2.3.8.1 Tính tiết diện lõi thép nam châm điện.
Ta có công thức tính lực điện từ của nam châm điện:
F = 4.105.si.B2 (56)
Trong đó:
F = P : lực điện từ
si : tiết diện hữu ích của lõi thép (m2)
B = 0,8 ÷1,2 T : cảm ứng từ trong cuộn dây sinh ra → tiết diện hữu ích là:
2 5 2 5 2 4423 0,008 4.10 . 4.10 .1, 2 i F s m B (55)
tính tiết diện thật của lõi thép :
i t s s p (56)
36 trong đó p = 0,8 là hệ số điền kín lõi
→ 0,008 2
0,01 0,8
t
s m
2.3.8.2 Xác định thông số của cuộn dây Từ thông qua lõi thép :
ø = B.S = 1,2.0,01 = 0,012 (57) giả thiết bỏ qua điện trở dây quấn và điện kháng tản, coi E ≈U. ta có số vòng dây n đƣợc tính theo công thức: 220 82,58( òng) 4, 44. . 4, 44.50.0,012 E n v f (58) chọn n = 83 vòng
2.3.8.3 Tính cƣờng độ dòng điện qua cuộn dây và cách điều chỉnh lực kích rung Ta có công của lực điện từ đƣợc cho bởi công thức:
3 1 . .10 . . . 2 A F b B S n I (59) Trong đó : F- lực điện từ n – số vòng dây
b- khe hở giữa phần cảm và phần ứng bằng khoảng dịch chuyển của phần ứng (mm)
B= (0,8 ÷1,2) T : cảm ứng từ do dòng điện gây ra S – tiết diện lõi thép.
I – cƣờng độ dòng điện chạy qua cuộn dây → 3 3 2. . .10 2.4423.0,005.10 0,044 . . 1, 2.0,01.83 F b I A B S n (60)
Ta thấy cƣờng độ dòng điện A, khe hở b và lực kích rung P có mối quan hệ tỉ lệ với một giá trị b nhất định, vì vậy ta có thể điều chỉnh lực kích rung theo cƣờng độ dòng điện I.
37
Hình 2.12 Lõi thép của nam châm điện 2.3.9 Tính giảm chấn
Để giảm chấn làm việc có hiệu quả thì tần số dao động của giảm chấn phải thấp hơn tần số dao động cộng hƣởng đồng thời dao động cƣỡng bức và dao động giảm chấn ngƣợc pha nhau. theo lý thuyết tần số dao động riêng của giảm chấn ωgc có quan hệ với tần số cƣỡng bức nhƣ sau:
2.3,14.50 222,03 2 2 cb gc (rad/s) (61)
Từ đây có thể tính đƣợc kích thƣớc giảm chấn qua công thức:
gc gc gc t d c c m m m (62) → cgc = ω2gc.(mt + md) = 222,032.(0,264 + 1,32) = 78086,96.
38
Kết luận chương 2: Chương 2 đề cập tới lý thuyết tính toán hệ thống cấp phôi di chuyển thẳng bẳng rung động qua các sơ đồ lực tác dụng lên phôi trong quá trình rung. Nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng tới quá trình cấp phôi dựa trên các tư liệu đã công bố từ đó tính toán được một hệ thống cấp phôi theo truyền thống. Từ các thông số thiết kế và điều khiển đã tính toán, theo phương pháp truyền thống (Hình 2.10) quá trình chế tạo được thực hiện sau đó lắp ráp, thử nghiệm và điều chỉnh. Giai đoạn điều chỉnh thường chiếm phần lớn thời gian của quá trình đưa thiết bị vào sử dụng. Với rủi ro không lường trước được của quá
trình thiết kế truyền thống theo phương pháp tính chọn và tra bảng, có thể phải thay đổi lại cả kết cấu của hệ thống do các thông số điều khiển nằm ngoài phạm vi điều chỉnh gây lãng phí thời gian và chi phí thiết kế chế tạo. Để khắc phục và phát hiện trước các rủi ro của thiết kế, luận văn này trình bày một phương pháp mô phỏng số sử dụng ADAMS với quy trình như Hình 2.13 để xác định khả năng làm việc của
thiết bị và kiểm định các thông số điều khiển.
