Chương 1 cường độ từ trường thấp và có độ ổn định tốt hơn so với chỉ dùng carbonylpowder sắt nguyên chất. Chất phụ gia thêm vào nhằm làm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong MRF [13]. Hiện tượng lắng đọng có thể gây ra hiện tượng suy giảm độ nhớt của MRF [14]. Khi sự lắng đọng của MRF tăng lên thì dưới tác động của ứng suất cao và tốc độ cắt cao trong một thời gian dài làm cho chất lỏng sẽ đặc lại [15].
Hiện tượng lắng đọng này sẽ làm giảm hiệu suất của MRF, khi đó các hạt của lưu chất lắng xuống tạo thành một lớp cứng, bao gồm các hạt sơ cấp liên kết chắc chắn dẫn tới hình thành chuỗi không hoàn chỉnh [16]. Lớp phủ polymer cho các hạt từ tính cũng ảnh hưởng đến khả năng từ tính của các hạt, nhưng nó lại làm cho các hạt từ tính dễ dàng phân tán lại sau khi từ trường không tác dụng [17, 18]. Tuy nhiên, cũng làm suy giảm ứng suất cắt của MRF khi thêm nhiều lớp phủ polymer [19, 20]. Ngoài ra, một số chất phụ gia được thêm vào MRF để cải thiện khả năng chống oxy hóa hoặc chống mài mòn.
Các thành phần trên sẽ tạo thành một hỗn hợp đồng nhất mà nó quyết định đến ứng suất chảy dẻo lớn nhất, độ từ thẩm. Vì vậy, nếu có sự khác nhau về tỷ lệ các thành phần trên sẽ cho ra các loại MRF khác nhau như Bảng 1.1: Thành phần các MRF của hãng Lord Corporation (Mỹ). Loại MRF MRF-122EG MRF-132DG MRF-140CG Độ nhớt (Pa.s), (40 0C) 0,042 ± 0,020 0,112 ± 0,02 0,280 ± 0,070 Tỷ trọng (g/cm3) 2,28 2,98 3,54 Tỷ lệ hạt từ (%) 72 80,98 85,44 Nhiệt độ hoạt động (0C) - 40 đến + 150 Cường độ từ trường (kA/m) 150 - 250 Ứng suất dẻo (kPa) 50 - 100 Thời gian đáp ứng Vài ms 1.2 Nguyên lý hoạt động MRF. Khi MRF ở trạng thái bình thường (khi từ trường không đi qua MRF), các hạt từ tính chuyển động tự do, MRF ứng xử như lưu chất Newton (Hình 1.
Khi MRF ở trạng thái có tác dụng của từ trường bên ngoài vào thì các hạt từ tính sẽ gắn kết và sắp xếp lại với nhau theo hình dạng phân bố của đường sức từ. Các hạt từ này có khả 3 luan an Chương 1 năng chống lại sự phá vỡ liên kết, làm cho lưu chất sệt lại. Khi cường độ từ trường ở mức thấp thì sự phân bố các hạt từ tính chưa rõ ràng (Hình 1.2 b), còn khi cường độ từ trường cao thì sự phân bố các hạt từ tính sẽ định hình rõ ràng hơn (Hình 1. Khả năng liên kết của các hạt từ tính phụ thuộc rất lớn vào cường độ từ trường bên ngoài tác dụng vào MRF.2: Các trạng thái MRF.3 Các chế độ làm việc của MRF.
Dựa vào đặc tính của MRF thì có ba chế độ làm việc của MRF đã được nghiên cứu [21] đó là: chế độ dòng chảy (valve mode), chế độ trượt (shear mode) và chế độ nén (squeeze mode). Chế độ dòng chảy: chế độ dòng chảy được sử dụng thiết kế van MRF, trong đó dòng chảy của MRF được bố trí ở giữa các tấm đứng yên biểu diễn bởi Hình 1. Từ trường được đưa từ ngoài vào có hướng vuông góc với hướng của dòng chảy của MRF (Hình 1.3 a), nhằm để thay đổi các tính chất lưu biến của MRF để kiểm soát dòng chảy. Do đó, sự gia tăng ứng suất hoặc độ nhớt làm thay đổi cấu hình vận tốc của chất lỏng giữa hai tấm cố định.
