MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án: Khi vận hành các máy móc thiết bị đều sinh ra các rung động và tiếng ồn. Hầu hết các rung động này là không mong muốn, gây ra ứng suất lớn và thường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến người và máy. Rung động không được cách ly hoặc hạn chế sẽ gây ra nhiều thiệt hại, nếu cường độ tiếng ồn vượt quá giới hạn cho phép sẽ tác hại đến con người. Vì vậy, để giảm bớt những tác hại gây ra do rung động, việc thiết kế các cơ cấu chống rung, giảm chấn là rất cần thiết.
Các cơ cấu chống rung thường được chế tạo từ một hay tổ hợp các vật liệu như kim loại, ceramic hoặc polyme. Mỗi vật liệu trên đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định. Trong đó, polyme là vật liệu có khả năng chống rung cao do có tính chất đàn hồi nhớt, nổi bật nhất là cao su. Cơ cấu chống rung thường phải làm việc trong điều kiện tải trọng và tần số dao động đa dạng.
Vì vậy các vật liệu phải kết hợp với thiết kế cơ cấu nhằm tối ưu hóa hiệu quả chống rung. Vật liệu cao su gắn với kim loại trong thiết kế cơ cấu chống rung đang rất được quan tâm nghiên cứu. Cao su butyl và cao su nitril là một trong những cao su có khả năng tắt rung cao nhất còn cao su thiên nhiên ở mức thấp. Mặc dù có hệ số tắt rung thấp nhưng cao su thiên nhiên lại có khả năng kháng mỏi, tính chất cơ lý cao và bám dính tốt với kim loại nên vẫn được sử dụng rộng rãi để làm vật liệu chống rung.
Cao su thiên nhiên là loại vật liệu polyme nguồn gốc từ thiên nhiên có nhiều tính chất cơ học quí báu, nhưng nhược điểm của nó là khả năng chịu thời tiết và lão hóa kém. Đã có một số nghiên cứu như : ảnh hưởng của chế độ công nghệ, hệ xúc tiến lưu hóa, phụ gia nano, tạo ra các blend với các cao su khác… đến tính chất của cao su thiên nhiên. Mặc dù vậy khả năng chống rung, chống lão hóa của cao su thiên nhiên vẫn cần phải nghiên cứu để nâng cao hơn nữa. Trên cơ sở đó, tác giả đã lựa chọn đề tài cho luận án này là ‘Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên’.
Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án : Mục đích của luận án là chế tạo được vật liệu cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên, sử dụng cho các kết cấu chống rung chịu tải trọng động. 1 luan an Đối tuợng nghiên cứu của luận án là cao su chống rung giảm chấn trên cơ sở cao su thiên nhiên Việt Nam và blend của nó với cao su clopren. Phạm vi và các nội dung nghiên cứu chính của luận án : Luận án tập trung vào các nội dung nghiên cứu chính bao gồm : - Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của cao su chống rung. - Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên.
- Nghiên cứu tính chất mỏi và lão hóa cao su thiên nhiên. - Nghiên cứu đặc trưng chống rung của cao su nhiên nhiên. - Thử nghiệm kết cấu chống rung. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án : 1.
Góp phần xây dựng cơ sở khoa học cho việc chế tạo vật liệu cao su chống rung. Từ các dữ liệu tính toán đã thiết kế được các kết cấu chống rung. Những đóng góp mới của luận án : 1. Đã xây dựng được đơn phối liệu và công nghệ chế tạo cao su chống rung trên cơ sở cao su thiên nhiên.
Sử dụng phụ gia nano ZnO để tăng cường tính chất cơ lý và tính chất công nghệ. Sử dụng phụ gia sắt từ oxit, bari pherit để tăng bám dính cao su với thép. Đánh giá được sự thay đổi cấu trúc cao su trong quá trình chịu lão hóa nhiệt và tải trọng động đồng thời. Trên cơ sở đó đưa ra phương trình dự đoán tính chất có độ tin cậy cao khi cao su làm việc trong các điều kiện tương tự.
Xây dựng được phương pháp và thiết bị đi kèm để đánh giá các đặc trưng của cao su chống rung và kết cấu chống rung như : Hệ số nhớt c, hệ số đàn hồi k, độ truyền qua T, hệ số cản. Lý thuyết dao động 1. Rung động Rung động là những dao động cơ học xung quanh một vị trí cân bằng phát sinh từ các động cơ và máy móc, thiết bị trong quá trình vận hành. Rung động có thể tuần hoàn theo chu kỳ hoặc hoặc ngẫu nhiên (biên độ biến đổi theo thời gian).
Có ba dạng rung động là rung động tự do, rung động cưỡng bức và rung động tắt dần. Trong thực tế, các rung động sinh ra thường gặp ở quá trình vận hành máy móc, tòa nhà, cầu, xe cộ, máy bay… Khi vận hành các máy móc thiết bị đều sinh ra các rung động và tiếng ồn. Những rung động này dưới dạng sóng cơ, thông qua các bộ phận của máy, bệ máy, kết cấu công trình, v.v… lan truyền tới các môi trường xung quanh làm cho các môi trường, vật chất xung quanh dao động theo [1]. Hầu hết các rung động này là không mong muốn, gây ra ứng suất lớn và thường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến người và máy.