39
Chƣơng 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẤP PHÔI 3.1 Mô hình hóa hệ thống cấp phôi
3.1.1 Thiết kế các kết cấu máy trong môi trường CATIA
Sau khi đã tính toán thiết kế, ta đƣa các thông số tính toán đƣợc thiết kế các mô hình hình học phần tử trong phần mềm CATIA.
3.1.1.1 Đế máy Từ tính toán ta có đƣợc thể tích đế là 169422 mm3 , chọn các kích thƣớc đế nhƣ sau: Hđ – chiều cao đế, Hđ = 16mm Wđ - chiều rộng đế, Wđ = 76 mm Lđ – chiều dài đế, Lđ = 140 mm
Ta thiết kế đƣợc phần đế với các lỗ bắt buloong giảm chấn, các lỗ ren trên đế để lắp lò xo lá:
Độ không song song giữa 2 mặt nghiêng < 0,5 Nhiệt luyện : HRC 40....45 Hình 3.1. Bản vẽ đế máy 16 140 76 60 42 33 58 28
40
Bảng 2. Thuộc tính vật liệu của đế máy
Thuộc tính Giá trị Vật liệu Gang Khối lƣợng riêng(Kg/m3) 7400 Module đàn hồi(GPa) 145 Hệ số Poisson 0,3 3.1.1.2 Lò xo lá
Trên lò xo lá khoan các lỗ để bắt buloong kẹp và gắn nam châm điện Nhiệt luyện : HRC 40....45
Độ bền uốn: 1600 MPa
Hình 3.2. Bản vẽ lò xo lá Bảng 3. Thuộc tính vật liệu của lò xo lá
Thuộc tính Giá trị Vật liệu Thép 50CrMnVA Khối lƣợng riêng (Kg/m3) 7850 Module đàn hồi(GPa) 210 Hệ số Poisson 0,3 1,25 7,5 25 60 100 40 3,3 6 28 6xØ5
41 3.1.1.3 Tấm đỡ máng
Độ không song song giữa 2 mặt nghiêng < 0,5 Nhiệt luyện : HRC 40....45
Bảng 4. Thuộc tính vật liệu của tấm đỡ máng
Thuộc tính Giá trị Vật liệu Gang Khối lƣợng riêng(Kg/m3) 7400 Module đàn hồi(GPa) 145 Hệ số Poisson 0,3 3.1.1.4 Máng rung
Máng rung có kết cấu dạng nhƣ Hình 3.4, phía trên có kết cấu chống lật phôi, phía dƣới đáy máng tạo lỗ ren M5 để lắp với tấm đỡ máng. Vật liệu đƣợc chọn là Inox để đảm bảo điều kiện vô trùng.
R3 0,63 0,63 A A 8 2xØ5 10 50 80 43 28 11 113 20 Hình 3.3. Bản vẽ tấm đỡ máng rung
42 0,63
Hình 3.4. Bản vẽ máng rung Bảng 5. Thuộc tính vật liệu của máng rung
Thuộc tính Giá trị
Vật liệu Inox 304
Khối lƣợng riêng(Kg/m3) 8000
Module đàn hồi(GPa) 70,3
Hệ số Poisson 0,35
3.1.1.6 Chi tiết nắp cao su Vật liệu : Cao su
Khối lƣợng riêng: 910 Kg/mm3
Hình 3.5. Chi tiết nắp cao su
Ø1
2
10
Ø2
43 3.1.1.7 Tấm chắn
Vật liệu: Nhựa tổng hợp
Hình 3.6. Bản vẽ tấm chắn
3.2 Lắp ráp hệ thống cấp phôi hoàn chỉnh trong CATIA
Sau khi đã thiết kế hoàn thiện các chi tiết của hệ thống cấp phôi nắp cao su di chuyển thẳng, ta chuyển sang lắp ráp thành một thiết bị để đƣa vào mô phỏng. Trong CATIA, chọn module Assembly Design :
- Để Import các chi tiết vào môi trƣờng lắp ghép, ta dùng lệnh
ExistingComponent
Các chi tiết đƣợc Import vào môi trƣờng lắp ghép nhƣ sau: 149 68 158 30 23 40 10 8 27 Ø20 3xØ6
44
Hình 3.7. Đưa các chi tiết vào môi trường lắp ráp
- Tiếp theo, ta dùng lệnh Manipulation để di chuyển các chi tiết theo các trục khác nhau vào gần đúng vị trí cần lắp.
