Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp cơ khí và chế tạo máy, việc nâng cao chất lượng các sản phẩm như ô tô, xe máy và thiết bị gia dụng ngày càng trở nên cấp thiết. Theo ước tính, các thiết bị giảm chấn, đặc biệt là xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ, đóng vai trò quan trọng trong việc giảm rung động và tiếng ồn, đồng thời nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị này. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các thiết bị kiểm tra và đánh giá chất lượng xi lanh giảm chấn chủ yếu được nhập khẩu với chi phí đầu tư lớn, gây khó khăn cho các phòng thí nghiệm vừa và nhỏ.

Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm kiểm tra phân tích động lực học của xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ, đặc biệt là loại giảm chấn ma sát sử dụng trong máy giặt dân dụng. Mục tiêu cụ thể là xây dựng thiết bị có khả năng xác định chính xác mối quan hệ giữa lực cản, vận tốc và chuyển dịch của pistong, từ đó đánh giá chất lượng và độ bền của xi lanh giảm chấn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các loại giảm chấn ma sát trong máy giặt với vận tốc chuyển dịch pistong tối đa 320 mm/s và lực ma sát tối đa 250 N, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ năm 2016 đến 2017 tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc tạo ra thiết bị thí nghiệm phù hợp với điều kiện trong nước, tiết kiệm chi phí mà còn góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng trong ngành cơ khí chế tạo máy, đồng thời hỗ trợ kiểm soát chất lượng sản phẩm trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về động lực học của xi lanh giảm chấn, tập trung vào hai loại giảm chấn phổ biến: giảm chấn thủy lực và giảm chấn ma sát. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Lực ma sát (F): Lực cản tác động lên pistong trong quá trình chuyển động.
  • Vận tốc chuyển dịch của pistong (V): Tốc độ di chuyển tịnh tiến của pistong trong xi lanh.
  • Khoảng dịch chuyển của pistong (Y): Biên độ chuyển động của pistong trong quá trình làm việc.
  • Hệ số tỷ lệ (KF, Kx): Hệ số quy đổi tín hiệu điện áp từ cảm biến sang giá trị lực và chuyển dịch thực tế.
  • Nguyên lý hoạt động của giảm chấn ma sát: Lực cản sinh ra do ma sát giữa pistong và xi lanh, phụ thuộc vào vận tốc và khoảng dịch chuyển.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào việc xác định mối quan hệ giữa lực, vận tốc và chuyển dịch pistong thông qua thiết bị thí nghiệm được thiết kế và chế tạo.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên ba mẫu giảm chấn ma sát: mới (M1), đã qua sử dụng (M2) và đã bị oxy hóa (M3). Cỡ mẫu gồm ba mẫu giảm chấn đại diện cho các trạng thái sử dụng khác nhau. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và khả năng phản ánh thực trạng sử dụng trong thực tế.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm với các thành phần chính: động cơ servo công suất 0,4 kW, cơ cấu vít me bi bước 16 mm, cảm biến loadcell đo lực và cảm biến quang điện đo chuyển dịch.
  • Hiệu chuẩn hệ thống đo lực và đo chuyển dịch bằng phương pháp so sánh với lực kế chuẩn và thước cặp chính xác.
  • Thu thập dữ liệu lực, vận tốc và chuyển dịch pistong trong quá trình thí nghiệm với vận tốc chuyển dịch từ 10 đến 340 mm/s.
  • Phân tích dữ liệu bằng phần mềm LabView để xác định các mối quan hệ động lực học.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ thiết kế đến hoàn thiện thiết bị và thực nghiệm đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mối quan hệ lực - chuyển dịch pistong: Đối với mẫu giảm chấn mới (M1), đường cong lực - chuyển dịch có dạng khép kín đều và ổn định ở mỗi vận tốc, thể hiện lực ma sát phân bố đồng đều trên hành trình pistong. Mẫu M2 và M3 có đường cong không đều, cho thấy sự giảm chất lượng do sử dụng và oxy hóa.

  2. Mối quan hệ lực - vận tốc chuyển dịch: Kết quả thí nghiệm cho thấy lực cản tăng theo vận tốc chuyển dịch pistong. Ở vận tốc 340 mm/s, lực cản của mẫu M1 đạt khoảng 117 N, mẫu M2 khoảng 102 N, và mẫu M3 chỉ khoảng 91 N, giảm lần lượt 12,8% và 22,2% so với mẫu mới.

  3. Hiệu chuẩn thiết bị: Sai số giữa giá trị lực đo được qua loadcell và lực kế chuẩn nhỏ hơn 0,3%, đảm bảo độ chính xác cao cho thiết bị. Hệ số tỷ lệ KF được xác định là 60,324, hệ số Kx cho cảm biến chuyển dịch là 10,204, cho thấy thiết bị có khả năng đo lường chính xác các thông số cần thiết.

  4. Độ bền và chất lượng giảm chấn: Mẫu giảm chấn đã qua sử dụng và oxy hóa có lực cản và khả năng giảm chấn kém hơn, chứng tỏ thiết bị có thể đánh giá hiệu quả tình trạng và tuổi thọ của xi lanh giảm chấn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự khác biệt giữa các mẫu giảm chấn chủ yếu do quá trình sử dụng làm thay đổi bề mặt pistong và xi lanh, dẫn đến lực ma sát không đều và giảm hiệu quả giảm chấn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành cơ khí về ảnh hưởng của hao mòn và oxy hóa đến hiệu suất giảm chấn.

