Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án xác định được ảnh hưởng của một số thông số khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ như kết cấu hình học, cách dẫn khí, áp suất cấp. Các yếu tố này tạo ra áp suất phân bố trên ổ trục và khả năng tải ảnh hưởng đến độ chính xác của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ 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: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trương Minh Đức NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Toàn Thắng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Lý do lựa chọn đề tài luận án Ổ khí (tĩnh, động) cũng như ổ thủy (tĩnh, động) là giải pháp rất hiệu quả thường được áp dụng cho những bộ truyền động chính xác. Khi sử dụng ổ khí sẽ khắc phục được những nhược điểm cơ bản của hầu hết các khớp động truyền thống như xuất hiện khe hở động gây sai số ngẫu nhiên. Trong ổ khí, khe hở động luôn luôn được kiểm soát và không xuất hiện ngẫu nhiên trong quá trình làm việc của ổ do lớp màng khí nén áp suất cao được hình thành giữa bạc và trục quay. Đặc biệt, ma sát rất nhỏ (gần như bằng 0) dẫn đến giảm thiểu mài mòn, giảm thiểu sinh nhiệt do ma sát. Vì vậy ổ khí sẽ đảm bảo được chuyển động tương đối với độ chính xác rất cao. Nhờ những ưu điểm nổi bật mà ổ khí ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như gia công cơ khí, đo lường, hàng không… Đặc biệt, trong lĩnh vực gia công cơ khí, việc ứng dụng ổ khí cao tốc trên các máy công cụ để gia công các lỗ nhỏ là rất phù hợp. Vì trong trường hợp này, do kích thước dụng cụ cắt, mômen cắt nhỏ nên đòi hỏi tốc độ quay trục chính của máy là rất lớn, cỡ vài chục nghìn vòng/phút [1]. Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ bao gồm: + Ổ khí tĩnh trong nghiên cứu này hoạt động trên nguyên tắc bơm khí nén có áp suất từ máy nén nhằm tạo ra lớp khí nén giữa trục và bạc, tách rời bạc đệm khí và trục quay không tiếp xúc cơ khí với nhau, hoạt động hoàn toàn dựa trên ma sát khí. Độ cứng của lớp khí nén là yếu tố rất quan trọng đảm bảo ổ khí có hoạt động ổn định hay không, có giữ cho tâm trục quay ổn định hay không? Độ cứng vững này sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào kết cấu hình học của ổ khí, cách dẫn khí và cấp khí. Do đó việc nghiên cứu kết cấu của ổ khí để đảm bảo áp suất được phân bố hợp lý trên bề mặt đệm, tăng độ cứng vững lớp khí nén giữa 1
trục và bạc của ổ khí trong quá trình hoạt động là một trong những điểm trọng tâm của luận án này. + Ổ khí ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ có tốc độ cao thì các yếu tố như khe hở bộ đôi trục và bạc, áp suất khí cấp, độ nhám bề mặt, sai lệch hình học và vị trí của trục và bạc đều ít nhiều ảnh hưởng tới độ chính xác của ổ khí, do đó trong nghiên cứu này tác giả cũng sẽ khảo sát các yếu tố ảnh hưởng nói trên. Chính vì vậy, trong nghiên cứu của luận án tác giả đã lựa chọn ổ khí quay sử dụng trên máy khoan lỗ nhỏ CNC dạng rãnh với phương thức dẫn khí từ lỗ đột thắt trung tâm qua các rãnh dẫn hình chữ nhật để tạo vùng áp suất ổn định trong phạm vi rãnh dẫn hình chữ nhật đó. Việc chọn dạng dẫn khí này phù hợp với năng lực và khả năng công nghệ chế tạo cơ khí tại Việt Nam. Với đề tài, “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ” từng bước làm chủ được thiết kế, công nghệ chế tạo ra ổ khí quay dạng rãnh dẫn hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm tại Việt Nam là