CÔNG NGHỆ SCAN 3D VÀ ỨNG DỤNG

CÔNG NGHỆ SCAN 3D VÀ ỨNG DỤNG tài liệu, giáo án, bài giảng , luận văn, luận án, đồ án, bài tập lớn về tất cả các lĩnh vự...

Trang 1

CÔNG NGHỆ SCAN 3D VÀ ỨNG DỤNG

ThS NGUYỄN THẾ LONG ThS TRƯƠNG HỒNG QUANG

Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu tổng quan về công nghệ Scan và những ứng dụng của nó

trong các lĩnh vực khác nhau như: ngành chế tạo khuôn mẫu, sản xuất ôtô, chép mẫu và thiết

kế sản phẩm, trong lĩnh vực nha khoa cũng như mối quan hệ giữa công nghệ này và CAD/CAM

Summary: The article is about the principle of Scan 3D technology and its applications

in different industries such as: Mold tooling, Automotive, Reverengineering and design,

dentistry as well as the relationship between Scan 3D and CAD/CAM technology

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Để nâng cao năng suất và độ chính xác chế tạo, trong lĩnh vực CAD/CAM/CAE công nghệ chép mẫu (REVERSE ENGINEERING) ngày càng được sử dụng rộng rãi Bản chất của công nghệ này là dùng các loại máy đo 3D với phần mềm thích hợp tái tạo lại bản vẽ thiết kế dưới dạng số hoá của một sản phẩm có sẵn để tối ưu hay đưa vào gia công trên các máy tự động CNC Muốn vậy cần phải nắm vững công nghệ đo 3D mà trong đó SCAN 3D là một giải pháp

có nhiều ưu điểm, trong bài báo này các tác giả trình bầy nguyên lý và ứng dụng của công nghệ

đó

II NỘI DUNG

CK

A Vài nét về công nghệ Scan 3D

Công nghệ Scan laser là một trong ứng dụng của công nghệ đo không tiếp xúc Trong quá trình đo máy sử dụng chùm ánh sáng Laser chiếu vào bề mặt của chi tiết cần đo, chùm tia sáng được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được cảm ứng đo thu lại đưa vào bộ phận biến đổi của máy

đo và với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới dạng đám mây điểm

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất máy Scan Laser như: Faro Arm, Metris, Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan khác nhau, đưa ra độ chính xác khác nhau và sử dụng tia sáng Laser có bước sóng khác nhau như Konika sử dụng ánh sáng Laser cấp I còn Faro Arm lại sử dụng ánh sáng Laser cấp II … Nhưng về nguyên lí cơ bản đều giống nhau

Sơ đồ nguyên lý

Đèn phát Laser

Ánh sáng Laser

Bề mặt cần Scan

Thấu kính

Cảm biến CCD

Xử lí của phần mềm Chỉ thị

Đám mây điểm

Trang 2

- Nguyên lý làm việc

1 Đèn phát Laser: có nhiệm vụ phát ra ánh

sáng Laser có bước sóng thích hợp

2 Thấu kính: có nhiệm vụ lọc và hội tụ tia

Laser được phản xạ lại từ bề mặt của chi tiết lên bề

mặt của cảm biến CCD

3 Cảm biến CCD (Charge Couple Device):

Có nhiệm vụ thu nhận tia Laser được phản xạ từ bề

mặt chi tiết trên cơ sở so sánh các góc lệch giữa

chúng và đưa ra tín hiệu điện khác nhau

4 Xử lí của phần mềm máy tính: Máy tính

với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính có nhiệm vụ

thu nhận tín hiệu điện từ CCD gửi tới và xử lí tín

hiệu đó để đưa ra kết quả là đám mây điểm

5 Chỉ thị: Đưa ra kết quả đo chi tiết được xử

lí từ máy tính là đám mây điểm

Thực chất về nguyên lý của scan Laser giống như quá trình chụp ảnh thông thường, nhưng

chụp ảnh của Scan Laser là quá trình chụp ảnh các vật thể ở dạng ảnh 3 chiều trong khi đó nếu

là chụp ảnh thông thường thì chỉ là ảnh 2 chiều Scan Laser sử dụng cảm biến Laser và gán vào

một hệ thống máy đo hệ thống này được định vị và được kiểm soát bằng máy tính, các máy đo

dùng trong Scan laser là các máy đo có thể được gán với máy CNC từ 3 đến 5 trục có kích

thước tương đối lớn kết cấu khá vững chắc hoặc có thể là mô hình máy xách tay rất nhỏ gọn

Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể có vị trí bất kỳ

trong không gian như các tượng đài, nhà cửa… mà không phải gá đặt phức tạp như các loại máy

đo CMM thông thường, đây là một lợi thế nổi trội của Scan laser Với sự hỗ trợ của phần mềm

kiểm soát quét sẽ lái cảm biến Laser lướt trên bề mặt của vật cần quét bộ phận định vị 3D nằm

trên bề mặt của bộ cảm biến sẽ ghi lại các tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo

góc phản xạ của chùm ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này được so

sánh với tham số mẫu từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm

KC

CK

Kckck

Tất cả các hệ thống quét trong công nghệ Scan Laser đều sử dụng công nghệ dựa trên phép

đạc tam giác Laser Bản chất của công nghệ này là máy ảnh hai chiều chụp ảnh dựa vào dải

sáng Laser như trong hình vẽ Dải sáng được phát ra từ một đi ốt quang thông qua các bộ phân

biến đổi quang học sau đó được chiếu vào bề mặt của vật được quét tạo nên một mặt cắt trên

phần bề mặt được chiếu sáng, ánh sáng phản chiếu tạo ra các ảnh điểm trên đường chiếu được 1

trong hai bộ cảm ứng thu lại Lý do có hai bộ phận cảm ứng thay vì một là: có thể vì một lý do

nào đó hình ảnh nghiêng trên bề mặt của vật thật không được một bộ phận cảm ứng nhận biết và

luôn cần có một bộ phận cảm ứng thứ hai có thể bắt được hình ảnh đó Người sử dụng có thể bật

hai bộ phận cảm ứng nhưng chỉ một bộ phận cảm ứng hoạt động trong một thời điểm

Tại mỗi mặt cắt tạo ra một ảnh 2 chiều hình dạng của hình ảnh 2 chiều này được ghi lại

bằng CCD kỹ thuật số và sau đó dựa vào kích cỡ và bảng Laser, vị trí Z được xác định và được

phần mềm lưu giữ lại vào trong một cơ sở dữ liệu và cuối cùng sẽ được tổng hợp lại thành bề

mặt của vật đựơc đo dưới dạng đám mây điểm

Trang 3

Mô hình máy Scan Laser

Hình ảnh một số máy quét Laser

Hình 1 Scan 3D lắp trên máy đo CMM Hình 2 Scan 3D lắp trên cánh tay robot Hình 3 Scan 3D tự do

