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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỮU QUÂN THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG CẦM TAY Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 60.52.01.03 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Ngun - 2015 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Ngô Như Khoa Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Ngọc Quế Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Hùng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Kỹ thuật họp Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp, Đại học Thái Nguyên vào ngày 17 tháng 01 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn : - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO MOMEN DẠNG DỤNG CỤ Trong lĩnh vực kĩ thuật, với mối ghép kẹp chặt ren việc xác định lực kẹp quan trọng Khi lực xiết hay vặn ren lớn làm hỏng bề mặt làm việc ren, dập ren, cắt chân ren…nhưng lực kẹp ren nhỏ lại không đảm bảo độ bền mối ghép đảm bảo yêu cầu an toàn chi tiết kẹp chặt Với yêu cầu xác định lực xiết hay vặn chặt ren, ngày có nhiều dạng dụng cụ dùng để đo lực kẹp chặt ren Nguyên lí hoạt động chung dụng cụ đo dựa việc đo momen xoắn dạng tĩnh Hình 1.1 Thiết bị đo momen dạng dụng cụ cầm tay Momen xoắn dạng tĩnh momen có dịch chuyển nhỏ phép đo Ứng dụng thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh dùng để xác định lực vặn hay xiết chặt bulong đai ốc…Thiết bị đo momen xoắn dạng tĩnh chia thành dạng dựa vào phương pháp đo : 1.1 Thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực Hình 1.2 Thiết bị đo momen dạng phản lực Nguyên lí đo thiết bị đo momen dạng phản lực dựa việc đo lực xoắn thơng qua biến dạng lị xo dụng cụ Đầu kẹp Lị xo chịu kéo Hình 1.3 Cấu tạo dụng cụ đo momen dạng phản lực Lực xoắn lò xo hiển thị đồng hồ học đồng hồ điện tử nhờ phận cảm biến lực dụng cụ : Hình 1.4 Thiết bị đo momen dạng phản lực 1.2 Thiết bị đo momen xoắn dạng nối tiếp Hình 1.5 Thiết bị đo momen dạng nối tiếp Công đoạn quan trọng chế tạo dụng cụ đo momen nối tiếp việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng Dưới tác dụng momen xoắn ngoại lực, biến dạng trục chịu xoắn phương 450 1350 lớn Do đó, đường đặc tuyến momen – biến xây dựng việc đo biến dạng trục xoắn phương 450 1350 Biến dạng trục đo xác định cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục xoắn Thông qua việc xây dựng đường đặc tuyến biến dạng thay đổi điện trở strain gauge cho phép xác định mối tương quan momen – biến dạng trục đo chế tạo Tuy nhiên, việc mua thiết bị đo momen có sẵn Việt Nam khó Với điều kiện hạn chế nước, chưa có sở sản suất, chế tạo thiết bị đo momen dạng dụng cụ Vì vậy, tác giả chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo thiết bị đo momen dạng cầm tay “ với nguyên lí hoạt động thiết bị đo momen dạng nối tiếp CHƯƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ Dụng cụ chế tạo có dạng đo momen dạng nối tiếp Việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng thực hai cách Mối tương quan momen xoắn – biến dạng xoắn biến dạng xác định gián tiếp thơng qua