤU 53 2.2.1 Mở đầu 53 2.2.2 Điều kiện cân tổng quát cấu phẳng bậc tự 54 2.2.3 Biến đối điều kiện cân lực quán tính dạng đại số 56 Mục lục 2.2.4 Các ví dụ cân lực quán tính cho cấu phắng 58 2.2.5 Cân điều hòa lực quán tính cấu phẳng 67 Chương CÁCH LY RUNG KHI LẮP ĐẶT MÁY RẮN 72 3.1 CÁCH LY RUNG KHI MĨNG MÁY CHỊU KÍCH ĐỘNG ĐIỀU HỊA 73 3.1.1 Kích động lực 73 3.1.2 Kích động lực đàn hồi 76 3.1.3 Kích động khối lượng lệch tâm 78 3.1.4 Kích động động học 80 3.2 CÁCH LY RUNG KHI MÓNG MÁY CHỊU KÍCH ĐỘNG KHƠNG TUẦN HỒN 82 3.2.1 Phương pháp biến thiên số Lagrange 82 3.2.2 Tìm nghiệm hàm va chạm 86 3.2.3 Tìm nghiệm hàm bước nhảy 89 Chương DAO ĐỘNG XOẮN TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG 94 4.1 MƠ HÌNH DAO ĐỘNG XOẮN 96 4.1.1 Mơ hình dãy trục 96 4.1.2 Mơ hình dãy nhiều trục 97 4.1.3 Mơ hình phân nhánh 97 4.1.4 Mơ hình vịng kín 98 4.2 THU GỌN MƠ HÌNH DAO ĐỘNG XOẮN VỀ MỘT TRỤC 98 4.2.1 Mơmen qn tính thu gọn 99 4.2.2 Độ cứng trục thu gọn 99 4.2.3 Hệ số cản thu gọn 99 4.2.4 Mômen thu gọn 100 4.2.5 Độ cứng ăn khóp bánh 101 4.3 DAO ĐỘNG XOẮN Tự DO KHƠNG CẢN CỦA MƠ HÌNH DÃY 102 4.3.1 Phương trình vi phân chuyến động 102 4.3.2 Tần số riêng dạng dao động riêng 104 4.3.3 Giới hạn phổ tần số 107 4.4 PHƯƠNG PHÁP MA TRẬN TRUYỀN 109 4.4.1 Ma trận truyền khối lượng quay 110 Giáo trình Động lực học máy 4.4.2 Ma trận truyền phần tử đàn hồi không khối lượng 111 4.4.3 Ma trận truyền truyền bánh cấp 112 4.4.4 Ma trận truyền truyền không phân nhánh 114 4.4.5 Ma trận truyền truyền phân nhánh 115 4.5 DAO ĐỘNG XOẮN CƯỜNG BỨC 119 4.5.1 Dao động xoắn chịu kích động tuần hồn 120 4.5.2 Ma trận truyền kích động điều hịa 121 4.5.3 Cộng hưởng biên độ cộng hưởng 126 Chương DAO ĐỘNG UỐN CỦA TRỤC QUAY 131 5.1 DAO ĐỘNG UỐN CỦA TRỤC LAVAL TRÊN GỐI ĐỠ CÚNG .131 5.2 ẢNH HƯỞNG CỦA TRỤC QUAY KHỒNG ĐỀU 134 5.3 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ÚNG GYROSCOPE 136 5.4 DAO ĐỘNG UỐN CỦA TRỤC LAVAL KHƠNG TRỊN 146 5.5 DAO ĐỘNG UỐN CỦA TRỤC LAVAL TRÊN GỐI ĐỠ ĐÀNHỒI 150 5.6 DAO ĐỘNG UỐN CỦA TRỤC LAVAL TRÊN Ồ TRƯỢT .155 5.7 DAO ĐỘNG KHƠNG DÙNG (Q TRÌNH MỞ MÁY) 158 5.8 DAO ĐỘNG UỐN CỦA DẦM CÓ KHỐI LƯỢNG 159 5.8.1 Phương trình vi phân dao động uốn dầm 159 5.8.2 Dao động tự dầm có tiết diện không đổi 161 5.8.3 Phương pháp gần xác định tần số riêng 166 5.8.4 Dao động uốn trục quay có khối lượng phân bố liên tục 170 5.9 PHƯƠNG PHÁP MA TRẬN TRUYỀN 173 5.9.1 Phương trình ma trận dao động uốn dầm 173 5.9.2 Dầm có tiết diện thay đổi theo bậc 177 5.9.3 Dầm có gối đỡ cứng khóp nối trung gian 179 5.9.4 Dầm có gối đỡ đàn hồi mang khối lượng tập trung đĩa rắn quay 182 Chương GIÁM SÁT VÀ CHẲN ĐOÁN