Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu giảm dao động xoắn cho trục máy bằng bộ hấp thụ dao động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- VŨ XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢM DAO ĐỘNG XOẮN CHO TRỤC MÁY BẰNG BỘ HẤP THỤ DAO ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ & CƠ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- VŨ XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢM DAO ĐỘNG XOẮN CHO TRỤC MÁY BẰNG BỘ HẤP THỤ DAO ĐỘNG Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ & CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.TS Khổng Doãn Điền 2. TS Nguyễn Duy Chinh Hà Nội - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Vũ Xuân Trường ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Khổng Doãn Điền và TS. Nguyễn Duy Chinh, đã tận tình hướng dẫn, truyền cảm hứng và niềm say mê nghiên cứu khoa học đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong quá trình tác giả học tập tại Học viện Khoa học và Công nghệ. Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Đông Anh và TS Lã Đức Việt đã đóng góp nhiều ý kiến có giá trị cao, hiệu quả và động viên tác giả hoàn thành luận án. Đồng thời tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Cơ học, Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, Khoa Cơ khí -Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả làm việc trong suốt thời gian học tập tại Học viện. Cuối cùng tác giả ghi nhớ sự hỗ trợ về vật chất và động viên tinh thần của bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình trong suốt quá trình hoàn thành luận án này.

Tác giả luận án Vũ Xuân Trường iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU A Hàm khuếch đại biên độ-tần số AN Hàm khuếch đại biên độ-tần số của bậc tự do thứ N B Ma trận hệ thống C Ma trận cản ca Hệ số cản nhớt của bộ hấp thụ dao động (Ns/m) cs Hệ số cản môi trường của hệ chính (kgm2/s) ctđ Hệ số cản tương đương det Định thức của ma trận DOF Số bậc tự do DVA Bộ hấp thụ động lực DVA-FPM Bộ hấp thụ động lực với thiết kế tối ưu sử dụng phương pháp hai điểm cố định DVA-MQT Bộ hấp thụ động lực với thiết kế tối ưu sử dụng phương pháp cực tiểu mô men bậc hai DVA-MEVR Bộ hấp thụ động lực với thiết kế tối ưu sử dụng phương pháp cực đại độ cản tương đương. DVA-MKE Bộ hấp thụ động lực với thiết kế tối ưu sử dụng phương pháp cực tiểu hóa năng lượng. E Ma trận đơn vị E Phần năng lượng truyền từ hệ chính sang bộ hấp thụ DVA e1 Khoảng cách lắp lò xo bộ hấp thụ so với tâm trục (m) e2 Khoảng cách lắp cản nhớt bộ hấp thụ so với tâm trục (m) FPM Phương pháp hai điểm cố định F Véc tơ lực kích động Hf Véc tơ định vị của kích động ngẫu nhiên Jr Mô men quán tính khối lượng của trục (rotor) (kgm2) Jri Mô men quán tính khối lượng của bậc tự do thứ i (kgm2) Ja Mô men quán tính khối lượng của bộ hấp thụ (kgm2) K Ma trận độ cứng iv ks Độ cứng xoắn của trục (Nm/rad) ksi Độ cứng xoắn của bậc tự do thứ i (Nm/rad) ka Độ cứng lò xo của bộ hấp thụ (N/m) L Phiếm hàm năng lượng M Ma trận khối lượng MDOF Hệ nhiều bậc tự do MEVR Phương pháp cực đại độ cản tương đương. MQT Phương pháp cực tiểu mô men bậc hai MKE Phương pháp cực tiểu hóa năng lượng M Mô men kích động (Nm) Meqv Ma trận cản tương đương M̂ Mô men kích động phức (Nm) mr Khối lượng của trục (kg) ma Khối lượng bộ hấp thụ dao động (kg) N Số bậc tự do của hệ chính n Số bộ lò xo-cản nhớt sử dụng P Ma trận mô men bậc hai Q Ma trận trọng số q Véc tơ tọa độ suy rộng SDOF Hệ chính có một bậc tự do Sf Mật độ phổ của kích động ngẫu nhiên ồn trắng.

