đề tài đo lực kéo nén kim loại
Trang 1
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
I Giới thiệu về máy ép thủy lực trên thế giới và Việt Nam
Trên thế giớ ngày nay có nhiều công ty chế tạo máy kéo nén để phục vụ ngành công nghiệp nặng và nhẹ nhằm kiểm tra tính bền của vật liệu.Tuy nhiên tính đa dạng trongkhâu thiết kế sản phẩm này chưa có, với lại do nhu cầu sử dụng mặt hàng này chưa nhiều Nên đa số các công ty sản xuất máy ép chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng của đốitác Điều này đó dẫn đến thực trạng nước ta không có công ty nào thiế kế và chế tạo
ra máy kéo nén hoàn chỉnh Do kinh nghiệm cũng như công nghệ là chưa đủ, mà cáccông ty chủ yếu là phân phối lại các sản phẩm của công ty nước ngoài hoặc nhận đơnđặt hang ở Việt Nam rồi đưa sang các công ty chính để chế tạo
Qua tìm hiểu các công ty chuyên chế tạo và sản xuất máy kéo nén chủ yếu tập trung
ở những nước có nền công nghiệp phát triển mạnh như Mỹ có công ty DENISON được thành lập từ năm 1900, tại Ấn Độ có công ty VELJAN, công ty YUKEN của Đài Loan chuyên cung cấp các loại van và bơm thủy lực khí nén, tại Đức co tập đoànREXROTH chuyên sản xuất chế tạo sửa chữa bảo dưỡng các loại máy ép thủy lực cũng như cung cấp thiết bị phụ tùng cho hệ thống thủy lực khí nén và một số công ty khác như ASHUN – Đài Loan, TAIWAN FLUID POWER – Đài Loan, WINNER – Đài Loan,…cũng chuyên cung cấp các thiết bị phụ tùng cho hệ thống thủy lực và khínén Tại Việt Nam có công ty Cổ phần Công nghệ Quỳnh, công ty T.A.T tại TP Hồ Chí Minh, Xí nghiệp cơ khí Long Quân tại Hà Nội là các công ty chuyên về phân phối, lắp đặt, tư vấn hệ thống thủy lực khí nén hàng đầu tại Việt Nam Và một số công ty khác như Công ty cổ phần dịch vụ kỹ thuật Việt Thái – 184/Đê La Thành/Ô Chợ Dừa/ Đống Đa/ Hà Nội, công ty An Huy, công ty An Phú, Yến Linh, Việt Hà làmột trong nhưng công ty hàng đầu ở Hà Nội chuyên cung cấp các thiết bị thủy lực, khí nén cũng như tư vấn về hệ thống thủy lực Dưới đây là một số loại máy ép thủy lực đang có mặt trên thị trường Việt Nam:
Trang 3II.Giới thiệu yêu cầu kĩ thuật và kiểm tra tính bền
1.1 các giả thuyết cơ bản về vật liệu biến dạng đàn hồi
1.1.1 Giả thuyết về tính liên tục, đồng nhất, đẳng hướng của vật liệu
Khi nghiên cứu các bài toán “Sức bền vật liệu” ta có các giả thiết là vật liệumang tính chất liên tục, đồng nhất và đẳng hướng, tức là những biểu thức tính toánlập trong vật thể là liên tục và tính chất cơ lý của vật liệu tại mọi điểm là như nhau Trên thực tế không có một thứ vật liệu nào tuân thủ đầy đủ các giả thuyết trên.Tuy nhiên với độ chính xác mà kỹ thuật cho phép, đối với một số vật liệu như kimloại, hợp kim thì có thể sử dụng những giả thuyết trên để giải quyết các bài toán sứcbền
Những loại vật liệu như gỗ, tre và vật liệu tổng hợp từ công nghệ hoá dầu cónhững tính chất khác xa với ngững giả thuyết trên, đặc biệt là không có tính chấtđẳng hướng, tính chất có lý theo các phương khác nhau gọi là vật liệu dị hướng
1.1.2 Giả thuyết về vật liệu có tính đàn hồi
Dưới tác dụng của ngoại lực mọi vật rắn đều bị biến dạng nghĩa là có sự biến đổi