DAO ĐỘNG CỦA MÁY 186 6.1 TÔNG QUAN VỀ ĐO DAO ĐỘNG 186 6.1.1 Các nhiệm vụ 186 6.1.2 Một số khái niệm 186 Mục lục 6.1.3 Đo dao động đại lượng điện 187 6.1.4 Các đại lượng đo dao động học 188 6.2 CÁC LOẠI ĐẦU ĐO DAO ĐỘNG THÔNG DỤNG 189 6.2.1 Nguyên lý hoạt động đầu đo dao động 190 6.2.2 Đầu đo gia tốc dao động 191 6.2.3 Đầu đo vận tốc dao động 193 6.2.4 Đầu đo dịch chuyển 194 6.3 THIẾT BỊ ĐO VÀ KIỂM CHUẨN HỆ ĐO 195 6.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG 196 6.4.1 Phân loại tín hiệu dao động 196 6.4.2 Cấu trúc tín hiệu dao động 199 6.4.3 Phép lấy mẫu tín hiệu 200 6.4.4 Phân tích tín hiệu miền thời gian 202 6.4.5 Phân tích tín hiệu miền tần số 205 6.5 CÁC VẤN ĐỀ Cơ BẢN CỦA GIÁM SÁT DAO ĐỘNG MÁY 210 6.5.1 Mở đầu 210 6.5.2 Các khái niệm chung 211 6.5.3 Quy trình giám sát dao động máy 213 6.5.4 Giám sát dao động hệ rôto - gối đỡ 215 6.5.5 Giám sát dao động truyền bánh 219 6.5.6 Giám sát dao động O đỡ lăn 222 Chương QUAN HỆ ĐỘNG Lực HỌC MÁY VÃ MỘT SÓ MỒN HỌC LIÊN QUAN 226 7.1 ĐỘNG Lực HỌC MÁY VÀ ĐỘNG Lực HỌC HỆ NHIỀU VẬT 226 7.2 ĐỘNG Lực HỌC MÁY VÀ THIẾT KẾ MÁY 228 7.3 ĐỘNG Lực HỌC MÁY VÀ ĐIỆN TỬ 230 TÃI LIỆU THAM KHẢO 233 Giáo trình Động lực học máy Chương ĐỘNG Lực HỌC MÁY RẤN Máy rắn mơ hình đon giản động lực học máy Máy rắn hệ gồm vật rắn tuyệt đối chịu liên kết động học cho chuyển động hồn toàn xác định cho trước chuyển động khâu dẫn Khi tần số riêng thấp đối tượng khảo sát lớn nhiều so với tần số kích động lớn nhất, ta xem hệ khảo sát hệ vật rắn Mơ hình tính tốn máy rắn dùng để nghiên cứu tính toán cho cấu truyền động truyền bánh răng, truyền trục vít - bánh vít, truyền đai, truyền xích, lẫn cấu truyền động không cấu truyền, cấu cam, cấu truyền - bánh Đối với kỹ sư khí, từ đầu kỷ XX, họ sử dụng phương pháp đồ thị để tính tốn động học động lực học máy cấu Với phát triển công nghệ thông tin từ khoảng năm 1970 trở lại đây, lý thuyết máy rắn có bước phát triển Nhiều thuật tốn chương trình tính tốn máy rắn nói riêng hệ nhiều vật nói chung nhiều tác giả nghiên cứu công bố Ngày nay, nhiều kỹ sư sử dụng máy tính cá nhân để tìm lời giải cho số tốn động lực học máy mà khơng cần nghiên cứu chi tiết phương pháp toán học thuật toán số Mặc dù vậy, người sử dụng phần mềm có sẵn, cần phải hiểu sâu sắc ý tường việc thiết lập mơ hình tính tốn phải biết mà chương trình khơng thể tính tốn 1.1 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY RẮN Đe thiết lập phương trình chuyến động máy rắn, ta sử dụng định lý động lượng mômen động lượng phương trình Lagrange loại hai Trong giáo trình này, ta sử dụng phương trình Lagrange loại hai đế thiết lập phương trình chuyến động máy rắn Như biết [5], phương trình Lagrange loại hai mơ tả chuyến động hệ hơlơnơm/bậc tự có dạng: dt ^õỷị ? 