Nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ chính xác của chuẩn mô men dùng ổ khí quay

1 Lý do lựa chọn đề tài luận án MỞ ĐẦU Mô men lực là một trong 12 đại lượng cơ học thông dụng trong các đại lượng đo có đơn vị dẫn xuất là các đơn vị đo lường chính thức thuộc Hệ đơn vị đo lường Quốc tế (SI) [2], được sử dụng nhiều trong ngành cơ khí – động lực. Bảng 1 Trích dẫn bảng các đơn vị dẫn xuất TT Đại lượng Đơn vị Tên Ký hiệu 1. Đơn vị không gian, thời gian và hiện tượng tuần hoàn 2. Đơn vị cơ 2.5 mô men lực niutơn mét N.m m Thể hiện theo đơn vị cơ bản thuộc hệ đơn vị SI 2 .kg.s Khái niệm mô men bắt đầu từ các nghiên cứu của Archimeds (287-212 Trước 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, người 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 trưng 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 ngưỡng hạn chế mô men hoặc có đồng hồ chỉ thị mô men. Trong phòng Kiểm tra chất lượng sản phẩm của các Nhà máy, Xí nghiệp thì giá trị mô men xiết chặt của các dụng cụ, đồng hồ đo được kiểm tra bằng các thiết bị kiểm chuẩn mô men. Các thiết bị kiểm chuẩn mô men phải được 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 nước trong khu vực cũng như với các nước trên thế gới, đại lượng mô men lực ngày càng được 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 lường Việt Nam. Trên cơ sở đó, Viện Đo lường Việt Nam (VMI) – Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đã xây dựng đề tài cấp Nhà nước 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 lường” và đã được Bộ Khoa học và Công nghệ phê duyệt năm 2016 với mã số: ĐTĐLCN.49/15.

85

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Văn Duy

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Văn Duy

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO ĐỘ CHÍNH XÁC

CỦA CHUẨN MÔ MEN DÙNG Ổ KHÍ QUAY

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 chưa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày 05 tháng 07 năm 2018

Người hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh

PGS TS Vũ Khánh Xuân

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã được sự hướng dẫn tận tình của tập thể hướng dẫn khoa học, được 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 – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu tôi được: Phòng Đo lường Độ dài, Phòng Đo lường Khối lượng – Viện Đo lường Việt Nam – Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng – Bộ Khoa học & Công nghệ, Trung tâm Đo lường – Cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng - Bộ Quốc Phòng đã tạo điều kiện cho tôi tìm hiểu về tài liệu cũng như các Chuẩn trong Đo lường, sử dụng trang thiết bị thí nghiệm, hợp tác trong nghiên cứu khoa học Ban Giám hiệu, Trung tâm Đào tạo thường xuyên, các Khoa, Trung tâm Đào tạo - Trường 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 được các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tư vấn nhiều ý kiến và cung cấp một số tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài Đồng thời, tôi cũng được các Nghiên cứu sinh của Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng như của Viện

Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong quá trình hoàn thành các thủ tục, nội dung của luận án Tôi xin được chân thành cám ơn sâu sắc các tập thể, cá nhân đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện trong thời gian qua, đặc biệt tôi xin được bày tỏ sự biết ơn đến tập thể hướng dẫn: PGS Vũ Toàn Thắng, PGS Vũ Khánh Xuân

Tôi xin được 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

1

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 tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 13

Mục đích và nội dung 13

Đối tượng nghiên cứu 13

Phương 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

CHƯƠNG 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 phương 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 Ưu, nhược điểm của ổ đệm khí dùng trong thiết bị chuẩn mô men lực 33

1.4.4 Một số phương pháp tính toán lực nâng, lưu lượng của đệm khí 34

1.5 Một số phương pháp xác định độ dài của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men lực đã được công bố 39

2

1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án 44

CHƯƠNG 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 hướng tâm 47

2.2.1.1 Đặc điểm khe hở của đệm khí bề mặt trụ chịu lực hướng tâm 47

2.2.1.2 Xây dựng công thức xác định lực nâng của đệm khí bề mặt trụ chịu lực hướng tâm 49

2.2.1.3 Xác định lực nâng của đệm khí chịu lực hướng 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 hướng 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 phương 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 hướng 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

3

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 chương 2 80

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG 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 Phương 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 hưởng đến kết quả trong quá trình thí nghiệm 91

3.5.1 Ảnh hưởng 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 phương thẳng đứng) 92

3.5.4 Độ không đảm bảo đo do căn mẫu không vuông góc với phương 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 lượng 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 chương 3 93

4

CHƯƠNG 4 ƯỚC LƯỢNG ĐỘ KHÔNG ĐẢM BẢO ĐO CỦA THIẾT BỊ CHUẨN

MÔ MEN DÙNG Ổ ĐỆM KHÍ 94

4.1 Ước lượng độ không đảm bảo đo 94

4.2 Xác định một số đại lượng ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của chuẩn mô men 95

4.2.1 Các đại lượng thành phần đã được biết trước 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 trường 96

4.2.1.3 Độ không đảm bảo đo của khối lượng riêng không khí 96

4.2.1.4 Độ không đảm bảo đo của khối lượng 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 chương 4 101

KẾT LUẬN CHUNG 103

HƯỚNG 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

5

DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục thuật ngữ và chữ viết tắt

T

T

Ký hiệu,

Machine

2 GUM Hướng dẫn thể hiện độ không đảm

bảo đo trong đo lường

Guide to the expression of Uncertainty in

4 KRISS Viện Nghiên cứu Chuẩn đo lường và

Khoa học Quốc gia Hàn Quốc

Korea Research Institute of Standards and Science

5 NMIJ Viện Đo lường Quốc gia Nhật Bản National Metrology Institute

8 VIM Từ vựng quốc tế về các thuật ngữ

chung và cơ bản trong đo lường học

International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms

9 FΣ Trọng lực của tổng tải trọng tạo mô men và tải trọng của trục quay,

cánh tay đòn, quang treo

10 FT Lực tác dụng lên 1 ổ do trọng lực của tải trọng tạo ra mô men

11 FTr Lực tác dụng lên 1 ổ do trọng lực của trục, cánh tay đòn và quang

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 phương của trọng lực đối trọng bên trái

