a. Lựa chọn cảm biến nhiệt.
Để đảm bảo thiết bị hoạt động đúng nhiệt độ theo yêu cầu ta cần gắn cảm biến nhiệt vào tấm ép để kiểm soát được nhiệt độ làm việc của điện trở.
Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Điều
đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác. Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến.
Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: Độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành.
Ta có sơđồ nguyên lý cấu tạo của cảm biến nhiệt như hình 2.5 4 - + 1 2 3 1. Đầu cảm biến 2. Bộ cảm biến 3. Núm chỉnh nhiệt độ 4. Tiếp điểm Hình 2.5. Sơđồ nguyên lý cảm biến nhiệt.
Sau khi phân tích ta lựa chọn cảm biến nhiệt Rainbow do Trung Quốc sản suất với dải nhiệt độ từ 30 – 1200C với 3 tiếp điểm (hình 2.6).
Hình 2.6. Cảm biến nhiệt.
Ta chọn loại này bởi vì nó có đầu cảm biến nhỏ, dài có thểđưa vào xâu trong tấm ép đảm bảo đo được nhiệt độ chính xác, có dải công suất thích hợp với yêu cầu của thiết bị và giá thành tương đối hợp lý.
b. Lựa chọn vật liệu cách nhiệt.
Vật liệu cách nhiệt là những vật liệu có hệ số dẫn nhiệt không lớn hơn 0.157 W/m.oC. Ngày nay có nhiều loại vật liệu chuyên cách nhiệt, tuy nhiên do giới hạn về
sẵn có ở phòng thực hành để làm tấm cách nhiệt cho thiết bị. Tại vì sợi thủy tinh có nhiều đặc tính tốt như không đàn hồi hay dãn rộng ra, bền vững không cháy, không mục nát và dẫn điện kém phù hợp với yêu cầu thiết bị. Trên thực tế thì người ta cũng sử dụng sợi thủy tinh để cách nhiệt cho tường vách, ống khói, lò hơi, tủ cách nhiệt,…; Cách âm cho nhà ở, văn phòng, cabin tàu thuyền, nhà hát,…; Cách điện cho dây điện, cáp điện, các thiết bị tải dòng khác,…ở các dạng sợi, chỉ, băng, vải, dây tếthoặc vải có hoặc không được tẩm nhựa tự nhiên, chất dẻo hay nhựa đường.
Hình 2.7 Tấm composte sợi thủy tinh.
2.2.4. Tính chọn thiết bị nén tạo áp lực.
Do yêu cầu và đặc điểm của thiết bị là nhỏ gọn, mang tính thủ công cũng như
kinh phí hạn chế nên ta chọn thiết bị nén bằng trục vít, thông qua một lò xo để điều chỉnh lực phù hợp theo yêu cầu. Đây là phương pháp nén thủ công truyền thống, lợi về lực, tạo ra được áp lực cao, giá thành rẻ, tuổi thọ cao, vận hành và bảo trì dễ
dàng.
2.2.4.1. Các thông số hình học của lo xo xoắn ốc chịu nén.
Lò xo là chi tiết máy có độđàn hồi cao, khối lượng và kích thước nhỏ gọn. Trong các thiết bị và dụng cụ, lò xo được sử dụng để:
+ Tạo lực ép (trong bộ truyền bánh ma sát, khớp nối, máy ép, phanh,…).
+ Tích lũy cơ năng và làm việc như một động cơ (dây cót đồng hồ, đồ chơi trẻ
em,…).
+ Giảm chấn và dao động (lo xo trong các máy vận chuyển, ôtô, tàu hỏa,...). + Thực hiện các chuyển vị về vị trí cũ (lò xo ở cam, van, ly hợp,...).
+ Đo lực (trong lực kế và khí cụđo, cân,…).
Lò xo soắn ốc có đường kính dây và bước lò xo không đổi. Lò xo soắn ốc thường
được cuộn từ dây thép tiết diện tròn hoặc chữ nhật. Dây thép có tiết diện tròn giá rẻ
hơn và chịu xoắn tốt hơn dây thép tiết diện chữ nhật. Các thông số cơ bản của lò xo bao gồm:
+ Đường kính dây d hoặc kích thước tiết diện dây + Đường kính trung bình D
+ Đường kính ngoài D + d + Đường kính trong D – d + Chỉ số của lò xo c = D/d + Số vòng làm việc của lò xo n
+ Bước của lò xo p là khoảng cách đo theo phương song song trục theo tâm của hai dây kế tiếp nhau.
+ Góc nâng vòng xoắn ốc , trong thực tế góc nhỏ hơn 8 120. + Chiều cao (dài) của lò xo H.
+ F là tải trọng giới hạn gây nên ứng suất trong lò xo gần bằng giới hạn đàn hồi. H p d D F Hình 2.8. Các thông số hình học của lò xo.
Đối với lò xo chịu nén các vòng được cuộn hở (giữa các vòng có khe hở) trừ các vòng ở hai đầu mút được cuộn sít với vòng bên cạnh để đảm bảo tải trọng tác dụng chính tâm lò xo.
Khe hở giữa các vòng g = p – d lớn hơn 10 - 20% so với biến dạng lớn nhất của mỗi vòng lò xo , nếu không các vòng lò xo có thể bị sít nhau khi làm việc làm thay đổi độ cứng của lò xo.
2.2.4.2. Lựa chọn và tính toán lò xo nén.
Do yêu cầu khối lượng và kích thước của lò xo nhỏ gọn nên vật liệu chế tạo lò xo phải có độ bền cao. Đồng thời vật liệu chế tạo lò xo phải có hệ số mất mát thấp, tính
đàn hồi cao và không thay đổi trong một thời gian dài.
Trong thực tế, người ta sử dụng thép có thành phần carbon cao, thép không gỉ
cán nguội, hóa cứng, hợp kim màu và một vài vật liệu không kim loại như lớp sợi thủy tinh để chế tạo. Lò xo có đường kính dây nhỏ hơn 8 10mm được chế tạo bằng phương pháp quấn nguội, trước khi quấn được nhiệt luyện và sau khi quấn được ram. Lò xo có đường kính lớn hơn được quấn nóng sau đó tôi. Dây lò xo có đường kính nhỏ
hơn 8mm có ba cấp độ bền: Độ bền thường III, độ bền nâng cao II và độ bền cao I. Bảng 2.6. Cơ tính vật liệu lò xo là thép carbon phụ thuộc đường kính dây d,(d 8mm).
d (mm) Độ bền kéo (MPa) III II I 0,3 1750 - 2250 2250 - 2700 2700 - 3100 1 1650 - 2100 2050 - 2500 2500 - 2850 1,5 1450 - 1850 1850 - 2200 2200 - 2500 2 1400 - 1800 1800 - 2100 2000 - 2300 3 1300 - 1650 1650 - 1950 1700 - 1950 4 1150 - 1500 1500 - 1750 1600 - 1850 5 1100 - 1400 1400 - 1650 1500 - 1750 8 1000 - 1250 1250 - 1450 …
Các giá trị trung bình cơ tính của một số vật liệu dùng để chế tạo lò xo được cho ở bảng 2.7.
Bảng 2.7. Cơ tính của các loại thép lò xo.
Nhóm thép Kéo, nén (MPa) Xoắn (MPa)
Thép carbon trung bình 1500-1600 1000-1200 850-1100 600-800 450-800 300-400 Thép nhiều carbon 1450-1700 950-1350 1100-1400 600-900 400-850 350-400 Thép silic- mangan 1600-1700 1400-1500 1350 950-1000 950-1000 … Thép silic - vanadi 1400-1500 950-1050 1200-1250 900 400-450 …
Dựa vào bảng 2.7 ta chọn mua lò xo chịu nén bằng vật liệu thép carbon trung bình với ứng suất xoắn cho phép là 600- 800 MPa cho thiết bị có lực nén là 7 bar.
Xác định chỉ số của lò xo c = D/d, dựa trên đường kính dây d theo bảng 2.8. Bảng 2.8. Chỉ số lò xo
d (mm) 2,5 3.5 6-12
c 5-12 4-10 4-9
Dựa vào yêu cầu của thiết bị nên ta chọn đường kính lò xo nằm trong khoảng 6 – 12mm và chọn c = 9 từđó ta có đường kính của dây lò xo là:
Trong đó:
+ k hệ số an toàn.Chọn k = 1,5
+ ứng suất xoắn cho phép, phụ thuộc vào vật liệu và tính chất của tải trọng:
- Nếu tải trọng thay đổi, hỏng hóc của lò xo không gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến máy
- Nếu trọng tĩnh với là giới hạn bền được xác định theo bảng 2.7 ta có
F lực tác dụng lên lo xo, áp suất tác dụng lên mẫu là 7 bar với kích thước mẫu theo nồi hấp tiêu chuẩn là 250x200x2 mm và mẫu chế tạo là 180x100x2 mm. Ta có:
Áp suất tác dụng lên mẫu chế tạo: Lực tác dụng lên tấm mẫu thử: Trong đó: + S diện tích bề mặt tấm mẫu chế tạo. + áp suất của mẫu chế tạo. + áp suất của mẫu chế tạo bằng nồi hấp. + thể tích của mẫu chế tạo. + thể tích của mẫu chế tạo bằng nồi hấp. Đường kính trung bình của lò xo là:
Dựa vào loại lò xo nén trên thị trường ta chọn lò xo như hình 2.9 với chiều dài tự
nhiên H = 70mm, đường kính ngoài bằng 64mm, đường kính trong bằng 50mm, bước của lò xo bằng 13,6mm và số vòng làm việc là 5 vòng.
Hình 2.9. Lò xo.
Dựa vào các thông số của lò xo đã chọn ta tính chuyển vị đàn hồi dọc trục của lò xo theo phương pháp Castigliano bằng công thức:
Trong đó: + G là môdun đàn hồi trượt, với lò xo bằng thép G =8.104MPa.
+ là độ mềm của một vòng lò xo, tức là chuyển vị của một vòng lò xo dưới tác dụng của lực bằng một đơn vị. Như vậy chuyển vị của lò xo tỉ lệ với số vòng lò xo n và lực tác dụng lên lò xo F. Tổng khe hở giữa các vòng của lò xo: .
Sau khi tính chọn, lò xo được kiểm nghiệm lại tại Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy và được kết luận đảm bảo cung cấp đủ lực nén cho thiết bị (kết quả được đính kèm ở phần phụ lục).
2.2.4.3. Tính chọn trục vít đai ốc để tạo lực nén.
Do yêu cầu của thiết bị cần thiết kế là chịu lực dọc trục với lực ép lớn để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt và độ bền cao nên ta chọn bộ truyền vít me đai ốc.
Bộ truyền vít me - đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp của cặp ren (giữa ren trong trên đai ốc với ren ngoài trên vít me) để biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến.
Các ưu điểm chính: Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn và dễ chế tạo. Khả năng tải lớn,
độ tin cậy cao, làm việc êm và không ồn. Lợi nhiều vẻ lực, có thể chuyển động chậm với độ chính xác cao.
Bộ truyền có tỷ số truyền cao và có thể tự hãm, do đó bộ truyền sử dụng để
trụyền tải trọng: Trong con đội tay, máy nâng với hệ thống truyền động cơ điện, máy ép vít, trong các cơ cấu điều khiển, bàn dao, bàn máy, trong các cơ cấu truyền động cho người máy, máy điều khiển số,... hoặc sử dụng để truyền chuyển động trong các cơ cấu hiệu chỉnh của dụng cụđo.
Vật liệu chế tạo trục vít đai ốc: Để giảm mất mát công suất do ma sát trong cặp ren vít thì vít được chế tạo từ thép C45, hoặc A45 và A50 (thường hóa hoặc tôi cải thiện) và thép carbon 10, thép hợp kim 65Mn, 40Cr, 40CrMn (tôi thể tích hoặc bề
mặt), thép 38Cr2MoAI, 18CrMnTi và 40CrV (thấm nitơ).
Đai ốc chế tạo từ đồng thau La Zn23Al6FeMn2, La Zn38Mn2, đồng thanh Br AI9Fe3, Br AI10Fe3Mn2, Br AI10Fe3Mn2 hoặc từ gang chống mòn. Áp suất cho phép của một số vật liệu được cho trong bảng 2.9.
Bảng 2.9. Giá trị áp suất cho phép.
Vật liệu cặp ren vít Ứng suất (MPa)
Thép tôi - đồng thanh 12-13
Thép không tôi - đồng thanh 8-10
Thép tôi - gang chống ma sát 7-9
Thép không tôi - gang chống ma sát 6-7
Thép không tôi - gang GX18 GX21 5
Dựa vào bảng 2.9 ta chọn thép không tôi - gang chống ma sát với ứng suất cho phép 7 MPa.
Các thông số hình học chủ yếu của trục vít bao gồm: + Đường kính ngoài d
+ Đường kính trong d1
+ Đường kính trung bình d2
+ Chiều cao biên dạng h + Bước ren ps
Ta có công thức xác định đường kính trung bình của trục vít như sau:
Trong đó: + giá trị hệ sốđai ốc và ren và được cho trong bảng 2.10 Bảng 2.10. Giá trị hệ sốđai ốc và ren.
Đai Ren
Đai ốc nguyên 1,2 – 2,5 Ren hình thang 0,5
Đai ốc rời hoặc hai nữa
2,5 – 3,5 Ren hình răng cưa 0,75
Ren tam giác 0,541
Do trục vít chủ yếu chịu lực dọc trục do nén nên ta chọn kiểu ren hình thang, và
đai ốc vít tải liền khối nên ta chọn hệ số và lần lượt là 2 và 0,5. + là áp suất cho phép được cho trong bảng 2.9.
Ta có đường kính trung bình của trục vít = 18,56 mm từ đó ta tính được các kích thước chính của trục vít:
Chiều cao biên dạng: = 0,1.18,56 =1,856 mm
Đường kính ngoài: d = d2 + h = 18,56 +1,856 =20,4mm
Đường kính trong: = 18,56 – 1,856 =16,7 mm
Bước ren: ps = 2h = 2.1,856 = 3,71 mm. Dựa vào các thông sốđã tính ta lựa chọn trục vít và đai ốc bán sẵn trên thị trường
như hình 2.10 với các thông số:
Đường kính ngoài : d = 24 mm
Đường kính trong: mm Bước ren: ps = 4 mm
Hình 2.10. Trục vít - đai ốc.
Từ các số liệu đã tính chọn trên ta tiến hành xây dựng bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh với đầy đủ các thông số kích thước và yêu cầu kỹ thuật để tiến hành gia công chế tạo thiết bị.
CHƯƠNG III. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ VÀ MẪU THỬ
3.1. CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ. 3.1.1. Công tác chuẩn bị.
3.1.1.1. Chuẩn bị nguyên vật liệu.
Muốn chế tạo một thiết bị đạt yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế, ta phải xác
định được kích thước của phôi và chọn loại phôi thích hợp. Kích thước của phôi được tính toán theo lượng dư gia công, còn chọn loại phôi phù hợp thì phải dựa vào yêu cầu thiết kế. Việc lựa chọn phôi hợp lý sẽđảm bảo tốt những tính năng kỹ thuật, năng suất và giá thành của sản phẩm. Vật liệu cần phải chuẩn bị để chế tạo thiết bị là thép tấm với các chiều dày đã chọn ở chương II, phôi tiện cốt.
Các thiết bị được tính chọn sẵn ở chương II để lắp ráp như lò xo, tấm điện trở, trục vít - đai ốc và cảm biến nhiệt, tấm cách nhiệt.
Ngoài ra còn chuẩn bị các máy móc và thiết bị khác để tiến hành gia công như
máy cắt, máy hàn, máy mài, dây điện, băng keo cách điện, bút thử điện, phích cắm,….
3.1.1.2. Chuẩn bị bản vẽ.
Bản vẽ bố trí chung của thiết bị và sơđồ nối dây của thiết bị.
Bản vẽ lắp chung toàn thiết bị hay bộ phận với đầy đủ yêu cầu kỹ thuật của thiết bị chế tạo.
Bản vẽ thống kê chi tiết lắp ráp của bộ phận hay thiết bị với đầy đủ số lượng, quy cách, chủng loại của chúng (hình 3.1).
7 6 5 3 10 11 13 70 21 2 30 190 248 26 20 10 30 57 26 40 10 30 30 136 2 1 8 9 12 12 40 10 4 14 15
1. Chân đế 2. Tấm vỏđáy 3,4. Tấm khuôn dưới, trên 5. Tấm cách nhiệt 6. Tấm điện trở 7. Lò xo 8. Tấm vỏ hông 9. Tấm vỏ trên 10. Trục vít 11. Đai ốc 12. Tấm cách nhiệt 13. Tay quay 14. Đầu điện trở 15. Tấm mẫu chế tạo
Hình 3.1. Các chi tiết của thiết bị chế tạo.
3.1.2. Quy trình chế tạo, lắp đặt thiết bị. 3.1.2.1. Quy trình chế tạo cốt và tấm ép.
Cốt là chi tiết gắn với lò xo và trục vít đểđảm bảo khi trục vít quay mà lò xo vẫn
đứng yên.
+ Chế tạo ổ trục: Sau khi chuẩn bị phôi ta tiến hành xác định tâm và đường kính cần tiện của phôi và gá đặt phôi trên mâm tiện sao cho mũi dao trùng với tâm chi tiết gia công và đảm bảo đường kính của lỗ tiện. Ta tiến hành đưa dao vào tiện cho đến khi thông suốt lỗ trục và làm mát vị trí tiếp xúc giữa dao tiện và phôi. Sau đó tiến hành khoan lỗđể gắn vít giữ trục và tạo ren cho lỗ như hình 3.2.