1
Vật liệu nhựa – composite
Vật liệu nhựa composite được tạo ra từ sự kết hợp của nhiều loại vật liệu khác nhau nhằm phát triển một sản phẩm mới với tính năng vượt trội hơn so với vật liệu ban đầu Khác với các loại nhựa như PE, PP, PVC, nhựa composite là một loại nhựa tổ hợp bao gồm hai pha: pha nhựa và pha chất độn Chất độn trong nhựa composite có vai trò quan trọng trong việc nâng cao các cơ lý tính của nhựa ban đầu.
Nhựa composite còn gọi là nhựa FRP FRP là viết tắt của tiếng Anh: Fibeglass Reinfored Plastic FRP có nghĩa: Nhựa cốt sợi thủy tinh
Hình 1.1: Cấu tạo vật liệu composite
Nhóm sợi khoáng chất bao gồm sợi thủy tinh, sợi cacbon và sợi gốm, trong khi nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt có sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol và sợi Apyeil Ngoài ra, còn có các nhóm sợi ít phổ biến hơn như sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô) như giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sợi dừa; sợi gốc khoáng chất như sợi Amiăng và sợi Silic; sợi nhựa tổng hợp như sợi polyester (tergal, dacron, térylène) và sợi polyamit; cùng với sợi kim loại như thép, đồng và nhôm.
Thành phần và cấu tạo [2] :
Mỗi vật liệu composite bao gồm một hoặc nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất, với pha liên tục được gọi là vật liệu nền (matrix) có chức năng liên kết các pha gián đoạn Pha gián đoạn, hay còn gọi là cốt hoặc vật liệu tăng cường (reinforcement), được trộn vào pha nền nhằm cải thiện các đặc tính như cơ tính, tính kết dính, khả năng chống mòn và chống xước.
Nhựa cốt sợi thủy tinh (FRP) kết hợp giữa nhựa làm chất kết dính và sợi thủy tinh làm vật liệu gia cường, mang lại tính năng cơ lý vượt trội như khả năng chịu nén, uốn và kéo cao hơn so với các loại nhựa thông thường như PVC, PP, PE, ABS Nhờ vào những đặc tính này, sản phẩm nhựa FRP đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và dân dụng.
Nhựa composite kết hợp những ưu điểm nổi bật của nhựa thông thường và kim loại, bao gồm tính dẻo dai, khả năng pha màu dễ dàng và thuận tiện trong việc tạo hình Đặc biệt, chất lượng gia công của composite không hề thua kém so với sắt thép, cho thấy sự vượt trội của vật liệu này.
Nhựa composite có độ bền màu cao và khả năng kháng lại hầu hết các chất ăn mòn, ít bị oxi hóa, do đó được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hóa chất Vật liệu này thường được sử dụng để chế tạo thùng chứa hóa chất, bồn đựng, thùng rác, và bọc bể nhằm chống ăn mòn hiệu quả.
Với đặc tính dễ gia công và khả năng tạo hình, màu sắc tương tự như nhựa, composite được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất đồ gia dụng và các vật liệu xây dựng như ống nước và mái che.
Composite không chỉ có tính dẻo dai mà còn có chất lượng tương đương với kim loại, đồng thời nhẹ hơn nhiều, vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất thiết bị vệ sinh và vỏ bọc sản phẩm.
Nhựa composite, với khả năng cách điện và cách âm tốt, cùng với việc tổng hợp những ưu điểm của nhựa và kim loại, đang ngày càng được ưa chuộng, thay thế các vật liệu truyền thống trong lĩnh vực xây dựng và công nghiệp.
Bằng cách trộn hai vật liệu theo tỷ lệ nhất định, gia nhiệt và ép dưới áp suất cao, chúng ta có thể tạo ra vật liệu composite với hình dạng mong muốn mà không cần qua các công đoạn như luyện, tôi, phay hay tiện như với kim loại.
Composite là vật liệu nhẹ, chỉ nặng 40% so với nhôm cùng thể tích, do đó đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành cơ khí, chế tạo máy và đóng xuồng để thay thế kim loại.
Người ta có thể phủ lên bề mặt composite một lớp nhũ có ánh kim để tạo cảm giác giống kim loại
Vật liệu composite khó có thể tái chế khi không sử dụng hay là phế phẩm trong quá trình sản xuất
Giá thành nguyên liệu thô làm nên vật liệu composite khá cao Phương pháp gia công vật liệu composite đòi hỏi mất thời gian
Việc phân tích mẫu vật liệu composite và cơ, lý hóa tính rất phức tạp
Ứng dụng cho sản phẩm nội thất:
Bàn, ghế, và giường bằng nhựa composite được ưa chuộng nhờ bề mặt được xử lý, giúp hạn chế thấm nước và ẩm mốc Chúng có độ bền cao, ít hao mòn trước tác động bên ngoài, đồng thời dễ dàng bảo quản và vệ sinh.
(b) Hình 1.2 (a), (b): Bàn ghế bằng nhựa composite
Ứng dụng cho sản phẩm gia dụng:
Bàn ghế, tủ giả đá, thùng, bồn, bình, tô, chén, đũa
(b)Hình 1.3 (a), (b): Đồ gia dụng bằng nhựa composite
Ứng dụng cho sản phẩm trang trí nội thất:
Khung hình, phù điêu, nẹp hình, vách ngăn, tượng thú và biểu tượng là những sản phẩm trang trí thể hiện sự tỉ mỉ và phức tạp, phù hợp với nhiều kích thước khác nhau Quy trình sản xuất nhanh chóng và đồng đều, cùng với giá thành hợp lý nhờ vào công nghệ đúc theo khuôn mẫu.
