Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM HỒNG THÁI TUỔI BỀN TỐI ƯU CỦA VÒI PHUN TRONG CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH BẰNG PHUN “BI” Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2013 -1- LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ kỹ thuật này là cơng trình do tơi tổng hợp và nghiên cứu và được sự hướng dẫn, kiểm tra của PGS. TS Vũ Ngọc Pi. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo đã được trích dẫn. Tác giả Phạm Hồng Thái Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ -2- LỜI CẢM ƠN Bằng tất cả sự kính trọng, em xin chân thành cảm ơn tới PGS. TS Vũ Ngọc Pi - người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn. Đồng thời, em xin chân thành cảm ơn tới Phòng Quản lý đào tạo, Phòng Sau đại học cùng các thầy, cơ đã hướng dẫn, giảng dậy em trong q trình học tập và nghiên cứu tại trường. Xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu hồn thành luận văn. Xin kính chúc các Thầy, cơ ln mạnh khỏe, hạnh phúc. Em xin chân thành cảm ơn! Tác giả Phạm Hồng Thái Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ -3- MỤC LỤC Nội dung Trang Chƣơng 1: Nghiên cứu tổng quan về cơng nghệ làm sạch bằng phun bi 4 1.1 Tìm hiểu về cơng nghệ phun bi 4 1.2. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã cơng bố về tuổi thọ và tuổi thọ tối ưu của vòi phun cát, phun bi 8 Chƣơng 2: Xây dựng các bài tốn tối ƣu 12 2.1 Xây dựng các hàm đơn mục tiêu 12 2.1.1 Hàm mục tiêu giá thành làm sạch bằng phun bi là nhỏ nhất 12 2.1.2. Hàm mục tiêu lợi nhuận làm sạch bằng phun bi là lớn nhất 13 2.2. Các bài tốn tối ưu 14 2.2.1. Các bài tốn tối ưu đơn mục tiêu. 14 a. Bài tốn tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạt giá thành phun bi là nhỏ nhất 16 b. Bài tốn tối ưu đơn mục tiêu nhằm đạt lợi nhuận phun bi là lớn nhất 17 Chƣơng 3: Giải bài tốn tối ƣu 19 3.1.Các phương pháp giải bài tốn tối ưu và lựa chọn phương pháp giải 19 3.1.1. Các phương pháp giải bài tốn tối ưu đơn mục tiêu 19 3.1.2. Phương pháp hàm phạt 19 3.1.3. Phương pháp gradien 3.1.4. Phương pháp các nhân tử Lagrange 20 3.1.5. Phương pháp tìm kiếm trực tiếp 20 3.1.6. Phương pháp Rosenbrock H.H 21 3.1.7. Phương pháp biến đổi đơn hình( Hay Phương pháp Simplex) 21 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ -4- 3.1.8. Phương pháp lát cắt vàng 21 3.2. Các phương pháp giải bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu 22 3.2.1. Phương pháp ràng buộc (constraint method) 22 3.2.2. Phương pháp người – máy của Geoffrion, Dyer, Frienberg 24 3.2.3. Phương pháp nhượng bộ dần 26 3.2.4. Phương pháp tổng trọng số 27 3.3. Lựa chọn phương pháp giải 28 3.4. Lập trình giải các bài tốn tối ưu 29 3.5. Phân tích kết quả và xây dựng cơng thức tính tuổi bền tối ưu 30 3.5.1. Phân tích các kết quả 30 3.5.2. Xây dựng cơng thức tính tuổi bền tối ưu. 35 3.5.3. Kết luận 36 Chƣơng 4: Kết luận và đề xuất 37 4.1. Kết luận 37 4.