Biên dạng vận tốc điển hình với mô hình dẻo Bingham của chế độ van được thể hiện bởi Hình 1.3 b 4 luan an Chương 1 Hình 1.3: Chế độ dòng chảy của MRF [22].3 b thì biên dạng vận tốc chứa vùng trước chảy dẻo, trong đó độ dốc vận tốc bằng không trên vùng cấm. Cấu hình vận tốc của MRF giữa hai bản song song được biểu diễn bằng quan hệ sau [44]: 𝑛 ∆𝑃 1/𝑛 𝑑−𝛿 1+1/𝑛 2𝑦+𝛿 1+1/𝑛 𝑢1 (𝑦) = ( ) [( ) +( ) ] (1-1) 𝑛+1 𝐾𝐿 2 2 𝑛 ∆𝑃 1/𝑛 𝑑−𝛿 1+1/𝑛 𝑢2 ( 𝑦 ) = ( ) ( ) (1-2) 𝑛+1 𝐾𝐿 2 𝑛 ∆𝑃 1/𝑛 𝑑−𝛿 1+1/𝑛 2𝑦−𝛿 1+1/𝑛 𝑢3 ( 𝑦 ) = ( ) [( ) −( ) ] (1-3) 𝑛+1 𝐾𝐿 2 2 Trong đó: n = 1, u1 và u3 là biên dạng vận tốc của các vùng dòng chảy sau chảy dẻo tiếp giáp với các tấm chắn, u2 là biên dạng vận tốc trên miền gần vùng trung tâm hay vùng cấm; 𝛿 là độ dày vùng cấm là tham số chính của dòng chảy. Khi vùng cấm tăng thì độ dày trước chảy dẻo cũng tăng, do đó hạn chế dòng chảy qua ống dẫn, làm gia tăng sụt áp. Chế độ van được sử dụng nhiều trong ứng dụng như bộ giảm chấn, van và các bộ truyền động [23].
Grunwald [24] và các cộng sự đã thiết kế chế tạo cơ cấu van dùng lưu chất MRF132-AD. Với áp suất được kiểm soát giảm xuống nhỏ 0,05 MPa tại 5 cm³/s. Độ trễ của van cao lên đến 25 ms, cụ thể là cần 150 ms để giảm áp suất từ 1,0 Mpa xuống 0,25 Mpa và khoảng 200 ms để giảm từ 1,7 MPa xuống 0,25 MPa. Tuy nhiên, khả năng đáp ứng và thời gian phản hồi cần cải thiện hơn nữa, có thể được sử dụng MRF loại khác đáp ứng tốt hơn, nghiên cứu này làm cơ sở cho các nghiên cứu phát triển trong tương lai sau này.
5 luan an Chương 1 Hình 1. Chế độ cắt: ở chế độ này thì MRF nằm giữa hai bề mặt, theo đó một mặt trượt hoặc xoay so với mặt kia, với từ trường được đặt vuông góc với hướng chuyển động của các bề mặt được thể hiện trên Hình 1.5: Chế độ cắt của MRF [22]. Spencer và cộng sự [25] đã cải tiến mô hình trễ của Bouc-Wen trong thiết kế giảm chấn MR. Hơn nữa, Wereley và cộng sự [26] đã đề xuất một cách tiếp cận không giới hạn để mô hình hóa các loại giảm chấn khác nhau (chế độ tuyến tính, quay và giảm chấn).
Lee và các cộng sự [27] đề xuất mô hình cắt Herschel- Bulkley để phân tích hiệu suất của các hệ thống giảm xóc chủ động. Chế độ cắt được sử dụng trong thiết kế giảm chấn, phanh, ly hợp… E. Garcia và các cộng sự [28] phát triển một mẫu chân ngựa giả biểu diễn bởi Hình 1.6 bao gồm giảm chấn MRF (MRD), phanh MRF (MRB) và các khớp đặc biệt 6 luan an Chương 1 nhằm mô tả lại hoạt động của chân con ngựa. Ưu điểm của hệ này giảm được 20% lực hãm đầu gối khi hoạt động.
