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

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... Nghiên cứu phương pháp xác định độ dài làm việ

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

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 …

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

Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu đảm bảo độ chính xác của chuẩn

mô men 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 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

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

Nghiên cứu 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)

Nghiên cứu 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 của độ dài cánh tay đòn

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 chuẩn mô men

Phạm vi nghiên cứu

Giới hạn của mô men chuẩn được tạo ra trong nghiên cứu là 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 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, xây dựng công thức tính 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

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 của thiết bị chuẩn mô men theo nguyên tắc cân bằng mô men lực Ưu điểm của phương pháp này là có thể xác định cánh tay đòn làm việc khi thiết bị chuẩn mô men đã được lắp ráp 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 Giải pháp xác định độ dài cánh tay đòn này cũng là

4

điểm mới của luận án mà chưa được công trình khoa học nào khác công bố

5 Bố cục của Luận án

Luận án được bố cục 4 chương và kết luận, bao gồm

Chương 1: Tổng quan về chuẩn mô men lực

Chương 2: Nghiên cứu ổ đệm khí dùng trong thiết bị chuẩn mô men lực

Chương 3: Phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men lực

Chương 4: Ước lượng độ không đảm bảo đo của chuẩn mô men dùng

ổ đệm khí

Kết quả và bàn luận

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, nhà máy lắp ráp, thiết bị điện, điện tử…

Theo báo cáo của Công ty

Honda Motor gửi các Bộ của

trong mẫu xe SUV Stream,

Sedan Civic và xe thể thao

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

Vì vậy sau một khoảng thời gian làm việc, các thiết bị đo mô men cần được kiểm chuẩn với chuẩn công tác, thiết bị chuẩn công tác cần được hiệu chuẩn với chuẩn đầu mô men Do đó, một trong những yêu cầu đặt ra là thiết bị chuẩn đầu mô men lực được xác định tạo ra với độ không đảm đo có giá trị bao nhiêu, được minh chứng thế nào? Việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ chính xác của chuẩn mô men dùng ổ khí quay” sẽ đóng góp một số

cơ sở học thuật cho việc xây dựng chuẩn đầu mô men lực tại Việt Nam

1.2 Khái niệm và 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

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

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

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

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

R

T

F o

Hình 1.10: Sơ đồ tạo mô men lực

6

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

1.3.2 Xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp của thiết bị 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

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

Đối với đệm khí bề mặt trụ chịu lực dọc trục, trong trường hợp tâm trục và tâm bạc đệm khí bề mặt trụ trùng nhau, khe hở của đệm khí không thay đổi, công trình [6] đã đơn giản hóa bài toán tính đệm khí mặt trụ bằng cách trải bề mặt đệm khí theo mặt phẳng như hình 1.28 Áp dụng phương pháp điện khí tương đương để tính lực nâng

cho đệm khí dạng chữ nhật Khi đó, với khe hở z của đệm khí là

không thay đổi trên toàn bộ bề mặt đệm khí, coi sơ đồ đệm khí được tương đương như sơ đồ mạch điện như hình 1.27b Kết quả tính lực nâng của đệm khí được xác định theo công thức sau:

1 2 3 4 5

T

T K

500N.m

9

7 8

+ Phần lớn các công trình nghiên cứu trước đây đưa ra độ dài

cánh tay đòn là khoảng cách từ tâm trục đến đường thẳng qua tâm của dây kim loại treo quả tải theo phương ngang và đo độ dài này trên máy đo 3 tọa độ [9], [10], [12], [15]… Tuy nhiên các công trình đều không nói rõ phương pháp đo như thế nào để xác định chính xác cánh tay đòn bên trái và bên phải vì tâm trục là tâm ảo, làm sao để xác định được điểm tâm này

+ Trong các công trình nghiên cứu được công bố, độ dài làm việc của cánh tay đòn hầu hết được xác định thông qua việc đo lường trên máy đo 3 tọa độ CMM và coi điểm đặt của lực tải tại điểm tâm của dây treo tải bằng kim loại Như vậy, cần xác định chính xác khoảng cách từ tâm quay đến tâm của dây treo tải trong khi tâm quay

là tâm ảo Mặt khác phương pháp này trở nên khó thực hiện khi máy chuẩn mô men có kích thước lớn, không thể di chuyển vào không gian của máy đo 3 tọa độ

1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Qua việc phân tích các tài liệu trong và ngoài nước cho thấy những vấn đề tồn tại mà luận án cần phải nghiên cứu giải quyết cho thiết bị chuẩn mô men tại Việt Nam:

+ Giá trị mô men ma sát tại khớp quay lẫn vào giá trị mô men chuẩn Để giảm ảnh hưởng của mô men ma sát ở khớp quay đến giá trị mô men chuẩn, các thiết bị chuẩn mô men sử dụng ổ đệm khí tĩnh chịu tải hướng tâm

