Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------***----------------
LA NGỌC TUẤN ĐỘNG LỰC HỌC
CƠ CẤU RUNG RLC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN DỰ

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2

Lời cám ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn khoa học
của tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, ngƣời đã tận tình chỉ bảo, động viên và
giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp. Tôi
cũng xin cám ơn anh Nguyễn Thuận và các kỹ thuật viên của trung tâm gia
công cơ khí TTT Group đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết
bị thí nghiệm của đề tài này.
Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo
trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ thuật Vinh đã tạo điều kiện để tôi đƣợc tham
gia và hoàn thành khóa học này.
Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với ngƣời bố kính yêu của tôi -
La Ngọc Viện, vì tất cả những gì mà ngƣời đã dành cho tôi. Thêm nữa là
em gái tôi La Thị Việt Nga, ngƣời đã đảm nhiệm thay tôi trong quá trình tôi
xa nhà để tham gia khóa học này. Tôi cũng muốn nói lời cám ơn tới gia
đình bác Chuân - Thứ (Tích Lƣơng - Thái Nguyên) đã chăm sóc, động viên
tôi trong suốt thời gian tôi sống và học tập ở đây.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp từ
trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và trƣờng Đại học Sƣ
Phạm Kỹ thuật Vinh đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập của tôi.
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


4
Mục lục
Lời cam đoan ............................................................................................. 1
Lời cám ơn ................................................................................................. 2
Tóm tắt ....................................................................................................... 3
Mục lục ...................................................................................................... 4
Các ký hiệu viết tắt ..................................................................................... 6
Danh mục các hình ảnh .............................................................................. 7
Danh mục các bảng, biểu.......................................................................... 10
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU........................................................................... 11
1.1. Cơ cấu rung va đập RLC ............................................................. 11
1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây .................................................. 12
1.3. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................... 14
1.4. Các kết quả chính đã đạt đƣợc .................................................... 14
1.5. Cấu trúc luận văn ........................................................................ 15
Chƣơng 2: PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN .17
2.1. Giới thiệu ....................................................................................... 17
2.2. Các mô hình rung va đập và hƣớng cải tiến .................................... 17
2.2.1. Các cơ cấu rung va đập ........................................................... 17
2.2.2. Cơ cấu rung - va đập RLC-07 .................................................. 22
2.3. Mô hình và đặc điểm các cơ cấu .................................................... 24
2.4. Một số đề xuất cải tiến thử nghiệm mới ......................................... 27
2.4.1. Cơ sở đề xuất cải tiến .............................................................. 27
2.4.2. Thử nghiệm dùng cảm biến cấp nguồn và lò xo hỗ trợ ............. 28
2.4.3. Thử nghiệm sử dụng hai ống dây nối tiếp................................. 29
2.4.4. Thử nghiệm dùng cảm biến cắt nguồn theo vị trí ..................... 30
2.4.5. Khai thác rung động của ống dây ............................................ 31
2.5. Kết luận.......................................................................................... 32
Chƣơng 3: CƠ CẤU RUNG VA ĐẬP MỚI ............................................. 33

5.1. Các kết quả chính đã đạt đƣợc ........................................................ 76
5.2. Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo .................................................... 77
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 78
Phụ lục: CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC ................................................... 81

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

6

Các ký hiệu viết tắt

FFT Phép biến đổi nhanh Fourier (Fast Fourier Transform)
LVDT Thiết bị đo chuyển vị tuyến tính (Linear Variable Displacement
Transducer)
RLC Mạch điện trở (R), điện cảm (L) và điện dung (C) mắc nối tiếp
RLC-07 Cơ cấu rung RLC của tác giả Nguyễn Văn Dự, 2007
RLC-09 Cơ cấu rung RLC thực hiện bởi nghiên cứu này, 2009

