Nghiên cứu phát triển mô hình thiết bị tự di chuyển nhờ rung động TT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP N T NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH THIẾT BỊ TỰ DI CHUYỂN NHỜ RUNG ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã Số: 52 01 03 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ THÁI NGUN – NĂM 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Dự Phản biện 1: ………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………… hản iện 3:………………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường Họp tại: …………………………………………………………… Vào hồi ……… ……… ngày … tháng … năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện uốc gi - Trung t m Học iệu, Đại học Thái Nguyên - Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU I Tí h p thiết Trong đời sống, thiết bị tự di chuyển (tự hành) thường hiểu thiết bị có khả tự di chuyển mà không nhận ượng trực tiếp g y chuyển động từ ên Các thiết bị tự hành sử dụng rộng rãi công nghiệp nhằm đáp ứng u cầu hoạt động mơi trường khó khăn cho việc can thiệp trực tiếp người, điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn công tác cứu hộ, kiểm tra hầm ị, chẩn đốn đường ống ngầm h y đào đường ống ngầm x y dựng [1] Những năm gần đ y, xu hướng phát triển thiết bị tự hành ( utogenous mo i e systems ocomotion systems) có kích thước nhỏ (cỡ viên n ng thuốc) nhằm ứng dụng y học, chẳng hạn vận chuyển thuốc hệ tiêu hó , nội soi… đ ng thu hút nhiều cơng trình nghiên cứu [2-6] (a) (b) n Ví dụ thiết bị có cấu dẫn động ngồi (a) k ơng có cấu dẫn động ngồi (b) Theo qu n điểm nguyên tắc dẫn động, thiết bị tự di chuyển chi thành h i nhóm ớn: nhóm thiết bị có cấu dẫn động ngồi nhóm thiết bị khơng có cấu dẫn động ngồi Hình minh họ ví dụ h i nhóm Nhóm có cấu dẫn động ngồi (xem ví dụ Hình 1a [7]) kh i thác tương tác ực giữ cấu dẫn động ( ánh xe, ch n ám) với bề mặt môi trường để tạo chuyển động cho thiết bị tự hành [7-10] Nhóm khơng có cấu dẫn động ngồi (Xem minh họ Hình 1b [11]) kh i thác tương tác ực giữ th n (vỏ) môi trường để tạo chuyển động Các thiết bị dạng hoạt động nhờ lực qn tính tác động ên vỏ rơ- ốt, g y nên ởi hay nhiều khối ượng d o động ên trong, thường gọi "thiết bị tự di chuyển nhờ rung động" (Vibration-driven locomotion system) Nghiên cứu thiết bị tự di chuyển khơng có cấu dẫn động ngồi đ ng thu hút nhiều nghiên cứu Do không cần cấu dẫn động ên ngoài, toàn ộ hệ thống đóng gói hình dạng trơn nhẵn, kích thước nhỏ gọn, di chuyển nhiều dạng bề mặt mơi trường có mật độ cản khác nh u Các thiết bị có khả ứng dụng nhiều ĩnh vực khác nhau, trải rộng từ công nghiệp x y dựng [1, 12, 13] đến rô-bốt nội soi [3, 5, 6, 14] Nghiên cứu thiết bị dạng tiến hành nhiều góc độ, chẳng hạn xử ý ài tốn thiết kế, mơ hình hó thực nghiệm kiểm chứng [15-22]; ph n tích động lực học [23-28]; tối ưu hó tốc độ di chuyển điều khiển chuyển động [26, 29-36] v.v Để nhận chuyển động di chuyển