BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÊ HẢI ZY ZY

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC
NGHIỆM CỦA CÁC THIẾT BỊ CHẶN RÒ RỈ
LƯU CHẤT TRÊN CƠ CẤU TRỤC QUAY
DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MRF)
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NGÀY 20 THÁNG 08 NĂM 2022


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÊ HẢI ZY ZY

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ THỰC
NGHIỆM CỦA CÁC THIẾT BỊ CHẶN RÒ RỈ
LƯU CHẤT TRÊN CƠ CẤU TRỤC QUAY
DÙNG LƯU CHẤT TỪ BIẾN (MRF)

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NGÀY 21 THÁNG 08 NĂM 2022

Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường
Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 21 tháng 08 năm 2022
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Lê Thanh Danh

- Chủ tịch Hội đồng

2. TS. Nguyễn Thanh Hải

- Phản biện 1

3. TS. Lê Ngọc Trân

- Phản biện 2

4. PGS.TS. Đỗ Xuân Phú

- Ủy viên

5. TS. Đặng Hoàng Minh

- Thư ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


TRƯỞNG KHOA/VIỆN…………


BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lê Hải Zy Zy

MSHV: 20000051

Ngày, tháng, năm sinh: 29/09/1997

Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chuyên ngành: 8520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Thiết kế, chế tạo và đánh giá thực nghiệm của các thiết bị chặn rò rỉ lưu chất trên cơ
cấu trục quay dùng lưu chất từ biến (MRF).
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-


-

Nhiệm vụ: Tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình và thử nghiệm đánh giá thiết
bị chặn rò rỉ lưu chất trên cơ cấu trục quay dùng lưu chất MR. Thực nghiệm
kiểm tra và so sánh với thiết bị chặn dầu truyền thống (lip-seal).
Nội Dung:
+ Tổng quan về các thiết bị chặn rò rỉ lưu chất trên cơ cấu trục quay và tình
hình nghiên cứu về thiết bị chặn rị rỉ lưu chất dùng chất lưu biến từ.
+ Đề xuất cấu hình thiết bị chặn rò rỉ dùng chất lưu biến từ.
+ Thiết kế tối ưu thiết bị chặn rò rỉ dùng chất lưu biến từ.
+ Thiết kế chi tiết thiết bị chặn rò rỉ dùng chất lưu biến từ.
+ Chế tạo và thực nghiệm kiểm chứng với kết quả tính tốn và so sánh.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2022
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 19/07/2022
IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng


Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2022
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA/VIỆN.................
(Họ tên và chữ ký)



LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin trân trọng cảm ơn thầy hướng dẫn luận văn thạc sĩ đó chính là
PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng, thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất
cho em trong quá trình nghiên cứu để hồn thành nợi dung của luận văn thạc sĩ.
Đồng thời, tôi trân trọng cảm ơn đến các thầy/cơ trong trong khoa cơ khí của trường
Đại học Cơng Nghiệp TP.HCM đã giảng dạy, giúp đỡ tôi cải thiện và mở rợng kiến
thức hơn trong q trình học tập và nghiên cứu của mình. Bên cạnh đó, tơi xin cảm
ơn phịng sau Đại học Trường Đại học Cơng Nghiệp TP.HCM đã hỗ trợ tơi trong
suốt q trình học.
Kết quả của luận văn này là thành quả nỗ lực, tìm tịi và học hỏi của tơi trong suốt
thời gian học của tôi. Mặc dù đã cố gắng hết sức, nhưng chắc chắn khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Rất mong các q thầy/cơ thơng cảm và tận tình chỉ bảo thêm.
Lê Hải Zy Zy

i


TĨM TẮT
Trong q trình hiện đại hóa và cơng nghiệp hóa, các thiết bị cơ khí đóng mợt vai
trị quan trọng trong việc phát triển khoa học và kỹ thuật. Sự phát triển đó dẫn đến
các thiết bị máy móc ln có xu hướng phát triển và cải tiến nhằm để năng cao hiệu
quả và năng suất trong quá trình sản xuất. Cụ thể là các thiết bị chặn rò rỉ, chúng là
thành phần không thể thiếu trong những thiết bị và máy móc hiện nay. Do đó, trong
luận văn này sẽ tập trung phát triển các cơ cấu cho các thiết bị chặn rò rỉ trên trục
quay sử dụng lưu chất từ biến (MRF) được áp dụng vào các thiết bị máy móc vận
hành bằng lưu chất từ biến (MRF), như là phanh MRF, ly hợp MRF, giảm chấn sử
dụng lưu chất MRF,... nhằm để năng cao hiệu suất làm việc và tuổi thọ của chúng.
Trong những năm gần đây, lưu chất (MRF) được biết đến như là một trong những

