Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm kiểm tra phân tích động lực học của xy lanh giảm chấn cỡ nhỏ

thí nghiệm phải thỏa mãn điều kiện đơn giản, hiệu quả và chi phí đầu tư thấp, việc triển khai đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm kiểm tra phân tích động lực học của xy lanh giảm chấn cỡ nhỏ” là cần thiết, có ý nghĩa thiết thực. Với thiết bị này cỏ khả năng tính toán, xác định được mối quan hệ giữa lực - chuyển dịch của pis-tông; hay quan hệ lực - vận tốc dịch chuyển từ đó đánh giá và kiểm tra được chất lượng của từng xi lanh giảm chấn đặc biệt là các Xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ trong các thiết bị gia dụng. II. MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 1. MỤC TIÊU: Nghiên cứu - thiết kế - chế tạo được một thiết bị thí nghiệm (hoặc thiết bị kiểm tra) xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ (xe máy, ô tô hay các thiết bị gia dụng). Đồng thời ứng dụng công nghệ thông tin sử dụng các phần mềm tính toán, trích xuất dữ liệu đưa ra các thông số, kết quả thí nghiệm được chính xác hơn. Thực hiện: Phạm Hà Phương Kiểm nghiệm và hiệu chỉnh thiết bị dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm đối với xy lanh giảm chấn ma sát trong thiết máy giặt dân dụng. 2. Ý NGHĨA KHOA HỌC, THỰC TIẾN: 2.1. Ý nghĩa khoa học: Tạo ra một thiết bị ứng dụng cho học tập, nghiên cứu, kiểm soát chất lượng sản phẩm của quá trình sử dụng. Tiếp tục góp phần hoàn thiện phương pháp tư duy khoa học: từ xây dựng ý tưởng đến thiết kế, chế tạo, thử nghiệm hoàn thiện sản phẩm nghiên cứu. Góp phần thúc đẩy tư duy sáng tạo về tính toán, lựa chọn kết cấu cụ thể của thiết bị thí nghiệm trên cơ sở kiến thức phổ thông sẵn có; khả năng phối hợp các mô đun để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh. 2.2. Ý nghĩa thực tiễn: Đối với ngành cơ khí nói chung và ngành chế tạo máy nói riêng, các thiết bị thử nghiệm kiểm tra như trên đang được sử dụng rất nhiều và đóng vai trò to lớn trong quá trình đánh giá và lựa chọn các thông thông số hợp lý khi gia công. Đề tài sẽ góp phần quan trọng trong việc thử nghiệm kiểm tra độ bền của xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ thông qua việc xác định mối quan hệ giữa lực - vận tốc - chuyển dịch của pistong với kết quả tin cậy, đặc biệt phù hợp với phạm vi phòng thí nghiệm vừa và nhỏ, tiết kiệm thời gian, kinh phí. Đối với tác giả nghiên cứu, đề tài có ý nghĩa quan trọng và tính thực tiễn cao, mở ra hướng nghiên cứu không chỉ áp dụng đối với hệ thống xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ mà nhân rộng trong lĩnh vực cơ khí đặc biệt trong việc đánh giá, xác định và đưa ra thông số hợp lý khi thiết kế chế tạo các chi tiết máy có nguyên lý tương tự. 3. PHƯƠNG PHÁP: Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với chế tạo thiết bị và thực nghiệm Thực hiện: Phạm Hà Phương CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ GIẢM CHẤN VÀ MÁY THÍ NGHIỆM 1.1. Tổng quan về các loại giảm chấn (đối tượng cần để xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm) 