củ toàn hệ, khối ượng ên cần chuyển động tương vỏ thiết bị dự h i nguyên tắc: 1) khối ượng d o động tuần hồn khơng có v đập với vỏ; 2) khối ượng d o động tuần hoàn có v đập với vỏ Khi thiết kế theo nguyên tắc thứ nhất, khối ượng d o động chu kỳ thiết phải tu n theo quy luật th y đổi gia tốc nhiều ph , thiết lập xác ([26, 37-39]) Nếu chuyển động tương đối khối ượng d o động d o động điều hị , hệ dịch chuyển có hướng lực cản củ môi trường dị hướng, tức m sát theo chiều nhỏ m sát theo chiều [19, 27, 30, 40, 41] Xu hướng thiết kế dự nguyên tắc thứ h i nghiên cứu nhằm tránh phức tạp vấn đề điều khiển chuyển động khối ượng d o động Lực quán tính th y đổi đột ngột v đập kh i thác nhằm tạo dịch chuyển củ hệ [42] Chuyển động tuần hoàn đơn giản khối ượng ên thực nhờ cấu cam [12], n m ch m điện mạch cộng hưởng RLC [13, 43], thiết bị điện từ [44, 45], động tuyến tính [21] động rung [28, 34] Cơ hệ hoạt động theo nguyên tắc có nhược điểm có ứng xử phi tuyến mạnh, nhạy với th m số nhiễu Thêm nữ , kh i thác v đập giữ khối ượng vừ đòi hỏi bổ sung phận tiếp nhận v đập, vừ g y tiếng ồn rung động ảnh hưởng xấu đến mơi trường Do vậy, ài toán thiết kế ph n tích ứng xử động lực học cho hệ tự di chuyển nhờ rung động đ ng ài toán mở, nhằm phát huy ưu điểm, khắc phục giảm thiểu tồn củ h i nguyên tắc nêu Có thể thấy, ài tốn thiết kế ph n tích ứng xử động lực học cho hệ tự di chuyển nhờ rung động đ ng ài toán mở Bên cạnh đó, ảnh hưởng củ m sát tham số àm việc đến ứng xử học củ hệ chư qu n t m s u Do vậy, nghiên cứu phát huy ưu điểm, khắc phục giảm thiểu tồn củ h i nguyên tắc nêu nhằm định hướng ứng dụng rô- ốt nội soi vấn đề cấp thiết n y Luận án thực nhằm đề xuất, thử nghiệm triển kh i ph n tích, đánh giá chi tiết ứng xử động lực học hệ tự di chuyển Cơ hệ vừ tránh nhược điểm hệ v đập, vừ không cần áp dụng giải thuật điều khiển chuyển động phức tạp hệ trước đ y Ngồi r , ài tốn đánh giá ứng xử củ hệ điều kiện m sát khác nh u qu n t m ph n tích cách chi tiết nghiên cứu II Mụ tiê , đối tƣợ phạm vi hiê ứu II.1 Mục tiêu Mục tiêu củ nghiên cứu thiết kế, chế tạo mơ hình thực nghiệm cải tiến thiết bị tự di chuyển ph n tích ứng xử động lực học cho thiết bị Các mục tiêu cụ thể à: - Đề xuất, kiểm chứng mơ hình không cần sử dụng giải thuật điều khiển phức tạp, đồng thời có ứng xử động lực học ình ổn hơn; - h n tích động lực học nhằm đánh giá đặc tính hoạt động củ hệ; - Khảo sát ảnh hưởng củ m sát biến số II.2 i u hiê cứu - Cập nhật, ph n tích, đánh giá tình hình nghiên cứu thiết bị tự di chuyển nhờ rung động; - Thử nghiệm số đề xuất cải tiến, lựa chọn mơ hình khả dụng; - Thiết kế, chế tạo hệ thống thí nghiệm cho mơ hình chọn; - hát triển mơ hình tốn học mơ tả hệ; - Thực nghiệm kiểm chứng mơ hình; - h n tích ứng xử động lực học hệ; - Công ố kết nghiên cứu tạp chí uy tín nước quốc tế III Phƣơ pháp hiê ứu Các phương pháp nghiên cứu s u đ y sử dụng luận án: - hương pháp nghiên cứu