ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY KÉO NÉN THỬ ỨNG SUẤT VẬT LIỆU NHÔM 

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.. 3

LỜI CẢM ƠN.. 4

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SỨC BỀN KÉO NÉN.8

1.1.      Giới thiệu chung:8

1.2.      Chế tạo khung máy chính:9

1.3.      Thí nghiệm mẫu thử dẻo:10

1.4.     Lý thuyết chung về nhôm và hợp kim nhôm.. 10

1.4.1 Khái niệm chung :10

1.4.2. Tính chất của nhôm.. 11

1.4.3. Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm trong trạng thái đúc. 14

1.4.4 Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm sau khi gia công áp lực. 16

1.4.5 Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim nhôm.. 16

1.4.6. Thí nghiệm xây dựng đường cong hoá bền. 19

1.4.7. Thử kéo. 20

1.4.8 Thí nghiệm nén. 25

1.5.Các phương pháp kiểm tra kéo nén:26

1.5.1 Kiểm tra độ bền kéo nén là gì và khi nào cần sử dụng kéo nén ?. 26

1.5.2 Mục đích kéo nén :27

1.5.3 Cơ lý thuyết28

1.5.4. Mẫu thí nghiệm.. 28

1.5.5 Dụng cụ thí nghiệm.. 30

1.5.6 Chuẩn bị thí nghiệm.. 30

1.5.7  Tiến hành thí nghiệm.. 31

1.5.8 Đo đạc sau khi thí nghiệm.. 33

1.5.9 Tính toán kết quả thí nghiệm.. 33

1.5.10 Khái niệm về trạng thái giới hạn. 33

Chương 2: GIỚI THIỆU CÁC LOẠI MÁY, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY HIỆN CÓ.35

2.1. Tổng quan về sản phẩm.. 35

2.2.2 Máy kéo nén vạn năng WE-1000B.. 36

2.2.3Máy kéo thép vạn năng 100kn hiển thị đồng hồ cơ. 37

2.2.4 Máy kéo nén vạn năng WEW-1000B-JINGYUAN.. 38

2.2.5 Máy kéo thép thí nghiệm 2000KN.. 39

2.2.6 Máy kéo thép vạn năng 1000KN.. 40

2.2.7 Máy kéo nén vạn năng 600KN.. 41

2.3. Nguyên lý hoạt động của máy hiện tại41

Chương 3:   TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA MÁY.55

3.1. Chi tiết trục. 55

3.1.1 Khái niệm chung. 55

3.1.2 Kết cấu trục. 55

3.1.3. Các dạng hỏng trục. 55

3.1.4. Vật liệu chế tạo trục. 56

3.1.5. Thông số thép S45C.. 56

3.1.6 Lực dọc trục và tiết diện mặt cắt ngang. 59

3.2 Chi tiết tay đòn.61

3.2.1 Thông số thép C45.61

3.2.2 Lực uốn tay đòn và mặt cắt ngang. 62

Chương 4 : THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY.. 65

Chương 5 KẾT LUẬN.. 66

`TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 67

Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO SỨC BỀN KÉO NÉN.

1.1.          Giới thiệu chung:

Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng là công cụ rất cần thiết của các phòng thí nghiệm cơhọc , trung tâm kiểm định, trường đại học, nhà máy sản xuất. Nó cho phép thực hiện các thí nghiệm kéo, nén để xác định các thông số cơ học của vật liệu như thép, bê tông, gỗ, chất dẻo hay cấu kiện cần thí nghiệm đểđáp dụng trong các lĩnh vực xây dựng và cơ khí chế tạo. Do các máy thí nghiệm vạn năng đều là thiết bị chuyên dùng nên yêu cầu độ chính xác rất cao, ổn định khi sử dụng, khả năng thực hiện các thí nghiệm đa dạng trên nhiều loại vật liệu khác nhau. Việc chế tạo các máy thí nghiệm loại này yêu cầu cao về gia công cơ khí, thiết kế và lắp ráp các mạch xử lý tín hiệu đo vàđiều khiển. Bên cạnh đó nó cũng yêu cầu người thiết kế phải có kiến thức về xử lý số liệu thí nghiệm và am hiểu về các tiêu chuẩn thí nghiệm có liên quan.

Tại Việt Nam, phần lớn các máy thí nghiệm đều được nhập khẩu từ nước ngoài, một số rất nhỏ được chế tạo trong nước.Các dòng máy chất lượng cao được nhập từ Mĩ và Châu Âu thường có giá rất cao.Các máy nhập từ Trung Quốc thường có chất lượng thấp, làm việc không ổn định. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu khoa học và thí nghiệm vật liệu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thành công máy thí nghiệm kéo nén thanh nhôm được gia tải bằng con đội với hệđo lường điều khiển, xử lý số liệu thí nghiệm có sự hỗ trợ của máy tính.

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI  NGHIÊN CỨU

Một trong những vấn đề đặt ra cho việc thiết kế và chế tạo mô hình máy kéo nén là nghiên cứu, đánh giá, phân tích ổn định các khoảng cách trục, gia công đồ gá kẹp mẫu thử , phương pháp gia công, kết cấu máy, thiết kế có hợp lý .

Trong những năm gần đây, để khắc phục những khó khăn các lời giải tích cũng như phương pháp thực nghiệm và thí nghiệm các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều phương pháp làm cơ cấu kẹp khác nhau.Phương pháp kẹp bằng chấu cặp là phương pháp đa số được sử dụng trong những máy kéo nén lớn.

Với các lý do trên, đề tài tốt nghiệp của chúng em được chọn là: “ Thiết kế mô hình kéo nén nhôm

2. Mục đích, nội dung, phương pháp, phạm vi nghiên cứu.

• Mục đích của đề tài

Thiết kế ra máy kéo nén và chương trình do lường khoảng cách dịch chuyển của bánh răng – thành răng biến đổi thành xung, trọng lượng đè lên loadcell, xác định ứng suất và biến dạng của tấm tayđòn. Thông qua các thí nghiệm mẫu thử trên máy, phân tích ảnh hưởng của trục nén không đồng tâm với trục ở dưới, đồng thời thử nghiệm trên máy kéo nén kết nối với thiết bị máy tính để xử lý số liệu kết quảđo qua các phần mềm.

Tìm sự liên hệ giữa lực và biến dạng của vật liệu khi nén mẫu, từđóxác định đặc trưng có tính của vật liệu: Giới hạn bền và giới hạn kéo đối với nhôm

Tổng hợp các tài liệu về hệ thống thử nghiệm kéo nén và phần mềm

• Nội dung nghiên cứu của đồán

1. Tìm hiểu và phân tích nguyên lý hoạt động của máy, phân tích biến dạng ở tay đòn trên và tay đòn giữa
2. Lên bản mô hình khung máy và tính toán ra trục cần sử dụng đểtayđòn lắp vào k bị biến dạng trục.
3. Tiến hành tính toán, thử nghiệm các mẫu thử kéo nén để lấy biểu đồ lực tối đa để phá vỡ mẫu thử.

1.2.          Chế tạo khung máy chính:

Khung máy được thiết kệ dựa trên nguyên lý tạo lực kép để có thể cùng tạo ra lực kéo và nén. Mẫu thử được đặt giữa hai khoảng không vị trítayđòn. Khoảng không này được điều chỉnh thông qua trục trơn và tay đòn giữa .Chuyển động của bàn gia tải được điều khiển chính xác bằng côn đội. Các thành phần chínhcủa khung máy được chế tạo bao gồm: đế máy, tayđòn dưới, tay đòn giữa, tay đòn trên, trục trơn, và đồ gá phục vụ cho thí nghiệm kéo.

