Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hiện tượng mỏi (fatigue) trong kỹ thuật cơ khí là quá trình tích lũy dần sự phá hỏng của vật liệu kim loại dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Mức ứng suất làm xuất hiện và phát triển vết nứt mỏi thường có trị số nhỏ hơn giới hạn bền, thậm chí thấp hơn giới hạn đàn hồi của vật liệu, dẫn đến những sự cố gãy hỏng đột ngột, gây thiệt hại nghiêm trọng cho hệ thống thiết bị và máy móc công nghiệp. Việc kiểm tra và đánh giá độ bền mỏi cho phép xác định kích thước, kết cấu tối ưu cho các cụm chi tiết máy.

Tại Việt Nam, nhu cầu thí nghiệm mỏi đối với các chi tiết máy thuộc ngành cơ khí và giao thông vận tải rất lớn. Dù đã có một số công trình nghiên cứu về hiện tượng mỏi, song trong nước chưa có thiết bị chuyên dụng tự chế tạo phục vụ thí nghiệm mỏi kéo – nén nhằm rút ngắn thời gian thử nghiệm, nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế. Trước thực tế đó, đề tài "Nghiên cứu và thiết kế máy thí nghiệm mỏi kéo – nén" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán thiết kế thiết bị thí nghiệm cơ tính cơ học phù hợp với năng lực công nghệ gia công trong nước, phục vụ đào tạo, nghiên cứu và định hướng thương mại hóa.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài gồm 2 nội dung chính:

  1. Đề xuất nguyên lý máy thí nghiệm mỏi kéo – nén khả thi, phù hợp với điều kiện công nghệ tại Việt Nam (trọng tâm là khu vực Thành phố Hồ Chí Minh).
  2. Thiết kế và chế tạo một số chi tiết của các cụm chính trên máy thí nghiệm để đánh giá tính khả thi.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định theo đề cương gồm:

  1. Tìm hiểu, khảo sát các nguyên lý và mô hình máy thí nghiệm mỏi kéo – nén hiện có.
  2. Phân tích, đánh giá các hạn chế, tồn tại của các hệ thống thử nghiệm mỏi hiện nay.
  3. Đề xuất các thông số thiết kế kỹ thuật cho máy thí nghiệm mỏi kéo – nén.
  4. Đề xuất nguyên lý máy thí nghiệm mỏi kéo – nén khả thi với điều kiện công nghệ chế tạo cơ khí trong nước.
  5. Đề xuất và lựa chọn phương án kết cấu máy dựa trên nguyên lý và thông số đã xác định.
  6. Tính toán, thiết kế toàn bộ hệ thống cơ khí và điều khiển của máy.
  7. Chế tạo thực nghiệm một số chi tiết của các cụm chính ở dạng mô hình nhằm kiểm chứng tính khả thi.
  8. Hoàn thiện tập bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp, poster và thuyết minh đồ án.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hiện tượng mỏi, cơ chế phá hủy mỏi của vật liệu kim loại và các loại máy thí nghiệm mỏi kéo – nén trong và ngoài nước. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các thông số kỹ thuật cụ thể:

  • Mẫu thí nghiệm: Chi tiết dạng trục tròn chế tạo từ thép C45, đường kính phần kiểm nghiệm tiêu chuẩn là $d = 6\text{ mm}$.
  • Tần số làm việc thiết kế: 50 Hz.
  • Tốc độ quay của trục chính: Khoảng 3000 vòng/phút.
  • Tải trọng kéo – nén tối đa: Khoảng 3000 N (3 kN).
  • Phạm vi chế tạo: Tập trung gia công thử nghiệm một số chi tiết cơ sở của cụm tạo lực và dẫn hướng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các học thuyết và mô hình phá hủy mỏi kinh điển:

