Trƣớc tiên, ống dây sẽ đƣợc định vị lên thân xe bằng các mối hàn. Bộ bánh xe đƣợc lắp vào hai trục qua ổ bi, bộ trục này đƣợc lắp lên thân xe qua bốn lỗ dạng rãnh và đƣợc căn chỉnh sao cho đảm bảo độ song
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 50
song giữa hai trục đạt yêu cầu để khi vận hành đƣợc trơn tru. Hệ thống xe sẽ đƣợc đặt lên hệ ray và liên kết với hệ này qua hệ lò xo nén bằng thanh dẫn hƣớng và định vị cho lò xo. Một đầu của thanh dẫn hƣớng đƣợc nối cứng với hệ thống xe và phải đảm bảo sao cho khi xe chuyển động đầu còn lại sẽ trƣợt tƣơng đối với hệ ray thông qua một lỗ định vị trên hệ ray này mà không bị kẹt. Trên hệ ray còn đƣợc lắp thêm hệ sống trƣợt để toàn cơ hệ bao gồm hệ ray và hệ xe có gắn ống dây (gọi là tấm trƣợt) sẽ vận hành ổn định khi đƣợc đặt vào hệ rãnh trƣợt đẵ đƣợc lắp cố định trên bàn thí nghiệm.
Tấm trƣợt có thể chuyển động đƣợc khi có sự tác động của các bộ phận chuyển động ngay trên tấm trƣợt này vào chính nó. Vì vậy, các chốt chặn sẽ đƣợc lắp lên tấm trƣợt (xem hình 3.17) nhằm mục đích khai thác sự chuyển động của ống dây tạo thành lực va đập làm cho tấm trƣợt chuyển động. Một giá đỡ (2) đƣợc lắp lên thanh giằng trên hệ thống ray. Tại giá đỡ này, bộ phận định vị và dẫn hƣớng lò xo (5), các chốt chặn có thể điều chỉnh khoảng cách (3), (4) đƣợc lắp vào nhƣ hình vẽ.Nhằm đảm bảo tính chính xác khi so sánh hiệu quả làm việc của cơ cấu theo phƣơng án cải tiến RLC-09 (khai thác lực va đập của ống dây) và cơ cấu cũ RLC-07 (khai thác lực va đập từ lõi sắt) các bộ thông số liên quan đến quá trình vận hành nhƣ R, L, C, Fms, ... cần phải đƣợc thống nhất. Vì vậy, các số liệu trong quá trình chuyển động của hệ thống thiết bị thí nghiệm sẽ đƣợc đo kiểm ở cả hai phƣơng án cho mỗi bộ thông số trong mỗi lần thí nghiệm trên cùng hệ thống thiết bị thí nghiệm này.
Khi cần hệ thống thiết bị thí nghiệm này hoạt động theo phƣơng án cơ cấu mới, các bộ lò xo sau khi đã đƣợc kiểm tra độ cứng sẽ đƣợc lắp vào thông qua định vị và dẫn hƣớng lò xo (5), chốt chặn của lõi sắt (3) sẽ đƣợc điều chỉnh ra đến hết khoảng hành trình chuyển động của lõi sắt để không
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 51
làm ảnh hƣởng tới quá trình vận hành của lõi sắt. Chốt chặn của ống dây (4) đƣợc đƣa vào và điều chỉnh khoảng cách va đập theo yêu cầu của thí nghiệm (xin xem hình 3.17 a). Trong phạm vi của đề tài này, vì hạn chế về điều kiện thời gian, ở phƣơng án cơ cấu RLC-09 hoạt động chỉ lấy số liệu kiểm tra cho một bộ lò xo đã đƣợc lựa chọn sau khi lắp ráp thử nghiệm và kiểm tra với các bộ lò xo có độ cứng khác nhau (xin xem lại phần 3.4.3.). Bộ số 2 cho kết quả vận hành tốt nhất có độ cứng 1,5 N/mm đã đƣợc lựa chọn. 1 3 4 5 2 3 4 6 2 1 (a) (b) 1: Giá đỡ 2: Lõi sắt
3: Chốt chặn của lõi sắt 4: Chốt chặn của ống dây
5: Định vị và dẫn hướng lò xo 6: Bulông khống chế chuyển động xe
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
Để lấy số liệu khi hệ thống thiết bị thí nghiệm này hoạt động theo cơ cấu RLC-07, cả lò xo và bộ phận định vị, dẫn hƣớng của lò xo (5) sẽ đƣợc tháo ra, thay vào đó là một bulông định vị khống chế chuyển động của ống dây (6). Chốt chặn của ống dây (4) lúc này sẽ đƣợc đƣa vào đến vị trí cân bằng của ống dây và bulông định vị khống chế chuyển động của ống dây (6) sẽ đƣợc siết chặt để cố định ống dây. Chốt chặn của lõi sắt (3) sẽ đƣợc điều chỉnh vào đến khoảng cách va đập theo yêu cầu của thí nghiệm (xem hình 3.17 b).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 52
