Về mô hình động lực học hệ máy móc đặt trên phương tiện cơ giới đường bộ có lắp gối giảm dao động

Vấn đề nghiên cứu nâng cao độ tin cậy làm việc của các máy móc, thiết bị chuyên dùng đặt trên phương tiện cơ giới đường bộ chịu tác động rung động đã được nhiều nước trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Một số kết quả nghiên cứu được công bố gần đây đã minh chứng hướng nghiên cứu giảm dao động bằng phương pháp cách ly, điều khiển tích cực đem lại hiệu quả cao, phù hợp để đạt được các chỉ tiêu ổn định cho trang thiết bị trên phương tiện cơ giới này. Bài báo này trình bày kết quả xây dựng công cụ phân tích dao động của trên phương tiện cơ giới gắn gối cách ly dao động, làm cơ sở tính toán, thiết kế gối giảm chấn điện từ nhằm giảm dao động trên phương tiện cơ giới này.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 VỀ MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ MÁY MÓC ĐẶT TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI ĐƯỜNG BỘ CÓ LẮP GỐI GIẢM DAO ĐỘNG ABOUT DYNAMIC MODEL FOR MACHINE ON THE ROAD MOTOR VEHICLE WITH REDUCED VIBRATION - PILLOWS Đào Duy Trung TÓM TẮT Vấn đề nghiên cứu nâng cao độ tin cậy làm việc máy móc, thiết bị chuyên dùng đặt phương tiện giới đường chịu tác động rung động nhiều nước giới quan tâm nghiên cứu Một số kết nghiên cứu công bố gần minh chứng hướng nghiên cứu giảm dao động phương pháp cách ly, điều khiển tích cực đem lại hiệu cao, phù hợp để đạt tiêu ổn định cho trang thiết bị phương tiện giới Bài báo trình bày kết xây dựng cơng cụ phân tích dao động phương tiện giới gắn gối cách ly dao động, làm sở tính tốn, thiết kế gối giảm chấn điện từ nhằm giảm dao động phương tiện giới Từ khóa: Mơ hình động lực học, phương tiện giới đường bộ, gối đỡ giảm rung ABSTRACT The research to improve the working reliability of specialized machine and equipment on road motor vehicles affected by vibration have been interested and studied by many countries in the world Some recent published research results prove research directions to reduce vibration by active isolation and control methods, which bring about high efficiency, suitable to achieve stable targets for equipment on this motor vehicle This paper presents the results of the construction of the oscillating analysis ways on road motor vehicles, which were mouted the vibration isolation pillows as a basis for calculation and design of electric damping pillows to reduce vibration in this motor vehicles Keyword: Dynamic model, road motor vehicles, reducing vibration - pillows Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Cơng Thương Email: trungdd@narime.gov.vn Ngày nhận bài: 04/07/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/8/2019 Ngày chấp nhận đăng: 15/10/2019 ĐẶT VẤN DỀ Hiện nay, vấn đề quan trọng cần giải việc bảo đảm độ êm, độ ổn định giảm rung động máy móc, thiết bị chuyên dùng đặt phương tiện giao thông giới đường Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp tiên tiến để giảm dao động cho trang thiết bị, máy móc đặt phương tiện giới có ý nghĩa khoa học thực tiễn Trong phương pháp làm giảm dao động cho hệ thống máy, kết cấu thiết bị, phương pháp cách ly dao động thụ động sử dụng phổ biến Nguyên tắc phương pháp cách ly nguồn gây dao động kết cấu, tiêu hao phần toàn lượng nguồn kích động sinh phần tử hệ thống phần tử hấp thụ tiêu tán lượng [1] Bài báo trình bày kết phân tích dao động [2, 3] đặt phương tiện giới có gắn gối cách ly dao động, làm sở tính tốn, thiết kế gối giảm chấn điện từ nhằm giảm dao động phương tiện giới nói NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Các giả thiết xây dựng mơ hình [3, 4] Để đơn giản tốn, nghiên cứu có giả thiết: - Khối lượng thiết bị máy móc chuyên dùng xe mp dao động theo phương thẳng đứng, khơng có dao động quanh trục không gian - Dịch chuyển cầu xe xem dịch chuyển dài độc lập hai khối lượng treo đối xứng, đặt xe coi tuyệt đối cứng; - Hệ thống treo lốp xe chịu tác dụng dao động dài tuyến tính theo phương thẳng đứng Lực cản hệ tỉ lệ tuyến tính với vận tốc chuyển vị; độ cứng theo phương đứng cặp hai lốp trước hai lốp sau tương ứng 2.2 Hệ phương trình vi phân chuyển động hệ [4, 5, 6, 8] Mơ hình nghiên cứu giảm dao động cho máy móc đặt phương tiện giới đường nêu dạng mơ hình Trong đó: thiết bị có khối lượng mp lắp sàn xe qua gối giảm dao động điện từ có độ cứng kp, độ cản cp lực điều khiển tích cực Fa, vị trí cách khối tâm xe theo trục 0X 0Y xp, yp Thân xe có khối lượng m, mơ men qn tính quay quanh trục 0X Jx, mơ men quán tính quay quanh trục 0Y Jy; Hệ thống treo trước bên trái, trước No 54.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 47 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 bên phải, sau bên trái sau bên phải mơ hình hóa dạng lò xo giảm chấn có độ cứng, độ cản tương ứng k1, c1, k3, c3, k2, c2, k4, c4 Hai lốp trước xe có độ cứng k01 tương ứng hai lốp sau xe có độ cứng k02 m1z1  k1  z  aθ  Bφ  z1  c1 z  aθ  Bφ  z1  k01z1  k0t q1 (5)   m2 z  k  z  bθ  Bφ  z  (6) c2 z  bθ  Bφ  z  k 02 z  k 02 q2     z3  k01z3  k01q3 (7) m3z3  k3  z  aθ  Bφ  z3   c3 z  aθ Bφ   m z k  z  bθ Bφ  z   c  z bθ Bφ  z   k 4 4 4 z  k02q4 (8) 02 Sử dụng véctơ biến trạng thái tương ứng sau: T XX1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16 T  θ θ z1 z1 z2 z2 z3 z3 z4 z4 zp zp z z φ φ  Hình Mơ hình hệ trang thiết bị phương tiện giới đường Trạng thái động lực học hệ xác định với bậc tự gồm: zp dịch chuyển khối lượng trang thiết bị theo phương thẳng đứng; z dịch chuyển khối lượng thân xe theo phương thẳng đứng, φ chuyển động quay khối lượng thân xe quanh trục 0Y, θ chuyển động quay khối lượng thân xe quanh trục 0X dịch chuyển thẳng đứng bốn khối lượng không treo tương ứng z1, z2, z3, z4 Hệ phương trình vi phân chuyển động hệ gồm phương trình tương ứng với bậc tự do, gồm: m z  k z  z  x θ  y φ  c z  z  x θ  y φ  F  (1) p p p a   kp  zp  z  xp θ  yp φ   cp  z p  z  x p θ  yp φ  mz Fa  k1  z  aθ  Bφ  z1   c1  z  aθ  Bφ  z1  k  z  bθ  Bφ  z2   c2  z  bθ  Bφ  z  k  z  aθ  Bφ  z3   c3  z  aθ  Bφ  z  k  z  bθ  Bφ  z   c  z  bθ  Bφ  z     kp  zp  z  xpθ  ypφ yp  cp  z p  z  xpθ  ypφ  yp Jxφ Fayp  k1  z  aθ  Bφ  z1  B  c1  z  aθ  Bφ  z1 B   z  B k2  z  bθ  Bφ  z2  B  c2  z  bθ  Bφ k3  z  aθ  Bφ  z3  B  c3  z  aθ  Bφ  z  B k4  z  bθ  Bφ  z4  B  c4  z  bθ  Bφ  z  B  Jy  θ  kp  zp  z  xpθ  ypφ xp  cp  zp  z  xpθ  ypφ  xp Faxp  k1  z  aθ  Bφ  z1  a  c1  z  aθ  Bφ  z1 a k2  z  bθ  Bφ  z2  b  c2  z  bθ  Bφ  z  b k3  z  aθ  Bφ  z3  a  c3  z  aθ  Bφ  z3  a k  z  bθ  Bφ  z4  b  c4  z  bθ  Bφ  z  b  p p p p p p  p 48 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 54.2019 (9) Hệ phương trình vi phân