Đồ Án Tốt Nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên : Đỗ Hữu Tình MSSV : 20110695 Lớp : kĩ thuật điện tử Bộ môn : Công nghệ chế tạo máy Viện : Cơ khí Nghành : Cơ điện tử Giảng viên hƣớng dẫn: Ts Nguyễn Kiên Trung Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHÒNG MÁY ĐO MA SÁT POINT ON DISK DÙNG CẢM BIẾN LOADCELL Nội dung thuyết minh tính toán: Chƣơng Tổng quan ma sát đại lƣợng liên quan Chƣơng Tính toán thiết kế khí máy đo ma sát pin-on-disk Chƣơng Cảm biến loadcell ứng dụng Matlab xây dựng giao diện tính toán ma sát Chƣơng Lựa chọn động phƣơng pháp điều khiển động Chƣơng Ứng dụng phần mềm ANSYS vào mô ứng suất máy hoạt động Chƣơng Kết luận, hạn chế đề tài hƣớng phát triển Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: TRƢỞNG BỘ MÔN (Ký ghi rõ họ tên) Đỗ Hữu Tình - 20110695 Ngày…tháng… năm 2016 Ngày… tháng năm 2016 Hà Nội, ngày…tháng… năm 2016 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) Page Đồ Án Tốt Nghiệp BỘ GIAO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN Ngƣời nhận xét: Ts NGUYỄN TRUNG KIÊN Đơn vị công tác: BM Công nghệ chế tạo máy, Viện Cơ Khí Địa chỉ: C5 - 112, ĐHBKHN, Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trƣng, Hà Nội Email: trung.nguyenkien@hust.edu.vn -NỘI DUNG NHẬN XÉT Nhận xét chung: ……………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… ………….…………………………………………………………………………… ………….…………………………………………………………………………… ………….…………………………………………………………………………… ………….…………………………………………………………………………… ………….…………………………………………………………………………… ………….…………………………………………………………………………… ………….…………………………………………………………………………… Về mặt ý thức: …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page Đồ Án Tốt Nghiệp …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… Về mặt chuyên môn: …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… Kết luận: …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… Điêm đánh giá cho sinh viên: Đỗ Hữu Tình: …/10 Hà Nội, ngày… tháng… năm 2016 Ngƣời nhận xét (ký ghi rõ họ tên) Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page Đồ Án Tốt Nghiệp BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY BẢN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Đỗ Hữu Tình Nghành: KT – Cơ điện tử Khóa: K56 Với đề tài tốt nghiệp: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHÒNG MÁY ĐO MA SÁT POINT ON DISK DÙNG CẢM BIẾN LOADCELL Giảng viên hƣớng dẫn: Ts NGUYỄN KIÊN TRUNG Đơn vị công tác: Bm Công nghệ chế tạo máy viện Cơ Khí Địa chỉ: C5 - 112, ĐHBKHN, Số Đại Cồ Việt, Hai Bà Trƣng, Hà Nội Email: trung.nguyenkien@hust.edu.vn Ngƣời nhận xét: Ts TRƢƠNG ĐỨC PHỨC Đơn vị công tác: Bm Công nghệ chế tạo máy viện Cơ Khí -NỘI DUNG NHẬN XÉT Nội dung thiết kế tốt nghiệp: …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page Đồ Án Tốt Nghiệp …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… Nhận xét ngƣời biện: …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………… Hà nội, ngày… tháng… năm 2016 Ngƣời nhận xét (ký ghi rõ họ tên) Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page Đồ Án Tốt Nghiệp Mục Lục LỜI CẢM ƠN CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LỰC MA SÁT VÀ CÁC ĐẠI LƢỢNG LIÊN QUAN 10 1.1 Giới thiệu chung: 10 1.1.1 Khái niệm ma sát: 10 1.1.2 Phân loại lực ma sát: 10 1.1.3 Định luật ma sát, lực ma sát, yếu tố đặc trƣng lực: 10 1.1.4 Hệ số ma sát: 11 1.2 Thông số, đặc điểm hình học bề mặt tiếp xúc: 12 1.3 Các biện pháp giảm nhằm giảm ma sát mài mòn: 13 1.4 Các dạng đo ma sát xuất thực tế máy: 14 1.5 Cơ sở đề tài mục đích lựa chọn đề tài 15 CHƢƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY ĐO MA SÁT DẠNG XOAY 16 2.1 Tính toán thiết kế khí máy đo ma sát dạng xoay tịnh tiến: 16 2.1.1 Nguyên lí làm việc đối tƣợng máy: 16 2.1.2 Yêu cầu thiết kế: 16 2.1.3 Phân tích phƣơng án thiết kế: 16 2.1.4 Phƣơng án thiết kê mô hình máy phần mềm vẽ 3D: 17 2.2 Tính toán thiết kế máy đo: 22 2.2.1 Tính toán động học hệ dẫn động: 22 2.2.2 Tính toán lựa chọn động cơ: 24 2.2.3 Tính toán thiết kế truyền đai dẹt: 26 2.2.4 Tính toán trục: 30 2.2.5 Chọn then cho trục: 34 2.2.6 Kiếm nghiệm độ bền mỏi trục: 35 2.2.7 Tính toán chọn ổ lăn: 37 Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page Đồ Án Tốt Nghiệp CHƢƠNG CẢM BIẾN ĐO LỰC LOADCELL VÀ ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MATLAB VÀO XÂY DỰNG GIAO DIỆN ĐO LỰC VÀ HỆ SỐ MA SÁT 39 3.1 Loadcell 39 3.1.1 Hiện tƣợng điện trở lực căng (tenzo) 39 3.1.2 Loadcell 43 3.2 Giới thiệu matlab 46 3.3 Tổng quan cấu trúc liệu matlab, ứng dụng 47 3.3.1 Dữ liệu 47 3.3.2 Ứng dụng 48 3.3.3 Toolbox công cụ quan trọng Matlab 48 3.4 Hệ thống matlab … 48 3.5 Ảnh giao diện code phần mềm matlab 49 CHƢƠNG LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 53 4.1 Các loại động ƣu, nhƣợc loại động 53 4.1.1 Động chiều 53 4.1.2 Động xoay chiều 53 4.1.3 Động bƣớc 54 4.1.4 Động servo 54 4.2 Các phƣơng pháp điều khiển động 54 4.2.1 Động chiều 54 4.2.2 Động xoay chiều 55 4.2.3 Động bƣớc 55 4.2.4 Động servo 56 4.3 Lựa chọn động 56 4.4 Điều khiển động biến tần 56 4.4.1 Định nghĩa biến tần 56 4.4.2 Các phƣơng pháp điều khiển biến tần 57 4.4.3 Ƣu điểm biến tần 59 Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page Đồ Án Tốt Nghiệp 4.4.4 Các loại biến tần hay sử dụng thị trƣờng 59 4.4.5 Lựa chọn phần mềm điều khiển 61 CHƢƠNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VÀO MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT KHI MÁY HOẠT ĐỘNG 62 5.1 Giới thiệu phần mềm ANSYS 62 5.2 Ứng dụng phần mềm ANSYS vào giải toán mô ứng suất đĩa quay đo ma sát 63 5.2.1 Các bƣớc giải toán ANSYS Workbench 63 CHƢƠNG KẾT QUẢ, PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 78 6.1 Kết luận 78 6.2 Phƣơng hƣớng phát triển đề tài 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page Đồ Án Tốt Nghiệp LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội nỗ lực thân, em nhận đƣợc giúp đỡ, tạo điều kiện từ thầy cô giáo giúp em học tập tốt hoàn thành khóa học Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin bày tỏ lòng chân thành cảm ơn tới toàn thể quý Thầy cô, cán công nhân viên công tác trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy cô Viện Cơ khí Bộ môn Cơ học