Trong máy giặt lồng ngang, các thiết bị giảm chấn được sử dụng là giảm chấn ma sát dạng nửa ướt. Hình ảnh thực của thiết bị được chỉ ra trên Hình 2.8.
Hình 2.8. Thiết bị giảm chấn trong hệ thống treo máy giặt lồng ngang 1-Vỏ ngoài, 2- Trục pit-tông, 3- Chất bôi trơn, 4- Đệm mút Để xác định đặc tính của thiết bị giảm chấn, nghiên cứu này sử dụng một thiết bị thí nghiệm đã được chế tạo, lắp ráp tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp (Đại học Thái Nguyên), đây là sản phẩm của đề tài B2016-TNA-05 [2]. Từ yêu cầu
Lồng chứa
Chốt kết nối lồng chứa với thiết bị giảm chấn Thiết bị giảm chấn ma sát
phải xác định được lực, chuyển dịch và vận tốc, sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm được thể hiện trên Hình 2.9. Sơ đồ thí nghiệm đo lực cản theo vận tốc của giảm chấn được chỉ ra trên Hình 2.10.
Mẫu thử là thiết bị giảm chấn của máy giặt với một đầu được gắn vào gối cố định và đầu còn lại được gắn vào gối di động, gối di động chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu tạo chuyển động và một động cơ sẽ giúp cơ cấu tạo chuyển động.
Hình 2.9. Nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm [2]
Khi động cơ quay, cơ cấu chuyển động làm gối di động di chuyển kéo theo cần pit-tông di chuyển từ vị trí A1 về A2 và ngược lại.
Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm đo đặc tính cản của thiết bị giảm chấn [2] Để tiến hành thí nghiệm và xác định được thông số: lực, vận tốc, khoảng dịch chuyển, trên thiết bị đã được bố trí hệ thống đo lường, xử lý số liệu.
ĐỘNG CƠ n (vòng/phút) P(công suất) Cơ cấu chuyển động Gối di động Loadcell Fms A A1 A2 y(t), V Cảm biến lực MT 1260-50 DAQ NI USB6221 Servo DRV Động cơ Servo Máy tính và phần mềm (điều khiển và xử lý)
➢ Đo lực: sử dụng cảm biến đo lực (loadcell) có khả năng đo được đến tải trọng 500N (50kg), gắn trực tiếp vào giá đỡ cố định và mẫu thử.
➢ Đo vận tốc dịch chuyển pit-tông (A): sử dụng tín hiệu phản hồi vận tốc trực tiếp từ động cơ servo, quy đổi ra vận tốc dịch chuyển dựa trên thông số vit-me bi.
➢ Hệ thống điều khiển, thu thập và xử lý dữ liệu:
• Sử dụng mô-đun DAQ với các đầu vào/ra số và tương tự để điều khiển tốc độ dịch chuyển, hành trình chuyển động;
• Sử dụng mô-đun NI USB6221 để thu thập dữ liệu từ các cảm biến lực và dịch chuyển;
•Phần mềm điều khiển hệ thống và thu thập dữ liệu được xây dựng trên NI Labview 2013 và NI Signal Express 2015;
•Sử dụng phần mềm Microsoft Excel và Matlab để xử lý dữ liệu và xây dựng biểu đồ quan hệ.
Thuật toán điều khiển cơ bản được mô tả qua lưu đồ trên Hình 2.11. Cấu trúc chương trình điều khiển lập trên Labview được mô tả trên Hình 2.12.
Bắt đầu Tay/Tự động CB 1 Đ S=F - Tần số xung: PFI12=1000 CB 2 Đ S=T S P2.2=T P2.2=F Stop Kết thúc Đ S - Chiều quay: S=F - BuocNhay: 0 - SoChuKy: 3 - MaxXung:0 S X>=MaxXung Đ Kết thúc Chu kỳ I =0 PFI12=PFI12+Buocnhay Đ S ChukyI>=SoChuKy Đ S
Từ thuật toán và các chức năng cơ bản có được giao diện của chương trình điều khiển trên Labview mô tả trên Hình 2.13.