phạm vi quan tâm của đề tài luận án này. 2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu. Mục đích Mục đích của luận án xác định được ảnh hưởng của một số thông số khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ như kết cấu hình học, cách dẫn khí, áp suất cấp. Các yếu tố này tạo ra áp suất phân bố trên ổ trục và khả năng tải ảnh hưởng đến độ chính xác của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ được chế tạo trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam. Mục đích cụ thể bao gồm: - Nghiên cứu thiết kế chế tạo ra được ổ khí quay có kết cấu dạng rãnh chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm đảm bảo ổ hoạt động ổn định, không có tiếp xúc cơ khí và khả năng chịu tải dọc trục và độ cứng vững hướng tâm đạt trong khoảng 3 ÷ 10N/μm. 2
Bước đầu làm chủ được công nghệ thiết kế và gia công chế tạo ổ khí quay gia công lỗ nhỏ phù hợp với điều kiện và kinh tế tại Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu Ổ đệm khí dạng rãnh chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm. Đây là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ chặn, dùng làm đầu trục chính máy phay cỡ nhỏ, chịu lực dọc trục trong quá trình gia công. Các đại lượng, yếu tố khí tĩnh ảnh hưởng đến độ cứng vững của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ. Đánh giá những đại lượng ảnh hưởng chính, quyết định độ chính xác ổ khí quay. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu, công trình đã nghiên cứu trong nước và ngoài nước về ổ khí quay ứng dụng trong trục chính của các máy gia công lỗ nhỏ. Từ tính toán lý thuyết về khe hở ổ trục và bôi trơn trong ổ khí, tìm hiểu lý thuyết tính toán ổ khí tĩnh. Nghiên cứu tính toán độ cứng vững và áp suất phân bố của ổ khí tĩnh. Nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng và thực nghiệm để phân tích, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác ổ khí tĩnh. Phạm vi nghiên cứu Giới hạn của ổ khí quay được tạo ra trong nghiên cứu là ổ khí kết cấu dạng rãnh dẫn chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm, phân vùng rãnh, có kích thước giới hạn chiều rộng rãnh là 0,5mm và chiều sâu rãnh là 0,3mm. Ổ đệm khí chịu tải dọc trục được cung cấp nguồn khí có áp suất từ 2bar 4bar, khả năng chịu tải dọc trục của ổ đệm khí là 50N÷100N; độ cứng vững dọc trục và lực hướng tâm là là 3N÷10N/μm 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Ý nghĩa khoa học: Thiết lập được mô hình thực nghiệm trên cơ sở mô phỏng tính toán ổ khí quay để phục vụ cho 3
nguyên công khoan lỗ nhỏ trên trục chính máy CNC với tốc độ quay đến 20.000 vòng/phút. Mô phỏng ổ khí quay với kết cấu thiết kế ổ đệm khí dạng rãnh hình chữ nhật phân phối khí ở lỗ đột thắt trung tâm. So sánh với kết quả thực nghiệm đối với các thông số: Áp suất cấp phân bố trên bề mặt đệm khí theo các tốc độ quay khác nhau, kết cấu đệm khí và áp suất hình thành tải trọng tác động dọc trục. Ý nghĩa thực tiễn: Mô phỏng và thực nghiệm giúp xác định mức độ ảnh hưởng của áp suất khí, ảnh hưởng của số vòng quay trục chính đến phân bố áp suất trên bề mặt tiếp xúc giữa trục và bạc. Từ đó tiếp cận khả năng chế tạo ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ tại Việt Nam. 4. Những đóng góp mới Những kết quả mới của luận án đạt được như sau: 1. Nghiên cứu đưa ra được kết cấu ổ khí tĩnh có nguồn khí cấp vào dạng rãnh hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm phân vùng cấp