Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật: Mô Hình Hóa Và Phân Tích Động Lực Học Máy Giặt Lồng Ngang

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang, ứng dụng trong thiết kế và cải tiến hiệu suất.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hoa
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Như Khoa
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Mô Hình Hóa Và Phân Tích Động Lực Học Máy Giặt Lồng Ngang
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Giới thiệu về máy giặt lồng ngang

Máy giặt lồng ngang là một thiết bị gia dụng phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình. Đặc điểm nổi bật của máy giặt lồng ngang là khả năng giặt sạch hiệu quả với mức tiêu thụ nước và điện năng thấp hơn so với máy giặt lồng đứng. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, máy giặt lồng ngang thường gặp phải vấn đề rung động do khối lượng lệch tâm của đồ giặt. Mô hình hóa động lực học máy giặt là một phương pháp quan trọng để phân tích và cải thiện hiệu suất của thiết bị này. Nghiên cứu này nhằm mục đích xây dựng mô hình động lực cho máy giặt lồng ngang, từ đó đánh giá ảnh hưởng của các thông số hệ thống đến rung động của máy.

1.1. Tổng quan các công bố khoa học

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phân tích động lực học của máy giặt, đặc biệt là máy giặt lồng ngang. Các công trình này thường tập trung vào việc xây dựng mô hình động lực học và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến rung động. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa hệ thống treo có thể giảm thiểu rung động và tiếng ồn, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của máy. Các kết quả từ những nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc phát triển các mô hình mới và cải tiến thiết kế máy giặt.

II. Xây dựng mô hình động lực cho hệ thống treo máy giặt lồng ngang

Mô hình động lực cho hệ thống treo máy giặt lồng ngang được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ học cơ bản. Động lực học hệ nhiều vật được áp dụng để xác định vị trí, vận tốc và gia tốc của các thành phần trong hệ thống. Phân tích động lực học máy giặt cho phép xác định các phương trình vi phân chuyển động của vật rắn, từ đó mô phỏng hành vi của máy trong quá trình hoạt động. Việc xây dựng mô hình không gian và mô hình phẳng giúp đánh giá chính xác hơn về ảnh hưởng của các thông số như độ cứng của lò xo và đặc tính của thiết bị giảm chấn đến rung động của máy.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống treo

Hệ thống treo của máy giặt lồng ngang bao gồm các thành phần như lò xo, thiết bị giảm chấn và các liên kết mềm. Cấu tạo của hệ thống này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng giảm rung động. Nguyên lý làm việc của hệ thống treo dựa trên việc hấp thụ và phân tán năng lượng rung động, giúp giảm thiểu tác động của rung động lên thân máy. Nghiên cứu động lực học trong kỹ thuật cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thành phần trong hệ thống treo có thể cải thiện đáng kể hiệu suất hoạt động của máy giặt.

III. Ảnh hưởng của một số thông số hệ thống treo đến rung động của thân vỏ máy giặt lồng ngang

Các thông số của hệ thống treo như vị trí kết nối giảm chấn, số lượng giảm chấn và độ cứng của lò xo có ảnh hưởng lớn đến rung động của thân vỏ máy giặt. Nghiên cứu cho thấy rằng việc thay đổi vị trí kết nối giảm chấn có thể làm giảm đáng kể biên độ rung động. Phân tích động lực học máy giặt cho phép xác định các thông số tối ưu để giảm thiểu rung động, từ đó nâng cao độ bền và hiệu suất của máy. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể cải thiện đáng kể sự ổn định của máy trong quá trình hoạt động.

3.1. Hệ phương trình cân bằng của thân vỏ máy

Hệ phương trình cân bằng của thân vỏ máy giặt được thiết lập dựa trên các lực tác động và phản lực trong hệ thống. Việc phân tích các phương trình này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến rung động và tiếng ồn. Mô hình hóa trong kỹ thuật cho thấy rằng việc tối ưu hóa các thông số trong hệ thống treo có thể làm giảm đáng kể lực tác động lên thân máy, từ đó cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị.

