Tính toán thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy bằng các phương pháp xấp xỉ và mô phỏng

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI QUỐC DUY TÍNH TỐN THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY THEO ĐỘ TIN CẬY BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP XẤP XỈ VÀ MÔ PHỎNG Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2010 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm ii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phái: …………………… Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: MSHV: 1- TÊN ĐỀ TÀI: 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) iii KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ đề tài lớn từ trước đến mà em phải hoàn thành Trong trình thực đề tài em gặp nhiều khó khăn thử thách Nếu khơng có giúp đỡ động viên nhiều người có lẽ em khơng thể hồn thành tốt luận văn Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy Nguyễn Hữu Lộc, người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn Kiến thức em tiếp thu từ thầy cô hành trang quý báu tiếp bước em đời Trên đường góp nhặt kiến thức ngày hôm nay, thầy cô, bạn bè Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh người em sát cánh trải nghiệm Và sau cùng, xin cảm ơn cha mẹ sinh thành, dưỡng dục nuôi dạy nên người Cha mẹ bên con, động viên lúc khó khăn Suốt đời xin ghi nhớ ơn Người iv TĨM TẮT Trong thời đại cơng nghiệp hóa – đại hóa nay, sản phẩm thiết kế ngày đòi hỏi nhiều yêu cầu: đảm bảo độ bền, độ tin cậy, chất lượng cao, giá thành rẻ, dễ sử dụng, an toàn cho người sử dụng… khiến cho nhà thiết kế phải đối mặt với nhiều thử thách Để chiếm lĩnh thị trường cạnh tranh với mặt hàng khác, sản phẩm thiết kế cần phải nghiên cứu phát triển, phân tích kỹ lưỡng Yêu cầu đổi liên tục đặt nhà thiết kế phải có kiến thức cần thiết ứng dụng xác suất thống kê để giải toán phức tạp thực tế Thiết kế phân tích theo độ tin cậy phương pháp quan trọng ngày sử dụng rộng rãi nhằm đưa kết cấu tối ưu đảm bảo khả làm việc, suất, chất lượng, độ tin cậy an toàn sử dụng Luận văn xin trình bày phương pháp phân tích máy thành hệ thống, đưa phương pháp tính tốn thiết kế phân tích chi tiết máy theo độ tin cậy, sở tính tốn thiết kế trục truyền động theo độ tin cậy trường hợp tổng quát ứng dụng số trường hợp cụ thể Trong q trình thực khơng tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy xem xét góp ý thêm để em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc HVTH: Bùi Quốc Duy MSHV: 00408229 KHÓA: 2008 v Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mơ MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa i Cơng trình khoa học ii Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ iii Lời cảm ơn iv Tóm tắt v Mục lục CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1 Tổng quan 1.1.1 Khái niệm thiết kế theo độ tin cậy 1.1.2 Lịch sử phát triển độ tin cậy 1.1.3 Cơ sở lý thuyết độ tin cậy Tình hình nghiên cứu 15 Nội dung thực luận văn 20 CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH MÁY THÀNH HỆ THỐNG 22 Các dạng hỏng phân tích ảnh hƣởng 22 2 Phân tích kiện 23 Phân tích cấu trúc dạng hỏng 24 Ứng dụng phân tích hệ thống truyền động thành hệ thống 29 CHƢƠNG III: TÍNH TỐN THIẾT KẾ CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG THEO ĐỘ TIN CẬY 35 Tính toán