tài iệu: cập nhật tình hình nghiên cứu th m khảo, học hỏi từ nghiên cứu trước; - hương pháp mơ hình hó : x y dựng hệ phương trình tốn học mơ tả quan hệ động lực học củ hệ; - hương pháp thực nghiệm: triển khai hệ thống thí nghiệm, thu thập ph n tích liệu nhằm kiểm chứng mơ hình tốn; - hương pháp ph n tích động lực học: áp dụng phương pháp ph n tích quỹ đạo pha, đồ oinc ré, đồ thị rẽ nhánh… để ph n tích ứng xử động lực học hệ IV Ý hĩ kho h ý hĩ thực tiễn củ đề tài IV.1 Ý hĩa khoa học Luận án thành công việc đề xuất mơ hình ý thuyết kiểm chứng thực nghiệm hệ thống thiết ị tự di chuyển nhờ rung động Thiết ị hoạt động ổn định, ứng xử động ực học đơn giản, sử dụng phương pháp kích thích đơn giản nhiều so với hệ thống trước đ y Kết nghiên cứu đóng góp kiến thức, àm phong phú thêm kết thu ĩnh vực khoa học chuyển động củ hệ điều khiển khối ượng d o động ên IV.2 Ý hĩa thực tiễn Mơ hình thiết ị tự di chuyển đề xuất ởi uận án sử dụng phương pháp kích thích nử sin đơn giản, dễ dàng điều khiển chiều chuyển động nhờ việc th y đổi tần số kích thích Mơ hình thực nghiệm kiểm chứng chuyển đổi thành mơ hình tốn khơng thứ ngun, cho phép ph n tích chi tiết ảnh hưởng củ thông số đến ứng xử động ực học vận tốc chuyển động Các kết tạo sở cho việc triển kh i nghiên cứu ứng dụng thực tiễn, hướng tới nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị tự di chuyển kh i thác rung động thực tế, chẳng hạn ro ot nội soi điều khiển V Nhữ óp củ đề tài Nghiên cứu m ng ại đóng góp s u: - Đã đề xuất kiểu thiết bị tự di chuyển mới; thiết kế, chế tạo mơ hình thực nghiệm dùng cho nghiên cứu hệ Thiết bị tự di chuyển nhờ rung động túy, áp dụng giải pháp kích thích đơn giản so với thiết bị trước đ y; - Kết ph n tích động lực học thiết bị cho thấy, hệ đề xuất có ứng xử động lực học đơn giản nhiều so với hệ trước đ y VI C trú ội dung luậ Luận án trình ày theo kết cấu gồm phần Mở đầu ốn chương hần Mở đầu giới thiệu tóm tắt tính cấp thiết củ đề tài, phương pháp nghiên cứu, mục tiêu nội dung đóng góp luận án Chương trình ày thơng tin tổng qu n tài iệu từ công bố khoa học gần đ y thiết ị tự di chuyển, qu àm r ngữ cảnh phát sinh, khoảng trống kiến thức tính cấp thiết củ đề tài Chương trình ày số kiến thức, phương pháp kho học sử dụng àm sở triển kh i nghiên cứu thiết ị tự di chuyển đề tài Tiến trình thiết kế, triển kh i thử nghiệm hệ thống thí nghiệm dùng cho nghiên cứu trình ày Chương Tiếp theo, Chương trình ày nội dung phát triển mơ hình tốn mơ tả hệ thống đề xuất, kết thực nghiệm kiểm chứng, ph n tích động lực học đánh giá hệ thống Cuối phần Kết uận hướng nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT Ị TỰ I CHU ỂN 1.1 N ê t hoạt độ ủ thiết tự i h ể 1.1.1 hi t tự i chu c c c u o i Không thuộc phạm vi nghiên cứu củ đề tài 1.1.2 hi t tự i chu kh c c c u o i Dự h i nguyên tắc: (1) kh i thác rung động củ khối ượng (2) kh i thác rung động có v đập giữ khối ượng 1.2 Cá hiê ứ thiết