Chƣơng 4 : PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU MỚI
4.2. Mơ tả thí nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm đƣợc trình bày trên hình 4.1.
(a) 2 3 4 LVDT LVDT 1 X(t) 7 OriginLab Offline 5
Bộ tiếp nhận dữ liệu DAQ USB-6008
6
Bộ xử lý dữ liệu thu được NILabView 3.0
DVD P C COMPAQ Màn hình hiển thị kết quả COMPAQ (b)
Hình 4.1: (a) Sơ đồ chi tiết
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 Ω. 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.
Với mỗi mức ma sát, các thí nghiệm đƣợc tiến hành cho cả hai mơ 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 thơng 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
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 80V điện áp cấp vào.
Qua hình vẽ có thể nhận thấy rằng với mức điện áp cấp vào là 80V thì cơ cấu sẽ hoạt động hiệu quả nhất với khoảng va đập là 4mm.
Các số liệu thu thập đƣợc trong mỗi thử nghiệm cho mỗi cơ cấu sẽ đƣợc tổng hợp phân tích để chọn ra kết quả tốt nhất sau đó đem ra so sánh về hiệu quả làm việc giữa hai cơ cấu RLC -07 và RLC-09 trong từng mức điện áp cũng nhƣ giữa các bộ thông số hoạt động hiệu quả nhất cho từng cơ cấu.
4.4. Kết quả thí nghiệm
4.4.1. Mức ma sát 4 kg lực * Cơ cấu RLC-09
Với mỗi mức điện áp giá trị hành trình đi đƣợc của tấm trƣợt sau 5 giây đƣợc ghi lại và đƣa vào bảng số liệu so sánh. Kết quả cho 7 mức điện áp cấp vào từ 80V đến 110V đƣợc cho trong bảng 4.1.
Bảng 4.1. Lượng dịch chuyển sau thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-09 ứng với các mức điện áp(U) và khoảng va đập (L) khác nhau
U L 80 85 90 95 100 105 110 0 x x x 124 122 119 126 1 x 103 117 138 136 128 137 2 94 110 126 147 143 140 131 3 101 122 131 140 132 131 118 4 109 115 123 128 120 117 109 5 98 104 114 x x x x 6 91 x x x x x x
Nhìn vào bảng 4.1 ta thấy, ở mỗi mức điện áp có yêu cầu khoảng cách va đập hợp lý là khác nhau. Chẳng hạn, ở mức 80V khoảng cách va đập hợp lý nhất là 4 mm, còn ở mức 85V, khoảng cách này lại là 3 mm.
Để chỉ ra tính ƣu việt của cơ cấu mới so với cơ cấu cũ kết quả hành trình đi đƣợc trong điều kiện tốt nhất của từng cơ cấu đƣợc đem ra so sánh với nhau. Do vậy, ta xác lập điều kiện cho kết quả hành trình đi đƣợc gồm cặp thơng số điện áp và khoảng cách va đập. Nhƣ vậy 7 điều kiện làm việc đƣợc thiết lập và liệt kê trong bảng 4.2
Bảng 4.2. Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va đập của cơ cấu RLC-09 và lượng dịch chuyển của tấm trượt sau thời gian 5 giây Điều kiện làm việc 1 2 3 4 5 6 7 Điện áp cấp vào U (Vol) 80 85 90 95 100 105 110 Khoảng va đập L (mm) 4 3 3 2 2 2 1 Lƣợng dịch chuyển Q (mm) 109 122 131 147 143 140 137
Q (mm) 150 140 130 120 110 1 2 3 4 5 6 7 Điều kiện
Hình 4.4. Đồ thị biểu diễn lượng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-09 tại các điều kiện làm việc.
* Cơ cấu RLC-07
Tiến hành hoàn toàn tƣơng tự, điều kiện ở các mức điện áp, khoảng va đập và lƣợng dịch chuyển của tấm trƣợt của cơ cấu RLC -07 đƣợc liệt kê trong bảng 4.3
Bảng 4.3. Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va đập của cơ cấu RLC-07 và lượng dịch chuyển sau thời gian 5 giây
Điều kiện làm việc 1 2 3 4 5 6 7 Điện áp cấp vào U (Vol) 80 85 90 95 100 105 110 Khoảng va đập L (mm) 47 46 46 46 45 44 44 Lƣợng dịch chuyển Q (mm) 24 28 31 34 36 35 33
Q (mm) 36 34 32 30 28 26 24 1 2 3 4 5 6 7 Điều kiện
Hình 4.5. Đồ thị biểu diễn lượng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-07 tại các điều kiện làm việc.
