Phân tích động lực học và tối ưu thông số máy rửa rau kiểu mới

Nội dung text: Phân tích động lực học và tối ưu thông số máy rửa rau kiểu mới

1. Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ nhất về Động lực học và Điều khiển Đà Nẵng, ngày 19-20/7/2019, tr. 250-254, DOI 10.15625/vap.2019000286 Phân tích động lực học và tối ưu thông số máy rửa rau kiểu mới Đặng Hoàng Minh1*, Bùi Văn Phương2, Nguyễn Việt Đức3, Phùng Văn Bình4 1Khoa Công nghệ Cơ Khí, Đại Học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, 2Đại học kỹ thuật Quốc gia Matx-cơ-va mang tên N.E. Bauman, 3Khoa Công trình, Trường Đại học Thủy Lợi, 4Khoa Hàng không Vũ trụ, Học viện Kỹ thuật Quân sự E-mail: danghoangminh@iuh.edu.vn Tóm tắt biệt, việc làm sạch rau được thực hiện nhờ phối hợp Bài báo trình bày về máy rửa rau-củ-quả kiểu mới mô phỏng chuyển động động lắc ngang hoặc dập dềnh lên xuống theo cách rửa rau bằng tay. Bộ phận làm việc chính của máy của lồng rau (tương tự như việc rửa bằng tay) với cơ chế là cơ cấu tay quay con trượt gắn với hệ lò xo để giảm sự rung phun, xả nước áp suất cao, giúp làm sạch cả các các loại rau bám nhiều bùn đất như ở điều kiện ở Việt Nam. lắc. Phân tích động lực học của máy cho thấy, độ cứng của lò xo có ảnh hưởng đến phản lực động tác dụng lên hệ và công suất của động cơ dẫn. Việc lựa chọn giá trị độ cứng phù hợp sẽ làm giảm sự tiêu hao năng lượng và tăng độ bền các chi tiết của máy. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu theo hai tiêu chí kể trên đã được giải quyết nhằm tìm ra bộ thông số hợp lý cho máy rửa rau. Từ khóa: Máy rửa rau kiểu mới, cơ cấu tay quay con trượt-lò xo, phản lực động, tối ưu đa mục tiêu. 1. Mở đầu Theo thống kê của Ủy ban Dân số Quốc gia, Việt Nam có khoảng 96,7 triệu dân đầu năm 2018 [1]. Đi cùng với mật độ gia tăng dân số thì lượng tiêu thụ rau củ ở nước ta là một con số không hề nhỏ vì đặc thù văn hóa ẩm thực và những giá trị dinh dưỡng của chúng mang lại. Hình 1. Mô hình máy rửa rau củ đa năng thế hệ mới sử dụng Tại những không gian ẩm thực cộng đồng (canteen, hàng cơ cấu tay quay con trượt (màu đỏ) quán, bếp ăn tập thể, ) một khối lượng lớn rau củ thường được tiêu thụ hằng ngày. Tuy nhiên, có một thực tế là rau củ sau khi thu hoạch và được bày bán trên thị trường luôn bám đầy bùn đất, chưa kể tới các hóa chất đã phun xịt trong quá trình trồng trọt. Hiện nay tại thị trường đang tồn tại một số loại máy rửa rau, củ quả. Chúng chủ yếu sử dụng các công nghệ sinh học như sục khí Ozone, tia UV, hay cơ chế phun xả nước liên tục, chuyển động tròn xoay, sóng siêu âm [2-3]. Mỗi loại ứng dụng một cơ chế và có những ưu – nhược điểm riêng, ví dụ như Ozone, tia UV có hại cho sức khỏe, cơ chế phun xả nước liên tục thì tốn nước, máy với chuyển động tròn xoay thì chỉ rửa củ mà không rửa được rau, cơ chế sóng siêu âm thì chỉ thích hợp với quy mô gia đình. Thêm