Hệ thống ray ngoài nhiệm vụ để dẫn hƣớng còn làm nhiệm vụ liên kết với ống dây qua hệ lò xo nhằm phát huy tính cộng hƣởng của dao
150 Ø94 Ø34 108 1 3 2 4 5 6 100 74 33
Hình 3.4: Cơ cấu chuyển động ống dây trong thí nghiệm 1: Ống dây 2: Định vị trục 3: Ổ bi 4: Bánh xe 5: Trục 6: Thân xe
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 42
động. Từ số liệu kích thƣớc và hành trình có thể chuyển động của ống dây, hai đƣờng ray đƣợc thiết kế có chiều dài 250 mm, bản rộng 5mm và chiều cao 27 mm với vật liệu đƣợc chọn là thép 45 đƣợc mài phẳng ở hai mặt tiếp xúc với bánh xe chứa ống dây nhằm giảm tối đa ma sát. Hai đƣờng ray này đƣợc liên kết bởi ba thanh giằng, hai thanh ở hai đầu còn đƣợc lắp thêm giá liên kết và định vị lò xo, thanh giằng ở giữa đƣợc gia công thêm một lỗ để lắp đặt cơ cấu điều chỉnh lực ma sát giữa hệ thống với bàn trƣợt (xem hình 3.6).
Khi vận hành, công sinh ra từ chuyển động của ống dây và hệ lò xo cũng sẽ làm cho toàn bộ hệ thống đƣờng ray này chuyển động, hiệu quả chuyển động của cơ hệ này cũng là vấn đề cần đƣợc kiểm chứng. Vì vậy bộ phận dẫn hƣớng cho chuyển động bằng
sống trƣợt chữ V sẽ đƣợc chế tạo và lắp đặt vào cơ hệ này (xem hình 3.7).
250 27 122 M6 1 2 4 5 3 Ø12
Hình 3.6: Hệ thống đường ray trong thí nghiệm
R3 0 20 32 2xØ6 90° 6 Hình 3.7: Sống trượt dẫn hướng được lắp trên hệ thống ray 1: Đường ray 2: Sống dẫn hướng 3: Thanh giằng định vị 4: Bulông định vị 5: Lỗ lắp bulông điều chỉnh Fms
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 43 1: Cuộn cảm 2: Định vị trục 3: Ổ bi 4: Bánh xe 5: Trục 6: Thân xe 3.3.3. Hệ thống rãnh trượt dẫn hướng
Để bộ phận dẫn hƣớng cho cơ hệ hoạt động, các sống trƣợt cần có một hệ rãnh trƣợt tƣơng ứng. Từ các số liệu của cơ hệ trên, hệ thống rãnh trƣợt (2) đƣợc thiết kế và chế tạo bằng vật liệu thép 45, suốt chiều dài 500mm đƣợc phay rãnh hình chữ V với góc ở đỉnh là 90o, khoảng cách đỉnh giữa hai rãnh là 132mm (xem hình 3.8). Ngoài ra, một hệ rãnh (3) có chiều ngƣợc lại, dài 300mm cũng đƣợc lắp vào giữa hệ rãnh (2) theo kết cấu nhƣ hình vẽ nhằm phục vụ cho việc tăng giảm lực ép của cơ hệ trên vào hệ thống rãnh này. Việc gia công, lắp đặt hệ thống rãnh trƣợt này phải đảm bảo sự đồng phẳng và song song giữa các đƣờng rãnh cũng nhƣ hệ rãnh sao cho cơ cấu luôn ổn định khi vận hành.
4 3 1 2 500 1 45 50 38 132 300 A A A-A
1: Bu lông định vị 2: Rãnh dẫn cơ hệ ray-ống dây
3: Rãnh dẫn con trượt điều chỉnh Fms 4: Thanh giằng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 44
3.3.4. Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát
Cơ cấu này có nhiệm vụ mô phỏng lực cản khi hệ thống vận hành trong thực tế, lực cản chủ yếu do việc thâm nhập vào đất gây nên. Một cơ
cấu kẹp điều chỉnh đƣợc đƣợc thiết kế (xem hình 3.9) với mục đích có thể điều chỉnh đƣợc lực ép của cơ hệ chuyển động trên hệ rãnh trƣợt nhằm thay
đổi ma sát giữa tấm trƣợt và hệ rãnh dẫn hƣớng.
Con trƣợt có chiều dài 50mm, với hai sống trƣợt chữ V tƣơng ứng với hệ rãnh trên hệ thống rãnh trƣợt đƣợc lắp lên cơ hệ ray-ống dây qua
một lỗ Φ11 trên thanh giằng của hệ thống ray bằng bulông M10. Khi siết bulông con trƣợt sẽ làm tăng lực ép giữa cơ hệ ray-ống dây và hệ thống rãnh trƣợt làm tăng ma sát. Một lò xo đƣợc lắp vào cơ cấu nhằm chống kẹt và phân tán đều lực ép của con trƣợt vào hệ rãnh.
