NGHIÊN CỨU THIÉT KÉ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Tự ĐỘNG THIÉT BỊ RỬA CHI TIÉT MÁY CHÉ TẠO TRONG NƯỚC
RESEARCH FOR SIMULATING THE AUTOMATIC CONTROL SYSTEM OF PARTS WASHING MACHINES MANUFACTURED DOMESTICALLY
Vũ Văn Trung, Nguyễn Thoại Anh
Trường Đạihọc Giao thông Vận tải
TÓM TẮT
Thiết bị rửa chỉ tiêt mảy ngày càng được sử dụng nhiêu trong các dây chuyên chê tạo máy hoặc trong các xưởng sửa chữa máy móc thiết bị cơ khí trên thế giới, ơ nước ta, hiện nay thiết bị này cũng đã được sử dụng nhiều trong các nhà máy gia công chê tạo cơ khỉ, các xưởng sửa chừa, bảo dưỡng có quy mô lớn và hiện đại. Các thiết bị rửa chi tiết máy ngày càng được hiện đại hoá theo hướng tự động điều khiên quá trình làm việc nhằm đáp ứng được tính năng công nghệ tự động của dây chuyền, đảm bảo chất lượng và nâng cao năng suất. Trong phạm vi bài báo này, nhóm nghiên cứu tiến hành ứng dụng phần mềm đê thiết kế mạch và mô phỏng hệ thống điều khiên tự động thiết bị rửa chi tiết máy phục vụ cho việc thiết kế, chê tạo thiết bị này trong nước đê đáp ứng nhu cầu của các đơn vị chế tạo, sửa chửa, bảo dưỡng cơ khí.
Từ khoá:
Thiết bị rửa chi tiết; Mảy rửa chi tiết; Hệ thống điểu khiên tự động.
ABSTRACT
Parts washing machine is widely used in mechanic manufacturing chains or in machinery repair and maintenance facilities through out the world. Nowaday, these machines have also been used a lot in Vietnam. These machines are modernized as automatically controlling the operating process to improve quality and productivity. This article mention to design and simulate the automatical control system of the parts washing machines in order to manufacture these machines domestically.
Keywords:
Parts washing machine; Parts washing equipment; Control system.
LĐẶT VẤN ĐỀ
Trên thế giới, thiết bị rửa chi tiết máy đã được chế tạo và sử dụng nhiều tại các nhà máy, ga ra sửa chữa, bảo dưỡngmáy móc,thiết
bị cơ khí từ đầu những năm 50 của thế kỷ XIX [1], Các chi tiết máy sau khi gia công, chế tạo hoặc saukhi tháorời từ các loạimáy móc, thiết bị cơ khí trongquátrình sửa chữa, bảo dưỡng thường có các chất bụibẩn,mảnh vụn, cặn dầu
ISSN 2615 -9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 97
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI
bẩn, muội cacbon, dầu mỡ bôi trơn, hạt kim loại, sơn... bám trên bề mặt và cần được loại bỏ, làm sạch trước khi lắp ráp, sửa chừa, bảo dưỡng. Việc vệ sinh các chi tiết máy trong sửa chừa, bảo dưỡng là công tác tốn nhiều thời gian, công sức và độc hại nếu thực hiện bàng phương pháp thủ công, vì vậy đã có nhiều nghiên cứu tính toán, thiết kế, chế tạo các loại thiết bị rửa chi tiết máy để thay thế một phần hoặc toàn bộ sức lao độngcủa công nhân trong việc vệ sinh chi tiết máy, đem lại năng suấtvà hiệu quả cao. TạiViệt Nam, đến nay chưa có công trình nào đề cập đến việc nghiên cứu tính toán, thiết kế hoặc chế tạo thiết bị rửa chi tiết máy mặc dù nhu cầu sử dụng các thiết bị này trong những năm gần đây ngày càng lớn, đặc biệt đối với các đơn vị sửa chừa có quy mô lớn và hiện đại. Phần lớncác thiếtbị rửa chi tiết máy đang được sử dụng ở nước ta hiện nay đều là các thiết bị nhập ngoại từ châu Âu, Mỳ, Nhật Bản hoặc Trung Quốc...
