động lực học cơ cấu rung rlc

động lực học cơ cấu rung rlc

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

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong cuốn luận văn này là của bản thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn

La Ngọc Tuấn

Tháng 11 năm 2009

Lời cám ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học

của tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và

giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi cũng xin cám ơn anh Nguyễn Thuận và các kỹ thuật viên của trung tâm gia công cơ khí TTT Group đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm của đề tài này

Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và hoàn thành khóa học này

Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với người bố kính yêu của tôi - La Ngọc Viện, vì tất cả những gì mà người đã dành cho tôi Thêm nữa là em gái tôi La Thị Việt Nga, người đã đảm nhiệm thay tôi trong quá trình tôi xa nhà để tham gia khóa học này Tôi cũng muốn nói lời cám ơn tới gia đình bác Chuân - Thứ (Tích Lương - Thái Nguyên) đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thời gian tôi sống và học tập ở đây

Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp từ trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi

Tóm tắt

Qua phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tính động lực học của cơ cấu rung - va đập sử dụng mạch cộng hưởng RLC, một cơ cấu rung - va đập mới được cải tiến đã được thiết kế, chế tạo, vận hành thí nghiệm, phân tích và cho ra các kết quả tích cực hơn hẳn so với trước đây Khả năng hiện thực hóa ứng dụng của cơ cấu rung - va đập mới này trong các máy khai thác rung - va đập yêu cầu kích thước nhỏ gọn trở nên hứa hẹn hơn

Cơ cấu được cải tiến làm việc dựa trên nguyên lý cộng hưởng trong mạch điện gồm điện cảm và tụ điện mắc nối tiếp Cơ cấu dao động dựa trên nguyên lý này đã được Mendrella [1,2] giới thiệu và được phát triển thành cơ cấu rung - va đập RLC bởi Nguyễn Văn Dự [3] Tuy nhiên, cơ cấu được cải tiến trong luận văn này cho phép và khai thác chuyển động của ống dây thay vì chuyển động của lõi sắt như trong [1,2,3] Cơ cấu được thí nghiệm có thể làm dịch chuyển một khối lượng trên 6 kg với lực ma sát tăng cường thêm 60 N với vận tốc nhanh gấp 6 lần so với trước đây

Chuyển động tuần hoàn của ống dây đã được hỗ trợ bằng một hệ lò xo nhằm khai thác đặc tính cộng hưởng cơ, từ đó có thể nâng cao hiệu năng của hệ thống Các phân tích động lực học đã cho thấy, khoảng cách va đập, độ cứng của lò xo và điện áp cấp cho ống dây 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

Chương 1: GIỚI THIỆU 11

1.1 Cơ cấu rung va đập RLC 11

1.2 Các kết quả nghiên cứu gần đây 12

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 14

1.4 Các kết quả chính đã đạt được 14

1.5 Cấu trúc luận văn 15

Chương 2: PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN 17 2.1 Giới thiệu 17

2.2 Các mô hình rung va đập và hướng cải tiến 17

2.2.1 Các cơ cấu rung va đập 17

2.2.2 Cơ cấu rung - va đập RLC-07 22

2.3 Mô hình và đặc điểm các cơ cấu 24

2.4 Một số đề xuất cải tiến thử nghiệm mới 27

2.4.1 Cơ sở đề xuất cải tiến 27

2.4.2 Thử nghiệm dùng cảm biến cấp nguồn và 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 của ống dây 31

2.5 Kết luận 32

Chương 3: CƠ CẤU RUNG VA ĐẬP MỚI 33

3.1 Giới thiệu 33

3.2 Nguyên lý làm việc 34

3.2.1 Mô hình mô tả cơ cấu 36

3.2.2 Mô hình toán học 37

3.3 Thiết kế và chế tạo cơ cấu 39

3.3.1 Ống dây và 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

5.2 Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo 77

Tài liệu tham khảo 78

Phụ lục: CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC 81

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) và điện dung (C) mắc nối tiếp RLC-07 Cơ cấu rung RLC của tác giả Nguyễn Văn Dự, 2007

RLC-09 Cơ cấu rung RLC thực hiện bởi nghiên cứu này, 2009

Danh mục các hình ảnh

Hình Nội dung Trang

Hình 2.1 Cơ cấu rung Tsaplin. 18

Hình 2.2 Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm. 19

Hình 2.3 Cơ cấu rung va đập được dùng trong máy đóng cọc đứng (Theo nhà sản xuất ICE). 20

Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm của Lok. 21

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca. 22

Hình 2.6 Mô hình cơ cấu rung va đập RLC 07. 23

Hình 2.7 Lực điện từ Fm của ống dây tác dụng lên lõi sắt. 23

Hình 2.8 Mô hình hóa các cơ cấu rung.

(a) Mô hình cho bánh lệch tâm/cam của Pavlovskaia (b) Mô hình cho nam châm điện của Franca 25 Hình 2.9 Mô hình mô tả cơ cấu RLC 07. 26

Hình 2.10 Hành trình chuyển động của lõi sắt. 27

Hình 2.11 Hành trình chuyển động của lõi sắt trong phương án đưa lò xo vào cơ cấu. 28

Hình 2.12 Hành trình chuyển động của lõi thép theo phương án hai ống dây nối tiếp. 29

Hình 2.13 Quá trình chuyển động của lõi sắt ở phương án điều khiển hành trình. 30