(b) Hình 1.4 (a), (b): Sử dụng vật dụng nhựa composite để trang trí
Các yêu cầu kiểm tra đối với sản phẩm nội thất
1.2.1 Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho tay tựa ghế:
- Không thử nghiệm (ghế cắm trại)
Thử nghiệm theo EN 1728: 2000, điều 6.6
1.2.2 Thử nghiệm độ mỏi của tay dựa:
Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 6.10
1.2.3 Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho chân ghế trước:
Thử nghiệm dựa trên EN 1728: 2000, điều 12
1.2.4 Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho chân ghế ngang:
Thử nghiệm dựa trên EN 1728: 2000, điều 13
Phương thức: xem tiêu chuẩn EN 1728
Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 15
Không để ghế cao hơn 600 mm
Chỗ ngồi không được thử tại tải trọng 75 Kg
Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 6.2.1
1.2.7 Thử nghiệm tải trọng tĩnh cho đường hàn của ghế:
Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 6.2.2
1.2.8 Thử nghiệm bền mỏi cho ghế ngồi và lưng dựa:
Thử nghiêm dựa theo EN 1728: 2000, điều 6.7
1.2.9 Thử nghiệm độ bền mỏi cơ cấu lưng dựa của ghế: Điểm tải trọng trên lưng ghế:
- Cách ghế ngồi lên trên 400 mm
1.2.10 Thử nghiệm va đập của lung ghế:
Phương thức: xem tiêu chuẩn EN 1728
Chiều cao thả rơi ứng với góc:
Thử nghiệm dựa theo EN 1728: 2000, điều 17
Không để ghế cao hơn 600 mm
1.2.11 Các khe hở nằm trong phạm vi cho phép từ 7mm – 12mm.
Giới thiệu các hệ thống kiểm tra độ bền mỏi của vật liệu nhựa – composite
1.3.1 Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi CRT-SA4PT-BB [6]:
- Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi uốn 4 điểm hoạt động bằng khí nén Được cấp giấy chứng nhận bởi UKAS
(b) Hình 1.5 (a), (b): Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi CRT-SA4PT-BB
Công nghệ servo và khí nén tiên tiến giảm ma sát và cho hiệu suất cao
Lấy kỹ thuật số thu thập dữ liệu
Hệ thống điều khiển tốc độ cao vs phần mềm tiên tiến
Tương thích với Microsoft Excel
Kẹp mẫu theo thông số kỹ thuật của AASHTO
Hệ thống tải khép kín
Kết cấu to, cồng kềnh
1.3.2 Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi FTG-8-D [7]:
Hình 1.6: Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi FTG-8-D
- Tiêu chuẩn phù hợp: IS 5075 – 1969
Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, thiết kế đơn giản
Hệ thống đòn bẩy đơn giản cho việc thay đổi tải trọng tức thời
Kết cấu to, cồng kềnh
1.3.3 Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi SOM-006 [8]:
Hình 1.7: Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi SOM – 006
- Tiêu chuẩn phù hợp: IS075
Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, thiết kế đơn giản
Hệ thống đòn bẩy dễ thay đổi tải trọng
Độ uốn có thể lên tới 400kg/cm
1.3.4 Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi ZI-8009 [9]:
Hình 1.8: Hệ thống kiểm tra độ bền mỏi ZI – 8009
- Tiêu chuẩn phù hợp: IS 5075
Trọng lượng nhẹ, kích thươc nhỏ gọn, thiết kế đơn giản
Hệ thống đòn bẩy dễ thay đổi tải trọng
Độ uốn tối đa có thể lên tới 400kg/cm
Nhu cầu kiểm tra độ bền mỏi
Dân số Châu Âu đang già hóa, với dự báo đến cuối năm 2001, tổng số dân sẽ giảm nhưng nhóm người trên 45 tuổi sẽ gia tăng Nhóm người cao tuổi này trở thành một thị trường tiềm năng hấp dẫn cho các nhà xuất khẩu Sau khi con cái rời nhà, họ thường có xu hướng trang trí lại nội thất, nhờ có nhiều thời gian và tài chính hơn so với các nhóm tuổi khác.
Một phần tư sản phẩm nội thất trên thế giới được sản xuất tại EU Đức, Ý,
Ba Lan và Pháp nằm trong top 10 nhà sản xuất đồ nội thất hàng đầu thế giới vào năm 2014, đóng góp 17% sản lượng đồ nội thất toàn cầu và gần 60% sản lượng trong Liên minh Châu Âu (EU) Thị trường chung EU đã đạt được nhiều thành tựu trong việc tích hợp kinh doanh giữa các quốc gia thành viên, cả về chuyên môn của các công ty và sự đa dạng của sản phẩm Với hơn 500 triệu dân, EU chiếm khoảng 25% thị trường đồ gỗ toàn cầu.
Xu hướng gia tăng số hộ độc thân do tỷ lệ ly hôn cao, cùng với sự xuất hiện nhiều hơn của công chức và người già sống một mình, đang dẫn đến việc thu nhỏ diện tích nhà cửa và căn hộ Đồ nội thất đa chức năng với kích thước nhỏ hơn ngày càng trở nên phổ biến Tại Anh, Đức, Pháp và Hà Lan, hộ gia đình độc thân và hộ gia đình chỉ có hai người chiếm khoảng 2/3 tổng số hộ gia đình và có xu hướng gia tăng Những người trẻ tuổi thường thích trang trí hơn so với người già Ở Anh và Hà Lan, cư dân thường sống trong những ngôi nhà xây thành từng dãy, trong khi ở Đức, Italia và Tây Ban Nha, họ chủ yếu sống trong các căn hộ, điều này ảnh hưởng đến kích cỡ và kiểu dáng nội thất tại từng quốc gia châu Âu.
