Thiết kế và thử nghiệm gối đỡ giảm rung dạng lá xếp lớp - Lê Quang Duy

Nghiên cứu toàn diện về thiết kế gối đỡ giảm rung dạng lá xếp lớp. Phân tích nguyên lý, tính chất cơ học, ứng dụng thực tiễn và các giải pháp kỹ thuật hiện đại.

• Tác giả: Lê Quang Duy
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Như Khoa
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Cơ Kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên cứu tính toán thiết kế và thử nghiệm gối đỡ giảm rung động dạng lá xếp lớp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về gối đỡ giảm rung động dạng lá xếp lớp

Gối đỡ giảm rung động dạng lá xếp lớp là thiết bị cơ khí được thiết kế nhằm hấp thụ và phân tán năng lượng rung động trong các hệ thống máy móc công nghiệp. Cấu trúc lá xếp lớp bao gồm nhiều tấm kim loại mỏng chồng lên nhau, tạo ra ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc để tiêu hao năng lượng rung động. Phương pháp giảm rung bị động này không cần nguồn năng lượng bên ngoài, hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng đàn hồi và ma sát trong của vật liệu. So với các loại gối đỡ cao su tổng hợp, gối đỡ lá xếp lớp có ưu điểm về độ bền cơ học, khả năng chịu tải trọng lớn và tuổi thọ sử dụng dài hơn. Thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực máy phát điện, hệ thống truyền động ô tô, máy công nghiệp và các kết cấu chịu tải trọng động. Nghiên cứu tính toán thiết kế và thử nghiệm loại gối đỡ này đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết cơ học rung động, mô hình toán học chính xác và thực nghiệm xác nhận.

1.1. Ảnh hưởng của rung động trong kỹ thuật

Rung động trong kỹ thuật có hai mặt: lợi và hại. Rung động có lợi được khai thác trong các thiết bị như sàng rung, máy đầm bê tông, dụng cụ phẫu thuật. Rung động có hại gây hư hỏng kết cấu, giảm tuổi thọ máy móc, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và gây tiếng ồn môi trường. Trong công nghiệp sản xuất, rung động quá mức dẫn đến sai số gia công, mòn nhanh các chi tiết truyền động. Việc kiểm soát rung động trở thành yêu cầu thiết yếu để đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả của hệ thống cơ khí.

1.2. Các phương pháp điều khiển rung động hiện nay

Có ba phương pháp chính điều khiển rung động: giảm rung chủ động, giảm rung bị động và giảm rung bán chủ động. Giảm rung chủ động sử dụng cảm biến và bộ điều khiển điện tử để tạo lực đối kháng, cần nguồn năng lượng bên ngoài. Giảm rung bị động sử dụng các phần tử đàn hồi như lò xo, cao su để hấp thụ năng lượng mà không cần điều khiển bên ngoài. Giảm rung bán chủ động kết hợp ưu điểm cả hai phương pháp. Gối đỡ lá xếp lớp thuộc nhóm giảm rung bị động, có ưu điểm đơn giản, tin cậy và chi phí thấp.

II. Phân tích tính toán thiết kế gối đỡ lá xếp lớp

Quá trình tính toán thiết kế gối đỡ giảm rung động dạng lá xếp lớp bắt đầu từ việc xác định các thông số kỹ thuật yêu cầu. Hệ số truyền đáp ứng cần đạt giá trị nhỏ hơn hoặc bằng 0,2 để đảm bảo hiệu quả giảm rung tối ưu. Mô hình toán học của hệ thống được xây dựng dựa trên nguyên lý dao động cưỡng bức của hệ một bậc tự do có giảm chấn. Các tham số đầu vào bao gồm tần số kích thích, khối lượng tải trọng, độ cứng lò xo và hệ số cản nhớt. Việc lựa chọn loại phần tử phù hợp với từng dạng rung động là bước quan trọng trong quy trình thiết kế. Phương trình vi phân mô tả chuyển động của hệ được thiết lập và giải bằng phương pháp số trên phần mềm chuyên dụng. Kết quả tính toán cho phép xác định hình học, vật liệu và số lượng lá xếp lớp phù hợp để đạt được đặc tính giảm rung mong muốn.