  • Cơ chế dịch chuyển mạng tinh thể: Dựa trên kết quả nghiên cứu của W. Wood và cộng sự về sự hình thành các dải trượt tế vi (slip bands), sự dịch chuyển biên giới hạt và sự phát triển của vết nứt từ chiều dài ban đầu $l_0$ đến chiều dài phá hủy $l$ dưới tác dụng của ứng suất chu kỳ.
  • Đường cong mỏi Wöhler: Phản ánh mối quan hệ giữa ứng suất tác dụng $\sigma$ và số chu kỳ ứng suất $N$ cho đến khi mẫu bị phá hủy, được chia thành 3 pha phản ứng rõ rệt: Pha I (ứng suất lớn, chu kỳ thấp), Pha II (vết nứt tế vi phát triển từ bề mặt và khuyết tật tế vi), và Pha III (cường độ ứng suất thấp, chu kỳ lớn, vết nứt ổn định hoặc ngừng phát triển). Chu kỳ cơ sở đối với thép cacbon trung bình (C45) được xác định là $N_f = 2 \times 10^6$ chu kỳ.
  • Các chỉ tiêu phá hủy mỏi:
    • Chỉ tiêu ứng suất và biến dạng theo phương trình Wöhler: $S_i^m N = C$ và chỉ tiêu biến dạng dẻo: $e_p N_p^k = C_e$.
    • Chỉ tiêu năng lượng của C. Morrow: Xác định sự phá hủy khi tổng năng lượng tản mác đạt công biến dạng riêng tĩnh theo công thức $D_{sum} = 2N \int_0^{\Delta\varepsilon} \sigma , d\varepsilon$.
    • Động học phát triển vết nứt mỏi: Xác định tốc độ lan truyền vết nứt $v = \frac{dl}{dt} = f(S, F, C)$.
  • Các nhân tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi:
    • Thành phần hóa học và công thức Roger tính giới hạn mỏi: $\sigma_F = 0,4\sigma_Y + 0,25\sigma_T$ (với $\sigma_Y$ là giới hạn chảy, $\sigma_T$ là giới hạn bền kéo tĩnh).
    • Kích thước hạt tế vi theo thực nghiệm của G. Craig: $\sigma_F = \sigma_{iF} + K_F \cdot h_o^{-1/2}$.
    • Đặc trưng chu trình ứng suất: Biên độ ứng suất $\sigma_a = \frac{\sigma_{max} - \sigma_{min}}{2}$, ứng suất trung bình $\sigma_m = \frac{\sigma_{max} + \sigma_{min}}{2}$, hệ số tính chất chu trình $r = \frac{\sigma_{max}}{\sigma_{min}}$.
    • Hệ số ảnh hưởng kích thước tuyệt đối $\varepsilon_\sigma = \frac{\sigma_{rd}}{\sigma_{rd0}}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  1. Phương pháp phân tích – tổng hợp: Khảo sát các nguyên lý máy mỏi uốn 4 điểm, mỏi xoắn LiTeM, nguyên lý lực ly tâm Schenck, nguyên lý truyền động thủy lực servo (Zwick/Roell, Instron 8802) và nguyên lý cơ khí cam lệch tâm (Rainer Schwab, ADMET eXpert).
  2. Phương pháp tính toán thiết kế truyền thống: Áp dụng lý thuyết chi tiết máy và sức bền vật liệu để tính toán thông số động học, tải trọng lò xo nén, bộ truyền đai thang, lực kẹp cơ cấu collet và độ bền các trục.
  3. Phương pháp mô phỏng số (FEM): Ứng dụng phần mềm SolidWorks 2016 Simulation để chia lưới, thiết lập điều kiện biên và phân tích nội lực, ứng suất tương đương, chuyển vị và hệ số an toàn cho các chi tiết chịu tải biến đổi.
  4. Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Gia công chi tiết cơ khí trên máy công cụ thực tế và kiểm tra dung sai kích thước bằng dụng cụ đo chuyên dụng.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm các tiêu chuẩn cơ tính thép kết cấu cacbon chất lượng tốt C45, tài liệu kỹ thuật máy thí nghiệm thương mại và thư viện tiêu chuẩn ICDD-2008 của hệ thống nhiễu xạ tia X X’Pert Pro.