Hình 3.8. Hộp thoại di chuyển chi tiết
- Dùng lệnh Fix để cố định chi tiết đế (Base)
- Gán các ràng buộc trục với trục cho các chi tiết bằng lệnh Coincidence Constrain , sau đó click Update
45
Hình 3.9. Ràng buộc trục
- Gán các ràng buộc mặt với mặt cho các chi tiết Contact Constrain , sau đó click Update
46
- Làm tƣơng tự cho các chi tiết khác ta đƣợc hệ thống sau khi đã lắp ráp:
Hình 3.11. Hệ thống sau khi lắp ráp Hình 3.12 Bản vẽ lắp hệ thống cấp phôi 140 145 27 16 187 108 76 1 2 3 4 5
47
3. 3 Mô hình phần tử hữu hạn
Mô hình phần tử và thông tin phần tử nhƣ Bảng 6.
Bảng 6. Mô hình và thông tin phần tử sử dụng cho mô hình hóa
Đế máy Lò xo lá Tấm đỡ
máng
Máng dẫn Nắp cao su
Kiểu phần tử Shell Shell Shell Shell Shell
Số nút 2012 1992 2132 48 2012
Các liên kết sử dụng trong mô hình hóa để kết nối các chi tiết của hệ thống là mô hình “Fix”, ngoại trừ liên kết giữa chi tiết và máng là “Solid to Solid”. Trong đó hệ số ma sát µ = 0,3 đƣợc xác định bằng thực nghiệm trên máy VF- MS1 (Hình 3.13) tại Bộ môn Máy & Ma sát học – Đại học Bách Khoa Hà Nội.
3.4 Thí nghiệm đo hệ số ma sát giữa cao su và Inox
Để đƣa hệ thống sau khi đã thiết kế và mô hình hóa vào mô phỏng ta làm thí nghiệm đo hệ số ma sát trƣợt động giữa cặp vật liệu cao su và Inox 304 trên máy đo hệ số ma sát động VF – MS1. Sơ đồ thí nghiệm đo đƣợc thể hiện nhƣ trên Hình 3.14.
48
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý máy đo hệ số ma sát trượt VF
1 – Trục mẫu; 2– Trục mang cần; 3–Đối trọng; 4 – Cần mang mẫu ; 5 – Mẫu trên 6– Đồ gá mẫu; 7 – Cam đếm số vòng quay; 8–Đồng hồ số vòng quay; 9–Bánh đai
- Trục mẫu 1 quay với tốc độ n (vòng/phút) tạo ra vận tốc trƣợt (m/s). - Mẫu 5 tiếp xúc với mẫu 1 tại vị trí nhƣ hình vẽ.
- Khi đặt một lực cho trƣớc P nên mẫu 5, bề mặt tiếp xúc sẽ xuất hiện một lực Fms cản trở lại chuyển động của trục 1, trong điều kiện xác định.
