Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số chính đến độ bền khung cực phóng lọc bụi tĩnh điện

N G U Y Ễ N A N H T Ù N G BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ NGUYỄN ANH TÙNG L U Ậ N Á N T IẾ N S Ĩ K Ỹ T H U Ậ T C Ơ K H Í NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH ĐẾN ĐỘ BỀN KHUNG CỰC PHÓNG LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2 0 2 3 HÀ NỘI - 2023 BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ NGUYỄN ANH TÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH ĐẾN ĐỘ BỀN KHUNG CỰC PHÓNG LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 Xác nhận của Viện Nghiên cứu Cơ khí Ngƣời hƣớng dẫn Hoàng Văn Gợt HÀ NỘI - 2023 i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận án, em luôn nhận được sự qu n t m, hư ng n tận t nh tập th n ộ gi ng y, nh kho họ v n ộ vi n h Trung t m Đ o t o s u Đ i họ , Vi n Nghi n u C kh , ộ C ng Thư ng. Em xin c m n Kho C kh – trường Đ i học Công Nghi p Hà Nội, PTN S c bền Vật li u – trường Đ i học Giao thông Vận t i, Công ty TNHH HIKI đã hỗ trợ em về mặt sở vật chất ũng như tư vấn kỹ thuật đ thực hi n thành công các thí nghi m. Đặc bi t em xin chân thành c m người hư ng d n kho họ l PGS.TS Hoàng Văn Gợt đã tận tình d y b o, hư ng d n v giúp đỡ em thực nghi m v hư ng d n trong suốt khoá học. Em xin c m n TS. Dư ng Văn Long, TS. Nguyễn Tiến Sỹ, và toàn th th y đã hư ng d n và chỉ d y cho em trong quá trình nghiên c u và học tập. Những lời khuyên, hư ng d n bổ ích c th y đã giúp em ó định hư ng và tiếp cận tốt h n v i nội dung c đề t i đ có th hoàn thành luận án. Cuối cùng em xin c m n sự giúp đỡ, động viên c gi đ nh, người th n, đồng nghi p dành cho em trong suốt thời gian làm luận án. Nghiên cứu sinh Nguyễn Anh Tùng ii LỜI CAM ĐOAN Em xin m đo n đề tài luận n: “Nghiên c u nh hưởng c a một số thông số h nh đến độ bền khung cực phóng lọc bụi tĩnh đi n” đều do em tự thực hi n ư i sự hư ng d n c a người hư ng d n kho họ l PGS.TS Hoàng Văn Gợt. Nội ung luận án này là công trình nghiên c u khoa học c a b n th n. Đ hoàn thành luận án này, em chỉ sử dụng những tài li u đã ghi trong mục tài li u tham kh o mà không dùng bất c tài li u nào khác. Không hề có sự sao chép, gian lận kết qu c a bất kỳ công trình nghiên c u nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Anh Tùng iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................... ix DANH MỤC HÌNH .................................................................................. xi MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết ..................................................................................................... 1 2. Mục tiêu ............................................................................................................. 2 3. Đối tượng nghiên c u ........................................................................................ 2 4. Ph m vi nghiên c u ........................................................................................... 2 5. Phư ng ph p nghi n u ................................................................................... 2 6. Ý nghĩ kho học và thực tiễn ........................................................................... 3 6.1 Ý nghĩ kho học ............................................................................................. 3 6.2 Ý nghĩ thực tiễn ............................................................................................. 3 7. Những đóng góp m i ........................................................................................ 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ RŨ BỤI TRONG LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN .... 