Luận án tiến sĩ cơ kỹ thuật thiết kế mô hình hóa và điều khiển hệ thống giảm chấn cho máy giặt cửa trước sử dụng vật liệu thông minh

Luận án tiến sĩ cơ kỹ thuật nghiên cứu thiết kế, mô hình hóa và điều khiển hệ thống giảm chấn cho máy giặt cửa trước sử dụng vật liệu thông minh.

• Tác giả: Bùi Quốc Duy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quốc Hưng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
• Đề tài: Thiết kế, mô hình hóa và điều khiển hệ thống giảm chấn cho máy giặt cửa trước sử dụng vật liệu thông minh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và bối cảnh nghiên cứu

Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc thiết kế và điều khiển hệ thống giảm chấn cho máy giặt cửa trước sử dụng vật liệu thông minh. Nghiên cứu nhằm giải quyết vấn đề rung động trong quá trình vận hành máy giặt, một thách thức lớn trong ngành công nghiệp gia dụng. Vật liệu thông minh như hợp kim nhớ hình (SMA) và lưu chất từ biến (MRF) được sử dụng để tạo ra các hệ thống giảm chấn bán chủ động, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của máy giặt. Luận án đặt mục tiêu phát triển các công nghệ giảm chấn mới, tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng các kỹ thuật điều khiển tự động để nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án là thiết kế và mô hình hóa hệ thống giảm chấn sử dụng vật liệu thông minh, bao gồm SMA và MRF. Nghiên cứu cũng hướng đến việc phát triển các mô hình động lực học để dự đoán hiện tượng trễ phi tuyến của các giảm chấn. Bên cạnh đó, luận án đề xuất các hệ thống điều khiển bán chủ động để tối ưu hóa hiệu suất giảm chấn, giảm thiểu rung động và tiếng ồn trong máy giặt.

1.2. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc thiết kế và thử nghiệm các giảm chấn SMA và MRF trên máy giặt cửa trước. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô hình hóa toán học, tối ưu hóa thiết kế và thực nghiệm. Các mô hình được xây dựng dựa trên phương trình động lực học và hiện tượng trễ phi tuyến, trong khi thực nghiệm được tiến hành trên các mẫu thử để đánh giá hiệu quả thực tế.

II. Thiết kế hệ thống giảm chấn

Luận án đề xuất hai loại giảm chấn chính: giảm chấn SMA và giảm chấn MRF. Giảm chấn SMA sử dụng hợp kim nhớ hình để tạo ra lực giảm chấn thông qua hiệu ứng nhớ hình, trong khi giảm chấn MRF dựa trên lưu chất từ biến để điều chỉnh lực giảm chấn theo từ trường ngoài. Cả hai loại giảm chấn đều được thiết kế tối ưu để đảm bảo hiệu suất cao và chi phí thấp.

2.1. Giảm chấn SMA

Giảm chấn SMA được thiết kế dựa trên khả năng ghi nhớ hình dạng của hợp kim nhớ hình. Khi được cấp nhiệt, SMA trở về hình dạng ban đầu, tạo ra lực giảm chấn lớn. Luận án sử dụng các mô hình Bingham, Bouc-Wen và một mô hình đề xuất để dự đoán hiện tượng trễ phi tuyến của giảm chấn. Các thử nghiệm thực tế cho thấy hiệu quả giảm chấn của SMA cao hơn so với các giảm chấn truyền thống.

2.2. Giảm chấn MRF

Giảm chấn MRF hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất của lưu chất từ biến khi có từ trường ngoài. Luận án đề xuất một mô hình động lực học mới để dự đoán hiện tượng trễ của giảm chấn MRF. Thiết kế được tối ưu hóa để đạt được lực giảm chấn cao nhất với kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp. Các thử nghiệm thực tế trên máy giặt cửa trước cho thấy hiệu quả giảm chấn đáng kể.

III. Hệ thống điều khiển và ứng dụng

Luận án đề xuất một hệ thống điều khiển bán chủ động để điều chỉnh lực giảm chấn của giảm chấn MRF. Hệ thống này sử dụng các cảm biến và bộ điều khiển để tự động điều chỉnh lực giảm chấn dựa trên tín hiệu rung động của máy giặt. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống này giúp giảm thiểu rung động và tiếng ồn một cách hiệu quả.

3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được thiết kế với cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, bao gồm các cảm biến gia tốc, bộ điều khiển vi xử lý và cuộn dây từ trường. Hệ thống tự động điều chỉnh lực giảm chấn dựa trên tín hiệu rung động, giúp tối ưu hóa hiệu suất giảm chấn mà không cần can thiệp thủ công.