Theo khảo sát của Liên đoàn sản xuất đồ nội thất Châu Âu (UEA), khoảng 70% đồ nội thất tại Anh, Hà Lan, Đức, Italia, Tây Ban Nha và Na Uy cần thay đổi do sự thay đổi thị hiếu và thu nhập của người tiêu dùng Tại các quốc gia này, 30% đồ nội thất được mua trong các dịp như sinh nở, chuyển nhà hoặc thay thế đồ hỏng Tại các nước khác trong EU, tỷ lệ này có thể dao động từ 45% đến 80% Người tiêu dùng ở hầu hết các nước EU đặt yêu cầu cao về chất lượng, với chất lượng tốt và sự tiện dụng là những yếu tố quan trọng Dù chất lượng được ưu tiên, giá cả cũng là một yếu tố thiết yếu, với sự cạnh tranh về giá giữa các nhà bán lẻ, đặc biệt là tại Na Uy.
Người tiêu dùng hiện nay sử dụng Internet để chia sẻ thông tin, giúp họ nắm bắt nhanh chóng các xu hướng mới nhất về mẫu mã, nhãn mác, giá cả và dịch vụ, từ đó làm giảm sự cạnh tranh trong thị trường.
Người tiêu dùng ngày càng chú trọng đến nhãn mác FSC (Forest Stewardship Council), đảm bảo rằng đồ nội thất được sản xuất từ nguyên liệu bền vững và thân thiện với môi trường Tại Đức, yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong quyết định mua sắm của khách hàng.
Tổng hợp các tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn này đánh giá hiệu quả hoạt động của cơ cấu tự nâng hoặc cơ chế tự động nâng hạ của ghế ngồi ở những nơi lắp ráp
Phương pháp thử nghiệm hiện tại không giải quyết được vấn đề tải trọng trên ghế Ủy ban kỹ thuật F – 15 đang xem xét tiêu chuẩn mới để khắc phục vấn đề này.
Tiêu chuẩn này không giải quyết về các vấn đề an toàn kỹ thuật Nếu có hãy sử dụng nó
Người sử dụng tiêu chuẩn có trách nhiệm đảm bảo an toàn bằng cách thiết lập các phương pháp vệ sinh và an toàn khi áp dụng tiêu chuẩn này.
Tiêu chuẩn mới BS EN 12520:2010 của Châu Âu đã được công bố, quy định về độ an toàn, độ bền và sức chịu đựng của tất cả các loại ghế ngồi nội địa dành cho người lớn, thay thế cho tiêu chuẩn ENV 12520:2000 Các bài kiểm tra được thực hiện với trọng lượng lên tới 110kg.
Các yêu cầu về độ ổn định của ghế phải theo yêu cầu của EN 1022
Các lần thử nghiệm về sức chịu đựng và độ bền phải theo yêu càu EN
Tiêu chuẩn không áp dụng cho ghế xếp, ghế ngoại địa, ghế văn phòng, ghế ở các cơ sở giáo dục, ghế ngoài trời
Không bao gồm các yêu cầu về độ bền của vật liệu bọc, bánh xe, cơ cấu ngả và nghiêng, cơ cấu điều chỉnh độ cao của ghế
Không yêu cầu về các an toàn điện
Hình 2.1: Cơ cấu ghế ngồi tự nâng hạ ( vị trí xuống)
Hình 2.2: Cơ cấu ghế ngồi tự nâng hạ ( vị trí lên)
Tiêu chuẩn này xác định các yêu cầu an toàn và phương pháp thử nghiệm cho ghế ngồi ngoài trời, nhằm đảm bảo tính an toàn khi sử dụng cho các hoạt động cắm trại, trong nhà hoặc cho người lớn.
Tiêu chuẩn này không liên quan đến vật liệu, thiết kế/ xây dựng hoặc quy trình sản xuất cụ thể
Điều kiện kiểm tra sử dụng cho người có trọng lượng lên tới 110 kg
Không áp dụng cho đồ gỗ ngoài trời
Không áp dụng cho đồ bọc, tấm phủ
Không áp dụng cho đồ nội thất cố định
Không áp dụng cho đồ ngoài đường phố
Không bao gồm các ảnh hưởng tác động từ bên ngoài như: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng…
Các phương pháp theo tiêu chuẩn Châu Âu xác định độ cứng và độ mỏi cho tất cả các loại ghế, nhưng không xem xét đến yếu tố sử dụng, vật liệu, thiết kế, kết cấu và quy trình sản xuất.
Tất cả các phương pháp thử nghiệm ghế ngồi theo tiêu chuẩn Châu Âu cho sản phẩm nội thất được tổng hợp trong một tài liệu duy nhất Văn bản hiện tại bao gồm các phương pháp thử nghiệm đã được liệt kê trong các tiêu chuẩn trước đó.
EN 581 – 2: sản phẩm nội thất ngoài trời
Thử nghiệm tải trọng tĩnh đã được thêm vào
Các phương pháp thử nghiệm phải được đơn giản hoá và rõ ràng để dễ sử dụng
Tiêu chuẩn Châu Âu này không áp dụng cho các sản phẩm:
Ghế cao của trẻ em, bàn gắn liền ghế, ghế tắm là các sản phẩm được quy định trong các tiêu chuẩn khác
Các phương pháp kiểm tra không nhằm để đánh giá độ bền của vật liệu bọc, như vật liệu bọc và vỏ bọc
Tiêu chuẩn Châu Âu này không đưa ra yêu cầu cụ thể nào Các yêu cầu cho mục đích sử dụng cuối cùng có thể được tìm thấy trong các tài liệu tiêu chuẩn khác.
Các phương pháp thử nghiệm để đánh giá quá trình lão hóa, thoái hóa, hiệu quả môi trường làm việc và chức năng điện vẫn chưa được đưa vào các tiêu chuẩn hiện hành.
Tiêu chuẩn ASTM D7774 – 12 sẽ sử dụng cho hệ thống kiểm tra độ bền mỏi
Phương pháp kiểm tra độ bền mỏi của nhựa uốn xác định đầy đủ các đặc tính của nhựa cứng và nhựa bán cứng Mức độ ứng suất và sức căng được kiểm tra dưới giới hạn tương đối của vật liệu, từ đó quyết định các tính chất quan trọng của nhựa.
