- Với tỷ trọng ngành công nghiệp chế biến gỗ hiện nay trong nền kinh
tế quốc dâncùng với điều kiện địa lý, kinh tế của nước ta, lò sấy gỗ nói chung
và nồi hơi nói riênglà một thiết bị không thể thiếu được trong ngành chế biến
gỗ và một số ngành công nghiệp khác. Mặt khác, lò hơi là thiết bị tận dụng được phế thải do quá trình chế biến gỗ để sản sinh năng lượng góp phần giảm
thiểu ô nhiễm môi trường.
- Nồi hơi là một thiết bị chịu áp lực cao, được quy định khắt khe về yêu cầu kỹ thuật an toàn, được sản suất qua nhiều nguyên công khác nhau nhưng
không thể thiếu nguyên công hàn. Mối hàn trên ba lông để ghép phần thân và
hai đáy của ba lông với nhau chủ yếu được hàn tự động để đảm bảo độ tin
cậy, tránh khyết tật, nâng cao cơ tính mối hàn.
- Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có các đề tài nghiên cứu về
chế độ hàn và nghiên cứu về nồi hơi nói chung; chưa có đề tài ngiên cứu cụ
thể về ảnh hưởng của chế độ hàn đến chất lượng mối hàn nồi hơi nói riêng.
Như vậy, phần lớn nồi hơi được chế tạo và đăng kiểm trong nước theo
quy trình kiểm định kỹ thuật an toàn các loại máy, thiết bị, vật tư, các chất có
yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn lao động. Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng
của một số yếu tố thuộc chế độ hàn đến chất lượng mối hàn nồi hơi, sử dụng
trong sấy gỗ nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, nâng cao chất lượng nồi hơi, nâng cao năng suất chế tạo, giảm giá thành sản phẩm là cần thiết, có ý nghĩa
Chương 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1- Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Xác định được quy luật, mức độ ảnh hưởng của một số yếu tố thuộc
chế độ hàn đến chất lượng mối hàn nồi hơi sử dụng trong sấy gỗ làm cơ sở
cho việc xác định trị số tối ưu của chế độ hàn, nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, tăng năng suất, giảm giá thành chế tạo nồi hơi.
2.2 - Đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
- Nồi hơi dùng trong sấy gỗ kiểu buồng lửa tầng sôi FBC, công suất
2000kg/h, áp suất 8KG/cm2, sử dụng nhiên liệu là củi, mùn cưạ
- Gia công hàn thân ba lông bằng phương pháp điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (MAG), hàn tự động.
- Các chỉ tiêu và tham số nghiên cứu: Các chỉ tiêu đặc trưng cho chất
lượng mối hàn nồi hơi là độ bền kéo, góc uốn, độ dai va đập của mối hàn chính trên ba lông.
2.3 - Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết:
+ Tổng quan vấn đề nghiên cứu. + Thiết kế nồi hơi
+ Xác lập mối quan hệ giữa chất lượng mối hàn và sự phụ thuộc
vào chế độ hàn.
- Nghiên cứu thực nghiệm
+ Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố
+ Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố
+ Xác định chế độ hàn tối ưu
2.4- Phương pháp nghiên cứu
2.4.1- Các phương pháp nghiên cứu chung
Các phương pháp chủ đạo được sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phương pháp kế thừa và phương pháp thực nghiệm. [4]
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:Được sử dụng trong nghiên cứu các
công trình khoa học, tổng hợp cơ sở lý luận để giải quyết các nội dung: tổng
quan về vấn đề nghiên cứu; tạo lập cơ sở lý luận của đề tàị Nghiên cứu lý
thuyết có mục đích thiết lập một hệ thống quan điểm nào đó, thông qua việc đưa ra những quy luật mớị Nghiên cứu lý thuyết được sử dụng thích hợp nhất
khi nghiên cứu các đối tượng và hệ thống mà trong đó có thể phân chia rõ ràng các hiện tượng và các quá trình có cùng bản chất vật lý.
- Phương pháp kế thừa:Được sử dụngtrong phân tích lựa chọn, sử dụng
các kết quả đãđược nghiên cứu trên thế giới và trong nước có liên quan phục vụ
giải quyết nội dung thực nghiệm, nhận xét đánh giá kết quả.