b tự i h ể hờ r độ kh ó v đập Được đề xuất ởi Chernous ko năm 2002 1.3 Cá hiê ứ m h h hệ thố tự i h ể hờ r độ ó v đập Được đề xuất ởi v ovsk i cộng năm 2001 1.4 ết ậ Chƣơ u ph n tích cơng ố khoa học gần đ y ĩnh vực, thấy, nghiên cứu thiết bị tự di chuyển nhờ rung động đ ng tiếp tục hướng nhận nhiều qu n t m Các nghiên cứu tiếp cận theo nhiều khí cạnh khác nh u: đề xuất thiết kế mới, chế tạo mơ hình thử nghiệm, phát triển mơ hình giải thuật điều khiển, cải tiến cấu tạo rung động, ph n tích động lực học hệ… Một số vấn đề đ ng ài tốn mở cho nghiên cứu rút r s u: - Thiết bị tự di chuyển nhờ rung động khơng có v đập có kết cấu khí đơn giản, khơng phát sinh tiếng ồn àm việc đòi hỏi giải thuật thiết bị điều khiển d o động khối ượng ên phức tạp; việc đảm bảo cấu chấp hành thực thi xác biến thiên gi tốc mong muốn không dễ dàng - Thiết bị tự di chuyển nhờ rung động có v đập có kết cấu khí phức tạp hơn, khơng địi hỏi giải thuật thiết bị điều khiển phức tạp, ại phát sinh tiếng ồn àm việc, đồng thời ứng xử động lực học phức tạp Điều đòi hỏi cần lựa chọn th m số kết cấu thông số vận hành thật cẩn thận để nhận chuyển động mong muốn - Số ượng nghiên cứu thực nghiệm không nhiều Trong số đó, có nghiên cứu qu n t m đến ảnh hưởng củ cường độ lực ma sát, dừng mức độ định tính cho h i cấp m sát lớn m sát nhỏ Ảnh hưởng tương tác lực m sát ực kích thích chư nghiên cứu cách định ượng cho nhiều cường độ m sát khác nh u - Cho đến n y, chư có kết nghiên cứu áp dụng vào viên n ng nội soi thực tế Việc triển khai ứng dụng cịn phí trước Từ nhận định trên, khẳng định mục tiêu nghiên cứu đặt r đắn Kết nghiên cứu có đóng góp cụ thể s u: - Đề xuất kiểm chứng mơ hình thiết bị tự di chuyển nhờ rung động mới, không kh i thác tượng v đập, không yêu cầu giải thuật thiết bị điều khiển phức tạp; tránh h i nhược điểm h i mơ hình có khơng có v đập trước đ y; Việc khảo sát định ượng ảnh hưởng củ cường độ lực m sát ớn hay nhỏ cách tương đối so với lực kích thích góp phần bổ sung kiến thức sở cho nghiên cứu phát triển ứng dụng thực tế s u Các nội dung nghiên cứu triển khai trình ày chương CHƢƠNG CƠ SỞ HO HỌC NGHIÊN CỨU THIẾT Ị TỰ I CHU ỂN NHỜ RUNG ĐỘNG 2.1 M h h hó thiết tự i h ể 2.1.1 h hv t 2.1.2 h h to học 2.2 Ph tí h độ ự h tro miề thời i 2.3 Ph tí h độ ực h c bằ đ th ph đ Poi r 2.3.1 h t ch th 2.3.2 oi ca 2.4 Ph tí h độ ự h ằ đ th r há h 2.5 Cá ụ ph tí h độ ự h ằ i i tí h ố 2.5.1 h 2.5.2 h a ic 2.5.3 h OriginLAB 2.6 Kết luận Chƣơ Chương tóm tắt cách thức mơ hình hó , o gồm mơ hình vật ý từ x y dựng mơ hình tốn mơ tả chuyển động củ thiết ị tự di chuyển nhờ rung động v đập Nói chung, phương trình tốn học mơ tả chuyển động củ thiết bị tự di chuyển nhờ rung động hệ phương trình vi ph n có tính phi tuyến mạnh Một số phương pháp phù hợp để ph n tích động ực học cấu tự di chuyển nhờ rung động v đập, o gồm khảo sát đồ thị biến thiên theo thời gi n, đồ thị ph , đồ thị rẽ nhánh ản đồ oinc ré