THÔNG TIN THƯ MỤC VÀ MÔ TẢ HỌC THUẬT GIÁO TRÌNH CƠ KỸ THUẬT

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ kỹ thuật (Mã môn học: MECM64011) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc hệ thống chương trình đào tạo của Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam). Tài liệu được ban hành chính thức theo Quyết định số 212/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí, do Ban biên soạn gồm kỹ sư Lê Duy Nam (Chủ biên), Huỳnh Công Hải và An Đình Quân thuộc Bộ môn Cơ khí – Khoa Giáo dục nghề nghiệp biên soạn.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp, Cơ kỹ thuật là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc, có khối lượng 2 tín chỉ với tổng thời lượng 45 giờ (14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/bài tập/thảo luận, 2 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí giảng dạy sau các học phần khoa học đại cương và học phần cơ sở nhập môn (Vật liệu cơ khí, Dung sai, Vẽ kỹ thuật 1), đồng thời đóng vai trò tiên quyết cho các mô-đun chuyên môn kỹ thuật như Nguyên lý – Chi tiết máy, Kỹ thuật sửa chữa cơ khí, Sửa chữa – Bảo dưỡng bơm, Sửa chữa – Bảo dưỡng van công nghiệp và Sửa chữa – Bảo dưỡng máy nén khí.

Mục tiêu đào tạo của giáo trình hướng tới việc trang bị cho người học:

  • Về kiến thức: Nắm vững hệ tiên đề tĩnh học, các mô hình liên kết và phản lực liên kết; hiểu rõ bản chất của các trạng thái chịu lực cơ bản gồm kéo - nén đúng tâm, cắt, dập, xoắn thuần túy và uốn ngang phẳng; phân tích được các thông số động học và điều kiện cân bằng của hệ vật rắn.
  • Về kỹ năng: Tính toán chính xác phản lực liên kết, hệ số và lực ma sát; thiết lập phương trình và vẽ biểu đồ nội lực; tính toán ứng suất, biến dạng đàn hồi, xác định kích thước mặt cắt ngang và tải trọng cho phép ở trạng thái an toàn của kết cấu vật liệu.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện phương pháp tư duy khoa học, tính cẩn thận, chính xác, kỷ luật kỹ thuật và khả năng phối hợp làm việc nhóm.

Cấu trúc giáo trình được xây dựng theo phương pháp tiếp cận diễn dịch bán thực nghiệm, chia làm hai phần chính: Cơ lý thuyết (nghiên cứu quy luật cân bằng của vật thể dưới tác dụng của hệ lực dựa trên mô hình vật rắn tuyệt đối) và Sức bền vật liệu (nghiên cứu trạng thái nội lực, ứng suất và biến dạng của vật rắn thực biến dạng). Điểm đặc thù của tài liệu là tinh giản các chứng minh toán học phức tạp, tập trung chuẩn hóa hệ thống công thức giải tích và quy trình giải 3 bài toán kỹ thuật cơ bản ứng dụng trực tiếp trong bảo dưỡng cơ khí.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được cấu trúc thành 9 chương thuộc 2 phần kiến thức nền tảng, sắp xếp theo tiến trình logic từ trừu tượng hóa tĩnh học đến ứng dụng biến dạng thực tế:

