Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ chính xác của chuẩn mô men dùng ổ khí quay

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:122

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài luận án "Nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ chính xác của chuẩn mô men dùng ổ khí quay" nhằm đảm bảo độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men dùng ổ đệm khí chịu lực hướng tâm được chế tạo trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ chính xác của chuẩn mô men dùng ổ khí quay

85 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Văn Duy NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP ĐẢM BẢO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CHUẨN MÔ MEN DÙNG Ổ KHÍ QUAY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Văn Duy NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP ĐẢM BẢO ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CHUẨN MÔ MEN DÙNG Ổ KHÍ QUAY Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Vũ Toàn Thắng 2. PGS.TS. Vũ Khánh Xuân Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Những nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Các kết quả này chƣa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 05 tháng 07 năm 2018 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. TS. Vũ Toàn Thắng Vũ Văn Duy PGS. TS. Vũ Khánh Xuân
LỜI CÁM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của tập thể hƣớng dẫn khoa học, đƣợc sự tạo điều kiện của Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Cơ khí, các Giảng viên thuộc Bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang học – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu tôi đƣợc: Phòng Đo lƣờng Độ dài, Phòng Đo lƣờng Khối lƣợng – Viện Đo lƣờng Việt Nam – Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lƣờng Chất lƣợng – Bộ Khoa học & Công nghệ, Trung tâm Đo lƣờng – Cục Tiêu chuẩn Đo lƣờng Chất lƣợng - Bộ Quốc Phòng đã tạo điều kiện cho tôi tìm hiểu về tài liệu cũng nhƣ các Chuẩn trong Đo lƣờng, sử dụng trang thiết bị thí nghiệm, hợp tác trong nghiên cứu khoa học. Ban Giám hiệu, Trung tâm Đào tạo thƣờng xuyên, các Khoa, Trung tâm Đào tạo - Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội, đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu khoa học, giúp đỡ tôi gia công một số chi tiết, thiết bị phục vụ cho thực nghiệm liên quan đến nội dung trong đề tài. Tôi đƣợc các Giáo sƣ, Phó Giáo sƣ, Tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tƣ vấn nhiều ý kiến và cung cấp một số tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài. Đồng thời, tôi cũng đƣợc các Nghiên cứu sinh của Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng nhƣ của Viện Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong quá trình hoàn thành các thủ tục, nội dung của luận án. Tôi xin đƣợc chân thành cám ơn sâu sắc các tập thể, cá nhân đã hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện trong thời gian qua, đặc biệt tôi xin đƣợc bày tỏ sự biết ơn đến tập thể hƣớng dẫn: PGS. Vũ Toàn Thắng, PGS. Vũ Khánh Xuân. Tôi xin đƣợc cám ơn đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, chia sẻ, tạo thuận lợi trong thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu. Xin trân trọng cám ơn! Hà Nội, Ngày 05 tháng 07 năm 2018 Tác giả luận án Vũ Văn Duy
MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................. 5 1 Danh mục thuật ngữ và chữ viết tắt .................................................................. 5 2 Danh mục ký hiệu ............................................................................................. 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................. 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... 12 MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 12 1 Lý do lựa chọn đề tài luận án ............................................................................... 12 2 Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu ............................. 13 Mục đích và nội dung......................................................................................... 13 Đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................................ 13 Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 14 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 14 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ........................................ 14 4 Những kết quả mới ............................................................................................... 14 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN MÔ MEN LỰC .................................... 16 1.1 Sự cần thiết của việc xác định mô men lực trong công nghiệp ...................... 16 1.2 Khái niệm và sơ đồ tạo mô men lực ................................................................. 22 1.2.1 Khái niệm mô men lực .............................................................................. 