Mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HOA

MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH

ĐỘNG LỰC HỌC

MÁY GIẶT LỒNG NGANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

THÁI NGUYÊN-2021

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ HOA

MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH

ĐỘNG LỰC HỌC

MÁY GIẶT LỒNG NGANG

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Ngô Như Khoa

THÁI NGUYÊN-2021

- i -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của luận án: “Mô hình hóa và phân

tích động lực học máy giặt lồng ngang” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi

dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Ngô Như Khoa. Các kết quả, số liệu tính toán

trong luận án là trung thực, không sao chép của bất kì ai hay nguồn nào (trừ những

điểm được trích dẫn).

Thái Nguyên, ngày 11 tháng 10 năm 2021

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH

PGS.TS. Ngô Như Khoa Nguyễn Thị Hoa

- ii -

LỜI CẢM ƠN

Luận án “Mô hình hóa và phân tích động lực học máy giặt lồng ngang”

được thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.

Người đầu tiên nghiên cứu sinh muốn được bày tỏ sự kính trọng và lòng biết

ơn sâu sắc đó là PGS.TS. Ngô Như Khoa - người đã truyền cho nghiên cứu sinh

cảm hứng và niềm say mê với kỹ thuật. Nếu không có sự tận tình hướng dẫn cũng

như sự động viên khích lệ của Thầy, luận án này có lẽ đã không thể hoàn thành.

Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo, Khoa

Cơ khí, Khoa Kỹ thuật Ô tô và Máy động lực, Bộ môn Cơ học - Trường Đại học Kỹ

thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập.

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn tất cả các thành viên trong gia đình đã

luôn đồng hành, cảm thông, sẻ chia và là chỗ dựa vững chắc cho nghiên cứu sinh

trong thời gian qua.

Cuối cùng, nghiên cứu sinh gửi lời cảm ơn tới tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã

động viên, hỗ trợ để nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án này.

Thái Nguyên, ngày 11 tháng 10 năm 2021

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Hoa

- iii -

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN........................................................................................................... ii

MỤC LỤC................................................................................................................ iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... i

DANH MỤC KÝ HIỆU ........................................................................................... ii

DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .........................................5

1.1. Giới thiệu về máy giặt..........................................................................................5

1.2. Tổng quan các công bố khoa học.........................................................................9

1.2.1. Các nghiên cứu trong nước ...............................................................................9

1.2.2. Các nghiên cứu ngoài nước...............................................................................9

1.2.2.1. Về xây dựng mô hình động lực hệ thống treo................................................9

1.2.2.2.Về cách thức kiểm soát rung động................................................................17

1.3. Kết luận chương 1 ..............................................................................................24

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC CHO HỆ THỐNG TREO

MÁY GIẶT LỒNG NGANG .................................................................................27

2.1. Cơ sở lý thuyết ...................................................................................................27

2.1.1. Động lực học hệ nhiều vật ..............................................................................27

2.1.1.1. Xác định vị trí của vật rắn trong không gian................................................27

2.1.1.2. Xác định vận tốc góc của vật rắn .................................................................29

2.1.1.3. Xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của một điểm bất kì thuộc vật ...................30

2.1.1.4. Các phương trình vi phân chuyển động của vật rắn.....................................31

2.1.2. Lực cản............................................................................................................31

2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống treo máy giặt lồng ngang ............35

2.2.1. Cấu tạo hệ thống treo máy giặt lồng ngang ....................................................35

2.2.2. Nguyên lý làm việc .........................................................................................36

2.3. Mô hình vật lý của hệ thống treo .......................................................................36

- iv -

2.3.1. Đặc tính của phần tử đàn hồi...........................................................................37

2.3.2. Đặc tính của phần tử giảm chấn......................................................................39

2.3.3.Đặc tính của phần tử quán tính ........................................................................49

2.3.4.Đặc tính của phần tử kích thích rung động ......................................................50

2.4. Xây dựng mô hình động lực của hệ thống treo...............................................52

2.4.1. Xây dựng mô hình không gian (Mô hình 1) ...................................................52

2.4.2. Xây dựng mô hình động lực đối với hệ thống treo chuyển động phẳng.........61

(Mô hình 2) ...............................................................................................................61