3.2. Ứng dụng thực tế

Các giảm chấn SMA và MRF được lắp đặt và thử nghiệm trên máy giặt cửa trước mẫu. Kết quả cho thấy rung động của máy giặt được giảm đáng kể so với các giảm chấn thương mại. Điều này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các giảm chấn vật liệu thông minh trong việc cải thiện chất lượng máy giặt.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận án đã thành công trong việc thiết kế và điều khiển hệ thống giảm chấn sử dụng vật liệu thông minh cho máy giặt cửa trước. Các giảm chấn SMA và MRF được đề xuất đã chứng minh hiệu quả cao trong việc giảm rung động và tiếng ồn. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tối ưu hóa thiết kế, mở rộng ứng dụng cho các thiết bị khác và tích hợp các công nghệ thông minh để nâng cao hiệu suất.

4.1. Đóng góp của luận án

Luận án đã đóng góp các giảm chấn mới sử dụng vật liệu thông minh, các mô hình động lực học chính xác và hệ thống điều khiển bán chủ động hiệu quả. Những kết quả này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao trong ngành công nghiệp gia dụng.

4.2. Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển tương lai bao gồm việc nghiên cứu sâu hơn về các vật liệu thông minh, tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống điều khiển và mở rộng ứng dụng cho các thiết bị công nghiệp khác. Những nghiên cứu này sẽ tiếp tục nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống giảm chấn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1.2 Các công trình nghiên cứu khoa học .1 Các nghiên cứu về kiểm soát rung động của máy giặt. 3 a) Phương pháp thứ nhất: kiểm soát sự cân bằng của khối lồng giặt để triệt tiêu nguồn gốc gây ra rung động. 4 xi Mục lục b) Phương pháp thứ hai: rung động của máy giặt được loại bỏ nhờ vào hệ thống giảm chấn .2 Các nghiên cứu về mô hình của giảm chấn. 10 a) Nhóm thứ nhất: các mô hình giả tĩnh.

10 b) Nhóm thứ hai: các mô hình động lực học .3 Các nghiên cứu về hệ thống điều khiển giảm chấn .3 Tính cấp thiết của đề tài .4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .5 Mục đích và đối tượng nghiên cứu .6 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu .7 Phương pháp nghiên cứu .1 Hợp kim nhớ hình (SMA) .2 Hiệu quả nhớ hình (SME) .3 Đặc tính giả đàn hồi .4 Ứng xử của bộ phát động lò xo SMA.2 Lưu chất từ biến (MRF) .2 Đặc tính lưu biến của MRF .3 Phân tích dòng chảy MRF trong khe hở và tính toán lực giảm chấn.4 Tính toán từ trường cho các thiết bị MRF. 30 a) Phương pháp giải tích. 30 b) Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) .5 Phương pháp tối ưu hóa thiết kế của giảm chấn MRF .3 Mô hình động lực học của máy giặt.4 Sự truyền dẫn lực từ khối lồng giặt sang khung máy .5 Tính toán lực giảm chấn cần thiết cho máy giặt. 39 xii Mục lục 2.

GIẢM CHẤN HỢP KIM NHỚ HÌNH .2 Cấu hình và nguyên lý hoạt động giảm chấn SMA .3 Mô hình hóa giảm chấn SMA .1 Đặc tính lò xo SMA .2 Thiết kế giảm chấn SMA .4 Đánh giá thực nghiệm giảm chấn SMA .5 Mô hình trễ phi tuyến của giảm chấn SMA .6 Thử nghiệm trên máy giặt cửa trước. GIẢM CHẤN LƯU CHẤT TỪ BIẾN .2 Cấu hình và nguyên lý hoạt động giảm chấn MRF .3 Mô hình hóa giảm chấn MRF .4 Đánh giá thực nghiệm giảm chấn MRF .5 Mô hình trễ phi tuyến của giảm chấn MRF .1 Thiết lập mô hình.2 Kết quả và nhận xét .6 Hệ thống kiểm soát rung động của máy giặt lắp giảm chấn MRF.1 Thiết kế hệ thống .2 Kết quả và nhận xét. GIẢM CHẤN LƯU CHẤT TỪ BIẾN TỰ ĐÁP ỨNG .1 Giảm chấn MRF tự cấp năng lượng .2 Cấu hình và nguyên lý hoạt động giảm chấn MRF tự cấp năng lượng. 93 xiii Mục lục 5.3 Mô hình hóa giảm chấn MRF tự cấp năng lượng.