Hình 3.9: Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát
1 2 3 4 5 1: Vít điều chỉnh 2: Thanh giằng hệ thống ray 3: Rãnh trượt 4: Con trượt 5: Lò xo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 45
3.4. Các thiết bị đo
3.4.1. Thiết bị đo chuyển vị
Lƣợng dịch chuyển của tấm trƣợt đƣợc đo bằng thiết bị LVDT (Linear Variable Differential Transformer) từ hãng Farnell in One, Singapore (xem hình 3.10).
Hình 3.10: Cảm biến vị trí (LVDT)
3.4.2. Thiết bị đo điện áp, điện cảm, điện dung
Điện áp cấp cho hệ thống thông qua bộ điều chỉnh vô cấp từ 0÷110V của Nga và đƣợc đo đạc kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng... (xem hình 3.11)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 46
(a) (b)
Hình 3.13: (a) Lực kế, (b)Phương pháp đo độ cứng lò xo
Điện cảm, điện trở của cuộn dây và điện dung của tụ điện đƣợc đo bằng đồng hồ đo RLC Ω OMEGA số hiệu HHM30. (xem hình 3.12)
Hình 3.12: Đồng hồ đo điện trở, điện cảm, điện dungOMEGA - HHM30 3.4.3. Thiết bị đo lực
Lực ma sát của cơ cấu, độ cứng của lò xo đƣợc đo kiểm bằng lực kế (xem hình 3.13 (a)).
Tiến hành tính chọn thông
số lò xo nén cho cơ cấu RLC-09 bằng phƣơng pháp thực nghiệm, thử và sai. Đầu tiên, các cặp lò xo có độ cứng khác nhau đƣợc đánh
số thứ tự để nhận biết. Sau đó,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 47
Kh.cách Bộ số
sơ bộ, lựa chọn các cặp cho kết quả khả quan nhất, đánh lại số thứ tự và
tính độ cứng cho từng bộ bằng lực kế theo cách sau.
Lò xo đƣợc cho vào thanh thép có cữ chặn tại một đầu, thanh thép này đƣợc lắp vào lỗ trên giá đỡ qua đầu còn lại, tại đầu này lƣc kế đƣợc móc vào để lấy số liệu đo đƣợc (hình 3.13 (b)). Khoảng nén của lò xo đƣợc đo đạc bằng thƣớc cặp, tƣơng ứng với mỗi khoảng nén đọc và ghi lại
các số liệu hiển thị trên lực kế. Tiến hành đo cho ba cặp lò xo trong khoảng nén từ 10mm đến 30 mm, với bƣớc nhảy 2mm, kết quả thu đƣợc
biểu diễn trên bảng 3.1.
Bảng 3.1. Số liệu đo được của 3 bộ lò xo
(mm) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
1 2 2,4 2.7 3.0 3.5 3,8 4,2 4,5 5,0 5,3 5,7 2 1,5 1,8 2,0 2,4 2,7 3,0 3.4 3,7 3,9 4,1 4,5 3 1.1 1,2 1,4 1,6 1,8 2.1 2.2 2.4 2.7 2.9 3,1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 48 10 20 30 1,0 2,0 3,0 5,0 4,0 6,0 L (mm) F (kg) (1) (3) (2) Hình 3.14 Đồ thị kiểm tra độ cứng lò xo
Từ đồ thị ta có thể tính đƣợc độ cứng lò xo tƣơng ứng cho mỗi bộ là: Bộ 1 = 1,9N/mm; Bộ 2 = 1,5N/mm; Bộ 1 = 1,1N/mm;
Sau khi lắp và vận hành thử các bộ lò xo cho kết quả nhƣ hình 3.15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 49
Nhìn vào đồ thị ta thấy bộ lò xo số 2 có độ cứng 1,5 N/mm là phù hợp nhất cho cơ cấu rung - va đập RLC-09.
3.4.4. Thiết bị thu thập dữ liệu
Tín hiệu đƣợc đƣa vào máy vi tính bằng bộ thu nhận dữ liệu DAQ USB-6008 của National Instruments và phần mềm hiển thị dao động NI LabView Signal Express 3.0. (xem hình 3.16)
Hình 3.16: Bộ tiếp nhận dữ liệuDAQ USB-6008
Phần mềm OriginLab đƣợc sử dụng để phân tích và xử lý dữ liệu. Với mỗi giá trị của lực ma sát đƣợc xác lập, hai thí nghiệm đƣợc tiến hành để so sánh hiệu năng của cơ cấu mới.
3.5. Lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm
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