CÔNG NGHỆ SCAN 3D VÀ ỨNG DỤNG

CÔNG NGHỆ SCAN 3D VÀ ỨNG DỤNG

ThS. NGUYỄN THẾ LONG
ThS. TRƯƠNG HỒNG QUANG
Bộ môn Thiết kế máy - Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu tổng quan về công nghệ Scan và những ứng dụng của nó
trong các lĩnh vực khác nhau như: ngành chế tạo khuôn mẫu, sản xuất ôtô, chép mẫu và thiết
kế sản phẩm, trong lĩnh vực nha khoa cũng như mối quan hệ giữa công nghệ này và
CAD/CAM.
Summary: The article is about the principle of Scan 3D technology and its applications
in different industries such as: Mold tooling, Automotive, Reverengineering and design,
dentistry as well as the relationship between Scan 3D and CAD/CAM technology
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Để nâng cao năng suất và độ chính xác chế tạo, trong lĩnh vực CAD/CAM/CAE công nghệ
chép mẫu (REVERSE ENGINEERING) ngày càng được sử dụng rộng rãi. Bản chất của công
nghệ này là dùng các loại máy đo 3D với phần mềm thích hợp tái tạo lại bản vẽ thiết kế dưới
dạng số hoá của một sản phẩm có sẵn để tối ưu hay đưa vào gia công trên các máy tự động
CNC. Muốn vậy cần phải nắm vững công nghệ đo 3D mà trong đó SCAN 3D là một giải pháp
có nhiều ưu điểm, trong bài báo này các tác giả trình bầy nguyên lý và ứng dụng của công nghệ
đó.
II. NỘI DUNG
CK
A. Vài nét về công nghệ Scan 3D
Công nghệ Scan laser là một trong ứng dụng của công nghệ đo không tiếp xúc. Trong quá
trình đo máy sử dụng chùm ánh sáng Laser chiếu vào bề mặt của chi tiết cần đo, chùm tia sáng
được phản xạ lại từ bề mặt chi tiết được cảm ứng đo thu lại đưa vào bộ phận biến đổi của máy
đo và với sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm điều khiển đo cho ra kết quả của chi tiết đo dưới
dạng đám mây điểm.

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất máy Scan Laser như: Faro Arm, Metris,
Konika… Mỗi hãng có phần mềm Scan khác nhau, đưa ra độ chính xác khác nhau và sử dụng
tia sáng Laser có bước sóng khác nhau như Konika sử dụng ánh sáng Laser cấp I còn Faro Arm
lại sử dụng ánh sáng Laser cấp II … Nhưng về nguyên lí cơ bản đều giống nhau.
Sơ đồ nguyên lý
Đèn phát
Laser
Ánh sáng
Laser
Bề mặt
cần Scan
Thấu kính
Cảm biến
CCD
Xử lí của
phần mềm
Chỉ thị
Đám
mây điểm





- Nguyên lý làm việc
1. Đèn phát Laser: có nhiệm vụ phát ra ánh
sáng Laser có bước sóng thích hợp.
2. Thấu kính: có nhiệm vụ lọc và hội tụ tia
Laser được phản xạ lại từ bề mặt của chi tiết lên bề
mặt của cảm biến CCD.

3. Cảm biến CCD (Charge Couple Device):
Có nhiệm vụ thu nhận tia Laser được phản xạ từ bề
mặt chi tiết trên cơ sở so sánh các góc lệch giữa
chúng và đưa ra tín hiệu điện khác nhau.
4. Xử lí của phần mềm máy tính: Máy tính
với sự hỗ trợ của phần mềm máy tính có nhiệm vụ
thu nhận tín hiệu điện từ CCD gửi tới và xử lí tín
hiệu đó để đưa ra kết quả là đám mây điểm.
5. Chỉ thị: Đưa ra kết quả đo chi tiết được xử
lí từ máy tính là đám mây điểm.
Thực chất về nguyên lý của scan Laser giống như quá trình chụp ảnh thông thường, nhưng
chụp ảnh của Scan Laser là quá trình chụp ảnh các vật thể ở dạng ảnh 3 chiều trong khi đó nếu
là chụp ảnh thông thường thì chỉ là ảnh 2 chiều. Scan Laser sử dụng cảm biến Laser và gán vào
một hệ thống máy đo hệ thống này được định vị và được kiểm soát bằng máy tính, các máy đo
dùng trong Scan laser là các máy đo có thể được gán với máy CNC từ 3 đến 5 trục có kích
thước tương đối lớn kết cấu khá vững chắc hoặc có thể là mô hình máy xách tay rất nhỏ gọn.
Vật cần đo được đặt trực tiếp trên bàn hoặc được treo cố định hoặc cũng có thể có vị trí bất kỳ
trong không gian như các tượng đài, nhà cửa… mà không phải gá đặt phức tạp như các loại máy
đo CMM thông thường, đây là một lợi thế nổi trội của Scan laser. Với sự hỗ trợ của phần mềm
kiểm soát quét sẽ lái cảm biến Laser lướt trên bề mặt của vật cần quét bộ phận định vị 3D nằm
trên bề mặt của bộ cảm biến sẽ ghi lại các tín hiệu phản hồi được đưa ra bởi hệ thống quét theo
góc phản xạ của chùm ánh sáng được bề mặt của chi tiết phản xạ lại và tín hiệu này được so
sánh với tham số mẫu từ đó đưa ra cho ta kết quả đo là đám mây điểm.
K
CCK
K
ckck
Tất cả các hệ thống quét trong công nghệ Scan Laser đều sử dụng công nghệ dựa trên phép
đạc tam giác Laser. Bản chất của công nghệ này là máy ảnh hai chiều chụp ảnh dựa vào dải
sáng Laser như trong hình vẽ. Dải sáng được phát ra từ một đi ốt quang thông qua các bộ phân

biến đổi quang học sau đó được chiếu vào bề mặt của vật được quét tạo nên một mặt cắt trên
phần bề mặt được chiếu sáng, ánh sáng phản chiếu tạo ra các ảnh điểm trên đường chiếu được 1
trong hai bộ cảm ứng thu lại. Lý do có hai bộ phận cảm ứng thay vì một là: có thể vì một lý do
nào đó hình ảnh nghiêng trên bề mặt của vật thật không được một bộ phận cảm ứng nhận biết và
luôn cần có một bộ phận cảm ứng thứ hai có thể bắt được hình ảnh đó. Người sử dụng có thể bật
hai bộ phận cảm ứng nhưng chỉ một bộ phận cảm ứng hoạt động trong một thời điểm.
Tại mỗi mặt cắt tạo ra một ảnh 2 chiều hình dạng của hình ảnh 2 chiều này được ghi lại
bằng CCD kỹ thuật số và sau đó dựa vào kích cỡ và bảng Laser, vị trí Z được xác định và được
phần mềm lưu giữ lại vào trong một cơ sở dữ liệu và cuối cùng sẽ được tổng hợp lại thành bề
mặt của vật đựơc đo dưới dạng đám mây điểm.




Mô hình máy Scan Laser
Hình ảnh một số máy quét Laser








Hình 1. Scan 3D lắp trên máy đo CMM
Hình 2. Scan 3D lắp trên cánh tay robot
Hình 3. Scan 3D tự do
CK
Ưu, nhược điểm của công nghệ Scan laser
Ưu điểm

- Kết cấu nhỏ gọn: Máy Scan laser kết cấu nhỏ gọn hơn nhiều so với máy đo CMM có thể
có mô hình xách tay như hình trên.
- Gá đặt đơn giản: Khi Scan laser thì chi tiết cần Scan không cần phải gá đặt cầu kì mà có
thể được đặt trên bàn hoặc có một vị trí bất kì trong không gian vì khi đo dụng cụ đo không tiếp
xúc vào vật đo hơn nữa máy đo tự điều chỉnh tiêu cự của thấu kính cho phù hợp với khoảng
cách thay đổi tương đối giữa máy đo và vật được đo.
- Cho ra kết quả nhanh: Máy Scan Laser cho ra kết quả nhanh hơn rất nhiều so với Máy CMM.
- Rễ ràng xử lí kết quả: Cho ra kết quả là đám mây điểm rất rễ dàng xử lí trên các phần
mềm xử lý điểm chuyên dụng như: Geomegic, Catia…
- Đo được nhiều những vật có độ phức tạp mà máy đo thông thường không thể đo được.
- Độ phân giải cao: Độ phân giải của Scan laser cao hơn rất nhiều máy đo CMM. CMM chỉ
chính xác được một số giới hạn các vị trí có được gần đầu đo nhưng không thể chính xác và đầy
đủ toàn bộ sản phẩm. Vì vậy Scan Laser cho ra được số liệu bề mặt đầy đủ hơn số liệu mặt cắt
của CMM.
- Quét được nhiều kích thước sản phẩm khác nhau như toà nhà, tượng đài…


