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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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… LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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 Loạithuộc III cácLoại loại III Loại IV in/s giới hạn (Vận mm/s tốc) (RMS) Theo ISO 2372 <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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.1) Trong đó: m là khối lượng của thiết bị; k là độ cứng của lò xo; c là hệ số cản nhớt, x(t) là chuyển vị theo phương thẳng đứng, F(t) là lực kích thích có dạng F F0 sin( t).
Nếu bỏ qua cản nhớt, chuyển động theo phương thẳng đứng của hệ, x(t) có thể được biểu diễn như sau: F0 k x( t ) sin( .2) 1 r2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 k Trong đó: r với n , khi r=1 hiện tượng cộng hưởng xảy ra n m khiến cho biên độ dao động tăng mạnh dù lực kích thích nhỏ. Tần số tự nhiên fn n 1 k fn ( Hz ) (1.3) 2 2 m Tần số tới hạn: 60 k f 60 f n (1.4) 2 m Lực được truyền tới sàn: FT k.