Động lực học cơ cấu rung rlc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP *** LA NGỌC TUẤN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU RUNG RLC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN DỰ THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho khóa luận tốt nghiệp khác Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học tƣơng tự đƣợc công bố, trừ thơng tin tham khảo đƣợc trích dẫn La Ngọc Tuấn Tháng 11 năm 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Lời cám ơn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, ngƣời tận tình bảo, động viên giúp đỡ cho nhiều suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin cám ơn anh Nguyễn Thuận kỹ thuật viên trung tâm gia cơng khí TTT Group giúp đỡ việc gia công, chế tạo thiết bị thí nghiệm đề tài Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Vinh tạo điều kiện để đƣợc tham gia hồn thành khóa học Lịng biết ơn chân thành xin bày tỏ với ngƣời bố kính u tơi La Ngọc Viện, tất mà ngƣời dành cho tơi Thêm em gái La Thị Việt Nga, ngƣời đảm nhiệm thay tơi q trình tơi xa nhà để tham gia khóa học Tơi muốn nói lời cám ơn tới gia đình bác Chn - Thứ (Tích Lƣơng - Thái Ngun) chăm sóc, động viên suốt thời gian sống học tập Cuối cùng, xin cám ơn thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp từ trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Vinh hỗ trợ giúp đỡ thời gian học tập Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chun ngành: CN-CTM Tóm tắt Qua phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc đặc tính động lực học cấu rung - va đập sử dụng mạch cộng hƣởng RLC, cấu rung - va đập đƣợc cải tiến đƣợc thiết kế, chế tạo, vận hành thí nghiệm, phân tích cho kết tích cực hẳn so với trƣớc Khả thực hóa ứng dụng cấu rung - va đập máy khai thác rung - va đập yêu cầu kích thƣớc nhỏ gọn trở nên hứa hẹn Cơ cấu đƣợc cải tiến làm việc dựa nguyên lý cộng hƣởng mạch điện gồm điện cảm tụ điện mắc nối tiếp Cơ cấu dao động dựa nguyên lý đƣợc Mendrella [1,2] giới thiệu đƣợc phát triển thành cấu rung - va đập RLC Nguyễn Văn Dự [3] Tuy nhiên, cấu đƣợc cải tiến luận văn cho phép khai thác chuyển động ống dây thay chuyển động lõi sắt nhƣ [1,2,3] Cơ cấu đƣợc thí nghiệm làm dịch chuyển khối lƣợng kg với lực ma sát tăng cƣờng thêm 60 N với vận tốc nhanh gấp lần so với trƣớc Chuyển động tuần hoàn ống dây đƣợc hỗ trợ hệ lò xo nhằm khai thác đặc tính cộng hƣởng cơ, từ nâng cao hiệu hệ thống Các phân tích động lực học cho thấy, khoảng cách va đập, độ cứng lò xo điện áp cấp cho ống dây có ảnh hƣởng lớn đến khả chuyển động thắng lực cản hệ thống Các kết đƣợc sử dụng hữu ích cho nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Mục lục Lời cam đoan Lời cám ơn Tóm tắt Mục lục Các ký hiệu viết tắt Danh mục hình ảnh Danh mục bảng, biểu 10 Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 11 1.1 Cơ cấu rung va đập RLC 11 1.2 Các kết nghiên cứu gần 12 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 14 1.4 Các kết đạt đƣợc 14 1.5 Cấu trúc luận văn 15 Chƣơng 2: PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN 17 2.1 Giới thiệu 17 2.2 Các mơ hình rung va đập hƣớng cải tiến 17 2.2.1 Các cấu rung va đập 17 2.2.2 Cơ cấu rung - va đập RLC-07 22 2.3 Mô hình đặc điểm cấu 24 2.4 Một số đề xuất cải tiến thử nghiệm 27 2.4.1 Cơ sở đề xuất cải tiến 27 2.4.2 Thử nghiệm dùng cảm biến cấp nguồn lò xo hỗ trợ 28 2.4.3 Thử nghiệm sử dụng hai ống dây nối tiếp 29 2.4.4 Thử nghiệm dùng cảm biến cắt nguồn theo vị trí 30 2.4.5 Khai thác rung động ống dây 31 2.5 Kết luận 32 Chƣơng 3: CƠ CẤU RUNG VA ĐẬP MỚI 33 3.1 Giới thiệu 33 3.2 Nguyên lý làm việc 34 