Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật thiết kế ché tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay

Dưới tác dụng của momen xoắnngoại lực, biến dạng của trục chịu xoắn trên 2 phương 450 và 1350 là lớn nhất.Do đó, đường đặc tuyến momen – biến được xây dựng bằng việc đo biến dạngcủa trục

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HỮU QUÂN

Công trình được hoàn thành tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Như Khoa

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Hùng

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Kỹ thuật họptại Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên vào ngày

17 tháng 01 năm 2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại :

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ

Trong lĩnh vực kĩ thuật, với những mối ghép kẹp chặt bằng ren thì việcxác định lực kẹp là rất quan trọng Khi lực xiết hay vặn ren quá lớn sẽ làm hỏng bềmặt làm việc của ren, dập ren, cắt chân ren…nhưng khi lực kẹp của ren nhỏ lạikhông đảm bảo độ bền của mối ghép cũng như đảm bảo yêu cầu an toàn của nhữngchi tiết được kẹp chặt Với yêu cầu xác định lực xiết hay vặn chặt ren, ngày nay córất nhiều dạng dụng cụ dùng để đo lực kẹp chặt của ren Nguyên lí hoạt động chungcủa các dụng cụ đo này đều dựa trên việc đo momen xoắn dạng tĩnh

Hình 1.1 Thiết bị đo momen dạng dụng cụ cầm tay.

Momen xoắn dạng tĩnh là momen có sự dịch chuyển nhỏ trong phép đo.Ứng dụng của thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh dùng để xác định lực vặn hayxiết chặt của bulong đai ốc…Thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh được chia thành

2 dạng dựa vào phương pháp đo :

1.1 Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực

Nguyên lí đo của các thiết bị đo momen dạng phản lực dựa trên việc đolực xoắn thông qua biến dạng của lò xo trong dụng cụ

Hình 1.3 Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực.

Lực xoắn của lò xo được hiển thị bằng đồng hồ cơ học hoặc đồng hồđiện tử nhờ một bộ phận cảm biến lực trong dụng cụ :

Hình 1.4 Thiết bị đo momen dạng phản lực.

1.2 Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp.

Hình 1.5 Thiết bị đo momen dạng nối tiếp.

Đầu kẹp Lò xo chịu kéo

Công đoạn quan trọng trong chế tạo dụng cụ đo momen nối tiếp là việcxây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng Dưới tác dụng của momen xoắnngoại lực, biến dạng của trục chịu xoắn trên 2 phương 450 và 1350 là lớn nhất.

Do đó, đường đặc tuyến momen – biến được xây dựng bằng việc đo biến dạngcủa trục xoắn trên 2 phương 450 và 1350 Biến dạng của trục đo được xác địnhbằng cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục xoắn Thông qua việc xâydựng đường đặc tuyến biến dạng và sự thay đổi điện trở của strain gauge sẽ chophép xác định được mối tương quan giữa momen – biến dạng của trục đo đượcchế tạo

Tuy nhiên, hiện nay việc mua thiết bị đo momen có sẵn ở Việt Nam làrất khó Với điều kiện hạn chế trong nước, vẫn chưa có cơ sở nào sản suất, chếtạo thiết bị đo momen dạng dụng cụ Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Thiết kế, chếtạo thiết bị đo momen dạng cầm tay “ với nguyên lí hoạt động là thiết bị đomomen dạng nối tiếp

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Dụng cụ được chế tạo có dạng đo momen dạng nối tiếp Việc xây dựng

đường đặc tuyến momen – biến dạng có thể thực hiện bằng hai cách Mối tương

quan momen xoắn – biến dạng xoắn biến dạng có thể được xác định gián tiếp

thông qua việc đo momen xoắn – góc xoắn trên trục mẫu chịu xoắn

Hình 2.1 Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn.

Thông qua việc đo góc xoắn sẽ cho phép xác định được biến dạng góc, từ

đó xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng Tuy nhiên, đối với hầu hết

các loại vật liệu, góc xoắn trong miền đàn hồi là rất nhỏ khoảng vài độ Việc đo

được góc xoắn trong miền đàn hồi của vật liệu là rất khó Do đó, việc xây dựng

đường đặc tuyến momen – biến dạng sẽ được xác định trực tiếp bằng cách đo

biến dạng dài trên trục chịu xoắn

Hình 2.2 Biến dạng dài của trục xoắn.