Hệ số ma sát đƣợc tính nhƣ sau :
Bảng 7. Kết quả chuẩn sensor thí nghiệm
Lực F ứng với
tài (N) 0 1 1,5 2 2,5
a 0,19 0,24 0,27 0,31 0,33
Kết quả chuẩn sensor : 0 1 1, 5 2 2, 5 5, 2
0,19 0, 24 0, 27 0, 31 0, 33 F k a
49
Hình 3.15. Mẫu cao su sau thí nghiệm
Từ các số liệu thu đƣợc ta vẽ đồ thị µ = f(P) với n là hằng số
Hình 3.16. Đồ thị µ = f(P)
3.5 Mô phỏng hệ thống cấp phôi rung động di chuyển thẳng
3.5.1 Giới thiệu phần mềm ADAMS
Phần mềm ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) là phần mềm đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới để phân tích động lực học và phân tích chuyển động của từng phần hoặc cụm chi tiết của hệ thống máy móc. ADAMS giúp các kĩ sƣ nghiên cứu động lực học của các bộ phận chuyển động, làm thế nào để tải và các lực đƣợc phân bố trên toàn hệ thống cơ khí và tối ƣu hóa hiệu suất sản phẩm cơ khí.
Phƣơng pháp thiết kế truyền thống là:
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 1 2 3 Hệ số ma sát n=100 v/p Hệ số ma sát n = 200v/ph XÂY DỰNG MÔ HÌNH KIỂM TRA MÔ HÌNH
50 Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là:
• Thiết kế quá đắt • Tốn nhiều thời gian
• Đôi khi không thể thực hiện
ADAMS khắc phục đƣợc những nhƣợc điểm đó, nó cho phép các kỹ sƣ dễ dàng tạo và thử nghiệm nguyên mẫu ảo của hệ thống cơ khí trong một thời gian ngắn với chi phí thấp hơn nhiều so với việc xây dựng và thử nghiệm vật lý. Không nhƣ hầu hết các công cụ CAD, ADAMS kết hợp vật lý thực sự bằng cách đồng thời giải quyết các phƣơng trình động lực học, tĩnh học, bán tĩnh và động lực một cách nhanh chóng và chính xác.
Các chi tiết của hệ thống đƣợc thiết kế và mô hình hóa trên ADAMS. Sau đó đƣợc gắn các đặc tính vật liệu nhƣ: loại vật liệu, tỷ trọng, modul đàn hồi,… Sau đó, các chi tiết đƣợc lắp ghép với nhau và gán các liên kết tạo thành hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động với các thông số động lực học đã chọn.
3.5.2 Mô phỏng cấp phôi
Sau khi thiết kế hoàn chỉnh các chi tiết và lắp ráp trong môi trƣờng CATIA, ta tiến hành mô phỏng hệ thống cấp phôi trong môi trƣờng ADAM/View. Các chi tiết của hệ thống đƣợc thiết kế và mô hình hóa trên ADAMS gồm có các mô tả hình dáng hình học, các thông số vật liệu đối với từng chi tiết, các liên kết của các chi tiết với nhau. Với thông số điều khiển là tần số rung quy trình thực hiện mô phỏng nhƣ Hình 3.17.
51 3.5.2.1 Thiết lập mô hình mới
Khởi động ADAMS
Tạo một mô hình mới bằng click Creat a new model , đặt tên cho mô hình:
52
Hình 3.18. Hộp thoại tạo mô hình mới
Từ menu công cụ chọn Setting →Unit để xác định các đơn vị cho hệ thống:
Hình 3.19. Hộp thoại chọn đơn vị
Từ menu thanh công cụ chọn Setting →Gravity để xác định chiều của lực trọng trƣờng nhƣ sau:
53
Hình 3.20. Hộp thoại chọn chiều lực trọng trường
3.5.2.2 Import các chi tiết đã tạo từ CATIA vào ADAMS: Chọn File → Import
Hình 3.21. Hộp thoại chọn các chi tiết đưa vào ADAMS
Ở dòng lệnh File type, có thể chọn các loại định dạng để Import vào ADAMS nhƣ *stp, *igs, hoặc Import trực tiếp file *CAT từ CATIA.