- Có thể quét được các mẫu dạng mềm như xà phòng, đất nặn…
- Có thể kiểm tra các bề mặt và so sánh với các điểm.
Nhược điểm
- Trước khi đo những bề mặt có mầu không phản quang phải sơn lại màu cho chi tiết đo
nên có thể làm ảnh hưởng đến những chi tiết mẫu có yêu cầu cao thẩm mĩ về mầu sắc.
- Mặc dù được sử dụng rất nhiều cho các ứng dụng đo, kiểm tra nhưng scan Laser không
thể đo chính xác từng micromet như máy đo CMM.
Độ chính xác của Scan Laser
Độ chính xác của công nghệ Scan Laser thấp hơn độ chính xác của công nghệ đo CMM
vào khoảng 35 µm.
Các phần mềm được sử dụng để xử lí dữ liệu sau khi Scan
Để xử lí được các dữ liệu Scan ta phải dùng các phần mềm xử lí điểm như: Geomegic
Studio, Geomegic Qualify, Rapid Form…

B. Ứng dụng công nghệ Scan Laser
- Ứng dụng trong thiết kế ngược: Trong ngành cơ khí có một bộ phận thiết kế luôn phải
dựng lại những chi tiết đã có sẵn gọi là bộ phận thiết kế ngược để phục vụ vào các việc sau:
+ Thiết kế lại khuôn cho chi tiết.
K
CCK
K
ckck
+ Dựng lại mô hình 3D để đưa vào gia công lại chi tiết.
+ Cải tiến một số bộ phận nào đó trên chi tiết cho phù hợp yêu cầu làm việc của chi tiết.
Đặc biệt là khi cần dựng lại những chi tiết có tính lắp ghép, lắp lẫn yêu cầu của những chi
tiết này là phải có độ chính xác rất cao để đảm bảo khả năng lắp ghép và điều kiện làm việc của
chi tiết cho nên việc lựa chọn công nghệ đo Scan laser và công nghệ đo 3D để đo dựng lại chi
tiết đó luôn là lựa chọn số một.



Hình 4. Một số ứng dụng của công nghệ Scan 3D



- Ứng dụng trong đo kiểm tra sản phẩm: Bất kì một sản phẩm nào sau khi sản xuất
xong để được đưa ra thị trường đều phải được kiểm tra xem có đảm bảo điều kiện làm việc của
nó không vì vậy trong các ngành sản xuất đặc biệt là sản xuất cơ khí chính xác luôn có một bộ
phận gọi là bộ phận kiểm tra chất lượng sản phẩm. Để kiểm tra chính xác được các kích thước
hoặc các bề mặt đặc biệt là các bề mặt phức tạp và có kích thước lớn người ta thường sử dụng
công nghệ Scan laser.
- Ứng dụng trong ngành khuôn mẫu: ngoài việc dựng lại chi tiết để để làm khuôn như
đã nói ở trên thì việc kiểm tra lại các kích thước của lòng lõi khuôn trước khi đưa vào sản xuất
có ý nghĩa quyết định trong ngành khuôn mẫu. Khi đó người ta đo các kích thước trong lòng lõi

khuôn và so sánh với các kích thước mẫu ban đầu từ đó tìm ra các sai lệch giữa chúng để có
phương án sửa chữa cho phù hợp.
- Ứng dụng trong cải tiến kiểu dáng: Với nhu cầu của thị trường hiện nay ngoài việc các
sản phẩm sản xuất ra nâng cao được tính năng thì yêu cầu về thẩm mĩ cũng đóng vai trò cực kì
quan trọng trong việc tiêu thụ sản phẩm của các ngành sản xuất như ngành sản xuất xe máy, sản
xuất ôtô, điện thoại di động… đó là những lĩnh vực phát triển rất mạnh hiện nay và có yêu cầu
về tính thẩm mĩ cao vì vậy người ta luôn luôn cần cải tiến kiểu dáng cho sản phẩm. Với các chi
tiết cần cải tiến người ta chỉ cần cải tiến một phần nào đó trên đó của sản phẩm khi ấy người ta
sử dụng công nghệ Scan laser để lấy mẫu chi tiết cần cải tiến. Sau đó dùng phần mềm thiết kế
dựng lại chi tiết đó và vẽ thêm vào hình dáng các bề mặt cần cải tiến vì vậy chi tiết thiết kế ra
vẫn đảm bảo tính lắp ghép với các chi tiết khác mà làm cho sản phẩm có kiểu dáng mới.

CK
- Ứng dụng trong thiết kế sản phẩm mới: Trong các ngành sản xuất luôn luôn c

Tạo mô hình bằng
đất nặn
Xử lí dữ liệu
Scan Laser
Gia công khuôn
Mũ đã được
hoàn chỉnh
mô hình đất nặn
được Scan Laser
H
ình 5.
M
ô hình
q
u

y
trình thiết kế sản
p
hẩm mới



















ần phải
đưa ra các kiểu dáng hoàn toàn mới cho sản phẩm để đảm bảo nhu cầu của thị trường, với


những sản phẩm phức tạp việc dựng các chi tiết của sản phẩm đó trên phần mềm gặp khó khăn
khi đó người ta thường dùng thạch cao hoặc đất sét tạo kiểu dáng cho chi tiết rồi sử dụng máy
Scan Laser lấy mẫu lại chi tiết và cuối cùng đưa lên phần mềm dựng lại hình dáng cho sản

phẩm.
- Ứng dụng trong ngành khảo cổ học: Trong ngành khảo cổ học có những vật người ta
cần tạo ra một bản sao để trưng bày, mục đích là để bảo tồn bản gốc để làm được việc đó người
ta sử dụng công nghệ Scan laser lấy mẫu lại hình dáng của vật sau đó sử dụng phần mềm
CAD/CAM thiết kế và gia công tạo được hình dáng của sản phẩm và cuối cùng sử dụng màu
sắc để làm cho vật có hình dạng giống với vật mẫu.
- Y học, phẫu thuật và và tái tạo: Trong y học thì có ứng dụng khá nhiều công nghệ
Scan laser nhưng ở đây chỉ xin nêu ra những ứng dụng điển hình nhất của công nghệ này đó là
ngành tái tạo giải phẫu.
+ Tạo xương nhân tạo: trong y học nhiều khi có những vụ tai nạn gây vỡ hỏng một phần
nào đó của xương như hộp sọ chẳng hạn yêu cầu đặt ra là phải tái tạo lại được phần xương đó để
thay thế cho phần xương đã bị mất đi và phần được thay thế đó phải phù hợp và có độ chính xác
cao khi ấy người ta cũng sử dụng máy Scan Laser
Để lấy lại mẫu và dùng CAD/CAM để tạo lại hình dáng cho phần xương đó và người ta
cũng làm tương tự như vậy cho ngành Nha khoa.



K
C

CK
K
ckck




Hình 6. Ứng dụng trong lĩnh vực nha khoa

III. K ẾT LUẬN
Do khuôn khổ bài báo có hạn các tác giả chỉ có thể giới thiệu sơ lược về SCAN 3D và các
ứng dụng của nó, nhưng cũng cho thấy hiệu quả to lớn mà nó mang lại cho sản xuất. Hiện công
nghệ này đã được đưa vào nội dung giảng dạy cho kỹ sư ngành Tự động hoá thiết kế cơ khí và
áp dụng vào các đề tài NCKH và chuyển giao công nghệ của bộ môn Thiết kế máy, trường Đại
học Giao thông vận tải.

Tài liệu tham khảo
[1]
www.lih - sing.com.
[2] Metris Document - 2007.
[3] www.congnghemoi.com.
[4] Top Solid Design 2008♦


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG PHẦN MỀM
ĐO GHI KẾT QUẢ KIỂM TRA THỬ NGHIỆM VAN HÃM

PGS. TS. ĐỖ VIỆT DŨNG
ThS. NGUYỄN VĂN NGHĨA
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bày quá trình lựa chọn các phần tử cơ bản và tính toán thiết kế,
chế tạo các cụm thiết bị chủ yếu của hệ thống đo ghi tự động dữ liệu đo trên bàn thử: chuyển
đổi ADC, vi xử lý, ghép nối máy tính, hiển thị, nguồn nuôi. Đồng thời trong chuyên đề cũng
thiết lập phần mềm đo, xử lý trên máy tính, lưu trữ và hiển thị số trên bàn thử.
Summary: The paper presents selecting process of basic items and designing calculation,
manufacturing main devices of automatically measurement and record system on testing table:
AD converting, micro information processing, computer integrating, display, power source.
The research also built measurement software, processing on computer, storage and

numberical display on testing table.