CK

Ưu, nhược điểm của công nghệ Scan laser

Ưu điểm

- Kết cấu nhỏ gọn: Máy Scan laser kết cấu nhỏ gọn hơn nhiều so với máy đo CMM có thể

có mô hình xách tay như hình trên

- Gá đặt đơn giản: Khi Scan laser thì chi tiết cần Scan không cần phải gá đặt cầu kì mà có thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong không gian vì khi đo dụng cụ đo không tiếp xúc vào vật đo hơn nữa máy đo tự điều chỉnh tiêu cự của thấu kính cho phù hợp với khoảng cách thay đổi tương đối giữa máy đo và vật được đo

- Cho ra kết quả nhanh: Máy Scan Laser cho ra kết quả nhanh hơn rất nhiều so với Máy CMM

- Rễ ràng xử lí kết quả: Cho ra kết quả là đám mây điểm rất rễ dàng xử lí trên các phần mềm xử lý điểm chuyên dụng như: Geomegic, Catia…

- Đo được nhiều những vật có độ phức tạp mà máy đo thông thường không thể đo được

- Độ phân giải cao: Độ phân giải của Scan laser cao hơn rất nhiều máy đo CMM CMM chỉ chính xác được một số giới hạn các vị trí có được gần đầu đo nhưng không thể chính xác và đầy

đủ toàn bộ sản phẩm Vì vậy Scan Laser cho ra được số liệu bề mặt đầy đủ hơn số liệu mặt cắt của CMM

- Quét được nhiều kích thước sản phẩm khác nhau như toà nhà, tượng đài…

Trang 4

- Có thể quét được các mẫu dạng mềm như xà phòng, đất nặn…

- Có thể kiểm tra các bề mặt và so sánh với các điểm

Nhược điểm

- Trước khi đo những bề mặt có mầu không phản quang phải sơn lại màu cho chi tiết đo

nên có thể làm ảnh hưởng đến những chi tiết mẫu có yêu cầu cao thẩm mĩ về mầu sắc

- Mặc dù được sử dụng rất nhiều cho các ứng dụng đo, kiểm tra nhưng scan Laser không

thể đo chính xác từng micromet như máy đo CMM

Độ chính xác của Scan Laser

Độ chính xác của công nghệ Scan Laser thấp hơn độ chính xác của công nghệ đo CMM

vào khoảng 35 µm

Các phần mềm được sử dụng để xử lí dữ liệu sau khi Scan

Để xử lí được các dữ liệu Scan ta phải dùng các phần mềm xử lí điểm như: Geomegic

Studio, Geomegic Qualify, Rapid Form…

B Ứng dụng công nghệ Scan Laser

- Ứng dụng trong thiết kế ngược: Trong ngành cơ khí có một bộ phận thiết kế luôn phải

dựng lại những chi tiết đã có sẵn gọi là bộ phận thiết kế ngược để phục vụ vào các việc sau:

Kckck

+ Dựng lại mô hình 3D để đưa vào gia công lại chi tiết

+ Cải tiến một số bộ phận nào đó trên chi tiết cho phù hợp yêu cầu làm việc của chi tiết

Đặc biệt là khi cần dựng lại những chi tiết có tính lắp ghép, lắp lẫn yêu cầu của những chi

tiết này là phải có độ chính xác rất cao để đảm bảo khả năng lắp ghép và điều kiện làm việc của

chi tiết cho nên việc lựa chọn công nghệ đo Scan laser và công nghệ đo 3D để đo dựng lại chi

tiết đó luôn là lựa chọn số một

Hình 4 Một số ứng dụng của công nghệ Scan 3D

Trang 5

- Ứng dụng trong đo kiểm tra sản phẩm: Bất kì một sản phẩm nào sau khi sản xuất

xong để được đưa ra thị trường đều phải được kiểm tra xem có đảm bảo điều kiện làm việc của

nó không vì vậy trong các ngành sản xuất đặc biệt là sản xuất cơ khí chính xác luôn có một bộ phận gọi là bộ phận kiểm tra chất lượng sản phẩm Để kiểm tra chính xác được các kích thước hoặc các bề mặt đặc biệt là các bề mặt phức tạp và có kích thước lớn người ta thường sử dụng công nghệ Scan laser

- Ứng dụng trong ngành khuôn mẫu: ngoài việc dựng lại chi tiết để để làm khuôn như

đã nói ở trên thì việc kiểm tra lại các kích thước của lòng lõi khuôn trước khi đưa vào sản xuất

có ý nghĩa quyết định trong ngành khuôn mẫu Khi đó người ta đo các kích thước trong lòng lõi khuôn và so sánh với các kích thước mẫu ban đầu từ đó tìm ra các sai lệch giữa chúng để có phương án sửa chữa cho phù hợp

- Ứng dụng trong cải tiến kiểu dáng: Với nhu cầu của thị trường hiện nay ngoài việc các

sản phẩm sản xuất ra nâng cao được tính năng thì yêu cầu về thẩm mĩ cũng đóng vai trò cực kì quan trọng trong việc tiêu thụ sản phẩm của các ngành sản xuất như ngành sản xuất xe máy, sản xuất ôtô, điện thoại di động… đó là những lĩnh vực phát triển rất mạnh hiện nay và có yêu cầu

về tính thẩm mĩ cao vì vậy người ta luôn luôn cần cải tiến kiểu dáng cho sản phẩm Với các chi tiết cần cải tiến người ta chỉ cần cải tiến một phần nào đó trên đó của sản phẩm khi ấy người ta

sử dụng công nghệ Scan laser để lấy mẫu chi tiết cần cải tiến Sau đó dùng phần mềm thiết kế dựng lại chi tiết đó và vẽ thêm vào hình dáng các bề mặt cần cải tiến vì vậy chi tiết thiết kế ra vẫn đảm bảo tính lắp ghép với các chi tiết khác mà làm cho sản phẩm có kiểu dáng mới

CK

- Ứng dụng trong thiết kế sản phẩm mới: Trong các ngành sản xuất luôn luôn c

Tạo mô hình bằng đất nặn

Xử lí dữ liệu Scan Laser Gia công khuôn

Mũ đã được hoàn chỉnh

mô hình đất nặn được Scan Laser

Hình 5 Mô hình quy trình thiết kế sản phẩm mới

ần phải đưa ra các kiểu dáng hoàn toàn mới cho sản phẩm để đảm bảo nhu cầu của thị trường, với

Trang 6

những sản phẩm phức tạp việc dựng các chi tiết của sản phẩm đó trên phần mềm gặp khó khăn

khi đó người ta thường dùng thạch cao hoặc đất sét tạo kiểu dáng cho chi tiết rồi sử dụng máy