thiết kế truyền bánh 36 3.1.1 Tính tốn theo độ bền tiếp xúc 36 3.1.2 Tính tốn theo độ bền uốn 38 3.1.3 Kết tính tốn 40 Tính tốn thiết kế trục 44 3.2.1 Tính toán thiết kế trục theo độ tin cậy phƣơng pháp moment thích hợp 54 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mơ 3.2.2 Phân tích trục theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ bậc kết hợp với tìm kiếm điểm xác suất lớn 56 3.2.3 Phân tích trục theo độ tin cậy phƣơng pháp mô Monte Carlo 58 3.2.4 Kết tính toán 60 3 Tính tốn chọn ổ lăn 70 3.3.1 Tính tốn sơ ban đầu 70 3.3.2 Tính tốn chọn ổ lăn 73 3.3.3 Kết tính tốn 74 CHƢƠNG IV: CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 77 Nâng cao độ tin cậy phần tử dễ bị hỏng 77 Dự trữ có thành phần dự trữ khơng tải đóng mở tuyệt đối tin cậy 78 Dự trữ có thành phần dự trữ cho phần tử riêng biệt 79 CHƢƠNG V: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 80 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Lý lịch trích ngang 88 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1 TỔNG QUAN 1.1.1 Khái niệm thiết kế theo độ tin cậy Do tính cạnh tranh cao, nhà thiết kế sản phẩm phải đối mặt với nhiều thử thách: sản phẩm phải đạt chất lƣợng cao, mẫu mã đẹp, giá thành rẻ, thời gian thiết kế đƣa sản phẩm thị trƣờng ngắn, độ tin cậy an toàn cao… Với phƣơng pháp thiết kế truyền thống, gọi thiết kế đơn định, chi tiết máy đƣợc thiết kế theo tiêu khả làm việc, độ an toàn chi tiết khí kết cấu hệ số an tồn thƣờng đƣợc chọn theo kinh nghiệm, dẫn đến sản phẩm không đủ bền dƣ bền, lãng phí vốn đầu tƣ, nguyên vật liệu, lƣợng, sức lao động… khiến ngƣời tiêu dùng bất an, giảm uy tín cơng ty Trên thực tế đại lƣợng thiết kế đại lƣợng ngẫu nhiên, phƣơng pháp thiết kế theo độ tin cậy giải tốn xác phƣơng pháp truyền thống Lý thuyết độ tin cậy đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, nhiên khí cịn Phƣơng pháp thiết kế theo độ tin cậy nhu cầu thiết yếu, cần thời gian nỗ lực để đƣa sản phẩm nƣớc nhà đến với thị trƣờng giới Độ tin cậy tính chất đối tƣợng (chi tiết máy, máy, cơng trình…) thực đƣợc chức năng, nhiệm vụ định, trì thời gian tiêu sử dụng, thông số làm việc giới hạn quy định tƣơng ứng với chế độ, điều kiện vận hành, chăm sóc sửa chữa cụ thể Giải vấn đề độ tin cậy giúp nâng cao hiệu lao động, nguồn nhân lực mức sản xuất tồn xã hội Độ tin cậy khơng đủ máy dẫn đến: chi phí sửa chữa lớn, ngừng máy, làm ngƣng trệ việc cung cấp cho khu dân cƣ điện, nƣớc, khí đốt, phƣơng tiện giao thơng Trong vài trƣờng hợp dẫn đến tai nạn làm cho thiệt hại kinh tế lớn, phá hủy cơng trình, thiệt hại ngƣời Sự phát triển nhanh chóng khoa học độ tin cậy liên quan đến: GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mơ Tự động hóa, xếp máy móc dây chuyền sản xuất lớn Giải vấn đề liên quan đến công nghệ không sử dụng sức ngƣời (sử dụng ngƣời máy) Không ngừng tăng cƣờng làm việc máy, giảm lƣợng tiêu hao kim loại máy, tăng cƣờng cƣờng độ sử dụng máy 1.1.2 Lịch sử phát triển độ tin cậy Kỹ thuật độ tin cậy đƣợc tách thành môn học riêng Mỹ vào đầu năm 1950 Sự phức tạp vấn đề phát sinh chiến tranh giới thứ II vào năm 1940 dẫn đến phát triển lý thuyết độ tin cậy Trong thời gian khoảng 60% thiết bị bay vận chuyển đến vùng Viễn Đông bị hỏng đến nơi Khoảng 50% chi tiết dự trữ thiết bị kho bị hỏng trƣớc đƣợc sử dụng Vào năm 1949 khoảng 