1.1.1. Đối với loại xi lanh giảm chấn có lực cản hai chiều khác nhau như xi lanh thủy lực. Ví dụ như giảm xóc sau xe máy. * Về cấu tạo: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo giảm xóc sau [3] Hình 1.2. Dầu dịch chuyển trong xylanh [3] 1, 18. Cao su giảm va 2, 19. Bạc lót 3. Ống ty 4. Ống lọc lò xo ngoài 5. Ống lọc lò xo trong 6. Van piston 7. Xec măng 8,9. Vòng đệm piston 10. Lò xo piston 11. Ống che 12. Lò xo chính 13. Cần piston 14. Cao su trên cần piston 15. Đai ốc 16. Đệm lòxo 17.Chân thụt Thực hiện: Phạm Hà Phương * Về nguyên lý Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý [3] Bộ giảm xóc làm việc trong hai chu kỳ: Chu kỳ nén và chu kỳ phần giãn nở. + Chu kỳ nén: Khi bánh xe di chuyển lên trên làm cho lò xo bị nén và cần pistong chuyển động lên trên làm cho áp suất trong buồng trên cao hơn áp suất trong buồng dưới. Vì vậy chất lỏng trong buồng trên bị ép xuống buồng dưới qua van pistong. Lúc này lực giảm chấn được sinh ra do sức cản dòng chảy của van. + Chu kỳ giãn nở: Khi bánh xe bắt đầu di chuyển trở lại xuống, cần pistong chuyển động xuống làm cho áp suất trong buồng dưới cao hơn áp suất trong buồng trên. Vì vậy chất lỏng trong buồng dưới bị ép lên buồng trên qua van pistong và sức cản dòng chảy của van có tác dụng như lực giảm chấn. 1.1.2. Đối với lực cản 2 chiều ≈ bằng nhau, như giảm chấn ma sát. Ví dụ như xi lanh giảm chấn trong máy giặt. * Về cấu tạo: Hình 1.4. Cấu tạo giảm chấn máy giặt [2] Đặc tính động lực học: M: Là khối lượng tác động lên xe B: Hệ số cản nhớt K: Độ cứng của lò xo F(t): Là lực do xóc Y(t): Là dịch chuyển của thân xe V(t): Vận tốc của xe Chú thích: 1. Ống Xi lanh bọc nhựa 2. Cần Pistong 3. Mỡ tạo ma sát 1 2 3 Thực hiện: Phạm Hà Phương * Về nguyên lý: Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý Bộ giảm chấn ma sát hoạt động với nguyên lý đơn giản: Khi máy giặt ở trạng thái làm việc, lồng bên trong của máy giặt tạo chuyển động quay tăng dần đều theo vận tốc được lập trình tự động. Khi đó với quán tính ở vận tốc càng cao thì lồng máy giặt sẽ tạo ra rung động càng lớn, và để kiểm soát rung động đó chính là hệ thống giảm chấn ma sát được bố chí xung quanh máy giặt. Giảm chấn cũng làm việc theo hai chu kỳ giãn và nén. Ở cả hai chu kỳ giãn và nén lực cản được sinh ra nhờ lực ma sát giữa pistong và xi lanh thông qua đệm ma sát và chất bôi trơn. Khi ở trạng thái nén, khí bên trong bị ép trong lòng xi lanh và được thoát ra ngoài qua khe hở thiết kế sẵn trên xi lanh. Ngược lại ở trạng thái giãn, lực cản cũng được sinh ra như trạng thái nén. Với nguyên lý này khi vận tốc càng lớn thì lực cản càng lớn và lực ma sát phải được phân bố đều trên hành trình chuyển dịch của pistong. Trong trường hợp lực không được phân bố đều khi pistong chuyển động ở cùng một vận tốc thì có thể hiểu chất lượng và độ bền của giảm chấn ma sát đã bị giảm. Như vậy với nguyên lý làm việc của các loại xi lanh giảm chấn đã được phân tích trên ta thấy để nghiên cứu, thiết kế hoặc kiểm tra, đánh giá độ bền cũng như tuổi thọ của giảm chấn thì việc xác định các mối quan hệ lực