trình ày Một số cơng cụ giải tích số thích hợp cho ài tốn động lực học có tính phi tuyến mạnh, phần mềm miễn phí, có khả cung cấp ời giải số nhanh xác, cộng đồng nhà kho học ĩnh vực kh i thác giới thiệu tóm tắt Dự sở khoa học tham khảo từ nghiên cứu trước ứng dụng công cụ để phát triển nghiên cứu, kết triển khai trình ày chương tiếp sau CHƢƠNG ỰNG HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 3.1 ê ủ hệ thố thí hiệm 3.2 Kết c khí ho hệ thố thí hiệm Trên sở tham khảo mơ hình thí nghiệm nghiên cứu trước, kết hợp với thông tin khảo sát từ nhà cung cấp thiết bị, sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm đề xuất Hình 3.1 Trên Hình 3.1 , khối ượng th n thiết bị (1) chứa khối ượng d o động (2) H i khối ượng đặt hệ r y trượt (3) Ống cacon (4) cặp gá (5) sử dụng để th y đổi lực cản m sát Cảm biến khoảng cách (6) cảm biến dịch chuyển (LVDT) sử dụng để đo chuyển động củ khối ượng (a) (b) n 3.1 Sơ đồ nguyên lý ệ thống t í ng iệm đề xuất (a) ảnh chụp hệ thống triển khai (b) 3.2.1 B tạo rung (shaker) (a) (b) 1- n 3.2 ết cấu mini shaker: o tấm; 2- rục; 3- am c m v n c u; 45- uộn d y; 6- p; 7- ối lượng dao động n; 11 th n cấu trạng thái đứng n; (3) Lực kích thích ằng khơng, khối ượng quán tính m1 chuyển động theo chiều ngược lại nhờ tác dụng lực đàn hồi củ ò xo Lực quán tính ớn xuất khối ượng m1 đổi hướng àm cho th n cấu m2 chuyển động trượt phí trước; (4) Lực kích thích khơng, khối ượng m1 tiếp tục chuyển động ùi phí s u Kết thúc gi i đoạn này, khối ượng m1 bắt đầu chuyển động tịnh tiến phí trước nhờ ực đàn hồi củ ị xo Lực kích thích đầu tăng từ khơng chu kỳ đầu (a) (b) (c) n 4.1 s t iết kế: mô n vật lý (a); mô n ma sát oulomb (b) d ng sóng n a sin c a l c kíc t íc (c) 4.1.2 i hi h h h h h i i t ch Mơ hình tốn mơ tả hệ thống:  d X1  dX dX  m1 dt  Fe  k  X  X   c dt  dt      m d X   F  k  X  X   c dX  dX   F sgn  dX  e r  dt dt   dt  dt  (4.1) Trong đó, d()/dt biểu thị đạo hàm theo thời gian Lực kích thích nử sin biểu diễn dạng hàm s u:  F sin 2ft , sin 2ft   Fe   (4.2) 0 , sin 2ft   Trong đó, F0 f ần ượt iên độ tần số ực kích thích Kết kiểm chứng nh nh mơ hình thể Hình 4.2 ràng, chu kỳ kích thích, khối ượng quán tính m1 trải qu ốn gi i đoạn chuyển động nhờ đó, thiết ị tiến phí trước (a) (b) 12 n 4.2 (a) t ị time istory c uyển động c a k ối lượng quán tín c a t n cấu l c kíc t íc e; (b) bốn giai đo n c uyển động c a k ối lượng quán tín c uyển động c a t n cấu c u k kíc t íc 4.1.3 h h h a h th tự i chu h u  d X1  dX dX  m1 dt  Fe  k1  X  X   k  X  X   c dt  dt      d X dX dX    dX  m   Fe  k1  X  X   k  X  X   c    Ff sgn   2  dt dt dt    dt   (4.3) Để mở rộng kết s ng kích cỡ khác nh u thiết kế, hệ phương trình (4.3) chuẩn hó ằng cách áp dụng iến tham số khơng thứ ngun phương trình (4.5), tương tự iến đổi thực Chương    0t; x1  k1 k k  X ; x2  X ;   ;   ; Ff Ff m1 0 c A k F   ;   ;    f 2m1 Ff k1  k1  m  ;   ; m1  (4.5) Hệ phương trình