Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật của bộ gõ hệ thống cực lắng lọc bụi tĩnh điện tới khả năng rũ bụi

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật của bộ gõ hệ thống cực lắng lọc bụi tĩnh điện tới khả năng rũ bụi

1. 1 A. GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN 1. Tến đề tài: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số kỹ thuật của bộ gõ hệ thống cực lắng lọc bụi tĩnh điện tới khả năng rũ bụi ” 2. Cơ sở để lựa chọn đề tài Hiện nay lọc bụi tĩnh điện là phương pháp đang được sử dụng chủ yếu trong các nhà máy Nhiệt điện, Xi măng ở Việt Nam. Thiết bị lọc bụi tĩnh điện (LBTĐ) phần lớn là nhập khẩu từ nước ngoài, tuy nhiên một số cơ sở trong nước cũng đang từng bước nghiên cứu và làm chủ thiết kế, công nghệ chế tạo thiết bị LBTĐ. Để góp phần làm chủ công nghệ LBTĐ tác giả đã lựa chọn hướng nghiên cứu “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật của bộ gõ hệ thống cực lắng lọc bụi tĩnh điện tới khả năng rũ bụi ” làm đề tài luận án tiến sĩ. 3. Mục tiêu của đề tài luận án - Xây dựng được mối quan hệ ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật: Trọng lượng búa gõ (m1), chiều cao rơi búa (H) tới lực gõ búa (F) của bộ gõ rũ bụi. - Xây dựng được quan hệ ảnh hưởng giữa lực gõ (F) đến gia tốc sóng ứng suất (a) trong tấm cực lắng. - Tối ưu hóa hàm đa mục tiêu giữa các thông số của búa gõ (m1, H) và lực gõ (F) trong giới hạn bền [ζch] của tấm cực lắng với giá trị gia tốc (a) để xác định miền giá trị gia tốc hợp lý có khả năng rũ bụi. - Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án để tính toán thông số kỹ thuật chính của búa gõ (m1, H) và các 3 thông số chính của tấm cực lắng (B, L, m2) cho thiết bị LBTĐ công suất 1 triệu (m / giờ 4. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật của bộ gõ rũ bụi như trọng lượng búa (m1), chiều cao rơi búa (H) đến lực gõ búa (F) và gia tốc lan truyền sóng ứng suất (a) trong tấm cực lắng của mô hình bộ gõ rũ bụi. 5. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ ảnh hưởng thông số búa gõ (m1, H) tới lực gõ búa (F) và quan hệ lực gõ (F) tới gia tốc (a) lan truyền sóng ứng suất trong tấm cực lắng của mô hình bộ gõ rũ bụi. - Chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của sóng ứng suất ngang trong tấm cực lắng từ vật liệu tấm thép mỏng của mô hình bộ gõ rũ bụi. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, phân tích mô phỏng trên Ansys, thực nghiệm đo gia tốc lan truyền sóng ứng suất trên tấm cực lắng từ vât liệu thép chuyên dụng dạng tấm mỏng, mô hình bộ gõ rũ bụi và phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 7.1 Ý nghĩa khoa học: - Phân tích mô phỏng số để đánh giá ảnh hưởng lực của gõ búa (F) tới gia tốc lan truyền sóng ứng suất (a) và biến dạng của tấm cực lắng. - Bằng thực nghiệm đã xây dựng được phương trình toán học quan hệ ảnh hưởng các thông số của búa gõ (m1, H) tới lực gõ búa (F). - Đã thực nghiệm xác định ảnh hưởng lực gõ búa (F) đến gia tốc (a). - Đã tối ưu hóa xác định miền giá trị các thông số của búa gõ (m1, H, F) và gia tốc lan truyền sóng ứng suất (a) trong phạm vi đảm bảo độ bền [ζch] của tấm cực lắng. 7.2 Ý nghĩa thực tiễn: - Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án ứng dụng, kiểm nghiệm trong tính toán, thiết kế các thông số chính bộ gõ rũ bụi LBTĐ thực tiễn, nhà máy nhiệt điện Vũng áng công suất lọc bụi 1.000.000 (m3/h). - Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án có thể ứng dụng trong công tác vận hành thiết bị LBTĐ để lựa chọn bộ thông số (m1), (H) với dải giá trị gia tốc phù hợp đảm bảo khả năng rũ bụi, cũng có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo trong công tác giảng dạy và nghiên cứu, thiết kế lọc bụi tĩnh điện. 8. Những đóng góp mới của luận án - Đã xây dựng được phương trình hồi quy thực nghiệm về quan hệ giữa các thông số: Trọng lượng búa (m1) với lực gõ F = f1 (m1, H). Kiểm tra điều kiện bền trên phần mềm Ansys để xác định miền giá trị (F) trong thực nghiệm đo gia tốc (a) - Đã xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm ảnh hưởng của lực gõ (F) tới gia tốc trong tấm cực lắng: a = f2 (F) - Đã tối ưu hóa hàm đa mục tiêu để xác định miền giá trị gia tốc (a) có khả năng rũ bụi và thỏa mãn điều kiện bền của tấm cực lắng (ζch) ≤ [ζch]. - Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án để tính toán thông số kỹ thuật chính của bộ gõ (m1, H, B, L, m2) cho thiết bị LBTĐ công suất 1 triệu (m3/ giờ)
2. 2 B. NỘI DUNG LUẬN ÁN Chƣơng 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ BỘ GÕ RŨ BỤI TRONG LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN 1.1 Nguyên lý thu bụi bằng điện Lọc bụi tĩnh điện(LBTĐ) là hệ thống thu lọc các hạt bụi khỏi dòng khí bụi khi cho chúng đi qua buồng lọc, dựa trên nguyên lý ion hoá và lực hút tĩnh điện. Hạt bụi với kích thước nhỏ, nhẹ bay lơ lửng trong dòng khí được đưa qua buồng lọc có đặt các tấm cực gọi là cực lắng và cực phóng. Trên các tấm cực, ta cấp điện cao áp một chiều cỡ từ vài chục cho đến vài 100 (kV) để tạo thành một điện trường có cường độ lớn. Khi đi qua điện trường mạnh, bụi sẽ bị ion hoá thành các phân tử ion mang điện tích âm sau đó bị hút về tấm cực lắng mang điện tích dương và bám vào đó (hình 1.1). Bụi sẽ được tách khỏi các tấm bằng rung rũ tấm cực[1]. Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý lực hút tĩnh điện 1.2 Phân loại lọc bụi tĩnh điện a) Phân loại theo cấu trúc điện cực lắng b) Phân loại theo chiều dòng khí chuyển động: c) Phân loại theo trạng thái bụi 1.3 Cấu tạo chung của thiết bị lọc bụi bằng điện nằm ngang 1.3.1 Sơ đồ nguyên lý lọc bụi tĩnh điện Thiết bị lọc bụi tĩnh điện là một hệ thống các thiết bị được bố trí theo chức năng làm việc khác nhau và được mô tả như hình 1.4 Hình 1. 2 Sơ đồ nguyên lý cấu hình của thiết bị lọc bụi tĩnh điện nằm ngang với các thiết bị liên quan 1.3.2 Cấu tạo hệ thống LBTĐ 1.3.2.1 Nguyên lý cấu tạo LBTĐ Hình dáng và các bộ phận chính của thiết bị lọc bụi tĩnh điện khô, kiểu ngang điển hình được thể hiện như hình vẽ 1.6 Hình 1. 3 Sơ đồ kết cấu buồng lọc bụi tĩnh điện ngang 1.3.2.2 Các bộ phận cơ bản của thiết bị LBTĐ a) Hệ thống điện cao áp b) Điện cực phóng c) Điện cực lắng c) Bộ gõ rũ bụi d) Buồng chứa bụi
3. 3 e) Vỏ buồng lọc bụi tĩnh điện 1.4 Cơ chế lắng bụi trong buồng lọc bụi tĩnh điện 1.4.1 Lực tĩnh điện của hạt bụi Khi đặt các hạt bụi mang điện tích trong môi trường là điện trường thì các hạt bụi sẽ chịu một lực tĩnh điện và di chuyển về phía điện cực trái dấu như hình 1.4. [2][30] Hình 1. 4 Mô hình di chuyển của phần tử bụi khi chịu lực hút tĩnh điện Các hạt bụi sau khi tích điện tích (-) sẽ di chuyển về phía tấm điện cực lắng mang điện tích (+) và bám vào đó. Lực cơ bản tác dụng lên hạt bụi là lực Culong, tác động của điện trường lên điện tích hạt là lực Newton. 2 Fe = qE = qnEoc = neEoc = 4πEoEoc r δ (1. 1) Trong đó: Eo - cường độ điện trường tích điện: (V/m) n - số điện tích trên hạt bụi e - điện tích cực quầng (C) -12 o - hằng số thẩm thấu điện môi = 8,85 . 10 (C/V.m ) r - bán kính hạt bụi (mm)  - chỉ số tính chất điện môi của hạt Lực cản môi trường: Fd 3 µ 푤푒 Fd = (1. 2) Cân bằng lực cản môi trường và lực hút tĩnh điện : Fd = Fe 3πµf dp we = qE Cc Vận tốc hạt bụi di chuyển về tấm cực lắng: 푞 We = (1. 3) 3 µ Trong đó: q - lực điện tích E - lực điện trường -5 μf - hệ số môi trường không khí = 1.81x10 N/m.s dp- đường kính hạt bụi Cc - hệ số trượt (Tra biểu đồ hay tính từ công thức) 1.4.2 Lực hút tĩnh điện của tấm cực lắng Lực điện trường tác động lên tấm điện cực lắng và gây ra lực hút tĩnh điện như (1.4) [33] 1 2 퐽휌 휀1 2 퐹푒 = 휀0[ − ( ) ] (1. 4) 2 휀0 Trong đó: Fe - lực điện tích trên đơn vị diện tích tấm (cu lông) 1 - hệ số thẩm thấu điện của bụi J - mật độ dòng điện (A/m2) ρ - điện trở suất của bụi (Ωm) Khi biết được các đặc tính của bụi, môi trường phóng điện thì hoàn toàn có thể tính được lực tách bụi tối thiểu để có thể tách được bụi ra khỏi bề mặt tấm cực lắng bởi một ngoại lực tác động phù hợp. 1.5 Một số phƣơng pháp rũ bụi trong thiết bị LBTĐ 1.5.1 Rung đập bằng cơ cấu lệch tâm 1.5.2 Rung đập xung 1.5.3 Rung rũ bằng búa gõ