Kết hợp hai đồ thị hình 4.4 và 4.5 ta đƣợc đồ thị hình 4.6 để so sánh các hành trình trong điều kiện tốt nhất của cả hai cơ cấu.
Q (mm) 150 125 100 RLC-09 RLC-07 75 50 25 1 2 3 4 5 6 7 Điều kiện
Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn lượng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5 giây của cơ cấu RLC-09 và cơ cấu RLC-07 tại các điều kiện làm việc.
Qua hình vẽ, ta thấy cơ cấu RLC-09 luôn cho kết quả hành trình chuyển động cao hơn hẳn so với cơ cấu RLC-07.
Ở điều kiện kém nhất của cơ cấu RLC-09 (điều kiện 1) lƣợng dịch chuyển của tấm trƣợt sau 5 giây đạt 109 mm so với điều kiện 1 cũng là điều kiện kém nhất của của cơ cấu RLC-07 là 24 mm - tức là hiệu quả của cơ cấu RLC-09 nhanh hơn 4,5 lần so với cơ cấu RLC-07.
Ở điều kiện tốt nhất của cơ cấu RLC-09 (điều kiện 4) lƣợng dịch chuyển của tấm trƣợt sau 5 giây đạt đến 147 mm so với điều kiện 4 của cơ cấu RLC-07 chỉ là 34 mm - nhanh hơn đến 4 lần so với RLC-07.
Ở điều kiện tốt nhất của cơ cấu RLC-07 (điều kiện 5) lƣợng dịch chuyển của tấm trƣợt sau 5 giây chỉ đạt 36mm so với cơ cấu RLC-09 tại điều kiện5 là 143 mm - cơ cấu RLC-09 vẫn nhanh hơn đến gần 4 lần so với RLC-07.
Cụ thể hơn về tiến trình và tính chất chuyển động trong hai điều kiện tốt nhất của cả hai cơ cấu đƣợc mơ tả trong hình 4.7
Hình 4.7. Đặc tính và hành trình chuyển động của cơ cấu RLC-09 và cơ cấu RLC-07 tại điều kiện 4 (a) và điều kiện 5 (b)
Từ hình vẽ có thể nhận thấy:
- Về lượng dịch chuyển:
Cơ cấu RLC-09 luôn cho kết quả cao hơn cơ cấu RLC-07 trong mọi khoảng thời gian kể từ sau khi xuất phát.
- Về tốc độ dịch chuyển:
Đƣờng thể hiện chuyển động của cơ cấu RLC-07 là đƣờng bậc nhất, rõ nét và ổn định chứng tỏ cơ cấu vận hành ổn định.
Đƣờng thể hiện chuyển động của cơ cấu RLC-09 là đƣờng gần bậc nhất, có những khoảng thời gian nhanh, chậm chƣa đều nhau. Điều này có thể do tính chất dao động chƣa ổn định của ống dây khi có lị xo. Các nghiên cứu tiếp sau có thể tiến hành nghiên cứu về tính cộng hƣởng và ổn định cho hệ thống.
Để khẳng định rõ hơn ƣu việt của cơ cấu RLC-09 ta tiến hành khảo sát cho cơ cấu với ma sát giữa tấm trƣợt và rãnh dẫn hƣớng ở mức cao hơn, mức 6kg lực.
4.4.2. Mức ma sát 6 kg lực
Với các bƣớc tiến hành thu thập số liệu thí nghiệm tƣơng tự ở mức ma sát 4kg lực ta có các kết quả thí nghiệm thu đƣợc nhƣ sau:
Với cơ cấu RLC-09
Các điều kiện cho kết quả hành trình đi đƣợc gồm cặp thông số điện áp và khoảng cách va đập đƣợc thiết lập và liệt kê trong bảng 4.4.
Bảng 4.4. Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va đập của cơ cấu RLC-09 và lượng dịch chuyển sau thời gian 5 giây
Điều kiện làm việc 1 2 3 4 5 6 7 Điện áp cấp vào U (Vol) 80 85 90 95 100 105 110 Khoảng va đập L (mm) 4 3 3 2 2 2 1 Lƣợng dịch chuyển Q (mm) 95 112 126 131 128 116 109
Kết quả này đƣợc biểu diễn qua đồ thị nhƣ hình 4.8
Q (mm) 130 120 110 100 90 1 2 3 4 5 6 7 Điều kiện
Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn lượng 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
Với cơ cấu RLC-07
Bảng 4.5. trình bày kết quả hành trình đi đƣợc ở các điều kiện cho các cặp thông số điện áp và khoảng cách va đập.