Scan Laser lấy mẫu lại chi tiết và cuối cùng đưa lên phần mềm dựng lại hình dáng cho sản

phẩm

- Ứng dụng trong ngành khảo cổ học: Trong ngành khảo cổ học có những vật người ta

cần tạo ra một bản sao để trưng bày, mục đích là để bảo tồn bản gốc để làm được việc đó người

ta sử dụng công nghệ Scan laser lấy mẫu lại hình dáng của vật sau đó sử dụng phần mềm

CAD/CAM thiết kế và gia công tạo được hình dáng của sản phẩm và cuối cùng sử dụng màu

sắc để làm cho vật có hình dạng giống với vật mẫu

- Y học, phẫu thuật và và tái tạo: Trong y học thì có ứng dụng khá nhiều công nghệ

Scan laser nhưng ở đây chỉ xin nêu ra những ứng dụng điển hình nhất của công nghệ này đó là

ngành tái tạo giải phẫu

+ Tạo xương nhân tạo: trong y học nhiều khi có những vụ tai nạn gây vỡ hỏng một phần

nào đó của xương như hộp sọ chẳng hạn yêu cầu đặt ra là phải tái tạo lại được phần xương đó để

thay thế cho phần xương đã bị mất đi và phần được thay thế đó phải phù hợp và có độ chính xác

cao khi ấy người ta cũng sử dụng máy Scan Laser

Để lấy lại mẫu và dùng CAD/CAM để tạo lại hình dáng cho phần xương đó và người ta

cũng làm tương tự như vậy cho ngành Nha khoa

Do khuôn khổ bài báo có hạn các tác giả chỉ có thể giới thiệu sơ lược về SCAN 3D và các

ứng dụng của nó, nhưng cũng cho thấy hiệu quả to lớn mà nó mang lại cho sản xuất Hiện công

nghệ này đã được đưa vào nội dung giảng dạy cho kỹ sư ngành Tự động hoá thiết kế cơ khí và

áp dụng vào các đề tài NCKH và chuyển giao công nghệ của bộ môn Thiết kế máy, trường Đại

học Giao thông vận tải

Tài liệu tham khảo

Trang 7

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM

ĐO GHI KẾT QUẢ KIỂM TRA THỬ NGHIỆM VAN HÃM

PGS TS ĐỖ VIỆT DŨNG ThS NGUYỄN VĂN NGHĨA

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bày quá trình lựa chọn các phần tử cơ bản và tính toán thiết kế,

chế tạo các cụm thiết bị chủ yếu của hệ thống đo ghi tự động dữ liệu đo trên bàn thử: chuyển đổi ADC, vi xử lý, ghép nối máy tính, hiển thị, nguồn nuôi Đồng thời trong chuyên đề cũng thiết lập phần mềm đo, xử lý trên máy tính, lưu trữ và hiển thị số trên bàn thử

Summary: The paper presents selecting process of basic items and designing calculation,

manufacturing main devices of automatically measurement and record system on testing table:

AD converting, micro information processing, computer integrating, display, power source The research also built measurement software, processing on computer, storage and numberical display on testing table.

1 Đặt vấn đề

Bệ thử hãm chuyên dùng là thiết bị sử dụng để thử nghiệm van hãm đoàn tàu theo một quy trình được xác lập từ trước Các số liệu đo đạc thu thập trong quá trình thử nghiệm trên bệ theo quy trình thử cho phép đánh giá chính xác, khách quan trạng thái kỹ thuật của từng loại van cũng như tổng thể hệ thống hãm Các thiết bị đo ghi kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm làm nhiệm vụ thu thập các tham số phục vụ việc đánh giá chất lượng van hãm trên bàn thử Các số liệu mà hệ thống thu thập được phải đảm bảo đầy đủ, chính xác và mang lượng thông tin cao, được lưu trữ và hiển thị rõ ràng nhằm giúp cho cán bộ thử nghiệm có được kết luận chính xác

về chất lượng và phục vụ công tác chẩn đoán trạng thái kỹ thuật, xác định hư hỏng của các van hãm Việc nghiên cứu lựa chọn các phần tử cơ bản: các cảm biến chuyển đổi, biến đổi ADC, linh kiện điện tử…; tính toán thiết kế và chế tạo các cụm thiết bị chủ yếu của hệ thống đo ghi tự động dữ liệu trên bàn thử: chuyển đổi ADC, vi xử lý, ghép nối máy tính, hiển thị, nguồn nuôi, thiết lập phần mềm đo, xử lý trên máy tính, lưu trữ và hiển thị số trên bàn thử là một nội dung nghiên cứu quan trọng trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ GD&ĐT mã số B2006-04-25 TĐ

CK

2 Thiết kế hệ thống đo ghi số liệu tự động kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm

2.1 Tác dụng của thiết bị thử hãm đầu máy, toa xe và cơ sở lựa chọn các tham số đo lường của hệ thống đo ghi [1]

Thiết bị hãm trước khi đưa ra sử dụng lắp trên đầu máy, toa xe phải được kiểm tra tính năng trên bệ thử hãm chuyên dùng Những thiết bị sau khi kiểm tra, đạt yêu cầu mới được phép

sử dụng Máy thử hãm tổng hợp các loại van hãm là thiết bị chuyên dùng, có nhiệm vụ thử, kiểm tra tính năng tác dụng và phát hiện các hư hỏng các bộ phận chi tiết của các loại van hãm, van phân phối Từ sơ đồ nguyên lý bàn thử hãm và các tham số tiêu chuẩn của các loại van hãm đoàn tàu (bảng 1) [1], ta thấy các tham số cần đo lường, hiển thị và lưu trữ cho hệ thống đo ghi trên bàn thử bao gồm thời gian tăng giảm áp và các giá trị áp suất không khí trên các vị trí đường ống cần đo theo các đồng hồ: áp suất nguồn cấp, áp suất xi lanh hãm, áp suất đường ống hãm, áp suất gió trong thùng gió phụ và thùng gió điều khiển

Trang 8

Bảng 1 Thời gian tăng và giảm ỏp ống hóm tay hóm R-V

Vị trớ Tờn gọi Áp suất thay đổi KG/cm 2 Thời gian (giõy)

<3

55462

546

244

Từ cỏc thụng số cần đo, ta cú thể lựa chọn cấu hỡnh cho thiết bị đo ghi như sau:

- Số lượng kờnh đo của thiết bị cần 05 kờnh đo

- Phạm vi giỏ trị đo ỏp suất khụng khớ từ 0 KG/cm2 đến 5.6 KG/cm2 Như vậy, để đảm bảo an

toàn và độ chớnh xỏc cần thiết, lựa chọn cỏc thiết bị chuyển đổi đo lường cú phạm vi đo từ 0

