Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY KÉO NÉN VẠN NĂNG CẤP TẢI 300kN DESIGN, MANUFACTURE UNIVERSAL TESTING MACHINE WITH LOAD 300 kN TS Nguyễn Văn Hưng, TS Lương Hồng Sâm Đại học Trần Đại Nghĩa, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam hungvhp@gmail.com,lhsam@vnn.vn TÓM TẮT Máy thí nghiệm kéo nén vạn cấp tải từ 100 kN trở lên chế tạo nước Tuy nhiên để đạt độ xác cao thỏa mãn số tiêu chuẩn thí nghiệm nước quốc tế thách thức Bài báo giới thiệu máy kéo nén vạn cấp tải 300kN có độ xác cấp với chức kéo nén, uốn, cắt, xác định modul đàn hồi theo tiêu chuẩn TCVN ASTM chế tạo thành công, đáp ứng nhu cầu cấp thiết cho việc học tập, nghiên cứu khoa học sản xuất số trường đại học, trung tâm kiểm định nhà máy Từ khóa: máy thí nghiệm vạn năng, tiêu chuẩn ASTM E8 ABSTRACT Universal testing machine with load of 100kN were manufactured inland However, to achieve high precision and satisfy inland and intenational standards is a challenge This paper presents the testing machine load of 300 kN level accuracy with stretching, compressing, bending, cutting test functions and E elastic modulus determination according to TCVN and ASTM standard that we are designing, manufacturing to meet urgent needs learning, scientific research, production in several universities, testing centers and manufacturing plants Keywords: testing machine, ASTM E8 standard GIỚI THIỆU CHUNG Máy thí nghiệm kéo nén vạn công cụ cần thiết phòng thí nghiệm học, trung tâm kiểm định, trường đại học, nhà máy sản xuất Nó cho phép thực loại thí nghiệm kéo, nén, uốn, cắt để xác định thông số học vật liệu thép, bê tông, gỗ, chất dẻo hay cấu kiện cần thí nghiệm áp dụng lĩnh vực xây dựng khí chế tạo Do máy thí nghiệm vạn thiết bị chuyên dùng nên yêu cầu độ xác cao, ổn định sử dụng, khả thực thí nghiệm đa dạng nhiều loại vật liệu khác Việc chế tạo máy thí nghiệm loại yêu cầu cao gia công khí, thiết kế lắp ráp mạch xử lý tín hiệu đo điều khiển Bên cạnh yêu cầu người thiết kế phải có kiến thức xử lý số liệu thí nghiệm am hiểu tiêu chuẩn thí nghiệm có liên quan Tại Việt Nam, phần lớn máy thí nghiệm nhập từ nước ngoài, số nhỏ chế tạo nước Các dòng máy chất lượng cao nhập từ Mĩ châu Âu thường có giá cao Các máy nhập từ Trung quốc thường có chất lượng thấp, làm việc không ổn định Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu khoa học thí nghiệm vật liệu, tiến hành nghiên cứu chế tạo thành công máy thí nghiệm vạn điều khiển servo cấp tải 300 kN gia tải thủy lực với hệ đo lường điều khiển, xử lý số liệu thí nghiệm có trợ giúp máy tính phần mềm chuyên dụng Máy thỏa mãn tiêu chuẩn thí nghiệm TCVN tiêu chuẩn ASTM thí nghiệm kéo, nén, uốn cắt xác định modul đàn hồi vật liệu Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV CHẾ TẠO KHUNG MÁY CHÍNH 2.1 Nguyên lý tạo lực khung máy Khung máy thiết kế dựa nguyên lý tạo lực kép(5) để tạo lực kéo nén Mẫu thử đặt hai khoảng không vị trí tay đòn Khoảng không điều chỉnh thông qua trục vít me (hình 1) Chuyển