Hình 2.10 Hành trình chuyển động của lõi sắt. ...................................................................... 27
Hình 2.11 Hành trình chuyển động của lõi sắt trong phƣơng án đƣa lò
xo vào cơ cấu. ................................................................................................................................. 28
Hình 2.12 Hành trình chuyển động của lõi thép theo phƣơng án hai ống
dây nối tiếp. ....................................................................................................................................... 29
Hình 2.13 Quá trình chuyển động của lõi sắt ở phƣơng án điều khiển
hành trình. ............................................................................................................................................ 30
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu RLC - 09. .......................................................................... 34
Hình 3.2 Mô hình cơ cấu rung va đập RLC-09. ................................................................. 36
Hình 3.3 Ống dây khi đƣợc tháo vỏ ngoài. .............................................................................. 40
Hình 3.4 Cơ cấu chuyển động ống dây trong thí nghiệm. ...................................... 41
Hình: 3.5 Bánh xe trong hệ thống thí nghiệm. ....................................................................... 41
Hình 3.6 Hệ thống đƣờng ray trong thí nghiệm. ................................................................ 42
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8
1: Cuộn cảm
2: Định vị trục
3: Ổ bi
4: Bánh xe
5: Trục
6: Thân xe
Hình 3.7 Sống trƣợt dẫn hƣớng đƣợc lắp trên hệ thống ray. ............................... 42
Hình 3.8 Hệ thống rãnh trƣợt dẫn hƣớng. ................................................................................. 43
Hình 3.9 Cơ cấu điều chỉnh lực ma sát. ....................................................................................... 44
Hình 3.10 Cảm biến vị trí (LVDT). ..................................................................................................... 45
Hình 3.11 Bộ điều chỉnh điện áp và thiết bị đo. .................................................................... 45
Hình 3.12 Đồng hồ đo điện trở, điện cảm, điện dung OMEGA - HHM30. 46
Hình 3.13 (a) Lực kế, (b)Phƣơng pháp đo độ cứng lò xo. ......................................... 46

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5
giây tại các điều kiện làm việc của cơ cấu RLC-09 ở mức ma
sát 6kg lực. ..........................................................................................................................................
67
Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau khoảng thời gian 5
giây tại các điều kiện làm việc của cơ cấu RLC-07 ở mức ma
sát 6kg lực. .......................................................................................................................................... 68
Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn lƣợng dịch chuyển sau thời gian 5 giây của
cơ cấu RLC-09 và RLC-07 tại các điều kiện làm việc ở mức
ma sát 6kg lực. ...............................................................................................................................
69
Hình 4.11 Dao động của lõi sắt, ống dây khi chạy tự do và ống dây khi
thực hiện va đập sinh công tại điện áp cấp vào 95V (a,c,e) và
110V (b,d,f). ...................................................................................................................................... 71
Hình 4.12 Tần số dao động của lõi sắt, ống dây khi chạy tự do và ống
dây khi thực hiện va đập sinh công tại điện áp cấp vào 95V
(a,c,e) và 110V (b,d,f). ..........................................................................................................
72 Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

đập của cơ cấu RLC-07 và lƣợng dịch chuyển sau thời gian
5 giây (F
ms
=6kg lực). ........................................................................................................... 68
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11

Chương 1
GIỚI THIỆU
Chƣơng 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 đƣợc. Cơ
cấu rung - va đập khai thác cộng hƣởng trong mạch R-L-C đƣợc giới thiệu
trong phần 1.1. Các nghiên cứu liên quan trong lĩnh vực khai thác cộng
hƣởng đƣợc tóm tắt trong phần 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài sẽ
đƣợc giới thiệu trong phần 1.3. Tiếp theo, phần 1.4. sẽ trình bày các kết
quả chính đã đạt đƣợc của nghiên cứu này. Phần cuối cùng, phần 1.5 là
cấu trúc của luận văn.
1.1. Cơ cấu rung va đập RLC
Trong các máy xây dựng phổ biến nhƣ các máy đóng cọc, máy đầm

