Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận án nhằm xây dựng được mô hình động lực cho máy giặt lồng ngang trong cả hệ tọa độ phẳng và hệ tọa độ không gian, đồng thời đánh giá được ảnh hưởng của các thông số hệ thống đến rung động của máy. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HOA MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY GIẶT LỒNG NGANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN-NĂM 2021
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HOA MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC MÁY GIẶT LỒNG NGANG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học PGS.TS. Ngô Như Khoa THÁI NGUYÊN-2021
-i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của luận án: “Mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Ngô Như Khoa. Các kết quả, số liệu tính toán trong luận án là trung thực, không sao chép của bất kì ai hay nguồn nào (trừ những điểm được trích dẫn). Thái Nguyên, ngày tháng 06 năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH PGS.TS. Ngô Như Khoa Nguyễn Thị Hoa
- ii - LỜI CẢM ƠN Luận án “Mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang” được thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Người đầu tiên nghiên cứu sinh muốn được bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc đó là PGS.TS. Ngô Như Khoa - người đã truyền cho nghiên cứu sinh cảm hứng và niềm say mê với kỹ thuật. Nếu không có sự tận tình hướng dẫn cũng như sự động viên khích lệ của Thầy, luận án này có lẽ đã không thể hoàn thành. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo, Khoa Cơ khí, Khoa Kỹ thuật Ô tô và Máy động lực, Bộ môn Cơ học - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn tất cả các thành viên trong gia đình đã luôn đồng hành, cảm thông, sẻ chia và là chỗ dựa vững chắc cho nghiên cứu sinh trong thời gian qua. Cuối cùng, nghiên cứu sinh gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án này. Thái Nguyên, ngày tháng 06 năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Hoa
- iii - MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... i DANH MỤC KÝ HIỆU ........................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .........................................5 1.1. Giới thiệu về máy giặt ..........................................................................................5 1.2. Tổng quan các công bố khoa học .........................................................................9 1.2.1. Các nghiên cứu trong nước ...............................................................................9 1.2.2. Các nghiên cứu ngoài nước ...............................................................................9 1.2.2.1. Về xây dựng mô hình động lực hệ thống treo................................................9 1.2.2.2.Về cách thức kiểm soát rung động ................................................................17 1.3. Kết luận chương 1 ..............................................................................................24 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC CHO HỆ THỐNG TREO MÁY GIẶT LỒNG NGANG .................................................................................27 2.1. Cơ sở lý thuyết ...................................................................................................27 2.1.1. Động lực học hệ nhiều vật ..............................................................................27 2.1.1.1. Xác định vị trí của vật rắn trong không gian................................................27 2.1.1.2. Xác định vận tốc góc của vật rắn .................................................................29 2.1.1.3. Xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của một điểm bất kì thuộc vật ...................30 2.1.1.4. Các phương trình vi phân chuyển động của vật rắn.....................................31 2.1.2. Lực cản ............................................................................................................31 2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống treo máy giặt lồng ngang ............35 2.2.1. Cấu tạo hệ thống treo máy giặt lồng ngang ....................................................35 2.2.2. Nguyên lý làm việc .........................................................................................36 2.3. Mô hình vật lý của hệ thống treo .......................................................................36