khí trong ổ, tăng hiệu quả độ cứng của đệm khí. Ứng dụng mô phỏng xác định ảnh hưởng của các yếu tố như áp suất cấp, kết cấu đệm khí đến sự phân bố áp suất trên bề mặt trong điều kiện ổ khí quay với các vận tốc khác nhau. Đây cũng là hướng nghiên cứu khác biệt so với các công trình đã công bố trước đó trên thế giới. 2. Đã nghiên cứu chế tạo được mô hình thực nghiệm ổ khí tĩnh với kết cấu định vị trên 4 bậc tự do dọc trục và vai trục định vị 1 bậc tự do, lắp trên trục chính máy CNC để thực hiện các nguyên công khoan lỗ ≤ 1mm. Độ cứng hướng tâm 5N/μm, độ cứng dọc trục 4N/μm, hoạt động ổn định trong dải tốc độ từ 1000020000vòng/phút hoàn toàn không có tiếp xúc cơ khí với kết cấu nhỏ gọn 5. Bố cục của luận án Luận án được bố cục 4 chương, bao gồm Chương 1: Tổng quan về ổ khí ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ 4
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ Chương 3: Nghiên cứu đánh giá các thông số ảnh hưởng đến độ chính xác của ổ khí quay Chương 4: Thực nghiệm đánh giá các đặc tính kỹ thuật của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ Kết luận và hướng phát triển Chương 1: Tổng quan về ổ khí ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ Hiện nay việc ứng dụng ổ khí quay trên thế giới đã có những thành tựu nổi bật trong gia công chế tạo, trong khi đó ở Việt Nam hiện nay chưa có Doanh nghiệp nào có thể gia công sản xuất được, giá thành cho một ổ khí cũng cao. Đây chính là lý do mà tác giả đã lựa chọn đề tài về lĩnh vực ổ khí quay để nghiên cứu. + Ưu điểm của ổ bôi trơn khí tĩnh: Khả năng làm việc trong khoảng nhiệt độ rộng Ma sát trong ổ rất nhỏ Khả năng làm việc với tốc độ rất cao Ổ khí có rung động nhỏ Kết cấu hệ thống phụ đơn giản Kích thước và trọng lượng nhỏ gọn Độ tin cậy và hiệu suất của máy cao + Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ và đã có nhiều thành tựu nhất định. Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào giải quyết vấn đề phân bố áp suất, lực tải và ổn định của ổ khí. + Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam: Mới dừng lại ở nghiên cứu mà chưa được ứng dụng trong thực tế. 5
Kết luận Với đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ” với các nội dung nghiên cứu: 1. Qua nghiên cứu tổng quan các công trình về ổ khí quay ứng dụng trong gia công trên thế giới, và các nghiên cứu tại Việt Nam có thể thấy rằng kết cấu của ổ khí có các dạng cấp khí: Cấp khí dạng lỗ hình khuyên và lỗ đơn giản, cấp khí dạng khe hẹp, cấp khí dạng rãnh, cấp khí dạng xốp. Tác giả đã kế thừa các nghiên cứu trước đó và đưa ra dạng cấp khí với lỗ cấp khí trung tâm liên kết hình chữ nhật tạo ra vùng đồng áp. 2. Nghiên cứu lý thuyết hoạt động của ổ khí tác giả nhận định: Áp suất cấp vào ổ khí sẽ ảnh hưởng đến phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí và độ cứng của đệm khí, từ đó ảnh hưởng đến khả năng tải và khả năng định tâm của ổ, chính là ảnh hưởng đến chất lượng cũng như độ chính xác khi gia công chi tiết của ổ khí tĩnh. 3. Nghiên cứu các ưu nhược điểm của các ổ khí và những khó khăn khi gia công chế tạo ổ khí. Trong các chương tiếp theo của luận án sẽ nghiên cứu cơ sở lý thuyết với các phương án: + Phân tích kết cấu của ổ khí với bạc đệm khí dạng rãnh và lỗ đột đột thắt trung tâm với vùng cấp áp suất riêng biệt. + Nghiên cứu tính toán đưa ra các phương trình động lực học phương trình về phương trình dòng khí, phân bố áp suất, độ cứng vững của và ổ khả năng tải ảnh hưởng đến chất lượng và độ chính xác gia công. 6