cản - vận tốc chuyển dịch pistong và lực cản - chuyển dịch pistong là hết sức cần thiết. Muốn xác định được các yếu tố này đòi hỏi phải có các thiết bị kiểm tra phù hợp với từng loại giảm chấn. Nhằm hiểu hơn về lĩnh vực kiểm tra, thử nghiệm đánh giá chất lượng các loại giảm chấn. Tác giả đưa ra một số nội dung tổng quan về thiết bị kiểm tra được trình bày tại phần II, chương 1 như sau: Đặc tính động lực học: n - Tốc độ vòng quay của máy giặt F(t) - Lực cản v - Vận tốc chuyển dịch của pistong y(t): Chuyển dịch của pistong n y(t) F(t) v Thực hiện: Phạm Hà Phương 1.2. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Để kiểm tra xác định đặc tính động lực học cơ bản của xi lanh giảm chấn, ngày nay có rất nhiều thiết bị có thể kiểm tra được với nhiều nguyên lý, cấu tạo khác nhau do nhiều hãng sản xuất với độ chính xác rất cao. Tùy theo tính năng sử dụng của các loại giảm chấn thì nhiều hãng sản xuất cũng đã đưa ra nhiều hình thức kiểm tra, đánh giá chất lượng trên các thiết bị chuyên dụng hoặc được tích hợp trực tiếp trên sản phẩm và cao hơn nữa là đồng bộ trong dây chuyền sản xuất. Một hãng Inova của Đức với hơn 30 năm kinh nghiệm, chuyên sản xuất và cung cấp hệ thống thí nghiệm giảm chấn thủy lực hiệu suất cao. Có thể đo các tính chất và độ bền của giảm chấn trong ô tô, xe tải, xe máy hay các tầu lửa với thử nghiệm tốc độ lên đến 8m/s. Một dạng thiết bị kiểm tra điển hình như sau: (xem hình 1.6) Hình 1.6 – Một dạng thiết bị thí nghiệm điển hình sử dụng nguyên lý thủy lực[4] * Ứng dụng • Thử nghiệm đặc tính động của giảm chấn • Thử nghiệm ma sát • Kiểm tra độ bền với quá trình tổng hợp hoặc tín hiệu thực • Kiểm tra độ bền cho nhiều loại giảm chấn • Ứng dụng tải bên cho ma sát và kiểm tra độ bền • Đánh giá các trường dung sai và đường cong thực nghiệm Thực hiện: Phạm Hà Phương • Bố trí trực tiếp việc kiểm tra giảm chấn vào trong sản phẩm hoặc thiết bị nghiên cứu độc lập trong phòng thí nghiệm hay được tích hợp trong dây truyền sản xuất các sản phẩm giảm chấn. Ví dụ một dạng thiết bị chuyên dụng để kiểm, thử nghiệm giảm chấn thủy lực: (xem hình 1.7) Hình 1.7 – Một dạng thiết bị khác cũng sử dụng nguyên lý thủy lực [4] Có nhiều giải pháp nhằm nâng cao hiệu suất trong quá trình kiểm tra đánh giá chất lượng giảm chấn thủy lực, một trong những giải pháp hiệu quả nhất bằng cách thiết kế các thiết bị kiểm tra mở rộng, có thể kiểm tra cùng một lức đánh giá nhiều sản phẩm. (xem hình 1.8) Hình 1.8 – Thiết bị kiểm tra mở rộng [4] Thực hiện: Phạm Hà Phương Một ví dụ nữa là một dạng thiết bị kiểm tra giảm chấn chuyên dụng trong ngành đường sắt. Ở các vị trí trên giá chuyển hướng toa xe lửa của ngành đường sắt có nhiều giảm chấn khác nhau ở các vị trí khác nhau. (xem hình 1.9) nó thường được được ưu tiên để kiểm tra các xi lanh giảm chấn trong trạng thái làm việc thực tế của nó. Hình 1.9: Giá chuyển hướng toa xe lửa [5] Thiết bị này có khung thiết kế đặc biệt (xem hình 1.10) cho phép các góc độ khung được thiết lập sao cho phù hợp. Hình 1.10: Thiết bị kiểm tra giảm chấn ngành đường sắt [4] * Các phụ kiện có