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM 3.2.1 Mơ hình mơ tả cấu 36 3.2.2 Mơ hình tốn học 37 3.3 Thiết kế chế tạo cấu 39 3.3.1 Ống dây xe mang ống dây 39 3.3.2 Hệ thống đường ray dẫn hướng 41 3.3.3 Hệ thống rãnh trượt dẫn hướng 43 3.3.4 Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát 44 3.4 Các thiết bị đo 45 3.4.1 Thiết bị đo chuyển vị 45 3.4.2 Thiết bị đo điện áp, điện cảm, điện dung 45 3.4.3 Thiết bị đo lực 46 3.4.4 Thiết bị thu thập liệu 49 3.5 Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm 49 3.6 Kết luận 55 Chƣơng 4: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU MỚI 56 4.1 Giới thiệu 56 4.2 Mơ tả thí nghiệm 57 4.3 Phƣơng pháp khảo sát thí nghiệm 59 4.4 Kết thí nghiệm 61 4.4.1 Mức ma sát kg lực 61 4.4.2 Mức ma sát kg lực 66 4.5 Động lực học cấu 70 4.6 Kết luận 75 Chƣơng 5: KẾT LUẬN 76 5.1 Các kết đạt đƣợc 76 5.2 Đề xuất nghiên cứu 77 Tài liệu tham khảo 78 Phụ lục: CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC 81 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Các ký hiệu viết tắt FFT Phép biến đổi nhanh Fourier (Fast Fourier Transform) LVDT Thiết bị đo chuyển vị tuyến tính (Linear Variable Displacement Transducer) RLC Mạch điện trở (R), điện cảm (L) điện dung (C) mắc nối tiếp RLC-07 Cơ cấu rung RLC tác giả Nguyễn Văn Dự, 2007 RLC-09 Cơ cấu rung RLC thực nghiên cứu này, 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Danh mục hình ảnh Hình Nội dung Trang Hình 2.1 Cơ cấu rung Tsaplin 18 Hình 2.2 Sơ đồ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm 19 Hình 2.3 Cơ cấu rung va đập đƣợc dùng máy đóng cọc đứng (Theo nhà sản xuất ICE) 20 Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm Lok 21 Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập Franca 22 Hình 2.6 Mơ hình cấu rung va đập RLC 07 23 Hình 2.7 Lực điện từ Fm ống dây tác dụng lên lõi sắt 23 Hình 2.8 Mơ hình hóa cấu rung (a) Mơ hình cho bánh lệch tâm/cam Pavlovskaia (b) Mơ hình cho nam châm điện Franca 25 Hình 2.9 Mơ hình mơ tả cấu RLC 07 26 Hình 2.10 Hành trình chuyển động lõi sắt 27 Hình 2.11 Hành trình chuyển động lõi sắt phƣơng án đƣa lò xo vào cấu 28 Hình 2.12 Hành trình chuyển động lõi thép theo phƣơng án hai ống dây nối tiếp 29 Hình 2.13 Quá trình chuyển động lõi sắt phƣơng án điều khiển hành trình 30 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu RLC - 09 34 Hình 3.2 Mơ hình cấu rung va đập RLC-09 36 Hình 3.3 Ống dây đƣợc tháo vỏ 40 Hình 3.4 Cơ cấu chuyển động ống dây thí nghiệm 41 Hình: 3.5 Bánh xe hệ thống thí nghiệm 41 Hình 3.6 Hệ thống đƣờng ray thí nghiệm 42 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Hình 3.7 Sống trƣợt dẫn hƣớng đƣợc lắp hệ thống ray 42 Hình 3.8 Hệ thống rãnh trƣợt dẫn hƣớng 43 Hình 3.9 Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát 44 Hình 3.10 Cảm biến vị trí (LVDT) 45 Hình 3.11 Bộ điều chỉnh điện áp thiết bị đo 45 Hình 3.12 Đồng hồ đo điện trở, điện cảm, điện dung OMEGA - HHM30 46 Hình 3.13 (a) Lực kế, (b)Phƣơng pháp đo độ cứng lò xo 46 Hình 3.14 Đồ thị kiểm tra độ cứng lò xo 48 Hình 3.15 Thử nghiệm lị xo 48 Hình 3.16 Bộ tiếp nhận liệu DAQ USB-6008 49 Hình 3.17 Lắp đặt phận chốt chặn khai thác lực va đập (a) khai thác va đập từ ống dây, (b) khai thác va đập từ lõi sắt 51 Hình 3.18 Điều chỉnh lực ma sát trƣợt hệ rãnh dẫn cách thay đổi khoảng cách S 52 Hình 3.19 Lắp đặt LVDT vào hệ 53 Hình 3.20 Kết cấu hệ thống thí nghiệm RLC-09 54 Hình 4.1 (a) Sơ đồ chi tiết, (b) Hình ảnh hệ thống thiết bị thí nghiệm 57 Hình 4.2 Đồ thị chuyển động cấu RLC-09 lần lấy số liệu 80V điện áp cấp vào khoảng va đập 3mm 59 Hình 4.3 Đồ thị chuyển động cấu RLC-09 với khoảng va đập 80V điện áp cấp vào 60 Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian giây cấu RLC-09 điều kiện làm việc 63 Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian giây cấu RLC-07 điều kiện làm việc 64 Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian giây cấu RLC-09 cấu RLC-07 điều kiện làm việc 64 Hình 4.7 Đặc tính hành trình chuyển động cấu RLC-09 (a) cấu RLC-07 (b) điều kiện tốt cho cấu 65 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian giây điều kiện làm việc cấu RLC-09 mức ma sát 6kg lực 67 Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian giây điều kiện làm việc cấu RLC-07 mức ma sát 6kg lực 68 Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau thời gian giây cấu RLC-09 RLC-07 điều kiện làm việc mức ma sát 6kg lực 69 Hình 4.11 Dao động lõi sắt, ống dây chạy tự ống dây thực va đập sinh công điện áp cấp vào 95V (a,c,e) 110V (b,d,f) 71 Hình 4.12 Tần số dao động lõi sắt, ống dây chạy tự ống dây thực va đập sinh công điện áp cấp vào 95V (a,c,e) 110V (b,d,f) 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Tài liệu tham khảo [1] Mendrela E.A and Pudlowski Z.J.; Transients and dynamics in a linear reluctance selfoscillating motor; IEEE Transactions on Energy Conversion, 7(1), pp 183-191, 1992 [2] Mendrella,E.A., (1999), Comparision of the performance of a linear reluctance oscillating motor operaring under ac supply with one under dc supply, IEEE Transactions on Energy Conversion,14(3), pp 328-332 [3] Nguyễn Văn Dự, Nonlinear Dynamics of Electro-Mechanical Vibro-Impact Machines, Luận án Tiến sỹ, Đại học Nottingham [4] Erofeev L.V., Russian Impact-Vibration Pile driving Equipment Available online at http://www.vulcanhammer.net/info/udarvib.php [5] Barkan, D.D (1962), Dynamics of Bases and Foundations, McGraw-Hill, New York [6] Rodger A.A and Littlejohn G.S (1980), A study of vibratory driving in granular soils, Geotechnique, 30, 269, [7] Pavlovskaia E., Wiercigroch, M and Grebogi, C, (2001), Modelling of an impact system with a drift, Phys Rev E 64, 056224 [8] Pavlovskaia E, Wiercigroch M, Woo K.-C, Rodger A.A, (2003) Modelling of Ground Moling Dynamics by an Impact Oscillator with a Frictional Slider, Meccanica 38: pp 85-97 [9] Wiercigroch M., Krivtsov A and Wojewoda, J IN (2000) Nonlinear Dynamics and chaos of mechanical systems with discontinuities (M.Wiercigroch and B de Kraker, editors), Singapore: World Scientific, Dynamics of high frequency percussive drilling of hard materials [10] Wiercigroch M.,Wojewoda J and Krivtsov A.M (2005) Dynamics of ultrasonic percussive drilling of hard rocks, Journal of Sound and Vibration, 280(35):739-757 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 78 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật [11] Woo, K.-C., Rodger, Chuyên ngành: CN-CTM A.A., Neilson, R.D and Wiercigroch, M., (2000)Application of the harmonic balance method to ground moling devices operating in periodic regimes, Chaos, Solitons Fract, 11(15), 2515-2525 [12] Lok, H.P., Neilson, R.D and Rodger, A.A.,(1999) Computer-based model of vibro-impact driving, in: Proceedings of ASME DETC: Symposium on Nonlinear Dynamics in Engineering Systems, Las Vegas [13] Franca L.F.P., Weber H.I.,(2004) Experimental and numerical study of a new resonance hammer drilling model with drift, Chaos, Solitons and Fractals 21, 789-801 [14] Miller C., Bredemyer L (2006), Innovative safety valve selection techniques and data Journal of Hazardous Materials, (in print) [15] Topcu E.E, Yuksel I, Kamis Z (2006), Development of electro-pneumatic fast switching valve and investigation of its characteristics Mechatronics 16, pp 365–378 [16] Ahn K., Yokota