vật liệu & kết cấu hƣớng dẫn tận tình, tâm huyết giúp em suốt thời gian học tập trƣờng Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Trung Kiên trực tiếp hƣớng dẫn tận tình em lý thuyết động lực học dòng chảy để em hoàn thành tốt nội dung đồ án Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày………tháng…… năm 2016 Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page Đồ Án Tốt Nghiệp CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LỰC MA SÁT VÀ CÁC ĐẠI LƢỢNG LIÊN QUAN 1.1 Giới thiệu chung: 1.1.1 Khái niệm ma sát: Ma sát tƣợng sinh có tiếp súc hai bề mặt chúng chuyển động tƣơng Ví dụ nhƣ tiếp xúc bề mặt thép với thép, thép với gỗ, thép với nhôm Ma sát gắn liền với vấn đề cấp thiết thời đại đóng vai trò vô quan trọng kĩ thuật, hao mòn máy móc, thiết bị ảnh hƣởng trực tiếp đến tuổi thọ chúng Nhận thấy vấn đề nhiều tổ chức ngành khác quan tâm nghiên cứu vấn đề nhằm đƣa biện pháp chống mài mòn bôi trơn để nâng cao tuổi thọ chi tiết máy 1.1.2 Phân loại lực ma sát: a) Theo môi trƣờng tiếp xúc ma sát khô, ma sát ƣớt, ma sát nửa khô nửa ƣớt b) Theo tính chất chuyển động ma sát trƣợt ma sát lăn c) Theo trạng thái chuyển động tƣơng đối ma sát tĩnh ma sát động 1.1.3 Định luật ma sát, lực ma sát, yếu tố đặc trƣng lực: Lực ma sát lực cản trở chuyển động, ngƣợc chiều chuyển động xuất bề mặt ma sát vết tiếp xúc thực Theo Vật lý: lực ma sát lực hút phân tử phân tử vật chất - ma sát phụ thuộc vào vật liệu tiếp xúc, thời gian tiếp xúc Theo Cơ học: lực ma sát gờ lồi lõm hai bề mặt gài vào – ma sát phụ thuộc độ nhám bề mặt Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 10 Đồ Án Tốt Nghiệp Trên mặt phẳng Oxy vẽ hình chữ nhật có chiều dài 100mm chiều rộng 20mm - Ứng với bán kính đĩa 100mm bề dày đĩa 20mm Hình 5.5 Vẽ thiết lập chiều dài bề mặt cắt Hình 5.6 Vẽ thiết lập chiều rộng bề mặt cắt Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 65 Đồ Án Tốt Nghiệp Tiếp tục, thiết lập vị trí tiếp xúc đĩa đầu dò Trong toán khảo sát ta lựa chọn vị trí tiếp xúc cách tâm đĩa 50mm Chọn create->point Bảng thiết lập Ta lựa chọn thông số nhƣ sau: Hình 5.7 Thiết lập điểm đặt đầu dò Hình 5.8 Bảng thiết lập thông số Tiếp tục thiết lập cho mặt cắt môi trƣờng 2D cách sau: Tại giao diện Workbench -> chuột phải vào Geometry-> Chọn Properties Một Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 66 Đồ Án Tốt Nghiệp bảng thiết lập thông số mô hình ra, ta lựa chọn thông số cho mô hình môi trƣờng 2D cách: Chọn Analysis type -> Chọn 2D Hình 5.8 Thiết lập cho mặt việc khảo sát mặt cắt môi trường 2D Hoàn thành bƣớc vẽ mặt cắt đĩa thiết lập vị trí đặt đầu dò Bƣớc Chia lƣới cho mặt cắt: Trên giao diện ANSYS Workbench, chọn Model, hình hiển thị môi trƣờng model Sử dụng phƣơng thức chia lƣới tự động Mesh -> Generate Mesh để chia lƣới cho mô hình: Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 67 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 5.9 Chia lưới cho mặt cắt khảo sát Bƣớc 3: Cài đặt điều kiện biên cho việc khảo sát Trong giao diện ANSYS Workbench, chọn Setup để vào môi trƣờng cài đặt điều kiện biên Để thiết