- Phương pháp thực nghiệm: Được sử dụng là quy hoạch thực nghiệm đơn và đa yếu tố để giải quyết các nội dung nghiên cứu thực nghiệm.
Thực tế trong hoạt động khoa học đã chứng tỏ rằng càng ngày chúng ta càng thâm nhập sâu vào nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhaụ Đối tượng nghiên cứu ngày càng đa dạng hơn, chúng trở thành những hệ
thống cồng kềnh với tập hợp lớn các yếu tố ảnh hưởng và chỉ tiêu đánh giá.
Mối liên hệ giữa các thành phần trong hệ thống càng không thể mô tả một
cách hoàn hảo bằng lý thuyết . Trong đa số các trường hợp này để tìm lời giải người ta sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Tuy nhiên, nghiên cứu thực nghiệm đơn thuần không thể thực hiện được nếu thiếu lý thuyết tương ứng.
Quá trình hàn kết cấu thép nói chung, hàn mối hàn trên ba lông nồi hơi
nói riêng chịu ảnh hưỏng của nhiều yếu tố khác nhau như: Các yếu tố đặc trưng cho kim loại cơ bảnlà: loại kim loại, các tính chất cơ - lý - hoá học của
kim loại; Các yếu tố đặc trưng cho thiết bị hàn: phương pháp hàn, loại dòng
điện, công suất của máy hàn; Các yếu tố đặc trưng cho vật liệu hàn: dây hàn, khí hàn; Các yếu tố đặc trưng quá trình hàn: tốc độ hàn, dòng điện hàn, điện
thế hàn, lưu lượng khí bảo vệ... Giữa các yếu tố lại có những tác động qua lại tương hỗ với nhaụ Như vậy, để giải quyết đầy đủ nội dung cần có thực
nghiệm đơn và đa yếu tố.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà tôi sử dụng không phải là thực nghiệm thuần tuý mà là sự kết hợp hài hoà giữa lý thuyết và thực
nghiệm; lấy lý thuyết làm cơ sở, làm định hướng ban đầu hỗ trợ giảm bớt khối lượng công việc, rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm.
Trong nghiên cứu thực nghiệm, có thể tiến hành thí nghiệm bằng phương pháp cổ điển. Nhà thực nghiệmchỉ dựa vào kinh nghiệm và trực giác để chọn hướng nghiên cứụ Các thí nghiệm được tiến hành lần lượt với sự thay đổi từng thông số trong khi giữ nguyên các yếu tố còn lạị Phương pháp
cổ điển chỉ cho phép tìm kiếm cái mới phụ thuộc đơn định giữa các chỉ tiêu
đánh giá và các yếu tố ảnh hưởng một cách riêng biệt trong khi làm thực
nghiệm một cách riêng rẽ theo từng yếu tố. Mặc dù có trong tay một tập hợp các phương trình thực nghiệm đơn yếu tố nhưng vì chúng chỉ là những trường
hợp riêng nên không cho kết quả chặt chẽ về mức độ ảnh hưởng của từng yếu
tố trong mối tác động qua lại giữa chúng, và như vậy cũng không thể tìm kiếm phương án phối hợp tối ưu các yếu tố ảnh hưởng.
Với bài toán tìm kiếm điều kiện tối ưu thì phương pháp này không cho
thấy hướng chuyển dịch của các tương quan. Các thực nghiệm đó thuộc dạng
thụ động. Từ phân tích trên cho thấy việc áp dụng phương pháp qui hoạch
thực nghiệm để thực hiện đề tài luận văn là cần thiết vì qui hoạch thực
nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đạị Đó là phương pháp nghiên cứu mới, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực. Cơ sở toán học, nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học
thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi
quị
Theo nghĩa rộng, qui hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc
của quá trình nghiên cứu đối tượng (từ nhận thông tin mô phỏng đến việc tạo
ra mô hình toán, xácđịnh các điều kiện tối ưu). Trong điều kiện đã hoặc chưa
hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng.
