Về mô hình động lực học hệ máy móc đặt trên phương tiện cơ giới đường bộ có lắp gối giảm dao động

P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> VỀ MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ MÁY MÓC<br /> ĐẶT TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ GIỚI ĐƯỜNG BỘ<br /> CÓ LẮP GỐI GIẢM DAO ĐỘNG<br /> ABOUT DYNAMIC MODEL FOR MACHINE ON THE ROAD MOTOR VEHICLE<br /> WITH REDUCED VIBRATION - PILLOWS<br /> Đào Duy Trung<br /> <br /> dao động cho trang thiết bị, máy móc này đặt trên phương<br /> TÓM TẮT<br /> tiện cơ giới rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.<br /> Vấn đề nghiên cứu nâng cao độ tin cậy làm việc của các máy móc, thiết bị<br /> Trong các phương pháp làm giảm dao động cho hệ<br /> chuyên dùng đặt trên phương tiện cơ giới đường bộ chịu tác động rung động đã<br /> được nhiều nước trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Một số kết quả nghiên thống máy, kết cấu và thiết bị, phương pháp cách ly dao<br /> cứu được công bố gần đây đã minh chứng hướng nghiên cứu giảm dao động động thụ động được sử dụng phổ biến nhất. Nguyên tắc cơ<br /> bằng phương pháp cách ly, điều khiển tích cực đem lại hiệu quả cao, phù hợp để bản của phương pháp là cách ly nguồn gây dao động và<br /> đạt được các chỉ tiêu ổn định cho trang thiết bị trên phương tiện cơ giới này. Bài kết cấu, tiêu hao một phần hoặc toàn bộ năng lượng do<br /> báo này trình bày kết quả xây dựng công cụ phân tích dao động của trên phương nguồn kích động sinh ra bằng phần tử hoặc hệ thống phần<br /> tiện cơ giới gắn gối cách ly dao động, làm cơ sở tính toán, thiết kế gối giảm chấn tử hấp thụ và tiêu tán năng lượng [1]. Bài báo này trình bày<br /> điện từ nhằm giảm dao động trên phương tiện cơ giới này. kết quả phân tích dao động [2, 3] đặt trên phương tiện cơ<br /> giới có gắn gối cách ly dao động, làm cơ sở tính toán, thiết<br /> Từ khóa: Mô hình động lực học, phương tiện cơ giới đường bộ, gối đỡ giảm<br /> kế gối giảm chấn điện từ nhằm giảm dao động trên<br /> rung.<br /> phương tiện cơ giới nói trên.<br /> ABSTRACT 2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> The research to improve the working reliability of specialized machine and 2.1. Các giả thiết xây dựng mô hình [3, 4]<br /> equipment on road motor vehicles affected by vibration have been interested Để đơn giản bài toán, nghiên cứu có các giả thiết:<br /> and studied by many countries in the world. Some recent published research<br /> - Khối lượng thiết bị máy móc chuyên dùng trên xe mp<br /> results prove research directions to reduce vibration by active isolation and<br /> chỉ dao động theo phương thẳng đứng, không có dao<br /> control methods, which bring about high efficiency, suitable to achieve stable<br /> targets for equipment on this motor vehicle. This paper presents the results of động quanh trục nào trong không gian.