động bàn gia tải điều khiển xác hệ thống van servo thủy lực để tiến hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM TCVN lựa chọn Hệ thống đo lường điều khiển điều khiển toàn trình thí nghiệm máy, tính toán kết thí nghiệm xuất kết thí nghiệm tiếng Anh tiếng Việt Các thành phần khung máy chế tạo bao gồm: đế máy, bàn gia tải, trục vít, trục trơn, tay đòn trên, tay đòn dưới; đồ gá phục vụ cho thí nghiệm bao gồm: má kẹp mẫu tròn, má kẹp mẫu dẹp; đồ gá cho thí nghiệm nén kim loại; đồ gá cho thí nghiệm cắt kim loại; đồ gá cho thí nghiệm uốn kim loại; đồ gá cho thí nghiệm uốn bê tông điểm Hình 1: Cấu tạo khung chịu lực máy thí nghiệm kéo nén cấp tải 300 kN 1,2 Tay đòn; 3-Trục vít-me; 4-Trụ trơn; 5- Mẫu thử; 6-Bàn gia tải; 7- Xi lanh thủy lực; 8- Đế máy 2.2 Xác định biến dạng ứng suất hệ chịu lực máy kéo nén vạn Việc xác định ứng suất, biến dạng chi tiết chịu lực máy đặc biệt quan trọng trình thiết kế, chế tạo nâng cao độ xác cho máy thí nghiệm Trong nghiên cứu này, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm Ansys Workbench để giải toán Nội dung xác định biến dạng ứng suất hệ chịu lực máy: Xây dựng mô hình hình học cho chi tiết thuộc khung máy kéo nén, chọn vật liệu, chia lưới, xây dựng mô hình chịu lực cho chi tiết điều kiện biên Do khuôn khổ báo nên đưa kết tính toán trạng thái ứng suất biến dạng số chi tiết số trường hợp cụ thể: (b) (a) Hình 2: Biến dạng (a) ứng suất (b) hệ thống tay đòn Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV (b) (a) Hình 3: Biến dạng (a) ứng suất (b) trụ trơn (b) (d) (a) (c) (e) Hình 4: Máy sau chế tạo (a) đồ gá cho thí nghiệm kéo (b), nén (c), cắt (d), uốn (e) XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY KÉO NÉN Hệ thống điều khiển máy kéo nén có vai trò đặc biệt quan trọng việc thực thí nghiệm nâng cao độ xác thí nghiệm Để đảm bảo độ xác cho máy thí nghiệm kéo nén cấp 1, làm việc ổn định chế tạo Việt Nam thiết bị đo lường, điều khiển máy chọn cho có độ xác cao, mua chế tạo Việt Nam Trên sở đó, đề tài chọn mua cảm biến lực load Cell 363YH hãng ANYLOAD Canada, cảm biến đo chuyển vị dạng trượt Novotechnik-Đức, cảm biến đo biến dạng cục thân mẫu dạng strain gauge based hãng SATEC-Mỹ, hệ thống thu thập tín hiệu cảm biến điều khiển hệ thống sử dụng Card National Instruments PCI-6221-Mỹ, van servo sử dụng thuộc hãng Moog model 761-Đức Với thiết bị đo lường điều khiển đó, đề tài tiến hành thiết kế, chế tạo khếch đại tín hiệu cho kênh đo xây dựng giải thuật điều khiển PID cho máy thí nghiệm kéo nén XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO MÁY KÉO NÉN Phần mềm máy kéo nén bao gồm: - Chương trình PNX-MTS: điều khiển thiết bị, thu thập số liệu, lập báo cáo Các chức bao gồm:  Cài đặt thông số phần cứng  Hiệu chỉnh (Calibration) máy bao gồm: lực, chuyển vị, biến dạng  Kéo kim loại theo tiêu chuẩn ASTM E8, TCVN 1997-2002.(1)  Nén kim loại theo tiêu chuẩn ASTM E9-09.(1)  Uốn kim loại theo tiêu chuẩn TCVN 198-2008.