16 l2 Độ dài từ tâm quay đến phương của trọng lực đối trọng bên phải

17 m Khối lượng của tải trọng tạo mô men xoắn

18 m1 Khối lượng của đối trọng

19 m2 Khối lượng thêm vào (bớt đi) để cánh tay đòn trở lại trạng thái cân

bằng ban đầu

21 po Áp suất môi trường

22 p1 Áp suất nguồn khí nén

32 U Độ không đảm bảo đo mở rộng

33 ui Độ không đảm bảo đo của đại lượng i

34 urle Độ không đảm bảo đo tương đối

35 x0 Giá trị của đầu đo laser theo phương x tại trạng thái cân bằng ban đầu

36 xi Giá trị của đầu đo Laser theo phương x

37 y0 Giá trị của đầu đo laser theo phương y tại trạng thái cân bằng ban đầu

38 z Khe hở của đệm khí

8

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 được 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 lường 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 lường 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 lường 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 hướng 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 lưu 35

9

Hình 1.26: Đệm khí nhiều lỗ tiết lưu 36

Hình 1.27: Đệm khí buồng và mạch điện tương đương[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 lượng 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 được 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 tương 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 lưới theo sự chênh lệch kích thước 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 hướng tâm 58

Hình 2.14: Sơ đồ hệ lò xo tương đương 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

10

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 dưới 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 như 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 lượng dịch chuyển trên cánh tay đòn 86

Hình 3.7: Hình ảnh thực hiện phương pháp đo 87

Hình 3.8: Hình ảnh bố trí đầu đo laser được lắp với giá đỡ 88

Hình 3.9: Con trượt và căn mẫu 88

Hình 3.10: Sơ đồ sai lệch vị trí cân bằng 91

11

Hình 3.11: Căn mẫu để xác định giá trị x được 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

12

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 tương ứng với khe hở của ổ đệm khí (PA 1) 63

Bảng 2.3 Các giá trị tương ứng với khe hở của ổ đệm khí (PA 2) 65

Bảng 2.4 Các giá trị tương 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 chưa 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 lượng cơ học thông dụng trong các đại lượng đo có đơn vị dẫn xuất là các đơn vị đo lường chính thức thuộc Hệ đơn vị đo lường Quốc tế (SI) [2], được sử dụng nhiều trong ngành cơ khí – động lực

Khái niệm mô men bắt đầu từ các nghiên cứu của Archimeds (287-212 Trước 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, người 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 trưng 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 ngưỡng hạn chế mô men hoặc có đồng hồ chỉ thị mô men Trong phòng Kiểm tra chất lượng sản phẩm của các Nhà máy, Xí nghiệp thì giá trị mô men xiết chặt của các dụng cụ, đồng hồ đo được kiểm tra bằng các thiết bị kiểm chuẩn mô men Các thiết bị kiểm chuẩn mô men phải được 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 nước trong khu vực cũng như với các nước trên thế gới, đại lượng mô men lực ngày càng được 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 lường Việt Nam Trên cơ sở đó, Viện Đo lường Việt Nam (VMI) – Tổng cục

Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng đã xây dựng đề tài cấp Nhà nước 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 lường” và đã được Bộ Khoa học và Công nghệ phê duyệt năm 2016 với mã số: ĐTĐLCN.49/15

13

Với những mục đích trên, nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men để từng bước làm chủ được 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 hưởng đến độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men là quan trọng, từ đó có thể xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu tố thành phần đến giá trị mô men chuẩn được tạo ra, trong đó có hai thành phần cơ bản

đó là:

+ Mô men ma sát tại ổ quay sẽ ảnh hưởng 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 được nghiên cứu trong thiết bị chuẩn mô men là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ đỡ chịu lực hướng tâm, có hệ số ma sát rất nhỏ Việc nghiên cứu ổ đệm khí chịu lực hướng tâm đảm bảo được khả năng tải, độ cứng dùng cho thiết bị chuẩn mô men chưa được thực hiện ở Việt Nam

+ Độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men: Đây là đại lượng 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 phương 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 được tạo ra

2 Mục đích, đối tượng, phương 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 hướng tâm được 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 được độ dài làm việc của cánh tay đòn trên thiết bị chuẩn mô men đã được lắp đặt hoàn chỉnh

Ước lượng được độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men thông qua độ không đảm bảo đo của các đại lượng thành phần

Đối tượng nghiên cứu

Các đại lượng, yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men Đánh giá những đại lượng ảnh hưởng chính, quyết định độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men

Ổ đệm khí chịu lực hướng tâm nhằm hạn chế sự ảnh hưởng của mô men ma sát đến

độ chính xác của mô men chuẩn được tạo ra Đây là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ đỡ (chịu lực hướng tâm với hai gối đỡ ở hai đầu trục)

Phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trên mô hình thiết bị thực nghiệm được tạo ra Trên cơ sở đó xác định, tính toán độ không đảm bảo đo độ dài làm việc cánh tay đòn

14

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 trong nước và ngoài nước về phương 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 hướng tâm được 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 lượng chuẩn, gia tốc trọng trường 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 hưởng 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 hướng tâm, giải pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trên thiết bị chuẩn mô men, ước lượng 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 được bố trí đỡ hai đầu của trục lắp cánh tay đòn có khả năng chịu tải hướng kính lên đến 1 600 N mà không tiếp xúc cơ khí Đã ước lượng được 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 được như sau:

1 Xây dựng được công thức tính lực nâng của đệm khí bề mặt trụ chịu tải hướng tâm

áp dụng phương pháp điện khí tương đương Đặc điểm của đệm khí bề mặt trụ chịu lực hướng 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 dưới bề mặt đệm khí cũng thay đổi Từ các quan hệ hình học xác định được chiều dài chảy và diện tích chảy theo khe hở ở tâm đệm khí, từ đó tính được sức cản và lực nâng của đệm khí Xây dựng được 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 chưa được thể hiện trong bất kỳ công bố khoa học nào khác

2 Đã đưa ra phương 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 Ưu điểm của phương pháp này là có thể xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn khi thiết bị chuẩn mô men đã được lắp ráp

15

hoàn chỉnh, đặc biệt là đối với thiết bị chuẩn mô men có khối lượng và kích thước lớn không thể đưa lên không gian của máy đo 3 tọa độ Nguyên tắc của phương pháp là đo lượng dịch chuyển của khối lượng trên cánh tay đòn và bù lại lượng mô men mất cân bằng khi thêm khối lượng vào quang treo ở cuối cánh tay đòn Từ đó sẽ tính được 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 lượng của Viện Đo lường Việt Nam thì phương 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 cánh tay đòn này cũng là điểm mới của luận án mà chưa được công trình khoa học nào khác công bố