[Phần I: Cơ lý thuyết]
[Phần II: Sức bền vật liệu]
  • Chương 1 – Những khái niệm cơ bản và hệ tiên đề tĩnh học: Định nghĩa lực (đặc trưng bởi điểm đặt, phương chiều, độ lớn; đơn vị đo N, kG; $1\text{ kG} = 9{,}81\text{ N}$), khái niệm vật rắn tuyệt đối, hệ quy chiếu quán tính gắn với Trái Đất. Trình bày 4 tiên đề tĩnh học: Tiên đề cân bằng của hai lực trực đối, Tiên đề biến đổi tương đương (hệ quả: lực là véctơ trượt), Tiên đề hình bình hành lực và Tiên đề tác dụng tương hỗ. Phân loại các dạng liên kết kỹ thuật: liên kết tựa, liên kết dây mềm, liên kết thanh, liên kết gối đỡ bản lề (di động, cố định), liên kết bản lề trụ, bản lề cầu và liên kết ngàm.
  • Chương 2 – Hệ lực phẳng đồng quy: Khảo sát điều kiện cân bằng bằng phương pháp hình học (quy tắc hình bình hành, quy tắc đa giác lực đóng kín) và phương pháp giải tích. Thiết lập công thức hình chiếu lực lên hệ trục tọa độ $Oxy$ ($F_x = F \cos\alpha$, $F_y = F \sin\alpha$), xác định độ lớn hợp lực $R = \sqrt{R_x^2 + R_y^2}$ và hệ phương trình cân bằng tĩnh học: $\sum F_{ix} = 0$, $\sum F_{iy} = 0$. Trình bày Định lý 3 lực không song song cân bằng trong mặt phẳng.
  • Chương 3 – Mô men của một lực với một điểm của ngẫu lực: Xác định độ lớn mômen $m_O(F) = \pm F \cdot a$ (với $a$ là cánh tay đòn), quy ước dấu đại số theo chiều quay kim đồng hồ; chứng minh Định lý Varignon cho hệ lực phẳng đồng quy, hệ lực song song và hệ lực bất kỳ ($\sum m_O(\vec{R}) = \sum m_O(\vec{F}_i)$). Thiết lập điều kiện cân bằng của đòn và điều kiện cân bằng của hệ ngẫu lực phẳng ($\sum m_i = 0$).
  • Chương 4 – Ma sát: Khái niệm ma sát trượt và ma sát lăn. Trình bày thí nghiệm Coulomb, định luật ma sát trượt giới hạn ($F_{\max} = f \cdot N$), xác định góc ma sát $\tan\varphi = f$ và giải thích hiện tượng tự hãm khi góc nghiêng $\alpha \le \varphi$. Khảo sát ma sát lăn, xác định ngẫu lực ma sát lăn cản trở chuyển động và định luật ma sát lăn ($M_{\max} = k \cdot N$, với $k$ là hệ số ma sát lăn có thứ nguyên độ dài).
  • Chương 5 – Một số giả thuyết về vật liệu: Giới thiệu đối tượng nghiên cứu của sức bền vật liệu (vật thể dạng thanh); thiết lập 3 giả thuyết cơ bản: giả thuyết về tính liên tục, đồng tính và đẳng hướng (áp dụng cho kim loại thép, đồng; không áp dụng cho gạch, đá, gỗ); giả thuyết về tính đàn hồi hoàn toàn trong giới hạn đàn hồi; giả thuyết về quan hệ tỉ lệ bậc nhất giữa lực và biến dạng (Định luật Hooke). Trình bày Nguyên lý độc lập tác dụng, phân loại ngoại lực (lực tập trung, lực phân bố, lực tĩnh, lực động), bản chất nội lực, ứng suất toàn phần $p$, ứng suất pháp $\sigma$, ứng suất tiếp $\tau$ ($p = \sqrt{\sigma^2 + \tau^2}$) và nguyên lý Phương pháp mặt cắt.
  • Chương 6 – Kéo nén đúng tâm: Khảo sát thanh chịu lực dọc $N_z$, thiết lập quy ước dấu và phương pháp vẽ biểu đồ lực dọc $N$. Trình bày công thức tính ứng suất pháp phân bố đều trên mặt cắt ngang $\sigma = \pm \frac{N}{F}$, công thức biến dạng dọc tuyệt đối $\Delta l = \frac{N \cdot l}{E \cdot F}$, biến dạng tỉ đối $\varepsilon = \frac{\Delta l}{l}$ và Định luật Hooke ($\sigma = E \cdot \varepsilon$). Phân tích điều kiện bền $\sigma \le [\sigma]$ và giải 3 bài toán cơ bản (kiểm tra độ bền, chọn kích thước tiết diện $F \ge \frac{N}{[\sigma]}$, xác định tải trọng cho phép $N \le F \cdot [\sigma]$).
  • Chương 7 – Cắt và dập: Xác định ứng suất cắt $\tau$, biến dạng góc $\gamma$, định luật Hooke về cắt $\tau = G \cdot \gamma$ (với môđun đàn hồi trượt $G$); ứng suất dập $\sigma_d$; tính toán kiểm nghiệm mối ghép đinh tán (rivê) chịu cắt và dập với vật liệu thép số 3.
  • Chương 8 – Xoắn thuần túy: Phân tích mômen xoắn nội lực $M_z$, mối liên hệ giữa công suất truyền động $N$, vận tốc vòng quay $n$ và mômen xoắn ngoại lực $M$; tính toán góc xoắn và ứng suất tiếp của thanh tiết diện tròn chịu xoắn.
  • Chương 9 – Uốn ngang phẳng: Định nghĩa hiện tượng uốn phẳng, thiết lập biểu đồ lực cắt $Q_y$ và mômen uốn $M_x$ trong dầm; xác định ứng suất pháp khi uốn thuần túy và tính toán độ bền dầm chịu uốn theo mômen chống uốn $W_x$.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình hình thành nền tảng lý thuyết thông qua hệ thống định luật và nguyên lý cơ học giải tích:

Nhóm kiến thức Cơ sở khoa học / Tiên đề Ứng dụng giải tích trong giáo trình
Hệ tiên đề tĩnh học 4 Tiên đề tĩnh học cổ điển Giải bài toán cân bằng vật rắn, thay thế và phân tích lực, giải phóng liên kết bằng phản lực liên kết.
Định luật ma sát Thí nghiệm Coulomb & Ma sát lăn Tính toán lực cản trượt $F_{\max} = f \cdot N$, góc ma sát $\varphi$, kiểm tra điều kiện tự hãm của cơ cấu máy.
Giả thuyết vật liệu Tính liên tục, đồng tính, đẳng hướng Chuyển đổi bài toán vật lý thực tế về mô hình tính toán cơ học lý tưởng cho kim loại chế tạo máy.
Định luật Hooke Quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng Tính toán độ dãn dài $\Delta l = \frac{N \cdot l}{E \cdot F}$, biến dạng trượt $\gamma = \frac{\tau}{G}$ trong miền đàn hồi.
Phương pháp mặt cắt Cân bằng tĩnh học phân tố bị cắt Xác định quy luật biến thiên của nội lực ($N_z, Q_y, M_x, M_z$) và vẽ biểu đồ nội lực kết cấu.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Xác định chính xác các điểm đặt, phương, chiều và trị số của phản lực tại các liên kết tựa, bản lề, khớp trụ, khớp cầu và ngàm; phân tích hệ lực không gian và phẳng; vẽ biểu đồ nội lực cho thanh chịu kéo - nén, trục chịu xoắn và dầm chịu uốn.
  • Kỹ năng tính toán giải tích: Thiết lập và giải hệ phương trình cân bằng tĩnh học bằng hình chiếu đại số; áp dụng hệ thức lượng giác trong tam giác lực; tính toán giá trị ứng suất pháp $\sigma$, ứng suất tiếp $\tau$, ứng suất dập $\sigma_d$ và biến dạng dọc $\Delta l$.
  • Kỹ năng ứng dụng công nghiệp: Giải quyết trọn vẹn 3 bài toán sức bền công trình (kiểm tra an toàn kết cấu máy, tính chọn kích thước hình học thanh/trục/dầm theo ứng suất cho phép $[\sigma]$, tính toán khả năng chịu tải trọng cực đại của thiết bị chế biến dầu khí).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình định hướng quy trình đào tạo kết hợp giữa truyền thụ nguyên lý và rèn luyện kỹ năng thực hành kỹ thuật theo phương pháp dạy học tích cực:

[Tiến trình giảng dạy & Học tập]
1. Chuẩn bị (Tự học bài trước, đọc giáo trình) 
       ↓
2. Lên lớp (Thuyết trình ngắn, nêu vấn đề, giáo viên làm mẫu bài toán kỹ thuật)
       ↓
3. Luyện tập (Thảo luận nhóm 2 người, giải bài tập giải tích & vẽ biểu đồ)
       ↓
4. Đánh giá (Kiểm tra thường xuyên 35h, Kiểm tra định kỳ 45h, Thi kết thúc môn)
  • Phương pháp giảng dạy của người dạy: Áp dụng thuyết trình ngắn gọn về mặt lý thuyết, phương pháp nêu vấn đề kỹ thuật thực tế, thực hiện giải mẫu các bài toán cơ học điển hình; tổ chức phân chia nhóm nhỏ để thảo luận và hướng dẫn sinh viên thực hiện bài tập tính toán.
  • Bài tập và tình huống mẫu: Giáo trình cung cấp các bài toán tính toán cụ thể kèm số liệu định lượng:
    • Bài toán hệ lực phẳng đồng quy: Phân tích cân bằng nút dây treo vật nặng $m = 60\text{ kg}$ nghiêng góc $60^\circ$ và $30^\circ$, dựng tam giác lực khép kín xác định phản lực dây căng $T_B = 300\text{ N}$ và $T_C = 300\sqrt{3}\text{ N}$; bài toán ròng rọc kéo tải $m = 200\text{ kg}$ tại nút $A$.
    • Bài toán kéo nén đúng tâm nhiều đoạn: Thanh thép chịu tác dụng của các lực dọc trục $P_1 = 30\text{ kN}$, $P_2 = 50\text{ kN}$, $P_3 = 80\text{ kN}$, diện tích tiết diện $F = 2 \cdot 10^{-4}\text{ m}^2$, môđun đàn hồi $E = 2 \cdot 10^5\text{ MN/m}^2$. Quy trình giải gồm: thiết lập mặt cắt $1-1, 2-2, 3-3$, vẽ biểu đồ lực dọc $N$, tính ứng suất từng đoạn ($\sigma_{AC} = 15\text{ kN/cm}^2, \sigma_{CD} = -10\text{ kN/cm}^2, \sigma_{DB} = 30\text{ kN/cm}^2$) và xác định biến dạng dọc tổng thể $\Delta l_{AB} = 0{,}15 - 0{,}1 + 0{,}45 = 0{,}5\text{ mm}$.
  • Phân bổ thời gian môn học: Cấu trúc 45 giờ học tập gồm:
    • Lý thuyết: 14 giờ (chiếm 31,1% tổng thời lượng).
    • Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 29 giờ (chiếm 64,4%).
    • Kiểm tra: 2 giờ (gồm 1 giờ kiểm tra lý thuyết và 1 giờ kiểm tra thực hành bài tập).
  • Phương pháp và trọng số đánh giá: Căn cứ theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, hệ thống đánh giá kết quả học tập tại Trường Cao đẳng Dầu khí quy định:
    • Điểm quá trình (Trọng số 40%): Gồm điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1, đánh giá sau 35 giờ) và điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2, đánh giá sau 45 giờ) dưới hình thức tập trung cá nhân hoặc nhóm, đánh giá chuẩn đầu ra A1–A6, B1–B4, C1–C2.
    • Điểm thi kết thúc môn học (Trọng số 60%): Đánh giá tập trung bằng bài thi lý thuyết/bài tập tổng hợp sau 45 giờ học.
    • Thang điểm chấm là thang điểm 10 (làm tròn một chữ số thập phân), quy đổi sang thang điểm chữ (A, B, C, D, F) và thang điểm 4 theo quy chế đào tạo tín chỉ.
  • Quy định tự học và chuyên cần: Sinh viên bắt buộc phải nghiên cứu giáo trình trước khi đến lớp; tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết (vắng quá 30% thời lượng lý thuyết phải học lại); tham dự đầy đủ 100% thời lượng thực hành/bài tập (vắng quá 1% số tiết thực hành không được dự thi và phải học lại môn học). Hoạt động nhóm được tổ chức theo quy mô 2 người/nhóm để cùng giải quyết các bài tập tính toán kết cấu.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Căn cứ pháp lý và tính chuẩn hóa: Giáo trình được ban hành chính thức theo Quyết định số 212/QĐ-CĐDK ngày 01/03/2022 của Trường Cao đẳng Dầu khí, đảm bảo khung chương trình đào tạo nghề quốc gia theo quy định của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội.
  • Bảng tra cứu thông số vật liệu kỹ thuật chuẩn: Giáo trình tích hợp hệ thống số liệu thực nghiệm về môđun đàn hồi dọc ($E$) của các vật liệu chế tạo cơ khí thông dụng:
Loại vật liệu kỹ thuật Môđun đàn hồi dọc $E$
Thép chứa từ 0,1 ÷ 20% Cacbon $20 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$ ($2 \cdot 10^5\text{ MN/m}^2$)
Thép lò xo $22 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Thép Niken $19 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Gang xám $11{,}5 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Đồng $12 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Đồng thau $(10 \div 12) \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Nhôm và Đura $(7 \div 8) \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Cao su $8 \cdot 10^6\text{ N/m}^2$ ($0{,}8\text{ kN/cm}^2$)
  • Dữ liệu thực nghiệm về ma sát: Cung cấp các hệ số ma sát trượt tĩnh chuẩn dùng trong sổ tay kỹ thuật cơ khí: cặp vật liệu Thép – Thép ($f = 0{,}19$), cặp vật liệu Đai truyền – Gang ($f = 0{,}18$).
  • Gắn kết thực tiễn ngành Dầu khí: Các ví dụ và bài toán kiểm nghiệm độ bền tập trung vào các kết cấu máy trong nhà máy chế biến dầu khí, như mối ghép đinh tán (rivê) bằng thép số 3 chịu cắt dập, trục truyền động quay trong máy nén và bơm ly tâm chịu xoắn, dầm đỡ kết cấu đường ống chịu uốn ngang phẳng.
  • Tính liên thông mô-đun trong chương trình: Kiến thức trong giáo trình là cơ sở tính toán trực tiếp cho chuỗi mô-đun chuyên ngành tiếp theo gồm: Gia công nguội cơ bản (MECM53104), Sửa chữa – Bảo dưỡng van công nghiệp (MECM55106, MECM63119), Sửa chữa – Bảo dưỡng bơm (MECM53107, MECM63120), Lò hơi và tua bin hơi (MECM65014), Lò gia nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt (MECM65017), Thiết bị tách (MECM62021).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên đào tạo chính quy: Học sinh, sinh viên theo học trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở đào tạo nghề kỹ thuật cơ khí công nghiệp.
  • Yêu cầu tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức văn hóa phổ thông/đại cương về Toán học (giải tích đại số, hệ phương trình, lượng giác) và Vật lý học (cơ học chất điểm); đồng thời đã tích lũy các môn học kỹ thuật cơ sở chung: Dung sai (MECM53001), Vật liệu cơ khí (MECM53002) và Vẽ kỹ thuật 1 (MECM52003).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn hóa để lập kế hoạch bài giảng, biên soạn giáo án, thiết kế phiếu học tập, xây dựng ngân hàng đề kiểm tra định kỳ và đề thi kết thúc học phần theo đúng ma trận chuẩn đầu ra A1–A4, B1–B4 và C1–C4.
  • Cán bộ kỹ thuật và người tự học: Dùng làm tài liệu tra cứu các công thức tính toán nội lực, phương pháp vẽ biểu đồ tải trọng, kiểm tra điều kiện bền cắt, dập, kéo, nén, uốn, xoắn của các cụm chi tiết cơ khí tại các phân xưởng vận hành và bảo dưỡng nhà máy lọc hóa dầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng nào và trình độ nào?
Giáo trình được biên soạn phục vụ đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp chuyên ngành Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí, ban hành theo Quyết định số 212/QĐ-CĐDK ngày 01/03/2022.

