Nghiên cứu bôi trơn thủy động tích hợp hệ thống khảo sát đặc tính bôi trơn ổ chặn thủy động

Qua nghiên cứu có thể tính toán được các đặc tính cơ bản của ổ thủy động, đưa ra biểu đồ áp suất và biểu đồ nhiệt độ tại các mưởng của ổ, cho phép đánh giá khả năng tải để đưa ra các biệ

MỤC LỤC Trang

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4

HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU 4

HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ 4

PHẦN MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 9

TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN 9

CHƯƠNG 2 13

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÔI TRƠN THUỶ ĐỘNG 13

CHƯƠNG 3 32

HỆ THỐNG ĐO VÀ HIỂN THỊ KẾT QUẢ LÊN MÁY TÍNH 32

1 Lý do chọn đề tài 6

2 Lịch sử nghiên cứu 6

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 7

4 Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 7

5 Phương pháp nghiên cứu 8

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BÔI TRƠN 9

1.2 PHÂN LOẠI CÁC DẠNG BÔI TRƠN 12

1.3 KẾT LUẬN 12

2.1 PHƯƠNG TRÌNH REYNOLDS 13

2.2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN Ổ ĐỠ THUỶ ĐỘNG 16

2.3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN Ổ CHẶN THỦY ĐỘNG 24

2.4 KẾT LUẬN 31

CHƯƠNG 4 48

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 48

3.1 THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 32

3.2 LẮP ĐẶT CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT 36

3.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 40

3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM HIỂN THỊ 44

3.5 KẾT LUẬN 47

4.1 CÁC KẾT QUẢ ĐO ÁP SUẤT 48

4.2 CÁC KẾT QUẢ ĐO NHIỆT ĐỘ 51

4.3 KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 56

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Văn Long học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B

Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

Đề tài: Nghiên cứu bôi trơn thủy động Tích hợp hệ thống khảo sát đặc tính bôi trơn

ổ chặn thủy động

Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Thị Thanh Hải

Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thực nghiệm trong luận văn này là do chính tác giả thực hiện

Hà Nội, tháng 1 năm 2015 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Long

Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của ổ chặn

Bảng 3.2 Các thông số của biến tần SE23400400

Bảng 3.3 Các thông số cơ bản của cảm biến áp suất

Bảng 3.4 Các thông số cơ bản của cảm biến nhiệt độ

Bảng 3.5 Các thông số cơ bản của Atmega8

Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm đo áp suất ở tốc độ 300 v/ph

Bảng 4.2 Kết quả thí nghiệm đo áp suất ở tốc độ 400 v/ph

Bảng 4.3 Kết quả thí nghiệm đo áp suất ở tốc độ 500 v/ph

Bảng 4.4 Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ ở tốc độ 300 v/ph

Bảng 4.5 Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ ở tốc độ 400 v/ph

Bảng 4.6 Kết quả thí nghiệm đo nhiệt độ ở tốc độ 500 v/ph

HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Hệ tọa độ

Hình 2.2 Sơ đồ vị trí khi khởi động ổ

Hình 2.3 Mặt cắt ổ đỡ

Hình 2.4 Miền khai triển ổ

Hình 2.5 Chia lưới miền khai triển ổ

Hình 2.6 Phần tử 4 nút

Hình 2.7 Sơ đồ biểu diễn ổ chặn

Hình 2.8 Biến thiên của lực, hệ sô ma sát và lưu lượng theo tỉ số a=h 1 /h 2

Hình 2.9 Sơ đồ ổ chặn

Hình 2.10 Miền khai triển một mưởng của ổ chặn

Hình 2.11 Trường áp suất của ổ chặn

Hình 3.1 Cấu tạo thiết bị và ảnh chụp thiết bị

Hình 3.2 Kết cấu ổ chặn

Hình 3.3 Cơ cấu đặt tải

Hình 3.4 Biến tần điều khiển tốc độ động cơ

Hình 3.5 Vị trí đo nhiệt độ và áp suất

Hình 3.6 Hình ảnh bố trí đầu đo

Hình 3.7 Cảm biến áp suất MPXHZ6400A và mạch điều khiển

Hình 3.8 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 và mạch điều khiển

Hình 3.9 Sơ đồ chân Atmega8

Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống đo

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán vi điều khiển

Hình 3.12 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 3.13 Mô phỏng hoạt động mạch điều khiển

Hình 3.14 Thiết lập cổng kết nối

Hình 3.15 Giao diện giám sát nhiệt độ và áp suất

Hình 3.16 Giao diện đồ thị nhiệt độ và áp suất

Hình 4.1 So sánh biểu đồ áp suất trên một mưởng khi n=400 vg/ph và P=8kg với chiều dày màng dầu

Hình 4.2 Áp suất thay đổi theo tải trọng ở tốc độ 400 vòng/phút

Hình 4.3 Áp suất thay đổi theo tốc độ khi tải tác dụng là 8kg

Hình 4.4 Biểu đồ nhiệt độ khi thay đổi tải trọng

Hình 4.5 Biểu đồ nhiệt độ khi thay đổi tốc độ

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ổ chặn thủy động được sử dụng phổ biến trong các thiết bị và máy móc công nghiệp đặc biệt là các thiết bị chịu tải trọng lớn theo phương dọc trục Tuy nhiên tại Việt Nam, chưa có nhiều nghiên cứu về ổ chặn thủy động mà chủ yếu tập trung vào

