T Ổ NG QUAN
Rung động và các biện pháp chống rung động
Các hoạt động của động cơ và thiết bị máy móc đều tạo ra rung động, được định nghĩa là dao động cơ học của vật thể đàn hồi khi trọng tâm và trục đối xứng của chúng di chuyển hoặc do sự thay đổi chu kỳ hình dạng Rung động máy thường xuất phát từ thiết kế và mục đích sử dụng, như trong các thiết bị sàng rung, băng tải hay máy đầm Tuy nhiên, rung động không mong muốn có thể gây hại nghiêm trọng cho cả người và máy, dẫn đến nứt gẫy các chi tiết như đai ốc và bu lông Tiếng ồn do rung động gây ra có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người vận hành, gây mờ mắt, ù tai và các bệnh nghề nghiệp khác Hơn nữa, rung động không được cách ly có thể truyền qua các vật rắn như sàn nhà và tường, gây thiệt hại cho môi trường làm việc Tiếng ồn và rung động trong sản xuất trở thành tác hại nghề nghiệp khi cường độ vượt quá giới hạn cho phép.
Cách ly rung động là phương pháp giảm thiểu tác động của rung động lên thiết bị Đệm cách ly rung động, ở dạng cơ bản nhất, là một bộ phận đàn hồi kết nối giữa thiết bị và chân đế Chức năng của đệm cách ly là giảm biên độ dịch chuyển từ chân đế rung đến thiết bị hoặc giảm độ lớn lực truyền từ thiết bị đến chân đế.
Hệ (a) được thiết kế để cách ly thiết bị khỏi nền kích rung, với ứng dụng trong xây dựng nhằm chống lại động đất, bảo vệ các công cụ chính xác khỏi rung động và giảm thiểu ảnh hưởng từ đường gập ghềnh lên chỗ ngồi của hành khách trong ô tô Dịch chuyển u phát sinh từ chân đế và dịch chuyển x được truyền đến thiết bị (khối lượng m) với vận tốc góc 𝜔, được mô tả bằng công thức 𝑢 = 𝑢₀𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡.
Hệ (b) được thiết kế để cách ly các hệ thống rung động khỏi nền móng, giúp giảm thiểu tác động từ sự rung động do máy móc hạng nặng và đồ gia dụng gây ra Lực dao động F do thiết bị (khối lượng m) tạo ra và lực F T được truyền đến chân đế được mô tả bằng công thức: 𝐹 = 𝐹 0 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡.
Hình 1.1 Sơ đồ mô tả hệcách ly rung động [31]
Hiệu quả của linh kiện chống rung được đánh giá qua hai yếu tố chính: khả năng truyền qua và hiệu quả cách ly Khả năng truyền qua là tỷ lệ giữa động năng ra và động năng vào, trong khi hiệu quả cách ly là tỷ lệ giữa độ hao hụt ứng suất và ứng suất tác dụng Hai khái niệm này thực chất tương đương, ví dụ, hiệu quả cách ly 90% tương ứng với khả năng truyền là 0,1, và hiệu quả cách ly 75% tương ứng với khả năng truyền là 0,25 Các linh kiện chống rung gắn với cùng một bộ phận sẽ hoạt động tương tự nhau ở tần số tự nhiên, độ ổn định và các đặc tính chống rung.
Các biện pháp kỹ thuật phòng chống tiếng ồn và giảm rung động có thể được chia thành ba nhóm chính sau [50]:
Biến đổi tần số dao động riêng là quá trình điều chỉnh tính đàn hồi và khối lượng của các bộ phận máy móc nhằm thay đổi tần số dao động riêng của chúng Mục tiêu của việc này là tránh hiện tượng cộng hưởng, giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của máy móc.
Phân tán năng lượng là quá trình bọc lót các bề mặt thiết bị chịu rung động bằng các vật liệu có khả năng hút hoặc chống rung động hiệu quả Những vật liệu này bao gồm bitum, cao su, chất dẻo và matit đặc biệt, giúp giảm thiểu tác động của rung động nhờ vào ma sát nội lớn.
- Cách ly rung động: sử dụng bộ phận giảm chấn bằng lò xo hoặc cao su đểcách ly rung động
Trong thiết kế và chế tạo trang thiết bị, cả ba biện pháp giảm thiểu rung động thường được áp dụng đồng thời Tuy nhiên, trong thực tế, biện pháp thứ hai và thứ ba thường được ưu tiên để giảm thiểu tác động của rung động đến máy móc, thiết bị và con người trong quá trình sử dụng.