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 09. 34

Hình 3.2 Mô hình cơ cấu rung va đập RLC-09. 36

Hình 3.3 Ống dây khi được tháo vỏ ngoài. 40

Hình 3.4 Cơ cấu chuyển động ống dây trong thí nghiệm. 41

Hình: 3.5 Bánh xe trong hệ thống thí nghiệm. 41

Hình 3.6 Hệ thống đường ray trong thí nghiệm. 42

1: Cuộn cảm 2: Định vị trục 3: Ổ bi

4: Bánh xe 5: Trục 6: Thân xe

Hình 3.7 Sống trượt dẫn hướng được lắp trên hệ thống ray. 42

Hình 3.8 Hệ thống rãnh trượt dẫn hướng. 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 và 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)Phương pháp đo độ cứng lò xo. 46

Hình 3.14 Đồ thị kiểm tra độ cứng lò xo. 48

Hình 3.15 Thử nghiệm lò xo. 48

Hình 3.16 Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ USB-6008. 49

Hình 3.17 Lắp đặt bộ phận chốt chặn khai thác lực va đập (a) khi khai thác va đập từ ống dây, (b) khi khai thác va đập từ lõi sắt. 51

Hình 3.18 Điều chỉnh lực ma sát giữa tấm trượt và hệ rãnh dẫn bằng cách thay đổi khoảng cách S. 52

giây của cơ cấu RLC-09 và cơ cấu RLC-07 tại các điều kiện

Hình 4.7 Đặc tính và hành trình chuyển động của cơ cấu RLC-09 (a) và cơ cấu RLC-07 (b) tại điều kiện tốt nhất cho từng cơ cấu 65

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5 giây tại các điều kiện làm việc của cơ cấu RLC-09 ở mức ma sát 6kg lực. 67 Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5

giây tại các điều kiện làm việc của cơ cấu RLC-07 ở mức ma sát 6kg lực. 68 Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau thời gian 5 giây của

cơ cấu RLC-09 và RLC-07 tại các điều kiện làm việc ở mức ma sát 6kg lực. 69 Hình 4.11 Dao động của lõi sắt, ống dây khi chạy tự do và ống dây khi

thực hiện va đập sinh công tại điện áp cấp vào 95V (a,c,e) và 110V (b,d,f). 71 Hình 4.12 Tần số dao động của lõi sắt, ống dây khi chạy tự do và ống

dây khi thực hiện va đập sinh công tại điện áp cấp vào 95V (a,c,e) và 110V (b,d,f). 72

Danh mục các bảng, biểu

Bảng Nội dung Trang

Bảng 3.1 Số liệu đo được của các bộ lò xo tạo cộng hưởng cho ống dây 47 Bảng 4.1 Lượng dịch chuyển sau thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-09

ứng với các mức điện áp (U) và khoảng va đập (L) khác nhau (Fms=4kg lực). 61 Bảng 4.2 Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va

đập của cơ cấu RLC-09 và lượng dịch chuyển của tấm trượt sau thời gian 5 giây (Fms=4kg lực). 62 Bảng 4.3 Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va

đập của cơ cấu RLC-07 và lượng dịch chuyển sau thời gian 5 giây (Fms=4kg lực). 63 Bảng 4.4 Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va

đập của cơ cấu RLC-09 và lượng dịch chuyển sau thời gian 5 giây (Fms=6kg lực). 67 Bảng 4.5 Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va

đập của cơ cấu RLC-07 và lượng dịch chuyển sau thời gian 5 giây (Fms=6kg lực). 68

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 khai thác cộng hưởng trong mạch R-L-C 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 RLC

Trong các máy xây dựng phổ biến như các máy đóng cọc, máy đầm đất, rung động kết hợp với va đập thường được khai thác để nâng cao công suất máy và giảm tác động xấu đến địa chất xung quanh Trong gia công cơ khí, rung động cũng được khai thác trong gia công các vật liệu cứng và dòn như kim cương, đá, gốm, hợp kim cứng…

Hầu hết các cơ cấu rung va đập truyền thống cho đến nay đều sử dụng nguyên lý bánh quay lệch tâm do Tsaplin đề xuất từ 1940 [4] Tuy nhiên, do cơ cấu này cần có kích thước lớn (đủ khoảng cách lệch tâm cần thiết để có thể gây biên độ dao động lớn), nên khả năng ứng dụng trong các máy khai thác rung động có yêu cầu kích thước nhỏ gọn là rất hạn chế Xuất phát từ nhu cầu kích thước nhỏ gọn cho hệ cơ cấu rung, một cơ cấu rung va đập có kích thước nhỏ gọn đã được giới thiệu bởi Nguyễn Văn Dự năm

2007 [3] Cơ cấu này được gọi là cơ cấu rung va đập RLC, do đặc tính khai thác khả năng gây rung động và va đập của lõi sắt chuyển động trong lòng một cuộn cảm (L) mắc nối tiếp với một điện dung (C) của mạch điện RLC Cơ cấu rung va đập khai thác chuyển động tuần hoàn của lõi sắt trong cuộn cảm đã được thiết kế, chế tạo và phân tích đặc tính động lực học lần đầu tiên năm 2007 Để nâng cao hiệu năng của nó, tác giả của nó đã sử dụng thêm hệ điều khiển dùng Rơ-le trạng thái và hệ lò xo với mục đích khai thác cộng hưởng của hệ thống Kết quả cho thấy cải tiến đã mang lại tốc độ dịch chuyển của cơ hệ tăng lên 2 lần Nghiên cứu cũng đã đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo là phân tích động lực học của cơ hệ để tiếp tục nâng cao hiệu năng của nó, nhằm hiện thực hóa ứng dụng của cơ cấu trong các hệ thống yêu cầu lực va đập lớn và kích thước nhỏ gọn

Đề tài này tiếp tục hướng nghiên cứu đó, nghiên đặc tính động lực học nhằm cải tiến và nâng cao hiệu năng của cơ cấu RLC 07 mà tác giả Nguyễn Văn Dự đã đề xuất