1.3.          Thí nghiệm mẫu thử dẻo:

Vật liệu thí nghiệm là nhôm

Để có thể so sánh các kết quả thí nghiệm với nhau.mẫu thí nghiệm hình dạng và kích thước quy định(xem TCVN 197-66). Mẫu thí nghiệm có hình dạng hình trụ. Đoạn xét nghiệm có đường kính ban đầulàvà chiều dàilà. Theo  tiêu chuẩn Việt Nam đường kínhcó thể lấy từ 3÷25mm và chiều dài lấy từ 5÷ 10 lần đường kính.Đề phòng mẫu thử có thể phá hại ngay tại các chỗ cặp giữa mẫu và máy thí nghiệm ta thường gia công hai đầu mẫu có đường kính lớn hơn đường kínhđoạn thí nghiệm..

1.4.     Lý thuyết chung về nhôm và hợp kim nhôm

1.4.1 Khái niệm chung :

Ngày nay nhôm là kim loại rất quen thuộc trong đời sống con người. Tuy vậy, về mặt lịch sử nhôm thuộc loại các nguyên tố “trẻ”.Nhôm được tìm ra năm 1808. Công lao ấy thuộc về Davy. Nhờ các phản ứng hoá học ông đã tách được nguyên tố kim loại nhẹ, có màu sáng và gọi tên là alumin.

Bắt đầu từ những năm 30 của thứ kỷ 19 người ta đã sản xuất nhôm trên quy mô công nghiệp bằng phương pháp hoá học.Tuy nhiên sản lượng hàng năm rất nhỏ.

Tính từ năm 1854 đến 1890 toàn thế giới sản xuất được khoảng 200 tấn nhôm. Vào những năm cuối cùng của thế kỷ 19 tức là từ năm 1890 nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch oxyt nhôm ( ) nóng chảy trong criolit (). Nhờ phương pháp mới này sản lượng nhôm tăng lên nhanh chóng. Chỉ trong vòng 9 năm từ 1890 đến 1899 thế giới sản xuất được 28.000 tấn nhôm. Riêng năm 1930 sản lượng nhôm đạt tới 270.000 tấn.Năm 1968 sản lượng nhôm là 8.386.200 tấn.Từ năm 1960 hàng năm sản lượng tăng 15%, những năm gần đây chỉ tăng 5%/năm.

Ngày nay, khi nhịp độ sản xuất nhôm tăng lên mạnh hơn, vị trí của vật liệu kim loại này được lên hàng thứ hai sau thép.

Hợp kim Al đầu tiên ra đời vào năm 1906. Đó là hợp kim do Alfred Wienmer tìm ra; hiện nay được phát triển thành các đura trên cơ sở hệ Al-Cu-Mg đang dược sử dụng rộng rãi.

Sản lượng và nhu cầu ứng dụng nhôm so với các kim loại kết cấu khác tăng lên không ngừng

Những ưu điểm chính của nhôm là trọng lượng riêng nhỏ; độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khá tốt

Độ bền riêng của hợp kim nhôm khoảng 16,5, trong khi đó của thép là 15,4.

Vì vậy, khi ứng dụng hợp kim nhôm làm vật liệu kết cấu, nó tỏ ra có những ưu điểm lớn.

Về mặt trữ lượng, nhôm nhiều hơn sắt. Theo tính toán, nhôm chiếm 8,8% còn sắt chỉ chiếm 5,1% trọng lượng vỏ trái đất.

1.4.2. Tính chất của nhôm

1.4.2.1. Đặc điểm về tổ chức

Nhôm có số thứ tự 13, thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn Mendeleev. Cấu hình điện tử của nhôm có dạng sau: .

Thế oxi hoá của điện tử lớp 3p bằng 5,98 eV, của điện tử 3s bằng 18,82 và 28,44 eV. Tương ứng vớicác thế ion hoáấy, có thể xuát hiện các ion . Bên cạnh oxyt  rất bền có thể xuất hiện các hợp chất , AlF, AlCl rất kém ổn định.

Độ lớn của hạt nhôm khi kết tinh phụ thuộc vào lượng tạp chất. Với điều kiện kết tinh như nhau, nhôm sạch 99,8% có độ hạt từ 1 – 2mm, còn nhôm sạch 99,99% có thể nhận được hạt với kích thước tới 10mm.

Nhôm kết tinh ở dạng mạng lập phương tâm mặt (),chy kỳ mạng a=0,40413mm.

1.4.2.2. Tính chất của nhôm

a) Tính chất vật lý

Một số tính chất vật lý quan trọng của nhôm trình bày trong bảng 1.1

Thiết diện ngang hấp thụ nơtron nhiệt của nhôm khá nhỏ, bằng 0,23 barn/nguyên tử

 

Tính chất	Al
Số thứ tự	13
Nguyên tử lượng	26,981
Khôi lượng riêng ở, g/	2,698
Nhiệt độ chảy lỏng, ºC	660,24
Nhiệt độ sôi,ºC	2520
Đường kính nguyên tử, nm	0,286
Nhiệt ẩn chảy lòng, KJ/kg	389,37
Nhiệt ẩn hoá hơi, kJ/kg	10885
Tỷ nhiệt ở, J/(kg.K)	961,7
Độ dẫn nhiệt ở, W/(m.K)	221,5
Hệ số dãn nở nhiệt ở, .	23,3
Điện trở suất ở, μΩ.m	0,02767
Mođun đàn hồi E.Gpa	70,6
Mođun trượt, GPa	27

 

Nhôm làkim loại có nhiệt độ chảy thấp. Nhiệt độ nóng chảy củua nó phụ thuộc vào độ sạch

Nhôm 99,99% nóng chảy ở 660,24ºC nhưng nhôm 99,5% sẽ nóng chảy thấp hơn ở 658ºC.

Nhôm rất nhẹ, mật độ của nó là 2,7g/

Độ dẫn nhiệt, dẫn điện của nhôm phụ thuộc vào lượng tạp chất ( Hình 1.1 và 1.2)

Nhôm sạch 99,07% dẫn điện bằng khoảng 65,5% so với CU, còn nhôm sạch 99,5% dẫn điện kém hơn. chỉ bằng 61,6%

Ở 200ºC, nhôm sạch 99,49% có độ dẫn nhiệt là 0,500 kcal/cm.s.độ; khi độ sạch tăng lên 99,9%, nhôm có độ dẫn nhiệt là 0,82 kcal/cm.s.độ.

Hình 1.1.Ảnh hưởng của một số nguyên tố đến độ dẫn nhiệt của Al

 

Hình 1.2.Ảnh hưởng của một số nguyên tố đến độ dẫn điện của Al.

 

b) Cơ tính

Độ bền, cứng của nhôm phụ thuộc lượng tạp chất và trạng thái gia công biến dạng. Nhôm sạch 99,996% sau cán nguội có độ bền nhỏ, =114,1Mpa; sau khi ủ độ bền càng nhỏ hơn, =48,1Mpa. Độ dãn dài tương ứng với hai trạng thái làδ=5,5% và 48,8%.