4. 4 1.6 Cấu tạo của bộ gõ rũ bụi bằng búa gõ Cấu tạo của bộ gõ rũ bụi bằng búa gõ được mô tả như hình 1.5. Hình 1. 5 Mô hình kết cấu của bộ gõ rũ bụi Búa gõ được lắp trên trục dẫn động 4, khi trục 4 quay búa 2 và tay nối 3 sẽ chuyển động quay tròn và tại thời điểm phương của búa hợp với phương thẳng đứng một góc θ (thường 150) thì búa sẽ thực hiện chuyển động rơi tự do và tác động vào đe một lực kích động F(t) . Lực gõ tạo ra được kiểm soát bởi hoặc trọng lượng búa m1 hoặc độ dài tay búa R, chu kỳ gõ có thể thay đổi bằng cách cài đặt chế độ làm việc trong hệ thống điều khiển. 1.7 Các yếu tố ảnh hƣởng tới hiệu suất LBTĐ a) Điện áp b) Kích thước của hạt bụi c) Điện trở bụi d) Vận tốc của dòng không khí bụi e) Ảnh hưởng các thông số kỹ thuật của bộ gõ rũ bụi 1.8 Tình hình nghiên cứu về phƣơng pháp rũ bụi trong nƣớc và trên thế giới 1.8.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc - Nhóm tác giả Chayasak Ruttanachot,YutthanaTirawanichakul, Perapong tekasakul [38]. Nghiên cứu về sự ảnh hưởng của đường kính dây dẫn điện cực phóng, khoảng cách giữa hai điện cực tới hiệu suất thu bụi . - Heinz L. Engelbrecht [26]. Nghiên cứu ảnh hưởng biên dạng của tấm tới gia tốc lan truyền ứng suất trung bình trên toàn bộ bề mặt tấm cực lắng. - Roderick Manuzon [35]. Nghiên cứu ảnh hưởng của điện trường tới hiệu suất lọc bụi tĩnh điện và kết luận lực hút tĩnh điện của các hạt bụi với các điện cực phụ thuộc vào điện áp làm việc của thiết bị LBTĐ. - S.H. Kim, K.W. Lee [23]. Nghiên cứu ảnh hưởng của đường kính hạt bụi tới hiệu suất lọc bụi tĩnh. - F. Miloua, A. Tilmatine. [25]. Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao rơi của búa gõ tới hiệu suất rũ bụi trong thiết bị LBTĐ dạng ống - Ali Akabar Lotfi neyestanak [22]. Nghiên cứu, phân tích ứng suất và tình trạng phá hủy do mỏi của tấm cực lắng trong thiết bị LBTĐ bằng phương pháp phần tử hữu hạn - A. Nowak and S. Wojciech [37]. Nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu của búa gõ tới biến dạng và phá hủy do mỏi chu kỳ trong quá trình gõ búa - Adamiec-Wójcik, J. Awrejcewicz, A. Nowak,and S. Wojciech [36]. Phân tích khả năng lan truyền sóng ứng suất trên các tiết diện mặt cắt ngang của tấm điện cực lắng - Jea-Keun Lee, Jea-Hyun Ku [32]. Nghiên cứu quá trình đóng/ngắt nguồn điện của các điện cực trong quá trình gõ búa có ảnh hưởng tới hiệu suất rũ bụi - LEWIS B. SCHWARTZ and MELVIN LIEBERSTEIN [43]. Nghiên cứu mối quan hệ giữa thời gian gõ búa với chiều dày lớp bụi bám trong tấm điện cực lắng - Theo tác giả Sproull T [48] đối với nhiều loại bụi giá trị gia tốc (a*) nằm trong khoảng (40-100)g, g = 9,81 (m/s2). - Để rũ bụi xi măng cần giá trị gia tốc a* đạt 200 g. Giá trị của gia tốc rũ bụi (a*) phụ thuộc vào đặc tính cơ lý của bụi [48]. Nhận xét: Các công trình khoa học liệt kê ở trên đã tập trung vào việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố điện trường, kích thước và vận tốc di chuyển của hạt bụi trong thiết bị LBTĐ tới hiệu suất lọc bụi tĩnh điện. Phương pháp thiết kế kết cấu của búa và tấm cực lắng nhằm nâng cao tuổi thọ của chúng. Tuy nhiên các công trình trên chưa chỉ ra được mối quan hệ giữa lực gõ (F) của búa với gia tốc lan truyền ứng suất (a) trong tấm cực lắng trong điều kiện đảm bảo khả năng rũ bụi và tuổi thọ của tấm cực lắng là cao nhất. Song kết quả nghiên
5. 5 cứu của các tác giả là gợi ý quan trọng cho việc nghiên cứu ứng dụng theo mục tiêu đã chọn của đề tài luận án. 1.8.2 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc - Viện nghiên cứu cơ khí – Narime là một trong những đơn vị tiên phong trong lĩnh vực cung cấp thiết bị xử lý khí thải cho các nhà máy công nghiệp cụ thể: - Năm 2010 Cải tạo hệ thống lọc bụi tĩnh điện nhà nhiệt điện Uông bí 1, cải tạo, thay thế hệ thống búa gõ cực lắng. - Năm 2014 Đề tài KHCN cấp nhà nước, thiết kế chế tạo và lắp đặt hệ thống lọc bụi tĩnh điện cho nhà máy nhiệt điện Vũng áng 1 – Hà tĩnh công suất 1triệu (m3/giờ). - Năm 2015 Dự án sản xuất, chế tạo, lắp đặt hệ thống lọc bụi tĩnh điện tổ máy 1,2 nhà máy nhiệt điện Thái Bình 1. - Viện nghiên cứu máy và dụng cụ công nghiêp IMI đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển bằng PLC cho hệ thống lọc bụi tĩnh điện Nhận xét: Các đơn vị nghiên cứu và các cơ sở sản xuất thiết bị LBTĐ trong nước đã và đang tham gia sâu rộng vào thiết kế giải mã công nghệ, chế tạo thiết bị lọc bụi tĩnh điện. Tuy nhiên chưa có cơ sở nào thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ của bộ gõ hệ thống cực lắng lọc bụi tĩnh điện tới khả năng rũ bụi” với điều kiện đảm bảo độ bền (ζch) cho tấm cực lắng. 1.9 Những vấn đề cần nghiên cứu về bộ gõ rũ bụi cơ khí a) Nghiên cứu sự lan truyền sóng trong tấm cực lắng b) Nghiên cứu dạng phá hủy do mỏi của bộ gõ rũ bụi c) Nghiên cứu biện pháp đảm bảo khả năng rũ bụi của bộ gõ d) Tối ưu hóa xác định miền thông số công nghệ, đảm bảo điều kiện rũ bụi và độ bền của tấm cực 1.10 Nội dung nghiên cứu của luận án Từ nội dung nghiên cứu tổng quan đề xuất nội dung của đề tài luận án như sau: Chương 1: Tổng quan về bộ gõ rũ bụi trong lọc bụi tĩnh điện Chương 2: Cơ sở lý thuyết lan truyền sóng ứng suất trong tấm kim loại mỏng Chương 3: Trang thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 4: Thực nghiệm đánh giá kết quả và ứng dụng vào thực tiễn KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Từ nội dung trong chương 1có thể rút ra kết luận: 1) Nghiên cứu tổng quan về lọc bụi tĩnh điện và bộ gõ rũ bụi tấm điện cực lắng. 2) Đã tìm hiểu tình hình nghiên cứu về khả năng lọc bụi tĩnh điện trên thế giới và ở Việt Nam. Qua đó chưa thấy công trình nghiên cứu nào đề cập tới mối quan hệ ảnh hưởng giữa lực gõ (F) và gia tốc lan truyền sóng ứng suất (a) trong tấm cực lắng. 3) Đã xác định cơ chế rũ bụi trong bộ gõ rũ bụi là quá trình truyền xung lực va chạm của búa vào tấm cực lắng tạo ra gia tốc (a) lan truyền sóng ứng suất trong tấm kim loại mỏng, phẳng. 4) Đã lựa chọn ảnh hưởng của một số thông số kỹ thuật của bộ gõ hệ thống cực lắng như: trọng lượng búa gõ (m1), chiều cao rơi (H) của quả búa tới khả năng rũ bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện. 5) Lựa chọn giải thuật di truyền để giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu thỏa mãn điều kiện rũ bụi và đảm bảo tuổi bền của tấm cực lắng. Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN SÓNG ỨNG SUẤT TRONG TẤM THÉP MỎNG PHẲNG Nghiên cứu cơ sở lý thuyết va chạm và truyền xung lực va chạm giữa hai vật rắn, lý thuyết lan truyền sóng ứng suất trong tấm kim loại mỏng. Phương pháp xác định cường độ sóng ứng suất là cơ sở để đo giá trị gia tốc trong tấm, lựa chọn phương pháp phân tích quá trình biến dạng của tấm khi có ngoại lực tác động từ đó có thể xây dựng mối quan hệ lực gõ búa với gia tốc lan truyền sóng ứng suất trong giới hạn bền của vật liệu. 2.1 Các khái niệm cơ bản về va chạm vật rắn 2.1.1 Lý thuyết va chạm Newton Lý thuyết cơ bản tuy rằng là chính xác cho vật rắn, thế nhưng lại không chú ý đến tất cả hiện tượng xảy ra khi va chạm trong vật thể biến dạng. Nó đã bỏ qua năng lượng dao động (sóng) của vật tạo nên bởi phần năng lượng ban đầu khá lớn trước va chạm. Sự không rõ ràng của lý thuyết này là đưa vào hệ số thu gọn
6. 6 mà giá trị hệ số không hẳn là hằng số, mà còn phụ thuộc vào một loạt các ảnh hưởng nhất là tốc độ va chạm[6]. 2.1.2 Lý thuyết va chạm Hec (lý thuyết chuẩn tĩnh) Lý thuyết của Hec thì ở mức phát triển hơn so với lý thuyết cơ bản, Hec đã tìm được lực xuất hiện ở diện tích tiếp xúc, thời gian va chạm nhưng nó chỉ đúng khi tốc độ va chạm là bé, coi năng lượng dao động là rất nhỏ và biến dạng chỉ xảy ra tại khu vực lân cận va chạm, bởi vì nó xuất phát từ nghiệm truyền thống của bài toán tiếp xúc tĩnh của Hec, trong khi đây lại là bài toán động khi tiếp xúc. 2.1.3 Lý thuyết sóng va chạm Lý thuyết sóng va chạm ghi lại toàn bộ quá trình va chạm, quan tâm đến sóng biến dạng lan truyền về hai phía va chạm trong vật thể đàn hồi, vật thể đàn nhớt và đàn dẻo. Do đó kết quả chính xác hơn, nhưng nghiệm tổng quát rất phức tạp, tính toán rất công phu. Ngoài ra trong thực tế không thể định nghĩa chính xác các điều kiện biên và điều kiện ban đầu do đó tính chính xác bị giảm đi. Vì thế thường dẫn đến các bài toán riêng biệt, để giảm các khó khăn trên người ta thường đưa vào một số giả thuyết để đơn giản hóa, trong tính toán thường bỏ qua những ảnh hưởng thứ yếu [6]. 2.1.3.1 Phƣơng trình sóng trong môi trƣờng đàn hồi vô hạn a) Sóng ứng suất - Ứng suất là đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ, v.v. - Năng lượng sóng truyền đi theo các phương sẽ gây nên gia tốc sóng ứng suất tại tất cả các điểm trên bề mặt của tấm (sau đây gọi là gia tốc) [8]. b) Phƣơng trình sóng Để thiết lập phương trình truyền sóng trong môi trường đàn hồi vô hạn, ta hãy xét sự cân bằng động của một phân tố trong hệ tọa độ vuông góc với các cạnh dx , dy, dz được tách ra từ môi trường đó. Theo lý thuyết đàn hồi trên mặt cắt phân tố có các thành phần ứng suất sau: (hình 2.1) Hình 2. 1 Phân tố các thành phần ứng suất Ký hiệu: X,Y,Z - các thành phần hình chiếu cường độ thể tích lên trục tọa độ u, v,w - là các thành phần chuyển vị 휕2 휕2푣 휕2푤 ; ; - gia tốc của các chuyển vị 휕푡 2 휕푡 2 휕푡 2 ρ – trọng lượng riêng Theo nguyên lý Dalembert ở thời điểm t phân tố ở trạng thái cân bằng khi ta đặt thêm vào đó các lực quán tính. Tổng hợp hình chiếu các lực trên 3 trục của hệ tọa độ, ta nhận được 3 phương trình cân bằng có tên là các phương trình Navie dạng: 휕휍 휕휏 휕휏 휕2 + + + = 휌 휕 휕 휕 휕푡 2 휕휍 휕휏 휕휏 휕2푣 + + + 푌 = 휌 (2. 1) 휕 휕 휕 휕푡 2 휕휍 휕휏 휕휏 휕2푤 + + + 푍 = 휌 휕 휕 휕 휕푡 2 Theo phương pháp chuyển vị, ta sẽ biến đổi 3 phương trình trên theo chuyển vị nhờ các quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, theo biểu thức : ζx = 2Gεx + λθ ηxy = Gγxy ζy = 2Gεy + λθ ηxy = Gγyz (a) ζz = 2Gεz + λθ ηxy = Gγzx E Trong đó: G = - môđun đàn hổi. 2(1+μ) Eμ λ = - hằng số Lamê. (1+μ)(1−2μ) θ = εx+εy+εz - độ biến dạng thể tích tỷ đối.