16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN MÔ MEN LỰC

1.1 Sự cần thiết của việc xác định mô men lực trong công nghiệp

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ở trong nước cũng như quốc tế, các thiết bị đo, kiểm mô men ngày càng được sử dụng nhiều trong:

- Các dây truyền sản xuất cơ khí

- Các nhà máy lắp ráp

- Các thiết bị điện, điện tử…

Đối với mối ghép các chi tiết động, mối ghép làm việc trong điều kiện rung động thì

mô men xiết chặt đòi hỏi độ chính xác cao Mô men xiết chặt phải có giá trị đủ lớn để đảm bảo mối ghép liên kết bền vững, nhưng cũng không được vượt qua giới hạn để đảm bảo tuổi thọ của mối ghép cũng như hình dạng của chi tiết được lắp ghép Thiết bị đo, kiểm mô men lực được ứng dụng nhiều nhất trong công nghệ lắp ráp các thiết bị vận tải (xe máy, ô

tô, tàu thủy, tàu cao tốc, máy bay ), trong xây dựng cầu đường, nhà cao tầng, khai thác khoáng sản

Tại Việt Nam, các công ty, nhà máy sản xuất có rất nhiều thiết bị, dụng cụ để đo, hạn chế giá trị mô men lực Ví dụ: Công ty cổ phần ô tô Trường Hải (Địa chỉ: Khu Công nghiệp Núi Thành – tỉnh Quảng Nam) có khoảng 3 000 thiết bị, dụng cụ đo mô men lực Hình 1.1 là một trong những thiết bị kiểm chuẩn các dụng cụ đo mô men lực

Hình 1.1: Cờ lê lực và thiết bị kiểm chuẩn mô men của cờ lê lực:

a) Cờ lê lực hiển thị số; b) Thiết bị kiểm chuẩn cờ lê lực Sau mỗi khoảng thời gian sử dụng xác định, cờ lê lực được lắp vào thiết bị kiểm chuẩn mô men như hình 1.1b Khi vặn cờ lê lực, màn hình thiết bị sẽ hiển thị giá trị mô men do cờ lê lực tạo ra Nếu mô men này sai khác so với giá trị yêu cầu cờ lê lực cần tạo ra thì phải điều chỉnh lại cờ lê lực để giá trị hiển thị đúng bằng giá trị của thiết bị kiểm chuẩn Thiết bị kiểm chuẩn mô men này cũng sẽ phải hiệu chuẩn định kỳ với thiết bị chuẩn mô men lực cấp cao hơn

17

Mô men cũng là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng của các động cơ Việc đánh giá, so sánh thông số này của các động cơ với thông số chuẩn được thực hiện thông qua các thiết bị đo mô men

Phạm vi đo của các thiết bị đo mô men lực dùng cho các ngành nghề nằm trong khoảng từ 0,001 N.m đến 1 000 kN.m Đối với các ngành công nghiệp sản xuất ô tô, động

cơ, cơ khí chế tạo, lắp ráp, đóng tàu, xây dựng cầu đường và hàng không thì phạm vi đo từ 0,1 N.m đến 5 kN.m được sử dụng nhiều nhất Phạm vi đo lớn hơn thường được sử dụng trong khai thác khoáng sản: hầm, mỏ, dầu khí Phạm vi đo nhỏ hơn thường được ứng dụng trong công nghệ điện tử và y tế

Hình 1.2 thể hiện các dụng cụ xiết chặt mối ghép ren có gắn kèm đồng hồ đo mô men xoắn dùng trong lắp ráp ô tô, máy bay

Hình 1.2: Dụng cụ xiết chặt có đồng hồ đo mô men (Các mối ghép chịu tải động)

Hình 1.3 là hình ảnh dụng cụ xiết chặt mối ghép ren trên đường ray tàu hỏa có lắp bộ phận hạn chế mô men Dụng cụ này không hiển thị giá trị mô men mà chỉ hạn chế mô men làm việc trong một giới hạn đã được đặt trước Nếu mô men xiết chặt lớn hơn mô men giới hạn thì giá trị mô men truyền đến bu lông sẽ không tăng lên nữa

Hình 1.4 giới thiệu một thiết bị chịu tải dao động, đó là các dây cáp chịu lực trong các công trình giao thông Người ta dùng mối ghép ren để lắp một đầu của dây cáp với trụ, đầu còn lại của dây cáp lắp với mặt cầu Trong quá trình làm việc, các mối ghép này chịu tải dao động, do đó cần kiểm soát mô men xiết chặt khi lắp ráp cũng như cần kiểm tra định

kỳ trong quá trình làm việc

Hình 1.3: Một số thiết bị đo mô men (Các mối ghép chịu tải va đập)

18

Hình 1.4: Một số thiết bị chịu tải trọng dao động

Hình 1.5 giới thiệu một số dụng cụ tạo mô men xiết chặt có giá trị nhỏ được dùng trong thiết bị y tế và điện tử Để đảm bảo các mối ghép an toàn trong quá trình làm việc thì

mô men xiết chặt được tạo ra chỉ được phép sai khác nhỏ so với mô men yêu cầu Do đó

mô men xiết chặt cần được kiểm soát thông qua các dụng cụ giới hạn mô men, đo mô men

Hình 1.5: Thiết bị đo mô men có giá trị nhỏ

Để đảm bảo an toàn cho các mối ghép dự ứng lực, đặc biệt là các mối ghép làm việc chịu tải trọng va đập, tải trọng động, tải trọng dao động thì sau một thời gian làm việc, các mối ghép đó cần được kiểm tra lại giá trị mô men xoắn

Thực tế đã xảy ra các trường hợp hỏng hóc khi hoạt động, hoặc gây ra tình trạng thừa bền dẫn đến không hiệu quả về kinh tế do không xác định được chính xác giá trị của mô men lực Hình 1.6 là hình ảnh xe container bị rơi bánh xe trong quá trình làm việc do các mối ghép ren không được đảm bảo mô men xiết chặt khi lắp ráp, hoặc không được kiểm tra định kỳ

19

Hình 1.6: Xe container đang chạy bị rơi bánh xe do không đủ lực siết chặt

Theo báo cáo của Công ty Honda Motor gửi các Bộ của Nhật Bản: do một bulong lắp

puly của máy bơm nước làm mát không đủ lực xiết chặt (hình 1.7) nên trong quá trình vận

hành đã dẫn đến động cơ không được làm mát, có 50 122 chiếc trong mẫu xe SUV Stream,

Sedan Civic và xe thể thao Crossroad bị lỗi Từ tháng 7 năm 2008 đến tháng 7 năm 2010