1. Đặt vấn đề
Bệ thử hãm chuyên dùng là thiết bị sử dụng để thử nghiệm van hãm đoàn tàu theo một quy
trình được xác lập từ trước. Các số liệu đo đạc thu thập trong quá trình thử nghiệm trên bệ theo
quy trình thử cho phép đánh giá chính xác, khách quan trạng thái kỹ thuật của từng loại van
cũng như tổng thể hệ thống hãm. Các thiết bị đo ghi kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm làm
nhiệm vụ thu thập các tham số phục vụ việc đánh giá chất lượng van hãm trên bàn thử. Các số
liệu mà hệ thống thu thập được phải đảm bảo đầy đủ, chính xác và mang lượng thông tin cao,
được lưu trữ và hiển thị rõ ràng nhằm giúp cho cán bộ thử nghiệm có được kết luận chính xác
về chất lượng và phục vụ công tác chẩn đoán trạng thái kỹ thuật, xác định hư hỏng của các van
hãm. Việc nghiên cứu lựa chọn các phần tử cơ bản: các cảm biến chuyển đổi, biến đổi ADC,
linh kiện điện tử…; tính toán thiết kế và chế tạo các cụm thiết bị chủ yếu của hệ thống đo ghi tự
động dữ liệu trên bàn thử: chuyển đổi ADC, vi xử lý, ghép nối máy tính, hiển thị, nguồn nuôi,
thiết lập phần mềm đo, xử lý trên máy tính, lưu trữ và hiển thị số trên bàn thử là một nội dung
nghiên cứu quan trọng trong đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ GD&ĐT mã số B2006-04-25 TĐ.
CK
2. Thiết kế hệ thống đo ghi số liệu tự động kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm
2.1. Tác dụng của thiết bị thử hãm đầu máy, toa xe và cơ sở lựa chọn các tham số đo
lường của hệ thống đo ghi [1]
Thiết bị hãm trước khi đưa ra sử dụng lắp trên đầu máy, toa xe phải được kiểm tra tính
năng trên bệ thử hãm chuyên dùng. Những thiết bị sau khi kiểm tra, đạt yêu cầu mới được phép
sử dụng. Máy thử hãm tổng hợp các loại van hãm là thiết bị chuyên dùng, có nhiệm vụ thử,
kiểm tra tính năng tác dụng và phát hiện các hư hỏng các bộ phận chi tiết của các loại van hãm,
van phân phối. Từ sơ đồ nguyên lý bàn thử hãm và các tham số tiêu chuẩn của các loại van hãm
đoàn tàu (bảng 1) [1], ta thấy các tham số cần đo lường, hiển thị và lưu trữ cho hệ thống đo ghi
trên bàn thử bao gồm thời gian tăng giảm áp và các giá trị áp suất không khí trên các vị trí
đường ống cần đo theo các đồng hồ: áp suất nguồn cấp, áp suất xi lanh hãm, áp suất đường ống
hãm, áp suất gió trong thùng gió phụ và thùng gió điều khiển.

Bảng 1. Thời gian tăng và giảm áp ống hãm tay hãm R-V
Vị trí Tên gọi Áp suất thay đổi KG/cm
2
Thời gian (giây)
1
2
3
4
5
6
Xả gió
Trung lập
Xả gió
Cấp gió
Cấp gió
Cấp gió nhanh
Xả nhanh gió ép thùng gió phụ
Bảo áp
4,2 ÷ 1
3,5 ÷ 4,9
3,5 ÷ 4,9
Cấp nhanh
<3

55462
546
244

Từ các thông số cần đo, ta có thể lựa chọn cấu hình cho thiết bị đo ghi như sau:

- Số lượng kênh đo của thiết bị cần 05 kênh đo
- Phạm vi giá trị đo áp suất không khí từ 0 KG/cm
2
đến 5.6 KG/cm
2
. Như vậy, để đảm bảo an
toàn và độ chính xác cần thiết, lựa chọn các thiết bị chuyển đổi đo lường có phạm vi đo từ 0
KG/cm
2
đến 8.0 KG/cm
2
và độ phân giải kết quả thu thập cần đạt được đến 10
-2
KG/cm
2
là hợp lý.
- Tốc độ thu thập số liệu theo yêu cầu tương đối thấp, khoảng 2 dữ liệu / giây cho cả 5 kênh đo.
2.2. Sơ đồ khối hệ thống đo ghi trên bàn thử
Hệ thống đo, ghi trên bàn thử hãm cần phải đảm bảo được một số yêu cầu cơ bản sau:
- Đảm bảo các chức năng đo lường và xử lý các tín hiệu.
- Có tốc độ đo, độ tin cậy cũng như độ chính xác cao,
- Cùng một lúc có thể đo nhiều giá trị khác nhau, tuỳ thuộc vào quy trình thử nghiệm của
từng loại van hãm
K
CCK
- Có kết cấu nhỏ, nhẹ, dễ lắp đặt, thao tác thuận tiện, hiện đại, phù hợp với trình độ công
nghệ tại các nhà máy trong ngành ĐSVN và khả năng đầu tư của ngành.
K
ckck
2.2.1. Sơ đồ khối lựa chọn của thiết bị

Sơ đồ khối chung của hệ thống đo ghi trên bàn thử hãm thể hiện trên hình 1.





ADC

.
.
.
Analog
Inputs

RS232
T¹o
nguån
DT
GN
RT
S
DOu
t
CT
Khèi ®iÒu
khiÓn (VXL)
CS
C
l
oc

DIN
Clock
ADC

Bé
nèi
ghÐp
trung
gian
.
.
.
ChuyÓn ®æi P1
Chu
y
Ón ®æi P2
Chu
y
Ón ®æi P3
Chu
y
Ón ®æi P4
ChuyÓn ®æi P5
Nguån nu«i

Hình 1. Sơ đồ khối thiết bị đo ghi xử lý dữ liệu tự động trên bàn thử hãm
Trên hình 1, các chuyển đổi áp suất P
i
(i = 1-5) sẽ chuyển đổi các thông số đo là các giá trị
áp suất:

- P1: giá trị áp suất gió ép cấp vào bàn thử (IN)


- P2: giá trị áp suất gió ép trong xi lanh hãm (XLH)
- P3: giá trị áp suất đường ống hãm (OH)
- P4: giá trị áp suất gió ép ở thùng gió phụ (TGP)
- P5: giá trị áp suất gió ép thùng gió điều khiển (ĐK)
Các giá trị áp suất khí ép được thu thập liên tục từ bàn thử bởi các bộ cảm biến Pi. Các tín
hiệu ra từ P
i
, được chuyển đổi thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi tương tự số ADC. Các tín
hiệu số tương ứng với mức tín hiệu đo, thông qua các khối điều khiển ghép nối với máy tính (bộ
vi xử lý) và phần mềm thích hợp qua cổng nối tiếp RS 232 và đưa đến các bộ hiển thị số đo trên
bàn thử.
Với phần mềm và giao diện thích hợp, trên máy tính điện tử sẽ hiển thị dữ liệu đo theo các
phương thức thích hợp dưới dạng bảng số liệu hoặc đồ thị áp suất theo thời gian đo. Các số liệu
thu thập được có thể lưu trữ trên máy tính hoặc in ra kết quả.
2.2.2. Tính toán thiết kế lựa chọn các cụm của thiết bị [2], [3]
a. Lựa chọn và bố trí các cảm biến (đầu đo)
Các điểm đặt cảm biến trên bàn thử cần xác định chính xác và có áp suất gió ổn định. Trên
bàn thử chọn điểm lắp đặt các bộ cảm biến áp suất trên đường gió từ bàn thử lên các đồng hồ
đo. Việc chọn cảm biến áp suất cho hệ thống đo ghi của bàn thử đòi hỏi chất lượng cao, yêu cầu
chịu được áp suất thay đổi liên tục, cần phải đáp ứng các yêu cầu: độ tuyến tính và chính xác
cao, có thể đo áp suất tĩnh với độ ổn định điểm zero cao, có độ nhạy với gia tốc nhỏ, có tuổi thọ
và chịu được sự thay đổi lực nén cao, có kích thước nhỏ gọn, giá thành hạ, dễ tìm kiếm. Trên cơ
sở phân tích một số ưu nhược điểm của các loại cảm biến áp suất thông dụng, lựa chọn ra loại
cảm biến áp suất phù hợp kiểu 511 (hình 2) [2].
CK

Hình 2. Cấu trúc và đặc tính dòng điện và áp suất cảm biến áp suất 511
1. Ngõ kết nối áp; 2. Miếng chống dò; 3.Chỗ cần bị kín; 4. Miếng Ceramic;
5. Đầu kết nối điện; 6. Mạch điện tử

p
min
p
max

4mA
20mA
p
I

ADC
®¹i l−îng
®o
Vi xö lý
RAM
GhÐp nèi
m¸y tÝnh
ADC
®¹i l−îng
®o
Vi xö lý

RAM
GhÐp nèi
m¸y tÝnh
Nguån








Hình 3. Sơ đồ khối mạch thu nhận số liệu và ghép nối máy tính


b. Thiết kế mạch thu nhận số liệu và ghép nối máy tính [2], [3]
Sơ đồ khối chức năng của mạch (hình 3). Từ sơ đồ khối, tiến hành thiết kế chi tiết mạch.
- Lựa chọn bộ vi xử lý: Trên cơ sở phân tích đặc tính các VXL, lựa chọn họ PsoC
(Programmable System on Chip) của Cypress, ký hiệu chip CY8C29466 [2].
Các đặc tính VXL chip CY8C29466 bao gồm 4 hệ thống: hệ thống PsoC trung tâm (PsoC
Core), hệ thống số (digital), hệ thống tương tự (Analog) và khối các tài nguyên (Resources) bao
gồm các thiết bị ngoại vi được tích hợp.
- Dồn kênh đầu vào: Để đồng thời đo các thông số áp suất cho 05 đầu đo của bàn thử, cần
có khối ghép kênh Analog để dồn kênh đầu vào của PSoC. Lựa chọn khối MIX 8 cho phép dồn
kênh 8 đầu vào analog.
- Chuyển đổi AD: Dựa vào các chỉ tiêu lựa chọn ADC cho bàn thử, đề tài lựa chọn ADC
PsoC 29466 loại DELSIG8 (hình 4). Ghép nối theo chuẩn của RS-232 với bộ biến đổi ADC
PsoC 29466 được ghép nối với máy tính bằng cổng COM2 với IC MAX23.