việc đo momen xoắn – góc xoắn trục mẫu chịu xoắn Hình 2.1 Sơ đồ xác định momen xoắn – góc xoắn Thơng qua việc đo góc xoắn cho phép xác định biến dạng góc, từ xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng Tuy nhiên, hầu hết loại vật liệu, góc xoắn miền đàn hồi nhỏ khoảng vài độ Việc đo góc xoắn miền đàn hồi vật liệu khó Do đó, việc xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng xác định trực tiếp cách đo biến dạng dài trục chịu xoắn ε450 Vị trí hàn dây dẫn Hình 2.2 Biến dạng dài trục xoắn Theo sở lí thuyết sức bền vật liệu xoắn túy, biến dạng dài theo phương 450 1350 lớn Do đó, Biến dạng dài ε đo cách dán thiết bị cảm biến strain gauge lên trục mẫu chịu xoắn Mối tương quan momen – biến dạng xác định việc xây dựng đường đặc tuyến momen – thay đổi điện trở cầu biến dạng 2.1 Thiết bị cảm biến strain gauge phương pháp đo biến dạng Strain gauge thiết bị cảm biến dùng để xác định biến dạng vật liệu Biến dạng vật liệu xác định thông qua việc đo thay đổi điện trở strain gauge Cấu tạo strain gauge gồm kim loại mỏng khắc thành dạng lưới lên nhựa mỏng Lưới kim loại nối hai đầu với hai miếng kim loại phủ lớp đồng để hàn dây dẫn mạch khuếch đại tín hiệu đo Mối quan hệ biến dạng thay đổi điện trở thiết bị cảm biến strain gauge liên hệ theo hệ thức sau R=ρ L (Ω) A (2.1) Mối quan hệ biến dạng thay đổi điện trở ∆R / R strain gauge xác định theo công thức : dR / R d ρ / ρ = + (1 + 2υ ) ε ε (2.14) d ρ / ρ đặc trưng mức độ cản trở dòng điện vật liệu dây dẫn, ε số loại thiết bị strain gauge khác Tỉ số Đại lượng + 2υ đặc trưng cho thay đổi điện trở tăng chiều dài dây giảm diện tích dây dẫn Độ cảm biến vật liệu ( hay thay đổi điện trở đơn vị biến dạng ) gọi hệ số cảm biến biến dạng GF : GF = dR / R ∆R / R = dL / L ε (2.15) Hệ số GF thể mối quan hệ tuyến tính biến dạng thay đổi điện trở, thông thường thơng thường GF = 1,9 ÷2,1 hầu hết loại cảm biến strain gauge Biến dạng vật liệu nhỏ, khoảng từ 2.10 -6 – 0,01, dẫn đến yêu cầu đo thay đổi điện trở khơng lớn 1% Khi chưa có biến dạng, mạch cầu cân bằng, R = R2 = R3 = R4 = R nên từ (2.20) điện áp đầu mạch viết sau: (2.23) Do đó, biến dạng strain gauge xác định theo công thức: Vout = GF (ε −ε2 +ε3 −ε4 )Vin = GF.ε.Vin Dễ thấy, biến dạng nhiệt bị triệt tiêu toàn mạch cầu, chúng bi triệt tiêu hai nhánh liền kề ( ví dụ: nhánh nhánh nhánh 4) Tương tự, sử dụng strain gauge mạch cầu ảnh hưởng nhiệt tới biến dạng strain gauge bị loại bỏ mạch đo Từ mạch cầu với giá trị điện trở R khơng đổi a Mạch hình 2.8 Khi cầu nhánh Mạch cầu nhánh Strain gauge biến dạng điện trở thay đổi giống điện trở biến thiên nên ta có mối quan hệ Đối với mạch cầu nhánh, việc sử dụng strain gauge nhánh mạch cầu không loại bỏ ảnh hưởng nhiệt tới sai số biến dạng, trừ hệ số giãn nở nhiệt điện trở strain gauge có hệ số giãn nở nhiệt khơng Điện áp mạch cầu nhánh xác định theo công thức: GF GF T Vout = (ε )Vin + (ε )Vin 4 Vì vậy, mạch cầu nhánh sử dụng strain gauge đo biến dạng sử dụng khơng có u cầu khắt khe độ xác tới 10με b Mạch cầu hai nhánh Hình 2.9 Mạch cầu nhánh Mối quan hệ Dựa vào loại bỏ ảnh hưởng nhiệt nhánh liền kề mà