22 1.2.2 Sơ đồ tạo mô men lực ............................................................................... 22 1.3 Giới thiệu về thiết bị chuẩn mô men lực và phƣơng pháp xác định độ không đảm bảo đo ................................................................................................................ 23 1.3.1 Giới thiệu về thiết bị chuẩn mô men lực ................................................... 23 1.3.2 Xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp của thiết bị tạo chuẩn mô men lực........................................................................................................................ 28 1.4. Một số kết quả nghiên cứu về ổ, đệm khí....................................................... 30 1.4.1 Cấu tạo cơ bản của ổ đệm khí ................................................................... 30 1.4.2 Phân loại ổ đệm khí ứng dụng trong thiết bị chuẩn mô men lực .............. 30 Phân loại theo bề mặt làm việc của rotor và stator ............................................ 30 Phân loại theo khả năng làm việc....................................................................... 31 1.4.3 Ƣu, nhƣợc điểm của ổ đệm khí dùng trong thiết bị chuẩn mô men lực .... 33 1.4.4 Một số phƣơng pháp tính toán lực nâng, lƣu lƣợng của đệm khí. ............ 34 1.5 Một số phƣơng pháp xác định độ dài của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men lực đã đƣợc công bố................................................................................... 39 1
1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .................................................................... 44 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU Ổ ĐỆM KHÍ DÙNG TRONG THIẾT BỊ CHUẨN MÔ MEN LỰC .......................................................................................................... 46 2.1 Lý do sử dụng ổ đệm khí trong thiết bị chuẩn mô men lực ........................... 46 2.2 Tính toán thiết kế ổ đệm khí trong thiết bị chuẩn mô men lực ..................... 47 2.2.1 Xác định lực nâng của đệm khí bề mặt trụ chịu lực hƣớng tâm ............... 47 2.2.1.1 Đặc điểm khe hở của đệm khí bề mặt trụ chịu lực hƣớng tâm. ..... 47 2.2.1.2 Xây dựng công thức xác định lực nâng của đệm khí bề mặt trụ chịu lực hƣớng tâm. ........................................................................................... 49 2.2.1.3 Xác định lực nâng của đệm khí chịu lực hƣớng tâm dùng trong thiết bị thực nghiệm tạo mô men chuẩn. ................................................... 53 2.2.2 Mô phỏng phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí ....................................... 54 2.2.3 Các thông số cơ bản thể hiện đặc tính làm việc của đệm khí. .................. 57 2.2.3.1 Khả năng tải của đệm khí .............................................................. 57 2.2.3.2 Độ cứng của đệm khí ..................................................................... 58 2.2.4 Lựa chọn kết cấu ổ đệm khí chịu lực hƣớng tâm sử dụng trong thiết bị chuẩn mô men lực. .............................................................................................. 60 2.2.4.1 Bố trí 03 đệm khí trên mỗi đầu trục (PA 1) ................................... 61 2.2.4.2 Bố trí 04 đệm khí trên mỗi đầu trục (PA 2) ................................... 63 2.2.4.3 Bố trí 05 đệm khí trên mỗi đầu trục (PA 3) ................................... 65 2.2.4.4 Lựa chọn phƣơng án bố trí bạc đệm khí trên trục dùng trong chuẩn mô men lực. ............................................................................................... 68 2.3 Thực nghiệm xác định khả năng làm việc của ổ đệm khí ở chế độ không tải .................................................................................................................................... 71 2.3.1 Mục đích thực nghiệm .............................................................................. 71 2.3.2 Mô tả thí nghiệm ....................................................................................... 71 2.3.3 Thiết bị và điều kiện thí nghiệm ............................................................... 72 2.3.4 Trình tự thí nghiệm ................................................................................... 72 2.3.5 Kết quả ...................................................................................................... 72 2.3.6 Nhận xét .................................................................................................... 72 2.4 Thực nghiệm xác định mô men ma sát và hệ số ma sát của ổ đệm khí chịu lực hƣớng tâm........................................................................................................... 73 2.4.1 Mục đích thí nghiệm ................................................................................. 73 2.4.2 Sơ đồ và nguyên lý thí nghiệm ................................................................. 73 2.4.3 Thiết bị và điều kiện thí nghiệm ............................................................... 76 2.4.4 Trình tự thí nghiệm ................................................................................... 76 2
