Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:122

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi" là tìm hiểu về khả năng làm việc của hệ trục-ổ khí động đàn hồi qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số đặc trưng và bước đầu làm chủ công nghệ về ổ khí động đàn hồi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan, chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 27 tháng 01 năm 2023 Tập thể GVHD Nghiên cứu sinh 1
LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của các thầy GS. TS. Đinh Văn Phong, TS. Phạm Minh Hải cùng với những chỉ dẫn định hướng về mặt khoa học, sự động viên của các thầy cô trong Nhóm chuyên môn Thiết kế hệ thống cơ khí, Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội (trước đây là Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot, Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội). Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đối với các thầy giáo hướng dẫn và các thầy cô trong đơn vị công tác đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới Phòng Đào tạo cùng các Phòng-Ban khác trong Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong quá trình làm nghiên cứu sinh. Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Đại tá Phạm Quang Minh cùng các cộng sự tại Viện Tên lửa – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng đã hỗ trợ tác giả trong quá trình lắp đặt và vận hành hệ thống đo. Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lỏng biết ơn đến những người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, cảm thông, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả luận án 2
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... 6 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................... 11 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... 14 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 15 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................... 19 TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI ............................................................... 19 1.1 Cấu tạo và nguyên lí làm việc ............................................................................. 20 1.1.1 Cấu tạo .......................................................................................................... 20 1.1.2 Nguyên lí làm việc........................................................................................ 20 1.2 Ưu nhược điểm của ổ khí động đàn hồi .............................................................. 21 1.2.1 Ưu điểm ........................................................................................................ 21 1.2.2 Nhược điểm .................................................................................................. 22 1.3 Phạm vi ứng dụng ................................................................................................ 22 1.4 Phân loại ổ khí động đàn hồi ............................................................................... 23 1.4.1 Theo khả năng tiếp nhận tải trọng: ............................................................... 23 1.4.2 Theo cấu trúc đệm ........................................................................................ 24 1.5 Khái quát về lịch sử phát triển của ổ khí động đàn hồi ....................................... 28 1.6 Tình hình nghiên cứu ngoài nước về ổ khí động đàn hồi .................................... 31 1.6.1 Mô hình hóa cấu trúc đệm để nghiên cứu về các đặc tính động lực học ..... 31 1.6.2 Nghiên cứu về các thông số động lực học của cấu trúc đệm ....................... 37 1.6.3 Nghiên cứu về động lực học trục quay ......................................................... 38 1.6.4 Thiết kế và đánh giá các cấu trúc đệm mới .................................................. 40 1.6.5 Nghiên cứu về khả năng tải .......................................................................... 46 1.6.6 Nghiên cứu về phủ bề mặt ............................................................................ 48 1.7 Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................................ 49 1.8 Hướng nghiên cứu của luận án ............................................................................ 50 1.8.1 Những nhận xét rút ra từ tình hình nghiên cứu ............................................ 50 3