KG/cm2 đến 8.0 KG/cm2 và độ phõn giải kết quả thu thập cần đạt được đến 10-2 KG/cm2 là hợp lý

- Tốc độ thu thập số liệu theo yờu cầu tương đối thấp, khoảng 2 dữ liệu / giõy cho cả 5 kờnh đo

2.2 Sơ đồ khối hệ thống đo ghi trờn bàn thử

Hệ thống đo, ghi trờn bàn thử hóm cần phải đảm bảo được một số yờu cầu cơ bản sau:

- Đảm bảo cỏc chức năng đo lường và xử lý cỏc tớn hiệu

- Cú tốc độ đo, độ tin cậy cũng như độ chớnh xỏc cao,

- Cựng một lỳc cú thể đo nhiều giỏ trị khỏc nhau, tuỳ thuộc vào quy trỡnh thử nghiệm của

từng loại van hóm

KC

CK

- Cú kết cấu nhỏ, nhẹ, dễ lắp đặt, thao tỏc thuận tiện, hiện đại, phự hợp với trỡnh độ cụng

nghệ tại cỏc nhà mỏy trong ngành ĐSVN và khả năng đầu tư của ngành Kckck

2.2.1 Sơ đồ khối lựa chọn của thiết bị

Sơ đồ khối chung của hệ thống đo ghi trờn bàn thử hóm thể hiện trờn hỡnh 1

ADC

.

Analog Inputs

RS232

Tạo nguồn

DT

GNRTS

Khối điều khiển (VXL)

CS Cloc DIN

Clock ADC

Bộ nối ghép trung gian

Chuyển đổi P1 Chuyển đổi P2 Chuyển đổi P3 Chuyển đổi P4 Chuyển đổi P5

Nguồn nuôi

Hỡnh 1 Sơ đồ khối thiết bị đo ghi xử lý dữ liệu tự động trờn bàn thử hóm

Trờn hỡnh 1, cỏc chuyển đổi ỏp suất Pi (i = 1-5) sẽ chuyển đổi cỏc thụng số đo là cỏc giỏ trị

ỏp suất:

- P1: giỏ trị ỏp suất giú ộp cấp vào bàn thử (IN)

Trang 9

- P2: giá trị áp suất gió ép trong xi lanh hãm (XLH)

- P3: giá trị áp suất đường ống hãm (OH)

- P4: giá trị áp suất gió ép ở thùng gió phụ (TGP)

- P5: giá trị áp suất gió ép thùng gió điều khiển (ĐK) Các giá trị áp suất khí ép được thu thập liên tục từ bàn thử bởi các bộ cảm biến Pi Các tín hiệu ra từ Pi, được chuyển đổi thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi tương tự số ADC Các tín hiệu số tương ứng với mức tín hiệu đo, thông qua các khối điều khiển ghép nối với máy tính (bộ

vi xử lý) và phần mềm thích hợp qua cổng nối tiếp RS 232 và đưa đến các bộ hiển thị số đo trên bàn thử

Với phần mềm và giao diện thích hợp, trên máy tính điện tử sẽ hiển thị dữ liệu đo theo các phương thức thích hợp dưới dạng bảng số liệu hoặc đồ thị áp suất theo thời gian đo Các số liệu thu thập được có thể lưu trữ trên máy tính hoặc in ra kết quả

2.2.2 Tính toán thiết kế lựa chọn các cụm của thiết bị [2], [3]

a Lựa chọn và bố trí các cảm biến (đầu đo) Các điểm đặt cảm biến trên bàn thử cần xác định chính xác và có áp suất gió ổn định Trên bàn thử chọn điểm lắp đặt các bộ cảm biến áp suất trên đường gió từ bàn thử lên các đồng hồ

đo Việc chọn cảm biến áp suất cho hệ thống đo ghi của bàn thử đòi hỏi chất lượng cao, yêu cầu chịu được áp suất thay đổi liên tục, cần phải đáp ứng các yêu cầu: độ tuyến tính và chính xác cao, có thể đo áp suất tĩnh với độ ổn định điểm zero cao, có độ nhạy với gia tốc nhỏ, có tuổi thọ

và chịu được sự thay đổi lực nén cao, có kích thước nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ tìm kiếm Trên cơ

sở phân tích một số ưu nhược điểm của các loại cảm biến áp suất thông dụng, lựa chọn ra loại cảm biến áp suất phù hợp kiểu 511 (hình 2) [2]

CK

Hình 2 Cấu trúc và đặc tính dòng điện và áp suất cảm biến áp suất 511

1 Ngõ kết nối áp; 2 Miếng chống dò; 3.Chỗ cần bị kín; 4 Miếng Ceramic;

5 Đầu kết nối điện; 6 Mạch điện tử

4mA 20mA

Nguå n

Hình 3 Sơ đồ khối mạch thu nhận số liệu và ghép nối máy tính

Trang 10

b Thiết kế mạch thu nhận số liệu và ghép nối máy tính [2], [3]

Sơ đồ khối chức năng của mạch (hình 3) Từ sơ đồ khối, tiến hành thiết kế chi tiết mạch

- Lựa chọn bộ vi xử lý: Trên cơ sở phân tích đặc tính các VXL, lựa chọn họ PsoC

(Programmable System on Chip) của Cypress, ký hiệu chip CY8C29466 [2]

Các đặc tính VXL chip CY8C29466 bao gồm 4 hệ thống: hệ thống PsoC trung tâm (PsoC

Core), hệ thống số (digital), hệ thống tương tự (Analog) và khối các tài nguyên (Resources) bao

gồm các thiết bị ngoại vi được tích hợp

- Dồn kênh đầu vào: Để đồng thời đo các thông số áp suất cho 05 đầu đo của bàn thử, cần

có khối ghép kênh Analog để dồn kênh đầu vào của PSoC Lựa chọn khối MIX 8 cho phép dồn

kênh 8 đầu vào analog

- Chuyển đổi AD: Dựa vào các chỉ tiêu lựa chọn ADC cho bàn thử, đề tài lựa chọn ADC

PsoC 29466 loại DELSIG8 (hình 4) Ghép nối theo chuẩn của RS-232 với bộ biến đổi ADC

PsoC 29466 được ghép nối với máy tính bằng cổng COM2 với IC MAX23

CKKCKckck

Hình 4 Sơ đồ nguyên lý bộ DELSIG8

Nguồn nuôi cho toàn bộ hệ thống đo ghi có thể được lấy từ nguồn điện 80VAC đến

250VAC của Xí nghiệp hoặc phòng thí nghiệm hãm, đưa vào bộ nguồn biến đổi để được điện