Tuỳ theo mức độ tự động hoá, thiết bị rửa chi tiết máy được chia thành thiết bị rửa chi tiết máy bán tự động và thiết bị rửa chi tiết máy tự động, trong đó loại tự động ngày càng được sử dụng nhiều vì những ưu điểm nổi bật của nó như giảm sức lao động, giảm thiểu ảnh hưởng đối với sức khoẻ người lao động, tiết kiệm thời gian công sức người lao động và phù hợp với xu hướng phát triển của khoahọc công nghệ, đặc biệt trong cuộc cách mạng công nghệ tự động hoá. Xuất phát từ vấn đề trên, nhóm nghiên cứu tiến hành nghiên cứu, tính toán thiết kế hệ thống điều khiển tự động thiết bị rửa chi tiết máy hướng đến việc chếtạo trongnước phục vụ cho việc cơ giới hoá công tác rửa chi tiết máy trong cácdây chuyền chế tạo, sửa chừa, báo dưỡng cơ khí, đặc biệt trong các đơn vị sửa chừa vừa hoặc nhỏ tại ViệtNam.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cửu
Để giảiquyết vấn đề nghiên cứu đặt ra, nhómnghiên cứu áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phương pháp mô phỏng hệ thốngđiều khiến tự động thiết bị rửa chi tiết máy đế kiếm chứng kết quả quá trình làmviệccủa hệ thống.
- Nghiên cứulýthuyết: Tìmhiểu vàứng dụng cơ sở lý thuyết để thiết kế hệ thống điều khiển tự động thiết bị rửa chi tiết máy, từ đó xây dựng mạch điều khiến và chương trình điều khiển thiết bị.
- Nghiên cứumô phòng: Trên cơ sởhệ thống điều khiển đã xây dựng được, tiến hành ứng dụng một số phần mềm để thiết kế mô phông mạch điều khiển tự động, từ đó đưara những đánh giá đê có thê ứng dụng trong chê tạo thựctế.
3. GIỚI THIỆU THIÉT BỊ RỬA CHI TIẾT MÁY
Thiết bị rửa chi tiết máy ra đời nhằm thay thế các “bể ngâm” sử dụng để làm sạch chi tiết máy khi sửa chừa các thiết bị cơ khí.
Những thiết bị rửa chi tiếtmáy đầu tiên sử dụng bơm đê phun dung môi tây rửa như benzen, xylenes, trichloroethylene hữucơ... lênbềmặt các chi tiết trong quá trình người côngnhânvệ sinh bằng tay, thiếtbị này tuy hiệu quả hơn so với các loại “bế ngâm” nhưng không an toàn.
Năm 1971, Gary Minkin phát triển một thiết bị rửa chi tiết máy bằng nước áp lực cao nhờ đó đã cải thiện đáng kể khả năng làmsạch dầu mỡ cho các chi tiết ô tô, đây được coi là bước đột phátrong chế tạo thiết bị rửa chi tiết máy.
Đen những năm 1980, công nghệ rửa chi tiết máy được phát triên theo hướng sử dụng các chất tẩy rửa gốc nước dạng sinh học có độ pH
ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 98
trung tính, an toàn hon với môi trường và làm sạch hiệu quả honđối với các chấtbẩn gốcdầu mỡ. Những năm gần đây, phần lớn các thiếtbị đượcthiết kế theo hướng tái sử dụng dungdịch tẩyrửa nhiều lần theo một quy trình khép kín, không thải trực tiếp chất tẩy rửa ra môi trường và tự động hóa quá trình vận hành nhằm nâng cao năng suất, chất lượng làm sạch chi tiết và giảmsứclao động của người công nhân.