vật liệu thông minh gây được nhiều sự chú ý đến các nhà nghiên cứu khoa học trong
và ngoài nước nhờ vào các đặc tính đặc biết của nó (như thay đổi đợ nhớt khi có từ
trường đi qua). Vì thế, đã có mợt số nghiên cứu về thiết bị chặn rò rỉ bằng lưu chất –
MRF, các kết quả cho thấy lưu chất MRF là một trong những ứng cử viên tiềm năng
cho việc ngăn chặn sự rò rỉ trong các thiết bị máy móc. Ngồi ra, các thiết bị chặn
rò rỉ MRF đã được đề xuất sẽ giúp giảm mô men ma sát và nâng cao tuổi thọ của
các thiết bị máy móc. Tuy nhiên, trong trong các nghiên cứu trước chỉ đưa ra giải
pháp về cấu hình và thực nghiệm đánh giá mơ men và áp suất làm việc của chúng.
Vẫn chưa có nghiên cứu nào tập trung vào việc thiết kế tối ưu cấu hình và kiểm tra
đợ bền, nhiệt đợ và mài mịn cũng như là so sánh kết giữa thiết bị chặn rò rỉ sử dụng
lưu chất - MRF và thiết bị chặn dầu truyền thống (lip-seal). Để lắp đầy những gì cịn
thiếu trong các nghiên cứu trước, luận văn sẽ tập trung vào thiết kế, tối ưu và đánh
giá thực nghiệm các thơng số cơ bản của thiết bị chặn rị rỉ sử dụng lưu chất – MRF
cũng như so sánh chúng với các thiết bị chặn dầu truyền thống. Luận văn bao gồm
những nợi dung chính như sau:

ii


• Phát triển cấu hình thiết bị chặn rị rỉ sử dụng lưu chất - MRF sử dụng nam
châm vĩnh cửu dạng hướng kính, hướng trục, dạng chuỗi Halbach sẽ được đề
xuất.
• Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết bài tốn từ trường bằng
phần mền ANSYS.
• Tính tốn mơ men ma sát và áp śt làm việc tối đa của thiết bị chặn rò rỉ
trên trục quay sử dụng lưu chất - MRF.
• Tối ưu hóa các thơng số hình học của các thiết bị chặn rò rỉ trên trục quay sử
dụng lưu chất MRF được đề xuất bằng phương pháp tối ưu hóa First Order
và giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO). Bên cạnh đó, bài toán tối ưu đa mục tiêu
sẽ được xây dựng và thực hiện trong nghiên cứu này.

• Thực nghiệm đánh giá các thiết bị chặn rò rỉ trên trục quay sử dụng lưu chất
MRF và so sánh với thiết bị chặn dầu truyền thống.

iii


ABSTRACT
In the process of modernization and industrialization of the nation, mechanical
devices play an essential role in the development of science and engineering.
Development leads to equipment and machinery which tend to progress in order to
enhance efficiency and productivity in the process. In detail, sealing devices are
essential parts of modern machinery and equipment. Hence, in this thesis, we will
focus on developing mechanisms for devices to prevent leakage on the rotating
shaft using MRF to be applied to machines and operating by MRF devices to
improve their performance and longevity such as: MRF brakes, MRF clutch, MRF
damper, ect. Besides, MRF based seals help improve their performance and
longevity. Nowadays, smart materials and their applications have attracted a great
deal of attention in domestic and foreign scientific researchers, thanks to its special
properties (like change in viscosity when magnetic field passes through it).
Therefore, there have been a number of studies on MRF devices, the results show
that MRF are one of the potential candidates for leak prevention in mechanical
equipment. In addition, the proposed MRF based seal will help reduce frictional
torque and enhance cycle life of the machinery. However, in previous studies, only
solutions were given about configuration and experimental evaluation of their
working torque and pressure. There have been no studies focused on optimal
configuration design and testing for durability, temperature and wear, as well as a
comparison between MRF seal and traditional seal (lip-seal). In order to fill the
shortcomings of previous studies, the thesis will concentrate on the design,
optimization and experimental testing of the basic parameters of the MRF seal as
well as the comparison with conventional seal (lip-seal). The following major topics

are tackle in the thesis:
• Development of a self-sealing component for rotary shaft of MRF based seal
devices and using permanent magnet such as: an axially magnetic magnet,
radially magnetic magnet and Halbach array.

iv


•

Apply the finite element method to solve the magnetic field issues by
ANSYS software.