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ Hiện nay trên thế giới đã có nhiều thành tựu nghiên cứu về ổ khí quay cao tốc và đã trở thành thương phẩm của một số hãng sản xuất như Westwind, Excellon, ... Tuy nhiên, việc tính toán thiết kế và đặc biệt là công nghệ chế tạo ổ khí cao tốc vẫn là bí mật của các hãng sản xuất. Do đó việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết thiết kế chế tạo ổ khí quay cao tốc ở Việt Nam sẽ góp phần nâng cao về mặt học thuật tiến tới làm chủ thiết kế, làm chủ công nghệ chế tạo, tăng khả năng nội địa hóa sản phẩm. Vì vậy, trong luận án này xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối với thông số khí tĩnh trong gia công lỗ nhỏ, tác giả thực hiện nghiên cứu, tính toán và thiết kế kết cấu của ổ khí quay cao tốc để ứng dụng lắp trên trục chính của máy khoan. Trong chương này sẽ đi phân tích đặc tính kỹ thuật của ổ khí quay, sau đó đưa ra một số phương trình tính toán cơ bản của bôi trơn bằng khí như sau: Đưa ra được phương trình liên tục của dòng bôi trơn khí đẳng nhiệt có dạng đơn giản: (1) Phương trình bôi trơn cho chi tiết bạc Dựa trên các giả định của bài toán, phương trình Reynolds theo tọa độ trụ góc θ theo trục z có thể được suy ra dựa trên phương trình Navier – Stokes và phương trình liên tục của chất lỏng: 1   3 p 2    3 p 2   ( ph) ( ph) (2) h   h   24  12 R     z  z  2 t  Đặc tính tĩnh học và động học được xác định bằng việc lấy tích phân áp suất trong vùng khí giữa trục phần bạc. 7
 FxJ0   po cos   J     Fy 0    po sin  Rd dz (3)   M xJ0   , z   zpo sin    J    M y0     zpo cos   k xx J J k xy k xJ x k xJ y   J   cos    k yx J k yy J k y x k y y  J  sin   (4) kJ   J       px p y p p  Rd dz  k x x kJx y kJx x k x y   , z   z sin    J x y   J     k y x kJy y kJy x kJy y   z cos     Trong đó: FxJ0 , FyJ0 , M xJ0 , M yJ0 là lực và mômen của trục theo phương x, y p0: Áp suất cấp, px, py, pφx, pφy áp suất theo các phương. Phương trình đệm khí dưới Dựa vào phương trình cơ bản tính toán đối với trục, phương trình Reynolds theo tọa độ đệm khí dưới với góc θ và hệ tọa độ cực r có thể thu được:   3 p 2    3 p 2   ( ph)  ( ph) (5) r h .r  h   12r 3  24 r 2 r  r       t Các đặc tính tĩnh và động được xác định bằng cách tích phân áp suất trong khu vực màng khí trên bề mặt đệm khí dưới.  FzT0   po   T    p r sin  rdrd (6)  M x 0     o   M T0  r ,  po r sin      y   k zz T T k zx k z y  T  1    k T   kx z T T kxx k x y     r sin    pz p x p y  rdrd T (7)  T  r ,   r cos      k y z T k y x k y y  T     8
Phương trình tính toán lực nâng theo phương pháp điện khí tương đương cho đệm khí dưới:  r   ln n   rg 2  2  rg1  rg21  r02      rg1 .ln      r   r0  2   ln  rn . g1       rg 2 r0       (8)  rn rg1   ln r ln r    Fnang  P0 rn r 2z   g2  rn rg1  0  rg22  rg21    ln .ln g1  ln  .   8l 1 rg 2 r0  r r     g2 0  d12 2z  r r    ln  n . g1   r   rg 2 r0  ln g1    r0  2  rg 2  rn2  rg22    rg 2 ln      r r   rn  2    ln  n . g1    r r    g2 0   Phương trình tính toán lực nâng theo phương pháp điện khí tương đương cho bề mặt trụ đệm khí:  4  1 (9) F   a0b0  c 2  c  a0  b0   p0  3 1 32l1z  a  b  4c   d12 ln  0 0   a0  b0  Kết luận Các nội dung đã nghiên cứu trong chương này: 1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ổ khí, tình hình hiện tại và xu hướng phát triển về lĩnh vực vòng bi khí tĩnh. 2. Phân tích kết cấu của ổ khí tĩnh và tác giả nhận thấy rằng: Trong thiết kế ổ khí quay, phải đảm bảo đủ định vị cho trục quay để còn một bậc tự do chuyển động duy nhất. Đối với kết cấu ổ khí ứng dụng trong khoan lỗ, để tạo được lực đẩy đệm khí theo phương dọc trục thì cần phải thiết kế 2 đệm khí chặn ở 9