70% thiết bị điện tử thuộc hải quân không hoạt động tốt Năm 1950 lực lƣợng khơng qn Mỹ thành lập nhóm nghiên cứu độ tin cậy thiết bị điện tử Tháng năm 1952 nhóm tƣ vấn độ tin cậy thiết bị điện tử (AGREE – Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment) đƣợc thành lập nhóm đƣa tiêu chuẩn độ tin cậy, việc kiểm tra độ tin cậy phận tách rời phát triển sản phẩm Thiết bị đƣợc đòi hỏi kiểm tra vòng nhiều đồng hồ môi trƣờng ứng suất cao, nhiệt độ thấp cao, điều kiện đƣợc đỡ rung động Ý tƣởng đƣợc sử dụng để phát thiếu sót thiết kế giai đoạn mà ta sửa đổi chúng trƣớc sản xuất sản phẩm hàng loạt Trong chiến thứ II, phát triển tên lửa V1 V2 Đức gắn liền với phát triển kỹ thuật độ tin cậy Năm 1951, Weibull đƣa hàm thống kê để trình bày độ bền tuổi thọ vật liệu Ngày đƣợc biết nhƣ phân bố Weibull biểu diễn quy luật quan trọng việc phát triển độ tin cậy khí độ tin cậy nói chung Kết cấu khí ngày trở nên phức tạp bắt đầu đặt vấn đề khó khăn đặc biệt ứng dụng khơng gian quân đội Không giống nhƣ thiết bị điện tử đƣợc sản xuất hàng loạt liệu hỏng hóc biết trƣớc đƣợc, liệu độ tin cậy kết cấu khí cơng trình GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô hoi Hƣớng nghiên cứu kết cấu theo độ an toàn đƣợc nghiên cứu vào năm 1929 Tƣơng tự nghiên cứu tuổi thọ mỏi vật liệu vấn đề liên quan lý thuyết giá trị cực trị ứng dụng đƣợc sức bền vật liệu tải trọng bắt đầu vào năm 1930 Đóng góp vào bắt đầu giải độ tin cậy kết cấu tĩnh đƣợc thực Freudenthal Pugsley Sau nghiên cứu dao động máy bay phản lực Birnbaum Saunders đƣa mơ hình thống kê cho tuổi thọ kết cấu dƣới tác dụng tải trọng động Trong nghiên cứu thiết kế máy kết cấu sở độ tin cậy ta tìm hiểu liên quan hỏng hóc khí kết cấu với số ngƣời thiệt mạng tai nạn gây nên Bảng 1.1 Nguyên nhân Máy bay Tàu hỏa Giao thông nƣớc Giao thông Ngộ độc Chiếu sáng Hỏa hoạn Máy móc, thiết bị Hỏng hóc kết cấu Số ngƣời thiệt mạng triệu dân 9 300 20 0,5 40 10 0,2 Các hỏng hóc máy cơng trình gây thiệt hại khơng đáng kể ngƣời, nhiên gây thiệt hại lớn kinh tế Cho nên nhà thiết kế cố gắng đạt đƣợc độ tin cậy cao thiết bị kết cấu cơng trình Ví dụ điển hình vào mùa mƣa bão năm 2000 giao thông đƣờng Nam Bắc nƣớc ta bị gián đoạn hàng tháng đoạn đƣờng đèo Hải Vân bị lở mà khơng có đƣờng dự trữ thay Cầu Bình Điền cầu Bến Lức bị cố làm giao thông tỉnh miền Tây đến thành phố Hồ Chí Minh bị gián đoạn gây thiệt hại lớn kinh tế Sự cố nhà máy ga Dinh Cố khơng có đủ ngun liệu tàu Ba Vì bị nhổ neo làm đời sống hàng ngày dân chúng nƣớc ảnh hƣởng thiếu ga sinh hoạt… Nhiều tai nạn thƣơng tâm xảy vài chi tiết máy không đảm bảo độ tin cậy GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô Tải trọng quy ƣớc trung bình: Q F Sai lệch bình phƣơng trung bình tải trọng quy ƣớc: SQ SF Chọn hệ số biến phân khả tải động vC vC 0, 27 (đối với ổ bi) 0, 25 (đối với ổ đũa) Hệ số biến phân tải trọng quy ƣớc: vQ SQ Q Xác định hệ số an toàn theo giá trị trung bình từ điểm phân vị: z1 n 2 C n v vQ2 Xác định khả tải động trung bình: C nQ m L Xác định khả tải động ổ với xác suất làm việc không hỏng 90%: C90 C ổ bi 1,52 C90 C ổ đũa 1, 46 Theo giá trị vừa tìm đƣợc ta chọn cỡ ổ 3.3.3 Kết tính tốn Ta tính tốn chọn ổ cho trục I Thông số đầu vào: Fr1 318,33N ; S Fr1 31,833 N Ft1 1414,81N ; S Ft1 141, 481N Fa1 0; S Fa1 Fr 453,83N ; S Fr 45,383N Ft 