1.2. Các kết quả nghiên cứu gần đây
Các máy móc khai thác tính tích cực của rung động đã đƣợc giới thiệu
và đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới từ những năm 40 của thế kỷ trƣớc,
khi Tsaplin [4] đƣa ra mô hình cơ cấu rung - va đập sử dụng bánh quay
lệch tâm. Các công trình nghiên cứu của Barkan [5] Rodger và Littejohn
[6] đã chứng minh đƣợc lợi ích rất lớn của việc tích hợp rung động với va
đập. Các nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng của Pavlovskaia [7,8],
Wiercigroch [9,10], Woo [11] đã khẳng định rõ hơn lợi ích này. Tuy nhiên
các mô hình ứng dụng vẫn chỉ dựa trên cơ cấu bánh lệch tâm rất cồng kềnh.
Với ý đồ giảm thiểu kích thƣớc và khai thác rung - va đập theo phƣơng
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13
ngang, cơ cấu cam đã đƣợc sử dụng để tạo ra va chạm với nghĩa là rung
động. Mô hình này đã đƣợc Lok [12] giải quyết tƣờng minh bằng toán học.
Dù vậy, cơ cấu này với nhƣợc điểm ma sát lớn, làm phát sinh nhiệt cao và
nhanh mòn đã cản trở việc phát triển và ứng dụng trong thực tiễn. Franca
và Weber [13] đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng va đập trong các máy
khoan ngang sử dụng nguồn rung động làm máy tạo rung dựa trên nguyên
lý nam châm điện. Cơ cấu này cũng đòi hỏi kích thƣớc máy khá lớn để có
thể sinh đƣợc lực va đập đủ lớn. Các ví dụ ứng dụng của nguyên lý dùng
nam châm điện nhƣ chuông điện, bơm phun... có thể minh hoạ rằng cơ
cấu dạng này chỉ phù hợp cho ứng dụng cần biên độ rung cũng nhƣ lực va
đập nhỏ.
Cho đến nay các nghiên cứu về cuộn cảm đƣợc tiến hành cho các dạng
ứng dụng nhƣ một cơ cấu đóng mở [14-16] hoặc rung động hành trình ngắn
[17-19]. Việc sử dụng cuộn cảm nhƣ một động cơ chuyển động thẳng khứ
hồi đã đƣợc Mendrela [1,2] đề xuất và nghiên cứu. Tuy nhiên, động cơ của
ông chỉ đƣợc phân tích ở chế độ không tải và ở dạng một mô hình đơn

học chính của cơ hệ mới nhằm tiếp tục phát triển, hoàn thiện và hiện
thực hóa ứng dụng của nó;
1.4. Các kết quả chính đã đạt được
Đề tài này đã giải quyết đƣợc vấn đề chính đƣợc đặt ra là nâng cao
hiệu năng của cơ cấu RLC mà vẫn đảm bảo tính nhỏ gọn và đơn giản của
nó. Cơ cấu mới đã có khả năng thắng đƣợc lực cản cao hơn 4 lần so với cơ
cấu cũ; tốc độ dịch chuyển của nó cũng đƣợc nâng lên hơn 6 lần. Các đóng
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15
góp mới của nghiên cứu sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong từng chƣơng tiếp
theo. Dƣới đây là các thành tựu chính mà nghiên cứu này đạt đƣợc:
1. Đã phân tích và khai thác đặc tính động lực học của cơ hệ để đề xuất
mô hình mới; Mô hình thí nghiệm mới này có hiệu năng cao hơn hẳn
mô hình cũ;
2. Đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công cơ cấu rung va đập mới;
3. Đã thiết lập và thực thi các bộ thí nghiệm khẳng định ƣu việt của mô
hình mới;
4. Đã khảo sát, phân tích và đánh giá đặc tính hoạt động của mô hình mới;
5. Đã xác định các hƣớng căn bản để tiếp tục nâng cao hiệu năng mô
hình mới dựa trên khả năng khai thác cộng hƣởng của cơ hệ.
Các kết quả nghiên cứu đã đƣợc công bố trên các hội nghị và tạp chí
chuyên ngành sau:
1. Hội nghị khoa học quốc tế “Recent Advances in Nonlinear
Mechanics” (Các tiến bộ gần đây trong Cơ học phi tuyến), Kuala
Lumpur, Malaysia, tháng 8/2009.
2. Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, trang
88-91, số 74, tháng 11/2009.
1.5. Cấu trúc luận văn
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17