+ Luận án sẽ nghiên cứu phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men thông qua việc cân bằng mô men trên hai cánh tay đòn

8

+ Đánh giá độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men đó chính

là độ không đảm bảo đo, được tổng hợp từ độ không đảm bảo đo của các đại lượng thành phần như: mô men ma sát, cánh tay đòn và vị trí của cánh tay đòn, khối lượng quả tải và hình dáng quả tải, gia tốc trọng trường, nhiệt độ làm việc…

+ Để phục vụ cho việc nghiên cứu thì cần phải xây dựng thiết

bị chuẩn mô men, trên cơ sở đó có thể thực nghiệm nhằm xác định và đánh giá, hiệu chỉnh các tính toán lý thuyết

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU Ổ ĐỆM KHÍ DÙNG TRONG

THIẾT BỊ CHUẨN MÔ MEN LỰC

2.1 Lý do sử dụng ổ đệm khí trong thiết bị chuẩn mô men lực

Trong quá trình tạo ra chuẩn mô men, một trong những yếu tố

có ảnh hưởng lớn đến độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men là mô men ma sát tại khớp quay

Giá trị của mô men ma sát T f tại ổ đệm khí sẽ lẫn vào giá trị

mô men chuẩn được tạo ra Do đó, nhiệm vụ đặt ra là cần xác định và hạn chế được giá trị của mô men ma sát Qua các phân tích về kết cấu

ổ đệm khí trong phần tổng quan, luận án lựa chọn thiết kế chế tạo loại ổ đệm khí chịu lực hướng tâm kết cấu đối xứng

2.2 Tính toán thiết kế ổ đệm khí trong thiết bị chuẩn

Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của đệm khí bề mặt trụ

Phụ thuộc vào áp suất nguồn cấp và tải trọng của đệm khí, đệm khí chịu lực hướng tâm vị trí tương đối giữa tâm bạc và tâm trục có thể xảy ra một trong ba trường hợp sau:

Hình 2.4: Vị trí tương đối giữa tâm bạc và tâm trục

Trong luận án, tác giả sẽ thực hiện tính toán lực nâng đối với

đệm khí bề mặt trụ với khe hở z giữa trục và bạc thay đổi (ứng với

Trên cơ sở giá trị khe hở z u được xác định theo công thức (2.6),

để xác định lực nâng của đệm khí, luận án áp dụng phương pháp điện – khí tương đương [8] Từ đó, xác định được lực nâng tính trên toàn

10

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán của đệm khí bề mặt trụ

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

Luận án đã sử dụng

phần mền Matlab để tính

toán, hình 2.7 là đồ thị biểu

diễn sự thay đổi lực nâng F

theo khe hở tại tâm đệm khí

z * ứng với bộ số liệu đầu vào

của đệm khí được sử dụng để

thiết kế ổ đệm khí dùng trong

thiết bị thực nghiệm tạo mô

men chuẩn

Đồ thị cho thấy đối với

một đệm khí, lực nâng càng lớn khi khe hở càng nhỏ, khả năng tải lớn nhất của đệm khí được thiết kế 1 300 N Kết quả này được dùng trong tính toán thiết kế ổ đệm khí trong máy chuẩn mô men

2.2.2 Mô phỏng phân bố áp suất

trên bề mặt đệm khí

Ứng dụng phần mềm Ansys

trong việc mô phỏng đệm khí xây dựng

được biểu đồ phân bố áp suất trên 1

đệm khí như hình 2.12 Qua biểu

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Hình 2.7: Quan hệ giữa lực nâng (F)

và khe hở ở tâm của đệm khí (z * )

đồ hình 2.12 ta thấy áp suất phân bố đều và đối xứng trên bề mặt ra

2.2.3 Các thông số cơ bản thể hiện đặc tính làm việc của đệm khí

2.2.3.1 Khả năng tải của đệm khí

Lực nâng F ở đây là một hàm số của áp suất nguồn, các thông

số kết cấu của đường dẫn khí và khe hở z của đệm khí

Hình 2.13: Lực nâng của đệm khí chịu lực hướng tâm

Hình 2.14: Sơ đồ hệ lò xo tương đương

Lò xo trên được nén vào có lực F 2 , độ cứng K 2 ; Lò xo của cơ

2.2.4.1 Bố trí 03 đệm khí trên mỗi đầu trục

Kết luận: Khi tải trọng thay đổi từ 0 đến

1 914 N để tạo ra mô men có giá trị từ 0 đến

957 N.m thì khe hở tại vị trí A biến động từ 4,1

µm đến 9,5 µm Khe hở tại B và C biến động

từ 6,8 µm đến 2,1 µm đến, tâm trục biến động

5,4 µm

2.2.4.2 Bố trí 04 đệm khí trên mỗi

đầu trục

2.2.4.3 Bố trí 05 đệm khí trên mỗi đầu trục

Trên cơ sở tính toán cho các phương án ta có bảng tổng hợp kết quả thông số cơ bản của ổ đệm khí (được cấu thành từ các đệm khí bề mặt trụ có mối quan hệ giữa lực nâng và khe hở ở tâm như hình 2.17) theo bảng 2.1

