Đang tải... (xem toàn văn)
Bài báo này trình bày về nghiên cứu chế tạo thử nghiệm đầu rung bằng hợp kim nhôm cho máy khuấy ứng dụng công nghệ siêu âm thay thế cho đầu rung bằng hợp kim Titan.
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ĐẦU RUNG BẲNG HỢP KIM NHÔM CHO MÁY KHUẤY SIÊU ÂM A STUDY ON DEVELOPING THE ALUMINIUM ALLOY HORN FOR ULTRASONIC HOMOGENIZER TRẦN THẾ NAM*, LÊ ĐĂNG KHÁNH Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: ledangkhanh@vimaru.edu.vn Tóm tắt Máy khuấy siêu âm thiết bị dùng để hòa trộn hỗn hợp chất lỏng - chất lỏng, chất lỏng - chất rắn hiệu Quá trình hịa trộn siêu âm q trình học để giảm kích thước hạt phân bố chất hỗn hợp chất lỏng Trong máy khuấy siêu âm, đầu rung đóng vai trị quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm khả công nghệ Đầu rung thiết kế tùy thuộc vào ứng dụng Mỗi máy khuấy trang bị nhiều đầu rung khác tùy theo mẫu khuấy khác Đầu rung chế tạo từ hợp kim Titan có đặc tính kỹ thuật tốt Tuy nhiên giá thành hợp kim Titan cao so với vật liệu khác thép, nhơm Bài báo trình bày nghiên cứu chế tạo thử nghiệm đầu rung hợp kim nhôm cho máy khuấy ứng dụng công nghệ siêu âm thay cho đầu rung hợp kim Titan which can be an option for replacing the titanium alloy horn Keywords: Ultrasonic homogenizers, sonotrode, aluminum alloy horn/ Giới thiệu Nguyên lý khuấy siêu âm thể Hình Nguồn phát siêu âm nhận nguồn điện xoay chiều 220V/50Hz biến chúng thành dao động điện tần số siêu âm (20, 30, 40,… kHz) Dao động truyền tới chuyển đổi gốm áp điện, giúp chuyển đổi dao động điện thành dao động tần số Biên độ dao động đầu chuyển đổi khuyếch đại qua khuyếch đại (booster) truyền đến đầu rung (horn) Dao động với tần số siêu âm đầu rung truyền tới chất lỏng cần khuấy Dưới tác dụng dao động siêu âm thành phần chất lỏng, chất rắn hỗn hợp cần khuấy chia nhỏ, hịa trộn, khuếch tán vào Từ khóa: Máy khuấy siêu âm, đầu rung/thanh rung, hợp kim nhôm Abstract Ultrasonic homogenizers are powerful tools to mix and homogenize solid - liquid and liquid liquid suspensions Ultrasonic homogenization is a mechanical process to reduce particles in a liquid so that they become uniformly small and evenly distributed In The ultrasonic homogenizers, homogenizing tool called a sonotrode/horn, is very important part which directly affect to mixing or homogenization quality The horn is designed depending on certain application A homogenize can be equipped with a several horns for many cases of working The ideal material for manufacturing horn is titanium alloy However, Titanium alloy is more expensive than iron or aluminum alloy This paper will present a study on developing the aluminum alloy horn for ultrasonic homogenizers SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Hình Nguyên lý khuấy siêu âm Hình Các dạng đầu rung siêu âm Đầu rung chi tiết tiếp xúc trực tiếp truyền dao động học từ máy khuấy siêu âm vào dung dịch cần khuấy Tùy thuộc vào ứng dụng mà đầu rung chế tạo theo kích thước hình dạng khác 91 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Hình Đầu rung vật liệu tiêu hao, thường thay sau khoảng