vào đó, nhược điểm chung của các phương pháp trên là rất khó làm sạch được rau củ quả bám nhiều bùn đất như ở điều kiện ở Việt Nam. Chính vì vậy, hiện nay ở các hàng quán, Hình 2. Cơ cấu tay quay con trượt kết hợp dãy lò xo trong bếp ăn tập thể ở Việt Nam cơ bản vẫn phổ biến là rửa máy rửa rau thế hệ mới rau bằng tay do chưa tìm được máy phù hợp. Nhằm khắc phục các nhược điểm của các máy trên thị trường hiện Mô hình máy rửa rau đa chức năng thế hệ mới hình nay và đáp ứng được nhu cầu của các cơ sở chế biến thực 1. Máy rửa rau hoạt động trên cơ sở 2 chuyển động phẩm quy mô vừa và lớn, các tác giả đề xuất cơ cấu máy chính là chuyển động lắc ngang của lồng rau và chuyển rửa rau/củ/quả đa năng kiểu mới [4]. Phương án mới cho động xoay lồng để đảo rau với tốc độ thấp. Trong đó, phép tích hợp nhiều chế độ trên cùng một máy, cụ thể là chuyển động chính là chuyển động lắc ngang của lồng chế độ rửa rau, chế độ vắt rau, chế độ rửa củ-quả. Đặc rau và được tạo ra nhờ nguyên lý của cơ cấu tay quay con
2. Đặng Hoàng Minh, Bùi Văn Phương, Nguyễn Việt Đức, Phùng Văn Bình trượt truyền thống. Chuyển động lắc ngang của lồng giúp Con trượt B về lý thuyết chịu tác dụng của ngoại lực F, loại bỏ bùn đất bám trên rau củ. Đây là điểm khác biệt cơ có thể bao hàm nhiều loại lực thành phần, như lực cản kỹ bản của máy rửa rau củ kiểu mới so với các dạng máy rửa thuật ngược chiều với chiều chuyển động, lực đàn hồi của rau củ hiện có. lò xo (nếu có), cũng như các tải trọng chủ động khác. Sơ đồ của hệ chuyển động lắc ngang được thể hiện Trong mô hình tổng quát này, trọng tâm C và G của các trong hình 2. Để nâng cao các đặc tính động lực học của khâu OA, AB có thể ở vị trí bất kỳ. cơ cấu tay quay con trượt, đặc biệt là giảm sự rung lắc Fixed y A của hệ thống do phản lực động gây ra, hệ lò xo đã được stop m1 sử dụng [5-7]. Sự ảnh hưởng của lò xo tới đặc tính động m2 β G. học của cơ cấu tay quay – con trượt sẽ được phân tích .C β K l 2 B trong phần tiếp theo, từ đó có thể tìm được bộ thông số l θ thiết kế hợp lý cho máy rửa rau củ kiểu mới. 1 M F x Sơ đồ tính toán của hệ chuyển động lắc ngang trong φ(t) Δ O máy rửa rau được thể hiện trên hình 3. Hệ lò xo được mô hình hóa bởi một lò xo có độ cứng tương đương là K. Hình 4. Mô hình hóa cụm chi tiết tay quay – con trượt kết hợp 3 lò xo K Gọi M là mômen của động cơ đặt tại khớp O của Fixed stop khâu dẫn OA. Quy luật M sẽ quyết định quy luật và sự ω biến đổi các đại lượng động học như vị trí, vận tốc, gia 0 tốc và động lực học như các phản lực tại các khớp của cơ F A B O cấu. Vấn đề cần giải quyết là tìm được mối liên hệ giữa các đại lượng động lực học (mômen M và các phản lực K kết) với các đại lượng động học (tọa độ vị trí, vận tốc, gia 2 tốc góc và dài của các khâu), để từ đó chúng ta có thể giải quyết các bài toán xuôi và ngược, hay nói cách khác là điều khiển được cơ cấu. Ví dụ như nếu quy định trước quy luật chuyển động của con trượt B, ta sẽ tìm ra quy 1 luật của góc quay φ khâu dẫn OA, từ đó xác định được quy luật của M; hoặc nếu cho trước quy luật góc quay φ, ω ta cũng có thể tìm được các đại lượng còn lại; hay hoặc 1 nếu cho trước quy luật mô men đầu vào M, thì chúng ta sẽ tìm ra được các đại lượng động và động lực học còn Hình 3. Cơ cấu tay quay con trượt kết hợp dãy lò xo trong máy lại. rửa rau thế hệ mới. 1-Cụm cơ cấu tạo chuyển động xoay lồng; Bài toán này có thể được giải quyết bằng các phương 2- Hệ tay quay con trượt – lò xo; 3- Lồng rau pháp động lực học hoặc nguyên lý D’Alambert [8], cụ thể trong bài báo các tác giả sử dụng phương trình động lực Cơ cấu tay quay con trượt (2) biến đổi từ chuyển học theo các phương x, y, phương trình mômen quanh động quay của tay quay (với vận tốc góc ω rad/s) sang 0 trục trung tâm của các khâu OA, AB và con trượt B. Sau chuyển động tịnh tiến qua lại của lồng rau (3), giúp làm đó sử dụng các mối quan hệ động học (vận tốc, gia tốc sạch rau. Lồng rau (3) chuyển động lắc ngang với tần số f dài và góc) của các khâu, rút ra được các hệ thức cho = 1 2 Hz, và biên độ A = 0.05 0.1 m. Ngoại lực F tác phép tính các phản lực tại khớp O (X , Y ), khớp A (X , dụng vào lồng rau gồm 3 thành phần chính là lực cản của O O A Y ), khớp B (X , Y ), phản lực N tại con trượt B và nước, lực đàn hồi của lò xo và lực ma sát. Ngoài ra lồng A B B B mômen M đặt vào khâu dẫn OA. Các đặc tính động học rau còn xoay quanh trục của nó với vận tốc góc ω rad/s 1 và động lực học của hệ tay quay con trượt – lò xo sẽ được để đảo rau. Hệ lò xo với độ cứng tương đương K giúp phân tích dựa vào bộ thông số đầu vào ở bảng 1. Kết quả điều hòa phản lực động tác dụng lên hệ. phân tích với trường hợp độ cứng của hệ lò xo K=1000 2. Cơ cấu tay quay con trượt - lò xo sử dụng N/m, vận tốc góc không đổi ω0 = 4π = const, điều kiện trong máy rửa rau biên ban đầu là khi φ(0)=0 thì 3 điểm O, A, B thẳng hàng (A nằm giữa O và B) và khi đó lò xo đang bị nén một Mô hình cơ cấu tay quay con trượt gắn với lò xo dưới khoảng lớn nhất có độ dài chính độ dài khâu OA. Các kết tác dụng của một lực tổng quát F được thể hiện trên hình quả được thể hiện ở dạng đồ thị trong mục sau. 4. Trong khuôn khổ bài báo này, các khâu được coi là rắn tuyệt đối, các khớp quay được coi là lý tưởng và ma sát 3. Kết quả phân tích tại các khớp quay là không đáng kể. Hai khâu dẫn OA và Xét khoảng thời gian T=1s, quy luật biến đổi phản AB lần lượt có chiều dài là l , l , khối lượng là m , m với 1 2 1 2 lực động tại các khớp O, A, B của hệ được thể hiện lần trọng tâm lần lượt là C và G. Con trượt B có khối lượng lượt trên hình 5 – 7. hoặc gắn liền với một vật nặng có khối lượng m3, trượt trên rãnh với độ lệch tâm ∆ so với trục quay O của động cơ. Hệ số ma sát trung bình giữa con trượt và rãnh là μ.
