Tìm hiểu về tình hình và xu hướng phát triển của hệ thống thử nghiệm rung xóc

Hệ thống thử nghiệm rung xóc là gì? Hệ thống thử nghiệm rung xóc là một công cụ được sử dụng để đánh giá và kiểm tra sự hoạt động và hiệu suất của hệ thống treo và rung xóc trên các phương tiện, như ô tô, xe máy, hoặc xe đạp. Bằng cách mô phỏng các điều kiện đường xe khác nhau, hệ thống này giúp đánh giá cảm giác lái, ổn định và tiếng ồn của phương tiện trong các tình huống khác nhau. Điều này giúp cải thiện chất lượng và an toàn của các phương tiện giao thông.

Hệ thống thử nghiệm rung xóc hẳn là không còn quá xa lạ với các ngành công nghiệp. Vậy tình hình và xu hướng phát triển của nó như thế nào? Mời bạn cùng COMIT tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé!

Khái quát về hệ thống thử nghiệm rung xóc.

Mục tiêu của hệ thống thử nghiệm rung xóc là đánh giá độ tin cậy của máy móc và bộ phận được thiết kế, sản xuất để chịu được rung xóc từ môi trường bên ngoài hoặc do vận chuyển và sử dụng, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tuổi thọ đã đề ra. Trong bối cảnh tăng cường yêu cầu về độ tin cậy, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, việc phát triển hệ thống thử nghiệm rung xóc trở thành yếu tố quan trọng trong việc thực hiện các bài kiểm tra độ tin cậy.

Vào những năm 1960, Viện 702 đã khởi đầu việc phát triển hệ thống thử nghiệm rung xóc nhằm đáp ứng nhu cầu kiểm tra rung xóc cho các sản phẩm hàng không vũ trụ, bao gồm các bàn rung với lực đẩy từ 10N đến 100KN, cùng các thiết bị đo độ rung và cảm biến đa dạng. Ngày nay, hệ thống thử nghiệm rung xóc của Viện 702 không chỉ đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ mà còn được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác, trở thành một công cụ quan trọng trong các ứng dụng dân dụng.

Hệ thống thử nghiệm rung xóc được phân loại thành ba loại dựa trên phương pháp kích thích, bao gồm thử nghiệm rung xóc cơ học, thử nghiệm rung xóc điện thủy lực và thử nghiệm rung xóc chạy điện.

Phương dao động của máy thử nghiệm rung xóc, tức là quỹ đạo chuyển động của mặt bàn, có thể được phân loại thành hệ thống thử nghiệm rung xóc đơn chiều (một bậc tự do) và đa chiều (nhiều bậc tự do).

Tùy theo chức năng, máy thử nghiệm rung xóc có thể được phân thành hai loại: máy thử nghiệm rung xóc hình sin đơn và hệ thống máy thử nghiệm rung xóc có khả năng thực hiện các loại thử nghiệm rung động như sin, ngẫu nhiên, sin cộng ngẫu nhiên và thử nghiệm sốc.

Dưới đây, COMIT sẽ trình bày một cái nhìn tổng quan về tình hình và sự phát triển của cấu trúc, hiệu suất và giá thành của các hệ thống thử nghiệm rung xóc, đặc biệt là máy thử nghiệm rung xóc chạy điện và các thiết bị phụ trợ liên quan.

Hệ thống thử nghiệm rung xóc cơ học

Hệ thống thử nghiệm rung xóc cơ học có thể được phân thành hai loại: không cân và có cam.

• Máy thử nghiệm rung xóc cơ học không cân sử dụng lực ly tâm tạo ra từ quả cân không cân bằng để kích thích bàn dao động. Loại này có thể tạo ra dao động hình sin, có cấu trúc đơn giản và giá thành rẻ, nhưng chỉ hoạt động trong dải tần từ 5Hz đến 100Hz, độ dịch chuyển tối đa là 6mm, gia tốc tối đa khoảng 10 g, và không thể thực hiện rung động ngẫu nhiên.
• Máy thử nghiệm rung xóc cơ học dùng cam. Độ dịch chuyển của bộ phận chuyển động phụ thuộc vào độ lệch tâm của cam, chiều dài tay đòn của trục khuỷu và lực kích thích. Loại này có thể đạt được độ dịch chuyển lớn ở tần số thấp, nhưng có tần số hoạt động giới hạn ở khoảng 20 Hz, gia tốc tối đa là khoảng 3g và dạng sóng gia tốc có thể bị méo mó.