về hình dáng và kích thước Sau khi ngoại lực không còn nữa thì vật thể có thể trở lạihình dáng kích thước cũ hay không thể trở lại hình dáng ban đầu Có thể hiểu rằngnếu ngoại lực chưa đủ lớn (nằm trong một giới hạn nào đó) thì sau khi ngoại lực thôitác dụng vật thể có thể phục hồi lại hình dáng, kích thước như lúc chưa có ngoại lựctác dụng, tính chất này của vật liệu đó chính là tính đàn hồi của vật liệu Thực tế khó
Trang 4tồn tại một loại vật liệu nào mang tính đàn hồi tuyệt đối Cũng dễ nhận ra rằng nếungoại lực vượt quá một giới hạn nào đó thì sau khi bỏ tác dụng của ngoại lực thì vậtthể chỉ phục hồi một phần biến dạng, phần biến dạng không thể phục hồi lại được gọi
là biến dạng dẻo
Một vật thể nếu làm bằng vật liệu có tính đàn hồi tuyệt đối thì quan hệ giữa lựctác dụng và biến dạng là bậc nhất Quan hệ đó được biểu diễn bằng định luật “Húc”.Bằng thực nghiệm người ta đã chứng tỏ rằng: Khi ngoại lực vượt qua một giới hạnnào đó thì vật thể không còn tính đàn hồi tuyệt đối nữa, lúc này quan hệ giữa lực tác
và biến dạng không còn tuân theo định luật “Húc” nữa, quan hệ này trở nên phituyến
1.2 yêu cầu kỹ thuật của thí nghiệm kéo nén vật liệu
Ngoài ra căn cứ váo hình dạng của mẫu thí nghiệm ta có thể chia vật liệu ra làmhai loại :
+ Vật liệu dẻo : Vật liệu bị phá hoại sau khi biến dạng đủ lớn, ví dụ như thép,đồng, nhôm,
+ Vật liệu dòn : vật liệu bị phá hoại ngay khi biến dạng còn rất bé, ví dụ
như gang, đá, bêtông
1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật của thí nghiệm kéo nén vật liệu
Các loại mẫu thử dùng cho thí nghiệm đều được tiểu chuẩn hoá theo các tiêu chuẩn quyđịnh của từng ngành, của nhà nước Đối với từng phương pháp thí nghiệm sẽ có những yêucầu kỹ thuật về mẫu thử khác nhau
Tính chất của tải trọng dùng trong thí nghiệm mang tính chất của tải trọng tĩnh nghĩa làgiá trị tải trọng tăng dần từ giá trị không cho đến giá trị nào đó
Điều này làm cho quá trình biến dạng của mẫu thí nghiệm không sinh ra gia tốc đáng kểkhi mẫu chịu tác dụng của tải trọng thí nghiệm Sỡ dĩ phải có yêu cầu này là vì cần phân biệt
nó với giá trị tải trọng động ( Tải trọng động là tải trọng mà độ lớn và vị trị của nó thay đổitrong một khoảng thời gian rất ngắn hay nói cách khác là tải trọng gây ra gia tốc đáng kể ) Các hiện tưọng xảy ra trong thí nghiệm cũng như kết quả có được phải dựa trên nềntảng của những giả thuyết của môn học “Sức bền vật liệu” đã nêu ở phần trên
1.3 các phương pháp thí nghiệm
1.3.1 Thí nghiệm kéo vật liệu dẻo
a) Mẫu thí nghiệm :
Trang 5
lO
O
Hình 1.1 Mẫu thí nghiệm kéo
Vật liệu mẫu : thường là thép
Mẫu thử nghiệm có đường kính d0 ,chiều dài l0.
Sau khi cặp mẫu thử vào máy thí nghiệm ta tăng dần lực kéo từ giá trị không cho đến
một giá trị nào đó mà tại thời điểm này mẫu thử bị kéo đứt Thông qua hệ thống đo (ghi) kết
quả của máy, ta có biểu đồ quan hệ giưa tải trọng (P) và độ biến dạng dài tuyệt đối (∆l)
c) Phân tích đánh giá biểu đồ quan hệ P-∆l: (hình 1.2)
Căn cứ vào biểu đồ quan hệ P-∆l ta chia quá trình chịu lực của vật liệu ra làm bagiai đoạn chịu lực :
+) Giai đoạn đàn hồi : Được biểu diễn bằng đoạn thẳng OA trên đồ thị.
