Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ kỹ thuật (Mã số môn học: MECM64011) được biên soạn làm tài liệu học tập chính thức cho nghề Lắp đặt - Vận hành - Bảo dưỡng bơm, quạt, máy nén khí ở trình độ Cao đẳng, ban hành theo Quyết định số 207/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam). Tài liệu do tập thể giảng viên Bộ môn Cơ khí thuộc Khoa Giáo dục nghề nghiệp thực hiện, gồm Lê Duy Nam (Chủ biên), Huỳnh Công Hải và An Đình Quân.

Trong chương trình đào tạo, Cơ kỹ thuật là môn học cơ sở lý thuyết nghề bắt buộc, có thời lượng 2 tín chỉ (tổng số 45 giờ, bao gồm 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành, thảo luận, bài tập và 2 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí sau các môn học chung/đại cương (như Giáo dục chính trị, Pháp luật, Tin học, Tiếng Anh, An toàn vệ sinh lao động) và học trước các môn học, mô đun chuyên ngành cơ sở và chuyên môn như: Dung sai, Vật liệu cơ khí, Kỹ thuật sửa chữa cơ khí, Sửa chữa - Bảo dưỡng bơm 1 và 2, Sửa chữa - Bảo dưỡng quạt, Sửa chữa - Bảo dưỡng máy nén khí, Cân bằng động.

Mục tiêu học tập của giáo trình nhằm trang bị cho người học:

  • Kiến thức: Trình bày hệ khái niệm cơ bản về Tĩnh học và Sức bền vật liệu; phân tích các hệ lực, tải trọng, phản lực liên kết; nắm vững các trạng thái chịu lực cơ bản gồm kéo - nén đúng tâm, cắt, dập, xoắn thuần túy và uốn ngang phẳng.
  • Kỹ năng: Xác định phản lực liên kết; tính toán lực ma sát trượt và ma sát lăn; thiết lập phương pháp mặt cắt để tính ứng suất và vẽ biểu đồ nội lực; giải ba bài toán cơ bản về độ bền nhằm xác định kích thước mặt cắt an toàn của chi tiết máy dạng thanh, trục và dầm.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Xây dựng phương pháp làm việc độc lập và làm việc nhóm, rèn luyện tính kỷ luật, cẩn thận, chính xác và trung thực trong tính toán kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm hai phần: Phần I - Cơ lý thuyết (Tĩnh học) và Phần II - Sức bền vật liệu. Điểm đặc thù của tài liệu là phương pháp tiếp cận gắn liền lý thuyết giải tích cơ học với việc tính toán khả năng chịu lực thực tế của các chi tiết trong cụm thiết bị máy quay (bơm, quạt, máy nén khí).

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bổ qua 9 chương thuộc 2 phần chính với tiến trình từ khảo sát cân bằng vật rắn tuyệt đối đến phân tích biến dạng của vật thể thực:

[Hệ tiên đề Tĩnh học & Liên kết] (Chương 1)
                │
                ▼
[Hệ lực phẳng đồng quy & Mômen - Ngẫu lực] (Chương 2, 3)
                │
                ▼
[Ma sát trượt & Ma sát lăn] (Chương 4)
                │
                ▼
[Giả thuyết vật liệu & Phương pháp mặt cắt] (Chương 5)
                │
                ▼
[Các trạng thái chịu lực: Kéo-Nén, Cắt-Dập, Xoắn, Uốn] (Chương 6, 7, 8, 9)

  1. Chương 1: Những khái niệm cơ bản và hệ tiên đề tĩnh học

    • Khái niệm về lực (điểm đặt, phương chiều, độ lớn trong hệ SI với $1\text{ KG} = 9{,}81\text{ N}$), vật rắn tuyệt đối và hệ quy chiếu quán tính.
    • Bốn tiên đề tĩnh học: Tiên đề cân bằng, Tiên đề biến đổi tương đương (kèm hệ quả lực là vectơ trượt), Tiên đề hợp lực hình bình hành, Tiên đề tác dụng tương hỗ.
    • Định nghĩa liên kết và phản lực liên kết: Liên kết tựa ($N$), liên kết dây mềm ($T$), liên kết thanh ($S$), liên kết gối đỡ bản lề di động ($Y$), bản lề cố định ($R$ phân tích thành $X, Y$), bản lề trụ, bản lề cầu và liên kết ngàm.