2.1. Mô hình toán học hệ giảm rung động

Mô hình toán học của gối đỡ lá xếp lớp được xây dựng dựa trên hệ dao động một bậc tự do có giảm chấn. Phương trình vi phân bậc hai mô tả mối quan hệ giữa lực kích thích bên ngoài, lực đàn hồi của lò xo và lực cản nhớt. Hệ số truyền amplitude được sử dụng làm tiêu chí đánh giá hiệu quả giảm rung, phụ thuộc vào tỷ số tần số kích thích trên tần số tự do và hệ số giảm chấn. Mô hình được xác minh bằng dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác.

2.2. Lựa chọn thông số kỹ thuật và vật liệu

Vật liệu chế tạo lò xo đĩa sử dụng thép 65Mn với thành phần hóa học phù hợp. Quy trình nhiệt luyện bao gồm tôi ở nhiệt độ 810°C trong dầu và ram ở 350°C, cho độ bền kéo 980 MPa, giới hạn chảy 785 MPa và độ cứng HRC 45-50. Các thông số độ cứng lò xo và hệ số cản nhớt được tính toán tối ưu để đạt hệ số truyền đáp ứng yêu cầu. Sự lựa chọn vật liệu và thông số ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của gối đỡ.

III. Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả gối đỡ giảm rung

Thử nghiệm được thực hiện trên hệ thống máy đo chuyên dụng sử dụng phần mềm LabVIEW để điều khiển và thu thập dữ liệu. Hệ thống bao gồm bộ phận tạo dao động cưỡng bức với động cơ có thể điều chỉnh tần số, cảm biến đo lực nén và cảm biến đo chuyển dịch gắn với má ép động. Tất cả tín hiệu điện từ cảm biến được chuyển về bộ xử lý tín hiệu, phân tích và ghi nhận bằng môđun ghi dữ liệu NI SignalExpress dưới dạng file Excel. Mẫu lò xo đĩa được chế tạo theo thiết kế và thử nghiệm ở nhiều tần số khác nhau, cụ thể mẫu thứ nhất ở tần số 10Hz và mẫu thứ hai ở tần số 50Hz. Số liệu giá trị lực nén và chuyển dịch được lấy ở 30 điểm trong mỗi chu kỳ nén-nhả để đảm bảo độ chính xác. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết nhằm xác nhận tính đúng đắn của mô hình và đánh giá hiệu quả giảm rung thực tế của thiết bị.

3.1. Thiết bị và quy trình thử nghiệm

Hệ thống thử nghiệm bao gồm bộ phận tạo dao động cưỡng bức điều khiển bằng động cơ, cảm biến đo lực nén dạng tế bào tải, cảm biến đo chiều dài để theo dõi biến dạng lò xo. Phần mềm LabVIEW được sử dụng để lập file điều khiển hoạt động thiết bị, thiết kế môđun điều khiển và giao diện vận hành. Dữ liệu được ghi nhận liên tục qua môđun NI SignalExpress, cho phép phân tích tín hiệu thời gian thực và lưu trữ kết quả dưới dạng số hóa.

3.2. Kết quả thực nghiệm và so sánh lý thuyết

Kết quả thử nghiệm cho thấy đặc tính lực-chuyển dịch của lò xo đĩa phù hợp với mô hình tính toán lý thuyết. Đường đặc trưng tải trọng-độ biến dạng thể hiện tính phi tuyến rõ rệt do cấu trúc xếp lớp tạo ra ma sát giữa các bề mặt. Hiệu quả giảm rung được đánh giá thông qua hệ số truyền amplitude đo được tại các tần số thử nghiệm. Sai số giữa kết quả thực nghiệm và tính toán nằm trong phạm vi chấp nhận được, xác nhận tính khả thi của phương pháp thiết kế.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của gối đỡ lá xếp lớp

Luận văn đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu tính toán thiết kế và thử nghiệm gối đỡ giảm rung động dạng lá xếp lớp. Kết quả cho thấy mô hình toán học xây dựng có khả năng mô tả chính xác đặc tính giảm rung của thiết bị. Gối đỡ lá xếp lớp đạt được hệ số truyền đáp ứng yêu cầu, chứng minh hiệu quả hấp thụ và phân tán năng lượng rung động thông qua cơ chế ma sát giữa các lớp. Thiết kế sử dụng vật liệu thép 65Mn với quy trình nhiệt luyện phù hợp đảm bảo độ bền và tuổi thọ hoạt động. Phương pháp tính toán và quy trình thử nghiệm được hệ thống hóa, có thể áp dụng cho các loại gối đỡ khác nhau. Gối đỡ lá xếp lớp có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô, hệ thống máy phát điện, máy công nghiệp và các kết trúc chịu tải trọng động. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển tiếp theo cho các loại gối đỡ giảm rung hiệu quả cao với chi phí sản xuất hợp lý.

