Đồ án Nghiên cứu, thiết kế và đề xuất kết cấu cơ khí máy thí nghiệm mỏi tốc độ cao (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu, thiết kế và đề xuất kết cấu cơ khí máy thí nghiệm mỏi tốc độ cao (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT KẾT CẤU CƠ KHÍ MÁY THÍ NGHIỆM MỎI TỐC ĐỘ CAO GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ CƯƠNG SVTH: NGUYỄN TẤN MSSV: 11144089 SVTH: HUỲNH MINH QUÂN MSSV: 11144079 S K L 0 0 4 0 2 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ___ KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT KẾT CẤU CƠ KHÍ MÁY THÍ NGHIỆM MỎI TỐC ĐỘ CAO” Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS LÊ CHÍ CƢƠNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TẤN MSSV: 11144089 HUỲNH MINH QUÂN MSSV: 11144079 Lớp: 111442A Khĩa: 2011-2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2015
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ___ BỘ MƠN: CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT KẾT CẤU CƠ KHÍ MÁY THÍ NGHIỆM MỎI TỐC ĐỘ CAO” Giảng viên hƣớng dẫn: PGS.TS LÊ CHÍ CƢƠNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TẤN MSSV: 11144089 HUỲNH MINH QUÂN MSSV: 11144079 Lớp: 111442A Khĩa: 2011-2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2015
4. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ mơn CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Tấn MSSV: 11144089 Huỳnh Minh Quân 11144079 Lớp: 111442A Khố: 2011-2015 Ngành đào tạo: Cơng nghệ kỹ thuật cơ khí Hệ: A 1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và đề xuất kết cấu cơ khí máy thí nghiệm mỏi tốc độ cao 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Tốc độ chi tiết <= 12.000 vịng/phút 3. Nội dung chính của đồ án: - Khảo sát các máy thí nghiệm mỏi hiện cĩ - Đề xuất các chức năng chính của máy thí nghiệm mỏi - Nghiên cứu, đề xuất kết cấu khả thi của máy thí nghiệm mỏi - Thiết kế chi tiết các thành phần của máy thí nghiệm mỏi - Tham gia chế tạo thử nghiệm một số thành phần của máy thí nghiệm mỏi - Tập bản vẽ thiết kế các chi tiết, bản vẽ lắp - Tập thuyết minh 4. Ngày giao đồ án: 01/04/2015 5. Ngày nộp đồ án: 20/07/2015 TRƢỞNG BỘ MƠN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) PGS. TS. Lê Chí Cƣơng  Đƣợc phép bảo vệ (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i
5. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT KẾT CẤU CƠ KHÍ MÁY THÍ NGHIỆM MỎI TỐC ĐỘ CAO” - GVHD: PGS.TS LÊ CHÍ CƢƠNG - Họ tên sinh viên 1: NGUYỄN TẤN - MSSV: 11144089 Lớp: 111442A - Địa chỉ sinh viên:xã Tịnh Kỳ, Tp.Quảng Ngãi, Tỉnh Quảng Ngãi - Số điện thoại liên lạc: 01639204917 - Email: nguyentan834@gmail.com - Họ tên sinh viên 2: HUỲNH MINH QUÂN - MSSV: 11144079 Lớp: 111442A - Địa chỉ sinh viên: xã Long Giao, Huyện Cẩm Mỹ, Tỉnh Đồng Nai - Số điện thoại liên lạc: 01656647136 - Email: huynhminhquan31101993@gmail.com - Ngày nộp khĩa luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Chúngtơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trìnhdo chính chúng tơi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tơi khơng sao chép từ bất kỳ một bài viếtnào đã được cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu cĩ bất kỳ một sự viphạm nào, xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2015 Ký tên Nguyễn Tấn Huỳnh Minh Quân ii