áp ổn định mong muốn [2] Sơ đồ nguyên lý bộ mạch thu thập, biến đổi tín hiệu, ghép nối máy

tính và nguồn nuôi thể hiện trên hình 5 Các khối đo ghi hiển thị kết quả đo được thiết kế theo

các mô đun độc lập để thuận tiện cho các quá trình thử nghiệm độc lập, đo đạc lưu động và mở

rộng chức năng khi cần thiết

c Bộ hiển thị số liệu số (LED) [2]

Bộ hiển thị số liệu nhận số liệu từ mạch thu thập, biến đổi tín hiệu đo và hiển thị lên LED 7

vạch giá trị áp suất đo được từ mỗi cảm biến Pi

- Điều khiển quét LED: Sử dụng cùng loại chíp ADC PsoC 29466 loại DELSIG8 để nhận

tín hiệu từ mạch đo ghi để quét lên hệ thống 03 LED 7 vạch cho mỗi kênh ra

- Bộ LED hiển thị: Sử dụng thanh LED 7 vạch, 03 số loại thông dụng để hiển thị giá trị áp

suất cho mỗi bộ hiển thị cho mỗi kênh đo

Sơ đồ nguyên lý mạch của bộ hiển thị số cho một kênh đo sử dụng chíp PsoC 29466 thể

hiện trên hình 6 Từ sơ đồ nguyên lý, thiết kế sơ đồ mạch in cho bộ hiển thị cho từng kênh đo

Trang 11

Hình 5 Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi tín hiệu ghép nối máy tính và nguồn nuôi

CK

3 Chế tạo và lắp đặt hệ thống đo ghi số liệu tự động kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm

3.1 Quá trình chế tạo mạch thu thập số liệu và ghép nối máy tính (đo ghi)

Từ sơ đồ nguyên lý mạch (hình 5), lắp ráp các linh kiện và các phần tử tích cực: bộ VXL,

bộ ADC, IC MAX232 giao tiếp cổng RS232 lên mạch in được chế tạo Để hiển thị trực tiếp thông số áp suất của từng kênh đo, trên mạch lắp thêm hiển thị LCD

P0[7]

1 P0[5]

2 P0[3]

3 P0[1]

4 P2[7]

5 P2[5]

6 P2[3]

7 P1[7]SCL 10 P1[5]SDA 11 P2[1]

8 VSS 9 P1[3]

12 XSCL 13 Vss

14 XS DAXRES P1[2] P1[4] P1[6]P2[0] 15 16 17 18 19

20 P2[2] 21 P2[4] 22 P2[6] 23 P0[0] 24 P0[2] 25 P0[4] 26 P0[6] Vdd 27 28 Psoc1

Psoc VCC

SC LK

SDA TA XRES

RX D1

1 4 channap

JNapPsoc

VCC XRES SDA TA

b

1 Vcc3 Vcc2 2 3 f 4 a 5 Vcc1 6 e 7 d 8 dp 9 c 10 g

HEADER 9 X2 DK1 DK2 DK3

a

d e

f g h

b

1 4 dauvao

CO N4

VC C1 GND TXD

R3 RES1 R4RES1

Z1 ZENER1Z2ZENER1

RXD TXD

TX D1

RX D1

DK1 GND

R6 RES1 R7 RES1 R5 RES1

C1 CAPACITOR VCC GND

a g h1 f1 d1

b f h g1 e1

diot DIODE

VC C1

VCC

Hình 6 Sơ đồ nguyên lý của bộ hiển thị số bằng LED 7 vạch cho mỗi kênh đo

• Đấu nối giữa bộ đo ghi với các cảm biến áp suất và các bộ hiển thị sử dụng jắc db25F Trong đó bao gồm các đường analog và nguồn cấp cho hệ thống theo sơ đồ chân tín hiệu: + Các chân 1, 2, 3, 4 và 10, 11, 12, 13 là các đầu vào analog

+ Chân 8 là chân +12V, chân 6 là chân 0V

• Đấu nối giữa bộ đo ghi với máy tính sử dụng jắc nối db9M cho giao tiếp RS232 Cáp nối máy tính với bộ đo ghi sử dụng cáp null modem

Toàn bộ khối đo ghi, nguồn nuôi các bộ hiển thị và các jắc nối được đặt trong hộp nhựa cứng, màn hình LCD được lắp để kiểm tra trực tiếp các thông số đo và thông số cài đặt cho hệ thống Trên hình 7 là kết cấu hoàn chỉnh của bộ đo ghi, được bố trí ngay phía sau bệ lắp đồng

hồ đo, phía trên các cảm biến áp suất

Từ các cảm biến, qua các đường cáp null modem truyền dẫn tín hiệu đo đến để biến đổi ADC và xử lý trên khối đo ghi, được đấu nối vào các jắc db25F của nó theo sơ đồ chân trên sơ

Trang 12

đồ nguyên lý trình bày trên Các tín hiệu số ra từ khối đo ghi, được truyền thông đến các bộ hiển

thị số (qua jắc db25F) và lên máy tính (qua jắc nối db9M cho giao tiếp RS232)

Hình 7 Kết cấu hoàn chỉnh của bộ đo ghi

3.2 Quá trình chế tạo, lắp ráp các bộ hiển thị số

Tương tự như với panel mạch đo ghi, để chế tạo mạch in cho các khối mạch hiển thị số

liệu, ta cũng sử dụng mạch in thông dụng và chế tạo mạch in bằng bằng phương pháp ăn mòn

với sơ đồ mạch in theo sơ đồ nguyên lý mạch đã được thiết kế Hình dạng mạch in sau khi được

chế tạo thể hiện trên hình 8 Từ sơ đồ nguyên lý (hình 6), thực hiện việc lắp ráp các linh kiện đã

lựa chọn lên mạch in Lắp jắc nối, sử dụng jắc db25F

Vỏ của bộ hiển thị được chọn là loại vỏ nhựa cứng tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường Trên

mặt phía trước vỏ có cửa sổ để lộ các thanh LED hiển thị số

Các bộ hiển thị số của bàn thử (05 bộ) được lắp đặt ở mặt trước bàn thử, phía dưới các

đồng hồ đo áp suất tương ứng (hình 9)

CKKCKckck

Hình 8 Mạch in panel và bộ hiển thị số Hình 9 Vị trí lắp đặt các bộ hiển thị số

C¸c bé hiÓn thÞ sè C¸c bé hiÓn thÞ sè

sau khi chế tạo hoàn chỉnh trên bàn thử hãm

4 Xây dựng phần mềm hiển thị xử lý kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm

Với các dữ liệu thu thập được từ chương trình thu thập dữ liệu, các dữ liệu được xử lý

thông qua các chương trình con để hiển thị kết quả dưới dạng đồ thị (đặc tính), dạng bảng số

liệu kết quả, sao lưu hoặc in ấn báo cáo kết quả thử nghiệm theo quy định của ngành đường sắt