khơng thứ ngun mơ tả chuyển động củ khối ượng quán tính m1 th n cấu m2 nhận có dạng:  d x1  dx dx    sin( )  ( x1  x2 )   ( x1  x2 )3  2      d d   d   d x  dx dx   dx      sin( )  ( x1  x2 )   ( x1  x2 )3  2     sgn    d  d d   d    4.2 Thí hiệm kiểm m h h (4.6) 13 4.2.1 hi t th hi ảng 4.1 ác t Th m ố Khối ượng quán tính Khối ượng th n cấu Độ cứng tuyến tính củ ị xo Độ cứng ậc củ ò xo Hệ số giảm chấn Biên độ ực kích thích Lực m sát Tần số kích thích ơng số t í ng iệm ý hiệ Giá tr Đơ v m1 0.518 kg m2 1.513 kg k1 6068.1908 N/m k2 2.0598x108 N/m3 c 8.5845 Ns/m A 6.469 N Ff 2.02; 6.6 N f Hz [3  25] 4.2.2 t u ki h h Để kiểm chứng mơ hình đề xuất, liệu thực nghiệm so sánh trực tiếp với kết giải tích số củ hệ phương trình (4.3) với th m số xác định Trước hết, kết đánh giá, so sánh cho số tần số kích thích ứng với cường độ ực m sát nhỏ, Ff 2.02N S u đó, kết đối chứng thực cho tần số khác nh u, ứng với h i mức m sát, Ff 2.02N Ff = 6.6N 4.2.2.1 iểm c ng mô n t i số t n số kíc t íc Từ đồ thị time history (các Hình 4.3, 4.4, 4.5 4.6) nhận thấy r tương đồng c o liệu mô với kết thực nghiệm, ượng dịch chuyển X1 X2 tần số kích thích đặc iệt ượng dịch chuyển X2 toàn ộ vùng tần số khảo sát H n 4.3 uyển động c a khối lượng quán tín c a t n cấu từ: (a) kết mô p ỏng (b) liệu th c nghiệm; (c) đồ t ị p a đồ oincar (c ấm đỏ) c a chuyển động tương đối k ối lượng k i cấu kíc t íc v i t n số z l c ma sát 2.02 14 n 4.4 uyển động c a khối lượng quán tín c a t n cấu từ: (a) kết mô p ỏng (b) liệu th c nghiệm; (c) đồ t ị p a đồ oincar (c ấm đỏ) c a chuyển động tương đối k ối lượng k i cấu kíc t íc v i t n số z l c ma sát 2.02 n 4.5 Chuyển động c a khối lượng quán tín c a t n cấu từ: (a) kết mô p ỏng (b) liệu th c nghiệm; (c) đồ t ị p a đồ oincar (c ấm đỏ) c a chuyển động tương đối k ối lượng k i cấu kíc t íc v i t n số 13 z l c ma sát 2.02 n 4.6 Chuyển động c a khối lượng quán tín c a t n cấu từ: (a) kết mô p ỏng (b) liệu th c nghiệm; (c) đồ t ị p a đồ oincar (c ấm đỏ) c a chuyển động tương đối k ối lượng k i cấu kíc t íc v i t n số 18 z l c ma sát 2.02 4.2.2.2 iểm c ng mô n m c cư ng độ l c ma sát Hình 4.9 thể ượng dịch chuyển X2 hệ thống s u kích 15 thích 5s ứng với h i mức cường độ ực m sát 2.02N 6.6N Kết cho thấy, hệ thống đề xuất chuyển động phí trước hai mức lực m sát, c o thấp iên độ lực kích thích Kết cho thấy, tốc độ chuyển động theo chiều ùi nhỏ giá trị ực m sát c o Khi iên độ lực kích thích ớn giá trị ực m sát thiết ập (Hình 4.7 ), ượng dịch chuyển theo chiều ùi từ kết thực nghiệm dường ớn so với ượng dịch chuyển nhận từ giải tích số dải tần số kích thích 1214 Hz Kết tương tự xuất dải tần số kích thích 1417 Hz Ở tần số kích thích ớn hơn, từ 22 Hz trở ên, kết thực nghiệm cho thấy hệ gần khơng di chuyển phí trước Ngược ại, kết mô cho thấy hệ thống dường di chuyển theo chiều ùi ại n 4.9 ượng dịc c uyển trung b n từ kết mô p ỏng th c nghiệm sau 5s kíc t íc tương