lập mặt cắt đƣợc khảo sát điều kiện đối xứng tròn xoay xuất kết mô hình 3D, ta tiến hành chọn Geometry -> Ở mục 2D Behavior > Chọn Axisymemtric Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 68 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 5.10 Thiết lập đối xứng tròn xoay cho mặt cắt Tiếp tục thiết lập lực tác dụng lên bề mặt đĩa (lực tải trọng đặt lên đầu tay dò để tạo thành phản lực đầu dò tác dụng lên mặt đĩa) cách chọn: Static Structural(A5) -> Insert -> Force Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 69 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 5.11 Thiết lập lực tác dụng lên bề mặt đĩa Ở mục Magnitude chọn giá trị 5N mục Direction lựa chọn chiều tác dụng lực nhƣ hình Tiếp tục thiết lập tốc độ góc mặt cắt bẳng cách chọn Static Structural(A5) -> Insert -> Rotational Velocity Trong mục Magnitude chọn giá trị 10 rad/s tích vào ô vuông bên cạnh để khảo sát ảnh hƣởng tốc độ góc với ứng suất Hình 5.12 Thiết lập tốc độ góc mặt cắt khảo sát ảnh hưởng tốc độ góc ω Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 70 Đồ Án Tốt Nghiệp Tiếp tục thiết lập chuyển vị cho đáy đĩa (vì đĩa đƣợc cố định vào trục công tác máy bu lông ) Ta chọn Static Structural(A5) -> Insert -> Displacement -> Chọn cạnh đáy mặt cắt Trong mục Y component ta chọn giá trị 0mm nhƣ hình Hình 5.13 Thiết lập cố định chuyển vị cho đáy mặt cắt Hoàn thành thiết lập điều kiện biên toán Bƣớc Giải toán Ở mục Solution(A6) -> Chọn Insert -> Stress -> Equivalent Stress để kiêm tra ứng suất bề mặt đĩa quay Chọn Solution(A6) -> Solve để giải Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 71 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 5.14 Thiết lập kết muốn thu (ứng suất mặt đĩa) Sau phần mềm tính toán toán xong, để khảo sát ảnh hƣởng vận tốc góc ω tới ứng suất bề mặt đĩa, ta quay trở lại giao diện Workbench, chọn Parameters -> Tại mục Table of Design Points Ta thiết lập giá trị vận tốc góc ω với bƣớc nhảy Lần lƣợt ta có giá trị ω =10,15,20,25,30 -> Chọn update design points để phần mềm tính toán Hình 5.15 Thiết lập vận tốc ω để khảo sát phụ thuộc ứng suất vào vận tốc gó Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 72 Đồ Án Tốt Nghiệp Để khai thác toàn mô hình 3D, ta nhập liệu vào modul ANSYS Mechanical APDL 15 Mở modul Mechanical APDL-> General Post Proc -> Tại mục read single result file, ta chọn đƣờng dẫn tới file vừa thực modul ANSYS Workbench Chọn Read Result-> Last Set để lấy kết cuối nhận đƣợc đĩa quay hết 1s Tiếp tục chọn Plot -> Elements để phần mềm nhận dạng bề mặt cắt Hình 5.16 Phần mềm nhân dạng bề mặt cắt Chọn PlotCtrls -> Style -> Symmetry Expension -> 2D Axi Symmetric Một bảng setup lên, ta chọn Full expension để lấy kết mô hình 3D Cuối chọn Plot Result -> Contour Result -> Nodal Solu -> Stess -> von Misses Stress để lấy kết mô hình 3D Kết thu đƣợc: Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 73 Đồ Án Tốt Nghiệp Khi đĩa quay với vận tốc góc ω = 10 rad/s, Trên mặt cắt 2D ta thu đƣợc kết ứng suất nhƣ sau: Hình 5.17 Kết ứng suất mặt cắt với ω = 10 rad/s Khi đĩa quay với