Tổng quan nghiên cứu

Rung động là hiện tượng phổ biến trong tự nhiên và kỹ thuật, đặc biệt ảnh hưởng lớn đến các thiết bị cơ khí như máy giặt cửa trước. Theo số liệu thống kê năm 2008 của Wipsglobal, máy giặt là sản phẩm gia dụng được tiêu thụ nhiều thứ hai trên thế giới, chiếm khoảng 24% thị phần, chỉ sau tủ lạnh với 35%. Rung động không chỉ gây ra tiếng ồn, mài mòn nhanh các bộ phận máy mà còn ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Đặc biệt, trong giai đoạn vắt của máy giặt cửa ngang, hiện tượng rung lắc mạnh do tải trọng không cân bằng của quần áo phân bố ngẫu nhiên trên lồng giặt gây ra nhiều khó khăn trong thiết kế và vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình thực nghiệm phân tích rung động của lồng quay máy giặt cửa trước nhằm xác định các đặc tính rung động trong các chế độ tải khác nhau, từ đó đánh giá hiệu quả của các bộ giảm chấn. Nghiên cứu tập trung vào máy giặt cửa ngang LG WD 8990TDS với tải trọng mất cân bằng cố định và tốc độ quay từ 0 đến 800 vòng/phút trong giai đoạn vắt. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, trong năm 2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải tiến thiết kế máy giặt, giảm rung lắc, tiếng ồn và tăng độ bền thiết bị. Kết quả cũng góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng và nâng cao trải nghiệm người dùng, đồng thời làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về động lực học máy giặt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết dao động và động lực học hệ thống cơ học, trong đó mô hình hệ thống rung động được xây dựng từ ba phần tử cơ bản: phần tử quán tính (khối lượng), phần tử đàn hồi (lò xo) và bộ giảm chấn. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Rung động (vibration): chuyển động lặp lại theo chu kỳ của vật thể.
  • Tần số dao động (frequency): số lần dao động trong một giây, tính bằng Hz.
  • Biên độ rung động (amplitude): mức độ lớn của chuyển động dao động.
  • Giảm chấn ma sát ướt (wet friction damper): thiết bị giảm chấn sử dụng ma sát trong môi trường dầu để hấp thụ năng lượng rung động.
  • Loadcell: cảm biến lực chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện.
  • Gia tốc kế (accelerometer): thiết bị đo gia tốc và rung động dựa trên hiệu ứng áp điện.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào phân tích lực tác dụng lên các bộ phận lò xo và giảm chấn trong hệ thống treo của máy giặt, từ đó đánh giá ảnh hưởng của tải trọng lệch tâm và tốc độ quay đến rung động.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm với cỡ mẫu là một máy giặt cửa ngang LG WD 8990TDS. Mẫu được chọn do tính phổ biến và cấu trúc đặc trưng của máy giặt cửa ngang. Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn mẫu đại diện cho loại máy giặt phổ biến trên thị trường.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước:

  • Thiết kế và chế tạo hệ thống thí nghiệm bao gồm khung đỡ, các loadcell và gia tốc kế gắn tại các vị trí lò xo và giảm chấn.
  • Hiệu chuẩn hệ thống đo lực và đo rung động bằng các quả nặng chuẩn và thiết bị gia tốc kế.
  • Thu thập dữ liệu lực và rung động trong các chế độ tải trọng lệch tâm 2N, 4N, 7N và tốc độ quay 400, 600, 800 vòng/phút trong giai đoạn vắt.
  • Phân tích dữ liệu bằng phần mềm Quick DAQ, biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị lực tác dụng theo thời gian và so sánh các mức tải và tốc độ quay.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Phương pháp phân tích chủ yếu là phân tích định lượng dựa trên dữ liệu thực nghiệm, so sánh lực tác dụng lên các bộ phận và đánh giá hiệu quả giảm rung của các bộ giảm chấn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tốc độ quay đến lực tác dụng:
    Ở tải trọng lệch tâm 2N, lực tác dụng lên lò xo và giảm chấn tăng theo tốc độ quay. Ví dụ, lực tại gối giảm chấn 1 tăng từ khoảng 25N ở 400 vòng/phút lên mức cao hơn ở 800 vòng/phút. Tần số dao động tương ứng với tốc độ quay 400 vòng/phút là 6 Hz, chu kỳ 0,15 giây.

  2. Ảnh hưởng của tải trọng lệch tâm:
    Khi giữ tốc độ quay 400 vòng/phút, lực tác dụng lên các giảm chấn tăng theo tải trọng lệch tâm. Lực tại giảm chấn 1 tăng từ 0N (không tải) lên khoảng 70N với tải 7N. Điều này cho thấy tải trọng lệch tâm là yếu tố chính gây ra rung động lớn.

  3. Hiệu quả của giảm chấn ma sát ướt:
    Các giảm chấn ma sát ướt có khả năng hấp thụ lực rung động lớn, giúp giảm biên độ rung. Khi thay thế một giảm chấn mới bằng giảm chấn đã hư hỏng, lực tác dụng tại các gối tăng lên đáng kể, chứng tỏ giảm chấn xuống cấp làm giảm hiệu quả giảm rung.

  4. Độ chính xác của hệ thống đo:
    Kết quả hiệu chuẩn loadcell cho thấy sai lệch giữa giá trị tính toán và thực nghiệm rất nhỏ (dưới 0,1 mV), đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu thu thập. Gia tốc kế cũng cho kết quả đo gia tốc xấp xỉ 1,086 m/s² khi kích thích rung động 1 m/s².