2. Người học cần đáp ứng các điều kiện tiên quyết nào trước khi học môn này?
Người học cần nắm vững toán học giải tích, phương pháp giải hệ phương trình, lượng giác học, kiến thức vật lý cơ học cơ bản và đã học qua các môn học cơ sở gồm Vật liệu cơ khí, Dung sai và Vẽ kỹ thuật.

3. Điểm khác biệt về cấu trúc nội dung của giáo trình này so với các tài liệu Cơ học lý thuyết thuần túy là gì?
Tài liệu tích hợp cả hai phần kiến thức Cơ lý thuyết (Tĩnh học vật rắn tuyệt đối) và Sức bền vật liệu (Vật rắn biến dạng) vào một chương trình tinh gọn 45 giờ, trong đó thời lượng bài tập và thực hành chiếm tỷ trọng lớn (64,4%), hướng trực tiếp vào việc giải quyết 3 bài toán kỹ thuật thực tế thay vì đi sâu vào các chứng minh lý thuyết hàn lâm.

4. Quy định về kiểm tra, đánh giá và chuyên cần của môn học được thực hiện như thế nào?
Môn học áp dụng đánh giá theo Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH: Điểm quá trình chiếm 40% (gồm kiểm tra thường xuyên tại giờ thứ 35 và kiểm tra định kỳ tại giờ thứ 45), điểm thi kết thúc môn học chiếm 60%. Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% số giờ lý thuyết và 100% số giờ thực hành (vắng quá 1% số tiết thực hành sẽ không được dự thi kết thúc môn).

5. Giáo trình sử dụng và kế thừa những tài liệu tham khảo nào?
Tài liệu được biên soạn dựa trên các nguồn tài liệu kỹ thuật chuẩn mực:

  1. Đỗ Sanh – Cơ học ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục, 2001.
  2. Đặng Thanh Tân – Giáo trình cơ học lý thuyết, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật.
  3. Đặng Thanh Tân – Giáo trình sức bền vật liệu, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật.

Kết luận

Giáo trình Cơ kỹ thuật (Mã môn: MECM64011) của Trường Cao đẳng Dầu khí là tài liệu học thuật cơ sở chuẩn hóa, cung cấp hệ thống nguyên lý tĩnh học, phương pháp mặt cắt giải tích nội lực và các công thức kiểm nghiệm bền của vật liệu kim loại phục vụ sửa chữa cơ khí.

Lộ trình học tập đề xuất cho người học bắt đầu từ việc nắm vững 4 tiên đề tĩnh học, phương pháp giải tích hệ lực phẳng, tiếp tục với việc thuần thục phương pháp mặt cắt vẽ biểu đồ nội lực và hoàn thiện kỹ năng giải quyết 3 bài toán bền về kéo - nén, cắt, dập, xoắn, uốn. Sinh viên có thể sử dụng bổ trợ hệ thống câu hỏi thảo luận cuối mỗi chương và các giáo trình tham khảo của Đỗ Sanh, Đặng Thanh Tân để mở rộng năng lực tính toán kết cấu máy.