• Calculation of the frictional torque and maximum working pressure of MRF
seals proposed.
• Optimizing the geometrical parameters of MRF seals using the First-Order
optimization method and the particle swarm optimization method (PSO).
Besides, the multi-objective optimization problem will be built and
implemented in this study.
• Experimental self-sealing component for rotary shaft using MRF and
comparison with conventional seal (lip-seal).

v


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan là đây là công trình nghiên cứu của riêng tơi dưới sự hướng dẫn
của PGS.TS. Nguyễn Quốc Hưng. Các số liệu, kết quả trong Luận văn là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 08 năm 2022

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Hải Zy Zy

vi


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
TÓM TẮT .................................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................xv
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... xvi
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề .......................................................................................................1
1.2 Giới thiệu về lưu chất – MRF .........................................................................2
1.2.1 Thành phần chính của MRF ....................................................................2
1.2.2 Nguyên lý hoạt động của MRF ...............................................................4
1.2.3 Các chế độ làm việc và ứng dụng của MRF ...........................................4
1.3 Giới thiệu về nam châm vĩnh cửu ...................................................................6
1.3.1 Nam châm vĩnh cửu ................................................................................6
1.3.2 Vật liệu của nam châm vĩnh cửu .............................................................7
1.3.3 Thông số đặc trưng của nam châm .........................................................7
1.3.4 Các dạng của nam châm vĩnh cửu ..........................................................8
1.4 Giới thiệu về thiết bị chặn rò rỉ lưu chất trên trục quay đối với các thiết bị
chặn dầu truyền thống. ...................................................................................10
1.5 Tình hình nghiên cứu của thiết bị chặn rị rỉ hiện nay ..................................14
1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ..........................................................14

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .........................................................15
1.6 Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................22
1.6.1 Mục tiêu chung ......................................................................................22
1.6.2 Mục tiêu cụ thể ......................................................................................22
1.7 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................22
1.7.1 Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................22
1.7.2 Phạm vi nghiên cứu ...............................................................................23
1.8 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ...................................................23
1.8.1 Cách tiếp cận .........................................................................................23

vii


1.8.2 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................24
1.9 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài...........................................................................24
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..........................................................................25
Các đặc tính cơ bản của MRF .......................................................................25
Mơ hình tốn áp dụng cho MRF ...................................................................30
Tính tốn mơ men ma sát của thiết bị chặn rị rỉ dùng lưu chất - MRF ........31
Tính tốn áp suất làm việc tối đa của thiết bị chặn rò rỉ dùng lưu chất – MRF
.......................................................................................................................33
2.5 Phương pháp giải bài tốn từ của MRF ........................................................34
2.5.1 Phương pháp giải tích ...........................................................................34
2.5.2 Phương pháp phần tử hữu hạn ..............................................................35
2.6 Cơ sở tối ưu hóa ............................................................................................36
2.6.1 Phân loại các bài tốn tối ưu .................................................................37
2.6.2 Các phương pháp tối ưu ........................................................................37
2.1
2.2
2.3

2.4

CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ CHẶN RÒ RỈ TRÊN TRỤC QUAY SỬ DỤNG LƯU
CHẤT MR VÀ NAM CHÂM VĨNH CỬU ..............................................45
3.1 Cấu hình và nguyên lý làm việc của các thiết bị chặn rò rỉ trên trục quay sử
dụng lưu chất MR và nam châm vĩnh cửu .....................................................45
3.1.1 Cấu hình và nguyên lý của thiết bị chặn rò rỉ sử dụng lưu chất MR và
nam châm vĩnh cửu dạng hướng trục ....................................................45
3.1.2 Cấu hình và nguyên lý của thiết bị chặn rò rỉ sử dụng lưu chất MR và
nam châm vĩnh cửu dạng hướng kính ...................................................46
3.1.3 Cấu hình và ngun lý của thiết bị chặn rò rỉ sử dụng lưu chất MR và
chuỗi nam châm vĩnh cửu dạng Halbach ..............................................47
3.2 Phân tích mạch từ của thiết bị chặn rò rỉ sử dụng bằng lưu chất – MRF......49
3.3 Áp suất làm việc của các thiết bị chặn rò rỉ sử dụng lưu chất – MRF ..........51
3.4 Mô men ma sát của các thiết bị chặn rò rỉ sử dụng lưu chất – MRF ............53
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ TỐI ƯU CÁC THIẾT BỊ CHẶN RÒ RỈ TRÊN TRỤC
QUAY SỬ DỤNG LƯU CHẤT – MRF ...................................................55
4.1 Bài tốn tối ưu hóa đơn mục tiêu có ràng ḅc ............................................55
4.1.1 Phương pháp giải bài tốn tối ưu hóa bằng phương pháp First-Order .56
4.1.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa bằng phương pháp PSO (Particle
Swarm Optimization) ............................................................................66
4.1.3 So sánh hai phương pháp giải quyết bài toán tối ưu hóa đơn mục tiêu có
ràng ḅc ...............................................................................................74
4.2 Bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu có ràng ḅc ...............................................75

viii


4.2.1
4.2.2

4.2.3

Phương pháp giải bài tốn tối ưu hóa bằng phương pháp tổng trọng số
(Weighted sum method - WSM) ...........................................................76
Phương pháp giải bài tốn tối ưu hóa theo phương pháp MOPSO
(Multi-objective Particle Swarm Optimization) ...................................83
So sánh hai phương pháp giải quyết bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu có
ràng ḅc ...............................................................................................86