2.4.5 Kết quả thí nghiệm .................................................................................... 77 2.4.6 Kết luận ..................................................................................................... 78 2.5 Thực nghiệm xác định khả năng chịu tải của ổ đệm khí ................................ 78 2.5.1 Mục đích thí nghiệm ................................................................................. 78 2.5.2 Nguyên lý và sơ đồ thực nghiệm .............................................................. 78 2.5.3 Thiết bị và điều kiện thí nghiệm ............................................................... 79 2.5.4 Trình tự thí nghiệm ................................................................................... 79 2.5.5 Kết quả thí nghiệm .................................................................................... 80 2.5.6 Nhận xét .................................................................................................... 80 2.6 Kết luận chƣơng 2 .............................................................................................. 80 CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ DÀI LÀM VIỆC CỦA CÁNH TAY ĐÒN TRONG THIẾT BỊ CHUẨN MÔ MEN LỰC ........................................ 81 3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................... 81 3.2 Phƣơng pháp xác định chính xác độ dài làm việc của cánh tay đòn trong chuẩn mô men lực dùng ổ đệm khí ......................................................................... 81 3.3 Thí nghiệm xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị thực nghiệm ....................................................................................................................... 84 3.3.1 Mục đích thí nghiệm ................................................................................. 84 3.3.2 Thiết bị và điều kiện thí nghiệm ............................................................... 84 3.3.3 Trình tự thí nghiệm. .................................................................................. 85 3.3.4 Kết qủa thí nghiệm .................................................................................... 86 3.3.5 Đánh giá độ không đảm bảo đo độ dài làm việc của cánh tay đòn ........... 87 3.4 Lựa chọn hợp lý các thông số thử nghiệm xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn. ...................................................................................................................... 90 3.5 Phân tích một số yếu tố khác ảnh hƣởng đến kết quả trong quá trình thí nghiệm ....................................................................................................................... 91 3.5.1 Ảnh hƣởng của sự thay đổi nhiệt độ phòng thí nghiệm ............................ 91 3.5.2 Độ không đảm bảo đo trong quá trình xác định vị trí cân bằng ................ 91 3.5.3 Độ không đảm bảo do đầu đo đọc giá trị y (theo phƣơng thẳng đứng) .... 92 3.5.4 Độ không đảm bảo đo do căn mẫu không vuông góc với phƣơng nằm ngang (bề mặt căn mẫu không vuông góc với trục của cánh tay đòn) ................ 92 3.5.5 Độ không đảm bảo đo do trọng tâm của khối lƣợng dịch chuyển (trọng tâm của con lăn) .................................................................................................. 93 3.5.6 Độ không vuông góc của cánh tay đòn với trục quay. .............................. 93 3.6 Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................. 93 3
CHƢƠNG 4 ƢỚC LƢỢNG ĐỘ KHÔNG ĐẢM BẢO ĐO CỦA THIẾT BỊ CHUẨN MÔ MEN DÙNG Ổ ĐỆM KHÍ ................................................................................. 94 4.1 Ƣớc lƣợng độ không đảm bảo đo..................................................................... 94 4.2 Xác định một số đại lƣợng ảnh hƣởng đến độ không đảm bảo đo của chuẩn mô men ...................................................................................................................... 95 4.2.1 Các đại lƣợng thành phần đã đƣợc biết trƣớc ........................................... 95 4.2.1.1 Độ không đảm đo của quả tải ........................................................ 95 4.2.1.2 Độ không đảm bảo đo của gia tốc trọng trƣờng ............................ 96 4.2.1.3 Độ không đảm bảo đo của khối lƣợng riêng không khí ................ 96 4.2.1.4 Độ không đảm bảo đo của khối lƣợng riêng vật liệu làm quả tải .. 96 4.2.2 Xác định độ không đảm bảo đo độ dài cánh tay đòn ................................ 96 4.2.3 Độ không đảm bảo đo do mô men ma sát của ổ đệm khí ......................... 