chuyển động gồm phương trình (1)-(8) viết dạng phương trình trạng thái ma trận: X  AX  BQ  GF (10) đó: T AA1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A1   0 0 0 0 0 0 0 ; A3  0 0 0 0 0 0 0 0 ; A5  0 0 0 0 0 0 0 0 ; A7  0 0 0 0 0 0 0 0 ; A9   0 0 0 0 0 0 0  ; A11   0 0 0 0 0 0 0 ; A13   0 0 0 0 0 0 0 ; (2) A15   0 0 0 0 0 0 0 1 ; A A A A A A kB cB kB cB kB cB kB cB kpyp cpyp  A2  21 22 24 23 25 26 1 2 3 4 ;  Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx  A21    k1  k  k  k  B2  kp y 2p ; A 22    c1  c2  c  c  B2  cp y p2 ; (3) A23   ak1  bk  ak  bk  B  k p y p xp ; A24   ac1  bc2  ac3  bc4  B  cp yp xp ; A 25    k1  k  k  k  B2  k p y p ; A 26    c1  c  c  c  B2  cp y p ; (4) A A A A A A ka ca k b c b k a c a k b c b kpxp cpxp  A4  41 42 43 44 45 46 1 2 3 4 ; Jy   Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy A 41  A23 ; A 42  A24 ;   A 43   a2k1  b2k  a2 k  b2k B2  k p x p2 ; SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619   A 44   a2 c1  b2 c2  a2 c3  b2 c B2  cp xp2 ; A 45   ak1  bk  ak3  bk   k p xp ; A 46   ac1  bc2  ac3  bc   cp xp ; A A A A A A k c k c k c k c kp cp  A6  61 62 63 64 65 66 1 2 3 4   m m m m m m m m m m m m m m m m A61    k1  k  k  k  B  k p yp ; A62    c1  c2  c3  c  B  cp yp ; A63   ak1  bk  ak  bk   k p xp ; A64   ac1  bc2  ac3  bc   kp xp ;   A66    c1  c2  c3  c4  cp  ; A65   k1  k  k  k  k p ;  A8 1m1kB cB kB cB k1 c1  k1 k01 c1 0 0 0 0  A10 1m2 kB cB kB cb k2 c2 0  k2 k02  c2 0 0 0 A12 1m3 kB cB k3a ca k3 c3 0 0  k3 k01 c3 0 0  A14 1m4 k4B c4B k4b c4b k4 c4 0 0 0  k4 k02 c4 0 A16 1mp kpyp cpyp kpxp cpxp kp cp 0 0 0 0 kp cp  B  B1 B2 B3 B4  ; T B1  0 0 0 0 k01 / m1 0 0 0 0 T B  0 0 0 0 0 k02 / m2 0 0 0 T B  0 0 0 0 0 0 k01 / m3 0 0 T B  0 0 0 0 0 0 0 k02 / m4 0 Hình Mơ hình gối đỡ điện từ Trong mơ hình này: lực Fa lực tác dụng gối cách ly dao động điện từ, ma khối lượng phần di chuyển gối, Ua điện áp đặt, ka độ cứng gối, ca tham số tương ứng với độ cản gối Khối lượng phần cảm ứng nối với cuộn dây di chuyển từ trường nam châm nhờ nam châm vĩnh cửu Khối lượng di chuyển nối với sàn thông qua độ cứng ka độ cản ca Cường độ dòng điện cuộn dây xác định phương trình: Ri  L di  Ua  C1x dt đó: R trở kháng; L cảm kháng; C1x điện áp động sinh di chuyển Phương trình chuyển động phần khối lượng dịch chuyển là: ma x  ca x  k a x  F (12) đó, F lực điện từ Lực tỉ lệ với cường độ dòng điện cuộn dây theo quan hệ: F  C2i F  Fa  ; T G  0 yp / Jx xp / Jy 1/ m 0 0 0 0 1/ mp  Khi phương tiện di chuyển đường, kích động từ mặt đường nguyên nhân làm cho hệ bị dao động Các dao động đo cảm biến, tín hiệu truyền tới điều khiển, điều khiển xử lý tín hiệu lập lệnh điều khiển truyền tới gối giảm dao động điện từ Bộ điều khiển sử dụng số luật điều khiển khác PID (Programmable Integrated Diagram), LQR (Linear Quadratic Regulator) luật điều khiển thông minh [7] Để thiết kế điều khiển với mục tiêu giảm dao động cho trang thiết bị, trước hết cần phải thiết kế điều khiển gối giảm dao động điện từ sinh lực điều khiển tích cực Fa thỏa mãn tiêu giảm dao động 2.3 Mơ hình tính tốn, thiết kế gối giảm dao động điện từ [8] Mơ hình tính tốn, thiết kế gối giảm dao động điện từ trình bày hình (11) (13) Biến đổi Laplace phương trình từ (11) tới (13), ta có:   C1C2  C2  ma s   ca   s  K  X  R  sL Ua  R sL     (14) Mặt