Hình 2.13. Giao diện của chương trình điều khiển trên Labview
Thí nghiệm được thực hiện ở 20 giá trị vận tốc khác nhau của pit-tông, với bước tốc độ 16mm/s, tương ứng với sự thay đổi từ 96 đến 400 mm/s. Thực hiện tối thiểu ba chu kỳ kéo-nén liên tục ở mỗi giá trị vận tốc rồi lấy giá trị trung bình. Trên cơ sở dữ liệu thu nhận được, các đặc tính của mẫu thử được đánh giá.
• Đánh giá về độ chính xác của vận tốc
Hình 2.14 cho thấy đồ thị dạng sóng của dữ liệu vận tốc, sự biến động về giá trị đo này chính là sự can nhiễu bậc thấp (có thể do nhiễu biên độ đường nguồn) và can nhiễu bậc cao (có thể do sóng hài bậc cao từ mạch điện tử công suất biến tần truyền qua nguồn cấp ba pha cho động cơ servo). Bảng 2.1 là kết quả đánh giá về biên nhiễu và độ chính xác giữa tốc độ đặt với tốc độ thực được phản hồi qua encoder và quy đổi thành vận tốc dịch chuyển, dựa trên bước vit- me. Theo đó, sai lệch về tốc độ của thiết bị thí nghiệm lớn nhất -0.9% + 1.0%. Hình 2.15 minh họa dữ liệu đo lực cản và vận tốc của thiết bị giảm chấn do hệ thống thí nghiệm ghi lại.
Hình 2.14. Can nhiễu lên tín hiệu vận tốc thu trực tiếp từ encoder động cơ
Hình 2.15. Cửa sổ phần mềm hiển thị kết quả đo lực và vận tốc theo thời gian ở dải tốc độ 144 - 192 mm/s
• Đặc tính F-V của thiết bị giảm chấn máy giặt
Để có được bộ dữ liệu thực nghiệm để xây dựng phương trình hồi quy lực cản - vận tốc (F-V) cho thiết bị giảm chấn trong điều kiện lý tưởng, 04 bộ giảm chấn được sử dụng làm mẫu thử trong đó có 02 bộ mới (D1_N, D2_N) và 02 bộ đã qua sử dụng (D1_U, D2_U). Sau khi thử nghiệm từng bộ nghiên cứu lấy dữ liệu trung bình của cả 04
bộ để xem xét, đánh giá. Kết quả được tóm tắt trong Bảng 2.2 và mối quan hệ tương ứng lực – vận tốc theo giá trị trung bình được biểu diễn trên đồ thị Hình 2.16.
Bảng 2.1. Phân tích dữ liệu tốc độ trong 05 khoảng đầu tiên
Thông số Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Tốc độ đặt (mm/s) 96 112 128 144 160 Tốc độ thực (biên dưới) (mm/s) 93.37 110.6 125.5 142.7 161.3 Tốc độ thực (biên trên) (mm/s) 96.91 113.8 129 145.9 161.9 Tốc độ thực trung bình (mm/s) 95.14 112.2 127.25 144.3 161.6 Biên độ nhiễu (mm) +/- 1.77 +/- 1.6 +/- 1.75 +/- 1.6 +/- 0.3 Sai lệch (%) -0.9 0.2 -0.6 0.2 1.0
Bảng 2.2. Các kết quả của dữ liệu quan hệ lực – vận tốc trong chu kì kéo và nén
