5. Cấu trúc luận văn
2.2. Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Hệ thống thiết bị thí nghiệm theo hình vẽ gồm 3 phần chính : - Thiết bị tạo áp
(H2.2) Hệ thống thiết bị thí nghiệm 2.2.1. Thiết bị tạo áp
Thiết bị tạo áp trong hệ thống thiết bị thí nghiệm là bơm 3 pit tông, đường kính xi lanh 15mm của hãng Hammelmann – CHLBĐ. Bơm được hoạt động nhờ động cơ điện công suất 55 KW với số vòng quay lớn nhất là 200Mpa và lưu lượng là 12 lít/phút. Áp suất bơm được đặt trực tiếp qua bảng điều khiển trên bơm, tín hiệu
được chuyển qua bộ biến tần thay đổi tốc độ quay mô tơ và tạo ra áp suất mong
muốn. Ngoài ra bơm được nối với hệ thống điều khiển giúp ta có thể điều khiển, đặt áp suất tại vị trí thí nghiệm, vì trong phòng thí nghiệm bơm thường được bố trí cách xa vị trí là thí nghiệm để tránh ồn.
(H2.3) Bơm cao áp hãng Hammelmann – CHLB Đức
(H2.4) Bơm cao áp của Mỹ
Hệ thống truyền động trục khuỷu cũng là phát minh riêng trong thiết kế bơm của hãng Hamelmann, hệ thống bánh răng truyền nghiêng làm giảm tối thiểu lực dọc trục trong truyền động đảm bảo chính xác và tuổi thọ cho bơm. Hai đầu trục khuỷu được bố trí 2 ổ đỡ tạo ra tải trọng đồng đều cả 2 bên (H2.5)
(H2.5) Hệ thống trục khuỷu
Đặc biệt trong kết cấu của bơm Hammelmann là đầu bơm được thiết kế ít chi tiết, ít sử dụng đến gioăng qua đó giảm thiểu các chi tiết mài mòn, đảm bảo tuổi thọ cho bơm và độ chính xác bền vững (H2.6).
(H2.6) Đầu bơm
Kết cấu thanh gioăng dầu bơm dễ lắp ráp, có hệ thống chống xoay đảm bảo độ bền sử dụng và chống lực moment xoắn.
Hệ thống gioăng trong bơm cũng được thiết kế đặc biệt có thể chịu được nhiệt độ cao và tránh bị rò rỉ. Hệ thống gioăng không tiếp xúc với xi lanh (thiết kế đã được đăng ký bản quyền của hãng tại CHLB Đức và tại nước ngoài) đảm bảo tuổi thọ của gioăng. Trong hành trình nén một phần dung dịch được chảy qua khe hở giữ xi lanh và pit tông. Trên toàn chiều dài xi lanh xuất hiện những rảnh nhỏ chứa dung dịch. Các rảnh nhỏ với dung dịch bôi trơn định tâm đều cho pit tông. Một phần dung dịch để làm trơn các chi tiết thép được chảy lại khoảng nén (H2.7)
(H2.7) Hệ thống gioăng không tiếp xúc 2.2.2. Hệ thống trộn
Dòng tia nước tạo ra sau bơm cao áp được chia thành 2 nhánh, dòng chính qua đường ống dẫn đến vòi phun và một nhánh đưa qua bình nén để tạo áp hạt mài và qua bộ trộn để hoà lại cùng dòng chính và đưa ra vòi phun. Hệ thống trộn gồn các phần chính sau :
-Bình trộn hạt mài có áp
-Bộ trộn : bộ trộn là phần nối liền dòng nhánh có hạt mài hoà vào dòng tia chính để dẫn ra vòi phun
(H2.8) Hệ thống trộn của thiết bị thí nghiệm 2.2.2.1. Bình trộn hạt mài có áp
Để điều chỉnh lưu lượng dòng nhánh qua bình trộn người ta sử dụng van tiết lưu chỉnh tay. Van được chia thành các hệ số chỉnh 0,0 – 10,0 và hệ số chỉnh sẽ quyết
định lưu lượng dòng nhánh chảy qua bình trộn hạt mài và qua đó quyết định lưu
lượng hạt mài trong dòng tia chính.
Hạt mài được nạp không áp vào bình nén qua bơm nước cho đến khi đẩy bình nén. Bình nén được cấu tạo bởi 2 lớp thép chịu áp cao. Trong thí nghiệm bình nén chịu áp suất 250 Mpa và có dung tích chứa 30 lít
(H2.9) Bình nén trong phương pháp trộn hạt mài có áp
Qua van đóng mở dòng tia chảy qua nhánh và vào bình nén có trộn hạt mài, dòng tia có trộn hạt mài được dẫn ra hoà vào dòng chính qua bộ trộn.
