Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC" là nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Mời các bạn cùng tham khảo!

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 tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Minh Tâm NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI NGOÀI VÀ TỐC ĐỘ QUAY ĐẾN TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY CỦA CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Minh Tâm NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI NGOÀI VÀ TỐC ĐỘ QUAY ĐẾN TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY CỦA CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS PHẠM VĂN HÙNG 2. PGS.TS NGUYỄN THÙY DƯƠNG Hà Nội – 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS. TS Phạm Văn Hùng và PGS. TS Nguyễn Thùy Dương. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, trích dẫn đầy đủ và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 27 tháng 4 năm 2023 Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án PGS. TS Phạm Văn Hùng PGS. TS Nguyễn Thùy Dương Phạm Minh Tâm i
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn gồm PGS.TS Phạm Văn Hùng và PGS.TS Nguyễn Thùy Dương đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu về mặt chuyên môn trong suốt quá trình thực hiện luận án. Với những ý kiến đóng góp đầy trách nhiệm, tập thể thầy cô trong nhóm chuyên môn Máy và Ma sát học, Khoa Cơ khí chế tạo máy, Trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp tác giả hoàn thiện luận án này, xin tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, Cô. Để có thể hoàn thành được luận án này, xin cảm ơn tập thể lãnh đạo và cán bộ, giảng viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh đã luôn tạo điều kiện về thời gian, công việc cho tác giả, xin ghi nhận và hứa sẽ nỗ lực hơn nữa trong thời gian công tác của mình tại ngôi trường thân yêu này. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh, chia sẻ động viên ngay cả những lúc khó khăn nhất. Hà Nội, ngày 27 tháng 4 năm 2023 Tác giả luận án Phạm Minh Tâm ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................ xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... xv MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu của luận án ...................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 3 6. Nội dung luận án ................................................................................................ 4 7. Các kết quả mới.................................................................................................. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỤM TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC ......... 6 1.1. Cụm trục chính máy tiện CNC ........................................................................ 6 1.1.1. Máy tiện CNC và ứng dụng trong công nghiệp ....................................... 6 1.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật của cụm trục chính máy tiện CNC ........................ 7 1.1.3. Kết cấu cụm trục chính máy tiện CNC .................................................... 8 1.2. Cụm ổ trục chính máy tiện CNC ................................................................... 10 1.2.1. Các kết cấu cụm ổ trục chính ................................................................. 11 1.2.2. Tải đặt trước trên cụm ổ trục chính của máy công cụ ........................... 13 1.2.3. Một số dạng hỏng của cụm ổ trục chính ................................................ 16 1.3. Tổng quan về tuổi thọ và độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC .............................................................................................................................. 18 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước .......................................................... 18 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 29 1.4. Xác định vấn đề cần nghiên cứu ................................................................... 31 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................... 33 iii