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy rõ ràng sự phụ thuộc của lực rung động vào cả tốc độ quay và tải trọng lệch tâm, phù hợp với lý thuyết động lực học và các nghiên cứu trước đây về rung động máy giặt. Việc sử dụng giảm chấn ma sát ướt giúp giảm đáng kể biên độ rung, đồng thời bảo vệ máy khỏi hư hỏng do rung động quá mức.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ lực tác dụng theo thời gian và theo tốc độ quay, giúp trực quan hóa sự thay đổi lực tại các vị trí lò xo và giảm chấn. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này khẳng định tầm quan trọng của việc bảo trì và thay thế giảm chấn để duy trì hiệu quả giảm rung.

Ngoài ra, mô hình thực nghiệm xây dựng đã chứng minh tính khả thi trong việc đo đạc và phân tích rung động máy giặt cửa ngang, mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng cho các thiết bị gia dụng khác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường bảo trì và thay thế giảm chấn định kỳ:
    Để duy trì hiệu quả giảm rung, các nhà sản xuất và người dùng nên kiểm tra và thay thế giảm chấn ma sát ướt sau khoảng thời gian sử dụng nhất định, tránh hiện tượng giảm chấn xuống cấp làm tăng rung động.

  2. Thiết kế hệ thống treo tối ưu:
    Các nhà thiết kế máy giặt cần nghiên cứu và áp dụng các loại lò xo và giảm chấn có đặc tính phù hợp với tải trọng và tốc độ quay thực tế, nhằm giảm thiểu rung động và tiếng ồn, nâng cao tuổi thọ máy.

  3. Ứng dụng mô hình thực nghiệm trong kiểm tra chất lượng:
    Các cơ sở sản xuất và nghiên cứu nên áp dụng mô hình thực nghiệm tương tự để kiểm tra đặc tính rung động của máy giặt trước khi đưa ra thị trường, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn về độ rung và độ ồn.

  4. Phát triển phần mềm phân tích dữ liệu tự động:
    Đầu tư phát triển phần mềm thu thập và phân tích dữ liệu rung động tự động, giúp nhanh chóng đánh giá tình trạng máy và đề xuất biện pháp xử lý kịp thời.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, với sự phối hợp giữa nhà sản xuất, trung tâm bảo hành và các viện nghiên cứu kỹ thuật cơ khí.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà sản xuất máy giặt:
    Có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến thiết kế hệ thống treo, giảm rung lắc và tiếng ồn, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Kỹ sư bảo trì và sửa chữa:
    Áp dụng kiến thức về đặc tính rung động và hiệu quả giảm chấn để thực hiện bảo trì, thay thế linh kiện đúng thời điểm, giảm thiểu hư hỏng.

  3. Nhà nghiên cứu kỹ thuật cơ khí:
    Tham khảo mô hình thực nghiệm và phương pháp đo đạc để phát triển các nghiên cứu sâu hơn về động lực học máy móc và thiết bị gia dụng.

  4. Sinh viên và giảng viên ngành cơ khí:
    Sử dụng luận văn làm tài liệu học tập, tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học liên quan đến phân tích rung động và thiết kế máy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nghiên cứu tập trung vào máy giặt cửa ngang?
    Máy giặt cửa ngang phổ biến và có cấu trúc phức tạp với tải trọng lệch tâm dễ gây rung động lớn, đặc biệt trong giai đoạn vắt. Nghiên cứu giúp cải tiến thiết kế và giảm rung hiệu quả.

  2. Phương pháp đo lực và rung động được sử dụng như thế nào?
    Sử dụng loadcell để đo lực tác dụng lên lò xo và giảm chấn, gia tốc kế để đo gia tốc rung động, dữ liệu được thu thập qua bộ thu thập dữ liệu DT9806 và phân tích bằng phần mềm Quick DAQ.

  3. Làm thế nào để hiệu chuẩn hệ thống đo lực?
    Hiệu chuẩn bằng cách sử dụng quả nặng chuẩn 10N, so sánh tín hiệu điện áp đầu ra của loadcell với giá trị lực thực tế, đảm bảo sai số nhỏ và độ chính xác cao.

  4. Ảnh hưởng của giảm chấn xuống cấp đến rung động máy giặt?
    Giảm chấn đã hư hỏng làm tăng lực tác dụng lên các bộ phận, dẫn đến rung động lớn hơn, gây hư hỏng nhanh và giảm tuổi thọ máy.

  5. Có thể áp dụng mô hình này cho các thiết bị khác không?
    Có, mô hình và phương pháp nghiên cứu có thể được điều chỉnh để phân tích rung động cho các thiết bị cơ khí khác có cấu trúc tương tự như máy giặt, máy bơm, tuabin.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình thực nghiệm phân tích rung động của lồng quay máy giặt cửa trước với hệ thống đo lực và gia tốc chính xác.
  • Xác định được ảnh hưởng rõ rệt của tải trọng lệch tâm và tốc độ quay đến lực tác dụng và biên độ rung động.
  • Chứng minh hiệu quả của giảm chấn ma sát ướt trong việc giảm rung động và bảo vệ máy.
  • Đề xuất các giải pháp bảo trì, thiết kế và ứng dụng mô hình thực nghiệm trong kiểm tra chất lượng sản phẩm.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình cho các loại máy giặt khác và phát triển phần mềm phân tích dữ liệu tự động nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng.

Khuyến khích các nhà sản xuất và trung tâm nghiên cứu áp dụng kết quả để cải tiến sản phẩm, đồng thời triển khai các bước tiếp theo trong vòng 1-2 năm nhằm nâng cao chất lượng và độ bền của máy giặt cửa ngang.