Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống máy công tác công nghiệp và dân dụng có khối lượng từ 100 kg đến 500 kg, rung động cơ học là hiện tượng tất yếu phát sinh do chuyển động quay mất cân bằng hoặc tải trọng va đập chu kỳ. Rung động không kiểm soát làm suy giảm chất lượng gia công, giảm tuổi thọ chi tiết máy và gây ra tiếng ồn vượt ngưỡng tiêu chuẩn ISO 2372, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người vận hành. Để giải quyết triệt để vấn đề này, việc thiết kế các cơ cấu cách ly rung động bị động đóng vai trò sống còn. Các bộ đệm truyền thống như cao su thường bị lão hóa nhanh trong môi trường nhiệt, còn lò xo xoắn trụ lại chiếm không gian lắp đặt lớn và thiếu khả năng tự dập tắt dao động biên độ cao.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài nghiên cứu tính toán thiết kế và thử nghiệm gối đỡ giảm rung động dạng lá xếp lớp được thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên vào năm 2018. Mục tiêu trọng tâm của công trình là xây dựng cơ sở lý thuyết, chế tạo thử nghiệm và đánh giá thực nghiệm các đặc tính cơ học phi tuyến của lò xo đĩa côn, từ đó tối ưu hóa kết cấu gối giảm rung cho dải tải trọng tĩnh từ 25 kg đến 125 kg trên mỗi điểm đỡ. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán giảm thiểu hệ số truyền lực xuống sàn nền đạt mức nhỏ hơn hoặc bằng 0,20, tương đương hiệu suất dập tắt rung động đạt trên 80% và có thể lên tới 98% trong các điều kiện kích động tới hạn. Kết quả nghiên cứu cung cấp giải pháp gối đỡ cách rung nhỏ gọn, tin cậy và có khả năng chịu tải trọng hướng trục vượt trội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết biến dạng phi tuyến Almen – László để xác định quan hệ giải tích giữa lực ép dọc trục và độ võng của lò xo đĩa đơn có tiết diện hình học đồng nhất. Theo mô hình này, khi tỷ số giữa chiều cao côn tự do và bề dày bản lá nằm trong khoảng từ 1,414 đến 1,500, đường cong đặc tính lực biến dạng xuất hiện vùng độ cứng tựa bằng không. Đây là trạng thái vật lý đặc biệt giúp cơ cấu duy trì khả năng chịu tải trọng tĩnh lớn nhưng lại có độ cứng động lực học rất nhỏ, tạo ra tần số dao động riêng thấp nhằm cắt đứt sự lan truyền của năng lượng rung động.

Bên cạnh đó, luận văn phát triển mô hình động lực học hệ một bậc tự do có cản nhớt tương đương chịu kích thích cưỡng bức theo tiêu chuẩn kiểm tra rung động máy công nghiệp ISO 2372. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: hệ số truyền lực, độ cứng phi tuyến tiếp tuyến, và cơ chế tiêu tán năng lượng thông qua ma sát trượt Coulomb giữa các mặt tiếp xúc của hệ lò xo xếp lớp. Kích thước hình học tiêu chuẩn của đĩa lò xo được tính toán tối ưu với đường kính ngoài 50 mm, đường kính lỗ trong 25,4 mm, bề dày 1,25 mm và chiều cao nón 1,8 mm, mang lại tỷ số đường kính đạt 1,969 và tỷ số chiều cao trên bề dày đạt 1,44.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa khảo nghiệm thực nghiệm cơ học trên mẫu thực tế và mô phỏng số động lực học phi tuyến trên máy tính. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp tại Phòng thí nghiệm Cơ khí thông qua hệ thống máy đo kéo nén tự động công suất 1,0 kW, tốc độ trục dẫn động 2.000 vòng/phút, tích hợp cảm biến lực tải trọng tối đa 2.500 N và cảm biến dịch chuyển LVDT có độ chính xác cao với sai số cho phép dưới 3%. Toàn bộ tín hiệu điện áp từ cảm biến được xử lý và ghi nhận tự động bằng phần mềm LabVIEW và mô-đun NI SignalExpress với tần suất lấy mẫu 30 điểm đo trong một chu kỳ nén nhả.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 5 mẫu lò xo đĩa đơn và cụm gối đỡ 2 lá xếp lớp được chế tạo từ thép hợp kim đàn hồi 65Mn với tỷ lệ carbon từ 0,62% đến 0,70% và mangan từ 0,90% đến 1,20%. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm kiểm soát nghiêm ngặt dung sai hình học dưới 0,05 mm sau quy trình nhiệt luyện tôi dầu ở 810°C và ram ở 350°C để đạt độ cứng từ 45 đến 50 HRC. Phương pháp phân tích tích phân số phi tuyến được lựa chọn vì cho phép mô phỏng chính xác hiện tượng trễ ma sát và độ cứng thay đổi liên tục theo biên độ dịch chuyển, khắc phục hoàn toàn nhược điểm tuyến tính hóa của các mô hình giải tích cổ điển. Toàn bộ quá trình tính toán, chế tạo mẫu và đo kiểm được triển khai liên tục trong mốc thời gian từ năm 2017 đến đầu năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả đo tĩnh trên máy kéo nén tự động cho thấy đường đặc tính quan hệ lực biến dạng thực nghiệm hoàn toàn trùng khớp với đường cong lý thuyết Almen – László với mức sai lệch trung bình chỉ dưới 4,5% trên toàn bộ dải hành trình nén từ 0 mm đến 1,8 mm. Lực nén cực đại của một đĩa đơn đạt xấp xỉ 1.650 N tại điểm làm việc phẳng hoàn toàn.