- iv - 2.3.1. Đặc tính của phần tử đàn hồi...........................................................................37 2.3.2. Đặc tính của phần tử giảm chấn ......................................................................39 2.3.3.Đặc tính của phần tử quán tính ........................................................................49 2.3.4.Đặc tính của phần tử kích thích rung động ......................................................50 2.4. Xây dựng mô hình động lực của hệ thống treo ...............................................52 2.4.1. Xây dựng mô hình không gian (Mô hình 1) ...................................................52 2.4.2. Xây dựng mô hình động lực đối với hệ thống treo chuyển động phẳng.........61 (Mô hình 2) ...............................................................................................................61 2.4.3. Mô hình phẳng hai bậc tự do (Mô hình 3) ......................................................68 2.4.4. Biểu diễn Simulink của các mô hình ..............................................................69 2.4.4.1. Sơ đồ Simulink .............................................................................................69 2.4.4.2. Một số kết quả của chương trình mô phỏng ................................................73 2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................80 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐO RUNG ĐỘNG ĐÁNH GIÁ KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG TREO MÁY GIẶT LỒNG NGANG .................................................................................81 3.1. Mô hình thực nghiệm đo rung động ...................................................................81 3.1.1. Hệ thống khung đỡ ..........................................................................................81 3.1.2. Hệ thống thiết bị đo .........................................................................................82 3.1.2.1. Sơ đồ khối các hệ thống đo và xử lý tín hiệu ...............................................82 3.1.2.2. Các dụng cụ đo và thiết bị thu thập dữ liệu sử dụng trong hệ thống ...........84 3.1.3. Xây dựng chương trình xác định các thông số rung động ..............................86 3.1.3.1. Chương trình đo, xác định phản lực gối đỡ và dịch chuyển lồng giặt..............86 3.1.3.2. Chương trình đo, xác định gia tốc ...............................................................88 3.2. Đo đặc tính rung động của hệ thống treo ...........................................................93 3.2.1. Thiết lập các thông số thí nghiệm ...................................................................93 3.2.2. Kết quả thực nghiệm .....................................................................................101 3.3. Kiểm chứng mô hình động lực của hệ thống treo ............................................103 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................109
-v- CHƯƠNG 4. ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HỆ THỐNG TREO ĐẾN RUNG ĐỘNG CỦA THÂN VỎ MÁY GIẶT LỒNG NGANG ...............111 4.1. Hệ phương trình cân bằng của thân vỏ máy ....................................................111 4.2. Ảnh hưởng của một số thông số hệ thống đến rung động của vỏ máy ............113 4.2.1. Ảnh hưởng của vị trí kết nối giảm chấn với vỏ máy.....................................113 4.2.2. Ảnh hưởng của số lượng giảm chấn .............................................................117 4.3. Kết luận chương 4 ............................................................................................120 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................122 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................123 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................124 PHỤ LỤC ...............................................................................................................131
-i- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tên tiếng Anh Giải nghĩa VWM Vertical Washing Machine Máy giặt lồng đứng HWM Horizontal Washing Machine Máy giặt lồng ngang 2D two-dimensional model Mô hình hai chiều 3D three-dimensional model Mô hình ba chiều F-V Force - Velocity Lực – vận tốc Linear Variable Differential LVDT Cảm biến đo dịch chuyển Transformer sensor Acc Accelerometer Gia tốc kế DAQ Data Acquisition System Hệ thống thu thập dữ liệu GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền RPM Revolutions per minute Số vòng quay/phút DOF Degrees of freedom Số bậc tự do The magneto- Thiết bị giảm chấn từ tính – MR rheological damper lưu biến RS Right Spring Lò xo bên phải LS Left Spring Lò xo bên trái RD Right Damper Thiết bị giảm chấn bên phải LD Left Damper Thiết bị giảm chấn bên trái The Differential DE Thuật toán vi phân tiến hóa Evolution algorithm LC Loadcell Cảm biến lực FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn CAD Computer Aided Design Thiết kế có máy tính trợ giúp Computer Aided Phần mềm thiết kế, gia công, CAM Manufacturing điều khiển máy công cụ