Kết quả từ Bảng 2.2 và đồ thị Hình 2.16 cho thấy, trong dải vận tốc nhỏ lực cản gần như tăng tuyến tính với vận tốc sau đó sự tăng giảm dần. Kết quả này cho thấy tính chất phi tuyến của lực cản. Do đó, để biểu thị đường cong lực giảm chấn – vận tốc (F-V), một mô hình hàm mũ kết hợp giữa ma sát Coulomb và ma sát nhớt được đề xuất. Trong nghiên cứu, mô hình ma sát Tustin được sử dụng để xây dựng mô hình động lực cho hệ thống treo của máy giặt nằm ngang. Ngoài ra, để thuận lợi
V(m/s) V(m/s)
D1_N D2_N D2_U D2_U Trung bình D1_N D2_N D2_U D2_U Trung bình
-0.096 -52.68 -48.00 -59.01 -50.12 -52.45 0.096 57.43 55.00 63.48 52.45 57.09 -0.112 -58.75 -52.55 -67.69 -60.96 -59.99 0.112 65.61 59.47 71.33 64.40 65.20 -0.128 -63.42 -56.75 -72.32 -67.27 -64.94 0.128 70.17 64.63 76.51 72.12 70.86 -0.144 -65.46 -59.88 -75.15 -71.42 -67.98 0.144 73.71 68.37 79.64 77.06 74.70 -0.16 -67.09 -62.42 -77.44 -74.31 -70.32 0.16 76.27 71.31 82.06 80.16 77.45 -0.176 -69.12 -64.19 -78.58 -76.61 -72.13 0.176 77.92 73.30 83.92 82.95 79.52 -0.192 -69.98 -65.89 -80.06 -78.11 -73.51 0.192 80.30 75.57 85.53 84.20 81.40 -0.208 -70.22 -66.39 -80.50 -79.35 -74.12 0.208 80.88 76.10 86.78 85.75 82.38 -0.224 -70.75 -67.51 -80.90 -80.71 -74.97 0.224 81.81 77.36 87.35 86.00 83.13 -0.24 -72.21 -67.15 -81.51 -81.24 -75.53 0.24 82.20 77.21 87.43 87.24 83.52 -0.256 -71.50 -67.15 -81.35 -80.12 -75.03 0.256 81.20 77.05 86.55 86.50 82.83 -0.272 -71.58 -67.43 -80.80 -80.65 -75.11 0.272 82.93 78.00 86.55 87.00 83.62 -0.288 -71.69 -67.40 -80.67 -80.48 -75.06 0.288 82.70 77.12 87.26 86.67 83.44 -0.304 -71.26 -67.51 -80.68 -80.79 -75.06 0.304 83.01 77.03 86.81 87.10 83.49 -0.32 -71.03 -67.72 -81.13 -80.34 -75.06 0.32 82.91 77.58 86.92 87.32 83.68 -0.336 -70.82 -67.57 -81.38 -80.44 -75.05 0.336 82.43 77.16 86.57 86.84 83.25 -0.352 -70.51 -67.15 -80.92 -80.84 -74.85 0.352 82.39 77.35 86.83 86.65 83.31 -0.368 -69.30 -67.01 -81.07 -80.40 -74.44 0.368 81.86 77.38 87.42 86.57 83.31 -0.384 -69.45 -67.18 -80.69 -80.12 -74.36 0.384 81.78 77.71 87.00 87.09 83.40 -0.4 -68.07 -67.41 -80.55 -80.28 -74.08 0.4 80.58 77.04 87.22 87.26 83.03 F(N) Chu kì nén (-) F(N) Chu kì kéo (+)
cho việc xác định các tham số trong mô hình ma sát, phương trình (2.22) được đề xuất cải tiến dưới dạng
/ 3
0 1 2
( ) V C
D
F V =C +C V +C e− (2.24)
Hình 2.16. Đồ thị quan hệ lực – vận tốc của thiết bị giảm chấn
Từ dữ liệu F-V dựa trên thực nghiệm, sử dụng một thuật toán tối ưu tiến hóa vi phân (Differential Evolution -DE) [67]) để giảm thiểu sự khác biệt giữa dữ liệu đo lường và dữ liệu tính toán từ đó xác định các hệ số của phương trình (2.24). Cực tiểu hàm mục tiêu đã chọn được hiển thị trong phương trình (2.25).
