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

DƯƠNG VIẾT CHÍNHNGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ THUỘC CHẾ ĐỘ HÀN ĐẾN CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN NỒI HƠI SỬ DỤNG TRONG SẤY GỖ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, 2012... Với ý nghĩa đó, việ

DƯƠNG VIẾT CHÍNH

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2012

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ VĂN THÁI

Hà Nội, 2012

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự quan tâmgiúp đỡ và tạo điều kiện của các tổ chức, cá nhân; nhân dịp này tôi xin gửi lờicám ơn chân thành tới:

- TS Lê Văn Thái - Chủ nhiệm bộ môn Kỹ thuật cơ khí - Trường đạihọc lâm nghiệp là người hướng dẫn trực tiếp, đã dành nhiều thời gian, chỉ bảotận tình và cung cấp các tài liệu khoa học

- Tập thể cán bộ, các thầy cô giáo khoa sau đại học, khoa cơ điện vàcông trình trường Đại học lâm nghiệp đã góp ý và tạo mọi điều kiện thuận lợicho tôi thực hiện đề tài

- Ban lãnh đạo, nhân viên Trung tâm đánh giá kỹ năng nghề hàn Quốcgia đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, cử người có chức năng kết hợp giúp tôithực hiện các thí nghiệm

- Viện hàn, tổng công ty lắp máy Việt Nam đã cung cấp tài liệu

- Công ty TNHH nồi hơi công nghiệp đã cung cấp tài liệu và tạo điềukiện cho tôi thăm quan, phỏng vấn

Tôi xin gửi lời cám ơn tới Ban lãnh đạo nhà trường, cán bộ khoa hàn,các bạn đồng nghiệp trường Cao đẳng LILAMA 1 đã tạo điều kiện giúp đỡ tôitrong quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp do tôi tự làm, số liệu thu thập, kếtquả tính toán trung thực và được trích dẫn rõ ràng

Tác giả

Dương Viết Chính

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục các từ viết tắt vi

Danh mục các bảng vii

Danh mục các hình viii

Đặt vấn đề 1

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 3 1.1- Nồi hơi trong dây chuyền sấy gỗ 3

1.2- Các phương pháp gia công nồi hơi, hàn nồi hơi 5

1.2.1- Các phương pháp gia công nồi hơi 5

1.2.2- Hàn nồi hơi 8

1.2.2.1- Hàn thân ba lông 8

1.2.2.2- Hàn lỗ chui và các ống nước với nồi hơi 9

1.3 - Tình hình nghiên cứu chế độ hàn khi gia công nồi hơi 12

1.4 - Kết luận chung 15

Chương 2 - MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1- Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 16

2.2- Đối tượng, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 16

2.3- Nội dung nghiên cứu 16

2.4- Phương pháp nghiên cứu 16

2.4.1- Các phương pháp nghiên cứu chung 16

2.4.2- Nội dung và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 19

2.4.2.1- Thí nghiệm thăm dò 19

2.4.2.2- Thực nghiệm đơn yếu tố 21

2.4.2.3- Quy hoạch hóa thực nghiệm đa yếu tố 24

2.4.2.4- Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu 31

2.4.2.5- Chất lượng mối hàn nồi hơi và phương pháp kiểm tra 34 Chương 3 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 37 3.1 - Khái quát chung về nồi hơi sấy gỗ 37

3.1.1- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của nồi hơi 37

3.1.1.1 - Cấu tạo 37

3.1.1.2 - Nguyên lý hoạt động 38

3.1.2- Đặc tính kỹ thuật của nồi hơi nghiên cứu 38

3.1.3 - Xác định một số kích thước cơ bản của nồi hơi 39

3.1.3.1 - Chọn vật liệu chế tạo ba lông và ống nước bức xạ nhiệt 39 3.1.3.2 - Xác định kích thước và thông số ba lông trên 39

3.1.3.3- Xác định kích thước của ba lông dưới 43

3.1.3.4- Xác định kích thước ống bức xạ nhiệt và van an toàn 43

3.2 - Tính toán chế độ hàn 47

3.2.1- Lựa chọn loại mối hàn 47

3.2.2- Lựa chọn vật liệu hàn 47

3.2.3- Chế độ hàn 48

3.2.3.1- Kích thước gá lắp 48

3.2.3.2- Tính tiết diện kim loại đắp và số lớp hàn 48

3.2.3.3- Tính toán các thông số chế độ hàn 49

3.3 - Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn nồi hơi 56

3.3.1 - Ảnh hưởng của yếu tố công nghệ 56

3.3.1.1- Công nghệ hàn 56

3.3.1.2- Ảnh hưởng của yếu tố công nghệ 56

3.3.2 - Ảnh hưởng của vật liệu 58

3.3.2.1- Ảnh hưởng của vật liệu phụ 58

3.3.2.2- Ảnh hưởng của kim lại cơ bản 58

3.3.3 - Ảnh hưởng của chế độ hàn 60

3.3.3.1- Ảnh hưởng chung của chế độ hàn đến cơ tính mối hàn 60 3.3.3.2- Ảnh hưởng của các thông số chế độ hàn đến cơ tính mối hàn 62

3.4- Kết luận chương 69

Chương 4 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 70 4.1 - Mục tiêu của thực nghiệm 70

4.2 - Chuẩn bị thí nghiệm 70

4.2.1- Chuẩn bị mô hình thí nghiệm 70

4.2.1.1- Mẫu hàn 70

4.2.1.2- Máy hàn 71

4.2.2 - Thiết bị kiểm tra (đo) và phương pháp kiểm tra (đo) 72

4.2.2.1 - Kiểm tra độ bền kéo của mối hàn 72

4.2.2.2 - Kiểm tra góc uốn của mối hàn 73

4.2.2.3 - Kiểm tra độ dai va đập của mối hàn 73

4.3- Lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng và khoảng giới hạn của chúng 74

4.3.1- Lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng 74

4.3.2- Giới hạn của các yếu tố ảnh hưởng 75

4.3.2.1- Dòng điện hàn 75

4.3.2.2- Điện thế hàn 76

4.3.2.3- Tốc độ hàn 76

4.4 Kết quả thí nghiệm thăm dò 76

4.4.1 Trường hợp hàm mục tiêu là độ bển kéo 76

4.4.2 Trường hợp hàm mục tiêu là góc uốn 78

4.4.3 Trường hợp hàm mục tiêu là độ dai va đập 79

4.5 - Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 81

4.5.1 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của dòng điện hàn đến cơ tính mối hàn 81

4.5.1.1- Quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của dòng điện hàn đến độ bền kéo mối hàn 81

4.5.1.2- Quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của dòng điện hàn đến góc uốn của mối hàn 83

4.5.1.3- Quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của dòng điện hàn đến độ dai va đập của mối hàn 84

4.5.2 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của điện thế hàn đến cơ tính mối hàn 86

4.5.2.1 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của điện thế hàn đến độ bền kéo 86

4.5.2.2 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của điện thế hàn đến góc uốn 87

4.5.2.3 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của điện thế hàn đến độ dai va đập của mối hàn 89

4.5.3 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của tốc độ hàn đến cơ tính mối hàn 90

4.5.3.1 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của tốc

độ hàn đến độ bền kéo của mối hàn 90

4.5.3.2 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của tốc độ hàn đến góc uốn của mối hàn 92

4.5.3.3 - Xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của tốc độ hàn đến độ dai va đập của mối hàn 93

Kết luận phần thực nghiệm đơn yếu tố 95

4.6 - Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 95

4.6.1-Chọn vùng nghiên cứu và giá trị biến thiên của các yếu tố 95 4.6.2 - Xây dựng ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm 96