Bảng 2.1 Những thông số cơ bản của các dạng ổ khí

Hình 2.18: Sơ đồ bố trí các đệm khí trên trục quay của thiết bị chuẩn

mô men

Hình 2.21: Sơ đồ phân tích lực

tác dụng vào ổ trục đệm khí

Hình 2.22: Sự giảm khe hở ∆z dưới tác dụng của tải trọng F

14

Với kết cấu ổ đệm khí được lựa chọn như trên, trường hợp tạo

ra mô men là 500 N.m, hai ổ ở hai đầu trục chịu tải là 1 000 N, như vậy mỗi đầu ổ trục chịu tải 500 N, khe hở ở giữa đệm khí đáy giảm

z = 3,1 µm, thay z vào (2.39), (2.40), khe hở ở giữa 2 đệm khí bên

cạnh đệm khí đáy giảm z 1= 1 µm, khe hở ở giữa 2 đệm khí bên trên tăng z 2=2,5 µm, thay vào phương trình 2.36, ta có độ cứng trung bình của một ổ đạt được là: K = 159 N/µm

2.3 Thực nghiệm xác định khả năng làm việc của ổ đệm khí

Thực nghiệm này được thực hiện nhằm đảm bảo trong quá trình làm việc không có tiếp xúc cơ khí, trục quay hoạt động lơ lửng trong một lớp đệm không khí nén do các bạc đệm khí tạo thành

2.4 Thực nghiệm xác định mô men ma sát và hệ số

ma sát của ổ đệm khí chịu lực hướng tâm

2.4.1 Mục đích thí nghiệm

Mục đích của thí nghiệm là để xác định mô men ma sát và hệ

số ma sát của ổ đệm khí đã được chế tạo trong thiết bị thực nghiệm tạo mô men chuẩn

Hình 2.29: Sơ đồ xác định trạng thái dịch chuyển của cánh tay đòn

2.4.4 Kết quả thí nghiệm

Sau khi thực nghiệm có bảng kết quả:

Bảng 2.7 Các thông số thực nghiệm của ổ đệm khí

1 Khối lượng bắt đầu làm trục quay 0, 011.10-3 Kg

2.5 Thực nghiệm xác định khả năng chịu tải của ổ đệm khí

Để thuận tiện trong thực nghiệm sẽ treo trực tiếp tải trọng lên trục của ổ đệm khí thông qua quang treo để xác định khả năng tải của

ổ đệm khí bằng thực nghiệm, như hình 2.30

Hình 2.30: Mô hình xác định khả năng tải của ổ đệm khí

Sau khi tiến hành thí nghiệm sẽ xây dựng được đồ thị thể hiện quan hệ giữa lực nâng và khe hở như hình 2.31

Hình 2.31: Quan hệ giữa lực nâng và khe hở

Từ kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng tải của ổ đệm khí

đã chế tạo thể lên đến 1 600 N với nguồn không khí cấp có áp suất 4 bar, so với tính toán thiết kế đệm khí, 1 đệm có khả năng chịu tải 1

350 N tại áp suất 4 bar là phù hợp Nếu kể đến trọng lượng của trục

- Sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để xác định phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí, có thể tính toán được lực nâng của đệm khí

bề mặt trụ trong ổ đệm khí chịu lực hướng tâm

- Đã xác định được mô men ma sát của ổ đệm khí chịu lực hướng tâm được chế tạo sử dụng trong thiết bị thực nghiệm tạo mô men chuẩn, trên cơ sở đó đã xác định được hệ số ma sát của ổ quay đệm khí chịu lực hướng tâm là 1.10-6

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ DÀI LÀM VIỆC CỦA CÁNH TAY ĐÒN TRONG THIẾT BỊ CHUẨN

MÔ MEN LỰC 3.1 Đặt vấn đề

Độ dài cánh tay đòn là độ dài khoảng cách từ tâm quay đến phương của lực tác dụng gây ra mô men Trong khi đó, tâm quay và đường thẳng chứa phương của trọng lực tải trọng đều là yếu tố ảo Ngoài

ra, sau một khoảng thời gian làm việc thì độ dài cánh tay đòn có sự thay đổi [9] Vì vậy, độ dài làm việc của cánh tay đòn khó đo được chính xác, đặc biệt sau khi cánh tay đòn đã được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh trên thiết bị chuẩn mô men Sau đây, luận án sẽ trình bày một phương pháp

có khả năng xác định chính xác độ dài làm việc của cánh tay đòn

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

Sau khi chế tạo và lắp ráp thì ở trạng thái cân bằng của cánh tay đòn không nằm trên phương nằm ngang, hình 3.1