Honda Motor đã thu hồi xe ô tô tại Châu Mỹ La tinh và Châu Âu, với tổng cộng 150 000

chiếc để khắc phục lỗi miễn phí [19] Như vậy, một lỗi do mô men xiết chặt không được

kiểm soát đã gây ra tổn thất rất lớn trong sản xuất và sử dụng

Hình 1.7: Một mối ghép ren trong ô tô không được xiết chặt [19]

Để kiểm soát giá trị mô men theo các cấp độ chính xác yêu cầu, các nước trên thế

giới đã xây dựng sơ đồ dẫn xuất chuẩn mô men và được phân cấp theo thứ bậc tùy thuộc

vào điều kiện sử dụng và trình độ phát triển của nước đó

Viện Đo lường Việt Nam đã xây dựng và được phê duyệt quy hoạch về đo lường,

trong đó lĩnh vực mô men lực được xây dựng với sơ đồ liên kết chuẩn (dẫn xuất chuẩn)

như hình 1.8 Quy trình truyền chuẩn được thực hiện theo thứ tự: phương tiện đo mô men

lực → chuẩn công tác mô men lực (thiết bị hiệu chuẩn mô men lực) → chuẩn quốc gia về

mô men lực: chuẩn thứ cấp (bộ quả tải chuẩn lắp trên tay đòn mô men, đầu đo mô men lực)

→ chuẩn quốc gia về mô men lực: chuẩn đầu (máy chuẩn mô men lực tải trực tiếp)

Ghi chú: Phương tiện sao truyền, phương pháp sao truyền;

a.c: cấp chính xác; FS: toàn dải đo;

Khung đường liền: chuẩn đã có;

Khung đường đứt: chuẩn chưa có;

Chuẩn được thực hiện theo đề tài cấp Nhà nước

Chuẩn khối lượng Chuẩn độ dài trọng trường Gia tốc

Máy chuẩn mô men lực tải trực tiếp

FS = 100 N.m, U=5.10-4

Máy chuẩn

mô men lực tải trực tiếp

FS = 2 kN.m, U=5.10-4

Máy chuẩn

mô men lực tải trực tiếp

FS = 5 kN.m, U=5.10-4

Tay đòn

mô men

FS = 1m, U=1.10-4

Bộ quả tải

FS = 3000 N, U=1.10-4

Đầu đo mô men lực

FS = 5 kN.m, U=1.10-3

Thiết bị hiệu chuẩn mô

men lực

FS = 2700 N.m, U=5.10-3

Đầu đo mô men lực

FS = 5 kN.m U=5.10-3

Phương tiện đo mô men lực

FS = 5 kN.m; a.c: 0,53

21

Tại Viện Đo lường Quốc gia Nhật Bản (NMIJ), sơ đồ liên kết chuẩn mô men được thể hiện như hình 1.9 [24] Đối tượng sử dụng (bao gồm các dụng cụ, thiết bị tạo mô men xoắn như tuốc nơ vít, cờ lê lực, động cơ ) được kiểm chuẩn bằng các thiết bị đo kiểm cấp

3 (máy kiểm chuẩn mô men động cơ, thiết bị đo - kiểm mô men tuốc nơ vít và cờ lê lực) Chuẩn cấp 3 sẽ được hiệu chuẩn bằng chuẩn cấp 2 (đầu đo mô men lực, thiết bị vặn vít chuẩn, cờ lê lực chuẩn), rồi đến cấp 1 (máy hiệu chuẩn mô men, cờ lê lực chuẩn) và sau cùng là chuẩn quốc gia (máy chuẩn đầu mô men) Độ chính xác về giá trị mô men được tạo

ra sẽ tăng dần từ đối tượng sử dụng đến chuẩn quốc gia

Hình 1.9 Sơ đồ liên kết chuẩn của NMIJ [24]

Vấn đề đặt ra là: Thiết bị chuẩn đầu mô men lực có thể tạo ra giá trị mô men chuẩn với độ không đảm đo bằng bao nhiêu, được minh chứng thế nào?

Mỗi quốc gia trên thế giới có thiết bị chuẩn đầu mô men lực và so sánh vòng để đánh giá độ chính xác của thiết bị chuẩn đầu giữa các quốc gia với nhau Sự sai khác về độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn đầu mô men giữa các nước hiện nay đang là vấn đề được nhiều nước quan tâm

Tại Việt Nam hiện nay chưa có thiết bị chuẩn đầu mô men lực Việc nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ chính xác của chuẩn mô men dùng ổ đệm khí sẽ đóng góp cho việc xây dựng chuẩn mô men lực tại Việt Nam

22

1.2 Khái niệm và sơ đồ tạo mô men lực

1.2.1 Khái niệm mô men lực

Mô men lực: Là một đại lượng vật lý thể hiện tác động gây ra sự quay của vật quanh một điểm hoặc một trục Mô men lực là đại lượng dẫn xuất có thứ nguyên là [lực] x [chiều dài], đơn vị thường sử dụng là Niutơn mét, ký hiệu là N.m.[2]

Mô men lực đơn giản được gọi là mô men và được nghiên cứu nhiều hơn trong biến dạng xoắn, ngoài ra còn được nghiên cứu trong biến dạng uốn, công suất của động cơ

Mô men trong các nghiên cứu về mối ghép chặt và truyền mô men gây biến dạng xoắn được gọi là mô men xoắn

1.2.2 Sơ đồ tạo mô men lực

Hình 1.10 thể hiện sự tác động của một lực F do quả tải có khối lượng m gây nên chuyển động quay của đĩa quay quanh trục của nó Trọng lực F được treo vào một sợi dây vòng qua đĩa bán kính R gây ra mô men lực T, mô men lực này có tác dụng làm cho đĩa

quay quanh điểm O

Hình 1.10: Sơ đồ tạo mô men lực

Giá trị của mô men là:

trong đó: T - mô men lực (N.m); m - khối lượng (kg);

g - gia tốc trọng trường (m/s2); R - độ dài cánh tay đòn (m) Đơn vị của đại lượng mô men được dẫn xuất từ các đơn vị của 3 đại lượng cơ bản là khối lượng, độ dài và thời gian Đơn vị của đại lượng thời gian được thể hiện thông qua đơn vị của đại lượng gia tốc trọng trường [N.m] = [kg.m2.s-2][2]

Như đã trình bày ở trên, chỉ có thể nghiên cứu độ không đảm bảo đo của máy chuẩn

mô men trên hệ thống thiết bị thực Bởi vì có một số thông số cần được xác định bằng thực nghiệm, không xác định được bằng lý thuyết Mặt khác cũng cần có những phương pháp

để kiểm chứng, xác định lại giá trị độ không đảm bảo đo mà các nhà sản xuất, các hãng đã công bố

R

T

F o

23

1.3 Giới thiệu về thiết bị chuẩn mô men lực và phương pháp xác định độ không đảm bảo đo

1.3.1 Giới thiệu về thiết bị chuẩn mô men lực

Trong thời gian gần đây, việc chế tạo ra thiết bị chuẩn mô men lực được nhiều nước quan tâm, đặc biệt là các nước có nền công nghiệp phát triển như: Ý, Thổ Nhĩ Kỳ, Tây Ban Nha, Mexico, Brasil, Nhật Bản, Hàn Quốc với giá trị mô men chuẩn ở các dải khác nhau

và độ không đảm bảo đo của mỗi thiết bị chuẩn mô men cũng khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng Về cấu tạo, tất cả thiết bị chuẩn mô men ở các quốc gia đều xây dựng trên nguyên tắc tạo ra mô men chuẩn sử dụng khối lượng tĩnh treo trên cánh tay đòn, giá trị mô men lực được truyền qua cảm biến mô men Giá trị mô men chuẩn được so sánh vòng giữa các quốc gia

Hình 1.11 là máy chuẩn đầu mô men lực tại KRISS (Viện nghiên cứu Chuẩn đo lường và Khoa học quốc gia Hàn Quốc), quả tải được đặt trên bàn quay có 2 động cơ bước: + 1 động cơ làm nhiệm vụ quay cột tải trọng đến móc của quai treo

+ 1 động cơ làm nhiệm vụ nâng hạ bàn quay để thay đổi số lượng quả tải treo lên móc quai treo, tạo ra các dải giá trị mô men chuẩn

Thiết bị chuẩn mô men cấp quốc gia của Hàn Quốc với độ không đảm bảo đo mở rộng là 5.10-5, thiết bị này sử dụng ổ đệm khí có mô men ma sát là 17,3 µN.m với giá trị

mô men chuẩn là 100 N.m Trọng lực được tạo ra bởi khối lượng chuẩn treo vào cánh tay đòn bằng một dây đai hợp kim có độ dày 50 µm Các khối lượng chuẩn được đặt trên một bàn quay, vị trí vào làm việc được xác định qua động cơ bước, khối lượng làm việc được quyết định bởi sự nâng hạ của mâm quay chứa khối lượng Vị trí cân bằng của cánh tay đòn được xác định bởi đầu đo laser [33]

Hình 1.11: Máy chuẩn đầu mô men lực tại KRISS [33]

24

Chú thích hình 1.11: 1- bàn quay; 5- cánh tay đòn;

2- khay tải trọng; 6- hệ thống xác định vị trí; 3- dây kim loại; 7- động cơ bước

bị này sử dụng ổ đệm khí chịu tải hướng kính có mô men ma sát 10 µN.m Phạm vi chuẩn

mô men từ 1 N.m đến 1 kN.m với độ không đảm bảo đo tương đối là 2.10-5 giá trị mô men chuẩn [23]

Hình 1.12: Máy chuẩn mô men tại Viện đo lường Tây Ban Nha[23]

Chú thích hình 1.12:

1 - quả tải; 4 - thiết bị kiểm tra độ dài cánh tay đòn;

2 - cánh tay đòn; 5 - dây treo tải

3 - ổ đệm khí;

Hình 1.13 là sơ đồ máy chuẩn mô men 1 kN.m của Viện đo lường quốc gia Mexico, gồm hệ thống cánh tay đòn dài 2 m bố trí hai bên khớp quay (mỗi bên dài 1 m), quả tải được treo lên cánh tay đòn qua 1 dây đai kim loại mảnh có độ dầy 25 µm, khớp quay sử dụng ổ đệm khí chịu tải hướng kính có giá trị mô men ma sát từ 20 µN.m đến 25 µN.m, áp nguồn cấp từ 4 bar đến 6 bar Việc xác định độ dài cánh tay đòn được thực hiện bằng máy

đo độ dài bằng Laser Tracker Vị trí nằm ngang của cánh tay đòn được kiểm soát bằng thiết bị đo góc nghiêng giữa trục của cánh tay đòn và phương nằm ngang [15]

25

Hình 1.13: Sơ đồ máy chuẩn mô men 1 kN.m của Mexico [15]

Chú thích hình 1.13: 1 - ổ đệm khí; 3 - dây treo tải;

2 - cánh tay đòn; 4 - giá quả tải

Hình 1.14 là sơ đồ máy chuẩn mô men 1 kN.m của Thổ nhĩ kỳ [12], hai cánh tay đòn đối xứng nhau qua tâm của trục quay, tại 2 phía của cánh tay đòn nhằm tạo các mô men phải và trái, độ dài danh nghĩa của cánh tay đòn là 500 mm, được làm bằng hợp kim Invar Cánh tay đòn được đo bằng máy đo CMM trong nhiệt độ môi trường tại 20 0C Kết quả đo

độ dài cánh tay đòn bên phải là 500,058 0 mm và bên trái là 500,061 5 mm với độ không đảm bảo đo nhỏ hơn 1 µm

Hình 1.14: Sơ đồ máy chuẩn mô men 1 kN.m tại Thổ nhĩ kỳ [12]

Chú thích hình 1.14:

1 - tải trọng; 4 - ổ đệm khí;

2 - khớp đàn hồi; 5 - bộ phận đo;

3 - cánh tay đòn; 6 - thân đế

26

Thiết bị chuẩn mô men ở Việt Nam:

- Tại Viện Đo lường Việt nam (VMI), hiện có thiết bị hiệu chuẩn các dụng cụ đo mô men (hình 1.15) Mô men dùng để hiệu chỉnh được tạo ra bằng cách dùng quả cân để tạo lực với độ dài cánh tay đòn đã biết Phương pháp này gặp vấn đề về độ dài chính xác của cánh tay đòn khi làm việc và sự sai lệch trong quá trình lấy tín hiệu từ mô men chuẩn và so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu của mô men cần xác định tạo nên