99 4.3 Tổng hợp độ không đảm bảo đo của mô men.................................................. 99 4.4 Kết luận chƣơng 4. ........................................................................................... 101 KẾT LUẬN CHUNG............................................................................................... 103 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .................................................................... 104 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 105 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 109 PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................. 110 PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................. 111 PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................. 112 PHỤ LỤC 4 ............................................................................................................. 113 PHỤ LỤC 5 ............................................................................................................. 114 PHỤ LỤC 6 ............................................................................................................. 115 PHỤ LỤC 7 ............................................................................................................. 116 4
DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1 Danh mục thuật ngữ và chữ viết tắt T Ký hiệu, Tiếng Việt Tiếng Anh T chữ viết tắt Coordinate Measuring 1 CMM Máy đo toạ độ. Machine. Guide to the expression of Hƣớng dẫn thể hiện độ không đảm 2 GUM Uncertainty in bảo đo trong đo lƣờng. Measurement. Ủy ban chung về hƣớng dẫn trong đo Joint Committee for Guides 3 JCGM lƣờng. in Metrology. Viện Nghiên cứu Chuẩn đo lƣờng và Korea Research Institute of 4 KRISS Khoa học Quốc gia Hàn Quốc. Standards and Science National Metrology Institute 5 NMIJ Viện Đo lƣờng Quốc gia Nhật Bản. of Japan. The International System of 6 SI Hệ đơn vị đo lƣờng Quốc tế. Units. Viện Đo lƣờng Việt Nam – Tổng cục Viet Nam Metrology 7 VMI Tiêu chuẩn Đo lƣờng Chất lƣợng – Institute. Bộ Khoa học và Công nghệ. International Vocabulary of Từ vựng quốc tế về các thuật ngữ Metrology – Basic and 8 VIM chung và cơ bản trong đo lƣờng học. General Concepts and Associated Terms. 5
2 Danh mục ký hiệu TT Ký hiệu Tiếng Việt 1 A Diện tích 2 a0 Độ rộng của rãnh dẫn khí 3 an Độ rộng của đệm khí bề mặt trụ 4 b0 Độ dài của rãnh dẫn khí 5 bn Độ dài của đệm khí bề mặt trụ. 6 c Độ dài từ rãnh dẫn khí đến mép ngoài của bạc đệm khí 7 f Hệ số ma sát của ổ đệm khí 8 Fi Lực đẩy cuả đệm khí i FΣ Trọng lực của tổng tải trọng tạo mô men và tải trọng của trục quay, 9 cánh tay đòn, quang treo. 10 FT Lực tác dụng lên 1 ổ do trọng lực của tải trọng tạo ra mô men FTr Lực tác dụng lên 1 ổ do trọng lực của trục, cánh tay đòn và quang 11 treo. 12 K Độ cứng của đệm khí 13 L1 Độ dài làm việc cánh tay đòn bên trái 14 L2 Độ dài làm việc cánh tay đòn bên phải 15 l1 Độ dài từ tâm quay đến phƣơng của trọng lực đối trọng bên trái 16 l2 Độ dài từ tâm quay đến phƣơng của trọng lực đối trọng bên phải. 17 m Khối lƣợng của tải trọng tạo mô men xoắn 18 m1 Khối lƣợng của đối trọng m2 Khối lƣợng thêm vào (bớt đi) để cánh tay đòn trở lại trạng thái cân 19 bằng ban đầu. 20 p Áp suất 21 po Áp suất môi trƣờng 22 p1 Áp suất nguồn khí nén 6
23 p2 Áp suất sau lỗ tiết lƣu 24 R Chiều rộng rãnh khí 25 r0 Bán kính rãnh dẫn khí 26 r1 Bán kính trục đệm khí 27 r2 Bán kính bạc đệm khí 28 rc Bán kính khớp cầu của bạc đệm khí 29 rn Bán kính ngoài đệm khí 30 S Chiều sâu rãnh khí 31 T Mô men xoắn 32 U Độ không đảm bảo đo mở rộng 33 ui Độ không đảm bảo đo của đại lƣợng i. 34 urle Độ không đảm bảo đo tƣơng đối. 35 x0 Giá trị của đầu đo laser theo phƣơng x tại trạng thái cân bằng ban đầu 36 xi Giá trị của đầu đo Laser theo phƣơng x 37 y0 Giá trị của đầu đo laser theo phƣơng y tại trạng thái cân bằng ban đầu 38 z Khe hở của đệm khí 7
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Cờ lê lực và thiết bị kiểm chuẩn mô men của cờ lê lực: ..................................... 16 Hình 1.2: Dụng cụ xiết chặt có đồng hồ đo mô men (Các mối ghép chịu tải động). ......... 17 Hình 1.3: Một số thiết bị đo mô men (Các mối ghép chịu tải va đập). ............................... 17 Hình 1.4: Một số thiết bị chịu tải trọng dao động .............................................................. 18 Hình 1.5: Thiết bị đo mô men có giá trị nhỏ. ...................................................................... 18 Hình 1.6: Xe container đang chạy bị rơi bánh xe do không đủ lực siết chặt. ...................... 19 Hình 1.7: Một mối ghép ren trong ô tô không đƣợc xiết chặt. [19] .................................... 19 Hình 1.8 Sơ đồ dẫn xuất chuẩn mô men ở VMI. ................................................................. 20 Hình 1.9. Sơ đồ liên kết chuẩn của NMIJ [24] .................................................................... 21 Hình 1.10: Sơ đồ tạo mô men lực. ....................................................................................... 