7. 7 Sau đó là các biểu thức liên hệ giữa biến dạng và chuyển vị. Công thức Cosi, có dạng: ∂u ∂u ∂v ε = γ = + x ∂x xy ∂y ∂x ∂v ∂w ∂v ε = γ = + (b) y ∂y yz ∂y ∂z ∂w ∂u ∂w ε = γ = + z ∂z xy ∂z ∂x ∂u Xét phương trình thứ nhất của (2.1) thay giá trị ζ theo (a): ζ = 2G + λθ, thay giá trị η = η theo (a) x x ∂x yz xy ∂u ∂v và (b) ta được: η = Gγ = G + yx yx ∂y ∂x ∂2u ∂2v ∂2w ∂ ∂u ∂v ∂w ∂θ Với chú ý: + + = + + = ∂x2 ∂y2 ∂x ∂z ∂x ∂x ∂y ∂z ∂x Thì phương trình thứ nhất của (2.9) sẽ là: ∂θ ∂2u λ + G + G∇2u + X = ρ. ∂x ∂t2 Bằng cách tương tự ta nhận được hai phương trình còn lại. Bỏ qua ảnh hưởng của lực thể tích X = Y = Z = 0 cuối cùng ta được hệ phương trình sau: 2 du 2  ()() G G  u 2 a dx t (2. 2) dv  2 ()() G G 2 v b dy t 2 2 d 2  w ( G ) G  w ( c ) dz t 2 2 2  2  2 Trong đó:  - toán tử Laplace, 2 x2  y 2  z 2 θ - độ biến đổi thể tích tỉ đối, 휃 = 휀 + 휀 + 휀 Hệ ba phương trình (2.2) có ba ẩn số u,v,w gọi là các phương trình Lamê. Đó là phương trình vi phân chuyển động của vật thể đàn hồi, đẳng hướng khi bỏ qua lực thể tích. Ba phương trình trong (2.2) có thể viết ở dạng chuyển vị khác, có dạng: 2 w  ud w z y 2 ( 2GG ) 2 ( ) t dx  y  z 2 (2. 3)  vd w x w z 2 ( 2GG ) 2 ( ) t dy  z  x 2  ud w z w x 2 ( 2GG ) 2 ( ) t dz  x  y Hệ phương trình (2.3) là phương trình vi phân chuyển động của vật đàn hồi, đẳng hướng khi bỏ qua lực thể tích. Hệ phương trình này biểu diễn sóng lan truyền trong môi trường vô hạn với hai loại sóng đàn hồi độc lập với nhau. Thật vây, nếu ta đạo hàm phương trình thứ nhất theo x, thứ hai theo y, thứ ba theo z sau đó cộng lại, ta có: 휕2 휕2 휕2 휕 휕 휕 휕 휕2 휕 휕2푣 휕 휕2푤 휆 + + + + 훻2 + 훻2푣 + 훻2푤 = 휌. + + 휕 2 휕 2 휕 2 휕 휕 휕 휕 휕푡2 휕 휕푡2 휕 휕푡2 (2. 4) ∂ ∂u ∂ ∂2u ∂2 ∂u ∂u ∂v ∂w Vì: ∇2u = ∇2 ; = ; θ = + + ∂x ∂x ∂x ∂t2 ∂t2 ∂x ∂x ∂y ∂z Với các ký hiệu quen thuộc, sau khi tính toán đưa (2.3) về dạng đơn giản:
8. 8 휕2휃 휆 + 2 훻2휃 = 휌. (2. 5) 휕푡 2 Mặt khác nếu đạo hàm phương trình thứ hai của hệ (2.2) theo z, còn phương trình thứ ba theo y sau đó trừ lại từng vế một, ta được: 휕푤 휕푣 휕2 휕푤 휕푣 휕2휔 훻2 − = 휌 − 푕 훻2휔 = 휌 휕 휕 휕푡2 휕 휕 휕푡2 Làm tương tự được: 휕2휔 훻2휔 = 휌 휕푡 2 (2. 6) 휕2휔 훻2휔 = 휌 휕푡 2 1 ∂w ∂v 1 ∂u ∂w 1 ∂v ∂u Trong đó: ω = − ; ω = − ; ω = − là các thành phần quay cứng. x 2 ∂y ∂z y 2 ∂z ∂x z 2 ∂x ∂y Phương trình (2.5) và các phương trình (2.6) là các phương trình sóng. Phương trình (2.5) chứng tỏ sóng lan truyền làm thay đổi thể tích, không làm thay đổi hình dáng, được lan truyền trong môi trường với tốc độ sau: λ+2G C = (2. 7) 1 ρ Trong địa chấn học người ta gọi đó là sóng khởi đầu hay sóng dãn, ở đó chuyển vị của phần tử theo hướng sóng truyền qua, nên người ta còn gọi là sóng dọc. Các phương trình (2.6) biểu thị các sóng lan truyền với tốc độ: G C = (2. 8) 2 ρ Chuyển vị các phần tử khi sóng đi qua hướng theo mặt trực giao với chiều truyền sóng nên người ta gọi là sóng ngang. Do vận tốc C1 > 2 nên từ nguồn kích thích sóng dọc sẽ lan truyền trước sóng ngang. Tỷ số hai vận tốc sóng chỉ phụ thuộc vào mô đun đàn hồi trượt : 휆+2 1 = (2. 9) 1 Trong trường hợp tổng quát thì một kích thích cơ học gây nên trong môi trường đàn hồi đồng thời có cả hai loại sóng lan truyền với tốc độ khác nhau và chuyển vị độc lập với nhau. Nhận xét: Từ kết quả phân tích về lý thuyết lan truyền sóng trong tấm kim loại mỏng, phẳng cho thấy chuyển vị xẩy ra theo hướng sóng truyền qua gọi là sóng dọc, do đó nó không phải là nhân tố tạo ra lực pháp tuyến với bề mặt của tấm. Mặt khác chuyển vị khi sóng đi qua hướng theo mặt trực giao với chiều truyền sóng người ta gọi là sóng ngang, nên có thể kết luận sóng ngang là nguyên nhân chính tạo ra gia tốc có phương pháp tuyến với bề mặt của tấm kim loại mỏng khi có sự tác động của xung lực va chạm. 2.2 Phân tích quá trình va chạm bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.2.1 Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất Quá trình va chạm giữa búa và đe là quá trình truyền xung lực va chạm, lực tác dụng có thể chia ra ba loại và ta biểu diễn chúng dưới dạng vectơ cột [5] Chuyển vị của một điểm thuộc vật được ký hiệu bởi: = [ , 푣, 푤] (2. 10) Các thành phần của tenxơ biến dạng được ký hiệu bởi ma trận cột: 휀 = [휀 , 휀 , 휀 , 훾 , 훾 , 훾 ] (2. 11) Các thành phần của tenxơ ứng suất được ký hiệu bởi ma trận cột: 휍 = [휍 , 휍 , 휍 , 휍 , 휍 , 휍 ] (2. 12) Trong đó : u, v, w - các thành phần chuyển vị εx, εy , εz , γyz , γxz , γxy - các thành phần của ten xơ biến dạng Giả thiết tấm cực lắng có kích (dài x rộng = LxH)
9. 9 Hình 2. 2 Hình ảnh chia lưới thành các NODE trên tấm cực lắng Các nguyên tố được hình thành bởi việc chia tấm thành các nút theo phương x và phương y 퐿 ∆ = ; ∆ = 푛 푛 Khi đó số lượng nút của tấm là: n = nxny Trong đó: L, H • kích thước chiều dài và chiều rộng của tấm nx và ny - số node theo phương x và y Năng lượng biến dạng được tính bởi công thức(2.13)[5]: 1 (푠) 푠 1 ( ) = [ 휍 ] 휀 + [휍 ] 휀 (2. 13) 2 2 Trong đó: V- thể tích của phân tố (m3): V = x. y.t t - chiều dày của tấm (m) Với vật liệu đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng, ta có quan hệ giữa ứng suất với biến dạng (2.36)[43][45][48]:  = D. (2. 14) Trong đó: D - ma trận độ cứng 1 푣 0 = 푣 1 0 (2. 15) 2 1−푣 1−푣 0 0 2 Quá trình nghiên cứu, phân tích biến dạng của tấm cực lắng để tính toán và lựa chọn các giải pháp về hình dạng tiết diện mặt cắt của tấm tới khả năng lan truyền sóng ứng suất là cơ sở để xây dựng mối quan hệ lực gõ với gia tốc trên toàn bộ bề mặt của tấm cực lắng. 2.2.2 Phân tích CAE trong quá trình va chạm búa và tấm cực lắng Mô hình 3D của búa gõ vào khung tấm điện cực lắng được phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm phân tích mô phỏng như Ansys, Abaqus, bằng phương pháp chia lưới để phân tích miền phân bố ứng suất tấm cực lắng. Mức độ biến dạng của búa thay đổi theo màu sắc xanh-vàng-đỏ là sự biến đổi mức độ nguy hiểm và nó tỷ lệ thuận với giá trị lực của búa gõ tạo ra. 2.2.3 Quan hệ ứng suất với tuổi bền của tấm cƣc lắng Khi búa thực hiện chuyển động quay tới vị trí có thế năng cực đại, búa sẽ ở trạng thái rơi tự do và đập vào đe tạo ra xung lực tức thời truyền vào tấm điện cực lắng, quá trình gõ theo chu kỳ như vậy sẽ là nguyên nhân gây mỏi cho tấm cực lắng dẫn tới phá hủy. 2.3 Mối quan hệ giữa các thông số của quá trình va chạm 2.3.1 Quan hệ giữa các thông số của búa với lực gõ và gia tốc Khi búa gõ có trọng lượng (m1), rơi tự do từ độ cao (H) so với điểm va chạm (hình 2.3), tại vị trí tiếp xúc xuất hiện xung lực va chạm tạo ra các sóng ứng suất lan truyền gây nên gia tốc sóng ứng suất (a) trong tấm cực lắng. Để tách được bụi thì giá trị gia tốc (a) phải thắng được lực hút tĩnh điện của các hạt bụi. Hình 2. 3 Mô hình va chạm búa và khung cực lắng