T Động năng của cơ hệ (kgm2/s2) y0 Véc tơ trạng thái ban đầu. α Tỷ số giữa tần số riêng của DVA và trục αopt Tỷ số tối ưu giữa tần số riêng của DVA và trục β Tỷ số giữa tần số lực và tần số riêng của trục βopt Tỷ số tối ưu giữa tần số lực và tần số riêng của trục γ Tỷ số giữa vị trí lắp lò xo và bán kính quán tính của trục θ Góc xoắn giữa hai đầu trục (rad) θi Góc xoắn của bậc tự do thứ i (rad) v θN Góc xoắn của bậc tự do thứ N (rad) ˆ Biên độ phức của dao động xoắn của trục (rad) ˆN Biên độ phức của dao động xoắn của bậc tự do thứ N (rad) ˆ Biên độ thực của dao động xoắn của trục (rad) ˆN Biên độ thực của dao động xoắn của bậc tự do thứ N (rad) η Tỷ số bán kính quán tính của DVA và trục λ Tỷ số giữa vị trí lắp cản nhớt và bán kính quán tính của trục μ Tỷ số khối lượng của DVA và trục ξ Tỷ số cản nhớt ξopt Tỷ số cản nhớt tối ưu ρa Bán kính quán tính đĩa bị động của bộ hấp thụ (m) ρr Bán kính quán tính của trục (m) φa Góc quay tương đối giữa DVA và trục (rad) ˆa Biên độ phức của góc quay tương đối giữa DVA và trục (rad) φr Góc quay của trục (rad) φri Góc quay của bậc tự do thứ i (rad) ˆr Biên độ phức của góc quay của trục (rad) ˆri Biên độ phức của góc quay của bậc tự do thứ i (rad) ω Tần số của kích động (s-1) Ωs Tần số dao động riêng của trục (s-1) Ω0 Tốc độ quay của trục, s-1 ∏ Thế năng của cơ hệ (kgm2/s2) ϕ Hàm hao tán của cơ hệ ϕs Hàm hao tán của cản môi trường tác dụng lên hệ chính ϕa Hàm hao tán của cản nhớt bộ hấp thụ DVA 1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU iii MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC BẢNG 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5 MỞ ĐẦU 8 1. Lý do chọn đề tài. Mục đích nghiên cứu của luận án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. Phương pháp nghiên cứu. Những đóng góp mới của luận án. Bố cục của luận án.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU GIẢM DAO ĐỘNG XOẮN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ TỐI ƯU 12 1. Tổng quan về các nghiên cứu giảm dao động xoắn. Tổng quan về bộ hấp thụ dao động DVA và các phương pháp tính toán giảm dao động.1 Giới thiệu chung.2 Nguyên lý cơ bản của bộ hấp thụ dao động thụ động. Tính bộ hấp thụ dao động thụ động cho hệ chính không có cản nhớt.

Tính bộ hấp thụ dao động thụ động cho hệ chính có cản nhớt.Tính toán tham số tối ưu trong trường hợp hệ chính có nhiều bậc tự do 42 1. Một số tiêu chuẩn để xác định bộ hấp thụ dao động thụ động. Kết luận chương 1. PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN DAO ĐỘNG XOẮN CỦA TRỤC MÁY CÓ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG GIẢM DAO ĐỘNG DVA 47 2.

Phân tích mô hình tính toán dao động xoắn của trục máy có gắn bộ hấp thụ dao động được nghiên cứu trong luận án. Thiết lập phương trình vi phân dao động. Mô phỏng số dao động xoắn của trục máy có lắp bộ hấp thụ DVA. Kết luận chương 2 58 CHƯƠNG 3.

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ TỐI ƯU CỦA BỘ HẤP THỤ DAO ĐỘNG DVA 59 3. Xác định tham số tối ưu trong trường hợp trục máy chịu kích động điều hòa 60 3. Xác định tham số tối ưu trong trường hợp trục máy chịu kích động ngẫu nhiên 71 3. Xác định tham số tối ưu trong trường hợp trục máy chịu kích động va chạm 75 3.

Các bước thiết kế bộ hấp thụ dao động DVA giảm dao động xoắn cho trục. Kết luận chương 3 80 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG SỐ HIỆU QUẢ GIẢM DAO ĐỘNG VÀ PHÁT TRIỂN CHO HỆ CHÍNH NHIỀU BẬC TỰ DO 81 4. Tính toán, mô phỏng số hiệu quả giảm dao động xoắn cho trục máy 82 4.

Mô phỏng số trường hợp hệ chịu tác dụng của kích động điều hòa. Mô phỏng số trường hợp trục máy chịu tác dụng của kích động va chạm. Mô phỏng số trường hợp hệ chịu tác dụng của kích động ngẫu nhiên 94 4. Phát triển kết quả nghiên cứu cho trường hợp hệ chính nhiều bậc tự do 99 4.

Mô hình nghiên cứu và phương trình vi phân dao động xoắn của trục máy nhiều bậc tự do 99 3 4. Nghiên cứu xác định tham số tối ưu của bộ hấp thụ dao động giảm dao động xoắn cho trục máy nhiều bậc tự do 102 4. Tính toán mô phỏng số các kết quả nghiên cứu cho hệ chính nhiều bậc tự do 116 4. Kết luận chương 4.

126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 133 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các thông số tối ưu của bộ hấp thụ dao động cho cơ hệ một bậc tự do không có cản. Một số bộ thông số tối ưu của bộ hấp thụ dao động thụ động cho hệ một bậc tự do không cản chịu kích động ồn trắng. Bảng số liệu đầu vào cho phép hồi quy toán học.

Tham số tối ưu của bộ hấp thụ DVA theo các phương pháp khác nhau. Dữ liệu số của các tham số tối ưu. Tần số cộng hưởng của hệ. Hiệu quả giảm dao động của các thiết kế DVA khi hệ chính chịu kích động tuần hoàn với tần số cộng hưởng.

Hiệu quả giảm dao động của các thiết kế DVA khi hệ chính chịu kích động va chạm. Hiệu quả giảm dao động của các thiết kế DVA khi hệ chính chịu kích động ngẫu nhiên. Tham số tối ưu α theo số bậc tự do của hệ chính. Tham số tối ưu ξ theo số bậc tự do của hệ chính.