1209,13N ; S Ft 120,913N Fa 257, 01N ; S Fa 25, 701N GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 74 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô r1 0; Sr1 r2 36, 49mm; S r a 20mm; S a b 218,5mm; Sb l 270mm; Sl R 0,99 0,3649mm 0, 2mm 2,185mm 2, 7mm L 10000h N 1500vg / ph Hình 3.8 Tính tốn chọn ổ lăn cho trục I phương pháp moment thích hợp Kết tính tốn: Khả tải động C = 13419,5111N (Hình 3.8) Theo bảng tra P2.12 [14] ta chọn ổ 46305 với d = 25mm Tƣơng tự ta tính tốn ổ cho trục lại hệ thống truyền động Ổ trục II: Khả tải động C = 31251,9098N Theo bảng tra P2.12 [14] ta chọn ổ 46307 với d = 35mm Ổ trục III: Khả tải động C = 36255,3636N Theo bảng tra P2.12 [14] ta chọn ổ 46308 với d = 40mm GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 75 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô Ổ trục IV: Khả tải động C = 108872,3924N Theo bảng tra P2.12 [14] ta chọn ổ 66414 với d = 70mm Ổ trục V: Khả tải động C = 23931,4762N Theo bảng tra P2.12 [14] ta chọn ổ 2007114 với d = 70mm GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 76 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô CHƢƠNG IV: CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG Vấn đề bố trí độ tin cậy có quan hệ với việc xác định độ tin cậy phần tử riêng lẻ cho độ tin cậy toàn hệ thống giá trị thỏa mãn ràng buộc khối lƣợng, thể tích giá thành Có số phƣơng pháp để nâng cao độ tin cậy hệ thống Nâng cao độ tin cậy phần tử dễ bị hỏng Giả sử phần tử giống có độ tin cậy Độ tin cậy hành hệ thống: Rht Rdc Rkn Rbr1 Fbr Fbr Fbr Fbr Fbr10 11 Fbr12 13 Fbr14 15 Fbr16 17 i Rht 0,998.0,9995 0, 013 0, 012 Rtruci Rotrucj j 0,918047 Giả sử giá thành đơn vị độ tin cậy phần tử là: cdc = 1500000VND ctrucI = 210000VND ckn = 100000VND ctrucII = 320000VND cbr1-2 = 400000VND ctrucIII = 365000VND cbr3-4 = 200000VND ctrucIV = 815000VND cbr6-7 = 150000VND ctrucV = 970000VND cbr8-9 = 120000VND cotrucI = 150000VND cbr4-5 = 200000VND cotrucII = 220000VND cbr10-11 = 250000VND cotrucIII = 290000VND cbr12-13 = 300000VND cotrucIV = 700000VND cbr14-15 = 320000VND cotrucV = 870000VND cbr16-17 = 350000VND Để đảm bảo độ tin cậy 0,999 cần phải tăng độ tin cậy hệ thống thêm lƣợng dRht 0,999 0,918047 0, 080953 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 77 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mơ Nhƣ tốn đƣợc phát biểu nhƣ sau: Tìm khoảng tăng độ tin cậy dRi phần tử thứ i cần thiết để nâng cao độ tin cậy hệ thống thêm lƣợng 0,080953 cho giá thành cidRi tăng Theo cơng thức 10.31 [8], phần tử thứ i đƣợc chọn giá thành tăng nhỏ nhất, đƣợc xác định: ci Ri c j R j với cj, Rj lần lƣợt giá thành đơn vị độ tin cậy độ tin cậy phần tử Do ta chọn phần tử khớp nối cknRkn = 99000VND nhỏ Khoảng tăng độ tin cậy dRbrtru phần tử bánh trụ cần thiết để đảm bảo độ tin cậy hệ thống 0,999 đƣợc xác định theo công thức 10.24 [8]: dRht dRkn Rdc Rbr1 Fbr Fbr Fbr Fbr Fbr10 11 Fbr12 13 Fbr14 15 Fbr16 Rtruci 17 i dRkn 0, 080953 0,99 0,999 0, 013 0, 012 Rotrucj j 0, 087298 Dự trữ có thành phần dự trữ khơng tải đóng mở tuyệt đối tin cậy Trong chế tạo máy sử dụng biện pháp kết cấu, công nghệ vận hành không đạt đƣợc độ tin cậy cao cho thiết bị Khi ngƣời ta phải sử dụng thành phần dự trữ để nâng cao độ tin cậy, hệ thống phức tạp mà tăng độ tin cậy phần tử chƣa đạt đƣợc độ tin cậy cần thiết cho hệ thống Hình 4.1 Hệ thống có thành phần dự trữ hệ thống khác GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 78 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô Theo công thức (10.15) [8] độ tin cậy hệ thống: Rht' 0,998.0,9995 0, 013 ht F 2! 