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC THIẾT BỊ CHẶN RÒ RỈ TRÊN
TRỤC QUAY SỬ DỤNG LƯU CHẤT MRF ..........................................88
5.1 Thiết kế và hồn thiện mơ hình thực nghiệm thiết bị chặn rò rỉ trên trục quay
dùng lưu chất – MRF .....................................................................................88
5.2 Xây dựng hệ thống thực nghiệm ...................................................................90
5.3 Các bước nghiệm đo mô men ma sát và áp suất làm việc tối đa của thiết bị
chặn rò rỉ trên trục quay dùng lưu chất – MRF..............................................91
5.3.1 Thực nghiệm đo mơ men ma sát của thiết bị chặn rị rỉ trên trục quay
dùng lưu chất – MRF ............................................................................91
5.3.2 Thực nghiệm đo áp suất làm việc tối đa của thiết bị chặn rò rỉ trên trục
quay dùng lưu chất – MRF....................................................................96
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................99
6.1 Kết luận .........................................................................................................99
6.2 Kiến nghị và hướng phát triển của đề tài ....................................................100
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ........................................................101
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................102
PHỤ LỤC ................................................................................................................102
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .......................................................107

ix



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Thành phần chính của MRF .........................................................................2
Hình 1.2 Các trạng thái của MRF ...............................................................................4
Hình 1.3 Chế đợ dịng chảy ........................................................................................5
Hình 1.4 Chế đợ trượt của MRF ................................................................................5
Hình 1.5 Chế đợ nén của MRF ...................................................................................6
Hình 1.6 Nam châm hướng trục .................................................................................8
Hình 1.7 Nam châm hướng kính ................................................................................9
Hình 1.8 Thiết bị chặn dầu (lip-seal) .......................................................................11
Hình 1.9 Cấu hình và nguyên lý của phốt chặn dầu lip-seal ....................................12
Hình 1.10 Hai loại phớt kín thường gặp ..................................................................12
Hình 1.11 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa ma sát tổn thất và đường kính trục quay
đến tốc đợ quay .........................................................................................14
Hình 1.12 Sơ đồ thực nghiệm kiểm tra khả năng làm kín khe hở giữa trục và vịng
đệm của buồng khí sử dụng lưu chất MRF ................................................16
Hình 1.13 Đặc tính của các lưu chất: 1= MRF; 2= FF .............................................16
Hình 1.14 Kích thước hình học của vịng đệm tác đợng tới áp śt tối đa ...............16
Hình 1.15 Ảnh hưởng cường đợ từ trường tác động đến mô men ma sát ứng với các
lưu chất tại số vịng quay xác định ............................................................17
Hình 1.16 Cấu hình chặn rị rỉ MRF cho trục quay của tàu .....................................18
Hình 1.17 Thiết bị làm kín trục quay sử dụng lưu chất MRF ..................................18
Hình 1.18 Mơ men ma sát của thiết bị chặn rị rỉ với chất lỏng từ tính khác nhau và
cùng tốc đợ quay là 100 vịng/phút ...........................................................19
Hình 1.19 Khả năng chặn rò rỉ của thiết bị chặn rò rỉ dùng MRF ...........................19

x


Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống chặn rị rỉ thơng minh dùng MRF ...........20

Hình 1.21 Thực nghiệm kiểm tra thiết bị chặn dầu bằng lưu chất MR: sơ đồ ngun
lý, mơ hình thực nghiệm ...........................................................................20
Hình 1.22 Mối quan hệ giữa áp suất làm việc tối đa và tốc đợ quay .......................21
Hình 1.23 Mối quan hệ giữa tốc độ quay và áp suất làm việc tối đa của thiết bị ....21
Hình 1.24 Sơ đồ thể hiện cách tiếp cận của nghiên cứu ...........................................23
Hình 2.1 Sơ đồ biến dạng của các hạt MRF ............................................................25
Hình 2.2 Quan hệ giữa B-H .....................................................................................27
Hình 2.3 Mơ hình dẻo Bingham và Newton ............................................................31
Hình 2.4 Mơ hình chặn rị rỉ MRF đơn giản .............................................................31
Hình 2.5 Minh họa tỉ lệ trượt của lưu chất MRF trong khe hở .................................32
Hình 2.6 Mơ hình tính áp śt của thiết bị chặn rị rỉ đơn giản ................................33
Hình 2.7 Biểu đồ đường cong B-H của vật liệu .......................................................35
Hình 2.8 Sơ đồ các phương pháp tối ưu hóa .............................................................38
Hình 2.9 Q trình thực hiện thuật tốn GD ............................................................39
Hình 2.10 Q trình cập nhật hạt của PSO trong khơng gian 2D .............................41
Hình 2.11 Sơ đồ giải thuật của phương pháp tối ưu hóa bầy đàn – PSO..................41
Hình 2.12 Minh họa về áp lực cần thiết để điều chỉnh các kết quả phát triển theo
hướng bề mặt Pareto (Pareto Front) ..........................................................44
Hình 2.13 Sơ đồ giải thuật của phương pháp MOPSO .............................................44
Hình 3.1 Cấu hình thiết bị chặn rị rỉ sử dụng lưu chất MR và nam châm vĩnh cửu
dạng hướng trục .........................................................................................46
Hình 3.2 Cấu hình thiết bị chặn rị rỉ sử dụng lưu chất MR và nam châm vĩnh cửu
dạng hướng kính ........................................................................................47
Hình 3.3 Chuỗi nam châm dạng Halbach ................................................................47