Nhiệt độ kết tinh lại của nhôm tương đối thấp và cũng phụ thuộc vào độ sạch.

Sau khi biến dạng nguội, nhôm sạch 99,994% bắt đầu kết tinh lại ở 150ºC vàở 270ºC quá trình kết tinh lại kết thúc.

Đối với nhôm siêu sạch 99,999% quá trình kết tinh lại xảy ra ngay ở -37ºC và hoàn thành sau một vài ngày đêm.

1.4.3. Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm trong trạng thái đúc

1.4.3.1. Vai trò của tổ chức khi đúc đối với tính chất của bán thành phẩm

Tổ chức và tính chất các bán thành phẩm biến dạng phụ thuộc rất nhiều vào tổ chức thỏi đúc.Chất lượng thỏi đúc bên trong quyết định bởi hình dáng, kích thước hạt và tổ chức bên trong.Hạt trong thỏi đúc có thể thô to hoặc nhỏ mịn. Hình dạng của chúng có thể đều trục, kéo dài... Cấu trúc bên trong hạt được quyết định bởi hình dáng và kích thước nhanh cây kết tinh trước, cũng như bởi kích thước, sự phân bố của các hợp chất hoáhọc( pha liên kim loại).

Cơ tính của vật liệu chịu ảnh hượng chủ yếu bởi cấu trúc bên trong hạt ở trạng thái đúc, cũng như sau khi nhiệt luyện.Cấu trúc bên trong hạt càng hoàn hảo, độ bền, độ dèo càng cao.

Kích thước hạt của thỏi đúc nhỏ, sẽ càng nhỏ hơn do qúa trình biến dạng. Nếu tiến hành ủ kiết tinh lại, số lượng tâm mầm sẽ càng nhiều.Đó chính là bản chất của tính di truyền tổ chức đúc, yếu tốảnh hưởng quyết định đến tổ chức, tính chất bán thành phẩm khi biến dạng.     

1.4.3.2 Đặcđiểm của tổ chức hợp kim sau đúc

Có nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến độ lớn của hạt trong thỏi đúc

Tốc độ nguội lớn .nhiệt độ rót khuôn thấp, vật lẫn phi kim loại không tan, tác dụng của biến tính, của siêu âm... Các yếu tốấy sẽ làm nhỏ hạt khi kết tinh.

Nếu nhưảnh hưởng đến độ lớn của hạt có nhiều yếu tố khác nhau thìảnh hưởng đến sự hoàn hảo của cấu trúc bên trong, đến kích thướcbloc( siêu hạt) chủ yếu là tốc độ nguội.

Để tăng cơ tính của hợp kim nhôm đúc, cần tạo ra tổ chức hạt nhỏ và siêu hạt mịn.

Ngiên cứu đặc điểm phân bố tạp chất và thành phần pha khi đúc hợp kim nhôm, cần dựa vào giản đồ pha. Nhưđã trình bày ở trên, các hợp kim nhôm thông thường khi kết tinh tuân theo hai dạng giản đồ: cùng tinh và bao tinh

Phụ thuộc vào tốc độ nguội khi kết tinh, khả năng khuếch tán trong trạng thái rắn và lỏng cũng như giản đồpha, tổ chức sau khi đúc có các đặc điểm khác nhau

Để rút ra đặc điểm chung về tổ chức của hợp kim nhôm khi kết tinh theo giản đồ dạng cùng tinh, ta xét hợp kim I hình 1.3

Hình 1.3. Xét kết tinh hợp kim hệ cùng tinh

Hình 1.4. Xét kết tinh hợp kim hệ bao tinh.

1.4.4 Tổ chức và tính chất của hợp kim nhôm sau khi gia công áp lực

Nhôm vàđa số các hợp kim của nó có độ dẻo cao. Bằng phương pháp gia công áp lực, trong thực tế người ta chế tạo hầu hết các bán thành phẩm biến dạng tấm, ống, thanh...

Gia công áp lực có thể là gia công nóng ở nhiệt độ 350-450ºC, cũng có thể là gia công nguội.

1.4.5 Đặc điểm nhiệt luyện hợp kim nhôm

Mục đích của gia công nhiệt luyện là làm thay đổi tổ chức bên trong của chi tiết, do vậy dẫn đến thay đổi tính chất của nó.

Biết rằng nhôm không có chuyển biến thù hình, cho nên nhiệt luyện hoá bền hợp kim nhôm dựa trên đặc tính hình thành dung dịch rắn quá bão hoà và quá trình phân hoá nó tiếp theo để tạo ra các pha phấn tán hoá bền.

Các dạng nhiệt luyện hợp kim nhôm chủ yếu gồm ủ, tôi và hoá già.

1.4.5.1 Ủ

Ủ nhôm là nguyên công nhiệt luyện gồm nung nóng hợp kim lên  nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt, làm nguội chậm để nhận được tổ chức cân bằng. Các dạng tổ chức không cân bằng thường gặp trong nhôm và hợp kim nhôm là:

-         Tổ chức không cân bằng sau đúc gồm thiên tích, các tổ chức cùng tinh hoặc bao tinh thừa...

-         Tổ chức không cân bằng sau biến dạng dẻo.

-         Tổ chức không cần bằng sau nhiệt luyện.

a)     Ủđồng đều hoá

Đồng đều hoá là nguyên công nhiệt luyện đầu tiên sau khi đúc.Chế độ dồng đều hoá bao gồm nung nóng chi tiết lên nhiệt độ đồng đều hoá, giữ nhiệt một thời gian, sau đó là nguội.

Nguyên tắc chọn nhiệt độủ đồng đều hoá, cần đảm bảo năng suất cao, chất lượng tổ chức nhận được tốt.

Đồng đều hoáở nhiệt độ cao ngoài tác dụng rút ngắn thời gian còn cải thiện cơ tính thỏi đúc theo thiết diện ngang.

Nhiệt độủ đồng đều hoá các hợp kim nhôm thông dụng thường được chọn khoảng 450-520ºC.

Thời gian giữ nhiệt khi ủ đồng đều hoá phụ thuộc kích thước chi tiết và độ lớn phần tửpha thứ hai. Thông thường thời gian này kéo dài từ 4 đến 10 giờ.

b)     Ủ kết tinh lại

Ủ kết tinh áp dụng cho các chi tiết sau khi bị biến dạng nguội.Mụcđích của ủ kết tinh lại là làm cho quá trình kết tinh lại xảy ra hoàn toàn nhưng độ hạt phải nhỏ.

Trong thực tế đối với các hợp kim nhôm, người ta thường chọn nhiệt độủ kết tinh lại khoảng 50-150ºC, cao hơn nhiệt độủ kết tinh lại lần thứ nhất.

c)     Ủ các hợp kim đã hoá bền bằng nhiệt luyện

Mục đích của dạng ủ này là thải bền. Tốc độ nguội khi ủ phải nhỏ, thường chọn 30ºC/h. Mặt khác để rút ngắn thời gian, tăng năng suất, người ta phải chon nhiệt độủ hợp lý. Nhiệt độủ chọn quá cao, thời gian nguội khi ủ sẽ lớn.Ngược lại nếu chọn thấp, thời gian giữ khi ủ sẽ phải dài.