Hình 1.15: Thiết bị hiệu chuẩn mô men tại VMI

Trung tâm Đo lường Quân đội, Cục Tiêu chuẩn – Đo lường – Chất lượng, Bộ Quốc Phòng, đã nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm định cờ lê lực (torque wrench) kiểu TCM -500 trên cơ sở mẫu thiết bị kiểm định cờ lê lực của Nga, bộ phận gia tải là trục ren vuông dẫn động con trượt qua hệ thống tay đòn truyền mô men đến cờ lê lực cần kiểm định Thiết bị kiểm định cờ lê lực kiểu TCM – 500 sử dụng điện áp (220 ± 22) V, tần số (50 ±5) Hz, phạm vi đo từ 0 đến 500 N.m (với chiều thuận); từ 0 đến 200 N.m (với chiều ngược); sai số của thiết bị không vượt quá 0,2 % Sản phẩm được trao giải Ba tại Hội nghị Khoa học ngành Tiêu chuẩn – Đo lường – Chất lượng, Bộ Quốc phòng năm 2011

Để phục vụ cho nhiệm vụ hiệu chuẩn các thiết bị đo mô men, Trung tâm Đo lường Quân đội đã trang bị một thiết bị hiệu chuẩn mô men (CDI Torque của Mỹ) (hình 1.16), nhưng sau một thời gian sử dụng, cần phải hiệu chuẩn thiết bị này với thiết bị chuẩn mô men của hãng cung cấp thiết bị Việc này làm tốn về chi phí và không chủ động về thời gian

a) Thiết bị tạo mô men chuẩn và lấy

27

Hình 1.17 là hình ảnh một số cảm biến mô men tại Trung tâm Đo lường, Cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng, Bộ Quốc phòng Mỗi một cảm biến có phạm vi đo khác nhau trong miền mô men cần hiệu chuẩn có đơn vị của giá trị từ N.m đến kN.m

Hình 1.17: Hình ảnh một số cảm biến mô men

Trong những năm qua, xuất phát từ vai trò quan trọng và nhu cầu sử dụng thiết bị đo

mô men lực trong công nghiệp nên VMI đã xây dựng đề tài cấp Nhà nước, được Bộ Khoa

học và Công nghệ phê duyệt vào năm 2016: “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 lường” mã số:

ĐTĐL CN.49/15 Đề tài được thực hiện trong giai đoạn 2016-2019 với mục đích tạo ra chuẩn đầu cấp Quốc gia về môn men lực phạm vi đến 2 000 N.m, độ không đảm bảo đo là 5.10-4 Thiết bị chuẩn mô men này sẽ tích hợp các bộ phận như ổ đệm khí, giá treo tải, các cảm biến đo cân bằng, cánh tay đòn thiết kế chế tạo trong nước sử dụng vật liệu Invar, sau

đó nghiên cứu thực nghiệm đánh giá các yếu tố đến độ không đảm bảo đo, đưa ra biện pháp giảm giá trị độ không đảm bảo đo

Trên cơ sở các tài liệu về máy chuẩn đầu mô men của các nước, có thể đưa ra sơ đồ máy chuẩn mô men như hình 1.18

Hình 1.18: Sơ đồ làm việc của máy chuẩn mô men

1

2 3 4 5

6

T

T K

500N.m

9

7 8

28

trong đó: 1 - cánh tay đòn; 6 - động cơ bước;

2 - ổ quay; 7 - đầu đo khoảng cách;

3 - khớp nối đàn hồi; 8 - móc treo tải trọng;

4 - bảng hiển thị; 9 - tải trọng (m) tạo mô men

5 - cảm biến mô men;

Đầu đo khoảng cách xác định vị trí cân bằng của cánh tay đòn Khi treo quả tải có

khối lượng m với tác dụng của trọng trường và độ dài của cánh tay đòn sẽ tạo ra mô men T,

mô men này sẽ làm cho cánh tay đòn quay Để lấy lại vị trí cân bằng, động cơ bước sẽ tạo

ra mô men kháng lại mô men T, làm cho cánh tay đòn trở về trạng thái ban đầu Với các

đại lượng chuẩn theo hệ SI, giá trị mô men được tạo ra chính là mô men chuẩn, lúc này cảm biến mô men (số 5 – hình 1.18) sẽ lấy tín hiệu mô men chuẩn này và truyền đến chuẩn thứ cấp, hay chuẩn công tác

1.3.2 Xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp của thiết bị tạo chuẩn mô men lực

Qua phân tích sơ đồ tạo mô men chuẩn, các thành phần chính quyết định độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men là:

+ Độ không đảm bảo đo của độ dài cánh tay đòn;

+ Độ không đảm bảo đo của khối lượng quả tải;

+ Độ không đảm bảo đo của gia tốc trọng trường;

+ Độ không đảm bảo đo của mô men ma sát ổ quay

Các thiết bị chuẩn mô men của các nước trên thế giới đều sử dụng tải trọng tĩnh và

độ dài cánh tay đòn Tải trọng tĩnh được tạo ra bởi khối lượng các quả tải, khối lượng có đơn vị đo là đơn vị cơ bản của Hệ tiêu chuẩn đo lường quốc tế (SI) Hiện nay, một số nước

đã có thiết bị, phương pháp xác định gia tốc trọng trường tại các địa điểm cụ thể, ví dụ

VMI đã hợp tác với KRISS để xác định gia tốc trọng trường tại Hà Nội là g = 9,786 687 87

m/s2 [38]

Độ dài là đại lượng đo lường cơ bản trong hệ SI, có đơn vị đo cơ bản là mét, ký hiệu

là m Việc xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn rất khó khăn vì tâm quay là tâm ảo

Hơn nữa, để tăng độ lớn của giá trị mô men lực thì cánh tay đòn phải có độ dài lớn, việc xác định chính xác độ dài của cánh tay đòn có kích thước lớn không phải dễ thực hiện, vì bản thân của cánh tay đòn cũng bị thay đổi do tác động của nhiệt độ môi trường, do sự biến dạng của tay đòn khi chịu lực trong quá trình tạo ra mô men lực

Theo tài liệu [33], giá trị mô men chuẩn được tính theo công thức sau đây:

trong đó: m - là khối lượng tĩnh; gloc - gia tốc trọng trường tại vị trí đặt máy;

L - độ dài cánh tay đòn; ρa - khối lượng riêng của không khí;

ρw- Khối lượng riêng của vật liệu tạo quả tải; Tf - mô men ma sát của ổ đệm khí

OpL (Low experience) – người vận hành có kinh nghiệm thấp;

OpM (Medium experience) – người điều hành có kinh nghiệm trung bình; OpH (High experience) – người điều hành có kinh nghiệm cao

Tài liệu [34] lại không nêu ra cơ sở chia đối tượng hoặc nêu đặc điểm của nhóm người vận hành như thế nào, có nêu ra ưu điểm của máy chuẩn đầu mô men vận hành bằng tay có giá thành rẻ, nhưng chưa đưa ra lợi ích về kinh tế là rẻ hơn bao nhiêu