thể đi kèm cho thiết bị này: (xem hình 1.11;1.12) Hình 1.11: Phụ kiện gá kẹp sử dụng bằng tay a); hay sử dụng thủy lực b)[4] a) b) Thực hiện: Phạm Hà Phương Hình 1.12: Hệ thống đo lường nhiệt độ, không khí/ nước làm mát a); Hay tải ngoài cố định để kiểm tra đa giảm chấn b)[4] * Các giải pháp để kiểm tra độ bền của giảm chấn thủy lực, tùy theo tính chất sử dụng với mục đích khác nhau như tích hợp trên sản phẩm, trong phòng thí nghiệm hay đồng bộ cho dây truyền sản xuất. (xem hình 1.13) Hình 1.13: Hệ thống đo lường giảm chấn được tích hợp trên xe tải a); Trong phòng thí nghiệm b);Trong dây truyền sản suất c) [4] * Như vậy ta thấy các yếu tố cơ bản của một thiết bị kiểm tra giảm chấn thủy lực bao gồm các hệ thống như sau: (xem hình 1.14)  Máy thủy lực thực nghiệm - Nguồn thủy lực - Hệ thống dịch chuyển pistong - Khung gá cố định  Cảm biến đo dịch chuyển pistong a) b) a) b) c) Thực hiện: Phạm Hà Phương  Cảm biến đo lực  Máy tính với phần mềm điều khiển Hình 1.14: Các hệ thống cơ bản của thiết bị kiểm tra xi lanh giảm chấn [4] * Một số kết quả phân tích các mối quan hệ giữa lực cản - chuyển dịch pistong và lực cản –vận tốc chuyển dịch của quá trình kiểm tra đánh giá giảm chấn thủy lực với biên độ dao động của pistong và tần số dao động như sau: (xem hình 1.15 a,b;1.16 a,b) Hình 1.15: a) lực - chuyển dịch với biên độ dao động 2mm, tần số = 0.5Hz[4] Hình 17: a) lực - chuyển dịch Hình 1.15: b) lực – vận tốc dao động 2mm, tần số = 0.5Hz[4] Thực hiện: Phạm Hà Phương Hình 1.16: a) Lực - chuyển dịch với biên độ dao động là 2mm và tần số dao động từ 0.1-10HZ[4] Hình 1.16: b) Lực – vận tốc với biên độ dao động là 2mm và tần số dao động từ 0,1-10HZ [4] Thực hiện: Phạm Hà Phương Còn đối với Giảm chấn ma sát thì một dạng thiết bị thí nghiệm kiểm tra độ bền của giảm chấn ma sát được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như máy giặt. Thiết bị được thiết kế đơn giản kiểu tay quay con trượt, cơ cấu đĩa quay có gắn động cơ. Dịch chuyển của bistong đo được nhờ cảm biến độ dài, đầu trên của giảm chấn được gắn cố định vào loadcell (cảm biến đo lực), đầu pistong được gắn vào cơ cấu chuyển động. (xem hình 1.17) Hình 1.17 – Một dạng thiết bị kiểm tra giảm chấn ma sát [6] Những thí nghiệm này bao gồm việc tìm ra các mức độ giảm xóc của các giảm chấn ma sát tiêu chuẩn được sử dụng trong máy giặt. Các thử nghiệm đã được thực hiện ở tốc độ quay khác nhau: 15, 100, 300, 600 và 1200 vòng/phút. Với biên độ dao động là 8mm, lực ma sát 32,5 ±12,5 N. Xem hình 20 với các đường thể hiện mầu sắc tương ứng với tốc độ quay khác nhau. (Xem hình 1.18) Hình 1.18 – Mối quan hệ giữa lực và chuyển dịch của pistong [6] Thực hiện: Phạm Hà Phương Hình 1.19 – Mối quan hệ giữa lực và vận tốc có dạng đồ thị sau [6] Như vậy qua nghiên cứu tổng quan về thiết bị thí nghiệm ta nhận thấy để nghiên cứu thiết kế một thiết bị kiểm tra giảm chấn thì việc cần thiết là xác định được các đặc tính cần đánh giá chất lượng của một giảm chấn chính là xác định các mối quan hệ lực – vận tốc chuyển dịch; lực với dịch chuyển của pistong. Như vậy qua