5 1.1 Nguyên lý thu bụi bằng đi n ........................................................................... 5 1.2 Phân lo i lọc bụi tĩnh đi n ............................................................................... 6 1.2.1 Phân lo i theo chiều dòng khí chuy n động ................................................ 6 1.2.2 Phân lo i theo tr ng thái bụi......................................................................... 6 1.3 Cấu t o chung c a thiết bị lọc bụi bằng đi n nằm ngang ............................... 7 1.3.1 S đồ nguyên lý cấu hình c a lọc bụi tĩnh đi n ........................................... 7 1.3.2 Cấu t o h thống lọc bụi tĩnh đi n nằm ngang ............................................. 7 1.4 C hế lắng bụi trong buồng lọc bụi tĩnh đi n .............................................. 11 1.4.1 Lự tĩnh đi n c a h t bụi ............................................................................ 11 1.4.2 T i trọng gây mỏi trên khung cực phóng ................................................... 12 iv 1.5 Gi i thi u về độ bền mỏi ............................................................................... 12 1.5.1 Những khái ni m n về lý thuyết mỏi ................................................. 12 1.5.2 Những chỉ tiêu phá huỷ mỏi ....................................................................... 14 1.5.3 B n chất sự phá huỷ mỏi ............................................................................ 15 1.5.4 Độ bền vật li u c a kết cấu và các chỉ ti u đ nh gi ................................. 17 1.6 Cấu t o c a khung cực phóng ....................................................................... 20 1.7 Các yếu tố nh hưởng đến độ bền mỏi c a khung cực phóng và gia tố rũ ụi . 22 1.8. Tình hình nghiên c u độ bền mỏi trong nư c và trên thế gi i .................... 22 1.8.1 Tình hình nghiên c u trên thế gi i ............................................................. 22 1.8.2 Tình hình nghiên c u trong nư c ............................................................... 24 1.9 X định nhi m vụ nghiên c u c a luận án .................................................. 26 1.9.1 Kết qu về nghiên c u thiết kế, chế t o và ng dụng ................................ 26 1.9.2 Kết qu về đ o t o ...................................................................................... 27 1.9.3 Những vấn đề tồn t i cần ph i được nghiên c u........................................ 28 1.9.4 Nhi m vụ c đề tài luận án................................................................. 28 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................... 29 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VA CHẠM HAI VẬT RẮN VÀ ĐỘ BỀN MỎI CHO KẾT CẤU MÁY ............................................................. 30 2.1 C sở lý thuyết va ch m c a hai vật rắn ....................................................... 30 2.2 Lý thuyết va ch m xuyên tâm c a hai vật chuy n động tịnh tiến ................ 32 2.2.1 C phư ng tr nh v h m ......................................................................... 33 2.2.2 Sóng ng suất và gia tố rũ ụi .................................................................. 34 2.2.3 Gi i h n gia tố rũ ụi ............................................................................... 35 2.3 Ứng dụng bài toán va ch m xây dựng mô hình c a bộ gõ rũ ụi kh ...... 35 2.3.1 Nguyên lý ho t động c ú gõ rũ ụi và khung cực phóng .................... 35 2.3.2 Mô hình va ch m và lập công th c tính ..................................................... 36 2.4 C sở t nh to n độ bền khung cực phóng ...................................................... 42 2.4.1 Cấu t o c a bộ gõ rũ ụi và nguyên lý ho t động ...................................... 