54
Hình 3.22. Chi tiết đế máy sau khi được đưa vào ADAMS
Thực hiện tƣơng tự cho các chi tiết khác ta Import đƣợc mô hình vào ADAMS
55 3.5.2.3 Gán vật liệu cho các chi tiết của hệ thống:
Click chuột phải vào chi tiết, chọn Modify, hộp thoại hiện nhƣ sau:
Hình 3.24. Hộp thoại chọn các thông số vật liệu
Ta có thể chọn vật liệu sẵn có trong thƣ viện ADAMS hoặc thêm các loại vật liệu mới trong hộp thoại này.
3.5.2.4 Gán các ràng buộc các chi tiết trong mô hình:
Click Connector trên menu thanh công cụ, xuất hiện các ràng buộc khác nhau. Ta gán ràng buộc đế với đất bằng lệnh Create a new Fix
Làm tƣơng tự đối với các ràng buộc bắt buloong khác.
Đối với nắp cao su và máng, ở đây là khớp tịnh tiến, ta gán ràng buộc nhƣ sau: Trên menu thanh công cụ, chọn Forces →Create a contact , hộp thoại Create contact xuất hiện:
56
Hình 3.25.Tạo ràng buộc liên kết
Tại các dòng lệnh I Solid(s) và J Solid(s) ta lần lƣợt chọn các chi tiết máng và nắp. Tại dòng lệnh Dynamic Coefficient, nhập hệ số ma sát trƣợt động đã thí nghiệm, Click OK.
Tiếp theo, ta thiết kế nguồn rung cho hệ thống cấp phôi. Ở đây ta chọn nguồn rung là động cơ lệch tâm, đƣợc thiết kế trong CATIA.
Do tần số góc ω = 2πf = 2π/T, với f là tần số rung nên để đơn giản hệ thống mà vẫn đảm bảo nghiên cứu ảnh hƣởng của tần số đến tốc độ cấp phôi ta xây dựng nguồn rung bằng bánh lệch tâm.
Bánh lệch tâm quay với vận tốc góc ω1 =360f ta có đƣợc tần số f cấp cho máng rung.
57
Import nguồn rung, vật liệu, ràng buộc vào mô hình trong ADAMS ta đƣợc:
Hình 3.26. Tạo nguồn rung
3.5.2.5 Mô phỏng
Để mô phỏng hệ thống ta làm nhƣ sau:
Trên thanh menu công cụ, chọn Simulation, Click Run an Interative Simulation , hộp thoại Simulation xuất hiện:
58
Tại dòng lệnh End Time, ta chọn thời gian mô phỏng (đơn vị: giây)
Tại dòng lệnh Step size, ta chọn bƣớc mô phỏng, sau đó click Start Simulation .
3.6 Nghiên cứu trình ứng dụng (plugins) Adams/Controls và Co-Simulation Adams/Matlab để ứng dụng vào đề tài cấp phôi rung động Adams/Matlab để ứng dụng vào đề tài cấp phôi rung động
3.6.1 Giới thiệu trình ứng dụng (Plugins) Adams/Controls
Adams/Controls là một trình ứng dụng trong phần mềm Adams/View, Adams/Car, Adams/Rain… giúp chúng ta có thể thêm đƣợc những điều kiện điều khiển phức tạp vào mô hình ADAMS.
Adams/Controls giúp ta có các lựa chọn nhƣ:
- Mô phỏng hệ thống cơ khí kết hợp và điều khiển nó hoàn toàn trong môi trƣờng ứng dụng
- Giải quyết các phƣơng trình điều khiển với các gói diều khiển khác nhau và giải quyết các phƣơng trình cho hệ thống cơ khí trong ADAMS.
Những lợi ích từ Adams/Controls :
- Thêm đƣợc các điều kiện phức tạp vào mô hình ADAMS và mô phỏng hệ thống kết hợp.
- Kết xuất mô hình mô phỏng hệ thống cơ khí từ dữ liệu ADAMS mà không phải viết phƣơng trình.
- Phân tích kết quả mô phỏng trong môi trƣờng ADAMS hoặc môi trƣờng ứng dụng điều khiển.
3.6.2 Quy trình thực hiện Co-Simulation ADAMS/MATLAB
59
Hình 3.28. Sơ đồ các bước mô phỏng ADAMS/MATLAB