Ưu điểm của qui hoạch thực nghiệm là: giảm đáng kể số lượng thí
nghiệm cần thiết; giảm thời gian tiến hành thí nghiệm và chi phí phương tiện,
vật chất; hàm lượng thông tin nhiều hơn, rõ ràng hơn nhờ đánh giá được vai
trò của sự tác động qua lại giữa các yếu tố và ảnh hưởng của chúng đến hàm mục tiêu; nhận được mô hình toán học thực nghiệm, đánh giá được sai số thí
nghiệm, cho phép ảnh hưởng của các thông số thí nghiệm với mức tin cậy xác định; xác định được điều kiện tối ưu đa yếu tố của quá trình nghiên cứu một
cách khá chính xác bằng các hàm toán học, hay cho cách giải gần đúng, tìm tối ưu cục bộ như trong các thực nghiệm thụ động.
2.4.2- Nội dung và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Theo [1, 6, 14] nội dung của nghiên cứu thực nghiệm gồm: xác định
mục tiêu thực nghiệm; chọn tham số điều khiển và khoảng biến động của
chúng; chọn các thiết bị đo; tiến hành công tác chuẩn bị; tiến hành thí nghiệm
thăm dò; tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố; tiến hành thực nghiệm đa yếu tố.
2.4.2.1- Thí nghiệm thăm dò
Tiến hành thí nghiệm thăm dò (mức cơ sở với số thí nghiệm n=50140)
để xác định qui luật phân bố của đại lượng cần nghiên cứu [6].
Quy luật phân bố của đại lượng nghiên cứu có thể khái quát hoá thành phân bố lý thuyết gọi là phân bố thực nghiệm. Xây dựng các phân bố thực
nghiệm để khái quát hoá thành các phân bố lý thuyết là một trong những
nhiệm vụ quan trọng.
Để có thể phát hiện ra qui luật phân bố khách quan trong tổng thể dựa
vào những tài liệu thu thập được ở đại lượng nghiên cứu, trước hết ta cần sắp
xếp các trị số quan sát được của đại lượng theo một trật tự nhất định, rồi
thống kê các phần tử nằm trong những khoảng xác định. Để lập được phân bố
thực nghiệm phải tiến hành chia tổ ghép nhóm các trị số thu thập được theo
công thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther [5]
a = 5.lgn (2.1) k = m x xmax min (2.2)
Trong đó: a- số tổ được chia; k- cự ly tổ; xmax, xmin- trị số thu thập lớn
nhất, bé nhất của đại lượng nghiên cứụ
Xác định các đặc trưng của phân bố thực nghiệm:
Sai số trung bình mẫu:
n 1 i n 2 1 x n 1 x ... x x n 1 x (2.3)
Sai tiêu chuẩn: trường hợp mẫu lớn (n >30):
S= n tb i x x 1 2 ) ( 1 n 1 (2.4) ở đây: Qx= n x f x f i i n i i 2 1 2 . . (2.5)
Phương sai mẫu là bình phương sai tiêu chuẩn: S2
Hệ số biến động: S% = .100
x S
(2.6)
Phạm vi biến động: R = xmax- xmin (2.7)
Độ lệch: Sk= 3 n 1 3 i n.S ) x (x (2.8) Nếu: Sk=0, thì phân bố là đối xứng;
Sk>0 thìđỉnh đường cong lệch trái so với số trung bình; Sk<0 thìđỉnh đường cong lệch phải so với số trung bình.
Độ nhọn phân bố: Ex= 3 n.S ) x (x 4 n 1 4 i (2.9) Nếu: Ex= 0 thìđường cong thực nghiệm tiệm cận chuẩn;
Ex> 0 thìđỉnh đường cong nhọn so với phân bố chuẩn
Ex< 0 thìđỉnh đường cong bẹt hơn so vơi phân bố chuẩn
Xác định luật phân bố: χn 2 =l 1 l 2 l i f ) f (f (2.10) trong đó l là số tổ hợp sau khi đã gộp những tổ hợp có tần số lý luận fi.
Nếu χn2> χα2(k) thì luật phân bố của đại lượng nghiên cứu là phân bố
chuẩn. χα2(k) được xác định bằng cách tra bảng phụ lục 5 [5], với k = n-1 là bậc tự do và mức ý nghĩa α = 0,05.