4.1. Đóng góp khoa học của đề tài

Đề tài đóng góp mô hình toán học mô tả đặc tính giảm rung của gối đỡ lá xếp lớp, phương pháp tính toán lựa chọn thông số tối ưu và quy trình thử nghiệm chuẩn hóa. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo các loại gối đỡ giảm rung có hiệu suất cao. Phương pháp tiếp cận kết hợp lý thuyết và thực nghiệm tạo nền tảng cho các nghiên cứu sâu hơn về hệ thống giảm rung bị động dạng xếp lớp.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng tương lai

Gối đỡ lá xếp lớp có thể được phát triển thêm với vật liệu composite hoặc hợp kim nhẹ để giảm khối lượng mà vẫn đảm bảo hiệu suất. Ứng dụng mở rộng sang lĩnh vực giảm rung cho tòa nhà cao tầng, cầu đường và thiết bị y tế. Nghiên cứu tiếp theo có thể tích hợp hệ thống giám sát trạng thái hoạt động thời gian thực để nâng cao tính an toàn và tối ưu hóa bảo trì. Tiềm năng thương mại hóa sản phẩm là rất lớn trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. Rung động Rung động là các dao động của một cơ hệ hay kết cấu xung quanh một vị trí cân bằng [1]. Rung động được bắt đầu khi một bộ phận quán tính được rời khỏi vị trí cân bằng của nó do năng lượng được truyền tới hệ qua một nguồn từ bên ngoài. Một lực phục hồi hay lực bảo toàn được tích trữ trong các phần tử dưới dạng thế năng sẽ đưa các bộ phận trở về vị trí cân bằng.

Ảnh hưởng của rung động 1. Rung động có lợi: Trong thực tế, rung động được ứng dụng rất nhiều vào các máy công tác để khai thác rung động nhằm thực hiện các nhiệm vụ khác nhau như trong các máy gia công nền móng, máy sàng, máy phân cỡ, máy khoan bê tông và ứng dụng trong các phương pháp gia công tiên tiến như khoan rung, mài rung, mài siêu âm…Ví dụ: Máy đầm cóc: Máy đầm cóc là thiết bị được sử dụng phổ biến trong xây dựng, sử dụng để là phẳng hoặc nén các vật liệu dưới dạng bột, hạt hoặc cấp phối, giúp tăng khả năng chịu nén cũng như tăng độ chặt của vật liệu. Nhờ đầm cóc, người ta xây dựng, thi công được những bề mặt bền chắc, ít bị lún theo thời gian. Nguyên lý hoạt động của máy đầm cóc như trong hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý máy đầm cóc Máy đầm bàn: là thiết bị làm nền trong quá trình thi công đổ bê tông.

Đầm bàn có tác dụng làm cho các hạt phối liệu trong khối vữa xen kẽ, sắp xếp 5 chặt với nhau do lực ma sát giữa chúng bị phá vỡ. So với phương pháp đầm thủ công, dùng máy tăng chất lượng và tính chịu lực của bê tông, tiết kiệm xi măng.3 Máy đầm bàn Nguyên lý hoạt động của máy là nhờ vào rung động được tạo ra bởi chuyển động quay tròn của hai khối lệch tâm được lắp ở hai đầu trục động cơ điện hoặc động cơ đốt trong.4 Nguyên lý cấu tạo máy đầm bàn 1. Quả lệch tâm 3. Quả lệch tâm Máy sàng rung: tạo ra rung động cho sàng để phân loại, tách vật liệu hoặc vận chuyển vật liệu rời.

