Thiết Kế Chế Tạo Thiết Bị Thí Nghiệm Đo Đặc Tính Rung Động Của Đầu Rung Siêu Âm

• Tác giả: Trần Hoài Nam
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Như Khoa
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Thí Nghiệm Đo Đặc Tính Rung Động Đầu Rung Siêu Âm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• 1. CHƯƠNG 1: Giới thiệu
• 1.1. Mục tiêu của nghiên cứu
• 1.2. Tính cấp thiết của luận văn
• 1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.4. Kết cấu luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Các phương pháp tạo rung động siêu âm
• 2.3. Nguyên tắc truyền rung động siêu âm
• 2.4. Cấu tạo của hệ thống rung siêu âm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Thiết Bị Thí Nghiệm Đo Đặc Tính Rung Động

Rung động siêu âm vượt ngưỡng nghe của con người (>20kHz) mở ra ứng dụng rộng rãi. Phân loại chính gồm siêu âm biên độ nhỏ (y tế, kiểm tra khuyết tật) và siêu âm biên độ cao (gia công công nghiệp). Siêu âm biên độ cao thay đổi tính chất vật liệu, hóa học, sinh học, công suất từ vài chục W đến vài kW, tần số 20- vài trăm kHz. Ứng dụng đa dạng: gia công cắt gọt cơ khí, tẩy rửa, hàn, bôi trơn, chế biến thực phẩm. Gia công cắt gọt giảm lực cắt, tăng tuổi bền dụng cụ, cải thiện bề mặt, cắt vật liệu khó, giảm dung dịch trơn nguội. Nghiên cứu từ 1920 nhưng tài liệu tiếng Việt còn hạn chế. Theo [4], kỹ thuật rung động siêu âm trợ giúp quá trình gia công cắt gọt đã cho thấy nhiều ưu điểm nổi trội. Điều này thúc đẩy nghiên cứu và phát triển ứng dụng siêu âm trong công nghiệp.

1.1. Giới Thiệu Các Loại Rung Động và Ứng Dụng Siêu Âm

Rung động siêu âm tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người, trên 20 kHz. Ứng dụng được chia làm hai nhóm lớn: siêu âm biên độ nhỏ (0,1-1 W/cm2, vài MHz) dùng trong y học, kiểm tra khuyết tật. Siêu âm biên độ cao (vài chục đến vài trăm W hoặc vài kW, 20kHz - MHz) dùng trong công nghiệp thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học. Các công trình nghiên cứu trong nước về lĩnh vực này còn hạn chế, đặc biệt là các ứng dụng về gia tốc rung và vận tốc rung.

1.2. Hệ Thống Đo Rung Động Vai Trò Trong Công Nghệ

Hệ thống đo rung động đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo độ bền, tuổi thọ của các thành phần trong hệ thống công nghệ, đặc biệt là trong điều kiện biến dạng đàn hồi liên tục. Hiểu biết sâu sắc về tính toán, thiết kế và phân tích chúng còn nhiều hạn chế do tính phức tạp về vật liệu tổ hợp, điều kiện biên liên kết và đặc biệt tải trọng cơ, nhiệt là rất phức tạp. Việc phát triển nghiên cứu, khai thác ứng dụng kỹ thuật gia công mới này là một hướng rất cần thiết.

II. Thiết Kế Thiết Bị Vấn Đề Tuổi Bền Đầu Rung Siêu Âm

Trong công nghệ hàn và cắt siêu âm, dải tần 12-70kHz phổ biến. Đầu rung siêu âm có tuổi bền hạn chế do làm việc liên tục, vật liệu bị rão. Hiểu biết về tính toán, thiết kế còn hạn chế do vật liệu phức tạp, điều kiện biên, tải trọng cơ nhiệt. Các nhà nghiên cứu, hãng sản xuất đã nghiên cứu độc lập nhưng công bố hạn chế. Mô hình hóa đầu rung siêu âm cốt lõi để thiết kế. Việt Nam nhập khẩu đầu rung siêu âm, giá cao, khó thay đổi thông số. Chủ động thiết kế, chế tạo, đánh giá đầu rung siêu âm là cấp thiết. Hình 1.3 trong tài liệu gốc minh họa các thành phần chính của đầu rung siêu âm. Mục tiêu nghiên cứu: thiết kế quy trình thí nghiệm đo thông số và chế tạo thiết bị hỗ trợ.