1 2 0, 012 0,996642 2! Dự trữ có thành phần dự trữ cho phần tử riêng biệt Hình 4.2 Hệ thống có thành phần dự trữ cho phần tử riêng biệt Độ tin cậy hệ thống: Rht' Fdc2 Fkn2 Fbr21 trucI F Rht' trucII trucIII F F 0, 0012 0, 012 Fbr Fbr Fbr trucIV F 0, 013 trucV F 0, 012 Fbr Fbr10 11 Fbr12 otrucI F otrucII F Fbr14 15 Fbr16 13 otrucIII F 17 otrucIV F FotrucV 0,999093 Nếu thành phần dự trữ khơng làm việc hệ thống đóng mở có độ tin cậy tuyệt đối, độ tin cậy hệ thống đƣợc xác định: Rht' Rht' Fdc2 2! FtrucI 2! 1 0, 012 2! Fkn2 2! FtrucII 2! 1 Fbr21 2! FtrucIII 2! 0, 0012 2! Fbr Fbr Fbr FtrucIV 2! FtrucV 2! Fbr Fbr10 11 Fbr12 FotrucI 2! 13 FotrucII 2! Fbr14 15 Fbr16 FotrucIII 2! 17 FotrucIV 2! FotrucV 2! 0, 013 0, 012 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 0,999496 79 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mơ CHƢƠNG V: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Sử dụng phần mềm Matlab hỗ trợ tính tốn thiết kế phân tích độ tin cậy trục hộp tốc độ toán minh họa, thu đƣợc kết quả: Trục I: đƣờng kính thiết kế 21mm; độ tin cậy R = 0,9993515 (với phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất) R = 0,99989 (với phƣơng pháp mô Monte Carlo) Trục II: đƣờng kính thiết kế 32mm; độ tin cậy R = 0,9991955 (với phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất) R = 0,99979 (với phƣơng pháp mô Monte Carlo) Trục III: đƣờng kính thiết kế 36,5mm; độ tin cậy R = 0,9987824 (với phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất) R = 0,9992 (với phƣơng pháp mô Monte Carlo) Trục IV: đƣờng kính thiết kế 61,5mm; độ tin cậy R = 0,9992874 (với phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất) R = 0,99952 (với phƣơng pháp mô Monte Carlo) Trục V: đƣờng kính thiết kế 67mm; độ tin cậy R = 0,99947 (với phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất) R = 0,99995 (với phƣơng pháp mơ Monte Carlo) Ta tiến hành phân tích ảnh hƣởng đại lƣợng ngẫu nhiên đƣờng kính trục Sử dụng phần mềm ta có đồ thị phụ thuộc đƣờng kính trục I theo thay đổi đại lƣợng ngẫu nhiên: a) Sự phụ thuộc d theo Sσr GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc b) Sự phụ thuộc d theo Sε 80 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô c) Sự phụ thuộc d theo Sβ d) Sự phụ thuộc d theo SKσ e) Sự phụ thuộc d theo SKL f) Sự phụ thuộc d theo ST GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 81 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô g) Sự phụ thuộc d theo SFr1 h) Sự phụ thuộc d theo SFt1 i) Sự phụ thuộc d theo SFr2 j) Sự phụ thuộc d theo SFt2 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 82 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô k) Sự phụ thuộc d theo SFa2 l) Sự phụ thuộc d theo Sr2 m) Sự phụ thuộc d theo Sa n) Sự phụ thuộc d theo Sb GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 83 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô o) Sự phụ thuộc d theo Sl p) Sự phụ thuộc d theo vd Hình 5.1 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc đường kính trục I theo thay đổi đại