Thiết kế và triển khai hệ thống máy thí nghiệm MKN-01

Hệ thống máy thí nghiệm mỏi kéo – nén được đặt tên mã là MKN-01, cấu thành từ cụm cơ khí sinh tải, hệ thống truyền động và tủ điều khiển giám sát tự động.

Lựa chọn nguyên lý và kết cấu tổng thể

Dựa trên kết quả khảo sát các dòng máy thử mỏi trên thế giới, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn nguyên lý biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến qua cơ cấu cam lệch tâm kết hợp thanh truyền – trục khuỷu và lò xo nén. Phương án này cho phép đạt tần số dao động cao (50 Hz), kết cấu cơ khí nhỏ gọn, chi phí chế tạo phù hợp hơn nhiều so với hệ thống thủy lực servo.

Cụm chức năng Phương án được chọn Đặc điểm kỹ thuật chính
Nguyên lý tạo tải chu kỳ Cơ cấu cam lệch tâm kết hợp lò xo nén Tạo chuyển vị kéo – nén có chu kỳ tuần hoàn lên mẫu
Cơ cấu kẹp mẫu Đầu kẹp dạng Collet Tự định tâm, kẹp chặt mẫu trục $d = 6\text{ mm}$, hạn chế tập trung ứng suất tại ngàm
Nguồn động lực Động cơ điện TECAB3-IE2 Động cơ điện xoay chiều 3 pha tiêu chuẩn công nghiệp
Truyền động trung gian Bộ truyền đai thang loại A Giảm chấn rung động, tỉ số truyền đồng bộ tốc độ
Biến đổi chuyển động Cụm trục khuỷu – thanh truyền – trụ trượt Chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến khứ hồi
Thiết bị đo lực Cảm biến lực Loadcell DEE-A dạng S Đo tải trọng kéo – nén tức thời, truyền tín hiệu về bộ điều khiển
Hệ thống điều khiển PLC Mitsubishi FX1N-40MR ES/UL Xử lý logic, đếm chu kỳ làm việc và ngắt dừng khi mẫu đứt
Module ghép nối analog FX2N-2AD Chuyển đổi tín hiệu tương tự từ loadcell phục vụ giám sát lực
Giao diện vận hành Màn hình HMI Hiển thị thông số lực tác dụng, số chu kỳ mỏi và cài đặt chế độ

Tính toán cơ khí và mô phỏng số

Nhóm tác giả thực hiện tính toán chi tiết từng bộ phận cơ khí:

  • Tính toán lò xo nén: Xác định đường kính dây lò xo, đường kính ngoài, độ cứng và hành trình nén cực đại nhằm tạo ra dải tải trọng dao động từ 1 kN đến 3 kN lên mẫu thử.
  • Bộ truyền đai thang A: Tính toán chọn kích thước bánh đai dẫn, bánh đai bị dẫn, chiều dài đai, khoảng cách trục và kiểm tra số đai cần thiết để truyền đủ công suất từ động cơ điện mà không xảy ra hiện tượng trượt trơn.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM): Toàn bộ các chi tiết chịu lực chính trong cụm tạo lực được mô phỏng bền trên SolidWorks 2016:
    • Chốt trục truyền: Xác định ứng suất trung bình theo phương X, độ dịch chuyển lớn nhất và hệ số an toàn.
    • Thanh truyền: Phân tích ứng suất trung bình theo phương Y trên các tiết diện chịu lực (phần dày 15 mm và phần dày 8 mm), biến dạng tương đối và kiểm tra độ võng.
    • Trục khuỷu và trục truyền: Phân tích ứng suất theo phương Z, đảm bảo chi tiết làm việc trong miền đàn hồi dưới tác dụng của chu trình tải mỏi.
    • Trụ trượt: Khảo sát áp lực tiếp xúc, ứng suất pháp và chuyển vị trượt dọc trục.
    • Đầu kẹp collet: Thiết lập sơ đồ phân bố lực kẹp ma sát để giữ chặt mẫu thép C45 trong suốt chu trình kéo – nén mà không bị trượt dọc trục.