2.1. Khó Khăn Trong Thiết Kế và Phân Tích Rung Động

Việc thiết kế và phân tích rung động của đầu rung siêu âm gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp của vật liệu tổ hợp, điều kiện biên liên kết và đặc biệt là tải trọng cơ, nhiệt. Tuổi bền của đầu rung siêu âm là một thách thức lớn do điều kiện làm việc khắc nghiệt và đặc tính rão của vật liệu trong chế độ biến dạng đàn hồi liên tục. Do đó, việc nghiên cứu để kéo dài tuổi thọ của đầu rung siêu âm là rất quan trọng.

2.2. Tính Cấp Thiết Của Nghiên Cứu Tự Chủ Công Nghệ

Việc chủ động trong công nghệ thiết kế, chế tạo và đánh giá các đầu rung siêu âm là rất cấp thiết. Các đầu rung siêu âm hiện đang sử dụng trong nghiên cứu, thực nghiệm hoàn toàn là nhập từ nước ngoài, với giá thành đắt, khó khăn trong việc đặt hàng và kém tính linh hoạt khi muốn thay đổi thông số trong quá trình thực nghiệm. Thiết lập hệ đo biên độ rung động thời gian thực của đầu rung siêu âm có ý nghĩa quan trọng.

III. Phương Pháp Đo Đặc Tính Rung Động Xây Dựng Hệ Thống

Nghiên cứu tập trung vào đo biên độ rung động (5-20µm) ở tần số cao (20-40kHz). Việt Nam chưa có hệ đo này. Công bố khoa học đề cập đo nhưng không rõ ràng. Đo biên độ rung động thời gian thực quan trọng cho mô hình hóa, mô phỏng, thiết kế, kiểm nghiệm chế tạo. Các phép đo thực nghiệm không công bố rõ ràng, nhà sản xuất không nêu phương pháp đo. Tính cấp thiết: chủ động công nghệ thiết kế, chế tạo, đánh giá đầu rung siêu âm. Đo lường thông số quan trọng để kiểm tra thiết kế. Nghiên cứu khoa học: tham khảo cho nghiên cứu động lực học, bài toán tính toán, thiết kế hệ thống đo rung.

3.1. Cơ Sở Thí Nghiệm Đo Tần Số Cộng Hưởng Đầu Rung

Việc xây dựng hệ thống thí nghiệm đo tần số cộng hưởng đầu rung dựa trên việc xác định tổng trở của đầu rung. Hệ thống bao gồm các thiết bị như Transducer và Booster, máy hiện sóng số, máy khuếch đại siêu âm Piezo Amplifier EPA-102, Sensor đo dịch chuyển, máy phát nguồn siêu âm và thiết bị thu thập dữ liệu DAQ. Nguyên lý đo dựa trên việc tìm tần số mà tại đó tổng trở của đầu rung đạt giá trị cực tiểu.

3.2. Thiết Lập Thí Nghiệm Đo Biên Độ Rung Siêu Âm Chính Xác

Thí nghiệm đo biên độ rung siêu âm được thiết lập bằng cách sử dụng cảm biến dịch chuyển và máy hiện sóng số. Cảm biến dịch chuyển được gắn vào đầu rung để ghi lại sự thay đổi vị trí theo thời gian. Tín hiệu từ cảm biến được đưa vào máy hiện sóng để hiển thị và phân tích. Việc sử dụng phương pháp lọc nhiễu giúp cải thiện độ chính xác của kết quả đo. Đây là phương pháp quan trọng để validation thiết bị.

IV. Ứng Dụng Thiết Bị Thí Nghiệm Kết Quả và Kiểm Chứng

Luận văn chia thành các chương: giới thiệu chung về siêu âm, làm rõ tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu. Tổng quan về rung động siêu âm, kết quả nghiên cứu, ứng dụng trong gia công cơ, hàn siêu âm. Kiến thức cơ sở xây dựng quy trình đo tần số, biên độ rung động cho đầu rung siêu âm. Tập trung xây dựng hệ thống thiết bị thí nghiệm và quy trình đo tần số cộng hưởng, biên độ dao động cho đầu rung siêu âm. Kết quả kiểm chứng bằng cách so sánh với giá trị nhà sản xuất. Kết luận chung và hướng nghiên cứu tiếp theo.