lượng ngẫu nhiên Qua ta thấy thay đổi giới hạn mỏi σr có ảnh hƣởng lớn Ví dụ giá trị sai lệch bình phƣơng trung bình giới hạn mỏi Sσr 2,55; 12,75; 25,5; 38,25 51 mm (tƣơng ứng với hệ số biến phân giới hạn mỏi vσr 0,01; 0,05; 0,1; 0,15 0,2) kích thƣớc đƣờng kính d tăng đáng kể 19,7693; 20,0716; 20,9928; 22,5676 25,1288 mm Độ xác kích thƣớc ảnh hƣởng đến độ tin cậy Do số trƣờng hợp ta bỏ qua ảnh hƣởng Tƣơng tự trục II, III, IV V, thay đổi giới hạn mỏi σr có ảnh hƣởng lớn Với số liệu nhƣ trên, đƣờng kính trục II thay đổi lần lƣợt theo giá trị 29,9483; 30,5077; 32,1007; 34,6749; 38,7401 mm Các giá trị đƣờng kính trục III 34,4083; 35,0469; 36,87; 39,8214; 44,4862 mm Đƣờng kính trục IV thay đổi 57,6362; 58,6193; 61,5144; 66,3144; 73,9895 mm Cịn trục V có giá trị đƣờng kính 63,3969; 64,3021; 67,1119; 72,005; 80,0558 Trên đồ thị đại lƣợng liên quan đến giới hạn mỏi Sσr, Sε, Sβ, SKσ, SKL ta thấy có giảm mạnh đƣờng kính sau tăng vọt Điểm mũi nhọn vị trí đƣờng kính trục lớn cho phép để đạt độ tin cậy R = 0,999 Nếu thay đổi đại lƣợng giới hạn mỏi vƣợt q vị trí đó, tốn vơ nghiệm, nghĩa khơng thể tìm đƣợc đƣờng kính trục đảm bảo độ tin cậy R = 0,999 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 84 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mơ Khi phân tích độ tin cậy trục, hai phƣơng pháp xấp xỉ bậc mô Monte Carlo công cụ hiệu ta kết xác Tuy nhiên so với phƣơng pháp moment thích hợp, hai phƣơng pháp phức tạp nhiều, số lƣợng phép tính lớn, địi hỏi vịng lặp cần trợ giúp máy tính, tính tốn thiết kế đƣờng kính trục, ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp moment thích hợp Đối với phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất, số độ tin cậy hội tụ sau vòng lặp, kết xuất chƣa đến 1s, với phƣơng pháp mô Monte Carlo, số thử nghiệm phải lên đến 100000 phải 175s cho kết xác Tuy nhiên ta thấy phƣơng pháp mơ Monte Carlo xác phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất, đặc biệt thử nghiệm với số lƣợng cực lớn Ngày nay, với trợ giúp máy tính phần mềm, cơng việc tính tốn khơng cịn q khó khăn, phƣơng pháp mơ Monte Carlo công cụ hiệu giúp nhà thiết kế có đƣợc thơng số tính tốn xác GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 85 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Lý thuyết độ tin cậy ngày đƣợc nhà kỹ sƣ thiết kế quan tâm lĩnh vực Nếu tính tốn theo phƣơng pháp đơn định, thông số đại lƣợng đơn định hệ số an tồn thơng thƣờng đƣợc chọn theo kinh nghiệm Cịn với phƣơng pháp thiết kế theo độ tin cậy, đại lƣợng ngẫu nhiên thƣờng phân phối theo quy luật chuẩn, tính tốn dựa lý thuyết xác suất thống kê, kết xác Luận văn trình bày phƣơng pháp phân tích cấu trúc dạng hỏng hệ thống truyền động, từ tính tốn thiết kế phần tử điển hình hệ thống theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mơ phỏng, sâu vào tính tốn trục với trƣờng hợp tổng qt Với trợ giúp máy tính phần mềm tính toán thiết kế, việc giải toán phức tạp nhiều bƣớc lặp khơng cịn q khó khăn So với phƣơng pháp xấp xỉ bậc phƣơng pháp mô Monte Carlo, phƣơng pháp moment thích hợp có ƣu điểm đơn giản nên thƣờng đƣợc sử dụng để tính tốn thiết kế chi tiết máy Tuy nhiên phƣơng pháp xấp xỉ bậc phƣơng pháp mô Monte Carlo cho kết xác hơn, đặc biệt phƣơng pháp mơ Monte Carlo có độ xác cao thực với số thử nghiệm lớn Vì thời gian có