Để có thể khảo sát cơ hệ hoạt động ở nhiều chế độ làm việc khác nhau, lực ma sát khi cơ hệ chuyển động đƣợc điều chỉnh thông qua cơ cấu điều chỉnh lực ép của tấm trƣợt lên hệ rãnh trƣợt (xin xem hình 3.18). Ở cơ cấu này một con trƣợt (1) có sống trƣợt hình chữ V có thể dịch chuyển tƣơng đối dƣới hệ rãnh trƣợt tƣơng ứng (2) của hệ thống rãnh trƣợt đã đƣợc lắp cố định trên bàn thí nghiệm. Con trƣợt này đƣợc lắp lên thanh giằng trên tấm trƣợt (4) bằng một bulông M10 (5). Vì các hệ rãnh trƣợt (2) và (3) cố định với nhau nên khi siết chặt hoặc nới lỏng bulông sẽ làm thay đổi khoảng cách S giữa con trƣợt (1) và tấm trƣợt (4). Lúc này lực ép của tấm trƣợt lên rãnh trƣợt (3) và con trƣợt lên rãnh trƣợt (2) sẽ thay đổi do đó lực ma sát của hệ thống khi dịch chuyển cũng sẽ thay đổi. Lò xo (6) đƣợc lắp vào để tạo một lực đẩy chống lại lực ép của cơ cấu nhằm mục đích làm ổn định lực ép này trên suốt hành trình. Lực ma sát của hệ thống lúc này sẽ
đƣợc kiểm tra bằng cách móc lực kế vào tấm trƣợt, kéo và gia tăng lực một cách rất chậm đến khi tấm trƣợt chuyển động, giữ lực và đọc số liệu hiển thị trên lực kế. Trong phạm vi của đề tài, các thử nghiệm với các mô hình
S
1 2 3
4
6 5
Hình 3.18: Điều chỉnh lực ma sát giữa tấm trượt và hệ rãnh dẫn bằng cách thay đổi khoảng cách S.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 53
trong hệ thống thí nghiệm này chỉ thiết lập và kiểm chứng với lực ma sát giữa tấm trƣợt và hệ rãnh dẫn ở hai mức là 4 kg lực và 6 kg lực.
Cuối cùng, một cảm biến vị trí (LVDT) có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu về sự thay đổi vị trí để đo lƣờng sự chuyển động tƣơng đối của tấm trƣợt sẽ đƣợc nối với cơ hệ nhƣ hình 3.19. Một bulông định vị M6 (1) sẽ cố định đầu nối của tấm trƣợt (3) lên giá đỡ hệ lò xo (2) trên tấm trƣợt, đầu nối của tấm trƣợt này đƣợc nối với đầu đo của LVDT (5) qua một thanh liên kết (4). Cảm biến vị trí sẽ đƣợc cố định lên bàn thí nghiệm bằng bốn vít định vị (6). Quá trình lắp đặt và cố định thiết bị này phải đảm bảo sao cho khi tấm trƣợt chuyển động suốt hành trình (khoảng cách dịch chuyển đƣợc trên rãnh dẫn hƣớng) đầu đo của LVDT không bị vƣợt quá giới hạn dịch chuyển đƣợc Lmax = 225 mm, và đƣờng dịch chuyển của đầu đo phải trùng với đƣờng dịch chuyển của tấm trƣợt.
LVDT 6 5 4 3 1 2
1: Bulông định vị đầu nối 2: Giá đỡ hệ lò xo
3: Đầu nối tấm trượt 4: Thanh liên kết
5: Đầu đo vị trí 6: Bulông định vị LVDT
Hình 3.19: Lắp đặt LVDT vào cơ hệ.
Sau khi lắp đặt ta đƣợc hệ thống thiết bị thí nghiệm mô phỏng cho một máy đào ngầm ngang nhƣ hình 3.20.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 54
1: Hệ thống rãnh trượt dẫn hướng 2: Tấm trượt
3: Cữ định vị và dẫn hướng lò xo 4: Cữ điều chỉnh khoảng cách va đập của xe
5: Cữ điều chỉnh khoảng cách va đập của lõi 6: Lõi sắt
7: Cuộn cảm 8: Hệ thống xe
9: Cảm biến vị trí chuyển động LVDT 10: Hệ thống điều chỉnh Fma sát
LVDT 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 Hình 3.20: Kết cấu hệ thống thí nghiệm RLC-09
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 55
3.6. Kết luận
Trong chƣơng này, một cơ cấu rung - va đập vận hành dựa trên nguyên lý hoạt động của một cuộn cảm đã đƣợc thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm. Những dao động của lõi sắt và ống dây sinh ra do lực điện từ trong mạch RLC đã đƣợc khai thác. Ống dây có thể chuyển động tƣơng đối trên tấm trƣợt qua hệ con lăn của hệ thống xe, một chốt chặn đƣợc cố định trên tấm trƣợt. Tấm trƣợt này sẽ chuyển động khi ống dây va đập vào chốt chặn. Một cơ cấu rung - va đập cho các máy đào ngầm ngang theo nguyên lý vận hành mới đã đƣợc thiết kế, chế tạo và làm việc tốt trong các thử nghiệm.