1.8.2 Định hướng nghiên cứu của luận án ............................................................. 50 CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 52 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ TRỤC-Ổ ....................................................... 52 2.1 Thiết lập các phương trình đặc tính của hệ trục-ổ đệm khí ................................. 52 2.1.1 Phương trình phân bố áp suất màng khí ....................................................... 53 2.1.2 Phương trình chuyển động tâm trục ............................................................. 62 2.1.3 Phương trình biến dạng đàn hồi của cấu trúc đệm ....................................... 68 2.3 Phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động.................................... 70 2.3.1 Phương trình chuyển động của toàn hệ ........................................................ 70 2.3.3 Điều kiện biên của hệ ................................................................................... 71 2.3.4 Phương pháp tính toán quỹ đạo tâm trục...................................................... 71 2.3.5 Phương pháp xác định tính ổn định của trạng thái cân bằng và tốc độ tới hạn ............................................................................................................................... 71 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 73 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LỚP ĐỆM SÓNG VÀ ................................... 73 KHẢO SÁT THAM SỐ ................................................................................................ 73 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 73 3.2 Mô hình đàn hồi của lớp đệm sóng ..................................................................... 74 3.2.1 Phương trình xác định đường đàn hồi của một sóng .................................... 74 3.2.2 Phương pháp xác định đường đàn hồi của một sóng ................................... 76 3.2.3 Điều kiện biên............................................................................................... 78 3.2.4 Kết quả tính toán .......................................................................................... 79 3.3 Xác định độ cứng danh nghĩa của cả cấu trúc đệm ............................................. 81 3.4 Khảo sát mức độ ảnh hưởng của các tham số cấu trúc đệm tới độ cứng danh nghĩa .......................................................................................................................... 83 3.5 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ và cấu trúc tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi ........................................................................................ 85 3.5.1 Kết quả mô phỏng động lực học................................................................... 86 3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của các tham số tới tốc độ tới hạn của ổ trong trường hợp trục đỡ bởi một ổ ............................................................................................ 87 4
3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của các tham số tới tốc độ tới hạn của ổ trong trường hợp trục đỡ bởi hai ổ.............................................................................................. 90 CHƯƠNG 4 ................................................................................................................... 93 THỰC NGHIỆM TRỤC QUAY VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG CẤU TRÚC ĐỆM ..... 93 4.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm ............................................................................ 93 4.1.1 Chế tạo ổ khí động đàn hồi dạng sóng thế hệ I ............................................ 93 4.1.2 Xây dựng hệ thống đo .................................................................................. 96 4.1.3 Chế tạo trục................................................................................................... 99 4.2 Thực nghiệm xác định độ cứng danh nghĩa của cấu trúc đệm ............................ 99 4.2.1 Mô hình thí nghiệm ...................................................................................... 99 4.2.2 Trình tự thí nghiệm ..................................................................................... 101 4.2.3 Kết quả và thảo luận ................................................................................... 101 4.3 Thực nghiệm xác định quỹ đạo tâm trục quay .................................................. 106 4.3.1 Mô hình thí nghiệm .................................................................................... 106 4.3.2 Trình tự thí nghiệm ..................................................................................... 107 4.3.3 Kết quả và thảo luận ................................................................................... 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 114 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Tải trọng lớn nhất của ổ ở trạng thái cân bằng W N tĩnh 𝛷 Hệ số khả năng tải L m Chiều rộng ổ D m Đường kính trục 𝛺 vòng/phút Tốc độ quay của trục p Pa Áp suất lưu chất dx, dy, dz Kích thước của một phân tố lưu chất hình hộp Ứng suất cắt ở bề mặt trên và mặt dưới của phân 𝜏 𝑥𝑦 Pa tố 𝜇 Độ nhớt của lưu chất 𝛾̇ Tốc độ biến đổi biên dạng cắt u m/s Vận tốc của phân tố theo phương x v m/s Vận tốc của phân tố theo phương z 𝑞𝑥 Lưu lượng theo phương x 𝑞𝑧 Lưu lượng theo phương z U1 m/s Vận tốc trượt theo phương x tại mặt lót ổ U2 m/s Vận tốc trượt theo phương x tại mặt ngõng trục h m chiều cao của màng chất lưu, chiều dày màng khí 𝜕 Thay đổi theo thời gian 𝜕𝑡 6
𝜕 Thay đổi theo phương x 𝜕𝑥 𝜕 Thay đổi theo phương y 𝜕𝑦 𝜕 Thay đổi theo phương z 𝜕𝑧 𝑤0 m/s vận tốc mặt dưới của lưu chất 𝑤1 m/s vận tốc mặt trên của lưu chất 𝜌 Mật độ khối lượng chất khí 𝑧 𝜁 𝜁= 𝑅 𝑥 𝜃 𝜃= 𝑅 𝛺𝑡 𝜏 𝜏= 2 𝑝𝑎 Pa áp suất khí quyển xung quanh 𝑝 ̃ 𝑝 Áp suất màng khí không thứ nguyên, ̃ = 𝑝 𝑝𝑎 𝑐 m Khe hở danh nghĩa giữa ngõng trục và lót ổ ̃ ℎ ̃ ℎ Chiều cao màng khí không thứ nguyên, ℎ = 𝑐 𝜓 𝑝. ̃ 𝜓= ̃ℎ 6𝜇𝛺𝑅2 𝛬 Hệ số làm việc của ổ, 𝛬 = 𝑝 𝑎 𝑐2 mr kg Khối lượng trục quay S N Tải trọng tĩnh tác dụng lên trục 𝑃 N Trọng lượng các chi tiết lắp trên trục Flt N Lực quán tính ly tâm 7
Khoảng cách từ trọng tâm của trục đến đường e m tâm quay của trục 𝑦 𝜀𝑦 Độ hở lệch tâm tương đối theo phương y, 𝜀 𝑦 = 𝑐 𝑥 𝜀𝑥 Độ hở lệch tâm tương đối theo phương x, 𝜀 𝑥 = 𝑐 Lực tác dụng của màng khí lên ngõng trục theo Fx N phương x Lực tác dụng của màng khí lên ngõng trục theo Fy N phương y 𝐽𝑃 Mô men quán tính quanh hai trục x và y 𝐽𝑆 Mô men quán tính độc cực quanh trục z θx, θy Góc xoay của trục theo phương x, y 𝑐1 , 𝑐2 m Khe hở danh nghĩa trên hai ổ đỡ trục w m Độ võng của đệm Độ cứng trên một đơn vị diện tích của cấu trúc Kb N/m3 đệm 𝐾 𝑏𝜃 N/m Độ cứng cấu trúc đệm Độ cứng trên một đơn vị chiều dài của cấu trúc 𝐾 N/m2 đệm 𝐶 𝑐ả𝑛 Hệ số cản 𝜂 Hệ số thất thoát năng lượng, 𝜂 = 0,25 𝑤 ̃ 𝑤 Độ võng không thứ nguyên, ̃ = 𝑤 𝑐 s Biến trạng thái của hệ phương trình đặc tính 𝜃𝐹 Vị trí hở của lá theo hướng cung tròn 𝑁𝑧 × 𝑁 𝜃 Kích thước lưới sai phân Fr N Lực tác dụng lên trục khi trục không quay 8