Quan hệ giữa tải trọng P và độ biến dạng dài tuyệt đối ∆l là bậc nhất nghĩa làtrong giai đoạn này vật liệu làm việc tuân theo định luật “Húc” Nếu gọi là Ptl là lựckéo lớn nhất trong giai đoạn này và F0 là diện tích mặt cắt ngang ban đầu của đoạnmẫu thí nghiệm thì ta có giới hạn tỉ lệ σtl :
+) Giai đoạn chảy : tương quan giữa P và ∆l là một đường nằm ngang
Đây là đặc trưng cơ học quan trọng của vật liệu Trong giai đoạn này lực kéokhông tăng nhưng biến dạng vẫn tiếp tục tăng Trị số lực kéo ứng với giai đoạn này
kí hiệu là Pch và ta có định nghĩa giới hạn chảy σch :
Trang 6+) Giai đoạn cũng cố : Sau giai đoạn chảy vật liệu bị biến cứng (sở dĩ vật liệu bị
biến cứng là do quá trình biến dạng mạnh ở giai đoạn chảy gây ra xô lệch mạnhtrong mạng tinh thể kim loại ) Vì vậy trong giai đoạn này lực kéo có tăng biến dạngmới tăng Tương quan giữa P-∆l là một đường cong, lực cao nhất trong giai đoạn này
kí hiệu là Pb và ứng với Pb ta có giới hạn bền σb :
Nếu bề mặt mẫu được đánh bóng thì trong giai đoạn chảy của vật liệu ta dễ dàngnhất hiện ra những đường cong nghiêng làm với trục thanh một góc 450 ta gọi đó lànhững đường Chét nốp, những đường này chứng tỏ sự trượt các tinh thể trong giaiđoạn chảy của vật liệu (Hình 1.3)
lo
P
B
C A
Trang 7Hình 1.3 Hình dạng kéo mẫu khi bị đứt
Gọi chiều dài mẫu sau khi kéo đứt là l1 và diện tích mặt cắt ngang tại chỗ thắt đứt
Các giá trị Ptl,Pch,Pb biểu đồ ( P -∆l ) sẽ tương ứng với các giá trị σtl , σch ,σb trênbiểu đồ (σ -ε )
Độ dốc của phần đường thẳng OA trên biểu đồ (σ -ε ) chính là môđuyn đàn hồicủa vật liệu E Thật vậy : tgα = E =ε
σ
Nếu kể đến sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang của mẫu trong quá trình thínghiệm ta sẽ có quan hệ giữa σ, ε được biểu diễn bằng đường nét đứt trên đồ thịquan hệ (σ -ε )
Trang 8o
ca
Vật liệu dùng làm mẫu : thường là gang
Quy định về hình dáng và kích thước giống với yêu cầu về hình dáng và kích thước của
mẫu trong thí nghiệm kéo vật liệu dẻo
b) Tiến hành thí nghiệm :
Tiến hành giống với thí nghiệm kéo vật liệu dẻo
c) Phân tích đánh giá biểu đồ P-∆ l : (hình 1.5)
Biểu đồ quan hệ ( P -∆l ) là một đường cong ngay khi lực kéo có giá trị rất thấp.Dựa vào biểu đồ ta có nhận xét : vật liệu giòn không có giới hạn tỉ lệ σtl mà chỉ cógiới hạn bền (σbk)
Tuy vật liệu giòn không có giai đoạn đàn hồi ( tỉ lệ ) nhưng cũng có thể quy ướcmột giới hạn đàn hồi nào đó Nếu xem rằng nếu ứng suất trong thanh chưa vượt quagiới hạn kéo cho phép của mẩu thử thì quan hệ P -∆l là quan hệ bậc nhất (quan hệnày được biểu diễn bằng đường thẳng )
Trang 9o
PdhbP P
Hình 1.5 Biểu đồ quan hệ Ρ−∆l
1.3.3 Thí nghiệm nén vật liệu dẻo
a) Yêu cầu kỹ thuật ban đầu của mẫu:
Vật liệu mẫu : thường là thép
Mẫu thí nghiệm thường có dạng trụ tròn, chiều cao h không được lớn hơn hai lần đường
kính d để tránh hiện tượng mẫu bị cong khi nén
b) Tiến hành thí nghiệm :
Đặt mẫu thí nghiệm vào chính giữa hai mân giá kim loại của máy Tăng tải từ từ cho đến
giá trị nào đó, quan sát hiện tượng xảy ra
c) Phân tích đánh giá biểu đồ ( P-∆ l ) hay biểu đồ (σ -ε ): (hình 1.6)
Qua biểu đồ (σ -ε ) ta thấy quá trình chịu nén cũng được chia ra làm ba giaiđoạn : giai đoạn đàn hồi(OA) giai đoạn chảy và giai đoạn cũng cố Nhưng ta chỉ xácđịnh được hai giới hạn, đó là : giới hạn tỉ lệ σtl và giới hạn chảy σch còn giới hạn bền
σb không thể xác định được vì càng nén diện tích mặt cắt ngang của mẫu càng tăng.