1.4.5.2. Tôi

Tôi hợp kim nhằm tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà. Đối với thép khi tôi có chuyển biến mactenxit là chuyển biến không khuyếch đại và đổi dạng thù hình Feγ →Feα. Nhưng đối với hợp kim nhôm thì khác hẳn, khi tôi không có chuyển biến thù hình. Dung dịch rắn quá bão hoà nhận được do khuyếch tán tiết pha thứ hai bị ngăn cản khi làm nguội với tốc độ lớn.

Như vậy chỉ những hợp kim nhôm mà độ hoà tan của các nguyên tố hợp kim trong dung dịch rắn giảm dần khi hạ nhiệt độ thì mới có thể tôi.

Hình 1.5. Chọn nhiệt độ tôi hợp kim nhôm

Tốc độ nguội khi tôi nhôm

Đểđảm bảo được dung dịch rắn quá bão hoà, tốc độ nguội khi tôi nhôm phải lớn hơn tốc độ nguội tới hạn. Tốc độ nguội tới hạn xác định theo giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của dung dịch rắn quá nguội hình 1.6

 

Hình 1.6. Giản đồ phân huỷ đẳng nhiệt

Tốc độ nguội tới hạn của hầu hết hợp kim nhôm nhỏ hơn tốc độ nguội trong nước. Vì vậy các hợp kim nhôm công nghiệp đều có thể dùng nước làm môi trường tôi.

1.4.6. Thí nghiệm xây dựng đường cong hoá bền

Ta khảo sát hiện tượng biến dạng trong thí nghiệm kéo một chiều mẫu thửkim loại. Mục đích của thí nghiệm kéo là xác định các thuộc tính cơ học kim loại, xây dựng đường cong hoá bền ( đường chảy dẻo ). Trong quá trình thí nghiệm, các thiết bị tự động vẽ giản đồ sự phụ thuộc giữa ứng sất ϭ và mức độ biến dạng tương đối ԑ của mẫu thử.

Để có thể so sánh các kết quả thí nghiệm các mẫu thử có kích thước khác nhau nhưng được chế tạo từ cùng một loại vật liệu.

Kết quả thí nghiệm xác định các thuộc tính cơ học của vật liệu phụ thuộc vào hình dạng mẫu thử, vận tốc biến dạng,... Chính vì vậy, các thí nghiệm phải được tiến hành trong các điều kiện chuẩn theo quy định của Nhà nước.

Đểđo được các thông số như: lực biến dạng, mức độ biến dạng, thời gian biến dạng... cần có các thiết bịđo lường chuyên dụng với độ chính xác cao.

Phương pháp kéo tải trọng tĩnh là phương pháp thử nghiệm phổ biến nhất, bởi so với các phương pháp thử nghiệm khác trong cùng một thời gian thí nghiệm, kết quả thử kéo cóđộ chính xác đủ tin cậy nhất đểđánh giá các thuộc tính cơ học kim loại trong quá trình biến dạng.

Trên hình 1.7 biểu diễn các loại mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn Nhà nước.

Hình 1.7. Các mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn

1.4.7. Thử kéo

Các dự liệu của thử nghiệm kéo thường được ứng dụng rất rộng rãi, điển hình nhất là cho phép chúng ta lựa chọn, phân loại vàứng dụng vật liệu một cách hợp lý vàđảm bảo chất lượng cho sản phẩm.Vì vậy, các thí nghiệm cần phải được thực hiện một cách chính xác đểđảm bảo rằng vật liệu đápứng được những yêu cầu hay mục đích ứng dụng nào đó. Các dữ liệu của thử nghiệm kéo cũng được dùng để nghiên cứu và phát triển những quy trình công nghệ mới hay vật liệu mới. Trong lý thuyết dẻo, đường cong kéo ứng suất biến dạng còn được dùng để dựđoán cơ tính của vật liệu.

Trong các dữ liệu của thí nghiệm kéo thì thông số mà chúng ta thường quan tâm nhiều nhất là độ bền. Trước tiên, chúng ta cần nắm rõ mốt số khái niệm như: ứng suất, tác dụng để vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo được gọi là giới hạn chảy, ứng suất kéo lớn nhất tác dụng vào vật liệu trong đường cong ứng suất biến dạng được gọi làđộ bền kéo. Cả hai thông số trên đều rất quan trọng.Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn vềthử nghiệm kéo và một số dạng thí nghiệm cơ học khác, qua đó phân tích dữ liệu của các dạng thí nghiệm này.

1.4.7.1. Các dạng mẫu dùng trog thử nghiệm kéo

Hình 1.8 một số mẫu thử kéo điển hình.

Đối với mẫu thí nghiệm, phần quan trọng là phần tiêu chuẩn, hình 1.8.Diện tích mặt cắt ngang của phần này nhỏ hơn phần đầu kẹp, vì vậy biến dạng sẽ xảy ra ở tại phần này. Chiều dài của phần tiêu chuẩn thường lớn hơn nhiều so với đường kính của mẫu ( thường là 4 lần ). Phần chuyển tiếp (x) cũng phải lớn hơn hoặc bằng đường kính đểđảm bảo quá trình biến dạng không bị dồn nến ở phần chuẩn.

Có nhiều cách kẹp mẫu như được minh hoạ trên hình 1.9, miễn sao cho hệ thống kẹp mẫu phải đảm bảo sao cho tải lớn nhất tác dụng vẫn không có hiện tượng trượt mẫu cũng như biến dạng ở đầu kẹp.Sự uốn cong mẫu cũng cần được hạn chếở mức thấp nhất có thể.

                                                         Hình 1.9 Các cơ cấu kẹp điển hình

1. 4.7.2. Đường cong ứng suất- biến dạng.

Một thử nghiệm kéo bao gồm: gá mẫu lên máy, kéo mẫu, ghi lại sự thay đổi của lực kéo tác dụng lên mẫu. Hình 1.10 là một đường cong ứng suất- biến dạng kỹ thuật điển hình của vật liệu dẻo.

Hình 1.10. Đường cong ứng suất điển hình

Ban đầu, quá trình xảy ra là biến dạng đàn hồi và vật liệu sẽ trở lại trạng thái ban đầu ngay khi bỏ tải. Với các giá trị ứng suất cao hơn, biến dạng dẻo sẽ xảy ra. Việc này tương tự như uốn một dây hoặc một kẹp giấy bởi các ngón tay , chúng ta sẽ phân biệt rõ các giai đoạn biến dạng đàn hồi và giai đoạn biến dạng dẻo. Nếu dây chịu uốn với một lượng nhỏ, nó sẽ trở lại trạng thái ban đầu khi bỏ tải. Tuy nhiên, nếu chịu uốn với các góc uốn lớn hơn, nó chỉ phục hồi lại một phần do biến dạng đàn hồi.

Chúng ta thường xem biến dạng đàn hồi là ứng suất gây ra biến dạng dẻo đầu tiên và đường tuyến tính trên đường cong ứng suất biến dạng được gọi là miền đàn hồi. Cả hai giá trị này đều phụ thuộc vào sự chính xác của thí nghiệm.