Phương pháp kiểm tra này có thể được sử dụng với hai phương pháp:
Phương án A sử dụng hệ thống lực ba điểm để thiết kế các vật liệu, nhằm xác định độ bền uốn của chúng Hệ thống lực ba điểm là phương pháp chính được áp dụng trong quá trình này.
Phương án B áp dụng thiết kế cho các vật liệu thông qua hệ thống lực bốn điểm nhằm xác định độ bền uốn Hệ thống lực bốn điểm là phương pháp chính được sử dụng trong nghiên cứu này.
Thử so sánh xem có thể được theo phương án nào, điều kiện là các phương án phải phù hợp các vật liệu đang được thử nghiệm
Hệ SI là hệ tiêu chuẩn Các giá trị được cho trong ngoặc đơn là dành cho thông tin riêng
Tiêu chuẩn này không bao quát tất cả các vấn đề liên quan đến an toàn Người sử dụng cần phải thiết lập các biện pháp an toàn và sức khỏe phù hợp, đồng thời xác định khả năng áp dụng trước khi áp dụng tiêu chuẩn này.
Tiêu chuẩn này cùng với tiêu chuẩn ISO 13003 đều đề cập đến các vấn đề tương tự, tuy nhiên, chúng khác nhau về nội dung kỹ thuật Do đó, kết quả của hai phương pháp thử nghiệm này không thể so sánh trực tiếp với nhau.
D618: Điều kiện chất dẻo để thử nghiệm
D618: Điều kiện chất dẻo để thử nghiệm
D638: Phương pháp thử nghiệm cho tính chất bền kéo của nhựa
D790: Phương pháp thử nghiệm tính chất uốn của nhựa cốt gia cố, nhựa không cốt gia cố và vật liệu cách điện
D792: Phương pháp thử nghiệm mật độ của khối lượng riêng của vật liệu nhựa bằng phép dời hình
D883: Phép gọi tên liên quan đến chất dẻo
D1505: Phương pháp thử nghiệm mật độ nhựa bằng kỹ thuật giadient tỷ trọng
D3479/D3479M: Phương pháp thử nghiệm cho độ bền kéo – độ bền kéo mỏi của khuôn vật liệu phức hợp polymer
D4883: Phương pháp thử nghiệm mật độ của chất dẻo nhiệt bằng phương pháp siêu âm
D5947: Phương pháp thử nghiệm kích thước vật lý của khối mẫu thử vật liệu nhựa
D6272: Phương pháp thử nghiệm đặc tính uốn của nhựa có cốt gia cố, không có cốt gia cố và vật liệu cách điện đối với cơ cấu uốn 4 điểm
E83: Kỹ thuật kiểm tra và phân loại hệ thống dụng cụ đo lường độ giãn rất quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của các phép đo E1942: Hướng dẫn đánh giá hệ thống thu thập dữ liệu là cần thiết để thực hiện các thử nghiệm chu kỳ mỏi và thử nghiệm cơ học hiệu quả.
- Defintions – definitions áp dụng cho các phương pháp kiểm tra xuất hiện trong Terminology D883
- Mean strain – trung bình đại số giữa biến dạng cực đại và biến dạng cực tiểu
- Mean stress – trung bình đại số giữa ứng suất cực đại và biến dạng cực tiểu
R Ratio là tỷ lệ giữa ứng suất cực tiểu và ứng suất cực đại, hoặc tỷ lệ giữa biến dạng cực tiểu và biến dạng cực đại của mẫu khi chịu tải trọng.
Giới hạn tỷ lệ - ứng suất đàn hồi hoặc biến dạng cực đại được xác định thông qua việc quan sát theo phương pháp thử nghiệm D790 (phương án A) hoặc D6272 (phương án B).
2.2.4 Tóm tắt các phương án:
Mẫu thử hình chữ nhật được gia cố bởi cặp điểm tựa và chịu tải giữa các điểm tựa, với tỷ lệ khoảng cách gối đỡ và chiều sâu là 16:1 Các mẫu được tác động lực theo chu kỳ âm và dương với tần số xác định cho đến khi bị phá huỷ hoặc cong Qua các thử nghiệm, độ bền mỏi được xác định từ số chu kỳ, với ít nhất bốn mức độ ứng suất hoặc biến dạng khác nhau được thử nghiệm để xây dựng đường cong ứng suất so với số chu kỳ (S – N) hoặc đường cong biến dạng so với số chu kỳ (r – N), nhằm xác định giới hạn bền mỏi của vật liệu.
Mẫu vật hình chữ nhật được gia cố bằng cặp điểm tựa, chịu tải với khoảng cách đều từ các điểm tựa, với tỷ lệ khoảng cách tải trọng và gối đỡ là 1:2 hoặc 1:3 Các mẫu thử được tác động lực theo chu kỳ, cả theo chiều âm và chiều dương, với tần số xác định cho đến khi mẫu vật bị phá huỷ hoặc cong.
Độ bền mỏi của vật liệu được xác định thông qua số chu kỳ thử nghiệm, với ít nhất bốn mức độ ứng suất hoặc biến dạng khác nhau Các thử nghiệm này giúp xây dựng đường cong ứng suất so với số chu kỳ dẫn đến hư hỏng (S – N) hoặc đường cong biến dạng so với số chu kỳ dẫn đến hư hỏng (r – N), từ đó xác định giới hạn bền mỏi của vật liệu.
Các kiểm tra độ bền mỏi được thực hiện để đánh giá hiệu quả của xử lý, điều kiện bề mặt và ứng suất, nhằm xác định độ kháng mỏi của vật liệu nhựa chịu ứng suất uốn trong nhiều chu kỳ Kết quả từ các kiểm tra này cung cấp hướng dẫn quan trọng cho việc lựa chọn nguyên liệu nhựa phù hợp trong điều kiện ứng suất uốn lặp đi lặp lại Đặc tính của vật liệu có thể thay đổi tùy theo chiều sâu mẫu và tần số kiểm tra, trong đó tần số kiểm tra có thể dao động từ 1-25 Hz, nhưng tần số khuyên dùng là 5 Hz hoặc thấp hơn.