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY CÔNG CỤ CNC ................................................. 34 2.1. Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy của cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu bền mỏi34 2.1.1. Tuổi thọ cụm ổ trục chính ...................................................................... 34 2.1.2. Độ tin cậy cụm ổ trục chính ................................................................... 43 2.2. Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu mòn ........... 47 2.2.1. Các giai đoạn của quá trình mòn cụm ổ trục chính ............................... 47 2.2.2. Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu mòn .... 49 2.3. Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu cứng vững . 52 2.3.1. Các giai đoạn suy giảm độ cứng vững ................................................... 52 2.3.2. Tính toán tuổi thọ và độ tin cậy cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu cứng vững .......................................................................................................................... 53 2.4. Đánh giá chất lượng cụm ổ trục chính trên cơ sở rung động ........................ 55 2.4.1. Rung động và phân tích rung động ........................................................ 55 2.4.2. Cấu trúc cơ bản của tín hiệu rung động trên cụm ổ trục chính .............. 56 2.4.3. Phân tích và xử lý tín hiệu rung động .................................................... 56 2.4.4. Rung động của cụm ổ trục chính máy tiện CNC ................................... 59 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................... 61 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH LƯỢNG MÒN, ĐỘ CỨNG VỮNG VÀ RUNG ĐỘNG CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC...................................................................................... 62 3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm ................................................................ 62 3.2. Xây dựng, tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm ....................................... 62 3.2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 62 3.2.2. Xây dựng thiết bị thực nghiệm .............................................................. 64 3.2.3. Tổ hợp máy thực nghiệm ....................................................................... 76 3.3. Quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm....................................................... 78 3.4. Trình tự tiến hành thực nghiệm ..................................................................... 80 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................... 82 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC ......................................... 83 iv
4.1. Quan hệ giữa thời gian điều chỉnh và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động với tải ngoài và tốc độ quay theo chỉ tiêu mòn .................................................... 83 4.1.1. Kết quả thực nghiệm mối quan hệ giữa lượng mòn U và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS theo thời gian t................................................ 83 4.1.2. Xác định hàm hồi quy giữa giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS]U và thời gian điều chỉnh TdcU theo lượng mòn giới hạn [U]....... 87 4.1.3. Sự phụ thuộc giữa thời gian điều chỉnh TdcU, giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS]U theo tải ngoài P và tốc độ quay n ..................... 88 4.2. Quan hệ giữa thời gian điều chỉnh và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động với tải ngoài và tốc độ quay theo chỉ tiêu cứng vững .......................................... 91 4.2.1. Kết quả thực nghiệm mối quan hệ giữa độ cứng vững J và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS theo thời gian t................................................ 91 4.2.2. Xác định hàm hồi quy giữa thời gian điều chỉnh TdcJ và giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS]J theo độ cứng vững giới hạn [J] .. 