Tuy nhiên, trong thực tế có nhiều vật liệu chúng ta rất khó để xác định giới hạn đàn hồi hoặc giới hạn chảy. Để giải quyết các vấn đề này, người ta thường sử dụng các giới hạn chảy quy ước. Đó là ứng suất gây ra hiện tượng biến dạng 0,2% trên vật liệu.Điểm chảy: Trên các đường cong ứng suất biến dạng của một vật liệu (thép cacbon, polyme tuyến tính,...) thường có một giới hạn chảy lớn nhất ban đầu và sau đó là các giá trị thấp hơn. Đối với thép, vùng biến dạng này được gọi là dải Luder. Sự đãn dài tiếp theo xảy ra bởi sự mở rộng của các dải Luder trong vật liệu mà không cần phải là biến dạng bên trong vật liệu. Chỉ khi dãi Luder chạy hết toàn bộ chiều dài phần chuẩn vật liệu thì ứng suất mới bắt đầu tăng lên tiếp. Đối với polyme tuyến tính, giới hạn chảy chính là giá trị ứng suất lớn nhất đầu tiên. Trong khi đó, đối với thép thì điểm chảy thấp hơn sau đó được xem là giới hạn chảy. Ngoài ra, cũng có một số nghiên cứu lấy giá trị trung bình của các điểm chảy trong dải Luder là giới hạn chảy.

Khi đường cong ứng suất biến dạng cho ta sự đồng biến giữa ứng suất và biến dạng thì quá trình biến dạng xảy ra đồng đều dọc theo chiều dài. Với vật liệu dẻo, ứng suất sẽ đạt giá trị lớn nhất trước phá hủy. Khi ứng suất đạt giá trị lớn nhất này, biến dạng cục bộ xảy ra, hình thành các co thắt như hình  1.11.

 

Độ bền kéo: được định nghĩa là giá trị ứng suất lớn nhất trên đường cong ứng suất biến dạng. Với các vật liệu dẻo, độ bền kéo này tương ứng với điểm bắt đầu xuất hiện co thắt. Vật liệu kém dẻo hơn thì phá hủy xảy ra trước khi co thắt, ttrong trường hợp này thì ứng suất lúc phá hủy chính là độ bền kéo. Các vật liệu giòn, phá hủy xảy ra trước khi chảy. Những vật liệu này có độ bền kéo nhưng không có giới hạn chảy.

1.4.7.3 Độ dẻo

Hai thông số thường sử dụng để đặc trưng cho tính dẻo của vật liệu là lượng giãn dài và lượng giảm diện tích mặt cắt ngang lúc phá hủy.

Trong đó, lượng giãn dài được định nghĩa là:

%El= (L_f –L₀)/L₀.100%

Trong đó, L₀ là chiều dài ban đầu, L_f  là chiều dài vật liệu lúc phá hủy.

Độ giảm diện tích mặt cắt ngang lúc phá hủy là:

%RA= (A₀ –A_f)/A₀.100%

Trong đó, A₀ là diện tích mặt cắt ngang lúc ban đầu, A_f là diện tích mặt cắt ngang lúc phá hủy.

Nếu phá hủy xảy ra trước co thắt, thì %EL có thể được tính từ %RA nếu xem như thể tích không đổi.

%El= %RA/(100-%RA).100%

%El và %RA không còn liên quan trực tiếp một khi sự co thắt được hình thành.

1.4.7.4 Ứng suất thực và biến dạng thực.

Nếu thí nghiệm kéo được dùng để dự đoán ứng xử của vật liệu khi chịu tải thì đường cong ứng suất biến dạng thực sẽ cho kết quả dự đoán chính xác hơn. Ứng suất thực được định nghĩa là:

σ = F/A (1)

Trong đó, A là diện tích mặt cắt ngang tại thời điểm ứng với lực bằng F. Trước khi xuất hiện co thắt, biến dạng lực là:

ε = ln(L/L₀) (2)

Khi biến dạng trên vật liệu đồng đều, ta có thể tính giá trị ứng suất và biến dạng thực từ các đại lượng kỹ thuật nếu thể tích vật liệu không đổi.

A₀/A = L/L₀ (3)

Vì vậy, bằng một vài phép biến đổi đơn giản ta có:

σ = s(l+e)  (4)

Thay L/L₀= l+e vào phương trình (2) ta có:

ε =ln(l+e)  (5)

1.4.8 Thí nghiệm nén

Thử nghiệm nén có thể cho ta mức độ biến dạng lớn hơn nhiều so với thí nghiệm kéo. Tuy nhiên, chúng cũng có hai hạn chế là: sự ma sát và cong vênh. Ma sát trên các đầu của mẫu sẽ cản trở biến dạng theo phương ngang của vật liệu gồm hai đầu (hình 1.18). Một vùng hình nón được gọi là kim loại chết (vùng vật liệu không biến dạng) được hình thành mỗi đầu, kết quả là mẫu thí nghiệm trở thành dạng hình thùng. Nhược điểm này có thể được giải quyết bằng việc sử dụng chất bôi trơn hoặc giảm ảnh hưởng của ma sát bằng cách tăng tỉ lệ giữa chiều cao và đường kính h/d của mẩu.

Nếu hệ số ma sát μ giữa mẫu và đầu máy là hằng số, áp lực trung bình gây biến dạng là:

P_av = Y(1+ (μd/h)/3 + (μd/h)²/12 +...)  (6)

Trong đó, Y là ứng suất chảy của vật liệu. Mặt khác, nếu tồn tại ứng suất tiếp là hằng số ở đầu kia mẫu, áp lực trung bình sẽ là:

P_av = Y+ (1/3)k(d/h)   (7)

Trong đó, k là giới hạn trược của vật liệu. Tuy nhiên, những phương trình này đều không chính xác khi mô tả ảnh hưởng của ma sát, bởi hệ số ma sát và ứng suất tiếp thường không bằng hằng số. Ma sát thường cao nhất ở mép.

Mặc dù tăng h/d sẽ giảm ảnh hưởng cảu ma sát nhưng mẫu sẽ dễ bị uốn nếu mẫu quá dài và yếu. Thông thường, uốn có thể dễ xảy ra nếu tỉ lệ h/d >3. Nếu thínghiệm được bôi trơn tốt sao cho các đầu mẫu có thể trược tương đối trên đầu máy nén, uốn có thể xảy ra nếu h/d >1,5 .

Một cách khác để loại bỏ ảnh hưởng của ma sát là thí nghiệm với nhiều mẫu với các tỉ lệ h/d khác nhau. Trong từng trường hợp này, biến dạng ở mức độ ứng suất khác nhau được biễu diễn theo d/h. Ngoại suy các giá trị để d/h = 0 ta sẽ thu được giá trị ứng suất đối với mẫu có chiều dài bất kì .

aTrong thí nghiệm nén, diện tích mặt cắt ngang tăng khi ứng suất tăng, vì vậy ngược với thí nghiệm kéo, giá trị tuyệt đối của ứng suất kỹ thuật lớn hơn so với ứng suất thực. Diện tích tăng, cùng với hóa bền biến dạng có thể dẫn đến việc tăng coa ngoại lực trong thí nghiệm nén, trừ khi mẫu rất bé.

Dạng của đường cong ứng suất biến dạng kỹ thuật trong thí nghiệm nén có thể được dự đoán từ đường cong ứng suất- biến dạng thực ở thí nghiệm kéo, giả sử rằng các giá trị tuyệt đối của ứng suất trong quá trình kéo và nén là như nhau ở cùng một giá trị tuyệt đối của biến dạng. Các phương trình (8) và (9) đều có thể được sử dụng tuy nhiên cần chú ý rằng tất cả ứng suất và biến dạng đều có giá trị âm trong thí nghiệm nén.

e_nén = expz(ε) -1   (8).

Và

s_nén = σ/(1+e)   (9).