nghiên cứu tổng quan về nguyên lý, cấu tạo hay là tính năng làm việc của môt số thiết bị thử nghiệm, trong đó có thiết bị thử nghiệm giảm chấn thủy lực hay thiết bị thử nghiệm giảm chấn ma sát. Tác giả lựa chọn theo hướng nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị thử nghiệm, kiểm tra đối với loại giảm chấn ma sát trên máy giặt; Do nguyên lý cấu tạo đơn giản, chi phí đầu tư thấp, phù hợp với cấu trúc của luận văn Thạc sỹ. Yêu cầu đối với thiết bị thử nghiệm phải đạt được các yêu cầu sau: 1. Kiểm tra được các loại giảm chấn ma sát của máy giặt dân dụng. 2. Có kết cấu đơn giản, chắc chắn để nhanh chóng gá lắp đối với mẫu thử là giảm chấn ma sát. 3. Hệ thống chuyển động của máy thử phải hoạt động ổn định, tin cậy trong một thời gian dài, đáp ứng được đầy đủ mọi yêu cầu thử nghiệm của giảm chấn về mối quan hệ Lực – vận tốc; lực – chuyển dịch tương ứng với khả năng làm việc của giảm chấn. 4. Hệ thống hiện thị số được ghép nối với phần cơ đảm bảo độ chính xác, tin cậy, khi xuất ra và lưu giữ trên máy tính các thông số cần đo của xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ. Để từ đó đánh giá chính xác tình trạng sản phẩm. Thực hiện: Phạm Hà Phương CHƯƠNG 2 CƠ SỞ BÀI TOÁN THIẾT KẾ 2.1. Cơ sở xác định các thông số khoảng lực, vận tốc và khoảng dịch chuyển của thiết bị thí nghiệm 2.1.1. Cơ sở xác định khoảng lực và khoảng dịch chuyển Như trên đã trình bầy đối tượng khảo sát của thiết bị là các loại giảm chấn ma sát trong máy giặt. Do vậy dựa vào các thông số tiêu chuẩn của một số hãng chuyên sản xuất loại giảm chấn ma sát này, ta có các bảng số liệu như sau: Bảng 2.1: Thông số khoảng dịch chuyển max và lực ma sát max [7]: TT Loại giảm chấn sử dụng trong máy giặt Khoảng làm việc lớn nhất pistong Amax (mm) Chiều dài lớn nhất của giảm chấn (tính ở trạng thái làm việc) Lmax (mm) Lực ma sát lớn nhất Fmsmax (N) 01 RD10 102 280 140 02 RD12 95 293 250 03 RD18 95 298 120 04 RD35 74 249 250 05 RD10FK 84,5 269,5 140 06 RD32FK 82 280 120 07 RD32FKS 82 280 120 08 RD18FL 70 273 120 2.1.2. Cơ sở xác định vận tốc chuyển dịch Hiện nay trên thị trường các loại máy giặt cửa đứng và cửa ngang rất nhiều chủng loại, nhiều hãng sản xuất, chất lượng khác nhau. Tuy nhiên vận tốc quay lớn nhất của lồng máy giặt thông thường được khống chế ở mức ≤ 1200 vòng/phút, tương đương với 20 vòng/giây. Như ta đã biết máy giặt quay được một vòng quay tương đương với một chu kỳ làm việc của giảm chấn (hành trình bao gồm nén và giãn của pistong). Vì vậy để khảo sát quá trình làm việc của giảm chấn ma sát trong máy giặt, tác giả lựa chọn vận tốc chuyển dịch của pistong dựa trên các thời điểm vận tốc quay khác nhau của máy giặt. Cách xác định như sau: Thực hiện: Phạm Hà Phương Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của giảm chấn ma sát trong máy giặt Phân tích trên hình vẽ sơ đồ hóa nguyên lý mấy giặt ta thấy chuyển động của giảm chấn là chuyển động tịnh tiến khứ hồi Do vậy ta có chuyển dịch của pistong dưới dạng Y(t) = A.sinωt (1) Trong đó: A - khoảng dịch chuyển max của pistong ω - tần số dao động Từ (1) ta