CK
K
C

K
ckck


Hình 4. Sơ đồ nguyên lý bộ DELSIG8
Nguồn nuôi cho toàn bộ hệ thống đo ghi có thể được lấy từ nguồn điện 80VAC đến
250VAC của Xí nghiệp hoặc phòng thí nghiệm hãm, đưa vào bộ nguồn biến đổi để được điện
áp ổn định mong muốn [2]. Sơ đồ nguyên lý bộ mạch thu thập, biến đổi tín hiệu, ghép nối máy
tính và nguồn nuôi thể hiện trên hình 5. Các khối đo ghi hiển thị kết quả đo được thiết kế theo
các mô đun độc lập để thuận tiện cho các quá trình thử nghiệm độc lập, đo đạc lưu động và mở
rộng chức năng khi cần thiết
c. Bộ hiển thị số liệu số (LED) [2]
Bộ hiển thị số liệu nhận số liệu từ mạch thu thập, biến đổi tín hiệu đo và hiển thị lên LED 7
vạch giá trị áp suất đo được từ mỗi cảm biến P
i
.
- Điều khiển quét LED: Sử dụng cùng loại chíp ADC PsoC 29466 loại DELSIG8 để nhận
tín hiệu từ mạch đo ghi để quét lên hệ thống 03 LED 7 vạch cho mỗi kênh ra.
- Bộ LED hiển thị: Sử dụng thanh LED 7 vạch, 03 số loại thông dụng để hiển thị giá trị áp
suất cho mỗi bộ hiển thị cho mỗi kênh đo.

Sơ đồ nguyên lý mạch của bộ hiển thị số cho một kênh đo sử dụng chíp PsoC 29466 thể
hiện trên hình 6. Từ sơ đồ nguyên lý, thiết kế sơ đồ mạch in cho bộ hiển thị cho từng kênh đo.
















Hình 5. Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi tín hiệu ghép nối máy tính và nguồn nuôi

CK
3. Chế tạo và lắp đặt hệ thống đo ghi số liệu tự động kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm
3.1. Quá trình chế tạo mạch thu thập số liệu và ghép nối máy tính (đo ghi)
Từ sơ đồ nguyên lý mạch (hình 5), lắp ráp các linh kiện và các phần tử tích cực: bộ VXL,
bộ ADC, IC MAX232 giao tiếp cổng RS232 lên mạch in được chế tạo. Để hiển thị trực tiếp
thông số áp suất của từng kênh đo, trên mạch lắp thêm hiển thị LCD.

P0[7]
1
P0[5]
2
P0[3]
3
P0[1]
4
P2[7]
5
P2[5]
6
P2[3]
7
P1 [7 ]S CL
10
P1[5]SDA
11
P2[1]
8
VSS
9
P1[3]

12
XS CL
13
Vss
14
XS D A
15
P1[2]
16
P1[4]
17
P1[6]
18
XRES
19
P2[0]
20
P2[2]
21
P2[4]
22
P2[6]
23
P0[0]
24
P0[2]
25
P0[4]
26
P0[6]

27
Vdd
28
Ps o c 1
Psoc
VCC
SC LK
SDA TA
XRESRX D1
TX D1
1
2
3
4
5
channap
JNapPsoc
VCC
XRES
SC LK
SDA TA
b
1
Vcc3
2
Vcc2
3
f
4
a

5
Vcc1
6
e
7
d
8
dp
9
c
10
g
11
12
12
a
b
c
g
d
e
dp
a
b
c
g
d
e
dp
a

b
c
g
d
e
dp
123
LT1
a1
b1
c1
d1
e1
f1
g1
h1
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 12
13 14
15 16
17 18
ULN2803
HEADER 9X2
DK1
DK2 DK3
a

c
de
fg
h
b
1
2
3
4
dauvao
CO N4
VC C1
GND
RXD
TXD
R3
RES1
R4
RES1
Z1
ZENE R1
Z2
ZENER1
RXD TXD
TX D1RX D1
DK1
DK2
DK3
GND
R6

RES1
R7
RES1
R5
RES1
C1
CAPACITOR
VCC
GND
a
c
e
g
h1
f1
d1
b1
b
d
f
h
g1
e1
c1
a1
diot
DIODE
VC C1
VCC

Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của bộ hiển thị số bằng LED 7 vạch cho mỗi kênh đo

• Đấu nối giữa bộ đo ghi với các cảm biến áp suất và các bộ hiển thị sử dụng jắc db25F.
Trong đó bao gồm các đường analog và nguồn cấp cho hệ thống theo sơ đồ chân tín hiệu:
+ Các chân 1, 2, 3, 4 và 10, 11, 12, 13 là các đầu vào analog.
+ Chân 8 là chân +12V, chân 6 là chân 0V.
• Đấu nối giữa bộ đo ghi với máy tính sử dụng jắc nối db9M cho giao tiếp RS232. Cáp
nối máy tính với bộ đo ghi sử dụng cáp null modem.
Toàn bộ khối đo ghi, nguồn nuôi các bộ hiển thị và các jắc nối được đặt trong hộp nhựa
cứng, màn hình LCD được lắp để kiểm tra trực tiếp các thông số đo và thông số cài đặt cho hệ
thống. Trên hình 7 là kết cấu hoàn chỉnh của bộ đo ghi, được bố trí ngay phía sau bệ lắp đồng
hồ đo, phía trên các cảm biến áp suất.
Từ các cảm biến, qua các đường cáp null modem truyền dẫn tín hiệu đo đến để biến đổi
ADC và xử lý trên khối đo ghi, được đấu nối vào các jắc db25F của nó theo sơ đồ chân trên sơ


đồ nguyên lý trình bày trên. Các tín hiệu số ra từ khối đo ghi, được truyền thông đến các bộ hiển
thị số (qua jắc db25F) và lên máy tính (qua jắc nối db9M cho giao tiếp RS232).

Hình 7. Kết cấu hoàn chỉnh của bộ đo ghi
3.2. Quá trình chế tạo, lắp ráp các bộ hiển thị số
Tương tự như với panel mạch đo ghi, để chế tạo mạch in cho các khối mạch hiển thị số
liệu, ta cũng sử dụng mạch in thông dụng và chế tạo mạch in bằng bằng phương pháp ăn mòn
với sơ đồ mạch in theo sơ đồ nguyên lý mạch đã được thiết kế. Hình dạng mạch in sau khi được
chế tạo thể hiện trên hình 8. Từ sơ đồ nguyên lý (hình 6), thực hiện việc lắp ráp các linh kiện đã
lựa chọn lên mạch in. Lắp jắc nối, sử dụng jắc db25F.
Vỏ của bộ hiển thị được chọn là loại vỏ nhựa cứng tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường. Trên
mặt phía trước vỏ có cửa sổ để lộ các thanh LED hiển thị số.
Các bộ hiển thị số của bàn thử (05 bộ) được lắp đặt ở mặt trước bàn thử, phía dưới các
đồng hồ đo áp suất tương ứng (hình 9).

CK
K
C
K
ckck
Hình 8. Mạch in panel và bộ hiển thị số

Hình 9. Vị trí lắp đặt các bộ hiển thị số
C¸c bé
hiÓn thÞ sè
C¸c bé
hiÓn thÞ sè

sau khi chế tạo hoàn chỉnh trên bàn thử hãm
4. Xây dựng phần mềm hiển thị xử lý kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm
Với các dữ liệu thu thập được từ chương trình thu thập dữ liệu, các dữ liệu được xử lý
thông qua các chương trình con để hiển thị kết quả dưới dạng đồ thị (đặc tính), dạng bảng số
liệu kết quả, sao lưu hoặc in ấn báo cáo kết quả thử nghiệm theo quy định của ngành đường sắt.
- Phần giao diện chung (hình 10): Phần giao diện chung, là phần thuật toán chương trình
phục vụ cho việc nhập các dữ liệu bằng bàn phím máy tính (các thông số quản lý kỹ thuật),
chọn chế độ thử nghiệm và đọc dữ liệu qua cổng COM (RS232) của máy tính theo sơ đồ khối
thuật toán thu thập dữ liệu (hình 10). Cho phép người sử dụng: khai báo các số liệu quản lý kỹ
thuật van hãm: thời gian, loại van hãm thử nghiệm, …; lựa chọn chế độ thử nghiệm, tương ứng
với khởi động các chương trình con theo các chế độ thu thập và hiển thị dữ liệu. Các chương
trình con tương ứng các chế độ thử nghiệm theo quy trình thử nghiệm van hãm đã xác định.