2.4.3. Mô hình phẳng hai bậc tự do (Mô hình 3)......................................................68

2.4.4. Biểu diễn Simulink của các mô hình ..............................................................69

2.4.4.1. Sơ đồ Simulink.............................................................................................69

2.4.4.2. Một số kết quả của chương trình mô phỏng ................................................73

2.5. Kết luận chương 2 ..............................................................................................80

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐO RUNG ĐỘNG

ĐÁNH GIÁ KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG TREO

MÁY GIẶT LỒNG NGANG .................................................................................81

3.1. Mô hình thực nghiệm đo rung động...................................................................81

3.1.1. Hệ thống khung đỡ..........................................................................................81

3.1.2. Hệ thống thiết bị đo.........................................................................................82

3.1.2.1. Sơ đồ khối các hệ thống đo và xử lý tín hiệu...............................................82

3.1.2.2. Các dụng cụ đo và thiết bị thu thập dữ liệu sử dụng trong hệ thống ...........84

3.1.3. Xây dựng chương trình xác định các thông số rung động ..............................86

3.1.3.1. Chương trình đo, xác định phản lực gối đỡ và dịch chuyển lồng giặt..............86

3.1.3.2. Chương trình đo, xác định gia tốc...............................................................88

3.2. Đo đặc tính rung động của hệ thống treo ...........................................................93

3.2.1. Thiết lập các thông số thí nghiệm ...................................................................93

3.2.2. Kết quả thực nghiệm .....................................................................................101

3.3. Kiểm chứng mô hình động lực của hệ thống treo............................................103

3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................109

- v -

CHƯƠNG 4. ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ HỆ THỐNG TREO

ĐẾN RUNG ĐỘNG CỦA THÂN VỎ MÁY GIẶT LỒNG NGANG...............111

4.1. Hệ phương trình cân bằng của thân vỏ máy ....................................................111

4.2. Ảnh hưởng của một số thông số hệ thống đến rung động của vỏ máy............113

4.2.1. Ảnh hưởng của vị trí kết nối giảm chấn với vỏ máy.....................................113

4.2.2. Ảnh hưởng của số lượng giảm chấn .............................................................117

4.3. Kết luận chương 4 ............................................................................................120

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................122

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ...........................................123

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................124

PHỤ LỤC...............................................................................................................131