xác định được vận tốc chuyển dịch của pistong là: V= Y(t) = ωA.cosωt (2) Như vậy dễ dạng xác định được vận tốc dịch chuyển lớn nhất của pistong cần xác định là khi cosωt = ± 1 (± thể hiện sự đảo chiều chuyển động của pistong) Vmax= max maxA (3) Ta có: + ωmax được xác định dựa vào vận tốc quay lớn nhất của lồng máy giặt được khảo sát (nmax=1200 v/p = 20 v/s; một vòng quay của lồng máy giặt sẽ được 1 chu kỳ dao động của pistong). Vậy: ωmax = 20.1 (rad/s) = 20 (rad/s) (4) + Khoảng dịch chuyển lớn nhất của pistong được xác định theo khảo sát thực tế khi máy giặt hoạt động ở 20v/s, biên độ dao động là ±8mm. Tức là: Attmax = 16mm (5) Thay (4), (5) vào (3) ta có: Vmax = 20.16 = 320 (mm/s) Với phương pháp xác định trên ta có bảng số liệu sau: n Y2 v Y1 A F(t) Thực hiện: Phạm Hà Phương Bảng 2.2: Vận tốc quay của máy giặt và vận tốc chuyển dịch tương ứng của pistong được lựa chọn để khảo sát: Đơn vị Vận tốc quay của lồng máy giặt n Vòng/phút 15 60 300 600 900 1200 Vòng/giây 0,25 1,0 5 10 15 20 Vận tốc chuyển dịch của pistong V tương ứng với (n, Amax=16mm) mm/s 4,0 16 80 160 240 320 * Như vậy qua 2 bảng số liệu trên (bảng 2.1; 2.2) ta xác định được các thông số lực, vận tốc và chuyển dịch của pistong tương ứng với F, V, A làm cơ sở cho thiết kết thiết bị thí nghiệm như sau: + Khoảng dịch chuyển lớn nhất của Pistong là: Ymax =102mm. + Lực cản ma sát lớn nhất là: Fmsmax= 250N. + Khoảng làm việc thực tế lớn nhất của pistong ở trạng thái làm việc là Attmax=16mm; tương ứng với vận tốc chuyển dịch lớn nhất cua pistong là: Vmax=320mm/s. 2.2. Thiết kế nguyên lý máy Với các thông số lực, vận tốc và chuyển dịch ở giá trị đã được khảo sát ở trên làm cơ sở lựa chọn và tính toán thiết kế thiết bị kiểm tra. Thiết bị được thiết kế, chế tạo phải là thiết bị xác định được các thông số lực, vận tốc và chuyển dịch của pistong thỏa mãn tất cả các giá trị cần đo của giảm chấn cỡ nhỏ như giảm chấn ma sát trong máy giặt. Từ những yêu cầu trên ta xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm như sau: Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm Thực hiện: Phạm Hà Phương Nguyên lý làm việc của thiết bị: Mẫu thử là bộ giảm chấn ma sát, một đầu của giảm chấn (xy lanh) được gắn vào gối cố định, đầu còn lại (pistong) được gắn vào gối di động, gối di động chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu tạo chuyển động và một động cơ sẽ giúp cơ cấu tạo chuyển động hoạt động. Khi động cơ quay, cơ cấu chuyển động làm gối di động di chuyển kéo theo cần pistong của giảm chấn di chuyển từ vị trí A1 về A2 và ngược lại. Để tiến hành thí nghiệm và xác định được thông số lực; vận tốc dịch chuyển; khoảng dịch chuyển, trên thiết bị phải được bố trí hệ thống đo lường, xử lý số liệu. Ví dụ như: + Xác định lực cản F, sử dụng loadcell (cảm biến lực) gắn chặt vào gối cố định và đầu xi lanh như trên hình 2.2. + Xác định được vận tôc chuyển dịch của pistong thông qua vận tốc quay của động cơ và cơ cấu chuyển động. + Khoảng dịch chuyển A hay là đoạn A1A2 chính là biên độ dao động của pistong với xi lanh, được xác định nhờ cảm