𝛿0 m Chuyển vị của trục theo phương thẳng đứng 𝜌0 mm Bán kính cong ban đầu của một sóng 𝜌 mm Bán kính cong của một sóng sau khi chịu uốn E Mô-đun đàn hồi của vật liệu sóng I Mômen quán tính của mặt cắt ngang một sóng 𝑀 Nmm Mô men uốn nội lực xF, yF Tọa độ của điểm tác dụng lên sóng của lực F xN, yN Tọa độ của điểm chân sóng N Pphản lực theo hai phương x, y tại điểm chân XN, YN N sóng N vF m Chuyển vị tại điểm đặt lực F 𝐾 𝑏𝑢𝑚𝑝 N/m Độ cứng của một sóng o 𝜑 Góc tiếp tuyến với các phần tử trên sóng ai, bi, ci Các hệ số tích phân Newton ∆𝑙 m Chiều dài phần tử trên sóng 𝜑01 o Góc tiếp tuyến tại phần tử cố định phía bên trái h0 m Chiều cao sóng l0 m Nửa chiều rộng sóng 𝑦 𝐹0 Tung độ tại F lúc ban đầu nbump Số sóng 𝛿𝑖 m Chuyển vị hướng kính của đỉnh sóng thứ i 𝐾 𝑡𝑜𝑡 N/m Độ cứng danh nghĩa của cấu trúc đệm Chiều dày sóng t m 9
Danh mục chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa NASA Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ ACM Thiết bị luân chuyển không khí ECS Hệ thống điều khiển môi trường BFB Ổ đệm khí dạng sóng MMFB Ổ đệm khí dạng búi kim loại VEFB Ổ đệm đàn nhớt LCC Khả năng tải 10
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Một loại ổ khí động đàn hồi [1] ...................................................................... 19 Hình 1.2 Minh họa sự hình thành áp suất thủy động trong ổ [2] .................................. 20 Hình 1.3 Thiết bị luân chuyển không khí DC-10 [2] .................................................... 23 Hình 1.4 Ổ đỡ khí động đàn hồi và ổ chặn khí động đàn hồi [1] .................................. 24 Hình 1. 5 Thế hệ ổ khí động đàn hồi thứ nhất [3]. ........................................................ 25 Hình 1.6 Ổ đệm khí nhiều lớp đảo ngược [2]................................................................ 25 Hình 1.7 Cấu trúc đệm thế hệ ổ thứ hai ......................................................................... 26 Hình 1.8 Cấu trúc đệm trong ổ đệm dạng sóng thế hệ thứ III [3] ................................. 27 Hình 1.9 Ổ đệm khí dạng búi kim loại [35] .................................................................. 27 Hình 1.10 Ổ đệm khí dạng sơ khai dùng trong máy quay Brayton [42] ....................... 29 Hình 1.11 Động cơ tua-bin khí tự động sử dụng ổ khí động đàn hồi [1] ...................... 30 Hình 1.12 Biến dạng dải đệm sóng nằm ngang khi chịu tải [60] .................................. 32 Hình 1.13 Sơ đồ đặt lực trên đệm sóng ......................................................................... 32 Hình 1.14 Kết cấu ổ gồm 3 dải đệm [62] ...................................................................... 33 Hình 1.15 Mô hình đơn giản hóa của Swanson [66] ..................................................... 34 Hình 1.16 Mô hình cấu trúc đệm của Le Lez [67] ........................................................ 34 Hình 1.17 Mô hình hóa lực ma sát bằng lò xo phi tuyến [74]....................................... 36 Hình 1.18 Ổ đệm đàn nhớt [99] ..................................................................................... 41 Hình 1.19 Ổ đệm khí có chêm [101] ............................................................................. 41 Hình 1.20 Ổ có đệm dạng phồng [105] ......................................................................... 42 Hình 1.21 Đệm kiểu lò xo lồng vào nhau [106] ............................................................ 43 Hình 1.22 Đệm dạng lò xo nén [92] .............................................................................. 43 Hình 1.23 Ổ lai đệm sóng và búi kim loại [107] ........................................................... 44 Hình 1.24 Đệm biên dạng cam [109] ............................................................................ 44 Hình 1.25 Đệm lỗ tùy biến [110]................................................................................... 45 Hình 2.1 Mô hình các hệ con trục-màng khí-đệm ......................................................... 52 Hình 2.2 Các lực theo phương x trên phân tố lưu chất.................................................. 54 Hình 2.3 Lưới sai phân .................................................................................................. 60 Hình 2.4 Lực tác dụng lên trục ...................................................................................... 62 Hình 2.5 Sơ đồ lực trục quay đỡ bởi hai ổ đệm khí ...................................................... 65 Hình 2.6 Kết cấu đệm thực tế Hình 2.7 Mô hình vật lý của kết cấu đệm ................. 68 Hình 3.1 Mô hình xác định độ cứng cấu trúc đệm ........................................................ 73 Hình 3.2 Biến dạng của một sóng ................................................................................. 74 11