Kết quả thử nghiệm không áp dụng cho tất cả các loại nhựa Nếu nhựa không có khu vực đàn hồi, biến dạng dẻo sẽ xảy ra trong quá trình kiểm tra độ bền mỏi, dẫn đến sự thay đổi biên độ tải hoặc biến dạng Do đó, cần thận trọng khi sử dụng các kết quả này cho thiết kế, vì tính chất độ bền mỏi của vật liệu có thể không được thể hiện rõ ràng.
Kết quả của thử nghiệm độ bền mỏi chỉ thực sự hữu ích cho thiết kế khi mẫu thử được mô phỏng chính xác các điều kiện thực tế của việc sử dụng, hoặc khi có các phương pháp tính toán rõ ràng và hoàn toàn khả thi.
Phương án này bao gồm nhiều kỹ thuật chuẩn bị mẫu vật khác nhau Việc so sánh kết quả từ các mẫu được chuẩn bị theo các phương pháp khác nhau chỉ có thể được coi là tương đương nếu đã được chứng minh rõ ràng.
Máy thử - máy kiểm tra cơ bản đáp ứng các thông số kỹ thuật của Test Method D790 như mô tả dưới đây:
34
Quy trình thiết kế
Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo máy, giúp định hình ý tưởng và xác định vị trí tương quan giữa các chi tiết Qua bản thiết kế, ta có thể đánh giá tính hợp lý và khả thi của toàn bộ dự án.
Quy trình thiết kế phần cơ khí máy được tiến hành như sau:
Hình 3.1: Quy trình thiết kế cơ khí
Sau khi hình dung mô hình ban đầu, hãy phác thảo các ý tưởng trên máy tính mà không cần chú trọng đến kích thước chính xác Mục tiêu là thể hiện vị trí tương quan giữa các chi tiết và cụm chi tiết trong toàn bộ máy.
Tính toán, thiết kế trên Solidwork
Thử nghiệm Sử dụng rộng rãi
Bước tiếp theo là so sánh các ý tưởng đã đề ra và chọn ra ý tưởng tối ưu nhất Sau khi lựa chọn, tiến hành thiết kế ý tưởng trên máy tính để dễ dàng điều chỉnh kích thước Vì mô hình là sự kết hợp của nhiều chi tiết, nên kích thước của từng chi tiết có mối quan hệ chặt chẽ và ảnh hưởng lẫn nhau.
Trong quá trình thiết kế, việc đối chiếu và so sánh từng chi tiết với các chi tiết trước đó là rất quan trọng Để thuận tiện, có thể vẽ và lắp ráp các chi tiết tương quan song song, sau đó điều chỉnh kích thước và hình dạng cho đến khi hoàn thiện Phương pháp này không chỉ giúp quá trình thiết kế trở nên trực quan hơn mà còn giảm thiểu thời gian và công sức trong việc tính toán và ước đoán.
3.1.1 Các phương án đề ra:
Cơ cấu cam là một loại cơ cấu khớp cao cấp, cho phép thực hiện các chuyển động phức tạp với độ chính xác cao Nó hoạt động bằng cách sử dụng bề mặt hoặc rãnh của bộ phận gọi là cam để điều khiển bộ phận thứ hai, được gọi là con đội.
Thời gian và kiểu chuyển động của con đội là yếu tố quan trọng trong thiết kế cam, với chu trình chuyển động của con đội tương ứng với một vòng quay 360 độ của cam, được gọi là chu trình chuyển vị.
Trong các thiết bị cơ khí, cơ cấu cam được dùng để đóng mở các van hoặc điều chỉnh chuyển vị của piston
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu cam
Cam mặt: có dạng đĩa phẳng, hình dạng đường chu vi của cam điều khiển sự chuyển động của con đội
Cam rãnh: là đĩa phẳng được tạo rãnh, hình dạng rãnh điều khiển sự chuyển động của con đội
Cam trụ: có dạng mặt trụ và có rãnh cắt trên mặt trụ để điều khiển sự chuyển động của con đội
Dễ chọn biên hình cam theo một quy luật chuyển động cho trước
Khớp cao tiếp xúc theo điểm hoặc đường trên biên dạng cam có thể dẫn đến việc hao mòn nhanh chóng ở bề mặt làm việc, gây ra xu hướng tháo khớp và làm khó khăn trong việc chế tạo chính xác bề mặt làm việc của cam.
Hình 3.5: Mô hình 3D cơ cấu cam mặt
Cơ cấu tay quay con trượt [15]:
Cơ cấu tay quay con trượt là cơ cấu nhiều thanh gồm 4 khâu:
Khâu 1: tay quay chuyển động quanh điểm A
Khâu 3: con trượt chuyển động tịnh tiến
Các khâu này được nối với nhau bằng 4 khớp loại 5
Các biến thể của cơ cấu thanh 4 khâu:
39 Hình 3.6 Các biến thể cơ cấu thanh 4 khâu
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý tay quay con trượt
Tay quay con trượt chính tâm: Phương án chuyển động của con trượt đi qua tâm quay
Tay quay con trượt lệch tâm: Phương án chuyển động của con trượt không đi qua tâm quay
(b) Hình 3.8 (a), (b): Mô hình 3D cơ cấu tay quay con trượt
Ưu điểm: lâu mòn, tuổi thọ cao, truyền lực lớn, có chế tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp, dễ dàng thay đổi khích thước động,
Nhược điểm: khó thiết kế cơ cấu cho một quy luật chuyển động cho trước
Dựa vào yêu cầu của đề tài, việc thực hiện chuyển động tịnh tiến mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng thay đổi kích thước động dễ dàng, thuận tiện trong gia công chế tạo và lắp ráp, đồng thời có độ bền cao, ít bị mòn theo thời gian.