22 Hình 1.11: Máy chuẩn đầu mô men lực tại KRISS [33] ..................................................... 23 Hình 1.12: Máy chuẩn mô men tại Viện đo lƣờng Tây Ban Nha[23] ................................ 24 Hình 1.13: Sơ đồ máy chuẩn mô men 1 kN.m của Mexico [15] ......................................... 25 Hình 1.14: Sơ đồ máy chuẩn mô men 1 kN.m tại Thổ nhĩ kỳ [12] .................................... 25 Hình 1.15: Thiết bị hiệu chuẩn mô men tại VMI ................................................................ 26 Hình 1.16: Máy hiệu chuẩn dụng cụ đo mô men tại Trung tâm Đo lƣờng Quân đội. ......... 26 Hình 1.17: Hình ảnh một số cảm biến mô men ................................................................... 27 Hình 1.18: Sơ đồ làm việc của máy chuẩn mô men ............................................................ 27 Hình 1.19: Máy chuẩn đầu mô men tại Viện Đo lƣờng Quốc gia Brasil[34]..................... 29 Hình 1.20: Ổ đệm khí dạng chữ H [13] ............................................................................... 30 Hình 1.21: Ổ đệm khí dạng chữ X [13] .............................................................................. 31 Hình 1.22: Ổ đệm khí chịu lực dọc trục .............................................................................. 32 Hình 1.23: Các loại ổ đệm khí chịu tải hƣớng tâm dùng cho máy chuẩn mô men [14] ...... 33 Hình 1.24: Đệm khí phẳng dạng tròn .................................................................................. 34 Hình 1.25: Đệm khí 2 rãnh - 2 lỗ tiết lƣu ............................................................................ 35 8
Hình 1.26: Đệm khí nhiều lỗ tiết lƣu ................................................................................... 36 Hình 1.27: Đệm khí buồng và mạch điện tƣơng đƣơng[8] ................................................. 38 Hình 1.28: Đệm khí phẳng hình chữ nhật. .......................................................................... 38 Hình 1.29: Sơ đồ nguyên lý chuẩn đầu mô men [35] .......................................................... 39 Hình 1.30: Sơ đồ cấu tạo cánh tay đòn mô men [26] ......................................................... 40 Hình 1.31: Bộ phận cánh tay đòn[27] ................................................................................. 41 Hình 1.32: Mô hình lò xo xoắn [28] .................................................................................... 42 Hình 1.33: Phân bố ứng suất bất đối xứng[28].................................................................... 42 Hình 1.34: Treo thêm khối lƣợng ban đầu tạo sức căng cho dây treo[28] .......................... 43 Hình 1.35: Sơ đồ xác định cánh tay đòn thông qua s và [11] ........................................... 43 Hình 2.1: Sơ đồ ổ đệm khí đƣợc chế tạo thử nghiệm .......................................................... 47 Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của đệm khí bề mặt trụ. .............................................................. 47 Hình 2.3: Cấu tạo của của bạc đệm khí sử dụng trong máy chuẩn mô men ....................... 48 Hình 2.4: Vị trí tƣơng đối giữa tâm bạc và tâm trục ........................................................... 49 Hình 2.5: Sơ đồ tính toán của đệm khí bề mặt trụ ............................................................... 49 Hình 2.6: Sơ đồ tính tiết diện chảy tại tọa độ u ................................................................... 51 Hình 2.7: Quan hệ giữa lực nâng (F) và khe hở ở tâm của đệm khí (z*). ............................ 53 Hình 2.8: Bạc đệm khí bề mặt trụ ........................................................................................ 54 Hình 2.9: Mô hình tính toán 1 đệm khí bề mặt trụ ............................................................. 55 Hình 2.10: Chia lƣới theo sự chênh lệch kích thƣớc tại từng vị trí .................................... 55 Hình 2.11: Chiều dòng chảy của 1 đệm khí ....................................................................... 56 Hình 2.12: Biểu đồ phân bố áp suất trên 1 đệm khí. .......................................................... 56 Hình 2.13: Lực nâng của đệm khí chịu lực hƣớng tâm. ...................................................... 58 Hình 2.14: Sơ đồ hệ lò xo tƣơng đƣơng .............................................................................. 60 Hình 2.15: Sơ đồ bố trí 03 đệm khí trên một đầu trục. ........................................................ 61 Hình 2.16: Sơ đồ bố trí 04 đệm khí trên một đầu trục. ........................................................ 64 9