IV. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình động lực cho máy giặt lồng ngang, từ đó phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số hệ thống đến rung động. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp cơ sở lý thuyết cho các nghiên cứu tiếp theo mà còn có giá trị thực tiễn trong việc cải tiến thiết kế máy giặt. Mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang có thể được áp dụng để phát triển các hệ thống treo mới, giúp giảm rung động và tiếng ồn, nâng cao hiệu suất làm việc của máy. Đề xuất các chiến lược kiểm soát rung động sẽ là hướng đi quan trọng cho các nghiên cứu trong tương lai.

4.1. Đề xuất hệ thống treo cải tiến

Hệ thống treo cải tiến có thể được thiết kế để giảm rung động hiệu quả hơn, đồng thời duy trì tính ổn định trong quá trình hoạt động. Việc áp dụng các công nghệ mới trong thiết kế và chế tạo hệ thống treo sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của máy giặt lồng ngang. Nghiên cứu động lực học trong kỹ thuật sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các giải pháp tối ưu cho máy giặt, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. GIỚI THIỆU VỀ MÁY GIẶT Máy giặt là thiết bị gia dụng rất phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng máy giặt ngày càng tăng nhanh, cho đến nay máy giặt trở thành một thiết bị không thể thiếu trong mỗi gia đình hiện đại. Nguyên lý hoạt động cơ bản của máy giặt là xoay đảo đồ giặt liên tục trong dung dịch chứa chất tẩy để hòa tan bụi bẩn. Khi đó, bề mặt đồ giặt phát sinh tương tác ma sát với nhau, đồng thời có sự tác động va đập của nước kết hợp cùng chất tẩy, làm cho các vết bẩn sẽ được loại bỏ khỏi sợi vải.

Quá trình giặt diễn ra dưới dạng các chu kì phức hợp liên quan đến sự tương tác, ảnh hưởng của cả vật lý và hóa học. Quá trình giặt được miêu tả như một hàm của nhiều biến khác nhau: nhiệt độ giặt, thời gian thực hiện chu trình giặt, loại chất giặt tẩy, tác động cơ học – tạo thành vòng tròn Sinner [1]. Trong đó, tác động cơ học thường được máy giặt kiểm soát thông qua thời gian giặt, tốc độ quay và nhịp đảo chiều. Thời gian Tác động cơ học Nhiệt độ Tác động hóa học Hình 1.

Vòng tròn Sinner - các nhân tố chính tác động đến quá trình giặt Với nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của mỗi gia đình, ước tính mỗi ngày trên thế giới có tới hàng trăm triệu lượt giặt. Điều này tác động rất lớn đến môi trường do tiêu thụ nước và năng lượng, gây rung động, phát ra tiếng ồn, thải hóa chất tẩy rửa vào các hệ thống thoát và xử lý nước thải, …. khi quá trình giặt diễn ra. Có hai cách để giảm các tác động tiêu cực này: (1) cải tiến thiết kế của máy nhằm giảm lượng tiêu hao nước và điện năng, giảm rung, giảm ồn; (2) cải thiện công thức chất tẩy rửa để đạt yêu cầu làm sạch vải ở nhiệt độ thấp và thân thiện với môi trường.

-6- Máy giặt dân dụng có hai cấu hình, gồm: máy giặt lồng đứng (còn gọi là máy giặt cửa trên), máy giặt lồng ngang (còn gọi là máy giặt cửa trước). Mỗi loại đều có những ưu điểm, hạn chế riêng, được phân tích tóm tắt như dưới đây. Máy giặt lồng đứng (VWM) là loại máy giặt có lồng giặt bố trí thẳng đứng trong bồn nước kín (Hình 1. Đồ giặt lơ lửng trong nước và được khuấy đảo nhờ bánh công tác đặt ở dưới đáy lồng giặt (Hình 1.2b) hoặc trục khuấy nằm ở trung tâm của lồng giặt (Hình 1.