tháng đến năm hoạt động Vật liệu chế tạo đầu rung thường hợp kim titan Chế tạo đầu rung 2.1 Lý thuyết thiết kế đầu rung Nhiệm vụ đầu rung siêu âm khuếch đại biên độ dao động đến mức độ phù hợp bề mặt làm việc Đồng thời truyền lượng học từ hệ transducer/bộ chuyển đổi booster/bộ khuếch đại (nếu có) đến bề mặt làm việc Khi hoạt động phân tử đầu rung co giãn theo trục với tần số dao động tự nhiên Vì chuyển đổi, khuếch đại đầu rung cần phải cộng hưởng với Tần số dao động tự nhiên đầu rung phụ thuộc vào chiều dài tính theo cơng thức sóng (1), sau [1-3]: l= c = fn fn E = 2l r (1) Trong đó, l chiều dài đầu rung, λ bước sóng, fn tần số dao động tự nhiên, c vận tốc truyền sóng, E ρ mô đun đàn hồi khối lượng riêng vật liệu làm đầu rung tương ứng lớn 65 µm, trục tung biểu diễn tỉ số biên độ dao động dọc trục điểm đầu rung với biên độ lớn Kết mơ Hình cho thấy mẫu thiết kế đầu rung vật liệu nhôm A7075 đáp ứng yêu cầu dao động làm việc Trong phần mềm CARD, tần số đầu rung điều chỉnh cách điều chỉnh thông số cộng hưởng như: chiều dài, chiều dày đường kính, vị trí bán kính chuyển tiếp Ngồi ra, CARD tự động điều chỉnh tăng giảm thiểu ứng suất Dựa vào thông số đầu vào phần mềm CARD tính tốn theo mặt cắt ngang dọc trục dao động để đưa kích thước chiều dài đầu rung phù hợp với tần số cộng hưởng hệ Hình kết mô CARD ứng suất dọc trục đầu rung Ứng suất tới hạn khe ứng suất tới hạn bo tròn xác định liệu đầu vào vật liệu, kích thước đầu rung, tần số làm việc, Ứng suất dọc trục đầu rung phải nhỏ ứng suất tới hạn để tránh tượng nứt, phá hủy đầu rung làm việc Trong Hình 5, ứng suất dọc trục, đặc biệt vị trí có khe hở (điểm có chiều dài 30 121,6mm) có thay đổi tiết diện (từ 60 đến 90mm), điều chỉnh lựa chọn thỏa mãn nhỏ ứng suất tới hạn 2.2 Kết thiết kế Tính tốn kích thước xác đầu rung vơ quan trọng Kích thước đầu rung ln bội số nửa bước sóng Trong nghiên cứu này, đầu rung dạng bước, Hình 3, thiết kế chế tạo sử dụng hợp kim nhôm A7075 với thông số công nghệ như: tần số làm việc 20kHz, biên độ dao động 65µm, hệ số khuếch đại 2,5 diện tích làm việc hình trịn bán kính 15mm Biên độ dao động dọc trục đầu rung phần mềm CARD (Computer Aided Resonator Design) mô Hình Hình Phân bố dao động dọc trục đầu rung Hình Biên dạng đầu rung thiết kế Dao động dọc trục đầu rung bao gồm dao động nén dao động dãn Trong kết mô phỏng, chọn điểm số làm gốc, điểm gốc lắp ghép chi tiết, dao động toàn đầu rung biểu diễn Hình Ở biên độ điểm 92 Hình Phân bố ứng suất dọc trục đầu rung SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Thơng thường đầu rung chế tạo từ vật liệu tiêu chuẩn hợp kim titan Trong nghiên cứu nhóm tác giả chọn hợp kim nhơm A7075 với đặc tính Bảng Bảng [4] Bảng Thành phần hóa học nhơm A7075 Hình Máy khuấy siêu âm 20kHz với khuôn hàn Bảng Mẫu 01: Hỗn hợp nước trà - Dầu diesel Bảng Đặc tính lý nhơm A7075 Bảng Mẫu 02: Hỗn hợp Sữa tắm - Sữa cam - Dầu diesel Các kết mô CARD cho thấy đầu rung hợp kim nhơm 7075 hồn tồn sử dụng làm đầu rung cho máy khuấy siêu âm thay đầu rung hợp kim titan số ứng dụng khuấy siêu âm [2] Từ kết tính tốn, mơ lựa chọn vật liệu, phôi tiền hành