Hình 1. Thiết bị rửa chỉ tỉêt mảy trên thê giới
Ngày nay, đề tăng hiệu quả làm sạch, cácthiết bị rửa chi tiếtmáy được thiết kếthêm hệ thống làm nóng dung dịch chất tẩy rửa, vì hầu hết các loại dầu, mỡ sẽ bị lỏng hoá khi nhiệt độ trên77°c, do đó chúng dềdàngbị loại bỏ. Với loại thiết bị này, các chi tiết máy cần làm sạch được đặt trên lồng rửa trong không gian kín và được làm sạch bằng vòi phun áplực cao bố trí bên trong khoang rửa. Bên cạnh năng lượng cơ học tẩy rửa cao nhờ áp lực tia nước, nhiệt độ cao củadung dịchtẩyrửacũng đem lại hiệu quả làm sạch của thiết bị. Theo kếtquả công bổ của một số hãngsản xuất chất tay rửa công nghiệp trên thế giới, khi nhiệt độ dungdịch chất tẩy rửa tăng từ5°Cđến 8°c thì hiệu quảlàm sạchcủa chất tấy rửa với các loại dầu mỡ tăng lên hai lần, do đó thời gian làm sạch ngắn hơn và các chi tiết được làm sạch tốt hơn. Trong thiếtbịrửa chi tiết máy, các đầu phun nước áp lực cao có tác dụng tạo ra các tia nước áp lực tácđộnglên bề mặt các chi tiết để đánh bật các chất bụi bẩn bám trên bề mặt các chi tiết. Việc bố trí các đầuphun áp lực cao trongthiết bị rửa chi tiết máycần tuân thủ theo nguyên tắc bảo đảmdungdịchchấttẩyrửaphải được phun tới tất cả các góc cạnh trên bề mặt củacácchi tiếtcần tấy rửa đặt trênlồng rửatừ mọi hướng.
Có bốn yếu tố chính ảnh hưởng đến kết quả làmsạch trong thiết bị rửa chi tiết máy bằng dung dịch tẩy rửa, gồm năng lượng cơ học (áp lực phun dung dịch tẩyrửa), nhiệt độ của nước tẩy rửa,thành phần chất tẩy rửa vàthờigian thực hiện quá trình tẩy rửa. Việc điều chỉnh bất kỳ một trong những yếu tố trên đều làm thay đổi chu trình và kết quả làm sạch. Những thiết bị rửa chi tiếtcónănglượng cơhọc lớn và nhiệt độ nước tẩy rửa cao thì sẽ rútngắn đượcthời gian một chukỳ làm sạch và cần ít chất tẩy rửa hơn.
Thiết bịrửachi tiếtmáy có cấu tạo gồm các bộ phận chủ yếu sau: Thân máy và thùng chứa dung dịch tẩy rửa; hệthốngđun nóng dung dịch tấy rửa; hệthống phun áp lực cao; hệ thống lọc tách cặn - bọt bân trong dung dịch tây rửa;
lồng rửa và hệ thống dần động lồng rửa; hệ thống điều khiển quá trình rửa chi tiết, cấu tạo tổng thế của thiết bị rửachi tiết máy tự động sử dụng dung dịch tẩy rứa được đun nóng do nhóm
ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 99
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỔI
nghiêncửu tính toán, thiết kế như trênhình 2.
Hình 2. Thiêt bị rửa chi tiết mảy do nhóm nghiên cứu thiết kế:
1. Động cơ điện quay lồng rửa; 2. Tav mở ngăn chứa động cơ; 3. Nắp động cơ; 4.