Loại máy có bánh công tác phía dưới được sử dụng phổ biến ở Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc. Loại máy có trục khuấy được sử dụng phổ biến ở Mỹ và Canada. Máy giặt lồng đứng VWM có những ưu điểm nổi bật như: cửa máy giặt nằm ở phía trên; giá thành rẻ, dễ thay thế linh kiện khi máy bị hỏng; dễ sử dụng; có thể đặt được trong không gian nhỏ và hẹp; có khả năng thêm hoặc bớt đồ giặt trong quá trình máy hoạt động mà không phải hủy cả chu trình. Tuy nhiên, bên cạnh những tính năng ưu việt đó, VWM có nhiều hạn chế [2], [3] được liệt kê sau đây: - Khả năng chiết tách nước kém trong giai đoạn vắt: do tốc độ quay của máy giặt cửa trên thường chỉ đạt tối đa 600 vòng/phút; - Xảy ra rung động mạnh trong quá trình máy hoạt động: do đồ giặt là một khối không định hình dẫn đến việc xoay đảo trong quá trình giặt của dòng máy này mang tính cưỡng bức, cho nên khi tăng công suất dễ làm tăng sự rung lắc; - Để có thể hoạt động, máy giặt cửa trên yêu cầu phải có một lượng nước lớn phủ hết tất cả đồ giặt trong lồng nên tiêu tốn nhiều nước; -7- - Giảm độ bền của đồ giặt: trong khi giặt, đồ giặt dễ bị xoắn vào nhau dẫn đến tình trạng đồ giặt có thể bị sờn, giãn và không giữ được độ bền như mong muốn.

Máy giặt lồng ngang (HWM) là loại máy giặt có lồng giặt được bố trí nằm ngang trong bồn nước kín (Hình 1. So với VWM, HWM có nhiều ưu điểm nổi trội. Với thiết kế lồng giặt nằm ngang giúp tăng ma sát giữa đồ giặt và bề mặt lồng giặt trong quá trình máy làm việc làm cho việc chà sát đồ giặt kỹ hơn nên quần áo giặt bằng HWM sạch hơn. Cơ chế quay của HWM cho phép máy có thể đạt đến tốc độ 1400 vòng/phút, lớn hơn tốc độ tối đa cho phép của VWM là 600 vòng/phút, làm tăng khả năng chiết tách nước trong đồ giặt.

Khi lồng giặt quay, lực hấp dẫn làm cho đồ giặt rơi trở lại phần nước bên dưới, do không bị khuấy xoắn nên đồ giặt được bảo vệ, việc là ủi và sử dụng cũng dễ dàng hơn. Máy giặt lồng ngang Ngoài những ưu điểm trên, so với VWM, sử dụng HWM còn mang lại hiệu quả nổi bật về năng lượng. Nghiên cứu [4] cho thấy, HWM có công nghệ giặt hiệu quả mà lượng nước tiêu thụ chỉ bằng 1/3 so với VWM. Hạn chế của HWM là giá thành cao, độ bền kém hơn VWM, khi muốn thêm hoặc bớt đồ giặt trong chu trình giặt thì phải hủy cả chu trình.

Tuy nhiên, với mục tiêu tiết kiệm năng lượng, việc giảm năng lượng tiêu thụ của các thiết bị trong gia đình trở thành một vấn đề rất quan trọng, HWM trước đây chủ yếu được sử dụng ở Châu Âu thì trong những năm gần đây đã giành được thị phần trong tất cả các khu -8- vực khác trên thế giới. Dù vậy, HWM vẫn tồn tại vấn đề về rung lắc, đây cũng là một vấn đề rất cần quan tâm khi thiết kế, chế tạo máy giặt. Nguyên nhân chủ yếu gây ra rung lắc trong máy giặt là do khối lượng không cân bằng của đồ giặt phân bố trong lồng giặt. Chu trình làm việc của máy giặt được chia làm hai giai đoạn chủ yếu là giặt và vắt.

Trong giai đoạn giặt, máy quay với tốc độ thấp để làm nhiệm vụ đảo khuấy đồ giặt nên hiện tượng rung động xảy ra có biên độ nhỏ. Còn trong giai đoạn vắt, hiện tượng rung lắc xảy ra rất mạnh và thay đổi liên tục do lồng giặt quay với vận tốc tương đối cao làm cho đồ giặt bị ép vào vách trong của lồng giặt, trở thành một khối lượng mất cân bằng lớn cho đến khi giai đoạn vắt kết thúc. Đặc biệt đối với HWM, hiện tượng không cân bằng của đồ giặt càng dễ dàng xảy ra hơn do ảnh hưởng của trọng lực. Trong quá trình làm việc, lồng giặt quét qua tất cả các dải tần số bao gồm các tần số dao động tự nhiên của máy, do đó biên độ rung động lớn có thể xảy ra do sự cộng hưởng.

