Đồ án Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa ở nhiệt độ cao (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa ở nhiệt 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 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ MỎI VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO GVHD: ThS. TRẦN MAI VĂN SVTH: TRẦN GIA BẢO MSSV: 11146221 S K L 0 0 4 2 1 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH  BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ MỎI VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIỆT ĐỘ CAO Giảng viên hướng dẫn: ThS. TRẦN MAI VĂN Sinh viên thực hiện: TRẦN GIA BẢO 11146221 Lớp: 111463B Khoá: 2011 -2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2016
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. TRẦN MAI VĂN Sinh viên thực hiện : TRẦN GIA BẢO MSSV: 11146221 1. Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa ở nhiệt đô cao”. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: . . . . 3. Nội dung chính của đồ án: . . . . . . 4. Các sản phẩm dự kiến . . 5. Ngày giao đồ án: 6. Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Đƣợc phép bảo vệ
4. LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển cho máy thử mỏi vật liệu nhựa ở nhiệt đô cao”. - Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. TRẦN MAI VĂN - Sinh viên thực hiện : TRẦN GIA BẢO MSSV: 11146045 - Lớp:111463B - Địa chỉ sinh viên:506/61K Lạc Long Quân F5 Q11 TPHCM - Số điện thoại liên lạc: 0904479493 (Bảo). - Email :11146221@student.hcmute.edu.vn (Bảo). - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/7/2015 - Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 1 năm 2016 Ký tên Trần Gia Bảo
5. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng em xin g ửi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô giáo trong Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã dìu dắt, dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm cho chúng em trong 4 năm qua. Đặc biệt, chúng em xin đƣ ợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Th.S Trần Mai Văn, ngƣời thầy đã tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt cho chúng em những kinh nghiệm quý báu giúp chúng em hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Cuối cùng chúng em xin đƣ ợc gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, ngƣời thân, bạn bè đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để chúng em hoàn thành khóa luận này. Trong quá trình làm đồ án khó tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong sự chỉ bảo thêm của thầy cô giúp chúng em hoàn thành và đạt kết quả tốt hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2016 Sinh viên thực hiện Trần Gia Bảo
6. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY THỬ MỎI CHO VẬT LIỆU NHỰA Ở NHIÊ ĐỘ CAO” Máy thử độ bền mỏi sản phẩm nhựa là máy dùng để thử các mẫu sản phẩm bằng vật liệu nhựa nhằm đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm nhựa trong thực tế. Mục tiêu nghiên cứu đề tài là chế tạo và điều khiển máy sao cho tạo đƣợc điều kiện tác động vào sản phẩm nhƣ khi sản phẩm đƣợc sử dụng ngoài thực tế; có khả năng tự động hóa và giao tiếp máy tính. Nội dung và quá trình thực hiện: Thiết kế và chê tạo hoàn thiện phần điều khiển, thiết kế giao diện, lắp ráp hộp nhiệt độ sử dụng bóng đèn halogen, viết báo cáo. Máy dùng để đo số lần phá hủy mỏi của sản phẩm nhựa (móc khóa nhựa nón bảo hộ). Nguyên lý hoạt động của máy dựa trên cơ cấu cam với số lần tác dụng lớn lên sản phẩm,làm phá hủy mỏi của sản phẩm. Sau khi hoàn thành quá trình phá hủy mỏi của sản phẩm,ta tìm đƣợc số lần phá hủy thông qua loadcell và phần mềm đo. Nhóm đã thiết kế và chế tạo thành công máy dùng để đo độ bền mỏi của sản phẩm nhựa, sau khi chạy thử nghiệm nhóm đã rút ra một số đánh giá sau: tạo đƣớc điều kiện tác động vào sản phẩm nhựa gần giống với thục tế, sai số trong việc đếm số lần tác động nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép, có khả năng giao tiếp máy tinh; tuy nhiên vẫn còn một số khuyết điểm nhƣ: chƣa tự động hóa hoàn toàn, tính đa dạng đối với sảm phẩm kiểm tra còn thấp(phụ thuộc vào đồ gá), việc điều khiển còn có sai số cao, Trong tƣơng lai, máy có thể đƣợc phát triển để đo đƣợc nhiều sản phẩm bằng cách thay thế các loại đồ gá khác nhau cho từng loại sản phẩm khác nhau. Sinh viên thực hiện Trần Gia Bảo
7. MỤC LỤC 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 1 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu 1 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 2 1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận 2 1.5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể 2 1.6 Kết cấu đồ án 2 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ 3 2.1 Giới thiệu về vật liệu nhựa 3 2.1.1 Sản phẩm khóa nhựa: 5 2.2 Thiết bị thử kéo nén 5 2.2.1 Sơ lƣợc về máy kéo nén 5 2.2.2 Các loại máy có trên thị trƣờng 6 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 3.1 Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi 9 3.1.2 Quá trình phá hủy mỏi 10 3.1.3 Quá trình phá hủy mỏi 10 3.1.4 Đƣờng cong mỏi 10 3.1.5 Phƣơng pháp xác định độ bền mỏi của chi tiết máy 11 3.2 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID 9 3.2.1 Định nghĩa 11 3.2.2 Hạn chế của bộ PID 13 3.4 Phần mền Visual Studio C# 14 3.5 Sơ lƣợc phần mềm Kiel C 15
8. 3.5 Loadcell 15 3.5.1 Giới thiệu 15 3.5.2 Nguyên lý hoạt động 17 CHƢƠNG 4 : PHƢƠNG HƢỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP TRONG THIẾT KẾ 19 4.1 Cơ khí 19 4.1.1 Quy triǹ h thiết kế 19 4.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy 20 4.1.3 Các phƣơng án đề ra 20 4.1.3 Lựa chọn phƣơng án 23 4.2 Điều khiển 23 4.2.1 Giới thiệu vi điều khiển STM32 23 4.2.2 Truyền nhận dữ liệu 26 4.2.3 Hồi tiếp vận tốc và chu kỳ 27 4.2.3.1 Cấu tạo cơ bản của một encoder quay quang 27 4.2.3.2 Kết luận 30 4.2.4 Nhận biết gãy và phản hồi lực 31 4.2.4.1 Khái niệm 31 4.2.4.2 Phân loại 31 4.2.5 Di chuyển bàn trục 33 4.2.6 Điều khiển nhiệt dộ 34 4.2.6.1 Giới thiệu bóng đèn halogen 34 CHƢƠNG 5: MACH ĐIỆN 37 5.1 Mạch vi điều khiển STM32F103C8T6 37 5.1.1 Mô tả 37 5.1.2 Thông số kĩ thuật 37 5.2 Mạch công suất 38 5.2.1 Mô tả 38 5.2.2 Thông số kĩ thuật 39