- i -

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu Tên tiếng Anh Giải nghĩa

VWM Vertical Washing Machine Máy giặt lồng đứng

HWM Horizontal Washing Machine Máy giặt lồng ngang

2D two-dimensional model Mô hình hai chiều

3D three-dimensional model Mô hình ba chiều

F-V Force - Velocity Lực – vận tốc

LVDT Linear Variable Differential

Transformer sensor

Cảm biến đo dịch chuyển

Acc Accelerometer Gia tốc kế

DAQ Data Acquisition System Hệ thống thu thập dữ liệu

GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền

RPM Revolutions per minute Số vòng quay/phút

DOF Degrees of freedom Số bậc tự do

MR The magneto￾rheological damper

Thiết bị giảm chấn từ tính –

lưu biến

RS Right Spring Lò xo bên phải

LS Left Spring Lò xo bên trái

RD Right Damper Thiết bị giảm chấn bên phải

LD Left Damper Thiết bị giảm chấn bên trái

DE The Differential

Evolution algorithm

Thuật toán vi phân tiến hóa

LC Loadcell Cảm biến lực

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

CAD Computer Aided Design Thiết kế có máy tính trợ giúp

CAM Computer Aided

Manufacturing

Phần mềm thiết kế, gia công,

điều khiển máy công cụ

- ii -

DANH MỤC KÝ HIỆU

Kí hiệu Ý nghĩa Thứ

nguyên

M Kh Đơn vị ối lượng hệ thống treo kg

m Khối lượng lệch tâm kg

R Bán kính lồng chứa m

r Bán kính lồng giặt m

ICx, ICy, ICz Mômen quán tính chính tâm của hệ kg.m2

C

I

Tenxơ quán tính

x, y, z Chuyển dịch của khối tâm m

x y z , ,

Vận tốc khối tâm m/s

x y z , ,

Gia tốc khối tâm m/s2

α, ,  Các góc Cardan rad

   , ,

Vận tốc góc Cardan rad/s

   , ,

Gia tốc góc Cardan rad/s2



Góc quay của động cơ rad

, Vận tốc góc và gia tốc góc của động cơ rad/s, rad/s2

k Độ cứng của lò xo N/m

Ci, i=03 Hệ số trong biểu thức quan hệ lực-vận tốc của

giảm chấn

LS, LD Chiều dài lò xo, chiều dài thiết bị giảm chấn m

L0S, L0D Chiều dài ban đầu của lò xo, thiết bị giảm chấn m

∆LS, ∆LD Độ biến dạng của lò xo, thiết bị giảm chấn

N Tốc độ quay của động cơ vòng/phút

1

Góc lệch phương hướng kính tại điểm kết nối lò

xo với lồng chứa so với phương ngang

rad

2

Góc lệch phương hướng kính tại điểm kết nối

giảm chấn với lồng chứa so với phương ngang

rad

FRS, FLS Lực đàn hồi của lò xo phải và lò xo trái N

FRD, FLD Lực cản của thiết bị giảm chấn phải và trái N

- iii -

Fmx, Fmy, Fmz

Lực kích thích của khối lệch tâm theo phương

x,y,z

N

mCx(Fmu)

mCy(Fmu)

mCz(Fmu)

Mômen kích thích gây ra bởi khối lệch tâm quanh

các trục

N.m

mCx(FiS)

mCy(FiS)

mCz(FiS)

Mômen xoắn gây ra bởi lực đàn hồi của lò xo N.m

mCx(FjD)

mCy(FjD)

mCz(FjD)

Mômen xoắn gây ra bởi lực cản của thiết bị giảm

chấn

N.m

RD, LD Góc lệch của thiết bị giảm chấn với phương ngang rad

RS, LS Góc lệch của lò xo với với phương ngang rad

Dx, Dy, Dz Góc chỉ hướng của thiết bị giảm chấn rad

Sx, Sy, Sx Góc chỉ hướng của lò xo rad

AC, [aij] Ma trận chuyển của phép biến đổi tọa độ

(0) (0) (0)

, ,

x y z

eee

Vec-tơ đơn vị của các trục tọa độ cố định

, ,

x y z

e e e

Vec-tơ đơn vị của các trục tọa độ động

r V a , ,

Vec-tơ vị trí, vận tốc, gia tốc của điểm trên lồng

chứa

m, m/s,

m/s2

n Số điểm đo

Ftt Giá trị lực giảm chấn tính theo lý thuyết N

Ftn Giá trị lực giảm chấn xác định từ thực nghiệm N

- iv -

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Vòng tròn Sinner - các nhân tố chính tác động đến quá trình giặt..............5

Hình 1.2. Máy giặt lồng đứng .....................................................................................6

Hình 1.3. Máy giặt lồng ngang....................................................................................7

Hình 1.4. Mô hình HWM của D.C. Conrad..............................................................10

Hình 1.5. Mô hình động lực do Aldrin và cộng sự xây dựng ...................................11

Hình 1.6. Mô hình hệ thống treo trong nghiên cứu của Bascetta .............................12

Hình 1.7. Mô hình động lực hệ thống treo trong nghiên cứu của Hee-Tae Lim và

cộng sự ......................................................................................................................15

Hình 1.8. Mô hình động lực do Thomas Nygårds và cộng sự xây dựng ..................16

Hình 1.9. Nguyên lý làm việc của thiết bị cân bằng chất lỏng .................................18

Hình 1.10. Mô hình máy giặt và khoang chất lỏng cân bằng của Leonardo Urbiola

Soto............................................................................................................................19

Hình 1.11. Mô hình của T.C. Chan...........................................................................20

Hình 1.12. Dịch chuyển của robot trong thiết bị cân bằng của Min Gyu Jo.............21

Hình 1.13. Kết cấu giảm chấn MR............................................................................22

Hình 2.1. Vật rắn trong không gian ..........................................................................27

Hình 2.2. Minh họa một số mô hình ma sát [16] ......................................................33

Hình 2.3. Mặt sau của máy giặt.................................................................................35

Hình 2.4. Lò xo sử dụng trong hệ thống treo của HWM ..........................................37

Hình 2.5. Biến dạng của lò xo...................................................................................37

Hình 2.6. Đo đặc tính của lò xo ................................................................................38

Hình 2.7. Lực đàn hồi tuyến tính và lực đàn hồi phụ thuộc góc treo........................39