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp 38 Tài liệu tham khảo 39 Phụ lục 1: Chương trình tạo số liệu để xây dựng cơng thức tính đường kính tối ưu của vòi phun bi 40 Phụ lục 2: Bài báo đã xuất bản 47 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ -5- CHƢƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ LÀM SẠCH BẰNG PHUN CÁT, PHUN BI 1.1. Tìm hiểu về cơng nghệ phun bi Trong cơng nghiệp chế tạo có rất nhiều sản phẩm cần làm sạch bề mặt như các sản phẩm rèn dập nóng, các sản phẩm qua xử lý nhiệt luyện hoặc các sản phẩm đúc. Những sản phẩm này bề mặt thường bị bao phủ một lớp vảy các bon và xỉ than bám bẩn trên bề mặt hay sản phẩm đúc có nhiều ba via hoặc dính cát nên việc làm sạch là rất cần thiết. Ngồi ra, các sản phẩm có thép kết cấu trước khi sơn chống rỉ lên bề mặt cũng bắt buộc phải làm sạch để lớp sơn sẽ bám chắc và có thể chống ơxi hóa từ bên trong lớp sơn. Để làm sạch bề mặt chi tiết có rất nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng. Các phương pháp làm sạch phổ biến hiện nay gồm làm sạch bề mặt bằng tia nước áp suất cao, làm sạch bằng phương pháp phun bi, phun cát Trong các phương pháp nêu trên, làm sạch bằng phun bi là phương pháp làm sạch được được ứng dụng rộng rãi trong các ngành cơng nghiệp khác nhau, đặc biệt là để làm sạch bề mặt kim loại, làm sạch bề mặt vật đúc hoặc các chi tiết máy vv Chính vì vậy, việc nghiên cứu về chế độ phun bi tối ưu cũng như tuổi thọ tối ưu của vòi phun là rất quan trọng. Hiện nay trong ngành chế tạo, việc làm bề mặt bằng cơng nghệ phun bi đã trở lên phổ biến, các hãng sản xuất lớn cũng đã tập trung nghiên cứu và phát triển cơng nghệ. Các nước Đài Loan, Thái Lan, Trung quốc đều sản xuất loại thiết bị này có nhiều kiểu dáng cho ta có thể lựa chọn. Trong cơng nghệ làm sạch băng phun bi ta sử dụng các hạt bi thép cỡ nhỏ từ 0.8-1.2mm được bắn ra với vận tốc rất lớn lên bề mặt phần chi tiết cần được làm sạch. Với lực tác động liên tục và lực va đập mạnh làm cho bề mặt chi tiết được làm sạch. Các hệ thống làm sạch bằng phun bi gồm 03 thành phần cơ bản đó là: Bộ phận chứa hạt mài (bi), bộ phận tạo áp lực và vòi phun. Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ -6- Tùy từng sản phẩm mà ta có thể chọn loại máy phun bi cho thích hợp, có nhiều kiểu máy đáp ứng cho nhiều loại hình gia cơng, trên thị trường hiện nay đã có nhiều hãng nghiên cứu và chế tạo, có những kiểu máy phun bi điển hình như sau: Hình 1.1: Máy phun bi kiểu treo Hình 1.2: Máy phun bi kiểu băng tải Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ -7- Hình 1.3: Máy phun bi kiểu thùng quay Trong thực tế, ngồi các thơng số như hạt mài, máy, vòi phun còn có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, khả năng làm việc của máy và giá thành cũng như lợi nhuận. Các thơng số này là các thơng số cơ bản của q trình gia cơng như: loại hạt mài, mật độ hạt mài khi phun, cỡ hạt mài, vận tốc của dòng hạt mài, khoảng cách của vòi phun. Năng suất làm sạch bề mặt và độ mòn của vòi phun chịu ảnh hưởng của nhiều thơng số như: kích thước vòi phun, vật liệu chế tạo vòi phun, khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt cần làm sạch, thành phần cấu tạo, kích thước và hình dáng của hạt mài. Thành phần áp suất và tốc độ của dòng khí khi phun. Tại một áp suất nhất định năng suất bóc tách vật liệu tăng theo tốc độ dòng hạt mài, nhưng khi đạt đến giá trị tối ưu thì năng suất lại giảm nếu ta tiếp tục tăng tốc độ dòng hạt. Vòi phun dùng trong phun cát-phun bi thường làm bằng những vật liệu cứng như: Ơxit nhơm, Các bít vơn fram, Các-bít