- Phần giao diện chung (hình 10): Phần giao diện chung, là phần thuật toán chương trình

phục vụ cho việc nhập các dữ liệu bằng bàn phím máy tính (các thông số quản lý kỹ thuật),

chọn chế độ thử nghiệm và đọc dữ liệu qua cổng COM (RS232) của máy tính theo sơ đồ khối

thuật toán thu thập dữ liệu (hình 10) Cho phép người sử dụng: khai báo các số liệu quản lý kỹ

thuật van hãm: thời gian, loại van hãm thử nghiệm, …; lựa chọn chế độ thử nghiệm, tương ứng

với khởi động các chương trình con theo các chế độ thu thập và hiển thị dữ liệu Các chương

trình con tương ứng các chế độ thử nghiệm theo quy trình thử nghiệm van hãm đã xác định

Trang 13

Các giao diện chế độ thử nghiệm được lựa chọn:

- Khi lựa chọn chế độ thử nghiệm van hãm nào đó, sẽ có giao diện của chương trình tương ứng hiển thị dưới dạng đồ thị đặc tính P = f(t) (hình 11) và có thể lựa chọn chế độ hiển thị dưới dạng bảng số liệu, sao lưu hoặc in ấn Các giao diện chương trình con tương ứng với các chế độ thử nghiệm các tính năng của van hãm bao gồm 7 chế độ thử nghiệm: Thử nghiệm tính năng cấp gió, tính năng hãm, tính năng nạp gió-nhả hãm, tính năng hãm giai đoạn, tính năng tự động

bổ sung gió ép van hãm, thử nghiệm van xả gió nhả hãm trực tiếp (với loại van hãm có các tính năng này)

CK

Hình 10 Giao diện chung lựa chọn chế độ Hình 11 Giao diện hiển thị đặc tính P = f(t)

thử nghiệm chế độ cấp gió của van hãm loại 104

- Lựa chọn chế độ sao lưu, in ấn dữ liệu của quá trình thử nghiệm vừa thực hiện hoặc đã thực hiện được lưu trong bộ nhớ máy tính

- Từ sơ đồ khối chương trình, tiến hành xây dựng chương trình đo ghi các kết quả thử nghiệm van hãm trên bàn thử hãm bằng ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Borland Delphi 6.0 [2]

5 Kết luận

Từ kết cấu bàn thử, quy trình thử nghiệm các loại van hãm toa xe và mô hình hệ thống đo ghi tự động kết quả thử nghiệm đã lựa chọn, nội dung bài báo đã trình bày các bước cơ bản của quá trình thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống đo ghi trên bàn thử nghiệm van hãm toa xe Đồng thời, cũng xây dựng được chương trình thuật toán đo ghi tự động, hiển thị kết quả đo thử nghiệm

Tuy nhiên, do mới là bước thiết kế chế tạo ban đầu, các điều kiện về kinh tế và kỹ thuật chưa cho phép, chương trình đo ghi chỉ hạn chế ở việc hiển thị, lưu trữ, in ấn các tham số đo trên máy tính, mà chưa có được chức năng chẩn đoán tự động cho chất lượng van hãm trong quá trình thử nghiệm Hạn chế này là tất yếu trong bước đầu nghiên cứu về lĩnh vực chẩn đoán van hãm tự động trên bàn thử và hoàn toàn có thể khắc phục bằng cách tiếp tục đầu tư nghiên cứu hoàn thiện thêm mô hình, thuật toán chẩn đoán tự động cho van hãm toa xe, cũng như đầu tư cơ

sở vật chất tại các cơ sở sản xuất của ngành đầu máy toa xe nước ta

[1] Đỗ Đức Tuấn, Vũ Duy Lộc và các tác giả, (2007), Thuyết minh: Nghiên cứu quá trình động lực học thuỷ khí được ứng dụng trong thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra thử nghiệm van hãm, Chuyên đề, Đề tài NCKH cấp Bộ GDĐT, ĐHGTVT

[2] Đỗ Việt Dũng, Nguyễn Văn Nghĩa, (2008), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị và xây dựng phần mềm đo ghi kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm, Chuyên đề, Đề tài NCKH cấp Bộ GDĐT, ĐHGTVT

[3] Ngô Diên Tập (1996), Đo lường và điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật♦

Trang 14

TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG HẠ THÙNG Ô TÔ TỰ ĐỔ

Tóm tắt: Bài báo trình bầy phương pháp giải tích tính toán cơ cấu nâng hạ thùng ô tô tự

đổ sử dụng giàn nâng nối với khung phụ từ đó xác định các thông số kỹ thuật của cơ cấu này

Summary: This article represents the analytic method of calculation to determine the

parameters of lifting the cargo bed of the dump truck

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong các tài liệu về thiết kế tính toán ô tô ở Việt Nam chủ yếu sử dụng phương pháp họa

đồ để tính toán cơ cấu nâng hạ thùng ô tô tự đổ Nhược điểm của phương pháp này là độ chính

xác của kết quả không cao và không có khả năng tối ưu các thông số kết cấu của cơ cấu nâng

hạ Bài báo này trình bày phương pháp giải tích để tính toán động học và động lực học cơ cấu

nâng hạ thùng xe tự đổ sử dụng giàn nâng nối với khung phụ từ đó xác định các thông số của cơ

cấu

KC

CK

Kết cấu của cơ cấu nâng hạ sử dụng giàn nâng nối với khung phụ thể hiện trên hình 1 Các

bộ phận chính của cơ cấu được liên kết với nhau thông qua các khớp trụ Bộ phận chủ động là

xilanh thủy lực 1, khi làm việc dầu sẽ được bơm vào xilanh thủy lực đẩy cần đẩy của xilanh đi

lên thông qua giàn nâng và thanh đẩy đẩy thùng đi lên thực hiện quá trình trút hàng Kết cấu

được sơ đồ hoá như trên hình 2

Hình 1 Kết cấu cơ cấu nâng hạ sử dụng giàn nâng với khung phụ:

1- xilanh thủy lực; 2 - cụm giàn nâng; 3 - thanh đẩy; 4 - thùng xe; 5 - giá đỡ; 6 - khung phụ

Trang 15

1 Tính toán động học và động lực học cơ cấu

1.1 Tính toán động học cơ cấu

Việc xác định động học giúp xác định hành trình nâng lớn nhất Smax của xilanh và góc quay

β của xilanh Do vậy cần xác định động học dịch chuyển của cơ cấu từ khi bắt đầu nâng thùng đến vị trí thùng được nâng đến góc lớn nhất để trút hết hàng

