Một cơ cấu rung va đập dùng khí nén có thể sử dụng cho các máy chuyển động theo phương ngang đã được cải tiến, thiết kế mới, chế tạo

Tóm tắtMột cơ cấu rung - va đập dùng khí nén có thể sử dụng cho các máychuyển động theo phương ngang đã được cải tiến, thiết kế mới, chế tạo,vận hành thí nghiệm, phân tích và cho ra các

Tóm tắt

Một cơ cấu rung - va đập dùng khí nén có thể sử dụng cho các máychuyển động theo phương ngang đã được cải tiến, thiết kế mới, chế tạo,vận hành thí nghiệm, phân tích và cho ra các kết quả tích cực Khả nănghiện thực hóa ứng dụng của cơ cấu rung - va đập dùng khí nén trong cácmáy khai thác rung - va đập trở nên hứa hẹn hơn

Cơ cấu được cải tiến làm việc dựa trên nguyên lý đóng xả khí nén theochu kỳ Chuyển động phản lực của ống khí nén thông qua một bảng mạch tạotần số đóng xả van đã được hỗ trợ bằng một hệ lò xo nhằm khai thác phản lựckhí nén và đặc tính cộng hưởng cơ, từ đó có thể nâng cao hiệu năng của hệthống

Đã mô hình thí nghiệm cơ cấu va đập dùng khí nén có tích hợp rung

Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới;hoạt động đạt được chức năng

Đã thực nghiệm xác định được bộ thông số gồm tần số và khe hở vađập cho ra khoảng di chuyển lớn nhất

Các phân tích cơ hệ cho thấy, khoảng cách va đập, độ cứng của lò xo

và tần số đóng xả của van khí trên ống khí nén có ảnh hưởng lớn đến khảnăng chuyển động thắng các lực cản của hệ thống Các kết quả này có thểđược sử dụng hữu ích cho các nghiên cứu tiếp theo

Chương 1 GIỚI THIỆU

Chương này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cần thiết thực hiện của

đề tài nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả đã đạt được Cơ cấurung - va đập theo phương ngang được giới thiệu trong phần 1.1 Các nghiêncứu liên quan trong lĩnh vực khai thác cộng hưởng được tóm tắt trong phần1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài sẽ được giới thiệu trong phần 1.3 Tiếptheo, phần 1.4 sẽ trình bày các kết quả chính đã đạt được của nghiên cứunày Phần cuối cùng, phần 1.5 là cấu trúc của luận văn

1.1 Cơ cấu rung va đập theo phương ngang

Trên thế giới, khai thác rung động tích cực trong các thiết bị xây dựngcông trình đã được quan tâm từ những năm 1940 Những ưu việt nổi bật củaviệc tích hợp rung động với va đập trong các thiết bị này đã được chứng minh

là làm tăng năng suất của các máy đào/ nén đất, giảm sức cản của đất và tăngtính ổn định của hệ thống Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu tập trung cho

mô hình rung động theo phương thẳng đứng, sử dụng cơ cấu quay lệch tâm doTsaplin đề xuất, có thành phần ngoại lực tĩnh chính là trọng lượng của chính

cơ cấu Việc khai thác nguyên lý này cho các máy móc thiết bị có hành trìnhtheo phương ngang như máy đào ngầm ngang (moling), máy khoan ngầm(boring) còn rất bị hạn chế Nguyên lý làm việc của một máy đào ngầm ngangđược trình bày trên hình 1.1

Hình 1.1 Nguyên lý đào ngầm ngang

Công trình

Hố đích

Máy đào ngầm moling

Vỏ ống

Hố khởi đầu

Ống dẫn khí Máy nén khí

Trên hình 1.1, máy đào ngầm sử dụng nguyên lý nén đất để tạo đườngống ngầm Nguyên lý này đã được chứng thực là thích hợp với các dạng đất

có thể nén được như đất sét, đất phù sa, than bùn… Tuy nhiên, với các dạngđất khó dính kết như cát chẳng hạn, vấn đề khó khăn nảy sinh là rất khó giữđược hướng chuyển động thẳng và ổn định cho máy Việc tích hợp rung độngvào máy không những làm tăng năng suất mà còn làm tăng thêm khả năngdính kết và hóa bùn (fluidisation) của lớp vỏ đường ngầm được tạo thành