42 2.4.2 C sở ho t nh to n độ bền khung cực phóng ............................................ 43 v 2.5 C sở lý thuyết c a bền mỏi chi tiết d ng kết cấu khung ............................. 46 2.5.1 Các d ng bi u đồ c a khung d ng chữ П hịu mô men uốn ...................... 46 2.5.2 C sở v phư ng ph p x y ựng đường cong mỏi cho chi tiết và bộ phận máy ...................................................................................................................... 46 2.5.3 Phư ng ph p x y ựng đường cong mỏi cho khung cực phóng ............... 48 2.5.4 Chu kỳ v đập c a búa lên khung cực phóng ............................................ 48 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................... 49 CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .. 51 3.1 Mô hình thực nghi m .................................................................................... 51 3.2 Mô hình buồng lọc thực tiễn v phư ng ph p x định lượng bụi bám trên khung cực phóng ............................................................................................. 54 3.3 M u thử ki m bền mỏi khung cực phóng ..................................................... 55 3.3.1 M u ki m bền kéo ..................................................................................... 55 3.3.2 M u thử bền mỏi ........................................................................................ 55 3.4 Trang thiết bị đo lường trong thí nghi m ...................................................... 57 3.4.1 Trang thiết bị đo gia tốc ............................................................................. 57 3.4.2 Thiết bị đo lực búa gõ ................................................................................ 65 3.5 Chu kỳ gõ và tuổi bền mỏi c a khung cực phóng ......................................... 72 3.6 Phư ng ph p nghi n u ............................................................................... 73 3.6.1 Phư ng ph p nghi n u lý thuyết ............................................................ 73 3.6.2 Nghiên c u phư ng ph p thiết kế thực nghi m ......................................... 73 3.6.3 Phư ng ph p thực nghi m xây dựng đường cong mỏi thực nghi m ......... 75 3.6.4 X định d ng hàm hồi quy lan truyền gia tốc .......................................... 75 3.6.5 Phư ng ph p tối ưu hó đ mục tiêu lực gõ (F) c a búa ........................... 76 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................... 77 CHƢƠNG 4. LẬP PHƢƠNG TRÌNH HỒI QUY THỰC NGHIỆM GIỮA GIA TỐC RŨ BỤI (A) VÀ LỰC GÕ BÚA (F) VỚI CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ, XÂY DỰNG ĐƢỜNG CONG MỎI THỰC NGHIỆM CHO KHUNG CỰC PHÓNG ............................................................................ 79 vi 4.1 X định các tham số thực nghi m ............................................................... 79 4.1.1 Gi i h n gia tố rũ ụi trong chi tiết d ng trục .......................................... 79 4.1.2 Gi i h n c h m lượng bụi đầu vào buồng lọ η (mg/Nm3) .................... 79 4.1.3 Lựa chọn các tham số thực nghi m ............................................................ 80 4.2 Kết qu thực nghi m trên mô hình buồng lọc ............................................... 80 4.2.1 Mụ đ h thực nghi m................................................................................ 80 4.2.2 Phư ng ph p đo th ng số thực nghi m ............................................... 80 4.2.3 Kết qu thực nghi m .................................................................................. 81 4.3 Xây dựng đồ thị kết qu đo gi tố tr n 9 đi m khung cực phóng ............... 91 4.4 X định hàm hồi quy thực nghi m .............................................................. 