Một cơ cấu rung va đập dùng khí nén có thể sử dụng cho các máy chuyển động theo phương ngang đã được cải tiến, thiết kế mới, chế tạo

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Tóm tắt Một cơ cấu rung - va đập dùng khí nén có thể sử dụng cho các máy chuyển động theo phương ngang đã được cải tiến, thiết kế mới, chế tạo, vận hành thí nghiệm, phân tích và cho ra các kết quả tích cực. Khả năng hiện thực hóa ứng dụng của cơ cấu rung - va đập dùng khí nén trong các máy khai thác rung - va đập trở nên hứa hẹn hơn. Cơ cấu được cải tiến làm việc dựa trên nguyên lý đóng xả khí nén theo chu kỳ. Chuyển động phản lực của ống khí nén thông qua một bảng mạch tạo tần số đóng xả van đã được hỗ trợ bằng một hệ lò xo nhằm khai thác phản lực khí nén và đặc tính cộng hưởng cơ, từ đó có thể nâng cao hiệu năng của hệ thống. Đã mô hình thí nghiệm cơ cấu va đập dùng khí nén có tích hợp rung. Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới; hoạt động đạt được chức năng. Đã thực nghiệm xác định được bộ thông số gồm tần số và khe hở va đập cho ra khoảng di chuyển lớn nhất. Các phân tích cơ hệ cho thấy, khoảng cách va đập, độ cứng của lò xo và tần số đóng xả của van khí trên ống khí nén có ảnh hưởng lớn đến khả năng chuyển động thắng các lực cản của hệ thống. Các kết quả này có thể được sử dụng hữu ích cho các nghiên cứu tiếp theo. Thực hiện: Bùi Thanh Bắc 1 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Chương 1 GIỚI THIỆU Chương 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 được. Cơ cấu rung - va đập theo phương ngang được giới thiệu trong phần 1.1. Các nghiên cứu liên quan trong lĩnh vực khai thác cộng hưởng được tóm tắt trong phần 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài sẽ được giới thiệu trong phần 1.3. Tiếp theo, phần 1.4. sẽ trình bày các kết quả chính đã đạt được của nghiên cứu này. Phần cuối cùng, phần 1.5 là cấu trúc của luận văn. 1.1. Cơ cấu rung va đập theo phương ngang Trên thế giới, khai thác rung động tích cực trong các thiết bị xây dựng công trình đã được quan tâm từ những năm 1940. Những ưu việt nổi bật của việc tích hợp rung động với va đập trong các thiết bị này đã được chứng minh là làm tăng năng suất của các máy đào/ nén đất, giảm sức cản của đất và tăng tính ổn định của hệ thống. Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung cho mô hình rung động theo phương thẳng đứng, sử dụng cơ cấu quay lệch tâm do Tsaplin đề xuất, có thành phần ngoại lực tĩnh chính là trọng lượng của chính cơ cấu. Việc khai thác nguyên lý này cho các máy móc thiết bị có hành trình theo phương ngang như máy đào ngầm ngang (moling), máy khoan ngầm (boring) còn rất bị hạn chế. Nguyên lý làm việc của một máy đào ngầm ngang được trình bày trên hình 1.1. Hình 1.1. Nguyên lý đào ngầm ngang Thực hiện: Bùi Thanh Bắc Công trình Hố đích Máy đào ngầm moling Vỏ ống Hố khởi đầu Ống dẫn khí Máy nén khí 2 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM 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. Mô hình khai thác rung-va đập theo phương