1.2 Các kết quả nghiên cứu gần đây

Các máy móc khai thác tính tích cực của rung động đã được giới thiệu và được sử dụng rộng rãi trên thế giới từ những năm 40 của thế kỷ trước, khi Tsaplin [4] đưa ra mô hình cơ cấu rung - va đập sử dụng bánh quay lệch tâm Các công trình nghiên cứu của Barkan [5] Rodger và Littejohn [6] 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 [7,8], Wiercigroch [9,10], Woo [11] 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 Mô hình này đã được Lok [12] giải quyết tường minh bằng toán học Dù vậy, cơ cấu này với nhược điểm ma sát lớn, làm phát sinh nhiệt cao và nhanh mòn đã cản trở việc phát triển và ứng dụng trong thực tiễn Franca và Weber [13] đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng va đập trong các máy khoan ngang sử dụng nguồn rung động làm máy tạo rung dựa trên nguyên lý nam châm điện Cơ cấu này cũng đòi hỏi kích thước máy khá lớn để có thể sinh được lực va đập đủ lớn Các ví dụ ứng dụng của nguyên lý dùng nam châm điện như chuông điện, bơm phun có thể minh hoạ rằng cơ cấu dạng này chỉ phù hợp cho ứng dụng cần biên độ rung cũng như lực va đập nhỏ

Cho đến nay các nghiên cứu về cuộn cảm được tiến hành cho các dạng ứng dụng như một cơ cấu đóng mở [14-16] hoặc rung động hành trình ngắn [17-19] Việc sử dụng cuộn cảm như một động cơ chuyển động thẳng khứ hồi đã được Mendrela [1,2] 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 [3, 20-26]

Trong nghiên cứu của Nguyễn Văn Dự, 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 Một hướng cải tiến cơ cấu bằng cách sử dụng rơle trạng thái nhằm cấp điện gián đoạn và tuần hoàn cho hệ thống đã được khảo sát chi tiết Điều kiện làm việc tối ưu của hệ thống này đã được xác định

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ rõ, cơ cấu cần 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 qua phân tích động lực học của cơ cấu RLC, cải thiện được hiệu năng của cơ cấu Thông số này được đánh giá qua khả năng hệ thống thắng được lực cản ma sát lớn hơn, cho tốc độ di chuyển lớn hơn so với kết quả cũ

1.4 Các kết quả chính đã đạt được

Đề tài này đã giải quyết được vấn đề chính được đặt ra là nâng cao hiệu năng của cơ cấu RLC mà vẫn đảm bảo tính nhỏ gọn và đơn giản của nó Cơ cấu mới đã có khả năng thắng được lực cản cao hơn 4 lần so với cơ cấu cũ; tốc độ dịch chuyển của nó cũng được nâng lên hơn 6 lần 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 phân tích và khai thác đặc tính động lực học của cơ hệ để đề xuất mô hình mới; Mô hình thí nghiệm mới này có hiệu năng cao hơn hẳn mô hình cũ;

2 Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới; 3 Đã thiết lập và thực thi các bộ thí nghiệm khẳng định ưu việt của mô

hình mới;

4 Đã khảo sát, phân tích và đánh giá đặc tính hoạt động của mô hình mới; 5 Đã xác định các hướng căn bản để tiếp tục nâng cao hiệu năng mô

hình mới dựa trên khả năng khai thác cộng hưởng của cơ hệ

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các hội nghị và tạp chí chuyên ngành sau:

1 Hội nghị khoa học quốc tế “Recent Advances in Nonlinear Mechanics” (Các tiến bộ gần đây trong Cơ học phi tuyến), Kuala

Lumpur, Malaysia, tháng 8/2009

2 Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, trang

88-91, số 74, tháng 11/2009

1.5 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia thành 5 chương với các nội dung chính như sau

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

Trong 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 cũ, được trình bày chi tiết Trên cơ sở đó, một số đề xuất cải tiến cơ cấu đã được thử nghiệm Các kết quả thử nghiệm cũng được trình bày cụ thể

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

Trong chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu, đánh giá cơ cấu

rung - va đập mới Ưu việt của cơ cấu mới so với cơ cấu cũ vận hành trong cùng điều kiện được so sánh trực tiếp thông qua 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

Phần 2.2 tiếp theo trình bày tổng quan về các thiết bị rung va đập thương mại và các cơ cấu rung - va đập hiện vẫn còn trong giai đoạn thí nghiệm gần đây Các mô hình cơ học bộ phận rung - va đập mới nhất được trình bày và phân tích ưu nhược điểm, từ đó nêu rõ nhu cầu cần cải tiến hay tạo ra cơ cấu mới được trình bày trong phần 2.3 Cơ sở đề xuất cải tiến và các cải tiến thử nghiệm được trình bày, phân tích trong phần 2.4 Phần 2.5, phần cuối cùng của chương, sẽ tóm tắt các kết luận chính

2.2 Các mô hình rung va đập và hướng cải tiến

2.2.1 Các cơ cấu rung va đập

Hầu hết các máy rung va đập thương mại hiện nay đều sử dụng mô hình bánh quay lệch tâm do Tsaplin đề xuất năm 1949 [4] (Xem hình 2.1)

Hình 2.1 Cơ cấu rung Tsaplin [4]

Nguyên lý làm việc của cơ cấu rung va đập sử dụng bánh lệch tâm được mô tả trên hình 2.2 Đúng như tên gọi của nó, cơ cấu tích hợp cả rung động và va đập để nâng cao hiệu quả hoạt động Rung động được tạo ra do lực lệch tâm phát sinh khi các bánh lệch tâm quay Cả cơ cấu dao động theo phương thẳng đứng nhờ các thanh dẫn hướng Hệ lò xo hỗ trợ cơ cấu nhằm đạt đến trạng thái cộng hưởng cơ Lúc này, biên độ dao động lớn của cơ cấu vượt quá khe hở giữa khung cơ cấu và điểm chặn, lực va đập sẽ được sinh ra Các tính toán cơ bản về lực và dao động của cơ cấu có thể được tóm tắt như dưới đây