V ậ t li ệ u ch ố ng rung: Yêu c ầu cơ bả n và phân lo ạ i
1.2.1 Yêu c ầu cơ bả n c ủ a v ậ t li ệ u ch ố ng rung
Vật liệu chống rung đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ năng lượng và giảm thiểu rung động trong các hệ thống cơ khí và kết cấu Tính đàn hồi của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chống rung, được xác định bởi tỷ lệ giữa năng lượng rung động truyền vào và khả năng tiêu tán năng lượng bên trong vật liệu.
Khi thiết kế vật liệu chống rung cho kết cấu, cần xem xét đặc điểm rung động và các phương pháp triệt tiêu rung động Hiện nay, có hai giải pháp chính trong kỹ thuật ứng dụng vật liệu chống rung: giải pháp tự do và giải pháp ràng buộc Giải pháp tự do áp dụng vật liệu chống rung trên một hoặc cả hai mặt của kết cấu, trong khi giải pháp ràng buộc áp dụng vật liệu giữa hai bộ phận kết cấu, với cả hai mặt của lớp vật liệu đều bị ràng buộc.
Hình 1.2 Giải pháp kết cấu chống rung
Khả năng chống rung của kết cấu, bất kể là giải pháp tự do hay ràng buộc, chủ yếu phụ thuộc vào tổn hao cơ học và mô đun động của vật liệu Mô đun động được chia thành mô đun lưu trữ và mô đun tổn hao Do đó, nghiên cứu cơ chế hình thành tổn hao cơ học và mô đun động lực của vật liệu, cùng với việc tối ưu hóa phương pháp chế tạo, là vấn đề cốt lõi trong việc phát triển vật liệu chống rung với tính năng ưu việt.
Tổn hao cơ học tanδ là chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng tiêu tán năng lượng trong vật liệu đàn hồi, được xác định bằng cách chia mô-đun tổn hao (E") cho mô-đun lưu trữ (E') Mô-đun lưu trữ phản ánh khả năng tích trữ năng lượng và độ cứng của vật liệu, trong khi mô-đun tổn hao thể hiện năng lượng tiêu hao do nhiệt trong quá trình biến dạng Giá trị tanδ càng lớn cho thấy nội ma sát của vật liệu chống rung càng cao, dẫn đến hiệu quả giảm rung tốt hơn Tuy nhiên, việc chỉ tập trung vào giá trị tổn hao cơ học cao có thể làm giảm độ bền kéo và độ bền mỏi của vật liệu Do đó, khi thiết kế vật liệu chống rung, cần cân nhắc các đặc tính kỹ thuật khác, không chỉ chú trọng vào khả năng chống rung.
Mô-đun tổn hao và mô-đun lưu trữ là yếu tố quan trọng trong hiệu quả chống rung của vật liệu Đối với kết cấu chống rung tự do, cần tăng cường mô-đun tổn hao và tổn hao cơ học tanδ để đạt được hiệu quả tối ưu Trong khi đó, với vật liệu chống rung ràng buộc, hiệu quả chủ yếu phụ thuộc vào giá trị tổn hao cơ học và mô-đun tổn hao phù hợp với cấu trúc Đối với ứng dụng rung tần số trung bình và thấp, mô-đun tổn hao nhỏ mang lại hiệu quả tốt hơn, trong khi ở tần số cao, giá trị mô-đun tổn hao cần phải lớn hơn Hình 1.3 cung cấp thông tin về phạm vi nhiệt độ áp dụng của các loại vật liệu chống rung, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu này.
Hình 1.3 Sơ đồ phạm vi ứng dụng của các loại kết cấu vật liệu chống rung khác nhau
Giá trị tổn hao cơ học tanδ và mô-đun động của vật liệu chống rung thường mâu thuẫn với nhau, với tổn hao cơ học tanδ cao tương ứng với mô-đun động thấp và ngược lại Để giải quyết vấn đề này, cần lựa chọn phương thức kết hợp giữa vật liệu chống rung và kết cấu chống rung Vật liệu chống rung mang lại khả năng tiêu hao năng lượng hiệu quả (tổn hao cơ học tanδ cao), trong khi kết cấu chống rung cung cấp các đặc tính cơ học tốt (mô-đun động cao).
1.2.2 Phân lo ạ i v ậ t li ệ u ch ố ng rung
Vật liệu chống rung được phân loại theo mục đích sử dụng và tính chất vật liệu Theo phân loại này, có các loại vật liệu chống rung như vật liệu đàn hồi, kim loại, chất lỏng và nhựa đường Gần đây, nhiều vật liệu chống rung mới đã được phát triển, bao gồm vật liệu gradient, polyme tinh thể lỏng, từ trường thông minh, áp điện và điện tử.