Theo cơ sở lí thuyết sức bền vật liệu trong xoắn thuần túy, biến dạng dài

theo 2 phương 450 và 1350 là lớn nhất Do đó, Biến dạng dài ε được đo bằng

cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn Mối tương quan

giữa momen – biến dạng được xác định bằng việc xây dựng đường đặc tuyến

momen – sự thay đổi điện trở trên cầu biến dạng

2.1 Thiết bị cảm biến strain gauge và phương pháp đo biến dạng

Strain gauge là thiết bị cảm biến dùng để xác định biến dạng của vật liệu.Biến dạng của vật liệu được xác định thông qua việc đo sự thay đổi điện trở trênstrain gauge Cấu tạo của strain gauge gồm lá kim loại mỏng được khắc thànhdạng lưới lên trên một tấm nhựa mỏng Lưới lá kim loại được nối cả hai đầu vớihai miếng kim loại được phủ 1 lớp đồng để hàn dây dẫn ra mạch khuếch đại tínhiệu đo

Mối quan hệ giữa biến dạng và sự thay đổi điện trở của thiết bị cảm biến strain gauge

liên hệ theo các hệ thức sau.

( )

L R

Độ cảm biến của vật liệu ( hay sự thay đổi điện trở trên mỗi đơn vị biếndạng ) được gọi là hệ số cảm biến biến dạng GF :

= /

dR R R R GF

Khi chưa có biến dạng, mạch cầu cân bằng, R1 = R2 = R3 = R4 = Rnên từ(2.20) điện áp đầu ra trên mạch được viết như sau:

Vì vậy, mạch cầu một nhánh sử dụng strain gauge đo biến dạng chỉ được

sử dụng khi không có yêu cầu khắt khe độ chính xác tới 10με

b Mạch cầu hai nhánh.

Hình 2.9 Mạch cầu 2 nhánh.

Mối quan hệ giữa và

Dựa vào sự loại bỏ ảnh hưởng do nhiệt trên 2 nhánh liền kề mà có thểthay thế 2 điện trở trên mạch cầu thành 2 điện trở thay đổi Điện áp

đầu ra không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt bất kì và được xác địnhbằng công thức:

Từ những mạch cầu trên để có giá trị lớn và với mục đích chế tạo thiết

bị đo momen xoắn cầm tay có thể hiển thị giá trị mô men theo hai phương cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ là giống nhau nên tác giả lựa chọn mạch cầu đầy đủ ( full) với các Strain gauge có giá trị điện trở R1 = R2 = R3 = R4 = R

Hình 2.10 Trục mẫu chịu xoắn dán strain gauge.

Điện áp đầu ra được tính cho 2 nhánh mạch cầu được xác định như sau:

Kết luận: Từ những nội dung đã trình bầy trên đây về cảm biến đo biến

dạng strain gauge ta có thể thiết kế bộ đo mô men xoắn dựa trên nguyên lý dùngstrain gauge dán trên bề mặt của một trục mẫu chịu xoắn, đo biến dạng của trụctheo các phương ± 45o so với tâm trục, từ sự thay đổi điện trở strain gauge đểtính toán giá trị momen xoắn Sơ đồ nguyên lý của phép đo MZ có thể mô tả nhưsau:

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lí chế tạo trục đo momen xoắn.

Momen xoắn tác dụng lên trục

đo dán strain gauge trênphương 450 và 1350

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TRỤC ĐO

Việc thiết kế, tính toán trục đo được tiến hành tính toán cho trục rỗngchịu xoắn và tính toán trong miền đàn hồi của vật liệu Các hệ thức tính toántuân theo định luật Hooke, vòng tròn Mo ứng suất và thuyết bền ứng suất tiếpcực đại

3.1 Hệ thức liên quan tới trục tròn rỗng chịu xoắn.

Hình 3.1 Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang trục tròn chịu xoắn

Hình 3.2 Vòng tròn Morh ứng suất khi xoắn thuần túy.