1.5.Các phương pháp kiểm tra kéo nén:

1.5.1 Kiểm tra độ bền kéo nén là gì và khi nào cần sử dụng kéo nén ?

Thử nghiệm kéo, nén, uốn là một những phương pháp thử nghiệm cơ học quan trọng nhằm xác định những đặc tính cơ học cơ bản của vật liệu.Thử nghiệm này được dùn đểkiểm tra chất lượng sản phẩm và kiểm tra/đánh giá được hiện trạng của vật liệu sau một thời gian phục vụ.

Kiểm tra bằng phương pháp kéo là một phương pháp thử nghiệm cơ bản để xác định giới hạn chảy, độ bền kéo và độ giãn dài của tấm théo. Quy trình kiểm tra cơ tính thông thường bao gồm: mẫu được giữ cốđịnh hai đầu ngàm và đặt tải trọng vào hai đầu, sau đó tăng dần tải cho đến khi mẫu bị kéo đứt.

Ngoài ra, còn có thể thực hiện các thử nghiệm khác như: thử nghiệm bulong, thử tải, sức bền gãy ngang, độ bền nứt của vất liệu cùng với các bộ đồ gá/ dụng cụ chuyên dùng

Độ bền kéo có thể được hiểu như là một lực tác động tăng dần đến khi vật liệu dạng sợi hay trụ bị đứt. Ở giá trị lực kéo giới hạn cho sự  đứt của vật liệu được ghi lại được ký hiệu. Độ bền kéo được ứng dụng rất nhiều cho các vật liệu trong các lĩnh vực như thiết kế chế tạo máy, xậy dựng, khoa học vật liệu.

Ứng suất nén là trạng thái ứng suất khi vật liệu bị tác động ép chặt. Trường hợp đơn giản của sựép là lực ép đơn gây ra bởi phản lực tác động, lực đẩy. Sức bền nén của vật liệu luôn cao hơn sức bền kéo của vật liệu đó, tuy nhiên hình thể lại quan trọng để phân tích khi ứng suất nén đạt đến giới hạn cong vênh.

Ứng suất kéo là trạng thái ứng suất khi vật liệu chịu tác động kéo căng hướng trục. Bất kỳ một vật liệu nào thuộc loại đàn hồi thì phần lớn chịu  đượcứng suất kéo trung bình, ngược lại là các vật liệu chịu đựng lực kéo kém như, gốm, hợp kim dòn.

Độ bền kéo là giới hạn lớn nhất của ứng suất kéo làm đứt vật liệu xem xét

Độ bền nén là giới hạn ứng suất nén làm vật liệu bị biến dạng hay phá huỷ

Thanh chịu kéo hay nén đúng tâm là thanh mà trên mọi mặt cắt ngang chỉ có một thành phần nội lực là lực dọc trục .

Các giả thuyết làm cơ sở cho thanh chịu nén đúng tâm :

-      Giả thuyết mặt cắt ngang: mặt cắt ngang ban đầu là phẳng và thẳng góc với trục của thanh thì sau khi biến dạng vẫn phẳng và thẳng góc với trục của mính

-      Giả thuyết về các thớ dọc: Trong quá trình biến dạng, các thớ dọc không ép lên nhau, cũng không đẩy nhau, các thớ dọc của thanh trước và sau khi biến dạng vẫn song song với nhau

-      Dưới tác dụng của lực kéo hay nén đúng tâm, trên mặt cắt ngang chỉ có một hành phần ứng suất

-      Quan hệ giữa ứng suất và lực: =  (kg/, N/)

1.5.2 Mục đích kéo nén :

• Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng khi kéo mẫu nhôm.
• Xác định đặc trưng cơ học của nhôm

ü  Giới hạn chảy ( )

ü  Giới hạn bền )

ü  Độ giãn dài tương đối khi đứt ( δ )

ü  Độ thắt tỷđối ( γ )

.........................

điện ổn định, được dán chết lên “Load” - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.

Nguyên lý hoạt động:

Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.

Thông số kỹ thuật cơ bản

Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp.

- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được.

- Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell của cân điện tử được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra.

- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi).

- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 - 15 V).

- Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả.Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.

- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.

- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.

- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.

- Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV).

- Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.

- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất).

- Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của Loadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%).

- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải.

Phân loại:

Loadcell được phân thành các loại sau:

1. Loadcell tương  tự

a)     Khái niệm:

Loadcell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện gọi là Loadcell tương tự. Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị.

Mỗi Loadcell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng Loadcell. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình. Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in.

b)Ưuđiểm và nhược điểm :

Ưu điểm:

Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứngdụng của người dùng.Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạngkhác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng.

Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén (compression).

Nhược điểm:

Tín hiệu điện áp đầu ra của Loadcell rất nhỏ(thường không quá 30mV). Những tín hiệu nhỏ như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như:

- Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn.

- Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn.

Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa Loadcell với thiết bị đo lường càng tốt. Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu dung sai đầu ra của Loadcell. Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ. Trong khi nối song song nhiều Loadcell với nhau, mỗi Loadcell tải với một đầu ra độc lập với các Loadcell khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra với từng load cell riêng biệt. Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân tank, cân xilô.

Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều Loadcell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu ra trung bình của từngLoadcell. Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tượng có Loadcell bị lỗi mà không được nhận biết. Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trong việc xác định Loadcell nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểm tra, hay yêu cầu sử dụng các thiết bị đo lường như đồng hồ volt-ampe với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy đang hoạt động liên tục.

2. Loadcell số

a)Khái niệm:

Thời gian ra đời: Từ cuối những năm 1970

Về cơ bản Loadcell số là sự tích hợp giữa Load cell tương tự + công nghệ điện tử hiện đại.

Ban đầu, khi khái niệm Loadcell số mới ra đời, nhiều người hiểu lầm là các load cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể được sử dụng để chuyển đổi một load cell chất lượng thấp lên mộtLoadcell chất lượng cao. Thực tế thì ngược lại, mỗi Loadcell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp.

- Thứ nhất: Phải có một Loadcell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khả năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc.

- Thứ hai: Phải có một bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số.

- Thứ ba: Phải có hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin

b)     Hoạt động:

Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của Loadcell chính xác cao được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số. Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của Loadcell phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ. Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ được vi xử lý tốc độ cao xử lý. Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định. Các module điện tử này có thể được đặt ngay trong Loadcell, Loadcell cable hoặc trong hộp junction box. Các đặc tính tới hạn của từng Loadcell được đặt trong EEPROM nằm trong module của Loadcell đó, điều đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay tại load cell, với chính Loadcell đó, cũng có nghĩa là phép bù sai số được thực hiện khá triệt để.

Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các Loadcell số nối với máy tính, PLC hoặc thiết bị đo như bộ hiển thị. Bên trong hệ thống, mỗi Loadcell độclập có thể được nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó. Địa chỉ làm việc đó có thể được cài đặt do người lập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung cấp bởi nhà máy. Thông thường địa chỉ “0” được sử dụng như là một địa chỉ làm cho tất cả các load cell trả lời, trong khi các số nối tiếp của Loadcell có thể được sử dụng để yêu cầu một địa chỉ xác định.

