Đề tài Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy rửa sử dụng sóng siêu âm dùng trong công nghiệp (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy rửa sử dụng sóng siêu âm dùng trong công nghiệp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy rửa sử dụng sóng siêu âm dùng trong công nghiệp MÃ SỐ: B 2009 - 22 - 47 TĐ ChỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: TS. NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG S K C 0 0 3 2 0 3 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02/2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp. HỒ CHÍ MINH -- BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY RỬA SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP (Mã số: B2009-22-47 TĐ) Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Ngọc Phương T.P Hồ Chí Minh 2.2011
3. MỤC LỤC Danh sách những người tham gia thực hiện i Danh mục hình vẽ v Danh mục bảng biểu ix Danh mục các từ viết tắt x Thông tin kết quả nghiên cứu xi PHẦN I MỞ ĐẦU 1 I.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 I.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3 I.3 Cơ sở lý thuyết làm sạch dùng sóng siêu âm 4 I.3.1 Sóng siêu âm 4 I.3.1.1 Định nghĩa sóng siêu âm 4 I.3.1.2 Đặc điểm sóng siêu âm 4 I.3.1.3 Các đại lượng đặc trưng 5 I.3.2 Lý thuyết làm sạch dùng sóng siêu âm 5 I.3.2.1 Giới thiệu 5 I.3.2.2 Nguyên lý rửa dùng sóng siêu âm 6 I.3.2.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất rửa 7 I.3.2 Các thành phần trong máy rửa siêu âm 10 I.4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 10 I.5 Phương pháp nghiên cứu 17 I.6 Mục tiêu đề tài 18 I.7 Phạm vi của đề tài 18 PHẦN II NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 18 II.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống rửa 19 II.1.1 Phương án 1 19 II.1.2 Phương án 2 21 II.1.3 Phương án 3 22 II.1.4 So sánh lựa chọn phương án 23 II.2 Thiết kế, tính toán phần cơ khí 24 Trang ii
4. II.2.1 Tính toán thiết kế thanh đỡ đường ray 27 II.2.2 Tính toán thiết kế thanh đỡ thùng dưới 31 II.2.3 Tính toán thiết kế thanh giằng chính 35 II.2.4 Tính toán thiết kế chân đỡ 38 II.2.5 Tính toán thiết kế các thùng rửa 42 II.2.6. Tính toán mối ghép bulông 46 II.2.7 Tính toán thiết kế hệ thống rung 46 II.2.7.1 Tính toán các thông số đầu vào của bộ truyền động 47 II.2.7.2 Tính toán hệ dẫn động xích 52 II.2.8 Tính toán thiết kế trục 62 II.2.9 Tính toán chọn ổ lăn 64 II.2.10 Tính toán thiết kế robot 66 II.2.10.1 Nguyên lý hoạt động 66 II.2.10.2 Thiết kế phương trình động học cho robot 66 II.2.10.3 Tính toán thiết kế bộ truyền xích cho trục truyền động 71 II.2.10.4 Tính toán thiết kế bộ truyền xích cho tay gắp 78 II.2.11 Tính toán bố trí chấn tử 80 II.2.11.1 Sắp xếp vị trí các biến tử siêu âm 80 II.2.11.2 Cơ sở giao thoa sóng 80 II.2.11.3 Yêu cầu của quy trình công nghệ 83 II.2.11.4 Các kết quả thực nghiệm thăm dò khoảng cách tác động 83 II.3 Chế tạo và lắp ráp phần cơ khí 86 II.3.1 Chế tạo 86 II.3.2 Lắp ráp phần cơ khi 88 II.4 Thiết kế phần điều khiển 92 II.4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 92 II.4.2.Thiết kế bộ phát sóng 93 II.4.3 Thiết kế mạch điều khiển 98 II.5 Chế tạo và lắp ráp phần điều khiển 100 II.6 Kết quả thí nghiệm rửa các mẫu chi tiết 101 Trang iii
