Động lực học cơ cấu rung rlc.pdf

Động lực học cơ cấu rung rlc.pdf

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong cuốn luận văn này là của bản thân thực hiện, chƣa đƣợc sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chƣa có tài liệu khoa học nào tƣơng tự đƣợc công bố, trừ những thông tin tham khảo đƣợc trích dẫn. La Ngọc Tuấn Tháng 11 năm 2009 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 Lời cám ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học của tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, ngƣời 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 trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Vinh đã tạo điều kiện để tôi đƣợc tham gia và hoàn thành khóa học này. Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với ngƣời bố kính yêu của tôi - La Ngọc Viện, vì tất cả những gì mà ngƣời đã dành cho tôi. Thêm nữa là em gái tôi La Thị Việt Nga, ngƣời 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 Lƣơng - 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 trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Vinh đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi. Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 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 hƣởng RLC, một cơ cấu rung - va đập mới đƣợc cải tiến đã đƣợc thiết kế, chế tạo, vận hành thí nghiệm, phân tích và cho ra các kết quả tích cực hơn hẳn so với trƣớc 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 thƣớc nhỏ gọn trở nên hứa hẹn hơn. Cơ cấu đƣợc cải tiến làm việc dựa trên nguyên lý cộng hƣởng trong mạch điện gồm điện cảm và tụ điện mắc nối tiếp. Cơ cấu dao động dựa trên nguyên lý này đã đƣợc Mendrella [1,2] giới thiệu và đƣợc phát triển thành cơ cấu rung - va đập RLC bởi Nguyễn Văn Dự [3]. Tuy nhiên, cơ cấu đƣợc cải tiến trong luận văn này cho phép và khai thác chuyển động của ống dây thay vì chuyển động của lõi sắt nhƣ trong [1,2,3]. Cơ cấu đƣợc thí nghiệm có thể làm dịch chuyển một khối lƣợng trên 6 kg với lực ma sát tăng cƣờng thêm 60 N với vận tốc nhanh gấp 6 lần so với trƣớc đây. Chuyển động tuần hoàn của ống dây đã đƣợc hỗ trợ bằng một hệ lò xo nhằm khai thác đặc tính cộng hƣởng 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 hƣởng lớn đến khả năng chuyển động thắng các lực cản của hệ thống. Các kết quả này có thể đƣợc sử dụng hữu ích cho các nghiên cứu tiếp theo. Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 Mục lục Lời cam đoan . 1 Lời cám ơn . 2 Tóm tắt . 3 Mục lục 4 Các ký hiệu viết tắt . 6 Danh mục các hình ảnh 7 Danh mục các bảng, biểu 10 Chƣơng 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 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 mô hình rung va đập và hƣớng 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 Chƣơng 3: CƠ CẤU RUNG VA ĐẬP MỚI . 33 3.1. Giới thiệu . 33 3.2. Nguyên lý làm việc 34 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 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 3.4.3. Thiết bị đo lực 46 3.4.4. Thiết bị thu thập dữ 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. Mô tả thí nghiệm 57 4.3. Phƣơng pháp khảo sát thí nghiệm . 59 4.4. Kết quả thí nghiệm . 61 4.4.1. Mức ma sát 4 kg lực . 61 4.4.2. Mức ma sát 6 kg lực . 66 4.5. Động lực học cơ cấu . 70 4.6. Kết luận 75 Chƣơng 5: KẾT LUẬN 76 5.1. Các kết quả chính đã đạt đƣợc 76 5.2. Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo 77 Tài liệu tham khảo 78 Phụ lục: CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC . 81 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 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 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 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 đƣợc 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 phƣơng án đƣa lò xo vào cơ cấu. . 28 Hình 2.12 Hành trình chuyển động của lõi thép theo phƣơng án hai ống dây nối tiếp. . 29 Hình 2.13 Quá trình chuyển động của lõi sắt ở phƣơng 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 đƣợc 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 đƣờng ray trong thí nghiệm. 