Các Loadcell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểu Master/Slave, ở đó định nghĩa một thiết bị (thường là PC hoặc indicator) là master trên mạng. Có hai chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất cả cácquá trình truyền phát bằng cách giao tiếp với từng slave một cách tuần tự,hoặc master gửi dữ liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉ tuần tự. Chế độ thứ nhất có ưu điểm trong sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ haihướng đến tốc độ giao tiếp. Hầu hết các Loadcell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặc RS422. Cả hai kiểu giao thức đều có các đặc tính tương tự nhau cung cấp một môi trường multi-drop. Việc giao tiếp giữa các thiết bị nối trên mạng dựa trên giao thức quy định bởi nhà sản xuất.Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống Loadcell tương tự và số là mặc dù nối với nhau nhưng mỗi Loadcell số hoạt động như là một thiết bị độc lập

c)     Ưu điểm và nhược điểm:

Ưu điểm:

- Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay đổi nhiệt độ thất thường trên đường dây cable dẫn.
- Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m.
- Dễ dàng thay thế Loadcell.
- Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển thị khi cần.
- Mỗi Loadcell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó có thể mở rộng cấu trúc dễ dàng.
- Có thể thực hiện tối ưu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích từng thành phần tích hợp.
- Cân bằng các góc cân có thể thực hiện bằng thiết bị. Thay đổi, sửa lỗi một Loadcell không ảnh hưởng đến các Loadcell khác. Công việc thực hiện dễ dàng và đơn giản, tiết kiệm thời gian.
- Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định mà không cần tải chết.
- Loadcell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại.
- Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 đều có thể tham gia vào hệ thống.
- Nhiều hệ thống có thể kết nối và điều khiển bởi một trạm. Chỉ đơn giản là mở rộng đường dây cable. Tiết kiệm phần cứng.phần mềm dễ dàng phát triển.

Những ưu điểm của hệ Loadcell số cho phép trong các ứng dụng độ chính xác cao và chống chịu nhiễu tốt, đặc biệt ở những ứng dụng yêu cầu các điểm đo nằm phân tán trên phạm vi rộng.

Ứng dụng của loadcell

Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của Loadcell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay.
Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân xe tải

Môt sốứng dụng khác:

- Trong ngành công nghệ cao:
Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Loại Loadcell này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên.
- Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp:
Công nghệ sử dụng:
Các thế bào tải(Loadcell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị định hướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC
Sơ lược hoạt động:
Các load cell được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp để phân phối đều trọng lượng sản phẩm. Như thể hiện trong sơ đồ dưới đây, Loadcell được lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân phối khối lượng vào từng bao bì một cách chính xác.

Hệ thống hoạt động:

+ Một tế bào tải được kết nối với thiết bị đo cần thiết.
+ Khi khối lượng sản phẩm cho phân phối vào thùng đủ yêu cầu, Loadcell sẽ phát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc.
+ Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phối thùng chứa để xuất thùng chứa.
+ Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phối sản phẩm tiếp tục hoạt động.

- Ứng dụng trong cầu đường
Các Loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽ được gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu. sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu. Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời.

Lựa chọn dạng Loadcell

Để dễ dàng cho việc lắp đặt, lực mà máy kiểm tra xoắn tạo ra và giá tiền vừa phải nên sẽ chọn Loadcell Keli YBSC dạng chén 2000kg, có ngưỡng điện áp ra là 2mV/V.

Khi cấp nguồn 10V cho Loadcell thì ta có ngưỡng điện áp ra là: 0 - 2*10 <=> 0 - 20mV.

2.3.2 Encoder

Cấu tạo Encoder:

Cấu tạo Encoder gồm có các bộ phận sau:

+ Đĩa quay được khoét lỗ gắn vào trục động cơ.

+Một đèn led làm nguồn phát sáng và 1 mắt thu quang điện được bố trí thẳng hàng.

+Mạch khuếch đại tín hiệu.

Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý cơ bản của encoder đó là một đĩa tròn xoay quay quanh trục.Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh) đèn led không chiếu xuyên qua được; chỗ có lỗ (rãnh) đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không.

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.

Phân loại Encoder:

Encoder được chia làm 2 loại: Encoder tuyệt đối và encoder tương đối.

- Encoder tuyệt đối: được gọi như vậy bởi vì tín hiệu trả về từ encoder cho biết chính xác vị trí của encoder mà người dùng không cần sử lí gì thêm.

- Encoder tương đối: là encoder chỉ có 1, 2 hoặc tối đa 3 vòng lỗ. Encoder tương đối thường có thêm một lỗ định vị ( channel Z).

Ưu nhược điểm:

-Encoder tuyệt đối:

+ Ưu điểm : Giữ được giá trị tuyệt đối khi encoder mất nguồn.

+ Nhược điểm: Giá thành cao vì chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu ngõ ra khó.

-Encoder tương đối:

+ Ưu điểm: Giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lí tín hiệu trả về dễ dàng.

+ Nhược điểm: dễ bị sai lệch về xung khi trả về. Khi đó nếu hoạt động lâu dài sai số này sẽ tích lũy.

Hình 2.10 Đấu nối thiết bị đo

Chương 3:   TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA MÁY.

3.1. Chi tiết trục

3.1.1 Khái niệm chung

Trục là chi tiết máy dùng để đỡ các chi tiết máy quay như bánh đai, bánh răng, đĩa xích.vv…để truyền moment xoắn từ trục này sang trục kia hoặc làm cả 2 nhiệm vụ trên.

_ Theo đặc điểm chịu lực dọc trục chia làm hai loại: trục tâm và trục truyền.

_Trục tâm: nhiệm vụ chủ yếu đỡ các chi tiết quay. Trục có thể quay hay đứng yên cùng với các chi tiết lắp trên trục.

_Trục truyền: ngoài nhiệm vụ đỡ các chi tiết quay còn có nhiệm vụ truyền moment xoắn. Nghĩa là trục truyền vừa chịu uốn vừa chịu xoắn.

_Theo dạng đường tâm trục chia làm hai loại: trục thẳng và trục khủy.

_Theo hình dáng của trục, trục chia làm hai loại: trục trơn và trục bậc.

_Trục trơn là trục có mặt cắt ngang không thay đổi theo chiều dài.

_Trục bậc trục có mặt cắt ngang thay đổi theo chiều dài.

3.1.2 Kết cấu trục

Kết cấu trục được quyết định bởi trị số, tình hình phân bó của lực tác dụng lên trục, cách bố trí vị trí và phương pháp lắp ghép, cố định các chi tiết máy lắp trên trục, tình hình gia công là lắp ghép.

            Trục thường được chế tạo có dạng là trục trơn và trục bậc. Về phương diện chế tạo thì trục trơn dễ chế tạo hơn trục bậc, giá thành rẻ hơn, nhưng về phương diện sử dụng trục trơn lắp ghép và sửa chữa phức tạp hơn, trục trơn không thích hợp với đặt điểm và tình hình phân bố ứng suất trên trục.

            Các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của trục: Trục thường chịu lực tác dụng của ứng suất thay đổi nên thường hỏng do mỏi. Những vết nứt do mỏi thường tập trung những chỗ có tập trung ứng suất. Do đó, khi định kết cấu trục ta phải chú ý đến các biện pháp giảm ứng suất. Mặc khác về công nghệ nên dùng các phương pháp nhiệt luyện như: lăn, nén, phun bi, thấm than, nitơ rồi tôi, gia công bề mặt nhẵn v.v….

3.1.3. Các dạng hỏng trục

            *Trục thường gãy hỏng do mỏi, nguyên nhân làm cho trục gãy là:

_Trục thường xuyên làm việc quá tải hoặc khi thiết kế không đánh giá đúng trị số và đặc điểm của tải trọng tác dụng lên trục.

