THIẾT kế CHẾ tạo máy kéo nén vạn NĂNG cấp tải 300kn

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY KÉO NÉN VẠN NĂNG CẤP TẢI 300kN
DESIGN, MANUFACTURE UNIVERSAL TESTING MACHINE WITH LOAD 300 kN
TS. Nguyễn Văn Hưng, TS. Lương Hồng Sâm
Đại học Trần Đại Nghĩa, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam
,
TÓM TẮT
Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng cấp tải từ 100 kN trở lên đã được chế tạo trong nước.
Tuy nhiên để đạt được độ chính xác cao và thỏa mãn một số tiêu chuẩn thí nghiệm trong nước
và quốc tế thì vẫn còn là một thách thức. Bài báo này giới thiệu máy kéo nén vạn năng cấp tải
300kN có độ chính xác cấp 1 với các chức năng kéo nén, uốn, cắt, xác định modul đàn hồi
theo tiêu chuẩn TCVN và ASTM đã được chế tạo thành công, đáp ứng nhu cầu cấp thiết cho
việc học tập, nghiên cứu khoa học và sản xuất trong một số trường đại học, trung tâm kiểm
định và nhà máy.
Từ khóa: máy thí nghiệm vạn năng, tiêu chuẩn ASTM E8
ABSTRACT
Universal testing machine with load of 100kN were manufactured inland. However, to
achieve high precision and satisfy inland and intenational standards is a challenge. This paper
presents the testing machine load of 300 kN level 1 accuracy with stretching, compressing,
bending, cutting test functions and E elastic modulus determination according to TCVN and
ASTM standard that we are designing, manufacturing to meet urgent needs learning, scientific
research, production in several universities, testing centers and manufacturing plants.
Keywords: testing machine, ASTM E8 standard
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Máy thí nghiệm kéo nén vạn năng là công cụ rất cần thiết của các phòng thí nghiệm cơ
học, trung tâm kiểm định, trường đại học, nhà máy sản xuất. Nó cho phép thực hiện các loại
thí nghiệm kéo, nén, uốn, cắt để xác định các thông số cơ học của vật liệu như thép, bê tông,
gỗ, chất dẻo hay cấu kiện cần thí nghiệm áp dụng trong các lĩnh vực xây dựng và cơ khí chế
tạo. Do các máy thí nghiệm vạn năng đều là thiết bị chuyên dùng nên yêu cầu độ chính xác rất
cao, ổn định khi sử dụng, khả năng thực hiện các thí nghiệm đa dạng trên nhiều loại vật liệu

khác nhau. Việc chế tạo các máy thí nghiệm loại này yêu cầu cao về gia công cơ khí, thiết kế
và lắp ráp các mạch xử lý tín hiệu đo và điều khiển. Bên cạnh đó nó cũng yêu cầu người thiết
kế phải có kiến thức về xử lý số liệu thí nghiệm và am hiểu về các tiêu chuẩn thí nghiệm có
liên quan.
Tại Việt Nam, phần lớn các máy thí nghiệm đều được nhập khẩu từ nước ngoài, một số
rất nhỏ được chế tạo trong nước. Các dòng máy chất lượng cao được nhập từ Mĩ và châu Âu
thường có giá rất cao. Các máy nhập từ Trung quốc thường có chất lượng thấp, làm việc
không ổn định. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu khoa
học và thí nghiệm vật liệu, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thành công máy thí
nghiệm vạn năng điều khiển servo cấp tải 300 kN được gia tải thủy lực với hệ đo lường điều
khiển, xử lý số liệu thí nghiệm có sự trợ giúp của máy tính và phần mềm chuyên dụng. Máy
thỏa mãn tiêu chuẩn thí nghiệm TCVN và tiêu chuẩn ASTM trong các thí nghiệm kéo, nén,
uốn cắt và xác định modul đàn hồi của vật liệu.