biến đo chiều dài. Tất cả các giá trị trên đều được chuyền về bằng tín hiệu điện và được xử lý tín hiệu, phân tích dựa trên các phần mềm chuyên dụng như LabView. Như vậy các thông số của một thiết bị thí nghiệm theo yêu cầu đặt ra cần có các yếu tố chính như sau: 1. Động cơ (có thể tạo chuyển động khứ hồi) 2. Cơ cấu chuyển động. (chuyển động tịnh tiến) 3. Gối di động 4. Gá bắt đầu di động mẫu. 5. Gá bắt đầu cố định mẫu. 6. Loadcell (cảm biến lực) 7. Cảm biến điện từ (xác định A) 8. Khung thiết bị. 9. Bộ điều khiển. 10. Phần mềm xử lý tín hiệu đầu ra. 2.3. Chọn phương án thiết kế thiết bị. 2.3.1. Lựa chọn động cơ: * Phương án 1: sử dụng Động cơ 1 chiều. + Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ sửa chữa. + Nhược điểm: Cấu tạo thường cồng kềnh, khó bố trí trên thiết bị nhỏ gọn, khó khống chế được tốc độ. Khi đảo chiều thời gian trễ lớn. * Phương án 2: sử dụng Động cơ servo. Thực hiện: Phạm Hà Phương + Ưu điểm: Thường nhỏ gọn, dễ bố trí trên thiết bị thí nghiệm. Có sẵn mạch điều khiển đồng bộ, dễ dàng điều chỉnh tốc độ và đảo chiều động cơ. + Nhược điểm: Giá thành cao, khó sửa chữa Với hai phương án này tác giả lựa chọn phương án 2, phù hợp với kết cầu thiết bị và cấu trúc luận văn. Do thiết bị thí nghiệm nhỏ gọn, động cơ công suất nhỏ chi phí đầu tư tác giả chấp nhận được. 2.3.2. Lựa chọn phương án dẫn động: Có rất nhiều phương án dẫn động có thể tạo ra sự dịch chuyển của Pistông như: * Phương án 1: Vít me bi. + Ưu điểm: Hoạt động ổn định, hiệu suất truyền cao, có sẵn gối đỡ di động. Rất sẵn trên thị trường, đủ loại để lựa trọn, giá thành giẻ. + Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp, khó chế tạo, khó sửa chữa. * Phương án 2: Thanh răng – Bánh răng. + Ưu điểm: Dễ chế tạo, sửa chữa, thay thế. + Nhược điểm: Hiệu suất truyền thấp. Diện tích bố trí rộng. * Phương án 3: Tay quay – Con trượt. + Ưu điểm: Đơn giản, gọn nhẹ, hiệu suất truyền cao, rất phù hợp với dao động có biên độ ổn định. + Nhược điểm: Lắp ghép đòi hỏi độ chính xác cao, khi thay đổi biên độ dao động khó điều chỉnh. Với 3 phương án nêu trên, qua khảo sát tác giả lựa chọn phương án cơ cấu Vít me bi làm cơ cấu dẫn động. Do phương án này đơn giản, có sẵn trên thị trường, giá thành giẻ, chỉ cần lựa chọn tỷ số chuyền hợp lý, dễ dàng điều chỉnh biên độ dao động. 2.3.3. Lựa chọn hành trình làm việc của thiết bị thử: Với mẫu thử là xi lanh giảm chấn cỡ nhỏ tác giả lựa chọn hành trình làm việc lớn nhất Amax = 102mm. Chiều dài lắp ghép giảm chấn thủy lực trên máy thử; (không tính đồ gá phụ): Lmax = 298mm. Do vậy lựa chọn hành trình làm việc của thiết bị (không tính đồ gá phụ) là: L> 300mm 2.3.4. Lựa chọn phương án đo lường. Để đo được các thông số lực (F), khoảng dịch chuyển của pistong (Y). Tác giả lựa chọn phương án như sau: Thực hiện: Phạm Hà Phương + Đo lực F: sử dụng cảm biến loadcell có khả năng đo được ≥ 26kg ≈ 255N (theo bảng 2.1 Fmsmax = 250N) gắn trên thiết bị. + Đo chuyển dịch pistong (Y): Sử dụng cảm biến quang điện. * Các giá trị lực, vận tốc và quãng đường đo được nhờ phần mềm xử lý tín hiệu điện Labview. 