Các giao diện chế độ thử nghiệm được lựa chọn:
- Khi lựa chọn chế độ thử nghiệm van hãm nào đó, sẽ có giao diện của chương trình tương
ứng hiển thị dưới dạng đồ thị đặc tính P = f(t) (hình 11) và có thể lựa chọn chế độ hiển thị dưới
dạng bảng số liệu, sao lưu hoặc in ấn. Các giao diện chương trình con tương ứng với các chế độ
thử nghiệm các tính năng của van hãm bao gồm 7 chế độ thử nghiệm: Thử nghiệm tính năng
cấp gió, tính năng hãm, tính năng nạp gió-nhả hãm, tính năng hãm giai đoạn, tính năng tự động
bổ sung gió ép van hãm, thử nghiệm van xả gió nhả hãm trực tiếp (với loại van hãm có các tính
năng này).

CK


















Hình 10. Giao diện chung lựa chọn chế độ Hình 11. Giao diện hiển thị đặc tính P = f(t)
thử nghiệm chế độ cấp gió của van hãm loại 104
- Lựa chọn chế độ sao lưu, in ấn dữ liệu của quá trình thử nghiệm vừa thực hiện hoặc đã
thực hiện được lưu trong bộ nhớ máy tính.
- Từ sơ đồ khối chương trình, tiến hành xây dựng chương trình đo ghi các kết quả thử
nghiệm van hãm trên bàn thử hãm bằng ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Borland Delphi 6.0 [2].
5. Kết luận
Từ kết cấu bàn thử, quy trình thử nghiệm các loại van hãm toa xe và mô hình hệ thống đo
ghi tự động kết quả thử nghiệm đã lựa chọn, nội dung bài báo đã trình bày các bước cơ bản của
quá trình thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống đo ghi trên bàn thử nghiệm van hãm toa xe. Đồng

thời, cũng xây dựng được chương trình thuật toán đo ghi tự động, hiển thị kết quả đo thử
nghiệm.
Tuy nhiên, do mới là bước thiết kế chế tạo ban đầu, các điều kiện về kinh tế và kỹ thuật
chưa cho phép, chương trình đo ghi chỉ hạn chế ở việc hiển thị, lưu trữ, in ấn các tham số đo
trên máy tính, mà chưa có được chức năng chẩn đoán tự động cho chất lượng van hãm trong quá
trình thử nghiệm. Hạn chế này là tất yếu trong bước đầu nghiên cứu về lĩnh vực chẩn đoán van
hãm tự động trên bàn thử và hoàn toàn có thể khắc phục bằng cách tiếp tục đầu tư nghiên cứu
hoàn thiện thêm mô hình, thuật toán chẩn đoán tự động cho van hãm toa xe, cũng như đầu tư cơ
sở vật chất tại các cơ sở sản xuất của ngành đầu máy toa xe nước ta.

Tài liệu tham khảo
[1].
Đỗ Đức Tuấn, Vũ Duy Lộc và các tác giả, (2007), Thuyết minh: Nghiên cứu quá trình động lực học thuỷ khí
được ứng dụng trong thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra thử nghiệm van hãm, Chuyên đề, Đề tài NCKH cấp Bộ
GDĐT, ĐHGTVT.
[2]. Đỗ Việt Dũng, Nguyễn Văn Nghĩa, (2008), Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị và xây dựng phần mềm đo ghi
kết quả kiểm tra thử nghiệm van hãm, Chuyên đề, Đề tài NCKH cấp Bộ GDĐT, ĐHGTVT
[3]. Ngô Diên Tập (1996), Đo lường và điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật
♦


TÍNH TOÁN CƠ CẤU NÂNG HẠ THÙNG Ô TÔ TỰ ĐỔ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH

PGS. TS. NGUYỄN VĂN BANG
KS. NGUYỄN THÀNH CÔNG
Bộ môn Cơ khí ô tô
Khoa Cơ khí
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bầy phương pháp giải tích tính toán cơ cấu nâng hạ thùng ô tô tự
đổ sử dụng giàn nâng nối với khung phụ từ đó xác định các thông số kỹ thuật của cơ cấu này.
Summary: This article represents the analytic method of calculation to determine the
parameters of lifting the cargo bed of the dump truck.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong các tài liệu về thiết kế tính toán ô tô ở Việt Nam chủ yếu sử dụng phương pháp họa
đồ để tính toán cơ cấu nâng hạ thùng ô tô tự đổ. Nhược điểm của phương pháp này là độ chính
xác của kết quả không cao và không có khả năng tối ưu các thông số kết cấu của cơ cấu nâng
hạ. Bài báo này trình bày phương pháp giải tích để tính toán động học và động lực học cơ cấu
nâng hạ thùng xe tự đổ sử dụng giàn nâng nối với khung phụ từ đó xác định các thông số của cơ
cấu.
K
CCK
II. NỘI DUNG
K
ckck
Kết cấu của cơ cấu nâng hạ sử dụng giàn nâng nối với khung phụ thể hiện trên hình 1. Các
bộ phận chính của cơ cấu được liên kết với nhau thông qua các khớp trụ. Bộ phận chủ động là
xilanh thủy lực 1, khi làm việc dầu sẽ được bơm vào xilanh thủy lực đẩy cần đẩy của xilanh đi
lên thông qua giàn nâng và thanh đẩy đẩy thùng đi lên thực hiện quá trình trút hàng. Kết cấu
được sơ đồ hoá như trên hình 2.



Hình 1. Kết cấu cơ cấu nâng hạ sử dụng giàn nâng với khung phụ:
1- xilanh thủy lực; 2 - cụm giàn nâng; 3 - thanh đẩy; 4 - thùng xe; 5 - giá đỡ; 6 - khung phụ


1. Tính toán động học và động lực học cơ cấu
1.1. Tính toán động học cơ cấu

Việc xác định động học giúp xác định hành trình nâng lớn nhất S
max
của xilanh và góc quay
β của xilanh. Do vậy cần xác định động học dịch chuyển của cơ cấu từ khi bắt đầu nâng thùng
đến vị trí thùng được nâng đến góc lớn nhất để trút hết hàng.


Hình 2. Động học cơ cấu nâng thùng
Từ sơ đồ động học cơ cấu nâng thùng với các thông số được thể hiện trên hình 2 ta xác
định được các quan hệ hình học như sau:
1
ϕ=ϕ+α
2
(1)
Trong đó:
2
h
arctg
l
α=


22
2
AABC
2arctg
BC
±+−
ϕ=
2

−
(2)
CK
với: A =
; B =
12 1 24
2ddsin 2ddsinϕ+ α
12 1 24
2d d cos 2d d cos
ϕ
−α
;
C =
222
14 1 1 2 3 4
2d d cos( ) d d d dϕ−α+ + − +
2
22
3
DDEF
2arctg
EF
±+−
ϕ=
−
2
(3)
trong đó:
D = ; E =
34 13 1

2d d sin 2d d sinα− ϕ
13 1 34
2d d cos 2d d cos
−
ϕ+ α

F =
2222
1234 14 1
dddd2ddcos(−++− ϕ−α)
22
1
da
ρ
=+
(4)
Từ (1), (2), (3), (4) ta xác định được chiều dài của xilanh như sau:
x =
22
61 61 3
d 2d cos( )
+
ρ− ρ −λ+ϕ+γ
(5)
trong đó λ = arccos
d
a
, γ = arccos
22
36

36
ddd
2d d
2
5
+
−
.
Thay giá trị ϕ = 0
O
ta xác định được chiều dài xilanh khi chưa nâng thùng là O
1
B. Thay giá


trị ϕ
max
là góc nâng thùng lớn nhất để đảm bảo trút hết hàng thì của xilanh trên giàn nâng là
O
1
B’. Hành trình nâng của xilanh:
S = O
1
B’ - O
1
B
Từ đó xác định được góc β:
22
16
1

xd
ar cos
2x
2
+
ρ−
β=
ρ

1.2. Tính toán động lực học
Tính toán động lực học cơ cấu nâng hạ là xác định lực cần thiết để nâng thùng giúp cho
việc xác định các giá trị tải trọng đặt lên cơ cấu. Tải trọng G trên hình 3 bao gồm trọng lượng
bản thân thùng và tải trọng định mức.