92 4.4.1 Tổng quan chung ........................................................................................ 92 4.4.2 Thực nghi m sàng lọc ................................................................................ 93 4.4.3 Thiết kế thí nghi m sàng lọc ...................................................................... 94 4.4.4 X định các yếu tố nh hưởng h nh đến gia tố rũ ụi (a) ..................... 94 4.4.5 Phân tích thí nghi m các nhân tố nh hưởng đến lực gõ (F) ................... 103 4.5 Xây dựng đồ thị hàm hồi quy phân bố gia tốc (a) trên khung cực phóng .. 110 4.6 Thực nghi m x định biến thiên gia tốc trên khung cực phóng ................ 112 4.7 Lập phư ng trình quan h giữa lực gõ (F) v i gia tố rũ ụi (a) ................ 114 4.8 T nh to n độ bền mỏi c a khung cực phóng ............................................... 114 4.8.1 Phư ng n t nh độ bền khung cực phóng ................................................. 115 4.8.2 Tính tuổi bền mỏi c a khung cực phóng làm vi 7 năm ........................ 115 4.9 Xây dựng đường cong mỏi cho khung cực phóng ...................................... 115 4.9.1 Thử bền m u kéo theo m u kéo phù hợp tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 “Vật li u kim lo i - Thử kéo - Phần 1: Phư ng pháp thử ở nhi t độ phòng” ... 115 4.9.2 C ư c xây dựng đường cong mỏi thực nghi m cho khung cực phóng .. 117 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................. 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ... 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 128 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, viết tắt Ý nghĩa chữ viết tắt Đơn vị H Chiều cao c a khung cực phóng m B Bề rộng c a khung cực phóng m t Chiều dày thành ống khung cực phóng mm W Bề rộng c a buồng L TĐ m  H m lượng bụi trư c và sau buồng lọc mg/Nm 3 m1 Khối lượng c a búa gõ kg m2 Khối lượng c a khung cực phóng kg h Chiều o r i a búa m g Gia tốc trọng trường m/s2 R Bán kính quay c a búa gõ m Ftn Giá trị thực nghi m lực gõ c a búa kN Ftt Giá trị tính toán lực gõ c a búa kN ρ Khối lượng riêng g/cm3 E Mo ul đ n hồi N/mm2 G Mo ul đ n hồi trượt N/mm2 υ H số poisson D Độ c ng c a chi tiết N/mm2 a Gia tố rũ ụi m/s2 a * Gia tốc t i h n đ m b o kh năng rũ ụi m/s2 max Ứng suất l n nhất t i đi m nguy hi m c a khung cực phóng MPa ε H số biến d ng n Số lần gõ c a búa trong 1 vòng quay c a trục Lần/ph L TĐ Lọc bụi tĩnh đi n MODAL Phần mềm ph n t h o động ANSYS Phần mềm thiết kế và phân tích viii CAE Computer Aided Engineering (Mô phỏng và phân tích) Finite element method (Phư ng ph p phần tử hữu h n) FEM i it El t Method (Phư ng ph p phần tử hữu h n) ANOVA Analysis of Variance (Ph n t h phư ng s i) ESP SPSS Electrostatic Precipitator System (H thống thiết ị lọ ụi tĩnh đi n) (H thống lọ ụi tĩnh đi n) Statistical Package for the Social Sciences (Phư ng pháp phân tích thống kê) OLS Or in ry Le st Squ re (Phư ng ph p nh phư ng nhỏ nhất) GA Geneti Algorithm (Gi i thuật i truyền) σ-1 Ứng suất ền mỏi thự nghi m khung ự phóng MPa F Lự ú gõ N P Lự o khối lượng khung t ụng l n khung ực phóng tr n s đồ lự [65] N σm Ứng suất mỏi khung ự phóng MPa Mu Mômen uốn Nm Gxl Xung lự ú gõ N.s m Ứng suất mỏi khung ự phóng MPa N Số hu kỳ ền mỏi khung ự phóng tr n đường ong thự nghi m Chu kỳ П H số hỉ ti u đồng ng ph h y mỏi No Chu kỳ ền mỏi tư ng ng v i ng suất ền gi i h n ền khung Chu kỳ Ki+1/Ki Tỷ số gi trị gi tố t i 2 đi m liền kề ix DANH MỤC BẢNG BIỂU STT Ký hiệu Nội dung Trang 1 3.1 Th ng số kỹ thuật m iến lự p đi n Kistler 9340A1 66 2 3.2 Thời gi n l m vi ú gõ theo trường tĩnh đi n 69 3 3.3 Gi trị đối số kết qu th nghi m đo gi tố thự nghi m 73 4 4.1 Kết qu t nh to n lự (F) theo lý thuyết 78 5 4.2 Kết qu đo lự v h m (Ftn) v xung lự (Gxl) thự nghi m 79 6 4.3 S i số lự v h m thự