10. 10 Trong đó: F - lực gõ búa có thể mô tả mối quan hệ đó với hàm toán sau: F = f1(m1, Hi, m1/m2) (2. 16) a - gia tốc lan truyền sóng ứng suất của tấm cực lắng, a =f (F) = f2(m1, Hi , m1/m2) (2. 17) 2.3.2 Năng lƣợng trong quá trình va chạm [27] Từ sơ đồ hình vẽ 2.3 cho thấy vận tốc góc (ɷ) của quả búa được tính bởi công thức sau: 2 1 푅 휔 = (2. 18) 0 Trong đó: g - gia tốc trọng trường R - bán kính quay trung bình của búa I0 - momen quán tính quay quanh trục búa 2.3.3 Phƣơng pháp xác định vận tốc sau va chạm Vận tốc trước khi va chạm : 푣0 = 2 (2. 19) Trong đó : g - gia tốc trọng trường. H - độ cao rơi của búa Vì va chạm là hoàn toàn đàn hồi nên k=1, thay số tìm được vận tốc của búa và thanh sau khi va chạm là: 2 1 푣′2 = 4 푅 (2. 20) 1+ 2 Vận tốc 푣′2 sau khi va chạm có mối liên hệ tương quan giữa trọng lượng của búa gõ (m1) và trọng lượng của thanh(m2). Như vậy để có thể tách được bụi bám khỏi bề mặt tấm cực lắng thì vận tốc của các phần tử trong tấm phải thỏa mãn điều kiện (2.21) 푣′2 ≥ [푣′2] (2. 21) Trong đó : [v′2] - vận tốc cần thiết của tấm để có thể tách được bụi 2.3.4 Tính toán điều kiện bền của tấm cực lắng Giả thiết sau khi lắp ghép các tấm cực lắng lên mô hình thí nghiệm các tấm này sẽ tạo thành một khối có tổng trọng lượng (m2). Khi búa va cham với tấm cực lắng thì chúng chuyến động với cùng một vận tốc (V) 퐹. = 표 (2. 22) 퐹+ 2 Động năng của cả hệ là: 2 2 1 퐹 . 0 = (2. 23) 2 (퐹+ 2) Giả sử có một lực tĩnh P’ tương đương lực do búa đập vào khung cực lắng làm cho tấm chuyển vị một đoạn 퐹′ 2 y , khi đó công sinh ra là: = đ = đ đ 2 2 2 1 퐹2. 2 Theo định luật bảo toàn (A = T) nên : đ = 0 2 2 (퐹+ 2) 0∆푡 đ = (2. 24) 2 ∆ (1+ ) 푡 퐹 * Trong đó: Δt - chuyển vị tĩnh do lực ngang P gây ra (Δt = ϭx. P) 푣0 Vậy ta có hệ số tải trọng động: đ = 2 ∆ (1+ ) 푡 퐹 Theo điều kiện bền về thế năng biến đổi hình dạng: 2 2 휍푡đ = 휍 + 3휏 (2. 25) Đầu tấm vừa chịu lực uốn do (P) và lực kéo do trọng lượng tấm (m1) gây ra do đó: 휍 = + (2. 26) 퐹 퐽 Điều kiện bền: 휍푡đ ≤ [휍] Ta có biểu đổ ứng suất tại mặt cắt nguy hiểm là:
11. 11 Hình 2. 4 Mặt cắt nguy hiểm của tấm cực lắng Trên biểu đồ lực ta thấy tại vị trí tập trung ứng suất lớn nhất thì tấm dễ bị phá hủy do mỏi dẫn tới tình trạng rách theo tiết diện cắt ngang của tấm. 2.4 Phƣơng pháp đo sóng ứng suất 2.4.1 Tốc độ lan truyền sóng Để xác định tốc độ lan truyền sóng, phương pháp đơn giản là đo thời gian chuyển vị của sóng lan truyền từ điểm này đến điểm khác. Tốc độ được xác định theo biểu thức: 퐿 V = (m/s) (2. 27) 푡 Trong đó: L – chiều dài khoảng cách hai điểm đo; t – thời gian truyền sóng 2.4.2 Đo cƣờng độ sóng ứng suất 2.4.2.1 Phƣơng pháp phản xạ cơ học Nguyên lý của phương pháp là khi tác động một lực bởi vật có khối lượng (m1) tác động vào thanh treo, sóng biến dạng lan truyền trong vật thể đến mặt tự do, nếu đặt một viên bi (m2) tiếp xúc tới mặt tự do thì dưới tác dụng của sóng biến dạng viên bi sẽ bị nẩy lên. Căn cứ vào chuyển vị của viên bi, ta suy ra cường độ sóng biến dạng trên mặt tự do 2.4.2.2 Phương pháp điện Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện, dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị bến dạng làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu. 2.5 Yếu tố ảnh hƣởng tới khả năng rũ bụi của tấm cực lắng Theo kinh nghiệm thực tế của các hãng sản xuất thiết bị LBTĐ và các nghiên cứu [12][26][32] đã chỉ ra gia tốc tối thiểu để tách bụi ra khỏi bề mặt tấm cực lắng vào khoảng 100g tương ứng 980 (m/s2), vì vậy các thông số đầu vào của quá trình thí nghiệm như chiều dầy tấm cực lắng, vật liệu tấm, kích thước của khung tấm điện cực lắng có ảnh hưởng tới giá trị gia tốc lan truyền sóng ứng suất tại các điểm trong tấm cực lắng. Giá trị gia tốc lan truyền sóng ứng suất trong tấm cực lắng được tính bởi công thức (2.28)[22]. a = 4 2 f 2 d (2. 28) 퐾 f = (2. 29) 2 ɷ퐿4 푡 3 D = (2. 30) 12(1−휐2 ) Trong đó: d – chuyển vị (mm); f – tần số dao động (Hz) K – hằng số phụ thuộc vào các điều kiện thí nghiệm; L – bề rộng của tấm cực lắng (m) ɷ – trọng lượng riêng của tấm cực lắng (kg/cm3); D – độ cứng của tấm cực lắng t – chiều dày của tấm cực lắng (m; υ – hệ số poisson thép: (0.27- 0.3) E – môdul đàn hồi của tấm (N/mm2) Thay số vào (2.30) ta được: 2 3 2 퐾 푡 a = 4π d (2. 31) 48 (1−휐2) 휔퐿4 Từ công thức (2.31) ta thấy giá trị gia tốc phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của tấm cực lắng như: kích thước bề rộng (L), chiều dày tấm (t) và vật liệu chế tạo. Để đo giá trị gia tốc (a) trong tấm cực lắng khi chịu tác động của ngoại lực (F) của búa gõ thì phải xác định được giá trị chuyển vị của thiết bị đo gia tốc tại vị trí đó gây ra (thường là sử dụng gia tốc kế). KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 Từ nội dung chương 2 cho phép kết luận: 1) Nghiên cứu lý thuyết va chạm hai vật rắn, các đại lượng vật lý đặc trưng của quá trình va chạm như lực, chuyển vị và gia tốc làm cơ sở để giải bài toán va chạm cơ học giữa búa và khung cực lắng.
12. 12 2) Từ cơ sở lý thuyết lan truyền sóng ứng suất, xác định được quy luật đường cong tán sắc trong tấm kim loại mỏng, phẳng. 3) Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích biến dạng và ứng suất trong quá trình va chạm giữa hai vật rắn, là cơ sở để xác định giới hạn bền mỏi của tấm cực lắng khi chịu tác động lực gõ búa theo chu kỳ. 4) Nghiên cứu một số phương pháp đo vận tốc và cường độ sóng ứng suất lan truyền trong tấm kim loại mỏng là cơ sở để lựa chọn thiết bị cho các thí nghiệm đo gia tốc trong tấm cực lắng. Chƣơng 3: TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Xây dựng mô hình thí nghiệm để xác định ảnh hưởng của lực gõ (F) tới gia tốc (a) lan truyền sóng ứng suất, từ đó tìm ra lực đập tối thiểu đạt được khả năng rũ bụi có gia tốc a ≥ 50g và lực đập lớn nhất khi gia tốc a ≤ 200g (trong đó g là gia tốc trọng trường). 3.1 Mô hình thí nghiệm 3.1.1 Cơ sở lựa chọn mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm dựa trên mô hình thực tế của nhà máy nhiệt điện đốt than công suất lọc bụi 1 triệu (m3/giờ), khi thiết kế mô hình thí nghiệm phải đảm bảo một số yêu cầu sau: a) Đồng dạng về hình dáng hình học, kết cấu và kích thước b) Đồng dạng về động học và động lực học c) Tương tự về vật liệu 3.1.2 Cấu tạo của mô hình thí nghiệm * Hệ thống khung giá đỡ được chế tạo từ sắt chữ (I) lắp ghép với nhau bằng mối ghép bu lông, chân đế của giá đỡ được cố định trên nền bê tông dày 40 (cm). Dầm treo được chế tạo từ thép I200 (mm) để treo các tấm cực lắng, dầm treo được tựa trên hai gối của hệ thống giá đỡ như hình 3.1 Hình 3. 1 Cấu tạo cụm dầm treo tấm cực lắng * Cụm búa gõ: Búa gõ có trọng lượng m1, hoạt động dựa trên nguyên lý rơi tự do khi đạt thế năng cực đại, kết cấu cụm búa gõ gồm hai khâu nối với nhau bởi khớp động, trong đó cánh tay có bán kính r làm nhiệm vụ nâng búa, còn búa gõ có bán kính R thực hiện nhiệm vụ rơi tự do để tạo ra xung lực va chạm với đe hình 3.2 (1- Búa, 2- Bu lông, 3-Bán kính quay búa, 4- Đe, 5- Thanh truyền lực) Hình 3. 2 Cấu tạo cụm búa gõ và đầu khung(đe) tấm cực lắng 3.1.3 Mô hình hóa mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm được thiết kế như nguyên lý hình 3.3. Các tấm cực lắng (4) được liên kết cố định với dầm số (1) nhờ các tai treo (3) thông qua các mối ghép bằng bu lông. Ở đầu phía dưới của tấm cực lắng (4) được ghép bu lông với thanh đe số (5) và thả tự do. Dầm treo số (1) được gối tựa trên hai gối đỡ số (2). Toàn bộ kết cấu trên được lắp trên một hệ thống giá đỡ chịu được sức gió cấp 6, đầu dưới của cánh tay búa được lắp với búa gõ (6) đầu phía trên của tay búa được lắp với gối đỡ trục quay (8) như hình 3.4.