khác, định luật quán tính nên Fa  max viết dạng Laplace Fa  mas2 X Kết hợp với phương trình (4), xác định hàm truyền lực tác dụng gối cách ly dao động điện từ F điện áp đặt vào: Fa ma C2 s2 (15)  Ua maLs3   maR  caL  s2   caR  k aL  C1C2  s  k aR Như vậy, lực tích cực gối giảm dao động điện từ hoàn toàn xác định theo điện áp đặt biết tham số kết cấu gối Đối với mơ hình gối cách ly dao động cho máy móc, trang thiết bị đặt phương tiện giới hình 1, dịch chuyển phần di động là: x  z p  z  x p θ  yp φ (16) Hoặc dạng Laplace No 54.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 49 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ X  Zp  Z  xp   y p  P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 (17) Mục tiêu điều khiển gối cách ly dao động cho trang thiết bị, máy móc đặt phương tiện giới dẫn đến điều chỉnh điện áp đặt Ua để dịch chuyển nhỏ KẾT LUẬN Cách ly dao động hai phương pháp sử dụng rộng rãi để giảm dao động, nâng cao độ ổn định máy móc, thiết bị, cơng trình, trang thiết bị Đối với trang thiết bị phương tiện giới chịu kích động từ mặt đường hệ thống truyền lực việc giảm dao động đặc biệt có ý nghĩa nhằm nâng cao độ ổn định, nâng cao hệ số an toàn mở khả ứng dụng cách ly dao động tích cực, phương pháp tiên tiến việc giảm dao động, đồng thời giúp nâng cao chất lượng làm việc cho máy móc thiết bị chun dùng (ví dụ máy móc, thiết bị y tế, truyền thanh, truyền hình, khí tài cơng an, qn sự, ) Về mặt học, hệ thống treo phương tiện giới cách ly dao động Tuy nhiên, hệ thống thiết kế với mục đích chủ yếu bảo đảm độ ổn định dao động cho người hàng hoá tác động mặt đường (kích động nền) vùng tần số định, nên hầu hết hệ thống treo khơng có đặc tính phù hợp thiết bị chuyên dùng Do cần thiết phải bổ sung nghiên cứu vào vấn đề đề cập TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đông Anh, Lã Đức Việt, 2007 Giảm dao động thiết bị tiêu tán lượng NXB KH&CN, Hà Nội [2] Nguyễn Hải, 2002 Phân tích dao động máy NXB KH&KT, Hà Nội [3] Vũ Đức Lập, 1999 Dao động ô tô Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội [4] Beards C.F., Eng C., 1995 Engineering Vibration Analysis with Application to Control Systems Edward Arnold [5] Eugene I Rivin, 1999 Stiffness and Damping in Mechanical Design Madison Avenue, New York [6] Eugene I Rivin, 2003 Passive Vibration Isolation American Society Of Mechanical Engineers [7] Giancarlo Genta, 2009 Vibration Dynamics and Control Springer [8] Harold Josephs, Ronald L.H, 2002 Dynamics of Mechanical Systems CRC Press, Washington D.C AUTHOR INFORMATION Dao Duy Trung National Research Institute of Mechanical Engineering, Ministry of Industry and Trade 50 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 54.2019 ... tích cực gối giảm dao động điện từ hoàn toàn xác định theo điện áp đặt biết tham số kết cấu gối Đối với mơ hình gối cách ly dao động cho máy móc, trang thiết bị đặt phương tiện giới hình 1, dịch... gối cách ly dao động cho trang thiết bị, máy móc đặt phương tiện giới dẫn đến điều chỉnh điện áp đặt Ua để dịch chuyển nhỏ KẾT LUẬN Cách ly dao động hai phương pháp sử dụng rộng rãi để giảm dao. .. dao động, nâng cao độ ổn định máy móc, thiết bị, cơng trình, trang thiết bị Đối với trang thiết bị phương tiện giới chịu kích động từ mặt đường hệ thống truyền lực việc giảm dao động đặc biệt có