ổ đỡ thủy động Để nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị thì việc nghiên cứu ổ chặn thủy động nói riêng và bôi trơn thủy động nói chung là rất cần thiết Qua nghiên cứu có thể tính toán được các đặc tính cơ bản của ổ thủy động, đưa ra biểu

đồ áp suất và biểu đồ nhiệt độ tại các mưởng của ổ, cho phép đánh giá khả năng tải

để đưa ra các biện pháp để nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy của ổ Do đó việc theo dõi áp suất và nhiệt độ của màng dầu có kết nối với máy tính giúp kiểm tra, đánh giá tình trạng hoạt động để kịp thời phát hiện sự cố của các ổ và thông báo nhanh chóng về máy tính cho người quản lý Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu bôi trơn thủy động Tích hợp hệ thống khảo sát đặc tính bôi trơn ổ chặn thủy động”

ổ chặn dùng trong các nhà máy thủy điện Gần đây nhất, năm 2014, hai tác giả Zeng-rong Hao, Chun-wei Gu [3] đã nghiên cứu và mô phỏng số được quá trình tạo bọt khí của màng dầu và những ảnh hưởng của sự mất cân bằng trong các ổ chặn Tại Việt Nam, các nghiên cứu về bôi trơn thủy động cũng đã được đề cập đến Giáo trình công nghệ bôi trơn của tác giả Nguyễn Xuân Toàn [4] đã đưa ra các lý thuyết cơ bản về bôi trơn Gần đây, nghiên cứu của tác giả Lưu Trọng Thuận và các cộng sự [5] đã xây dựng chương trình tự động tính toán bôi trơn ổ đỡ có tính đến

hiện tượng gián đoạn màng dầu Các nghiên cứu về bôi trơn ổ chặn thủy động tại Việt Nam vẫn còn rất ít

3 Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

- Mục đích:

Khảo sát áp suất và nhiệt độ màng dầu của ổ chặn thủy động ở chế độ tải trọng và vận tốc khác nhau, hiển thị kết quả và biểu đồ lên máy tính thông qua truyền thông nối tiếp

- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

+ Đối tượng nghiên cứu: Áp suất và nhiệt độ màng dầu

+ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết bôi trơn thủy động Xây dựng hệ thống khảo sát đặc tính bôi trơn ổ chặn thủy động Cách thức hiển thị kết quả lên máy tính thông qua truyền thông nối tiếp và đánh giá kết quả đo

4 Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Luận văn được trình bày gồm 4 chương: Chương 1, tác giả trình bày tổng quan

về bôi trơn và lịch sử phát triển của bôi trơn cùng các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới Chương 2 nghiên cứu lý thuyết tính toán bôi trơn thủy động xuất phát từ phương trình chiều dày màng dầu, phương trình Reynolds để tính áp suất thủy động và các đặc tính khác của ổ thủy động Chương 3 tính toán, xây dựng hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu cho thiết bị khảo sát đặc tính bôi trơn ổ chặn thủy động Chương 4 đưa ra kết quả thực nghiệm, xây dựng biểu đồ áp suất thủy động và nhiệt độ của màng dầu tại các giá trị vận tốc, tải trọng khác nhau và tiến hành đánh giá kết quả đo

Đóng góp mới của tác giả: Luận văn đã xây dựng được hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu của ổ chặn thủy động có sử dụng cảm biến điện tử và ngôn ngữ lập trình C# trên giao diện Visual Studio Các giá trị đo và biểu đồ được hiển thị lên máy tính thông qua truyền thông nối tiếp

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

+ Luận văn nghiên cứu tổng quan về lý thuyết bôi trơn thủy động Trên cơ sở giải phương trình Reynolds, tính các đặc tính bôi trơn của ổ như khả năng tải, lưu lượng…

+ Nghiên cứu xây dựng hệ thống đo cho thiết bị khảo sát đặc tính bôi trơn ổ chặn thủy động bao gồm: Tiến hành thực nghiệm đo áp suất và nhiệt độ màng dầu của ổ ở các chế độ làm việc khác nhau của thiết bị, lập trình chuyển đổi tín hiệu đo

ra máy tính

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BÔI TRƠN

a Lịch sử phát triển trước thế kỷ 20

Hiện tượng ma sát đã được con người biết đến và sử dụng từ rất lâu đời Sáng chế đầu tiên vào khoảng năm 4000 trước công nguyên là các thanh lăn và xe đẩy dùng chuyên trở các vật nặng Trải qua nhiều thiên niên kỷ người ta đã cải tiến và

bổ xung để các công cụ đó, tuy càng thô sơ nhưng càng tiện dụng và giảm nhẹ sức lao động cho con người Trong đó, các ổ trục bằng kim loại đã xuất hiện ở Trung Quốc lần đầu vào khoảng năm 900 và được bôi bằng dầu động vật hoặc thực vật