Điều này làm cho khả năng chịu lực của mẫu được tăng cường Do có ma sát giữa bềmặt mẫu và bề mặt của mâm gá thí nghiệm nên mẫu bị biến dạng theo hình trống(hình 1.7)
Trang 10o
c a
Hình 1.7 Hình dạng mẫu thí nghiệm nén trước và sau khi chịu tác dụng lực
1.3.4 Thí nghiệm nén vật liệu giòn
a) Yêu cầu kỹ thuật ban đầu của mẫu
Vật liệu dùng làm mẫu : thường là gang
Yêu cầu về hình dạng và kích thước của mẫu giống với yêu cầu trong thí nghiệmnén vật liệu dẻo
b) Tiến hành thí nghiệm :
Các bước tiến hành giống với thí nghiệm nén vật liệu dẻo
c) Phân tích đánh giá biểu đồ P -∆ l :(hình 1.8)
Dựa vào biểu đồ quan hệ P -∆l ta có nhận xét :
+) Vật liệu giòn khi chịu kéo cũng như khi chịu nén đều bị biến dạng còn rất bé +) Giới hạn bền nén được biễu diễn theo công thức : σb =
0
F
P b
(1.8)Giới hạn bền nén của vật liệu giòn lớn hơn rất nhiều lần so vơi giới hạn bền kéonén của nó Ví dụ : Gang xám có giới hạn bền kéo σb =250MN/m2, giới hạn bền nén
σb =1000MN/m2
Trang 11b
PP
Hình 1.8 Biểu đồ quan hệ P−∆l
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỦY LỰC
Trang 12II Các phần tử thủy lực
II.0 Động cơ thủy lực(Xi lanh thủy lực)
Xi lanh lực là cơ cấu chấp hành dùng để biến đổi áp năng dầu thành cơ năng, thựchiện chuyển động thẳng Dầu có áp suất p1 vào buồng dưới xi lanh, nếu có kể đến tổn thất
Trang 13thì phần dầu trong khoang xi lanh tác dụng lên bề mặt làm việc của piston tạo nên áp lực cânbằng với phụ tải.
Cấu tạo của xi lanh có nhiều loại: xilanh tác dụng kép, tác dụng đơn Xi lanh thủy tadùng trong hệ thống là xi lanh tác dụng kép Sau đây là cấu tạo một số xi lanh thông dụng
Hình 2: Xilanh tác dụng hai chiều, không có bộ phận giảm chấn
Hình 3: Xilanh tác dụng hai chiều, có bộ phận giảm chấn ở cuối khoang chạy
Hình 4: Xylanh tác dụng đơn dùng lò xo
Trang 14II.1 Van phân phối (van tỷ lệ)
Cơ cấu phân phối dược dùng để đổi nhánh dòng chảy ở các nút của lưới đường ống
và phân phối chất lỏng vào các đường ống theo một quy luật nhất định Nhờ vậy, ta có thểchiều chuyển động của bộ phận chấp hành hoặc điều khiển nó theo một puy luật nhất định
Chất lỏng từ bơm trước khi đến động cơ thủy lực qua cơ cấu phân phối Cơ cấu lànơi tập trung các đầu mối lưu thông của chất lỏng Ở đây,chất lỏng từ đến được phân phốivào các nhánh khác nhau của lưới đường ống
Van phân phối được dùng trong hệ thống trên là van tỷ lệ Cấu tao của van có ba bộphận chính: thân van, con trượt và nam châm điện Để thay đổi tiết diện chảy của van, tứcthay đổi hành trình của con trượt bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm Cóthể điều khiển con trượt ở vị trí bất kỳ trong phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ có thể gọi làvan điều khiển vô cấp
Hình 5: Sơ đồ kết cấu xi lanh tác dụng kép có cần piston một phía
1 – Thân; 2 – Cần piston; 3,8 – Mặt bích hông4,12 – Vít cố định mặt bích; 6 – Piston
5,7,10,11 – Vòng chặn dầu; 9 - Ổ trượt
Trang 15Khi con trượt ở vị trí b tức đưa tín hiệu điện vào cuôn dây 1 thì piston 2 sẽ bị hút vềphía cuộn dây 1, cho phép dầu điều khiển vào khoang 13 đẩy con trượt piston 11 mở cửathông P – A và B – T Lúc này dầu vào xi lanh lực qua van phân phối theo cửa P sang A,dầu ra khỏi xi lanh lực qua van phân phối về bể theo cửa B sang T.