Mô hình khai thác rung-va đập theo phương ngang được Rodger vàLittlejohn quan tâm từ những năm 1980 và được Lok, Neilson và Rodger tiếptục phát triển Các nghiên cứu tiếp theo của Wiercigroch, Pavlovskaia và Woo, Franca đã tiếp tục khẳng định tính ưu việt và hiệu quả của mô hình rung vađập theo phương ngang Tuy vậy, trong các nghiên cứu đã thực hiện, kết cấu

cơ khí tạo rung và lực va đập rất cồng kềnh, ma sát lớn

Xuất phát từ nhu cầu kích thước nhỏ gọn cho hệ cơ cấu rung ngang, một

cơ cấu rung va đập có kích thước nhỏ gọn đã được Nguyễn Văn Dự giớithiệu năm 2007 và được La Ngọc Tuấn cải tiến, nâng cao hiệu năng Tuyvậy, công suất cơ cấu đưa ra vẫn chưa đủ lớn để thắng lực cản của đất nênchưa thể áp dụng trong các máy đào ngầm ngang

Các máy đào ngầm Moling thương mại hiện nay vẫn chỉ có thể khai tháctính năng va đập thuần túy, bằng cách sử dụng các đầu búa dạng piston khínén

Đề tài này được tiến hành nhằm chế tạo, thử nghiệm một cơ cấu mớinhằm tích hợp rung động với nguồn năng lượng phản lực khí nén, nhằm thửnghiệm khả năng tích hợp rung động với trong một cơ cấu có kích thước nhỏ

1.2 Các kết quả nghiên cứu gần đây

Từ những thập kỷ 40 của thế kỷ trước, các máy móc khai thác tính tíchcực của rung động đã được giới thiệu và được sử dụng rộng rãi trên thế giới

Các công trình nghiên cứu của Barkan Rodger và Littejohn đã chứng minhđược lợi ích rất lớn của việc tích hợp rung động với va đập Các nghiên cứu lýthuyết và mô phỏng của Pavlovskaia Wiercigroch, Woo đã khẳng định rõ hơnlợi ích này Tuy nhiên các mô hình ứng dụng vẫn chỉ dựa trên cơ cấu bánhlệch tâm rất cồng kềnh Với ý đồ giảm thiểu kích thước và khai thác rung - vađập theo phương ngang, cơ cấu cam đã được sử dụng để tạo ra va chạm vớinghĩa là rung động

Cho đến nay chưa có một nghiên cứu nào nghiên cứu sự chuyển độngcộng hưởng của phản lực khí nén tạo ra sự rung động dịch chuyển theophương ngang, mà đã có các nghiên cứu về cuộn cảm được tiến hành cho cácdạng ứng dụng như một cơ cấu đóng mở hoặc rung động hành trình ngắn.Việc sử dụng cuộn cảm như một động cơ chuyển động thẳng khứ hồi đãđược Mendrela đề xuất và nghiên cứu Tuy nhiên, động cơ của ông chỉ đượcphân tích ở chế độ không tải và ở dạng một mô hình đơn giản Động cơchuyển động khứ hồi do Mendrela đề xuất đã được phát triển thành cơ cấurung va đập và nghiên cứu bởi Nguyễn Văn Dự và các cộng sự

Mô hình toán học và các đặc tính động lực học cơ bản của cơ cấu rung

-va đập khai thác chuyển động tuần hoàn của lõi sắt trong lòng ống dây củamạch RLC đã được phân tích và kiểm chứng bằng thực nghiệm trong nghiêncứu của Nguyễn Văn Dự và được cải tiến bởi tác giả La Văn Tuấn

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ rõ, được tiếp tục nghiên cứu, phát triển

để có thể tạo ra lực va đập lớn hơn Một trong những hướng phát triển khả dĩ

là cải thiện đặc tính động lực học của hệ thống Luận văn này triển khai,hiện thực hóa và xây dựng mô hình thí nghiệm cho hệ thống mới

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này đặt mục tiêu chính là tìm cách áp dụng nguyên tắc cộng tác dụng giữa rung động và và đập theo phương ngang một cách hợp lý nhằm cải

thiện được hiệu năng của cơ cấu rung sử dụng cho máy đào ngầm ngang.