4.1. So Sánh Kết Quả Đo Đặc Tính Rung Động Với Tiêu Chuẩn

Kết quả đo đặc tính rung động được so sánh với thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp để đánh giá độ chính xác của hệ thống đo. Các sai số được phân tích và giải thích để cải thiện quy trình đo. Việc so sánh này giúp tối ưu hóa rung động và đảm bảo chất lượng của đầu rung siêu âm.

4.2. Ứng Dụng Thiết Bị Thí Nghiệm Trong Nghiên Cứu và Phát Triển

Kết quả nghiên cứu về ứng dụng thiết bị thí nghiệm có thể làm cơ sở để nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn, giúp có những hiểu biết có tính chất định lượng về các yếu tố ảnh hưởng đến rung động của đầu rung siêu âm cho gia công nói chung và gia công hàn vật liệu phi kim có trợ giúp của rung động siêu âm nói riêng.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Thiết Kế Thiết Bị Đo

Nghiên cứu này thành công trong việc thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm đo lường các đặc tính rung động quan trọng của đầu rung siêu âm. Hệ thống này cung cấp khả năng đo đạc chính xác tần số cộng hưởng và biên độ rung, mở ra cơ hội cho việc nghiên cứu, phát triển và tối ưu hóa rung động các ứng dụng siêu âm trong nước. Việc chủ động trong công nghệ thiết kế, chế tạo và đánh giá đầu rung siêu âm là rất cấp thiết cho sự phát triển của ngành công nghiệp siêu âm Việt Nam.

5.1. Đánh Giá và Cải Tiến Độ Chính Xác Đo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác đo của hệ thống, đặc biệt là trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và các yếu tố môi trường. Việc sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu tiên tiến và thiết kế hệ thống cách ly rung động có thể giúp nâng cao độ chính xác đo.

5.2. Hướng Phát Triển Thiết Kế Cơ Khí và Tự Động Hóa

Nghiên cứu có thể được mở rộng để phát triển các thiết kế cơ khí mới cho đầu rung siêu âm với hiệu suất cao hơn và tuổi thọ dài hơn. Việc tích hợp hệ thống đo vào một quy trình tự động hóa hoàn toàn có thể giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất.

Tổng quan nghiên cứu

Rung động siêu âm là dạng dao động cơ học có tần số vượt ngưỡng nghe của con người, thường trên 20 kHz. Theo ước tính, ứng dụng rung siêu âm trong công nghiệp ngày càng phổ biến, đặc biệt trong gia công cơ khí và hàn siêu âm, với công suất từ vài chục đến vài trăm watt và tần số từ 20 đến 40 kHz. Tuy nhiên, việc đo đạc chính xác các đặc tính rung động của đầu rung siêu âm, như biên độ và tần số cộng hưởng, vẫn còn nhiều khó khăn do biên độ dịch chuyển rất nhỏ (5-20 µm) và tần số cao. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo thiết bị thí nghiệm đo đặc tính rung động của đầu rung siêu âm, nhằm xác định tần số cộng hưởng và biên độ dao động trong dải tần 18-40 kHz, công suất 40-600 W. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên trong năm 2021, với ý nghĩa khoa học là cung cấp cơ sở tham khảo cho các nghiên cứu động lực học và thiết kế hệ thống rung siêu âm, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn trong việc phát triển công nghệ gia công và hàn siêu âm trong nước, giảm phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu đắt đỏ và kém linh hoạt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect) và mô hình cộng hưởng điện - cơ học của đầu rung siêu âm kiểu Langevin. Hiệu ứng áp điện mô tả sự biến dạng cơ học của vật liệu áp điện khi có điện áp đặt lên, là cơ sở tạo ra rung động siêu âm. Mô hình cộng hưởng gồm hai dạng: cộng hưởng nối tiếp và cộng hưởng song song, được mô phỏng bằng mạch điện tương đương Butterworth Van-Dyke, trong đó các đại lượng điện áp, dòng điện, điện dung, điện cảm và trở kháng tương ứng với lực, vận tốc, độ cứng và tiêu hao năng lượng cơ học. Ba khái niệm chính được sử dụng là tần số cộng hưởng (resonant frequency), biên độ rung động (vibration amplitude) và hệ số chất lượng (quality factor Q), phản ánh hiệu suất và độ ổn định của đầu rung. Ngoài ra, các thành phần cấu tạo như đầu phát rung (transducer), bộ khuếch đại biên độ (booster) và đầu công tác (horn) cũng được phân tích chi tiết về vật liệu, hình dạng và chức năng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thiết bị thực nghiệm gồm đầu rung siêu âm Herrmann Ultrasonic 20 kHz công suất 4000 W, bộ khuếch đại biên độ, máy phát nguồn siêu âm, cảm biến dịch chuyển, máy hiện sóng số Protek 5100 và thiết bị thu thập dữ liệu DAQ. Phương pháp phân tích sử dụng đo tổng kháng điện của đầu rung để xác định tần số cộng hưởng bằng các mạch đo như mạch cầu, mạch I-V và mạch cầu tự cân bằng. Biên độ rung được đo bằng phương pháp tiếp xúc (đồng hồ so, panme đo ngoài, cảm biến khoảng cách, gia tốc kế) và không tiếp xúc (kính hiển vi, laser vibrometer). Quy trình nghiên cứu gồm thiết kế đồ gá kẹp chặt đầu rung, lắp ráp hệ thống đo, thu thập tín hiệu điện áp và dịch chuyển, xử lý dữ liệu bằng phần mềm OriginLab để xác định tần số cộng hưởng và biên độ dao động. Cỡ mẫu là một đầu rung siêu âm công suất vừa và nhỏ, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính khả thi và độ chính xác trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác định tần số cộng hưởng: Kết quả đo tổng kháng điện cho thấy tần số cộng hưởng của đầu rung siêu âm nằm trong khoảng 19,8 - 20,2 kHz, tương ứng với tần số thiết kế 20 kHz của nhà sản xuất, sai số dưới 1%. Phương pháp mạch cầu tự cân bằng cho độ chính xác cao nhất với sai số đo khoảng 0,5%.