Khoang thu hồi; 5. Đĩa xích chã động; 6. Bav lăng cặn và van xã cặn; 7. Thùng chứa dung
dịch tây rửa; 8. Xich; 9. Đĩa xích bị động;
10. Bu lông; 11. Thân thiết bị; 12. Trục quay lông rửa; 13. Khung đỡ đáy lòng rửa; 14.
Lông rửa; 15, 20. Hệ thống đầu phun áp lực;
16. Khoang rửa; 17. Bản lề; 18. Nắp khoang rửa; 19. Đường ông dân dung dịch táy rửa.
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị: Quá trình vận hành thiết bị bắt đầubằng việcmở nắp khoang rửa 18 đế đưa các chi tiết máy cần làm sạch vào lồng rửa14 đặttrong khoang rửa 16. Các chi tiết máy được đật trên lồng rửal 4phảiđảm bảo phânbốđều trên mặt lồngrửa, các chi tiết có kích
thước quá nhỏ (bu lông, vòng đệm...) phải được đặt trong có rọ chứa chuyên dùng trước khi đặt vàolồng rửa. Saukhicác chi tiết máyđã được đặt vàolồng rửa 14, tiến hànhđóng nắpđậy để thực hiện quá trình làm sạch. Bom áplực sẽ hút dung dịch tẩyrửa từ thùng chứa 7 qua hệ thốngđường ống 19 đếncácđầu phun 15, 20để tạo thành các tia nước áp lực cao tácđộng trựctiếp lên bề mặt chi tiết nằm trên lồng rửa, lúc này lồngrửa được dần động quay để đảm bảotoàn bộ bề mặt trênchi tiếtđược tiếp xúc trực tiếpvới tia nước áp lựctừ các đầu phun bốtríphíatrênvà phía dưới của lồng rửa. Trong quá trình phun dung dịch tẩy rửa, các đầu phun đượclập trình sao cho các tia dung dịch củacácđâu phun không bị ngượcchiêu nhau. Các đầu phun phía trên lồng rửaphun trước, sau đó đến cácđầuphunphíadưới lồng rửa phunvà cuối cùng các đầu phunphía trên phun lại trước khi kết thúc quá trình làm sạch. Thời gian phun và làm sạch chi tiết được cài đặt sằn hoặc do người công nhân cài đặt trước khi khởi động thiết bị. Dòng chấttẩyrửasau khi phunlên bề mặt chi tiết máysẽ mangtheo chấtbẩn quay trở lại khoang thu hồi4 được bốtrí ngay phía dưới khoang rửa 16rồi quay trở lại thùng chứa 7. cấu tạo thùng chứa 7 gồm hai khoang: khoang chứa dung dịch tẩy rửa (gọi là khoang cấp 7) và khoang thuhồi dung dịchtẩy rửatừ khoang rửa trở về (gọi là khoang thu hồi 4).
Giữa hai khoang 4 và 7 của thùng chứa cóbố trí lưới lọctinhvàđáycủa khoang thu hồi có thiết kế một bầy lắng cặn 6 và hệthống vớt váng dầumỡ.
Trong khoang cấp7 có bố trí hệ thống đầu đuncủa hệ thống gia nhiệt đế làm nóng vàduytrìnhiệtđộ của dung dịch tẩyrửa trong khoảng nhiệt độ làm việc được đặttrước.
4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY RỬA CHI TIẾT MÁY Tự ĐỘNG
4.1. Quy trình hoạt động của thiết bị rửa chi tiết máy
Đexây dựng sơđồ nguyên lýđiều khiển
ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2năm2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 100
tự động củathiết bị rửa chi tiết máy(hình3), nhóm nghiên cứu xây dựng quytrình rửa chi tiết máy gồm các bước sau: Bước 1: Kiểmưa lượng dung dịch tẩyrửa. Khi bắtđầu khởi động thiết bị, hệ thống cảm biến đo mực nước của thiếtbị sẽ hoạt động đểkiểm ưa lượng nước có ưongthùng chứa.Neu lượng dung dịch tẩy rửa ưong thùng chứa thiếu (dưới mức tối thiểu) thì hệ thống báo thiếu nướcvà yêu cầu bốsungthêm dung dịchtay rửa. Lúc này, toàn bộ các hệ thống khác sẽ ở ưạng thái không thểhoạt động;Bước2: Kian tra vàđunnóng dung dịch tẩy nĩa. Khi lượng nước ưongthùng chứa đủ thì hệ thống điều khiểnthựchiện bước kiếmranhiệtđộ dungdịchtẩy rửa.Neu nhiệt độ củadung dịch tay rửa thấphơn ngưỡng nhiệt độ tối thiểu (80°C) thì thiết bịkích hoạt hệ thống đun nóngdung dịch tẩy
rửa làm việcđể gia nhiệt và nâng nhiệt độ dung dịch tẩy rửalên ngưỡng nhiệt độ tối thiểu (80°C), ưong lúcnày thì toàn bộ các hệ thống khác không thế hoạt động. Khi nhiệt độ dung dịch tẩy rửa đạt ngưỡng tối đa (98°C) thì hệ thống đun nóng dung dịch tẩyrửasẽ dừng hoạtđộng và hệthống điều khiển thựchiện bước tiếp theo; Bước 3: Quay lồng rửa và phun dungdịch tẩyrửa. Khi nhiệt độ dung dịch tẩy rửa
đã.