Thông qua cơ cấu này phân tích đánh giá và đề xuất cho các cải tiến tiếp theo

1 Đã mô hình thí nghiệm cơ cấu va đập dùng khí nén có tích hợp rung

2 Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới;hoạt động đạt được chức năng

3 Đã thực nghiệm xác định được bộ thông số gồm tần số và khe hở va đậpcho ra khoảng di chuyển lớn nhất

1.5 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia thành 5 chương với các nội dung chính như sau

Trong chương 1 trình bày các cơ sở, tính cần thiết thực hiện đề tài Các

nghiên cứu tương tự gần đây cũng được giới thiệu tóm tắt nhằm nêu bật cáckết quả đóng góp mới

Chương 2, các mô hình của các cơ cấu rung - va đập đã được sử dụng

trong thực tế và trong các nghiên cứu thí nghiệm trước đây, đặc biệt là cơ cấuRLC được trình bày Trên cơ sở đó, một số đề xuất cải tiến cơ cấu rung ngangphản lực khí nén mới được thử nghiệm

Cơ cấu được cải tiến và hoàn thiện nhất được trình bày chi tiết trong

chương 3 Ở đó, sơ đồ nguyên lý, mô hình lý thuyết, cấu tạo và thiết kế cơ cấu

mới được trình bày một cách cụ thể Hệ thống các thiết bị thí nghiệm sử dụng

để khảo sát đặc tính động lực học của cơ hệ cũng được mô tả

Chương 4 trình bày quá trình thực nghiệm lựa chọn thông số làm việc

các kết quả nghiên cứu, đánh giá cơ cấu rung - va đập mới So sánh trực tiếpthông qua các chỉ tiêu tốc độ dịch chuyển của hệ thống

Các kết luận và đề xuất nghiên cứu tiếp theo được trình bày trong

chương 5.

Chương 2 PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN

CƠ CẤU RUNG NGANG KHÍ NÉN 2.1 Giới thiệu

Trong chương này sẽ giới thiệu về nguyên lý làm việc của các cơ cấurung - va đập hiện có, nêu nên những vấn đề còn tồn tại, phân tích cơ cấuRLC 09 Đề xuất hướng cải tiến một cơ cấu mới rung ngang khí nén và trìnhbày chi tiết các cải tiến thử nghiệm

Phần 2.2 sẽ trình bày khái quát về các thiết bị rung va đập thương mại

và các cơ cấu, mô hình cơ học rung - va đập mới nhất hiện vẫn còn trong giaiđoạn thí nghiệm gần đây Trong phần 2.3 sẽ phân tích cơ cấu rung - va đậpmới nhất được trình bày và từ đó đề xuất nhu cầu cần cải tiến, tạo ra cơ cấumới Tiếp theo phần 2.4 sẽ trình bày cơ sở đề xuất cải tiến và các cải tiến thửnghiệm Cuối cùng phần 2.5 sẽ tóm tắt các kết luận chính

2.2 Các cơ cấu, mô hình rung va đập

Như chúng ta thấy đa số các máy rung va đập thương mại hiện nay đều

sử dụng mô hình bánh quay lệch tâm do Tsaplin đề xuất năm 1949(hình 2.1)

Hình 2.1 Cơ cấu rung Tsaplin

Cơ cấu rung - va đập này làm theo nguyên lý sử dụng bánh lệch tâmđược mô tả trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm

Cơ cấu rung va đập dùng bánh lệch tâm được sử dụng rất phổ biến trong cácmáy đóng cọc, đầm đất… (xem minh họa trên hình 2.3, 2.4)

Hình 2.3 Cơ cấu rung va đập được dùng trong máy đóng cọc đứng

(Theo nhà sản xuất ICE)

Điểm

va đập

Giá đỡ

Lò xo

Cọc cần đóng Động cơ

Hình 2.4 Sơ đồ thí nghiệm của Lok

Hình 2.5 Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca [13]