Hình 2 Động học cơ cấu nâng thùng

Từ sơ đồ động học cơ cấu nâng thùng với các thông số được thể hiện trên hình 2 ta xác định được các quan hệ hình học như sau:

1

ϕ = ϕ + α2 (1) Trong đó: 2 arctgh

Thay giá trị ϕ = 0O ta xác định được chiều dài xilanh khi chưa nâng thùng là O1B Thay giá

Trang 16

trị ϕmax là góc nâng thùng lớn nhất để đảm bảo trút hết hàng thì của xilanh trên giàn nâng là

O1B’ Hành trình nâng của xilanh:

Tính toán động lực học cơ cấu nâng hạ là xác định lực cần thiết để nâng thùng giúp cho

việc xác định các giá trị tải trọng đặt lên cơ cấu Tải trọng G trên hình 3 bao gồm trọng lượng

bản thân thùng và tải trọng định mức

Hình 3 Sơ đồ xác định lực nâng của kích

Từ hình 3 xác định mô men đối với các điểm tựa O2 và O3, bỏ qua lực ma sát ta có:

l ; F1 =

1 2

lG

l ; F =

1 3

2 4

l lG

l l (6) Kckck

Trong đó: F - lực nâng của kích; G - trọng lượng của hàng và thùng; l1, l2 - cánh tay đòn

của các lực tới O3; l3, l4 - cánh tay đòn của các lực tới O2

Như vậy, để xác định F ta phải xác định được l1, l2, l3, l4 (hình 3):

l1 = ρcos(ϕ + α1) (7) Trong đó:

Từ các phương trình (7), (8), (9), (10) thay vào (6) ta được tải trọng tác dụng vào xilanh

thuỷ lực khi ô tô bắt đầu nâng thùng:

Trang 17

2 Tính toán cơ cấu nâng hạ cho một xe cụ thể

Áp dụng phương pháp trên với các thông số kết cấu cơ cấu nâng thùng xe tự đổ 15 tấn như sau:

a = 1475; b = 940; c = 15; d = 7; h = 208; l = 913; hg = 802; lg = 1495; d1 = h2+l2 ; d2 = 548; d3 = 477; d4 = c2+ b2 ; d5 = 239; d6 = 394 (đơn vị các kích thước hình học tính bằng mm); G = 150000 (N)

Từ các thông số trên ta xây dựng các quan hệ giữa hành trình nâng xilanh và lực tác dụng lên xilanh theo góc nâng thùng như hình 5 và hình 6 Để đảm bảo trút hết hàng khi đổ chọn góc nâng thùng lớn nhất ϕmax = 54o khi đó hành trình xilanh Smax = 1822 - 1138 = 684 (mm) Lực nâng tác dụng lên xilanh: F = 210900 (N)

Hình 5 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Hình 6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ

giữa lực tác dụng lên xilanh và góc nâng thùng giữa chiều dài xilanh và góc nâng thùng

CK

III KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày phương pháp giải tích để tính toán hành trình nâng và lực tác động lên xilanh của cơ cấu nâng hạ Từ đó tác giả đã xây dựng mối quan hệ giữa hành trình nâng và lực tác động lên xilanh với góc nâng của thùng xe Đã có kết quả tính toán cho một đối tượng cụ thể

[1] Nguyễn Hữu Cẩn - Phan Đình Kiên, Thiết kế tính toán ô tô máy kéo, NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà nội, 1984

[2] Trịnh Chí Thiện, Bài giảng ô tô chuyên dùng, 2006

[3] А.И.ГРИШКЕВИЧ, АВТОМОБИЛИ: конструкция, конструирование и расчет Cисмемы управления и хоgoвая часшь, Bышейшая школа, Mинск 1987

[4] А Д ДЕРБАРЕМДИКЕЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ АМОРТИЗАТОРЫ АВТОМОБИЛЕЙ, Машиностро ениe, Москва 1969

[5] А И Тришкевич, Автомобили Большой Мощности, Высшейшая школа, Минск 1988

[6] B M КРУГОВОЙ, Автомобипи КрАэ, Техническое обспуживание и ремонт, Москва 1968♦

Trang 18

NGHIấN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN MỎI CỦA KHUNG GIÁ CHUYỂN HƯỚNG

VÀ TRỤC BÁNH XE ĐẦU MÁY D19E TRấN CƠ SỞ Lí THUYẾT ĐỒNG DẠNG PHÁ HUỶ MỎI DẠNG TUYỆT ĐỐI

PGS TS NGễ VĂN QUYẾT

Học viện Kỹ thuật Quõn sự

GS TS ĐỖ ĐỨC TUẤN

Trường Đại học Giao thụng Vận tải

ThS PHẠM Lấ TIẾN

Trường Cao đẳng nghề Đường sắt I

Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu phương pháp nghiên cứu vμ các kết quả đánh giá độ bền mỏi

(hệ số an toμn mỏi) của khung giá chuyển hướng vμ trục bánh xe đầu máy D19E đang sử dụng

tại Xí nghiệp đầu máy Hμ Nội trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối

Summary: In this article, author presents the reseach method and the evaluation result of

Fatigue Strength (calculation ratio of Fatigue Safety) of bogie frame and wheel shafts of

locomotive- type D19E which have been operating by Hanoi Locomotive Enterprise basing on

theory of absoluteness similar fatigue failure.

I Đặt vấn đề

Đầu máy D19E lμ loại đầu máy chiếm một tỷ lệ lớn trong tổng số các loại đầu máy hiện có

của nước ta Sau khoảng 2 năm vận dụng loại đầu máy nμy tại Xí nghiệp đầu máy Hμ Nội, các

xμ dọc của một số lớn khung giá chuyển hướng đã xuất hiện các vết nứt, dẫn tới nguy cơ mất an

toμn rất lớn cho việc chạy tμu Để có cơ sở tiếp tục sử dụng, khai thác loại đầu máy nμy trong

thời gian tới với yêu cầu tốc độ chạy tμu ngμy cμng được nâng cao, thời gian vừa qua ngμnh

đường sắt Việt nam đã đề xuất vấn đề nghiên cứu vμ đánh giá độ bền mỏi của các kết cấu bộ

phận chạy của đầu máy, trong đó có trục của bánh xe vμ khung giá chuyển hướng

KC

CK

Kckck

Để đánh giá được độ bền mỏi của khung giá chuyển hướng vμ trục bánh xe đầu máy D19E

cần có các kết quả chính xác về các đặc trưng mỏi của vật liệu bằng cả phương pháp thực

nghiệm vμ bằng cả phương pháp tính toán lý thuyết Trong bμi báo nμy trình bμy phương pháp

đánh giá độ bền mỏi của khung giá chuyển hướng vμ trục bánh xe của đầu máy D19E theo

phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi tuyệt đối [2]