4.6.3 - Quy luật và mức độ ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến độ bền kéo 97

4.6.3.1- Kết quả xử lý số liệu 97

4.6.3.2- Chuyển phương trình hồi quy về dạng thực 99 4.6.4- Quy luật và mức độ ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến góc uốn 100

4.6.4.1- Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm 100

4.6.4.2- Chuyển phương trình hồi quy về dạng thực 103

4.6.5- Quy luật và mức độ ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến độ dai va đập 103

4.6.5.1- Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm 103

4.6.5.2- Chuyển phương trình hồi quy về dạng thực 106

4.7- Xác định chế độ hàn nồi hơi tối ưu 106

Kết luận và kiến nghị 110

1 - Kết luận 110

2 - Kiến nghị 111

Tài liệu tham khảo 112

Phụ lục 114

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1G Hàn giáp mối ở tư thế bằng

2G Hàn giáp mối ở tư thế ngang

ASME American Society Of Mechanical Engineers - Bộ tiêu chuẩn của

hiệp hội cơ khí Hoa Kỳ

ASTM American Society for Testing and Materials - Hiệp hội vật liệu

và thử nghiệm Hoa Kỳ

CO Certificate of Origin - giấy chứng nhận xuất xứ hàng hóa

CQ Certificate of Quality - chứng nhận chất lượng hàng hóa

DIN Deutsches Institut für Normung -Tiêu chuẩn quốc gia Đức

DT Destructive Testing - Kiểm tra mối hàn bằng thử phá hủy

EMC Độ ẩm cân bằng trung bình

EPC Engineering -Procurement-Construction-Nhà thầu trọn gói

FCAW Flux cored arc welding - Hàn bằng dây lõi thuốc

FSB Độ ẩm bão hòa thớ gỗ

JIS Japanese Industrial Standards - Tiêu chuẩn quốc gia Nhật

MAG Metal active gas - phương pháp hàn điện cực nóng chảy trong

môi trường khí bảo vệ CO2

NNPTNT Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn

PEC Pressure Equipment Directive - Tiêu chuẩn thiết bị chịu áp lực

của Liên minh châu Âu

QA Đảm bảo chất lượng sản phẩm

QC Kiểm tra chất lượng sản phẩm

SAW Submerged Arc Welding - Hàn dưới lớp thuốc bảo vệ

TCVN Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam

TMC Độ ẩm cần thiết

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Các bộ phận của lò hơi và nguồn gốc chi tiết 6

3.2 Số liệu kỹ thuật về các bộ phận chính của nồi hơi 46

4.3 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của  78

4.5 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm của ak 80

4.7 Dạng mã hóa và giá trị của các yếu tố đầu vào 96

DANH MỤC CÁC HÌNH

3.6 Tổ chức kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn 613.7 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của dòng điện hàn 63

TT Tên hình Trang

3.8 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của mật độ dòng điện,

vận tốc điện cực khi hàn trong môi trường CO2 643.9 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của điện thế hàn 653.10 Hình dạng mối hàn và ảnh hưởng của tốc độ hàn 67

4.8 Đồ thị quan hệ giữa độ bền kéo với dòng điện hàn 824.9 Đồ thị quan hệ giữa góc uốn với dòng điện hàn 844.10 Đồ thị quan hệ giữa độ dai va đập với dòng điện hàn 854.11 Đồ thị quan hệ giữa độ bền kéo với điện thế hàn 874.12 Đồ thị quan hệ giữa góc uốn với điện thế hàn 884.13 Đồ thị quan hệ giữa độ dai va đập với điện thế hàn 904.14 Đồ thị quan hệ giữa độ bền kéo với tốc độ hàn 914.15 Đồ thị quan hệ giữa góc uốn với tốc độ hàn 934.16 Đồ thị quan hệ giữa độ dai va đập với tốc độ hàn 94

ĐẶT VẤN ĐỀ

Nồi hơi là một thiết bị giúp đưa nhiệt của quá trình đốt nóng nướcthành hơi, dưới tác động của áp suất, hơi nóng mang nhiệt sẽ truyền nhiệtsang một quy trình khác

Nồi hơi được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệttrong lĩnh vực chế biến gỗ, nồi hơi sử dụng để làm nguồn cung cấp nhiệt vàdẫn nguồn nhiệt đến các thiết bị sấy gỗ Các lò sấy ở Việt Nam rất khác nhau

về cấp độ, từ công nghệ cao đắt tiền tới rẻ tiền, công nghệ cũ, và công nghệ

do địa phương tự xây dựng Nhìn chung, phần lớn các lò sấy của Việt Nam sửdụng lò hơi để tạo ra nhiệt

Do đặc điểm làm việc dưới áp suất và nhiệt độ cao, đòi hỏi nồi hơi phải

có độ bền cao Ngoài việc chọn vật liệu phù hợp với đặc điểm chịu lực vànhiệt độ thì quy trình gia công chế tạo đòi hỏi phải tính toán và lựa chọn khắtkhe, đặc biệt là quy trình hàn để đảm bảo các điều kiện về chịu lực và an toànkhi vận hành

Hiện nay ngành chế tạo máy của Việt Nam đã phát triển và có đượccông nghệ chế tạo tiên tiến; chúng ta đã có đầy đủ những thiết bị chế tạo máytiên tiến trên thế giới đặc biệt là thiết bị gia công và thiết bị hàn kim loại Tuyvậy, một số thiết bị quan trọng phục vụ công nghiệp như: bồn, bể, nồi hơi,thiết bị chịu áp lực vẫn phải nhập ngoại nguyên chiếc hoặc nhập khẩu côngnghệ; điều này làm lãng phí về mặt kinh tế cho đất nước, không chủ độngtrong sản xuất để trở thành các nhà thầu EPC ngay cả các dự án xây dựngcông nghiệp trong nước

Để sử dụng có hiệu quả các thiết bị hàn sẵn có để sản xuất nồi hơi trongnước, từng bước giảm giá thành của thiết bị sử dụng hơi nóng nói chung vàthiết bị sấy gỗ nói riêng nhưng vẫn đảm bảo được tính năng sử dụng và quy

định về an toàn Với ý nghĩa đó, việc nghiên cứu đề tài: “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” là cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn và xã hội.

Việc nghiên cứu về ảnh hưởng của một số yếu tố thuộc chế độ hàn đếnchất lượng mối hàn nồi hơi sử dụng trong sấy gỗ sẽ mang lại:

- Hiệu quả đối với lĩnh vực khoa học và công nghệ

+ Từng bước xây dựng các quy định, quy chuẩn về chế tạo vàkiểm định các thiết bị áp lực theo tiêu chuẩn Quốc gia phù hợp với thực tế vàđiều kiện về khoa học công nghệ hiện nay

+ Thực hiện nghiên cứu chế tạo các thiết bị chịu áp lực nhỏ, xâydựng ngân hàng dữ liệu nhằm nâng cao chất lượng mối hàn, từng bước thựchiện chế tạo theo công nghệ nội địa các thiết bị chịu áp lực lớn hơn như bình,bồn, bể cao áp

- Hiệu quả kinh tế xã hội

+ Sử dụng được thiết bị hàn, nhân công trong nước để chế tạonồi hơi phục vụ chế biến gỗ nhằm từng bước nội địa hóa để giảm giá thànhsản phẩm

+ Sử dụng được các tiêu chuẩn, quy chuẩn và quy định Quốc gia

để đăng kiểm nội địa mà không cần đăng kiểm hoặc giám sát của Quốc tế,không cần trả phí cho bản quyền của quy trình của nước ngoài

+ Chủ động chế tạo nồi hơi theo các mục đích sử dụng khácnhau, phù hợp với năng suất và quy mô sản xuất của doanh nghiệp chế biến

gỗ và các lĩnh vực khác

sẽ làm cho gỗ có kích thước ổn định, không bị sâu mọt, dễ dàng bảo quản,quá trình hoàn thiện và gia công sản phẩm cũng vì thế mà sẽ đạt chất lượngcao hơn Đặc biệt, việc xử lý nước trong gỗ sẽ làm nhằm giảm trọng lượngcủa nó theo đó làm giảm chi phí vận chuyển.

Hiện nay, Việt Nam là một nước có ngành công nghiệp chế biến gỗthuộc loại lớn trên thể giới Cụ thể, trong tháng 9/2011, xuất khẩu gỗ của ViệtNam đã đạt 402 triệu USD, đưa tổng kim ngạch xuất khẩu 9 tháng đầu năm

2011 lên 3 tỷ USD, tăng 17% so với cùng kỳ năm trước, vươn lên đứng đầukhu vực Đông Nam Á và thứ 10 thế giới, mỗi năm nước ta phải nhập khẩu tới

4 triệu m³ gỗ để làm nguyên liệu chế biến

Có nhiều phương pháp làm cho nước trong gỗ thoát ra ngoài, phổ biếnnhư: hong phơi, sấy chân không, sấy cưỡng bức Tuy nhiên, hong phơi cónhững nhược điểm là thời gian sấy dài, gỗ không thể sấy khô đến độ ẩm dưới

độ ẩm cần thiết 15% , cần một diện tích rộng cho việc xếp đống và hong phơi.Sấy chân không đã được áp dụng phổ biến ở các nước châu Âu và châu Á; tuyvậy, do giá thành thiết bị cao và vận hành phức tạp nên phương pháp sấy nàyvẫn chưa được áp dụng phổ biến cho nền công nghiệp chế biến gỗ ở nước ta

Với nhu cầu sản xuất lớn, nhằm đảm bảo độ ẩm của gỗ theo quy địnhthì việc sấy gỗ cưỡng bức bằng lò sấy gỗ là lựa chọn tối ưu tại nước ta Khônggiống với quá trình hong phơi, nhiệt độ, độ ẩm tương đối và sự tuần hoànkhông khí trong lò sấy được kiểm soát trong suốt quá trình sấy Nhiệt độtrong quá trình sấy có thể lên tới 100oC Tuy nhiên, việc sấy gỗ với nhiệt độcao thường không phổ biến bởi vì khó hạn chế các khuyết sinh ra trong quátrình sấy

Tại các nhà máy chế biến gỗ, mùn cưa, gỗ rác, phoi bào, gỗ vụn đượcmặc định là phế thải của chế biến gỗ; các phế thải này thường được tập trungthành đống lớn ở khu vực ở nhà máy không có mái che, khi có mưa sẽ tạo ralượng nước hôi thối, mất vệ sinh thải ra hệ thống nước thải của môi trường;một số nhà máy, phế thải này được đem đi đốt với khối lượng lớn, thải ra môitrường nhiều chất độc hại Những năm gần đây, các nhà máy đã tận dụng phếthải này để chuyển hóa thành nhiệt lượng để phục vụ cho nhu cầu sấy gỗ.

Để thực hiện quá trình sấy gỗ thì nhiệt lượng là tác nhân cần thiết đểlàm bay hơi nước từ gỗ Nhiệt được cung cấp bằng việc đốt than, dầu, ga hoặccác phế thải trong quá trình chế biến gỗ…thông qua nồi hơi

Nồi hơi (boiler) là một thiết bị thu năng lượng (nhiệt năng) do quá trìnhđốt nhiên liệu (phế thải chế biến gỗ) để chuyển cho quá trình sấy gỗ trong lòsấy thông qua tác nhân trung gian là nước Nồi hơi thu nhiệt của qua trình đốt

để đun nóng nước trong nồi thành hơi, dưới tác động của áp suất hơi sẽ truyềnnhiệt sang lò sấy gỗ Khi nước được chuyển thành hơi, thể tích sẽ tăng lênkhoảng 1.600 lần, tạo ra áp suất rất cao, vì vậy lò hơi là thiết bị phải đượctuân thủ quy trình kỹ thuật chế tạo và vận hành có độ an toàn cao [8]

Hệ thống lò hơi bao gồm: một hệ thống nước cấp, hệ thống hơi và hệthống nhiên liệu Hệ thống nước cấp nước cho lò hơi và tự động điều chỉnhnhằm đáp ứng nhu cầu hơi Hệ thống thu gom hơi và kiểm soát hơi do lò hơisản xuất ra Một hệ thống đường ống dẫn hơi tới vị trí cần sử dụng; qua hệthống này, áp suất hơi được điều chỉnh bằng các van và kiểm tra bằng thiết bị

đo áp suất hơi Hệ thống nhiên liệu bao gồm tất cả các thiết bị được sử dụng

để tạo ra nhiệt cần thiết Các thiết bị cần dùng trong hệ thống nhiên liệu phụthuộc vào loại nhiên liệu sử dụng trong hệ thống nhiên liệu Nước đưa vào lòhơi được chuyển thành hơi được gọi là nước cấp; nước cấp có hai nguồnchính là: Nước ngưng hay hơi ngưng tuần hoàn từ các quy trình và nước đãqua xử lý từ bên ngoài bộ phận lò hơi và các quy trình của nhà máy Để nângcao hiệu quả sử dụng lò hơi, một thiết bị trao đổi nhiệt đun nóng sơ bộ nướccấp sử dụng nhiệt thải từ khí lò

Hiện nay trong công nghiệp thường sử dụng các loại lò hơi như lò hơiống lửa, lò hơi ống nước, lò hơi trọn bộ, lò hơi buồng lửa tầng sôi Trong chếbiến gỗ, lò hơi buồng lửa tầng sôi FBC là một lựa chọn khả thi và có rất nhiều

ưu điểm so với hệ thống đốt truyền thống khác, nó mang lại rất nhiều lợiích là: thiết kế lò hơi gọn nhẹ, nhiên liệu linh hoạt, hiệu suất cháy cao hơn vàgiảm thải các chất gây ô nhiễm độc hại như SO và NO Nhiên liệu đốt củanhững lò hơi loại này gồm có than, vỏ trấu, bã mía, và các chất thải nôngnghiệp khác Lò hơi buồng lửa tầng sôi có các mức công suất rất khácnhau từ 0,5 T/h cho tới hơn 100 T/h Loại lò hơi này được sử dụng trong sấylúa, sấy gỗ, nhà máy đường [8]

Theo báo cáo của dự án 027/06VIE “Tăng cường kỹ năng và cải tiếncông nghệ cho các xưởng xẻ quy mô nhỏ vùng nông thôn Việt Nam - MS4:Sấy gỗ ở Việt Nam” [2] và các nguồn số liệu tại một số nhà máy chế tạo nồihơi rải đều trên các vùng trên lãnh thổ Việt Nam; các doanh nghiệp chế biến

gỗ và các cơ sở sấy gỗ có quy mô từ nhỏ đến lớn thường sử dụng các loại lòsấy gỗ có áp suất làm việc của nồi hơi từ 6 ÷ 12 kg/cm2, năng suất sinh hơi từ

1400 ÷ 2800 kg/h, thuộc loại buồng lửa tầng sôi FBC Đây là loại lò hơi cócông suất nhỏ, sử dụng nhiên liệu là bã mía, mùn cưa, rơm rạ và các phụphẩm chế biến gỗ , loại này có thể chế tạo và đăng kiểm trong nước, giáthành lò tổng thể thấp Tùy thuộc vào quy mô của từng doanh nghiệp mà sửdụng số lò hơi nhiều hay ít, những doanh nghiệp nhỏ có thể sử dụng 01 chiếc,doanh nghiệp lớn có thể sử dụng nhiều lò sấy Ví dụ Công ty Hoàng Thanh cótrụ sở tại Dĩ An tỉnh Bình Dương sử dụng 12 lò, công ty Toung Tai sử dụng

10 lò đặt tại các vị trí khác nhau trong nhà máy

1.2 - Các phương pháp gia công nồi hơi, hàn nồi hơi

1.2.1 - Các phương pháp gia công nồi hơi

- Lò hơi gồm nhiều chi tiết, cụm chi tiết và các linh kiện hợp thành.Hiện nay trong nước chỉ chế tạo một số bộ phận của lò hơi và tiến hành lắpráp với các bộ phận khác nhập ngoại hoặc mua của các doanh nghiệp sản xuấtchuyên biệt (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Các bộ phận của lò hơi và nguồn gốc chi tiết

10 Van hơi mặt bích thép xả ống

11 Van hơi mặt bích thép xả ba

- Nồi hơi gồm ba phần chính được liên kết kín với nhau bằng phương pháphàn (hình 1.1)

1- Ba lông trên, 2-ống nước, 3- ba lông dưới

Hình 1.1 Cấu tạo của nồi hơi

- Ba lông trên và ba lông dưới có nhiệm vụ khác nhau trong quá trình làmviệc nhưng chúng có cùng cấu tạo, kích thước và chịu cùng áp suất, vì vậy khichế tạo cũng giống nhau về vật liệu và kích thước.(hình 1.2)

1- Thân ba lông; 2- Đáy ba lông

Hình 1.2 Cấu tạo ba lông nồi hơi

- Thân của ba lông được chế tạo bằng phương pháp lốc để tạo hình sau đó sửdụng phương pháp hàn để nối kín (hình 1.3)

Hình 1.3 Chế tạo thân ba lông bằng máy lốc 3 trục

- Đáy ba lông được chế tạo bằng phương pháp vê chỏm cầu (hình 1.4)

Hình 1.4 Chế tạo đáy ba lông bằng máy vê chỏm cầu

1.2.2 - Hàn nồi hơi

1.2.2.1- Hàn thân ba lông

Hiện nay, tại Việt Nam có rất nhiều phương pháp hàn đang phổ biến cóthể hàn được mối hàn ba lông để đảm bảo năng suất, chất lượng và kinh tếnhư: hàn hồ quang tay SMAW, hàn TIG (GTAW), hàn MAG (GMAW), hàndưới thuốc (SAW), hàn dây lõi bộ (FCAW) Phương pháp hàn điện cực nóngchảy trong môi trường khí bảo vệ gọi là MAG (GMAW) có giá thành chế tạo

rẻ, thiết bị đa dạng và phổ biến, hiện nay được nhiều doanh nghiệp áp dụng,

ưu điểm của phương pháp hàn MAG là:

- Dùng cho hàn thép các bon thấp và thép hợp kim thấp với dạngdịch chuyển tia Dạng dịch chuyển ngắn mạch thích hợp để hàn các tấmmỏng, dạng dịch chuyển giọt lớn có thể hàn được các tấm dày nhưng có hiệntượng bắn toé kim loại

- Hàn được ở mọi tư thế

- Chiều dày kim loại hàn từ 0,8mm đến 40 mm

- Mật độ dòng hàn cao, vùng ảnh hưởng nhiêt hẹp

- Có thể điều chỉnh thành phần hoá học của mối hàn thông qua thayđổi thành phần dây hàn

- Khả năng cơ giới hoá và tự động hoá cao, chiều sâu nóng chảy lớn

- Chi phí thấp, năng suất cao, chất lượng liên kết hàn được đảm bảo

- Hạn chế ảnh hưởng của tay nghề người thợ đến chất lượng mối hàn

- Thiết bị hàn đơn giản, phổ biến trên thị trường

Ba lông nồi hơi có dạng bình chứa, có chiều dài mối hàn lớn, mối hàn

là đường thẳng và đường chu vi, yêu cầu mối hàn ngấu hoàn toàn nên đòi hỏi

sự đồng đều về cơ tính của các mối hàn trên toàn chi tiết Để đảm bảo yêu cầutrên ta có thể chọn quá trình hàn MAG tự động để hàn ba lông

1.2.2.2- Hàn lỗ chui và các ống nước với nồi hơi (hình 1.5)

Các mối hàn liên kết ống với ba lông: Vì các đường ống nước và lỗchui có đường kính nhỏ không thực hiện được bằng phương hàn tự động nêncác mối hàn này thực hiện bằng phương pháp lót TIG, phủ hồ quang tay vớiquy trình hàn đòi hỏi kỹ thuật khắt khe với que hàn đặc biệt có tính chịu lựccao [16,20]

Hình 1.5 Hàn các ống nước bằng phương pháp lót TIG phủ hồ quang tay

- Nguồn điện được cung cấp bởi bộ phận biến thế hàn, một đầu đượcnối với chi tiết, đầu còn lại nối với dây hàn thông qua kẹp tiếp điện ở đầu mỏ

Hồ quang cháy giữa dây hàn và vật hàn, bể hàn được bảo vệ bằng nguồn khíđóng chai thông qua hệ thống ống dẫn và van được phun ra ở đầu mỏ

- Dây hàn được đóng thành cuộn lớn đặt trong máy hàn và chuyển raliên tục nhờ hệ thống đẩy dây vì vậy quá trình hàn được liên tục (hình 1.7)

1- Bể hàn2- Khí bảo vệ3- Chụp khí4- Ống dẫn dây hàn5- Khí bảo vệ

6- Điện cực hàn7- Cáp dẫn điện8- Hồ quang hàn

Hình 1.6 Phương pháp hàn MAG

1- Chai khí2- Van giảm áp3- Cuộn dây hàn4- Bảng điều khiển5- Mỏ hàn

6- Chi tiết hàn7- Cáp hàn8- Biến thế hàn

Hình.1.8 Máy hàn tự động hàn đường sinh của bình

+ Mỏ hàn đứng yên, chi tiết chuyển động, để hàn mối hàn theo chu vi.

(hình 1.9)

1-Động cơ 2-Bánh lăn 3-Chi tiết hàn 4-Mỏ hàn 5- Bảng điều khiển

6-Cuộn dây hàn 8- Biến thế

Hình 1.9 Máy hàn tự động hàn chu vi của bình.

* Tư thế hàn

- Tư thế hàn trong không gian được chia ra 4 loại, theo TCVN và ISO tưthế hàn được ký hiệu bằng số, bao gồm: hàn bằng (1), hàn ngang (2), hànđứng (3), hàn trần (4) Trong các tư thế hàn, tư thế hàn bằng là thuận lợi, dễdàng và có năng suất cao nhất, khi không thể xoay chi tiết về tư thế hàn bằng,người ta mới sử dụng các tư thế khác (hình 1.10) [12]

Hình 1.10 Các tư thế hàn

* Các thông số chế độ hàn

Với hàn MAG các thông số chế độ hàn bao gồm:

+ Đường kính dây hàn

+ Tầm với của điện cực

1.3 - Tình hình nghiên cứu chế độ hàn khi gia công nồi hơi

Trên thế giới có nhiều bộ tiêu chuẩn và quy định của khu vực và quốc gialiên quan tới thiết kế, kết cấu, chế tạo, yêu cầu kỹ thuật an toàn về nồi hơitrong đó có các tiêu chuẩn về hàn nồi hơi, điển hình như:

* PEC (Pressure Equipment Directive) [20]

- PEC đã được thông qua bởi Nghị viện châu Âu năm 1997, đây là bộtiêu chuẩn về thiết bị áp lực và nồi hơi bắt buộc trên toàn EU Tiêu chuẩnPED phát sinh từ EU cho việc loại bỏ các rào cản kỹ thuật thương mại và xâydựng theo "phương pháp tiếp cận hợp hài hòa giữa kỹ thuật và tiêuchuẩn" Mục đích của nó là để hài hoà hoá pháp luật quốc gia của các nướcthành viên EU đến việc đánh giá thiết kế, sản xuất, thử nghiệm và sự phù hợpcủa thiết bị áp lực và lắp ráp thiết bị áp lực Tiêu chuẩn này liên quan đến cáchạng mục như bình áp lực, trao đổi nhiệt, máy phát điện hơi nước, nồi hơi,đường ống công nghiệp, thiết bị an toàn và các phụ kiện áp lực

- Các vấn đề mà PCE đã nghiên cứu, tiêu chuẩn hóa và áp dụng là:

+ Chọn vật liệu chế tạo nồi hơi, kích thước ba lông, ống dẫn+ Quy định về tính toán chịu lực, độ an toàn

+ Kích thước mối hàn, quy trình hàn+ Quy định về kiểm định

* ASME(American Society Of Mechanical Engineers) [16]

- Là bộ tiêu chuẩn của hiệp hội cơ khí Mỹ Bộ tiêu chuẩn được chỉnhsửa và ban hành ba năm một lần, bao gồm 28 lĩnh vực riêng biệt về các quytắc về an toàn khi thiết kế, chế tạo và kiểm tra nồi hơi, bình áp lực, tua bin khí

và nhà máy điện hạt nhân Năm 1884 ASME công bố tiêu chuẩn đầutiên Trong những năm qua ASME đã phát triển nhiều tiêu chuẩn, mã số và kỹ

thuật giúp các kỹ sư và kỹ thuật làm cẩm nang cho hoạt động, tiêu chuẩn kỹthuật và tiêu chuẩn an toàn trên toàn thế giới, trong đó:

- ASME I: Tiêu chuẩn này trình bày các yêu cầu về thiết kế, vật liệu,

gia công, chế tạo, lắp ráp, giám sát và kiểm tra các thiết bị lò hơi Trong đóbao gồm vật liệu hàn, quy trình hàn, quy trình và tiêu chuẩn kiểm tra mối hàn

- ASME VIII Division 1: Tiêu chuẩn này trình bày các yêu cầu về thiết

kế, vật liệu, gia công, chế tạo, lắp ráp, giám sát và kiểm tra các thiết bị nồi hơi

và bồn chịu áp lực

*Tiêu chuẩn quốc gia Việt Nam TCVN 6004 -1995 [9]

- Năm 1995 Việt Nam ban hành tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6004 -1995

về “Nồi hơi-Yêu cầu kỹ thuật an toàn về thiết kế, kết cấu, chế tạo”

- TCVN 6004 -1995 đã tiêu chuẩn hóa về tính toán chịu lực, tiêu chuẩnhóa về thiết kế, kiểm tra an toàn và chế tạo nồi hơi, trong đó có quy định vềkhâu hàn

Nói chung, các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế đã quy định rất rõ về “yêucầu kỹ thuật an toàn về thiết kế, kết cấu, chế tạo” của nồi hơi, nhưng việc làmthế nào, hàn thế nào để đạt được tiêu chuẩn đó thì còn rất ít Hiện nay, trongnước chưa có công trình nghiên cứu cụ thể về lĩnh vực chế độ hàn khi giacông nồi hơi, mà chỉ có công trình nghiên cứu về chế tạo lò hơi, nồi hơi tổngthể

Các công trình nghiên cứu về chế độ hàn kết cấu thép nói chung trong

đó bao hàm cả các kết cấu thuộc nồi hơi thì có nhiều, thuộc các lĩnh vựcnghiên cứu khoa học, thiết kế chế tạo, thực tế sản xuất và nghiên cứu chế độhàn khi vận hành tự động hóa Một số nghiên cứu tiêu biểu, có phạm vi liênquan tới chế độ hàn kết cấu của nồi hơi như:

- Năm 2011, Đào Công Đức với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độhàn MAG đến sự hình thành mối hàn ở tư thế 2G khi hàn thành bể chứadầu” Nội dung nghiên cứu là sự ảnh hưởng của chế độ hàn MAG đến sự hìnhthành mối hàn nhưng chỉ ở phạm vi tư thế 2G, chi tiết hàn là bể chứa dầu Bểchứa dầu cũng là chi tiết chịu áp lực, luận văn đề cập tới chất lượng mối hànkhi chịu áp suất thủy tĩnh ở điều kiện nhiệt độ bình thường ≤ 50oC

- Năm 2011, Đỗ Lê Hoàng với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hànđến thành phần hóa học và cơ tính kim loại mối hàn khi hàn tự động dưới lớpthuốc kết cấu thép” Nội dung của đề tài cũng nghiên cứu tới sự ảnh hưởng

của chế độ hàn tới cơ tính mối hàn nhưng phạm vi nghiên cứu bao gồm cảthành phần hóa học của mối hàn; phương pháp hàn là hàn SAW (dưới thuốc)

- Năm 2010, La Ngọc Tuấn - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp TháiNguyên với đề tài “ Tối ưu hóa chế độ công nghệ hàn hồ quang tự động chorobot hàn AX-C” Nội dung đề cập tới sự ảnh hưởng của chế độ hàn đến cơtính mối hàn, phạm vi áp dụng cho mọi phương pháp hàn hồ quang, nội dung

cơ bản đề cập tới việc ra lệnh cho robot tự đặt chế độ hàn

- Năm 2009, Trương Đình Luân - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp TháiNguyên với đề tài “Lập trình cho robot hàn Almega AX-V6 để hàn một sốđường cong phức tạp” Nội dung đề cập tới việc lập trình cho robot lựa chọnchế độ hàn tối ưu nhưng không đề cập sâu tới chất lượng mối hàn mà chủ yếugiải quyết vấn đề vận hàn đúng vị trí của robot

- Năm 2011,Vũ Tiến Đạt - Học viện kỹ thuật quân sự với đề tài “Nghiên cứucông nghệ hàn bồn” Nội dung có đề cập tới chế độ hàn và chất lượng mốihàn, nhưng nội dung chủ yếu là xem xét sự ảnh hưởng của công nghệ hàn đếnviệc chế tạo bồn chịu áp suất thủy tĩnh và làm việ ở nhiệt độ thường

- Năm 2011, Nguyễn Hồng Thắng - Học viện kỹ thuật quân sự với đề tài ”Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các nguyên tố Mn, Si đến cơ tính của mối hàn”.Nội dung có đề cập tới cơ tính của mối hàn, phạm vi nghiên cứu là thành phần

Mn và Si

Các công trình nghiên cứu về nồi hơi trong đó bao hàm cả phần chế độhàn nồi hơi, thuộc các lĩnh vực thiết kế chế tạo, thực tế sản xuất Các nghiêncứu tiêu biểu trong đó có nghiên cứu phần chế độ hàn gồm:

- Năm 2008, Nguyễn Việt Đức - Đaị học bách khoa Hà Nội với đề tài

“Nghiên cứu chế tạo một lò hơi công nghiệp với sản lượng 6 T/h có khả năngsản xuất hơi quá nhiệt”

- Năm 2009, Công ty TNHH sản xuất - thương mại - dịch vụ Tân Việt Mỹvới đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các loại nồi hơi”

- Năm 2006, tập thể bộ môn Hệ thống năng lượng nhiệt thuộc Viện KH và

CN Nhiệt lạnh trường ĐHBK Hà Nội - Nghiên cứu chế tạo mẫu lò hơi côngsuất nhỏ hiệu suất cao

Các đề tài trên đi sâu nghiên cứu về năng suất, tính an toàn và cải tiếnnồi hơi, chất lượng mối hàn có đề cập tới, nhưng coi đây là yếu tố mặc địnhđảm bảo đủ điều kiện chịu lực

1.4 - Kết luận chung

- Với tỷ trọng ngành công nghiệp chế biến gỗ hiện nay trong nền kinh

tế quốc dân cùng với điều kiện địa lý, kinh tế của nước ta, lò sấy gỗ nói chung

và nồi hơi nói riêng là 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 dụngđược phế thải do quá trình chế biến gỗ để sản sinh năng lượng góp phần giảmthiểu ô nhiễm môi trường

- Nồi hơi là một thiết bị chịu áp lực cao, được quy định khắt khe về yêucầu kỹ thuật an toàn, được sản suất qua nhiều nguyên công khác nhau nhưngkhông thể thiếu nguyên công hàn Mối hàn trên ba lông để ghép phần thân vàhai đáy của ba lông với nhau chủ yếu được hàn tự động để đảm bảo độ tincậy, tránh khyết tật, nâng cao cơ tính mối hàn

- Hiện nay, trên thế giới và trong nước đã có các đề tài nghiên cứu vềchế độ hàn và nghiên cứu về nồi hơi nói chung; chưa có đề tài ngiên cứu cụthể 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 theoquy trình kiểm định kỹ thuật an toàn các loại máy, thiết bị, vật tư, các chất cóyêu cầu nghiêm ngặt về an toàn lao động Vì vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởngcủa một số yếu tố thuộc chế độ hàn đến chất lượng mối hàn nồi hơi, sử dụngtrong 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 nghĩakinh tế và thực tiễn và xã hội

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 thuộcchế độ hàn đến chất lượng mối hàn nồi hơi sử dụng trong sấy gỗ làm cơ sởcho việc xác định trị số tối ưu của chế độ hàn, nhằm nâng cao chất lượng mốihàn, 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 suất2000kg/h, áp suất 8KG/cm2, sử dụng nhiên liệu là củi, mùn cưa

- Gia công hàn thân ba lông bằng phương pháp điện cực nóng chảytrong môi trường khí bảo vệ (MAG), hàn tự động

- Các chỉ tiêu và tham số nghiên cứu: Các chỉ tiêu đặc trưng cho chấtlượng mối hàn nồi hơi là độ bền kéo, góc uốn, độ dai va đập của mối hànchính 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 thuộcvào 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 dungnghiên 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: tổngquan về vấn đề nghiên cứu; tạo lập cơ sở lý luận của đề tài Nghiên cứu lýthuyết có mục đích thiết lập một hệ thống quan điểm nào đó, thông qua việcđưa ra những quy luật mới Nghiên cứu lý thuyết được sử dụng thích hợp nhấtkhi nghiên cứu các đối tượng và hệ thống mà trong đó có thể phân chia rõràng các hiện tượng và các quá trình có cùng bản chất vật lý

- Phương pháp kế thừa: Được sử dụng trong phân tích lựa chọn, sử dụng

các kết quả đã được nghiên cứu trên thế giới và trong nước có liên quan phục vụgiải 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 tacàng thâm nhập sâu vào nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau.Đối tượng nghiên cứu ngày càng đa dạng hơn, chúng trở thành những hệthống 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 mộtcách hoàn hảo bằng lý thuyết Trong đa số các trường hợp này để tìm lời giảingười ta sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Tuy nhiên, nghiêncứu thực nghiệm đơn thuần không thể thực hiện được nếu thiếu lý thuyếttương ứng

Quá trình hàn kết cấu thép nói chung, hàn mối hàn trên ba lông nồi hơinói riêng chịu ảnh hưỏng của nhiều yếu tố khác nhau như: Các yếu tố đặctrưng cho kim loại cơ bản là: loại kim loại, các tính chất cơ - lý - hoá học củakim loại; Các yếu tố đặc trưng cho thiết bị hàn: phương pháp hàn, loại dòngđiện, 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, điệnthế hàn, lưu lượng khí bảo vệ Giữa các yếu tố lại có những tác động qua lạitương hỗ với nhau Như vậy, để giải quyết đầy đủ nội dung cần có thựcnghiệm đơn và đa yếu tố

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà tôi sử dụng không phải làthực nghiệm thuần tuý mà là sự kết hợp hài hoà giữa lý thuyết và thựcnghiệm; lấy lý thuyết làm cơ sở, làm định hướng ban đầu hỗ trợ giảm bớt khốilượng công việc, rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm

Trong nghiên cứu thực nghiệm, có thể tiến hành thí nghiệm bằngphương pháp cổ điển Nhà thực nghiệm chỉ dựa vào kinh nghiệm và trực giác

để chọn hướng nghiên cứu Các thí nghiệm được tiến hành lần lượt với sựthay đổi từng thông số trong khi giữ nguyên các yếu tố còn lại Phương pháp

cổ điển chỉ cho phép tìm kiếm cái mới phụ thuộc đơn định giữa các chỉ tiêuđánh giá và các yếu tố ảnh hưởng một cách riêng biệt trong khi làm thựcnghiệm một cách riêng rẽ theo từng yếu tố Mặc dù có trong tay một tập hợpcác phương trình thực nghiệm đơn yếu tố nhưng vì chúng chỉ là những trườnghợp 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 tìmkiếm 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 chothấy hướng chuyển dịch của các tương quan Các thực nghiệm đó thuộc dạngthụ động Từ phân tích trên cho thấy việc áp dụng phương pháp qui hoạchthực nghiệm để thực hiện đề tài luận văn là cần thiết vì qui hoạch thựcnghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại Đó

là phương pháp nghiên cứu mới, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tíchcực Cơ sở toán học, nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán họcthống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồiqui

Theo nghĩa rộng, qui hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằmđưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúccủa quá trình nghiên cứu đối tượng (từ nhận thông tin mô phỏng đến việc tạo

ra mô hình toán, xác định các điều kiện tối ưu) Trong điều kiện đã hoặc chưahiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng

Ưu điểm của qui hoạch thực nghiệm là: giảm đáng kể số lượng thínghiệm 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 vaitrò của sự tác động qua lại giữa các yếu tố và ảnh hưởng của chúng đến hàmmục tiêu; nhận được mô hình toán học thực nghiệm, đánh giá được sai số thínghiệm, cho phép ảnh hưởng của các thông số thí nghiệm với mức tin cậy xácđịnh; xác định được điều kiện tối ưu đa yếu tố của quá trình nghiên cứu mộtcách khá chính xác bằng các hàm toán học, hay cho cách giải gần đúng, tìmtối 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 địnhmục tiêu thực nghiệm; chọn tham số điều khiển và khoảng biến động củachúng; chọn các thiết bị đo; tiến hành công tác chuẩn bị; tiến hành thí nghiệmthăm 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=50140)