Bộ khuyếch đại

cảm biến vị trí

Hệ thống tiếp nhận dữ liệu

Bộ khuyếch đại cảm biến tải trọng

Đầu vào lỗ Cảm biến vị trí

Kết cấu đỡ

Bộ khuyếch đại công suất

Máy phát sóng

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 07 [3]

2.3 Cơ cấu rung - va đập RLC-09

Trong cơ cấu RLC 09 của tác giả La Văn Tuấn, ống dây không được

cố định như trong RLC-07 (xem hình 2.7)

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 09

2.4 Đề xuất cải tiến thử nghiệm mới

2.4.1 Cơ sở đề xuất cải tiến

Từ cơ sở một ống khí bị nén khi mở van khí đột ngột sẽ phụt khí bị néntạo ra một phản lực làm cho ống khí nén lao về phía trước

Tấm trượt

Chốt chặn

Xe di chuyÓn

chèt chÆn

èng khÝ nÐn Van x¶

Như vậy có thể sư dụng phản lực khí nén và lò xo để tạo chuyển độngkhứ hồi

2.4.4 Thử nghiệm các kích thước đường kính van xả

Hình 2.11: Đầu xả khí

2.5 Kết luận

Chương này đã trình bày các thông tin tổng quan về các cơ cấu rung

-va đập đã có Dựa trên các thông tin phân tích về nguyên lý làm việc của các

cơ cấu rung đã có, một số ý tưởng về một cơ cấu rung mới dùng phản lực khínén đã được đề xuất.

Mô hình thực cho ý tưởng này sẽ được trình bày ở chương tiếp theo

Cơ cấu rung va đập mới được thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hưởngtần số đóng xả của van khí nối với ống khí nén.

Phần tiếp theo, phần 3.2 sẽ trình bày chi tiết về nguyên lý làm việc của

cơ cấu mới Các bước thiết kế và chế tạo cơ cấu rung - va đập mới được trìnhbày ở phần 3.3 Phần 3.4 trình bày về các thiết bị đo kiểm, thu thập dữ liệuđược sử dụng trong thí nghiệm Quy trình lắp đặt, vận hành thiết bị thínghiệm trình bày tại phần 3.5 Phần cuối cùng của chương, phần 3.6 sẽ tómtắt các kết luận chính

KhÝ nÐn

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu rung ngang phản lực khí nén

Mô hình cơ cấu rung ngang phản lực khí nén cũng dựa trên hiện tượngcộng hưởng tần số xả van khí nén Ống khí nén được gắn trên bốn bánh xe cókhả năng lăn tự do trên hai đường ray dẫn hướng Do vậy, khi xả khí trong ốngphản lực va đập thu được từ chuyển động và va đập của ống khí với chốt chặn

Ống khí chuyển động sẽ kéo theo xe mang ống khí chuyển động Mộtchốt chặn được đặt chắn ngang trên đường chuyển động của xe và ống khínén Cả hệ thống dẫn hướng cho ống khí nén và chốt chặn được lắp trên mộttấm trượt Tấm trượt này được thiết kế để có thể trượt trên một hệ rãnh trượtdẫn hướng Ma sát giữa tấm trượt và rãnh trượt có thể điều chỉnh được nhờmột cơ cấu kẹp (xem phần 3.3.4) để phục vụ cho việc khảo sát các số liệu thínghiệm

Tính cộng hưởng của dao động là yếu tố có thể khai thác để phát huycông năng của ống khí nén Vì vậy, một hệ lò xo liên kết giữa ống khí và

hệ thống dẫn hướng cho ống khí được đưa vào cơ cấu để thực hiện nhiệm

vụ đó

Toàn bộ, ống khí, hệ lò xo này được đặt lên một tấm trượt và tấm trượtnày được thiết kế để có thể trượt trên hệ rãnh trượt tương ứng và có lực ma sátđiều chỉnh được Kết cấu này được sử dụng để mô phỏng cho một máy đàongầm chuyển động tương đối với đất Lực cản của đất được đặt lên máy thôngqua cơ cấu điều chỉnh lực ma sát

Sơ đồ trên hình 3.1 được sử dụng làm cơ sở để xây dựng các mô hìnhtính toán và thiết kế, chế tạo cơ cấu