Để thiết kế cấu tạo bình nén, người ta làm các thí nghiệm nghiên cứu chuyển động của hạt mài trong bình nén. Hạt mài được chuyển động trong bình nén qua các khe hở giữa các hạt, để xác định mật độ hạt mà trong bình nén người ta đưa ra khái niệm gọi là hệ số khe hở. Hệ số khe hở phụ thuộc vào kích thước hạt mài, mật độ hạt mài và được xác định bằng tỷ số giữa dung dịch có nước Vw và dung dịch tích tổng Vges :
ε= Vw
Vges
Giá trị hệ số khe hở càng lớn thì khả năng di chuyển hạt mài càng tốt hơn. Bên cạnh hệ số khe hở thì hình dạng hạt mài cũng ảnh hưởng đến chuyển động của nó. Kích thước hạt càng nhỏ và có hình dạng tròn thì càng dễ dàng chuyển động hơn. Trong
hệ thống trộn hạt mài có áp, điều kiện lý tưởng là kích thước hạt mài có cùng cỡ như nhau. Thí nghiệm dòng chảy của hạt mài khô trong bình chứa cho ta thấy được dòng chuyển động hạt mài trong khoảng giữa bình chứa, những hạt mài nằm 2 cạnh bên gần như ở trạng thái đứng yên cho các đường kính bình chứa khác nhau
(H2.10)
(H2.10) Dòng chuyển động của hạt mài khô trong bình chứa đáy phẳng
Hình 2.11 đã chỉ rõ có khoảng nhỏ trong lõi của bình có khả năng thay đổi hệ số khe hở và tạo ra dòng chuyển động. Các hạt mài trong vùng tĩnh được chuyển động khi các hạt mài trong vùng lõi đã rơi xuống.
Brauer đã nghiên cứu quỹ đạo chuyển động của dòng hạt trong thùng chứa đáy phẳng
(H2.11) Vùng trạng thái hạt mài trong thùng chứa
Trong hình 2.11 cho ta thấy xuất hiện giữa vìng động và vùng tĩnh phần được mô tả là chữ cái A-D và giới hạn là đường ký hiệu a-e. Sau khi được đổ dầy hạt mài được trượt trên đường a, hạt mài được chảy dần xuống tới đường giới hạn b và cuối cùng đến giới hạn e của vùng tĩnh. Động năng của hạt mài phụ thuộc vào góc nghiêng β. Các hạt mài trong vùng C nằm trong dòng chuyển động. Hình dãnh của quỹ đạo e phụ thuộc vào độ cao của thùng chứa. Các hạt mài nằm trong vùng tĩnh được rơi tự do khi khoảng không ben cạnh xuất hiện làm mất điểm tựa
Thí nghiệm tương tự đối với hạt mài ướt, cho ta được dòng chuyển động lõi lớn hơn so với hạt mài khô. Trong khi chuyển động hạt mài đọng lại tạo ra góc trượt dưới
đáy thùng chứa. Các thí nghiệm cho thấy góc trượt khoảng 600. Vì vậy trong thiết
kế bình nén để tránh tồn đọng hạt mài người ta thiết kế đáy thùng có góc trượt lớn hơn 600
(H2.12) Hạt mài tồn đọng trong thùng chứa đáy phẳng
Tỷ lệ giữa hạt mài và nước trong dung dịch được mô tả trong đồ thị sau. Thí nghiệm cho ta thấy trọng lượng của hạt mài và nước trong quá trình cắt, tỷ lệ này không phụ thuộc vào mức độ dầy của hat mài trong bình nén.
2.2.2.2 Bộ trộn
Bộ trộn được cấu tạo bởi 2 đường chia hợp thành dòng chính. Qua các nghiên cứu đã chứng minh góc tối ưu cho 2 đường dẫn là 45
(H2.13) Quan hệ giữa hệ số cản và góc hợp thành của bộ trộn
Trên đồ thị ta thấy hệ số cản trở giảm theo góc hợp thành, trong khoảng tỷ lệ giữa dòng nhánh và dòng chính lớn hơn 0,6 thì hệ số cản trở âm. Người ta chọn góc 450 là góc tối ưu nhất cho quá trình phối hợp giữa dòng nhánh và dòng chính
2.2.3. Thiết bị gia công
Thiết bị gia công bao gồm buồng tạo áp suất, gá cắt, các hệ thống truyền động
2.2.3.1. Buồng tạo áp suất
Trong môi trường dưới nước, áp suất môi trường là nguyên nhân gây ra ảnh hưởng chủ yếu đến các thông số gia công, đặc biệt là trong phương pháp gia công bằng tia nước áp suất cao. Tại độ sâu khác nhau dưới nước, tạo ra áp suất môi trường khác nhau. Quan hệ của áp suất môi trường Pu và độ sâu dưới nước được tính theo công thức dưới đây :
Trong đó : ρw : Mật độ nước [kg.m3] g : gia tốc rơi tự do : [m/s2] Wt : độ sâu dưới nước
Ở điều kiện nhiệt độ, mật độ, độ nhớt nước không đổi, độ sâu của nước phụ thuộc
vào áp suất môi trường nước. Kết quả thí nghiệm cho ta thấy, ở nhiệt độ 200C áp suất môi trường là 0,1 bar 0,01 Mpa (tương đương với độ sâu 1m dưới nước. Như vậy để tạo ra độ sâu 1m ta chỉ cần tạo ra áp suất buồn chịu áp là 0,01 Mpa hoặc 1 Mpa cho độ sâu 100m. Các thí nghiệm nghiên cứu tại độ sâu khác nhau đều được thực hiện trong buồng tạo áp để tạo ra những độ sâu tương đương theo yêu cầu thí nghiệm.