96 4.2.3. Sự phụ thuộc giữa thời gian điều chỉnh TdcJ, giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS]J theo tải ngoài P và tốc độ quay n ...................... 97 4.3. Tính toán tuổi thọ theo độ tin cậy của cụm ổ trục chính............................... 99 4.3.1. Kết quả thực nghiệm tại tâm quy hoạch trong điều kiện bôi trơn tiêu chuẩn .......................................................................................................................... 99 4.3.2. Tuổi thọ trung bình của cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300 101 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ..................................................................................... 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 107 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 107 KIẾN NGHỊ .......................................................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 110 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 1 Phụ lục 1. Các giá trị X và Y đối với ổ đỡ ............................................................. 1 Phụ lục 2. Sơ đồ mạch điện điều khiển và mạch động lực hệ thống thiết bị thí nghiệm trên máy tiện CNC Eclise 300................................................................... 2 Phụ lục 3. Một số hình ảnh quá trình thực nghiệm ................................................ 3 v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CNC Computer Numerical Control (Máy công cụ điều khiển số) BPFO Ball Pass Frequency Outer (Tần số tiếp xúc của một điểm trên ca ngoài với con lăn) BPFI Ball Pass Frequency Inner (Tần số tiếp xúc của một điểm trên ca trong với con lăn) BSF Ball Spin Frequency (Tần số tiếp xúc của một điểm trên con lăn với ca ngoài hoặc ca trong) DB Double Back hoặc Back to Back (Lắp cặp ổ lăn kiểu lưng đối lưng) DF Double Face hoặc Face to Face (Lắp cặp ổ lăn kiểu mặt đối mặt) DT Tandem (Lắp cặp ổ lăn kiểu nối tiếp) RMS Root Mean Square (Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động tính bằng trung bình hiệu dụng hay trung bình quân phương) ISO International Organization for Standardization (Tổ chức tiêu chuẩn thế giới) MEMS Microelectro Mechanical Systems (Thiết bị tích hợp vi cơ điện tử) AE Acoustic Emission (Bức xạ âm thanh) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam PLC Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển logic khả lập trình) SBN Tỷ lệ giữa mức độ rung ban đầu và mức độ rung hiện tại SDM Spindle Defect Metric (Chỉ số sai lệch trục chính) AC Alternating Current (Dòng điện xoay chiều) CBM Condition Based Maintenance (Kỹ thuật giám sát tình trạng) LTSC Long Time Servicing Chanel (Kênh giám sát dài hạn) STSC Short Time Servicing Chanel (Kênh giám sát ngắn hạn) AM Ampitude Modulation (Điều chế biên độ) FM Frequency Modulation (Điều chế tần số) rpm Round per minute (Vòng/phút) vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị A Diện tích tác dụng của xylanh khí nén mm2 a1 Hệ số tuổi thọ sửa đổi với độ tin cậy aISO Hệ số tuổi thọ sửa đổi theo điều kiện làm việc aoU Lượng mòn ban đầu của cụm ổ trục chính m b’11, b’12 Các hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm khi tính J b’21,b’22,b’23 Các hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm khi tính RMS theo J b11, b12 Các hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm khi tính U b21,b22,b23 Các hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm khi tính RMS theo U bm Hệ số danh định đối với thép ổ lăn chất lượng cao C0 Khả năng tải tĩnh của ổ lăn N Cr Tải trọng động hướng kính cơ bản danh định của ổ lăn N Cu Tải trọng mỏi giới hạn của vật liệu ổ lăn N d Đường kính trong của ổ lăn mm D Đường kính ngoài của ổ lăn mm  Độ phân giải của phổ tần số Dpw Đường kính trung bình của ổ lăn qua con lăn mm  Dịch chuyển theo phương hướng kính  Dw Đường kính trung bình của ổ lăn mm eC Hệ số nhiễm bẩn Fa Tải trọng dọc trục tác dụng lên ổ trục chính N Fr Tải hướng kính tác dụng lên ổ trục chính N FPreload Tải đặt trước trên ổ trục chính N f Tần số rung động Hz vii