Lựa chọn phương án 2 tay quay con trượt là thích hợp nhất
Chức năng của từng bộ phận
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện
Khái niệm "strain gage" đề cập đến một cấu trúc có khả năng biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực, từ đó tạo ra một tín hiệu điện tương ứng với mức độ biến dạng đó.
Loadcell là thiết bị thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, bao gồm cả lực tĩnh và lực biến thiên chậm Tùy thuộc vào thiết kế, một số loại loadcell còn được chế tạo để đo các lực tác động mạnh.
Loadcell bao gồm hai thành phần chính: "Strain gage" và "Load" "Strain gage" là một điện trở đặc biệt nhỏ bằng móng tay, có khả năng thay đổi điện trở khi bị nén hoặc kéo dãn Nó được cung cấp năng lượng từ một nguồn điện ổn định và được gắn chắc chắn lên "Load" - một thanh kim loại đàn hồi chịu tải.
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý Loadcell
Hình 3.10: Nguyên lý hoạt động của Loadcell
Hoạt động của thiết bị dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone, trong đó giá trị lực tác dụng tỷ lệ thuận với sự thay đổi của điện trở cảm ứng trong cầu Điều này dẫn đến việc tạo ra tín hiệu điện áp tỷ lệ, phản ánh chính xác sự biến đổi của lực tác động.
Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell)
Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S
Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn
Hình 3.12 S’ Type Load Cell COM TEN
Trong đồ án sử dụng để đo lực tác dụng nên sẽ lựa chọn loadcell
Loadcell chữ “S” thường được sử dụng cho các máy đo lực
Hình 3.13: Loadcell chữ S Được làm bằng hợp kim thép Điện trở: 3mV/V Quá tải an toàn: 150%
Quá tải tối đa lên đến 300%, đạt tiêu chuẩn IP67, sản phẩm được chế tạo từ hợp kim thép không gỉ và được niêm phong hoàn toàn, rất phù hợp cho các môi trường công nghiệp khắc nghiệt nhất.
Loadcell chữ S kéo - nén 2 đầu được thiết kế để đáp ứng những yêu cầu có độ chính xác nghiêm ngặt
Động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ là loại động cơ mà tốc độ quay của roto (n) luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường (n1) do dòng điện cung cấp.
Công dụng: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống (vì có cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, vận hành đơn giản)
Gồm 2 bộ phận chính là stato và rôto;
Ngoài ra còn có vỏ máy, nắp máy
Lõi thép: gồm các lõi thép kĩ thuật điện ghép lại thành hình trụ, mặt trong có rãnh dây quấn
Hình 3.14: Stato động cơ không đồng bộ ba pha
Dây quấn stato của động cơ không đồng bộ ba pha được làm từ dây đồng có lớp sơn cách điện, bao gồm ba pha AX, BY và CZ được bố trí theo quy luật nhất định trong các rãnh stato Sáu đầu dây của ba pha này được kết nối ra ngoài hộp đấu dây, nằm ở vỏ động cơ, để nhận nguồn điện.
Lõi thép: làm bằng các lá thép kĩ thuật điện, mặt ngoài xẻ rãnh, ở giữa có lỗ để lắp trục, ghép lại thành hình trụ
- Dây quấn kiểu roto lồng sóc
- Dây quấn kiểu roto dây quấn
Khi dòng ba pha được cung cấp cho ba dây quấn stato của động cơ, một từ trường quay sẽ hình thành trong stato Từ trường này sẽ quét qua các dây quấn của roto, dẫn đến sự xuất hiện của suất điện động và dòng điện cảm ứng Lực tương tác điện từ giữa từ trường quay và các dòng điện cảm ứng tạo ra momen quay, làm cho roto quay theo chiều của từ trường với tốc độ n nhỏ hơn n1 (trong đó n1 là tốc độ của từ trường quay).
Tốc độ quay của từ trường được tính bằng công thức:
48 n1: tốc độ quay của từ trường f: tần số p: số đôi cực từ
Hệ số trượt S: là sự chậm tương đối của roto đối với từ trường:
S=0.020.06 n: Tốc độ quay của Roto n2 = n1 – n: tốc độ trượt
Hình 3.16: Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ ba pha
Các đầu dây quấn ba pha của stato được đưa ra hộp đấu dây đặt ở vỏ động cơ
Hình 3.17: Cách đấu dây động cơ không đồng bộ ba pha
Tùy thuộc vào điện áp lưới điện và cấu tạo động cơ, việc chọn cách đấu dây phù hợp là rất quan trọng Để thay đổi chiều quay của động cơ, chỉ cần đảo vị trí của hai pha bất kỳ, chẳng hạn như giữ nguyên pha A và đảo pha B với pha C.
Khi lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho các trục trên mô hình máy, phương án sử dụng bạc trượt là một giải pháp hiệu quả Trong phương án này, phần cố định của bạc trượt sẽ được gắn vào khung của máy thử độ bền mỏi Khi động cơ quay trục khuỷu, phần di động sẽ trượt tịnh tiến theo bạc trượt bi, đảm bảo hoạt động mượt mà và chính xác.
Tuy giá thành không quá cao nhưng bạc trượt bi có những ưu điểm vượt trội như:
Có sẵn trên thị trường, chúng ta có thể dễ tìm mua
Ma sát trượt trên thành bạc nên có kích thước hướng kính tương đối nhỏ
Có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt, tuổi thọ cao, chống rung động tốt, dễ dàng bảo trì và thay thế
Chịu được tải va đập và chấn động nhờ khả năng giảm chấn của màng bôi trơn
Hình 3.18: Thanh tròn trơn thép hợp kim lồng ổ bạc trượt.
