Thử nghiệm hệ thống làm sạch tự động các chi tiết máy tàu thủy ứng dụng công nghệ siêu âm, điều khiển KT số

 

ª TS. Trương Thanh Dũng Trường Cao đẳng nghề Hàng hải TP. Hồ Chí Minh ª ThS. Phạm Xuân Kiên Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh Người phản biện: TS. Ngô Duy Nam

Tóm tắt: Hiện nay có nhiều phương pháp làm sạch các chi tiết trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa các chi tiết máy tàu thủy. Tuy nhiên, đối với các chi tiết có kết cấu phức tạp nhiều hốc và lỗ thì các phương pháp hiện tại làm sạch chưa tối ưu thường mất nhiều thời giai. Do vậy, nhóm nghiên cứu đã thiết kế thi công chế tạo thử nghiệm thiết bị làm sạch các chi tiết máy sử dụng công nghệ siêu âm điều khiển kỹ thuật số, phát triển sản phẩm theo hướng công nghiệp.

Từ khóa: Nước dằn tàu.

Abstract: Nowadays, there are many methods to clean parts of machines in the process of ship maintenance and repair. However, to the more complex structure and multiple shape and size, the current methods is not suitable, optimal used. The cleaning process usually takes a long time to clean up the details. So, the study team has designed, made and rectified the system for equipment part cleaning machine, using ultrasonic technology and digital controls, product development towards industrialization.

Keywords: Ballast.

1. Giới thiệu phương pháp làm sạch bằng siêu âm

Làm sạch bằng siêu âm là sử dụng các sóng âm có tần số cao (ngoài khả năng nghe của con người, trên 18 kHz) để loại bỏ các chất bẩn ra khỏi các chi tiết được nhúng trong dung dịch làm sạch. Chất bẩn có thể là bụi bẩn, dầu, mỡ, các hợp chất đánh bóng, các hóa chất... Vật liệu có thể được làm sạch theo phương pháp này bao gồm kim loại, thủy tinh, ceramic, plastic...

Các sóng siêu âm có năng lượng đủ mạnh để loại bỏ các chất bẩn có tính bám dính cao nhưng không gây phá hủy chi tiết được làm sạch. Phương pháp này rất hiệu quả trong việc làm sạch các chi tiết nhỏ, các chi tiết có kết cấu phức tạp.

Sóng siêu âm ở các máy rửa siêu âm là sóng cơ và nó mang đầy đủ các tính chất vật lý như phương thức truyền, tính phản xạ, giao thoa sóng ... trong các môi trường truyền khác nhau.

Khi một sóng cơ học được tạo ra trong không khí hay trong chất lỏng, dưới tác dụng của áp suất một lượng vật chất được dồn nén tạo thành các con sóng, sóng này được dịch chuyển về phía có áp suất thấp hơn và được lan truyền theo các hướng khác nhau nhưng mạnh hơn cả vẫn là hướng thẳng trực tiếp của lực đẩy. Chùm sóng này chứa vô số chùm sóng có tần số cao hơn tạo nên, vì vậy xuất hiện trong búp sóng vô vàn các búp sóng nhỏ thường được gọi là bong bóng. Kích thước những bong bóng này phát triển khá đa dạng, thông thường phụ thuộc vào tần số của sóng siêu âm. Sóng siêu âm càng cao kích thước sóng bong bóng càng nhỏ.

Hình 1.1: Nguyên lý làm sạch bằng siêu âm

Những bong bóng này di chuyển kế tiếp nhau trong môi trường chất lỏng cho đến khi đập vào bề mặt vật cản trên đường truyền sóng. Dưới tác dụng lực nén của sóng các bong bóng vỡ tung tạo ra các vụ nổ, bắn các hạt chất lỏng trực tiếp vào bề mặt vật. Những vụ bắn phá này chia cắt các màn chất bẩn, bụi cặn phủ trên bề mặt và kéo chúng ra khỏi vật khi có áp suất âm xuất hiện trong lòng chất lỏng gần sát bề mặt vật.

Để công nghệ rửa siêu âm có hiệu suất cao, chúng ta phải áp dụng các dung môi tẩy rửa phù hợp cho từng loại chất bẩn bảo đảm chất bị chia tách dễ hòa tan trong dung môi và tách dễ dàng ra khỏi bề mặt vật cần rửa. Trong quá trình rửa siêu âm lớp dung môi tẩy rửa gần với bề mặt vật dần dần bị bão hòa do mật độ chất bẩn tách ra khỏi vật tăng. Như vậy, theo thời gian, các dung môi tẩy rửa lớp gần với bề mặt vật mất khả năng kích hoạt. Để tăng hiệu suất tẩy rửa ta có thể chao lắc vật hoặc thay đổi cường độ sóng siêu âm theo một tần số thấp hơn nhiều so với tần số làm việc thực tế của sóng siêu âm.