  2. Chương 2: Hệ lực phẳng đồng quy

    • Phương pháp hình học: Quy tắc hình bình hành lực ($R = \sqrt{F_1^2 + F_2^2 + 2F_1F_2\cos\alpha}$), quy tắc đa giác lực, định lý ba lực không song song cân bằng.
    • Phương pháp giải tích: Chiếu lực lên hệ trục tọa độ vuông góc $Oxy$, điều kiện cân bằng giải tích: $\sum F_{ix} = 0$ và $\sum F_{iy} = 0$.

  3. Chương 3: Mô men của một lực với một điểm của ngẫu lực

    • Định nghĩa mômen của lực đối với một điểm: $m_O(F) = \pm F \cdot a = \pm 2S_{OAB}$.
    • Định lý Varignon cho hệ lực đồng quy và hệ lực song song.
    • Đặc trưng của ngẫu lực phẳng, phép hợp hệ ngẫu lực phẳng và điều kiện cân bằng: $\sum m_i = 0$.

  4. Chương 4: Ma sát

    • Ma sát trượt: Thí nghiệm Coulomb, định luật ma sát $F_{\max} = f \cdot N$ ($f$ là hệ số ma sát trượt tĩnh), khái niệm góc ma sát ($\tan\varphi = f$) và hiện tượng tự hãm ($\alpha \le \varphi$).
    • Ma sát lăn: Cặp ngẫu lực ma sát lăn, định luật ma sát lăn $M_{\max} = k \cdot N$ ($k$ là hệ số ma sát lăn mang thứ nguyên độ dài).

  5. Chương 5: Một số giả thuyết về vật liệu

    • Nhiệm vụ và đối tượng nghiên cứu của Sức bền vật liệu (vật thể dạng thanh thẳng, thanh cong).
    • Ba giả thuyết vật liệu: Giả thuyết về sự liên tục, đồng tính và đẳng hướng; giả thuyết về tính đàn hồi hoàn toàn; định luật Hooke về quan hệ bậc nhất giữa lực và biến dạng.
    • Nguyên lý độc lập tác dụng; phân loại ngoại lực (tập trung, phân bố, tĩnh, động), định nghĩa nội lực, ứng suất toàn phần $p$, ứng suất pháp $\sigma$, ứng suất tiếp $\tau$ với hệ thức $p = \sqrt{\sigma^2 + \tau^2}$; nguyên lý phương pháp mặt cắt.

  6. Chương 6: Kéo nén đúng tâm

    • Định nghĩa kéo/nén đúng tâm, lực dọc $N_z$ và quy tắc vẽ biểu đồ lực dọc.
    • Công thức ứng suất pháp $\sigma = \pm \frac{N}{F}$, biến dạng dọc tuyệt đối $\Delta l = \frac{N \cdot l}{E \cdot F}$, biến dạng tương đối $\varepsilon = \frac{\Delta l}{l}$, định luật Hooke $\sigma = E \cdot \varepsilon$.
    • Bảng tra môđun đàn hồi $E$ của vật liệu kỹ thuật (Thép cacbon $0{,}1 \div 20%\text{ C}$ có $E = 20 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$, gang xám $11{,}5 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$, đồng $12 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$, cao su $0{,}8\text{ kN/cm}^2$).
    • Ba bài toán cơ bản theo điều kiện bền $\sigma \le [\sigma]$: Kiểm tra bền, tính chọn diện tích mặt cắt $F \ge \frac{N}{[\sigma]}$, và xác định tải trọng cho phép $N \le F \cdot [\sigma]$.