hạn, luận văn thực đƣợc tính tốn thiết kế cho chi tiết điển hình trục, bánh ổ lăn, chƣa đề cập đến chi tiết khác nhƣ đai, xích, lị xo, mối ghép…, đồng thời ứng dụng lĩnh vực khí Trong tƣơng lai, hƣớng nghiên cứu độ tin cậy mở rộng sang lĩnh vực khác nhƣ cơng trình xây dựng đê, kè chắn sóng, cơng trình thủy lợi, thiết kế linh kiện điện tử, chế tạo robot hay thiết bị y học… Thiết kế theo độ tin cậy trở thành tiêu chuẩn hàng đầu thiết kế tƣơng lai công cụ đắc lực để nhà khoa học đạt đến tầm phát triển cao GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 86 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô TÀI LIỆU THAM KHẢO Bernd Bertsche, Reliability in Automotive and Mechanical Engineering, Springer, 2008 Carter A.D.S., Mechanical Reliability, John Wiley & Sons New York, 1999 Crowe D, Finberg A., Design for reliability, CRC Press, 2001 Dhillon B.S., Design reliability, CRC Press, 1999, John Wiley & Sons, 2001 Kapur K C., Lamberson L R., Reliability in Engineering Design, John Wiley & Sons, 2003 Kreiner J H., Putcha C S., A computer aided technique for shaft design through Monte Carlo simulation, Computer & Structure Vol 52 pp 367 – 372 Lê Hoàng Tuấn, Sức bền vật liệu – tập 1, 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1998 Nguyễn Hữu Lộc, Thiết kế phân tích hệ thống khí theo độ tin cậy, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005 Nguyễn Hữu Lộc, Phân tích thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phương pháp tìm điểm xác suất lớn moment thích hợp, Kỷ yếu HNKH Trƣờng Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh lần 9, 2005 10 Nguyễn Hữu Lộc, Độ tin cậy thiết kế kỹ thuật, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2002 11 Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2004 12 Nguyễn Hữu Lộc, Reliability-based design and robust design of machine elements, The 2003 international symposium on advanced engineering, Pusan, Korea, 2003 13 Phan Văn Khôi, Cơ sở đánh giá độ tin cậy, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 14 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí – tập 1, 2, NXB Giáo dục, 2003 15 Rao S S., Reliability-Based Design, McGraw-Hill, 1992 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 87 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Bùi Quốc Duy Ngày, tháng, năm sinh: 07/03/1985 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 24A đƣờng số 1, phƣờng 5, quận Gị Vấp, Tp Hồ Chí Minh Q TRÌNH ĐÀO TẠO 2003 – 2008: sinh viên Trƣờng Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh 2008 – nay: học viên cao học Trƣờng Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC 2008 – nay: giảng viên Trƣờng Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc 88 ... 15 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mơ Trên chi tiết ta tiến hành tính tốn thiết kế phân tích độ tin cậy (hình 1.8) Hình 1.8 Thiết kế phân tích độ tin cậy kết... 16 Tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp xấp xỉ mô Hình 1.10 Tính tốn thiết kế trục Sau tiến hành kiểm nghiệm độ tin cậy theo phƣơng pháp xấp xỉ chuỗi Taylor bậc nhất, kết... phƣơng pháp để thiết kế theo độ tin cậy Đề tài xin trình bày tính tốn thiết kế chi tiết máy theo độ tin cậy phƣơng pháp phân tích xấp xỉ mơ 1.1.3.1 Các phƣơng pháp phân tích xấp xỉ Hàm trạng thái