xi


Hình 3.4 Cấu hình thiết bị chặn rị rỉ sử dụng lưu chất MR và chuỗi nam châm vĩnh
cửu dạng hướng Halbach ...........................................................................48

Hình 3.5 Mơ hình phần tử hữu hạn để phân tích mạch từ dựa trên MRF .................50
Hình 3.6 Đường sức từ của các thiết bị chặn rò rỉ MRF ...........................................51
Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật tối ưu hóa bằng phương pháp First Order .....................57
Hình 4.2 Kết quả tối ưu của hai thiết bị chặn rị rỉ MRF ..........................................61
Hình 4.3 Cường độ từ trường của hai thiết bị chặn rị rỉ MRF tại thời điểm tối ưu .61
Hình 4.4 Cường độ từ trường dọc theo chiều dài khe hở MRF tại thời điểm tối ưu 62
Hình 4.5 Kết quả tối ưu của ba thiết bị chặn rò rỉ MRF ...........................................64
Hình 4.6 Cường đợ từ trường của ba thiết bị chặn rị rỉ MRF tại thời điểm tối ưu...65
Hình 4.7 Cường độ từ trường dọc theo chiều dài khe hở MRF tại thời điểm tối ưu 65
Hình 4.8 Sơ đồ giải thuật để giải quyết bài tốn tối ưu hóa của thiết bị chặn rò rỉ
bằng lưu chất – MRF sử dụng phương pháp PSO .....................................67
Hình 4.9 Kết quả tối ưu của hai thiết bị chặn rò rỉ MRF theo phương pháp PSO ....68
Hình 4.10 Các biến thiết kế thay đổi trong quá trình tối ưu theo phương pháp PSO
....................................................................................................................69
Hình 4.11 Cường độ từ trường của hai thiết bị chặn rò rỉ MRF tại thời điểm tối ưu
theo phương pháp PSO ..............................................................................69
Hình 4.12 Cường đợ từ trường của hai thiết bị chặn rò rỉ MRF dọc theo theo khe hở
MRF trong trường hợp PSO ......................................................................70
Hình 4.13 Kết quả tối ưu của ba thiết bị chặn rò rỉ MRF theo phương pháp PSO ...71
Hình 4.14 Các biến thiết kế thay đổi trong quá trình tối ưu theo phương pháp PSO
....................................................................................................................72
Hình 4.15 Cường đợ từ trường của các thiết bị chặn rị rỉ MRF tại thời điểm tối ưu
theo phương pháp PSO ..............................................................................73

xii


Hình 4.16 Cường đợ từ trường của ba thiết bị rò rỉ MRF dọc theo theo khe hở MRF
trong trường hợp PSO ................................................................................74
Hình 4.17 Hàm mục tiêu và ràng ḅc của hai thiết bị chặn rò rỉ MRF trong trường