  7. Chương 7: Cắt và dập

    • Định nghĩa cắt trượt, ứng suất tiếp và biến dạng góc cắt, định luật Hooke về cắt $\tau = G \cdot \gamma$, môđun trượt $G$, điều kiện bền cắt $\tau \le [\tau]$.
    • Hiện tượng dập, ứng suất dập $\sigma_d = \frac{P}{F_d}$, điều kiện bền dập $\sigma_d \le [\sigma_d]$.
    • Ứng dụng tính toán mối ghép đinh tán (rivê) chế tạo bằng thép số 3.

  8. Chương 8: Xoắn thuần túy

    • Mômen xoắn nội lực $M_z$, biểu đồ mômen xoắn; quan hệ giữa công suất truyền động $N$ (kW/HP), số vòng quay $n$ (vòng/phút) và mômen xoắn ngoại lực $M$; biến dạng góc xoắn và tính toán kiểm tra bền trục tròn truyền động.

  9. Chương 9: Uốn ngang phẳng

    • Định nghĩa uốn phẳng; xác định nội lực gồm lực cắt $Q_y$ và mômen uốn $M_x$; phương pháp vẽ biểu đồ nội lực và tính toán độ bền uốn thuần túy cho dầm chịu lực.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Các lý thuyết nền tảng (Fundamental theories): Hệ 4 tiên đề tĩnh học vật rắn; lý thuyết về ứng suất và biến dạng đàn hồi tuyến tính của vật rắn biến dạng thực; định lý Varignon về mômen hợp lực; định luật Coulomb về ma sát.
  • Các nguyên lý cốt lõi (Core principles): Phương pháp mặt cắt tưởng tượng xác định nội lực; nguyên lý độc lập tác dụng của các lực; nguyên lý cân bằng giải tích hình chiếu và mômen.
  • Khuôn khổ tính toán cơ bản (Essential frameworks): Khung 3 bài toán kiểm tra độ bền, tính chọn kích thước hình học và xác định tải trọng giới hạn cho phép của các chi tiết máy dạng thanh, trục, dầm và mối ghép đinh tán.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thiết lập sơ đồ giải phóng liên kết; biểu diễn hệ lực tác dụng; tính toán trị số phản lực liên kết; lập biểu thức và vẽ biểu đồ phân bố nội lực ($N_z, M_z, Q_y, M_x$).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích trạng thái chịu lực phức tạp của chi tiết máy về các dạng biến dạng cơ bản (kéo, nén, cắt, dập, uốn, xoắn); xác định vị trí mặt cắt nguy hiểm và điểm tập trung ứng suất lớn nhất.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Vận dụng bảng tra môđun đàn hồi vật liệu ($E, G$) và ứng suất cho phép $[\sigma], [\tau]$ để tính toán kiểm tra độ bền chi tiết trục quay, khớp nối, dầm đỡ bệ máy và mối ghép cơ khí trong hệ thống bơm, quạt, máy nén khí.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định cụ thể phương thức tổ chức dạy - học và tiêu chí đánh giá môn học Cơ kỹ thuật:

Phương pháp tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach)

  • Đối với giảng viên: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực, kết hợp thuyết trình ngắn cô đọng lý thuyết, nêu vấn đề kỹ thuật thực tế, làm mẫu các bước thiết lập phương trình cân bằng và vẽ biểu đồ nội lực, hướng dẫn thường xuyên và tổ chức thảo luận nhóm.
  • Đối với sinh viên: Chủ động đọc trước giáo trình theo từng chương trước giờ lên lớp, theo dõi quy trình tính toán mẫu của giảng viên, thực hiện bài tập cá nhân và thảo luận nhóm (mô hình nhóm nhỏ 2 người phối hợp làm bài tập và xử lý tình huống kỹ thuật).

Bài tập và thực hành (Practical exercises & Case studies)

Thời lượng môn học dành 29/45 giờ cho bài tập, thảo luận và thực hành tính toán. Giáo trình tích hợp các bài toán kỹ thuật mẫu:

  • Bài toán xác định phản lực liên kết cho hệ vật treo dây cáp và thanh chống có khớp bản lề cố định/di động (sử dụng phương pháp chiếu lực lên hệ trục $Oxy$).
  • Bài toán thanh thép chịu hệ lực dọc trục biến thiên từng đoạn ($P_1 = 30\text{ kN}, P_2 = 50\text{ kN}, P_3 = 80\text{ kN}$, diện tích $F = 2 \cdot 10^{-4}\text{ m}^2$), yêu cầu thiết lập phương trình mặt cắt, vẽ biểu đồ lực dọc $N$, tính ứng suất từng đoạn ($\sigma_{AC}, \sigma_{CD}, \sigma_{DB}$) và tính độ biến dạng dọc tổng cộng $\Delta l_{AB}$.
  • Bài toán tính bền mối ghép đinh tán chịu lực cắt và lực dập.

Phương pháp đánh giá (Assessment methods)

Thực hiện theo Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH của Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội:

Hạng mục đánh giá Trọng số Thời điểm kiểm tra Chuẩn đầu ra đánh giá
Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) + Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) 40% Sau 35 giờ (thường xuyên), sau 45 giờ (định kỳ) A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4, C1, C2
Điểm thi kết thúc môn học 60% Sau 45 giờ A1, A2, A3, A4, B1, C1, C2, C3

Điểm đánh giá thành phần và điểm kết thúc môn học chấm theo thang điểm 10 (làm tròn đến một chữ số thập phân), tổng hợp tính điểm môn học và quy đổi sang điểm chữ, thang điểm 4 theo quy chế đào tạo tín chỉ.

Quy định tự học và chuyên cần (Self-study guidelines)

  • Nghiên cứu bài học tại nhà và khai thác tài liệu tham khảo từ thư viện trước khi đến lớp.
  • Tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết (người học vắng quá 30% thời lượng lý thuyết phải học lại môn học).
  • Tham dự 100% các buổi thực hành, bài tập và thảo luận (người học vắng quá 1% số tiết thực hành không được dự thi và phải học lại môn học).
  • Tham gia đầy đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ và thi kết thúc môn học.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tính pháp lý và văn bản hóa chuẩn mực: Giáo trình ban hành theo Quyết định số 207/QĐ-CĐDK ngày 01/03/2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí, được chuẩn hóa theo chương trình khung Giáo dục nghề nghiệp khối ngành Kỹ thuật cơ khí.
  • Tối ưu hóa cấu trúc chương trình: Giáo trình tích hợp hai phân môn học thuật lớn là Cơ học lý thuyết (Tĩnh học) và Sức bền vật liệu trong một học phần tinh gọn 45 giờ (2 tín chỉ). Việc loại bỏ các nội dung lý thuyết thuần túy (Động học và Động lực học giải tích phức tạp) giúp chương trình tập trung trực tiếp vào các dạng tải trọng tĩnh, ma sát, nội lực và ứng suất thường gặp trong bảo dưỡng cơ khí.
  • Dữ liệu thực nghiệm kỹ thuật cập nhật: Cung cấp các thông số vật lý và cơ học thực tế phục vụ tra cứu thiết kế: bảng trị số môđun đàn hồi $E$ cho các loại thép cacbon, gang xám, đồng thanh, nhôm đura, cao su; bảng hệ số ma sát trượt tĩnh $f$ (thép - thép: $0{,}19$; đai truyền - gang: $0{,}18$); ứng suất cho phép của thép số 3 trong tính toán đinh tán.
  • Kế thừa nguồn học thuật uy tín: Giáo trình chuẩn hóa các phương pháp chứng minh và tính toán từ các tài liệu tham khảo cơ sở:
    • Cơ học ứng dụng – GS. Đỗ Sanh, NXB Giáo dục, 2001.
    • Giáo trình Cơ học lý thuyết & Giáo trình Sức bền vật liệu – Đặng Thanh Tân, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên chuyên ngành: Dùng làm giáo trình giảng dạy bắt buộc cho sinh viên hệ Cao đẳng và học sinh hệ Trung cấp thuộc nghề Lắp đặt - Vận hành - Bảo dưỡng bơm, quạt, máy nén khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí. Môn học được giảng dạy ở giai đoạn kiến thức cơ sở nghề (Khối II.1).
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần có kiến thức nền tảng về Toán học (hình học giải tích, giải hệ phương trình đại số, lượng giác) và Vật lý cơ bản, đồng thời đã hoàn thành các môn học đại cương và môn Vẽ kỹ thuật 1 (Mã môn học: MECM52003).
  • Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng làm căn cứ pháp lý và chuyên môn để soạn giáo án, thiết kế phiếu học tập, xây dựng ngân hàng câu hỏi kiểm tra thường xuyên, định kỳ và đề thi kết thúc môn học theo chuẩn đầu ra (A1-A4, B1-B4, C1-C4).
  • Kỹ thuật viên và công nhân kỹ thuật: Dùng làm tài liệu tra cứu nội bộ về phương pháp xác định tải trọng, tính toán bền liên kết bulông, đinh tán, kiểm tra độ võng dầm đỡ và độ bền trục truyền động trong các nhà máy lọc dầu, trạm nén khí và nhà máy công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Giáo trình được thiết kế theo chuẩn chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Lắp đặt - Vận hành - Bảo dưỡng bơm, quạt, máy nén khí, phù hợp cho học viên khối kỹ thuật cơ sở tại các trường đào tạo nghề kỹ thuật công nghiệp và dầu khí.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Người học cần hoàn thành khối kiến thức Toán học (giải phương trình, hệ phương trình, lượng giác, vectơ), Vật lý đại cương và hoàn thành môn học Vẽ kỹ thuật 1 (MECM52003) để đọc hiểu các sơ đồ kết cấu và phân tích lực.