Theo thuyết bền ứng suất tiếp cực đại :

3.2 Tính toán, thiết kế trục đo.

3.2.1 Tính toán kích thước trục đo.

Dự kiến thiết kế dụng cụ đo momen xoắn trong khoảng : MZ = 0 – 200 (N.m) Việc xác định loại vật liệu để chế tạo được tiến hành thí nghiệm trên máy phân tích quang phổ thành phần hóa học của vật liệu Từ bảng thành phần hóa học của vật liệu được thí nghiệm Tra sổ tay mác thép thê giới, xác định được vật liệu dùng để thiết kế trục là thép 18Mn2Si Bảng thành phần hóa học và bảng cơ tính thép 18Mn2Si như sau:

Mác thép

Thành phần các nguyên tố, %

18Mn2Si 0,16- 0,2 0,6 - 0,9 1,2 - 1,6 < 0,3

Bảng 3.1 Bảng thành phần hóa học của thép 18Mn2Si.

Mác thép E (Gpa) G(Gpa) σu(Mpa)u(Mpa) υ

Bảng 3.2 Bảng cơ tính thép 18Mn2Si.

Việc thiết kế trục đo được tính toán đảm bảo hai bài toán : bài toán cứng và bài toán bền khi trục làm việc Bài toán bền dùng để xác định kích thước và chiều dày trục đo Ứng suất cho phép được xác định theo công thức (3.1), (3.2).Bảng xác định ứng suất cắt cho phép khi thiết kế, tính toán trục.

n [σu(Mpa)] max (Mpa) [τ] max (Mpa)

Từ hệ thức :

Z P

200.10 (1 0,3)

= 3,3.10 < = 0,02200.10 3976,63

Vậy trục thiết kế đảm bảo điều kiện làm việc

3.2.2 Bản vẽ chế tạo trục mẫu.

3.3 Chọn thiết bị cảm biến strain gauge.

Strain gauge là thiết bị cảm biến có độ chính xác cao Hiện nay trên thếgiới có các hãng nổi tiếng sản xuất strain gauge : HBM, OMEGA Vật liệuthường được sử dụng để chế tạo strain gauge :

Trong thực tế, tùy thuộc vào các trạng thái ứng suất cần xác định mà cócác loại cảm biến strain gauge khác nhau

3.4 Chọn loại keo dán strain gauge.

Trong các thí nghiệm đo biến dạng vật liệu, một yêu cầu đối với bề mặtcủa strain gauge và bề mặt vật liệu được đo phải gắn chặt để đảm bảo sự phân

bố đồng đều ứng suất, đảm bảo độ bền kéo hoặc độ bền cắt lớn trong khi tiến

bảo các yêu cầu trên Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều loại keo dán dùng đểdán strain gauge.

Keo dán extra 4000 dùng để dán nhưng kim loại khó dán, đảm bảo cácyêu cầu khi dán strain gauge Những ưu điểm của keo dán extra 4000: có khảnăng chịu nhiệt và lực tác động lớn; nhanh khô; phạm vi nhiệt độ làm việc : -

400 và 1200 Thời gian giữ chặt khi dán là 1s, thành phần chính cyanoacrylate, cóxuất sứ từ Nhật bản

Strain gauge là thiết bị cảm biến có độ nhạy cao, do đó để tránh nhiễuảnh hưởng tới kết quả đo, cần phủ 1 lớp silicon lên bề mặt strain gauge

Hình 3.9 Silicon chống nhiễu cho strain gauge.

Bên cạnh đó, để đảm bảo độ bám dính của strain gauge lên bề mặt trục

đo thì yêu cầu bề mặt trục đo phải được làm sạch, do đó quy trình dán thiết bịcảm biến strain gauge như sau :

Bước 1: Vạch dấu trên trục đo để đảm bảo khi dán strain gauge theo 2

Bước 4: Phủ lớp silicon lên bề mặt strain guage chống nhiễu cho kết quả đo

Hình 3.10 Trục đo dán strain gauge.

3.5 Thiết kế mạch hiển thị

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH

CỦA TRỤC ĐO 4.1 Thí nghiệm

Mục đích của thí nghiệm để xây dựng bộ dữ liệu momen xoắn trên trục

đo và điện áp đầu ra của bộ hiển thị mạch khuếch đại strain gauge Giá trị điện

áp trên mạch cầu được khuếch đại nhờ thiết bị analog 3B18 có hệ số khuếch đại

KB = 400 Sơ đồ hiển thị giá trị điện áp tương ứng với sự thay đổi điện trở strain gauge dán trên trục đo như sau:

Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định quan hệ M Z và sự thay đổi điện áp Strain gauge

sau bộ khuếch đại

Kết quả thí nghiệm dùng để xây dựng đường đặc tuyến đồ momen – biếndạng, từ đó xác định modun đàn hồi của thép 18Mn2Si và xây dựng bảng dữliệu mối tương quan giữa các giá trị momen – biến dạng dùng cho việc thiết kếmạch khuếch đại hiển thị giá trị momen trên trục đo khi tiến hành đo momen

Trục đo được thí nghiệm trên thiết bị thí nghiệm xoắn có MZ = 1000N.m Giá trị momen của thiết bị được đo bằng loadcell và được hiển thị bằng bộhiển thị 3570.Hệ thức liên hệ giữa giá trị momen và điện áp hiển thị trên bộ hiểnthị 3570 như sau: D 0,0026 ( )

V  M mV

Hệ thống thí nghiệm xây dựng bộ dữ liệu momen xoắn trên trục đo và điện

áp đầu ra của bộ hiển thị mạch khuếch đại strain gauge như sau:

Hình 4.2 Thí nghiệm xác định biến dạng của trục đo.

Theo bảng 3.6, tính toán biến dạng tương ứng với giá trị momen đo được cho trục

đo từ kết quả thí nghiệm như sau:

Mz

(N.m) ε Đ

Mz(N.m) ε Đ

Mz(N.m) ε Đ4,60 5,18495E-

06 53,64 6,43204E-05 115,71 0,000135595,36 6,26068E-

06 59,00 7,25971E-05 133,33 0,0001469813,79 1,5534E-05 81,23 8,79005E-05 143,68 0,0001622819,16 2,3483E-05 84,29 0,000102852 150,96 0,0001686933,72 4,05704E-

05 85,44 0,000102852 157,09 0,0001716534,10 4,12743E-

05 106,13 0,000115655 163,60 0,00018069

53,26

6,08495E-05 115,33 0,000134527 177,78 0,00019176

Bảng 4.1 Bảng tính toán giá trị momen – biến dạng – giá trị điện áp.

Từ bảng 4.1 xây dựng phương trình cho kết quả đo được và xác định lại giátrị modun đàn hồi E cho vật liệu trục đo như sau:

Hình 4.3 Đồ thị mối tương quan giữa momen – biến dạng.

Phương trình Mz = 893919 ε (1) là phương trình đặc trưng cho mối tươngquan giữa momen – biến dạng của vật liệu 18Mn2Si Do trong quá trình tínhtoán, thiết kế trục đo tác giả tra cứu và lấy giá trị modun đàn hồi chung cho cácloại thép E = 200GPa Tuy nhiên, trong thực tế mỗi một loại vật liệu sẽ có mộtgiá trị modun đàn hồi riêng Vì vậy việc tiến hành thí nghiệm xây dựng phươngtrình momen – biến dạng của thép 18Mn2Si cho phép xác định lại giá trị modunđàn hồi thực tế của thép 18Mn2Si

Hình 4.4 Đồ thị mối tương quan giữa momen – biến dạng.

Phương trình Vout = 2.10-5 Mz (mV) dùng đê thiết kế mạch khuếch đạihiển thị giá trị momen tương ứng với mỗi đơn vị biến dạng trên trục đo

4.3 Kết luận.

4.3.1 Những kết quả đã đạt được.

- Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị đo mô men xoắn cầm tay với khoảng đo từ 0 ÷ 200 Nm Qua đó:

+ Làm chủ được công nghệ dán, sử dụng Strain gauge trên các trục kim loại

+ Làm chủ được thiết kế kích thước các trục chịu xoắn ở các giải đo momen xoắn khác nhau

+ Thiết bị đo momen xoắn có độ chính xác cao thể hiện bằng đồ thị (hình4.3) với sai số 1- R2= 0,0056

+ Thiết bị sau khi chế tạo được kiểm nghiệm với thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực (Wrench) có bán trên thị trường và nhận thấy sự chêch lệch giá trịmomen hiển thị là rất nhỏ khoảng 1,7%

- Kích thước thiết bị chưa thu gọn như các thiết bị có bán trên thị trường.

- Để tiến tới sản phẩm có tính thương mại cần có các điều kiện sau:

+ Đầu tư thiết bị thí nghiệm và hiệu chỉnh có độ chính xác cao

+ Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại hiển thị chuyên dùng

+ Có nhu cầu đặt hang thiết bị

2 Chương trình chạy mạch hiển thị giá trị điện áp biến dạng.