Hình 1.4 Phân loại vật liệu chống rung theo tính chất vật liệu
Bảng 1.1 trình bày sự so sánh tổng quát về khả năng chống rung của nhiều loại vật liệu như polyme, kim loại, vật liệu gốc xi măng, hợp kim và composite Khả năng này không chỉ bị ảnh hưởng bởi loại vật liệu mà còn bởi tần suất tải, hình dạng sản phẩm và nhiệt độ làm việc Đáng chú ý, polyme có giá trị tanδ cao nhất, tiếp theo là kim loại và vật liệu gốc xi măng Cao su nổi bật với giá trị tanδ cao và được ứng dụng phổ biến trong việc chống rung.
Bảng 1.1 Hiệu suất chống rung của vật liệu [20]
Vữa có cát (đã qua xử lý) (15% trọng lượng xi măng) 0,021
Hợp kim Zn-Al/SiC (27%) 0,032
Poly tetra fluoro ethylen (PTFE) 0,19
Khả năng chống rung của vật liệu cao su
Cao su là một trong những vật liệu đàn hồi phổ biến nhất, có khả năng liên kết với nhiều loại vật liệu khác nhau Theo bảng 1.2, cao su silicon và cao su tự nhiên là hai loại cao su có tính năng đàn hồi cao nhất Cao su silicon tồn tại dưới dạng tiền chất lỏng, cho phép đóng rắn ở nhiệt độ phòng, thuận lợi cho việc chế tạo sản phẩm phức tạp Tuy nhiên, đặc tính cơ học kém và độ bền mỏi thấp của cao su silicon đã hạn chế ứng dụng thực tế của nó.
Cao su tự nhiên là vật liệu phổ biến trong kỹ thuật cách ly rung động nhờ vào tính đàn hồi, độ bền cao và khả năng hấp thụ năng lượng tốt với chi phí thấp Trong khi đó, cao su tổng hợp có tính chất động và tĩnh đa dạng, một số loại cao su tổng hợp còn vượt trội hơn cao su tự nhiên về độ bền khi tiếp xúc với nhiệt, ô zôn và dung môi hydrocacbon Cao su nitril nổi bật với khả năng chịu dầu, ô zôn và nhiệt tốt, do đó được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp Mặc dù silicon có giá thành cao, nhưng nó lại cung cấp dải nhiệt độ làm việc rộng từ -54°C đến 177°C.
Bảng 1.2 Vật liệu đàn hồi bằng cao su thường được sử dụng
Loại vật liệu Ưu điểm Nhược điểm Tài liệu tham khảo
- Độ bền kéo và xé cao
- Khả năng chịu nhiệt kém
- Khả năng kháng dung môi kém và chống lão hóa kém
Cao su silicon - Phạm vi nhiệt độ làm việc rộng nhất
- Nhiệt độ thấp linh hoạt
- Chống rung trung bình đến cao
- Chống lão hóa nhiệt tốt
- Tính chất cơ học thấp
- Khả năng chống dầu kém
- Chống rung trung bình đến cao
- Khả năng chống ozon và lão hóa tốt
- Khả năng chống dầu kém
Cao su nitril - Khả năng chống dầu rất tốt
- Khả năng chống ozon và lão hóa tốt
- Dải nhiệt độ hoạt động thấp
Cao su polyurethan - Giảm xóc cao
- Độ bền kéo và xé cao
- Khả năng kháng dầu rất tốt
- Khả năng chống ozon và lão hóa rất tốt
- Chi phí trung bình đến cao
- Khả năng kháng dung môi kém
1.3.1 Cơ sở khoa h ọ c ch ố ng rung c ủ a v ậ t li ệ u cao su
Vật liệu chống rung chuyển đổi năng lượng dao động cơ học thành năng lượng tiêu tán, chủ yếu là nhiệt năng Hiện nay, vật liệu chống rung chủ yếu là vật liệu đàn hồi gốc polyme, trong đó cao su là một thành phần quan trọng Cơ chế chống rung của vật liệu polyme tương thích với cơ chế của cao su, cho thấy khả năng chống rung hiệu quả của chúng Một số cơ sở khoa học sẽ được trình bày để khẳng định khả năng chống rung của vật liệu cao su.