bo, trong cơng nghệ làm sạch bằng phun cát-phun bi thì các thơng số của vòi phun ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và năng suất của bề mặt gia cơng, cũng như giá thành của sản phẩm. Có nhiều kiểu vòi phun khác nhau về kích thước và vật liệu chế tạo, mỗi loại lại Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ -8- được sử dụng phù hợp cho từng trường hợp cụ thể. Hình 1.4 là một loại vòi phun, hình 1.5 và 1.6 là một kiểu súng phun đã lắp vòi phun và ống dẫn. Hình 1.4: Đầu vòi phun Hình 1.5: Súng phun Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ -9- Hình 1.6: Súng phun 1.2. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã cơng bố về tuổi thọ và tuổi thọ tối ƣu của vòi phun cát, phun bi. Trong phạm vi của đề tài tơi chọn vòi phun và các thơng số ảnh hưởng làm đối tượng nghiên cứu, cho đến nay, đã có một số nghiên cứu về chế độ phun bi và về tối ưu hóa trong làm sạch bằng các phương pháp khác nhau. Cụ thể như sau: Theo như những kết quả dựa trên I.A. Gorlach [1] đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của hình dạng của vòi phun và các loại vòi phun của q trình làm sạch bằng việc mơ phỏng động lực học q trình phun bằng máy. Kết quả của q trình mơ phỏng sẽ xác định chế độ cắt tối ưu khi phun để đạt được hiệu quả phun cao nhất. Ảnh hưởng của độ mòn đầu vòi phun và lượng tiêu thụ khí nén [2] Cỡ vòi Cỡ độ mở Dòng khí nén trong cfm Mức tăng trong tiêu thụ khí nén inches mm 4 1/4 6.5 81 cfm 5 5/16 8.0 137 cfm Tăng 69% so với số 4 6 3/8 9.5 196 cfm Tăng 43% so với số 5 7 7/16 11.0 254 cfm Tăng 29% so với số 6 8 1/2 12.5 338 cfm Tăng 33% so với số 7 Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ [...]... rõ có thể xác định được tuổi bền tối ưu của vòi phun Hơn thế nữa, các tác giả đã đưa ra các cơng thức tính tốn giá trị tối ưu của đường kính ban đầu của vòi phun (hay tuổi thọ tối ưu của vòi) với một hệ thống phun xác định (hay bi t giá trị lớn nhất của đường kính vòi phun) và cơng thức tính đường kính vòi phun lớn nhất tối ưu khi bi t đường kính vòi phun ban đầu Các kết quả của nghiên cứu được tiến... một nghiên cứu về tối ưu hóa tuổi thọ của vòi phun nhằm đạt giá thành phun bi là nhỏ nhất Bằng việc giải bài tốn tối ưu đơn mục tiêu, các tác giả đã đưa ra các cơng thức tính tốn giá trị tối ưu của đường kính ban đầu của vòi phun khi bi t giá trị lớn nhất của đường kính vòi phun và cơng thức tính đường kính vòi phun lớn nhất tối ưu khi bi t đường kính vòi phun ban đầu cho vòi phun bằng các-bít vonfram... là đường kính ban đầu tối ưu df,0op Giá trị tuổi bền của vòi phun xác định bởi đường kính ban đầu tối ưu gọi là tuổi bền tối ưu Kết quả cho thấy rằng tuổi thọ tối ưu của vòi tìm được từ chương trình nhỏ hơn khá nhiều so với tuổi thọ truyền thống của vòi phun Trong các ví dụ trên hình 3.1 và 3.2, tuổi thọ tối ưu của vòi phun các bít vonfram chỉ là 43,33 giờ với hàm lợi nhuận phun bi là lớn nhất và 76,67... kính ban đầu tối ưu của vòi phun (hàm đa mục tiêu) 3.5.2 Xây dựng cơng thức tính tuổi bền tối ưu Để thuận tiện cho q trình tính tốn đường kính khi thay tối ưu của vòi phun, từ kết quả của chương trình tối ưu, cơng thức dùng để tính tốn đường kính vòi phun ban đầu tối ưu khi bi t đường kính lớn nhất của vòi (hay với một hệ thống phun bi xác định) cho vòi phun bằng các-bít vơn-fram khi phun bi cho các... thành phun bi là nhỏ nhất trong khi tuổi thọ truyền thống của vòi này là xấp xỉ 300 giờ [4] hoặc từ 300 đến 400 giờ [5] Ảnh hưởng của đường kính lớn nhất của vòi phun đến tuổi bền tối ưu của vòi với các hàm mục tiêu khác nhau được bi u diễn trong hình 3.3 Kết quả cho thấy, với hàm đa mục tiêu cũng như các hàm đơn mục tiêu, tương tự như trong [6], tuổi thọ tối ưu của vòi (hay đường kính ban đầu tối ưu của. .. kính vòi phun ban đầu, độ mòn của vòi, áp suất khí, giá thành vòi phun, chi phí cố định vv… đến đường kính tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu) của vòi đã được thiết lập Chương trình để xây dựng dữ liệu cho việc xác định đường kính tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu) của vòi cũng được xây dựng (xem Phụ lục) Nhờ chương trình này, 1080 số liệu kể đến ảnh hưởng của các thơng số nêu trên đến đường kính tối ưu của vòi phun. .. của vòi phun) phụ thuộc đáng kể vào giá trị đường kính lớn nhất của vòi phun (hình 3.3) Hình 3.5: Quan hệ giữa đường kính lớn nhất và tuổi bền tối ưu của vòi phun với các hàm mục tiêu khác nhau -30Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Từ kết quả chạy các chương trình tối ưu, ảnh hưởng của các thơng số q trình phun bi đến đường kính ban đầu tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu) của vòi phun trong. .. kính ban đầu của vòi phun với một hệ thống phun xác định (hay bi t giá trị lớn nhất của đường kính vòi phun) và cơng thức tính đường kính vòi phun lớn nhất tối ưu khi bi t đường kính vòi phun ban đầu nhằm đạt lợi nhuận khi phun cát là lớn nhất đã được đề xuất * Nghiên cứu của Vũ Ngọc Pi và Trần Minh Đức [7]: Trong nghiên cứu này, bài tốn tối ưu đa mục tiêu xác định tuổi thọ tối ưu của vòi phun cát đã... tối ưu đã được thiết lập Từ kết quả của chương trình, các cơng thức hồi quy để tính tốn đường kính vòi phun ban đầu tối ưu khi có đường kính lớn nhất của vòi (hay có hệ thống phun xác định) và để tính tốn đường kính vòi phun lớn nhất khi có đường kính vòi phun ban đầu đã được đề xuất cho vòi phun các bít vơn-fram Các cơng thức này cho phép tính tốn các đường kính tối ưu (hay tuổi thọ tối ưu) của vòi phun. .. http://www.lrc.tnu.edu.vn/ theo thứ tự ưu tiên là lợi nhuận làm sạch khi phun cát là lớn nhất và giá thành làm sạch khi phun là nhỏ nhất Qua việc giải bài tốn tối ưu đa mục tiêu nêu trên, các cơng thức xác định tính tốn đường kính tối ưu (hay dùng để tính tốn tuổi thọ tối ưu) của vòi phun các-bít bo cho q trình làm sạch bằng phun cát đã được đề xuất * Nghiên cứu của Vũ Ngọc Pi và Phan Chí Chính [7]: . được tuổi bền tối ưu của vòi phun. Hơn thế nữa, các tác giả đã đưa ra các cơng thức tính tốn giá trị tối ưu của đường kính ban đầu của vòi phun (hay tuổi thọ tối ưu của vòi) với một hệ thống phun. quan về cơng nghệ làm sạch bằng phun bi 4 1.1 Tìm hiểu về cơng nghệ phun bi 4 1.2. Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã cơng bố về tuổi thọ và tuổi thọ tối ưu của vòi phun cát, phun bi 8 Chƣơng. NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM HỒNG THÁI TUỔI BỀN TỐI ƯU CỦA VÒI PHUN TRONG CÔNG NGHỆ LÀM SẠCH BẰNG PHUN BI Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy