BÀI THÍ NGHIỆM SỐ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT VÀ HỆ SỐ NGOẠI LỰC TRÊN MỐI GHÉP BULÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ Bộ mơn Thiết kế máy BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 03 04 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT VÀ HỆ SỐ NGOẠI LỰC TRÊN MỐI GHÉP BULÔNG Giảng viên hướng dẫn: Thân Trọng Khánh Đạt Sinh viên thực hiện: STT Họ tên MSSV Bùi Thịnh Phát 1910428 Trần Triệu Vĩ 1910697 Võ Ngọc Phú 1910446 Trương Đức Duy 1910097 Đỗ Ngọc Thành Danh 1912838 BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 03 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT TRÊN MỐI GHÉP BULƠNG I Mục tiêu thí nghiệm Sử dụng cờ lê đo mômen xiết để xác định mômen xiết; Hiểu nguyên lý, sử dụng máy đo bulơng sóng siêu âm để đo lực xiết bulông; Hiểu nguyên lý, sử dụng loadcell để đo lực xiết bulông; Xác định hệ số xiết, thơng qua hiểu mối quan hệ mômen xiết lực xiết, yếu tố điều kiện lắp mối ghép II Các quy tắc kỹ thuật an toàn Sinh viên tn thủ quy tắt an tồn phịng thí nghiệm III Báo cáo thí nghiệm Xác định thông số mối ghép ren dụng cụ đo − Đường kính danh nghĩa bulong: 𝑑𝑑 = 12 (mm) − Đường kính lỗ lắp bulong: 𝑑𝑑𝑜𝑜 = 1.1 × 𝑑𝑑 = 1.1 × 12 = 13.2 (mm) − Đường kính ngồi mặt tựa đai ốc: 𝐷𝐷𝑜𝑜 = × 𝑑𝑑 = × 12 = 24 (mm) − Đường kính trung bình: 𝐷𝐷𝑡𝑡𝑡𝑡 = (𝐷𝐷𝑜𝑜 + 𝑑𝑑𝑜𝑜 ) (24 + 13.2) = = 18.6 (mm) 2 − Đường kính trung bình 𝑑𝑑2 = 10.863 (mm) − Góc nâng ren 𝛾𝛾 = 2.5𝑜𝑜 − Góc ma sát mặt ren 𝜌𝜌, = 6.28𝑜𝑜 − Hệ số ma sát chi tiết ghép đai ốc 𝑓𝑓 = 0.11 Kết đo Tiến hành thí nghiệm bulơng có đường kính danh nghĩa Số 𝒅𝒅 = 𝟏𝟏𝟏𝟏 (𝐦𝐦𝐦𝐦) lần Hệ số xiết đo Mômen xiết 𝑻𝑻𝒗𝒗 (𝐍𝐍𝐍𝐍) Lực xiết 𝑽𝑽 (𝐍𝐍) đo loadcell 3807 18 8102 13 28 0.175 6983 23 𝑲𝑲 = 𝑻𝑻𝒗𝒗 /(𝑽𝑽𝑽𝑽) 0.155 0.185 12355 TRUNG BÌNH 0.155 13323 0.175 0.169 Đồ thị phụ thuộc hệ số xiết vào mômen xiết Hệ số xiết 0.500 0.450 Hệ số xiết K 0.400 0.350 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 Momen xiết [Nm] Tính tốn hệ số xiết 𝐊𝐊 lý thuyết theo công thức (8) với hệ số ma sát tra bảng so sánh với kết đo 𝐾𝐾 = 𝑇𝑇𝑣𝑣 𝑑𝑑2 𝐷𝐷𝑡𝑡𝑡𝑡 = 0.5 × × � × 𝑓𝑓 + 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 (𝛾𝛾 + 𝜌𝜌, ) � 𝑉𝑉 × 𝑑𝑑 𝑑𝑑 𝑑𝑑2 = 0.5 × = 0.155 10.863 18.6 ×� × 0.11 + 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡(2.5𝑜𝑜 + 6.28𝑜𝑜 )� 12 10.863 So sánh với kết đo: δ= |0.169 − 0.155| × 100% = 8.28% 0.169 IV Nhận xét kết kết luận • Trên đồ thị ta thấy tăng momen xiết 𝑇𝑇𝑣𝑣 từ (N.m) lên 28 (N.m) hệ số xiết 𝐾𝐾 dao ng khong t 0.155 ữ 0.185 ã Giỏ tr 𝐾𝐾 thường nằm khoảng 0.086 ÷ 0.5 ⇒ 𝐾𝐾 = 0.185 nằm khoảng cho phép • Sai số lý thuyết thực tế 8.28% • Sai số lý thuyết thí nghiệm hệ số 𝐾𝐾 chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện lắp, điều kiện bơi trơn, vật liệu tính chất bề mặt ren, hệ số 𝐾𝐾 khó để xác định xác hệ số ma sát bề mặt đai ốc chi tiết ghép o Do phép tính 𝐾𝐾𝑙𝑙𝑙𝑙 , hệ số ma sát 𝑓𝑓, góc nâng ren vít 𝛾𝛾, góc ma sát mặt ren 𝜌𝜌′ chọn khoảng cho phép o Do sai số dụng cụ đo, người làm thí nghiệm chưa thật xác ⇒ Giá trị 𝐾𝐾𝑡𝑡𝑡𝑡 bị lệch 8.28% • Ý nghĩa: hệ số xiết 𝐾𝐾 cho thấy tổng hợp tất yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ mômen xiết lực xiết thực tế, bao gồm ma sát, xoắn, uốn, biến dạng đàn hồi ren nhiều yếu tố khác mà biết chưa biết V Câu hỏi ôn tập Vai trò vả tầm quan trọng việc xác định lực xiết môment xiết thực tế Thực tế, lực xiết bu lông lực hữu ích kết hợp với cánh tay đòn dụng cụ xiết tạo thành mô-men xoắn (mômen xiết bu lông) đủ lớn tác động lên đầu bu lông đai ốc nhằm tạo ứng suất căng ban đầu thân bu lông để đảm bảo mối liên kết bu lông kẹp chặt theo yêu cầu kỹ thuật Nếu việc xác định lực xiết bu lông đai ốc không chuẩn, lực chưa đủ dẫn đến tượng ốc bulong bị lỏng, từ khiến cho điểm tiếp nối hay gắn kết bị giảm chất lượng nhiều; xiết mức gây hỏng bu lơng mối ghép bu lơng Do cần phải siết lực, tiêu chuẩn cho loại bu lông Ý nghĩa hệ số xiết 𝑲𝑲 Hệ số xiết 𝐾𝐾 cho thấy tổng hợp tất yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ mômen xiết lực xiết thực tế, bao gồm ma sát, xoắn, uốn, biến dạng đàn hồi ren nhiều yếu tố khác mà biết chưa biết Nguyên lý hoạt động máy đo siêu âm Phép đo siêu âm tải trọng kẹp thu thơng qua giảm dự đốn vận tốc âm bên thân bu lông tải trọng kéo tăng lên Bằng cách đưa xung âm vào đầu bu lông đo xác thời gian cần thiết để tiếng vọng trở lại từ đầu đối diện, độ dài siêu âm xác định Khi đai ốc siết chặt, thay đổi chiều dài siêu âm sử dụng để tính tốn hiển thị lực kẹp thực tế tạo Nguyên lý hoạt động loadcell đo lực • Một điện áp kích thích cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) (4) cầu điện trở Wheatstone) điện áp tín hiệu đo hai góc khác • Tại trạng thái cân (trạng thái khơng tải), điện áp tín hiệu số không gần không bốn điện trở gắn phù hợp giá trị Đó lý cầu điện trở Wheatstone cịn gọi mạch cầu cân • Khi có tải trọng lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn nén), điều dẫn tới thay đổi chiều dài tiết diện sợi kim loại điện trở strain gauges dán thân loadcell dẫn đến thay đổi giá trị điện trở strain gauges Sự thay đổi dẫn tới thay đổi điện áp đầu • Sự thay đổi điện áp nhỏ, đo chuyển thành số sau qua khuếch đại thị cân điện tử (đầu cân) Hình mơ tả ngun lý làm việc loadcell So sánh hệ số xiết trường hợp mối ghép có khơng có bơi trơn, rút kết luận Vai trị việc bơi trơn mối ghép bulơng • Chất bơi trơn làm giảm lượng mômen xiết cần thiết để bulông xiết chặt, hệ số xiết 𝐾𝐾 giảm • Chất bơi trơn cung cấp khả chống mài mịn tốt hơn, cho phép bề mặt trượt trơn tru qua — đặc biệt quan trọng số vật liệu thép khơng gỉ, có xu hướng hàn nguội, gây tượng rỗ ren (Galling) • Chất bôi trơn giúp việc tháo lắp dễ dàng nhiều, đồng thời ngăn ngừa rỉ sét ăn mòn Mặc dù bơi trơn bulơng có ren có nhiều lợi ích, kèm với mối quan ngại lớn chất bôi trơn thay đổi mơmen xiết cần thiết để tạo lực xiết thích hợp bulơng, điều ảnh hưởng đến tính tồn vẹn mối ghép bulơng Một số ước tính việc bổ sung chất bơi trơn làm giảm tới 40% số mơmen xiết cần thiết! Kết luận: Mặc dù việc bôi trơn mối ghép bulong có đặc tính có lợi, nhiên đa số nhà máy khơng sử dụng, họ khơng khó xác định ảnh hưởng chất bôi trơn đến độ chặt bu lông Những ảnh hưởng bao gồm: loại chất bôi trơn, lượng chất bôi trơn, bôi trơn nào, bôi trơn đâu, độ nhiễm bẩn chất bôi trơn,… BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 04 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NGOẠI LỰC MỐI GHÉP BULƠNG I Mục tiêu thí nghiệm − Giúp cho sinh viên nắm rõ phương pháp xác định hệ số ngoại lực lý thuyết − Giúp sinh viên tính lực xiết trường hợp lực tác dụng theo phương − Giúp cho sinh viên tiếp cận với phương pháp, dụng cụ đo xác định lực xiết, xử lý kết thực nghiệm để xác định hệ số ngoại lực II Các quy tắc kỹ thuật an toàn Sinh viên tuân thủ u cầu an tồn phịng thí nghiệm III Báo cáo thí nghiệm Góc nghiêng 𝛼𝛼 = −10𝑜𝑜 Lực 𝐹𝐹 lớn nhất, 𝐹𝐹 = 4414.5 N Bước thay đổi lực ∆𝐹𝐹 = 1000 N 𝑙𝑙1 = 100 mm, ; 𝑙𝑙2 = 300 mm 𝑎𝑎 = 150 mm; 𝑏𝑏 = 300 mm; 𝑒𝑒 = 200 mm Tính hệ số ngoại lực lý thuyết Đo kích thước bu lông chi tiết ghép để xác định hệ số ngoại lực lý thuyết 𝜒𝜒 = 0,25 Tính lực xiết V Lực xiết để bề mặt khơng bị tách hở: 𝑉𝑉 = 𝑘𝑘𝑘𝑘 𝐹𝐹𝑉𝑉 𝑀𝑀 (1 − 𝜒𝜒) � + � 𝑧𝑧 𝐴𝐴 𝑊𝑊𝑢𝑢 Lực xiết để bề mặt khơng bị trượt: 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡ượ𝑡𝑡 = Trong đó: 𝑘𝑘𝐹𝐹𝐻𝐻 + (1 − 𝜒𝜒)𝑓𝑓𝐹𝐹𝑉𝑉 𝑓𝑓𝑓𝑓 𝐹𝐹𝑉𝑉 = 𝐹𝐹 × sin(−10𝑜𝑜 ) = 4414.5 × sin(−10𝑜𝑜 ) = −766.57 N 𝐹𝐹𝐻𝐻 = 𝐹𝐹 × 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(−10𝑜𝑜 ) = 4414.5 × 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(−10𝑜𝑜 ) = 4347.43 𝑁𝑁 𝑀𝑀 = −𝐹𝐹𝑉𝑉 𝑙𝑙1 + 𝐹𝐹𝐻𝐻 𝑙𝑙2 = 1.38 × 106 Nmm 𝑊𝑊𝑢𝑢 = 𝑎𝑎𝑏𝑏2 150 × 3002 = = 2.25 × 106 mm3 6 𝐴𝐴 = 150 × 300 = 45 × 103 mm2 𝜒𝜒 = 0.25: hệ số ngoại lực 𝑘𝑘 = 1.4: hệ số an toàn 𝑓𝑓 = 0.3: hệ số ma sát 𝑧𝑧 = 2: số bu lông Suy ra: 𝑉𝑉ℎở 1.4 × 45 × 103 −766.57 1.38 × 106 (1 − 0.25) � = + � = 14096.87 N 45 × 103 2.25 × 106 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡ượ𝑡𝑡 = 1.4 × 4347.43 + (1 − 0.25) × 0.3 × (−766.57) = 9856.54 N 0.3 × Lực xiết 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = max{𝑉𝑉ℎở , 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡ượ𝑡𝑡 } = 14096.87 N Kết đo xử lý Tải 𝐹𝐹𝑖𝑖 (N) STT 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 (N) 414.5 18485.1 2414.5 19289.4 1414.5 18880.7 3414.5 19711.2 4414.5 Tính tốn hệ số ngoại lực 20144.5 Tính giá trị: 𝐹𝐹𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝐹𝐹𝑖𝑖 sin 𝛼𝛼; 𝐹𝐹𝐻𝐻𝐻𝐻 = 𝐹𝐹𝑖𝑖 cos 𝛼𝛼 𝑀𝑀𝑖𝑖 = 𝐹𝐹𝐻𝐻𝐻𝐻 𝑙𝑙2 − 𝐹𝐹𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑙𝑙1 𝑉𝑉0 = 1.3𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 18325.93 N Với 𝑦𝑦1 = 𝑦𝑦2 = 𝑒𝑒/2 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡1 = 𝑉𝑉0 + 𝜒𝜒 � 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡2 = 𝑉𝑉0 + 𝜒𝜒 � 𝐹𝐹𝑉𝑉1 𝑀𝑀1 𝑦𝑦𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐹𝐹𝑉𝑉1 𝐹𝐹𝐻𝐻1 𝑙𝑙2 − 𝐹𝐹𝑉𝑉1 𝑙𝑙1 + � = 𝑉𝑉0 + 𝜒𝜒 � + � ∑𝑗𝑗=1 𝑦𝑦𝑗𝑗 𝑧𝑧 𝑒𝑒 𝐹𝐹𝑉𝑉2 𝑀𝑀2 𝑦𝑦𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐹𝐹𝑉𝑉2 𝐹𝐹𝐻𝐻2 𝑙𝑙2 − 𝐹𝐹𝑉𝑉2 𝑙𝑙1 + � = 𝑉𝑉 + 𝜒𝜒 � + � ∑𝑗𝑗=1 𝑦𝑦𝑗𝑗2 𝑧𝑧 𝑒𝑒 … 𝐹𝐹𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑀𝑀𝑖𝑖 𝑦𝑦𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐹𝐹𝑉𝑉𝑉𝑉 𝐹𝐹𝐻𝐻𝐻𝐻 𝑙𝑙2 − 𝐹𝐹𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑙𝑙1 + � = 𝑉𝑉0 + 𝜒𝜒 � + � ∑𝑗𝑗=1 𝑦𝑦𝑗𝑗 𝑧𝑧 𝑒𝑒 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑉𝑉0 + 𝜒𝜒 � Khi hệ số ngoại lực 𝜒𝜒 xác định theo công thức: 𝜒𝜒𝑖𝑖 = 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 − 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡1 𝐹𝐹 − 𝐹𝐹𝑉𝑉1 (𝐹𝐹𝐻𝐻𝐻𝐻 − 𝐹𝐹𝐻𝐻1 )𝑙𝑙2 − (𝐹𝐹𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝐹𝐹𝑉𝑉1 )𝑙𝑙1 � 𝑉𝑉𝑉𝑉 � + 𝑧𝑧 𝑒𝑒 Theo thí nghiệm: 𝑧𝑧 = 2; 𝑒𝑒 = 200 mm; 𝑙𝑙1 = 100 mm; 𝑙𝑙2 = 300 mm Hệ số ngoại lực trung bình qua N lần đo: 𝜒𝜒 = 𝜒𝜒1 + 𝜒𝜒2 + ⋯ + 𝜒𝜒𝑁𝑁−1 𝑁𝑁 − Bảng kết quả: (Giá trị lực lấy giá trị đại số) STT Lực 𝐹𝐹𝑖𝑖 , N 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 414.5 18485.1 2414.5 19289.4 1414.5 3414.5 4414.5 -71.98 408.20 0.260 18880.7 -245.63 1393.01 0.268 19711.2 -592.92 3362.63 0.286 20144.5 Hệ số ngoại lực trung bình: 𝜒𝜒 = Lực 𝐹𝐹𝑉𝑉𝑉𝑉 , N Lực 𝐹𝐹𝐻𝐻𝐻𝐻 , N Hệ số ngoại lực 𝜒𝜒 -419.27 -766.57 2377.82 4347.43 0.277 0.293 0.260 + 0.268 + 0.277 + 0.286 + 0.293 = 0.277 10 Biểu đồ đường cong phụ thuộc 𝜒𝜒 vào 𝐹𝐹 0.320 Hệ số ngoại lực 𝜒𝜒 0.300 0.280 0.260 0.240 0.220 0.200 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Lực 𝐹𝐹𝑖𝑖 III Nhận xét kết kết luận Dựa vào biểu đồ đường cong phụ thuộc 𝜒𝜒 vào lực 𝐹𝐹, ta thấy 𝐹𝐹 tăng dần 𝜒𝜒 tăng dần theo, tức 𝐹𝐹 lớn, phần trăm lực 𝐹𝐹 tác dụng trực tiếp vào bulông lớn Đối với ngoại lực lớn, bề dày ghép 𝛿𝛿1 𝛿𝛿2 cần phải lớn để đảm bảo an tồn, tổng bề dày 𝛿𝛿1 + 𝛿𝛿2 tăng lên, điều khiến 𝜆𝜆𝑚𝑚 tăng, từ hệ số ngoại lực 𝜒𝜒 tăng theo IV Câu hỏi ôn tập Vai trò tầm quan trọng việc xác định lực xiết mômen xiết thực tế Lực xiết bu lơng đai ốc có vai trò quan trọng xem yếu tố tất yếu định tới chất lượng hiệu công việc Nếu việc xác định lực xiết bu lông đai ốc không chuẩn, lực chưa đủ dẫn đến tượng ốc bulong bị lỏng Từ khiến cho điểm tiếp nối hay gắn kết bị giảm chất lượng nhiều Trong nhiều trường hợp việc xiết lỏng bulông dẫn đến nhiều hậu đáng tiếc mối ghép tách Hoặc xiết chặt làm biến dạng bề mặt ghép, ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối ghép Ý nghĩa hệ số ngoại lực 𝜒𝜒 xác định hệ số lý thuyết 11 Từ hệ số ngoại lực ngoại lực tác dụng vào mối ghép bulơng, ta xác định lực mà ngoại lực tác dụng vào bulơng tác dụng làm giảm biến dạng nén ghép Từ kiểm tra bền bulơng, chọn vật liệu có độ bền phù hợp 12