nghi m - tính toán 79 7 4.4 Kết qu đo xung lự Gxl (N.s) 79 8 4.5 Kết qu đo Fmax (N) 80 9 4.6 S đồ đo gi tố (theo h nh 4.1) 87 10 4.7 Gi trị đo ho th nghi m m= 6kg, h= 0,49m 87 11 4.8 Gi trị đo ho th nghi m m= 7kg, h= 0.49m 87 12 4.9 Gi trị đo ho th nghi m m= 8kg, h= 0.49m 87 13 4.10 M th m số khối lượng kh o s t 90 14 4.11 Giá trị các thông số đầu vào 91 15 4.12 Ma trận thí nghi m L9 (32 +3) và kết qu đo gi tố rũ ụi 92 16 4.13 B ng ph n t h phư ng s i (Analysis of Variance) 95 17 4.14 Ma trận thí nghi m ư c 2 và kết qu đo gi tốc rũ ụi (a) 97 18 4.15 B ng ph n t h phư ng s i (An lysis of V ri n e) 98 x 19 4.16 H số mã hóa (Coded Coefficients) 99 20 4.17 Giá trị các thông số đầu vào 100 21 4.18 Ma trận thí nghi m thăm ò v kết qu đo lự rũ bụi 101 22 4.19 Kết qu ph n t h phư ng s i 102 23 4.20 M trận th nghi m ư 2 v kết qu đo lự gõ F 103 24 4.21 ng ph n t h phư ng s i (An lysis of V ri n e) 105 25 4.22 Kết qu đo 9 đi m tr n ầm khung ự phóng 107 26 4.23 Gi trị tư ng qu n lự gõ (F) v i gi tố trung bình (a) 110 27 4.24 Kết qu thử ền kéo tr n m u kéo đồng ng khung ự phóng 112 28 4.25 Th ng số th nghi m x y ựng đường ong mỏi CT3 117 29 4.26 ộ th ng số ng suất mỏi ho khung ự phóng 117 xi DANH MỤC HÌNH STT Ký hiệu Nội dung Trang 1 1.1 S đồ nguy n lý thu ụi tĩnh đi n 5 2 1.2 S đồ nguy n lý ấu h nh thiết ị lọ ụi tĩnh đi n nằm ng ng v i thiết ị li n qu n 7 3 1.3 S đồ kết ấu 3D uồng lọ ụi tĩnh đi n nằm ngang 8 4 1.4 S đồ nguy n lý h thống đi n L TĐ nằm ngang 8 5 1.5 Khung th nh ự phóng tr n m h nh uồng lọ L TĐ nằm ng ng 9 6 1.6 Mô hình treo khung ự phóng đồng ộ v i tấm ự lắng 10 7 1.7 Mô hình nguyên lý lọ ụi trong trường tĩnh đi n 10 8 1.8 H nh nh thiết ị L TĐ nằm ng ng, nh m y nhi t đi n Vũng Áng 11 9 1.9 M h nh i huy n phần tử ụi trong uồng tĩnh đi n 11 10 1.10 S đồ nguy n lý huy n động h t ụi trong uồng lọ 12 11 1.11 Hình nh bộ khung cực phóng lắp trong mô hình buồng lọc 20 12 2.1 M h nh quy luật iến đổi lự trong v h m theo thời gi n 30 13 2.2 S đồ v h m xuy n t m h i vật rắn 32 xii 14 2.3 M h nh hó v h m ú gõ v o ầm ư i khung ự phóng 35 15 2.4 Mô h nh lự v h m ph n tố vật rắn khi v h m 37 16 2.5 M h nh v h m ọ trụ ú v th nh 39 17 2.6 M h nh 3D kết ấu ộ gõ rũ ụi v i ầm khung ự phóng 41 18 2.7 ú gõ ị gãy o mỏi 43 19 2.8 Rụng g i th nh ự phóng o rung động ởi lự gõ (F) ú ó hu kỳ 43 20 2.9 H nh nh gãy khung ự phóng o rung động ởi lự gõ (F) ú ó hu kỳ 44 21 2.10 Mòn đầu g i th nh đi n ự o mòn họ ởi phần tử ụi v nhi t từ phóng đi n 44 22 2.11 Tấm ự lắng ị r h o mỏi ởi xung lự (F) v đập ó hu kỳ 44 23 2.12 S đồ lự tập trung t ụng l n đầu ầm tr n khung ng hữ П 45 24 2.13 Đồ thị m phỏng đường ong thự nghi m qu n h giữ ng suất mỏi σmax v hu kỳ lự t ụng N 46 25 2.14 S đồ nguy n lý ho t động ú gõ trong lọ ụi tĩnh đi n 48 26 3.1 M h nh tĩnh khung ự phóng trong uồng lọ t i xưởng thự nghi m Vi n Nghi n u C kh 49 27 3.2 n vẽ 2D khung ự phóng 50 xiii 28 3.3 n vẽ 3D Solidwork ụm khung ự phóng 51 29 3.4 Mô hình hóa nguy n lý rũ ụi ho khung ự phóng 51 30 3.5 n vẽ m u ền kéo 53 31 3.6 n vẽ m u ền mỏi 54 32 3.7 H nh ng 3 lo i ú v h nh nh g đặt tr n khung ự phóng 55 33 3.8 ố tr v lắp đặt ộ thiết ị đo gi tố 55 34 3.9 S đồ huy n đổi t n hi u đo 56 35 3.10 ộ xử lý t n hi u rüel & Kjær LAN-XI Type 3160-B-042 56 36 3.11 S đồ nguy n lý m iến đo gi tố v rung 57 37 3.12 S đồ ấu t o gi tố kế p đi n 57 38 3.13 H nh nh m iến gi tố kế sử ụng 57 39 3.14 S đồ gắn m iến trong khung ự phóng tr n thự đị 58 40 3.15 H nh nh thiết ị hi u huẩn Calibration Exciter type 4294 58 41 3.16 S đồ lưu tr nh đo gi tố theo phần mềm hãng Hottinger rüel & Kjær (Đ n M h) 59 42 3.17 Đ nh ấu vị tr hiều o r i 60 43 3.18 Gi o i n phần mềm đo gi tố 60 44 3.19 Ảnh vị tr g lắp qu ú v đe 61 45 3.20 Th o t F5 tr n phần mềm trư khi th qu ú đ sẵn s ng