Việc thiết kế thiết bị thí nghiệm dựa trên cơ cấu vít me bi và động cơ servo giúp kiểm soát chính xác vận tốc và biên độ chuyển dịch, đồng thời sử dụng cảm biến loadcell và quang điện cho phép thu thập dữ liệu nhanh và chính xác. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ lực - vận tốc và lực - chuyển dịch, giúp trực quan hóa hiệu suất giảm chấn.

So với các thiết bị nhập khẩu có chi phí cao, thiết bị nghiên cứu có ưu điểm về chi phí đầu tư thấp, phù hợp với phòng thí nghiệm vừa và nhỏ, đồng thời đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật và độ chính xác cần thiết.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất thiết bị thí nghiệm: Đẩy mạnh sản xuất thiết bị thí nghiệm kiểm tra xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ tại các cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp trong nước nhằm giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao năng lực nội địa. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí.

  2. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật vận hành và bảo trì thiết bị cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành cơ khí, nhằm nâng cao trình độ và khả năng ứng dụng thiết bị trong thực tế. Thời gian đào tạo 6 tháng, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

  3. Nâng cấp và mở rộng thiết bị: Phát triển các phiên bản thiết bị kiểm tra cho các loại giảm chấn khác như thủy lực, giảm chấn ô tô, xe máy với khả năng đo lường đa dạng hơn, đáp ứng nhu cầu thị trường. Thời gian nghiên cứu mở rộng 18 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  4. Ứng dụng trong kiểm soát chất lượng sản phẩm: Khuyến khích các nhà sản xuất thiết bị gia dụng và ô tô sử dụng thiết bị thí nghiệm để kiểm tra chất lượng giảm chấn trong quá trình sản xuất và bảo trì, nâng cao độ tin cậy sản phẩm. Thời gian áp dụng liên tục, chủ thể là các doanh nghiệp sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế, chế tạo và hiệu chuẩn thiết bị thí nghiệm, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành chế tạo máy: Cung cấp giải pháp thiết kế thiết bị kiểm tra giảm chấn với chi phí hợp lý, giúp nâng cao hiệu quả công tác kiểm soát chất lượng và bảo trì.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị gia dụng và ô tô: Hỗ trợ trong việc đánh giá và kiểm tra chất lượng xi lanh giảm chấn, từ đó cải tiến sản phẩm và giảm thiểu lỗi kỹ thuật.

  4. Các phòng thí nghiệm và trung tâm nghiên cứu cơ khí: Là tài liệu tham khảo để phát triển thiết bị thí nghiệm phù hợp với điều kiện trong nước, nâng cao năng lực nghiên cứu và thử nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị thí nghiệm này có thể áp dụng cho loại giảm chấn nào?
    Thiết bị được thiết kế chủ yếu cho giảm chấn ma sát cỡ nhỏ, như loại sử dụng trong máy giặt dân dụng. Tuy nhiên, với một số điều chỉnh, có thể áp dụng cho các loại giảm chấn thủy lực cỡ nhỏ khác.

  2. Độ chính xác của thiết bị thí nghiệm ra sao?
    Qua hiệu chuẩn, sai số đo lực so với lực kế chuẩn dưới 0,3%, và mối quan hệ điện áp - chuyển dịch tuyến tính với hệ số tỷ lệ Kx = 10,204, đảm bảo độ chính xác cao trong phạm vi đo.

  3. Thiết bị có thể đo được vận tốc chuyển dịch tối đa bao nhiêu?
    Thiết bị có khả năng đo vận tốc chuyển dịch pistong tối đa khoảng 320 mm/s, phù hợp với vận tốc thực tế của giảm chấn trong máy giặt dân dụng.

  4. Chi phí đầu tư thiết bị có cao không?
    So với các thiết bị nhập khẩu, thiết bị nghiên cứu có chi phí đầu tư thấp hơn nhiều do sử dụng các linh kiện phổ biến như động cơ servo công suất nhỏ và cảm biến loadcell thông dụng.

  5. Làm thế nào để sử dụng dữ liệu thu được từ thiết bị?
    Dữ liệu lực, vận tốc và chuyển dịch được xử lý bằng phần mềm LabView, cho phép phân tích mối quan hệ động lực học, đánh giá chất lượng và độ bền của giảm chấn, hỗ trợ trong kiểm soát chất lượng sản phẩm.

Kết luận

  • Đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị thí nghiệm kiểm tra phân tích động lực học của xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về lực, vận tốc và chuyển dịch pistong.
  • Thiết bị sử dụng động cơ servo và cơ cấu vít me bi, kết hợp cảm biến loadcell và cảm biến quang điện, cho phép đo lường chính xác và ổn định.
  • Kết quả thí nghiệm trên ba mẫu giảm chấn cho thấy thiết bị có khả năng phân biệt hiệu suất và độ bền của các loại giảm chấn khác nhau.
  • Thiết bị phù hợp với các phòng thí nghiệm vừa và nhỏ, có chi phí đầu tư hợp lý, góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu và kiểm soát chất lượng trong ngành cơ khí.
  • Đề xuất triển khai sản xuất, đào tạo vận hành và mở rộng ứng dụng thiết bị trong các lĩnh vực cơ khí và sản xuất thiết bị gia dụng.

Tiếp theo, cần tiến hành mở rộng nghiên cứu để áp dụng thiết bị cho các loại giảm chấn khác và phát triển phần mềm phân tích dữ liệu nâng cao. Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích liên hệ để hợp tác nghiên cứu và ứng dụng thiết bị trong thực tế.