Vì các hạn chế về tính năng, dự kiến bàn rung cơ học sẽ ít được sử dụng hơn trong tương lai.

Hệ thống thử nghiệm rung xóc thuỷ điện lực

Máy thử nghiệm rung xóc điện thủy lực sử dụng một bàn rung điện nhỏ để điều khiển van trợ động, kích thích thiết bị truyền động bằng áp suất dầu. Loại máy này có khả năng tạo ra lực kích thích và độ dịch chuyển lớn, ví dụ như lực kích thích lên tới 104KN và độ dịch chuyển lên đến 2,5m, đặc biệt ở tần số rất thấp.

Máy thử nghiệm rung xóc thủy lực có chi phí thấp hơn so với các máy thử nghiệm rung xóc chạy điện có cùng lực đẩy. Tuy nhiên, loại này có hiệu suất kém ở tần số cao, tần số hoạt động giới hạn thấp và biến dạng sóng lớn. Mặc dù có thể sử dụng cho rung động ngẫu nhiên, đánh giá rms của lực kích thích dao động ngẫu nhiên chỉ có thể nhỏ hơn 1/3 so với đánh giá khi chạy rung động sin. Mặc dù có những hạn chế này, máy thử nghiệm rung xóc thủy lực vẫn có thể đóng một vai trò quan trọng trong các thử nghiệm rung xóc trong tương lai, đặc biệt là trong ngành công nghiệp tàu thủy và ô tô.

Máy thử nghiệm rung xóc chạy điện

Hệ thống thử nghiệm rung xóc chạy điện hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất với dải tần rộng, từ 0 đến 10KHz cho hệ thống nhỏ và từ 0 đến 2KHz cho hệ thống lớn. Hệ thống này có dải động rộng, có thể được điều khiển tự động hoặc bằng tay, và tạo ra gia tốc dạng sóng tốt, phù hợp để tạo ra các sóng ngẫu nhiên với gia tốc rất lớn. Máy thử nghiệm rung xóc chạy điện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ: khi dây dẫn được cấp năng lượng trong một từ trường không đổi, nó sẽ chịu tác dụng của lực; và khi có dòng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn, dây dẫn sẽ dao động. Cuộn dây dẫn động của máy thường nằm trong một khe hở có cường độ cảm ứng từ cao. Khi tín hiệu rung cần thiết được tạo ra từ bộ tạo tín hiệu hoặc thiết bị điều khiển rung và được khuếch đại bằng bộ khuếch đại công suất, nó sẽ được chuyển đến dây dẫn động, khiến máy thử nghiệm rung xóc tạo ra một dạng sóng rung động.

Máy thử nghiệm rung xóc chạy điện có cấu trúc cơ bản bao gồm 5 bộ phận chính: cuộn dây dẫn động, bộ phận chuyển động, bộ phận treo, bộ phận kích từ và khử từ, thân bàn và thiết bị hỗ trợ. Cuộn dây dẫn động và các bộ phận chuyển động là những thành phần chính của bàn rung, với tần số cộng hưởng bậc nhất quyết định dải tần của bàn rung. Tuy nhiên, tính toán tần số cộng hưởng bậc nhất của các bộ phận chuyển động thường gặp khó khăn do sự phức tạp của cấu trúc, đôi khi dẫn đến sai lệch trong thiết kế. Vào cuối những năm 1980, Viện 702 đã áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán tần số cộng hưởng, giúp cải thiện độ chính xác và tạo điều kiện thuận lợi cho việc tối ưu hóa thiết kế, nâng cao độ tin cậy của bàn rung.