hợp WSM ...................................................................................................78
Hình 4.18 Cường đợ từ trường của hai thiết bị chặn rò rỉ MRF tại thời điểm tối ưu
theo phương pháp WSM ............................................................................78
Hình 4.19 Cường đợ từ trường của hai thiết bị rò rỉ MRF dọc theo khe hở MRF
trong trường hợp WSM..............................................................................79
Hình 4.20 Hàm mục tiêu và ràng ḅc của ba thiết bị chặn rị rỉ MRF trong trường
hợp WSM ...................................................................................................80
Hình 4.21 Cường đợ từ trường của ba thiết bị chặn rò rỉ MRF tại thời điểm tối ưu
theo phương pháp WSM ............................................................................81
Hình 4.22 Cường đợ từ trường của ba thiết bị rò rỉ MRF dọc theo khe hở MRF trong
trường hợp WSM .......................................................................................82
Hình 4.23 Sơ đồ giải thuật để giải quyết bài tốn tối ưu hóa của các thiết bị chặn rò
rỉ MRF – sử dụng phương pháp MOPSO ..................................................83
Hình 4.24 Tập kết quả tối ưu (Pareto solutions) của hai thiết bị chặn rị rỉ MRF ....84
Hình 4.25 Tập kết quả tối ưu (Pareto solutions) của ba thiết bị chặn rị rỉ MRF ......85
Hình 5.1 Bản vẽ lắp và mơ hình 3D của thiết bị chặn rị rỉ MRF sử dụng nam châm
vĩnh cửu dạng hướng trục ..........................................................................88
Hình 5.2 Mơ hình thực thiết bị chặn rị rỉ MRF ........................................................89
Hình 5.3 Các chi tiết của thiết bị chặn rò rỉ MRF sử dụng nam châm vĩnh cửu dạng
hướng trục ..................................................................................................89
Hình 5.4 Mơ hình thực nghiệm 3D của thiết bị chặn rị rỉ MRF ..............................90
Hình 5.5 Mơ hình thực nghiệm của thiết bị chặn rị rỉ MRF ....................................91
Hình 5.6 Lưu chất MRF ............................................................................................91
Hình 5.7 Bơm MRF vào thiết bị chặn rò rỉ MRF......................................................92

xiii


Hình 5.8 Mơ hình thực nghiệm đo mơ men ma sát của thiết bị chặn rò rỉ MRF với
từng mức áp śt khác nhau (0÷40 bar) ....................................................92

Hình 5.9 Kết thực nghiệm mơ men ma sát tại tốc đợ 120 vịng/phút (P=0) .............93
Hình 5.10 Kết quả thực nghiệm đo mơ men ma sát với áp suất (P=0) .....................94
Hình 5.11 Kết quả thực nghiệm đô mô men với áp suất thay đổi (P=1÷9bar) ........95
Hình 5.12 Hiện tượng rị rỉ chất lỏng nền .................................................................96
Hình 5.13 Hiện tượng rị rỉ MRF ..............................................................................96
Hình 5.14 Hiện tượng rò rỉ MRF tại áp suất 28 bar ..................................................97

xiv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các vật liệu để sản suất nam châm .............................................................7
Bảng 1.2 Thông số đặc trưng của nam châm vĩnh cửu ..............................................7
Bảng 4.1 Kết quả tối ưu hóa đơn mục tiêu phương pháp First-order của hai thiết bị
chặn rò rỉ MRF ...........................................................................................62
Bảng 4.2 Kết quả tối ưu hóa đơn mục tiêu phương pháp First-order của ba thiết bị
chặn rò rỉ MRF ...........................................................................................66
Bảng 4.3 Kết quả tối ưu hóa đơn mục tiêu phương pháp PSO của hai thiết bị chặn rò
rỉ MRF ........................................................................................................70
Bảng 4.4 Kết quả tối ưu hóa đơn mục tiêu phương pháp PSO của ba thiết bị chặn rò
rỉ MRF ........................................................................................................74
Bảng 4.5 Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu phương pháp WSM của hai thiết bị chặn rò
rỉ MRF ........................................................................................................79
Bảng 4.6 Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu phương pháp WSM của ba thiết bị chặn rò
rỉ MRF ........................................................................................................82
Bảng 4.7: Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu phương pháp MOPSO của hai thiết bị
chặn rò rỉ MRF ...........................................................................................84
Bảng 4.8 Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu phương pháp MOPSO của ba thiết bị chặn
rò rỉ MRF ...................................................................................................86
Bảng 5.1 Kết quả đo áp śt tĩnh cho mơ hình thí nghiệm thiết bị chặn rò rỉ MRF .98


xv


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Thuật ngữ tiếng anh

Giải thích

ABC

Artificial Bee Colony

Giải thuật bầy ong nhân tạo

ACO

Ant Colony Optimization

Tối ưu hóa đàn kiến

APDL

Ansys Parameter Design

Ngơn ngữ thiết kế tham số ANSYS


Language

FEA

Finite Element Alogrithm

Phương pháp phần tử hữu hạn

FF

Ferro-magnet Fluid

Chất lỏng sắt từ

GA

Genetic algorithm

Giải thuật di truyền

GD

Gradient Descent

Phương pháp giảm độ dốc gradient

GUI

Graphical User Interface


Giao diện đồ họa cho người dùng

Multi-Objecitve Particle

Phương pháp tối ưu hóa bầy đàn đa mục

Swarm Optimization

tiêu

MRF

Magneto-rheological Fluid

Chất lỏng từ biến

NSGA-

Non dominated Sorting

Giải thuật di truyền sắp xếp không vượt

II,III

Genetic Algorithm-II,III

trội II,III

MOPSO


PSO

SPEA2

WSM

Particle Swarm

Phương pháp tối ưu háo bầy đàn

Optimization
Strength Pareto
Evolutionary Algorithm 2

Giải thuật tiến hóa bền vửng Pareto 2
Phương pháp tổng trọng số

Weight Sum Method

xvi


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng về khoa học và kỹ thuật đang
dần phát triển vượt bậc tạo điều kiện thuận lợi cho các thiết bị, máy móc ngày càng
phát triển. Trong các thành phần của các thiết bị, máy móc không thể thiếu đi sự