Hình 3. Sơ đồ xác định lực nâng của kích
Từ hình 3 xác định mô men đối với các điểm tựa O
2
và O
3
, bỏ qua lực ma sát ta có:
K
CCK
F
1
=
4
3
l
F
l

; F
1
=
1
2
l
G
l
; F =
13
24
l.l
G
l.l
(6)
K
ckck
Trong đó: F - lực nâng của kích; G - trọng lượng của hàng và thùng; l
1
, l
2
- cánh tay đòn
của các lực tới O
3
; l
3
, l
4
- cánh tay đòn của các lực tới O
2

.
Như vậy, để xác định F ta phải xác định được l
1
, l
2
, l
3
, l
4
(hình 3):
l
1
= ρcos(ϕ + α
1
) (7)
Trong đó:
ρ =
22
gg
lh+
α
1
= arctg(l
g
/h
g
)
l
2
= d

1
sin(ϕ
1
+ ϕ
2
) (8)
l
3
= d
3
sin(ϕ
2
+ ϕ
3
) (9)
l
4
= ρ
1
sinβ (10)
Từ các phương trình (7), (8), (9), (10) thay vào (6) ta được tải trọng tác dụng vào xilanh
thuỷ lực khi ô tô bắt đầu nâng thùng:

11 3 23
112 1
( cos( ))*(d sin( ))
FG
(d sin( ))*( sin )
ρϕ+α ϕ+ϕ
=

ϕ+ϕ ρ β



2. Tính toán cơ cấu nâng hạ cho một xe cụ thể
Áp dụng phương pháp trên với các thông số kết cấu cơ cấu nâng thùng xe tự đổ 15 tấn như
sau:
a = 1475; b = 940; c = 15; d = 7; h = 208; l = 913; h
g
= 802; l
g
= 1495; d
1
=
22
hl+
; d
2
=
548; d
3
= 477; d
4
=
2
cb+
2
; d
5
= 239; d

6
= 394 (đơn vị các kích thước hình học tính bằng
mm); G = 150000 (N).
Từ các thông số trên ta xây dựng các quan hệ giữa hành trình nâng xilanh và lực tác dụng
lên xilanh theo góc nâng thùng như hình 5 và hình 6. Để đảm bảo trút hết hàng khi đổ chọn góc
nâng thùng lớn nhất ϕ
max
= 54
o
khi đó hành trình xilanh S
max
= 1822 - 1138 = 684 (mm). Lực
nâng tác dụng lên xilanh: F = 210900 (N).


Hình 5. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ
Hình 6. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ
giữa lực tác dụng lên xilanh và góc nâng thùng.
giữa chiều dài xilanh và góc nâng thùng.
CK

III. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày phương pháp giải tích để tính toán hành trình nâng và lực tác động lên
xilanh của cơ cấu nâng hạ. Từ đó tác giả đã xây dựng mối quan hệ giữa hành trình nâng và lực
tác động lên xilanh với góc nâng của thùng xe. Đã có kết quả tính toán cho một đối tượng cụ
thể.

Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Hữu Cẩn - Phan Đình Kiên, Thiết kế tính toán ô tô máy kéo, NXB Đại học và trung học
chuyên nghiệp, Hà nội, 1984.

[2]. Trịnh Chí Thiện, Bài giảng ô tô chuyên dùng, 2006.
[3]. А.И.ГРИШКЕВИЧ, АВТОМОБИЛИ: конструкция, конструирование и расчет. Cисмемы
управления и хоgoвая часшь, Bышейшая школа, Mинск 1987.
[4]. А. Д. ДЕРБАРЕМДИКЕЯ. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ АМОРТИЗАТОРЫ АВТОМОБИЛЕЙ,
Машиностро ениe, Москва. 1969
[5]. А. И. Тришкевич, Автомобили Большой Мощности, Высшейшая школа, Минск 1988.
[6]. B. M. КРУГОВОЙ, Автомобипи КрАэ, Техническое обспуживание и ремонт, Москва 1968♦



NGHIấN CU NH GI BN MI CA KHUNG GI CHUYN HNG
V TRC BNH XE U MY D19E
TRấN C S Lí THUYT NG DNG PH HU MI DNG TUYT I

PGS. TS. NGễ VN QUYT
Hc vin K thut Quõn s
GS. TS. C TUN
Trng i hc Giao thụng Vn ti
ThS. PHM Lấ TIN
Trng Cao ng ngh ng st I

Tóm tắt: Bi báo giới thiệu phơng pháp nghiên cứu v các kết quả đánh giá độ bền mỏi
(hệ số an ton mỏi) của khung giá chuyển hớng v trục bánh xe đầu máy D19E đang sử dụng
tại Xí nghiệp đầu máy H Nội trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối.
Summary: In this article, author presents the reseach method and the evaluation result of
Fatigue Strength (calculation ratio of Fatigue Safety) of bogie frame and wheel shafts of
locomotive- type D19E which have been operating by Hanoi Locomotive Enterprise basing on
theory of absoluteness similar fatigue failure.

I. Đặt vấn đề

Đầu máy D19E l loại đầu máy chiếm một tỷ lệ lớn trong tổng số các loại đầu máy hiện có
của nớc ta. Sau khoảng 2 năm vận dụng loại đầu máy ny tại Xí nghiệp đầu máy H Nội, các
x dọc của một số lớn khung giá chuyển hớng đã xuất hiện các vết nứt, dẫn tới nguy cơ mất an
ton rất lớn cho việc chạy tu. Để có cơ sở tiếp tục sử dụng, khai thác loại đầu máy ny trong
thời gian tới với yêu cầu tốc độ chạy tu ngy cng đợc nâng cao, thời gian vừa qua ngnh
đờng sắt Việt nam đã đề xuất vấn đề nghiên cứu v đánh giá độ bền mỏi của các kết cấu bộ
phận chạy của đầu máy, trong đó có trục của bánh xe v khung giá chuyển hớng.
K
CCK
K
ckck
Để đánh giá đợc độ bền mỏi của khung giá chuyển hớng v trục bánh xe đầu máy D19E
cần có các kết quả chính xác về các đặc trng mỏi của vật liệu bằng cả phơng pháp thực
nghiệm v bằng cả phơng pháp tính toán lý thuyết. Trong bi báo ny trình by phơng pháp
đánh giá độ bền mỏi của khung giá chuyển hớng v trục bánh xe của đầu máy D19E theo
phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tuyệt đối [2].
II. NGHIấN CU, TNH TON
2.1. Cơ sở đánh giá độ bền mỏi khung giá chuyển hớng đầu máy D19E theo phơng
trình đồng dạng phá huỷ mỏi tuyệt đối
a. Cơ sở lý thuyết tính hệ số an ton
Khung giá chuyển hớng đầu máy D19E vừa chịu mô men xoắn, vừa chịu mô men uốn v
lực dọc x nên ứng suất tại điểm nguy hiểm của mặt cắt nguy hiểm thay đổi theo chu kỳ ứng
suất không đối xứng (r
- 1) [2] với trờng hợp k


/ k

1 (k

/ k

< 1).
Hệ số an ton mỏi đợc xác định:
]s[
)]1s)(
k
k
1(21[ss
s.s
s
22

++
=





(1)


Hệ số an ton mỏi thnh phần đợc xác định:

mma
1

k

.
s
++



=





, (2)
mma
1

k
.
s
++



=





, (3)

Trong đó: v : giới hạn bền mỏi khi chịu uốn v xoắn của mẫu chuẩn; v
1

1

m

m

:
ứng suất pháp v tiếp trung bình; v
a

a

: ứng suất pháp v tiếp biên độ; k


v k


: hệ số tập
trung ứng suất pháp v tiếp thực tế;


v

: hệ số ảnh hởng kích thớc;

,


,



v

:
hệ số ảnh hởng của vật liệu.
b. Phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi tuyệt đối v chỉ tiêu đồng dạng [2]
- Theo luật phân phối Weibull:

)P1lg(3,2
)1(u
)1m(
1
G
L
I
1m
m
0
F
0
=

+
=
+
(4)
Trong đó:
u
max

=
;
max
G
G

=
;
G - Građien tuyệt đối của ứng suất chính lớn nhất;
u,

0
, m - Những thông số của phân bố;
P - Xác suất phá huỷ ở vùng có tập trung ứng suất khi chịu ứng suất giới hạn cực đại nhng
không vợt quá

max
khi
max
> u;
CK
L - Chu vi hoặc một phần chu vi của mặt cắt ngang có tập trung ứng suất

max
.
Phơng trình (4) đợc gọi l phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối hay
phơng trình đồng dạng Serenxen-Cogaev. Nhân tử
O
F
G
L
(v
G
L
nếu nh giả thiết F
0
= 1 mm
2
)
đợc gọi l chỉ tiêu đồng dạng phá huỷ mỏi.
ý nghĩa của chỉ tiêu ny l: các mẫu thí nghiệm v các tiết máy có kích thớc v sự tập
trung ứng suất khác nhau, nhng nếu có cùng một giá trị chỉ tiêu đồng dạng thì trên thực tế có
cùng một hm phân bố giới hạn mỏi.
- Theo luật phân phối chuẩn:
Theo luật phân phối chuẩn với đại lợng ngẫu nhiên X = lg(

max
- u) nhận đợc phơng
trình sau:

max P
L
lg( u) AL Blg u S
G
= +
(5)
Trong đó:
1
m
1
'B
+
=
;
[
]
{
}
159,0u)1m(lg
1m
1
L'A
m
0
+

+
=
;
u
P
- Phân vị của phân phối chuẩn ứng với xác suất phá huỷ P;
S - Sai lệch bình phơng trung bình của đại lợng ngẫu nhiên X = lg(

max
- u).