Về mặt lý thuyết, phát minh đầu tiên thuộc về Leonard de Vinci (1451-1519) trên các hiệu ứng ma sát và đưa ra các khái niệm về hệ số ma sát Những sơ đồ về nguyên lý nhằm giảm hệ số ma sát của ông vẫn mang tính thực tiễn cho đến ngày nay Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất (1500-1750) ghi nhận những bước phát triển quan trọng của ngành ma sát học trong cơ khí, đáp ứng yêu cầu chế tạo trang thiết bị ngày càng phức tạp Tiêu biểu trong thời kỳ này là các công trình của Bernard de Berlidor (1697-1761) về kỹ thuật dẫn hướng và nâng, của Euler (1707-1783) về tính toán hệ số góc ma sát, về hiệu ứng độ nhấp nhô bề mặt

Công nghiệp phát triển với tốc độ ngày càng một cao đã đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu và ứng dụng về ma sát và bôi trơn Vấn đề được đặt ra đầy đủ hơn trong công trình của Charles Agustin Coulomb (1736-1806): ma sát học đã kể đến tính chất vật liệu và hiệu ứng bôi trơn, mối liên quan tải trọng và đặc tính tĩnh và động các cặp ma sát Từ đó ma sát học ngày càng được nghiên cứu rộng và sâu hơn; có thể kể đến các công trình của G.A.Hirn (1815-1890), N.P Petrov (1826-1920), B.Tower (1845-1904),…Trong lĩnh vực bôi trơn và cơ học ở giai đoạn này, nổi bật

là các công trình về việc mô hình hoá các dòng chảy chất lỏng đơn giản của Stokes, hình thành phương trình tổng quát chuyển động của chất lỏng của L.H Navier (1785-1836), luật chảy của J.M.Poiseuille (1799-1869) Và đặc biệt là phương trình

tổng quát nổi tiếng trong bôi trơn thuỷ động được công bố năm 1886 bởi Osborne Reynolds (1842-1912) [4]

Phương trình Reynolds đánh dấu bước ngoặt phát triển nhảy vọt và nó là nền móng trong mọi nghiên cứu về bôi trơn cho đến hiện nay Xuất phát từ phương trình Navier-Stokes và với các giả thiết về dòng chảy của màng dầu bôi trơn, dạng quen biết của nó là:

0 3

3

2)

(6)(

)

x

h U U z

p h z x

p h

Lý thuyết của Reynolds đã được sử dụng rộng rãi bắt đầu từ thế kỷ 20 trong việc nghiên cứu các cơ hệ bôi trơn: các hệ thống ổ thuỷ động, bôi trơn thủy động đàn hồi, bôi trơn với các chế độ dòng chảy và vật liệu khác nhau Hơn nữa nó còn thúc đẩy các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật bôi trơn như gia công cơ khí, phương pháp tính toán…[4]

b Quá trình nghiên cứu từ thế kỷ 20

Nghiên cứu về ma sát học (Tribology) là khoa học nhóm lại đồng thời các yếu

tố của ba lĩnh vực khoa học: Bôi trơn, ma sát và mài mòn Thực chất nó là nội dung nghiên cứu về các thành phần “sống”, tức là các bộ phận tiếp xúc có chuyển động trong các máy móc và thiết bị công nghiệp [4]

Kỹ thuật bôi trơn được kể đến như một ngành đầu tiên được nghiên cứu rất mạnh trong khoa học về ma sát học Trước hết là các công trình xoay quanh phương pháp giải phương trình Reynolds Năm 1905, A.G.Michell (1870-1959) đã chỉ ra được sự giảm áp suất ở phần biên của màng dầu bôi trơn giữa hai tấm phẳng kích thước hữu hạn Vào năm 1904 người ta có phương pháp giải bằng giải tích cho ổ dài vô hạn với điều kiện biên mang tên gọi tác giả cho đến hôm nay của J.W Sommerfield (1868-1951) Tuy nhiên do chưa tính đến sự gián đoạn của màng dầu nên áp suất ở vùng ra của màng dầu không thực tế (áp suất âm) Năm 1914, L.F.Gumbel (1874-1923) đã đề nghị bỏ qua miền áp suất âm ở trên khi tính ổ Sau

đó, năm 1923 H.B.Swift (1894-1960) đã xác định có vùng áp suất bão hoà của màng dầu và định ra điều kiện biên của Reynolds tính đến sự bảo toàn lưu lượng

của màng dầu Đó chính là cơ sở cho thuật toán giải số của Christopherson có từ năm 1941

Bằng phương pháp tương tự [4], năm 1931, A Kingsbury (1863-1943) đã trình bày phương pháp giải gần đúng phương trình Reynolds Đối với ổ có chiều dài nhỏ so với đường kính, giải pháp bỏ qua gradien áp suất theo chu vi của F.W.Ocvirk (1913-1967) đã được đề ra năm 1953 Cuối cùng, giải tổng quát và trọn vẹn phương trình Reynolds dạng vi phân đạo hàm riêng người ta sử dụng phương pháp số; các phương pháp đầu tiên đã được trình bày bởi Cameron và Wood năm