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 thànhphân bố lý thuyết gọi là phân bố thực nghiệm Xây dựng các phân bố thựcnghiệm để khái quát hoá thành các phân bố lý thuyết là một trong nhữngnhiệm vụ quan trọng

Để có thể phát hiện ra qui luật phân bố khách quan trong tổng thể dựavào những tài liệu thu thập được ở đại lượng nghiên cứu, trước hết ta cần sắpxếp các trị số quan sát được của đại lượng theo một trật tự nhất định, rồithống kê các phần tử nằm trong những khoảng xác định Để lập được phân bốthực nghiệm phải tiến hành chia tổ ghép nhóm các trị số thu thập được theocông thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther [5]

Xác định các đặc trưng của phân bố thực nghiệm:

Sai số trung bình mẫu:

1 i n

2

n

1x

xxn

1

2

) (

1 n

n i i

Phương sai mẫu là bình phương sai tiêu chuẩn: S2

n.S

) x (x

(2.8)Nếu: Sk=0, thì phân bố là đối xứng;

Sk>0 thì đỉnh đường cong lệch trái so với số trung bình;

Sk<0 thì đỉnh 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 thì đường cong thực nghiệm tiệm cận chuẩn;

Ex> 0 thì đỉnh đường cong nhọn so với phân bố chuẩn

Ex< 0 thì đỉnh đường cong bẹt hơn so vơi phân bố chuẩn

) 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 bốchuẩn χα2(k) được xác định bằng cách tra bảng phụ lục 5 [5], với k = n-1 làbậc tự do và mức ý nghĩa α = 0,05

Xác định số lần lặp cho các thí nghiệm Việc xác định số lần lặp chocác thí nghiệm có ý nghĩa rất quan trọng, nó phải đủ lớn để đảm bảo mức độchính xác của luật phân bố chuẩn, nhưng lại phải tối thiểu để giảm bớt khốilượng thực nghiệm Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm được tính theo kết quả củathí 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 nghĩaφ=0,05; ∆% - sai số tương đối, Y- giá trị trung bình của đại lượng nghiêncứu

2.4.2.2- Thực nghiệm đơn yếu tố

Nhiệm vụ cơ bản của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông sốảnh 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 tố thay đổi, các yếu tố còn lại được ấn định

ở các giá trị cố định để xác định mức độ ảnh hưởng riêng từng yếu tố như:dòng điện hàn, tốc độ hàn, điện thế hàn đến chỉ tiêu về cơ tính của mối hàn

Nguyên tắc chung của phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố là: Cố địnhcác 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 dò được khoảng nghiên cứu cho phép củamỗi yếu tố và các ảnh hưởng tới giá trị cực trị của thông số mục tiêu

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 khôngnhỏ 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 hưởngcủa mỗi yếu tố cơ tính của mối hàn Đánh giá tính thuần nhất của phương saitrong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hưởng khác đối với thông số cầnxét là không có hoặc không đáng kể

Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuầnnhất [4, 5, 14] cụ thể như dưới đây

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

i=1 u

Yui- Giá trị của thông số ra tại điểm u, lần lặp thứ i;

b- Kiểm tra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố

Phương pháp đánh giá này dùng chuẩn Fisher (F) Thực chất là so sánhphương sai thành phần do thay đổi thông số vào gây nên và phương sai donhiễu gây ra Nếu tỷ số giữa hai phương sai này lớn hơn giá trị lý thuyết trabảng của tiêu chuẩn F thì sự khác biệt giữa các giá trị trung bình là đáng kể vàcác thông số vào có ảnh hưởng thực sự đến thông số ra, trội hẳn so với ảnhhưởng ngẫu nhiên

Giá trị tính toán của chuẩn F là tỷ số:

2 e

2 yS

Nếu F > Fb thì ảnh hưởng của các thông số vào là đáng kể.

c- Xây dựng mô hình thực nghiệm đơn yếu tố

Nhờ sự trợ giúp của máy tính với số liệu thu thập được, ta có thể lậpđược phương trình tương quan giữa thông số đầu ra là hai chỉ tiêu quan tâm

và thông số đầu vào là những yếu tố ảnh hưởng ở dạng mô hình hồi quy

d- Kiểm tra tính tương thích của mô hình hồi quy

Phép kiểm tra này thực chất là so sánh phương sai tuyển chọn S2 tạonên do sự chênh lệch giữa các giá trị hàm tính theo mô hình và giá trị thựcnghiệm của nó với phương sai 2

e

S do nhiễu tạo nên theo tiêu chuẩn Fisher.Nếu tỷ số giữa hai phương sai này 2

S / 2 e

S càng nhỏ tính thích ứng của môhình càng mạnh Ngược lại nếu nó càng lớn thì tính thích ứng càng yếu Khi vượtkhỏi ngưỡng của giá trị thống kê Fb thì mô hình bị coi là không tương thích

Phương sai do nhiễu tạo nên S là giá trị trung bình của các bình2e

phương độ lệch nhiễu của các điểm thí nghiệm 2

 2

N 2

u u

* u=1

2 u

S

S

Bậc tự do 1= N-K*,2= N (mu-1)

So sánh Ftt với giá trị lý thuyết tra bảng theo bậc tự do 1, 2 Nếu Ftt<Fb

mô hình là tương thích Nếu Ftt >Fb chứng tỏ sự vượt trội một cách có hệthống của thống kê tập hợp được ước lượng bởi S2 so với tham số tương ứngđược ước lượng bởi S Sự khác biệt không còn trong phạm vi sai số ngẫu2enhiên nữa vì thế ngoài sai số theo nhiễu, nguyên nhân khiến tham số thống kê

đó vượt trội số hệ thống là sai lệch bổ sung do sự không tương thích của môhình so với đối tượng nghiên cứu

Trong trường hợp này để có mô hình tương thích có thể chọn các giảipháp sau:

+ Phức tạp hoá mô hình bằng cách nâng bậc cao hơn

+ Lập lại thực nghiệm với khoảng và mức biến thiên của thông số vàonhỏ hơn

e Xây dựng đồ thị ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến các thông số đầu ra

Dựa vào mô hình thực nghiệm thu được để xây dựng đồ thị ảnh hưởngcủa các thông số đầu vào X đến các thông số đầu ra là cơ tính của mối hàn

2.4.2.3 - Quy hoạch hóa thực nghiệm đa yếu tố

Trong lĩnh vực cơ khí nông nghiệp như thiết kế, chế tạo, sử dụng haythử nghiệm, phương pháp quy hoạch hoá thực nghiệm đa yếu tố đóng vai tròhết sức quan trọng Nhờ có phương pháp này ta giảm bớt được khối lượng thínghiệm, xác định được mức độ ảnh hưởng đầy đủ các yếu tố, để từ đó tìm rađược lời giải tối ưu cho quá trình nghiên cứu

Quy hoạch thực nghiệm được thực hiện theo nguyên tắc “hộp đen”nghĩa là đối tượng nghiên cứu là phần đóng kín “hộp đen” trong đó diễn ranhững quá trình mà nghiên cứu khoa học không thể biết được (hình 2.1)

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên tắc quy hoạch thực nghiệm

Trong đó:

X(t)- Các yếu tố có thể kiểm tra và điểu khiển được

Z - Các yếu tố có thể kiểm tra được nhưng không điều khiển được.

