nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy rửa sử dụng sóng siêu âm dùng trong công nghiệp

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 d

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: B2009-22-47 TĐ

S 0 9

S KC 0 0 3 2 0 3

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:

Chủ nhiệm đề tài:

TS Nguyễn Ngọc Phương

T.P Hồ Chí Minh 2.2011

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY RỬA SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP

(Mã số: B2009-22-47 TĐ)

MỤC LỤC

II.2.1 Tính toán thiết kế thanh đỡ đường ray 27

PHẦN III KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 104

PHỤ LỤC:

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

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)

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

Nguồn điện

Dung dịch rửa

Bề mặt chi tiết bị bám bẩn và oxy hóa

Trước khi rửa

Sau khi rửa

Kim loai gốc

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

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:

- 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:

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

Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm (chẳng hạn với cùng một biên độ

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

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

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

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

Chi tiết cần làm sạch

Chất bẩn

Dung dịch Tẩy rửa

Các bọt khí của hóa chất chuyển động hổn độn va chạm vào chất bẩn làm chất bẩn được tách

ra khỏi chi tiết

Chất bẩn được tách ra khỏi chi tiết cần được làm sạch và kết tủa lại

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

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

Sóng

Thời gian rửa Hóa chất

chúng ta có thời gian rửa phù hợp

Bảng I.1 Một số dung dịch tẩy rửa thông dụng

(gam/lit)(%)

Nhiệt độ

0C

5 – 25 g/l

rất bẩn Thủy tinh lỏng

20 g/l

30 g/l

rất bẩn

rất bẩn

5 g/l

5 g/l

rất bẩn

40%

10%

50%

HCl

4%

9%

13%

74%

Niken, Modiplen

Rửa các chi tiết rất bẩn

NaOH

NaF

100 g/l

50 g/l

40 –

của nhôm

I.3.3 Các thành phần trong máy rửa dùng sóng siêu âm

Hình I.8 Các thành phần trong máy rửa dùng sóng siêu âm

Bồn dựng dung môi: bồn dựng dung môi phải cứng vững, vật liệu làm bồn phải không bị

hóa chất ăn mòn, chịu nhiệt, vật liệu Inox thường được sử dụng để làm bồn rửa, vì hiệu suất truyền sóng tốt có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn cao

Chấn tử dao động: Thường được làm từ các kim loại có tính từ giảo (dưới tác dụng của

điện trường hoặc từ trường chúng thay đổi kích thước), các vật liệu làm chấn tử dao động

có thể là sắt, nikel, cobal và các hợp kim của chúng

Máy phát cao tần: Có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu doa động có tần số nằng trong dãi tần của

sóng siêu âm, máy phát cao tần thường sử dụng các linh kiện điện tử chuyên dụng

I 4 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Hiện nay, có rất nhiều hãng trên thế giới chế tạo ra thiết bị rửa dùng sóng siêu âm phục vụ cho công nghiệp và dân dụng… ví dụ:

a Dây chuyền rửa bằng sóng siêu âm của hãng OMEGASONIC

Dây chuyền này vật liệu làm dùng Inox 304 có nhiều bể chia ra thành 6 công đoạn

- Cộng đoạn 1: Cấp phôi dùng băng chuyền

Bồn dung môi gia nhiệt

Chấn tử dao động

Máy phát cao tần