(6) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV  Uốn bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C78-02.(3)  Cắt kim loại theo tiêu chuẩn ASTM F606-10.(4)  Xác định môđun đàn hồi E theo tiêu chuẩn ASTM E111- 04.(2) - Chương trình PNX-Report Creator - Dùng để lập báo cáo, chạy nhiều máy tính khác - Chương trình PNX-Data converter - Dùng để chuyển đổi file liệu Giao diện phần mềm bao gồm: - Menu công cụ: Thể chức phần mềm - Hiển thị giá trị kênh đo: Hiển thị giá trị kênh đo suốt trình thí nghiệm Mỗi kênh đo hiển thị giá trị cảm biến tương ứng bao gồm hai kênh thông thường kênh cảm biến lực kênh cảm biến chuyển vị Kênh thứ ba kênh mở rộng hiển thị giá trị Extensometer gắn trực tiếp mẫu để đo biến dạng cục mẫu đo môđun đàn hồi vật liệu - Vùng đồ thị:Đồ thị biểu diễn quan hệ Lực - Chuyển vị, Ứng suất - Biến dạng - Vùng hiển thị thông số trạng thái trình thí nghiệm: Vùng thể thông số trạng thái suốt trình thí nghiệm - Vùng hiển thị kết quả: Hiển thị kết sau thí nghiệm Menu Thanh công cụ Đồ thị Giá trị kênh đo Thanh trạng thái Hiển thị thông số trạng thái trình thí nghiệm Hiển thị kết Các nút hiển thị kết Các nút truy xuất Hình 5: Giao diện phần mềm Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV CÁC THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG 5.1 Kiểm chứng lực gia tải Việc kiểm chứng, hiệu chuẩn lực gia tải bắt buộc máy thí nghiệm kéo nén Việc kiểm chứng hiệu chuẩn lực gia tải thực Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng - Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng - Quality Assurance & Testing center ( Quatest 3) Sau kiểm chứng hiệu chuẩn, tổ chức cấp giấy chứng nhận số KT3-1480CO4 ngày 03/07/2014 tem chứng nhận chất lượng số KT31480CO4 ngày 24/06/2014 Sai lệch tương đối nhỏ 1%, giá trị sai lệch nằm khoảng 0,1%-0,7% 5.2 Thí nghiệm kiểm chứng độ xác kéo Tiến hành thí nghiệm kéo loại mẫu kim loại theo tiêu chuẩn máy Nhật máy thí nghiệm Kết cho thấy sai khác kết máy tiêu chuẩn máy thí nghiệm khoảng 1% Kết chứng tỏ máy thí nghiệm có độ xác đạt mục tiêu đặt Để đánh giá độ xác lặp lại thí nghiệm kéo, tiến hành thí nghiệm kéo mẫu chuẩn Kết cho thấy lần kéo, kết thí nghiệm sai khác nhỏ (hình 6a) Điều cho thấy máy có độ xác lặp cao, thỏa mãn yêu cầu mục tiêu nghiên cứu 5.3 Thí nghiệm kiểm chứng độ xác nén Tiến hành nén mẫu kim loại máy Nhật máy Việt Nam với loại mẫu nén tiêu chuẩn nén để đối chứng kết Kết thí nghiệm sai khác nhỏ 1% Để đánh giá độ xác lặp nén, tiến hành nén mẫu kim loại loại, tiêu chuẩn nén Kết lần nén sai lệch phạm vi cho phép (hình 6b), điều chứng tỏ máy làm việc ổn định, đạt độ xác lặp theo yêu cầu đặt (a) (b) Hình 6: Biểu đồ kéo (a), nén (b) mẫu để kiểm chứng độ xác lặp kéo, nén 5.4 Thí nghiệm kiểm chứng độ xác cắt Tiến hành cắt mẫu kim loại máy Nhật máy Việt Nam Kết thí nghiệm sai khác nhỏ 1% Để kiểm chứng độ xác lặp cắt, tiến hành cắt mẫu kim loại kích thước, vật liệu tiêu chuẩn Kết lần thí nghiệm (hình 7a) sai lệch phạm vi cho phép, điều chứng tỏ máy làm việc ổn định, đạt độ xác lặp cắt theo yêu cầu đặt 5.5 Thí nghiệm kiểm chứng độ xác lặp uốn kim loại Tiến hành uốn mẫu kim loại loại tiêu chuẩn để kiểm tra độ xác lặp uốn vật liệu (hình 7b) Kết lần uốn sai lệch phạm vi cho phép, điều chứng tỏ máy làm việc ổn định, đạt độ xác lặp uốn theo yêu cầu đặt Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV (b) (a) Hình 7: Biểu đồ cắt (a), uốn (b) mẫu để kiểm chứng độ xác lặp cắt, uốn KẾT LUẬN Máy thí nghiệm vạn điều khiển servo tải trọng 300 kN nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm thành công Kết đạt yêu cầu, tiêu đề So sánh mặt kỹ thuật sản phẩm đề tài hoàn toàn thay loại máy có chất lượng tính trung bình nhập Về mặt giá thành, sản phẩm có giá nửa so với máy chất lượng cao SANS Trung Quốc, cao 10~20% so với máy có tính trung bình Trung Quốc (WEB-100) Nếu đầu tư sản xuất hàng loạt giá thành giảm nhiều Tuy nhiên cần nghiên cứu hoàn thiện thêm hệ thống thủy lực cho hệ thống xi lanh gia tải hệ thống kẹp mẫu Cũng cần nghiên cứu thử nghiệm với nhiều mẫu để đánh giá độ xác, độ ổn định máy theo thời gian TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] An American Notional Standard.,Standard test method for Tension Testing of Metallic materials., Edition approved April 1, 2004, published may 2004 [2] An American Notional Standard., Standard test Method for Young’s Modulus, Tangent Modulus and Chord Modulus., Edition approved June 1, 2004 Published July 2004 [3] An American Notional Standard., Standard Test Method for flexural Strength of Coucrete (Using simlle beam with Third-point Loading)., Edition approved Jan 10, 2002, Published March 2002 [4] An American Notional Standard., Standard Test Methods for Determining the Mechanical Properties of Externally and Internally Threaded Fasteners, Washers, Direct Tension Indicators, and Rivets., ASTM International, West Conshohocken, PA, 2010, www.astm.org [5] Hou, Yueqian., Modeling and simulation of the PWS- 100 dynamic and static universal test machine with electro-hydraulic servo controlled., Jounrnal of Vibration, Measurement and Diagnosis, 2004 [6] Tiêu chuẩn TCVN 198-2008., Mã QT-KL-01- Thử uốn Kim loại THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ TS Nguyễn Văn Hưng, Đại học Trần Đại nghĩa, Email: hungvhp@gmail.com,ĐT: 0908898138 TS Lương Hồng Sâm, Đại học Trần Đại nghĩa, Email: lhsam@vnn.vn, ĐT: 0905500787 ... công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV CHẾ TẠO KHUNG MÁY CHÍNH 2.1 Nguyên lý tạo lực khung máy Khung máy thiết kế dựa nguyên lý tạo lực kép(5) để tạo lực kéo nén Mẫu thử đặt hai khoảng không vị... (d) (a) (c) (e) Hình 4: Máy sau chế tạo (a) đồ gá cho thí nghiệm kéo (b), nén (c), cắt (d), uốn (e) XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY KÉO NÉN Hệ thống điều khiển máy kéo nén có vai trò đặc biệt... gia tải; 7- Xi lanh thủy lực; 8- Đế máy 2.2 Xác định biến dạng ứng suất hệ chịu lực máy kéo nén vạn Việc xác định ứng suất, biến dạng chi tiết chịu lực máy đặc biệt quan trọng trình thiết kế, chế