Hình 2.2 Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm

Gọi khối lƣợng lệch tâm là m, tốc độ quay của các bánh lêch tâm là

, khoảng lệch tâm của mỗi bánh là e, thì lực tổng hợp sinh ra từ các lực

quán tính ly tâm có thể tính theo công thức:

Giá đỡ

Lò xo

Cọc cần đóng Bánh

lệch tâm

Động cơ

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)

Cơ cấu rung dùng bánh lệch tâm đòi hỏi kích thước rất lớn để có được lực tuần hoàn đủ lớn Khả năng tích hợp cơ cấu này vào các máy đào ngang không phá hủy là không khả thi Do vậy cho đến nay, các máy đào ngang thương phẩm chỉ hoạt động dựa trên nguyên tắc va đập không có rung tích hợp, sử dụng các búa hơi hoặc thủy lực Các mô hình rung - va đập dự định dùng cho máy đào ngang vẫn chỉ tồn tại trong các nghiên cứu thí nghiệm Dưới đây sẽ trình bày tóm tắt về các cơ cấu đó

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 và rung động tích hợp Mô hình này (xem hình 2.4) đã được Lok [12] nghiên cứu chi tiết về thiết kế, chế tạo và phân tích động lực học Dù vậy, cơ cấu này

với nhược điểm ma sát lớn, làm phát sinh nhiệt cao và nhanh mòn đã cản trở việc phát triển và ứng dụng trong thực tiễn

Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm của Lok [12]

Franca và Weber [13] đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng va đập trong các máy khoan ngang sử dụng nguồn rung động là máy tạo rung dựa trên nguyên lý nam châm điện (xem hình 2.5) Cơ cấu này cũng đòi hỏi kích thước máy khá lớn để có thể sinh được lực va đập đủ lớn Bộ tạo rung này (Thường gọi là các shaker) rất đắt tiền, có kích thước ngang khoảng trên 400 milimet, thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm

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

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca [13]

2.2.2 Cơ cấu rung - va đập RLC-07

Một cơ cấu rung va đập có kích thước khá nhỏ gọn, dựa trên nguyên lý mạch cộng hưởng điện RLC đã được Nguyễn Văn Dự đề xuất năm 2007 [3] Trong cơ cấu này (xem hình 2.6), cuộn cảm có kích thước đường kính ngoài 94 milimet được mắc nối tiếp với một tụ điện, được cấp điện xoay chiều có điện áp dưới 100 vôn Bằng cách lựa chọn các giá trị thích hợp của giá trị điện dung, điện cảm và điện áp được cấp, cộng hưởng điện trong ống dây gây chuyển động tuần hoàn liên tục của lõi sắt chạy trong lòng ống dây Trong thuyết minh này, cơ cấu rung - va đập mà tác giả Nguyễn Văn Dự đã công bố vào năm 2007 được gọi là RLC-07 để phân biệt với cơ cấu mới, từ đây được gọi là RLC-09

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

Hình 2.6 Mô hình cơ cấu rung va đập RLC 07 [3]

Do hiện tượng cộng hưởng điện trong mạch RLC cũng được khai thác trong đề tài này nên nó sẽ được trình bày kỹ hơn dưới đây

Hình 2.7 Lực điện từ Fm của ống dây tác dụng lên lõi sắt Fm11, Fm22 và tương hỗ của lõi sắt lên ống dây Fm12, Fm22 phụ thuộc vị trí tương đối

của lõi sắt [3]

Vị trí lõi sắt (m) Lực

điện từ (N)

(a)

(b)

Chốt chặn

L C

Lõi sắt Cuộn cảm

Tấm trượt

Cuộn cảm có chứa lõi sắt có thể chuyển động tự do trong lòng nó Tụ điện C, được mắc nối tiếp với cuộn cảm, có giá trị điện dung được chọn sao cho gây nên hiện tượng cộng hưởng điện ở gần hai đầu ống dây (xem hình 2.7)

Khi lõi sắt có vị trí tại nơi xảy ra cộng hưởng, lực điện từ tương tác giữa ống dây và lõi có giá trị rất lớn sẽ kéo lõi sắt chuyển động rất nhanh về phía điểm giữa ống dây Do quán tính, lõi sắt tiếp tục chuyển động về phía đầu kia của ống dây Tại đây, lực điện từ có giá trị lớn sẽ buộc lõi sắt dừng lại và chuyển động ngược lại Điều chỉnh các giá trị phù hợp của điện áp xoay chiều, điện cảm của ống dây và điện dung … sẽ nhận được chuyển động tuần hoàn, liên tục của lõi sắt Một chốt chặn được đặt chắn ngang trên đường chuyển động của lõi sắt Cả cuộn cảm và chốt đều được gắn cố định trên một tấm trượt Tấm trượt này có thể trượt trên bàn trượt có rãnh dẫn hướng Ma sát giữa tấm trượt và bàn trượt này có thể điều chỉnh được để phục vụ cho các khảo sát số liệu Kết quả rung động - va đập mang lại chuyển động của tấm trượt có ma sát với rãnh dẫn hướng được tăng cường, được coi như chuyển động tương tự của máy đào ngầm có lực cản của đất

Để tiếp tục nghiên cứu, phát triển mô hình động lực học cho cơ cấu rung va đập, mô hình và đặc điểm các cơ cấu đã có cần được phân tích chi tiết hơn Nội dung này sẽ được trình bày trong phần dưới đây