94 a) Bộ phận thu thập năng lượng (EH). 94 b) Bộ phận giảm chấn MR .4 Đánh giá thực nghiệm giảm chấn MRF tự cấp năng lượng. 98 a) Hiệu năng bộ phận thu thập năng lượng. 99 b) Hiệu năng giảm chấn dưới từ trường không đổi.

99 c) Khả năng tự đáp ứng lực giảm chấn .5 Cải tiến giảm chấn MRF tự cấp năng lượng với 4 cuộn dây cảm ứng .2 Giảm chấn MRF tự kích hoạt bằng hành trình .2 Cấu hình và nguyên lý hoạt động giảm chấn MRF tự kích hoạt bằng hành trình .3 Mô hình hóa giảm chấn MRF tự kích hoạt bằng hành trình .4 Đánh giá thực nghiệm giảm chấn MRF tự kích hoạt bằng hành trình. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hướng phát triển. 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.

142 xiv Danh sách các ký hiệu khoa học và chữ viết tắt DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU KHOA HỌC A Tham số trễ A0 Hệ số đặc tả hình dạng đường cong trễ Ac Tiết diện mặt cắt ngang của cuộn dây Af Nhiệt độ kết thúc chuyển pha Austenite Agm Diện tích bề mặt trụ của khe hở không khí Ak, Ai Tiết diện mặt cắt ngang của đoạn thứ k, i Al Diện tích của toàn bộ phần trục tiếp xúc với MRF trong khe hở Al.off Diện tích của phần trục tiếp xúc với MRF không kích hoạt Al.on Diện tích của phần trục tiếp xúc với MRF kích hoạt Am Tiết diện mặt cắt ngang của nam châm AMR Tiết diện mặt cắt ngang của đoạn MRF kích hoạt Ar Tiết diện ngang của O–ring As Nhiệt độ bắt đầu chuyển pha Austenite B Tham số độ cứng Bk Mật độ từ thông trong đoạn thứ k Bm Mật độ từ thông trung bình BMR Mật độ từ thông trong vùng MRF kích hoạt Brem Mật độ từ thông dư c Hệ số giảm chấn của mỗi giảm chấn c0 Hệ số giảm chấn ceq Hệ số giảm chấn tương đương ci, ki, Sa.i, Bi, Ci, Di, Ei, Hi Các hệ số xác định các tham số của mô hình đề xuất cpass Hệ số giảm chấn bị động tương đương C Tham số hình dạng xv Danh sách các ký hiệu khoa học và chữ viết tắt Cs, Csky Các hệ số điều khiển d(j) Vector chỉ phương dw Đường kính dây đồng D Tham số lực đỉnh Dm Hệ số động E Tham số độ cong Eemf Điện áp cảm ứng của cuộn dây cảm ứng Ei Điện áp cảm ứng trong cuộn dây hoạt động thứ i Et Sai số chuẩn hóa giữa lực mô phỏng và thực nghiệm theo thời gian Eu Sai số chuẩn hóa giữa lực mô phỏng và thực nghiệm theo chuyển vị Eu Sai số chuẩn hóa giữa lực mô phỏng và thực nghiệm theo vận tốc f Tần số f0 Lực chênh lệch ban đầu f1, f2, f3 Các hệ số xác định lực giảm chấn kích hoạt fc Lực ma sát trên một đơn vị chiều dài gây bởi sự nén chặt O–ring fd Lực truyền dẫn qua giảm chấn ff Lực ma sát gây bởi ứng suất chảy fh Lực ma sát do áp suất lưu chất tác động lên một đơn vị tiết diện ngang fk Lực truyền dẫn qua lò xo fu Lực kích thích gây bởi khối lượng mất cân bằng theo phương u F0 Lực không tải Fc Lực giảm chấn điều khiển mong muốn Fd Lực giảm chấn kích hoạt Feq Lực giảm chấn tương đương Fexp Lực đo đạc thực nghiệm Ff Lực ma sát giữa các bộ phận chuyển động tương đối với nhau Fm Lực mô phỏng FMR Lực giảm chấn kích hoạt được điều khiển FN Phản lực do vỏ hộp tác động ngược lại bốn miếng nêm xvi Danh sách các ký hiệu khoa học và chữ viết tắt For Lực ma sát Coulomb giữa trục và mỗi O–ring Fpass Lực giảm chấn bị động Fr Lực giảm