13. 13 Hình 3. 3 Mô hình hóa bộ gõ rũ bụi và tấm cực lắng (1-Dầm treo, 2- gối đỡ, 3- tai treo, 4- tấm cực lắng, 5- đe, 6-búa gõ, 7- tay búa, 8- gối đỡ trục quay búa) 3.1.4 Một số giả thiết về tấm cực lắng trong mô hình thí nghiệm Các tấm điện cực lắng được thiết kế để thu nhận và giữ các hạt bụi bằng lực hút tĩnh điện, chúng có biên dạng hở. Để thuận lợi cho việc tính toán các tấm cực lắng được giả thiết như sau: Tấm cực lắng có dạng sóng nhưng được xem như là tấm phẳng, độ cứng vững của hệ tấm cực lắng ổn định trong quá trình làm việc, vật liệu chế tạo tấm cực lắng là đồng nhất 3.2 Trang thiết bị đo sử dụng trong thí nghiệm 3.2.1 Thiết bị đo gia tốc 3.2.1.1 Thiết bị đo gia tốc sử dụng máy tính Xuất xứ thiết bị đo của hãng Bruel & Kjaer - Đan Mạch[30][47] được mô tả như hình 3.4 Hình 3. 4 Sơ đồ kết nối thiết bị đo Modal Thông số kỹ thuật: + Mô đun thu thập dữ liệu LAN-XI có 4 đầu vào và 2 đầu ra tần số đến 51.2 kHz. + Mô đun phân tích PULSE-FFT 7770, 1-3 kênh, PULSE- FFT Analysis. Miền dữ liệu đo: Lưu số liệu của các điểm đo theo 3 phương X,Y,Z sang file dữ liệu office. Doc Ví dụ: Kết quả đo theo miền thời gian với 3 phương X,Y,Z như trên hình 3.5 Hình 3. 5 Biểu đồ gia tốc theo miền tần số, tương ứng với các phương đo X,Y,Z 3.2.1.2 Thiết bị đo gia tốc cầm tay RION-VA12
14. 14 Gồm một máy phân tích dao động FFT(Fast Fourier Transform) xách tay chạy pin hình 3.6. Có thể sử dụng máy phân tích dao động này để đo các giá trị gia tốc lan truyền ứng suất trong tấm cực lắng khi có lực tác động, bằng cách ghi và lưu giữ các phổ dao động từ tất cả các điểm đo[46]. Hình 3. 6 Hình ảnh tín hiệu và dữ liệu đo gia tốc trên máy đo cầm tay VA-12 3.2.2 Cảm biến đo gia tốc Sử dụng cảm biến đo gia tốc theo 3 phương Type 4525-B - 001 : X,Y,Z như hình 3.7 Hình 3. 7 Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện Gắn cảm biến đo gia tốc để đo cường độ sóng dọc và sóng ngang trong tấm cực lắng. theo nguyên tắc như hình 3.8 Hình 3. 8 Sơ đồ gắn cảm biến trong tấm cực lắng Trong đó: + Phương Z vuông góc với bề mặt tấm đo sóng ngang + Phương X thẳng đứng đo sóng dọc + Phương Y ngang đo sóng dọc 3.2.3 Lƣới đo gia tốc trên tấm cực lắng của mô hình thí nghiệm Để thuận tiện cho việc thu thập số liệu thí nghiệm, tiến hành xây dựng sơ đồ đo dạng lưới tại vị trí các điểm A là điểm chính giữa của mỗi tấm cực lắng như bảng 3.1 [27] Bảng 3. 1 Lưới đo gia tốc 3.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 3.3.1 Lựa chọn bộ tham số thí nghiệm
15. 15 Hình 3. 9 Sơ đồ phân tích ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu suất rũ bụi Nếu coi hàm mục tiêu khả năng rũ bụi là (η) thì có mối quan hệ với các thông số làm việc của bộ gõ theo hàm quan hệ toán học sau: η = f(Ft, A1, A2 ) = f(m1, H, m2, A3, A4 ) (3. 1) Mặt khác hiệu suất rũ bụi được đặc trưng bởi giá trị gia tốc lan truyền ứng suất trong tấm cực lắng, tác nhân chính gây nên sự trượt bề mặt của mảng bụi bám với bề mặt tấm cực lắng nên ta có hàm quan hệ gia tốc. a =f (Ft) = f(m1, m2, Hi) (3. 2) Trong đó: + Lực kích động (F) đặc trưng bởi: (m1, H và K) + Khả năng rũ bụi của tấm được đánh giá qua giá trị gia tốc: (ai) + Tuổi bền của tấm đánh giá qua phân tích ứng suất [ζ] và biến dạng: [ɛ] 3.3.2 Xác định miền gia tốc lan truyền ứng suất thực nghiệm Hiệu quả của việc rũ bụi phụ thuộc vào giá trị gia tốc (a) sóng ứng suất tạo nên sự trượt bề mặt giữa các mảng bụi bám và bề mặt tấm cực lắng: ≥ [ ∗] (3. 3) Trong đó [a*] là giá trị gia tốc sóng ứng suất tới hạn để có thể tách được bụi. Đối với bụi tro bay trong lò hơi đốt than thì giá trị của gia tốc [a*] nằm trong khoảng (50g ÷ 200g) (g: gia tốc trọng trường) có thể tách được bụi khỏi bề mặt cực lắng[22][26][32]. 3.3.2 Xác định lực tác dụng từ búa gõ Động cơ mang búa quay búa sẽ chuyển động qua vị trí (hình 3.10a) thì nó sẽ thực hiện chuyển động rơi tự do (hình 3.10b) và va đập vào đe (hình 3.10c) Hình 3. 10 Sơ đồ mô tả quá trình búa rơi tự do va chạm với đe Theo định luật bảo toàn cơ năng T + Π = T0 + Π0 (3. 4) Trước lúc va chạm ( = ), nên vận tốc của búa trước khi va chạm là: 푡 푣1 = 4 푅 (3. 5) ∆V Tại (t = 0) lực va chạm là: F = m 0 1 ∆t Như vậy lực gõ búa trước khi va chạm được xác định bởi công thức : F = 1 2 푅(1 − 표푠휑) (3. 6)
16. 16 3.3.4 Lựa chọn trọng lƣợng búa gõ để khảo sát thực nghiệm Lựa chọn trọng lượng của búa gõ phải căn cứ vào dạng bụi, nồng độ bụi, số trường tĩnh điện và trọng lượng tấm cực lắng. Theo kết quả nghiên cứu về bộ gõ rũ bụi của LBTĐ công suất 1.000.000 (m3/h) thì có thể lựa chọn trọng lượng của búa gõ trong khoảng từ (50N đến 90N)[22][26]. 3.3.5 Xác định số chu kỳ gõ và tuổi bền mỏi Tần suất gõ búa (n) tùy thuộc vào công suất LBTĐ, đặc điểm của từng dạng bụi 3.4 Phƣơng pháp thực nghiệm và xử lý số liệu Mục đích của quy hoạch thực nghiệm là xây dựng mô hình toán học hồi quy biểu thị mối quan hệ giữa thông số đầu ra là lực gõ búa (F) với thông số đầu vào là: trọng lượng búa gõ (m1) và chiều cao rơi của búa gõ (H) và quan hệ lực gõ (F) với giá trị gia tốc thực nghiệm. 3.4.1 Phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ nhất Phương pháp bình phương nhỏ nhất, nghĩa là tổng bình phương các độ lệch giữa giá trị thực tế và giá trị lý thuyết của biến phụ thuộc là nhỏ nhất. 2 푆 = ( 푖 − ) = 푖푛 (3. 7) a) Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student b) Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Fisher [12] 3.4.2 Xác định dạng hàm hồi quy quan hệ lực và thông số búa gõ Chọn phương án mô hình hóa bậc 1 rút gọn, sau đó kiểm tra tính tương hợp của mô hình, nếu mô hình tương hợp thì dừng lại [4]. Mô hình toán học bậc 1 rút gọn có dạng: = 푖 + 푖 푖 + 푖 푖 푗 (3. 8) Trong đó: y - hàm hồi quy lực gõ búa xi - giá trị biến số của trọng lượng búa gõ xj - giá trị biến số của chiều cao rơi búa ai - hệ số tương tác 3.4.3 Phƣơng pháp lựa chọn dạng hàm hồi quy quan hệ lực gõ với gia tốc Để lựa chọn một hàm toán hồi quy đại diện cho quy luật lan truyền gia tốc rũ bụi trong tấm, kiểm tra mối quan hệ phụ thuộc giữa các giá trị gia tốc thực nghiệm theo sơ đồ đo bảng 3.1. Sau đó tính các tỉ số đối số theo công thức 3.9 [7] 푖+1 퐾1 = (3. 9) 푖 Trong đó: ai - là giá trị gia tốc thực nghiệm Nếu các hệ số Kị gần như không thay đổi và tiệm cận với giá trị 1 thì có thể biểu diễn quy luật lan truyền gia tốc trong tấm cực lắng theo quy luật hàm lũy thừa. Nếu các hệ số Kị thay đổi theo cấp số nhân, thì có thể biểu diễn quy luật lan truyền gia tốc trong tấm cực lắng theo quy luật hàm mũ [7]. 3.5 Phƣơng pháp tối ƣu hóa đa mục tiêu với các thông số của bộ gõ rũ bụi 3.5.1 Cơ sở lựa chọn phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu Giải thuật di truyền (GA) là phương pháp phi truyền thống để giải bài toán tối ưu khi không gian tìm kiếm lớn. [17][49]. Với những ưu điểm như vậy nên tác giả lựa chọn GA giải bài toán tối ưu hóa bộ thông số kỹ thuật của bộ gõ rũ bụi. 3.5.2 Giới thiệu giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm) giải bài toán tối ƣu (nguồn: [17]) Giải thuật di truyền là kỹ thuật bắt chước sự chọn lọc tự nhiên và di truyền. Trong tự nhiên, các cá thể khỏe, có khả năng thích nghi tốt với môi trường sẽ được tái sinh và nhân bản trong các thế hệ sau. Các thuật ngữ sử dụng trong giải thuật di truyền được vay mượn từ các thuật ngữ của di truyền học. 3.6 Các bƣớc thực nghiệm xác định ảnh hƣởng của lực gõ đến gia tốc rũ bụi Bước 1: Thực nghiệm xác định ảnh hưởng 2 đại lượng trọng lượng búa gõ (m1) và chiều cao rơi búa (H) đến lực gõ búa (F) bởi phương trình F = f(m1, H). Bước 2: Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của lực gõ (F) tới gia tốc (a) trong tấm cực lắng. Bước 3: Tối ưu hóa đa mục tiêu để xác định miền giá trị thông số kỹ thuật của búa gõ đảm bảo khả năng rũ bụi và tuổi bền của tấm cực lắng. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 Từ nội dung chương 3 đi đến kết luận: 1) Xây dựng được mô hình thí nghiệm có các đặc tính đồng dạng với mô hình bộ gõ rũ bụi công nghiệp trong thực tế như: Cơ tính vật liệu, kết cấu bộ gõ và tấm cực lắng đảm bảo độ cứng vững về các yếu tố động học và động lực học trong quá trình làm việc 2) Lựa chọn trang thiết bị hiện đại (Modal Analysis và RION – VA12) để đo gia tốc lan truyền sóng ứng suất theo 3 phương, từ đó phân tích và xác định sóng ngang là nhân tố chính gây nên gia tốc trong tấm cực lắng