2.3 Mô hình và đặc điểm các cơ cấu

Mô hình hóa của cơ cấu dùng bánh lệch tâm/cam và mô hình dùng nam châm điện được trình bày trên hình 2.8

Hình 2.8 Mô hình hóa các cơ cấu rung

(a) Mô hình cho bánh lệch tâm/cam của Pavlovskaia [8] (b) Mô hình cho nam châm điện của Franca [13]

Trong mô hình 2.8a, m là khối lượng của bộ phận dao động, F là lực

tuần hoàn sinh ra tác dụng lên bộ phận đó Phản lực tương hỗ và lực cản

của bộ phận chặn được mô hình hóa bằng lò xo k và bộ giảm chấn c Ff là lực ma sát giữa toàn cơ hệ và giá Mô hình này bỏ qua khối lượng của toàn cơ hệ

Trong mô hình 2.8b, khối lượng của toàn cơ hệ được mô hình bằng

thành phần khối lượng m2, còn khối lượng của bộ phận dao động được đặc

trưng bằng thành phần m1 Giữa bộ phận dao động m1 và cơ hệ được kết nối

bằng một lò xo tuyến tính k0 Ngoài ra còn có thành phần giảm chấn c0

phản ánh mất mát trong lò xo này cũng như lực cản của không khí

Điều dễ nhận thấy trong cả hai mô hình trên là đều có sự hiện diện

của thành phần lực tĩnh B Thành phần này trong các cơ cấu treo đứng

đương nhiên có được nhờ trọng lượng của cơ cấu Tuy nhiên, trong các máy đào ngang, việc tạo các thành phần này là không khả thi Thực tế cho thấy nếu cho các thành phần này bằng không thì các cơ hệ không chuyển động tiến về một phía được Trong các thí nghiệm đã được nghiên cứu, các tác giả nói trên đều phải sử dụng đối trọng treo thông qua hệ ròng rọc để

tạo lực tĩnh ngang (xin xem hình 2.5, bộ phận số 6) Điều này dẫn đến các mô hình này không khả dụng cho máy đào hầm ngang, vì rằng không thể tạo lực ngang cố định liên tục tác dụng lên máy trong suốt hành trình dài nhiều chục mét

Mô hình rung va đập dùng cơ cấu RLC07 của tác giả Nguyễn Văn Dự đã khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này (xem hình 2.9)

Hình 2.9 Mô hình mô tả cơ cấu RLC 07 [3]

Trong mô hình RLC 07, khối lƣợng của lõi sắt dao động đƣợc biểu

diễn bằng thành phần m1, còn khối lƣợng của toàn cơ cấu đƣợc biểu diễn

bằng thành phần m2 Độ cứng va đập đƣợc mô hình hóa bằng lò xo tuyến tính k0 Ma sát trƣợt giữa lõi sắt và ống dây đƣợc biểu diễn bằng lực ma sát

Ff1 Thành phần ma sát Ff2 đặc trƣng cho lực cản của giá khi cơ hệ trƣợt

trên giá Lò xo phi tuyến k1 là mô hình hóa của lực điện từ sinh ra giữa ống dây và lõi sắt Ở các lò xo tuyến tính, lực đàn hồi của lò xo tỷ lệ thuận với khoảng cách nén hay dãn của lò xo Nhƣng lực điện từ sinh ra trong ống dây lại quan hệ với vị trí lõi sắt theo quan hệ phi tuyến mạnh (xin tham

khảo hình 2.7), do vậy, nó đƣợc đặc trƣng bằng lò xo phi tuyến k1

Với cơ cấu rung - va đập RLC-07, các nghiên cứu đã khẳng định đƣợc tính tích cực và ƣu điểm vƣợt trội của nó [3, 20 26] Tuy nhiên, công suất sinh ra của cơ cấu này còn nhỏ, chƣa đủ lớn để thắng đƣợc lực

Hình: 2.10 Hành trình chuyển động của lõi sắt

cản của đất và công suất cần thiết để nén đất trong quá trình thâm nhập vào đất Vì vậy, việc cải tiến nâng cao công suất để khai thác, ứng dụng vào thực tiễn của cơ cấu này là rất cần thiết

2.4 Một số đề xuất cải tiến thử nghiệm mới

2.4.1 Cơ sở đề xuất cải tiến

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu rung - va đập RLC-07 là khi lõi sắt ở tại vị trí một đầu ống dây (Điểm A), lực điện từ tương tác giữa ống dây

và lõi (FđtA) có giá trị rất lớn sẽ kéo lõi sắt chuyển động rất nhanh về phía điểm giữa ống dây (Điểm B) Do quán

tính (FqtA), lõi sắt tiếp tục chuyển động về phía đầu kia của ống dây (Điểm C) Tại

đây, lực điện từ (FđtC) có giá trị lớn sẽ buộc lõi sắt dừng lại và chuyển động ngược lại (xem hình 2.10) Cứ như vậy lõi sắt sẽ được chuyển động một cách tuần hoàn, liên tục

Vậy vấn đề đặt ra ở đây là trong quá trình vận hành, khi lõi sắt chuyển động từ điểm A đến điểm B, theo quán tính nó sẽ tiếp tục đến điểm C nhưng cũng bắt đầu từ điểm B lõi sắt đã bị tác động của lực điện từ tác động kéo ngược trở lại, vì vậy lõi sắt sẽ chuyển động chậm dần về điểm C, điều này cũng đồng nghĩa rằng tại điểm B vận tốc của lõi sắt đạt giá trị lớn nhất Vì thế để khai thác tối ưu công năng của cơ cấu, vị trí va đập sẽ phải là vị trí ở gần điểm B nhất, điều này cũng đã được tác giả Nguyễn Văn Dự đề cập đến [3] với phương án chọn vị trí va đập tại điểm B, nguồn điện