vai trục, tổng lực đẩy của đệm khí theo phương dọc trục phải thắng được lực dọc trục khi khoan. Do đó kết cấu ổ khí có một số bậc định vị trùng nhau, để ổ khí hoạt động tốt thì phải thiết kế dung sai vị trí tương quan nghiêm ngặt (cỡ một vài micron) để trục quay chỉ tồn tại 1 bậc tự do chuyển động duy nhất là quay quanh trục. Nếu chia ổ cấp khí thành 3 vùng không khí riêng biệt, thì độ cứng của ổ khí tăng 1,5 lần. Quá trình thiết kế đệm khí, phải luôn tạo ra vùng áp suất phân lập để có thể tăng độ cứng vững cho đệm khí, giữ cân bằng cho trục quay ở một vị trí cố định. Đối với lĩnh vực đo lường và cơ khí chính xác, thì đây là lời giải thỏa đáng nhất cho những bộ truyền động chính xác. Tuy nhiên việc tính toán để đảm bảo ổ khí làm việc ổn định là một việc rất phức tạp. 3. Đưa ra các phương trình dòng khí tổng quát cho ổ khí và phương trình đặc tính tĩnh học và động học độ cứng vững trên bề mặt bạc và đệm khí dưới theo các phương trình động học Bernoulli và Navier-stokes 4. Việc tính toán phương trình ổ khí theo phương pháp các các phương trình khí động học rất phức tạp và cần rất nhiều các điều kiện biên cho bài toán mới có thể giải được. Ở đây tác giả đã ứng dụng phương pháp đệm khí tương đương để tính toán sơ bộ áp suất và lực nâng của đệm khí phụ thuộc vào kết cấu của đệm cũng như áp suất nguồn cấp phục vụ cho việc chế tạo ổ khí. Để khảo sát đặc tính của ổ khí một cách chi tiết hơn, phức tạp hơn trong chương 3 tác giả sẽ mô phỏng dòng khí theo phương pháp phần tử hữu hạn để đưa ra các kết quả về phân bố áp suất trên bề mặt trên toàn bộ ổ và độ cứng vững dựa vào các phương trình động lực học Navier-stokes 10
Chương 3: Nghiên cứu đánh giá các thông số ảnh hưởng đến độ chính xác của ổ khí quay Để giải các phương trình đã nghiên cứu ở chương 2 có thể dùng phương pháp số để giải như phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn, phần tử thể tích… Việc giải theo phương pháp này sẽ mất nhiều thời gian và có thể nhầm trong quá trình biến đổi và tính toán. Vì vậy chương này sẽ phân tích mô hình thiết kế và ứng dụng phần mềm mô phỏng số ANSYS giải quyết các khó khăn trên bằng việc thiết lập các mô hình tính toán, đưa điều kiện biên theo các dữ liệu đã được lý thuyết đưa ra từ đó có thể tính toán được lực tác dụng (độ cứng vững) của ổ và phân bố áp suất trên bề mặt ổ khí và của đệm khí Hình 3.1 Mô hình khảo sát ổ khí tĩnh Để làm rõ ảnh hưởng của việc phân tách đệm khí độc lập đến độ cứng vững của ổ khí quay, việc mô phỏng được thực hiện trên 3 mô hình: mô hình 1: Mô hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau, mô hình 2: Mô hình đệm khí rãnh chữ nhật liên kết, mô hình 3: Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn chữ nhật phân lập. Kết quả mô phỏng: 11