- ii - DANH MỤC KÝ HIỆU Kí hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên M Khối lượng hệ thống treo Đơn vị kg m Khối lượng lệch tâm kg R Bán kính lồng chứa m r Bán kính lồng giặt m ICx, ICy, ICz Mômen quán tính chính tâm của hệ kg.m2 IC Tenxơ quán tính x, y, z Chuyển dịch của khối tâm m x, y, z Vận tốc khối tâm m/s x, y, z Gia tốc khối tâm m/s2 α, ,  Các góc Cardan rad  ,  , Vận tốc góc Cardan rad/s  ,  , Gia tốc góc Cardan rad/s2  Góc quay của động cơ rad ,  Vận tốc góc và gia tốc góc của động cơ rad/s, rad/s2 k Độ cứng của lò xo N/m Ci, i=03 Hệ số trong biểu thức quan hệ lực-vận tốc của giảm chấn LS , LD Chiều dài lò xo, chiều dài thiết bị giảm chấn m L0S, L0D Chiều dài ban đầu của lò xo, thiết bị giảm chấn m ∆LS, ∆LD Độ biến dạng của lò xo, thiết bị giảm chấn N Tốc độ quay của động cơ vòng/phút 1 Góc lệch phương hướng kính tại điểm kết nối lò rad xo với lồng chứa so với phương ngang 2 Góc lệch phương hướng kính tại điểm kết nối rad giảm chấn với lồng chứa so với phương ngang FRS, FLS Lực đàn hồi của lò xo phải và lò xo trái N FRD, FLD Lực cản của thiết bị giảm chấn phải và trái N
- iii - Fmx, Fmy, Fmz Lực kích thích của khối lệch tâm theo phương N x,y,z mCx(Fmu) mCy(Fmu) Mômen kích thích gây ra bởi khối lệch tâm quanh N.m các trục mCz(Fmu) mCx(FiS) mCy(FiS) Mômen xoắn gây ra bởi lực đàn hồi của lò xo N.m mCz(FiS) mCx(FjD) mCy(FjD) Mômen xoắn gây ra bởi lực cản của thiết bị giảm N.m chấn mCz(FjD) RD, LD Góc lệch của thiết bị giảm chấn với phương ngang rad RS, LS Góc lệch của lò xo với với phương ngang rad Dx, Dy, Dz Góc chỉ hướng của thiết bị giảm chấn rad Sx, Sy, Sx Góc chỉ hướng của lò xo rad AC, [aij] Ma trận chuyển của phép biến đổi tọa độ e(0) (0) (0) x , e y , ez Vec-tơ đơn vị của các trục tọa độ cố định ex , e y , ez Vec-tơ đơn vị của các trục tọa độ động r, V, a Vec-tơ vị trí, vận tốc, gia tốc của điểm trên lồng m, m/s, chứa m/s2 n Số điểm đo Ftt Giá trị lực giảm chấn tính theo lý thuyết N Ftn Giá trị lực giảm chấn xác định từ thực nghiệm N
- iv - DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Vòng tròn Sinner - các nhân tố chính tác động đến quá trình giặt..............5 Hình 1.2. Máy giặt lồng đứng .....................................................................................6 Hình 1.3. Máy giặt lồng ngang....................................................................................7 Hình 1.4. Mô hình HWM của D.C. Conrad ..............................................................10 Hình 1.5. Mô hình động lực do Aldrin và cộng sự xây dựng ...................................11 Hình 1.6. Mô hình hệ thống treo trong nghiên cứu của Bascetta .............................12 Hình 1.7. Mô hình động lực hệ thống treo trong nghiên cứu của Hee-Tae Lim và cộng sự ......................................................................................................................15 Hình 1.8. Mô hình động lực do Thomas Nygårds và cộng sự xây dựng ..................16 Hình 1.9. Nguyên lý làm việc của thiết bị cân bằng chất lỏng .................................18 Hình 1.10. Mô hình máy giặt và khoang chất lỏng cân bằng của Leonardo Urbiola Soto............................................................................................................................19 Hình 1.11. Mô hình của T.C. Chan ...........................................................................20 Hình 1.12. Dịch chuyển của robot trong thiết bị cân bằng của Min Gyu Jo.............21 Hình 1.13. Kết cấu giảm chấn MR ............................................................................22 Hình 2.1. Vật rắn trong không gian ..........................................................................27 Hình 2.2. Minh họa một số mô hình ma sát [67] ......................................................33 Hình 2.3. Mặt sau của máy giặt.................................................................................35 Hình 2.4. Lò xo sử dụng trong hệ thống treo của HWM ..........................................37 Hình 2.5. Biến dạng của lò xo ...................................................................................37 Hình 2.6. Đo đặc tính của lò xo ................................................................................38 Hình 2.7. Lực đàn hồi tuyến tính và lực đàn hồi phụ thuộc góc treo........................39 Hình 2.8. Thiết bị giảm chấn trong hệ thống treo máy giặt lồng ngang ...................39 Hình 2.9. Nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm ............................................40 Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm đo đặc tính cản của thiết bị giảm chấn .......................40 Hình 2.11. Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển. ............................................41 Hình 2.12. Cấu trúc chương trình điều khiển ............................................................42 Hình 2.13. Giao diện của chương trình điều khiển trên Labview .............................43 Hình 2.14. Can nhiễu lên tín hiệu vận tốc thu trực tiếp từ encoder động cơ ............44
-v- Hình 2.15. Cửa sổ phần mềm hiển thị kết quả đo lực và vận tốc theo thời gian ở dải tốc độ 144 - 192 mm/s ...............................................................................................44 Hình 2.16. Đồ thị quan hệ lực – vận tốc của thiết bị giảm chấn ...............................46 Bảng 2.3. Hệ số của phương trình (2.24) ..................................................................46 Hình 2.17. Sơ đồ khối của thuật toán DE .................................................................47 Hình 2.18. Đồ thị đường cong lực – vận tốc của thiết bị giảm chấn ........................48 Hình 2.19. Các thành phần của hệ thống treo ...........................................................49 Hình 2.20. Sơ đồ lực tác dụng lên vật phẩm giặt ......................................................51 Hình 2.21. Phác thảo vị trí tải trọng các giai đoạn của quá trình giặt .......................51 Hình 2.22. Mô hình không gian của hệ thống treo HWM ........................................53 Hình 2.23. Vị trí của tải trọng lệch tâm trong hệ tọa độ Cxyz ..................................56 Hình 2.24. Sơ đồ tính lực đàn hồi của lò xo..............................................................57 Hình 2.25. Sơ đồ tính lực giảm chấn của thiết bị giảm chấn ....................................58 Hình 2.26. Mô hình hệ thống treo phẳng ..................................................................62 Hình 2.27. Sơ đồ 2D phi tuyến hình học của lò xo phải ...........................................63 Hình 2.28. Sơ đồ 2D phi tuyến hình học của lò xo trái.............................................64 Hình 2.29. Sơ đồ 2D phi tuyến hình học của giảm chấn phải ..................................66 Hình 2.30. Sơ đồ 2D phi tuyến hình học của thiết bị giảm chấn trái ........................67 Hình 2.31. Sơ đồ Simulink cho cơ hệ không gian của hệ thống treo HWM ............71 Hình 2.32. Sơ đồ Simulink cho mô hình phẳng của hệ thống treo HWM ................72 Hình 2.33. Lực và mômen xoắn kích thích (zu=0.1m) .............................................75 Hình 2.34. Đồ thị phản lực động lực của lò xo và giảm chấn ((zu=0.1m)) ..............76 Hình 2.35. Đồ thị chuyển dịch và góc lắc (zu=0.1m) ...............................................77 Hình 2.36. Đồ thị chuyển dịch, quỹ đạo điểm tâm và góc lắc (zu=0.0m) ................78 Hình 2.37. Đồ thị các phản lực động lực của lò xo và giảm chấn (zu=0.0m ) .........79 Hình 3.1. Hệ thống khung đỡ thay thế vỏ máy giặt ..................................................81 Hình 3.2. Vị trí lắp đặt cảm biến lực .........................................................................82 Hình 3.3. Vị trí lắp đặt cảm biến chuyển dịch và gia tốc ..........................................83 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo.....................................................................83 Hình 3.5. Sơ đồ kết nối các thiết bị ...........................................................................83