ngang được Rodger và Littlejohn quan tâm từ những năm 1980 và được Lok, Neilson và Rodger tiếp tục phát triển. Các nghiên cứu tiếp theo của Wiercigroch, Pavlovskaia và Woo , Franca đã tiếp tục khẳng định tính ưu việt và hiệu quả của mô hình rung va đập theo phương ngang. Tuy vậy, trong các nghiên cứu đã thực hiện, kết cấu cơ khí tạo rung và lực va đập rất cồng kềnh, ma sát lớn. Xuất phát từ nhu cầu kích thước nhỏ gọn cho hệ cơ cấu rung ngang, một cơ cấu rung va đập có kích thước nhỏ gọn đã được Nguyễn Văn Dự giới thiệu năm 2007 và được La Ngọc Tuấn cải tiến, nâng cao hiệu năng. Tuy vậy, công suất cơ cấu đưa ra vẫn chưa đủ lớn để thắng lực cản của đất nên chưa thể áp dụng trong các máy đào ngầm ngang. Các máy đào ngầm Moling thương mại hiện nay vẫn chỉ có thể khai thác tính năng va đập thuần túy, bằng cách sử dụng các đầu búa dạng piston khí nén. Đề tài này được tiến hành nhằm chế tạo, thử nghiệm một cơ cấu mới nhằm tích hợp rung động với nguồn năng lượng phản lực khí nén, nhằm thử nghiệm khả năng tích hợp rung động với trong một cơ cấu có kích thước nhỏ. 1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây Từ những thập kỷ 40 của thế kỷ trước, các máy móc khai thác tính tích cực của rung động đã được giới thiệu và được sử dụng rộng rãi trên thế giới khi Tsaplin đưa ra mô hình cơ cấu rung - va đập sử dụng bánh quay lệch tâm. Thực hiện: Bùi Thanh Bắc 3 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Các công trình nghiên cứu của Barkan Rodger và Littejohn đã chứng minh được lợi ích rất lớn của việc tích hợp rung động với va đập. Các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng của Pavlovskaia Wiercigroch, Woo 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 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. Cho đến nay chưa có một nghiên cứu nào nghiên cứu sự chuyển động cộng hưởng của phản lực khí nén tạo ra sự rung động dịch chuyển theo phương ngang, mà đã có các nghiên cứu về cuộn cảm được tiến hành cho các dạng ứng dụng như một cơ cấu đóng mở hoặc rung động hành trình ngắn. Việc sử dụng cuộn cảm như một động cơ chuyển động thẳng khứ hồi đã được Mendrela đề xuất và nghiên cứu. Tuy nhiên, động cơ của ông chỉ được 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 được phát triển thành cơ cấu rung va đập và nghiên cứu bởi Nguyễn Văn Dự và các cộng sự. 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 được phân tích và kiểm chứng bằng thực nghiệm trong nghiên cứu của Nguyễn Văn Dự và được cải tiến bởi tác giả La Văn Tuấn. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ rõ, được tiếp tục nghiên cứu, phát triển để có thể tạo ra lực va đập lớn hơn. Một trong những hướng 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 tìm cách áp dụng nguyên tắc cộng tác dụng giữa rung động và và đập theo phương ngang một cách hợp lý nhằm cải Thực hiện: Bùi Thanh Bắc 4 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM thiện được hiệu năng của cơ cấu rung sử dụng cho máy đào ngầm ngang. Thông qua cơ cấu này phân tích đánh giá và đề xuất cho các cải tiến tiếp theo. Các mục tiêu cụ thể là: 1. Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm khảo sát khả năng tích hợp rung động cho cơ cấu va đập; 2. Thực nghiệm phân tích và đề xuất, kiểm chứng mô hình rung tích hợp va đập mới. 1.4. Các kết quả chính đã đạt được Đề tài này đã đế xuất một cơ cấu rung ngang mới mà vẫn đảm bảo tính nhỏ gọn và đơn giản của nó. Cơ cấu mới đã có khả năng thắng được lực cản cao; tốc độ dịch chuyển của nó cũng được cải thiên đáng kể. Các đóng góp mới của nghiên cứu sẽ được trình bày chi tiết trong từng chương tiếp theo. Dưới đây là các thành tựu chính mà nghiên cứu này đạt được: 1. Đã mô hình thí nghiệm cơ cấu va đập dùng khí nén có tích hợp rung. 2. Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới; hoạt động đạt được chức năng. 3. Đã thực nghiệm xác định được bộ thông số gồm tần số và khe hở va đập cho ra khoảng di chuyển lớn nhất. 1.5. Cấu trúc luận văn Luận văn được chia thành 5 chương với các nội dung chính như sau. Trong chương 1 trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực hiện đề tài. Các nghiên cứu tương tự gần đây cũng được giới thiệu tóm tắt nhằm nêu bật các kết quả đóng góp mới. Chương 2, các mô hình của các cơ cấu rung - va đập đã được sử dụng trong thực tế và trong các nghiên cứu thí nghiệm trước đây, đặc biệt là cơ cấu RLC được trình bày. Trên cơ sở đó, một số đề xuất cải tiến cơ cấu rung ngang phản lực khí nén mới được thử nghiệm. Thực hiện: Bùi Thanh Bắc 5 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Cơ cấu được cải tiến và hoàn thiện nhất được 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 được 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 được mô tả. Chương 4 trình bày quá trình thực nghiệm lựa chọn thông số làm việc các kết quả nghiên cứu, đánh giá cơ cấu rung - va đập mới. So sánh trực tiếp thông qua các chỉ tiêu tốc độ dịch chuyển của hệ thống. Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong chương 5. Thực hiện: Bùi Thanh Bắc 6 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Chương 2 PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN CƠ CẤU RUNG NGANG KHÍ NÉN 2.1. Giới thiệu Trong chương này sẽ giới thiệu về nguyên lý làm việc của các cơ cấu rung - va đập hiện có, nêu nên những vấn đề còn tồn tại, phân tích cơ cấu RLC 09. Đề xuất hướng cải tiến một cơ cấu mới rung ngang khí nén và trình bày chi tiết các cải tiến thử nghiệm. Phần 2.2 sẽ trình bày khái quát về các thiết bị rung va đập thương mại và các cơ cấu, mô hình cơ học rung - va đập mới nhất hiện vẫn còn trong giai đoạn thí nghiệm gần đây. Trong phần 2.3 sẽ phân tích cơ cấu rung - va đập mới nhất được trình bày và từ đó đề xuất nhu cầu cần cải tiến, tạo ra cơ cấu mới. Tiếp theo phần 2.4 sẽ trình bày cơ sở đề xuất cải tiến và các cải tiến thử nghiệm. Cuối cùng phần 2.5 sẽ tóm tắt các kết luận chính. 