Hình 3.3 Mặt cắt tại 𝒙 > 𝒙𝑭 .......................................................................................... 75 Hình 3.4 Mặt cắt tại 𝑥 ≤ 𝑥𝐹 .......................................................................................... 76 Hình 3.5 Điều kiện biên một đầu cố định, một đầu trượt .............................................. 78 Hình 3.6 Đồ thị chuyển vị - độ cứng khi một đầu cố định, một đầu trượt .................... 79 Hình 3.7 Điều kiện biên một đầu cố định, một đầu lăn ................................................. 79 Hình 3.8 Điều kiện biên một đầu cố định, một đầu chặn .............................................. 80 Hình 3.9 Đồ thị chuyển vị độ cứng khi một đầu cố định, một đầu lăn ......................... 80 Hình 3.10 Đồ thị chuyển vị - độ cứng khi một đầu cố định, một đầu chặn .................. 81 Hình 3.11 Ảnh hưởng của số sóng tới độ cứng danh nghĩa .......................................... 84 Hình 3.12 Tốc độ tới hạn của ổ chịu tải trọng tĩnh........................................................ 86 Hình 3.13 Ảnh hưởng của độ hở hướng kính và độ cứng của lớp đệm đàn hồi ........... 87 Hình 3.14 Tốc độ tới hạn của ổ khi L/D = 0,75 ............................................................ 88 Hình 3.15 Tốc độ tới hạn của ổ khi L/D = 1 ................................................................. 88 Hình 3.16 Tốc độ tới hạn của ổ khi L/D = 1,25 ............................................................ 89 Hình 3.17 Tốc độ tới hạn của ổ khi L/D = 1,5 .............................................................. 89 Hình 3.18 Ảnh hưởng của cách bố trí ổ tới tốc độ tới hạn ............................................ 90 Hình 3.19 Ảnh hưởng của khe hở hướng kính trường hợp đối xứng ............................ 91 Hình 3.20 Ảnh hưởng của khe hở hướng kính trường hợp bất đối xứng ...................... 91 Hình 4.1 Vỏ ổ ................................................................................................................ 93 Hình 4.2 Kích thước một phần đệm sóng ...................................................................... 94 Hình 4.3 Khuôn chế tạo lớp đệm sóng .......................................................................... 95 Hình 4.4 Khuôn chế tạo lớp lót ổ .................................................................................. 95 Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống đo ........................................................................................... 96 Hình 4.6 Cảm biến tiệm cận điện cảm .......................................................................... 97 Hình 4.7 Bộ chuyển đổi tín hiệu .................................................................................... 97 Hình 4.8 Thiết bị duy trì điện áp ................................................................................... 98 Hình 4.9 Thiết bị thu tín hiệu ........................................................................................ 98 Hình 4.10 Trục ............................................................................................................... 99 Hình 4.11 Thí nghiệm xác định độ cứng danh nghĩa cấu trúc đệm ............................ 100 Hình 4.12 Sơ đồ lực trên trục ...................................................................................... 100 Hình 4.13 Các vị trí khác nhau của đầu cố định.......................................................... 102 Hình 4.14 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc 0 độ ............................................................... 