5. PHẦN III KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 104 III. 1 Kết quả 104 III.2 Kiến nghị 105 Tài liệu tham khảo 106 PHỤ LỤC: 1. Hướng dẫn sử dụng hệ thống rửa bằng sóng siêu âm 108 2. Bản vẽ kỹ thuật của hệ thống và chi tiết 3. Các bài báo 4. Minh chứng đào tạo 5. Đánh giá Doanh nghiệp 6. Bản sao thuyết minh đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ đã được phê duyệt Trang iv
6. PHẦN I MỞ ĐẦU I.1 Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, trong các ngành sản xuất công nghiệp, trong lĩnh vực y tế, dân dụng các thiết bị làm sạch có vai trò quan trọng. Các phương pháp làm sạch cổ điển như sử dụng tay kết hợp các loại dung dịch không đảm bảo độ sạch của các chi tiết cần làm sạch đặc biệt đối với chi tiết có kết cấu phức tạp, có độ bám dính tạp chất cao. Làm sạch bằng phương pháp điện phân đang được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xi mạ, đặc điểm của phương pháp này đơn giản dể sử dụng nhưng năng lượng tiêu hao khá lớn, bề mặt chi tiết sẽ không còn nguyên vẹn khi thời gian rửa cao (do sự ăn mòn trong quá trình điện phân). Nguồn điện Bề mặt chi tiết bị bám bẩn và oxy hóa Dung dịch rửa Trước khi rửa Sau khi rửa Kim loai gốc Hình I.1 Sự ăn mòn trong phương pháp rửa bằng điện phân Làm sạch bằng phương pháp phun nước áp lực lớn cũng được sử dụng nhiều trong công nghiệp. phương pháp này dể sử dụng nhưng không thể làm sạch được các chi tiết có bề mặt phước tạp. Trang 1
7. Kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu về công nghệ làm sạch được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị tẩy rửa với hiệu quả cao, tốc độ nhanh mà các phương pháp khác không đáp ứng được. Hình I.2 Các chi tiết cần rửa có hình dạng phức tạp Thống kê cho thấy các phương pháp tẩy rửa thông thường độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 70%. Rửa bằng phương pháp rung độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 50%.Khi rửa chi tiết bằng tay độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 20%. Trong phương pháp tẩy rửa bằng sóng siêu âm độ bẩn chỉ còn lại dưới 5% . Hình I.3 Ví dụ rửa đai ốc bằng siêu âm Hình I.4 Hình ảnh trước và sau khi rửa của chi tiết Trang 2
8. Những ưu điểm nổi bật ấy của kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm là cơ sở chính để nhóm nghiên cứu công nghệ rửa dùng sóng siêu âm phục vụ trong công nghiệp, ứng dụng tẩy dầu mỡ, bụi . , hy vọng trong tương lai nhóm sẽ cho ra những sản phục vụ tẩy rửa các chi tiết có bề mặt phức tạp. I.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Với xu hướng sử dụng những công nghệ không gây ô nhiễm môi trường, không gây ra tác động độc hại đến sức khoẻ con người như hiện nay, các thiết bị tẩy rửa sử dụng sóng siêu âm là lựa chọn hàng đầu trong lĩnh vực làm sạch ở các ngành công nghiệp. Máy rửa siêu âm sẽ thay thế cho các phương pháp tẩy rửa truyền thống sử dụng các dung dịch tẩy rửa công nghiệp có thành phần hoá học gây độc hại cho môi trường và cho sức khoẻ con người. Việc sử dụng năng lượng sóng siêu âm sẽ mang lại hiệu quả tẩy rửa vượt trội hơn so với các dung dịch tẩy rửa trước đây đặc biệt đối với các vật thể có kích thước nhỏ và hình dạng phức tạp. Khoa học về sóng siêu âm không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực tẩy rửa mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như: kiểm tra chất lượng sản phẩm, hệ thống phát hiện di động, đo khoảng cách, đo lưu lượng Vì thế đề tài cũng là bước khởi đầu để nhóm nghiên cứu tiếp cận với một ngành khoa học đầy tiềm năng phát triển và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực đời sống cũng như tích luỹ được những kiến thức, kinh nghiệm bổ ích. Ưu thế của việc sử dụng công nghệ làm sạch bằng sóng siêu âm:  Tính kinh tế: - Sử dụng công nghệ làm sạch bằng sóng siêu âm thường xuyên sẽ tiết kiệm tiền. - Vật liệu được làm sạch sẽ kéo dài lâu hơn do ảnh hưởng của sóng siêu âm, do đó làm giảm phụ tùng thay thế. - Quá trình làm sạch nhanh hơn giảm thời gian nghỉ trong sản xuất.  Thân thiện với môi trường: Trang 3
9. - Phương thức làm sạch bằng sự biến hóa sinh học được sử dụng thay vì các dung chất độc hại đối với sinh thái. - Các bộ lọc và tách dầu làm giảm lượng tiêu thụ hóa chất và nước thải.  Hiệu quả: - Độ sạch cao. - Vật liệu sau khi làm sạch bằng sóng siêu âm không cần lau chùi lại. - Không phá hủy vật liệu và bề mặt chi tiết. - Có thể làm sạch tất cả sản phẩm dưới mọi hình dáng.  Dễ sử dụng I. 3 Cơ sở lý thuyết làm sạch dùng sóng siêu âm I.3.1 Sóng siêu âm I.3.1.1 Định nghĩa sóng siêu âm Sóng âm là dao động của các hạt của các chất rắn, chất lỏng và chất khí; đó là các chất đàn hồi. Nói một cách khác sóng âm thanh là một sóng đàn hồi lan truyền trong môi trường đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền được sóng âm thanh. Tuỳ theo dải tần người ta phân chia sóng đàn hồi thành các vùng sau: - Vùng hạ âm có tần số từ 1Hz đến 20Hz. - Vùng âm tần có tần số từ 20hz đến 20kHz. - Vùng siêu âm có tần số từ 20kHz đến 100MHz - Vùng cực siêu âm có tần số > 100MHz. Mặc dù có cùng bản chất là sóng đàn hồi nhưng do có tần số khác nhau nên có các ứng dụng khác nhau. I.3.1.2 Đặc điểm sóng siêu âm Trang 4
10. Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm (chẳng hạn với cùng một biên độ dao động , năng lượng sóng tại tần số 1MHz lớn gấp 106 lần năng lượng sóng tại tần số 1KHz). Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên có tính định hướng cao. Lợi dụng tính chất này người ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lượng lớn trên một diện tích hẹp. Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm thực xảy ra trong chất lỏng. Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng. I.3.1.3 Các đại lượng đặc trưng - Chu kỳ T là khoảng thời gian thực hiện 1 nén và 1 giãn, tính bằng giây. - Tần số f (Hz): số chu kỳ thực hiện được trong một giây. - Vận tốc truyền âm (m/s) là quãng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian. - Độ dài bước sóng λ(m) là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng một chu kỳ: λ = vT=v/f - Sóng siêu âm ứng dụng tảy rửa trong công nghiệp có tần số từ 20 KHz đến 50 MHz. I.3.2 Lý thuyết làm sạch dùng sóng siêu âm I.3.2.1 Giới thiệu Làm sạch bằng sóng siêu âm chính là việc sử dụng tần số sóng âm thanh cao (trên phạm vi thính giác của con người thường từ 20 – 40 khz) để loại bỏ các chất bẩn bám dính vào chi tiết. Sóng siêu âm tạo ra một áp lực đủ mạnh để loại bỏ các chất bẩn có độ bám dính cao nhưng vẫn đủ nhẹ để không làm tổn hại đến chi tiết cần làm sạch. Các chất bẩn có thể là dầu mỡ, bụi bẩn Vật liệu làm sạch bao gồm kim loại, thủy tinh, gốm sứ, nhựa Việc sử dụng sóng siêu âm để tẩy rửa ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì nó đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với các phương pháp tẩy rửa truyền thống. Sử dụng sóng siêu âm để tẩy rửa có thể rửa những chi tiết phức tạp, những chi tiết nhỏ mà các phương Trang 5