_Không đánh gia đúng sự tập trung ứng suất do kết cấu gây nên.

_Có sự tập trung ứng suất do chất lượng chế tạo xấu.

_Hoặc khi sử dụng không đúng yêu cầu kỹ thuật.

            *Trục bị cong vênh. Nếu ứng suất quá lớn, trục bị biến dạng dư, trở nên cong vênh, không thể làm việc tốt được nữa. Thường là do tải trọng qua lớn, hoặc tải trọng trung bình nhưng tác dụng trong một thời gian quá lớn, hoặc tải trọng trung bình nhưng tác dụng trong một thời gian quá dài, trục bị lưu biến.

            *Trục bị biến dạng đàn hồi qua lớn. Nếu trục không đủ độ cứng, bến dạng võng trục, xoắn trục lớn làm ảnh hưởng đến sự ăn khớp của các bộ truyền trên trục: biến dạng góc xoay lớn dẫn đến kẹt ổ.

            *Bề mặt lắp ghép của trục bị dập. Dùng mối ghép có ộ dôi quá lớn, làm dập bề mặt trục, phải bỏ trục.

            *Trục bị dao độngquá mức cho phép. Sẽ làm tăng biến dạng trục, tăng tải trọng động tác dụng lên trục, dẫn đến hỏng trục

            *Trục bị mất ổn định. Một số trục mảnh, chịu tải trọng do trục lớn, trục bị uốn cong do mất ổn định. Giảm đáng kể khả năng làm việc của trục.

            Tuy theo nguyên nhân làm cho trục bị gãy mà tìm cách khắc phục.

3.1.4. Vật liệu chế tạo trục

Vật liệu chế tạo trục cần thõa mãn các yêu cầu sau đây:

_Phải đảm bảo sức bền, ít nhạy với sự tập trung ứng suất.

_Có thể nhiệt luyện, hoa nhiệt luyện dễ dàng, dễ gia công.

+Thép Cacbon chất lượng tốt và thép hợp kim là những vật liệu chủ yếu dùng để chế tạo trục.

+Đối với trục chiệu tải trọng như máy kéo nénđã chế tạo, vật liệu cần chọn là thép S45C.

3.1.5. Thông số thép S45C

Thép S45C có sức bền kéo trung bình, tốt cho chế tạo và tăng cường các tính chất cơ lý riêng. Có sức bền kéo 570 – 700 Mpa, độ cứng 170 -210 HB.

............................

Hiện nay khoa học kỹ thuật phát triển ngày àng mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh vực đời sống và sản xuất. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào các hoạt động sản xuất đòi hỏi con người phải không ngừng học hỏi và nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật những tiến bộ mới nhất của thế giới. Việc phát triển ngành cơ khí chế tạo máy có ý nghĩa hết sức quan trọng vì các sản phẩm của ngành phục vụ trong tất cả các ngành khác trong nền kinh tế như: phục vụ sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thong vận tải, quốc phòng, hàng hải,… Vì những ý nghĩa to lớn đó nên việc được học tập trong ngành cơ khí chế tạo máy là điều tự hào đối với mỗi sinh viên chúng em, đặc biệt hơn khi được học tại trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng một trong những ngôi trường kỹ thuật có chất lượng giảng dạy tốt nhất trong lĩnh vực có khí.

            Sau khi hoàn tất chương trình lý thuyết và thực hành tại trường, cũng như trải qua sáu tuần thực tập tại công ty, chúng em đã được trang bị những kiến thức cần thiết để hoàn thành đồ án tốt nghiệp và sẵn sàng trở thành người lao động giỏi để phục vụ cho đất nước sau khi tra trường.

            Đồ án tốt nghiệp là một phần hết sức quan trọng và không thể thiếu đối với mỗi sinh sinh viên chúng em. Nó giúp chúng em đúc kết và tích lũy thêm những kiến thức cần thiết trước khi ra trường. Sau một thời gian học tập cũng như có sự gợi ý từ giáo viên bộ môn chúng em quyết định chọn đề tài  cho đồ án tốt nghiệp là chế tạo máy kéo nén thử sức bền vật liệu. Tuy là đề tài không còn mới và chỉ là mô hình nhưng chúng em hy vọng những cải tiến của chúng em sẽ đáp ứng được phần nào những yếu cầu kỹ thuật trong lĩnh vực kiểm tra sức bền vật liệu.

 KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

   “THIẾT KẾ GIA CÔNG CƠ KHÍ MÁY KÉO NÉN THỬ ỨNG SUẤT VẬT LIỆU NHÔM ”

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khoa học kỹ thuật phát triển ngày àng mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh vực đời sống và sản xuất. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào các hoạt động sản xuất đòi hỏi con người phải không ngừng học hỏi và nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật những tiến bộ mới nhất của thế giới. Việc phát triển ngành cơ khí chế tạo máy có ý nghĩa hết sức quan trọng vì các sản phẩm của ngành phục vụ trong tất cả các ngành khác trong nền kinh tế như: phục vụ sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thong vận tải, quốc phòng, hàng hải,… Vì những ý nghĩa to lớn đó nên việc được học tập trong ngành cơ khí chế tạo máy là điều tự hào đối với mỗi sinh viên chúng em, đặc biệt hơn khi được học tại trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng một trong những ngôi trường kỹ thuật có chất lượng giảng dạy tốt nhất trong lĩnh vực có khí.

            Sau khi hoàn tất chương trình lý thuyết và thực hành tại trường, cũng như trải qua sáu tuần thực tập tại công ty, chúng em đã được trang bị những kiến thức cần thiết để hoàn thành đồ án tốt nghiệp và sẵn sàng trở thành người lao động giỏi để phục vụ cho đất nước sau khi tra trường. 

            Đồ án tốt nghiệp là một phần hết sức quan trọng và không thể thiếu đối với mỗi sinh sinh viên chúng em. Nó giúp chúng em đúc kết và tích lũy thêm những kiến thức cần thiết trước khi ra trường. Sau một thời gian học tập cũng như có sự gợi ý từ giáo viên bộ môn chúng em quyết định chọn đề tài  cho đồ án tốt nghiệp là chế tạo máy kéo nén thử sức bền vật liệu. Tuy là đề tài không còn mới và chỉ là mô hình nhưng chúng em hy vọng những cải tiến của chúng em sẽ đáp ứng được phần nào những yếu cầu kỹ thuật trong lĩnh vực kiểm tra sức bền vật liệu.

        Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7, năm 2018

LỜI CẢM ƠN

          Trong thời gian học tại trường. Được sự giúp đỡ và tận tình chỉ bảo của quý thầy cô, đã giúp chúng em có số vốn kiến thức về chuyên ngành, hiểu biết sâu rộng thêm về ngành của mình. Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa cơ khí nói riêng, cũng như toàn thể quý thầy cô của trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng nói chung đã tận tình chỉ bảo chúng em trong suốt khoảng thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp. Qua đó chúng em cũng xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến với thầy Nguyễn Văn Vũ đã ân cần giúp đỡ, hướng dẫn tận tâm để chúng em có thể hoàn thành đồ án. Nhưng do kiến thức còn hạn chế nên bài báo cáo đồ án này còn nhiều thiếu xót, rất mong sự thong cảm của quý thầy cô.