Các đại lợng còn lại tơng tự nh giải thích của phơng trình (4).
2.2. Nghiên cứu, tính toán xác định mặt cắt chịu ứng suất lớn nhất của khung giá
chuyển hớng v trục bánh xe đầu máy D19E
a. Khung giá chuyển hớng đầu máy D19E
Kết cấu khung giá
chuyển hớng đầu máy
đựơc thể hiện trên hình 1.
Viện Cơ học đã thực
hiện các công việc khảo sát
đầu máy D19E - 903 với
khung giá chuyển hớng
cha đợc gia cờng kéo tu
khách E1/E2 trên tuyến H
Nội - Đ Nẵng - H Nội [3].
Tại các điểm P4 v P7 ở
tấm đáy dới của x dọc
khung giá chuyển hớng có
các giá trị ứng suất tĩnh, ứng

suất động trung bình, biên
độ ứng suất động v số lợng
xung biến dạng có giá trị
biến dạng lớn xuất hiện
nhiều hơn so với các điểm đo
khác. Kết luận nh sau [3]:
- ứng suất tĩnh

0
= 660
kgf/cm
2
- Trên đờng đồng bằng:
ứng suất động:

a
= 30,87
MPa với số xung l 1567;

a
=
20,58 MPa với số xung l 8629;
ứng suất tổng:
= 95,55
MPa.
- Trên đờng đèo dốc:

CK
K
C

K
ckck
ứng suất động:
a
= 61,74
MPa; ứng suất trung bình

m

=
120,25 MPa;
ứng suất tổng:
= 126,42
MPa.
b. Trục bánh xe đầu máy D19E
Kết cấu trục bánh xe đầu máy đợc thể hiện trên hình 2.
Mặt cắt của phần trụ đỡ động cơ điện kéo (IV) bên phải (bên không lắp bánh răng) trên trục
bánh xe đầu máy D19E có ứng suất pháp v tiếp lớn nhất, vậy mặt cắt đó mặt cắt xung yếu của
trục bánh xe đầu máy.
Hình 2. Bộ trục bánh xe đầu máy D19E

1. Trục bánh xe; 2, 5. Mâm bánh xe; 3. Lỗ dầu bánh răng;
4. Bánh răng bị động; 6. Lỗ dầu bánh xe
198
212
1814,3
IV
P
7
P 4

Hình 1. Kết cấu khung giá chuyển hớng đầu máy D19E


Kết quả tính toán ứng suất pháp v tiếp tổng hợp tại mặt cắt IV của trục bánh xe đầu máy
D19E đợc cho trong bảng 1.
Bảng 1. Kết quả tính toán ứng suất pháp v tiếp tổng hợp tại mặt cắt IV
của trục bánh xe đầu máy D19E
ứng suất

u
(KN/cm
2
)
N
(KN/cm
2
) (KN/cm
2
)

Mặt cắt IV 3,6671 0,3663 0,8639 4,0334
c. Nghiên cứu thử nghiệm xác định các đặc trng cơ học, đặc trng mỏi mẫu vật liệu khung
giá chuyển hớng v trục bánh xe đầu máy D19E
Đã tiến hnh phân tích thnh phần kim loại của vật liệu khung giá chuyển hớng đầu máy
D19E (đợt 1) khi vo cấp sửa chữa tại Xí nghiệp đầu máy H Nội. Phân tích thnh phần xác định
mác thép do Trung tâm đánh giá h hỏng vật liệu - COMFA thuộc Viện khoa học Vật liệu tiến hnh.
Độ dai phá huỷ đợc xác định theo tiêu chuẩn PP - ASTM E399 - 90. Quá trình thử nghiệm
đợc tiến hnh tại Phòng thí nghiệm vật liệu tính năng kỹ thuật cao thuộc Viện cơ khí năng
lợng v mỏ.
Thí nghiệm xác định các đặc trng cơ học, giới hạn mỏi của vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM

E8 đợc tiến hnh tại Phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu của trờng Đại học Giao thông Vận tải.
Kết quả xác định các đặc trng cơ học, giới hạn mỏi của vật liệu cho trong bảng 2.
Bảng 2. Kết quả xác định các đặc trng cơ học, giới hạn mỏi của vật liệu
Mỏc thép

0,2
(MPa)



b
(MPa)
E(MPa)

-1
(MPa)
N
0
(chu kỳ)
K
IC
MPa.m
1/2
KGCH 295 575 2,16.10
5
248 6.10
6
43,18 12Mn
CK
TBX 55 380 645 2,12.10

5
317 6.10
6
35
2.3. Tính toán hệ số an ton mỏi của khung giá chuyển hớng v trục bánh xe đầu máy
D19E bằng phơng trình đồng dạng phá hủy mỏi dạng tuyệt đối
a. Tính toán hệ số an ton mỏi của khung giá chuyển hớng đầu máy D19E
Đặc điểm chung của các khung giá chuyển hớng gặp sự cố l tất cả các vết nứt đều xuất
hiện trên tấm đáy dới v đều thuộc mặt phẳng vuông góc với đờng tâm (phơng OX) của x
dọc. Vì vậy hệ số an ton mỏi đợc tính toán theo phơng pháp tuyến với mặt phẳng vuông góc
với đờng tâm tấm đáy dới của x dọc khung giá chuyển hớng đầu máy D19E.
+ Tìm hệ số tập trung ứng suất lý thuyết K

t
[2];
+ Xác định gradien tơng đối của ứng suất chính thứ nhất

G
theo [2]:
Vậy:
(
)


+
=

13,2
G
,

Trong
ó:
()
2/t4
1
+
=
.
+ Tính giá trị

G
L
lg
trong phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi;


+ Tìm giá trị hệ số ảnh hởng của kích thớc


(chịu ứng suất pháp) [2]:

+=




G
L
.
3,88
1
15,0

+ Tính hệ số tập trung ứng suất thực tế (K

)
DC
:
()

tb
DC
1
1
1
K
K











+

=




trong đó:
v
tb
- hệ số ảnh hởng của gia công, tăng bền bề mặt chi tiết.
+ Tính giá trị trung bình giới hạn mỏi của x dọc khung giá chuyển hớng đầu máy D19E:

()
(
)
()
DC
do
1
DC
1
K




=

+ Tính hệ số an ton mỏi ứng suất pháp s

(r - 1)
(
)
()
1
do
am
DC
s
K

=


+



Kết quả tính toán cho trong bảng 3.
Bảng 3. Kết quả tính toán các thông số

G


G
L
lg



(K

)
DC
(
-1
)
DC
K

t
(MPa)
s

1,53
K
CCK
K
ckck
0,078 2,4 0,945 1,95 127,18 1,8
- Nhận xét:
Trên đờng đèo dốc:


tại điểm

P4 (vùng nguy hiểm) v P7 (vùng nhạy cảm) chịu ứng suất
= 126,42 MPa gần bằng (
-1
)
DC
= 127,18 MPa (giá trị trung bình giới hạn mỏi của x dọc
khung giá chuyển hớng đầu máy D19E).
Hệ số an ton cho phép của khung giá chuyển hớng đầu máy [s] = 2
ữ 2,5 theo [7]. Có thể
kết luận tấm đáy dới x dọc khung giá chuyển hớng đầu máy D19E (đợt 1) đang vận dụng ở
Xí nghiệp đầu máy H Nội không đảm bảo hệ số an ton mỏi.
b. Tính ứng suất lớn nhất tại vùng nguy hiểm của x dọc khung giá chuyển hớng đầu máy
D19E theo xác suất phá huỷ

- Tính ứng suất lớn nhất với phơng trình đồng dạng phá huỷ mỏi dạng tuyệt đối theo phân
bố chuẩn (5):
1
u . 248.0,5 124MPa


= = =
Xác định các thông số của phân bố theo [2], căn cứ vo các đặc trng cơ học, đặc trng mỏi
của vật liệu ta có: A
L
= 1,33; B = 0,23; S = 0,08.
u
P
- phân vị của phân phối chuẩn đợc xác định theo [2]:
Thay vo phơng trình ta có:


max P
lg( 124) 1,33 0,23.2,4 u .0,08 = +

Tính v vẽ đồ thị quan hệ giữa

max
tơng ứng với u
P
nhờ phần mềm toán học Maple V
(hình 3).
Giá trị

max

tơng ứng với u
P
cho trong bảng 4.
Bảng 4. Giá trị

max
tơng ứng với u
P
TT P% U
p

max
1 10
-7
- 6 125,986
2 10
-6
- 5,6 126,138
3 10
-5
- 5,2 126,301
4 10
-4
- 4,8 126,477
5 10
-3
- 4,3 126,716
6 10
-2
- 3,6 127,090