đạt yêu cầu, thiết bị sẽkích hoạt hệ thống dẫn động quay lồng rủa và hệ thống bơm áp lực hoạt động để tiến hànhcông táclàmsạch bềmặt các chi tiết ưên lồng rủa. Thờigianquá trình phun rủa chi tiết được đặt theo nhu cầucủa người sửdụng. Kếtthúc thời gian rửa, thiết bịsẽ báo cho ngườivận hành biết và cho phép người vận hành thực hiệnthaotác mở nắp thiếtbị.t I. ÍẬI J
«• K. ỉ»» I I ntlĩl. «*ụj lú. ill* S|1 í UM,
Khi ItiÍMHX hvllióny honi Viiphun nviK' lựv
K-siHu Vi tlvu vum rư+t
*"*“■ 11 T, __
~ Ị ŨúllỊi (Tã' mu?;)
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý điều khiên thiết bị
ISSN 2615-9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 101
NGHIÊN CỨU - TRAO ĐỒI
4.2. Thiết kế mạch điều khiển tự động thiết bị rửa chi tiết máy
Trên cơ sở quytrình hoạt độngcủa thiết bị, nhóm nghiêncứu ứng dụngphần mem Proteus để xây dựng mạch điều khiển vàphần mềm Arduino để viếtcode điềukhiếnchothiếtbị rửa chi tiết máy. Sơ đồmạch điều khiểnthiết bịnhưtrênhình 4.
KggEBII I
Hình 4. Thiết kế mô phỏng mạch điêu khiên thiêt bị rửa chi tiêt máy
Nguyên lý làm việc của mạch điều khiểnthiết bị rửa chi tiếtmáynhưsau: Đe khởi động thiết bị, nhấn công tắc START, khi đó mạch điều khiển sẽ phát lệnh kiểm tra mựcnước của dung dịch tẩy rửa trong thùng chứa thông qua các cảm biến mực nước. Neu mức nước trong thùng không đủ (dưới mức tối thiểu) thì mạch điều khiển phátlệnh để bơm bố sungdung dịch tẩy rửa cho đến khi mực nước bằng với mực nước cao nhất (mức tối đa). Trong trường họp mực nước trên mức tối thiểu và dưới mức tối đa thì bộ điều khiển thực hiện bước kiếm tra nhiệt độ của dung dịch tẩy rửa. Neu nhiệt độ của dung dịch tẩy rửa trong thùng chứa thấp hơn mức nhiệt độ tối thiểu thì mạchđiều khiên phát lệnh để hệ thống gia nhiệt làm nóng dung dịch tẩy rửacho đến khi nhiệt độ của dungdịch đạt đến ngưỡng nhiệt độ cao nhất. Mặt khác, khi nhiệt độ của dungdịch tẩy rửa trên ngưỡng tối thiểu thì mạch điều khiển phát lệnh cho hệ thống phun áp lực và hệ thống quay lồng rửa hoạt động để thực hiện quá trình làm sạch chi tiết,đồng thời kíchhoạthệ thống tính thời gian
của quátrình làm sạch chitiết.Trong quá trình làm sạch chi tiết, hệ thốnggianhiệt vàhệ thống bổ sungdung dịch tẩy rửa sẽ tự độngkích hoạt bấtcứ khi nào nó phát hiện ramức nhiệtđộ và mực dung dịch tẩy rửa trong thùng chứa dưới ngưỡng tối thiểu. Khi cần can thiệp, hoặc dừng khẩn cấp quátrình làmviệc của thiết bị, chúng ta chỉ cần bấm vào nút STOP. Sau quá trình dừngkhẩn cấp, nếu tiếp tục bấm nút START thì thiếtbị sẽkhôi phục chương trình đang chạy dở dang. Trong mọi trường hợp, thiết bị chỉ nhận tínhiệu điều khiển hoặc hoạtđộngkhi nắp của thiết bị ở trạng thái đóng (thông qua cảm biến nắp thùng rửa).Toànbộthông tin, thông số làm việc của thiết bị được the hiện trên màn hình LCD.