11. pháp truyền thống rửa rất khó khăn chính vì vậy sóng siêu âm ngày càng được ứng dụng rộng rãi như trong nghành công nghiệp tẩy rửa, công nghiệp mạ, công nghiệp ô tô, công nghiệp máy bay I.3.2.2 Nguyên lý rửa dùng sóng siêu âm Là do dưới tác dụng của sóng siêu âm, dung dịch rửa lúc bị ép lại đặc hơn, lúc bị dãn ra loãng hơn. Do dung dịch rửa không chịu nổi lực kéo nên khi bị kéo ra loãng hơn đã tạo thành những chỗ trống, sinh ra rất nhiều bọt không khí nhỏ. Trong quá trình chuyển động hỗn loạn các bọt khí kết hợp tạo nên những bọt khí có kích thước lớn hơn. Khi đạt đến một giới hạn nào đó sự chênh lệch áp suất đủ lớn bọt khí sẽ bị vỡ tung ra thành nhiều hạt nhỏ tạo nên sức va đập mạnh và áp suất lớn gần 1000 bar, kèm theo nhiệt độ trong chất lỏng tăng dần. Những bọt khí nhỏ này trong nhanh chóng sẽ vỡ tan ra. Quá trình vỡ bọt sinh ra những luồng sóng xung kích nhỏ rất mạnh, được gọi là “Hiện tượng tạo chân không” Hình I.5 Quá trình hình thành và phá vỡ của bọt khí Trang 6
12. Do tần số của sóng siêu âm rất cao, những bọt không khí nhỏ luân phiên xuất hiện, mất đi vô cùng nhanh chóng. Sóng xung kích mà chúng tạo ra giống như muôn nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình rất nhanh và rất mạnh lan tới, chải quét mọi xó xỉnh của chi tiết. Nếu chi tiết cần tẩy rửa được đặt trong dung dịch tẩy rửa thích hợp cùng với sự kích thích sóng siêu âm dưới sự tác dụng của hiện tượng xâm thực sóng như đã nêu trên thì các chất bẩn bám trên bề mặt chi tiết sẽ được tách ra và kết tủa lại. Chất bẩn Dung dịch Tẩy rửa Chi tiết cần làm sạch Chất bẩn được Các bọt khí tách ra khỏi chi của hóa chất tiết cần được làm chuyển động sạch và kết tủa lại hổn độn va chạm vào chất bẩn làm chất bẩn được tách ra khỏi chi tiết Hình I.6 Hiện tượng vật lý của quá trình tẩy rửa bằng sóng siêu âm I.3.2.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất rửa a. Sóng siêu âm Tùy theo đối tượng rửa mà tần số của sóng được chọn cho phù hợp trong khoảng từ 20Khz đến 40Khz b. Nhiệt độ Cường độ tẩy rửa cũng phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch. Khi nhiệt độ dung dịch quá cao thì áp suất khí trong bọt khí tăng làm giảm lực va đập trong quá trình xâm thực. Trang 7
13. Sóng Nhiệt độ siêu âm Thời gian Hóa chất rửa Hình I.7 Các yếu tố chính của quá trình rửa bằng sóng siêu âm Nếu nhiệt độ dung dịch quá thấp thì trên bề mặt của chi tiết sẽ xuất hiện sự ngưng tụ chất lỏng có khả năng ăn mòn chi tiết. Thông thường nhiệt độ dung dịch được ấn định trong khoảng từ 30 -50 0C, nói chung nhiệt độ dung dịch được điều chỉnh cho phù hợp với từng loại chi tiết. c. Hóa chất Hóa chất đóng vai trò rất quan trọng , liên quan đến chất lượng và thời gian của việc rửa chi tiết d. Thời gian mỗi loại chất bẩn, tùy theo kích thước chi tiết, tùy theo lượng bẩn bám trên chi tiết mà Trang 8