Nhận xét:

+ Mô men chuẩn được xác định trên cơ sở giá trị chuẩn của đại lượng độ dài, khối lượng và gia tốc trọng trường Thiết bị chuẩn mô men của các nước trên thế giới đều sử dụng nguyên lý quả tải (tải trọng tĩnh) treo trên cánh tay đòn

+ Ổ đệm khí được sử dụng phổ biến làm khớp quay cho trục cánh tay đòn trong máy chuẩn mô men để giảm tối đa ảnh hưởng của mô men ma sát đến giá trị mô men chuẩn Tuy nhiên các tài liệu chỉ nói đến việc lựa chọn ổ đệm khí không đưa ra phương pháp tính toán cụ thể cho ổ đệm khí ứng dụng trong thiết bị chuẩn mô men

+ Độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men đối với mỗi quốc gia có một giá trị khác nhau do sự khác nhau về kết cấu máy, vật liệu sử dụng làm cánh tay đòn, nhiệt độ môi trường đo, khả năng cân bằng của cánh tay đòn theo phương gia tốc trọng trường Ngoài ra, do nguyên lý khác nhau và giá trị các đại lượng tại mỗi nước khác nhau…

30

Nội dung tiếp theo, sẽ giới thiệu một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về thiết kế, tính toán ổ đệm khí chịu lực hướng tâm và phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn khi xác định độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men

1.4 Một số kết quả nghiên cứu về ổ, đệm khí

1.4.1 Cấu tạo cơ bản của ổ đệm khí

Ổ đệm khí là loại ổ quay sử dụng màng mỏng khí nén với một áp suất nhất định để cản trở sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt Do đó, khi sử dụng ổ đệm khí sẽ không có tiếp xúc cơ khí giữa bề mặt bạc đệm khí và bề mặt trục quay Vì vậy, các vấn đề về ma sát, sự mài mòn, bôi trơn sẽ được giải quyết khi ứng dụng ổ đệm khí Tuy nhiên, do không khí luôn được thoát ra từ các khe hở nên phải duy trì liên tục áp suất để tạo lực nâng thắng được lực tải làm việc của ổ

Cấu tạo cơ bản của ổ đệm khí gồm hai phần chính: rotor (trục quay) và stator (bạc, lỗ đệm khí) Trong đó stator được gia công các lỗ dẫn, rãnh thoát không khí Đặc biệt, bề mặt của rotor và stator cần được gia công với độ bóng bề mặt cao nhằm tránh tạo mô men xoắn khi có dòng khí chảy qua Stator có biên dạng lỗ đồng dạng với biên dạng của rotor và có tác dụng dẫn khí với áp suất cao vào khoảng trống giữa rotor và stato nhằm tạo ra một lớp màng khí nén giữa hai bề mặt Mô hình ổ đệm khí như hình 1.20 và hình 1.21 [13]

1.4.2 Phân loại ổ đệm khí ứng dụng trong thiết bị chuẩn mô men lực

Phân loại theo bề mặt làm việc của rotor và stator

+ Ổ đệm khí dạng chữ H: Khi đó bề mặt của rotor gồm bề mặt trụ có chiều dài LR

được chắn bởi 2 mặt phẳng ở hai đầu (hình 1.20) Lớp khí nén được cấp vào phần bề mặt trụ và mặt phẳng giữa rotor và stator

Hình 1.20: Ổ đệm khí dạng chữ H [13]

Chú thích hình 1.20

R

T

L L

4

1 2 3

1 - đường dẫn khí; LR - độ dài của rotor;

- Hình 1.22 a: Ổ đệm khí có bạc quay quanh trục Ổ đệm khí này gồm 1 đệm khí mặt đầu định vị 1 bậc tự do và 2 tầng đệm khí mặt trụ định vị 4 bậc tự do [8]

-Hình 1.22 b: Ổ đệm khí có trục quay quanh bạc Ổ đệm khí này có cấu tạo gồm 3 đệm khí phẳng trên mặt đầu định vị 3 bậc tự do và 2 tầng đệm khí mặt trụ định vị 4 bậc tự

do Với loại ổ này, do có 2 bậc tự do trùng nhau – siêu định vị nên kết cấu trục quay phải đảm bảo độ chính xác cao về hình dáng và vị trí, nhất là độ vuông góc của bề mặt đầu đặt đệm khí và bề mặt trụ [6]

- Hình 1.22 c: Ổ đệm khí có trục quay bạc đứng yên được ứng dụng trong mô hình thiết bị đo độ tròn [6] Ổ đệm khí này gồm 1 tầng đệm khí phẳng mặt đầu định vị 3 bậc tự

do và 2 tầng đệm khí mặt trụ định vị 4 bậc tự do [17] Do đó, kết cấu trục quay của ổ này đơn giản và dễ chế tạo hơn Tuy nhiên, ổ này có nhược điểm là trục quay phải có đường kính lớn để phần mặt đầu của trục quay đủ diện tích đặt đệm khí phẳng Các ổ đệm khí này

32

đều chịu lực dọc trục là chính và khả năng tải của đệm phụ thuộc vào kích thước, số lượng

và kết cấu của các đệm khí phẳng đặt ở mặt đầu

a) Ổ đệm khí có trục đứng

yên, bạc quay [8]

b) Ổ đệm khí có trục quay, bạc đứng yên [6]

c) Ổ đệm khí có trục quay, bạc đứng yên [17][6]

Hình 1.22: Ổ đệm khí chịu lực dọc trục + Ổ đệm khí chịu lực hướng tâm

Trong quá trình làm việc loại ổ này chủ yếu chịu tải trọng hướng tâm Ví dụ ổ đệm khí tĩnh dùng cho máy chuẩn mô men Trong trường hợp này, nguyên nhân gây ra tải trọng hướng tâm là trọng lượng của các bộ phận trên máy chuẩn mô men (bao gồm trọng lượng của trục, cánh tay đòn, quang treo và các quả tải tạo mô men) Một vấn đề đặt ra khi sử dụng loại ổ trên là cần nâng cao khả năng tải của ổ

Theo tài liệu [17] thì khả năng tải của ổ được xác định dựa trên công thức mang tính nguyên tắc như sau:

Khả năng tải = (Diện tích bề mặt) x (áp suất cấp) x (hiệu suất)

Từ công thức trên nhận thấy để ổ có khả năng tải lớn thì một trong các giải pháp là tăng diện tích bề mặt trụ tiếp xúc với trục quay Để đạt được mục đích này, có thể áp dụng hai giải pháp sau:

+ Tăng đường kính của trục quay Mặc dù phương án này làm tăng mô men ma sát tại ổ quay, nhưng do hệ số ma sát khí rất nhỏ nên lượng tăng này sẽ không đáng kể

+ Tăng chiều dài của trục quay Tuy nhiên, phương án này sẽ gây khó khăn trong việc chế tạo đệm khí

Trên cơ sở này, tài liệu [18] đã khảo sát lực hướng tâm với độ dài của ổ và kết cấu ổ khác nhau (không có cánh tay đòn để giảm ảnh hưởng của điều kiện môi trường bởi vì khi

sử dụng trong thiết bị chuẩn mô men thì cánh tay đòn và khối lượng tạo mô men cũng gây

ra lực hướng tâm của ổ)

Tài liệu [14] đã đưa ra một số dạng kết cấu ổ như trên hình 1.23 để khảo sát việc nâng cao khả năng tải của ổ khí chịu lực hướng tâm sử dụng trong máy chuẩn mô men Mỗi kết cấu ổ ở đây ứng với một cấp độ chịu tải khác nhau như sau:

33

+ Kết cấu ổ trên hình 1.23.a tương ứng với khả năng tải là 100 N Ổ có đường kính trục quay bằng 40 mm với 2 đệm khí trụ được đặt ở hai đầu trục và liên kết cố định với vỏ Mỗi đầu trục có hai hàng lỗ cấp Ổ này có thể ứng dụng cho máy chuẩn mô men 10 N.m + Kết cấu ổ trên hình 1.23.b tương ứng với khả năng tải là 200 N Ổ này có dạng cầu với đường kính trục quay lớn hơn và bằng 75 mm Ổ này có thể ứng dụng cho máy chuẩn

mô men 20 N.m

+ Kết cấu ổ trên hình 1.23.c tương ứng với khả năng tải là 3,5 kN Ổ này có dạng mặt trụ với đường kính trục quay lớn hơn và bằng 180 mm với 4 dãy lỗ cấp khí Loại ổ này có thể ứng dụng cho máy chuẩn mô men 1 kN.m

+ Kết cấu ổ trên hình 1.23.d tương ứng với khả năng tải là 25 kN Kết cấu ổ này có dạng mặt trụ với đường kính trục quay lớn hơn nhiều và bằng 600 mm với 4 hàng lỗ cấp khí Kết cấu ổ đệm khí này có thể ứng dụng trong máy chuẩn mô men 20 kN.m

a) Ổ đệm khí hình trụ đường kính trục quay 40 mm

c) Ổ đệm khí hình trụ đường kính trục quay 180 mm

b) Ổ đệm khí bề mặt cầu

đường kính mặt cầu 75 mm

d) Ổ đệm khí hình trụ đường kính trục quay 600 mm

Hình 1.23: Các loại ổ đệm khí chịu tải hướng tâm dùng cho máy chuẩn mô men [14] 1.4.3 Ưu, nhược điểm của ổ đệm khí dùng trong thiết bị chuẩn mô men lực

Trong ổ đệm khí, rotor và stator được cách ly bởi một lớp đệm không khí nén vì vậy

ổ đệm khí có những ưu điểm sau: Do không khí có độ nhớt rất bé nên hệ số ma sát ở đây sẽ rất nhỏ, dẫn đến mô men ma sát khi sử dụng ổ đệm khí cũng sẽ rất nhỏ Trong quá trình làm việc ổ đệm khí không gây ra mài mòn và không làm tăng nhiệt độ của ổ Do đó ổ đệm

34

dr

Đồng thời, ổ đệm khí cũng có những nhược điểm là: Khả năng tải của ổ phụ thuộc vào áp suất lớp màng không khí giữa hai bề mặt trục và bạc Áp suất này phụ thuộc vào nguồn cấp, kết cấu đệm khí và diện tích giữa hai bề mặt có lớp đệm khí Để tăng khả năng chịu tải hướng tâm thì phải tăng đường kính trục quay hoặc tăng chiều dài hai bề mặt có lớp đệm khí, do đó kích thước của ổ đệm khí sẽ lớn Do phải chế tạo chính xác bộ đôi giữa trục và bạc nên đối với các ổ chịu tải lớn thì bán kính quay lớn dẫn đến khó khăn hơn về mặt công nghệ Mặt khác, ổ đệm khí đòi hỏi phải cấp không khí nén liên tục với áp suất ổn định trong suốt quá trình làm việc

1.4.4 Một số phương pháp tính toán lực nâng, lưu lượng của đệm khí

Khi thiết kế tính toán đệm khí, hai tiêu chí quan trọng nhất cần quan tâm là lực nâng

và độ cứng của đệm khí Lực nâng hay khả năng tải của đệm khí phụ thuộc vào áp suất

nguồn cấp p 1, các kích thước hình học và kết cấu của đệm khí về hình dạng, cách dẫn và phân phối khí

Tác giả Jumming, Wang trình bày công thức tính lực nâng F của đệm khí bằng tích phân áp suất (p) phân bố trên toàn bộ diện tích bề mặt đệm khí (A) [40]:

với: R - hằng số khí, T - nhiệt độ, M - khối lượng

khí, h - chiều cao lớp màng khí,  - khối lượng riêng

của khí A - diện tích bề mặt đệm khí

Lực nâng trung bình trên một đơn vị diện tích

có thể viết như sau:

trong đó: (r; α) là tọa độ phân tố diện tích d F ; p 0- áp suất môi trường;

Tác giả Guenther - người Đức đã đưa ra công thức tính toán cho đệm khí có kết cấu rãnh vì đệm khí kết cấu dạng buồng có khả năng ổn định kém do tính nén được của không khí [41]

35

Không khí nén được dẫn qua 2 lỗ tiết lưu đi

qua hai rãnh dẫn song song trên bề mặt đệm khí

hình chữ nhật như hình 1.25

Bằng cách tích phân phương trình chuyển

động Navie Stock của dòng khí với các điều kiện:

dòng chảy tầng, đẳng nhiệt, chuyển động thẳng

nhận được lưu lượng khối lượng dòng khí ra từ lỗ

trong đó: p2 - áp suất sau khi qua tiết lưu;

p0 - áp suất môi trường;

Ta - Nhiệt độ môi trường, Ta=293 K;

bT - độ rộng giữa hai đường dẫn khí;

p1- áp suất nguồn, áp suất trước khi qua lỗ tiết lưu;

- hàm chảy, theo tài liệu [41] :