Chế tạo thực nghiệm một số chi tiết

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành lập bản vẽ kỹ thuật chi tiết và chế tạo mẫu thực tế cho các chi tiết cốt lõi của cụm dẫn động:

  • Trụ trượt trái: Được gia công cơ khí chính xác, bề mặt dẫn hướng đạt đường kính ngoài $\varnothing 35\text{ mm}$, kiểm tra thực tế bằng thước cặp cơ khí đạt dung sai lắp ghép yêu cầu.
  • Đầu nối: Gia công hoàn thiện bề mặt kết nối ren và ngàm định vị, đảm bảo liên kết vững chắc giữa trụ trượt và đầu kẹp mẫu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc nghiên cứu độ bền mỏi trong bối cảnh các sự cố gãy hỏng cơ khí do mỏi chiếm tỷ lệ lớn nhưng khó phát hiện sớm bằng mắt thường. Tác giả nêu rõ ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra cơ tính phục vụ công nghiệp và đào tạo trong nước. Mục tiêu của đề tài được xác định rõ là đề xuất nguyên lý khả thi và thiết kế, chế tạo thử nghiệm một số cụm chi tiết máy mỏi kéo – nén dạng trục. Phạm vi nghiên cứu được cố định với mẫu thép C45 đường kính 6 mm, tốc độ trục chính 3000 vòng/phút, tần số 50 Hz và tải trọng tối đa 3000 N.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 phân tích sâu về cơ chế phá hủy mỏi của kim loại theo thuyết lệch mạng tinh thể (dislocation), giải thích 3 pha trên đường cong Wöhler và phân loại các dạng hư hỏng mỏi thường gặp trong thực tế (trục gãy do quá tải, nứt chân vịt tàu thủy, khuyết tật đúc, thanh truyền gãy do lắp ghép sai kỹ thuật). Tác giả khảo sát các phương pháp kiểm tra mỏi hiện đại gồm kính hiển vi điện tử quét (SEM) và hệ nhiễu xạ tia X X’Pert Pro (sử dụng ống phát PW3373/00 Ceramic Tube Cu LFF bước sóng $\lambda_{K\alpha} = 1,54187\text{ \AA}$, điện áp 45 kV, dòng điện 40 mA).

Về thiết bị thí nghiệm mỏi cơ học, chương phân tích máy mỏi uốn 4 điểm và máy mỏi xoắn LiTeM (tần số 30 Hz). Trọng tâm chương là khảo sát các nguyên lý máy mỏi kéo – nén: nguyên lý thanh truyền trục khuỷu, nguyên lý Schenck dùng đối trọng ly tâm ngược chiều, và nguyên lý thủy lực servo. Đồng thời, chương đánh giá các dòng máy thương mại trên thế giới: máy cam lệch tâm của Rainer Schwab (Karlsruhe – Đức: mẫu 6–12 mm, tần số 25 Hz, tải 1–7,5 kN); máy ADMET eXpert 3910 (8 kHz, 1–40 N); ADMET eXpert 3930 (20 Hz, 1,3–4,3 kN); hệ thống thủy lực servo của Zwick/Roell dòng HA (3–6 Hz, 10–2500 kN) và Instron 8802 (3–6 Hz, 100–250 kN). Dựa trên Bảng 2.1 so sánh các tiêu chí kỹ thuật, tác giả kết luận nguyên lý cam lệch tâm kết hợp lò xo nén là giải pháp tối ưu nhất để thiết kế máy trong nước do kết cấu cơ khí gọn nhẹ, chi phí thấp và đáp ứng dải tần số cao.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết mỏi

Chương này tổng hợp hệ thống công thức giải tích mô tả quá trình mỏi. Mối quan hệ giữa ứng suất lớn nhất $\sigma$ và số chu kỳ phá hủy $N$ được cụ thể hóa qua bảng số chu kỳ cơ sở $N_f$ (thép cacbon thấp, trung bình và thép hợp kim đạt $2 \times 10^6$ chu kỳ; kim loại màu đạt $5 \times 10^6$ chu kỳ). Chương thiết lập 3 chỉ tiêu phá hủy mỏi: chỉ tiêu ứng suất biến dạng, chỉ tiêu năng lượng tản mác của C. Morrow và chỉ tiêu động học phát triển vết nứt theo vận tốc $v = \frac{dl}{dt}$.