phay, mài mạ để thu đầu rung Hình Hình Đầu rung sau gia công 2.3 Kết thực nghiệm Các mẫu khuấy dụng cụ khuấy học 05 phút (300 giây), mẫu khuấy siêu âm khuấy 15 giây (mẫu 01) 20 giây (mẫu 02) Từ mẫu thí nghiệm dễ dàng để đánh giá mắt thường hiệu khuấy máy siêu âm trội nhiều so với phương pháp khuấy dụng cụ khuấy thơng thường thời gian lẫn độ hịa tan Sau khuấy từ 5-10 phút mẫu khuấy thông thường bị tách pha trở lại mẫu khuấy máy siêu âm không tách pha sau 25 ngày bắt đầu có tượng tách pha Đầu rung sau gia công lắp đặt thử nghiệm máy khuấy Công ty TNHH Mecstech Vina, Hình Kết luận Tiến hành khuấy trộn máy khuấy thực tế, so sánh kết khuấy trộn hỗn hợp chất lỏng máy khuấy siêu âm với phương pháp khuấy trộn truyền thống Từ cho thấy điểm vượt trội phương pháp khuấy trộn siêu âm Trong thí nghiệm có 02 mẫu hỗn hợp chất lỏng khuấy, kết tóm tắt Bảng Bảng Bài báo tổng hợp kiến thức nguyên lý hoạt động, ứng dụng công nghệ khuấy siêu âm; đưa phương pháp thiết kế đầu rung Các tác giả sử dụng phần mềm CARD để thiết kế chế tạo đầu rung hợp kim nhôm A7075 Đầu rung gia công thử nghiệm số mẫu hỗn hợp dung dịch cho kết tốt vượt trội so với khuấy thủ công thời gian SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 93 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 chất lượng dung dịch thu Kết hướng đến việc sản xuất nội địa hóa sản phẩm đầu rung siêu âm với vật liệu thay hợp kim nhôm A7075 Đồng thời nghiên cứu chế tạo ứng dụng khác khuấy siêu âm như: - Chế tạo hòa trộn nhiên liệu online cho động diesel sử dụng nhiên liệu hỗn hợp; - Chế tạo máy pha chế siêu âm; - Máy trích ly sử dụng công nghệ siêu âm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Khiếu Hữu Triển, Lê Đăng Khánh, Phạm Duy Thuyến, Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm khuôn hàn thép cho máy hàn nhựa nhiệt dẻo công nghệ siêu âm, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, (Số 55), tr.31-36, 2018 94 [2] S Sherrit, P Dolgin and Y Bar-Cohen, Modeling of Horns for Sonic/Ultrasonic Applications, IEEE Proceedings of Ultrasonics Symposium, Vol.1, pp 647-651, 1999 [3] Zainal AmbriAbdul Karim and Co., The characteristics of water-in-biodiesel emulsions produced using ultrasonic homogenizer, Alexandria Engineering Journal, Vol.59, Issue 1,, pp.227-237 February 2020 [4] Đặc tính Nhơm 7075, Cơng ty TNHH Thép H&D, http://www.hdsteel.com.vn/ Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 30/6/2021 05/8/2021 22/8/2021 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) ... Hỗn hợp Sữa tắm - Sữa cam - Dầu diesel Các kết mô CARD cho thấy đầu rung hợp kim nhơm 7075 hồn tồn sử dụng làm đầu rung cho máy khuấy siêu âm thay đầu rung hợp kim titan số ứng dụng khuấy siêu âm. .. Hình Đầu rung vật liệu tiêu hao, thường thay sau khoảng tháng đến năm hoạt động Vật liệu chế tạo đầu rung thường hợp kim titan Chế tạo đầu rung 2.1 Lý thuyết thiết kế đầu rung Nhiệm vụ đầu rung siêu. .. nội địa hóa sản phẩm đầu rung siêu âm với vật liệu thay hợp kim nhôm A7075 Đồng thời nghiên cứu chế tạo ứng dụng khác khuấy siêu âm như: - Chế tạo hòa trộn nhiên liệu online cho động diesel sử