II NGHIấN CỨU, TÍNH TOÁN

2.1 Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hướng đầu máy D19E theo phương

trình đồng dạng phá huỷ mỏi tuyệt đối

a Cơ sở lý thuyết tính hệ số an toμn

Khung giá chuyển hướng đầu máy D19E vừa chịu mô men xoắn, vừa chịu mô men uốn vμ

lực dọc xμ nên ứng suất tại điểm nguy hiểm của mặt cắt nguy hiểm thay đổi theo chu kỳ ứng

suất không đối xứng (r ≠ - 1) [2] với trường hợp kτ/ kσ ≠ 1 (kτ/ kσ < 1)

Hệ số an toμn mỏi được xác định:

] [ )]

1 s )(

k

k 1 ( 2 1 [ s s

s s s

2 2

≥

ư

ư + +

=

σ σ

τ τ

σ

τ

Trang 19

Hệ số an toμn mỏi thμnh phần được xác định:

m m

a

1

.

k

s

τ ψ + σ ψ + ε σ

σ

=

τσ σ

σ σ

ư

σ , (2)

m m

a

1

.

k

s

σ ψ + τ ψ + ε τ

τ

=

στ τ

τ τ

ư

τ , (3)

Trong đó: σư1 vμ τư1: giới hạn bền mỏi khi chịu uốn vμ xoắn của mẫu chuẩn; σm vμ τ : mứng suất pháp vμ tiếp trung bình; σa vμ τ : ứng suất pháp vμ tiếp biên độ; ka σ vμ kτ: hệ số tập trung ứng suất pháp vμ tiếp thực tế; εσ vμ ετ : hệ số ảnh hưởng kích thước; ψσ, ψτ, ψτ σ vμ ψστ :

hệ số ảnh hưởng của vật liệu

b Phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi tuyệt đối vμ chỉ tiêu đồng dạng [2]

- Theo luật phân phối Weibull:

u ( 1) 2,3lg(1 P)

)1m(

1G

LI

1 m m

ưξ

L (vμ G

L nếu như giả thiết F0 = 1 mm2)

được gọi lμ chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi

ý nghĩa của chỉ tiêu nμy lμ: các mẫu thí nghiệm vμ các tiết máy có kích thước vμ sự tập trung ứng suất khác nhau, nhưng nếu có cùng một giá trị chỉ tiêu đồng dạng thì trên thực tế có cùng một hμm phân bố giới hạn mỏi

- Theo luật phân phối chuẩn:

Theo luật phân phối chuẩn với đại lượng ngẫu nhiên X = lg(σmax - u) nhận được phương trình sau:

1'B+

1m

1L'

0 ưσ++

uP - Phân vị của phân phối chuẩn ứng với xác suất phá huỷ P;

S - Sai lệch bình phương trung bình của đại lượng ngẫu nhiên X = lg(σmax - u)

Trang 20

Các đại lượng còn lại tương tự như giải thích của phương trình (4)

2.2 Nghiên cứu, tính toán xác định mặt cắt chịu ứng suất lớn nhất của khung giá

chuyển hướng vμ trục bánh xe đầu máy D19E

a Khung giá chuyển hướng đầu máy D19E

Kết cấu khung giá

chuyển hướng đầu máy

đưựơc thể hiện trên hình 1

Viện Cơ học đã thực

hiện các công việc khảo sát

đầu máy D19E - 903 với

khung giá chuyển hướng

chưa được gia cường kéo tμu

khách E1/E2 trên tuyến Hμ

Nội - Đμ Nẵng - Hμ Nội [3]

Tại các điểm P4 vμ P7 ở

tấm đáy dưới của xμ dọc

khung giá chuyển hướng có

các giá trị ứng suất tĩnh, ứng

suất động trung bình, biên

độ ứng suất động vμ số lượng

xung biến dạng có giá trị

biến dạng lớn xuất hiện

nhiều hơn so với các điểm đo

MPa với số xung lμ 1567; σa =

20,58 MPa với số xung lμ 8629;

ứng suất tổng: σ = 95,55

MPa

- Trên đường đèo dốc:

CKKCKckck

b Trục bánh xe đầu máy D19E

Kết cấu trục bánh xe đầu máy được thể hiện trên hình 2

Mặt cắt của phần trụ đỡ động cơ điện kéo (IV) bên phải (bên không lắp bánh răng) trên trục

bánh xe đầu máy D19E có ứng suất pháp vμ tiếp lớn nhất, vậy mặt cắt đó mặt cắt xung yếu của

trục bánh xe đầu máy

Hình 2. Bộ trục bánh xe đầu máy D19E

1 Trục bánh xe; 2, 5 Mâm bánh xe; 3 Lỗ dầu bánh răng;

Trang 21

Kết quả tính toán ứng suất pháp vμ tiếp tổng hợp tại mặt cắt IV của trục bánh xe đầu máy D19E được cho trong bảng 1

Bảng 1. Kết quả tính toán ứng suất pháp vμ tiếp tổng hợp tại mặt cắt IV

của trục bánh xe đầu máy D19E

Độ dai phá huỷ được xác định theo tiêu chuẩn PP - ASTM E399 - 90 Quá trình thử nghiệm

được tiến hμnh tại Phòng thí nghiệm vật liệu tính năng kỹ thuật cao thuộc Viện cơ khí năng lượng vμ mỏ

Thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học, giới hạn mỏi của vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM E8 được tiến hμnh tại Phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu của trường Đại học Giao thông Vận tải Kết quả xác định các đặc trưng cơ học, giới hạn mỏi của vật liệu cho trong bảng 2

Bảng 2. Kết quả xác định các đặc trưng cơ học, giới hạn mỏi của vật liệu

a Tính toán hệ số an toμn mỏi của khung giá chuyển hướng đầu máy D19E

Đặc điểm chung của các khung giá chuyển hướng gặp sự cố lμ tất cả các vết nứt đều xuất hiện trên tấm đáy dưới vμ đều thuộc mặt phẳng vuông góc với đường tâm (phương OX) của xμ dọc Vì vậy hệ số an toμn mỏi được tính toán theo phương pháp tuyến với mặt phẳng vuông góc

với đường tâm tấm đáy dưới của xμ dọc khung giá chuyển hướng đầu máy D19E

+ Tìm hệ số tập trung ứng suất lý thuyết Kσ t [2];

+ Xác định gradien tương đối của ứng suất chính thứ nhất Gσ theo [2]:

ρ

ϕ+

=

+ Tính giá trị

σGL

lg trong phương trình đồng dạng phá huỷ mỏi;

Trang 22

+ Tìm giá trị hệ số ảnh hưởng của kích thước εσ (chịu ứng suất pháp) [2]:

=ε