(1) (2) (3) Hình 3.2 Sự phân bố áp suất của 3 mô hình Từ hình 3.2 ta nhận thấy: Với áp suất chi tiết, áp suất trung bình của mô hình (1) là 330400 Pa, mô hình (2) là 215947 Pa và áp suất của mô hình (3) là 127210 Pa Hình 3.3 Sự phân bố trên bề mặt trên và dưới Trên hình 3.3 áp suất bề mặt trong mô hình (3) nhìn chung thấp hơn nhiều so với mô hình (1) và (2). Lực đẩy trên bề bặt trong thiết kế (3) không thể đạt được giá trị như trong thiết kế (1), cụ thể: bề mặt trên lực đẩy đạt 62,78N và lực đẩy bề mặt dưới đạt 64,72N. Tùy thuộc vào sự chênh lệch giữa các lực tại hai vị trí nói trên và trục sẽ lệch theo trục Z cho đến khi đạt điểm cân bằng. Dễ dàng nhận thấy rằng, trong trường hợp khảo sát, kích thước của khe hở tại hai vị trí (12 µm) cực kỳ gần điểm cân bằng, điều này đảm bảo rằng trục sẽ quay lơ lửng với trạng thái 12
tối ưu hóa. Hơn nữa, do áp lực rất lớn, lực đẩy tạo ra tại hai vị trí trong thiết kế (1) cũng lớn hơn trong thiết kế (3), đối với chi tiết thiết kế (1) khi bị lệch khỏi vị trí cân bằng là: 314,26 N cao hơn so với mô hình (3) 179,84N. Do sự phân bố áp suất không cân bằng, trục của thiết kế này có xu hướng di chuyển xa hơn từ vị trí cân bằng và điều này dẫn đến chuyển động của trục quay về phía bề mặt, nơi có ít lực tạo ra áp suất bề mặt hơn. Trong trường hợp này, trục tịnh tiến theo hướng chuyển động trên trục Y và gần với bề mặt bạc hơn nhiều 1 2 3 Hình 3.4 Sự phân bố vận tốc không khí trong bề mặt Tương tự trên hình 3.4, kết quả mô phỏng của dòng chảy ổ khí quay trong mô hình (3) có rãnh khí tách biệt có rãnh cao hơn mô hình (1) (hình 3.4). Vì có các rãnh phân phối có kích thước lớn hơn (chiều rộng rãnh khí 3mm và chiều sâu rãnh là1mm), vận tốc của dòng chảy trong mô hình (3) có giá trị trung bình cao hơn trong mô hình (1) là khoảng 100m /s 1 2 3 Hình 3.5 Mô hình phân bố áp suất xung quanh bề mặt ngõng trục khi trục quay được đặt lệch tâm 13
Từ kết quả mô phỏng (hình 3.5), sự phân bố áp suất tại thiết kế (1) nhìn chung cao hơn so với thiết kế (3) và (2), nhưng áp suất được phân bổ bằng nhau nên chúng có xu hướng triệt tiêu lẫn nhau, điều này dẫn đến lực tập trung thấp. Mặt khác, do áp suất khác nhau nên tổng lực xuất hiện có hướng ngược lại với độ lệch tâm, kết quả là thiết kế trong mô hình (3) tốt hơn trường hợp thiết kế (1), mặc dù phân bố áp suất thấp hơn. Hình 3.6 thể hiện chi tiết hơn độ lệch tâm tăng Hình 3.6 Đồ thị khảo sát hiệu quả của việc tự cân bằng trục chính Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến lực đẩy của đệm khí mặt đầu Khảo sát ảnh hưởng của khe hở z đến lực đẩy của đệm khí ở mặt đầu phía trên và dưới chỉ ra ở hình 3.7. Trong thiết kế ổ khí quay này, lực đẩy mặt đầu ở phía trên cao hơn lực đẩy mặt đầu ở phía dưới, đường cong dốc hơn, tức là độ cứng cao hơn. Hình 3.7 Quan hệ giữa lực đẩy mặt đầu và khe hở 14
Theo tính lực dọc trục tại chương 2 khi sử dụng mũi khoan đường kính D = 0,5mm, bước tiến S = 0,09mm/vòng, lực chiều trục khi khoan P0 ≃ 63 N. Như vậy ta có phương trình cân bằng lực hướng trục : Pmặt trên = Pmặt dưới + P0 Từ đồ thị chênh lệch lực đẩy giữa 2 mặt khi khoan là : Pmặt trên - Pmặt dưới ≃ 63 N. Khe hở mặt trên khoảng 12μm, Khe hở mặt dưới khoảng 7μm Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quay đến áp suất trung bình trên bề mặt bạc. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất trung bình trên bề mặt bạc phục thuộc tốc độ quay chỉ ra ở hình 3.8. Khi tăng tốc độ quay từ 5000 đến 20000 vòng/phút, áp suất trung bình trên bề mặt giảm từ 380kPa xuống 337kPa, điều đó cũng có nghĩa là tăng tốc độ quay thì độ cứng hướng kính cũng có xu hướng giảm. Hình 3. 8 Quan hệ giữa vận tốc quay và áp suất trung bình trên bề mặt bạc Trong quá trình khảo sát ổ khí quay sử dụng mô phỏng, có thể trích áp suất tại các điểm trên bề mặt ổ, điều này cho phép phân tích sự phân bố áp suất trên bề mặt ổ khí. Như hình 3.9, áp suất tại điểm A là 397014[Pa] và điểm B là 399794[Pa] 15