thay điện trở mạch cầu thành điện trở thay đổi Điện áp đầu không bị ảnh hưởng thay đổi nhiệt xác định công thức: Vout = GF GF T T (ε − ε )Vin + (ε − ε )Vin 4 (2.25) Tương tự, sử dụng strain gauge nối liền kề thay cho hai điện trở thay đổi điện áp đo mạch không bị ảnh hưởng nhiệt., điện áp đầu mạch xác định theo công thức: Vout = GF GF (ε − ε )Vin = ε Vin (2.26) c Mạch cầu đầyđủ Hình 2.10 Mạch cầu đầy đủ Mối quan hệ Từ mạch cầu để có giá trị lớn với mục đích chế tạo thiết bị đo momen xoắn cầm tay hiển thị giá trị mô men theo hai phương chiều ngược chiều kim đồng hồ giống nên tác giả lựa chọn mạch cầu đầy đủ ( full) với Strain gauge có giá trị điện trở R1 = R2 = R3 = R4 = R Hình 2.10 Trục mẫu chịu xoắn dán strain gauge Điện áp đầu tính cho nhánh mạch cầu xác định sau:  R1  R1R3 − R2 R4  R4  Vout =  − Vin =    Vin R1 + R2 R4 + R3  ( R1 + R2 )( R4 + R3 )    R1, R3 : chịu kéo theo phương 450 R2 , R4 : chịu nén theo phương 1350 Mạch cân : R2 R3 = , với R1 R4 R1 = R2 = R3 = R4 = R Khi có biến dạng, điện trở mạch cầu thay đổi lượng ∆R , biến dạng xác định theo thay đổi điện trở   R1 + ∆R R4 − ∆R Vout =  −  Vin  R1 + ∆R + R2 − ∆R R4 − ∆R + R3 + ∆R  ↔ Theo ( 2.15) Vout ∆R = Vin R Vout ∆R = = GF ε Vin R (2.25) Kết luận: Từ nội dung trình bầy cảm biến đo biến dạng strain gauge ta thiết kế đo mô men xoắn dựa nguyên lý dùng strain gauge dán bề mặt trục mẫu chịu xoắn, đo biến dạng trục theo phương ± 45o so với tâm trục, từ thay đổi điện trở strain gauge để tính tốn giá trị momen xoắn Sơ đồ nguyên lý phép đo M Z mô tả sau: Momen xoắn tác dụng lên trục đo dán strain gauge phương 450 1350 Trục đo : E, Jp, Wp, υ Trục đo biến dạng ε Sự thay đổi điện trở cầu biến dạng : Vout ∆R = = GF ε Vin R Bộ biến đổi momen – biến dạng với hệ số khuếch đại Ka Bộ hiển thị giá trị momen Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lí chế tạo trục đo momen xoắn 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO TRỤC ĐO Việc thiết kế, tính tốn trục đo tiến hành tính tốn cho trục rỗng chịu xoắn tính tốn miền đàn hồi vật liệu Các hệ thức tính tốn tn theo định luật Hooke, vịng trịn Mo ứng suất thuyết bền ứng suất tiếp cực đại 3.1 Hệ thức liên quan tới trục tròn rỗng chịu xoắn Hình 3.1 Sự phân bố ứng suất mặt cắt ngang trục trịn chịu xoắn Hình 3.2 Vịng trịn Morh ứng suất xoắn túy Theo thuyết bền ứng suất tiếp cực đại : [ τ ] ≤ [ τ max ] = [ σ max ] ( MPa ) (3.1) 11 3.2 Tính tốn, thiết kế trục đo 3.2.1 Tính tốn kích thước trục đo Dự kiến thiết kế dụng cụ đo momen xoắn khoảng : M Z = – 200 (N.m) Việc xác định loại vật liệu để chế tạo tiến hành thí nghiệm máy phân tích quang phổ thành phần hóa học vật liệu Từ bảng thành phần hóa học vật liệu thí nghiệm Tra sổ tay mác thép thê giới, xác định vật liệu dùng để thiết kế trục thép 18Mn2Si Bảng thành phần hóa học bảng tính thép 18Mn2Si sau: Thành phần nguyên tố, % Mác thép C Si 18Mn2Si 0,16- 0,2 0,6 - 0,9 Mn Cr 1,2 - 1,6 < 0,3 Bảng 3.1 Bảng thành phần hóa học thép 18Mn2Si Mác thép E (Gpa) G(Gpa) σu(Mpa) υ 18Mn2Si 200 80 600 0,3 Bảng 3.2 Bảng tính thép 18Mn2Si Việc thiết kế trục đo tính tốn đảm bảo hai toán : toán cứng toán