6. LỜI CẢM ƠN Đồ án tốt nghiệp nhằm củng cố và bổ sung lại những kiến thức về chuyên nghành Cơng nghệ Kỹ thuật cơ khí và các mơn học khác cĩ liên quan mà chúng em đã đƣợc học trong khoảng thời gian ngồi trên giảng đƣờng đại học. Đồ án tốt nghiệp này đã giúp chúng em biết vận dụng, khai thác sâu hơn vào lý thuyết. Qua đĩ giúp cho chúng em biết đƣợc khả năng xử lý tình huống trong thiết kế, đã củng cố vững hơn về kiến thức chuyên ngành và kỹ năng làm việc nhĩm sao cho đạt hiệu quả cao, là một kỹ năng rất cần thiết cho một kỹ sƣ sau khi ra trƣờng. Để hồn thành đồ án này, chúng em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ, hỗ trợ từ thầy cơ, gia đình, ngƣời thân và bạn bè. Mặc dù chúng em đã cố gắng hết sức mình, nhƣng trong khoảng một thời gian cho phép, cũng nhƣ hạn chế về mặc kiến thức của bản thân, nên đồ án khơng thể tránh khỏi nhiều thiếu sĩt. Chính vì vậy, nhĩm thực hiện rất mong nhận đƣợc sự chú ý của quý thầy, cơ cũng nhƣ của bạn bè để cĩ thể củng cố kiến thức của mình trƣớc khi ra trƣờng. Trƣớc tiên chúng em chân thành gửi đến tồn thể quý thầy cơ trong bộ mơn Cơng nghệ tự độnglời cảm ơn chân thành nhất. Những năm tháng trên giảng đƣờng Đại học Thầy, Cơ đã truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu, đĩ là hành trang vơ giá mà chúng em luơn mang bên mình trên con đƣờng lập nghiệp. Chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến PGS.TS Lê Chí Cương, ngƣời Thầy đã hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em hồn thành tốt Đồ án. Chúng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè những ngƣời luơn ủng hộ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em trong học tập cũng nhƣ trong cuộc sống. Ngồi ra chúng em xin cảm ơn tới tất cả những ngƣời bạn đã cùng chúng em gắn bĩ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập. Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM, tháng 07 năm 2015 Huỳnh Minh Quân Nguyễn Tấn iii
7. TĨM TẮT ĐỒ ÁN “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT KẾT CẤU CƠ KHÍ MÁY THÍ NGHIỆM MỎI TỐC ĐỘ CAO” Nhu cầu thực tế về thí nghiệm mỏi các chi tiết máy trong ngành cơ khí, giao thơng vận tải ở Việt Nam với độ tin cậy cao là cấp thiết. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và đề xuất kết cấu cơ khí máy thí nghiệm mỏi tốc độ cao” nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy thí nghiệm mỏi phục vụ thí nghiệm mỏi uốn quay 4 điểm cho các chi tiết máy dạng trục, gĩp phần giải quyết vấn đề về thiết bị máy mĩc kiểm tra, thí nghiệm mỏi phục vụ cho các cơ sở đào tạo, các cơng trình nghiên cứu. Bên cạnh đĩ, các kết quả tạo mỏi, đo – kiểm tra của các máy mĩc thiết bị là cơ sở để đánh giá khả năng làm việc của chi tiết máy. Quá trình thực hiện đề tài bao gồm các nội dung sau: a. Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết mỏi, các loại liệu trong chi tiết máy, các dạng mỏi của vật liệu làm cơ sở tính tốn, thiết kế. b. Thu thập và phân tích các phƣơng pháp, nguyên lý tạo mỏi của các máy thí nghiệm cĩ trên thị trƣờng từ đĩ xây dựng nguyên lý tạo mỏi kết hợp uốn quay 4 điểm và các phƣơng án thiết kế cho từng bộ phận máy ; So sánh các phƣơng án thiết kế và đề xuất mơ hình máy hồn chỉnh. c. Tính tốn thiết kế cho từng bộ phận của máy. d. Chế tạo các bộ phận của máy sau đĩ lắp ráp và đề xuất kết cấu cơ khí tối ƣu cho máy thí nghiệm mỏi cao tốc. ABSTRACT The need for fatigue testing equipment for mechanical and transportation application is increasing recently. The thesis “Research, design and propose structural mechanic of high speed fatigue testing machine ” is aimed to develop a multi-use fatigue testing device for axial-type machine elements, using four-point bending and convertible types. The result of fatigue experiment is used for evaluate the part performance. The contents of the thesis include: a. Definition and types of fatigue state of elements. b. Analysis and comparison of various fatigue testing devices currently used for researching, emphasizing on four-point bending and convertible types, thus selecting the optimum principle for the research. c. Computation on strength. d. Manufacturing the mechanical structures and propose structural mechanic of high speed fatigue testing machine. iv
8. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TĨM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC v DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi Chƣơng 1: GIỚI THIỆU 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2 1.4.Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 2 1.5.Kết cấu của Đồ án Tốt nghiệp 3 Chƣơng 2: TỔNG QUAN 4 2.1. Hiện tƣợng phá hủy mỏi: 4 2.2. Các dạng chịu lực của các chi tiết máy thơng dụng 6 2.2.1. Uốn phẳng thuần túy. 6 2.2.2. Uốn ngang phẳng. 6 2.2.3. Uốn xiên 7 2.2.4. Uốn kéo (nén) đồng thời đúng tâm 7 2.2.5. Thanh chịu uốn xoắn 8 v
9. 2.3. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 9 2.3.1. Các nghiên cứu ngồi nƣớc. 9 2.3.2. Các nghiên cứu trong nƣớc: 10 2.3.3. Kết luận: 14 Chƣơng 3: CỞ SỞ LÝ THUYẾT MỎI 15 3.1. Hiện tƣợng mỏi của kim loại: 15 3.1.1. Hiện tƣợng mỏi: 15 3.1.2. Giới hạn mỏi: 15 3.1.3. Đƣờng cong mỏi: 16 3.2. Những chỉ tiêu phá hủy mỏi: 19 3.2.1. Chỉ tiêu về ứng suất và biến dạng: 19 3.2.2. Chỉ tiêu về năng lƣợng: 20 3.2.3. Chỉ tiêu về vết nứt mỏi: 21 3.3. Những yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền mỏi: 21 3.3.1. Vật liệu và quá trình xử lý nhiệt: 21 3.3.2. Trạng thái ứng suất: 23 3.3.3. Kích thƣớc tuyệt đối: 26 3.3.4. Hình dạng kết cấu: 27 3.3.5. Cơng nghệ gia cơng cơ khí: 29 3.3.6. Oxi hĩa và thốt cacbon: 30 3.3.7. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng Fretting (hiện tƣợng mỏi-mịn-gỉ): 30 3.4. Cơ chế lan truyền vết nứt: 31 3.4.1. Các phatrên đƣờng cong mỏiWưhler: 31 3.4.2. Nghiên cứu bề mặt phá hủy mỏi của chi tiết máy thực tế: 31 vi