Thứ hai, tại vùng biến dạng bằng khoảng 75% chiều cao côn tự do (tương ứng độ võng 1,35 mm), độ cứng tiếp tuyến của lò xo đĩa giảm sâu về giá trị xấp xỉ 0 N/mm đúng như dự báo lý thuyết. Khi ghép 2 lò xo đĩa theo dạng xếp lớp cùng chiều, khả năng chịu tải trọng tĩnh của gối đỡ tăng lên gấp 2 lần trong khi vẫn duy trì nguyên vẹn hành trình dịch chuyển mềm của cụm chi tiết.

Thứ ba, trong bài toán mô phỏng động lực học dưới tác dụng của lực kích động điều hòa ở dải vận tốc góc từ 62,8 rad/s đến 429,13 rad/s (tương đương tần số từ 10 Hz đến 68,3 Hz), gối lò xo đĩa xếp lớp giúp triệt tiêu biên độ lực truyền xuống nền móng từ 82% đến 91% so với gối đỡ sử dụng lò xo xoắn trụ có độ cứng tuyến tính tương đương.

Thứ tư, khi chịu các tác động va đập đột ngột và xung lực ngắn hạn, hệ gối lá xếp lớp dập tắt dao động nhanh hơn 2,5 lần nhờ lực ma sát tiếp xúc giữa các bề mặt đĩa thép, làm suy giảm biên độ gia tốc dao động đỉnh từ 18,5 m/s² xuống còn dưới 4,2 m/s² chỉ sau 3 chu kỳ dao động tự do.

Thảo luận kết quả

Khả năng cách ly rung động vượt trội của gối lá xếp lớp bắt nguồn từ hai cơ chế kết hợp: đặc tính làm mềm phi tuyến giúp kéo tần số dao động riêng của hệ ra xa vùng tần số kích động của nguồn phát, ngăn ngừa triệt để hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm; đồng thời ma sát Coulomb khô giữa các mặt nón ép sát đóng vai trò như một bộ cản hấp thụ năng lượng cơ học và chuyển hóa thành nhiệt năng. Trong khi lò xo xoắn thông thường có hệ số cản rất thấp dẫn đến hệ số truyền lực tại điểm cộng hưởng có thể tăng vọt lên trên 100 lần, thì gối lò xo đĩa kiểm soát hệ số truyền qua đỉnh dao động luôn ở mức an toàn dưới 2,2.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các đồ thị vòng trễ năng lượng lực biến dạng, cho thấy diện tích khép kín phản ánh chính xác công tiêu tán của lực ma sát trong một chu kỳ làm việc. Bảng so sánh các thông số động lực học chứng minh rõ rệt rằng tại tần số kích thích 62,8 rad/s, biên độ gia tốc của khối lượng máy đặt trên gối đĩa chỉ bằng 35% so với khi đặt trên đệm cao su tiêu chuẩn. Điều này khẳng định kết cấu gối lá đĩa xếp lớp là lựa chọn tối ưu thay thế cho các kết cấu giảm chấn cồng kềnh hoặc kém bền nhiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình công nghệ nhiệt luyện phôi thép 65Mn trong sản xuất lò xo đĩa. Doanh nghiệp cơ khí cần tuân thủ nghiêm ngặt chế độ tôi trong môi trường dầu công nghiệp ở nhiệt độ 810°C kết hợp ram trung bình ở 350°C nhằm đảm bảo giới hạn bền kéo tối thiểu 980 MPa, giới hạn chảy 785 MPa và độ cứng làm việc ổn định trong phạm vi 45 đến 50 HRC. Giải pháp này cần được bộ phận kỹ thuật công nghệ triển khai ngay trong giai đoạn chuẩn bị sản xuất loạt nhỏ.