9. 5.2.3 Cách điều khiển 39 5.3 Mạch Khuếch đại 40 5.4 Mạch truyền nhận UART 41 5.4.1 Mô tả 41 5.4.2 Các tính năng chính 41 5.4.1 Ứng dụng 41 CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 43 6.1 Tính toán thông số PID cho động cơ 43 6.2 Tính toán điều khiển 46 6.2.1 Sơ đồ khối và lƣu đồ khối 47 6.3 Giao diện tƣơng tác 53 CHƢƠNG 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 55 7.1Thực nghiệm 55 7.2Đánh giá 57 7.3Hƣớng phát triển 57
10. ` DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sản phẩm nhựa 4 Hình 2.2Máy Qualitest 6 Hình 2.3Máy thử mỏi vật liệu 250KN 6 Hình 2.4Máy thử mỏi vật liệu 100KN 7 Hình 3.1Trục chịu uốn thuần túy 9 Hình 3.2Đƣờng Sin của ứng suất tại điểm M 9 Hình 3.3Chi tiết bị phá hủy mỏi 9 Hình 3.4Lƣu đồ điều khiển bộ PID 12 Hình 3.5Đồ thị điều khiển PID trên Matlab 13 Hình 3.6Cửa sổ khởi động Visual Studio 14 Hình 3.7Giao diện Keil C 15 Hình 3.8 Giới thiệu Loadcell 16 Hình 3.9 Cấu tạo Loadcell 17 Hình 3.10Mạch cầu Wheaston của Loadcell 17 Hình 4.1Quy triǹ h thiết kế má y 19 Hình 4.2Sơ đồ nguyên lý cam 20 Hình 4.3Cam mặt 21 Hình 4.4Cam rãnh 21 Hình 4.5Cam trụ 21 Hình 4.6Mô phỏng cơ cấu cam 22 Hình 4.7Nguyên lý tay quay con trƣợt 22 Hình 4.8Đặc điểm của cơ cấu tay quay con trƣợt 23 Hình 4.9Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access 23 Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý của một encoder 28 Hình 4.11 Encoder tuyệt đối 29 Hình 4.12 Encoder tƣơng đối 30
11. Hình 4.13Động cơ NF5475E. 31 Hình 4.14 Loadcell chữ S. 33 Hình 4.15 Thông số AC motor. 33 Hình 4.16Hình đấu dây động cơ điện một pha. 34 Hình 4.17Bóng đèn halogen 35 Hình 4.18Bộ điều khiển nhiệt độ 36 Hình 5.1Kit STM32f103c8t6. 37 Hình 5.2Board công suất. 38 Hình 5.3Sơ đồ nguyên lý board công suất. 39 Hình 5.4 Board khuếch đại . 40 Hình 5.5 Sơ đồ nối dây loadcell với board khuếch đại. 41 Hình 5.6Mạch truyền nhận. 42 Hình 6.1 Cách xác định Tcrit dựa trên hàm quá độ của hệ thống. 44 Hình 6.2 Công thƣc tính thông số PID bằng Zeigler - Nichols. 45 Hình 6.3Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển. 46 Hình 6.4Lƣu đồ nguyên lý hoạt động của máy. 47 Hình 6.5 Sơ đồ truyền nhận tín hiệu. 48 Hình 6.6 Giải thuật tính toán điều khiển hệ thống. 49 Hình 6.7 Nguồn điện áp hệ thống. 50 Hình 6.8 Board điều khiển hệ thống. 50 Hình 6.9 Tủ điện hệ thống. 52 Hình 6.10 Khung máy. 52 Hình 6.11 Giao diện tƣơng tác. 53 Hình 6.12 Các bƣớc thực hiện giao diện. 54 Hình 7.1Mẫu thử nghiệm. 55 Hình 7.2Kết quả thực nghiệm. 56 Hình 7.3PA66 + 30%GF. 56
12. CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Trong cuộc sống thƣờng ngày có rất nhiều các dụng cụ bằng nhựa, khi sử dụng các sản phẩm này nhiều lúc ta phải tác động một lực để làm thay đổi trạng thái của dụng cụ này. Việc thay đổi trạng thái này dƣờng nhƣ không có ảnh hƣởng hay tác động nào đến tính chất của dụng cụ ở trạng thái hiện tại. Tuy nhiên, việc tác động trong một thời gian dài sẽ dẫn đến ở những nơi bị tác động của dụng cụ sẽ bị biến cứng và bị gãy vỡ, đều này dẫn đến dụng