3


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2. CHẾ TẠO KHUNG MÁY CHÍNH
2.1. Nguyên lý tạo lực của khung máy chính
Khung máy được thiết kế dựa trên nguyên lý tạo lực kép(5) để có thể cùng tạo ra lực kéo
và nén. Mẫu thử được đặt giữa hai khoảng không vị trí tay đòn. Khoảng không này được điều
chỉnh thông qua trục vít me (hình 1). Chuyển động của bàn gia tải được điều khiển chính xác
bằng hệ thống van servo thủy lực để tiến hành các thí nghiệm theo các tiêu chuẩn ASTM hoặc
TCVN lựa chọn. Hệ thống đo lường và điều khiển sẽ điều khiển toàn bộ quá trình thí nghiệm
của máy, tính toán các kết quả thí nghiệm và xuất các kết quả thí nghiệm bằng tiếng Anh và
tiếng Việt. Các thành phần chính của khung máy được chế tạo bao gồm: đế máy, bàn gia tải,
trục vít, trục trơn, tay đòn trên, tay đòn dưới; và các đồ gá phục vụ cho các thí nghiệm bao
gồm: má kẹp mẫu tròn, má kẹp mẫu dẹp; đồ gá cho thí nghiệm nén kim loại; đồ gá cho thí
nghiệm cắt kim loại; đồ gá cho thí nghiệm uốn kim loại; đồ gá cho thí nghiệm uốn bê tông 3

điểm.

Hình 1: Cấu tạo bộ khung chịu lực của máy thí nghiệm kéo nén cấp tải 300 kN
1,2 Tay đòn; 3-Trục vít-me; 4-Trụ trơn; 5- Mẫu thử; 6-Bàn gia tải; 7- Xi lanh thủy lực; 8- Đế máy

2.2. Xác định biến dạng và ứng suất hệ chịu lực của máy kéo nén vạn năng
Việc xác định ứng suất, biến dạng của các chi tiết chịu lực của máy là đặc biệt quan
trọng trong quá trình thiết kế, chế tạo và nâng cao độ chính xác cho máy thí nghiệm. Trong
nghiên cứu này, chúng tôi áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Ansys
Workbench để giải quyết bài toán ở trên. Nội dung xác định biến dạng và ứng suất hệ chịu lực
của máy: Xây dựng các mô hình hình học cho từng chi tiết thuộc khung máy kéo nén, chọn
vật liệu, chia lưới, xây dựng mô hình chịu lực cho các chi tiết và các điều kiện biên. Do khuôn
khổ bài báo nên chúng tôi chỉ đưa ra kết quả tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của
một số chi tiết trong một số trường hợp cụ thể:

(b)

(a)

Hình 2: Biến dạng (a) và ứng suất (b) của hệ thống tay đòn
4


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

(b)

(a)

Hình 3: Biến dạng (a) và ứng suất (b) của trụ trơn

(b)

(d)

(a)

(c)

(e)

Hình 4: Máy sau chế tạo (a) và đồ gá cho các thí nghiệm kéo (b), nén (c), cắt (d), uốn (e)
3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY KÉO NÉN
Hệ thống điều khiển của máy kéo nén có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc thực hiện
các thí nghiệm và nâng cao độ chính xác các thí nghiệm. Để đảm bảo độ chính xác cho máy
thí nghiệm kéo nén là cấp 1, làm việc ổn định và có thể chế tạo được tại Việt Nam thì các thiết
bị đo lường, điều khiển của máy được chọn sao cho có độ chính xác cao, có thể mua hoặc chế
tạo được tại Việt Nam. Trên cơ sở đó, đề tài đã chọn mua cảm biến lực là load Cell 363YH
của hãng ANYLOAD Canada, cảm biến đo chuyển vị dạng thanh trượt Novotechnik-Đức,
cảm biến đo biến dạng cục bộ trên thân mẫu dạng strain gauge based của hãng SATEC-Mỹ,
hệ thống thu thập tín hiệu cảm biến và điều khiển hệ thống được sử dụng là Card National
Instruments PCI-6221-Mỹ, van servo được sử dụng thuộc hãng Moog model 761-Đức. Với
các thiết bị đo lường và điều khiển đó, đề tài tiến hành thiết kế, chế tạo bộ khếch đại tín hiệu
cho các kênh đo và xây dựng giải thuật điều khiển PID cho máy thí nghiệm kéo nén.
4. XÂY DỰNG PHẦN MỀM CHO MÁY KÉO NÉN
Phần mềm máy kéo nén bao gồm:
- Chương trình chính PNX-MTS: điều khiển thiết bị, thu thập số liệu, lập báo cáo. Các chức
năng chính bao gồm:
 Cài đặt các thông số phần cứng.
 Hiệu chỉnh (Calibration) máy bao gồm: lực, chuyển vị, biến dạng.