Hình 2.8. Thiết bị giảm chấn trong hệ thống treo máy giặt lồng ngang ...................39

Hình 2.9. Nguyên lý hoạt động của thiết bị thí nghiệm............................................40

Hình 2.10. Sơ đồ thí nghiệm đo đặc tính cản của thiết bị giảm chấn .......................40

Hình 2.11. Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển.............................................41

Hình 2.12. Cấu trúc chương trình điều khiển............................................................42

Hình 2.13. Giao diện của chương trình điều khiển trên Labview.............................43

Hình 2.14. Can nhiễu lên tín hiệu vận tốc thu trực tiếp từ encoder động cơ ............44

- v -

Hình 2.15. Cửa sổ phần mềm hiển thị kết quả đo lực và vận tốc theo thời gian ở dải

tốc độ 144 - 192 mm/s...............................................................................................44

Hình 2.16. Đồ thị quan hệ lực – vận tốc của thiết bị giảm chấn...............................46

Bảng 2.3. Hệ số của phương trình (2.24)..................................................................46

Hình 2.17. Sơ đồ khối của thuật toán DE .................................................................47

Hình 2.18. Đồ thị đường cong lực – vận tốc của thiết bị giảm chấn ........................48

Hình 2.19. Các thành phần của hệ thống treo ...........................................................49

Hình 2.20. Sơ đồ lực tác dụng lên vật phẩm giặt......................................................51

Hình 2.21. Phác thảo vị trí tải trọng các giai đoạn của quá trình giặt.......................51

Hình 2.22. Mô hình không gian của hệ thống treo HWM ........................................53

Hình 2.23. Vị trí của tải trọng lệch tâm trong hệ tọa độ Cxyz..................................56

Hình 2.24. Sơ đồ tính lực đàn hồi của lò xo..............................................................57

Hình 2.25. Sơ đồ tính lực giảm chấn của thiết bị giảm chấn ....................................58

Hình 2.26. Mô hình hệ thống treo phẳng ..................................................................62

Hình 2.27. Sơ đồ 2D phi tuyến hình học của lò xo phải...........................................63

Hình 2.28. Sơ đồ 2D phi tuyến hình học của lò xo trái.............................................64

Hình 2.29. Sơ đồ 2D phi tuyến hình học của giảm chấn phải ..................................66

Hình 2.30. Sơ đồ 2D phi tuyến hình học của thiết bị giảm chấn trái........................67

Hình 2.31. Sơ đồ Simulink cho cơ hệ không gian của hệ thống treo HWM ............71

Hình 2.32. Sơ đồ Simulink cho mô hình phẳng của hệ thống treo HWM................72

Hình 2.33. Lực và mômen xoắn kích thích (zu=0.1m).............................................75

Hình 2.34. Đồ thị phản lực động lực của lò xo và giảm chấn ((zu=0.1m))..............76

Hình 2.35. Đồ thị chuyển dịch và góc lắc (zu=0.1m)...............................................77

Hình 2.36. Đồ thị chuyển dịch, quỹ đạo điểm tâm và góc lắc (zu=0.0m) ................78

Hình 2.37. Đồ thị các phản lực động lực của lò xo và giảm chấn (zu=0.0m ) .........79

Hình 3.1. Hệ thống khung đỡ thay thế vỏ máy giặt ..................................................81

Hình 3.2. Vị trí lắp đặt cảm biến lực.........................................................................82

Hình 3.3. Vị trí lắp đặt cảm biến chuyển dịch và gia tốc..........................................83

Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo.....................................................................83

Hình 3.5. Sơ đồ kết nối các thiết bị...........................................................................83

- vi -

Hình 3.6. Cảm biến loadcell model MT 1041- 100 ..................................................84

Hình 3.7. Khuếch đại tín hiệu model SCC-SG04 và sơ đồ khối của thiết bị............84

Hình 3.8. Chức năng bộ ghép nối các mô-đun SCC, NI SCC-68.............................85

Hình 3.9. Thiết bị ghép nối DAQ..............................................................................85

Hình 3.10. Thông số kỹ thuật K-Shear 8702B50M ..................................................85

Hình 3.11. Thiết bị khuếch đại chuyển đổi tín hiệu ADLINK USB-2405(G)..........86

Hình 3.12. Cảm biến LVDT......................................................................................86