Bảng 4.5. Điều kiện làm việc ứng với các mức điện áp và khoảng va đập của cơ cấu RLC-07 và lượng dịch chuyển sau thời gian 5 giây
Điều kiện làm việc 1 2 3 4 5 6 7 Điện áp cấp vào U (Vol) 80 85 90 95 100 105 110 Khoảng va đập L (mm) 48 47 47 47 46 45 45 Lƣợng dịch chuyển Q (mm) 14 17 20 22 23 21 20
Biểu diễn kết quả này qua đồ thị nhƣ hình 4.9
Q (mm) 24 22 20 18 16 14 1 2 3 4 5 6 7 Điều kiện
Hình 4.9. Đồ thị biểu diễn lượng 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
Kết hợp hai đồ thị hình 4.8 và 4.9 ta đƣợc đồ thị hình 4.10 để so sánh các hành trình trong điều kiện tốt nhất của cả hai cơ cấu.
Q (mm) 140 RLC-09 RLC-07 120 100 80 60 40 20 1 2 3 4 5 6 7 Điều kiện
Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn lượng 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
Qua hình vẽ ta thấy, ở mức ma sát này cơ cấu RLC-09 cịn cho kết quả hành trình chuyển động cao hơn hẳn so với cơ cấu RLC-07. Cụ thể nhƣ:
Trong điều kiện kém nhất của cơ cấu RLC-09 (điều kiện 1) lƣợng dịch chuyển của tấm trƣợt sau 5 giây đạt 95 mm so với điều kiện 1 cũng là điều kiện kém nhất của của cơ cấu RLC-07 là 14 mm - tức là hiệu quả của cơ cấu RLC-09 nhanh hơn 6,5 lần so với cơ cấu RLC-07.
Ở điều kiện tốt nhất của cơ cấu RLC-09 (điều kiện 4) lƣợng dịch chuyển của tấm trƣợt sau 5 giây đạt đến 131 mm so với điều kiện 4 của cơ cấu RLC-07 chỉ là 22 mm - nhanh hơn đến 6 lần so với RLC-07.
Ở điều kiện tốt nhất của cơ cấu RLC-07 (điều kiện 5) lƣợng dịch chuyển của tấm trƣợt sau 5 giây chỉ đạt 23 mm so với cơ cấu RLC-09 tại điều kiện 5 là 128 mm - cơ cấu RLC-09 vẫn nhanh hơn đến hơn 5,5 lần so với RLC-07.
4.5. Động lực học cơ cấu
Hình 4.11. biểu diễn biên độ các dao động của lõi sắt khi ống dây đƣợc cố định, của ống dây khi chạy tự do và khi ống dây thực hiện va đập sinh công tại hai mức điện áp cấp vào là 95V và 110V.
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)
Dao động của lõi sắt khi cố định ống dây ở mức điện áp cấp vào 95V (hình a) và 110V (hình d) là tuần hồn, khá ổn định. Thuật ngữ kỹ thuật dao động gọi là chu kỳ một.
Khi ống dây đƣợc để cho chuyển động tự do, dao động của ống dây ở mức điện áp cấp vào 95V (hình b) và 110V (hình e) là tuần hồn, kém ổn định hơn, có thể tuân theo chu kỳ đôi.
Dao động của ống dây đƣợc đo trong quá trình vừa chuyển động dao động quanh vị trí cân bằng vừa thực hiện va đập sinh cơng tại điện áp cấp vào 95V (hình c) và 110V (hình f) là tuần hồn, khá ổn định. khoảng dao động đi lên là do chính lực va đập làm ống dây tịnh tiến về phía trƣớc.
Tần số dao động của lõi sắt khi ống dây đƣợc cố định, của ống dây khi chạy tự do và khi ống dây thực hiện va đập sinh công tại hai mức điện áp cấp vào là 95V và 110V đƣợc phân tích bằng đồ thị FFT và thể hiện trên hình 4.12.
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)
Tại điện áp cấp vào 95V, tần số dao động của lõi sắt đƣợc hiển thị trên đồ thị FFT (hình a) là 5Mhz. Khi tăng điện áp lên ở mức 110V tần số dao động của lõi sắt lúc này đã tăng lên 6Mhz (hình b). Điều này có thể đƣợc lý giải nhƣ sau, khi điện áp cấp vào càng tăng, điểm cộng hƣởng
trong ống dây đƣợc dịch chuyển càng gần về tâm ống dây làm biên độ dao