2.2. Các cơ cấu, mô hình rung va đập Như chúng ta thấy đa số các máy rung va đập thương mại hiện nay đều sử dụng mô hình bánh quay lệch tâm do Tsaplin đề xuất năm 1949(hình 2.1) Hình 2.1. Cơ cấu rung Tsaplin Cơ cấu rung - va đập này làm theo nguyên lý sử dụng bánh lệch tâm được mô tả trên hình 2.2. Thực hiện: Bùi Thanh Bắc 7 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Hình 2.2. Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm 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, 2.4). Hình 2.3. Cơ cấu rung va đập được dùng trong máy đóng cọc đứng (Theo nhà sản xuất ICE) Thực hiện: Bùi Thanh Bắc Điểm va đập Giá đỡ 8 Lò xo Cọc cần đóng Động cơ Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Hình 2.4. Sơ đồ thí nghiệm của Lok Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca [13] Thực hiện: Bùi Thanh Bắc 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 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 9 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 07 [3] 2.3. Cơ cấu rung - va đập RLC-09 Trong cơ cấu RLC 09 của tác giả La Văn Tuấn, ống dây không được cố định như trong RLC-07. (xem hình 2.7). Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 09 2.4. Đề xuất cải tiến thử nghiệm mới 2.4.1. Cơ sở đề xuất cải tiến Từ cơ sở một ống khí bị nén khi mở van khí đột ngột sẽ phụt khí bị nén tạo ra một phản lực làm cho ống khí nén lao về phía trước Thực hiện: Bùi Thanh Bắc L C R V S Chốt chặn Lõi sắt Cuộn cảm Base board Lò xo Tấm trượt 10 L C R V S Lõi sắt Cuộn cảm Tấm trượt Chốt chặn [...]... 2.4.2 Xe gn ng khớ nộn: Van xả ống khí nén Khí nén Xe di chuyển Hỡnh 2.9: Xe gn ng khớ nộn T ý tng ny, phng ỏn v gn ng khớ nộn lờn xe c hỡnh thnh, xe s di chuyn mi khi van khớ nộn x t ngt 2.4.3 C cu lũ xo cht chn Thc hin: Bựi Thanh Bc 11 Lun vn Thc s K thut Chuyờn ngnh: CN-CTM ống khí nén Van xả Khí nén chốt chặn Xe di chuyển lò xo Tấm tr ợt Hỡnh 2.10: C cu cht chn, lũ xo Khi x khớ, theo phn lc xe mang... ống khí nén Van xả Khí nén chốt chặn Xe di chuyển lò xo Tấm tr ợt Hỡnh 3.1: S nguyờn lý c cu rung ngang phn lc khớ nộn Thc hin: Bựi Thanh Bc 14 Lun vn Thc s K thut Chuyờn ngnh: CN-CTM Mụ hỡnh c cu rung ngang phn lc khớ nộn cng da trờn hin tng cng hng tn s x van khớ nộn ng khớ nộn c gn trờn bn bỏnh xe cú kh nng ln t do trờn hai ng ray dn hng Do vy, khi x khớ trong ng phn lc va p thu c t chuyn ng v va. .. ch to thnh cụng c cu rung va p mi; Vn hnh th nghim thnh cụng c cu rung va p mi hot ng t c chc nng Thc nghim xỏc nh b thụng s gm tn s v khe h va p cho ra khong di chuyn ln nht 5.2 xut cỏc nghiờn cu tip theo Trong phm vi ca ti ny, vỡ gii hn v thi gian khụng cho phộp, mc dự nghiờn cu ó ch to, vn hnh th nghim thnh cụng c cu rung va p mi v ó a ra c b thụng s gm tn s v khe h va p cho ra khong di chuyn... Tm trt ny s chuyn ng khi ng dõy va p vo cht chn Mt c cu rung - va p cho cỏc mỏy o ngm ngang theo nguyờn lý vn hnh mi ó c thit k, ch to v lm vic tt trong cỏc th nghim Mt tp hp cỏc thụng s li cho chuyn ng tin v phớa trc ca tm trt ó c xỏc nh Trc ht, ng khớ nộn x to phn lc ng ny Th hai, c cu gim thiu lc cn chng li chuyn ng ca ca ng khớ nộn v h thng lũ xo khai thỏc cng hng cho chuyn ng ny cng ó c thit lp... vn Thc s K