 Kéo kim loại theo tiêu chuẩn ASTM E8, TCVN 1997-2002.(1)
 Nén kim loại theo tiêu chuẩn ASTM E9-09.(1)
 Uốn kim loại theo tiêu chuẩn TCVN 198-2008.(6)
5


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
 Uốn bê tông theo tiêu chuẩn ASTM C78-02.(3)
 Cắt kim loại theo tiêu chuẩn ASTM F606-10.(4)
 Xác định môđun đàn hồi E theo tiêu chuẩn ASTM E111- 04.(2)
- Chương trình con PNX-Report Creator - Dùng để lập báo cáo, có thể chạy trên nhiều máy
tính khác nhau.
- Chương trình con PNX-Data converter - Dùng để chuyển đổi file dữ liệu.
Giao diện chính của phần mềm bao gồm:
- Menu chính và thanh công cụ: Thể hiện các chức năng chính của phần mềm.
- Hiển thị giá trị các kênh đo: Hiển thị giá trị các kênh đo trong suốt quá trình thí nghiệm.
Mỗi kênh đo hiển thị giá trị của mỗi cảm biến tương ứng bao gồm hai kênh thông thường
là kênh của cảm biến lực và kênh của cảm biến chuyển vị. Kênh thứ ba là kênh mở rộng
hiển thị giá trị của Extensometer gắn trực tiếp trên mẫu để đo biến dạng cục bộ của mẫu và
đo môđun đàn hồi của vật liệu.
- Vùng đồ thị:Đồ thị biểu diễn quan hệ Lực - Chuyển vị, Ứng suất - Biến dạng.
- Vùng hiển thị các thông số trạng thái trong quá trình thí nghiệm: Vùng này thể hiện các
thông số trạng thái trong suốt quá trình thí nghiệm.
- Vùng hiển thị kết quả: Hiển thị kết quả sau thí nghiệm.
Menu chính Thanh công cụ

Đồ thị

Giá trị kênh đo

Thanh trạng thái
Hiển thị các thông số trạng thái
trong quá trình thí nghiệm

Hiển thị kết quả

Các nút hiển thị kết quả
Các nút truy xuất

Hình 5: Giao diện chính của phần mềm
6


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
5. CÁC THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG
5.1. Kiểm chứng lực khi gia tải
Việc kiểm chứng, hiệu chuẩn lực khi gia tải là bắt buộc đối với máy thí nghiệm kéo nén.
Việc kiểm chứng và hiệu chuẩn lực khi gia tải được thực hiện bởi Tổng cục tiêu chuẩn đo
lường chất lượng - Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lường chất lượng 3 - Quality Assurance
& Testing center 3 ( Quatest 3). Sau khi kiểm chứng và hiệu chuẩn, tổ chức này đã cấp giấy
chứng nhận số KT3-1480CO4 ngày 03/07/2014 và tem chứng nhận chất lượng số KT31480CO4 ngày 24/06/2014. Sai lệch tương đối luôn nhỏ hơn 1%, giá trị sai lệch nằm trong
khoảng 0,1%-0,7%.
5.2. Thí nghiệm kiểm chứng độ chính xác khi kéo
Tiến hành thí nghiệm kéo cùng một loại mẫu kim loại theo cùng một tiêu chuẩn trên
máy của Nhật và máy thí nghiệm. Kết quả cho thấy sai khác kết quả giữa máy tiêu chuẩn và
máy thí nghiệm khoảng 1%. Kết quả này chứng tỏ máy thí nghiệm có độ chính xác đạt mục
tiêu đặt ra. Để đánh giá độ chính xác lặp lại của thí nghiệm kéo, tiến hành thí nghiệm kéo 3
mẫu chuẩn như nhau. Kết quả cho thấy cả 3 lần kéo, kết quả thí nghiệm sai khác nhỏ (hình
6a). Điều này cho thấy máy có độ chính xác lặp cao, thỏa mãn các yêu cầu và mục tiêu nghiên
cứu.

5.3. Thí nghiệm kiểm chứng độ chính xác khi nén
Tiến hành nén mẫu kim loại trên máy của Nhật và máy Việt Nam với cùng một loại
mẫu nén và tiêu chuẩn nén để đối chứng kết quả. Kết quả thí nghiệm sai khác nhỏ hơn 1%. Để
đánh giá độ chính xác lặp khi nén, tiến hành nén 3 mẫu kim loại cùng loại, cùng tiêu chuẩn
nén. Kết quả 3 lần nén sai lệch nhau trong phạm vi cho phép (hình 6b), điều đó chứng tỏ máy
làm việc ổn định, đạt được độ chính xác lặp theo yêu cầu đặt ra.