chấn cần thiết cho máy giặt Fspr Lực lò xo hồi phục FSMA Lực phát động của các lò xo SMA Ft Biên độ của tổng lực truyền dẫn Fu Biên độ lực kích thích Fw Lực do bốn miếng nêm tác động lên bộ phát động F Lực giảm chấn nhớt F Lực giảm chấn gây bởi ứng suất chảy gi Biến trạng thái (ràng buộc) Gc Bộ điều khiển sớm pha h Hệ số đặc tả hình dạng đường cong trễ hc Chiều cao của cuộn dây từ tính hcm Chiều cao của cuộn dây cảm ứng hch Chiều cao vát của cuộn dây từ tính H Tham số độ sắc Hcoe Độ kháng từ của nam châm Hk Cường độ từ trường trong đoạn thứ k của mạch từ HMR Cường độ từ trường trong vùng MRF kích hoạt I Cường độ dòng điện Ic Cường độ dòng điện điều khiển j Vòng lặp k Độ cứng của mỗi lò xo k0 Hệ số độ cứng kspr Độ cứng của lò xo hồi phục K Tham số của lưu chất Kc Hệ số điều khiển lk, li Chiều dài hiệu quả của đoạn thứ k, i xvii Danh sách các ký hiệu khoa học và chữ viết tắt lm Chiều dài của nam châm lMR Chiều dài của đoạn MRF kích hoạt lp Chiều dài cực từ L Chiều dài của toàn bộ khe hở MRF Loff Chiều dài của MRF không kích hoạt Lon Chiều dài của MRF kích hoạt Lr Chiều dài của bề mặt cao su làm kín Ls Chiều dài của đoạn trục cuối m Khối lượng của khối lồng giặt mu Khối lượng mất cân bằng Mf Nhiệt độ kết thúc chuyển pha Martensite Ms Nhiệt độ bắt đầu chuyển pha Martensite n Số điểm dữ liệu N Số vòng quấn của cuộn dây cảm ứng Nturns Số vòng quấn dây OBJ Hàm mục tiêu OBJ0 Hàm mục tiêu tham chiếu p Tham số của lưu chất pc Bước của rãnh cuộn dây cảm ứng pm Bước của cặp cực từ P Công suất P1, P2 Công suất của cuộn dây 1 và 2 Pg Hàm phạt mở rộng cho biến trạng thái gi Px Hàm phạt cho biến thiết kế xi q Tham số bề mặt đáp ứng kiểm soát sự thỏa mãn ràng buộc Q Hàm mục tiêu không thứ nguyên, không ràng buộc ri Bán kính trong của nam châm rj Tham số thuật toán rjFR Tham số thuật toán theo công thức Fletcher–Reeves xviii Danh sách các ký hiệu khoa học và chữ viết tắt rjPR Tham số thuật toán theo công thức Polak–Ribiere ro Bán kính ngoài của nam châm rs Bán kính của trục rω Tỉ lệ tần số góc R Bán kính của giảm chấn Rc Điện trở của mỗi cuộn dây Ru Bán kính tính từ trục xoay của khối lượng mất cân bằng s Biến Laplace sj Tham số tìm kiếm đường thẳng S Hàm dòng điện xác định hình dạng “S” trong miền trước khi chảy Sa, Sb Các tham số trễ t Thời gian tg Bề dày của khe hở MRF tgm Bề dày của khe hở không khí to Bề dày của vỏ trượt của bộ phận giảm chấn MR tom Bề dày của vỏ trượt của bộ phận EH tw Bề dày thành mỏng của bộ phận giảm chấn MR twm Bề dày thành mỏng của bộ phận EH T Chu kỳ Tc Hệ số điều khiển Tf Khả năng truyền lực từ khối lồng giặt sang khung máy u Chuyển vị wc Chiều rộng của cuộn dây từ tính wcm Chiều rộng của cuộn dây cảm ứng wch Chiều rộng vát của cuộn dây từ tính Wd Công trong một chu kỳ sinh ra bởi giảm chấn xi Biến thiết kế X Biên độ dao động của khối lồng giặt Y Một trong các thuộc tính lưu biến của MRF (ứng suất chảy, độ nhớt) xix Danh sách các ký hiệu khoa học và chữ viết tắt Y0 Giá trị khi không có từ trường Y∞ Giá trị bão hòa z Biến độc lập zBW Biến tiến hóa Bouc–Wen Z Một trong các tham số cơ bản của mô hình đề xuất Zexp.i Giá trị thực nghiệm thứ i Zm.