Đối với bề mặt vật có nhiều hốc, lỗ sâu trong vật hoặc có có hình dáng ngoằn ngoèo chúng ta cần đặt vật trong bể rửa ở tư thế sao cho chất ban tách ra dễ dàng di chuyển ra khỏi lỗ, hốc của nó. Trong một số trường hợp cần tạo một dòng chất lỏng tuần hoàn trong dung dịch tẩy rửa.

2. Ứng dụng sóng siêu tâm đối với nhóm chi tết máy tàu thủy

Trong quá trình hoạt động các chi tiết bên trong các loại thiết bị, máy móc luôn tiếp xúc với một hay nhiều loại công chất khác nhau mà trong các công chất này luôn tồn tại nhiều tạp chất. Các tạp chất ảnh hưởng rất xấu đến sự làm việc hiệu qủa của thiết bị, máy móc. Chúng bám trên các bề mặt của các chi tiết, làm giảm khả năng trao đổinhiệt của vật liệu, gây cản trở, làm giảm lưu lượng của công chất đi quađộng cơ; làm giảm chất lượng, gây biến tính và làm mất tác dụng công chất; gây ra hiện tượng ăn mòn, mài mòn, kẹt hay phá hủy bề mặt làm việc các chi tiết.

Việc hạn chế sự tồn tại của các tạp chất trong công chất là điều rất cần thiết để đảm bảo tình trạng kỹ thuật và chất lượng hoạt động của máy móc. Trong thực tế, có nhiều phương pháp để làm điều này như: Không sử dụng công chất có chất lượng kém, thêm chất phụ gia vào công chất, thiết lập chế độ khai thác hợp lý, cải thiện tình trạng kỹ thuật của động cơ, quan tâm đúng mức đến các thiết bị lọc.

Quá trình bảo dưỡng, sửa chữa các máy móc, thiết bị luôn cần đến công đoạn làm sạch các chi tiết. Việc làm sạch các chi tiết giúp duy trì sự làm việc ổn định, hiệu quả của máy móc, thiết bị; hạn chế nguy cơ hư hỏng, kéo dài tuổi thọ các chi tiết; đánh giá đúng đắn tình trạng kỹ thuật của chi tiết từ đó đưa ra phương án sửa chữa hợp lý.

Làm sạch chi tiết được thực hiện tốt giúp tạo hiệu quả cao cho các công việc tiếp theo như lắp ráp, sơn, mạ.

Hình 2.1: Bảo dưỡng bộ điều tốc RHD6

Hiện tại có nhiều phương pháp làm làm sạch các chi tiết máy:

- Phương pháp làm sạch bằng nhiệt: Là quá trình làm sạch được thực hiện trong lò đốt. Các tạp chất rắn cứng được làm sạch bằng phương pháp phun bi hoặc bắn hạt rắn.

- Phương pháp làm sạch bằng dung dịch hóa chất: Sử dụng dung môi và hóa chất (kiềm, axit…) đẩy tẩy rửa các chi tiết.

- Phương pháp làm sạch cơ học: Phun cát, phun bi, phun nước áp lực cao…

Mỗi phương pháp làm sạch có những ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, các phương pháp này chưa giải quyết được vấn đề làm sạch các chi tiết có kết cấu phức tạp, nhiều ngóc ngách. Khi làm sạch phải tiến hành tháo rời các chi tiết ra.

Ứng dụng phương pháp rửa bằng sóng siêu âm trong việc rửa các chi tiết máy sẽ giải quyết được nhược điểm trên. Tính làm sạch ổn định chắc chắn. Tác dụng làm sạch đồng đều của sóng siêu âm đối với tất cả các vật có kích lớn hay nhỏ, đơn giản hay phức tạp, đơn lẻ hay rửa nhiều bộ phận trong một lượt. Quá trình có thể được làm sạch mà không cần tách rời, giúp tiết kiệm nhân lực.

Công nghệ rửa siêu âm giúp ta làm sạch kỹ lưỡng hoàn hảo các chất bẩn trên toàn bộ bề mặt vật và không phụ thuộc vào người vận hành. Mỗi chi tiết máy trong quá trình sữa chữa bảo trì thì có chất làm sạch phù hợp. Sử dụng phương pháp rửa kết hợp với sóng siêu âm sẽ làm giảm bớt sự tiếp xúc trực tiếp của người vận hành với chất làm sạch nguy hiểm. Do đó, việc ứng dụng sóng siêu âm vào việc làm sạch các chi tiết máy trong quá trình sửa chữa bão dưỡng chi tiết máy tàu thủy là rất cần thiết.