Hình 3. 9 Trích áp suất trên bề mặt ổ tại các điểm A và B KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, ba mô hình mô phỏng ổ khí quay với các đệm khí thông nhau, đệm khí hình chữ nhật lỗ thắt trung tâm thí thoát ở giữa bạc và các đệm khí riêng biệt đã được thiết lập để so sánh độ cứng. Khi trục bị đẩy ra khỏi tâm, xuất hiện lực ngược chiều với chiều đẩy do sự thay đổi của áp suất khí phân phối trong khe hở giữa trục và nắp ổ trục không khí. Đối với mô hình (1) và mô hình (2), lực này thay đổi không đáng kể do vùng áp suất được kết nối. Áp suất không khí tại mọi điểm trong khe hở hầu như không thay đổi. Đối với mô hình (3), khí nén được cấp riêng cho từng vùng mang khí rãnh, do đó lực này thay đổi nhiều hơn so với thay đổi khe hở không khí. Áp suất không khí tại mỗi điểm trong khe hở không khí bị thay đổi đáng kể do vùng mang không khí được tách biệt trong trục không khí. Với các thông số thiết kế như trục danh nghĩa đường kính 20mm, rãnh chữ nhật rộng 0,5mm và sâu 0,3mm, độ nhám bề mặt 0,32 μm, áp suất đầu vào 4 bar, tốc độ quay 20000 vòng / phút, khe hở đệm khí 12 μm, chênh lệch lực đẩy giữa mô hình (1) và mô hình (3) là 13 lần khi trục bị đẩy lệch tâm ra xa 11 μm. Điều này chỉ ra rằng cần tạo các ổ khí riêng biệt xung quanh chu vi trục chính để tăng độ cứng của trục không khí. 16
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ổ khí quay Trên cơ sở các tính toán lý thuyết và mô phỏng xác định các đặc tính kỹ thuật của ổ khí quay để nâng cao độ chính xác của phép đo sai lệch độ tròn, chương này sẽ trình bày một số kết quả thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết trên. Với kết cấu ổ khí quay có bạc đệm khí dạng trụ không xẻ ăn khớp bộ đôi với trục quay, kết hợp với đệm khí mặt chặn dưới không điều chỉnh đã giảm bớt khó khăn về công nghệ chế tạo, yêu cầu kỹ thuật của trục quay gia công trên cùng một lần gá để đảm bảo độ đồng tâm giữa các bậc trục và độ vuông góc giữa vai trục có đệm khí phẳng tạo lực dọc trục, góp phần nâng cao độ chính xác của ổ khí quay, phù hợp với trình độ gia công cơ khí tại Việt Nam. 4.1 Đánh giá các thông số kích thước, sai số hình dáng hình học và sai số vị trí bề mặt kích thước Hình 4.1 Kiểm tra độ nhám các chi tiết của ổ khí 17
Hình 4.2 Kiểm tra kích thước trên máy đo CMM - Phân tích kết quả: Kích thước đường kính trong và đường kính ngoài của bộ đôi bạc và trục đáp ứng được yêu cầu khe hở đệm khí trong khoảng từ 5 ÷ 12 μm. Độ vuông góc và độ song song lớn hơn so với yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên trong phạm vi khe hở của bộ đôi theo các phương hướng kính và dọc trục từ 5 ÷ 12 μm thì với sai lệch vị trí của chi tiết bạc và trục đã chế tạo được, bộ đôi trục và bạc vẫn hoạt động được mà không có tiếp xúc cơ khí. Sau khi gia công chi tiết bạc và trục, nguyên công nghiền bộ đôi đã được thực hiện để trục và bạc khớp với nhau trên toàn bộ bề mặt lắp ráp: Khử được độ nhám bề mặt và đồng bộ sai lệch hình dáng của bộ đôi, do đó các sai lệch về độ trụ và độ phẳng có thể chấp nhận được trong phạm vi cho phép. Độ nhám của bạc và trục sau khi nghiền cho thấy giá trị độ nhám trung bình trong phạm vi Ra = 0.32 ÷ 0.35μm, Rz = 2.26 ÷ 2.46μm. Đối với bộ đôi đệm khí thì chỉ tiêu Rz ưu tiên nhiều hơn vì liên quan đến sự tiếp xúc giữa trục và bạc ở các đỉnh 18