bền trục làm việc Bài toán bền dùng để xác định kích thước chiều dày trục đo Ứng suất cho phép xác định theo công thức (3.1), (3.2).Bảng xác định ứng suất cắt cho phép thiết kế, tính tốn trục n [σ] max (Mpa) [τ] max (Mpa) 100 50 Bảng 3.3 Bảng ứng suất cắt cho phép Việc tính tốn, thiết kế trục đo momen chịu xoắn theo công thức (3.9), (3.10) (3.11) Kích thước trục xác định sau: d2(mm) d1(mm) 39,7 34,2 t (mm) 2,75 Jp (mm4) 109508 Wp(mm3) 5516,76 Bảng 3.4 Bảng đường kính trục đo 12 Trục đo tính tốn, thiết kế theo điều kiện cứng tránh tượng uốn cong cục trục tiến hành thí nghiệm xoắn trục để xây dựng đường đặc tuyến momen – biến dạng Từ hệ thức : θ ≤ [θ ] (3.12) Từ (3.3) – (3.9) có : γ max = 2ε1 =r2θ = r2 MZ = GJ P ( MZ E )W 2(1 + υ ) P M Z (1 + υ ) EWP (3.13) ε ≤ [ ε ] = 2% = 0,02 (3.13) → ε1 = Điều kiện cứng : Theo bảng 3.2 3.4 có : 200.103 (1 + 0,3) ε= = 3,3.10−4 < [ ε ] = 0,02 200.10 3976,63 Vậy trục thiết kế đảm bảo điều kiện làm việc 3.2.2 Bản vẽ chế tạo trục mẫu 3.3 Chọn thiết bị cảm biến strain gauge Strain gauge thiết bị cảm biến có độ xác cao Hiện giới có hãng tiếng sản xuất strain gauge : HBM, OMEGA Vật liệu thường sử dụng để chế tạo strain gauge : Trong thực tế, tùy thuộc vào trạng thái ứng suất cần xác định mà có loại cảm biến strain gauge khác 3.4 Chọn loại keo dán strain gauge 13 Trong thí nghiệm đo biến dạng vật liệu, yêu cầu bề mặt strain gauge bề mặt vật liệu đo phải gắn chặt để đảm bảo phân bố đồng ứng suất, đảm bảo độ bền kéo độ bền cắt lớn tiến hành thí nghiệm Do đó, keo dán sử dụng để dán strain gauge cần phải đảm bảo yêu cầu Hiện nay, thị trường có nhiều loại keo dán dùng để dán strain gauge Keo dán extra 4000 dùng để dán kim loại khó dán, đảm bảo yêu cầu dán strain gauge Những ưu điểm keo dán extra 4000: có khả chịu nhiệt lực tác động lớn; nhanh khô; phạm vi nhiệt độ làm việc : -400 1200 Thời gian giữ chặt dán 1s, thành phần cyanoacrylate, có xuất sứ từ Nhật Strain gauge thiết bị cảm biến có độ nhạy cao, để tránh nhiễu ảnh hưởng tới kết đo, cần phủ lớp silicon lên bề mặt strain gauge Hình 3.9 Silicon chống nhiễu cho strain gauge Bên cạnh đó, để đảm bảo độ bám dính strain gauge lên bề mặt trục đo yêu cầu bề mặt trục đo phải làm sạch, quy trình dán thiết bị cảm biến strain gauge sau : Bước 1: Vạch dấu trục đo để đảm bảo dán strain gauge theo phương 450 1350 14 Bước 2: Làm bề mặt trục đo dầu thơm, làm bề mặt strain gauge bừng cồn 900 Bước 3: Dán strain gauge lên bề mặt trục đo sử dụng keo dán extra 4000 Bước 4: Phủ lớp silicon lên bề mặt strain guage chống nhiễu cho kết đo Hình 3.10 Trục đo dán strain gauge 3.5 Thiết kế mạch hiển thị 15 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỦA TRỤC ĐO 4.1 Thí nghiệm Mục đích thí nghiệm để xây dựng liệu momen xoắn trục đo điện áp đầu hiển thị mạch khuếch đại strain gauge Giá trị điện áp mạch cầu khuếch đại nhờ thiết bị analog 3B18 có hệ số khuếch đại KB = 400 Sơ đồ hiển thị giá trị điện áp tương ứng với thay đổi điện trở strain gauge dán trục đo sau: Hình 4.1 Sơ đồ thí nghiệm xác định quan hệ MZ thay đổi điện áp Strain gauge sau khuếch đại Kết thí nghiệm dùng để xây