10. 3.4.3. Giải thích cơ chế phá hủy mỏi: 32 3.4.4. Các dạng phƣơng trình lan truyền vết nứt mỏi: 33 3.4.5. Điều kiện ngừng lan truyền vết nứt mỏi: 33 3.6. Hiện tƣợng nứt mỏi trên các chi tiết dạng trục 34 3.5.1. Định nghĩa và phân loại: 34 3.5.2. Các dạng hỏng do mỏi thƣờng gặp: 36 3.6. Hiện tƣợng nứt mỏi trên các chi tiết dạng bánh răng 37 3.6.1. Giới thiệu: 37 3.6.1. Tiếp xúc mỏi: 37 3.7. Các biện nâng cao độ bền mỏi của chi tiết máy 37 Chƣơng 4: MẪU THÍ NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO KIỂM TRA MỎI . 40 4.1. Mẫu thử: 40 4.1.1. Một số loại mẫu thí nghiệm [1]: 40 4.2. Xác định mỏi trên kính hiển vi: 46 4.3. Kiểm tra bằng phƣơng pháp nhiễu xạ tia X: 47 4.4. Phƣơng pháp đo bằng siêu âm: 49 Chƣơng 5: PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ GIẢI PHÁP CƠNG NGHỆ 51 5.1. Phân tích đối tƣợng thiết kế 51 5.1.1. Sơ đồ chất tải trên mẫu thí nghiệm: 52 5.1.2. Đề xuất nhiệm vụ, yêu cầu thiết kế: 52 5.2. Phân tích và giải pháp cơng nghệ 53 5.2.1. Phƣơng án nguyên lý tạo mỏi 53 5.2.2. Thiết bị đo và bộ phận điều khiển 59 5.3. Phƣơng án thiết kế máy thí nghiệm mỏi: 64 vii
11. Chƣơng 6: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY THỬNGHIỆM MỎI 65 6.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy 65 6.2. Tính tốn thiết kế, chế tạo cho các bộ phận của hệ thống máy 66 6.2.1. Xác định các thơng số thiết kế 66 6.2.2. Tính tốn thiết kế, chế tạo cụm trục truyền động 67 6.2.3. Thiết kế, chế tạo tấm đế cố định của cụm trục chủ động 79 6.2.4. Thiết kế tấm đế di động của cụm trục bị động 80 6.2.5. Thiết kế, chế tạo trục liên kết 81 6.2.6. Thiết kế, chế tạo miếng liên kết 82 6.2.7. Tính tốn chọn động cơ 83 6.2.8. Thiết kế, chế tạo đồ gá motor 85 6.2.9. Thiết kế tấm kính che 86 6.2.10. Thiết kế tủ điều khiển 86 6.3. Thiết kế tổng thể máy thử nghiệm mỏi cao tốc 88 Chƣơng 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 7.1. Kết luận 89 7.2. Kiến nghị 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Tài liệu tiếng Việt: 90 Tài liệu tiếng Anh: 90 viii
12. MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng3.1: Số liệu Nf của một số kim loại thƣờng dùng[2]. 16 Bảng 3.2: Mối quan hệ giữa thành phần hĩa học và đặc trƣng cơ học của vật liệu 22 Bảng 3.3: Ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt đến độ bền mỏi 23 Bảng 3.4: Các giới hạn bền và mỏi của một số loại vật liệu 25 Bảng 3.5: Ảnh hƣởng của hình dáng mặt cắt ngang của mẫu tới 26 Bảng3.6:Giátrịtớihạn Katbcủamột số loạivật liệu [5] 34 Bảng 5.1: Bảng so sánh các phƣơng án giữ chi tiết mẫu 57 Bảng 5.2:Bảng so sánh các phƣơng án đặt tải lên mẫu 59 Bảng 5.3: Bảng so sánh các phƣơng án điều khiển tốc độ 61 Bảng 5.4: Bảng so sánh các phƣơng án đo tải tác dụng 63 Bảng 5.5:Bảng lựa chọn các phƣơng án thiết kế 64 ix
13. MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Biến dạng của thanh chịu uốn 6 Hình 2.2: Thanh trƣớc biến dạng 6 Hình 2.3: Thanh sau biến dạng 6 Hình 2.4: Thanh chịu uốn kéo (nén) đúng tâm 7 Hình 2.5: Thanh chịu xoắn 8 Hình 2.6: Hình ảnh tổng quan của máy [21] 9 Hình 2.7:Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi của máy uốn 4 điểm [21] 10 Hình 2.8:Hình ảnh tổng quan của máy [3] 10 Hình 2.9: Cảm biến đo lực (laodcell) 11 Hình 2.10: Đồng hồ hiển thị tải trọng [3] 11 Hình 2.11: Đồng hồ đếm số vịng quay 11 Hình 2.12: Hệ thống đếm số vịng quay[3] 11 Hình 2.13. Bộ gá kẹp mẫu thí nghiệm [3] 11 Hình 2.14: Máy thí nghiệm mỏi tại trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh 12 Hình 2.15. Sơ đồ nguyên của máy 13 Hình 3.1: Sự tích lũy phá hủy mỏi ở kim loại [23] 15 Hình 3.2: Đƣờng cong mỏi Vele [ 23] .16 Hình 3.3: Đồ thị các ứng suất giới hạn [ 24] 17 Hình 3.4: Đƣờng cong thực nghiệm biểu diễn các biên độ giới hạn trên hệ tọa độσm − σa 18 Hình3.5:Đƣờng cong Wohler trong hệ trục logarit[ 19] 19 Hình3.6:Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nhẳm xây dựng chỉ tiêu năng lƣợng[ 19] 20 Hình3.7:Chu trình ứng suất 24 Hình 3.8: Những nơi tập trung ứng suất [22]. 31 Hình 3.9: Các pha trên đƣờng cong mỏi Wo hler [4]. 32 Hình 3.10: Đƣờng lan truyền vết nứt mỏi [22] 33 x
14. Hình 3.11: Trục truyền đƣợc lắp các chi tiết quay 35 Hình 3.12: Trục tâm 35 Hình 3.13: Các dạng trục chủ yếu 36 Hình 4.1: Mẫu dùng trong thí nghiệm uốn quay 4 điểm theo tiêu chuẩn PN-74/H-04327 40 Hình 4.2: Mẫu dùng trong thí nghiệm uốn quay trịn phẳng ∅40 41 Hình 4.3: Mẫu dùng trong thí nghiệm uốn quay trịn phẳng ∅12 41 Hình 4.4: Mẫu dùng trong thí nghiệm kéo nén phẳng 41 Hình 4.5: Mẫu dùng trong thí nghiệm kéo nén cĩ rãnh khía 42 Hình 4.6: Mẫu dùng trong thí nghiệm xoắn 42 Hình 4.7: Mẫu dùng trong thí nghiệm uốn ngang phẳng. 43 Hình 4.8: Kiểm tra bề mặt gãy. 46 Hình 4.9: Kiểm tra các khuyết tật vật liệu 46 Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử phản xạ (SEM) .47 Hình 4.11: Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 tại Trung tâm Khoa học Vật liệu (Đại học Quốc gia Hà Nội) 47 Hình 4.12: Ảnh nhiễu xạ gồm một loạt các vết đặc trƣng cho tính đối xứng của tinh thể47 Hình 4.13: Cấu tạo cơ bản của máy nhiễu xạ tia X 48 Hình 4.14: Nguồn phát tia X 48 Hình 4.15: Hệ nhiễu xạ tia X (X’Pert Pro – Panalytical Hà Lan) 49 Hình 4.16: Cấu tạo của máy đo siêu âm 49 Hình 5.1: Sơ đồ chất tải lên mẫu cĩ đƣờng kính do quay trịn với tần số ω 52 Hình 5.2: Nguyên lý tạo mỏi đƣợc đề xuất 53 Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi 53 Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi uốn quay 4 điểm với lực tác dụng vào hai đầu của chi tiết mẫu 53 Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý tạo mỏi uốn quay 4 điểm với lực tác dụng vào hai đầu của cụm trục xoay 55 Hình 5.6: Đầu kẹp khoan 56 xi