Hình 2.17: Sơ đồ bố trí 05 đệm khí trên một đầu trục ......................................................... 65 Hình 2.18: Sơ đồ bố trí các đệm khí trên trục quay của thiết bị chuẩn mô men ................. 68 Hình 2.19: Sơ đồ bố trí các đệm khí trên trục quay của ổ đệm khí ứng dụng trong thiết bị chuẩn mô men...................................................................................................................... 69 Hình 2.20: Thân đế lắp các đệm khí của ổ đệm khí dùng trong thiết bị chuẩn mô men ..... 69 Hình 2.21: Sơ đồ phân tích lực tác dụng vào ổ trục đệm khí .............................................. 69 Hình 2.22: Sự giảm khe hở ∆z dƣới tác dụng của tải trọng F ............................................. 69 Hình 2.23: Mô hình xác định sự tiếp xúc cơ khí giữa bạc đệm khí và trục quay. ............... 71 Hình 2.24: Hình ảnh thực nghiệm xác định sự tiếp xúc cơ khí giữa đệm khí và trục quay. 72 Hình 2.25: Sơ đồ nguyên lý xác định mô men ma sát [14] ................................................ 73 Hình 2.26: Sơ đồ tạo rotor có dao động nhƣ một con lắc[32] ............................................ 74 Hình 2.27: Sơ đồ kết cấu của thiết bị thực nghiệm xác định mô men ma sát. .................... 75 Hình 2.28: Giá trị của điện trở giữa trục và bạc của đệm khí.............................................. 77 Hình 2.29: Sơ đồ xác định trạng thái dịch chuyển của cánh tay đòn ................................. 77 Hình 2.30: Mô hình xác định khả năng tải của ổ đệm khí .................................................. 79 Hình 2.31: Quan hệ giữa lực nâng và khe hở của một cặp ổ ............................................... 80 Hình 3.1: Trạng thái cân bằng của cánh tay đòn sau khi lắp đặt. ........................................ 82 Hình 3.2: Trạng thái cân bằng của thiết bị tạo mô men....................................................... 82 Hình 3.3: Xác định vị trí cân bằng của cánh tay đòn .......................................................... 83 Hình 3.4: Sơ đồ xác định độ dài cánh tay đòn L1. ............................................................... 83 Hình 3.5: Sơ đồ xác định độ dài cánh tay đòn L2. ............................................................... 84 Hình 3.6: Khối lƣợng dịch chuyển trên cánh tay đòn.......................................................... 86 Hình 3.7: Hình ảnh thực hiện phƣơng pháp đo. .................................................................. 87 Hình 3.8: Hình ảnh bố trí đầu đo laser đƣợc lắp với giá đỡ. ............................................... 88 Hình 3.9: Con trƣợt và căn mẫu .......................................................................................... 88 Hình 3.10: Sơ đồ sai lệch vị trí cân bằng............................................................................. 91 10
Hình 3.11: Căn mẫu để xác định giá trị x đƣợc đặt theo không vuông góc với trục cánh tay đòn ....................................................................................................................................... 92 Hình 4.1: Trục quay không nằm ngang ............................................................................... 97 Hình 4.2: Dao động của quả tải khi treo vào quang treo ..................................................... 98 Hình PL 1: Bản vẽ chi tiết trục quay. ................................................................................ 110 Hình PL 2: Bản vẽ chi tiết bạc lắp. .................................................................................... 111 Hình PL 3: Bản vẽ thiết kế chi tiết thân cánh tay đòn ....................................................... 112 Hình PL 4 : Bản vẽ chi tiết đầu cánh tay đòn. ................................................................... 113 Hình PL 5: Bản vẽ chi tiết đệm khí bề mặt trụ. ................................................................. 114 Hình PL 6: Bản vẽ lắp thiết bị chuẩn mô men. ................................................................. 115 Hình PL 7: Các thiết bị phục vụ cho thí nghiệm xác định mô men ma sát: ...................... 116 11
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Trích dẫn bảng các đơn vị dẫn xuất ........................................................................ 12 Bảng 2.1 Bảng giá trị các thông số của đệm khí ................................................................. 59 Bảng 2.2 Các giá trị tƣơng ứng với khe hở của ổ đệm khí (PA 1) ...................................... 63 Bảng 2.3 Các giá trị tƣơng ứng với khe hở của ổ đệm khí (PA 2) ...................................... 65 Bảng 2.4 Các giá trị tƣơng ứng với khe hở của ổ đệm khí (PA 3) ...................................... 66 Bảng 2.5 Những thông số cơ bản của các dạng ổ khí.......................................................... 67 Bảng 2.6 Bảng kết quả thực nghiệm khả năng làm việc của ổ ở chế độ không tải ............. 72 Bảng 2.7 Các thông số thực nghiệm của ổ đệm khí ............................................................ 78 Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm xác định L1. ........................................................................ 86 Bảng 4.1 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo chƣa tính đến độ không đảm bảo đo mô men ma sát. ........................................................................................................................ 100 Bảng 4.2 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo theo thực nghiệm ................................... 101 12