2.4.2 Thử nghiệm dùng cảm biến cấp nguồn và lò xo hỗ trợ

Từ ý tưởng này, phương án về một cơ cấu tương tự đã được đề xuất, nhưng việc cung cấp nguồn điện một cách gián đoạn sẽ được đảm nhiệm bởi một bộsensơ cảm biến vị trí và nó sẽ vận hành theo nguyên lý là khi lõi sắt ở tại vị trí xuất

phát A sensơ cảm biến tại điểm này sẽ đóng điện để lực điện từ của ống dây kéo lõi sắt về điểm va đập B, một sen sơ cảm biến

tại vị trí này sẽ ngắt nguồn điện cấp cho cơ cấu, lõi sắt sau khi va đập sẽ được kéo trở về vị trí xuất phát bằng một lò xo mềm, khi về đến vị trí điểm xuất phát A sensơ cảm biến tại điểm này sẽ đóng Cứ như vậy lõi sắt sẽ được chuyển động một cách tuần hoàn, liên tục (xem hình 2.11)

Với phương án này, ưu điểm về kết cấu nhỏ gọn đã được đáp ứng, vị trí va đập sẽ được đặt tại điểm có thể đạt được giá trị lực tối đa Nhưng để lõi sắt trở về được vị trí xuất phát cần phải có một lò xo liên kết giữa lõi sắt với khung hệ thống, và vấn đề kèm theo khi đặt lò xo vào cơ cấu là trong quá trình lõi sắt dịch chuyển từ vị trí A đến vị trí B lực kéo của chính lò xo

này sẽ làm giảm vận tốc của lõi sắt Ngoài ra, việc thiết kế, chế tạo hệ thống định vị và liên kết của lò xo này khá phức tạp, việc lựa chọn vật liệu đảm bảo yêu cầu kỹ thuật mà không làm ảnh hưởng đến lực điện từ của ống dây cũng rất khó khăn

2.4.3 Thử nghiệm sử dụng hai ống dây nối tiếp

Để khắc phục nhược điểm này một phương án khác đã được đặt ra, thay vì dùng lò xo để kéo lõi sắt trở về vị trí xuất phát ta có thể lắp đặt thêm một bộ ống dây khác (xem hình 2.12) Ống dây này được lắp đặt sao cho đường tâm của lõi sắt của cả hai ống phải trùng nhau và một bộ sensơ cảm biến vị trí sẽ làm nhiệm vụ điều khiển nguồn điện cấp cho ống dây này để khi lõi sắt của ống dây thứ nhất đến vị trí B ống dây thứ hai sẽ

được đóng điện để (Fđt2) kéo lõi sắt của ống dây thứ hai từ vị trí B’ về đến vị trí A’ thì ngắt điện Vì hai lõi sắt được nối cứng với nhau và khoảng cách AB = A’B’, khi lõi sắt của ống dây thứ hai đến vị trí A’ thì lõi sắt của ống dây thứ nhất đến vị trí A cũng là lúc ống dây thứ nhất được đóng

điện để (Fđt1) đưa lõi sắt về vị trí B Liên tục như vậy ta có hệ ống dây chuyển động tuần hoàn

Ở phương án này bài toán về lực đã được giải quyết rất tốt, bởi lực cản duy nhất còn tồn tại là lực ma sát trượt giữa lõi sắt và ống dây Bù lại, lực va đập của lõi được tăng lên khi có thêm khối lượng lõi sắt của ống dây

thứ hai (F=m.a) Tuy nhiên, sau khi chế tạo, lắp đặt và vận hành thử thì

thấy rằng Ở phương án này, ưu điểm vượt trội của cơ cấu rung - va đập mới là kết cấu nhỏ gọn đã bị ảnh hưởng rất nhiều bởi việc lắp thêm vào cơ cấu một ống dây Ngoài ra, việc căn chỉnh khi lắp đặt và điều khiển cho hệ ống dây này hoạt động tốt cũng khá phức tạp

2.4.4 Thử nghiệm dùng cảm biến cắt nguồn theo vị trí

Một phương án chuyên về điều khiển cũng đã được đặt ra nhằm khắc phục nhược điểm của các phương án trên Vì lực ma sát trượt giữa lõi sắt và ống dây là rất nhỏ, ta có thể dịch chuyển vị trí va đập của lõi sắt tại điểm có vận tốc lớn nhất (điểm B) đến điểm B’ và đặt các sensơ cảm biến vị trí tại các điểm A, B và B’ sao cho khi lõi sắt ở vị trí xuất phát A sensơ cảm

biến vị trí A sẽ đóng nguồn điện cho ống dây để (FđtA) làm nhiệm vụ kéo lõi sắt về B (xem hình 2.13) Tại đây sensơ cảm biến vị trí B sẽ ngắt điện,

FqtA sẽ đưa lõi sắt lao đến điểm va đập B’ Cũng tại vị trí này sensơ cảm

biến vị trí B’ sẽ đóng điện để lực điện từ (FđtB’) của ống dây đưa lõi sắt trở về B và ngắt điện lõi sắt sẽ

được lực quán tính FqtB’ đưa về vị trí xuất phát A và sensơ cảm biến vị trí A lại tiếp tục

đóng nguồn điện để (FđtA) kéo lõi sắt về B Cứ như vậy lõi sắt sẽ được chuyển động một cách tuần hoàn, liên tục