Thứ hai, ứng dụng cụm gối đỡ giảm rung 2 lá xếp lớp vào các hệ thống máy sàng rung phân loại nông sản và máy nén khí công nghiệp công suất từ 20 HP đến 100 HP. Kỹ sư thiết kế cần bố trí 4 cụm gối đỡ tại các góc bệ máy để đạt mục tiêu giảm rung động truyền xuống mặt sàn nhà xưởng trên 85%, hoàn thành việc thử nghiệm lắp đặt trong vòng 6 tháng tới.

Thứ ba, bổ sung lớp màng bôi trơn rắn hoặc màng phủ polymer chống mài mòn tại bề mặt tiếp xúc giữa các đĩa lò xo xếp lớp. Biện pháp này do các phòng nghiên cứu vật liệu phụ trách nhằm duy trì hệ số ma sát trượt ổn định ở mức 0,08 đến 0,12, ngăn ngừa hiện tượng cọ sát gây xước bề mặt và nâng cao tuổi thọ làm việc của gối đỡ lên trên 10.000 giờ hoạt động liên tục.

Thứ tư, xây dựng phần mềm tự động hóa tính toán phối hợp số lượng đĩa xếp tầng và xếp lớp cho các dải tải trọng mở rộng từ 500 kg đến 2.000 kg. Nhóm nghiên cứu cơ kỹ thuật cần hoàn thiện thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu trong vòng 12 tháng nhằm cung cấp công cụ tra cứu thông số nhanh chóng cho các kỹ sư chế tạo máy.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế cơ khí và kết cấu máy: Tài liệu cung cấp phương pháp luận tính toán chi tiết theo tiêu chuẩn Almen – László, bộ công thức xác định ứng suất cục bộ tại các điểm nút nguy hiểm và bảng thông số tối ưu để thiết kế các cụm gối giảm rung nhỏ gọn chịu tải trọng cao thay thế lò xo xoắn truyền thống.

Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị cơ khí rung và máy công trình: Đơn vị chế tạo máy đầm bàn, máy sàng rung, máy nghiền vật liệu có thể khai thác trực tiếp bản vẽ kết cấu và quy trình công nghệ nhiệt luyện thép 65Mn để chế tạo gối đỡ nội địa hóa, giảm chi phí nhập khẩu linh kiện từ 30% đến 50%.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cơ kỹ thuật: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp mô hình hóa dao động phi tuyến, kỹ thuật lập trình giao diện thu thập dữ liệu bằng LabVIEW và quy trình thực nghiệm kiểm chứng đặc tính động lực học của hệ cơ điện tử.

Cán bộ quản lý an toàn lao động và bảo trì thiết bị tại nhà xưởng: Giúp nắm vững các tiêu chuẩn rung động cho phép theo ISO 2372, phương pháp đánh giá hệ số truyền lực qua chân đế máy, từ đó xây dựng kế hoạch kiểm tra định kỳ và cải thiện môi trường làm việc đạt chuẩn an toàn vệ sinh lao động.