Một tập hợp các thông số lợi cho chuyển động tiến về phía trƣớc của tấm trƣợt đã đƣợc xác định. Trƣớc hết, điện dung của mạch RLC đƣợc điều chỉnh để cộng hƣởng trong mạch xảy ra khi lõi sắt đƣợc đặt ở một đầu của ống dây này. Thứ hai, cơ cấu giảm thiểu lực cản chống lại chuyển động của của ống dây và hệ thống lò xo khai thác cộng hƣởng cho chuyển động này cũng đã đƣợc thiết lập. Điều này là rất quan trọng để ống dây dao động. Cuối cùng, chốt chặn nên đƣợc đặt trong khoảng trƣớc khi ống dây đạt đến khoảng kết thúc hành trình dao động của nó. Nói cách khác, khoảng cách giữa chốt chặn và ống dây phải nhỏ hơn so với biên độ dao động của ống dây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 56
Chương 4
PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU MỚI
4.1. Giới thiệu.
Trong chƣơng trƣớc, bài toán thiết kế và chế tạo một hệ thống thiết bị thí nghiệm mới cho cơ cấu rung - va đập với ý tƣởng khai thác rung động từ ống dây đã đƣợc mô tả. Chƣơng này sẽ tiếp tục trình bày cách thức tiến hành thí nghiệm và khảo sát các đặc tính của cơ cấu mới. một nghiên cứu thực nghiệm đƣợc thực hiện để kiểm chứng và xác nhận hiệu suất trong cơ chế tác động của cơ cấu rung - va đập mới đã đƣợc thực hiện. Các đặc tính chuyển động của ống dây và tốc độ di chuyển thông qua va đập của nó đã đƣợc xem xét và phân tích. Tần số và chuyển động của cơ hệ ở cả hai thành phần chuyển động của ống dây và cơ hệ đã đƣợc phân tích. Kết quả thử nghiệm thu đƣợc đã đƣợc so sánh với kết quả của cơ cấu cũ (RLC-07) để xác minh những cải tiến cho mô hình cơ cấu mới. Các bộ số liệu thử nghiệm của cả hai cơ cấu đƣợc so sánh, trình bày dƣới hình thức đồ thị FFT (phép biến đổi nhanh Fourier) giữa chuyển vị của cơ hệ và thời gian. Đây là tính tích hợp của chuỗi thời gian với các dữ liệu thu thập đƣợc. Tất cả các kết quả đƣợc mô phỏng trực tiếp từ số liệu đã thu thập từ các hoạt động của cơ hệ.
Phần 4.2. sẽ mô tả về hệ thống và các thiết bị trong thí nghiệm, cách thiết lập, cài đặt một chƣơng trình thí nghiệm. Phƣơng pháp khảo sát, thu thập số liệu cho mỗi lần thử nghiệm sẽ đƣợc thể hiện trong phần 4.3. Tiếp theo, các kết quả thử nghiệm, sự so sánh và một số những ý kiến thảo luận đƣợc trình bày trong phần 4.4. Phần 4.5. sẽ là các phân tích về động lực học của cơ cấu mới. Các kết luận chính phần thực hiện của chƣơng sẽ đƣợc tóm tắt ở phần cuối cùng, phần 4.6.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 57 Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ USB-6008
Bộ xử lý dữ liệu thu được NILabView 3.0
OriginLab Offline X(t) Màn hình hiển thị kết quả (a) 4.2. Mô tả thí nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm đƣợc trình bày trên hình 4.1.
LVDT LVDT P C DVD COMPAQ COMPAQ 2 3 4 5 6 7 1
Hình 4.1: (a) Sơ đồ chi tiết
(b) Hình ảnh của hệ thống thiết bị trong thí nghiệm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 58
Chƣơng trình thử nghiệm đƣợc tiến hành để xác định tính chất trong các chuyển động của cơ hệ cũng nhƣ lực tác động tạo ra khi lõi sắt hoặc ống dây va đập vào chốt chặn. Ống dây này có độ tự cảm tối đa là 0,25 H và giá trị tối thiểu là 0,15 H. Điện trở của cuộn dây R = 19,8 . Tổng khối lƣợng của hệ thống trƣợt bao gồm tấm trƣợt và các chi tiết trên nó có khối lƣợng 6,6 kg, trong đó khối lƣợng của hệ thống xe bao gồm cả cuộn cảm và lõi sắt nặng 3,2 kg, riêng lõi sắt có khối lƣợng là 0,3 kg. Điện áp đƣợc cung cấp vào cơ cấu với các giá trị khác nhau thay đổi từ 80 V đến 110 V với giá trị 5V thay đổi trong mỗi khoảng. Điện dung của tụ điện đƣợc lắp trong mạch RLC là 45 μF.