Tuy nhiên mức tiêu hao năng lượng tương đối lớn.6: Mẫu thiết kế của E. Chế độ nén: chế độ nén của MRF thể hiện trong Hình 1. Chế độ nén hoạt động khi hướng lực tác dụng lên các tấm cùng hướng của từ trường nhằm để giảm hoặc mở rộng khoảng cách giữa các tấm song song gây ra trong dòng chảy.7: Chế độ nén của MRF [29]. Các chuyển vị trong chế độ nén tương đối rất nhỏ (vài milimet) nhưng đòi hỏi lực lớn.
Do đó, các nghiên cứu có hệ thống đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu để đánh giá các tính chất cơ học và điện của MRF trong dòng chảy nén. Mặc dù trên thực tế là mô hình dẻo Bingham được sử dụng để mô tả hoạt động của chất lỏng MRF ở chế độ cắt. 7 luan an Chương 1 Kulkarni [29] không khuyến khích sử dụng mô hình đó ở chế độ nén. Các tham số được thử nghiệm từ chế độ cắt không được dùng trong tính toán ứng xử MRF ở chế độ nén.
Ứng suất được tạo ra bởi chế độ nén là ứng suất cao nhất trong số các chế độ của MRF và được sử dụng trong các trường hợp rung động giảm xóc với biên độ thấp và lực tác động lớn. Trong cách ly dao động của hệ thống, dao động không mong muốn trong dải tần số tương đối cao có thể suy giảm bằng cách sử dụng các cơ cấu sử dụng MRF. Zhang Li và các cộng sự [30] đã thiết kế chế tạo van giảm áp sử dụng MRF, khả năng giảm áp suất lên đến 10,8 Mpa với dòng điện cung cấp cho cuộn dây là 1,0 A và tỷ lệ tiêu thụ điện năng thấp 1/400. Do đó, thiết bị này cung cấp một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các hệ thống thủy lực hoặc cơ điện tử, nhưng hiệu suất nhất thời và độ trễ của thiết cũng là những hạn chế.8: Van MRF dựa trên chế độ nén [30].3 Tình hình nghiên cứu hệ thống phản hồi lực hiện nay.1 Nghiên cứu trong nước.
Hiện nay, các nghiên cứu liên quan đến hệ thống phản hồi lực trong nước còn ít quan tâm, như nghiên cứu liên quan hệ tay máy Master và Slave sao chép chuyển động điều khiển từ xa (Tele-Manipulator) của tác giả Từ Diệp Công Thành [31]. Nghiên cứu này tập trung vào thuật toán điều khiển hệ thống, áp dụng bộ điều khiển PID kết hợp với mạng thần kinh nhân tạo. Chức năng điều khiển chỉ thực hiện sao 8 luan an Chương 1 chép chuyển động. Các thiết bị nghiên cứu của đề tài chỉ là mô hình thí nghiệm nhỏ, không đề cập đến việc ứng dụng trong môi trường thực tế.
Ngoài ra, đề tài chỉ giới hạn việc sao chép vị trí mà không đề cập đến việc phản hồi thông tin về lực từ cơ cấu chấp hành của tay máy slave lên người điều khiển. Nguyễn Ngọc Điệp và cộng sự [32] đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình tay máy sao chép chuyển động và phản hồi lực ” biểu diễn bởi Hình 1. Nghiên cứu [32] là một tay máy công nghiệp 3 bậc tự do dạng elbow (khớp nối), tay máy Master được thiết kế là sao chép lại kích thước chuỗi động của tay máy bị động. Bằng việc sử dụng bộ điều khiển PID, hệ thống sao chép chuyển động từ tay máy Master qua tay máy Slave rất tốt, tuy nhiên khả năng phản hồi lực từ lúc đầu làm việc của tay máy Slave lên người điều khiển tay máy Master chưa tốt do lực ma sát lớn và do bài toán ngược để xác định mô men tại các khớp của tay máy không có lời giải tường minh.9: Mô hình tay máy 3 bậc tự do [32] 1.2 Nghiên cứu nước ngoài.
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về cơ cấu phản hồi lực và một số nghiên cứu đã được thương mại hóa. Trước đây, hầu hết các cơ cấu phản hồi lực đều sử dụng các động cơ điện và cơ cấu khí nén để phản ánh lực và mô men trong môi trường làm việc lên người điều khiển [33, 34].