17. 17 3) Xây dựng được nguyên lý đo và lưới đo gia tốc trên tấm cực lắng, sử dụng thiết bị đo (RION – VA12) để đo gia tốc với kết quả hiển thị nhanh và có độ chính xác cao 4) Lựa chọn miền giá trị thông số ảnh hưởng của trọng lượng búa (m1), chiều cao rơi búa (H) tới lực gõ (F) trong giới hạn tương quan tỷ lệ (K) giữa trọng lượng búa và tấm cực lắng. 5) Xây dựng được các bước thực nghiệm để xác định ảnh hưởng lực gõ búa (F) tới gia tốc lan truyền sóng ứng suất ( a) trong tấm cực lắng. 6) Xác định được phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm lựa chọn phương pháp toán học thống kê để phân tích phương sai và sử lý số liệu thực nghiệm 7) Lựa chọn ứng dụng giải thuật di truyền và phương pháp chập tuyến tính để tối ưu hóa hàm đa mục tiêu xác định miền giá trị hợp lý của (m1) và (H) với dải giá trị gia tốc (a) đảm bảo khả năng rũ bụi và thỏa mãn điều kiện bền cho phép của tấm cực lắng [ζch] Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ ÁP DỤNG VÀO THỰC TIỄN 4.1 Thực nghiệm lựa chọn giá trị bộ thông số thí nghiệm của búa gõ 4.1.1 Xác định hàm hồi quy thực nghiệm Hàm hồi quy thực nghiệm sẽ mô tả mối quan hệ giữa lực gõ búa (F) với các thông số công nghệ của bộ gõ như trọng lượng búa (m1) chiều cao rơi búa (H), từ đó có thể điều chỉnh các thông số công nghệ của bộ gõ để đạt được giá trị lực gõ tạo được gia tốc lan truyền sóng ứng suất (a) có khả năng rũ bụi. Quá trình va chạm của búa gõ với tấm cực lắng được mô tả như hình 4.1 Hình 4. 1 Sơ đồ nguyên lý va chạm của búa gõ Phương trình hồi quy (3.24) mô tả quan hệ giữa các thông số công nghệ của bộ gõ với lực gõ búa được viết lại như sau: y = a0 + a1x1 + a2x2 + a12x1 x2 (4. 1) Trong đó: y - lực gõ búa (F); x1 - giá trị biến số trọng lượng búa (m1) ai - hệ số tương tác; x2 - giá trị biến chiều cao rơi búa (H); 4.1.2 Ma trận thí nghiệm Ma trận thí nghiệm dựa trên sự thay đổi các thông số đầu vào của bộ gõ và giá trị đầu ra là lực gõ F được ghi trong bảng 4.1 Bảng 4. 1 Bảng kết quả thực nghiệm STT X1 X2 m1 (N) H (m) F (N/m) 1 -1 -1 50 0.49 217.26 2 1 -1 90 0.49 391.07 3 1 1 90 0.57 421.79 4 -1 1 50 0.57 234.33 5 0 0 70 0.53 316.34 a) Phân tích Pareto Từ số liệu thí nghiệm trong bảng 4.1 sử dụng phần mềm phân tích thống kê Minitab phân tích biểu đồ Pareto như hình 4.2 Hình 4. 2 Biểu đồ ảnh hưởng của các biến tới lực gõ
18. 18 Biểu đồ phân tích Pareto chỉ ra các yếu tố A, B đều có sự ảnh hưởng tới giá trị lực gõ, trong đó sự ảnh hưởng lớn nhất là A ứng với trọng lượng búa gõ m1 tiếp theo là chiều cao rơi búa H, ngoài ra còn có sự ảnh hưởng bởi biến tương tác AB cũng có sự ảnh hưởng. b) Đánh giá mức độ ảnh hƣởng các yếu tố thí nghiệm tới lực gõ búa Để biết được những thông số nào ảnh hưởng chính đến hàm mục tiêu cần tiến hành đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số qua phương pháp phân tích phương sai ANOVA. Kết quả phân tích trong thí nghiệm thay đổi giá trị lực gõ được ghi trong bảng 4.2 Bảng 4. 2 Phân tích ảnh hưởng các yếu tố công nghệ với lực gõ TÓM TẮT ĐẦU RA Thống kê hồi quy R 0.999999387 R^2 0.999998775 Biến quan sát 5 ANOVA df SS MS F Ý nghĩa F Hồi quy 3 33246.0589 11082.01963 272099.615 0.001409241 Hệ số Lỗi tiêu chuẩn t Stat Giá trị P Thấp hơn 95% Các biến -2.60781 0.09025276 3502.992414 0.00018174 315.0079638 m 2.33472 0.100905653 895.0641289 0.00071126 89.03490282 H 0.09375 0.100905653 118.3848371 0.00537742 10.66357144 m*H 4.26563 0.100905653 33.82423917 0.01881593 2.130929062 Thay các hệ số tương quan ở các ô màu tím (sau khi đã làm tròn sau ba dấu phẩy) trong bảng 4.2 vào phương trình toán (4.1) ta được phương trình (4.2) F = = •2,607+2,334m+0,093H + 4,266mH (4.2) 4.2 Phân tích mối quan hệ lực gõ với biến dạng của tấm lắng để lựa chọn bộ thông số thí nghiệm 4.2.1 Phân tích biến dạng tấm cực lắng trên Ansys Vật liệu thí nghiệm có thành phần hóa học và cơ lý tương tự thép CT3 (tiêu chuẩn Liên Xô cũ) có độ bền: ζch = 250 Mpa = 25 (kN/cm²). Để đảm bảo tuổi bền làm việc của thiết bị trong giới hạn bền chảy của vật liệu, chọn hệ số an toàn k =0.8 khi đó giới hạn bền chảy cho phép [ζch] là: [ζch] = k*ζch = 0.8*25= 20(kN/cm²). Từ giao diện phần mềm Ansys chọn General Postproc sau đó chọn Results Viewer, trên màn hình sẽ hiển thị giá trị chuyển vị DMX (μm). Giá trị SMN là giá trị ứng suất lớn nhất (kN/cm2 ), miền phân bố ứng suất của tấm biến dạng dựa vào sự thay đổi màu sắc trên hình 4.3. Hình 4. 3 Sự thay đổi ứng suất trong tấmcực lắng Thay đổi lực tác động của búa gõ từ (50N đến 90N) và ghi kết quả phân tích giá trị ứng suất tương ứng với giá trị lực tác động của búa gõ trên phần mềm Ansys workbench cho kết như trong bảng 4.3 Bảng 4. 3 Giá trị ứng suất lớn nhất với lực kích động tương ứng Tên Giá trị thông số Trọng lượng búa gõ m1 50 60 70 80 90 Chiều cao rơi búa H (m) 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 Giá trị lực F (N) 217.26 260.71 316.34 374.92 421.79 Giá trị ứng suất 15,062 16,377 17,251 18,076 21,088 4.2.2 Lựa chọn bộ thông số thực nghiệm của búa trong thí nghiệm đo gia tốc Để đảm bảo tuổi bền của tấm cực lắng và khả năng rũ bụi, trọng lượng của quả búa chọn như bảng 4.4 Bảng 4. 4 Giá trị thông số búa gõ theo chọn theo điều kiện bền TT Tên Mẫu thí nghiệm búa gõ Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 1 Trọng lượng búa [m1] (N) 60 70 80 3 Chiều cao rơi búa H(mm) 0,49 0,49 0,49 5 Trọng lượng tấm cực lắng [m2] (N) 9090 9090 9090 6 Tỷ lệ trọng tương ứng (K= m1/m2) 0,0066 0,0077 0,0088
19. 19 4.3 Mô phỏng ảnh hƣởng của lực gõ (F) tới gia tốc (a) của tấm cực lắng Ứng dụng phần mềm ANSYS để phân tích mô phỏng quá trình lan truyền sóng ứng suất trong tấm cực lắng. Kết quả mô phỏng là cơ sở để so sánh và đánh giá kết quả thực nghiệm đo gia tốc trên mô hình thực tế, nếu hai kết quả nghiên cứu không có sự khác biệt nhiều thì có thể ứng dụng phân tích mô phỏng. 4.3.1 Phân tích đặc tính lan truyền sóng ứng suất Khi đặt một lực tức thời vào vị trí đe của khung tấm cực lắng, phân tích quá trình lan truyền sóng ta thấy sóng lan truyền trong trong tấm cực lắng theo 2 phương sóng dọc và sóng ngang, năng lượng lan truyền sóng ứng suất được mô phỏng bởi màu sắc như hình 4.4. Hình 4. 4 Hình ảnh mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong tấm cực lắng Các sóng ứng suất lan truyền trong vật thể đàn hồi sẽ mất đi khi thôi lực tác dụng. 4.3.2 Phân tích mô phỏng gia tốc lan truyền sóng ứng suất Khi phân tích cần quan tâm đến những thông số về chuyển vị, gia tốc, vận tốc và ứng suất của cả hệ hoặc một phần tử trên tấm. Nếu lấy thông số chuyển vị chọn DOF Solution, do lượng chuyển vị lớn nhất theo phương x nên chọn: X component of displacemen, chọn điểm cần xét trên tấm rồi bấm OK 4.4 Chuẩn bị thực nghiệm 4.4.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm Quá trình thực hiện thí nghiệm đo gia tốc sóng ứng suất được tiến hành theo các bước trên sơ đồ hình 4.5 Hình 4. 5 Sơ đồ trình tự thực hiện thí nghiệm đo gia tốc 4.4.2 Vật tƣ và mô hình thực nghiệm Sau khi lắp ráp hoàn chỉnh mô hình thí nghiệm như hình 4.6. Hình 4. 6 Hình ảnh kết cấu mô hình thí nghiệm bộ gõ cực lắng 4.5 Bảng số liệu thực nghiệm đo gia tốc rũ bụ Kết quả đo gia tốc lan truyền sóng ứng suất theo quy luật bảng 3.1 được ghi trong bảng 4.5 đến 4.7
20. 20 Bảng 4. 5 Ma trận kết quả đo gia tốc với trọng lượng búa 60N Tọa độ đo Tọa độ đo gia tốc theo phương ngang X (m) Gia tốc theo phương 0.32 0.96 1.6 2.24 2.88 3.52 4.16 4.7 5.34 trung bình aij đứng Y (m) ai1 ai2 ai3 ai4 ai5 ai6 ai7 ai8 ai9 (m/s2) 14.5 a5j 1703 1720 1600 1789 1409 1399 1203 1094 760 11 a4j 1890 1783 1759 1809 1576 1460 1345 987 833 7.5 a3j 1933 1867 1830 1704 1693 1389 1390 1034 957 1543 4 a2j 2019 1901 1802 1688 1745 1478 1476 1145 1020 0.5 a1j 2307 1945 1935 1745 1794 1596 1539 1239 1134 Bảng 4. 6 Ma trận kết quả đo gia tốc với trọng lượng búa 70N Tọa độ đo Tọa độ đo gia tốc theo phương ngang X (m) Gia tốc theo phương 0.32 0.96 1.6 2.24 2.88 3.52 4.16 4.7 5.34 trung bình aij đứng Y (m) ai1 ai2 ai3 ai4 ai5 ai6 ai7 ai8 ai9 (m/s2) 14.5 a5j 1900 1798 1689 1567 1580 1432 1089 998 858 11 a4j 1980 1802 1862 1655 1789 1577 1232 1085 940 7.5 a3j 1954 1879 1896 1865 1665 1700 1345 1343 1132 1644 4 a2j 2100 2008 1978 1768 1656 1726 1487 1477 1243 0.5 a1j 2213 2109 2003 1956 1889 1790 1677 1588 1389 Bảng 4. 7 Ma trận kết quả đo gia tốc với trọng lượng búa 80N Tọa độ đo Tọa độ đo gia tốc theo phương ngang X (m) Gia tốc theo phương 0.32 0.96 1.6 2.24 2.88 3.52 4.16 4.7 5.34 trung bình aij đứng Y (m) ai1 ai2 ai3 ai4 ai5 ai6 ai7 ai8 ai9 (m/s2) 14.5 a5j 1998 1867 1720 1789 1730 1682 1420 1329 1206 11 a4j 2008 1980 1857 1854 1893 1789 1567 1403 1330 7.5 a3j 2100 1912 1901 1933 1832 1865 1670 1589 1458 1790 4 a2j 2301 2102 1983 2011 1902 1930 1743 1674 1324 0.5 a1j 2333 2213 2207 2128 2004 1978 1730 1712 1632 4.6 Quy hoạch thực nghiệm 4.6.1 Đánh giá ảnh hƣởng lực gõ tới gia tốc bằng phƣơng pháp ANOVA Bảng 4. 8 Tính giá trị F thực nghiệm Nguồn biến động Tổng độ lệch (SS) Bậc tự do (df) Phương sai (MS) Tỷ số (F) SSB Giữa các mẫu SSB 7200510 k - 1 2 MSB 3600255.00 k 1 SSW Nội bộ mẫu SSW 2716480.7 n - k 42 MSW 64678.11 nk Tổng số SST 9916990.7 n - 1 44 55.66 Tra bảng theo tiêu chuẩn Fisher : F(2; 42; 0,05) = 3,232 < FTN = 55.66 nên thỏa mãn điều kiện. 4.6.3 Sử lý số liệu thực nghiệm 4.6.3.1 Đồ thị hàm hồi quy lan truyền gia tốc Kiểm tra hệ số K của các cột Xi1 đến Xi4 thấy các giá trị của hệ số K là gần như không thay đổi và tiệm cận với giá trị 1, theo tài liệu quy hoạch thực nghiệm[7] thì có thể biểu diễn quy luật lan truyền gia tốc sóng ứng suất trong tấm cực lắng tuân theo quy luật hàm lũy thừa có dạng sau: b1 . X Y = b0. e (4. 3) Kết quả xử lý số liệu thu được đồ thị hồi quy lan truyền gia tốc sóng ứng suất như các hình a), b), c)hình 4.7
21. 21 Hình 4.7 Đồ thị lan truyền gia tốc a),b),c) tương ứng với trọng lực búa 60N/70N/80N Sử dụng phần mềm phân tích thống kê SPSS[12] xây dựng đồ thị 3D gia tốc lan truyền trong tấm cực lắng như trên hình 4.8 a),b),c) tương ứng với trọng lực búa 60N/70N/80N Hình 4.8 Đồ thị 3D phân bố gia tốc lan truyền trong tấm cực lắng Từ số liệu thí nghiệm (bảng 4.5 đến bảng 4.7) cũng có thể xây dựng đồ thị 2D về sự phân bố gia tốc lan truyền trong tấm cực lắng như trên hình 4.9
22. 22 a),b),c) tương ứng với trọng lượng búa 60N/70N/80N Hình 4. 9 Đồ thị lan truyền gia tốc trong tấm cực lắng Nhận xét: Từ đồ thị 2D lan truyền gia tốc trên tấm cực lắng cho thấy: - Các giá trị gia tốc tại vùng tác động xung lực từ búa gõ có giá trị gia tốc sóng ứng suất là lớn nhất sau đó giá trị lan truyền sóng ứng suất là ổn định và không tuân theo quy luật tắt dần - Quy luật lan truyền sóng ứng suất trong tấm là phi tuyến, nên cần phải có một hàm số phi tuyển để thể hiện quy luật lan truyền giá trị gia tốc trên tấm cực lắng - Khi thôi lực tác dụng từ búa gõ thì sự lan truyền sóng ứng suất trong tấm sẽ chấm dứt và quá trình tách bụi cũng chấm dứt theo. 4.6.3.2 Đồ thị quan hệ giữa lực gõ với gia tốc sóng ứng suất trung bình Từ các giá trị gia tốc sóng ứng suất phân bố trong tấm cực lắng ta dễ dàng tính được giá trị gia tốc trung bình trong các thí nghiệm. Tiến hành lập bảng giá trị giữa lực gõ búa và gia tốc sóng ứng suất trung bình tương ứng như bảng 4.9. Bảng 4. 9 Quan hệ lực gõ với gia tốc trung bình Gia tốc trung TT Lực F(N) bình a(m/s2) 1 260.71 1543 2 316.34 1644 3 374.92 1790 Phương trình hồi quy mô tả quan hệ giữa lực gõ búa với gia tốc sóng ứng suất của các phẩn tử trên tấm cực lắng sau khi tuyến tính hóa có dạng x = b0 + b1x (4. 4) Trong đó: x – Lực gõ (F) cần thiết tác động vào tấm cực lắng y – Giá trị gia tốc (a) lan truyền sóng ứng suất mà lực gõ tạo ra trên tấm cực lắng Bảng 4. 10 Bảng tính các giá trị của đối số và hàm số 2 2 2 STT x y xy x y b1 bo σx σy R 1 304.16 1543 469318.9 92513.31 2380849 2 352.89 1644 580151.2 124531.4 2702736 3 374.92 1790 671106.8 140565 3204100 3.257 538.8 30 101 0.9017 Tổng 1031.97 4977 1720577 357609.7 8287685 Trung 343.99 1659 573525.6 119203.2 2762562 bình Sử dụng các công thức để tính các giá trị của các biến số hồi quy [12] và ghi trong bảng (4.10). Thay các giá trị tính toán trong bảng 4.10 vào (4.4) ta được phương trình hồi quy quan hệ lực gõ và gia tốc: x = 539 + 3,26 x Đổi trả biến số quan hệ gia tốc (a) với lực gõ (F) ta được phương trình (4.5) a = 539 + 3,26 F (4. 5)
23. 23 4.7 Ứng dụng giải thuật di truyền kết hợp phƣơng pháp trọng số giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu các thông số kỹ thuật của bộ gõ rũ bụi 4.7.1 Hàm đa mục tiêu và các ràng buộc Hình 4. 10 Sơ đồ khối giải bài toán tối ưu đa mục tiêu quá trình gõ rũ bụi a) Hàm đa mục tiêu Như vậy lực gõ rũ bụi cần thỏa mãn điều kiện: - Nhỏ nhất về giá trị gia tốc để đảm bảo rũ bụi: - Nhỏ nhất về biến dạng đặc trưng bởi ứng suất chảy: Khi đó, có thể xây dựng được hàm đa mục tiêu theo phương pháp trọng số: (4. 6) Trong đó : α1 - hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu gia tốc α2 - hệ số quan trọng ứng với hàm mục tiêu b) Các ràng buộc - Ràng buộc hàm Là các hàm hồi quy quan hệ lực gõ với các thông số công nghệ của búa gõ và hàm lực gõ với gia tốc của tấm cực lắng F = −2,607 + 2,334m + 0,093H + 4,266mH ≤ F ∗ (4. 7) a = 539 + 3.26 F ≤ a ∗ F*(t) và a* là giới hạn biên của lực gõ và gia tốc rũ bụi xác định theo phương pháp giải tích và tham khảo thực 2 tiễn sản xuất: F* = 374.92 (N) ; a* = 200g (m/s ) - Ràng buộc biến Là các điều kiện giới hạn các thông số làm việc của bộ gõ rũ bụi (4. 8) c) Trọng số Giả sử coi hiệu suất rũ bụi và tuổi bền của tấm cực lắng quan trọng như nhau thì có thể chọn hệ số cho phương trình như sau: α1 = 0,5; α2 = 0,5 Khi đó phương trình (4.6) trở thành : 휍 푕 Y = 0,5 ∗ + 0,5 (4. 9) 휍 푕 Trong đó: a* - giá trị gia tốc giới hạn có thể rũ được bụi [48] [ζ]ch – giới hạn bền chảy cho phép của vật liệu chế tạo tấm cực lắng 4.7.2 Các ứng dụng của giải thuật di truyền + Number of variables (số biến): chọn số biến có trong chương trình, 2 biến + Bounds (điều kiện biên): thiết lập điều kiện biên cho các biến + Population size (kích cỡ quần thể): Chọn bằng 150 + Crossover fraction (lai ghép): xác suất lai ghép bằng 0.25 + Mutation (đột biến): xác suất đột biến bằng 0.05 + Generations (số thế hệ): Chọn bằng 100
24. 24 4.7.3 Chƣơng trình và kết quả Chạy chức năng tối ưu hóa hàm mục tiêu bằng chương trình tiến hóa viết trên Excel của Turkkan (2001)[50] với các thông số cơ bản của thuật toán bao gồm số quần thể, xác suất lai ghép, xác suất đột biến chọn theo [17]. Sau đó lọc và xác định miền giá trị hữu dụng của các thông số bộ gõ với giá trị gia tốc như bảng 4.11. Bảng 4. 11 Miền giá trị hữu dụng các thông số sau khi tối ưu hóa Pop No Fitness 1 (N) 2 (cm) 1 623.824 64.371 49.442 2 641.037 71.131 56.937 3 624.153 60.647 56.194 4 634.877 69.087 53.834 5 621.913 61.911 51.349 6 636.997 70.775 53.404 7 632.394 67.742 53.351 8 631.688 66.654 54.349 9 629.760 65.811 53.639 10 626.841 63.192 54.797 11 630.548 68.504 50.223 12 639.840 71.665 54.912 13 621.779 61.912 51.191 14 621.279 60.376 53.279 15 629.011 67.448 50.225 16 624.192 64.667 49.376 17 624.989 63.863 51.573 18 635.474 67.843 56.445 19 624.184 60.706 56.123 20 625.962 63.020 54.095 21 632.504 67.765 53.431 22 639.130 74.078 50.670 23 632.707 68.153 53.032 24 623.122 62.233 52.194 Ghi chú: (đã chuyển đổi đơn vị trong phụ lục bảng P1 từ đơn vị (m sang cm) để thuận lợi cho việc biểu diễn biều đồ hình 4.11) giá trị kết quả là không thay đổi. Từ miền giá trị hữu dụng sau khi tối ưu hóa trong bảng 4.11 xây dựng biểu đồ mối liên hệ tương quan giữa các giá trị của bộ gõ với gia tốc rũ bụi như hình 4.11 Hình 4. 11 Đồ thị biến thiên của các giá trị sau khi tìm kiếm tối ưu Nhận xét: Trên đồ thị hình 4.11 cho thấy các giá trị kết quả trong khoảng số thứ tự (STT 4 đến 11) gần như đạt giá trị ổn định (sát với đường nằm ngang), đây là cơ sở để lựa chọn bộ thông số kỹ thuật của búa gõ. Ví dụ chọn bộ thông số kết quả tại hàng số 6 và thu được kết quả tối ưu hóa bằng thuật giải di truyền cho như bảng 4.12: Bảng 4. 12 Giá trị bộ thông số hợp lý sau tối ưu m1 (N) 70,775 H (cm) 53,404 a (m/s2) 636,997 4. 8 Bàn luận khoa học kết quả thí nghiệm. Từ phương trình hồi quy thực nghiệm F = •2,607+2,334m+0,093H+ 4,266mH cho thấy: Lực gõ búa (F) phụ thuộc chủ yếu vào trọng lượng của búa gõ(m1) và chiều cao rơi búa (H), trên thực tế đây cũng là hai thông số điều khiển lực gõ rũ bụi trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện. Kết quả phân tích mô phỏng trên Ansys đã xác định chuyển vị, ứng suất và biến dạng của các tấm cực lắng khi tác động lực gõ (F) tương ứng. Từ hình ảnh phân tích cho thấy miền phân bố ứng suất tập trung ở phía khu vực treo tấm cực lắng, trên thực tế đây cũng là vị trí thường xuyên xảy ra sự phá hủy tấm do mỏi. Qua đó lựa chọn được miền giới hạn giá trị lực gõ (F) phù hợp với điều kiện bền của tấm cực lắng khi xác định gia tốc lan truyền sóng ứng suất. Từ các phương trình hồi quy lan truyền gia tốc: (y = 1518.e -0.01x ;y = 1671.e -0.01x ; y = 1679.e -0.01x) cho thấy các hệ số độ dốc nhỏ hơn không, điều đó phản ánh giá trị gia tốc lan truyền trong tấm có xu