Hình 3.13. Thiết lập các cổng vào trên DAQ USB-6251 .........................................87

Hình 3.14. Thiết lập bộ lọc thông thấp cho các tín hiệu vào ....................................87

Hình 3.15. Thiết lập hệ thức quy đổi tín hiệu (dữ liệu) sang số liệu đo ...................88

Hình 3.16. Thiết lập các kênh AI0-AI3 cho giao diện thu thập dữ liệu từ các gia tốc

kế trên U-Test............................................................................................................90

Hình 3.17. Dữ liệu thu thập được trên 04 gia tốc kế được hiển thị trên U-Test. ......91

Hình 3.18. Dữ liệu gia tốc gốc (hình trái), dữ liệu qua bộ lọc thông số thấp FIR, tần

số cắt 50Hz (hình phải) của 4 kênh gia tốc kế ..........................................................92

Hình 3.19. Khối lượng lệch tâm giả lập....................................................................93

Hình 3.20. Giao diện thiết lập các chế độ, thông số đo lường và hiển thị, giám sát

kết quả đo ..................................................................................................................94

Hình 3.21. LVDT 1, 2 - Số liệu dịch chuyển theo 2 phương x (LVDT 2) và y

(LVDT 1) trong toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N =

600 vòng/phút) ..........................................................................................................95

Hình 3.22. Loadcell 1,2 – Số liệu các phản lực tại các các điểm treo lò xo trong

toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N = 600 vòng/phút)

...................................................................................................................................96

Hình 3.23. Loadcell 3,4,5 - Số liệu các phản lực tại các gối giảm chấn trong toàn

thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N=600 vòng/phút).........97

Hình 3.24. LVDT 1, 2 - Số liệu dịch chuyển theo 2 phương x (LVDT 2) và y

(LVDT 1) trong toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N =

800 vòng/phút) ..........................................................................................................98

- vii -

Hình 3.25. Loadcell 1,2 – Số liệu các phản lực tại các các điểm treo lò xo trong

toàn thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N = 800 vòng/phút)

...................................................................................................................................99

Hình 3.26. Loadcell 3,4,5 - Số liệu các phản lực tại các gối giảm chấn trong toàn

thời gian và trích xuất trong 1 giây tại giai đoạn ổn định (N=800 vòng/phút).......100

Hình 3.27. Biểu đồ % sai lệch so với thực nghiệm của chuyển dịch theo phương x

và y ..........................................................................................................................104

Hình 3.28. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch so với thực nghiệm của biên độ lực

đàn hồi lò xo bên trái và bên phải ...........................................................................105

Hình 3.29. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch so với thực nghiệm của biên độ lực

cản các giảm chấn ...................................................................................................105

Hình 3.30. Đồ thị chuyển dịch theo phương x và y của mô hình 2 và 3 ................107

Hình 3.31. Đồ thị lực cản của giảm chấn bên phải của mô hình 2 và 3 .................107

Hình 3.32. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch biên độ dịch chuyển x và y .............108

Hình 3.33. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch biên độ lực đàn hồi của lò xo phải và

trái............................................................................................................................108

Hình 3.34. Biểu đồ đánh giá mức độ sai lệch biên độ lực cản của giảm chấn phải và

trái............................................................................................................................108

Hình 4.1. Sơ đồ lực tác dụng lên vỏ máy................................................................112

Hình 4.2. Đồ thị hàm FD theo vị trí kết nối giảm chấn ..........................................114

Hình 4.3. Mô hình cải tiến khi thay đổi vị trí kết nối giảm chấn và sơ đồ bố trí các

cảm biến đo gia tốc .................................................................................................115

Hình 4.4. Đồ thị so sánh gia tốc tại điểm Acc3 giữa cấu hình gốc và cấu hình cải

tiến...........................................................................................................................116

Hình 4.5. Đồ thị so sánh gia tốc tại điểm Acc4 giữa cấu hình gốc và cấu hình cải

tiến...........................................................................................................................116

Hình 4.6. Đồ thị quỹ đạo điểm tâm ứng tại tốc độ..................................................118

Hình 4.7. Đồ thị góc lắc với các cấu hình giảm chấn tại tốc độ 610.99 vòng/phút 118

Hình 4.8. Đồ thị góc lắc với các cấu hình giảm chấn tại tốc độ 764.77 vòng/phút 119