S.,(2005), Intelligent switching control of pneumatic actuator using on/off solenoid valves Mechatronics 15, pp 683–702 [17] Kallenbacha E., Kubea H., Zoe ppiga V., Feindta K., Hermannb, Beyerb F (1999), New polarized electromagnetic actuators as integrated mechatronic components – design and application Mechatronics 9, pp 769-784 [18] Gomis-Bellmunt O., Galceran-Arellano S., Andreu A.S., Montesinos-iracle D., Campanile L.F.,(2006), Linear electromagnetic actuator modeling for optimization of mechatronic and adaptronic systems Mechatronics 17:153-163 [19] Rashedin R and Meydan T., (2006) Solenoid actuator for loudspeaker application Sensors and Actuators A 129, pp 220–223 [20] Nguyễn Văn Dự (2007), Mơ hình nghiên cứu động lực học cấu rung va đập mới, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ, Đại học Thái Nguyên; 4(44) Tập 1; 10/2007 trang 39-44 [21] Nguyen Van Du and Ko Choong Woo (2005), Experimental investigation of frictional characteristics of vibro-impact moling, IMA International Conference Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 79 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Recent Advances in Nonlinear Mechanics Aberdeen, UK, Book of abstract, Springer 2005 [22] Jee-Hou Ho, Nguyen Van Du and Ko-Choong Woo,( 2007) Nonlinear dynamics and chaos of new electro-vibroimpact system; Chaos, Solitons and Fractals; Accepted December; in press [23] Nguyen Van Du and Woo Ko Choong(2007), New and effective vibro-impact mechanism, International conference, Advance Problems in Mechanics, St Peterburg (Russia), June 2007, pp 459-471 [24] Nguyen Van Du and Ko-Choong Woo, (2008) New electro-vibroimpact system, Journal of Mechanical Engineering Science, Vol 222, No (2008), pp 629-642 [25] Nguyen Van Du and K-C Woo,( 2008) Nonlinear dynamic responses of new electro-vibroimpact system, Journal of Sound and Vibration; Volume 310, Issues 4-5, March 2008, pp 769-775 [26] Nguyen Van Du, Ko Choong Woo and Pavlovskaia E (2007), Experimental study and mathematical modelling of a New of vibro-impact moling device, International Journal of Nonlinear Mechanics, vol 43 (2008), issue 6, pp 542-550 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 80 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM PHỤ LỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 81 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 82 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 83 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 84 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 85 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 86 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 87 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 88 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 89 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 90 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 91 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chuyên ngành: CN-CTM http://www.lrc-tnu.edu.vn 92 ... Transducer) RLC Mạch điện trở (R), điện cảm (L) điện dung (C) mắc nối tiếp RLC- 07 Cơ cấu rung RLC tác giả Nguyễn Văn Dự, 2007 RLC- 09 Cơ cấu rung RLC thực nghiên cứu này, 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu... CN-CTM 2007 [3] Cơ cấu đƣợc gọi cấu rung va đập RLC, đặc tính khai thác khả gây rung động va đập lõi sắt chuyển động lòng cuộn cảm (L) mắc nối tiếp với điện dung (C) mạch điện RLC Cơ cấu rung va đập... 2.1 Cơ cấu rung Tsaplin [4] Nguyên lý làm việc cấu rung va đập sử dụng bánh lệch tâm đƣợc mơ tả hình 2.2 Đúng nhƣ tên gọi nó, cấu tích hợp rung động va đập để nâng cao hiệu hoạt động Rung động