15. Hình 5.7: Collet 56 Hình 5.8: Xilanh thủy lực 58 Hình 5.9: Sử dụng cân treo để tác dụng lực lên mẫu thử 58 Hình 5.10: Sử dụng cơ cấu vít me –đai ốc 58 Hình 5.11:Hộp tốc độ 59 Hình 5.12: Biến tần của hãng Mitsubishi. 60 Hình 5.13: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của biến tần 61 Hình 5.14: Các dạng lực kế 62 Hình 5.15: Loadcell 62 Hình 6.1: Sơ đồ nguyên lý của máy thí nghiệm mỏi 65 Hình 6.2: Mẫu dùng trong thí nghiệm uốn quay trịn phẳng ∅12 66 Hình 6.3: Biểu đồ moment của mẫu thí nghiệm 66 Hình 6.4: Kết cấu cụm trục truyền động 67 Hình 6.5: Sơ đồ tác dụng lực lên trục và biểu đồ nội lực 68 Hình 6.6: Bãn vẽ kỹ thuật của trục chính 71 Hình 6.7: Kết cấu trục chính sau khi tính tốn thiết kế 71 Hình 6.8: Kết quả chế tạo chi tiết trục chính 72 Hình 6.9: Vỏ trục 74 Hình 6.10: Kết quả chế tạo các bộ phận vỏ trục chính 74 Hình 6.11: Tai-lắc 75 Hình 6.12: Kết quả chế tạo Tai-lắc 75 Hình 6.13: Vịng tạo lực 76 Hình 6.14: Kết quả sau khi chế tạo vịng tạo lực 76 Hình 6.15: Kết quả sau khi chế tạo các chi tiết của cụm truyền động 77 Hình 6.16: Lắp ráp các chi tiết của cụm truyền động 77 Hình 6.17: Cụm đỡ trục chính 78 Hình 6.18: Lắp ráp cụm truyền động trục chính 78 Hình 6.19: Thiế kế tấm đế cố định 79 xii
16. Hình 6.20: Chế tạo tấm đế cố định . 79 Hình 6.21: Tấm đế di động 80 Hình 6.22: Chế tạo tấm đế di động. 80 Hình 6.23: Thiết kế trục liên kết. 81 Hình 6.24: Kết quả chế tạo trục liên kết 81 Hình 6.25: Thiết kế miếng liên kết 82 Hình 6.26: Chế tạo miếng liên kết 82 Hình 6.27: Hệ lực phƣơng trình 83 Hình 6.28: Giá trị phản lực tại các gối. 83 Hình 6.29: Động cơ 84 Hình 6.30: Tấm gá motor 85 Hình 6.31: Gá motor sau khi chế tạo 85 Hình 6.32: Tấm kính che 86 Hình 6.33: Tủ điều khiển 86 Hình 6.34: Tổng thể máy thử nghiệm mỏi cao tốc thiết kế bằng phần mềm Creo Paramatric 3.0 87 Hình 6.35: Tổng thể máy thử nghiệm mỏi cao tốc sau khi lắp tủ điều khiển và tấm kính che 87 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii
17. PLC: Programmable Logic Controller IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor PWM: Pulse Width Modulation xiv
18. CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Hiện tƣợng mỏi là hiện tƣợng khá phức tạp, xảy ra khi ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất này tồn tại trên vật liệu chi tiết máy cĩ trị số nhỏ hơn giới hạn bền của vật liệu, thậm chí là thấp hơn giới hạn đàn hồi.Tuy nhiên hiện tƣợng mỏi lại gây ra những tổn thất nghiêm trọng cho máy mĩc khơng lƣờng trƣớc đƣợc. Vì vậy việc nghiên cứu, thí nghiệm, đánh giá độ bền mỏi của chi tiết máy cho phép xác định hợp lý kết cấu, hình dáng và tối ƣu hĩa thiết kế các cụm chi tiết máy và thiết bị cĩ ý nghĩa rất lớn đối với kỹ thuật hiện đại. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Hiện tƣợng phá hủy mỏi của vật liệu kim loại đã đƣợc nghiên cứu rộng rãi trên cơ sở khoa học, vật lý và đã xây dựng nên cơ sở lý thuyết mỏi và tiến hành thực nghiệm kiểm chứng. Bên cạnh đĩ, các thiết bị máy mĩc kiểm tra, thí nghiệm mỏi phục vụ cho các cơng trình nghiên cứu là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học.Các kết quả đo-kiểm tra là cơ sở để đánh giá tính đúng đắn kết quả của các cơng trình nghiên cứu.Vì vậy việc nghiên cứu phát triển máy mĩc thiết bị kiểm tra mỏi luơn đƣợc cải tiến, hồn