Hoạt động của hệ thống
Khi bộ phận dẫn động hoạt động, các puli của bộ truyền đai thang quay theo chiều của motor Bánh đà trong bộ phận truyền động quay quanh trục, kéo theo bộ phận tác động di chuyển lên và xuống theo chu kỳ.
3.3.1 Sơ đồ hệ thống nguyên lý máy:
Hình 3.19: sơ đồ nguyên lý hệ thống máy đo độ bền mỏi
3: Puli nhỏ 8: Ống tác động
Khi động cơ (1) quay truyền chuyển động quay đến puli lớn (2) đến puli nhỏ
Thông qua đai thang, trục quay gắn với bánh đà được áp dụng nguyên lý tay quay con trượt Bánh đà và con trượt được dẫn hướng bởi ống trượt, trong khi quả tạ được liên kết với con trượt thông qua trục nhỏ Quả tạ rơi tự do và va chạm vào ống tác động, truyền động lượng vào mẫu.
(9) làm mẫu biến dạng khi được gá lên 2 gối đỡ (10)
3.3.2 Tính toán tỉ số truyền bánh đai thang:
Đai thang mang lại hiệu suất truyền động cao nhờ vào việc moment không bị đổi phương Với cấu trúc răng trên dây đai cao su, bộ truyền này hoạt động êm ái hơn so với truyền động xích hay cardan, đồng thời không yêu cầu nhiều bôi trơn, giúp quá trình bảo trì chỉ cần làm sạch và điều chỉnh lực căng Tuy nhiên, gia tốc quá lớn có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ của dây đai thang do chất liệu không phải kim loại.
Với những ưu điểm hơn so với các loại truyền động khác và giá rẻ nên ta chọn đai thang để truyền động tốc độ của động cơ
Ta chọn đai loại B, đường kính bánh đai nhỏ d1 = 60mm
nhỏ hơn vận tốc cho phép vmax = 25m/s
Với ε = 0,02, đường kính bánh đai lớn d2 = u.d1.(1- ε) = 2.60.(1 –0,02) = 117,6mm
Ta chọn đường kính bánh đai lớn là 120mm
Như vậy tỉ số truyền thực tế: ut = 2
Chọn sơ bộ khoảng cách trục a = 1,2d2 = 1,2.120 = 144mm
Theo công thức chiều dài đai: l = 2a + 0,5π(d1 + d2) + (d2 – d1) 2 /4a
Ta chọn chiều dài đai tiêu chuẩn là 560 mm
Nghiệm số vòng chạy của đai trong 1 giây: i = v/l = 7,06/5,6 < 10/s
Tính khoảng cách trục a theo chiều dài đai tiêu chuẩn l = 560mm a 2 2
B = (z – 1)t + 2e = 2.17 = 34 mm Đường kính ngoài bánh đai: da = d + 2h0 = 60 + 2.5,7 = 71,4 mm Lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục:
F0 = 780P1Kđ/(vCαz) + Fv, trong đó Fv = qm v 2 (định kì điều chỉnh lực căng) với qm = 0,3 kg/m, Fv = 0,3.7,06 = 2,118N, do đó
Lực tác dụng lên trục: Fr = 2F0zsin(α1/2) = 2.227,28.1.sin(155 0 /2) = 443,78N
3.3.3 Tính toán tải trọng tác động lực:
L = khoảng cách gối đỡ (mm) b = chiều rộng của mẫu thử (mm) d = độ sâu của dầm (mm)
3.3.4 Tính toán, lựa chọn động cơ:
Hiệu suất chung: η = ηđ.ηol 2.ηnđ Tra bảng 2.3 trang 19 [18] ta có: ηđ = 0,96 : Hiệu suất bộ truyền đại ηol = 0,99 : Hiệu suất 1 cặp ổ lăn η = 1 : Hiệu suất nối trục
Ta có công suất trên trục công tác:
P = (F.v)/1000 = (3500.1)/1000 = 3,5(kW) Công suất cần thiết cho động cơ:
Bảng so sánh các loại động cơ:
Loại động cơ Ưu điểm Nhược điểm Động cơ một chiều Đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng
Động cơ xoay chiều 1 pha có giá thành cao và khó tìm, điều này dẫn đến việc cần thêm vốn đầu tư Tuy nhiên, với công suất nhỏ, loại động cơ này rất thuận tiện cho các dụng cụ gia đình.
Hiệu suất thấp Động cơ xoay chiều 3 pha
( không đồng bộ ngắn mạch)
Kết cấu đơn giản, dễ bảo quản, làm việc tin cậy, có thể mắc trực tiếp vào lưới điện 3 pha
Hiệu suất thấp, không điều chỉnh được vận tốc
Dựa vào bảng trên, chúng ta quyết định chọn động cơ xoay chiều 3 pha với công suất 1,5kW Lý do cho sự lựa chọn này bao gồm kết cấu máy nhỏ gọn, khả năng chuyển động với tốc độ cao và tính kinh tế của động cơ.
D = lệch điểm ở trung điểm (mm) r = biến dạng (mm / mm)
L = khoảng cách gối đỡ (mm) d = độ sâu dầm (mm)
Thiết lập kết thúc thử nghiệm đến 10 7 chu kỳ
Vậy điều kiện để ngừng quá trình thử nghiệm:
3.3.6 Điểm nguy hiểm, nội lực mẫu thử:
Mẫu thử: PA6 + 30% GF- BK V30
Hình 3.20: Biểu đồ nội lực mẫu thử khi chịu tải trọng
58 Hình 3.21: Điểm ứng lớn nhất.
Hình 3.22: Điểm biến dạng lớn nhất
Các bước cài đặt, vận hành:
Bước 1: Đặt loadcell vào vùng thử để xác định tải trọng ban đầu
Bước 2: Sau khi đã xác định được tải trọng ban đầu, lấy loadcell ra khỏi vùng thử
Bước 3: Đưa mẫu nhựa vào vùng thử
Bước 4: Cho động cơ hoạt động, điều chỉnh tốc độ quay của motor bằng biến tần cho phù hợp
Bước 5: Theo dõi quá trình thử mẫu, lấy kết quả.