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị fc Hệ số phụ thuộc vào hình dáng hình học và vật liệu của ổ lăn fmax Tần số biên giới hạn trên của rung động Hz fmin Tần số biên giới hạn dưới của rung động Hz fNy Tần số Nyquist Hz mU Tốc độ mòn trung bình của cụm ổ trục chính mh i Số dãy con lăn J Độ cứng vững của cụm ổ trục chính N/µm Jm Độ cứng vững trung bình của cụm ổ trục chính N/µm J0 Độ cứng vững ban đầu của cụm ổ trục chính N/µm [J] Độ cứng vững giới hạn của cụm ổ trục chính N/mm KJ_W Hệ số giữa tuổi thọ cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu cứng vững và tuổi thọ theo chỉ tiêu mòn tại tâm thực nghiệm KL_UL Hệ số giữa tuổi thọ của cụm ổ trục chính trong thử nghiệm mài mòn bôi trơn tiêu chuẩn và trong thử nghiệm mài mòn gia tốc tại tâm thực nghiệm kJ và k Các hệ số thực nghiệm trong tính toán tuổi thọ cụm ổ trục chính L10 Tuổi thọ của ổ lăn theo chỉ tiêu bền tính theo số vòng triệu vòng quay L10h Tuổi thọ của ổ lăn theo chỉ tiêu bền tính theo giờ h Lnm Tuổi thọ sửa đổi của ổ lăn triệu vòng  Độ nhớt động thực tế của dầu bôi trơn cPs  Độ nhớt động theo tiêu chuẩn của dầu bôi trơn cPs n Tốc độ quay trục chính Vòng/phút nm Tốc độ quay trục chính trung bình vòng/phút nmax Tốc độ quay trục chính lớn nhất Vòng/phút nmin Tốc độ quay trục chính nhỏ nhất Vòng/phút P Tải tương đương N viii
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị P(t) Xác suất không hỏng trong thời gian làm việc % P0 Tải trọng tĩnh tương đương N Pm Tải tương đương trung bình N Pmax Tải tương đương lớn nhất N Pmin Tải tương đương nhỏ nhất N Pr Tải trọng động tương đương tác dụng lên ổ lăn N Py Lực tác dụng theo phương y N pa Áp suất khí nén vào xylanh tạo lực dọc trục N/mm2 pr Áp suất khí nén vào xylanh tạo lực hướng kính N/mm2 q Số mũ của phương trình tuổi thọ ổ lăn RMS Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động mm/s2 RMSJ,P(90%) Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động xác định theo mm/s2 chỉ tiêu cứng vững với độ tin cậy 90% RMSJ,P(95%) Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động theo chỉ tiêu mm/s2 cứng vững với độ tin cậy 95% RMSmJ Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động trung bình mm/s2 theo chỉ tiêu cứng vững RMSmU Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động trung bình mm/s2 theo chỉ tiêu mòn RMSmUL Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động cụm ổ trục mm/s2 chính bôi trơn tiêu chuẩn RMSU,P(90%) Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động theo chỉ tiêu mm/s2 mòn với độ tin cậy 90% RMSU,P(95%) Giá trị đại lượng đặc trưng của rung động theo chỉ tiêu mm/s2 mòn với độ tin cậy 95% RMSUL,P(90%) Giá trị đại lượng đặc trưng rung động trong điều kiện mm/s2 bôi trơn tiêu chuẩn với độ tin cậy 90% [RMS] Giới hạn giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động mm/s2 ix
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị [RMS]J Giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động theo mm/s2 chỉ tiêu cứng vững [RMS]U Giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động theo mm/s2 chỉ tiêu mòn  Ứng suất trong ổ lăn N/mm2  Ứng suất mỏi giới hạn N/mm2  Sai lệch tiêu chuẩn tốc độ mòn tổng cộng  Sai lệch tiêu chuẩn của Jm T Tuổi thọ của ổ lăn h T0 Thời gian chạy rà h t0 Nhiệt độ làm việc cụm ổ trục chính 0 C Tdc Thời gian điều chỉnh tải đặt trước cụm ổ trục chính theo h thực nghiệm TdcJ Thời gian điều chỉnh dự kiến theo chỉ tiêu cứng vững h TdcU Thời gian điều chỉnh dự kiến theo chỉ tiêu mòn h TJ Tuổi thọ dự kiến khi theo chỉ tiêu cứng vững h TJ,P(90%) Tuổi thọ cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu cứng vững với h độ tin cậy 90% TJ,P(95%) Tuổi thọ cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu cứng vững với h độ tin cậy 95% Tm Tuổi thọ trung bình tính toán của ổ lăn h Tmax Tuổi thọ cực đại của ổ lăn h TmJ Tuổi thọ trung bình cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu cứng h vững TmUL Tuổi thọ trung bình của cụm ổ trục chính bôi trơn tiêu h chuẩn TU Tuổi thọ dự kiến của cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu mòn h TU,P(90%) Tuổi thọ cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu mòn với độ tin h cậy 90% x
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị TU,P(95%) Tuổi thọ cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu mòn với độ tin h cậy 95% TuL,P(90%) Tuổi thọ của cụm trục chính với độ tin cậy 90% h Um Lượng mòn trung bình của cụm ổ trục chính theo thời m gian Uα Đối số của hàm Laplace, có giá trị phụ thuộc độ tin cậy P(t) [U] Lượng mòn giới hạn m vm Vận tốc cắt trung bình mm/s X Hệ số xác định tải tĩnh của ổ lăn x(t) Tín hiệu rung động theo thời gian mm/s2 Y Hệ số xác định tải tĩnh của ổ lăn y Lượng dịch chuyển trục chính theo phương của lực µm Z Số lượng các con lăn trong ổ lăn một dãy α Góc tiếp xúc danh nghĩa độ γm Tốc độ suy giảm trung bình của độ cứng vững N/h.µm κ Tỷ số độ nhớt σJ0 Sai lệch tiêu chuẩn của độ cứng vững ban đầu σγ Sai lệch tiêu chuẩn tốc độ suy giảm độ cứng vững Φ Toán tử Laplace xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Một số lĩnh vực sử dụng số lượng lớn máy công cụ CNC [1] ................... 6 Hình 1.2. Cấu tạo mô đun của máy tiện CNC [1]...................................................... 7 Hình 1.3. Kết cấu cụm ổ trục chính máy tiện vạn năng 1K62 [2] ............................. 9 Hình 1.4. Cấu tạo cụm trục chính máy tiện CNC [3] ................................................ 9 Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý bôi trơn Micro fog và bôi trơn, làm mát mô đun cụm ổ lăn, động cơ trục chính máy tiện CNC [3] ............................................................... 10 Hình 1.6. Các bộ phận chính của ổ bi đỡ chặn [5] .................................................. 11 Hình 1.7. Ảnh hưởng của góc tiếp xúc trong khả năng chịu tải và tốc độ làm việc của ổ lăn đỡ chặn [5] ....................................................................................................... 11 Hình 1.8. Các kiểu bố trí lắp ổ lăn khác nhau trên trục chính máy tiện CNC [5] ... 12 Hình 1.9. Ảnh hưởng của cách bố trí ổ lăn đến độ cứng vững và tốc độ [6] .......... 13 Hình 1.10. Hai phương pháp đặt tải đặt trước [5].................................................... 13 Hình 1.11. Dịch chuyển dọc trục với tải đặt trước bằng lực cố định [6] ................. 14 Hình 1.12. Tải đặt trước của cặp ổ lăn lắp theo kiểu lưng đối lưng [6]................... 15 Hình 1.13. Dịch chuyển dọc trục với tải đặt trước cố định [6] ................................ 15 Hình 1.14. Ảnh hưởng của tải đặt trước lên độ cứng vững và tốc độ [14] .............. 16 Hình 1.15. Ảnh hưởng của tải đặt trước lên nhiệt độ và tuổi thọ [14] .................... 16 Hình 1.16. Bề mặt các vòng lăn của ổ lăn khi xuất hiện mòn [6]............................ 17 Hình 1.17. Bề mặt ca trong của ổ lăn khi xuất hiện tróc rỗ bề mặt do mỏi [6] ....... 17 Hình 1.18. Ca ngoài của ổ lăn bị vỡ do tải va đập [6] ............................................. 18 Hình 1.19. Thực nghiệm về tải đặt trước của Te Li [10] ......................................... 20 Hình 1.20. Sơ đồ kiểm tra độ đảo của trục chính máy tiện có một trục nằm ngang [11]............................................................................................................................ 21 Hình 1.21. Các dạng phổ đường bao của rung động khi xuất hiện các dạng hỏng trên ca ngoài, ca trong hoặc con lăn theo Randall [13] ................................................... 22 Hình 1.22. Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm chẩn đoán ổ trục chính bằng rung động của Hikmet Bal [15] ................................................................................................. 22 Hình 1.23. Kết quả đo rung động của cụm ổ trục chính theo Hikmet Bal [15] ....... 23 Hình 1.24. Thiết lập thử nghiệm và phát hiện lỗi theo Hoshi [20] .......................... 24 Hình 1.25. Xu hướng rung động cho đến khi hỏng của ổ lăn [21] .......................... 24 xii