Máy được sử dụng phổ biến trong các ngành sản xuất vật liệu rời, chế biến nông sản… Hình 1.5 Máy sàng rung Nguyên lý hoạt động của máy: rung động do động cơ thông qua đai truyền động cho bộ tạo dao động nhờ khối lượng lệch tâm, từ đó khiến cho tấm 6 sàn tạo ra những rung động liên tiếp theo chu kỳ đối xứng, làm cho vật liệu trên mặt sàng rời nhau và bị văng ra khỏi mặt sàng, làm những hạt nguyên liệu nhỏ rơi qua tầng nguyên liệu, phân ly thông qua lỗ sàng, đồng thời làm văng những hạt vật liệu bị nghẽn trong lỗ sàng, những hạt vật liệu nhỏ rơi xuống phần bên dưới và thoát ra ngoài thông qua lưới sàng.6 Sơ đồ nguyên lý máy sàng rung 1. Khung chấn động 2. Trục lệch tâm 3. Thanh đỡ lưới sàng 5.

Tấm căng sàng 7. Hệ thống lò xo 9. Giá cố định 1. Rung động có hại Là những rung động của thiết bị vượt mức cho phép, được hình thành do chuyển động của các bộ phận máy mất cân bằng hoặc do lắp đặt thiếu chính xác gây nên.

Rung động xuất hiện trong nhiều hệ máy và kết cấu nếu không được kiểm soát có thể dẫn đến những sự cố nghiêm trọng. Rung động trong các máy công cụ hoặc máy gia công chính xác có thể dẫn đến làm hỏng quá trình gia công các chi tiết máy. Sự phá hủy các kết cấu có thể xuất hiện do các chấn động lớn sinh ra khi xảy ra động đất… Ví dụ rung động được tạo ra bởi sự mất cân bằng của các cánh máy bay trực thăng khi quay ở tốc độ cao có thể làm phá hủy cánh và vô cùng nguy hiểm cho máy bay và con người. Rung động quá mức của các loại máy bơm công suất lớn, máy nén, động cơ đốt trong và các máy công nghiệp khác có thể làm rung động các cấu trúc xung quanh dẫn đến giảm hiệu suất làm việc của các thiết bị đó, hiện tượng ồn được tạo ra trong khi các máy hoạt động có thể làm cho con người mệt mỏi, thậm chí là các bệnh nghề nghiệp nguy hiểm về xương khớp, tim mạch… 7 Như vậy, trong hướng sử dụng rung động có lợi trong kỹ thuật hoặc hướng giảm thiểu rung động không mong muốn lên con người và thiết bị thì các vấn đề chính yếu cần được quan tâm đó là: - Nguồn rung động.

- Bộ phận cách ly rung động. Các phương pháp giảm rung động 1. Giảm rung chủ động Đặc trưng của hệ điều khiển nhằm giảm rung chủ động là sử dụng các thành phần như sau: bệ máy mang khối lượng được treo trên các bộ đệm chủ động (Có thể sử dụng lò xo, thủy lực, đệm khí nén, đệm điện từ hoặc các kỹ thuật khác) Giảm rung chủ động làm thay đổi cấu trúc hoặc thông số của hệ rung động bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng từ bên ngoài.Đặc trưng của giảm rung chủ động là căn cứ vào đặc tính của rung động tạo ra lực cục bộ nhằm giảm rung. Sử dụng phương pháp chủ động tương thích với nguồn năng lượng bên ngoài có thể cung cấp hoặc hấp thụ năng lượng nhờ thuật toán điều khiển đã định sẵn.

Cơ cấu điều khiển chứa các bộ biến đổi các giá trị vật lý ( Mômen, tốc độ, gia tốc, lực, áp suất…) thông qua bộ phận khuếch đại truyền tín hiệu tới cơ cấu chấp hành (điện, thủy lực, khí…). Cơ cấu chấp hành có thể tạo ra các lực mà có thể bổ sung lực ngăn cản rung động. Nó cũng có thể thay đổi hệ thống các thông số theo cách chủ động. Do đó bài toán điều khiển rung động có thể được xem xét như là bài toán điều khiển tối ưu cho toàn bộ cơ cấu.

8 Hệ điều khiển rung động có thể được minh hoa trên Hình 1.7 Sơ đồ hệ thống điều khiển tích cực [36] 1. Giảm rung bị động Phương pháp giảm rung bị động được thực hiện nhờ các cơ cấu làm hao tán hoặc chuyển hướng năng lượng rung động. Hệ thống giảm rung bị động có thể sử dụng đệm cao su tổng hợp, lò xo, chất lỏng hoặc các bộ phận có độ cứng âm. Đặc trưng của giảm rung bị động là không có thiết bị và giải thuật điều khiển.