3.3 Thiết kế và chế tạo cơ cấu

3.3.1 Ống khí nén và xe mang khí nén

- Ống khí nén

Ống khí nén được thiết kế như hình 3.2

Hình 3.6: Sống trượt dẫn hướng được lắp trên hệ thống ray

3.3.2 Hệ thống đường ray dẫn hướng

Hệ thống ray ngoài nhiệm vụ để dẫn hướng còn làm nhiệm vụ liên kếtvới ống khí qua hệ lò xo nhằm phát huy tính cộng hưởng của dao động.(xem hình 3.5)

Hình 3.5: Hệ thống đường ray trong thí nghiệm

90°

6

3: Rãnh dẫn con trượt điều chỉnh F ms 4: Thanh giằng

Hình 3.7: Hệ thống rãnh trượt dẫn hướng

3.3.4 Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát

Cơ cấu này có nhiệm vụ mô phỏng lực cản khi hệ thống vận hành trongthực tế, lực cản chủ yếu do việc thâm nhập vào đất gây nên Một cơ cấu kẹpđiều chỉnh được được thiết kế (xem hình 3.8)

Hình 3.8: Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát

3.4 Thiết bị điều khiển tạo tấn số xả

Thiết bị này gồm có một bộ chuyển đổi nguồn từ 220V xuống 24V nốivới một bảng mạch tạo đã được lập trình có thể thay đổi được tần số xung,mạch tạo xung này được nối với một rơle không tiếp điểm để có thể đóngngắt được van xả khí với tần số lớn (Hình 3.9)

1 2

3

4 5

1: Vít điều chỉnh 2: Thanh giằng hệ thống ray 3: Rãnh trượt

4 Con trượt

4: Con trượt 5: Lò xo

Hình 3.13: (a) Lực kế, (b)Phương pháp

đo độ cứng lò xo

3.6.2 Thiết bị đo lực

Lực ma sát của cơ cấu, độ

cứng của lò xo được đo kiểm

3.8 Kết luận

Trong chương này, một cơ cấu rung - va đập vận hành dựa trên nguyên

lý hoạt động của phản lực khí nén, chế tạo và vận hành thử nghiệm Ống khínén có thể chuyển động tương đối trên tấm trượt qua hệ con lăn của hệ thống

xe, một chốt chặn được cố định trên tấm trượt Tấm trượt này sẽ chuyển độngkhi ống dây va đập vào chốt chặn Một cơ cấu rung - va đập cho các máy đàongầm ngang theo nguyên lý vận hành mới đã được thiết kế, chế tạo và làmviệc tốt trong các thử nghiệm

Một tập hợp các thông số lợi cho chuyển động tiến về phía trước củatấm trượt đã được xác định Trước hết, ống khí nén xả tạo phản lực ống này.Thứ hai, cơ cấu giảm thiểu lực cản chống lại chuyển động của của ống khínén và hệ thống lò xo khai thác cộng hưởng cho chuyển động này cũng đãđược thiết lập Điều này là rất quan trọng để ống khí nén dao động Cuốicùng, chốt chặn nên được đặt trong khoảng trước khi ống khí nén đạt đếnkhoảng kết thúc hành trình dao động của nó Nói cách khác, khoảng cách giữachốt chặn và ống khí nén phải nhỏ hơn so với biên độ dao động của ống khínén

Chương 4 THỰC NGHIỆM LỰA CHỌN THÔNG SỐ LÀM VIỆC4.1 Giới thiệu

Chương này trình bày về thực nghiệm và các bước tiến hành thí nghiệmtrên Minitab, tiến trình thiết kế thí nghiệm leo dốc, thiết kế CCD và xử lý thínghiệm RSM để lựa chọn bộ thông số gồm tần số và khe hở cho ra kết quả dichuyển cao nhất của cơ cấu RKN - 13

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ rõ đối với một vùng nhỏ chứa cực trịthì quan hệ bậc 2 là đủ để khảo sát, do đó phải tiến hành thí nghiệm nhiều hơn

2 điểm → mô tả chính xác hồi quy bậc cao

4.2 Thí nghiệm khởi đầu

Hình 4.4: Dữ liệu thí nghiệm leo dốc