2 1 1 [F - F ] n tt tn i n = = (2.25)
trong đó n là số điểm đo được, Ftt là giá trị lực tính theo (2.24) và Ftn là giá trị lực từ dữ liệu thực nghiệm. Sơ đồ khối của chương trình Matlab được thể hiện trong Hình 2.17, kết quả của các tham số tối ưu được thể hiện trong Bảng 2.3 và chương trình tính chi tiết sẽ được trình bày trong phần Phụ lục.
Bảng 2.3. Hệ số của phương trình (2.24) Tham số Dải giá trị
đặt trước
Giá trị tối ưu trong chu kì kéo
Giá trị tối ưu trong chu kì nén Giá trị xấp xỉ sử dụng C0 [N] -70 100 90.19 -81.27 85.73 C1 [N.s/m] -20 20 -15.0 -15.0 -15 C2 [N] -100 100 -97.0 90.0 93.5 C3 [s/m] -0.2 0.2 0.07 - 0.07 0.07
Các hệ số Ci, (i=03) của phương trình (2.24) trong các chu kỳ nén nhỏ hơn trong các chu kỳ kéo. Điều này cho thấy sự trễ của lực giảm chấn trong các chu kỳ nén, tuy nhiên, sự khác biệt không đáng kể. Để thuận lợi cho quá trình tính toán mô phỏng, hệ số Ci ở hai chu kỳ kéo - nén được coi là đồng nhất và lấy giá trị trung bình. Kết quả mô phỏng (đường cong F_tt) của quan hệ lực – vận tốc sử dụng các tham số tối ưu được so sánh với kết quả thực nghiệm (đường cong F_tn) thể hiện trên Hình 2.18. Quan sát đồ thị có thể nhận thấy rằng dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu mô phỏng có sự sai lệch nhỏ.
Hình 2.17. Sơ đồ khối của thuật toán DE
Khởi động
Đọc dữ liệu đầu vào
Khởi tạo
Hệ số PT (2.24) Đánh giá PT (2.25)
Hoán đổi (Mutation)
Xuyên chéo (Crossover)
Lựa chọn (Selection)
Tiêu chuẩn dừng Không đạt
Viết dữ liệu đầu ra
Do đó, mối quan hệ phi tuyến của lực và vận tốc của giảm chấn trong các chu kỳ kéo và nén có thể được xấp xỉ bằng phương trình:
(2.26) trong đó: C0 = 85.73, C1 = - 15.00, C2 = -93.50, C3 = 0.07.
Kết quả so sánh giữa đường cong lực – vận tốc tính theo phương trình (2.26) (đường màu đỏ F_hq) với kết quả thực nghiệm (đường màu đen F_tn) chỉ ra trên Hình 2.18 cho thấy tính sát thực của mô hình lý thuyết xây dựng.
Hình 2.18. Đồ thị đường cong lực – vận tốc của thiết bị giảm chấn
Ý nghĩa khi sử dụng quan hệ lực – vận tốc bằng mô hình Tustin cải tiến có thể nhận thấy khi so sánh với quan hệ xấp xỉ bậc nhất. Sử dụng công cụ Linear Fit trong Oringin từ dữ liệu thực nghiệm, xác định được xấp xỉ mối quan hệ tuyến tính lực vận tốc (F = c.v)) với hệ số cản có thể lấy xấp xỉ c = 273.95 N.s/m. Đồ thị mối quan hệ tuyến tính lực- vận tốc được biểu diễn bằng đường thẳng (F_xxtt) chỉ ra trên Hình 2.18. Tuy nhiên, mối quan hệ này chỉ có thể chấp nhận ở dải vận tốc thấp, còn ở vùng vận tốc cao giá trị xấp xỉ tuyến tính nhận được khác xa giá trị thực.
Với xu hướng giảm thời gian của chu trình giặt, tăng khả năng chiết tách nước, các máy giặt thế hệ mới ngày càng có tốc độ quay nhanh hơn, do vậy các thiết bị
3 sgn( ). / 0 1 2 ( ) sgn( ) sgn( ). . V V C D F V =C V +C V + V C e−
giảm chấn chuyển động với vận tốc lớn hơn cho nên nghiên cứu này đề xuất một quan hệ lực – vận tốc phù hợp với dải vận tốc lớn, tăng độ chính xác cho các đánh giá là một việc có ý nghĩa.