Ưu điểm của phương pháp giảm rung bị động là: - Kết cấu đơn giản. - Dễ chế tạo, lắp đặt, sử dụng và bảo trì - Giá thành thấp hơn so với giảm rung chủ động. - Độ tin cậy và an toàn cao. Chính vì vậy hệ thống giảm rung động bị động được sử dụng chủ yếu trong giảm rung động cho các hệ thống máy công nghiệp, máy gia công cơ khí, máy gia công chính xác, máy đột dập tốc độ cao, các máy bơm, quạt… Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, học viên tập trung vào nghiên cứu bộ phận giảm rung sử dụng lò xo lá có độ cứng phi tuyến.

Cơ sở điều khiển rung động Phương pháp để giải quyết các vấn đề về rung động [3] là ngăn chặn nó ngay tại nguồn gây rung động. Giải pháp đối với một bài toán rung động bao gồm các bước cụ thể sau: - Xác định các thông số đặc trưng (khối lượng, độ cứng, hệ số cản nhớt) bằng phương pháp thực nghiệm, dựa vào dữ liệu của nhà sản xuất hoặc kết hợp cả hai. - Mô hình hóa hệ thống động lực học bằng việc sử dụng một mô hình sơ đồ khối đơn giản. - Sử dụng mô hình để đánh giá hiệu quả của sự thay đổi các thông số của hệ thống.

Tiêu chuẩn để đánh giá một thiết bị rung động có làm việc trong giới hạn cho phép hay không là dựa vào tiêu chuẩn ISO 2372 như minh họa trong Bảng 1.1: Bảng 1-1 Rung động máy cho phép[ theo ISO 2372] Dải rung động khắc nghiệt Dải rung động khắc nghiệt đối với máy Loại Loại III Loại III Loại IV in/s mm/s (RMS) <20HP 20-100HP >100HP >100HP 0.0 Mô hình hệ cách ly rung động được khảo sát bằng cách xét hệ một bậc tư do như Hình 1. Hệ này chứa một khối lượng m đại diện cho thiết bị, được kết nối với nền thông qua một đệm cách rung động có tính đàn hồi và khả năng tiêu tán năng lượng. Đệm cách được lắp đặt theo chiều hạn chế chuyển động của vật theo phương thẳng đứng. Hiệu suất của đệm cách có thể được đánh giá 10 bằng các đặc tính đáp ứng giữa thiết bị và đệm cách.8 khi hệ chịu kích động của rung động hình sin.

Hệ số truyền: là đại lượng đánh giá khả năng giảm lực được truyền hoặc chuyển động qua một đệm cách rung động. Nếu nguồn rung động là một chuyển động dao động của nền (chuyển động kích động), hệ số truyền là tỉ số của biên độ rung động của thiết bị so với biên độ rung động của nền. Nếu nguồn rung động là một lực dao động bắt nguồn từ thiết bị (lực kích động), hệ số truyền là tỉ số giữa biên độ của lực được truyền tới nền so với biên độ của lực kích động.Sin(t) (a) (b) F=FT Hình 1.8 Mô hình đệm cách rung động Trên hình 1.8a cách rung động trong đó chuyển động u được tác động lên nên và chuyển động x được truyền vào thiết bị; trên hình 1.8b Cách rung động trong đó lực F được tác động bởi thiết bị và lực FT được truyền tới nền. Nếu bỏ qua cản nhớt, chuyển động theo phương thẳng đứng của hệ, x(t) có thể được biểu diễn như sau: x( t )  F0 k sin( .t ) 1  r2 11  với n  k Trong đó: r  , khi r=1 hiện tượng cộng hưởng xảy r n m khiến cho biên độ dao động tăng mạnh dù lực kích thích nhỏ.

Tần số tự nhiên fn  1 k (1.3) f n  2 n  2  m ( Hz ) Tần số tới hạn: f  60 f  n (1.4) Lực được truyền tới sàn: FT  k.5) Hệ số giữa lực được truyền và lực đầu vào - hệ số khuếch đại,  FT    (1.6) F 0 Công thức tương tự có thể được sử dụng để tính toán đáp ứng X của một máy so với chuyển vị của nền, Y. Hiệu quả của đệm cách, được tính toán theo %: Q=(1- ).7) Hệ số truyền là hàm của số tần số được cho trong Hình 1. Khả năng giảm rung động (xảy ra khi <1) xuất hiện khi tần số kích động >1.