1949 rồi qua Pincus, Raimondi và Boyd năm 1958

Các hiệu ứng khác trong bôi trơn cũng ngày càng được nghiên cứu cụ thể Mặc dù hiệu ứng nhiệt được Kingsbury đề cập từ 1933, nhưng chỉ đến năm 1962 phương trình tổng quát nhiệt thuỷ động mới được viết ra lần đầu bởi D.Dowson Tuy nhiên để tính nhiệt cho tất cả các trường hợp cho đến nay vẫn còn nội dung cần giải quyết

Việc sử dụng chất bôi trơn có độ nhớt thấp hay tăng tốc độ trượt trong bôi trơn thuỷ động sinh ra hiệu ứng làm thay đổi chế độ chảy của màng dầu Các phân tích đầu tiên về bôi trơn với dòng chảy xoắn và rối thuộc về nghiên cứu của G.I.Taylor năm 1923 Công thức tính đến lực quán tính của màng dầu ở đây được trình bày bởi Slezkin và Targ năm 1946 và của D.Wilcock năm 1950 Trong bôi trơn lưu biến động Tính chất chảy của loại vật liệu này đã được đặc trưng bởi luật của Bingham

từ đầu thế kỷ những ứng dụng trong bôi trơn được ghi nhận trong các công trình của R.Powell và H.Eyring năm 1944 và A.Sisko năm 1958 Có rất nhiều công trình nghiên cứu và hiệu ứng trên chế độ chảy cả màng dầu trong bôi trơn, nhưng do phương trình mô tả dạng phi tuyến, nên việc xem xét cơ hệ bôi trơn ở đây vẫn luôn

1.2 PHÂN LOẠI CÁC DẠNG BÔI TRƠN

Theo dạng ma sát, ngoài ma sát khô được đề cập ở phần mòn - ma sát có bôi trơn nửa ướt (thường gắn với việc cung cấp dầu mỡ định kỳ) và bôi trơn ướt

Theo vật liệu bôi trơn có chât bôi trơn rắn (graphit hay bisunfure molybene), chất bôi trơn lỏng (nước, dầu, mỡ) và chất bôi trơn khí

Với bôi trơn ma sát ướt được nghiên cứu nhiều nhất có hai dạng chủ yếu là bôi trơn thủy động và bôi trơn thủy tĩnh

Trong bôi trơn thủy động tùy theo số Reynolds có bôi trơn tuyến tính, bôi trơn lưu biến động phi tuyến (thường đối với chất bôi trơn mỡ có R nhỏ hay độ nhớt cao)

và bôi trơn rối (đối với chất bôi trơn là nước hay khí)

Bôi trơn ở áp lực cao sinh ra biến dạng của các bề mặt ma sát có bôi trơn thủy động đàn hồi (bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng)

Ngoài ra để nâng cao một số đặc tính của kết cấu bôi trơn, có thể kể ra các hướng nghiên cứu quan trọng như bôi trơn dùng bạc tự lựa, bôi trơn với bề mặt bôi trơn không cứng tuyệt đối, trường hợp tải trọng thay đổi, ảnh hưởng của nhiệt độ… Qua cách phân loại tương đối như trên có thể thấy rằng: nói chung một kết cấu bôi trơn thường là tổ hợp của các kiểu phân loại trên Do đó, để tính toán một kết cấu bôi trơn cần giải quyết nhiều bài toán liên quan

1.3 KẾT LUẬN

Chương này đã nghiên cứu tổng quan về công nghệ bôi trơn, lịch sử phát triển của nó và các nghiên cứu của các nhà khoa học nổi tiếng trên thế giới từ trước cho đến nay Để nghiên cứu sâu hơn về bôi trơn, chương tiếp theo sẽ trình bày về cơ sở

lý thuyết tính toán bôi trơn thủy động

- Bỏ qua các lực quán tính của dòng chảy chất lỏng

- Không có sự trượt giữa chất lỏng và các bề mặt tiếp xúc với nó

- Bỏ qua độ cong của màng mỏng chất lỏng

- Chiều dày của màng chất lỏng rất nhỏ so với kích thước của bề mặt tiếp xúc

Hình 2.1 Hệ tọa độ

Điều kiện biên được viết:

Trên mặt 1, với y=0 có u=U1; v=0; w=W1,

Trên mặt 2, với y=h có u=U2; v=V2; w=W2

y

z1

Với cách đặc gốc của hệ toạ độ trên mặt 1, có được V1=0 Khi đó có các biểu

diễn của vận tốc trong màng dầu:

1 2 2

2

1 2

1 2 2

2

W J J

W W J

J I I z

p

w

U J J

U U J

J I I x

2

J

U U x

p J

I y

2

2 1 2

2

J

W W z

p J

I

y

J

U U x

p J

Khi đó phương trình 2.4 được gọi là phương trình Reynolds, đặc trưng cho

màng chất lỏng bôi trơn trong bôi trơn thuỷ động:

2 2 1

2 2 2

2

1 2

2

)(

)(

V t

h t

R z

h W F

W F R W z x

h U

F U F R U x z

p G z x

p G

dy R

F I dy

Ry

G

dy R J

F

d t z x R

0

1

),,,(

Giải phương trình trên với các điều kiện biên tương ứng cho phép xác định

trường áp suất của màng chất bôi trơn

Trong thực tế tính toán các kết cấu bôi trơn, người ta thường coi khối lượng

riêng và độ nhớt của chất bôi trơn không thay đổi theo chiều dày màng bôi trơn

Phương trình 2.4 còn được viết dưới dạng đơn giản hơn:

W W z h U

U x

h

z

h W W x

h U U x

p h z x

p h

66

66

2 2

1 2

1

2 1 2

1

3 3

2 1

)(2

1

)(2

1

W h

y W h

y h h y y z

p w

U h

y U h

y h h y y x

p u

p dy

dv

h U U h y x

p dy

)2(21

)(

)2(21

1 2

1 2

(2.8)

Trong hệ toạ độ trụ Orz, phương trình Reynolds có dạng sau khi chiều dày

màng chất bôi trơn h đặt theo phương z:

U U h V

V h

U U

r

rh

h V V r

h U U r p r

h r

66

6

66

2 2

1 2

1 2

1

2 1 2

1

3 3

2 1

)(2

1

)(2

1

V h

y V h

z h h z z p r

v

U h

z U h

z h h z z r

p u

h U U h z r

p dz

) (

) 2 ( 2 1

1 2

1 2

(2.11)

2.2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN Ổ ĐỠ THUỶ ĐỘNG

Ổ đỡ thuỷ động thường đựơc dùng phổ biến trong các máy móc thiết bị Đơn giản nhất là một trục quay trong một bạc đỡ thường là bằng đồng, trong có chất bôi trơn [4]

Trong một vài cơ cấu nó cho một giải pháp công nghệ rất tốt Người ta thường dùng cho các mô tơ nhiệt, máy nén, trục có vận tốc quay cao, bộ biến tốc, tầu hoả, tầu thủy v.v Một ổ đỡ bao gồm chi tiết, trục nói chung bằng thép, bán kính Rt và bạc bằng đồng bán kính Rb, chiều dài L Hình 2.2 giới thiệu ổ đỡ có thể giản lược

bằng hai vòng tròn lân cận, đặc trưng bằng ba độ lớn: Khe hở bán kính C=Rb-Rt, khe hở tương đối =C/R và tỉ số L/D (chiều dài và đường kính của ổ)

Hình 2.2 Sơ đồ vị trí khi khởi động ổ

W W

Hình 2.2 mô tả 3 pha khi khởi động một ổ đỡ, trong đó W là tải trọng bên

ngoài tác động lên trục Ở vị trí dừng (Hình 2.2a), trục và bạc tiếp xúc với nhau cả

hai cùng chịu tác động của W, khi đó khoảng cách ObOt bằng khe hở bán kính Ở vị

trí khởi động (Hình 2.2b) trục lăn trượt trong ổ vào quãng không gian hội tụ tạo bởi

bề mặt trục và bạc Đến một lúc nào đó tốc độ quay đạt một giá trị nhất định thì

trong ổ hình thành trường áp suất chống lại tải trọng bên ngoài (Hình 2.2c)

Với một tốc độ quay ổn định và tải trọng không đổi thì tâm trục Ot có một vị trí cố định bên trong bạc [4]

a Chiều dày màng dầu

Màng dầu hình chêm có chiều dày h, là thông số quan trọng trong phương trình Reynolds, nên cần phải xác định trước hết

b t t t

b

O O M

R e

M O

e



e h M'

Và sin( ')

sin' R O O M M

R

e R

'

2

e R

e R

L/2

v2

v1z

y

xO

b Tính toán ổ

Trong trường hợp tổng quát thì việc giải phương trình Reynolds rất khó khăn

vì điều kiện biên của phương trình có sự thay đổi (dầu không phải luôn luôn được cung cấp từ một rãnh dọc trục ở áp suất môi trường)

Nếu xét một ổ được cấp dầu từ rãnh dọc đường trục trên đường nối các tâm trong mặt cắt với chiều dầy lớn nhất của màng dầu thì phương trình Reynolds được viết :

x

hv6z

phzx

phx

3 3

Cơ sở của phương pháp này là viết các biểu thức rút ra từ khai triển Taylor cho các điểm nút trên lưới sai phân Phương pháp cho ta xác định trường áp suất trên lưới sai phân của miền khai triển ổ Tức là thay các đạo hàm bậc nhất và bậc hai bởi các khai triển Taylor ứng với từng nút của lưới sai phân

Nếu ta sử dụng các biến không thứ nguyên dưới đây rồi thay vào phương trình (2.45):

p p

H.CR6zL

PCHzLR

PC

H

R

3 3 3

H C R 6 z L

P C

R 6 C H z L R

P C

R 6 C

H

.