1.3.1.1 Chuyển động chuỗi phân tử polyme Đối với polyme vô định hình, theo nhiệt độ có thể chia thành ba trạng thái tồn tại, đó là trạng thái thủy tinh, trạng thái đàn hồi cao và trạng thái chảy nhớt Sự khác biệt về trạng thái tồn tại này là do chuyển động nội phân tử tạo thành Ở trạng thái thủy tinh, do nhiệt độ thấp và năng lượng chuyển động của phân tử thấp nên không thể khắc phục được rào cản thế năng trong chuỗi mạch chính của phân tử, các đoạn chuỗi ở trạng thái đông cứng và chuyển động khó khăn hơn Thông thường, các nhánh nhỏ hơn trên mạch chính như các nhóm bên, mạch phân nhánh và chuỗi nhỏ có thể sản sinh những dao động nhưng không làm thay đổi polyme từ dạng này sang dạng khác và các tính chất cơ học tương tự như thủy tinh có các phân tử nhỏ Khi polyme chịu tác dụng của các lực xoay chiều, lúc này do các đoạn mạch ở trạng thái đông cứng nên chỉ có thể xảy ra những thay đổi nhỏ về độ dài liên kết chuỗi chính và góc liên kết (thay đổi quá nhiều sẽ phá hủy liên kết cộng hóa trị và phá hủy polyme) Về tính năng vĩ mô, lúc này biến dạng không lớn khi chịu tác dụng của lực xoay chiều và biến dạng có quan hệ tuyến tính với ứng suất, sau khi loại bỏ ngoại lực thì biến dạng có thể phục hồi ngay lập tức (1), điều này phù hợp với tính đàn hồi chung, được biểu thị bằng công thức:
Trong đó, đại diện cho ứng suất và E1 là mô đun đàn hồi chung Tại thời điểm này, hầu hết năng lượng do polyme tạo ra được phục hồi, với nội ma sát rất thấp và khả năng chống rung kém, chỉ thể hiện một số đặc điểm chống rung nhất định ở tần số rất thấp.
Khi nhiệt độ tăng, năng lượng chuyển động nhiệt phân tử gia tăng, cho phép vượt qua rào cản thế năng và kích thích sự chuyển động của chuỗi polymer Sự thay đổi cấu trúc của đoạn chuỗi xảy ra, dẫn đến trạng thái đàn hồi cao của polymer Khi chịu tác động của lực xoay chiều, chuỗi phân tử có khả năng thích ứng với ngoại lực thông qua chuyển động quay bên trong liên kết đơn Trong trạng thái đàn hồi cao, một lực nhỏ có thể gây ra biến dạng lớn, cho thấy tính chất kép của polymer: vừa lỏng vừa rắn.
Loại biến dạng này lớn hơn biến dạng đàn hồi chung, biến dạng và thời gian có mối quan hệ theo hàm sốmũ:
Độ biến dạng đàn hồi cao (2) được xác định bởi công thức 2 = (1-𝑒 −𝑡/ )/ E2, trong đó là thời gian phục hồi Độ nhớt động học của phân đoạn chuỗi (2) và mô-đun đàn hồi cao (E2) ảnh hưởng đến giá trị của , với mối quan hệ là = 2/ E2.
Khi loại bỏ ngoại lực, biến dạng đàn hồi cao dần dần được phục hồi
Trong quá trình hồi phục, chuyển động của phân đoạn chuỗi tạo ra ma sát, nhưng do chuyển động tương đối tự do của chúng, nội ma sát sinh ra là tương đối nhỏ, dẫn đến tính năng chống rung không đủ Để cải thiện tính năng chống rung trong trạng thái cơ học này, cần phải tăng tần số rung động.
Vùng chuyển tiếp giữa trạng thái thủy tinh và trạng thái đàn hồi cao được gọi là khu vực trạng thái đàn hồi nhớt Khi polyme chịu tác dụng của ứng suất xoay chiều, hiện tượng biến dạng trễ hơn ứng suất trở nên rõ ràng, dẫn đến sự hình thành một vòng lặp trễ trên đường cong ứng suất-biến dạng Nguyên nhân của hiện tượng này là do chuyển động của phân đoạn chuỗi không theo kịp với sự thay đổi của ngoại lực.
Hầu hết các vật liệu polyme không tuân theo định luật Hooke và không phải là chất lỏng Newton lý tưởng, mà thể hiện cả tính đàn hồi và tính nhớt Khi polyme chịu ứng suất xoay chiều bên ngoài, cả phần đàn hồi và không đàn hồi đều phản ứng, nhưng có sự lệch pha giữa biến dạng và ứng suất (0 °