B'B

Ưu điểm lớn nhất của phương án này là cơ cấu vẫn giữ được kết cấu nhỏ gọn, lực va đập vẫn đạt được giá trị gần tối đa vì lực cản là lực ma sát trượt giữa lõi sắt và ống dây là rất nhỏ Tuy nhiên, sau khi đã chế tạo và vận hành thử thì vấn đề gặp phải là với tốc độ dịch chuyển của lõi sắt khá lớn và với khoảng cách giữa các lần đóng ngắt dòng điện cấp cho cơ cấu là rất ngắn nên không đủ thời gian để cơ cấu hoạt động ổn định

2.4.5 Khai thác rung động của ống dây

Về cơ bản, nguyên lý chuyển động của cơ cấu rung - va đập mới này là dựa trên lực điện từ sinh ra trong ống dây sẽ làm cho lõi sắt có thể chuyển động tương đối so với chính ống dây đó Theo Định luật III Newton, khi ống dây sinh một lực có xu hướng kéo lõi sắt về phía nó thì lõi sắt cũng sinh một lực để chống lại lực kéo của ống dây Điều này cũng có nghĩa rằng chính lõi sắt cũng có thể làm cho ống dây chuyển động nếu ta có thể giảm thiểu được lực cản chống lại chuyển động đó Vì thế, để khai thác chuyển động của ống dây ta cần có một cơ cấu đảm bảo sao cho ma sát trong chuyển động là bé nhất Ngoài ra, nó còn phải đảm nhiệm vai trò dẫn hướng cho chuyển động này

Chuyển động của ống dây trong thực nghiệm sơ bộ đã cho thấy ống dây luôn chuyển động ngược pha với lõi sắt và là một dao động liên tục Thử nghiệm cho ống dây va đập với một vật cản đã cho thấy kết quả sơ bộ rất khả quan Từ nhận định này, một cơ cấu hoàn chỉnh đã được thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm Cơ cấu mới đã thể hiện nhiều ưu việt so với cơ cấu cũ Thông tin chi tiết về cơ cấu mới sẽ được trình bày trong chương 3

2.5 Kết luận

Chương này đã trình bày các thông tin tổng quan về các cơ cấu rung - va đập đã có Qua phân tích nguyên lý làm việc của cơ cấu RLC-07, bốn khả năng cải tiến đã được đề xuất và thử nghiệm Kết quả cho thấy, hướng khai thác rung động của ống dây là khả thi nhất

Cơ cấu rung va đập mới được thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hưởng điện trong mạch Điện trở - Điện cảm - Điện dung mắc nối tiếp (RLC) Mặc dù cũng khai thác lực điện từ sinh ra khi cộng hưởng điện như trong cơ cấu rung va đập RLC, giới thiệu bởi tác giả Nguyễn Văn Dự năm 2007 [3] (RLC-07), nhưng cơ cấu mới này (RLC-09) khai thác rung động của ống dây thay vì của lõi sắt, và do vậy, có kết cấu và nguyên lý va đập khác

Để thuận tiện cho việc so sánh với cơ cấu cũ RLC-07, cơ cấu mới đã được thiết kế với kích thước hoàn toàn tương tự nhưng có ống dây chuyển động tự do, được kết nối với thân máy thông qua hệ lò xo nhằm khai thác cộng hưởng cơ học của hệ thống Lực điện từ tương tác giữa ống dây và lõi sắt gây dao động tuần hoàn của cả ống dây so với giá và của lõi sắt so với ống dây, tạo thành hệ dao động hai bậc tự do Cơ cấu chặn đặt ở một phía nhận động năng dao động của ống và chuyển thành lực va đập Khảo sát cho thấy cơ hệ mới có nhiều tính năng vượt trội so với phiên bản RLC-07

Phần tiếp theo, phần 3.2 sẽ trình bày chi tiết về nguyên lý làm việc của cơ cấu mới Các bước thiết kế và chế tạo cơ cấu rung - va đập mới được trình bày ở phần 3.3 Phần 3.4 trình bày về các thiết bị đo kiểm, thu thập dữ liệu được sử dụng trong thí nghiệm Quy trình lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm trình bày tại phần 3.5 Phần cuối cùng của chương, phần 3.6 sẽ tóm tắt các kết luận chính

3.2 Nguyên lý làm việc

Mô hình cơ cấu rung RLC-09 cũng dựa trên hiện tượng cộng hưởng điện trong mạch RLC (xin xem lại phần 2.3) Tuy nhiên, ống dây không được cố định như trong RLC-07 Thay vào đó, ống dây được gắn trên bốn bánh xe có khả năng lăn tự do trên hai đường ray dẫn hướng Do vậy, cả lõi sắt và ống dây đều có khả năng chuyển động tự do Lực điện từ tác dụng tương hỗ giữa ống dây và lõi sắt làm cho cả ống dây và lõi chuyển động nhưng ngược pha nhau Lực va đập thu được từ chuyển động và va đập của ống dây với chốt chặn (xem hình 3.1)