102 Hình 4.15 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc 45 độ ............................................................. 102 Hình 4.16 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc 90 độ ............................................................. 103 Hình 4.17 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc -45 độ ............................................................ 103 Hình 4.18 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc -90 độ ............................................................ 104 12
Hình 4.19 Cấu tạo lót sau khi dập tạo hình ................................................................. 105 Hình 4.20 Đường biên dạng của lót tái tạo qua điểm ảnh ........................................... 105 Hình 4.21 Mô hình thí nghiệm trục quay .................................................................... 106 Hình 4.22 Bộ điều khiển động cơ biến tần .................................................................. 106 Hình 4.23 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 3000 vòng/phút... 107 Hình 4.24 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 2600 vòng/phút... 108 Hình 4.25 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 1800 vòng/phút... 108 Hình 4.26 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 600 vòng/phút ..... 109 Hình 4.27 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 0 vòng/phút – trạng thái ban đầu .................................................................................................................. 109 13
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các thông số đệm sóng .................................................................................. 82 Bảng 3.2 Ảnh hưởng của chiều dày đệm sóng tới độ cứng danh nghĩa ........................ 83 Bảng 3.3 Ảnh hưởng của kích thước sóng tới độ cứng danh nghĩa .............................. 84 Bảng 3.4 Các thông số trục và thông số công nghệ ...................................................... 85 14
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay, với các yêu cầu đặt ra trong thực tiễn cuộc sống, các loại máy quay cao tốc đang được sử dụng ngày càng phổ biến. Để đáp ứng khả năng làm việc của các loại máy này ở tốc độ cao, việc sử dụng phù hợp ổ trên trục quay đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Đối với các loại ổ thông thường được bôi trơn bằng dầu, khả năng hoạt động ở tốc độ cao được cho là sẽ gặp khó khăn do dầu bị hóa hơi. Khi đó, các loại ổ khí đã được quan tâm đến như một giải pháp phù hợp. Tuy nhiên, với loại ổ khí truyền thống hoạt động bằng cách đưa khí vào từ các máy bơm áp, do độ nhớt của không khí thấp hơn dầu, nên để đảm bảo khả năng tải khi trục quay, khe hở giữa ngõng trục và lót ổ cần đảm bảo đủ nhỏ. Điều này dẫn đến nguy cơ khi trục quay ở tốc độ cao sẽ bị dãn nở nhiệt dẫn đến kẹt ổ. Vì vậy, một loại ổ khí mới đã được nghiên cứu phát triển để đảm bảo duy trì được khả năng làm việc ở tốc độ cao trên các loại máy này, đó là ổ khí động đàn hồi Ổ khí động đàn hồi, khác với ổ khí truyền thống, làm việc không cần cấp khí áp cao do có cấu trúc đệm đàn hồi có khả năng nhu động (compliant) dưới tác dụng của áp suất thủy động khi trục quay. Nhờ biến dạng đàn hồi của cấu trúc đệm nên dù trục có thể bị dãn nở khi quay ở tốc độ cao nhưng khó có thể bị kẹt. Tổ chức đầu tiên thực hiện các nghiên cứu bài bản về loại ổ này là NASA. Cho đến bây giờ, các ổ khí động đàn hồi đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới về chủ đề này. Trong quá trình phát triển hơn 50 năm, loại ổ khí động đàn hồi đã được nghiên cứu, phát triển, cải tiến và được ứng dụng ở rất nhiều các loại máy quay cao tốc kiểu tua-bin. Từ các nghiên cứu lý thuyết về mô hình hóa cấu trúc đệm, xác định khả năng tải lý thuyết của ổ, xây dựng các kỹ thuật mô phỏng và tính toán tiết kiệm thời gian, đến đánh giá thực nghiệm