Biên độ dao động lớn có thể gây ra va chạm của bộ phận chuyển động với những phần đứng yên hoặc mài mòn lò xo và các thành phần khác của giảm chấn. Để giảm biên độ rung động, người ta có thể sử dụng lò xo có độ cứng lớn. Tuy nhiên khi đó, các lực động rất lớn sinh ra khi máy quay sẽ truyền đến vỏ máy giặt và kết quả có thể dẫn đến hiện tượng dịch chuyển (walking) của máy, tức là máy có thể tự nhảy cóc trên sàn. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các loại máy giặt mới đã và đang ngày càng được hoàn thiện, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của cuộc sống hiện đại.

Các tính năng được quan tâm cải tiến bao gồm giảm thời gian giặt, giảm rung động và tiếng ồn. Tuy nhiên, để giảm thời gian giặt, máy phải quay với tốc độ quay cao hơn nhưng như vậy sẽ gây ra lực quán tính ly tâm lớn, do đó tăng rung động và tiếng ồn. Mặt khác, khi máy giặt làm việc trong điều kiện có tải sẽ xẩy ra chuyển động lên – xuống của đồ giặt gây ra rung động và chuyển dịch không mong muốn của vỏ máy. Để đảm bảo máy hoạt động ổn định thì đòi hỏi vỏ máy phải đứng yên trong mọi trường hợp, nghĩa là không được có bất kì dịch chuyển nào so với sàn.

Khi xem xét tất cả những yêu cầu nói trên, có thể nhận thấy rõ các vấn đề cần phải quan tâm, gồm: (1) lò xo, giảm chấn, vị trí khối lượng lệch tâm và các vị trí kết nối của các thành phần trong hệ thống treo của máy giặt có ảnh hưởng rất lớn đến -9- sự rung động và ổn định của máy; (2) để có chiến lược giảm rung hiệu quả cho máy giặt, đồng thời tránh được hiện tượng dịch chuyển của vỏ máy thì cần phải phát triển được mô hình động lực học của máy hoàn thiện hơn với các mô hình đã có. TỔNG QUAN CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC 1. Các nghiên cứu trong nước Theo tìm hiểu, thống kê và dựa trên hiểu biết của tác giả, dường như vấn đề nghiên cứu về rung động cũng như giảm rung động cho máy giặt chưa được các nhà khoa học trong nước quan tâm. Đến nay, mới chỉ có nhóm các nhà khoa học tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp (TNUT) - Đại học Thái Nguyên thực hiện nghiên cứu về lĩnh vực này [5].

Đề tài đã xây dựng được mô hình rung động hai bậc tự do (2DOF) cho máy giặt, cải tiến thiết kế và thử nghiệm hệ thống giảm rung cho máy giặt lồng ngang dân dụng. Các nghiên cứu ngoài nước Do máy giặt là sản phẩm của ngành công nghiệp nên nghiên cứu được công bố trong lĩnh vực này không thực sự phổ biến như ở một số lĩnh vực khác (ví dụ như gia công, tạo hình, vật liệu, …). Một phần là do các nghiên cứu nhằm cải tiến sản phẩm máy giặt được tài trợ bởi các nhà sản xuất nên kết quả nghiên cứu được lưu giữ như một bí mật thương mại. Tuy nhiên, với cách tiếp cận đối tượng ở các góc độ khác nhau, một số lựa chọn cụ thể cũng đã được trình bày trong một số công bố khoa học.

Về xây dựng mô hình động lực hệ thống treo a) Mô hình phẳng (2D) Trong các nghiên cứu về máy giặt đã công bố, phần lớn các nghiên cứu tập trung vào xây dựng mô hình động lực trong không gian hai chiều (2D). Conrad [6] đã xây dựng các mô hình cơ bản của máy giặt (cả HWM và VWM) để xác định các ràng buộc khi thiết kế máy. Mô hình xây dựng trong cả trường hợp có cản và không cản, hệ thống treo gắn ở phía trên và phía dưới lồng chứa (Hình 1.