Chương cũng phân tích các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền mỏi kim loại:

  • Thành phần hóa học (Cu, Mg, Mn) và công thức hồi quy thực nghiệm Roger xác định giới hạn mỏi theo giới hạn bền và giới hạn chảy.
  • Tổ chức tế vi và kích thước hạt theo dữ liệu thực nghiệm của G. Craig trên mẫu đồng thau 70/30 (khi kích thước hạt $h_o$ tăng từ $0,00185\text{ mm}$ lên $0,13100\text{ mm}$ – tăng gần 71 lần, giới hạn bền mỏi $\sigma_{-1}$ giảm từ $28,10\text{ kG/mm}^2$ xuống $8,45\text{ kG/mm}^2$ – giảm hơn 3,3 lần).
  • Trạng thái ứng suất chu kỳ và các đại lượng $\sigma_a, \sigma_m, r$. Bảng 3.4 cung cấp giới hạn mỏi kéo ($\sigma_{-1k}$), uốn ($\sigma_{-1u}$), xoắn ($\sigma_{-1x}$) của thép 40, thép 45, thép 40X và thép 40XH (cho thấy độ bền mỏi xoắn luôn thấp nhất).
  • Hệ số ảnh hưởng của kích thước tuyệt đối $\varepsilon_\sigma$ và sự tập trung ứng suất do hình dáng hình học của mẫu có rãnh khía.

Chương 4: Ý tưởng và phương án thiết kế máy thí nghiệm mỏi kéo – nén

Chương 4 xây dựng nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật dựa trên mẫu thử kéo – nén tiêu chuẩn dạng trục có đường kính làm việc $d = 6\text{ mm}$. Tác giả phân tích các giải pháp công nghệ thông qua các bảng so sánh lựa chọn:

  • Bảng 4.1 so sánh nguyên lý hoạt động (thanh truyền trục khuỷu, cam lệch tâm, thủy lực).
  • Bảng 4.2 so sánh các phương án kẹp giữ chi tiết mẫu (đầu kẹp khoan, ren, collet).
  • Bảng 4.3 so sánh các phương án đặt tải lên mẫu.
  • Bảng 4.4 so sánh các phương án truyền động (đai thang, xích, bánh răng).
  • Bảng 4.5 so sánh phương án đo tải (lực kế cơ học, loadcell).
  • Bảng 4.6 so sánh phương án thay đổi lực tác dụng (vitme bi, cơ cấu ren vít). Kết quả tổng hợp tại Bảng 4.7 đưa ra cấu hình lựa chọn: Nguyên lý thanh truyền trục khuỷu kết hợp cam lệch tâm sinh tải, kẹp mẫu bằng collet, truyền động đai thang, đo lực bằng loadcell DEE-A loại S và thay đổi tải trọng thử nghiệm thông qua trục vitme bi điều chỉnh độ nén ban đầu của lò xo.