Xác định số lần lặp cho các thí nghiệm. Việc xác định số lần lặp cho
các thí nghiệm có ý nghĩa rất quan trọng, nó phải đủ lớn để đảm bảo mức độ
chính xác của luật phân bố chuẩn, nhưng lại phải tối thiểu để giảm bớt khối lượng thực nghiệm. Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm được tính theo kết quả của
thí nghiệm thăm dò và theo công thức:
m = Y . Δ% .S τ 2 2 2. (2.11) trong đó: m - số lần lặp; τ - tiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa φ=0,05; ∆% - sai số tương đối, Y- giá trị trung bình của đại lượng nghiên cứụ
2.4.2.2- Thực nghiệm đơn yếu tố
Nhiệm vụ cơ bản của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số ảnh hưởng để xem thông số nào thực sự ảnh hưởng đến các chỉ tiêu đánh giá, xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của chúng đến chỉ tiêu quan tâm. Thực hiện thí nghiệm với một yếu tốthayđổi, các yếu tốcòn lạiđượcấnđịnh
ở các giá trị cố định để xác định mức độ ảnh hưởng riêng từng yếu tố như:
dòngđiện hàn, tốc độ hàn,điện thế hànđến chỉ tiêu về cơ tính của mối hàn. Nguyên tắc chung của phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố là: Cố định
các yếu tố khác, thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hưởng của yếu tố biến thiên
đó tới thông số mục tiêu, qua đó thăm dòđược khoảng nghiên cứu cho phép của
mỗi yếu tố và cácảnh hưởng tới giá trị cực trị của thông số mục tiêụ Thực nghiệm đơn yếu tố được tiến hành qua các bước sau:
- Thực hiện thí nghiệm với từng thông số thay đổi với số mức không
nhỏ hơn 4, khoảng thay đổi lớn hơn 2 lần sai số bình phương trung bình của phép đo giá trị thông số đó. Số thí nghiệm lặp lại n có thể lấy theo kết quả từ
thí nghiệm thăm dò.
- Sau khi thí nghiệm xong, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hưởng
của mỗi yếu tố cơ tính của mối hàn. Đánh giá tính thuần nhất của phương sai
trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hưởng khác đối với thông số cần
xét là không có hoặc không đáng kể.
Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần
nhất [4, 5, 14] cụ thể như dưới đâỵ
a- Đánh giá tính đồng nhất của phương sai
Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren.
N 1 u 2 u 2 max S S G (2.12) 2 max
S -Phương sai lớn nhất trong N thí nghiệm;
2 u
S -Phương sai của thí nghiệm thứ u với số lần lặp lại mu.
u 2 m 2 u ui u i=1 u 1 S = Y -Y m -1 (2.13)
Yui- Giá trị của thông số ra tại điểm u, lần lặp thứ i;
ui
Y - Giá trị trung bình của thông số ra tại điểm ụ
u m u iu i 1 u 1 Y Y m u =1, 2, 3, 4, …,N . (2.14)
Ứng với N điểm thí nghiệm trong kế hoạch thực nghiệm ta có N phương sai S2u.Trong đó luôn có giá trị S2max;
Gtt- Chuẩn Kohren tính toán theo thực nghiệm.
Trong đó bậc tự do ở tử số = m - 1 vàở mẫu số K = N.(m- 1). m- số lần lặp lại ở thí nghiệm màở đó có phương sai cực đại m = mu. Giá trị thống kê chuẩn Kohren được tính sẵn theo mức ý nghĩa , bậc
tự do và k ký hiệu Gb tra bảng [1, 6].
Nếu Gtt< Gb thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm. Phương sai của các thí nghiệm được coi là đồng nhất. Điều này cho phép coi
cường độ nhiễu là ổn định khi thay đổi các thông số trong thí nghiệm. Ngược
lại nếu Gtt > Gb thì giả thiết H0 bị bác bỏ.
b- Kiểm tra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố
Phương pháp đánh giá này dùng chuẩn Fisher (F). Thực chất là so sánh
phương sai thành phần do thay đổi thông số vào gây nên và phương sai do