(H2.14) Quan hệ tương ứng giữa độ sâu với áp suất môi trường.
Buồn chịu áp được cấu tạo hình ống thép chịu áp hình chữ thập và được đặt trên chân đế đứng vững. Ống trụ năm ngang đường kính 500mm, một đầu nối với hệ
đây. Ống trụ đứng dài 2m được hàn kín với ống trụ ngang, phần ống trụ đứng người ta đổ sỏi và bi sắt để tránh trường hợp khi thí nghiệm lâu có thể gây xuyên thủng ống, hệ thống xả nước được nối với phần dưới của ống trụ này và van đóng mở. Đáy của ống trụ đứng là mặt bích có gioăng chịu áp, có thể mở được trong trường hợp thay bi sắt, sỏi hoặc làm vệ sinh buồng kín sau thời gian làm việc dài. Phần trên
của ống trụ đứng được nối với bình nén khí và có van để điều chỉnh áp suất cần
thiết trong buồng kín, đồng hồ chỉ áp suất cũng như van an toàn và van xả nhanh khi xả nước. Chính giữa ống có mặt kính tròn để có thể quan sát trong khi thí nghiệm.
2.2.3.2. Gá cắt
Gá gia công bao gồm giá đỡ có thể di chuyển theo 2 hướng, tịnh tiến phải trái (theo tốc độ cắt) bằng bánh xe trên thanh dẫn hướng nhờ động cơ và triến trước sau trục cam được điều khiển bằng tay sau mỗi lần gia công. Khoảng cách gia công từ vòi phun đến vật liệu mẫu được điều chỉnh bằng tay qua cữ trên buồng chịu áp.
Sau khi lắp xong mẫu thí nghiệm vào gá, ta quét một lớp mỡ lên gioăng chịu áp và đậy nắp thao tác. Nắp được đóng chặt nhờ hệ thống bu lông đai ốc M56 và xiết chặt bằng tay đòn. Mở van xả nước vào bình chịu áp đến đầy bình (thực tế đến ngập vòi phun tia nước áp suất cao là được). Mở van nén khí để tạo áo suất trong bình đến áp suất tương ứng độ sâu mong muốn. Bật máy bơm và thực hiện thí nghiệm.
Sau khi thí nghiệm xong, hạ áp suất bình chịu áp qua van xả và phải đợi 1-2 phút để hạt mài lắng xuống. Xả hết nước trong bình chịu áp qua vòi xả hoặc qua van xả nhanh bằng cách tạo áp suất trong bình chịu áp, mở nắp đậy và tháo mẫu thí nghiệm.
Trong quá trình cắt gá được chuyển động theo 2 phương chính là phương X (sang trái phải phôi cắt) là phương gia công và phương Y tiến lùi để dịch chuyển vết cắt sau mỗi lần cắt
(H2.18) Sơđồ hệ truyền dẫn gá cắt
Trong chiều chuyển động X, cần đẩy của gá cắt được nối với hệ truyền động của động cơ điện 1 chiều. Khi so tín hiệu khởi động, hệ truyền động chuyển động theo hướng tốc độ đặt sẵn. Hết hành trình chuyển động, rơ le điểm bảo tín hiệu thay đổi
phương chuyển động theo chiều ngược lại. Cần đẩy được nối với gá trong buồng tạo áp qua gioăng chịu nước. Nguồn cho mô tơ một chiều được nối qua bộ chỉnh dòng, thay đổi hiệu điện thế tương ứng với tốc độ dịch chuyển của gá cắt. Công tắc hành trình có 3 trạng thái : chuyển động sang phải, sang trái và đứng yên (H2.22). Toàn bộ gá cắt đã được thiết kế chế tạo riêng và lắp đặt hệ thống truyền dẫn phục vụ cho thí nghiệm.