(a)

(b)

Hình 6: Biểu đồ kéo (a), nén (b) 3 mẫu để kiểm chứng độ chính xác lặp khi kéo, nén
5.4. Thí nghiệm kiểm chứng độ chính xác khi cắt
Tiến hành cắt 3 mẫu kim loại như nhau trên máy của Nhật và máy Việt Nam. Kết quả
thí nghiệm sai khác nhỏ hơn 1%. Để kiểm chứng độ chính xác lặp khi cắt, tiến hành cắt 3 mẫu
kim loại cùng kích thước, cùng vật liệu và cùng tiêu chuẩn. Kết quả 3 lần thí nghiệm (hình 7a)
sai lệch nhau trong phạm vi cho phép, điều đó chứng tỏ máy làm việc ổn định, đạt được độ
chính xác lặp khi cắt theo yêu cầu đặt ra.
5.5. Thí nghiệm kiểm chứng độ chính xác lặp khi uốn kim loại
Tiến hành uốn 3 mẫu kim loại cùng loại và cùng tiêu chuẩn để kiểm tra độ chính xác lặp
khi uốn vật liệu (hình 7b). Kết quả 3 lần uốn sai lệch nhau trong phạm vi cho phép, điều đó
chứng tỏ máy làm việc ổn định, đạt được độ chính xác lặp khi uốn theo yêu cầu đặt ra.

7


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

(b)

(a)

Hình 7: Biểu đồ cắt (a), uốn (b) 3 mẫu để kiểm chứng độ chính xác lặp khi cắt, uốn
6. KẾT LUẬN
Máy thí nghiệm vạn năng điều khiển servo tải trọng 300 kN đã được nghiên cứu, chế
tạo và thử nghiệm thành công. Kết quả đã đạt được các yêu cầu, chỉ tiêu đề ra. So sánh về mặt
kỹ thuật thì sản phẩm của đề tài hoàn toàn có thể thay thế được các loại máy có chất lượng và
tính năng trung bình đang được nhập khẩu. Về mặt giá thành, sản phẩm có giá bằng một nửa
so với máy chất lượng cao SANS của Trung Quốc, và cao hơn 10~20% so với các máy có
tính năng trung bình của Trung Quốc (WEB-100). Nếu được đầu tư sản xuất hàng loạt thì giá
thành sẽ giảm hơn nhiều. Tuy nhiên cũng cần nghiên cứu hoàn thiện thêm hệ thống thủy lực
cho hệ thống xi lanh gia tải và hệ thống kẹp mẫu. Cũng cần nghiên cứu thử nghiệm với nhiều
mẫu hơn để đánh giá độ chính xác, độ ổn định của máy theo thời gian.
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] An American Notional Standard.,Standard test method for Tension Testing of Metallic
materials., Edition approved April 1, 2004, published may 2004.
[2] An American Notional Standard., Standard test Method for Young’s Modulus, Tangent
Modulus and Chord Modulus., Edition approved June 1, 2004 Published July 2004.
[3] An American Notional Standard., Standard Test Method for flexural Strength of Coucrete
(Using simlle beam with Third-point Loading)., Edition approved Jan 10, 2002, Published
March 2002.
[4] An American Notional Standard., Standard Test Methods for Determining the Mechanical
Properties of Externally and Internally Threaded Fasteners, Washers, Direct Tension
Indicators, and Rivets., ASTM International, West Conshohocken, PA,
2010, www.astm.org
[5] Hou, Yueqian., Modeling and simulation of the PWS- 100 dynamic and static universal
test machine with electro-hydraulic servo controlled., Jounrnal of Vibration,
Measurement and Diagnosis, 2004.
[6] Tiêu chuẩn TCVN 198-2008., Mã QT-KL-01- Thử uốn Kim loại.
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ

1.

TS. Nguyễn Văn Hưng, Đại học Trần Đại nghĩa,
Email: ,ĐT: 0908898138

2.

TS. Lương Hồng Sâm, Đại học Trần Đại nghĩa,
Email: , ĐT: 0905500787
8