MỞ ĐẦU 1 Lý do lựa chọn đề tài luận án Mô men lực là một trong 12 đại lƣợng cơ học thông dụng trong các đại lƣợng đo có đơn vị dẫn xuất là các đơn vị đo lƣờng chính thức thuộc Hệ đơn vị đo lƣờng Quốc tế (SI) [2], đƣợc sử dụng nhiều trong ngành cơ khí – động lực. Bảng 1 Trích dẫn bảng các đơn vị dẫn xuất Đơn vị Thể hiện theo đơn vị cơ bản TT Đại lƣợng Tên Ký hiệu thuộc hệ đơn vị SI 1. Đơn vị không gian, thời gian và hiện tƣợng tuần hoàn 2. Đơn vị cơ 2.5 mô men lực niutơn mét N.m m2.kg.s-2 Khái niệm mô men bắt đầu từ các nghiên cứu của Archimeds (287-212 Trƣớc CN) về đòn bẩy: “Give me a place to stand and I will move the earth” - Hãy cho tôi một điểm tựa và tôi sẽ nâng cả trái đất. Đây là câu nói nổi tiếng đầu tiên liên quan về mô men – tác động đồng thời của lực và cánh tay đòn. Sau này, trong lịch sử phát triển của cơ học, ngƣời ta đã có những ứng dụng thiết thực hơn về mô men khi sử dụng ròng rọc, các bộ truyền đai, xích, bánh răng … Ngoài ra, mô men là một thông số đặc trƣng cho khả năng làm việc của động cơ, cho biết động cơ phát ra mô men xoắn bằng bao nhiêu Niutơn mét (N.m) hay kilôniutơn mét (kN.m). Ngày nay, hàng hóa và các thiết bị sử dụng rất nhiều mối ghép ren, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí. Để đảm bảo chi tiết máy không bị phá hỏng do xiết quá chặt, đồng thời lại không bị tháo lỏng trong khi làm việc, những dụng cụ xiết chặt chỉ cho phép sinh ra một mô men xiết chặt giới hạn tùy thuộc vào mối ghép. Do đó, các cờ lê lực hay các thiết bị xiết bu lông, ốc vít có ngƣỡng hạn chế mô men hoặc có đồng hồ chỉ thị mô men. Trong phòng Kiểm tra chất lƣợng sản phẩm của các Nhà máy, Xí nghiệp thì giá trị mô men xiết chặt của các dụng cụ, đồng hồ đo đƣợc kiểm tra bằng các thiết bị kiểm chuẩn mô men. Các thiết bị kiểm chuẩn mô men phải đƣợc hiệu chuẩn với các cơ sở hợp pháp hiệu chuẩn mô men quốc gia thông qua thiết bị chuẩn mô men ở cấp cao nhất. Vì sự phát triển kinh tế và hội nhập với các nƣớc trong khu vực cũng nhƣ với các nƣớc trên thế gới, đại lƣợng mô men lực ngày càng đƣợc quan tâm và yêu cầu độ chính xác ngày càng cao, do đó Việt Nam cần có thiết bị chuẩn đầu mô men để phục vụ cho công tác hiệu chuẩn và so sánh chuẩn với các quốc gia khác. Ngoài việc nhập một số thiết bị đo mô men thì việc nghiên cứu chế tạo và đảm bảo độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men đang là nhu cầu thực tế đặt ra cho nền công nghiệp và ngành đo lƣờng Việt Nam. Trên cơ sở đó, Viện Đo lƣờng Việt Nam (VMI) – Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lƣờng Chất lƣợng đã xây dựng đề tài cấp Nhà nƣớc với tiêu đề: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và tích hợp máy chuẩn đầu mô men lực độ chính xác cao sử dụng cho lĩnh vực đo lƣờng” và đã đƣợc Bộ Khoa học và Công nghệ phê duyệt năm 2016 với mã số: ĐTĐLCN.49/15. 12
Với những mục đích trên, nghiên cứu phƣơng pháp đảm bảo độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men để từng bƣớc làm chủ đƣợc thiết kế, công nghệ chế tạo ra thiết bị chuẩn mô men tại Việt Nam là phạm vi quan tâm của đề tài luận án này. Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu đảm bảo độ chính xác của chuẩn mô men là: Để tạo ra mô men chuẩn thì việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men là quan trọng, từ đó có thể xác định mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố thành phần đến giá trị mô men chuẩn đƣợc tạo ra, trong đó có hai thành phần cơ bản đó là: + Mô men ma sát tại ổ quay sẽ ảnh hƣởng trực tiếp đến giá trị mô men chuẩn tạo ra, điều này có thể hạn chế bằng việc sử dụng ổ đệm khí. Ổ đệm khí đƣợc nghiên cứu trong thiết bị chuẩn mô men là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ đỡ chịu lực hƣớng tâm, có hệ số ma sát rất nhỏ. Việc nghiên cứu ổ đệm khí chịu lực hƣớng tâm đảm bảo đƣợc khả năng tải, độ cứng dùng cho thiết bị chuẩn mô men chƣa đƣợc thực hiện ở Việt Nam. + Độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men: Đây là đại lƣợng tham gia trong công thức xác định giá trị mô men chuẩn. Sau khi chế tạo thiết bị chuẩn mô men, cần phải xác định giá trị độ dài làm việc của cánh tay đòn trong khi tâm quay là tâm ảo, điểm đặt lực tại vị trí nào khi dây treo quả tải có độ dày nhất định. Nghiên cứu phƣơng pháp xác định chính xác độ dài làm việc của cánh tay đòn sẽ góp phần đảm bảo độ chính xác của mô men chuẩn đƣợc tạo ra. 2 Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu Mục đích và nội dung Mục đích của đề tài luận án nhằm đảm bảo độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men dùng ổ đệm khí chịu lực