dựng đường đặc tuyến đồ momen – biến dạng, từ xác định modun đàn hồi thép 18Mn2Si xây dựng bảng liệu mối tương quan giá trị momen – biến dạng dùng cho việc thiết kế mạch khuếch đại hiển thị giá trị momen trục đo tiến hành đo momen Trục đo thí nghiệm thiết bị thí nghiệm xoắn có M Z = 1000 N.m Giá trị momen thiết bị đo loadcell hiển thị hiển thị 3570.Hệ thức liên hệ giá trị momen điện áp hiển thị hiển thị 3570 sau: D Vout = 0,0026 M Z ( mV ) 16 Hệ thống thí nghiệm xây dựng liệu momen xoắn trục đo điện áp đầu hiển thị mạch khuếch đại strain gauge sau: Hình 4.2 Thí nghiệm xác định biến dạng trục đo 4.2 Kết thí nghiệm Hệ số khuếch đại thiết bị 3B18 KB = 400 Do đó, điện áp tính tốn quy đổi cho biến dạng trục đo tính tốn theo cơng thức: Q VoutĐ ε Vout = (mV ) KB QĐ Vout ∆ R Từ (2.25) có : = = GF ε Vin R Theo bảng 3.6, tính tốn biến dạng tương ứng với giá trị momen đo cho trục đo từ kết thí nghiệm sau: Mz (N.m) 4,60 5,36 13,79 19,16 33,72 34,10 43,68 53,26 εĐ Mz (N.m) εĐ Mz (N.m) εĐ 5,18495E-06 6,26068E-06 1,5534E-05 2,3483E-05 4,05704E-05 4,12743E-05 5,08859E-05 6,08495E-05 53,64 59,00 81,23 84,29 85,44 106,13 113,79 115,33 6,43204E-05 7,25971E-05 8,79005E-05 0,000102852 0,000102852 0,000115655 0,000122779 0,000134527 115,71 133,33 143,68 150,96 157,09 163,60 169,35 177,78 0,00013559 0,00014698 0,00016228 0,00016869 0,00017165 0,00018069 0,00018576 0,00019176 Bảng 4.1 Bảng tính tốn giá trị momen – biến dạng – giá trị điện áp Từ bảng 4.1 xây dựng phương trình cho kết đo xác định lại giá trị modun đàn hồi E cho vật liệu trục đo sau: 17 Hình 4.3 Đồ thị mối tương quan momen – biến dạng Phương trình Mz = 893919 ε (1) phương trình đặc trưng cho mối tương quan momen – biến dạng vật liệu 18Mn2Si Do trình tính tốn, thiết kế trục đo tác giả tra cứu lấy giá trị modun đàn hồi chung cho loại thép E = 200GPa Tuy nhiên, thực tế loại vật liệu có giá trị modun đàn hồi riêng Vì việc tiến hành thí nghiệm xây dựng phương trình momen – biến dạng thép 18Mn2Si cho phép xác định lại giá trị modun đàn hồi thực tế thép 18Mn2Si Hình 4.4 Đồ thị mối tương quan momen – biến dạng Phương trình Vout = 2.10-5 Mz (mV) dùng đê thiết kế mạch khuếch đại hiển thị giá trị momen tương ứng với đơn vị biến dạng trục đo 4.3 Kết luận 18 4.3.1 Những kết đạt - Đã thiết kế chế tạo thành công thiết bị đo mô men xoắn cầm tay với khoảng đo từ ÷ 200 Nm Qua đó: + Làm chủ công nghệ dán, sử dụng Strain gauge trục kim loại + Làm chủ thiết kế kích thước trục chịu xoắn giải đo momen xoắn khác + Thiết bị đo momen xoắn có độ xác cao thể đồ thị (hình 4.3) với sai số 1- R2= 0,0056 + Thiết bị sau chế tạo kiểm nghiệm với thiết bị đo momen xoắn dạng phản lực (Wrench) có bán thị trường nhận thấy chêch lệch giá trị momen hiển thị nhỏ khoảng 1,7% 4.3.3 Những điểm hạn chế hướng khắc phục - Kích thước thiết bị chưa thu gọn thiết bị có bán thị trường - Để tiến tới sản phẩm có tính thương mại cần có điều kiện sau: + Đầu tư thiết bị thí nghiệm hiệu chỉnh có độ xác cao + Thiết kế, chế tạo khuếch đại hiển thị chuyên dùng + Có nhu cầu đặt hang thiết bị Chương trình chạy mạch hiển thị giá trị điện áp biến dạng 19