Hình 2.2: Các chi tiết máy tàu thủy

3. Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm máy làm sạch tự động các chi tiết máy tàu thủy ứng dụng công nghệ siêu âm điều khiển kỹ thuật số

Nắm bắt những nhu cầu trên, nhóm nghiên cứu Trường Cao đẳng nghề Hàng hải TP. Hồ Chí Minh đã có ý tưởng thiết kế và thi công chế tạo thử nghiệm máy làm sạch tự động các chi tiết máy tàu thủy ứng dụng công nghệ siêu âm, điều khiển kỹ thuật số; phát triển sản phẩm theo hướng công nghiệp; rửa đồng bộ từng chi tiết đơn lẻ hoặc nhiều chi tiết giống nhau.

Hình 3.1: Kết cấu rửa siêu âm

Trung tâm của hệ thống là bộ điều khiển lập trình PLC. Điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của hệ thống thông qua việc tiếp nhận các tín hiệu từ các cảm biến, đầu dò siêu âm, bộ gia nhiệt... Giao diện chương trình và các chế độ hoạt động được mô tả ở Hình 3.2, 3.3, 3.4.

Cấu hình thiết bị:

- Tần số phát sóng siêu âm: 40000Hz

- Dải công suất điều chỉnh sóng siêu âm 200 ÷ 500W

- Công suất gia nhiệt: 500W

- Dung tích bồn chứa: 30lít

- Thời gian cài đặt rửa: 1 ÷ 99phút

- Dải nhiệt độ gia nhiệt: 1 ÷ 99⁰C

- Nguồn cung cấp: 220V, 50/60Hz

- PLC: S7-200 (Siemens)

- HI: HMI DELTA DOP-B07

- Kích thước thiết bị: 600x325x325mm

- Khối lương máy: 30kg

Hình 3.2: Giao diện chính của chương trình

 

Hình 3.3: Giao diện các chế độ tự động

 

Hình 3.4: Giao diện các chế độ bằng tay

 Các chế độ hoạt động

Sản phẩm có hai chế độ hoạt động chính: Chế độ tự động và chế độ bằng tay.

- Trong chế độ tự động (Hình 3.3), người vận hành có thể lựa chọn các chế độ như:

+ Gia nhiệt để sấy nóng sản phẩm chứ không sử dụng sóng siêu âm để tẩy rửa;

+ Sử dụng sóng siêu âm đẩy tẩy rửa các chi tiết máy ở nhiệt độ bình thường không gia nhiệt cho dung dịch;

+ Kết hợp giữa chế độ siêu âm và chế độ gia nhiệt cho dung dịch để tẩy rửa các chi tiết;

+ Tích hợp 10 chế độ tự động cài đặt sẵn khi rửa các chi tiết mang tính lắp lẫn. Trong quá trình lựa chọn các chế độ này người vận hành có thể linh động thay đổi các thông số cài đặt để phù hợp với các chi tiết cần rửa;

Chế độ hoạt động bằng tay (Hình 3.4): Người vận hành tiến hành điều chỉnh bằng tay quá trình gia nhiệt cho dung dịch, thời gian rửa bằng sóng siêu âm, điều chỉnh cường độ phát sóng siêu âm.

Hình 3.5: Thiết bị rửa siêu âm

4. Thử nghiệm

Sau khi hoàn thành việc chế tạo, nhóm nghiên cứu đã tiến hành rửa thử nghiệm chân để của bộ điều tốc UG8.

Hình 4.1: Quá trình rửa chị tiết

 

Hình 4.1: Hình ảnh chi tiết trước và sau khi rửa

Kết quả sau 20 phút, sử dụng sóng siêu âm kết hợp với chất tẩy rửa làm sạch bề mặt kim loại. Chi tiết đã được làm sạch đảm bảo yêu cầu kỹ thuật để lắp đặt trên bộ điều tốc UG 8.

5. Kết luận

Việc thiết kế và chế tạo thử thành công thiết bị làm sạch tự động các chi tiết máy tàu thủy ứng dụng công nghệ siêu âm, điều khiển kỹ thuật số, có thể sử dụng để làm sạch các chi tiết có kích thước tương đối lớn, có thành phần cáu bẩn đa dạng, khó vệ sinh. Có thể định hướng phát triển tự động theo hướng công nghiệp giữa nhiều chi tiết cùng lúc. Thiết bị có thể áp dụng tốt trong điều kiện Việt Nam hiện nay, giúp người trực tiếp sửa chữa ít tiếp xúc với các hóa chất nguy hiểm.

Tài liệu tham khảo

[1]. TS. Trương Thanh Dũng, ThS. Lê Văn Vang (2010), Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị tự động làm sạch công nghiệp các chi tiết máy tàu thủy, Trường Đại học GTVT TP. Hồ Chí Minh.

[2]. Một số hãng chế tạo các thiết bị siêu âm và bài viết về công nghệ siêu âm và ứng dụng trên tạp chí:

- APC internaltional Ltd (Tạp chí kỹ thuật số).

- Brason Ultrasonic Internation (USA).

- http://www.beruasieuam.com.

- http://lab.info.vn/San-pham/uce/be-rua-sieu-am-cong-nghiep.html.