Chương 5: Thiết kế, chế tạo một số cụm chính máy thí nghiệm mỏi kéo – nén

Chương 5 là nội dung trọng tâm về tính toán cơ khí và triển khai công nghệ:

  1. Tính toán chi tiết máy:
    • Tính toán lò xo nén (Bảng 5.1 quy định thông số hình học và độ cứng).
    • Tính toán bộ truyền đai thang loại A (Bảng 5.2 xác định thông số sơ bộ và Bảng 5.3 kiểm nghiệm lại điều kiện tránh trượt đai).
    • Lựa chọn động cơ điện công nghiệp TECAB3-IE2 đảm bảo công suất kéo tải ở tốc độ 3000 vòng/phút.
  2. Kiểm nghiệm bền bằng mô phỏng số trên SolidWorks 2016:
    • Vẽ mô hình 3D toàn bộ máy và tiến hành phân tích nội lực, ứng suất trung bình, độ dịch chuyển và hệ số an toàn cho: chốt trục truyền, thanh truyền (tiết diện 15 mm và 8 mm), trục truyền, trục khuỷu và trụ trượt.
    • Tính toán lực siết kẹp của cơ cấu collet đảm bảo mẫu không bị trượt khi chịu lực kéo – nén cực đại 3000 N.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động:
    • Sơ đồ đấu nối phần cứng sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX1N-40MR ES/UL.
    • Tích hợp module chuyển đổi tương tự – số FX2N-2AD để đọc tín hiệu điện áp từ cảm biến loadcell DEE-A.
    • Thiết kế giao diện giám sát màn hình HMI để theo dõi chu kỳ tải và tự động ngắt động cơ khi mẫu thử bị gãy.
  4. Kết quả chế tạo thử nghiệm:
    • Lập bản vẽ kỹ thuật và chế tạo thành công chi tiết trụ trượt trái với đường kính ngàm dẫn hướng $\varnothing 35\text{ mm}$ và chi tiết đầu nối kẹp mẫu. Các chi tiết sau chế tạo được đo kiểm kích thước thực tế, đạt độ chính xác hình học và độ nhẵn bề mặt theo yêu cầu lắp ráp.

Chương 6: Kết luận và kiến nghị

Chương tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được: Đã đề xuất được nguyên lý máy mỏi kéo – nén phù hợp điều kiện chế tạo tại TP.HCM; tính toán thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí và mạch điều khiển; gia công thử nghiệm thành công một số chi tiết chính. Nhóm tác giả kiến nghị các bước hoàn thiện tiếp theo: Chế tạo toàn bộ khung bệ máy và các chi tiết còn lại; lắp ráp tổng thành máy MKN-01; chạy thử tải thực nghiệm với mẫu thép C45 để hiệu chỉnh độ ổn định của hệ thống đo lực và hoàn thiện phần mềm điều khiển.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật định lượng

Đồ án đã tính toán, thiết kế hoàn chỉnh hệ thống máy thí nghiệm mỏi kéo – nén MKN-01 với các thông số kỹ thuật được tổng hợp trong Bảng 5.4 của văn bản:

Thông số kỹ thuật Giá trị thiết kế Đơn vị
Tần số làm việc 50 Hz
Tốc độ trục chính 3000 Vòng/phút
Tải trọng kéo – nén lớn nhất 3000 (khoảng 3) N (kN)
Đường kính phần làm việc của mẫu thử 6 mm
Vật liệu mẫu kiểm nghiệm tính toán Thép C45 —
Bộ truyền động chính Đai thang loại A —
Động cơ điện TECAB3-IE2 —
Cảm biến đo lực Loadcell DEE-A dạng S —
Bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi FX1N-40MR ES/UL —
Module analog mở rộng FX2N-2AD —
Giao diện hiển thị Màn hình HMI —
Chi tiết đã gia công thử nghiệm Trụ trượt trái ($\varnothing 35\text{ mm}$), Đầu nối —

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng nguyên lý cam lệch tâm kết hợp thanh truyền trục khuỷu và lò xo nén để tạo tải mỏi chu kỳ, cho phép máy hoạt động ở tần số 50 Hz, vượt trội hơn dải tần số 3–6 Hz của các máy thủy lực nhập khẩu.
  • Ứng dụng đầu kẹp collet tự định tâm thay cho phương án kẹp ren hoặc đầu khoan, hạn chế tập trung ứng suất tại vị trí gá đặt mẫu.
  • Tác giả kiến nghị nhà trường và bộ môn tiếp tục đầu tư kinh phí gia công hoàn thiện các cụm chi tiết còn lại, tiến hành lắp ráp tổng thể khung máy để đưa vào khai thác tại phòng thí nghiệm REME Lab.