thut Chuyờn ngnh: CN-CTM c cu rung ó cú, mt s ý tng v mt c cu rung mi dựng phn lc khớ nộn ó c xut Mụ hỡnh thc cho ý tng ny s c trỡnh by chng tip theo Thc hin: Bựi Thanh Bc 13 Lun vn Thc s K thut Chuyờn ngnh: CN-CTM Chng 3 C CU RUNG NGANG PHN LC KH NẫN 3.1 Gii thiu Chng ny trỡnh by v nguyờn lý lm vic, mụ hỡnh v cỏc bc tin hnh thit k, ch to c cu rung ngang khớ nộn Thit b v s thớ nghim kho... Cỏc thit b o v cỏch thc tin hnh thớ nghim kho sỏt ng lc hc v li ớch ca c cu mi cng c trỡnh by chi tit C cu rung va p mi c thit k da trờn nguyờn lý cng hng tn s úng x ca van khớ ni vi ng khớ nộn Phn tip theo, phn 3.2 s trỡnh by chi tit v nguyờn lý lm vic ca c cu mi Cỏc bc thit k v ch to c cu rung - va p mi c trỡnh by phn 3.3 Phn 3.4 trỡnh by v cỏc thit b o kim, thu thp d liu c s dng trong thớ nghim Quy... 3.13: (a) Lc k, (b)Phng phỏp thớ nghim o cng lũ xo Sau khi lp t ta c h thng thit b thớ nghim mụ phng cho mt mỏy o ngm ngang nh hỡnh 3.18 Hỡnh 3.18: Kt cu h thng thớ nghim rung ngang phn lc khớ nộn Thc hin: Bựi Thanh Bc 20 Lun vn Thc s K thut Chuyờn ngnh: CN-CTM 3.8 Kt lun Trong chng ny, mt c cu rung - va p vn hnh da trờn nguyờn lý hot ng ca phn lc khớ nộn, ch to v vn hnh th nghim ng khớ nộn cú th chuyn... hon ton l bc nht theo thi gian iu ny cú th cú nguyờn nhõn l, tn s dao ng ca ng dõy cha trựng vi tn s dao ng riờng ca lũ xo cho nờn h thng hot ng cha thc s n nh Cỏc nghiờn cu tip theo nờn c tin hnh nhm khai thỏc cng hng nõng cao hiu nng v tớnh n nh ca h thng Thc hin: Bựi Thanh Bc 28 Lun vn Thc s K thut Chuyờn ngnh: CN-CTM Chng 5 KT LUN 5.1 Cỏc kt qu chớnh ó t c Mt mụ hỡnh c cu rung - va p mi ó c thit... chuyn ng v va p ca ng khớ vi cht chn ng khớ chuyn ng s kộo theo xe mang ng khớ chuyn ng Mt cht chn c t chn ngang trờn ng chuyn ng ca xe v ng khớ nộn C h thng dn hng cho ng khớ nộn v cht chn c lp trờn mt tm trt Tm trt ny c thit k cú th trt trờn mt h rónh trt dn hng Ma sỏt gia tm trt v rónh trt cú th iu chnh c nh mt c cu kp (xem phn 3.3.4) phc v cho vic kho sỏt cỏc s liu thớ nghim Tớnh cng hng ca dao... vn Thc s K thut Chuyờn ngnh: CN-CTM 3 1 R4 2 ,5 2 R38.5 195 Hỡnh 3.2: ng khớ nộn Xe mang ng khớ - H thng xe v b phn dn hng c thit k (Xem hỡnh 3.3) 7 1 2 3 5 108 6 1 ống khí nén 2 Định vị trục 3 ổ bi 4 Bánh xe 5 Trục 6 Thân xe 7 Van xả khí 100 4 150 Hỡnh 3.3: C cu chuyn ng ng khớ nộn trong thớ nghim H bỏnh xe c thit k 6 2 vi vt liu nhụm hp kim (xem Thc hin: Bựi Thanh Bc ỉ1 5 29 ỉ 17 hỡnh 3.4) 2 ỉ23 16 . CN-CTM Tóm tắt Một cơ cấu rung - va đập dùng khí nén có thể sử dụng cho các máy chuyển động theo phương ngang đã được cải tiến, thiết kế mới, chế tạo, vận hành thí nghiệm, phân tích và cho ra các. 3.1 được sử dụng làm cơ sở để xây dựng các mô hình tính toán và thiết kế, chế tạo cơ cấu. 3.3. Thiết kế và chế tạo cơ cấu 3.3.1. Ống khí nén và xe mang khí nén - Ống khí nén Ống khí nén được thiết. cộng hưởng cơ, từ đó có thể nâng cao hiệu năng của hệ thống. Đã mô hình thí nghiệm cơ cấu va đập dùng khí nén có tích hợp rung. Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới; hoạt