Rung động và cộng hưởng có thể làm nứt, gẫy các chi tiết máy như bu lông, đai ốc, trục… Rung động không được cách ly hoặc hạn chế sẽ gây ra nhiều thiệt hại, tiếng ồn nếu cường độ vượt quá giới hạn cho phép sẽ tác hại đến con người. Các biện pháp phòng chống rung động và tiếng ồn gồm biến đổi tần số dao động riêng, phân tán năng lượng và cách ly rung động [2]. Lý thuyết dao động 1. Dao động của hệ một bậc tự do [3,4] 1.
Mô hình của hệ dao động một bậc tự do Hệ cơ học mà vị trí của vật trong không gian có thể xác định bằng một tọa độ suy rộng duy nhất gọi là hệ một bậc tự do. Hệ gồm một vật có khối lượng m, trọng tâm G đặt trên một lò xo có độ cứng k và một giảm chấn có hệ số nhớt c, lực kích thích dao động là F [3]. Lò xo: Khi lò xo bị nén hoặc dãn ra sẽ phát sinh lực có xu hướng đưa vật về vị trí cũ. Giảm chấn: Đại diện cho các liên kết tiêu hao năng lượng làm giảm dao động như các loại giảm chấn ma sát, giảm chấn thủy lực.
Lực kích thích: lực gây nên dao động, có thể tác dụng khác nhau: 3 luan an - Kích thích một lần: Lực kích thích F chỉ xuất hiện một lần duy nhất làm cho vật dao động và sau đó vật tự dao động mà không có sự tham gia của lực kích thích. Dao động này gọi là dao động tự do. - Kích thích liên tục: Theo qui luật nhất định và tạo cho vật những dao động cưỡng bức. Nếu lực kích thích thay đổi theo hình sin thì là dao động điều hòa: F = F0 cos(ωt + φ) (1.1) Với ω: vận tốc góc, rad/s; φ: góc lệch pha, rad 1.
Phương trình dao động của hệ dao động một bậc tự do Phương trình dao động (PTDĐ) được xây dựng dựa trên cân bằng lực. Vật có khối lượng m trong mô hình một bậc tự do đơn giản nhất như Hình 1. 1 với các đặc tính của lò xo và giảm chấn đều là tuyến tính: Hình 1. Mô hình dao động một bậc tự do [4] - Hệ số cản của giảm chấn : c [Ns/m] = const.
- Lò xo có độ cứng : k [N/m] = const. - m : khối lượng của vật [kg]. - x : Tọa độ của vật theo phương chuyển động ở thời điểm t, x = 0 :Vị trí cân bằng tĩnh ở thời điểm t=0 PTDĐ có dạng : m ẍ + c ẋ + k x = F (1.2) PTDĐ là một phương trình vi phân tuyến tính cấp 2 không thuần nhất có hệ số hằng số. Nghiệm của phương trình này x= x(t) thể hiện qui luật dao động.
- Nghiệm tổng quát của phương trình vi phân thuần nhất có vế phải bằng không (F = 0) biểu diễn dao động tự do. - Nghiệm riêng của phương trình vi phân không thuần nhất có vế phải khác không (F 0), biểu diễn dao động cưỡng bức. Dao động tự do không cản 1. Mô hình tự do không cản Mô hình dao động tự do không cản của hệ một bậc tự do là một vật có khối lượng m đặt trên một lò xo có độ cứng k (Hình 1.
2 Mô hình dao động tự do không cản [4] 1. Phương trình dao động tự do không có lực cản Phương trình cân bằng lực và cũng là PTDĐ của hệ: d2 x m + kx = 0 (1.3a) dt2 Hay mẍ + kx = 0 (1.3b) Nghiệm của phương trình (1.4) Đạo hàm của nó là: ẋ = λAeλt = λx (1.5b) Thay vào phương trình (1.3) ta được: (mλ2 + k)Aeλt = 0 Vì x = Aeλt khác không nên ta có: mλ2 + k = 0 (1.6) Phương trình (1.6) gọi là phương trình đặc trưng của hệ. Nghiệm của nó là: k λ1,2 = ±j√ = ±jβ0 (1.7) m k β0 = √ gọi là tần số vòng của dao động tự do không cản (1.4), nghiệm của phương trình (1. Dao động tự do có cản của hệ một bậc tự do Khi trong hệ có lực cản, làm tiêu hao năng lượng và làm cho biên độ dao động tắt dx dần.
Lực cản nhớt tỷ lệ tuyến tính với tốc độ : F = c = cẋ (1.10) dt Với hệ số nhớt của giảm chấn c là hằng số. Mô hình dao động tự do có lực cản nhớt [4] 1. Mô hình và phương trình dao động Mô hình hệ dao động tự do có lực cản như Hình 1. 3, phương trình dao động là: d2 x dx m +c + kx = 0 (1.11a) dt2 dt Hay mẍ + cẋ + kx = 0 (1.
Dạng và các thông số của dao động Nghiệm của phương trình (1.4) Các đạo hàm có dạng: ẋ = λAeλt = λx (1.5b) Thay vào phương trình (1-11b) có: (mλ2 + cλ + k).12) gọi là phương trình đặc trưng và nghiệm của nó là: c −c k 2 λ1,2 = − ± √( ) − 1.13) 2m 2m m α 2 λ1,2 = α ± √α2 − β0 2 = α ± β0 √( ) − 1 = α ± β0 √D2 − 1 β 0 c Trong đó: α = − là chỉ số mũ của biến dạng dao động (1.14) 2m k β0 = √ gọi là tần số vòng dao động tự do không cản (1.