2. Biên độ rung động: Biên độ dao động đầu rung đo được bằng kính hiển vi và laser vibrometer dao động trong khoảng 5-12 µm tại tần số cộng hưởng, phù hợp với thông số kỹ thuật của thiết bị (10 µm). Khi kết hợp với bộ khuếch đại biên độ (booster), biên độ tăng lên khoảng 20-30 µm, chứng tỏ hiệu quả khuếch đại của booster với hệ số khoảng 2.

3. Ảnh hưởng của tải cơ học: Khi đầu rung được gắn với tải mô phỏng điều kiện gia công, tần số cộng hưởng giảm nhẹ khoảng 0,3-0,5 kHz và biên độ dao động giảm khoảng 10-15%, phản ánh sự tiêu hao năng lượng cơ học do tải trọng. Điều này phù hợp với mô hình cộng hưởng song song, trong đó trở kháng và hệ số chất lượng thay đổi theo tải.

4. So sánh phương pháp đo: Phương pháp đo không tiếp xúc bằng laser vibrometer cho kết quả ổn định và chính xác hơn so với phương pháp tiếp xúc như đồng hồ so hay panme, do tránh được ảnh hưởng cơ học lên đầu rung. Tuy nhiên, phương pháp tiếp xúc vẫn hữu ích trong điều kiện phòng thí nghiệm hạn chế thiết bị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự biến đổi tần số cộng hưởng và biên độ khi có tải cơ học là do sự thay đổi trở kháng cơ học và tiêu hao năng lượng trong hệ thống đầu rung và bộ khuếch đại. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về động lực học đầu rung siêu âm, khẳng định tính đúng đắn của mô hình mạch điện tương đương và phương pháp đo. Việc đo chính xác biên độ và tần số cộng hưởng giúp cải thiện thiết kế đầu rung, tối ưu hóa hiệu suất truyền năng lượng siêu âm trong gia công và hàn siêu âm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số cộng hưởng so với biên độ dao động dưới các điều kiện tải khác nhau, hoặc bảng so sánh sai số giữa các phương pháp đo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển hệ thống đo tự động: Thiết kế và chế tạo hệ thống đo tần số cộng hưởng và biên độ rung động tự động, tích hợp cảm biến laser và bộ xử lý tín hiệu để nâng cao độ chính xác và giảm sai số do thao tác thủ công. Mục tiêu giảm sai số đo xuống dưới 0,2% trong vòng 12 tháng, do nhóm nghiên cứu và kỹ thuật viên thực hiện.

2. Tối ưu thiết kế đầu rung: Áp dụng mô hình động lực học và phân tích phần tử hữu hạn để tối ưu kích thước, vật liệu và cấu trúc đầu rung, nhằm tăng hệ số chất lượng Q và biên độ dao động tối đa, giảm tiêu hao năng lượng. Thời gian thực hiện 18 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm cơ khí và vật liệu.

3. Nghiên cứu ảnh hưởng tải thực tế: Mở rộng nghiên cứu đo đặc tính rung động dưới các điều kiện tải thực tế trong gia công và hàn siêu âm, nhằm đánh giá tuổi thọ và hiệu suất đầu rung trong môi trường làm việc đa dạng. Thời gian 24 tháng, hợp tác với doanh nghiệp sản xuất.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật đo và phân tích đặc tính rung động siêu âm cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên, đồng thời chuyển giao công nghệ thiết kế và chế tạo đầu rung siêu âm cho các đơn vị công nghiệp trong nước. Kế hoạch triển khai trong 6 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về rung động siêu âm, mô hình động lực học và phương pháp đo đặc tính rung động, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển thiết bị siêu âm.

2. Kỹ sư thiết kế và chế tạo thiết bị siêu âm: Tham khảo quy trình thiết kế, chế tạo và đo đạc đầu rung siêu âm, giúp nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị trong ứng dụng gia công và hàn siêu âm.

3. Doanh nghiệp sản xuất công nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để chủ động sản xuất đầu rung siêu âm trong nước, giảm chi phí nhập khẩu, tăng tính linh hoạt trong điều chỉnh thông số kỹ thuật.

4. Các trung tâm đào tạo và chuyển giao công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy và hướng dẫn thực hành, đồng thời phát triển các dự án nghiên cứu ứng dụng rung siêu âm trong công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải đo tần số cộng hưởng của đầu rung siêu âm?
   Tần số cộng hưởng là tần số mà đầu rung hoạt động hiệu quả nhất, giúp tối đa hóa biên độ rung và hiệu suất truyền năng lượng. Việc đo chính xác tần số này giúp điều chỉnh thiết bị phù hợp với ứng dụng, tránh hao tổn năng lượng và hư hỏng.

2. Phương pháp nào đo biên độ rung siêu âm chính xác nhất?
   Phương pháp không tiếp xúc bằng laser vibrometer được đánh giá cao về độ chính xác và ổn định, vì không ảnh hưởng cơ học lên đầu rung. Tuy nhiên, phương pháp tiếp xúc như đồng hồ so vẫn được sử dụng phổ biến do chi phí thấp và dễ thực hiện.

3. Ảnh hưởng của tải cơ học đến đặc tính rung động như thế nào?
   Tải cơ học làm thay đổi trở kháng và tiêu hao năng lượng của đầu rung, dẫn đến giảm biên độ rung và dịch chuyển tần số cộng hưởng. Điều này cần được tính đến khi thiết kế và vận hành thiết bị trong thực tế.

4. Có thể tự chế tạo đầu rung siêu âm trong nước không?
   Kết quả nghiên cứu cho thấy hoàn toàn có thể thiết kế và chế tạo đầu rung siêu âm công suất vừa và nhỏ trong nước, giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt trong nghiên cứu và ứng dụng.

5. Ứng dụng của rung động siêu âm trong gia công cơ khí là gì?
   Rung động siêu âm trợ giúp gia công giúp giảm lực cắt, tăng tuổi thọ dụng cụ, cải thiện chất lượng bề mặt và gia công được vật liệu khó như thép sau nhiệt luyện, hợp kim niken, titan, và vật liệu composite.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thí nghiệm đo tần số cộng hưởng và biên độ rung động của đầu rung siêu âm công suất 40-600 W, tần số 18-40 kHz.
• Xác định tần số cộng hưởng thực nghiệm gần khớp với thông số nhà sản xuất, sai số dưới 1%, biên độ dao động đạt 5-12 µm cho đầu rung và 20-30 µm sau bộ khuếch đại.
• Phân tích ảnh hưởng tải cơ học cho thấy sự giảm biên độ và dịch chuyển tần số, phù hợp với mô hình động lực học mạch điện tương đương.
• Đề xuất phát triển hệ thống đo tự động, tối ưu thiết kế đầu rung và nghiên cứu ứng dụng thực tế nhằm nâng cao hiệu quả và tuổi thọ thiết bị.
• Khuyến nghị đào tạo và chuyển giao công nghệ để thúc đẩy ứng dụng rung siêu âm trong công nghiệp gia công và hàn tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai phát triển hệ thống đo tự động, mở rộng nghiên cứu tải thực tế và tổ chức đào tạo kỹ thuật.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ rung siêu âm trong sản xuất.