hiện diện của thiết bị chặn dầu để ngăn chặn sự rò rỉ của dầu nhớt và các lưu chất
làm việc ra mơi trường bên ngồi, cũng như ngăn chặn các tạp chất bên ngoài xâm
nhập vào bên trong các thiết bị máy móc. Vấn đề được đặt ra ở đây là các thiết bị
máy móc phát triển cũng cần phải phát triển các thiết bị chặn dầu mới để đáp ứng
tốt cho các thiết bị máy móc trên địi hỏi cao về điều kiện làm việc cao và chính xác
trong q trình làm việc. Hiện nay, các thiết bị chặn dầu đều là cơ cấu cơ khí truyền
thống như phốt chặn dầu cơ khí (mechanical seal), V-ring, O-ring, lip-seal,… Các
thiết bị đó vẫn cịn tồn tại một vài nhược điểm cố hữu, nguyên nhân chủ yếu là được
bắt nguồn từ sự mài mòn do ma sát giữa các thiết bị cơ khí của phốt chặn dầu truyền
thống và trục quay (hoặc bạc lót). Điều đó dẫn đến một số vấn đề phát sinh như sau.
Chẳng hạn như phát sinh nhiệt trong quá trình ma sát, tiêu hao năng lượng do ma
sát sinh ra và các thiết bị cơ khí của phốt chặn dầu dễ bị hư hỏng.
Trong một thập kỷ trở lại đây, chất lỏng từ tính (MRF – Magneto-rheological fluid)
là vật liệu vơ cùng tiềm năng trong tương lai đã thu hút được nhiều sự chú ý của các
nhà nghiên cứu và khoa học. Chúng đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực (quốc phịng, xây dựng, hàng khơng vũ trụ, cơ khí….). Ưu điểm chất
lỏng từ tính (MRF) là chất lỏng thơng minh có đợ nhớt có thể thay đổi cơ tính dưới
tác dụng của từ trường. Ở trạng thái khi khơng có từ trường đi qua các hạt từ tính
chuyển đợng tự do trong chất lỏng nền, đồng thời ứng xử lưu chất MRF tuân theo
ứng xử của lưu chất Newton. Ở trạng thái có từ trường đi qua các hạt từ tính làm
chúng bị từ hóa và liên kết lại với nhau và sắp xếp dọc theo các dạng phân bố của
các đường sức từ. Do đó, lưu chất biến đổi cơ tính (thái lỏng thành trạng thái rắn)
dưới tác dụng của từ trường, giúp ngăn chặn được dịng chảy. Vì thế, trong luận văn

1


này sẽ đề xuất và thiết kế thiết bị chặn rò rỉ sử dụng lưu chất – MRF nhằm mục đích
giảm ma sát và tăng áp suất làm việc của chúng so với thiết bị chặn rò rỉ truyền
thống.

1.2 Giới thiệu về lưu chất – MRF
Lưu chất từ biến (magneto-rheogical fluid- MRF) là một trong những chất lỏng
thông minh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau cũng như có rất
nhiều ứng dụng sử dụng lưu chất từ biến MRF cho các thiết bị, máy móc quan
trọng. Khi có tác đợng từ trường lưu chất MRF có sự thay đổi đáng kể trong trạng
thái lưu biến. Tính chất lưu biến của MRF gồm có ứng suất chảy dẻo, đợ nhớt và đợ
đơng đặc [1] [2]. Các tính năng này dễ dàng kiểm soát trong hầu hết các ứng dụng
vì chúng được cố định bởi mơi trường cụ thể. Trước tiên, chúng ta bắt đầu với sự
hình thành và quá trình ra đời của chất lỏng từ biến. Chất lỏng từ tính là mợt loại
chất lỏng thơng minh được phát hiện vào năm 1940 bởi J. Rabinow [3]. Tuy nhiên,
phải đến năm 1990, sau khi cải tiến và phát triển, chất lỏng MR mới có thể được
ứng dụng rợng rãi.
1.2.1 Thành phần chính của MRF
Mợt lưu chất tùy biến thơng thường có sự góp mặt của các hạt từ tính lơ lửng ở
trong chất lỏng tương thích chứa nó như là dầu khống, dầu tổng hợp, nước hoặc
etylene glycol. Lưu chất từ biến (MRF) thường có hai thành phần chính (chất lỏng
nền và hạt từ tính) và chất phụ gia:

Hình 1.1 Thành phần chính của MRF

2


• Chất lỏng nền
Chất lỏng nền là lưu chất không mang từ tính nơi mà trong đó các hạt kim loại lơ
lửng. Chất lỏng nền là chất bôi trơn tự nhiên và giảm độ lắng động của các hạt kim
loại trong MRF giúp quá.
Để vận dụng hết ưu thế của lưu chất MRF, chất lỏng nền phải có đợ nhớt thấp và
nhiệt đợ khơng đổi. Sự góp mặt của các hạt kim loại lơ lửng làm cho lưu chất nền
đặc hơn. Một số chất lỏng nền thường được sử dụng như là dầu khống, dầu

hydrocacbon và dầu silicon,… [4].
• Các hạt kim loại từ tính
Để lưu chất từ biến hoạt động một cách hiệu quả, các hạt kim loại lơ lửng phải bị
tác động bởi từ trường một cách nhanh chóng. Để làm được điều này, phải sử dụng
các hạt kim loại có từ tính. Các hạt kim loại có từ tính được sử dụng trong lưu chất
MR rất nhỏ, xấp xỉ từ 1μm tới 7μm. Thông thường các hạt kim loại thường được sử
dụng là sắt carbonyl, bột sắt hoặc hợp kim coban sắt. Các hạt kim loại của những
loại vật liệu này có khả năng bão hịa cao dẫn đến hình thành mợt chuỗi liên kết
vững chắc. Những loại hạt này có thể chiếm đến 50% trong chất lỏng nền [4], [5].
• Các chất phụ gia
Các chất phụ gia chính được thêm vào lưu chất MR để kiểm sốt những đặc tính
của nó. Những chất phụ gia này bao gồm cả hoạt chất bề mặt và chất ổn định. Hoạt
chất bề mặt làm giảm đi mật độ lắng đọng của các hạt kim loại. Chức năng của các
chất phụ gia này là để duy trì ma sát giữa các hạt kim loại và giữ được độ nhớt của
lưu chất trong điều khiển và giảm tỷ lệ lắng đọng của các hạt dẫn đến lưu chất bị
đông đặc do sử dụng trong thời gian dài. Vì vậy, những chất phụ gia này có thể làm
tăng chu kỳ làm việc của lưu chất MR. Những chất phụ gia thường hay sử dụng là
lithium stearate và oleate [6]. Bên cạnh đó, lưu chất MR cịn có thêm chất hoạt đợng
bề mặt, chúng thường thường chứa các hoạt chất bề mặt như: Axit Oleic,
Tetramethylammonium hydroxide, Axit Citric, Soy Lecithin [6].

3


1.2.2 Nguyên lý hoạt động của MRF
Ở trạng thái bình thường, khi khơng có từ trường tác dụng vào MRF, các hạt sắt từ
trong MRF chuyển động tự do và thể hiện các tính chất Newton giống như các chất
lỏng khác. Ở trạng thái có từ trường bên ngồi tác dụng, các hạt kim loại có từ tính
trong MRF sẽ liên kết lại và sắp xếp lại với nhau theo hình dạng của các đường sức
từ có khả năng chống lại sự phá vỡ liên kết. Độ bền của các liên kết phụ thuộc vào

độ lớn của từ trường bên ngồi tác dụng.

Hình 1.2 Các trạng thái của MRF
Ứng śt trượt (yield shear stress) là thơng số chính về lợi thế của chất lỏng MR và
suy ra từ đặc tính phi Newton của những chất lỏng đó. Khi dưới tác dụng của từ
trường, chất lỏng MR hoạt động tuân theo luật Bingham hoặc luật Herchel-Bulkley.
1.2.3 Các chế độ làm việc và ứng dụng của MRF
Đặc tính của MRF gồm có ba chế đợ làm việc chính của MRF đã được nghiên cứu
[7]: chế đợ dịng chảy (valve mode), chế đợ trượt (shear mode), chế đợ nén (squeeze
mode).
Chế độ dịng chảy: ứng dụng của chế đợ dịng chảy là dùng để thiết kế van MRF.
Trong đó, nơi dịng chảy của lưu chất MR được bố trí ở giữa các tấm khơng chuyển
đợng như trong Hình 1.3a, cho thấy khi mà có từ trường tác dụng vng góc với
hướng của dịng chảy, sẽ giúp biến đổi tính chất lưu biến của MRF mà điều khiển
được dịng chảy như mong muốn. Vì vậy, biên dạng vận tốc của chất lưu chất MR

4