Đóng góp của đề tài

  • Đây là một trong những công trình tiên phong tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nghiên cứu thiết kế máy thí nghiệm mỏi kéo – nén chuyên dụng cho chi tiết dạng trục tròn.
  • Xây dựng quy trình tính toán động học, động lực học và kiểm nghiệm bền số bằng công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM trên SolidWorks 2016), làm cơ sở tài liệu cho việc phát triển các dòng máy thử nghiệm cơ tính nội địa.
  • Đưa ra giải pháp công nghệ giá thành thấp, tận dụng linh kiện cơ khí và điện tự động hóa sẵn có trên thị trường Việt Nam (động cơ điện tiêu chuẩn, PLC Mitsubishi, đai thang, loadcell dạng S).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án nêu rõ các giới hạn tồn tại do điều kiện thời gian và nguồn lực thực hiện:

  • Mức độ hoàn thiện sản phẩm: Đồ án mới hoàn thành ở giai đoạn thiết kế tính toán lý thuyết, mô phỏng số và chế tạo thử nghiệm một số chi tiết của các cụm chính (trụ trượt trái $\varnothing 35\text{ mm}$, đầu nối), chưa chế tạo hoàn chỉnh toàn bộ máy MKN-01 và khung bệ máy để chạy thử nghiệm thực tế.
  • Phạm vi mẫu thử: Các tính toán thiết kế cơ cấu kẹp và lò xo nén mới chỉ thực hiện cho mẫu dạng trục tròn tiêu chuẩn bằng vật liệu thép C45 với đường kính $d = 6\text{ mm}$, chưa khảo sát các kích thước mẫu khác hoặc các loại vật liệu phi kim, composite.
  • Hệ thống điều khiển: Mạch điều khiển PLC FX1N-40MR và giao diện HMI mới dừng ở mức thiết kế sơ đồ nguyên lý kết nối và chọn thiết bị, chưa tiến hành nạp code điều khiển và hiệu chuẩn cảm biến loadcell thực tế trên máy hoàn chỉnh.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả xác định là:

  1. Gia công toàn bộ các cụm chi tiết còn lại (khung bệ máy, cơ cấu điều chỉnh vitme bi, cụm ổ bi trục khuỷu).
  2. Lắp ráp hoàn chỉnh máy MKN-01, tích hợp hệ thống điện và lập trình thuật toán điều khiển tự động dừng máy khi mẫu bị phá hủy mỏi.
  3. Tiến hành thí nghiệm phá hủy mỏi trên các loạt mẫu thép C45 để thu thập số liệu thực tế, xây dựng đường cong Wöhler thực nghiệm và đánh giá sai số so với lý thuyết.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo trực tiếp cho các đối tượng:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ kỹ thuật và Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế máy cơ khí hoàn chỉnh từ khâu phân tích bài toán, lập ma trận chọn phương án kết cấu đến tính toán kiểm nghiệm chi tiết máy.
  • Cán bộ nghiên cứu và kỹ sư thiết kế thiết bị cơ tính vật liệu: Cung cấp phương pháp thiết kế máy tạo tải chu kỳ sử dụng nguyên lý cơ khí cam lệch tâm thay thế hệ thống thủy lực phức tạp.
  • Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:
    • Ma trận bảng so sánh lựa chọn phương án công nghệ ở Chương 4 (nguyên lý tạo tải, cơ cấu kẹp collet, hệ dẫn động đai thang, cảm biến đo lực).
    • Phương pháp thiết lập điều kiện biên và phân tích ứng suất, chuyển vị bằng công cụ mô phỏng SolidWorks Simulation ở Chương 5.
    • Sơ đồ tích hợp điều khiển giữa cảm biến lực loadcell dạng S, module analog FX2N-2AD và PLC Mitsubishi FX1N.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm nghiên cứu lựa chọn nguyên lý cam lệch tâm kết hợp thanh truyền trục khuỷu thay vì dùng hệ thống thủy lực servo?