3. Phân tích động lực học và tối ưu thông số máy rửa rau kiểu mới Hình 7. Phản lực động tại điểm B Hình 5. Phản lực động tại điểm O Dễ dàng thấy rằng, tại thời điểm ban đầu t0=0, góc φ0=0, ba điểm O, A, B nằm trên cùng một đường thẳng Bảng 1. Bộ thông số của cơ cấu tay quay con trượt sử trong đó điểm B nằm ở vị trí xa điểm O nhất. Trong dụng trong máy rửa rau củ thế hệ mới trường hợp này, lò xo bị nén theo phương x (dọc trục) nhiều nhất do đó tại các khớp động đều không tồn tại Tham Đơn Giá trị Ý nghĩa phản lực động theo phương y (Y=0), còn theo phương x, số vị giá trị của phản lực tại các khớp động đạt giá trị lớn nhất: l1 0.1 m Độ dài khâu 1 XAmax = 235.56 N, XBmax = 234.24 N, XOmax = 235.83 N. l2 0.2 m Độ dài khâu 2 Phản lực động theo cả 2 phương x và y tại các khớp động m1 0.035 kg Khối lượng khâu 1 có quy luật tương đồng với nhau, nhưng có sự khác biệt m2 0.066 kg Khối lượng khâu 2 nhỏ về độ lớn và hướng giữa khớp O và A, B. Sự chênh lệch về giá trị tuyệt đối của các đại lượng phản lực động m3 12 kg Khối lượng khâu 3 (|X | so với |X |,|X |; |Y | so với |Y |, |Y |) về mặt lý thuyết µ 0 Hệ số ma sát O A B O A B bằng với tích của khối lượng các khâu và gia tốc trọng 2 g 9.81 m/s Gia tốc trọng trường tâm của chúng (theo phương x và y tuần tự). Bên cạnh đó Δ 0 m Độ lệch gia tốc dài của trọng tâm các khâu thì phụ thuộc vào vận . -6 2 ICz 40 10 kg.m Mômen quán tính tốc góc của khâu OA (tức ω0). Nên với dữ liệu bài toán ở . -6 2 IGz 225 10 kg.m Mômen quán tính Bảng 1, khi khối lượng của các khâu và vận tốc góc tay φ0 0 rad Góc quay ban đầu quay nhỏ (m1=0.035 kg, m2=0.066 kg, ω0=4π rad/s), dễ f 2 Hz Tần số quay tay quay dàng ta thấy các chênh lệch này là không đáng kể. Sự ngược dấu của các phản lực tại O so với tại A và B là do ε 0 rad/s2 Gia tốc góc 0 cách chọn hệ trục quy chiếu cho các phương trình động ω0 2πf rad/s Vận tốc góc tay quay lực học, tuy nhiên về bản chất, độ lớn của chúng không A 0.1 m Biên độ A=l1 thay đổi. Tại thời điểm t = 0.364 s phản lực động theo K 1000 N/m Độ cứng K của lò xo phương y của cả 3 điểm cùng đạt giá trị lớn nhất lần lượt là YAmax = 80.84 N, YBmax = 79.67 N, YOmax = 81.46 N. Việc giảm phản lực động tại các các khớp sẽ giúp nâng cao tuổi thọ của các ổ đỡ và chi tiết trong hệ. RO,RA,RB 236 (N) 234 232 200 150 100 50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 t (s) Hình 8. Tổng phản lực tại các khớp O, A, B Hình 6. Phản lực động tại điểm A Các đồ thị phản lực liên kết trên hình 5-8 có ý nghĩa khá quan trọng trong thiết kế các khớp bản lề ở O, A, B vì chúng có quy luật điều hòa và có sự nhẩy nấc đột ngột. Điều đó cũng khiến cho ứng suất trượt của trục bản lề biến đổi và tích lũy lại, gây nên hiện tượng mỏi và phá hủy. Tuy nhiên trên đồ thị hình 8 ta thấy giá trị các phản
