Nghiên cứu phát triển mô hình thiết bị tự di chuyển nhờ rung động - Luận án La Ngọc Tuấn

i Ờ Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của bản thân thực hiện. Các số liệu sử dụng phân tích có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định và chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác. Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ những thông tin tham khảo được trích dẫn. Thái Nguyên, ng y 04 tháng 01 năm 2021 ờ t ự n La Ngọc Tuấn ii Ờ Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn khoa học của tôi, PGS.

Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian nghiên cứu và làm luận án tốt nghiệp. Tôi cũng xin cảm ơn Công ty TNHH Chế tạo máy Thái An, Xưởng cắt gọt kim loại - Khoa Cơ khí chế tạo - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh đã giúp đỡ tôi trong việc gia công, chế tạo các thiết bị thí nghiệm của đề tài này. Tôi xin cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Ban Chủ nhiệm khoa Cơ khí chế tạo - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh đã tạo điều kiện để tôi được tham gia học tập và hoàn thành luận án. Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ tới những người thân trong gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian qua.

Đặc biệt là vợ tôi Nguyễn Thị Thúy Hằng người đã đảm nhiệm thay tôi trong quá trình tôi xa nhà để tham gia và hoàn thành công trình nghiên cứu này. Tôi cũng muốn nói lời cảm ơn tới gia đình bác Chuân - Thứ, gia đình bạn Thanh - Huệ đã chăm sóc, động viên tôi trong suốt thời gian tôi sống và học tập ở đây. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp từ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Vinh đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời gian học tập, nghiên cứu của tôi. iii Ụ Ụ LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC.

iii CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LU N ÁN. vi DANH MỤC HÌNH VẼ .vii DANH MỤC B NG BIỂU. xiv DANH MỤC CÁC K HI U. xv MỞ ĐẦU.

Tính cấp thiết. Mục tiêu, nội dung nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu. nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. nghĩa khoa học. nghĩa thực tiễn.

Cấu trúc luận án. T NG QUAN NGHI N CỨU VỀ THIẾT B TỰ DI CHUYỂN. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị tự di chuyển. Thiết bị tự di chuyển có cơ cấu dẫn động ngoài.

Thiết bị tự di chuyển không có cơ cấu dẫn động ngoài. Các nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển nhờ rung động không có va đập. Các nghiên cứu về thiết bị tự di chuyển nhờ rung động có va đập. Kết luận Chương 1.

C SỞ KHOA H C NGHI N CỨU THIẾT B TỰ DI CHUYỂN NHỜ RUNG ĐỘNG. Mô hình hóa thiết bị tự di chuyển. Mô hình vật lý. Mô hình toán học.

Phân tích động lực học trong miền thời gian (time history). Phân tích động lực học bằng đồ thị pha và bản đồ Poincar. Phân tích đồ thị pha. Phân tích động lực học bằng đồ thị rẽ nhánh (Bifurcation diagram).

Các công cụ phân tích động lực học bằng giải tích số. Phần mềm XPPAUTO. Phần mềm Dynamics. Phần mềm OriginLab.

Kết luận Chương 2. XÂY DỰNG H THỐNG TH NGHI M. Yêu cầu của hệ thống thí nghiệm. Kết cấu cơ khí cho hệ thống thí nghiệm.

Bộ tạo rung (shaker). Bộ phận thay đổi lực ma sát. Lựa chọn, lắp đặt thiết bị đo. Các thông số và yêu cầu đo.

Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu. Chế tạo, lắp đặt hệ thống và vận hành thử nghiệm. Thực nghiệm xác định thông số kết cấu, thông số vận hành. Lắp đặt và vận hành hệ thống thí nghiệm.

Kết luận Chương 3. ĐỀ XUẤT M HÌNH THIẾT B TỰ DI CHUYỂN MỚI. Mô hình hóa hệ thống mới đề xuất. Mô hình vật lý.

Kiểm nghiệm nhanh mô hình bằng phương pháp giải tích số. Mô hình hóa hệ thống tự di chuyển nhờ rung động. Thí nghiệm kiểm chứng mô hình. Thiết lập thí nghiệm.

Kết quả kiểm chứng mô hình. Phân tích ứng xử động lực học cơ hệ. nh hưởng của tần số lực kích thích. nh hưởng của biên độ lực kích thích.

nh hưởng của tỉ lệ giữa các khối lượng. nh hưởng của độ cứng phi tuyến của lò xo. Đánh giá mô hình mới. Thực nghiệm kiểm chứng mô hình toán.

So sánh khả năng dịch chuyển. So sánh đặc tính động lực học. Kết luận Chương 4 .101 KẾT LU N V H ỚNG NGHI N CỨU TIẾP THEO. Hướng nghiên cứu tiếp theo .103 CÁC C NG TRÌNH KHOA H C Đ C NG BỐ CỦA NGHI N CỨU.

104 T I LI U THAM KH O. 106 vi Á HỮ V ẾT TẮT T Á T ứ tự ữ v ết tắt n 1. DAQ Data Acquisition System - hệ thống thu thập dữ liệu 2. DC Direct Current - Nguồn điện một chiều Linear Variable Displacement Transformer - Cảm biến 3.

LVDT dịch chuyển Mạch điện gồm điện trở (R), cuộn cảm (L) và tụ điện (C), 4. RLC mắc nối tiếp tạo thành một dao động điều hòa cho dòng điện và cộng hưởng 5. PZT Lead Zirconate Titanate (Pb[ZrxTi(1-x)]O3) - Gốm áp điện 6. SMA Shape memory alloy - Hợp kim nhớ hình Thai Nguyen University of Technology - Trường Đại học 7.