vận tốc góc ω = 30 rad/s, Trên mặt cắt 2D ta thu đƣợc kết ứng suất nhƣ sau: Hình 5.18 Kết ứng suất mặt cắt với ω = 30 rad/s Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 74 Đồ Án Tốt Nghiệp Biểu đồ khảo sát phụ thuộc ứng suất vào vận tốc góc quay ω đĩa nhƣ hình sau: Hình 5.19 Biểu đồ phụ thuộc ứng suất vào vận tốc góc ω Khi khai thác kết mô hình 3D ta có kết nhƣ sau: Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 75 Đồ Án Tốt Nghiệp Hình 5.20 Ứng suất bề mặt đĩa ω = 10rad/s Hình 5.21 Ứng suất bề mặt đĩa ω = 30rad/s Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 76 Đồ Án Tốt Nghiệp Nhận xét: Qua tính toán phần mềm ta nhận thấy:  Ứng suất bề mặt đĩa tạp trung chủ yếu vào vị trí: Vị trí tiếp xúc đĩa với đầu dò tâm đĩa  Ứng suất đĩa làm việc phụ thuộc vào tốc độ góc ω đĩa, tốc độ góc ω lớn ứng suất lớn dần chuyển tập trung tâm đĩa – vị trí trục quay Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 77 Đồ Án Tốt Nghiệp CHƢƠNG KẾT QUẢ, PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận:  Tìm hiểu tổng quan tƣợng ma sát, định luật lực ma sát phƣơng pháp khảo sát ma sát thực tế  Đã hoàn thành việc xây dựng mô hình 3D máy, tính toán chi tiết máy  Tìm hiểu sử dụng cảm biến việc đo lực ứng dụng phần mềm MATLAB để xây dựng giao diện tính toán lực ma sát máy tính  Đƣa đƣợc phƣơng án điều khiển động viết code phần mềm để điều khiển động  Mô đƣợc ứng suất đĩa quay máy hoạt động 6.2 Phƣơng hƣớng phát triển đề tài: Do thời gian có hạn nên nội dung đề tài bổ sung số vấn đề cần giải nhƣ sau:  Tiếp tục tính toán hoản thiện đề tài phát triển thành mô hình máy hoàn chỉnh để sử dụng thực tiễn  Khảo sát chi tiết ứng suất máy làm việc đƣa kết cụ thể  Hoàn thiện phƣơng pháp điều khiển động cơ, có kết chi tiết cụ thể để điều khiển đƣợc động trình máy hoạt động thực tế  Hoàn thiện việc khảo sát số liệu thông qua thông tin nhận đƣợc từ cảm biến đo lực Loadcell, từ đƣa đƣợc kết luận lực ma sát loại vật liệu hệ số ma sát loại vật liệu Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 78 Đồ Án Tốt Nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tính toán hệ thống dẫn động khí (tập + 2) – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, nhà xuất Giáo Dục Nguyễn Việt Hùng – Nguyễn Trọng Giảng, ANSYS & mô số công nghiệp phần tử hữu hạn, nhà xuất khoa học kỹ thuật Thông tin loại sản phẩm nhà phần phối cảm biến Loadcell loại động … Đỗ Hữu Tình - 20110695 Page 79 ... đề tài tốt nghiệp: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHÒNG MÁY ĐO MA SÁT POINT ON DISK DÙNG CẢM BIẾN LOADCELL Giảng viên hƣớng dẫn: Ts NGUYỄN KIÊN TRUNG Đơn vị công tác: Bm Công nghệ chế tạo máy viện Cơ Khí Địa... Nghiệp CHƢƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY ĐO MA SÁT DẠNG XOAY 2.1 Tính toán thiết kế khí máy đo ma sát dạng xoay tịnh tiến: 2.1.1 Nguyên lí làm việc đối tƣợng máy:  Đo ma sát theo nguyên lý tiếp... lực ma sát lớn Giảm tải trọng tƣơng đƣơng với việc giảm lực ma sát tác dụng hai bề mặt - Trong cấu chuyển đổi ma sát trƣợt ma sát lăn, ngƣời ta thƣờng chuyển ma sát trƣợt thành ma sát lăn ma sát