Có hai phương pháp chính để tạo ra dòng điện trong cuộn dây truyền động của máy thử nghiệm rung xóc: phương pháp trực tiếp và phương pháp tạo từ trường. Phương pháp trực tiếp là thêm trực tiếp đầu ra dòng điện từ bộ khuếch đại vào cuộn dây dẫn động, là phần quan trọng nhất của máy thử nghiệm rung xóc. Một phương pháp khác là phương pháp cảm ứng, trong đó dòng điện xoay chiều được tạo ra trong một cuộn dây cố định thông qua cảm ứng từ trường. Máy thử nghiệm rung xóc cảm ứng không cần dây dẫn ngoài, với cấu trúc đơn giản nhưng hiệu suất sử dụng không cao như máy thử nghiệm rung xóc trực tiếp.

Phương pháp tạo từ trường có thể chia thành hai loại: nam châm vĩnh cửu và kích từ. Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường không đổi do thép nam châm vĩnh cửu tạo ra, nhưng do khó chế tạo nam châm lớn nên phương pháp này thích hợp cho các hệ thống rung xóc nhỏ. Đối với hệ thống lớn hơn, cần sử dụng dòng điện một chiều qua cuộn dây kích từ để tạo ra từ trường không đổi, được gọi là máy thử nghiệm rung xóc kích từ.

Máy thử nghiệm rung xóc loại kích thích có thể được chia thành kích thích đơn và kích thích kép. Kích thích đơn chỉ sử dụng một cuộn dây kích từ tạo thành một vòng từ trường. Loại này có hiệu suất kích thích thấp và tiêu thụ công suất lớn, đòi hỏi phải có cuộn khử từ để giảm từ trường trên bề mặt làm việc. Kích thích kép sử dụng hai cuộn dây kích thích được đặt ở hai mặt của khe hở từ, làm việc để triệt tiêu từ trường trên bàn làm việc. Loại này có hiệu suất kích thích cao hơn và giảm thiểu nhiễu từ trường.

Đối với làm mát của hệ thống thử nghiệm rung xóc, có các phương pháp như làm mát tự nhiên, làm mát bằng gió, làm mát bằng nước và làm mát bằng dầu. Làm mát tự nhiên thích hợp cho các hệ thống nhỏ với công suất thấp, trong khi làm mát bằng dầu phức tạp và ít được sử dụng trong các thiết bị mới. Làm mát bằng gió cưỡng bức là phổ biến và dễ triển khai, nhưng tạo ra tiếng ồn lớn. Làm mát bằng nước là phương pháp phổ biến nhất cho các hệ thống lớn và vừa. Tuy nhiên, yêu cầu chất lượng nước cao và cấu trúc phức tạp.

Bộ khuếch đại công suất là bộ phận quan trọng của hệ thống, với ba thế hệ từ bộ khuếch đại ống đến bộ khuếch đại tuyến tính bán dẫn và bộ khuếch đại chuyển mạch kỹ thuật số. Bộ khuếch đại chuyển mạch có hiệu suất cao hơn và kích thước nhỏ hơn so với các thế hệ trước đó.

Các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống rung xóc chạy điện bao gồm lực đẩy hình sin định mức, lực đẩy ngẫu nhiên, dải tần hoạt động, gia tốc lớn nhất, tốc độ tối đa, dịch chuyển lớn nhất, khối lượng hiệu dụng của bộ phận chuyển động, khối lượng chịu lực trực tiếp cho phép của bề mặt làm việc, độ lệch tâm cho phép, trường phân tán linh tinh, sự biến dạng của dạng sóng gia tốc, tính đồng nhất của gia tốc bàn, và tỷ số rung động bên.

Hệ thống thử nghiệm rung xóc chạy điện vẫn sẽ là thiết bị chính cho các thử nghiệm rung xóc trong tương lai, với việc sử dụng vật liệu mới và áp dụng các phương pháp tính toán tiên tiến.