4. Đặng Hoàng Minh, Bùi Văn Phương, Nguyễn Việt Đức, Phùng Văn Bình lực RO, RA, RB không có sự chênh lệch đáng kể về giá trị sẽ xem xét bài toán tối ưu đa mục tiêu với 2 tiêu chí là cũng như về quy luật biến đổi. Mặt khác thì về mặt chế công suất P và phản lực RA. tạo, trong số 3 khớp O, A và B thì bản lề ở khớp A thường Có rất nhiều nghiên cứu về các đặc tính động lực học là có kích thước nhỏ nhất, và là nơi kết nối nhiều chi tiết của cơ cấu tay quay – con trượt trong cơ khí hiện đại, tuy (2 thanh OA, AB, các bulông, v.v ) nên nó dễ bị phá hủy nhiên việc tối ưu hóa đồng thời hiệu suất năng lượng đầu nhất. Do đó chúng ta ưu tiên khảo sát giá trị RA trong các vào và phản lực động của cơ cấu này cũng không nhiều. bước tiếp theo. Trong số những tài liệu ít ỏi tìm được có thể kể đến các Quy luật biến đổi của mômen M, công suất P tại tay công trình của Imed và Bhupesh. Imed và cộng sự [9] đã quay được mô tả bằng biểu đồ trong hình 9. thực hiện tối ưu hóa đa tiêu chuẩn một cơ chế tay quay – con trượt sử dụng 2 phương pháp khác nhau là thuật toán di truyền và bầy đàn. Bhupesh and Mohan đã thực hiện tối ưu hóa the đặc tính động lực học của hệ tay quay con trượt với mục đích giảm mức tiêu thụ điện năng, phản lực động tại các khớp và chi phí vật liệu chế tạo [10]. Hình 9. Quy luật biến đổi mômen M và công suất cần thiết P của động cơ 4. Tối ưu hóa đa tiêu chuẩn cụm cơ cấu tay quay con trượt – lò xo Để thiết kế máy rửa rau củ thế hệ mới, lò xo được chọn có độ cứng K nằm trong khoảng 0 3650 N/m. Mối liên hệ giữa công suất cần thiết Pmax, giá trị phản lực động a) tại khớp bản lề A RXY 22và độ cứng K được AAA thể hiện trên hình 10. Hình 10. Ảnh hưởng của độ cứng K tới công suất cần thiết của đông cơ Pmax và phản lực động RAmax Do các phản lực động tại cả 3 khớp O, A, B có quy luật biến đổi giống nhau nên sự phụ thuộc của chúng vào độ cứng K của lò xo cũng có nét tương đồng (Ảnh hưởng của độ cứng K tới phản lực động tại khớp A và B tương tự b) như đối với khớp O). Với khoảng giá trị K được xét, có Hình 11. Illustration of Pareto optimality in two-objective (P thể thấy ý nghĩa tích cực của lò xo trong việc làm giảm and R) optimization. a) Dạng 3D; b) Mặt phẳng w-K giá trị của phản lực động tại các khớp. Khi không sử dụng lò xo (K=0) thì phản lực động tại cả 3 khớp đều lớn Trong nghiên cứu này, các tác giả thực hiện tối ưu hơn so với trường hợp sử dụng lò xo với độ cứng. Nhìn hóa đồng thời công suất lớn nhất của động cơ và phản lực trên đồ thị, có thể thấy giá trị lò xo tối ưu theo tiêu chí động lớn nhất tại khớp A bằng phương pháp trọng số. Gọi phản lực động nhỏ nhất là vào khoảng 1895÷1920 N/m. Ф là hàm tương đương sao cho: Tuy nhiên, công suất lại đạt giá trị nhỏ nhất khi giá trị K trong khoảng 2000÷3000 N/m. Vì vậy, tiếp theo chúng ta