42 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 1: Cuộn cảm 2: Định vị trục 3: Ổ bi 4: Bánh xe 5: Trục 6: Thân xe Hình 3.7 Sống trƣợt dẫn hƣớng đƣợc lắp trên 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 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)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 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 trƣợt và hệ rãnh dẫn bằng cách thay đổi khoảng cách S. . 52 Hình 3.19 Lắp đặt LVDT vào cơ 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 của hệ thống thiết bị trong thí nghiệm. . 57 Hình 4.2 Đồ thị chuyển động của cơ cấu RLC-09 trong 3 lần lấy số liệu tại 80V điện áp cấp vào và khoảng va đập 3mm. . 59 Hình 4.3 Đồ thị chuyển động của cơ cấu RLC-09 với 5 khoảng va đập tại 80V điện áp cấp vào. 60 Hình 4.4 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-09 tại các điều kiện làm việc. . 63 Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-07 tại các điều kiện làm việc. . 64 Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-09 và cơ cấu RLC-07 tại các điều kiện làm việc 64 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 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 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 [...]... nhƣ tên gọi của nó, cơ cấu tích hợp cả rung động và va đập để nâng cao hiệu quả hoạt động Rung động đƣợc tạo ra do lực lệch tâm phát sinh khi các bánh lệch tâm quay Cả cơ cấu dao động theo phƣơng thẳng đứng nhờ các thanh dẫn hƣớng Hệ lò xo hỗ trợ cơ cấu nhằm đạt đến trạng thái cộng hƣởng cơ Lúc này, biên độ dao động lớn của cơ cấu vƣợt quá khe hở giữa khung cơ cấu và điểm chặn, lực va đập sẽ đƣợc sinh... tiêu chính là qua phân tích động lực học của cơ cấu RLC, cải thiện được hiệu năng của cơ cấu Thông số này đƣợc đánh giá qua khả năng hệ thống thắng đƣợc lực cản ma sát lớn hơn, cho tốc độ di chuyển lớn hơn so với kết quả cũ Các mục tiêu cụ thể là: 1 Phân tích đặc tính động lực học của cơ cấu RLC 07 để tìm ra khả năng tiếp tục cải tiến cơ cấu này; 2 Thiết kế, chế tạo hệ thống cơ cấu cải tiến để tiến hành... Cơ cấu đƣợc cải tiến và hoàn thiện nhất đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc mô tả Trong chương 4 trình bày các kết quả nghiên cứu, đánh giá cơ cấu rung - va đập mới Ƣu việt của cơ cấu mới so với cơ cấu. .. cho các dạng ứng dụng nhƣ một cơ cấu đóng mở [14-16] hoặc rung động hành trình ngắn [17-19] Việc sử dụng cuộn cảm nhƣ một động cơ chuyển động thẳng khứ hồi đã đƣợc Mendrela [1,2] đề xuất và nghiên cứu Tuy nhiên, động cơ của ông chỉ đƣợc 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 đƣợc phát triển thành cơ cấu rung va đập và nghiên cứu bởi... Chuyên ngành: CN-CTM 2007 [3] Cơ cấu này đƣợc 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 đƣợc thiết kế, chế tạo và phân tích đặc tính động lực học lần đầu tiên năm 2007 Để nâng... 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 tƣơng đối so với chính ống dây đó Theo Định luật III Newton, khi ống dây sinh một lực có xu hƣớng kéo lõi sắt về... nhiên, do cơ cấu này cần có kích thƣớc 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 thƣớc nhỏ gọn là rất hạn chế Xuất phát từ nhu cầu kích thƣớc nhỏ gọn cho hệ cơ cấu rung, một cơ cấu rung va đập có kích thƣớc nhỏ gọn đã đƣợc giới thiệu bởi Nguyễn Văn Dự năm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái... quả rung động - va đập mang lại chuyển động của tấm trƣợt có ma sát với rãnh dẫn hƣớng đƣợc tăng cƣờng, đƣợc coi nhƣ chuyển động tƣơng 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 đƣợc phân tích chi tiết hơn Nội dung này sẽ đƣợc trình bày trong phần dƣới đây 2.3 Mô hình và đặc điểm các cơ. .. 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 thƣơng mại hiện nay đều sử dụng mô hình bánh quay lệch tâm do Tsaplin đề xuất năm 1949 [4] (Xem hình 2.1) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM Hình 2.1 Cơ cấu rung Tsaplin [4] Nguyên lý làm việc của cơ cấu rung va đập... dịch chuyển của cơ hệ tăng lên 2 lần Nghiên cứu cũng đã đề xuất các hƣớng 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 thƣớc nhỏ gọn Đề tài này tiếp tục hƣớng nghiên cứu đó, nghiên đặc tính động lực học nhằm cải tiến và nâng cao hiệu năng của cơ cấu RLC 07 mà tác . của cơ cấu RLC- 09 và cơ cấu RLC- 07 tại các điều kiện làm việc 64 Hình 4.7 Đặc tính và hành trình chuyển động của cơ cấu RLC- 09 (a) và cơ cấu RLC- 07 (b). 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