ng v i trư ng ợp l c ma sát: (a) 2.02 (b) 6.6 iên độ l c kíc t íc 6.469 Lý cho khác iệt mơ tả chư hồn tồn xác củ mơ hình m sát sử dụng mơ Việc áp dụng mơ hình m sát động cho kết xác hơn, đặc biệt trường hợp d o động trượt với tần số cao hai bề mặt 4.3 Ph tí h ứ độ ự h ủ hệ Một mục tiêu qu n trọng củ thiết ị tự di chuyển, ví dụ rơ- ốt dạng viên n ng ứng dụng y học, tốc độ dịch chuyển khả điều khiển chiều chuyển động Các đại ượng chịu ảnh hưởng định củ ứng xử động ực học Trong số thông số ảnh hưởng đến ứng xử động ực học khả dịch chuyển hệ thống, tần số kích thích f, iên độ lực 16 kích thích A, tỷ ệ giữ khối ượng củ th n khối ượng quán tính , mức độ phi tuyến củ ò xo k2 xem yếu tố quan trọng Trong uận án, để kết m ng tính khái quát, tác giả sử dụng hệ phương trình khơng thứ ngun (4.6) thơng qu đổi iến (4.5) Do vậy, tần số kích thích đặc trưng ởi , iên độ ực kích thích đặc trưng ởi , mức độ phi tuyến củ ò xo đặc trưng ởi  Tốc độ dịch chuyển củ hệ thống xác định ởi khoảng dịch chuyển s u thời gi n kích thích Trong phương trình khơng thứ ngun, xác định ởi đại ượng x2 thời điểm  xác định Trong ph n tích động ực học củ uận án, đại ượng x2 đồ thị ký hiệu p, gọi ượng dịch chuyển nhận thời điểm  = 500 Để ph n tích động ực học, tác giả sử dụng đồ thị rẽ nhánh với th m số rẽ nhánh vận tốc tương đối v1 - v2 Vận tốc tương đối v1 - v2 xác định ằng cách đạo hàm ượng dịch chuyển tương đối x1 - x2, x1 x2 xác định phương trình (4.5) (4.6) 4.3.1 h h c at ực k ch th ch n 4.10 t ị r n án c a v1 - v2 (đư ng liền) đồ t ị t ay đổi c a p (n t đ t) t eo ω ết tín tốn v i t ơng số α = 3.2025 β = 0.003761 μ = 2.9653 ζ = 0.0766 n 4.11 t ị r n án c a v1 - v2 (đư ng liền) đồ t ị t ay đổi c a p (n t đ t) theo α ết tín tốn v i t ơng số β = 0.003761 μ = 2.9653 ω = 1.1 ζ = 0.0766 Trong phạm vi khảo sát, hệ thống đạt tốc độ cực đại tần số kích thích 1.1, tức tần số kích thích ằng 1.1 lần tần số d o động riêng khối ượng quán tính (như Hình 4.10) Xuất hai 17 dải tần số kích thích, [0.70.8]  1.25, hệ thống di chuyển theo chiều ùi phí s u Đồ thị rẽ nhánh vận tốc tương đối v1 - v2 đường cong cho tất giá trị tần số, cho thấy hệ thống n có chuyển động chu kỳ đơn Kết trùng khớp với thí nghiệm kiểm chứng mơ hình mô tả Vận tốc theo chiều tiến đạt giá trị cực đại  = 1.1 Tại tần số  = 1.25, hệ thống đảo chiều, nghĩ chuyển động theo chiều ùi 4.3.2 h h c a iê ực k ch th ch Có thể thấy, ượng dịch chuyển hệ thống đầu tăng ên đáng kể sau α  0.6397 α = (như Hình 4.11) Có thể nhận xét với lực cản chuyển động định, iên độ lực kích thích ớn tốc độ dịch chuyển nh nh Hệ thống có chuyển động ổn định theo chu kỳ đơn tất giá trị khảo sát 4.3.3 h h c at i a c c kh i Ảnh hướng củ tỉ ệ giữ khối ượng đến ứng xử động ực học tốc độ dịch chuyển trung ình củ hệ thống thể Hình 4.12 Hệ thống đạt tốc độ dịch chuyển cực đại  = 0.38 Ngoài r , chuyển động theo chu kỳ đơn khối ượng ên xuất tất tỷ lệ khối ượng khảo