R

2 3

3 2

3 3

RP6

C

2 3

R p

2 3

(2.20) Chiều dày màng dầu không thay đổi theo phương z, đạo hàm phương trình (2.20) ta được:

P H L

R P

2 3 2 2

Trong đó: m - số khoảng chia theo chu vi,

n - số khoảng chia theo chiều dài

Hình 2.5 Chia lưới miền khai triển ổ

Từ khai triển Taylor cho giá trị p(z) với các điểm lân cận là p(z+ z) và p(z-

!3

zz

)z(p

!2

zz

)z(p

!1

z)z(p)zz(p

!3

zz

)z(p

!2

zz

)z(p

!1

z)z(p)zz(pKết hợp các khai triển trên và bỏ qua các số hạng bậc cao ta được:

2 2

2

)z(

)zz(p)z(p)zz(z

)z(p

z2

)zz(p)zz(z

)z(p

2

) 1 i ) i ) 1 i 2 2

) 1 i ) 1 i

l

ppp

zp

k

ppp

p

k

pp

HL

R)pp

(

Hk

H3k

Hp

Hk

H3k

Hp

l

HL

Rk

Hp

2

3 2 )

1 j ( ) 1 j (

2 2

3 ) j 1 i ( 2

2

3 ) j 1 i ( 2

3 2 2

3 ) j (

2

l

1L

Rk

1

HkH2

3k

1A

2

l

1L

Rk

1

HkH2

3k

2 2

l

1L

Rk

1

L

Rl

1C

3

l

1L

Rk

1H

HD

Thay trở lại phương trình trên ta có:

.Cp

.Bp

.Ap

2 i, )  i 1,)  i 1,)  i,j1)  i,j 1) 

Viết cho tất cả các nút của lưới sai phân ngoại trừ các nút trên biên ta nhận được một hệ phương trình có (m - 2)(n - 2) phương trình tương ứng với (m - 2)(n - 2) ẩn Giải hệ phương trình với giá trị áp suất trên biên bằng áp suất môi trường ta nhận được trường phân bố áp suất và đó là lời giải của phương trình Reynolds Hệ phương trình trên được giải bằng phương pháp Gauss

Trên cơ sở trường áp suất nhận được ở trên, ta xác định khả năng tải bằng cách tích phân trường áp suất trên toàn miền chêm dầu:

S

ds.p

W Trong đó: S là diện tích của bề mặt tiếp xúc

Dùng phương pháp tích phân số của Gauss với mỗi miền tại 4 nút có áp suất p1,

p2, p3, p4:

 ( x , y ) dx dy  f (  , z ) d  dz  Wi  Wjf (  ,  )

S Trong đó: f là hàm biểu diễn áp suất

Gi N pp

Hình 2.6 Phần tử 4 nút

N1 = ( 1 )( 1 ) 4

1     N2 = ( 1 )( 1 )

4

N3 = ( 1 )( 1 ) 4

- Hệ số trọng lượng wi , trong trường hợp này wi = 1

zx

J

4

lkzxzxJ

ppW

4 G 3 G 2 G 1 G

Lực nâng có thứ nguyên:

L

R C

R 6

W W

2 2 S 3 2

L

2 L

2 L

2

L 0

3

0 a

S

S S

dzdh

hRdz

dh

Rdz

d

p2

RhC

2 L

2 L

2

0 0

S S

S

dzd

h2

Rpdz

hp2

Rdz

d

p2Rh

Tích phân thứ nhất bằng không theo điều kiện biên còn tích phân thứ hai bằng

2 L

2 L

2 L

2 2 S 0

3 a

S

S

dzdh

hdz

h

dR

sin2

WeC

Cc = Ca - e.W.sin

Tương tự ta cũng dùng phương pháp tích phân số như trên tính được mô men

ma sát trên trục và trên bạc

Lưu lượng được tính theo tốc độ đi qua bề mặt vuông góc với màng dầu:

j S j

p2

2.3 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN Ổ CHẶN THỦY ĐỘNG

Hệ thống thuỷ động đơn giản nhất là một bề mặt nghiêng sử dụng trong các hệ

thống ổ chặn, nó được tạo bởi hai bề mặt nghiêng không song song với nhau (hình

2.7) Một bề mặt dưới nằm ngang chuyển động với vận tốc U Bề mặt trên nghiêng

với một góc  nhỏ so với bề mặt nằm ngang Với vận tốc dịch chuyển tương đối của bề mặt dưới tạo một lớp dầu bôi trơn trong một không gian hội tụ Điều này tạo nên trường áp suất cho phép nâng tải trọng nhất định Chú ý rằng trong trường hợp tổng quát chiều dày màng dầu h1, h2 rất nhỏ (xấp xỉ 0,005  1 mm) so với chiều dài

B của ổ (xấp xỉ 30  500 mm) Tổng hợp các ổ trượt rời rạc phân bố đồng nhất trên chu vi sẽ cho ta một ổ chặn thuỷ động Kết cấu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