Chương 2
PHÂN TÍCH CƠ CẤU RUNG RLC VÀ ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN
2.1. Giới thiệu
Chƣơng này giới thiệu về nguyên lý làm việc của các cơ cấu rung -
va đập hiện có, phân tích cụ thể và nêu rõ vấn đề còn tồn tại. Đề xuất
hƣớng cải tiến cho cơ cấu và trình bày chi tiết các cải tiến thử nghiệm.
Phần 2.2 tiếp theo trình bày tổng quan về các thiết bị rung va đập
thƣơng mại và các cơ cấu rung - va đập hiện vẫn còn trong giai đoạn thí
nghiệm gần đây. Các mô hình cơ học bộ phận rung - va đập mới nhất đƣợc
trình bày và phân tích ƣu nhƣợc điểm, từ đó nêu rõ nhu cầu cần cải tiến hay
tạo ra cơ cấu mới. đƣợc trình bày trong phần 2.3. Cơ sở đề xuất cải tiến và
các cải tiến thử nghiệm đƣợc trình bày, phân tích trong phần 2.4. Phần 2.5,
phần cuối cùng của chƣơng, sẽ tóm tắt các kết luận chính.
2.2. Các mô hình rung va đập và hướng cải tiến


 tmeF
c
cos
2
` (2.1)
Từ đây, có thể tính thành phần của lực này chiếu lên phƣơng thẳng
đứng theo công thức sau:
   
BtAMgtmeF
V


coscos
2
(2.2)
Trong đó: M là khối lƣợng của cả cơ cấu.
g là gia tốc trọng trƣờng.
A là đại lƣợng đặc trƣng cho biên độ dao động của cơ cấu.
B là trọng lực có vai trò nhƣ một thành phần lực tĩnh.
Điểm
va đập
Giá đỡ
Lò xo
Cọc cần đóng
Bánh
lệch
tâm
Động cơ
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM

trên nguyên lý nam châm điện (xem hình 2.5). Cơ cấu này cũng đòi hỏi
kích thƣớc máy khá lớn để có thể sinh đƣợc lực va đập đủ lớn. Bộ tạo rung
này (Thƣờng gọi là các shaker) rất đắt tiền, có kích thƣớc ngang khoảng
trên 400 milimet, thƣờng đƣợc sử dụng trong các phòng thí nghiệm.
Bộ khuyếch đại
cảm biến vị trí
Hệ thống tiếp nhận dữ liệu
Bộ khuyếch đại
cảm biến tải trọng
Hệ thống động cơ & cam
Khối đất
Đầu vào lỗ
Cảm biến vị trí
Kết cấu đỡ
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22

Hình 2.5. Sơ đồ thí nghiệm khai thác rung va đập của Franca [13]
2.2.2. Cơ cấu rung - va đập RLC-07
Một cơ cấu rung va đập có kích thƣớc khá nhỏ gọn, dựa trên nguyên
lý mạch cộng hƣởng điện RLC đã đƣợc Nguyễn Văn Dự đề xuất năm 2007
[3]. Trong cơ cấu này (xem hình 2.6), cuộn cảm có kích thƣớc đƣờng kính
ngoài 94 milimet đƣợc mắc nối tiếp với một tụ điện, đƣợc cấp điện xoay
chiều có điện áp dƣới 100 vôn. Bằng cách lựa chọn các giá trị thích hợp
của giá trị điện dung, điện cảm và điện áp đƣợc cấp, cộng hƣởng điện trong
ống dây gây chuyển động tuần hoàn liên tục của lõi sắt chạy trong lòng ống
dây. Trong thuyết minh này, cơ cấu rung - va đập mà tác giả Nguyễn Văn
Dự đã công bố vào năm 2007 đƣợc gọi là RLC-07 để phân biệt với cơ cấu

, Fm
22
phụ thuộc vị trí tương đối
của lõi sắt [3]
Vị trí lõi sắt (m)
Lực
điện
từ
(N)
(a)
(b)
Chốt chặn
L
C
R
V
S
Lõi sắt
Cuộn cảm
Tấm trượt
Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật Chuyên ngành: CN-CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24
Cuộn cảm có chứa lõi sắt có thể chuyển động tự do trong lòng nó.
Tụ điện C, đƣợc mắc nối tiếp với cuộn cảm, có giá trị điện dung đƣợc
chọn sao cho gây nên hiện tƣợng cộng hƣởng điện ở gần hai đầu ống dây
(xem hình 2.7).
Khi lõi sắt có vị trí tại nơi xảy ra cộng hƣởng, lực điện từ tƣơng tác
giữa ống dây và lõi có giá trị rất lớn sẽ kéo lõi sắt chuyển động rất nhanh