Bàn trượt ngang

Bàn trượt ngang là một thiết bị hỗ trợ trong quá trình thử nghiệm rung xóc ngang của bàn rung, giúp dễ dàng lắp đặt các sản phẩm thử nghiệm lớn. Bàn trượt ngang có thể được phân loại thành ba loại chính: loại gối đỡ thủy tĩnh, loại đỡ ổ bi và loại đỡ màng dầu.

Loại bàn trượt có gối đỡ thủy tĩnh được hỗ trợ bởi các ổ trục thủy tĩnh có khả năng làm việc từ tần số rất thấp đến tần số rất cao. Chúng có biến dạng sóng gia tốc nhỏ, mô-men chống lật và mô-men chống xoắn cao, và ít dao động bên. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho loại này khá cao.

Bàn trượt sử dụng ổ bi có thể hoạt động ở tần số từ trung bình đến cao, tuy nhiên, ở tần số thấp, dạng sóng gia tốc có thể gây nhiễu cho ổ trục.

Loại bàn trượt màng dầu có cấu trúc đơn giản, giá thành thấp và tạo ra dạng sóng tốt trong miền tần số thấp. Tuy nhiên, chúng có khả năng chống lật và mô-men xoắn thấp, và độ rung biên lớn.

Thiết bị gá

Bộ thiết bị gá được sử dụng để cố định sản phẩm thử nghiệm một cách chắc chắn trên mặt bàn rung và truyền lực rung từ bàn rung tới sản phẩm thử nghiệm. Chất lượng của bộ thiết bị gá ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của quá trình thử nghiệm. Tuy nhiên, tầm quan trọng của các thiết bị gá thường không được chú trọng đúng mức, đặc biệt là ở Việt Nam, nơi một số người thử nghiệm chỉ thiết kế dựa trên cảm tính, thiếu tính toán và phân tích cần thiết trong quá trình thiết kế, và không có quá trình kiểm tra và thử nghiệm cần thiết.

Việc truyền rung bởi một vật cố định như vậy thường dẫn đến độ biến dạng lớn, và cường độ rung tại mỗi điểm trên vật cố định thường khác nhau, làm giảm sự đồng đều trong quá trình thử nghiệm. Điều này dẫn đến nhiều hiện tượng cộng hưởng trong dải tần số thử nghiệm và làm cho việc kiểm soát độ rung trở nên khó khăn.

Một số vật liệu được lựa chọn để chế tạo các thiết bị gá không phù hợp, dẫn đến chi phí cao và tiêu tốn năng lượng. Nguyên tắc thiết kế của các thiết bị gá là phải đáp ứng việc lắp đặt sản phẩm thử nghiệm một cách chính xác, với khối lượng thấp và độ cứng càng cao càng tốt, đồng thời giảm thiểu càng nhiều cộng hưởng trong dải tần số thử nghiệm. Magiê và nhôm thường được sử dụng làm vật liệu cố định, vì chúng có khối lượng nhẹ hơn thép, có khả năng giảm chấn tốt hơn và chi phí gia công thấp hơn.

Các thiết bị gá nhỏ thường được gia công từ một phần vật liệu, trong khi các thiết bị gá lớn có thể được chế tạo thông qua phương pháp hàn hoặc đúc. Trước hết, thiết kế phải xác định rõ các điều kiện thử nghiệm như mức năng lượng và sai số sóng sin và dao động ngẫu nhiên, dải tần số của sóng sin, đường cong mật độ phổ công suất của dao động ngẫu nhiên, điều kiện lắp đặt, gia tốc không đồng đều, v.v.

Sau đó, cần tính toán tần số cộng hưởng và khối lượng của thiết bị gá để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu thử nghiệm. Đối với các sản phẩm thử nghiệm nhỏ, tần số cộng hưởng của thiết bị gá không được phép thấp hơn 1000 Hz và phải đạt từ 3 đến 4 lần tần số thấp nhất của sản phẩm thử nghiệm. Kiểm tra cần thiết phải được thực hiện sau khi quá trình cố định sản phẩm thử nghiệm hoàn thành.