Câu hỏi thường gặp

Gối giảm rung lò xo đĩa có ưu điểm nổi bật nào so với lò xo xoắn trụ truyền thống? Gối lò xo đĩa có kích thước chiều cao nhỏ gọn hơn từ 60% đến 70% trong cùng điều kiện tải trọng, sở hữu khả năng tự dập tắt dao động cao nhờ ma sát tiếp xúc giữa các đĩa xếp lớp và thể hiện đặc tính độ cứng phi tuyến linh hoạt, giúp triệt tiêu rung động hiệu quả ở dải tần số rộng.

Tỷ số chiều cao trên bề dày h0/t bằng 1,44 mang ý nghĩa kỹ thuật gì trong thiết kế? Tỷ số 1,44 là giá trị tới hạn tạo ra vùng độ cứng tựa bằng không khi lò xo chịu nén tới 75% hành trình côn. Trạng thái này giúp gối đỡ vừa chịu được tải trọng tĩnh từ 25 kg đến 125 kg, vừa tạo độ mềm động học lớn để giảm thiểu tối đa lực rung truyền xuống nền.

Vật liệu thép 65Mn sau khi nhiệt luyện đạt được những chỉ tiêu cơ tính nào? Sau khi tôi dầu ở 810°C và ram ở 350°C, thép 65Mn đạt giới hạn bền kéo 980 MPa, giới hạn chảy 785 MPa và độ cứng từ 45 đến 50 HRC, đảm bảo khả năng đàn hồi cao, chống biến dạng dẻo và chịu mỏi tốt dưới tác dụng của hàng triệu chu kỳ tải trọng động.

Cơ chế tiêu tán năng lượng rung động trong cụm gối lá xếp lớp diễn ra như thế nào? Năng lượng rung động từ máy công tác truyền xuống được tích trữ một phần dưới dạng thế năng đàn hồi của đĩa côn, phần còn lại bị triệt tiêu nhanh chóng thông qua công của lực ma sát trượt Coulomb xuất hiện tại các bề mặt tiếp xúc trực tiếp giữa các đĩa lò xo xếp chồng lên nhau.

Luận văn đã kiểm chứng hiệu quả giảm rung dưới những dạng kích động nào? Mô hình nghiên cứu đã được thử nghiệm và mô phỏng đánh giá toàn diện dưới 3 dạng lực kích động điển hình gồm lực điều hòa hình sin ở tần số 10 Hz đến 68,3 Hz, lực va đập chấn động biên độ lớn và tải trọng dạng xung ngắn, đều cho hiệu quả giảm lực truyền trên 80%.

Kết luận

  • Thiết kế hoàn chỉnh kết cấu gối đỡ giảm rung dạng lò xo đĩa côn kích thước ngoài 50 mm, lỗ trong 25,4 mm và bề dày 1,25 mm với tỷ số hình học tối ưu 1,44.
  • Chế tạo thành công 5 mẫu lò xo thử nghiệm từ thép 65Mn đạt chuẩn cơ tính với độ bền kéo 980 MPa và độ cứng làm việc 45 đến 50 HRC sau nhiệt luyện.
  • Kiểm chứng thực nghiệm trên máy kéo nén tự động 2.500 N, chứng minh độ trùng khớp cao giữa đường cong lực biến dạng thực tế và lý thuyết Almen – László với sai số dưới 4,5%.
  • Xác lập mô hình động lực học phi tuyến, khẳng định hiệu suất giảm chấn và triệt tiêu lực truyền xuống nền móng đạt từ 82% đến 91% đối với các dải kích động điều hòa và va đập.
  • Đề xuất định hướng mở rộng nghiên cứu sang kết cấu gối đỡ đa tầng kết hợp cho các dòng máy công nghiệp nặng tải trọng trên 1.000 kg trong giai đoạn tiếp theo.

Đóng góp cốt lõi của luận văn là đã làm chủ hoàn toàn quy trình từ tính toán lý thuyết, lựa chọn vật liệu, nhiệt luyện chế tạo đến thử nghiệm đo kiểm gối giảm rung lá đĩa tại Việt Nam. Quý độc giả, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp cách ly rung động công nghiệp có thể áp dụng ngay các thông số thiết kế này để nâng cao độ bền cho hệ thống máy móc của mình.