Bản vẽ thiết kế và bản vẽ chế tạo
Hình 3.25: Bản vẽ giá đỡ
61 Hình 3.26: Bản vẽ ống trượt
Hình 3.27: Bản vẽ tấm kê trục
62 Hình 3.28: Bản vẽ ống đỡ trượt
Hình 3.29: Bản vẽ tấm đỡ
63 Hình 3.30: Bản vẽ tấm đỡ
Hình 3.31: Bản vẽ bạc đồng
64 Hình 3.32: Bản vẽ tấm gá Lazer
65 Hình 3.34: Bản vẽ lót đồng
Hình 3.35: Bản vẽ tấm gá loadcell
66 Hình 3.36: Bản vẽ ống tay đẩy
Hình 3.38: bản vẽ nối Puly.
Mô tả mô hình 3D
69
Hệ thống cơ khí
4.1.1 Quy trình công nghệ chế tạo từng chi tiết:
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.1: Quy trình công nghệ gia công cam
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.2: Quy trình công nghệ gia công càng gạt
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.3: Quy trình công nghệ gia công ống trượt
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.4: Quy trình công nghệ gia công gối đỡ
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.5: Quy trình công nghệ gia công mũi đẩy
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.6: Quy trình công nghệ gia công giá đỡ mẫu thử
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.7: Quy trình công nghệ gia công giá đỡ 3
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.8: Quy trình công nghệ gia công giá đỡ 2
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.9: Quy trình công nghệ gia công giá đỡ 1
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
Bảng 4.10: Quy trình công nghệ gia công trục bậc
STT Tên nguyên công Bề mặt gia công
2 Tiện trụ dài LF mm 2
Bảng 4.11: Quy trình công nghệ gia công bạc ống đồng
Bước 1: Lắp bạc dẫn hướng vô khung của bộ phận tác động
Hình 4.1: Lắp bạc dẫn hướng vô khung của bộ phận tác động.
Bước 2: Lắp ống dẫn hướng vô khung của bộ phận tác động
Hình 4.2: Lắp ống dẫn hướng vô khung của bộ phận tác động
Bước 3: Lắp bộ khung của bộ phận tác động vô khung máy
Hình 4.3: Lắp bộ khung của bộ phận tác động vô khung máy
Bước 4: Lắp gối đỡ trục vô khung
Hình 4.4: Lắp gối đỡ trục vô khung
Bước 5: Lắp bánh đà, bạc đồng vô trục quay
Hình 4.5: Lắp bánh đà, bạc đồng vô trục quay
Bước 6: Sau khi lắp bộ truyền đai, gắn mô tơ vô tấm gá, sau đó lắp tấm gá vô khung máy
Hình 4.6: Sau khi lắp bộ truyền đai, gắn mô tơ vô tấm gá, sau đó lắp tấm gá vô khung máy
Bước 7: Lắp biến tần vô tấm gá, sau đó gắn tấm gá vô khung máy
Hình 4.7: Lắp biến tần vô tấm gá, sau đó gắn tấm gá vô khung máy
Bước 8: Lắp bộ phận đỡ nhựa
Hình 4.8: Lắp bộ phận đỡ nhựa
Bước 9: Sau khi lắp xong bộ phận đỡ nhựa, gắn bộ phận vô tấm gá, sau đó gắn tấm gá vô khung máy
Hình 4.9: Sau khi lắp xong bộ phận đỡ nhựa, gắn bộ phận vô tấm gá, sau đó gắn tấm gá vô khung máy.
Hệ thống điều khiển
Chức năng của hệ thống là đếm số chu kỳ thử nghiệm mẫu và ghi lại thời gian thử nghiệm từ khi bắt đầu cho đến khi kết thúc, đặc biệt khi xảy ra hiện tượng phá hủy vật liệu.
Vị trí lắp, lắp trên khung , cảm biến đặt nơi hành trình của bánh đà
Phương pháp sử dụng: cho máy hoạt động, cảm biến sẽ tự động đếm chu kì,, điều khiển với các nút nhấn với 3 chế độ: start, stop, reset
Module này hoạt động với hai cảm biến quang, có chức năng đếm chu kỳ đơn Khi di chuyển xuống, cảm biến sẽ nhận tín hiệu và ghi nhận một chu kỳ, trong khi khi di chuyển lên, mạch sẽ không thực hiện việc đếm.
(b) Hình 4.10 (a), (b): module đếm chu kỳ
Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điện
Vi điều khiển PIC16F887: Xử lý tín hiệu
Màn hình hiển thị LCD: Hiển thị kết quả
Mạch giao tiếp với máy tính: Xuất kết quả qua máy tính
Domino ứng với từng cảm biến
4.2.2 Module kiểm tra dạng tải:
Chức năng: xác định tải trọng đặt lên mẫu thử
Vị trí lắp: trong vùng đặt mẫu thử
Phương pháp sử dụng: gá loadcell tại vùng thử mẫu, bật máy hoạt động và xác định giá trị
Mô tả hoạt động của module: khi máy hoạt động, loadcell lực sẽ đo tải trọng đặt lên mẫu khi thử
(b) Hình 4.12 (a), (b): Module kiểm tra dạng tải
Hình 4.13: Sơ đồ lắp đặt mạch điện
- Mạch đọc được 10 giá trị/s
4.2.3 Module kiểm tra biến dạng:
Chức năng: xác định thời điểm kết thúc test mẫu
Vị trí lắp: vùng thử mẫu
Phương pháp sử dụng: cho máy test mẫu, đến khi mẫu mỏi thì module xuất tín hiệu kết thúc quá trình thử
Mô tả hoạt động của module: khi mẫu mỏi, module xuất tín hiệu báo hiệu kết thúc và máy tắt và thu kết quả thí nghiệm