0-1, ,/) (1.1) Trong đó, T động hệ, ợ (í = l, ,/)là tọa độ suy rộng xác định vị trí hệ,/là số bậc tự hệ, Qị lực suy rộng ứng với tọa độ suy rộng qt Nếu ta phân lực tác dụng lên hệ thành lực lực khơng lực suy rộng Qị tính theo cơng thức: Chương Giám sát chân đoán dao động máy Cuong độ mon • Hình 6.39 - Dường đặc tính đê giảm sát tinh trạng mịn cúa bánh ráng trục dẫn 6.5.6 Giám sát dao động cùa ô dở lãn 6.5.6.1 Dặc trưng (lao động cùa ò lãn Hĩnh b minh họa dạng tin hiệu dao động điên hình đo vị tri gàn với ô đờ gia tốc kế Nhìn chung, tín hiệu dao động có số đặc diêm sau: Trong tình trạng đờ cịn tốt, dao dộng có dụng ngân nhiên vói biên độ tháp Ớ trạng thãi mái mỏn tin hiệu dao động có dạng ngẫu nhiên với biên độ tãng dãn tài trọng động lực (nguồn kích động) táng lên tương úng với khc hơ hướng kinh cua ị Khi xt hư hóng cục ó dò chịu cãc kich động xung va chạm phạm vi cùa vùng chịu tài trọng chun động tiềp xúc với vèt tróc vịng vịng ngồi (hình 6.40a) Tin hiệu dao dộng tông họp cùa thành phân tin hiệu ngẫu nhiên vã dao dộng liêng lầl dằn cùa ổ kích động xung tuần hỗn Hiện lining mịn đồng xày đỡ lân điểu kiện vận hành binh thưởng Mòn dỏng lãm tàng khc hở hướng kinh lãn vỏng trong, qua đõ làm giám chat lượng vận hành tiền đẽ cho hư hóng cục trẽn cảc bề mặt trượt 222 Giảo trinh Động lực học máy Hư hỏng cục bỏ Hình 6.40 - a) Kẻt cáu cùa ổ lãn; b) Dạng tín hiệu dao dộng dirọc vị ổ Hình 6.41 - Hiện tưụng tróc vịng ngồi cua dở lăn Hiện tượng tróc mỏi hậu cùa trinh lâm việc dãi tảc dụng tãi trọng động Các vcl Ink có the hình thành bê mặt lãm việc cùa vịng trong, vịng ngồi lãn (xem hình 6.41) Đây lã hư hong cục có thê làm giám nhanh chóng nủng chịu tãi đờ vả dần đen phả hóng số chi liet cùa ỏ 6.5.6.2 Kỹ thuật thông sô giám sát chuân đánh giá Các phép giám sát ô dỡ lăn thường sứ dụng dàu gia tóc (các gia tóc ke ãp điện), gủn trục tiếp vị tri gần ô đờ đo theo phương dọc trục hướng kinh Do hư hóng cục biêu tẩn số riêng cùa ố đỡ (thưởng tần số cao đến 223 Chương Giám sát vã chân đoán dao động cùa máy phạm vi vải kHz), đàu đo phái định vị vị trí cứng vững đê tránh cộng hường vị tri Dái tân sô thơng thường khống từ 10 Hz dèn 15 kHz Việc chọn cảc thõng số giám sảt tủy thuộc vào mục đich giám sảt trạng thải môn hay phát sớm hư hóng cục hộ tróc moi Trong trường hợp giám sát trạng thái mịn đong thõng sơ thường sử dụng giâ trị RMS cùa tín hiệu gia tốc ũ (xem đồ thị trẽn hĩnh 6.40b) Một số thông số giâm sát nhay hon hệ sò Crest (báng 6.1) đai lượng gọi hộ số Ấ'(/):