1 Cơ sở tính toán ổ chặn có hình dạng cố định

Để tính toán người ta bỏ qua lưu lượng hướng tâm (phương vuông góc với vận tốc U) Điều này hướng tới nghiên cứu một bài toán phẳng, tuy nhiên để tính đến kết cấu các tính toán được thiết lập với một chiều rộng L của dòng chảy

a Áp suất và tải trọng

Dễ dàng nhận được áp suất p và tải trọng W bằng việc giải phương trình:

dx

dhU6x

dphdx

1)1a(

ah

1h

1)1a(h

UB6

1a2aln)1a(h

ULB6

2

2

(2.23) Với: h  h/h2; a = h1/ h2

b Lực ma sát

Hệ số ma sát nói chung ít được sử dụng trong bôi trơn thuỷ động, thông thường người ta sử dụng hệ số ma sát: f = fmB/h2 Lực ma sát Fm gắn với bề mặt động nhận được bằng tích phân của ứng suất tiếp trên bề mặt đó:

p2

1)

dx x

p 2

h L

0

B 0

dxx

h2

pLp

2

hLdx

x

p2

h

L B

0

B 0 B

0





Số hạng đầu tiên phụ thuộc vào điều kiện biên Nó bằng 0 trong trường hợp trên Số hạng thứ hai biểu diễn quan hệ với khả năng tải tiếp xúc

pL2

tgdx

x

h2

p

L B

0

B 0

tg 2

W F

Hoặc:

2

1 m

h

hlntg

ULtg

2

WF

2 1 2

1 m

hh

hh6h

hln4tg

1a6aln4)1a(h

UBLF

1a2aln

1a

1a6aln4B6

)1a(hW

h

F

Fm  m 2  và hệ số ma sát f theo tỉ số a người ta nhận thấy rằng hệ số

ma sát đi qua một giá trị nhỏ nhất a  2,6

Công suất tổn hao do ma sát được tính theo công thức: c = -UFm

1 2

2 1

hh

hhLUQ





aLUh

Ổ chặn có hình dạng hình học cố định được thể hiện trong hình 2.9, nó được

tạo bởi nhiều mưởng Số mưởng Z = 620 Mưởng này được tạo bởi từ các mặt nghiêng trong một số trường hợp là một mặt phẳng song song với bề mặt động Các mặt phẳng này nghiêng với bề mặt động từ 100

đến 200 theo chiều quay của bề mặt động

Tải trọng và mô men ma sát đối với một mưởng sẽ được nhân với số mưởng

để nhận được đặc tính kết cấu của ổ Lưu lượng có khác vì cần phải tính đến điều kiện cung cấp dầu của ổ và của chất lỏng, nó ra khỏi mưởng và được cung cấp lại cho mưởng tiếp theo

2 p

RR

hN

p

W    

Mô men ma sát không thứ nguyên C p

4 2

2 p p

NR

hCC

2 1

2 R ) hR

Các tỷ số vị trí không thứ nguyên:    / và r  rR1)/(R2 R1)sẽ áp dụng tổng hợp áp suất trên một mưởng

W2S

W

1 2 2

p p

Trong đó: S là diện tích của mưởng

Wp là khả năng tải cuả mỗi mưởng

Dưới các tải trọng này chiều dầy màng dầu phụ thuộc duy nhất vào góc  được cho bởi công thức:

Khi đó phương trình Reynolds được viết:

x

hU6z

phzx

ph

x

3 3

đỡ thuỷ động, ở đây phương trình này cũng được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn

Nếu chiều dày màng dầu không thay đổi theo phương z (có thể chế tạo bề mặt chêm thoả mãn điều kiện trên ), đạo hàm phương trình trên ta được:

dx

dhh

U6x

px

hh

3z

px

p

3 2

2 2

Với k, l là các bước lưới theo phương x và z, theo công thức sai phân ở phần ổ

đỡ ta có phương trình (2.28) viết tại nút i, j ta được quan hệ:

.Cp

.Bp

.Ap

l

1k

1k

2

x

hh2

3k

l

1L

Rk

1k

x

hh

3k

l

1k

1l2

1C

l

1k

1h

x

hV3D

Bằng cách thay các biểu diễn đạo hàm vào phương trình Reynolds viết tại các nút i, j ta được một hệ phương trình đại số có các ẩn là các giá trị của áp suất tại các nút Giải hệ phương trình với giá trị áp suất trên biên bằng áp suất môi trường ta nhận được trường phân bố áp suất và đó là lời giải của phương trình Reynolds

Hình 2.11 Trường áp suất của ổ chặn

Cũng như phần tính toán ổ đỡ thuỷ động, ở đây cách tính: khả năng tải, lưu

lượng, mô men ma sát, công suất ma sát, hệ số ma sát, độ tăng nhiệt đô của dầu đều

giống với cách tính của phần tính toán ổ đỡ thuỷ động Chú ý là miền tính toán khác

với ổ đỡ, miền tính toán của ổ chặn thuỷ động được cho như hình (2.10), (2.11)

2.4 KẾT LUẬN

Chương này nghiên cứu lý thuyết tính toán bôi trơn thủy động Trên cơ sở các

phương trình mô tả màng dầu, phương trình Reynolds, phương trình chiều dày

màng dầu, phương trình bảo toàn năng lượng để đưa ra lý thuyết tính toán ổ đỡ thủy

động, ổ chặn thủy động và đi vào tính toán ổ chặn có hình dáng hình học cố định

Để tiến hành thực nghiệm, chương tiếp theo sẽ trình bày phương án thiết kế và tính

toán thiết bị thực nghiệm

CHƯƠNG 3

HỆ THỐNG ĐO VÀ HIỂN THỊ KẾT QUẢ LÊN MÁY TÍNH

Thiết bị thực nghiệm được thiết kế để khảo sát đặc tính của ổ chặn thủy động Thiết bị gồm có hệ thống cơ khí, hệ thống đo và hiển thị lên máy tính Các cảm biến điện tử được sử dụng để đo áp suất và nhiệt độ của màng dầu tại các vị trí khác nhau trên ổ chặn