Khi vết cắt kết thúc rơ le tự báo để điều chỉnh lại hướng cắt, để vết cắt không lặp lại vết cắt vừa gia công, ta phải điều chỉnh chuyển động theo phương Y qua thước chi góc. Trên thước chia góp đặt sẵn khoảng cách cần thiết để chỉnh giữa các vết cắt.
(H2.21) Hệ truyền chuyển động gá cắt
CHƯƠNG III : XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM CẮT BẰNG TIA NƯỚC ÁP SUẤT CAO (DƯỚI NƯỚC)
3.1. Chuẩn bị thiết bị thí nghiệm: 3.1.1. Thiết bị tạo áp : 3.1.1. Thiết bị tạo áp :
Để xác định lưu lượng dòng tia người ta sử dụng bộ đo tua bin, khi dòng nước chảy sẽ làm quay tua bin và sinh ra xung điện trong điện trường. Bộ đo tuabin được điều chỉnh ban đầu với áp suất 0,6 MPa. Khi áp suất nước lên tới 200 MPa mật độ nước tăng lên 7%. Sự tăng mật độ nước làm xuất hiện vận tốc dòng chảy và sản sinh ra tín hiệu đo.
(H3.1) Tín hiệu đo của bộđo tua bin cho lưu lượng dòng tổng
Hình 3.1dưới chỉ tín hiệu đo của bộ đo tua bin với áp suất bơm 125 MPa và đường kính vòi phun 0,7 mm[19].
(H3.2) Bộ chuyển đổi FFT phân tích tín hiệu đo
Nguyên nhân của các giao động là do lực hút của xi lanh trong bơm cao áp.
Từ tín hiệu đo thu được của bộ đo tua bin, người ta có thể điều chỉnh lại lưu lượng dòng tổng qua số vòng quay của bơm. Qua bộ điều chỉnh van tiết lưu, ta có thể điều chỉnh tiếp lưu lượng dòng chính và dòng nhánh qua đó điều chỉnh được lưu lượng hạt mài trong quá trình gia công. Thí nghiệm tín hiệu đo của bộ đo tua bin với áp suất bơm 150 MPa đến lưu lượng tổng của dòng qua vòi phun.
Lưu lượng của dòng nhánh là hiệu số của lưu lượng dòng tổng trừ đi lượng dòng chính. Qua van tiết lưu ta có thể điều chỉnh được dòng nhánh và qua đó điều chỉnh được lưu lượng.hạt mài trong quá trình gia công.
Lưu lượng cả bơm phụ thục vào số vòng quay và đường kính vời phun. Trong Tiến hành nghiên cứu quan hệ của sự vòi phun đến lưu lượng của dòng tia chung. Áp suất bơm được thí nghiệm tăng từ 6 MPa đến 150 MPa và số vòng quay của Mô tơ từ 220 đến 1560 vòng /phút.
Trong khoảng tốc độ Mô tơ từ 350 đến 760 vòng phút với vòi phun đường kính 0,4 mm sẽ cho ta lưu lượng dòng tổng qua vòi phun là từ 2,5 đến 5,6 lít/phút. Với tốc độ vòng quay Motor từ 760 đến 1000 vòng phun và đường kính vòi phun là 0,5 mm cho ta lưu lượng dòng tổng qua vòi phun là 5,6 đến 7,8 lít/phútvới vận tốc Mô tơ từ 1000 đến 1500 vòng/phút và đường kính vòi phun là 0,7 mm cho ta lưu lượng dòng tổng qua vòi phun là từ 7,8 đến 11,8lít/phút.
3.1.2.Thiết bị trộn:
3.1.2.1 . Điều chỉnh lưu lượng hạt mài
Quan trọng nhất trong thiết bị trộn là việc đánh giá, điều chỉnh lưu lượng hạt mài trong quá trình trộn. Đầu tiên hạt mài được nạp vào bình nén qua một bơm có trộn nước, quá trình nạp diễn ra không ám Để kiểm tra lượng hạt mài đã nạp vào bình người ta sử dụng hệ thống cân kiểm tra. Bình nén được đặt trên giá dỡ có đầu đo lực, tín hiệu đo thay đổi 0,0095 V/kg giúp ta xác định được khối lượng hạt mài
tiếp tục kiểm tra nhờ tín hiệu của hệ thống đầu đo. Tuy nhiên phương pháp này đạt độ chính xác không cao do khối lượng hệ thống bình nén quá lớn (trên 600 kg) so với khối lượng thay đổi của hạt mài ( khoảng 0,5 kg/phút).
Hơn nữa quá trình đo chỉ giúp để kiểm tra lưu lượng hạt mài chứ không điều chỉnh trong quá trình cắt được.
(H3.4) Sơđồđo lưu lượng hạt mài bằng cân định lượng
Để có được thông số chính xác lưu lượng hạt mài trong quá trình thí nghiệm ta phải