2.3.3. Đặc tính của phần tử quán tính
Để giảm bớt sự phức tạp của mô hình động lực, trong nghiên cứu này khối lượng của các phần tử của hệ thống được xem là hằng số, tức lồng giặt và lồng chứa là vật rắn tuyệt đối, khi đó động năng của cơ hệ phụ thuộc vào sự thay đổi vận tốc của vật. Ngoài ra, đệm và cửa ngăn nước là các phần tử đàn hồi cho nên cũng có một số ảnh hưởng đến rung động của hệ thống treo, tuy nhiên theo nghiên cứu [54], các tác động của các yếu tố này là không đáng kể so với các phần tử chính của nhóm dao động cho nên trong nghiên cứu này các ảnh hưởng của chúng được bỏ qua.
Hình 2.19. Các thành phần của hệ thống treo
1-Lồng giặt, 2-Trục quay, 3-Stato, 4-Rotor, 5-Lồng chứa, 6-Đối trọng
Vì đối tượng chính của nghiên cứu là hệ thống treo của máy giặt nên vỏ máy giặt được coi là cố định với mặt đất. Các thành phần của hệ thống treo được cân khối lượng, đo kích thước để xác định khối tâm và mômen quán tính.
Chia các phần của hệ thống treo thành hai nhóm: nhóm quay quanh trục z và nhóm không quay quanh trục z. Nhóm quay quanh trục z gồm: lồng giặt, trục quay, stato và nhóm không quay quanh trục z gồm: lồng chứa, roto, đối trọng. Chọn gốc hệ quy chiếu là tâm ổ trục của động cơ, tính chất vật lý của từng nhóm được chỉ ra trong Bảng 2.4.
Bảng 2.4. Tính chất hình học và khối lượng của các thành phần hệ thống treo Phần Khối lượng (kg) Vị trí khối tâm (mm) Mômen quán tính Đối với các trục (kgm2) x y z Ix Iy Iz Phần quay 6 0.00 0.00 91.92 0.93 0.34 0.21 Phần không quay 26.5 0.07 -0.27 89.18 2.3 2.90 2.74 Tổng 32.5 3.23 3.24 2.95
Từ đây, xác định được vị trí khối tâm C của hệ thống treo xC = 0.06 mm, yC = -0.22mm, zC = 89.68mm. Khối tâm C của hệ thống treo nằm trong mặt phẳng chứa cặp lò xo. Mômen quán tính của hệ thống treo đối với các trục đi qua khối tâm được xác định [16] 2 2 2 . 3.23 32.5( 0.22) 1.95 Cx x C I =I −M y = − − = kgm 2 2 2 . 3.24 32.5(0.06) 3.12 Cy y C I = −I M x = − = kgm (2.27) 2 2.95 Cz z I =I = kgm 2.3.4. Đặc tính của phần tử kích thích rung động
Rung động của máy giặt xảy ra là do tải không cân bằng trong lồng giặt khi máy giặt hoạt động. Tải là các vật phẩm giặt, bao gồm các mảnh vải đơn lẻ có thể khác nhau về kích thước, trọng lượng, hình dáng, chất liệu, … Thông thường khi đưa vào máy giặt, chúng sẽ bị khuấy đảo một cách ngẫu nhiên, do vậy, tải không được phân bố đồng đều và chính điều này sẽ tạo ra các lực động kích thích rung động của hệ thống. Hình 2.20 (a) chỉ ra các lực tác động lên tải khi lồng giặt quay đều, bao gồm: lực quán tính ( 2
,
n t
F =mr F =mr, với m là khối lượng tải, r là bán kính, là vận tốc góc và là gia tốc góccủa lồng giặt), lực cản với lồng (Fms =
.N, với là hệ số ma sát giữa đồ giặt với lồng giặt, N là phản lực theo phương pháp tuyến), trọng lực (m.g, với g là gia tốc trọng trường); Hình 2.20(b) và (c) biểu