E - Các yếu tố không kiểm tra, điều khiển được (các yếu tố nhiễu)

y1, y2, yn : Các thông số đầu ra

Do đó xây dựng mô hình toán học diễn tả tương quan giữa các tham sốđầu vào (yếu tố vào) với tham số đầu ra (tham số ra) là nội dung chính củaquy hoạch thực nghiệm

Để sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm cần có các điều kiệnsau [6]:

Kết quả thông số ra phải tập trung cao, nghĩa là khi lặp lại nhiều lầncùng một thí nghiệm thì giá trị thu được không sai lệch quá lớn

Các yếu tố ảnh hưởng phải điều khiển được và chúng phải độc lập vớinhau

Mối liên hệ giữa các thông số tối ưu và các yếu tố ảnh hưởng được thểhiện bởi phương trình và đáp ứng các điều kiện:

- Phải là hàm khả vi

- Chỉ có một cực trị trong khoảng các yếu tố biến thiên

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố được thực hiện theo cácbước sau: [1, 6]

+ Chuẩn bị dụng cụ đo, máy móc để thí nghiệm;

+ Chọn phương án thích hợp cho thí nghiệm;

+ Tổ chức thí nghiệm;

+ Xử lý số liệu thí nghiệm;

+ Phân tích và giải thích kết quả nhận được bằng thuật ngữ của các lĩnhvực khoa học tương ứng

a- Chọn phương án quy hoạch thực nghiệm và lập ma trận thí nghiệm

Qua tham khảo ý kiến của các chuyên gia và các tài liệu [12,3,17,16],chúng tôi thấy rằng ảnh hưởng của các yếu thuộc chế độ hàn gồm : dòng điệnhàn, tốc độ hàn, điện thế hàn đến hàm mục tiêu là độ bền kéo, góc uốn, độdai va đập có nhiều khả năng là hàm phi tuyến

Để có kết luận chính xác, ta còn phải căn cứ vào kết quả thực nghiệmđơn yếu tố Nếu kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho ta quy luật tương quanphi tuyến thì có thể bỏ qua việc tiến hành thực nghiệm bậc một mà thực hiệntheo phương án quy hoạch bậc hai

Trong số các phương án quy hoạch bậc hai như phương án Keeferi J,phương án trực giao, Box wilson, phương án H.O Hartley, chúng tôi chọnphương án H.O Hartley vì đây là phương án đòi hỏi số lượng thí nghiệmtương đối ít mà vẫn đạt độ tin cậy bảo đảm cao

Theo [6] phương án này có tổng các thí nghiệm cần thực hiện:

Trong đó: 2k- các thí nghiệm ở phần hạt nhân, k - các thông số ảnh hưởng,

k = 3 suy ra 23= 8; N- các thí nghiệm ở mức sao, N= 2.k = 6; N0- các thínghiệm ở trung tâm, N0=3 Vậy tổng thí nghiệm cần thực hiện là 17

Biến thiên của 3 yếu tố trong vùng thí nghiệm gồm các mức cơ sở, mứctrên và mức dưới, các giá trị này được chọn dựa vào phân tích kết quả đơnyếu tố

Trong các yếu tố khác nhau của yếu tố Xi quan trọng nhất là mức cơ sở

Xi 0được xác định theo công thức:

Sau cùng là khoảng biến thiên e icủa các yếu tố X:

ei= Xi max- Xi0= Xi0- Xi min (2.24)

Để chuyển đổi từ giá trị tự nhiên sang dạng tọa độ sử dụng biểu thức:

trong đó: xi- giá trị mã; Xi- giá trị dạng thực của yếu tố thứ i

Ở dạng mã mức dưới của mỗi yếu tố có giá trị (-1), mức cơ sở có giá trị

0, còn mức trên có giá trị (+1)

Để làm cơ sở cho khâu tổ chức thí nghiệm và xử lý số liệu sau này talập bảng đối chiếu giữa các giá trị thực và dạng mã cho từng yếu tố và xâydựng ma trận thí nghiệm theo nguyên tắc các thí nghiệm hoàn toàn độc lập.

b Phương pháp đo đạc và thu thập số liệu

- Tiến hành các thí nghiệm theo ma trận đã lập Kết quả các số đo trongkhi làm thí nghiệm luôn được chú ý để đảm bảo giảm thiểu các sai số thô, sai

số hệ thống gây ra do độ nhạy và độ chính xác của dụng cụ và sai số ngẫunhiên

Sau khi thực hiện các thí nghiệm theo ma trận với số lần lặp lại củatừng thí nghiệm m, chúng tôi sử dụng chương trình xử lý số liệu nhờ phầnmềm quy hoạch hoá thực nghiệm

c Xây dựng mô hình toán học

Hàm mục tiêu được biểu thị bằng các mô hình toán là phương trình hồiqui bậc hai với dạng chung là [1, 6]:

2 i K

1 i Þ j

i K

1 i K

1 i Þ i

K

1 i i

N

1 u

2 iu N

1 u u

1 u iu

1 u

ju iu

K

1

i u 1

ju u

N

1 u

2 iu

Trong chương trình máy tính các hệ số: a, b, c, d, e, p đã được tính sẵnnhờ đó xác định được b0, bi, bii, bij và mô hình toán học được xác định

d- Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai

Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren Nếu

Gtt< Gb thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm Phương sai ởcác 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

e- Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy

Các hệ số hồi quy b0, bi, bii, bij của phương trình sẽ được kiểm tra mức

ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student Trước hết phải tính phương sai của các hệ sốhồi quy [6]

2 y 2

bo a.S

  2

y 2

2 y 2

2 y 2

N 1

2

1 m

1

Hệ số hồi quy có nghĩa khi:

2 b0

2 bi

2 bij

2 bii

Trong đó t- giá trị chuẩn Student tra bảng thống kê với mức ý nghĩa  = 0,05

và bậc tự do = N.(m - 1)

Nếu một hệ số bi nào đó được tính theo các công thức (2.27 2.30) mà

có giá trị không thoả mãn các điều kiện (2.36 2.39) thì có thể bỏ qua trongphương trình hồi quy

g- Kiểm tra tính tương thích của mô hình hồi quy

Sau khi đã loại bỏ một số hệ số bi không có nghĩa khỏi mô hình (2.26) tađược phương trình hồi quy thực nghiệm Chúng cần phải được kiểm tra theo tiêuchuẩn Fisher Các phép tính kiểm tra được thực hiện theo mục (2.4.2.2,b) Nếu

Ftt < Fb thì mô hình tương thích Nếu Ftt > Fb thì mô hình không tương thích.Trong trường hợp này để có mô hình tương thích có thể chọn các giải pháp sau:

+ Phức tạp hoá mô hình bằng cách nâng bậc cao hơn

+ Lập lại thực nghiệm bậc hai với khoảng mức biến thiên của các thông

số đầu vào nhỏ hơn

h- Tính lại các hệ số hồi quy

Nếu trong mô hình có một số hệ số vô nghĩa, chúng bị loại bỏ khỏi môhình Các hệ số còn lại liên quan phụ thuộc với chúng cần tính lại Đối với kếhoạch Hartly:

+ Khi loại bỏ hệ số tự do b0 thì các hệ số bii mới ký hiệu là bii*

0 ii

*

a

pb

1 u

2 iu

* N

* n

1 j

N 1

* u N

a

a    ; c*= c ;

p

d.p

d* 

Sau khi loại bỏ các hệ số vô nghĩa và tính lại các hệ sốkhác cần tính lại mức ý nghĩa của các hệ số mới theo đúng quy trình Nếu môhình trở nên không tương thích, bắt buộc sử dụng mô hình ban đầu