25. 25 hướng giảm dần theo phương truyền sóng. Giá trị gia tốc không phải tắt dần mà nó giảm đến một giá trị ổn định (có khả năng rũ bụi). Ứng dụng thuật giải di truyền viết trên Excel của Turkkan[50] đã xác định được miền giá trị tối ưu (m1, H, a) bảng 4.20, và đồ thị hình 4.17. Kết quả cho thấy các giá trị (m1, H, a) có độ hội tụ cao, do đó có thể sử dụng kết quả nghiên cứu trong bảng 4.20 để tính toán và thiết kế bộ gõ rũ bụi cho một hệ thống LBTĐ cụ thể. Ví dụ kết quả tại hàng số 6 (bảng 4.20) cho bộ thông số: - Gia tốc tối thiểu có thể rũ bụi: a= 639,9974(m/s2) - Trọng lượng búa gõ m1 = 70,77531(N) - Chiều cao rơi búa H= 53,4042(cm). Kết quả nghiên cứu ở trên chính là mục tiêu mà đề tài luận án đặt ra. 4.9 Ứng dụng kết quả để tính toán một số thông số chính cho bộ gõ Các thông số chính cần xác định cho bộ gõ rũ bụi là trọng lượng búa gõ (m1) chiều cao rơi búa (H) được xác định trên cơ sở lực búa gõ tạo ra (F) để gây ra gia tốc lan truyền sóng ứng suất (a) phù hợp để có khả năng tách được bụi khỏi bề mặt tấm cực lắng, đáp ứng độ bền của tấm. Do vậy để xác định các thông số trọng lượng búa gõ (m1) và chiều cao rơi (H) là đi giải bài toán ngược được tính toán từ kết quả của luận án đã xác định dải giá trị gia tốc (a) tương ứng cho dải giá trị lực gõ (F) và tìm được các giá trị (m1) và (H) hợp lý từ (bảng 4.20). Sau đây là các bước tính toán cơ bản xác định các thông số của tấm cực lắng LBTĐ a) Các thông số đã tìm đƣợc trong luận án Là bộ các thông số cơ bản của bộ gõ rũ bụi được lựa chọn sau khi đã xác định được miền thông số tối ưu tổng hợp như bảng 20, cụ thể chọn bộ thông số tại hàng số 6 ta có: m1 = 70,77531 (N) H = 0,534042 (m) a = 636,9974 (m/s2) b) Các thông số ban đầu của thiết bị LBTĐ công suất 1 triệu (m3/giờ) Lưu lượng khí bụi : Q = 1.000.000 (m3/ phút) Nhiệt độ khí: t0 = 1000 C Nồng độ bụi vào: 50(g/ m3) Nồng độ bụi ra: ≤ 50 (mg/m3) c) Kích thƣớc cơ bản của buồng LBTĐ Chiều cao tấm cực lắng: L (m) Chiều dài của tấm cực lắng: B (m) Bề rộng của buồng lọc bụi: W (m) Chiều dầy tấm cưc lắng: η (m) Khối lượng riêng: ρ (N/cm3) Trọng lượng của búa gõ m1 (N) Trọng lượng của tấm cực lắng m2 (N) d) Tính toán kích thƣớc tấm cực lắng[1] 3 Thể tích thực tế của thiết bị: Vlv = Vs.t1 = LxBxW (m ) (4. 10) Q 3 Năng suất của thiết bị LBTĐ: Vs = (m /s) (4. 11) t1 Trong đó: t1 - thời gian lưu của hạt bụi trong thiết bị (giây) 2 Diện tích bề mặt lắng bụi của thiết bị LBTĐ là fΣ (m ) 푄 2 = (m ) (4. 12) 훴 푣 Trong đó: v - vận tốc dòng khí bụi (m/s2) Mặt khác diện tích bề mặt lắng của một trường tĩnh điện là (f) (m2) f = 훴 = 훴 = n . L. B (m2) (4. 13) 푖 3 t 3 Trong đó: nt - số điện cực lắng trong một trường tĩnh điện: nt= const, với công suất LBTĐ 1 triệu (m /giờ) thì nt = 13 (dãy) i - số trường tĩnh điện: i = 3 (trường) 2 Khi đó diện tích bề mặt của một dãy tấm cực lắng sẽ là (f1) (m ) 2 1 = (m ) 퐿. .푛푡 Trọng lượng tấm cực lắng m2 được tính bởi công thức sau: .퐿. .휏.ρ 2= 1. 휏.ρ = L.B. 휏.ρ = (4. 14) 푛푡 Trong đó: η - chiều đày tấm cực lắng (m) ρ - khối lượng riêng của tấm cực lắng (N/cm3)
26. 26 Từ công thức (4.14) người thiết kế, vận hành thiết bị LBTĐ hoàn toàn có thể cân đối hai thông số (B, L) cho phù hợp để tính toán kích thước của tấm cực lắng tùy theo công suất LBTĐ, hoặc lựa chọn được bộ thông số vận hành điều khiển quá trình gõ búa theo dạng điều khiển thích nghi, đảm bảo điều kiện rũ bụi và tuổi bền của búa gõ và tấm cực lắng trong khoảng (K) cho phép: [ 1] [K] = = (0,0066 – 0,0088). 2 Nhận xét: Từ kết quả ứng dụng trên có thể kết luận bộ thông số tối ưu của luận án hoàn toàn áp dụng cho thiết kế bộ gõ rũ bụi, trong đó có nội dung quan trọng là tính toán diện tích tấm cực lắng. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 Từ nội dung chương 4 có thể kết luận như sau : 1) Đã lựa chọn bộ thông số thí nghiệm của búa gõ trên cơ sở tạo được gia tốc (a) có khả năng rũ bụi và tính đến độ bền mỏi của tấm cực lắng do tác động bởi lực gõ (F) có chu kỳ. Từ đó phân tích miền thông số tối ưu của búa gõ (m1, H) để xác định gia tốc lan truyền sóng ứng suất 2) Đã sử dụng phương pháp phân tích phương sai ANOVA, xây dựng phương trình hồi quy (F = •2,607+2,334m+0,093H + 4,266mH), biểu đồ PARETO để đánh giá sự ảnh hưởng các thông số của búa gõ tới lực gõ búa (F) và từ đó xác định trọng lượng búa gõ (m1) có ảnh hưởng lớn nhất 3) Phân tích kết quả đo gia tốc và lựa chọn dạng hàm hồi quy, xây dựng đồ thị 3D và 2D mô tả quy luật lan truyền sóng ứng suất trong tấm cực lắng (hình 4.13 đến 4.15). Từ kết quả phân tích trên đồ thị cho thấy, tại những điểm ở gần vùng lực gõ tác động thì giá trị gia tốc lớn hơn và giảm dần theo phương truyền sóng đến giá trị ổn định, nhưng không tuân theo quy luật tắt dần 4) Phân tích mô phỏng trên Ansys để xác định ứng suất và biến dạng của tấm cực lắng khi tác động lực gõ (F) tương ứng. Từ đó xác định được miền giá trị lực gõ (F) trong giới hạn bền chảy cho phép của tấm cực lắng; ζch = 18,076 20 (kN/cm²) ≤ [ζch]. Thực hiện thí nghiệm đo gia tốc (Bảng 4.11 đến 4.13), xây dựng được phương trình hồi quy (4.5) quan hệ gia tốc với lực gõ búa: (a = 539 + 3,26 F) 5) Ứng dụng thuật giải di truyền viết trên Excel của Turkkan[50], xác định được miền giá trị tối ưu (m1, H, a) trong bảng 4.20, thỏa mãn điều kiện bền của tấm cực lắng 6) Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án, từ các giá trị của bộ thông số; trọng lượng búa gõ (m1), tỷ lệ giữa trọng lượng búa gõ (m1) và trọng lượng tấm cực lắng (m2) để tính toán được các thông số chính của tấm cực lắng trong việc thiết kế và vận hành bộ gõ rũ bụi KẾT LUẬN CHUNG 1) Đã tổng quan tình hình nghiên cứu về hiệu suất LBTĐ trên thế giới và ở Việt nam, về các dạng kết cấu bộ gõ rũ bụi của cực lắng trong thiết bị lọc bụi tĩnh điện. Qua đó chưa thấy công trình nghiên cứu nào đề cập tới mối quan hệ giữa lực gõ (F) với gia tốc lan truyền ứng suất (a) trong tấm cực lắng là đại lượng ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng rũ bụi 2) Từ cơ sở lý thuyết lan truyền sóng ứng suất trong tấm kim loại mỏng, đã luận giải được quá trình năng lượng sóng lan truyền trong tấm cực lắng của lọc bụi tĩnh điện 3) Đã xây dựng được mô hình thí nghiệm và lựa chọn trang thiết bị đo (Modal analysis và Rion VA-12) hiện đại để đo gia tốc (a) trong tấm cực lắng. Lựa chọn các điều kiện giới hạn của thí nghiệm như 2 2 {50g ≤ a ≤ 200g (m/s ); [ζch]≤ 20(kN/cm ); 60 ≤ m1 ≤ 80 (N); với tỉ lệ K = m1/m2= 0,0066÷0,0088; 0,49 ≤ H ≤0,57 (m)} 4) Đã xây dựng được phương trình hàm hồi quy thực nghiệm giữa trọng lượng búa gõ (m1), chiều cao rơi búa (H) với lực gõ (Ft) và hàm hồi quy thực nghiệm mô tả quan hệ giữa lực gõ (F) với giá trị gia tốc (a) đảm bảo điều kiện bền của tấm cực lắng F = •2,607+2,334m+0,093H + 4,266mH (4.2) a = 539 + 3,26 F (4.5) 5) Ứng dụng thuật giải di truyền viết trên Excel của Turkkan[50], xác định được miền giá trị tối ưu (m1, H, a) trong bảng 4.20, thỏa mãn điều kiện bền của tấm cực lắng [ζch]. 6) Đã ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án để tính toán thông số kỹ thuật chính của búa gõ (m1, H) 3 và các thông số chính của tấm cực lắng (B, L, m2) cho thiết bị LBTĐ công suất 1 triệu (m / giờ), sử dụng trong nhà máy nhiệt điện Vũng Áng thành công