Trong mỗi lần thí nghiệm, ban đầu, tấm trƣợt (3) đƣợc thiết lập vị trí ban đầu một đầu của rãnh dẫn hƣớng (1). Thiết bị đo LVDT (4) đƣợc xác lập ở mức 0mm. Ngay sau khi đƣợc cấp điện cơ cấu rung sẽ hoạt động, làm cho tấm trƣợt (trên đó có ống dây (2)) chuyển động về phía trƣớc. Chuyển động này đƣợc chuyển đổi thành tín hiệu số qua cảm biển vị trí LVDT, sau đó đƣợc kết nối với các kênh đầu vào tƣơng ứng của hệ thống thu thập dữ liệu DAQ USB-6008 (5) và đƣợc hiển thị trên màn hình với phần mềm hiển thị dao động NI LabView Signal Express 3.0 (6) để theo dõi. và lƣu vào một file trên máy tính với tỷ lệ lấy mẫu cho các tín hiệu đƣợc thiết lập là 10 kHz. Sau đó dữ liệu đƣợc lƣu lại này sẽ đƣợc phân tích, xử lý bằng phần mềm OriginLab (7).
Hai mức ma sát giữa tấm trƣợt và rãnh dẫn hƣớng của cơ cấu lần lƣợt là 4 và 6 kg lực đã đƣợc thiết lập nhằm khảo sát khả năng làm việc của cơ hệ trong các điều kiện khác nhau. Cách xác định lực ma sát xin xem lại mục 3.4.4.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 59
Với mỗi mức ma sát, các thí nghiệm đƣợc tiến hành cho cả hai mô hình cơ cấu RLC-07 và RLC-09. Số liệu thu đƣợc sẽ đƣợc phân tích để so sánh giữa hai cơ cấu. Mỗi cơ cấu đƣợc tiến hành một bộ thí nghiệm theo các xác lập bao gồm 7 giá trị của nguồn điện áp cung cấp vào cơ cấu, và 5 giá trị khoảng cách va đập.
4.3. Phương pháp khảo sát thí nghiệm
Trƣớc tiên, để đảm bảo tính chính xác, việc thu thập số liệu cho cho mỗi bộ thông số của hệ thống sẽ đƣợc thực hiện ba lần lấy số liệu, sau đó kiểm tra và chọn giá trị trung bình làm giá trị để phân tích cho bộ thông số đó. Hình 4.2 minh họa cho kết quả thu đƣợc sau khi tiến hành thí nghiệm ở mức điện áp 80V và khoảng va đập L=3mm của cơ cấu RLC-09.
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.
Với mỗi mức điện áp, để chọn đƣợc khoảng cách va đập phù hợp nhất, trƣớc hết điểm va đập đƣợc điều chỉnh bằng tay để xác định thô vùng va
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 60
đập hiệu quả. Thực tế thí nghiệm cho thấy chỉ có một vùng nhỏ cho kết quả va đập tích cực. Điểm va đập phù hợp nhất đƣợc xác định bằng cách tiến hành thí nghiệm, đo và so sánh số liệu hành trình đi đƣợc của tấm trƣợt. Do điều kiện hạn chế về thời gian, khoảng cách của các điểm va đập chỉ đƣợc xác lập với bƣớc nhảy 1 mm và 5 giá trị đƣợc khảo sát.
Khoảng va đập ở đây là khoảng cách đƣợc tính từ vị trí cân bằng của ống dây đến điểm va đập với cơ cấu RLC-09 và khoảng cách từ lõi sắt ở tại điểm giữa ống dây đến điểm va đập với cơ cấu RLC-07. Nhận xét rằng các khoảng cách này không đƣợc sử dụng để so sánh giữa hai cơ cấu mà chỉ dùng để tham chiếu trong từng cơ cấu để chọn vị trí điểm va đập tốt nhất của chính cơ cấu đó.
Hình 4.3 minh họa cách xác định điểm va đập cho mức điện áp 80V ở cơ cấu RLC-09. Vùng chứa điểm va đập hợp lý đƣợc khảo sát là từ 2 đến 6 mm.
Hình 4.3. Đồ thị chuyển động của cơ cấu RLC-09 với 5 khoảng va đập tại