thiện để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu ngày càng phát triển của ngành khoa học mỏi vật liệu.Hiện nay cĩ rất nhiều máy tạo mỏi các dạng và thiết bị đo-kiểm tra mà các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu chế tạo. Đối với Việt Nam, ngành khoa học mỏi vật liệu đã làm tốn nhiều thời gian và cơng sức nhà nghiên cứu của các nhà khoa học đầu ngành. Kết quả bƣớc đầu đã cĩ một số cơng trình nghiên cứu về mỏi nhƣng chỉ mới thành cơng ở một chừng mực nhất định và chƣa cĩ cơng trình nào đƣa ra đƣợc mẫu máy thí nghiệm mỏi với tốc độ cao và cĩ khả năng giám sát từ xa, nhằm giảm thời gian thí nghiệm, tăng năng suất và mang lại hiệu quả kinh tế. Hiện nay, nhu cầu thí nghiệm mỏi các chi tiết máy trong ngành cơ khí, giao thơng vận tải ở Việt Nam là rất lớn.Các kết quả thí nghiệm mỏi sẽ đĩng gĩp đáng kể đến sự phát triển của cơng nghệ chế tạo máy, nhiệt luyện, vận hành và bảo trì máy mĩc trong nƣớc. Đề tài đƣợc thực hiện để nghiên cứu, phát phát triển máy thí nghiệm mỏi 4 điểm tốc độ cao để thực hiện các thí nghiệm mỏi của vật liệu, đĩng gĩp vào hƣớng nghiên cứu phát triển máy thí nghiệm mỏi nhằm phục vụ nghiên cứu, giảng dạy tại trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh cũng nhƣ cĩ thể thƣơng mại hĩa ra thị trƣờng. 1
19. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đồ án tốt nghiệp đƣợc thực hiện với các mục tiêu chính nhƣ sau: - Thiết kế máy thí nghiệm mỏi phục vụ các thí nghiệm mỏi uốn 4 điểm với tốc độ vịng quay lớn. - Chế tạo, thử nghiệm máy thí nghiệm mỏi. - Hồn chỉnh thiết kế máy thí nghiệm mỏi. Máy thí nghiệm mỏi đƣợc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm nhằm phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học tại trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh cũng nhƣ cĩ thể thƣơng mại hĩa ra thị trƣờng. Trong đĩ nội dung nghiên cứu của đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế và đề xuất kết cấu cơ khí máy thí nghiệm mỏi tốc độ cao” tập trung vào các vấn đề sau: - Tổng quan về hiện tƣợng mỏi. - Mẫu thí nghiệm mỏi và các phƣơng pháp thí nghiệm mỏi. - Nghiên cứu, khảo sát các máy thí nghiệm mỏi uốn. Đề xuất nguyên lý kết cấu của máy thí nghiệm mỏi. Trên cơ sở đĩ, thiết kế máy thí nghiệm mỏi cĩ thể thực hiện đƣợc nguyên lý tạo mỏi uốn 4 điểm cho các chi tiết mẫu dạng trục. - Chế tạo hồn chỉnh phần cơ khí máy thí nghiệm mỏi. - Đề xuất kết cấu cơ khí tối ƣu cho máy thí nghiệm mỏi tốc độ cao. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: - Hiện tƣợng mỏi và phá hủy mỏi. - Các loại máy thí nghiệm mỏi uốn trong và ngồi nƣớc. - Phân tích, đề xuất phƣơng án thiết kế máy thí nghiệm mỏi uốn 4 điểm tốc độ cao. - Tính tốn, thiết kế máy thí nghiệm. - Chế tạo cơ khí cho máy. 2
20. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Do thời gian và khối lƣợng nghiên cứu lớn nên đề tài tập trung nghiên cứu cải tiến, thiết kế chế tạo máy thí nghiệm mỏi chủ yếu phục vụ thí nghiệm mỏi uốn 4 điểm, hoạt động với tốc độ quay của chi tiết mẫu cao: - Thí nghiệm mỏi đƣợc thực hiện cho các chi tiết mẫu dạng trục. - Tốc độ trục chính <=12.000 vịng/phút, tải trọng tối đa khoảng 200kg. - Vật liệu chế tạo các chi tiết mẫu trong thí nghiệm mỏi là các loại thép thơng dụng nhƣ C45, C50. 1.5 Kết cấu của Đồ án Tốt nghiệp Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và đề xuất kết cấu cơ khí máy thí nghiệm mỏi tốc độ cao” gồm 7 chƣơng và phần phụ lục: - Chƣơng 1: Giới thiệu tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu, đối tƣợng và phạm nghi nghiên cứu của đề tài. - Chƣơng 2: Tổng quan về hiện tƣợng mỏi, các dạng chịu lực của chi tiết máy thơng dụng cũng nhƣ khảo sát các máy thí nghiệm mỏi trong và ngồi nƣớc. - Chƣơng 3: Cơ sở thiết kế mỏi - Chƣơng 4: Mẫu thí nghiệm và các phƣơng pháp kiểm tra mỏi - Chƣơng 5: Phƣơng pháp thiết kế và giải pháp cơng nghệ - Chƣơng 6: Tính tốn thiết kế, chế tạo thiết bị thử nghiệm mỏi cao tốc - Chƣơng 7: Kết luận và kiến nghị - Phụ lục 3
21. CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN Trong chƣơng này giới thiệu về hiện tƣợng mỏi, tìm hiểu về các dạng chịu lực của chi tiết máy thơng dụng cũng nhƣ khảo sát một số máy thí nghiệm mỏi uốn 4 điểm trong và ngồi nƣớc. 2.1. Hiện tƣợng phá hủy mỏi Khái niệm: Phá hủy mỏi là quá trình tích lũy dần dần sự phá hỏng trong bản thân của vật liệu dƣới tác dụng của ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay đổi này làm xuất hiện các vết nứt mỏi, sau đĩ các vết nứt mỏi này phát triển dẫn đến sự phá hủy của vật liệu. - Hiện tượng mỏi phát sinh khi hội đủ hai điều kiện cần: + Tải trọng tác động cĩ giá trị thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi theo chu kỳ. Chu kỳ cĩ thể đều hoặc khơng đều. + Vật liệu kết cấu cĩ tính chất khơng đồng nhất. - Hiện tượng mỏi cần cĩ điều kiện đủ là số chu kỳ lặp lại của mức ứng suất phải đủ lớn để gây ra mỏi, nếu ứng suất tác dụng nhỏ thì cần cĩ số lƣợng chu kỳ lớn hơn. Bản chất của hiện tượng mỏi Phần lớn các chi tiết máy làm việc trong trạng thái ứng suất thay đổi theo thời gian, nĩ cĩ thể bị hỏng khi chịu ứng suất thấp hơn nhiều so với trƣờng hợp ứng suất khơng thay đổi. Tiến hành quan sát sự phá hủy khi chi tiết chịu ứng suất thay đổi, ngƣời ta thấy quá trình phá hủy do mỏi bắt đầu từ những vết nứt tế vi sinh ra tại vùng chi tiết máy chịu ứng suất tƣơng đối lớn. Khi số chu kỳ làm việc của chi tiết máy tăng lên thì các vết nứt này càng mở rộng dần, chi tiết ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng. Khả năng của kim loại cản lại sự gãy hỏng gọi là độ bền mỏi hay sức bền mỏi. Thực tiễn sử dụng máy cho thấy khoảng 80-90% các tổn thất của chi tiết máy cĩ liên quan đến sự phát sinh và phát triển của vết nứt mỏi. Qua các nghiên cứu về sự phá hủy mỏi của vật liệu cĩ thể rút ra những kết luận sau đây: - Chi tiết cĩ thể bị phá hủy khi trị số ứng suất lớn nhất khơng những thấp hơn nhiều so với giới hạn bền mà thậm chí cĩ thể thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu, nếu nhƣ số lần thay đổi ứng suất (số chu kỳ) khá lớn. 4