<br /> the construction of the oscillating analysis ways on road motor vehicles, which - Dịch chuyển của mỗi cầu xe được xem như là dịch<br /> were mouted the vibration isolation pillows as a basis for calculation and design chuyển dài độc lập của hai khối lượng treo đối xứng, nền<br /> of electric damping pillows to reduce vibration in this motor vehicles. đặt xe được coi như tuyệt đối cứng;<br /> Keyword: Dynamic model, road motor vehicles, reducing vibration - pillows. - Hệ thống treo và lốp xe chỉ chịu tác dụng dao động dài<br /> tuyến tính theo phương thẳng đứng. Lực cản của các cơ hệ<br /> Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương tỉ lệ tuyến tính với vận tốc của chuyển vị; độ cứng theo<br /> Email: trungdd@narime.gov.vn phương đứng của cặp hai lốp trước và hai lốp sau tương<br /> Ngày nhận bài: 04/07/2019 ứng bằng nhau.<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 25/8/2019 2.2. Hệ phương trình vi phân chuyển động cơ hệ [4, 5, 6, 8]<br /> Ngày chấp nhận đăng: 15/10/2019 Mô hình nghiên cứu giảm dao động cho máy móc đặt<br /> trên phương tiện cơ giới đường bộ được nêu dưới dạng mô<br /> hình như hình 1.<br /> 1. ĐẶT VẤN DỀ<br /> Trong đó: thiết bị có khối lượng mp lắp trên sàn xe qua<br /> Hiện nay, một vấn đề rất quan trọng cần được giải gối giảm dao động điện từ có độ cứng kp, độ cản cp và lực<br /> quyết là việc bảo đảm độ êm, độ ổn định và giảm rung điều khiển tích cực Fa, tại vị trí cách khối tâm của xe theo<br /> động của máy móc, thiết bị chuyên dùng đặt trên các trục 0X và 0Y lần lượt là xp, yp. Thân xe có khối lượng m, mô<br /> phương tiện giao thông cơ giới đường bộ. Do đó, việc men quán tính quay quanh trục 0X là Jx, mô men quán tính<br /> nghiên cứu ứng dụng các phương pháp tiên tiến để giảm quay quanh trục 0Y là Jy; Hệ thống treo trước bên trái, trước<br /> <br /> <br /> <br /> No. 54.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 47<br />  KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619<br /> <br /> bên phải, sau bên trái và sau bên phải lần lượt được mô m1z1  k1  z  aθ  Bφ  z1  c1 z  aθ  Bφ  z1  k01z1  k0t q1 (5)<br />  <br /> hình hóa dạng bộ lò xo giảm chấn có độ cứng, độ cản<br /> tương ứng k1, c1, k3, c3, k2, c2, k4, c4. Hai lốp trước xe có độ m2<br /> z 2  k 2  z  bθ  Bφ  z 2 <br /> cứng k01 và tương ứng hai lốp sau xe có độ cứng k02. (6)<br /> c2 z  bθ  Bφ  z 2  k 02 z 2  k 02 q2<br />  <br /> m3z3  k3  z  aθ  Bφ  z3   c3 z  aθ Bφ<br />  <br />   z3  k01z3  k01q3 (7)<br /> <br /> m z k  z  bθ Bφ  z   c  z bθ Bφ  z   k<br /> 4 4 4 4 4 4 z  k02q4 (8)<br /> 02 4<br /> <br /> <br /> Sử dụng véctơ biến trạng thái tương ứng như sau:<br /> T<br /> XX1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11 X12 X13 X14 X15 X16<br /> T<br /> (9)<br />  θ θ z1 z1 z2 z2 z3 z3 z4 z4 zp zp<br /> z z φ φ <br /> Hệ phương trình vi phân chuyển động gồm các phương<br /> trình (1)-(8) có thể được viết dưới dạng phương trình trạng<br /> Hình 1. Mô hình hệ trang thiết bị trên phương tiện cơ giới đường bộ thái ma trận:<br /> Trạng thái động lực học của cơ hệ được xác định với 8 X  AX  BQ  GF (10)<br /> bậc tự do gồm: zp là dịch chuyển của khối lượng trang thiết trong đó:<br /> bị theo phương thẳng đứng; z là dịch chuyển của khối T<br /> lượng thân xe theo phương thẳng đứng, φ là chuyển động AA1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16<br /> quay của khối lượng thân xe quanh trục 0Y, θ là chuyển A1   0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ;<br /> động quay của khối lượng thân xe quanh trục 0X và dịch<br /> chuyển thẳng đứng của bốn khối lượng không treo tương A3  0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ;<br /> ứng là z1, z2, z3, z4.