về tốc độ làm việc tới hạn của ổ, phát minh và ứng dụng các lớp phủ để giảm mòn bề mặt trục - ổ khi làm việc. Có thể thấy rằng tất cả các nghiên cứu đều hướng đến nâng cao khả năng làm việc của ổ khí động đàn hồi. Qua các nghiên cứu, có thể thấy cấu trúc lớp đệm đóng vai trò quyết định với thiết kế của ổ khí động đàn hồi. Điều này dẫn đến việc một số mô hình của cấu trúc đệm đã được đề xuất nhằm phân tích lý thuyết về khả năng làm việc của ổ. Tuy nhiên, các mô hình này mới chỉ đánh giá được ảnh hưởng của một vài thông số cấu trúc đệm tới khả năng làm việc của ổ. Ngoài ra, các nghiên cứu đánh giá mới chỉ dừng lại ở trường hợp trục có một ổ đỡ bằng ổ khí động đàn hồi. Vì vậy, trong luận án này, tác giả sẽ đánh giá thêm ảnh hưởng của một vài thông số hình học và công nghệ đến khả năng làm việc của hệ trục-ổ trong cả hai trường hợp: trục được đỡ bằng một ổ tự lựa – một ổ khí động đàn hồi, và trục được đỡ bằng hai ổ khí động đàn hồi. 15
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án Luận án đặt ra mục tiêu tìm hiểu về khả năng làm việc của hệ trục-ổ khí động đàn hồi qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số đặc trưng và bước đầu làm chủ công nghệ về ổ khí động đàn hồi. Để đạt được điều này, luận án đề ra các nội dung cụ thể như sau: - Phát triển mô hình động lực học của cấu trúc đệm nhằm xác định thông số động lực học. Mô hình này có xét đến một số thông số hình học đặc trưng của cấu trúc đệm. - Phát triển phương pháp tính toán mô phỏng động lực học để nghiên cứu về khả năng làm việc của hệ trục-ổ. Ảnh hưởng của một thông số động lực học của cấu trúc đệm, thông số công nghệ của ổ đến khả năng làm việc của hệ cũng được khảo sát và đánh giá. - Thiết kế, chế tạo ổ khí động đàn hồi, trục quay để xây dựng hệ thống thực nghiệm trục- ổ nhằm củng cố nghiên cứu lý thuyết 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là ổ đệm khí dạng sóng thế hệ thứ nhất, có cấu trúc đệm gồm một lớp lót ổ và một tấm đệm dạng sóng. Hai lớp đệm này được cố định một đầu trên vỏ ổ, đầu còn lại để tự do để có thể dễ dàng biến dạng đàn hồi. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Thông qua việc phát triển một mô hình cấu trúc đệm sóng, luận án sẽ nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của các thông số tới khả năng làm việc của hệ trục-ổ. Các thông số ảnh hưởng bao gồm: - Thông số hình học của cấu trúc đệm: chiều dày của đệm, chiều cao của sóng, chiều rộng của sóng, số sóng. - Thông số công nghệ: khe hở hướng kính danh nghĩa giữa ngõng trục và lót ổ, chiều rộng của ổ. Mô hình trục-ổ được xây dựng và phân tích với giả thiết trục cứng tuyệt đối và trong môi trường đẳng nhiệt. Các giả thiết về chất bôi trơn và mô hình cấu trúc đệm sẽ được trình bày rõ hơn ở các phần sau (Chương 2 và Chương 3). Sau đó, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn và giải thuật Newton-Raphson để giải hệ phương trình đặc tính, luận án sẽ phân tích khả năng làm việc của hệ trục-ổ, được thể 16
hiện qua miền tốc độ quay của ngõng trục sao cho hệ đạt trạng thái cân bằng. Luận án sẽ chỉ ra ảnh hưởng của các thông số trên đến sự thay đổi của dải tốc độ này. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4.1 Ý nghĩa khoa học - Góp phần vào sự nghiên cứu và phát triển chung trên thế giới và ở Việt Nam về ứng dụng ổ khí động đàn hồi - Tiếp cận dần với công nghệ ổ khí động đàn hồi, xuất phát từ hiểu biết cơ bản về ứng xử động lực học của các loại ổ này - Cung cấp hiểu biết sâu hơn về các thông số cấu tạo của ổ khí động đàn hồi đến khả năng làm việc và phạm vi ứng dụng. 4.2 Ý nghĩa thực tiễn - Bước đầu thiết kế và chế tạo ổ khí động đàn hồi dùng đệm sóng sử dụng vật liệu thông dụng và công nghệ chế tạo phù hợp ở Việt Nam cho mục đích thực nghiệm. - Là tiền đề để xây dựng bộ số liệu thiết kế ổ khí động đàn hồi dùng đệm sóng ứng dụng trong các thiết bị, hệ thống cụ thể. - Những kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở quan trọng để tiếp tục đưa công nghệ ổ khí động