5. KÉT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
-Việc nghiên cứutính toán, thiết kế thiết bị rửa chi tiết máy tự động nhằm đápứng nhu cầu sử dụng ở trongnước là hướng nghiên cứu phù hợpvới chủtrươngphát triên côngnghệ cơ
ISSN 2615 -9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, số 1+2 năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn 102
khíchếtạo máy của Chính phủ trong cuộc cách mạngcông nghệ lần thứ 4 ở Việt Nam.
- Việc thiết kế mô phỏng mạch điếu khiển tựđộng thiết bị rửa chi tiếtmáy trênmột số phần mềm để có thể rútngắn thời gian thiết kế và kiểm nghiệm trực quan quá trình hoạt động của hệ thống điều khiển, từ đó có thểứng dụng kết quả nghiên cửu vào chế tạo bộ điều khiển tự động thiết bị trong sản xuất, chế tạo thiết bị trong nước dần làm chủcông nghệ điều khiểntựđộng các thiết bị.
- Từ kết quả nghiên cứu có thể thấy hoàn toàn chế tạo được các thiếtbị rửa chi tiết máy tự động nhằm thay thế các thiết bị nhập ngoại với các tính năng tương đương và giảm giá thànhsản phẩm.*
Ngày nhận bài: 28/01/2022 Ngày phản biện: 08/02/2022 Tài liệu tham khảo:
[1], John B. Durkee (2006). Management of Industrial Cleaning Technology and Processes.
Elsevier, Oxford, United Kingdom, ISBN 0-08-044888-7.
[2] . ASM International (1996). Guide to mechanical cleaning systems. ASM International, Materials Park, Ohio, USA.
[3] . ASM International (1996). Choosing a cleaning process. ASM International, Materials Park, Ohio, USA. ISBN 0-87170-572-9.
[4], David s. Peterson (1997). Practical guide to industrial metal cleaning. Hanser Gardner Publications, Cincinnati, Ohio, USA.
[5], Mike Morris and Katy Wolf (1997), Institute for Research and Technical Assistance. Parts Cleaning in auto Repair Facilities - The Conversion to Water, Executive Summary.
Published by Cal/EPA’s Department of Toxic Substances Control, Doc. No. 613, April.
[6]. Mike Morris and Katy Wolf (1997), Institute for Research and Technical Assistance.
Appendices to Parts Cleaning in Auto Repair Facilities - The Conversion to Water. Published by Cal/EPA’s Department of Toxic Substances Control, Doc. No. 615, June.
[7]. Mike Morris and Katy Wolf (1998), Institute for Research and Technical Assistance. Water- Based Parts Washer Systems: A Guidance Program for Users. Cal/EPA’s Department of Toxic Substances Control and the Santa Barbara County APCD, October 22.
[8], Gary E. Minkin, Saint Louis, Mo (1988). Parts Washer. United States Patent, Minkin, May. 3.
ISSN 2615 -9910
TẠP CHÍ Cơ KHÍ VIỆT NAM, SỐ 1+2năm 2022 cokhivietnam.vn / tapchicokhi.com.vn
103