<br /> A5  0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ;<br /> Hệ phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ gồm 8<br /> phương trình tương ứng với các bậc tự do, gồm: A7  0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 ;<br /> m z  k z  z  x θ  y φ  c z  z  x θ  y φ  F  0 (1)<br /> p p p p p p  p p p p a A9   0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0  ;<br /> <br /> mz  kp  zp  z  xp θ  yp φ   cp  z p  z  x p θ  yp φ  A11   0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 ;<br /> <br /> Fa  k1  z  aθ  Bφ  z1   c1  z  aθ  Bφ  z1  A13   0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 ;<br /> <br /> k 2  z  bθ  Bφ  z2   c2  z  bθ  Bφ  z 2  (2) A15   0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 ;<br /> <br /> k 3  z  aθ  Bφ  z3   c3  z  aθ  Bφ  z 3  A A A A A A kB cB kB cB kB cB kB cB kpyp cpyp <br /> A2  21 22 24 23 25 26 1 1 2 2 3 3 4 4 ;<br /> k 4  z  bθ  Bφ  z 4   c 4  z  bθ  Bφ  z 4   0  Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx Jx <br /> A21    k1  k 2  k 3  k 4  B2  kp y 2p ;<br /> Jxφ  kp  zp  z  xpθ  ypφ yp  cp  z p  z  xpθ  ypφ  yp<br /> A 22    c1  c2  c 3  c 4  B2  cp y p2 ;<br /> Fayp  k1  z  aθ  Bφ  z1  B  c1  z  aθ  Bφ  z1 B<br /> A23   ak1  bk 2  ak 3  bk 4  B  k p y p xp ;<br /> k2  z  bθ  Bφ  z2  B  c2  z  bθ  Bφ   z 2  B (3)<br /> A24   ac1  bc2  ac3  bc4  B  cp yp xp ;<br /> k3  z  aθ  Bφ  z3  B  c3  z  aθ  Bφ  z 3  B<br /> A 25    k1  k 2  k 3  k 4  B2  k p y p ;<br /> k4  z  bθ  Bφ  z4  B  c4  z  bθ  Bφ  z 4  B  0<br /> A 26    c1  c 2  c 3  c 4  B2  cp y p ;<br /> Jy <br /> θ  kp  zp  z  xpθ  ypφ xp  cp  zp  z  xpθ  ypφ  xp<br /> A A A A A A ka ca k b c b k a c a k b c b kpxp cpxp <br /> Faxp  k1  z  aθ  Bφ  z1  a  c1  z  aθ  Bφ  z1 a A4  41 42 43 44 45 46 1 1 2 2 3 3 4 4 ;<br />  Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy Jy <br /> k2  z  bθ  Bφ  z2  b  c2  z  bθ  Bφ  z 2  b (4)<br /> A 41  A23 ; A 42  A24 ;<br /> k3  z  aθ  Bφ  z3  a  c3  z  aθ  Bφ  z3  a<br /> <br /> k 4  z  bθ  Bφ  z4  b  c4  z  bθ  Bφ  z 4  b  0<br />  <br /> A 43   a2k1  b2k 2  a2 k 3  b2k 4 B2  k p x p2 ;<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 48 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 54.2019<br /> P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY<br /> <br />  <br /> A 44   a2 c1  b2 c2  a2 c3  b2 c 4 B2  cp xp2 ;<br /> <br /> A 45   ak1  bk 2  ak3  bk 4   k p xp ;<br /> <br /> A 46   ac1  bc2  ac3  bc 4   cp xp ;<br /> <br /> A A A A A A k c k c k c k c kp cp <br /> A6  61 62 63 64 65 66 1 1 2 2 3 3 4 4 <br />  m m m m m m m m m m m m m m m m<br /> A61    k1  k 2  k 3  k 4  B  k p yp ;<br /> A62    c1  c2  c3  c 4  B  cp yp ;<br /> A63   ak1  bk 2  ak 3  bk 4   k p xp ;<br /> A64   ac1  bc2  ac3  bc 4   kp xp ;<br /> <br />  <br /> A65   k1  k 2  k 3  k 4  k p ; Hình 2. Mô hình gối đỡ điện từ<br /> A66    c1  c2  c3  c4  cp  ; Trong mô hình này: lực Fa là lực tác dụng của gối cách ly<br /> dao động điện từ, ma là khối lượng phần di chuyển của gối,<br /> A8 1m1kB<br /> 1 cB<br /> 1 kB 1 k1 c1  k1 k01 c1 0 0 0 0 0 0 0 0<br /> 1 cB<br />  Ua là điện áp đặt, ka là độ cứng của gối, ca là tham số tương<br /> ứng với độ cản của gối. Khối lượng phần cảm ứng được nối<br /> A10 1m2 kB<br /> 2 cB<br /> 2 kB 2 k2 c2 0 0  k2 k02  c2 0 0 0 0 0 0<br /> 2 cb<br />  với cuộn dây di chuyển trong từ trường nam châm nhờ<br /> nam châm vĩnh cửu. Khối lượng di chuyển được nối với sàn<br /> A12 1m3 kB<br /> 3 cB 3 k3 c3 0 0 0 0  k3 k01 c3 0 0 0 0<br /> 3 k3a ca  thông qua độ cứng ka và độ cản ca. Cường độ dòng điện<br /> trong cuộn dây được xác định bởi phương trình:<br /> A14 1m4 k4B c4B k4b c4b k4 c4 0 0 0 0 0 0  k4 k02 c4 0 0<br /> di<br /> Ri  L  Ua  C1x (11)<br /> A16 1mp kpyp cpyp kpxp cpxp kp cp 0 0 0 0 0 0 0 0 kp cp  dt<br /> B  B1 B2 B3 B4  ; trong đó: R là trở kháng; L là cảm kháng; C1x là điện áp<br /> T<br /> động sinh ra do sự di chuyển.<br /> B1  0 0 0 0 0 0 0 k01 / m1 0 0 0 0 0 0 0 0<br /> Phương trình chuyển động của phần khối lượng dịch<br /> B 2  0 0 0 0 0 0 0 0 0 k02 / m2 0 0 0 0 0 0<br /> T chuyển là:<br /> T<br /> ma<br /> x  ca x  k a x  F (12)<br /> B 3  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 k01 / m3 0 0 0 0<br /> trong đó, F là lực điện từ. Lực này tỉ lệ với cường độ dòng<br /> T<br /> B 4  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 k02 / m4 0 0 điện trong cuộn dây theo quan hệ:<br /> F  C2i (13)<br /> F  Fa  ;<br /> Biến đổi Laplace các phương trình từ (11) tới (13), ta có:<br /> T<br /> G  0 yp / Jx 0 xp / Jy 0 1/ m 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1/ mp <br />  2  C1C2   C2<br /> ma s   ca   s  K  X  R  sL Ua (14)<br /> Khi phương tiện di chuyển trên đường, các kích động   R  sL  <br /> từ mặt đường là nguyên nhân chính làm cho hệ bị dao<br /> Mặt khác, do định luật quán tính nên Fa  max hoặc<br /> động. Các dao động được đo bằng cảm biến, tín hiệu này<br /> truyền tới bộ điều khiển, tại đây bộ điều khiển xử lý tín viết dưới dạng Laplace Fa  mas2 X . Kết hợp với phương<br /> hiệu và lập lệnh điều khiển truyền tới gối giảm dao động trình (4), xác định được hàm truyền lực tác dụng của gối<br /> điện từ. Bộ điều khiển có thể sử dụng một số luật điều cách ly dao động điện từ F và điện áp đặt vào:<br /> khiển khác nhau như PID (Programmable Integrated<br /> Fa ma C2 s2<br /> Diagram), LQR (Linear Quadratic Regulator) hoặc các luật  (15)<br /> Ua maLs3   maR  caL  s2   caR  k aL  C1C2  s  k aR<br /> điều khiển thông minh [7]. Để thiết kế được các bộ điều<br /> khiển này với mục tiêu giảm dao động cho trang thiết bị, Như vậy, lực tích cực của gối giảm dao động điện từ<br /> trước hết cần phải thiết kế và điều khiển gối giảm dao hoàn toàn được xác định theo điện áp đặt khi biết các tham<br /> động điện từ sinh ra lực điều khiển tích cực Fa thỏa mãn số kết cấu của gối.<br /> các chỉ tiêu giảm dao động.