7 10
-1
- 3,2 127,327
8 1 - 2,4 127,855
9 10 - 1,2 128,808
10 20 - 0,9 129,082
11 30 - 0,6 129,370
12 40 - 0,3 129,675
13 50 0 129,998
14 84 1 131,211
15 100 1,6 132,054
solve(log[10](sigmamax-124)=1.33-0.23*2.4+1.6*0.08,{sigmamax});
CK
plot((log[10](sigmamax-124)-1.33+0.23*2.4)/0.08,sigmamax =125.986 132.054, up =-
6 1.6);

Hình 3. Đồ thị mối quan hệ

max
với u
P
- Nhận xét
Với giá trị trung bình giới hạn mỏi của x dọc khung giá chuyển hớng đầu máy D19E
(

-1
)
DC
= 127,18 MPa tơng ứng với:
Trên đờng đèo dốc: tại điểm

P4 (vùng nguy hiểm) v P7 (vùng nhạy cảm) đã chịu ứng suất
= 126,42 MPa gần tới giới hạn mỏi của x dọc khung giá chuyển hớng v có xác suất phá


huỷ P = 1 ữ 10% vì P: xác suất phá huỷ ở vùng có tập trung ứng suất khi chịu ứng suất giới hạn
cực đại nhng không vợt quá

max
khi
max
> u.
c. Tính toán hệ số an ton mỏi của trục bánh xe đầu máy D19E
Kết quả tính toán các thông số v hệ số an ton cho trong bảng 5.
Bảng 5. Kết quả tính toán các thông số v hệ số an ton
G


G






s
K

K

(K

)
DC
(K

)
DC
s

s

1,38 1,08 0,107 0,0492 0,8342 0,6883 1,75 1,52 3,9 11,1 3,7
Theo [2] trang 187, tìm đợc hệ số an ton cho phép [s] = 1,5 ữ 2,0.
Hệ số an ton mỏi ton phần của trục bánh xe đầu máy D19E l 3,6 lớn hơn [s].
Vậy trong trờng hợp ny, trục bánh xe đầu máy D19E đảm bảo độ bền mỏi.

III. KT LUN
Tấm đáy dới x dọc khung giá chuyển hớng đầu máy D19E (đợt 1) vận dụng ở Xí
nghiệp đầu máy H Nội không đảm bảo an ton mỏi. Trên đờng đèo dốc, tại một số điểm nguy
hiểm v nhạy cảm đã chịu ứng suất gần tới giới hạn mỏi của x dọc khung giá chuyển hớng,
vậy khung giá chuyển hớng đầu máy D19E (đợt 1) không thể tiếp tục khai thác v sử dụng.
Hệ số an ton mỏi ton phần của trục bánh xe đầu máy D19E l lớn hơn hệ số an ton mỏi
cho phép, vậy trục bánh xe đầu máy D19E đảm bảo độ bền mỏi với đặc trng ấy, đầu máy D19E
hon ton đợc tiếp tục khai thác v sử dụng.
K
CCK
K
ckck
Để duy trì tuổi thọ mỏi lớn cho kết cấu khung giá chuyển của đầu máy D19E cần phải

quan tâm đặc biệt đến gia cờng thêm cho kết cấu khung giá chuyển v chất lợng đờng ở các
khu gian.


Ti liệu tham khảo
[1]. Ngô Văn Quyết. Nhập môn cơ học phá huỷ. Hội cơ học Việt Nam. H nội 1987.
[2]. Ngô Văn Quyết. Cơ sở lý thuyết mỏi. NXB Giáo dục, H Nội 2000.
[3]. Báo cáo két quả đo kiểm tra v đánh giá trạng thái ứng suất - biến dạng động trên khung giá chuyển
hớng đầu máy D19E-903 v D19E-907. Viện Cơ học, H Nội 2003.
[4]. Phạm Lê Tiến. Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi trục bánh xe đầu máy D9E trên cơ sở lý thuyết đồng
dạng phá huỷ mỏi. Luận án Thạc sỹ Kỹ thuật. H Nội 2003.
[5]. Ngô Văn Quyết, Đỗ Đức Tuấn, Phạm Lê Tiến. Nghiên cứu đánh giá độ bền mỏi trục bánh xe đầu máy
D9E trên cơ sở lý thuyết đồng dạng phá huỷ mỏi. Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, Số 5/2004,
trang 20 - 27.
[6]. Ngô Văn Quyết, Đỗ Đức Tuấn, Phạm Lê Tiến. Nghiên cứu hiện tợng nứt trong khung giá chuyển
hớng của loại đầu máy D19E vận dụng ở xí nghiệp đầu máy H Nội. Tạp chí Khoa học Giao thông
Vận tải, Số 12, tháng 11/2005, trang 167 - 170.
[7]. Nguyễn Hữu Dũng. Cấu tạo v tính toán đầu máy Diesel. Nh xuất bản Giao thông vận tải, H Nội,
2005



BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP LUẬN
XÂY DỰNG HỆ SỐ PHÁT THẢI Ô NHIỄM KHÍ
DO HOẠT ĐỘNG GIAO THÔNG ĐÔ THỊ PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN HÀ NỘI

ThS. TRỊNH XUÂN BÁU
Bộ môn Kỹ thuật môi trường
Viện Khoa học và môi trường giao thông
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Ô nhiễm không khí tại các đô thị lớn ở Việt Nam nói chung và Hà Nội nói riêng
trong những năm gần đây đã ở mức báo động và được thể hiện rõ tại Báo cáo môi trường
Quốc gia năm 2007. Nguyên nhân chủ yếu là do tốc độ gia tăng nhanh chóng của các phương
tiện giao thông trong khu vực đô thị. Nội dung bài viết này trình bày cách thức tiếp cận
phương pháp luận tính toán xây dựng hệ số phát thải ô nhiễm khí do hoạt động giao thông đô
thị. Hệ số phát thải là cơ sở để tính toán kiểm kê nồng độ và tải lượng các chất ô nhiễm phát
sinh cũng như dự báo mức độ ô nhiễm phát sinh theo các kịch bản phát triển của đô thị trong
tương lai. Hệ số phát thải là công cụ hữu hiệu trong công tác quản lý, kiểm kê và dự báo phát
thải ô nhiễm khí liên quan đến hoạt động của các phương tiện giao thông, loại hình nhiên liệu
tiêu thụ và đặc tính của hạ tầng giao thông đô thị của một thành phố hoặc một quốc gia cụ thể.
Summary: In recent years, air pollution in some big cities of Vietnam, in generall, and in
Hanoi, in particular, has been increased alarming. It was presented clearly in Vietnam
National Environmental Annual Report of 2007. The main cause is the fast growth rate of
means of transportation in urban areas. In this report, the way to approach to methodology of
air pollutant emission factor estimation for transportation activies in urban areas was
presented. Emission factor is the base to calculate and inventory concentration and loading of
pollutants and predict pollution level follow scenes of future development of urban. Emission
factor also is useful tool in management, inventory and prediction of air pollutant emission
related to acitivities of transportation means, types of comsumption fuel and characteristic of
urban transportation infrastructure of uniqued city or country.
CK
1. Mở đầu
Ô nhiễm môi trường không khí đã và đang là một vấn đề bức xúc trong tiến trình phát triển
kinh tế - xã hội của nước ta. Tốc độ đô thị hoá, công nghiệp hoá, sự gia tăng nhanh chóng của
dân số và các phương tiện giao thông đô thị đã gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường không
khí nghiêm trọng, đặc biệt là các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội.
Báo cáo môi trường Quốc gia 2007 với chủ đề “Môi trường không khí đô thị Việt Nam” đã
cho thấy môi trường không khí các đô thị lớn ở Việt Nam đang thực sự báo động. Mức độ ô
nhiễm không khí tại nhiều khu vực đã vượt tiêu chuẩn cho phép (TCCP) về môi trường. Các kết

quả điều tra cho thấy, tại các tuyến đường trọng điểm, các nút giao thông chính, nồng độ các
chất ô nhiễm như bụi, CO, NO
2
, tiếng ồn đều vượt quá nhiều lần TCCP và nguyên nhân chính
được xác định là do sự gia tăng nhanh chóng các phương tiện giao thông đô thị.
Trong thời gian vừa qua, nhiều chương trình hành động của Chính phủ cũng như các
chương trình tài trợ của các Tổ chức Quốc tế (như SVCAP, DANIDA, JICA, WB, ADB,…) đã
tiến hành đánh giá thực trạng chất lượng môi trường không khí đô thị Hà Nội và đề xuất các