hƣớng tâm đƣợc chế tạo trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam. Nội dung bao gồm: Đảm bảo ổ đệm khí làm việc không có tiếp xúc cơ khí và đáp ứng yêu cầu khả năng tải và độ cứng cho thiết bị chuẩn mô men. Xác định đƣợc độ dài làm việc của cánh tay đòn trên thiết bị chuẩn mô men đã đƣợc lắp đặt hoàn chỉnh. Ƣớc lƣợng đƣợc độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men thông qua độ không đảm bảo đo của các đại lƣợng thành phần. Đối tƣợng nghiên cứu Các đại lƣợng, yếu tố ảnh hƣởng đến độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men. Đánh giá những đại lƣợng ảnh hƣởng chính, quyết định độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men. Ổ đệm khí chịu lực hƣớng tâm nhằm hạn chế sự ảnh hƣởng của mô men ma sát đến độ chính xác của mô men chuẩn đƣợc tạo ra. Đây là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ đỡ (chịu lực hƣớng tâm với hai gối đỡ ở hai đầu trục). Phƣơng pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trên mô hình thiết bị thực nghiệm đƣợc tạo ra. Trên cơ sở đó xác định, tính toán độ không đảm bảo đo độ dài làm việc cánh tay đòn. 13
Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu trong nƣớc và ngoài nƣớc về phƣơng pháp và thiết bị chuẩn mô men, tiến hành phân tích, đánh giá các nội dung còn tồn tại để nghiên cứu giải pháp khắc phục, xây dựng mô hình thực nghiệm xác định độ không đảm bảo đo của thiết bị tạo mô men chuẩn. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án là thiết bị tạo mô men chuẩn có giá trị đến 500 N.m. Ổ đệm khí chịu tải hƣớng tâm đƣợc cung cấp nguồn khí có áp suất từ 4 bar đến 6 bar, khả năng tải của ổ đệm khí là 1 000 N và cánh tay đòn có chiều dài 500 mm. Các khối lƣợng chuẩn, gia tốc trọng trƣờng và các điều kiện khác theo VMI. 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Luận án đã phân tích và xác định mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố quan trọng nhất đến độ chính xác của giá trị mô men chuẩn, là tiền đề cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị chuẩn mô men dùng ổ đệm khí, góp phần chuẩn bị xây dựng thiết bị chuẩn đầu mô men của Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu tính toán khả năng chịu tải, mô men ma sát, độ cững vững cho ổ đệm khí chịu lực hƣớng tâm, giải pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trên thiết bị chuẩn mô men, ƣớc lƣợng độ không đảm bảo đo là cơ sở khoa học cho việc xây dựng thiết bị chuẩn mô men, đồng thời là nguồn tài liệu học thuật cho những nghiên cứu tiếp theo. 4 Những kết quả mới Luận án đã xây dựng thành công thiết bị thực nghiệm chuẩn mô men 500 N.m chạy trên ổ đệm khí với chiều dài cánh tay đòn 500 mm. Ổ đệm khí bề mặt trụ đƣợc bố trí đỡ hai đầu của trục lắp cánh tay đòn có khả năng chịu tải hƣớng kính lên đến 1 600 N mà không tiếp xúc cơ khí. Đã ƣớc lƣợng đƣợc độ không đảm bảo đo của thiết bị thực nghiệm thiết bị chuẩn mô men tự chế tạo là 2,286.10-4 trên cơ sở xác định độ không đảm bảo đo của một số thành phần chính. Các kết quả của đợt chế tạo thử nghiệm này sẽ góp phần trong việc nghiên cứu thiết kế chế tạo chuẩn mô men lực với các dải giá trị chuẩn khác nhau. Những kết quả mới của luận án đạt đƣợc nhƣ sau: 1. Xây dựng đƣợc công thức tính lực nâng của đệm khí bề mặt trụ chịu tải hƣớng tâm áp dụng phƣơng pháp điện khí tƣơng đƣơng. Đặc điểm của đệm khí bề mặt trụ chịu lực hƣớng tâm là khe hở bề mặt đệm khí thay đổi từ tâm ra ngoài khi chi tiết bạc và trục lệch tâm làm áp suất phân bố dƣới bề mặt đệm khí cũng thay đổi. Từ các quan hệ hình học xác định đƣợc chiều dài chảy và diện tích chảy theo khe hở ở tâm đệm khí, từ đó tính đƣợc sức cản và lực nâng của đệm khí. Xây dựng đƣợc biểu đồ đặc tính quan hệ giữa lực nâng của đệm khí và khe hở tại tâm đệm khí. Đây là điểm mới của luận án mà chƣa đƣợc thể hiện trong bất kỳ công bố khoa học nào khác. 2. Đã đƣa ra phƣơng pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men theo nguyên tắc cân bằng mô men lực. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có thể xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn khi thiết bị chuẩn mô men đã đƣợc lắp ráp 14
hoàn chỉnh, đặc biệt là đối với thiết bị chuẩn mô men có khối lƣợng và kích thƣớc lớn không thể đƣa lên không gian của máy đo 3 tọa độ. Nguyên tắc của phƣơng pháp là đo lƣợng dịch chuyển của khối lƣợng trên cánh tay đòn và bù lại lƣợng mô men mất cân bằng khi thêm khối lƣợng vào quang treo ở cuối cánh tay đòn. Từ đó sẽ tính đƣợc độ dài làm việc cánh tay đòn. Với trình độ khoa học công nghệ phát triển, dựa trên chuẩn đầu chiều dài và chuẩn đầu khối lƣợng của Viện Đo lƣờng Việt Nam thì phƣơng pháp này trở nên hiệu quả và tin cậy trong việc xác định chính xác độ dài cánh tay đòn, một trong những yếu tố chính đảm bảo độ chính xác của giá trị mô men chuẩn. Giải pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn cũng là điểm mới của luận án mà chƣa đƣợc công trình khoa học nào khác công bố. 15