<br /> Đối với mô hình gối cách ly dao động cho máy móc,<br /> 2.3. Mô hình tính toán, thiết kế gối giảm dao động điện trang thiết bị đặt trên phương tiện cơ giới như hình 1, dịch<br /> từ [8] chuyển của phần di động là:<br /> Mô hình tính toán, thiết kế gối giảm dao động điện từ x  z p  z  x p θ  yp φ (16)<br /> được trình bày trên hình 2.<br /> Hoặc dạng Laplace<br /> <br /> <br /> <br /> No. 54.2019 ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 49<br />  KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619<br /> <br /> X  Zp  Z  xp   y p  (17)<br /> Mục tiêu điều khiển gối cách ly dao động cho trang thiết<br /> bị, máy móc đặt trên phương tiện cơ giới dẫn đến điều chỉnh<br /> điện áp đặt Ua để dịch chuyển của nó là nhỏ nhất.<br /> 3. KẾT LUẬN<br /> Cách ly dao động là một trong hai phương pháp được<br /> sử dụng rộng rãi để giảm dao động, nâng cao độ ổn định<br /> của máy móc, thiết bị, công trình, cũng như trang thiết bị.<br /> Đối với những trang thiết bị trên phương tiện cơ giới chịu<br /> kích động từ mặt đường và hệ thống truyền lực thì việc<br /> giảm dao động đặc biệt có ý nghĩa nhằm nâng cao độ ổn<br /> định, nâng cao hệ số an toàn và mở ra khả năng ứng dụng<br /> cách ly dao động tích cực, một trong những phương pháp<br /> tiên tiến nhất hiện nay trong việc giảm dao động, đồng<br /> thời giúp nâng cao chất lượng làm việc cho các máy móc<br /> thiết bị chuyên dùng (ví dụ các máy móc, thiết bị y tế,<br /> truyền thanh, truyền hình, khí tài công an, quân sự,....). Về<br /> mặt cơ học, hệ thống treo của phương tiện cơ giới cũng là<br /> một bộ cách ly dao động. Tuy nhiên, do các hệ thống này<br /> được thiết kế với mục đích chủ yếu là bảo đảm độ ổn định<br /> dao động cho người và hàng hoá dưới sự tác động mặt<br /> đường (kích động nền) trong một vùng tần số nhất định,<br /> nên hầu hết các hệ thống treo không có đặc tính phù hợp<br /> thiết bị chuyên dùng. Do vậy cần thiết phải bổ sung nghiên<br /> cứu này vào vấn đề đề cập ở trên.<br /> <br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Nguyễn Đông Anh, Lã Đức Việt, 2007. Giảm dao động bằng thiết bị tiêu<br /> tán năng lượng. NXB KH&CN, Hà Nội.<br /> [2]. Nguyễn Hải, 2002. Phân tích dao động máy. NXB KH&KT, Hà Nội.<br /> [3]. Vũ Đức Lập, 1999. Dao động ô tô. Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội.<br /> [4]. Beards C.F., Eng C., 1995. Engineering Vibration Analysis with Application<br /> to Control Systems. Edward Arnold.<br /> [5]. Eugene I. Rivin, 1999. Stiffness and Damping in Mechanical Design.<br /> Madison Avenue, New York.<br /> [6]. Eugene I. Rivin, 2003. Passive Vibration Isolation. American Society Of<br /> Mechanical Engineers.<br /> [7]. Giancarlo Genta, 2009. Vibration Dynamics and Control. Springer.<br /> [8]. Harold Josephs, Ronald L.H, 2002. Dynamics of Mechanical Systems. CRC<br /> Press, Washington D.C.<br /> <br /> AUTHOR INFORMATION<br /> Dao Duy Trung<br /> National Research Institute of Mechanical Engineering, Ministry of Industry<br /> and Trade<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 50 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 54.2019<br />