Áp dụng áp lực nước trong thiết kế và chế tạo hệ thống rửa xe máy

- Nghiên cứu ứng dụng được hiệu ứng xoáy vào trong hệ thống rửa bằng tia nước áp lực cao nhằm tăng hiệu quả và tăng năng suất khi rửa.. 1.8 Dự kiến cấu trúc đề tài: - Phần A: Tổng quan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN TẤN HÙNG

ĐỀ TÀI:

“ỨNG DỤNG ÁP LỰC NƯỚC TRONG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

HỆ THỐNG RỬA XE MÁY”

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, Tháng 07 năm 2009

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THANH NAM

-Cán bộ chấm nhận xét

1: -

-Cán bộ chấm nhận xét

2: -

-Luận văn thạc sĩ này được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…tháng…năm 2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN TẤN HÙNG Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 16 – 07 – 1983 Nơi sinh : Quảng Ngãi Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007

1- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG ÁP LỰC NƯỚC TRONG THIẾT KẾ VÀ

CHẾ TẠO HỆ THỐNG RỬA XE MÁY

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

a Nghiên cứu ứng dụng tia nước áp lực cao trong quá trình rửa

b Nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng xoáy của tia nước áp lực cao nhằm tăng hiệu quả của quá trình rửa

c Thiết kế chế tạo hệ thống rửa xe máy với các tiêu chí: tiết kiệm thời gian, tiết kiệm nhân lực, giảm chi phí rửa xe, bảo vệ môi trường và có thể đặt ở những nơi công cộng

d Thiết kế và mô phỏng với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế

e Thử nghiệm đánh giá kết quả

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 3/07/2009

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): PGS.TS NGUYỄN THANH NAM

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành

thông qua

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS NGUYỄN THANH NAM

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn:

Thầy Nguyễn Thanh Nam, thầy rất tận tình hướng dẫn em trong trong

suốt quá trình học tập và nghiên cứu trong thời gian qua Thầy cũng rất nhiệt

tình hướng dẫn giúp em hoàn thành đề cương luận văn này Hôm nay là em

bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất và mong được học hỏi nhiều hơn ở thầy

Quí Thầy, Cô phản biện

Quí Thầy, Cô đã giảng dạy Lớp Cao học Chế tạo máy Khóa 2007

Quí Thầy, Cô Khoa Cơ khí và Phòng quản lý Khoa học – Sau Đại học

Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Các Học viên Lớp Cao học Chế tạo máy Khóa 2007

Thư viện Kỹ Thuật Tổng Hợp

Trung tâm CEMET trường Cao đẳng Giao thông Vận tải 3 đã giúp đỡ

địa điểm để thực hiện mô hình trong thời gian qua

Cảm ơn các sinh viên trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao thắng đã trợ giúp

trong thời gian làm mô hình

Ban Giám hiệu trường Đại hoc Bách Khoa

Gia đình cha, mẹ, anh em và bạn bè

Đã động viên, giúp đỡ tôi trong học tập, nghiên cứu và hoàn thành

Luận văn Thạc sĩ này

TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 07 năm 2009

Nguyễn Tấn Hùng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội nhu cầu của con người cũng ngày càng cao hơn, đòi hỏi sự tiện lợi và nhanh chóng trong công việc nhưng cũng đồng thời phải thân thiện với môi trường, để đạt được điều đó các nhà thiết kế và chế tạo luôn tìm cách phát triển những sản phẩm đã có và thiết kế ra những sản phẩm mới để đáp ứng phần nào những nhu cầu của con người

Trong giai đoạn hiện nay nước ta đã bắt đầu thời kỳ hội nhập với thế giới Tuy nhiên trên lĩnh vực khoa học và công nghệ thì chúng ta đang ở một khoảng cách khá xa Để rút ngắn khoảng cách đó thì chúng ta cần phải ứng dụng các thành tựu kỹ thuật công nghệ của thế giới vào thực tiễn trong nước để các ngành công nghiệp nói chung và chế tạo máy nói riêng có thể phát triển một cách nhanh chóng theo kịp trình độ phát triển của các nước trong khu vực và thế giới

Vai trò của ngành cơ khí chế tạo ngày càng được Nhà nước đánh giá đúng mức và đầu tư cho nghiên cứu cũng như cho sản xuất ngày càng tăng Ðiều đó một mặt góp phần nâng cao trình độ cơ khí chế tạo của đất nước, mặt khác tạo ra được các sản phẩm mới cho thị trường trong nước và hướng tới xuất khẩu, đồng thời củng cố và phát triển sự gắn kết giữa nghiên cứu với sản xuất và đào tạo Các nhà khoa học của chúng ta đã tiếp cận được với trình độ thế giới như công nghệ tạo mẫu nhanh, công nghệ đúc, tự động hóa, công nghệ cắt Plasma, lắp ráp chính xác hệ thống xi-lanh thủy lực chịu tải trọng lớn Cùng với các công nghệ trên thì gia công bằng tia nước, rửa boong tàu biển bằng áp lực nước cũng đã phát triển mạnh mẽ

Với ý tưởng thiết kế một hệ thống rửa xe tự động mà bản thân tôi đã ấp ủ từ lâu và mong muốn phát triển hệ thống này một cách tốt nhất để ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 06 tháng 02 năm 2009

MỤC LỤC

TrangNHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.5 Nhu cầu hệ thống rửa xe máy

1.6 Mục tiêu của đề tài

1.7 Các nội dung nghiên cứu

1.8 Dự kiến cấu trúc đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ RỬA BẰNG ÁP

LỰC NƯỚC

2.1 Động học tia nước

2.1.1 Đặc trưng động học của tia nước tác động lên bề mặt vật liệu rửa

2.1.2 Cơ chế rửa bằng áp lực nước

2.2.3 Tia nước va đập-tia dạng xung

2.2 Các thông số cần tính toán và phương pháp tính

Chương 3: NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA HIỆU ỨNG XOÁY CỦA

TIA NƯỚC TRONG HỆ THỐNG RỬA

3.1 Đặt vấn đề

3.2 Hệ số cường độ xoáy

3.3 Đặt tính và ảnh hưởng của hiệu ứng xoáy trong quá trình rửa

3.4 Tác động của hiệu ứng xoáy tới các thông số kỹ thuật của dòng tia

3.4.1 Quan hệ giữa hệ số xoáy và chiều rộng dòng phun

3.4.2 Quan hệ giữa hệ số xoáy và tầm xa dòng phun

3.4.3 Quan hệ giữa hệ số xoáy và lưu lượng dòng phun

3.4.4 Quan hệ giữa hệ số xoáy và vận tốc dọc trục dòng phun

3.5 Kết luận

Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG, THIẾT KẾ BỘ LỌC NƯỚC

4.1 Đặt vấn đề

4.2 Đặc điểm của xe máy

4.3 Các phương án có thể lựa chọn để rửa hết bề mặt của xe gắn máy

4.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống

4.5 Điều khiển vòi phun

4.5.1 Điều khiển theo chương trình số

4.5.2 Dùng nguyên lý cơ để điều khiển

4.6 Tính toán các chi tiết điển hình

4.6.1 Tính toán đường kính tang cho dây cáp truyền động trục Z

4.6.2 Tính toán cho hệ thống truyền động cho trục X

4.6.3 Vòi phun

4.7 Thiết kế và mô phỏng với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế

4.8 Thiết kế bộ lọc và thu hồi nước

4.8.1 Các hệ thống lọc nước đã có trên thị trường

4.8.2 Nguyên lý lọc nước bằng đĩa lọc

Chương 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA

HỆ THỐNG, ĐIỀU CHỈNH ĐỂ CHỌN CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CÁC KÝ HIỆU d: là đường kính vòi phun

Xb:Chiều dài vùng liên tục

v1[m/s]: Vận tốc dòng chảy lúc trong vòi phun

v2[m/s]: Vận tốc dòng chảy khi ra khỏi vòi phun

p1[Pa]: Áp suất dòng chảy lúc trong vòi phun

p2[Pa]: Áp suất dòng chảy khi ra khỏi vòi phun

ρ [kg/m3]: Trọng lượng riêng của chất lỏng

g[m/s2]: Gia tốc trọng trường

F: lực va đập lên một diện tích S bề mặt rửa

[ ]F : lực cho phép để không làm tróc sơn

σ sơn: ứng suất cho phép của sơn

Fma sát max: lực ma sát lớn nhất, thường là của dầu nhớt

c0 = 1500 (m/s) : tốc độ truyền âm trong môi trường ẩm

P: Bước đai (mm)

s: Chiều dài răng nhỏ nhất (mm)

h: Chiều cao răng mm)

b: Chiều rộng đai (mm)

δ : Khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải (mm)

R1, R2: Bán kính góc lượn của răng

γ : Góc profin răng

Trang 10 Chương1: Tổng quan

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ

RỬA BẰNG ÁP LỰC NƯỚC

-&&& - 1.1 Đặt vấn đề:

Cùng với sự phát triển của các phương pháp gia công tiên tiến của ngành cơ khí, gia công bằng tia nước đã và đang phát triển mạnh mẽ, người ta cũng ứng dụng các nguyên lý của máy này để rửa boong tàu biển bằng áp lực nước cũng đã phát triển rất nhanh Nay tôi muốn ứng dụng nước áp lực cao vào việc thiết kế hệ thống rửa xe máy

Rửa bằng tia nước một quá trình sử dụng tia nước ở áp suất cao để rửa các thiết bị như boong tàu, máy xây dụng, ôtô xe máy…

Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống áp lực nước

Nước từ bồn chứa qua bộ lọc 1 (hình1-1) nhờ ống dẫn đi qua bộ khuyếch đại

2 để tăng áp Dòng nước này đi qua bình tích năng 3 để tránh hiện tượng dao động

áp suất và sau đó đến đầu phun Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có áp suất lớn (thường từ 30 ÷ 40 bar) Với áp suất này, khi tia nước chạm vào bề mặt thiết bị cần rửa nó tạo nên áp lực lớn hơn độ bám dính của chất bẩn, đất cát, dầu nhớt… mà không quá lớn để làm tróc sơn nhờ đó xe được rửa sạch

Yêu cầu của một hệ thống bơm phải chia lượng nước giống nhau và dòng nước áp suất cao phải liên tục, điều này có nghĩa là cả hai yếu tố thể tích và áp suất của nước phải được kiểm soát Hầu hết các máy bơm cao áp trên thị trường hiện nay dùng bơm piston

Hình 1-2 Sơ đồ trình bày một kiểu máy tăng áp

Khi piston đi qua trái buồng bơm giảm thể tích làm áp suất nước ra tăng, khí piston đi qua phải buồng bơm tăng thể tích làm áp suất nước giảm gây nên hiện tượng dao động áp suất Để tránh hiện tượng này, người ta cho thêm vào hệ thống một bộ phận tích nước đóng vai trò như một bộ phận giảm chấn Bộ phận này làm giảm khoảng dao động giá trị áp suất giữa min và max Bộ phận giảm chấn tích trữ một lượng nước áp suất cao, lượng nước này sẽ được phóng vào hệ thống, làm giảm

sự dao động trong hệ thống áp lực

Trang 12 Chương1: Tổng quan

Hình 1-3 Sơ đồ sử dụng bộ phận giảm chấn với bộ tăng áp tác dụng kép

Một phương pháp khác làm giảm sự dao động áp suất là sử dụng hai bộ tăng

áp đơn nối với nhau để một bộ bắt đầu hành trình nén trước khi bộ kia kết thúc phân phối Vì vậy khi một piston dừng, piston kia đã ép và tiếp tục phân phối

Chúng ta ai cũng đã từng đi rửa xe máy, cũng đều biết sự chờ đợi để đến mình và phải chờ đợi để họ rửa xong xe của mình, có thể đọc được vài tờ báo mà vẫn chưa xong vì rửa xe bằng tay rất mất thời gian Nếu ta để xe lại thì lại sợ mất

đồ Bên cạnh việc rửa xe bằng tay lâu và mặt bằng đắt tiền, tiền công cũng khá cao Mặt khác, rửa xe bằng tay thì lượng nước thải ra môi trường là rất lớn mà không được xử lý trước Tất cả các vấn đề này sẽ được giải quyết nếu chúng ta thiết kế được hệ thống và ước tính rửa mỗi xe chỉ trong vòng 15 phút

9 Tính linh hoạt:

Nếu thiết kế hệ thống làm sạch mà dùng nguyên lý ma sát hay nguyên lý va đập thì rất khó làm sạch những nơi có không gian hẹp, bề mặt không bằng phẳng như xe máy, máy công cụ, máy xây dựng còn nguyên lý áp lực nước thì có thể

Vì hệ thống dùng áp lực nước nên rất linh hoạt, thích hợp cho những hình dáng phức tạp của các chủng loại xe máy, nếu ta áp dụng nguyên lý cơ và ma sát trong hệ thống này thì mỗi loại xe máy phải có một chu trình riêng hoặc một chương trình riêng nếu điều khiển bằng chương trình số Hoặc có cảm biến vị trí gắn trên đầu vòi phun để tự động điều khiển vòi phun

9 Tính kinh tế:

Đi đôi với việc rút ngắn thời gian, hạn chế tối đa sức lao động của con người,

hệ thống nhỏ gọn hơn rất nhiều so với mặt bằng rửa xe bằng tay Có thể thu hồi nước… thì tính kinh tế của hệ thống là có thể thấy rõ

9 Bảo vệ môi trường:

Vì các nguyên lý khác đều tạo ra tiếng ồn rất khó chịu còn nguyên lý này thì không

Không có bụi nên không làm ảnh hưởng đến môi trường và thiết bị máy móc xung quanh

Không mài mòn, không phá vỡ cấu trúc bề mặt

Vì ta có thể thu hồi nước và tái sử dụng nước nên góp phần rất lớn vào việc bảo vệ môi trường

1.2.2 Phạm vi ứng dụng

Ứng dụng áp lực nước hiện nay rất đa dạng, ví dụ như:

- Gia công cắt: Gia công tia nước được ứng dụng trong các ngành hàng không, thực phẩm, nghệ thuật xây dựng, công nghiệp ô tô, giày dép, cao su, nhựa, đồ chơi, luyện kim, giấy, chế tạo máy…

- Làm sạch bề mặt trong ngành xây dựng và chế tạo máy

Trang 14 Chương1: Tổng quan

- Phay hay gia công các biên dạng 3D

- Mài, khoan, hay làm bóng các bề mặt máy móc

Vài hình ảnh về sản phẩm cắt bằng tia nước:

Hình 1-6: Làm sạch mặt bên trong Hình 1-7: Cắt vải, da hay giấy

Bài toán của chúng ta là làm sao để tính áp suất nước này để rửa xe máy với yêu cầu là sạch các vết bẩn, vết dầu nhớt mà không làm tróc sơn

1.3 Các thông số công nghệ:

Các thông số quan trọng trong phương pháp rửa bằng tia nước bao gồm :

™ Khoảng cách từ vòi phun tới bề mặt rửa: Thông thường khoảng cách này là

nhỏ để tia nước phân tán tới mức tối thiểu trước khi kịp đập vào bề mặt Khoảng cách này dao động liên tục vì bề mặt của xe máy không bằng phẳng như của boong tàu hay của xe ôtô Phải thiết kế mối liên hệ giữa áp suất máy bơm và vòi phun sao cho khoảng cách này dao động trong khoảng 200-300mm (vì vòi phun không chuyển động theo phương ngang) để những bộ phận ở xa

vòi phun cũng sạch mà ở gần vòi phun cũng không bị tróc sơn

™ Đường kính lỗ vòi phun: Kích thước của lỗ vòi phun ảnh hưởng đến vận tốc, lực va đập vào bề mặt vật rửa và khoảng cách của vùng rửa

™ Hình dáng lỗ vòi phun: Nếu lực nước đi vuông góc với bề mặt rửa thì lực va

đập sẽ rất khó thắng được lực ma sát của chất bẩn mà cụ thể là của dầu nhớt vì lực va đập là vuông góc với bề mặt của xe máy, đồng thời những hạt cát còn va đập vào bề mặt sơn nên rất dễ làm tróc sơn Do đó ta phải thiết kế hình dáng lỗ vòi phun sao cho tia nước phun ra phải có độ xoáy để cho lực va đập có thêm

phương tiếp tuyến với bề mặt va đập giúp quá trình rửa dễ hơn và tránh tróc sơn

Trang 16 Chương1: Tổng quan

Hình 1-8: Tạo hiệu ứng xoáy

Khi còn trong vòi phun, nước được định hướng để chuyển động xoắn để khi

ra khỏi vòi phun thì tạo ra được hiệu ứng xoáy

Khi tia nước ra khỏi vòi phun mà có được hiệu ứng xoáy thì bề mặt va đập

cũng được mở rộng

™ Áp suất nước: đây là yếu tố quan trọng nhất của hệ thống rửa, ta phải tính toán

sao cho phù hợp để lực va đập vào bề mặt xe máy vừa đủ sạch mà không làm

tróc sơn

1.4 So sánh với các phương pháp khác:

Đặc điểm Rửa bằng tay Rửa bằng hệ thống cơ Rửa bằng hệ thống áp

lực nướcLinh hoạt Tốt Kém Linh hoạt

1.5 Nhu cầu hệ thống rửa xe máy

Số lượng xe máy của thành phố Hồ Chí Minh nói riêng và cả nước nhiều như vậy nhưng không có hệ thống rửa xe máy tự động nào mà tất cả chỉ nhờ vào sức lao động của con người Chỉ cần sau mỗi cơn mưa, chiếc xe máy của ta sẽ bị phủ kín bởi bùn đất và phải đi rửa trước khi về nhà nhưng hiện nay đi rửa rất mất thời gian nên nhiều người chấp nhận mang chiếc xe như vậy về nhà Tuy nhiên, nếu rửa xe

mà chỉ mất 15 phút thì những người này có thể nghĩ lại

Chúng ta ai cũng đã từng đi rửa xe máy, cũng đều biết sự chờ đợi đến lượt mình và phải chờ đợi để họ rửa xong xe của mình, có thể đọc được vài tờ báo mà vẫn chưa xong vì rửa xe bằng tay rất mất thời gian Nhu cầu về một hệ thống rửa xe máy là rất cao.Vì thế tôi muốn thiết kế hệ thống rửa xe máy này

Hình 1-9: Hình ảnh thường thấy trong các tiệm rửa xe

Trang 18 Chương1: Tổng quan

1.6 Mục tiêu của đề tài:

Đây là đề tài nghiên cứu của tôi trong 3 năm qua, tuy còn gặp nhiều khó khăn trong thiết kế cũng như chế tạo nhưng tôi phấn đấu đạt được các nội dung sau:

- Nghiên cứu và khái quát được công nghệ rửa bằng tia nước áp lực cao

- Tính toán, thiết kế được hệ thống rửa bằng tia nước; mô phỏng hoạt động của máy

- Ứng dụng được hiệu ứng xoáy vào trong hệ thống rửa bằng tia nước áp lực cao

- Chế tạo được hệ thống rửa cho các loại xe máy, độ sạch 70%, còn lại ta sẽ lau khô

1.7 Các nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu công nghệ rửa bằng tia nước, áp dụng vào một hệ thống cụ thể là

rửa xe máy

- Nghiên cứu ứng dụng được hiệu ứng xoáy vào trong hệ thống rửa bằng tia nước áp lực cao nhằm tăng hiệu quả và tăng năng suất khi rửa

- Mô phỏng hoạt động và tính toán thiết kế hệ thống

- Nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá kết quả

1.8 Dự kiến cấu trúc đề tài:

- Phần A: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

- Phần B: Nội dung nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về công nghệ rửa bằng áp lực nước

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của công nghệ rửa bằng áp lực nước

Chương 3: Nghiên cứu tác động của hiệu ứng xoáy của tia nước trong hệ thống rửa

Chương 4: Tính toán thiết kế hệ thống, thiết kế bộ lọc nước

Chương 5: Chế tạo, thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống, điều chỉnh hệ thống chọn các thông số tối ưu

- Phần C : Kết luận & Hướng phát triển của đề tài

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ RỬA BẰNG

ÁP LỰC NƯỚC

-&&& - 2.1 Động học tia nước:

2.1.1 Đặc trưng động học của tia nước tác động lên bề mặt vật liệu rửa:

Dòng tia được phân làm các vùng như trên hình vẽ:

Hình 2-1: Sơ đồ tia nước trong không khí

Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun vận tốc của tia nước tăng lên rất nhanh

Ta sẽ sử dụng vùng tạo giọt để rửa

Hình 2-2: Tia nước sau khi ra khỏi vòi phun

Xét dòng chảy của tia tại 2 mặt cắt 1-1 và 2-2 ngay sau đầu phun, xem ma sát của nước và thành ống bằng không và giả sử dòng chảy không bị nén

Vùng đầu : áp suất động bằng hằng số theo hướng dòng chảy, tạo tia đặc chắn toàn bộ “chùm tia” Sau đó xuất hiện các thành phần vận tốc vuông góc với hướng luồng chính Tiết diện “chùm tia” càng lớn khi càng ra xa đầu phun Cuối cùng sẽ hóa thành sương mù

Cấu trúc của tia nước sau khi ra khỏi đầu phun có các tính chất sau:

Trang 20 Chương2: Cơ sở lý thuyết

Vùng liên tục Xb: tốc độ của tia bằng hằng số theo chiều dọc trục, được giới hạn bởi điểm phân rã Xb Ở đây 50% của tia được tách thành những “quả cầu chất lỏng”

Vùng tạo giọt, các “quả cầu chất lỏng” tách ra thành những giọt nhỏ và tốc độ dòng tia cũng giảm dần khi khoảng cách càng xa đầu phun

Vùng hóa sương, các giọt tiếp tục bị tách ra thành những giọt nhỏ hơn, li ti dạng sương mù, tốc độ dòng tia giảm mạnh

Chiều dài vùng lõi cắt : Xc = 73 ÷ 135d [9] với d là đường kính vòi phun, (dùng trong thiết kế máy cắt bằng tia nước)

Chiều dài vùng liên tục: Xb = 3.35Xc.[9]

Ta sẽ sử dụng vùng tạo giọt để rửa

Tác động của tia thay đổi theo hướng dọc trục và hướng kính Bề mặt chi tiết nhận tác động gần như tĩnh, bởi lõi của tia nước, chỉ có rung động của áp suất bơm tác động lên bề mặt chi tiết là sự tham gia động học Càng xa đầu phun, xu hướng tác động chuyển từ tĩnh sang động Tổn thất do ma sát càng xa đầu phun thì tiết diện tác động càng lớn, biên độ của tải trọng động tác động lên bề mặt chi tiết càng giảm Việc xác định chính xác đặc tính và tính chất của tia rất khó khăn do vận tốc của tia cao và bị sương mù bao bọc xung quanh

Theo công thức Bernoulli cho dòng chảy không ma sát, ta có:

g

p g

v g

p g

v

ρ

2 2 1

2 1

2

2 + = + (2.1) Trong đó:

- v1[m/s]: Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt 1-1

- p1[Pa]: Áp suất dòng chảy tại mặt cắt 1-1

- v2[m/s]: Vận tốc dòng chảy tại mặt cắt 2-2

- p2[Pa]: Áp suất dòng chảy tại mặt cắt 2-2

- ρ [kg/m3]: Trọng lượng riêng của chất lỏng

Xét tại mặt cắt 1-1:

Tổng năng lượng của dòng là:

g

p g

v

ρ1

2 1

v

ρ2

2 2

g

v g

p

2

2 2

1 =

Trang 22 Chương2: Cơ sở lý thuyết

Do đó tốc độ của tia sau khi ra khỏi đầu phun được tính theo công thức:

v

ρ: Trọng lượng riêng của chất lỏng (kg/m3) Đây chính là áp suất nén lớn nhất theo lý thuyết Trên thực tế, tia nước tự do sau khi ra khỏi đầu phun sẽ bị phân tán rộng dần theo khoảng cách làm cho áp suất nén

bị giảm dần

2.1.2 Cơ chế rửa bằng áp lực nước:

Tia nước sau khi ra khỏi đầu phun tạo thành chùm tia bao gồm nước và bọt khí Các bọt khí này như một hạt nhân bằng khí không bị hòa tan trong môi trường chất lỏng

Năng lượng riêng sinh ra trong quá trình “nổ túi” tạo ra các vùng chênh lệch áp suất tức thời, năng lượng này đủ lớn để cho các bọt nước va đập vào bề mặt của dầu nhớt và vết bẩn làm phá liên kết của chúng với bề mặt của xe máy Ta phải tính toán sao cho nó vừa phá liên kết này mà không làm tróc sơn

[ ]F =σ sơn.S>F>Fma sát max

Trong đó: F: lực va đập lên một diện tích S bề mặt rửa

: lực cho phép để không làm tróc sơn

[ ]F

σ sơn: ứng suất cho phép của sơn

Fma sát max: lực ma sát max, thường là của dầu nhớt Các bước chính của quá trình rửa:

Đầu tiên xuất hiện các vết xé trên bề mặt vết bẩn và dầu nhớt, vết xé được kích

vỡ mở rộng bởi gradient áp suất lớn tạo ra ứng suất kéo trên bề mặt

Những vết xé tế vi nối tiếp nhau và bị cuốn trôi theo dòng chảy

2.2.3 Tia nước va đập-tia dạng xung:

Khi phun vào bề mặt cứng, ban đầu là tác động va đập, sau đó là tác động liên tục dạng xung Áp suất va đập được tính (tham khảo theo [9]):

Với c0 = 1500 (m/s) : tốc độ truyền âm trong môi trường ẩm

v2 (m/s) : tốc độ tia tác động

ρ: Trọng lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)

2.2 Các thông số cần tính toán và phương pháp tính

Chiều dài vùng liên tục: Xb = 3.35 XC= 3.35(73 ÷ 135 )d

Với d là đường kính vòi phun

Do đó Xv>Xb = 3.35(73 ÷ 135 )d (2.7) Theo các thông số công nghệ của chương 1 ta có Xv=(200÷300)mm

Nên đường kính vòi phun d =(0,44÷1,2)mm

Do đó chọn đường kính vòi phun d = 0.7mm

Xác định áp suất cần đạt được cho bộ tăng áp

Trang 24 Chương2: Cơ sở lý thuyết

2 0

v c

p vadap =ρ với

ρ

1 2

2 p

v =

b vadap

p c

2 2

0

2 1

2 2 0

2 1

2 2 0

2 max

c

p = son

(2.10)

σ sơn<1,5 kg/mm2 (tham khảo các thông số của nhà sản xuất sơn)

Hoặc sẽ thí nghiệm sau khi đã thiết kế được hệ thống (đã có vòi phun với d =

0.7mm; Xv=200÷300) Khi đó ta sẽ tính được pmin và pmax để làm cơ sở cho việc

chọn hệ thống tăng áp và máy bơm

Chương 3: NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA HIỆU ỨNG XOÁY

CỦA TIA NƯỚC TRONG HỆ THỐNG RỬA

Trong trường hợp dòng chảy rối tự do, ứng suất nhớt có thể bỏ qua do giá trị của

nó rất nhỏ so với ảnh hưởng của ứng suất rối

Kích thước hình học của dòng chảy nhỏ, giá trị gradient của vận tốc và của nồng

độ lưu chất theo phương vuông góc với dòng chảy lớn hơn rất nhiều so với phương dọc theo dòng chảy Các phương trình cơ bản của dòng chảy này tuân theo phương trình Reynold Giả thiết phân bố vận tốc tại tiết diện đầu phun là đều nhau

Khi ta có được dòng rối xoáy tự do thì hiệu suất của quá trình rửa sẽ tăng lên đáng kể vì tia nước sẽ có thêm vận tốc theo phương tiếp tuyến của dòng phun, khi

đó các chất bám trên bề mặt của vật rửa sẽ nhận thêm lực trượt nên dễ bị cuốn trôi theo dòng nước

Trang 26 Chương3: Ứng dụng hiệu ứng xoáy

Hình 3-1: Hiệu ứng xoáy [8]

3.2 Hệ số cường độ xoáy:

Dòng xoáy rối được tạo ra do chuyển động xoắn của dòng tia, thành phần vận tốc xoáy (thành phần vận tốc tiếp tuyến) được truyền cho dòng chảy bằng cách sử dụng các cánh tạo xoáy, bằng các thiết bị tạo xoáy đi vào vòi phun theo phương hướng trục cộng với phương tiếp tuyến hay bằng cách phun ra trực tiếp theo phương tiếp tuyến

Để biểu diễn mức độ xoáy và ảnh hưởng của sự xoáy, trong kỹ thuật sử dụng đại lượng cơ bản là hệ số cường độ xoáy S, đó là một đại lượng không thứ nguyên đặc trưng cho dòng chảy, bằng tỷ số giữa động lượng xoáy và động lượng dọc trục nhân với bán kính vòi phun [8]:

2/d.G

GS

0

)''(ρ ρ

2

)ww(u

w = wmo

2/

dr (mo – giá trị cực đại)

Ở tia phun tự do trong dòng chảy ổn định, Gx và Gθ là hằng số và là những lượng bất biến của tia phun

Vận tốc dọc trục u có biên dạng phẳng không đổi, vận tốc xoáy w tăng từ 0 (lúc

r = 0) đến wmo (lúc r = d/2) Nếu thành phần áp suất Gx được duy trì ở dạng theo biến w2/2, đồng thời bỏ qua thành phần ứng suất rối Khi đó:

2 mo

G12

du2

2/GS

−

Trang 28 Chương3: Ứng dụng hiệu ứng xoáy

Mối quan hệ lý thuyết giữa S và G theo qui luật tự nhiên được đơn giản thành:

2/G1

2/GS

−

Mối quan hệ giữa S và G được mô tả qua hình 3-3, đồ thị này biểu diễn giá trị

thực nghiệm của S và G được đo một cách độc lập

Hình 3-4: Mối liên hệ giữa thông số xoáy S và G [2]

3.3 Đặc tính và ảnh hưởng của hiệu ứng xoáy trong quá trình rửa

Dòng tia trước khi ra khỏi đầu phun được tạo xoáy làm cho dòng phun ra khỏi

miệng phun vừa có vận tốc dọc trục, vừa có vận tốc theo phương tiếp tuyến Trường

vận tốc trong dòng phun xoáy do vậy vừa có vận tốc theo phương dọc trục, vừa có

vận tốc theo phương tiếp tuyến (hình 3.3)

Như vậy, vận tốc trong dòng xoáy được phân thành ba thành phần:

– Thành phần vận tốc dọc trục

– Thành phần vận tốc theo phương ngang

– Thành phần vận tốc theo phương tiếp tuyến

Thông thường S ≥ 0,6 thì dòng được coi là xoáy mạnh và khi S < 0,6 thì dòng được coi là xoáy yếu Vì vậy, Stới hạn = 0,6 được gọi là hệ số xoáy tới hạn

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, tác động chung của sự xoáy ban đầu trong tia phun rối là nguyên nhân làm tăng chiều rộng và tốc độ suy giảm của tia phun Trường áp suất tạo ra sự cân bằng lực tiếp tuyến, còn sự phân rã xoáy gây ra bởi sự dịch chuyển và hòa trộn với lưu chất bao quanh tạo thành gradient áp suất ngược Dạng phân bố dọc trục của vận tốc trung bình thời gian phụ thuộc vào hệ số xoáy S của dòng chảy Khi xoáy yếu, vận tốc cực đại là ở trục tia phun Khi hệ số xoáy tăng lên, bán kính của tia phun cũng sẽ tăng theo

Tia phun xoáy làm tăng góc phân tán và tốc độ suy giảm của vận tốc dọc trục,

nó không liên quan tới trường vận tốc xoáy nhưng có mối liên hệ với mức độ xoáy ban đầu trong dòng chảy Biên dạng vận tốc dọc trục và vận tốc xoáy thay đổi theo chiều hướng phát triển từ miệng phun tới các vị trí xa hơn của dòng phun

Hình 3-5: Dòng tia phun đặc trưng ở mức độ xoáy yếu (S < 0,4) [7]

Đối với hệ thống rửa bằng áp lực nước, thì phải chọn dòng xoáy yếu vì nếu hệ

số xoáy lớn sẽ làm giảm đi áp lực tác động lên bề mặt nên khó rửa sạch được

Trang 30 Chương3: Ứng dụng hiệu ứng xoáy

3.4 Tác động của hiệu ứng xoáy tới các thông số kỹ thuật của dòng tia

3.4.1 Quan hệ giữa hệ số xoáy và chiều rộng dòng phun

Quan hệ giữa hệ số xoáy và chiều rộng dòng phun ứng với các cấp áp suất khác nhau được thể hiện ở hình sau:

Hình3-6: Quan hệ giữa hệ số xoáy và chiều rộng dòng phun[7]

Khi tăng hệ số cường độ xoáy thì chiều rộng của dòng phun tăng lên Chiều rộng dòng phun tăng mạnh trong khoảng S = 0,2 ÷ 0,4; còn trong khoảng S = 0,7 ÷ 1,2 chiều rộng dòng phun tăng lên không đáng kể Điều đó cho thấy, khi hệ số xoáy nằm trong khoảng S < 0,2 là thích hợp nhất cho hệ thống rửa này

3.4.2 Quan hệ giữa hệ số xoáy và tầm xa dòng phun

Quan hệ giữa hệ số xoáy và chiều cao dòng phun ứng với các cấp áp suất khác nhau được thể hiện ở hình sau:

Hình3-7: Quan hệ giữa hệ số xoáy và tầm xa dòng phun[7]

− Khi tăng hệ số cường độ xoáy thì tầm xa của dòng phun suy giảm Do khi tăng

hệ số xoáy làm cho chiều rộng dòng phun tăng lên, vì lưu lượng qua mặt cắt ngang không thay đổi nên chiều cao dòng phun sẽ giảm

Khi S = 0, dòng phun có dạng tia và tầm xa là cực đại Khi có sự tác động của hiệu ứng xoáy, tầm xa của dòng phun giảm một cách đột ngột (S = 0÷ 0,2), sau đó chiều cao dòng phun suy giảm một cách từ từ Như vậy, hiệu ứng xoáy có ảnh hưởng đáng kể tới tầm xa của dòng phun

Điều đó cũng cho thấy, khi hệ số xoáy nằm trong khoảng S < 0,2 là thích hợp

Trang 32 Chương3: Ứng dụng hiệu ứng xoáy

3.4.3 Quan hệ giữa hệ số xoáy và lưu lượng dòng phun

Quan hệ giữa hệ số xoáy và lưu lượng dòng phun ứng với các cấp áp suất khác nhau được thể hiện ở hình sau:

Hình3-8: Quan hệ giữa hệ số xoáy và lưu lượng dòng phun[7]

Hệ số xoáy càng lớn thì trở lực này càng lớn và làm giảm lưu lượng dòng phun, tuy nhiên sự suy giảm của lưu lượng là không lớn

Khi áp suất dòng phun tăng lên, lưu lượng của dòng phun cũng tăng lên một cách đều đặn Điều này được lý giải như sau, việc thay đổi các cấp áp suất trong quá trình tiến hành thực nghiệm là nhờ van điều chỉnh để điều tiết lưu lượng Vì vậy, muốn tăng áp suất dòng phun thì đồng thời phải tăng lưu lượng nhờ van tiết lưu

3.4.4 Quan hệ giữa hệ số xoáy và vận tốc dọc trục dòng phun

Quan hệ giữa hệ số xoáy và vận tốc dòng phun ứng với các cấp áp suất khác nhau được thể hiện ở hình sau:

Hình3-9: Quan hệ giữa hệ số xoáy và vận tốc dọc trục dòng phun[7]

Tăng hệ số cường độ xoáy thì lưu lượng của dòng phun suy giảm nên vận tốc dọc trục cũng suy giảm theo Khi hệ số xoáy S = 0, vận tốc dọc trục có giá trị cực đại

do dòng phun có dạng tia Trong khoảng S = 0 ÷ 0,2 vận tốc giảm nhanh nhất Khi áp suất dòng phun tăng lên, vận tốc dọc trục tại miệng phun cũng tăng lên một cách tuyến tính Về mặt toán học, giữa vận tốc dòng phun và lưu lượng có quan hệ

tỷ lệ thuận với nhau Vì vậy, khi áp suất tăng sẽ làm cho lưu lượng tăng và do đó vận tốc dòng phun cũng tăng Biên dạng của đồ thị khi thay đổi áp suất dòng phun cho thấy có sự tương đồng

Trang 34 Chương3: Ứng dụng hiệu ứng xoáy

Hình3-10: góc phun ứng với hệ số xoáy khác nhau [7]

Hệ số xoáy 0 0,2 Góc phun α (độ) 11,3 14,2 Bảng 3-1: Giá trị của góc phun ứng với các hệ số xoáy khác nhau [7]

3.5 Kết luận: Qua phân tích quan hệ giữa hệ số xoáy với chiều rộng, tầm xa, lưu

lượng và vận tốc dọc trục dòng tia ta chọn hệ số xoáy S = 0 ÷ 0,2 để thiết kế vòi phun cho hệ thống là tốt nhất

Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG,

THIẾT KẾ BỘ LỌC NƯỚC 4.1 Đặt vấn đề:

− Ta phải thiết kế hệ thống sao cho nó có thể mang vòi phun đi khắp các bề mặt phía ngoài của xe máy, những bề mặt bên trong ta có thể bố trí các vòi phun phụ nhằm rửa sạch các ngóc ngách

− Có nhiều loại xe máy và có nhiều hình dáng khác nhau nên điều khiển theo phương Y là rất khó khăn và không cần thiết do phạm vi rửa của tia nước như đã thiết kế ở chương 2 là Xv=(200÷300)mm do đó ta có thể khống chế phương Y Như vậy khoảng cách từ vòi phun tới bề mặt rửa luôn thay đổi ttrong khoảng (200÷300)mm

− Để tăng hiệu suất khi rửa, ta kết hợp tia nước có chứa dung dịch rửa Sau khi vòi phun đưa xe vào hệ thống ta rửa qua một lần bằng nước bình thường, sau đó rửa bằng tia nước có chứa dung dịch rửa và rửa lại bằng nước sạch

− Bộ tăng áp và máy bơm được tính toán để chọn mua theo yêu cầu của áp suất

4.2 Đặc điểm của xe máy:

Hình 4-1: Hình dáng phức tạp của xe máy

Trang 36 Chương4: Thiết kế hệ thống

− Bề mặt của xe máy không bằng phẳng như của xe ô tô Có rất nhiều ngóc ngách…Do đó ta không thể nào áp dụng phương pháp ma sát để rửa như hệ thống rửa xe tự động của ô tô

− Chiều dài của xe máy khoảng 1,8 m; rộng: 0,7m; cao: 0,6 m; khối lượng khoảng 100kg

− Chủng loại của xe máy rất đa dạng nên kích thước và hình dáng của chúng cũng khác nhau nên rất khó áp dụng phương pháp ma sát để áp dụng cho xe máy

Ta có thể thiết kế hệ thống rửa này bằng cách dùng cảm biến dò khoảng cách để tự động điều khiển vòi phun, tuy nhiên đây là môi trường có nước và chất bẩn nên rất

dễ bị nhiễu và đối tượng mua thiết bị của ta khó khắc phục điều khiển hệ thống này

Ta cũng có thể thiết kế hệ thống này theo phương pháp cơ nhưng phải điều khiển theo chương trình số, điều khiển cả 3 trục như máy CNC nhưng giá thành của hệ thống sẽ quá cao, không phù hợp với đối tượng là rửa xe máy

Qua phân tích như trên để thiết kế hệ thống rửa xe máy tự động thì phải dùng phương pháp linh hoạt mới có thể rửa được xe máy Do đó ứng dụng tia nước áp lực cao vào hệ thống này là hợp lý nhất

4.3 Các phương án có thể lựa chọn để rửa hết bề mặt của xe gắn máy

™ Xe chuyển động theo phương X, vòi phun chuyển động theo phương Z

− Ưu điểm: Phối hợp các chuyển động của vòi phun dễ vì chỉ còn 1 bậc tự do duy nhất là phương Z

− Nhược điểm: xe chuyển động thì rất dễ gây nên va quẹt nên đảm bảo độ an toàn cho xe là rất khó, vả lại xe có khối lượng lớn nên truyền động cho xe di chuyển khó Thêm vào đó, muốn xe chuyển động thì phải đặt xe trên bàn trượt, khi đó bàn trượt này sẽ chắn các tia nước từ dưới lên nên không rửa được các bộ phận bên dưới

của xe Phương pháp này không khuyến khích sử dụng

™ Xe đứng yên, vòi phun chuyển động theo trục X và trục Z

X

Z

Y

Hình 4-2: Phương chuyển động của vòi phun

− Ưu điểm: Xe đứng yên nên an toàn cho xe, truyền động cho các vòi phun theo các trục sẽ nhẹ nhàng hơn truyền động cho xe di chuyển Đồng thời khi xe đứng yên

ta dễ điều khiển vòi phun phụ tới những nơi mà vòi phun chính không thể phun tới

− Nhược điểm: Điều khiển vòi phun đồng thời theo 2 phương là khó khăn hơn và

nhất là nó mang theo các ống dây có áp suất cao ( luôn có xu hướng duỗi thẳng ra)

Qua phân tích ưu nhược điểm của hai phương án trên ta chọn phương án thứ hai

tức là xe đứng yên và vòi phun chuyển động theo phương X và phương Z

Trang 38 Chương4: Thiết kế hệ thống

4.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống:

™ Thiết kế chuyển động: Ta thiết kế theo nguyên lý xe đứng yên, vòi phun chuyển động khắp xe Ta cố định trục Y, chỉ chuyển động theo trục X và trục Z, nếu nơi nào chưa sạch thì sẽ bố trí thêm vòi phun

™ Thiết kế trình tự làm việc của hệ thống:

Hình 4-3: Mô hình không gian của hệ thống

(Hình ảnh trên đã được ẩn một tấm chắn nước)

- Sau khi cho xe vào hệ thống, xe được cố định trên hệ khung 14 (hình4-3) nước sạch từ bồn số 4 được tăng áp nhờ bộ tăng áp 16 và máy bơm 15, nước được dẫn tới vòi phun 11 qua hệ thống đường ống số 6, hai động cơ truyền động theo trục Z (số 8) chuyển động đồng thời qua hai hệ thống dây cáp 10 đến con trượt

12, con trượt này trượt trên hai thanh tròn số 13 mang vòi phun di chuyển theo