cụ không thể sử dụng đƣợc nửa nếu chi tiết gãy vỡ đóng vai trò quang trọng của dụng cụ. Máy kiểm tra độ bền mỏi của sản phẩm nhựa mà nhóm đã nghiên cứu và chế tạo đƣợc ứng dụng để kiểm tra số lần tác động lực đến khi gãy lên dụng cụ đó là bao nhiêu nhằm mục đích kịp thời thay thế những chi tiết đã đạt đến giới hạn mỏi. Sau thời gian mƣời lam tuần nghiên cứu thì nhóm em đã hoàn thành sản phẩm và tiến hành chạy thực nghiệm trên một số mẫu sản phẩm có sẵn cho thấy máy hoạt động ổn định và sai số tƣơng đối nhỏ. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời. Máy thử độ bền mỏi của sản phẩm nhựa là máy dùng để thử các mẫu sản phẩm nhựa nhằm đánh giá độ bền mỏi của sản phẩm trong thực tế. Đây là việc mà hầu hết các công ty sản xuất sản phẩm nhựa quan tâm ,và loại máy này chƣa có mặt tại Việt Nam. Đây là máy chƣa sản xuất ở Việt Nam cho nên đề tài “ Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí máy thử độ bền mỏi của sản phẩm nhựa” có tính cần thiết, bắt kịp nhịp phát triển khoa học kĩ thuật trên thế giới 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Máy tạo điều kiện tác động vào sản phẩm nhƣ khi sản phẩm đƣợc sử dụng ngoài thực tế. Có khả năng tự động hóa và giao tiếp máy tính. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Thử độ bền mỏi của các loại sản phẩm nhựa. 1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu Độ bền mỏi của các sản phẩm nhựa. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế bộ điều khiển. Xây dựng giải thuật điều khiển. 1
13. Hoàn thiện việc điều khiển. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phƣơng pháp luận Dựa trên lý thuyết độ bền mỏi của vật liệu. 1.5.2 Phƣơng pháp nghiên cứu cụ thể Tham khảo tài liệu: đây là phƣơng pháp nghiên cứu cơ bản và đóng vai trò tiên quyết. Nhóm thực hiện ngoài việc sử dụng sách báo, tài liệu, tƣ liệu (nhất là tài liệu chuyên ngành) còn tham khảo, tổng hợp và chắt lọc thông tin trên Internet. Xây dựng một quy trình thiết kế hệ thống. Tính toán thông số, thiết kế, mô phỏng trên máy tính. Tham khảo ý kiến đóng góp của giáo viên hƣớng dẫn và quý thầy cô có kinh nghiệm ở trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM trong các lĩnh vực liên quan đến đề tài mà nhóm đang nghiên cứu. Tìm hiểu các tài liệu và thiết kế hiện có trong và ngoài nƣớc. Quan sát tổng thể hệ thống sau đó đi sâu vào từng bộ phận để giải quyết vấn đề. Thí nghiệm và khắc phục nhƣợc điểm hệ thống. 1.6 Kết cấu đồ án Đồ án gồm có 6 chƣơng vói nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1 : Nêu lên tính cấp thiết của đề tài, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, Mục tiêu nghiên cứu của đề tài, Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Chƣơng 2 :Giới thiệu chung về tinh hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về lĩnh vực nghiên cứu. Chƣơng 3 : Trình bày các cơ sở lý thuyết đƣợc dung trong đồ án nhƣ: lý thuyết độ bền mỏi, lý thuyết về bộ điều khiển PID, Chƣơng 4 : Trình bày các phƣơng hƣớng và phƣơng pháp trong thiết kế. Chƣơng 5 : Trình bày sơ lƣợc về cơ khí và tính toán điều khiển. Chƣơng 6 :Tiến hành thực nghiệm và nêu ra những đánh giá sơ bộ ƣu, nhƣợc điểm của đồ án. 2
14. CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ 2.1 Giới thiệu về vật liệu nhựa Thế giới: Với lịch sử phát triển phong phú của mình, vật liệu nhựa đã đƣợc nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới biết đến. Việc nghiên cứu và áp dụng thành công vật liệu này đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới áp dụng. Cho đến nay thì vật liệu nhựa đã đƣợc sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện để bảo vệ bảng mạch bên trong ôtô. Dựa trên những ƣu thế đặc biệt nhƣ giảm trọng lƣợng, tiết kiệm nguyên liệu, tăng độ chịu ăn mòn, giảm độ rung, tiếng ồn và tiết kiệm không gian cho máy móc. Ngành hàng không vũ trụ sử dụng vật liệu này vào việc cách điện, chống thấm nƣớc, bảo vệ linh kiện điện tử, board mạch điều khiển quan trọng Trong ngành công nghiệp điện tử đƣợc sử dụng để sản xuất các chi tiết chân đế cho các bảng mạch và các linh kiện. Ngành công nghiệp đóng tàu, xuồng, ca nô; các ngành dân dụng nhƣ y tế (hệ thống chân, tay giả, răng giả, ghép sọ và các ngành dân dụng, quốc tế dân sinh khác. Việt Nam: Vật liệu nhựa đƣợc áp dụng hầu hết ở các ngành, các lĩnh vực của nền kinh tế. Tính riêng nhựa dùng để sản xuất sản phẩm đƣợc tiêu thụ ở Việt Nam khoảng 5.000 tấn mỗi năm. Các ngành thiết bị giáo dục, bàn ghế, các giải phân cách đƣờng giao thông, bảo vệ các hệ thống điều khiển của tàu xuồng và ghế ngồi, thùng rác công cộng bằng nhựa tổng hợp, hộp giảm sốc cho các thiết bị quan trọng Việt Nam đã và đang ứng dụng vật liệu nhựa vào các lĩnh vực điện dân dụng, hộp công tơ điện, sào cách điện, đặc biệt là sứ cách điện. Tầm quan trọng của vật liệu nhựa Giao thông vận tải: bảo vệ cho các board mạch của ô tô, xe lửa khỏi các tác động có hại nhƣ rò rỉ nƣớc, nhiên liệu, điện Hàng hải: Làm các chi tiết cách điện cho thuyền, tàu, xuồng cao tốc Hàng không: thay thế vật liệu sắt, nhôm để làm tay nắm cửa trong máy bay dân dụng, quân sự. Quốc phòng: bảo vệ chi tiết điều khiển cho những phƣơng tiện chiến đấu: tàu chiến, xuồng cao tốc, máy bay, xe tăng Thiết bị: dụng cụ, phƣơng tiện phục vụ 3
15. cho việc sản xuất nghiên cứu trong quân đội nhƣ: bồn chứa nƣớc hoặc hóa chất, khay trồng rau, bia tập bắn Công nghiệp hóa chất: Bồn chứa dung dịch acid (thay gelcoat bằng epoxy hoặc nhựa vinyleste). Bồn chứa dung dịch kiềm ( thay gelcoat bằng epoxy). Dân dụng: Sản phẩm trong sơn mài: bình, tô, chén, đũa Sản phẩm trang trí nội thất: khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn Bàn ghế, tủ giả đá, khay, thùng, bồn 4
16. Hình 2.1: Sản phẩm nhựa Trên thế giới việc nghiên cứu tính toán lý thuyết cũng nhƣ tiến hành các thử nghiệm để thiết kế và thử nghiệm độ mỏi vật liệu đã đƣợc nhiều tác giả quan tâm. Các thử nghiệm đo độ mỏi đối với vật liệu thƣờng đòi hỏi chi phí rất lớn chỉ có thể tiến hành tại các nhà máy, các cơ sở nghiên cứu của các hãng sản xuất lớn trên thế giới. Do vậy, gần đây các tác giả thƣờng tập trung vào việc tìm kiếm các phƣơng pháp, công cụ thiết lập và mô hình hoá