TNUT Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên vii D H Ụ HÌ H VẼ Hình 1. Ví dụ thiết bị có cơ cấu dẫn động ngoài (a) và không có cơ cấu dẫn động ngoài (b). Rô-bốt có bánh xe dẫn động (a) và rô-bốt có bánh xích dẫn động (b). Một rô-bốt có chân bước khi di chuyển trên đường bằng và khi lên dốc.

Nguyên lý biến dạng (a) và sơ đồ nguyên lý (b) của rô-bốt sâu đo. Mô hình nguyên lý làm việc của rô-bốt sâu đo. Sơ đồ hoạt động của máy đào ngầm ngang Moling. Các nguyên tắc hình thành dịch chuyển của cơ hệ nhờ tương tác giữa các khối lượng.

Mô hình mô tả nguyên tắc của hệ tự di chuyển gồm hai khối lượng. nh chụp thiết bị tự di chuyển nhờ rung động dùng động cơ tuyến tính chuyển động th ng (a); mô hình điều khiển chuyển động (b). Mô hình sử dụng khối lượng lệch tâm. Mô hình thiết bị tự di chuyển dùng khối lượng lệch tâm (a); Mô hình điều khiển vận tốc góc (b); Đồ thị time history lượng dịch chuyển của rô-bốt (c).

Mô hình giới hạn đàn hồi vi mô thể hiện các giai đoạn dính (a); chu n bị trượt (b) và trượt (c) của cơ cấu tự di chuyển sử dụng khối lượng lệch tâm. Mô hình hệ khối lượng - lò xo kích thích bằng xung lực điện từ. Mô hình tạo rung động bởi thanh PZT dẫn động cơ cấu tự di chuyển. Mô hình điều chỉnh và xác định lực ma sát của rô-bốt trên mặt ph ng nghiêng.

Mô hình va đập của máy khoan va đập (a); mô hình rung động - va đập cải tiến do Pavlovskaia cùng cộng sự đề xuất và phát triển (b,c). Mô hình thí nghiệm hệ thống tự di chuyển theo phương ngang dựa trên nguyên lý rung động - va đập. Sơ đồ mạch RLC (a) và nguyên lý hoạt động của thiết bị tự di chuyển (b) 22 Hình 1. Mô hình thực nghiệm cơ cấu tự di chuyển RLC (a) và đồ thị lượng dịch chuyển theo thời gian (b).

Sơ đồ khối thí nghiệm trên mô hình thực cơ cấu tự di chuyển RLC có bổ sung lò xo nối giữa lõi sắt và thân thiết bị. Sơ đồ nguyên lý làm việc (a) và sơ đồ khối thí nghiệm (b) của cơ cấu tự di chuyển RLC09. Mô hình vật lý của capsubot sử dụng nguyên tắc rung động và va đập. Mô hình thí nghiệm thiết bị tự di chuyển sử dụng động cơ tuyến tính (a) và sơ đồ khối đo các tham số của hệ thống (b).

Mô hình vật lý (a) và ảnh chụp mô hình thực (b) của hệ thống thí nghiệm dùng thiết bị phát rung động lực học. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu tự di chuyển dùng hệ Duffing (a) và đặc tính phi tuyến của lò xo trong cơ hệ (b). Mô hình vật lý capsubot khai thác rung động - va đập theo hai phía. Mô hình vật lý thiết bị tự di chuyển khai thác va đập hai phía (a) và ảnh chụp hệ thống thiết bị thí nghiệm (b).

Sơ đồ khối thí nghiệm cơ cấu va đập hai phía. nh chụp capsubot tự di chuyển nhờ rung động và va đập hai phía (a) và sơ đồ khối thí nghiệm (b). Mô hình vật lý cơ cấu rung-va đập có lực kích thích điều hòa: mô hình đầy đủ (a); mô hình thường được sử dụng (b). Đồ thị time history thể hiện biến đổi theo thời gian của: (a) lượng dịch ix chuyển của khối lượng m2; (b) dịch chuyển tương đối giữa hai khối lượng m1 và m2; (c) gia tốc của khối lượng m2; (d) lực tác dụng lên khối lượng m1.

Đồ thị time history thể hiện dịch chuyển (a) và vận tốc (b) của chuyển động tương đối x1 - x2. Đồ thị time history thể hiện sự biến đổi theo thời gian của lượng dịch chuyển tương đối giữa hai khối lượng m1 và m2 (bên trái) và lượng dịch chuyển của cơ hệ (bên phải) cho các trường hợp cơ cấu: (a) tiến nhanh về phía trước; (b) lùi nhanh về phía sau; (c) tiến rất chậm về phía trước. Đồ thị pha của một dao động điều hòa đơn giản khi không kể đến cản (a) và khi kể đến cản (b). Đồ thị pha được xây dựng bằng dữ liệu thực nghiệm mô tả chuyển động tương đối giữa hai khối lượng m1 và m2 khi không có va đập (a) và khi có va đập (b).

Đồ thị pha được xây dựng bằng dữ liệu mô phỏng mô tả chuyển động tương đối giữa hai khối lượng m1 và m2 khi không có va đập (a) và khi có va đập (b). Đồ thị pha theo thời gian trong không gian ba chiều (a) và quỹ đạo pha -n t liền màu xám, kèm bản đồ Poincar - chấm tròn màu đỏ, của chuyển động (b).