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 09

Chốt chặn Lõi sắt

Cuộn cảm

Base board

Lò xo

Tấm trượt

Trên hình 3.1, ống dây được mắc nối tiếp với một tụ điện có điện dung cố định Bằng cách chọn cặp thông số điện dung và điện áp phù hợp, lõi sắt có vị trí ban đầu ở một đầu ống dây, lõi sắt sẽ tự chuyển động mỗi khi nguồn điện được cấp cho cơ cấu Lực điện từ sinh ra trong ống dây sẽ kéo lõi sắt chuyển động rất nhanh về phía điểm giữa ống dây Do quán tính, lõi sắt tiếp tục chuyển động về phía đầu kia của ống dây Tại đây, lực điện từ có giá trị lớn sẽ buộc lõi sắt dừng lại và chuyển động ngược lại, cứ như vậy một cách tuần hoàn, liên tục Trong quá trình chuyển động, lõi sắt cũng sẽ sinh ra một lực nhằm chống lại lực kéo của ống dây và vì ống dây cũng có khả năng chuyển động tự do nên nó cũng sẽ chuyển động nhưng ngược chiều với chuyển động của lõi sắt Ống dây chuyển động sẽ kéo theo xe mang ống dây chuyển động Một chốt chặn được đặt chắn ngang trên đường chuyển động của xe và ống dây Cả hệ thống dẫn hướng cho ống dây và chốt chặn được lắp trên một tấm trượt Tấm trượt này được thiết kế để có thể trượt trên một hệ rãnh trượt dẫn hướng Ma sát giữa tấm trượt và rãnh trượt có thể điều chỉnh được nhờ một cơ cấu kẹp (xem phần 3.3.4) để phục vụ cho việc khảo sát các số liệu thí nghiệm

Tính cộng hưởng của dao động là yếu tố có thể khai thác để phát huy công năng của ống dây Vì vậy, một hệ lò xo liên kết giữa ống dây và hệ thống dẫn hướng cho ống dây được đưa vào cơ cấu để thực hiện nhiệm vụ đó

Toàn bộ lõi sắt, ống dây, hệ lò xo này được đặt lên một tấm trượt và tấm trượt này được thiết kế để có thể trượt trên hệ rãnh trượt tương ứng và có lực ma sát điều chỉnh được Kết cấu này được sử dụng để mô phỏng cho một máy đào ngầm chuyển động tương đối với đất Lực cản của đất được đặt lên máy thông qua cơ cấu điều chỉnh lực ma sát

Sơ đồ trên hình 3.1 được sử dụng làm cơ sở để xây dựng các mô hình tính toán và thiết kế, chế tạo cơ cấu

3.2.1 Mô hình mô tả cơ cấu

Mô hình mô tả cơ cấu được trình bày trên hình 3.2

Hình 3.2: Mô hình cơ cấu rung va đập RLC-09

Trong mô hình này, khối lượng của lõi sắt dao động được biểu diễn bằng thành phần m1, khối lượng của hệ thống xe bao gồm cả ống dây và lõi

sắt được biểu diễn bằng thành phần m2 Còn khối lượng của toàn cơ cấu

được biểu diễn bằng thành phần m3 Độ cứng va đập được mô hình hóa

bằng lò xo tuyến tính k0 Ma sát trượt giữa lõi sắt và ống dây được biểu

diễn bằng lực ma sát Ff1 Ff2 là thành phần ma sát đặc trưng cho lực cản của

ống dây khi trượt trên hệ thống dẫn hướng Thành phần ma sát Ff3 đặc

trưng cho lực cản của giá khi cơ hệ trượt trên giá Lò xo phi tuyến k1 là mô hình hóa của lực điện từ sinh ra giữa ống dây và lõi sắt (tham khảo hình 2.7) Hệ lò xo liên kết giữa ống dây và hệ thống dẫn hướng được mô hình

Trong trường hợp khối lượng 1, khối lượng 2 và khối lượng 3

được ký hiệu tương ứng là m1, m2 và m3 Fm là lực từ trường xuất phát từ công thức (3.8) Đặc trưng tầng điện ly H được mô tả trong công thức (3.6) Ff1 là lực ma sát khi khối lượng 1 tương tác với khối lượng 2, Ff2 là lực ma sát khi khối lượng 2 tương tác với khối lượng 3, có thể được diễn tả đơn giản như:

1 ( )sgn (3.4)

2  ( )sgn (3.5) 1 là hệ số lực ma sát 1; 2 là hệ số lực ma sát 2; g là gia tốc trọng trường; c là hệ số giảm chấn và H là đặc trưng tầng điện ly được mô tả bởi

k0 (X1 - X2 - G), (X1 - X2 - G)  0 0, (X1 - X2 - G)  0

Ff3 là lực ma sát giữa khối 3 với ray dẫn hướng và có thể được diễn

tả như



i là cường độ dòng điện thông qua cuộn dây của ống dây, có thể

được thể hiện dưới hình thức sau đây [1, 2]

Trong công thức này, R là trở kháng của cuộn dây, C là điện dung

trong mạch điện,  là vận tốc góc của nguồn cấp điện, =2f, f = 50 Hz và

Vs là nguồn cấp điện

Phương trình (2.5), (2.6) và (2,12) có thể được diễn tả như một tập hợp các phương trình xác định bằng các biến mới

u’=v; v’= 212

; ’=x; x’= 222

; y’=z; z’= 222

dtid

Tập hợp từ các phương trình đầu tiên ta thu được:

u’ = v v’ =

Trong đó: Ld =

và Ldd = 2

Mô hình toán học này có thể được sử dụng để khảo sát chi tiết các đặc tính động lực học cũng như tối ưu hóa cơ cấu trong các nghiên cứu tiếp theo

3.3 Thiết kế và chế tạo cơ cấu

3.3.1 Ống dây và xe mang ống dây

- Ống dây

Ống dây được thiết kế có kích thước tương đương với ống dây trong cơ cấu RLC-07 Bao gồm cuộn dây bằng đồng với đường kính dây Rdây = 0,5mm được quấn 2450 vòng theo hình trụ dài lôd = 60mm (xem hình 3.3) Vỏ ngoài của ống dây được chế tạo bằng thép 45 với kích thước đường kính ngoài Dvỏ = 94mm, chiều dài lvỏ = 74mm Lõi sắt có đường kính Dlõi = 28 mm, chiều dài đúng bằng chiều dài ống dây llõi = 60mm Điện cảm đo