kết cấu vật liệu để nghiên cứu đánh giá độ bền, độ bền mỏi, độ cứng của nó. Gần đây, vấn đề trên đã đƣợc một số các nhà khoa học của các cơ quan nhƣ Đại học Bách khoa Hà Nội , Học viện Kỹ thuật quân sự, Đại học Giao thông vận tải và một số Viện khoa học kỹ thuật quan tâm, nghiên cứu. Với những hạn chế về chủ quan cũng nhƣ khách quan, đề tài chỉ tập chung chủ yếu nghiên cứu về những cơ sở lý thuyết cho việc đánh giá độ bền mỏi, đồng thời thực hiện tính toán, kiểm nghiệm cho các loại vật liệu kim loại. 2.1.1 Sản phẩm khóa nhựa: Sử dụng cho các vật dụng nhƣ nón bảo hiểm, balo túi xách , đƣợc chế tạo từ các loại vật liệu nhƣ nhựa PP, PA và thêm vào một số phụ gia cần thiết khác. Việc kiểm tra khóa nhựa nhằm chọn ra thành phần hóa học cho ra độ bền mỏi phù hợp với từng chức năng riêng biệt. mỏi phù hợp với từng chức năng riêng biệt. 2.2 Thiết bị thử kéo nén 2.2.1 Sơ lƣợc về máy kéo nén 5
17. Thiết bị kiểm tra độ bền mỏi vật liệu là thiết bị dùng kiểm tra độ bền mỏi của vật liệu nhựa nhằm chọn vật liệu nhựa có độ bền phù hợp với từng loại sản phẩm và từng yêu cầu sử dụng khác nhau. Thiết bị thử độ bền mỏi hoạt động nhờ một cơ cấu kẹp chuyên dụng dùng để giữ sản phẩm thử, và cơ cấu chấp hành thực hiện chuyển động tịnh tiến. Thiết bị thử độ bền mỏi của sản phẩm sau khi đƣợc ép. Tính chất cần kiểm tra: độ bền mỏi của sản phẩm. 2.2.2 Các loại máy có trên thị trƣờng Máy Qualitest Dùng để xác định độ bền mỏi của cao su và các loại vật liệu nhƣ nhựa ở các điều kiện tác động có chu kỳ. Hãng sản xuất: Qualitest Hình 2.2:Máy Qualitest Tính năng: Điều chỉnh tốc độ 35-300 (chu kỳ / phút). Số lƣợng chu kỳ có thể đƣợc điều chỉnh bởi ngƣời sử dụng. Khoảng cách của kẹp (tối đa 100 mm), có thể điều hỉnh đƣợc để công cụ này cũng có thể đƣợc sử dụng với các mẫu không phải với hình dạng tiêu chuẩn. Lên đến 16 mẫu thử nghiệm có thể đƣợc gắn kết cùng một lúc. Ƣu điểm: cả hai ngàm di chuyển theo hƣớng ngƣợc nhau, do đó sẽ giúp giảm mức độ rung và tiếng ồn thƣờng thấy so với các máy kiểm tra độ bền mỏi khác Máy thử mỏi vật liệu 250KN (2) 6
18. Hình 2.3:Máy thử mỏi vật liệu 250KN Xuất xứ: Thụy Sỹ Tính năng: Khả năng thử động Max: ± 250 KN. Độ chính xác của máy theo tiêu chuẩn ISO 7500-1, ASTM E4: Từ 2.5 kN ~ 250 kN Grade 0.5 Từ 1 kN ~ 2.5 kN Grade 1 Độ chính xác biến dạng uốn theo tiêu chuẩn ASTM E1012: < 5%. Hành trình pít tông: 100 (±50) mm. Độ phân giải dịch chuyển: <0.001mm. Độ chính xác dịch chuyển: ± 0.5% Máy thử mỏi vật liệu 100KN (3) 7
19. Hình 2.4: Máy thử mỏi vật liệu 100KN Xuất xứ: Thụy Sỹ Tính năng: Khả năng thử động Max: ± 100 KN. Độ chính xác của máy theo tiêu chuẩn ISO 7500-1, ASTM E4: Từ 2.5 kN ~ 250 kN Grade 0.5 Từ 500 N ~ 1000N Grade 1 Độ chính xác biến dạng uốn theo tiêu chuẩn ASTM E1012: < 5%. Hành trình pít tông: 100 (±50) mm. Độ phân giải dịch chuyển: <0.001mm. Độ chính xác dịch chuyển: ± 0.5% Ghi chú : (1), (2), (3): lấy từ Catalogue của Công ty cổ phần thiết bị và dịch vụ công nghệ chính xác INSTEC. 8
20. CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cơ sở lý thuyết độ bền mỏi 3.1.1 Khái niệm Trong nhiều chi tiết máy, dƣới tác dụng của tải trọng, ứng suất trên mặt cắt biến đổi tuần hoàn theo thời gian.Xét độ bền của một chi tiết hình trụ. Xét một điểm M trên mặt ngoài của trục chịu uốn thuần túy phẳng quay với vận tốc góc ω (rad/s) Hình 3.1 : Trục chịu uốn thuần túy Ta thấy ứng suất tại M biến thiên tuần hoàn theo thời gian với một hàm số hình sin. Nhƣ vậy với một vòng quay của trục, ứng suất tại M lại lần lƣợt qua các giá trị cực đại và cực tiểu, hai giá trị này bằng nhau nhƣng khác dấu. Hình 3.2 : Đƣờng Sin của ứng suất tại điểm M Ngƣời ta gọi hiện tƣợng vật liệu bị phá hoại do ứng suất thay đổi theo thời gian là hiện tƣợng mỏi của vật liệu. Nhận xét: khi chi tiết bị phá hũy mỏi ta thấy ở mặt cắt bị phá hoại có hai miền phân biệt, một miền nhẳn và một miền xù xì gợn hạt giống nhƣ sự phá hũy của vật liệu giòn, mặc dù vật liệu chế tạo là vật liệu dẽo. Từ đó ngƣời ta đƣa ra giả thuyết về sự phá hoại do hiện tƣợng mỏi nhƣ sau: Hình 3.3 : Chi tiết bị phá hủy mỏi 9
21. Khi chịu tác dụng của ứng suất thay đổi, tuy giá trị của các ứng suất còn thấp hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu, nhƣng những biến dạng dẽo rất nhỏ đã xuất hiện.Những biến dạng dẽo rất nhỏ này lúc đầu hình thành trên toàn bộ thể tích của vật thể, sau chỉ phát triển ở những nơi bị yếu nhất có sự tập trung của ứng suất. Dần dần vùng biến dạng dẽo cục bộ này phát sinh thành những vết nứt rất bé. Do ứng suất thay đổi, các vết nứt phát triển lên và hai mặt bên của vết nứt va đập vào nhau làm cho hai mặt đó dần dần nhẵn đi. Do vết nứt phát triển, diện tích mặt cắt bị nhỏ dần và cuối cùng khi mặt cắt không đủ để chịu lực nữa thì thanh bị phá hoại đột ngột mà không có biến dạng dƣ lớn. 3.1.2 Quá trình phá hủy mỏi Hiện tƣợng phá hủy mỏi đƣợc phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và giới hạn mỏi dƣợc coi là một trong những chỉ tiêu tính toán chủ yếu để xác tịnh kích thƣớc chi tiết.thực tiễn cho thấy khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do các vết nứt mỏi gây ra. Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi.quá trình phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ sinh ra từ vùng chi chi tiết chịu ứng suất tƣơng đối lớn. Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng. 3.1.3 Quá trình phá hủy mỏi Hiện tƣợng phá hủy mỏi đƣợc phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và giới hạn mỏi dƣợc coi là một trong những chỉ tiêu tính toán chủ yếu để xác tịnh kích thƣớc chi tiết.thực tiễn cho thấy khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do các vết nứt mỏi gây ra. Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi.quá trình phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ sinh ra từ vùng chi chi tiết chịu ứng suất tƣơng đối lớn. Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng. 3.1.4 Đƣờng cong mỏi Đƣờng cong mỏi thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất (ứng suất trung bình hoặc ứng suất lớn nhất) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N của chi tiết máy tới khi hỏng hoàn toàn. Giới hạn bền mỏi 10