Theo Bảng 2.1 của đồ án, hệ thống thủy lực servo có ưu điểm tạo lực rất lớn (10 đến 2500 kN) nhưng lại có nhược điểm giá thành chế tạo rất cao, gây tiếng ồn lớn khi vận hành và tần số làm việc rất thấp (chỉ đạt 3 đến 6 Hz). Trong khi đó, nguyên lý cam lệch tâm kết hợp thanh truyền – trục khuỷu tuy có lực tác dụng nhỏ hơn (1 đến 7,5 kN) nhưng đạt tần số làm việc cao (lên tới 25–50 Hz), kết cấu cơ khí gọn gàng, chi phí thấp, hoàn toàn phù hợp với yêu cầu thí nghiệm mẫu trục thép C45 đường kính nhỏ ($d = 6\text{ mm}$, tải trọng tối đa khoảng 3000 N) trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam.

2. Các thông số kỹ thuật làm việc chính của máy thí nghiệm mỏi kéo – nén MKN-01 là bao nhiêu?

Theo công bố tại Chương 1 và Bảng 5.4 của đồ án, máy MKN-01 được thiết kế với các thông số: tần số làm việc 50 Hz; tốc độ quay của trục chính 3000 vòng/phút; tải trọng thử nghiệm kéo – nén cực đại đạt khoảng 3000 N (3 kN); mẫu kiểm nghiệm dạng trục tròn bằng thép C45 có đường kính phần thử nghiệm là 6 mm.

3. Hệ thống đo lực và điều khiển tự động của máy gồm các thiết bị cụ thể nào?

Hệ thống đo lực sử dụng cảm biến Loadcell DEE-A loại S để thu nhận giá trị lực kéo – nén tức thời trên mẫu. Tín hiệu từ loadcell được đưa về module analog FX2N-2AD để chuyển đổi sang tín hiệu số, sau đó truyền vào bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi FX1N-40MR ES/UL. Người vận hành theo dõi và điều khiển thông qua màn hình giao diện công nghiệp HMI.

4. Số chu kỳ ứng suất cơ sở $N_f$ của thép C45 được xác định trong đồ án là bao nhiêu?

Theo Bảng 3.1 ở Chương 3, số chu kỳ ứng suất cơ sở $N_f$ của nhóm thép cacbon trung bình (bao gồm mác thép C45) được xác định bằng $2 \times 10^6$ chu kỳ (tương đương 2 triệu chu kỳ ứng suất).

5. Nhóm tác giả đã tiến hành chế tạo thực tế những chi tiết nào của máy?

Trong phạm vi thực hiện của đồ án tốt nghiệp, nhóm tác giả đã gia công thực tế trên máy công cụ và kiểm tra kích thước thành công hai chi tiết cơ sở thuộc cụm dẫn động: chi tiết trụ trượt trái có bề mặt dẫn hướng đường kính ngoài đạt $\varnothing 35\text{ mm}$ và chi tiết đầu nối kẹp mẫu.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu và thiết kế máy thí nghiệm mỏi kéo – nén" của sinh viên Vương Hoài Duy và Ngô Quốc Thắng đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và tính toán thiết kế hệ thống máy thử mỏi MKN-01 hoạt động ở tần số 50 Hz cho mẫu thép C45 đường kính 6 mm. Công trình đã chứng minh tính khả thi của giải pháp tạo tải mỏi chu kỳ bằng cơ cấu cam lệch tâm kết hợp trục khuỷu – thanh truyền và lò xo nén, vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật vừa phù hợp với năng lực chế tạo cơ khí trong nước. Các kết quả tính toán chi tiết máy, phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn trên SolidWorks 2016 cùng sản phẩm gia công trụ trượt và đầu nối là cơ sở khoa học và thực nghiệm vững chắc để tiếp tục chế tạo hoàn chỉnh máy thử mỏi kéo – nén nội địa.