Khi con trượt ở vị trí a thì dầu qua van theo cửa P sang B vào xi lanh lực, dầu ra xilanh qua van về bể theo cửa A sang T
Khi đồng thời đưa tín điện vào 2 cuôn dây 1, 5 thì con trượt sẽ ở vị trí giữa làm chocác cửa thông của van đều bị khóa, lúc đó hệ thống không làm việc
II.2 Van tiết lưu
Trong quá trình làm việc thực tế sẽ có sự thay đổi phụ tải, lúc này vận tốc của cơ cấuchấp hành sẽ thay đổi Do đó, để điểu chỉnh lại vận tốc cơ cấu chấp hành người ta dùngphương án tiết lưu, bộ điều tốc đặt vào hệ thống có thể tại vị trí: đường vào, đường ra hoặcsong song với động cơ thủy lực hoặc dùng bơm thay đổi được lưu lượng Tùy theo độ mở
Hình 6: sơ đồ kết cấu và ký hiệu của van tỷ lệ1,5 – cuộn dây của nam châm điện
11 – con trượt piston; 10,12 – lò xo điều khiển con trượt2,4 – piston đóng mở đường dầu điều khiển con trượt piston
Trang 16của van, ta điều chỉnh lưu lượng qua van dẫn đến điều chỉnh vận tốc cơ cấu chấp hành Dođặc điểm của hệ thống ta chọn van tiết lưu để thay đổi vận tốc cơ cấu chấp hành khi phụ tảithay đổi Sau đây là một số van tiết lưu:
II.3 Van tràn (van tổ hợp bi - piston)
Van tràn được chọn trong hệ thống là van điều chỉnh được hai cấp áp suất (van tổhợp bi - piston) Trong van này có 2 lò xo với C2 > C1, lò xo 1 (Flx1) tác dụng trực tiếp lên bicầu và với vít điều chỉnh, ta có thể điều chỉnh áp suẩt cần thiết.
Trang 17Khi hệ thống làm việc bình thường van này có tác dụng là van tràn để giữ áp suất hệthống không đổi, lúc này dưới tác dụng của áp lực bơm chỉ đủ để nâng bi cầu lên một đoạn
x cho qua một lưu lương Q nào đó
Khi hệ thống quá tải hoặc ở những thời điểm van phân phối không lưu thông thì ápsuất hệ thống tăng lên max, con trượt piston mở ra đưa toàn bộ dầu về bể Lúc đó, van này
có tác dụng là van an toàn
Sau đây là một số hình ảnh về van an toàn:
II.4 Van cản (van một chiều)
Van một chiều có tác dụng giữ cho chất lỏng đi theo một chiều nhất định Van mộtchiều có ba bộ phận: vỏ van, nắp van, lò xo giữ nắp van Khi mở van 1 chiều phải có sứccản nhỏ nhất để chất lỏng chảy qua dễ dàng ít tổn thất năng lượng Vì vậy lò xo giữ van phảithật nhỏ đủ để ép sát nắp van vào đế van và thắng lực ma sát giữa piston và vỏ van Nếuchất lỏng đi theo chiều ngược lại thì chính áp lực chất sẽ ép chặt nắp van vào đế van ngănkhông cho chất lỏng đi theo chiều ngược lại
Hình 9: Sơ đồ kết cấu van cản
Trang 18II.5 Bơm
Như đã nói ở trên bơm có nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành áp năng Trong các hệthống thủy lực thường dùng bơm thể tích tức thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cáchthay đổi thể tích các buồng làm việc Khi thể tích buồng làm việc tăng thì bơm thực hiệnviệc hút, khi thể tích buồng làm việc giảm thì bơm thực hiện việc nén và đẩy dầu
Bơm được sử dụng trong hệ thống trên là bơm bánh răng Là loại bơm được dùngrộng rãi nhất vì nó có kết cấu đơn giản dễ chế tạo Bơm bánh răng gồm có: loại bánh răng
ăn khớp ngoài hoặc ăn khớp trong có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chữ V Loạibánh răng ăn khớp ngoài được dùng rộng rãi hơn vì dễ chế tạo, tuy nhiên loại ăn khớp trongkích thước nhỏ gọn hơn
Hình 10: Kết cấu bơm bánh răng