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.