Máy thử nghiệm rung xóc tích hợp

Thử nghiệm rung xóc về môi trường thường tích hợp ba hoặc bốn thông số đánh giá, trong đó tích hợp ba thông số liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm và độ rung. Vào đầu những năm 1990, Viện 702 đã tiên phong trong việc phát triển thành công hệ thống thử nghiệm tích hợp ba thông số ở Trung Quốc. Các bàn rung được sử dụng cho thử nghiệm kiểm tra tích hợp ba thông số thường có bề mặt làm việc lớn hơn, để có thể lắp đặt nhiều mẫu thử cùng một lúc. Việc làm tốt vòng đệm và cách nhiệt giữa bàn rung và tủ thử nghiệm môi trường thường được thực hiện bằng silicon, và tấm cao su thường được sử dụng để bịt kín vật liệu cách nhiệt.

Hiện nay, Viện 702 đang phát triển một hệ thống thử nghiệm tích hợp bốn thông số. Hệ thống thử nghiệm tích hợp bốn thông số đề cập đến thử nghiệm môi trường toàn diện về nhiệt độ, độ ẩm, chân không và độ rung. Với việc buông thử nghiệm cần phải được hút chân không, máy thử nghiệm rung xóc được sử dụng cho hệ thống tích hợp bốn thông số phải có hệ thống định tâm tự động để đảm bảo máy lắc không bị lệch khỏi vị trí tâm dưới tác động của áp suất âm. Bàn rung phải được nối với hộp thử nghiệm thông qua phần mở rộng của các bộ phận chuyển động và được làm kín bằng các con lăn.

Hệ thống thử nghiệm rung xóc tích hợp thử nghiệm ba thông số đã trở nên phổ biến hơn, và trong tương lai, hệ thống thử nghiệm rung xóc tích hợp thử nghiệm bốn thông số sẽ đóng vai trò quan trọng hơn trong các thử nghiệm môi trường.

Hệ thống thử nghiệm rung xóc đa hướng

Nhiều mẫu thử trong hệ thống thử nghiệm rung xóc đa hướng, đặc biệt là trong lĩnh vực hàng không và hàng hải, phải đối mặt với môi trường rung động không chỉ đơn giản là một hướng mà là nhiều hướng. Hiện nay, các phương pháp thử nghiệm chỉ tạo ra rung động theo một hướng không thể mô phỏng được môi trường rung động thực tế. Để tái hiện một cách chân thực hơn môi trường rung động, vào đầu những năm 1960, Mỹ đã bắt đầu phát triển hệ thống thử nghiệm rung xóc ba chiều, và đến những năm 1970, đã thành công trong việc phát triển hệ thống này với tần số hoạt động cao hơn và ít biến dạng hơn. Trong khi đó, vào những năm 1980, Viện 702 cũng tham gia vào lĩnh vực nghiên cứu này.

Bàn rung đa hướng thường có hai loại: chạy điện và thủy lực. Hệ thống chạy điện có thể đạt được tần số làm việc cao và biến dạng sóng thấp, trong khi hệ thống thủy lực thích hợp với tần số làm việc thấp và có thể tạo ra lực kích thích lớn. Hiện nay, các hệ thống rung ba chiều và đa chiều được sử dụng rộng rãi ở Hoa Kỳ, Nhật Bản và các quốc gia khác, nhưng ít được sử dụng ở Việt Nam.

Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, hệ thống thử nghiệm rung xóc đa hướng sẽ trở nên phổ biến hơn, mang lại các ưu điểm riêng về công năng và hiệu quả công việc cao. Sự tiến bộ trong công nghệ điện tử, điện và vật liệu cùng việc cải tiến các phương pháp thiết kế cơ học tạo ra cơ hội cho sự phát triển của các hệ thống thử nghiệm rung xóc, đồng thời giảm chi phí.

Trên đây là tình hình và xu hướng phát triển của các hệ thống thử nghiệm rung xóc trong tương lai mà COMIT  muốn cung cấp cho bạn, mong rằng đây sẽ là các thông tin bổ ích mà bạn cần.

Lê Oanh

Luôn vui vẻ

Xem bài khác