đàn hồi vào nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng ở Việt Nam và trên thế giới. 5. Phương pháp nghiên cứu của luận án Để đạt được mục tiêu luận án đã đề ra, phương pháp của luận án là kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, cụ thể là: - Tiếp thu, kế thừa có chọn lọc các thành quả nghiên cứu của thế giới về ổ khí động đàn hồi. - Ứng dụng các phương pháp mô hình hóa, các kỹ thuật giải phương trình vi phân để đánh giá ảnh hưởng của các thông số cấu trúc đệm. - Ứng dụng các phần mềm để kiểm chứng các tính toán lý thuyết thông qua thực nghiệm 6. Những đóng góp của luận án 17
Với những mục tiêu cụ thể mà luận án đã đề ra cùng các phương pháp nghiên cứu, trên cơ sở đó đánh giá, phân tích kết quả nghiên cứu của luận án so với các kết quả của những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước. Luận án có những đóng góp cụ thể sau: - Đề xuất được một mô hình động lực học của cấu trúc đệm có kiểm chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm, để từ đó có thể đánh giá được ảnh hưởng của các thông số cấu trúc đệm tới tốc độ tới hạn của ổ. - Cung cấp những đánh giá sơ bộ về việc lựa chọn phương án thiết kế cấu trúc đệm nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn cụ thể. - Xây dựng và đưa ra phương pháp tính toán hiệu quả đối với một hệ động lực học phức tạp trục-màng khí-đệm lót. - Thử nghiệm đo các đặc tính tĩnh học và bước đầu thử nghiệm động lực học trong điều kiện trang thiết bị và kỹ thuật chế tạo còn hạn chế. 7. Bố cục của luận án Để diễn giải các kết quả nghiên cứu của luận án, nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1 Tổng quan về ổ khí động đàn hồi Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán hệ trục-ổ Chương 3 Xây dựng mô hình tính toán và khảo sát tham số Chương 4 Thực nghiệm trục quay và xác định độ cứng cấu trúc đệm 18
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI Ở chương đầu tiên, luận án sẽ giới thiệu về ổ khí động đàn hồi, trình bày các khái niệm chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại ổ khí động đàn hồi trong thực tế trên cơ sở giới thiệu các ứng dụng thực tế của loại ổ này trong các máy quay cao tốc. Trọng tâm của chương này là việc trình bày, phân tích và đánh giá các hướng nghiên cứu về ổ khí động đàn hồi trong nước và trên thế giới, qua đó tác giả sẽ xác định hướng nghiên cứu trong luận án. Ổ khí động đàn hồi, hay còn có thể gọi là ổ đệm khí (foil air/gas bearing, foil bearing) nằm trong nhóm ổ khí động (aerodynamic bearing), sử dụng lưu chất (fluid) có sẵn trong kết cấu ổ, thường là chất khí, làm chất bôi trơn [1] và có cấu trúc đệm nhu động (compliant foil) đóng vai trò như một lớp nền đàn hồi khi trục-ổ làm việc. Lớp đệm Vỏ ổ dạng sóng Ngõng trục Lót ổ Hình 1.1 Một loại ổ khí động đàn hồi [1] 19
1.1 Cấu tạo và nguyên lí làm việc 1.1.1 Cấu tạo Về mặt cấu tạo, ổ khí động đàn hồi được hình thành từ hai bộ phận chính: (1) vỏ ổ (bearing sleeve) có tiết diện hình vành khăn, nằm cố định trong gối ổ hoặc vỏ máy và (2) cấu trúc đệm bên trong vỏ ổ. Về cơ bản, cấu trúc đệm được thiết kế sao cho có thể tạo ra biến dạng đàn hồi khi trục quay. Với các loại ổ khí động đàn hồi khác nhau, cấu tạo và hình dạng của cấu trúc đệm này sẽ khác nhau. Ở đây, tác giả xin trình bày cấu trúc đệm của một loại ổ khí động đàn hồi điển hình như trên Hình 1.1, gồm có hai lớp đệm như sau: (i) lớp đệm bên trong (bump foil) nằm tiếp xúc với vỏ ổ, có thể có hình dạng sóng (corrugated shape) hoặc các hình dạng khác, trong đó có một đầu được gắn cố định vào vỏ ổ và đầu còn lại để tự do. Lớp đệm này được tạo hình sao cho có thể ôm lấy mặt trụ phía trong của vỏ ổ; (ii) lớp lót ổ (top foil) bên trong lớp đệm, được cấu tạo từ một tấm kim loại uốn cong ôm lấy ngõng trục. Tương tự như lớp đệm, lót ổ cũng có một đầu gắn cố định vào vỏ ổ và đầu còn lại để tự do. 1.1.2 Nguyên lí làm việc Lót ổ Ngõng trục Phân bố áp suất thủy động Hình 1.2 Minh họa sự hình thành áp suất thủy động trong ổ [2] 20