- vi - Hình 3.6. Cảm biến loadcell model MT 1041- 100 ..................................................84 Hình 3.7. Khuếch đại tín hiệu model SCC-SG04 và sơ đồ khối của thiết bị ............84 Hình 3.8. Chức năng bộ ghép nối các mô-đun SCC, NI SCC-68 .............................85 Hình 3.9. Thiết bị ghép nối DAQ ..............................................................................85 Hình 3.10. Thông số kỹ thuật K-Shear 8702B50M ..................................................85 Hình 3.11. Thiết bị khuếch đại chuyển đổi tín hiệu ADLINK USB-2405(G) ..........86 Hình 3.12. Cảm biến LVDT ......................................................................................86 Hình 3.13. Thiết lập các cổng vào trên DAQ USB-6251 .........................................87 Hình 3.14. Thiết lập bộ lọc thông thấp cho các tín hiệu vào ....................................87 Hình 3.15. Thiết lập hệ thức quy đổi tín hiệu (dữ liệu) sang số liệu đo ...................88 Hình 3.16. Thiết lập các kênh AI0-AI3 cho giao diện thu thập dữ liệu từ các gia tốc kế trên U-Test ............................................................................................................90 Hình 3.17. Dữ liệu thu thập được trên 04 gia tốc kế được hiển thị trên U-Test. ......91 Hình 3.18. Dữ liệu gia tốc gốc (hình trái), dữ liệu qua bộ lọc thông số thấp FIR, tần số cắt 50Hz (hình phải) của 4 kênh gia tốc kế ..........................................................92 Hình 3.19. Khối lượng lệch tâm giả lập ....................................................................93 Hình 3.20. Giao diện thiết lập các chế độ, thông số đo lường và hiển thị, giám sát kết quả đo ..................................................................................................................94 Hình 3.21. LVDT 1, 2 - Số liệu dịch chuyển theo 2 phương x (LVDT 2) và y (LVDT 1) trong toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N = 600 vòng/phút) ..........................................................................................................95 Hình 3.22. Loadcell 1,2 – Số liệu các phản lực tại các các điểm treo lò xo trong toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N = 600 vòng/phút) ...................................................................................................................................96 Hình 3.23. Loadcell 3,4,5 - Số liệu các phản lực tại các gối giảm chấn trong toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N=600 vòng/phút) .........97 Hình 3.24. LVDT 1, 2 - Số liệu dịch chuyển theo 2 phương x (LVDT 2) và y (LVDT 1) trong toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N = 800 vòng/phút) ..........................................................................................................98
- vii - Hình 3.25. Loadcell 1,2 – Số liệu các phản lực tại các các điểm treo lò xo trong toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N = 800 vòng/phút) ...................................................................................................................................99 Hình 3.26. Loadcell 3,4,5 - Số liệu các phản lực tại các gối giảm chấn trong toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N=800 vòng/phút) .......100 Hình 3.27. Biểu đồ % sai lệch so với thực nghiệm của chuyển dịch theo phương x và y ..........................................................................................................................104 Hình 3.28. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch so với thực nghiệm của biên độ lực đàn hồi lò xo bên trái và bên phải ...........................................................................105 Hình 3.29. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch so với thực nghiệm của biên độ lực cản các giảm chấn ...................................................................................................105 Hình 3.30. Đồ thị chuyển dịch theo phương x và y của mô hình 2 và 3 ................107 Hình 3.31. Đồ thị lực cản của giảm chấn bên phải của mô hình 2 và 3 .................107 Hình 3.32. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch biên độ dịch chuyển x và y .............108 Hình 3.33. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch biên độ lực đàn hồi của lò xo phải và trái............................................................................................................................108 Hình 3.34. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch biên độ lực cản của giảm chấn phải và trái............................................................................................................................108 Hình 4.1. Sơ đồ lực tác dụng lên vỏ máy ................................................................112 Hình 4.2. Đồ thị hàm FD theo vị trí kết nối giảm chấn ..........................................114 Hình 4.3. Mô hình cải tiến khi thay đổi vị trí kết nối giảm chấn và sơ đồ bố trí các cảm biến đo gia tốc .................................................................................................115 Hình 4.4. Đồ thị so sánh gia tốc tại điểm Acc3 giữa cấu hình gốc và cấu hình cải tiến ...........................................................................................................................116 Hình 4.5. Đồ thị so sánh gia tốc tại điểm Acc4 giữa cấu hình gốc và cấu hình cải tiến ...........................................................................................................................116 Hình 4.6. Đồ thị quỹ đạo điểm tâm ứng tại tốc độ ..................................................118 Hình 4.7. Đồ thị góc lắc với các cấu hình giảm chấn tại tốc độ 610.99 vòng/phút 118 Hình 4.8. Đồ thị góc lắc với các cấu hình giảm chấn tại tốc độ 764.77 vòng/phút 119
- viii - DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Phân tích dữ liệu tốc độ trong 05 khoảng đầu tiên ...................................45 Bảng 2.2. Các kết quả của dữ liệu quan hệ lực – vận tốc trong chu kì kéo và nén...45 Bảng 2.3. Hệ số của phương trình (2.24) ..................................................................46 Bảng 2.4.Tính chất hình học và khối lượng của các thành phần hệ thống treo ........50 Bảng 2.5. Các thông số hệ thống máy giặt lồng ngang LG WD 8990TDS ..............73 Bảng 3.1. Chuyển vị và phản lực tại các liên kết trong các chế độ vắt...................101 Bảng 3.2. Chuyển vị và phản lực động lực của chương trình mô phỏng và kết quả thực nghiệm ở chế độ quay vắt. ..............................................................................103 Bảng 3.3. Chuyển dịch và phản lực tại các liên kết trong mô hình 2 và mô hình 3. ......... 106 Bảng 4.1. Các phản lực động lực ............................................................................119 Bảng 4.2. Đánh giá các cấu hình giảm chấn theo biểu thức (4.13) và (4.14) .........120
-1- MỞ ĐẦU Vật quay là đối tượng phổ biến trong các hệ thống cơ khí, có thể thấy trong các máy gia công cắt gọt, rôto của động cơ, trục của máy nghiền, lồng quay của máy giặt… Trong quá trình hoạt động, các vật quay tạo ra rung động của hệ thống. Nguồn gây ra rung động trên vật quay chủ yếu là do có khối lượng lệch tâm gây nên lực quán tính ly tâm khi quay trong quá trình máy hoạt động. Vì vậy, vấn đề đặt bài toán, mô hình hóa và phân tích động lực học vật quay theo hướng tính toán giảm rung động giúp cho các thiết bị làm việc hiệu quả, tăng độ bền của máy, giúp cho môi trường sống thân thiện bằng cách giảm tiếng ồn phát thải luôn là mối quan tâm và cũng là thách thức đối với các nhà khoa học, nhà sản xuất. Trong nghiên cứu này, đối tượng vật quay cụ thể được lựa chọn là lồng giặt của máy giặt vì đây là thiết bị điện dùng cho gia đình rất phổ biến trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Nhu cầu sử dụng máy giặt ngày càng tăng nhanh, đến nay máy giặt trở nên không thể thiếu trong mỗi gia đình hiện đại. Trong quá trình cải tiến máy giặt, với yêu cầu nâng cao chất lượng cuộc sống, các yếu tố chính của máy giặt cần được quan tâm đến bao gồm: giảm năng lượng tiêu thụ và tăng mức độ thân thiện đối với môi trường (cụ thể: giảm lượng điện nước, giảm thời gian giặt, giảm rung lắc và ồn, ...), các yếu tố này có thể cải thiện thông qua thiết kế hệ thống treo. Lực kích thích chủ yếu gây ra rung động cho máy giặt là sự phân bố không đều của quần áo trong lồng giặt tạo nên khối lượng không cân bằng. 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 với biên độ nhỏ. Tuy nhiên, trong giai đoạn vắt, hiện tượng rung lắc xảy ra rất mạnh và thay đổi liên tục do lồng giặt quay với tốc độ 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 máy giặt lồng ngang, hiện tượng mất cân bằng của đồ giặt càng dễ dàng xảy ra hơn do ảnh hưởng của trọng lực. Tải trọng lệch tâm này có tính chất rất phức tạp do sự phân bố ngẫu nhiên trên suốt chiều
-2- dài của lồng giặt, đồng thời khối lượng của tải trọng cũng thay đổi theo từng vòng quay. Biên độ dao động của lồng chứa khi rung động có thể gây ra sự va chạm với thành và vỏ máy, gây rung động toàn máy, gây tiếng ồn lớn, thậm chí làm máy di chuyển không mong muốn trên sàn. Để giảm biên độ, có thể tăng độ cứng của lò xo và hệ số cản của giảm chấn. Tuy nhiên, khi độ cứng của hệ thống treo lớn, các lực truyền đến thân máy có thể tăng; hệ quả là có thể tăng độ ồn và rung động đối với thân, vỏ máy. Để giải quyết bài toán phân tích đặc tính rung động của máy, làm cơ sở giải quyết các bài toán thiết kế, vận hành máy giặt tốt hơn, trước tiên cần xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của máy. Do vậy, tác giả chọn vấn đề “Mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang” làm đề tài nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu của luận án Xây dựng được mô hình động lực cho máy giặt lồng ngang trong cả hệ tọa độ phẳng và hệ tọa độ không gian, đồng thời đánh giá được ảnh hưởng của các thông số hệ thống đến rung động của máy. Từ đó đề xuất các chiến lược để kiểm soát và giảm rung động của máy giặt lồng ngang dân dụng trong khi vẫn giữ nguyên chế độ và đặc tính làm việc. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của nghiên cứu là động lực học và rung động của máy giặt lồng ngang. Đề tài sử dụng hệ thống treo máy giặt lồng ngang dân dụng LG- WD 8990TDS là đối tượng thực để xây dựng mô hình động lực và kiểm nghiệm. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng lý thuyết mô hình hóa, mô phỏng số kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. Trong đó, bài toán mô hình hóa được giải quyết dựa trên các kiến thức nền tảng của cơ học, động lực học hệ thống để thiết lập các phương trình vi phân chuyển động của hệ thống treo. Phương pháp mô phỏng số được sử dụng trên phần mềm Matlab/Simulink. Các kết quả thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng mô hình lý thuyết. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu • Ý nghĩa khoa học
-3- Nghiên cứu đóng góp thêm một phần nhỏ kiến thức về rung động của vật quay có hệ thống treo, đặc biệt là bài toán mô hình hóa và phân tích rung động của máy giặt lồng ngang, cụ thể là: - Làm rõ đặc tính của quan hệ lực-vận tốc trong thiết bị giảm chấn ma sát nửa ướt sử dụng trong hệ thống treo của máy giặt lồng ngang. - Phát triển mô hình toán mô tả được mối quan hệ phi tuyến giữa các đại lượng độ cứng của lò xo, đặc tính cản của thiết bị giảm chấn, khối lượng của tải trọng lệch tâm, tọa độ các điểm liên kết mềm của hệ thống treo của máy giặt lồng ngang trong cả không gian hai chiều và ba chiều. Các kết quả thu được của đề tài cũng hình thành cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp sau về máy giặt, đồng thời, có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho giảng dạy và nghiên cứu khoa học về rung động của hệ thống cơ khí. • Ý nghĩa thực tiễn Nghiên cứu đã xây dựng được mô hình tính toán động lực học cho máy giặt lồng ngang dân dụng. Kết quả thu được có thể áp dụng trực tiếp để xây dựng bài toán điều khiển hoặc ứng dụng giảm rung cho máy bằng hệ thống treo bán chủ động hoặc chủ động. Đề xuất hệ thống treo cải tiến giảm rung động cho máy giặt lồng ngang trong cùng chế độ làm việc. Những đóng góp mới của nghiên cứu 1- Nghiên cứu đã xây dựng được đặc tính ma sát của các thiết bị giảm chấn sử dụng trong máy giặt lồng ngang từ dữ liệu thực nghiệm. 2- Xây dựng được mô hình rung động phi tuyến sáu bậc tự do cho hệ thống treo của máy giặt lồng ngang. Mô hình đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm. 3- Đề xuất một hệ thống treo cải tiến theo hướng giảm rung động cho máy giặt. Các kết quả nghiên cứu của đề tài được công bố trên 07 bài báo khoa học, trong đó có 04 bài báo đăng trong tuyển tập thuộc danh mục Scopus, Q4 và 03 bài báo quốc gia trên tạp chí được Hội đồng chức danh Giáo sư Nhà nước tính điểm.
-4- Cấu trúc nội dung của nghiên cứu Nội dung nghiên cứu gồm: phần Mở đầu, bốn chương và phần Kết luận. Phần Mở đầu trình bày tính cấp thiết, mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Những đóng góp mới của nghiên cứu cũng được giới thiệu tóm tắt trong phần này. Chương 1 trình bày tổng quan tài liệu về xây dựng mô hình toán và cách thức kiểm soát rung động cho máy giặt lồng ngang. Chương 2 trình bày đặc tính từng thành phần của hệ thống treo máy giặt lồng ngang; thiết lập mô hình động lực cho máy giặt lồng ngang trong cả trường hợp hai chiều và ba chiều; xây dựng chương trình mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink. Chương 3 xây dựng hệ thống đo rung động của máy giặt trong chế độ thực, xác định phản lực khớp động tại các điểm kết nối hệ thống treo với vỏ máy theo thời gian thực. Kiểm chứng, đánh giá về độ sai lệch của kết quả mô phỏng của mô hình toán đã xây dựng so với kết quả thực nghiệm. Chương 4 trình bày ứng dụng mô hình động lực vào việc đánh giá ảnh hưởng của các tham số trong hệ thống treo đến rung động của vỏ máy giặt và đề xuất phương án giảm rung. Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.
-5- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. 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 1.1. 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.