sát n 4.12 t ị r n án c a v1 - v2 (đư ng liền) đồ t ị t ay đổi c a p (n t đ t) theo  ết tín tốn v i t ông số α = 3.2025 β = 0.003761 ω = 1.1 ζ = 0.0766 n 4.13 t ị r n án c a v1 - v2 (đư ng liền) đồ t ị t ay đổi c a p (n t đ t) theo β ết tín tốn v i t ơng số α = 3.2025 μ = 2.9653 ω = 1.1 ζ = 0.0766 18 4.3.4 h h c a hi tu c a o Từ Hình 4.13 nhận thấy, việc thêm số hạng phi tuyến có giá trị nhỏ 0.0055 độ cứng củ ò xo àm tăng tốc độ dịch chuyển đáng kể Ảnh hưởng củ độ cứng phi tuyến đánh giá thêm ằng cách so sánh ượng dịch chuyển củ hệ thống ương ứng với trường hợp: sử dụng ò xo tuyến tính ị xo phi tuyến 4.4 Đá h iá m h h o với m h h trƣớ đ 4.4.1 hực hi ki h h to Hình 4.15 trình ày sơ đồ thí nghiệm ảnh chụp hệ thống tự di chuyển nhờ rung động có v đập, phát triển dạng kết cấu với mơ hình nêu Mơ hình bổ sung thêm ộ phận tiếp nhận v đập chốt chặn (5) nằm đường t m trục shaker mang khối ượng (2) Khoảng cách bề mặt chốt chặn vị trí tính khối ượng d o động G = 0.5 mm (a) (b) n 4.15 Mơ n t í ng iệm thiết bị t dịc c uyển có k t ác va đập: Sơ đồ t í ng iệm (a) ảnh chụp thiết bị t í ng iệm (b) ảng 4.2 ác t ơng số t í ng iệm v i mô n k t ác va đập Th ố ý hiệ Giá tr Đơ v Khối ượng quán tính m1 0.518 kg Khối ượng th n cấu m2 1.813 kg Độ cứng tuyến tính củ ị xo k1 1885.24078 N/m Độ cứng ậc củ ò xo k2 52158700 N/m3 Hệ số giảm chấn c 8.893542 Ns/m Khoảng cách v đập G 0.5 mm Tỉ ệ giữ iên độ ực kích 0.59; 0.79; 0.99; α=A/ r thích cường độ ực m sát 1.19 Lực m sát Ff 2.3; 6.8 13.8 N Tần số kích thích f 15 Hz 19 Với mơ hình có rung động kèm v đập, mơ hình tốn học mơ tả hệ biểu diễn s u:  d X1 dX   dX  Fe  Fspr  c    Hk  X  X  G  m1 dt  dt   dt  m d X   F  F  c dX  dX   Hk  X  X  G   F   e spr r  dt  dt  dt  (4.7) Trong đó, H(.) hàm He viside, định nghĩ s u:  H  1, X  X  G    H  0, X  X  G  (4.8) Các thông số thực nghiệm xác định tương tự với mơ hình khơng có v đập trình ày Chương Hệ số độ cứng v đập k0 xác định ằng thực nghiệm dự nguyên tắc ảo toàn ượng v đập theo [28] Các thí nghiệm kiểm chứng thực với cường độ lực m sát 2.3 N 13.6 N, đại diện cho hai cấp độ m sát nhỏ m sát ớn Cường độ lực kích thích thiết lập 1.19 lần cường độ lực m sát Kết cho thấy tương đồng đáng kể kết thực nghiệm kết mơ Ngồi r , trường hợp này, hệ thống có di chuyển ùi Điều phù hợp với phát củ nghiên cứu trước đ y, hệ thống có dịch chuyển ùi ực kích thích ớn 4.4.2 So h kh ă ch chuy n Để so sánh h i mơ hình thiết bị tự di chuyển nhờ rung động có khơng có v đập, đồng thời xét đến ảnh hưởng củ cường độ lực ma sát, sử dụng phép đổi biến, tương tự (4.5), để iến đổi hệ phương trình (4.7) dạng khơng thứ ngun, có dạng tương tự (4.6) Hình 4.19 mô tả h i đồ thị dạng contour tương ứng với đồ thị bề mặt x y dựng Trên Hình 4.19 , mơ hình rung động khơng có v đập tạo r ượng dịch chuyển theo chiều tiến hầu hết dải giá trị lực kích thích ực m sát Chỉ có phạm vi nhỏ lực m sát fr[0.52], tác dụng lực kích thích 