Hình 1.26. Kết quả đánh giá tuổi thọ của các kỹ thuật giám sát khác nhau [21] .... 24 Hình 1.27. Sơ đồ giám sát trục chính của De Castelbajac [22] ............................... 25 Hình 1.28. Đồ thị biểu diễn giá trị các thông số đặc trưng cho rung động đo được [22]............................................................................................................................ 25 Hình 1.29. Giám sát tình trạng trục chính thông qua LTSC [24]. ........................... 26 Hình 1.30. Phương pháp của Vogl & Donmez để giám sát tình trạng trục chính [21] .................................................................................................................................. 26 Hình 2.1. Hệ số tuổi thọ sửa đổi aISO theo 𝜎𝑢𝜎 [42]............................................... 39 Hình 2.2. Đồ thi xác định độ nhớt động học chuẩn 1 [7] ....................................... 41 Hình 2.3. Quan hệ lượng mòn U theo thời gian T (hay quãng đường ma sát L) [43] .................................................................................................................................. 48 Hình 2.4. Sơ đồ tính toán tuổi thọ và độ tin cậy theo lượng mòn U ........................ 49 Hình 2.5. Quan hệ giữa độ cứng vững J theo thời gian t hay quãng đường ma sát L .................................................................................................................................. 52 Hình 2.6. Sự phụ thuộc độ cứng vững J theo thời gian và độ tin cậy [47] .............. 53 Hình 2.7. a) Kết cấu của ổ lăn và b) dạng tín hiệu rung động ở vỏ ổ [45]. ............. 59 Hình 3.1. Sơ đồ bố trí cụm ổ trục chính máy tiện CNC .......................................... 62 Hình 3.2. Kết cấu và cách lắp cặp ổ lăn tiếp xúc góc 7210B trên cụm trục chính máy tiện CNC Eclipse300 ................................................................................................ 63 Hình 3.3. Phương án tạo tải ngoài bằng trọng lực ................................................... 65 Hình 3.4. Phương án tạo ngoài tải bằng lò xo ......................................................... 66 Hình 3.5. Phương án tạo tải bằng hệ thống xylanh khí nén/thủy lực ...................... 66 Hình 3.6. Hệ thống tạo tải trên máy tiện CNC Eclipse 300..................................... 67 Hình 3.7. Sơ đồ đo dịch chuyển dọc trục [11] ......................................................... 69 Hình 3.8. Sơ đồ đo dịch chuyển hướng kính [11].................................................... 69 Hình 3.9. Thiết bị đo rung động Microlog CMX-A44 của hãng SKF .................... 70 Hình 3.10. Sơ đồ lắp cảm biến đo rung động trên máy tiện CNC Eclipse 300. ...... 73 Hình 3.11. Đo rung động trên cụm ổ trục chính máy tiện CNC .............................. 74 Hình 3.12. Các bước cài đặt thông số đo trên thiết bị CMX-A44. .......................... 74 Hình 3.13. Kết quả đo rung động và tính toán giá trị đặc trưng rung động trên phần mềm Matlab .............................................................................................................. 76 xiii
Hình 3.14. Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm ...................................................... 76 Hình 3.15. Hệ thống hiết bị thực nghiệm đánh giá chất lượng cụm ổ trục chính bằng khảo sát rung động trên máy tiện CNC Eclipse 300 ................................................ 77 Hình 3.16. Các điểm quy hoạch thực nghiệm.......................................................... 78 Hình 3.17. Trình tự tiến hành thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng cụm ổ trục chính máy tiện CNC .......................................... 80 Hình 4.1. Đồ thị tổng hợp giữa lượng mòn U và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS theo thời gian.......................................................................................... 86 Hình 4.2. Đồ thị mối quan hệ giữa giá trị TdcU với tải ngoài P và tốc độ n. ............ 89 Hình 4.3. Đồ thị mối quan hệ giữa giá trị [RMS]U với tải ngoài P và tốc độ n. ...... 90 Hình 4.4. Đồ thị tổng hợp độ cứng vững J và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS theo thời gian trong các thực nghiệm ..................................................... 94 Hình 4.5. Đồ thị sự suy giảm J theo thời gian trong điều kiện (P,n) thay đổi ......... 95 Hình 4.6. Đồ thị mối quan hệ giữa TdcJ và tải trọng P, tốc độ n .............................. 