3. Giáo trình Cơ kỹ thuật này có điểm gì khác biệt so với các giáo trình Cơ kỹ thuật tại các trường đại học kỹ thuật tổng hợp?

Giáo trình tại Trường Cao đẳng Dầu khí tập trung tích hợp hai phần: Tĩnh học và Sức bền vật liệu trong 45 giờ, lược bớt phần Động học - Động lực học giải tích lý thuyết để tăng thời lượng thực hành (29/45 giờ) cho 3 bài toán kiểm tra độ bền, tính chọn mặt cắt và tính toán mối ghép máy.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt chuẩn đầu ra?

Người học cần nghiên cứu lý thuyết từng chương trước khi lên lớp, nắm vững phương pháp giải tích và phương pháp mặt cắt, tự thực hiện các bài tập ví dụ mẫu (vẽ sơ đồ tách vật thể tự do, lập phương trình cân bằng, vẽ biểu đồ nội lực) và tuân thủ quy định tham dự tối thiểu 70% lý thuyết và 100% các giờ bài tập/thực hành.

5. Có những tài liệu tham khảo nào được trích dẫn kèm theo giáo trình?

Tài liệu tham khảo chính thức bao gồm: cuốn Cơ học ứng dụng (Đỗ Sanh, NXB Giáo dục, 2001), Giáo trình Cơ học lý thuyết và Giáo trình Sức bền vật liệu (Đặng Thanh Tân, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật).

Kết luận

Giáo trình Cơ kỹ thuật (Mã số: MECM64011) do Bộ môn Cơ khí, Trường Cao đẳng Dầu khí biên soạn là tài liệu học thuật cơ sở nghề có tính hệ thống, cung cấp các nguyên lý Tĩnh học và Sức bền vật liệu nền tảng. Lộ trình học tập được thiết kế tịnh tiến từ việc nắm vững 4 tiên đề tĩnh học, phương pháp giải tích hệ lực phẳng, khảo sát ma sát đến ứng dụng phương pháp mặt cắt để tính toán biến dạng kéo-nén, cắt, dập, xoắn và uốn. Việc nắm vững các nội dung trong giáo trình là điều kiện tiên quyết để người học tiếp thu hiệu quả các mô đun chuyên ngành sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị cơ khí dầu khí tiếp theo. Người học có thể mở rộng kiến thức thông qua các tài liệu tham khảo chuẩn tắc của tác giả Đỗ Sanh và Đặng Thanh Tân được trích dẫn trong chương trình.