5. Phân tích động lực học và tối ưu thông số máy rửa rau kiểu mới PK [7] Daniela Tarnita and Dumitru Bolcu. Contributions on the  wK, w max dynamic synthesis of crank-slider mechanisms actuated by max PKmax (1) springs. 12thIFToMM World Congress, Besançon RK (1w ) Amax min (France), June18-21, 2007. max RK Amax [8] R.C. Hibbeler. Engineering Mechanics: Dynamics. Trong đó w là hệ số trọng lượng có giá trị trong Pearson Education, Inc, 2016. – 791 pp. khoảng từ 0 đến 1. Trong bài báo này, các tác giả khảo sát [9] Imed Khemili, Mohamed Amine Ben Abdallah & Nizar hàm 2 biến Ф(w, K) để tìm đường cong Pareto. Ứng với Aifaoui (2018): Multi-objective optimization of a flexible mỗi một giá trị trọng số w cụ thể, chúng ta sẽ tìm được Фmin và giá trị K của lò xo. Từ đó tìm được giá trị tối ưu slider-crank mechanism synthesis, based on dynamic cho công suất tiêu thụ P cũng như phản lực động khớp A responses, Engineering Optimization, DOI: là RA. 10.1080/0305215X.2018.1508574. Hình 11 mô tả đường cong Pareto (màu đỏ) là kết [10] Bhupesh Chandrakar, Man Mohan Soni, Design and quả của phương pháp tối ưu 2 tiêu chuẩn P và R của hệ Optimization of Slider and Crank Mechanism with tay quay con trượt – lò xo. Tùy thuộc vào mức độ ưu tiên Multibody Systems, International Journal of Science and về P và R trong quá trình thiết kế cơ cấu tay quay – con Research (IJSR), Volume 4 Issue 6, June 2015, 1709 – trượt, các kỹ sư thiết kế có thể lựa chọn giá trị w hợp lý. Ứng với mỗi giá trị của trọng số w các kỹ sư có thể tìm 1712. được giá trị của độ cứng K và qua đó lựa chọn được động cơ với công suất phù hợp nhất, bên cạnh đó giảm được ảnh hưởng của phản lực động tại các khớp quay. 7. Kết luận Quá trình tính toán phân tích các đặc tính động lực học của hệ tay quay con trượt gắn với lò xo chỉ ra rằng, việc lựa chọn độ cứng lò xo phù hợp sẽ làm giảm đáng kể phản lực động tại các khớp cũng như giảm công suất của động cơ đặt vào khâu dẫn động. Vận dụng tính chất này, một hệ cơ cấu tay quay con trượt – lò xo đã được ứng để thiết kế máy rửa rau củ kiểu mới. Bài toán tối ưu theo 2 tiêu chuẩn là phản lực động tại các khớp và công suất tiêu thụ cần thiết của động cơ khâu dẫn động đã được giải quyết, nhờ đó có thể chọn được độ cứng hợp lý của lò xo. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trực tiếp cho việc thiết kế máy rửa rau kiểu mới cũng như các máy móc khác sử dụng cơ cấu tay quay con trượt. Tài liệu tham khảo [1] (Ngày kiểm tra 05/11/2018). [2] Wang C.H., Taishan S. (2007) Water-saving type fruit and vegetable washing and disinfecting method and device. European Patent Application, № EP2005846A1. [3] David K. Lewis. (2009) Method and Apparatus For Washing Fruits And Vegetables. United States № US 20090151749A1. [4] Dang H.M., Phung V.B, Nguyen V.D., Tran T.T (2019). Máy rửa rau-củ-quả đa năng. Cục Sở hữu Trí tuệ Việt Nam. Bằng Sáng Chế VN1201902495SC (Đang thẩm định) [5] Arakelian V H, Smith M R. Shaking force and shaking moment balancing of mechanisms: A historical review with new examples. JMech Des, 2005, 127: 334–339. [6] Frischknecht, B. D., Howell, L. L., and Magleby, S. P., 2004. Crank-slider with spring constant force mechanism. No. DETC-2004-MECH-57318, Proceedings of the ASME Design Engineering Technical Conferences.