97 Hình 4.7. Đồ thị mối quan hệ giữa [RMS]J theo tải trọng P và tốc độ n ................. 98 Hình 4.8. Đồ thị và phương trình biểu diễn lượng mòn và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động trong thực nghiệm có bôi trơn tiêu chuẩn....................................... 100 xiv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Giá trị giới hạn độ đảo của các loại máy tiện CNC có 1 trục chính nằm ngang [11] ................................................................................................................. 21 Bảng 1.2. Phân vùng rung động và tình trạng theo ISO 10816:2009 [18] .............. 28 Bảng 1.3. Giá trị giới hạn các vùng rung động theo ISO 10816:2009 [18] ............. 28 Bảng 2.1. Giá trị của bm cho ổ bi đỡ [7]................................................................... 35 Bảng 2.2. Các giá trị của hệ số fc đối với các ổ đỡ [7] ............................................. 35 Bảng 2.3. Hệ số nhiễm bẩn eC [40] .......................................................................... 40 Bảng 2.4. Các chỉ tiêu xác định độ tin cậy lý thuyết và thực nghiệm [41] .............. 45 Bảng 2.5. Hệ số tuổi thọ sửa đổi đối với độ tin cậy, a1 [37] .................................... 47 Bảng 2.6. Giá trị tín hiệu đặc trưng cơ bản của rung động [14] .............................. 58 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật cơ bản của máy tiện CNC Eclipse 300 [50] .............. 63 Bảng 3.2. Các hệ số dùng để tính tải trọng tĩnh tương đương P0 = X0Fr + Y0Fa [5] 63 Bảng 3.3. Các hệ số dùng để tính toán tải trọng động tương đương P = XFr+YFa [5] .................................................................................................................................. 64 Bảng 3.4. Bảng thông số thực nghiệm ..................................................................... 79 Bảng 4.1. Kết qủa đo lượng mòn U (µm) và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS (mm/s2) theo thời gian t (h) ............................................................................. 84 Bảng 4.2. Giá trị của TdcU và [RMS]U khi [U]=5µm ............................................... 88 Bảng 4.3. Kết quả phép đo độ cứng vững J (N/µm) và giá trị RMS (mm/s2) theo thời gian của cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300. ............................................ 91 Bảng 4.4. Giá trị TdcJ và [RMS] theo thực nghiệm khi [J]=200N/µm .................... 97 Bảng 4.5. Lượng mòn và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động trong Thực nghiệm 6 với điều kiện bôi trơn tiêu chuẩn ......................................................................... 100 xv
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cụm ổ trục chính máy công cụ nói chung và máy công cụ CNC nói riêng có độ chính xác chuyển động quay, độ cứng vững, khả năng chống rung động, khả năng chống biến dạng nhiệt, tuổi thọ và độ tin cậy cao. Trong quá trình làm việc, theo thời gian cụm ổ trục chính bị mòn làm suy giảm độ cứng vững, tăng rung động và ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, độ tin cậy và tuổi thọ của máy. Nếu cụm ổ trục chính không được bảo dưỡng, điều chỉnh kịp thời có thể phải dừng máy để sửa chữa, thay thế, ảnh hưởng đến kế hoạch sản xuất và làm tăng chi phí của doanh nghiệp. Đánh giá chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính máy công cụ trong quá trình làm việc có vai trò rất quan trọng trong sản xuất. Chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính máy công cụ được đánh giá chính xác và kịp thời sẽ đưa ra được thời điểm bảo dưỡng, điều chỉnh chính xác. Nó làm tăng hiệu quả sử dụng, kéo dài tuổi thọ và tăng độ tin cậy của cụm ổ trục chính nói riêng và máy công cụ nói chung. Chất lượng cụm ổ trục chính máy công cụ thường được đánh giá theo chỉ tiêu mòn, chỉ tiêu cứng vững kết hợp với phân tích rung động. Máy công cụ nói chung và máy công cụ CNC nói riêng yêu cầu duy trì tải đặt trước lên các cụm ổ trục chính để tăng độ cứng vững, đảm bảo độ chính xác gia công. Khi cụm ổ trục chính máy công cụ CNC bị mòn, tải đặt trước bị suy giảm ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công. Do đó xác định thời điểm điều chỉnh cụm ổ trục chính để duy trì tải đặt trước là rất quan trọng. Trên thực tế, đo mòn hay đo độ cứng vững của cụm ổ trục chính là công việc khó khăn, phức tạp, cần các công cụ trợ giúp và phải dừng máy để thực hiện theo một quy trình chặt chẽ. Sử dụng rung động để đánh giá chất lượng cụm ổ trục chính là một giải pháp kỹ thuật tiên tiến, hiện đại, không phải dừng máy. Giải pháp này phù hợp với điều kiện làm việc của máy công cụ trong thực tiễn sản xuất. Tuy nhiên, để sử dụng kỹ thuật đo và phân tích rung động cho cụm ổ trục chính máy công cụ CNC thì phải lượng hóa được mối quan hệ giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động theo tải ngoài và tốc độ quay. Trên cơ sở đó xác định được ảnh 1
hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục chính. Các mối quan hệ nói trên thay đổi theo loại máy, phạm vi công suất cụ thể, đặc điểm kết cấu cụm ổ trục chính máy công cụ. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài của luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC”. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án * Mục đích chung: Nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. * Mục đích cụ thể: - Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc giữa lượng mòn và độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động (RMS) cụm ổ trục chính máy tiện CNC cỡ nhỏ khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. - Nghiên cứu xác định giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS] của cụm ổ trục chính khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. - Nghiên cứu xác định tuổi thọ dự kiến của cụm ổ trục chính máy tiện CNC cỡ nhỏ với các độ tin cậy khác nhau theo lượng mòn, độ cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300, với cặp ổ lăn 7210B lắp ghép kiểu lưng đối lưng (DB). Máy có công suất 1,5kW, tốc độ vòng quay tối đa là 4.000 vòng/phút. * Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC Eclipse 300 theo chỉ tiêu mòn và chỉ tiêu cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng của rung động RMS khi tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Các thực nghiệm tiến hành trong điều kiện mòn gia tốc (nhưng vẫn trong giai đoạn mòn ổn định, bình thường) và mòn bôi trơn tiêu chuẩn của cụm ổ trục chính. 2
Tốc độ và tải ngoài của nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với vùng làm việc bình thường của máy tiện CNC Eclipse 300. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học Xây dựng được mối quan hệ phụ thuộc giữa lượng mòn U và độ cứng vững J với giá trị đại lượng đặc trưng RMS của rung động cụm ổ trục chính máy công cụ CNC trong điều kiện tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Lượng hóa được giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS] cụm ổ trục chính máy tiện CNC theo giá trị lượng mòn giới hạn [U] và giá trị độ cứng vững giới hạn [J] trong điều kiện tải ngoài và tốc độ quay thay đổi. Xác định được tuổi thọ dự kiến với các độ tin cậy khác nhau của cụm ổ trục chính theo chỉ tiêu mòn, chỉ tiêu cứng vững và giá trị đại lượng đặc trưng của rung động. * Ý nghĩa thực tiễn Đề xuất giải pháp đánh giá chất lượng làm việc của cụm ổ trục chính không dừng máy thông qua giá trị giới hạn của đại lượng đặc trưng rung động [RMS] xác định qua thực nghiệm. Tuổi thọ dự kiến tính toán của cụm ổ trục chính máy công cụ CNC trên cơ sở thực nghiệm tạo điều kiện chủ động cho việc lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa, duy trì chất lượng gia công và tiết kiệm chi phí sản xuất. Kết quả nghiên cứu có thể được dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về giám sát chất lượng làm việc của các cụm ổ trục chính các thiết bị công nghiệp và có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo trong công tác giảng dạy, đào tạo có nội dung liên quan. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết về độ tin cậy, tuổi thọ thiết bị trên cơ sở lượng mòn, độ cứng vững và lý thuyết rung động. Sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp khi nghiên cứu các tài liệu khoa học liên quan. 3