2.4. Cơ sở tính toán để lựa chọn thông số cho thiết bị 2.4.1. Xác định công suất và tốc độ động cơ * Xác định công xuất động cơ: Theo công thức: . .1000 F V P   (kW) (6) Trong đó: P - công suất động cơ F - Lực cản (tải) trong bài toán này Fmax = 250N V – Vận tốc chuyển dịch trong bài toán này Vmax = 320mm/s=0,32m/s η – Hiệu suất hệ thống (tra được η = 0,75) Thay các giá trị vào công thức (6) ta được: 250.0,32 0,75.1000 P  = 0,106 kW * Xác định tốc độ động cơ: Như đã biết tốc độ chuyển dịch lớn nhất theo tính toán ở mục 2.1.2 là Vmax = 320mm/s. Phương án chuyền chuyển động là vít me bi, do vậy việc lựa chọn tốc độ động cơ phụ thuộc vào bước của vít me, tốc độ động cơ được lựa chọn phù hợp với bài toán đặt ra cũng như thông dụng trên thị trường. Tác giả tự đưa ra giả thiết vít me với 3 bước thông dụng (t = 4mm, 8mm và 16mm). Theo công thức: . 60 n t V   .60V n t  (7) Trong đó: V – vận tốc chuyển dịch n – Tốc độ động cơ t – bước vít me Thực hiện: Phạm Hà Phương Với các giá trị thay vào công thức 7 có bảng thông số dưới đây dưới đây: Bảng 2.3. Lựa chọn tốc độ động cơ Vận tốc chuyển dịch lớn nhất (mm/s) Bước vít me (mm) Tốc độ động cơ tương ứng (v/phút) Vmax = 320mm/s 4 4.800 8 2.400 16 1.200 Như vậy qua bảng thông số trên tác giả lựa chọn vít me có bước là 16mm tương ứng với đó là tốc độ động cơ từ 0÷1.200 vòng/phút hoặc có thể chọn tốc độ động cơ lớn hơn 1.200÷3.000 vòng/phút. Thực hiện: Phạm Hà Phương CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1. Thiết kế hệ thống thiết bị thí nghiệm. Với các phương án trọn nêu tại mục 2.3; 2.4. Qua khảo sát thị trường và chọn mua một số bộ phận chính cho thiết bị thí nghiệm sau: 3.1.1. Chọn mua thông số bộ truyền: 1. Động cơ servo: - Model: ASMT04L250AK (xem hình 3.1) - Công suất Pđc = 0,4KW - Tốc độ vòng quay: nmax = 3000 vòng/phút - Mô men xoắn: Tdc = 1,27 N.m Hình 3.1: Động cơ servo [8] 2. Bộ truyền vít me bi: - Model: RCP2-SA7C-I-56P-16-800-P1-M - Đường kính trục vít: d = 12mm - Bước tiến: S = 16mm. - Chiều dài: L = 500mm. 3.1.2. Chọn mua thông số cảm biến đo lường: 3. Cảm biến loadcell: - Hãng MeTTLER TOLEDO (xem hình 3.2) - Model: MT 1260-50 - Giới hạn đo được: F = 50kg ≈ 490N - Độ nhạy = 2mV/V Thực hiện: Phạm Hà Phương Hình 3.2: Một dạng cảm biến loadcell đo lực [10] 4. Cảm biến quang điện: - Model BS5-T2M (xem hình 3.3) - Tần số đáp ứng tốc độ cao : 2kHz - Dải nguồn cấp rộng : 5-24VDC. - Chỉ thị hoạt động bằng LED Đỏ. - Kết nối dễ dàng thông qua socket / cáp nối có giắc cắm tùy chọn. Hình 3.3: Một dạng cảm biến quang điện [11] 5. Cảm biến đo chiều dài: - Model PY-2-F-050-S03M - Khoảng làm việc max = 50mm Hình 3.4: Một dạng cảm biến đo chiều dài [12] Thực hiện: Phạm Hà Phương 3.2. Thiết kế chế tạo chi tiết của thiết bị. 3.2.1. Thiết kế khung treo. (Bản vẽ kèm theo phụ lục) 3.2.2. Thiết kế đồ gá chi tiết (Bản vẽ kèm theo phụ lục) 3.2.3. Thiết kế và mô phỏng 3D thiết bị. Sử dụng phần mềm Solidworks thiết kế 3D hoàn chỉnh thiết bị, kiểm tra và sửa đổi hạn chế tối đa sai sót khi chế tạo và lắp ráp thiết bị. (xem hình 3.4) a) b) Thực hiện: Phạm Hà