3- tấm nghiêng của ổ chặn 6- Cơ cấu gia tải 9- Bộ điều khiển

10- Máy tính hiển thị 11- Biến tần

Hình 3.1 Cấu tạo thiết bị và ảnh chụp thiết bị

Nguyên lý làm việc của thiết bị: Cụm trục chính (5) nhận chuyển động quay

từ động cơ (8) qua bộ truyền động đai (7) và làm quay tấm phẳng của ổ chặn (2) Khi tấm phẳng quay so với tấm nghiêng (1) sẽ tạo thành các chêm dầu tương ứng với mỗi mưởng của tấm nghiêng, các chêm dầu này ngăn cách hai bề mặt tấm

phẳng và tấm nghiêng Để thấy được mối liên hệ giữa áp suất chêm dầu với tải trọng đặt lên cụm trục chính (5) ta tiến hành thay đổi tải trọng đặt lên trục bằng cơ cấu gia tải (6) Hộp điều khiển (9) được gắn lên khung máy (1) và được kết nối để hiển thị lên màn hình máy tính (10) Biến tần (11) dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ

3.1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA Ổ

Ổ chặn được thiết kế như hình 3.2 bao gồm tấm phẳng (2) và tấm nghiêng

(3) được thiết kế theo tiêu chí đảm bảo tính năng kĩ thuật, mang đầy đủ mọi đặc điểm của ổ chặn thủy động đồng thời có thể tối ưu về chi phí chế tạo

Hình 3.2 Kết cấu ổ chặn Bảng 3.1 Các thông số của ổ chặn

Độ nhớt động lực học µ=0.015 Pa.s Bán kính trong R1=20 mm

Số mưởng Z=6

Các đặc tính của ổ chặn được khảo sát ở các cấp tốc độ khác nhau và các chế

độ tải trọng khác nhau Do đó trên thiết bị thực nghiệm được thiết kế cơ cấu gia tải

để thay đổi tải trọng tác dụng lên ổ và bộ biến tần để điều khiển tốc độ động cơ

3.1.3 CƠ CẤU GIA TẢI

Để cơ cấu đặt tải có thể vừa gia lực cho cụm ổ chặn, đồng thời có thể cho trục chính dịch chuyển dọc trục để giúp ổ chặn có thể tự điều chỉnh được chiều dày màng dầu của ổ trong quá trình hoạt động, cơ cấu đặt tải cho thiết bị được thiết kế

xo (6) một lực nén làm lò xo biến dạng một khoảng l2 Tổng 2 lực này làm lò xo biến dạng một khoảng l = l1 + l2 Lực này có giá trị P = k l Do đặc tính đàn hồi của lò xo nó cũng tác dụng ngược trở lại trục và vít một lực có giá trị P nhưng ngược chiều Do vít gia tải (3) được cố định nên lực này được tác dụng lên trục và truyền tới tấm phẳng của ổ chặn

Tính toán độ cứng lò xo: Tải trọng lớn nhất P = 12KG, biến dạng lớn nhất: l

= 5cm Từ công thức P = k l ta chọn được độ cứng của lò xo k:

k = P / l= 12.10 / (5 10-2) = 2400 (N/m)

Hình 3.3 Cơ cấu đặt tải

3.1.4 BIẾN TẦN LS SV004-IC5

Biến tần (hình 3.4) sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua việc thay

đổi tần số của dòng điện cấp cho động cơ

Hình 3.4 Biến tần điều khiển tốc độ động cơ

Giải thích ký hiệu biến tần:

SV: Biến tần của hãng LS 004: Động cơ danh định (004: 0,4 kW -2,2 kW) IC5: Tên sản phẩm

Biến tần này phù hợp điều khiển động cơ không đồng bộ và động cơ đồng bộ

Nó có thể được cài đặt, vận hành ở nhiều chế độ khác nhau như: điều khiển véc tơ cảm biến, điện áp/ tần số (V/F) ổ vòng hở Bảng 3.2 chỉ ra các thông số cơ bản của biến tần

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của biến tần LS SV004-IC5

Nguồn cung cấp Nguồn 1 pha: 200 – 230V, dòng điện I=5,5 A

3.2 LẮP ĐẶT CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT

3.2.1 VỊ TRÍ ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT

Các vị trí đo áp suất P1, P2, P3 được đặt trên cùng một mưởng (hình 3.5) và

theo thứ tự giảm dần chiều dày màng dầu nhằm khảo sát sự chênh lệch áp suất trên cùng một mưởng Các vị trí đo nhiệt độ T1, T2, T3 được đặt trên 3 mưởng khác nhau như hình 6 nhằm khảo sát sự thay đổi nhiệt độ giữa các mưởng khác nhau trong ổ chặn

Hình 3.5 Vị trí đo nhiệt độ và áp suất

Các vị trí đo được gia công chính xác để dễ dàng gá đặt đầu đo (hình 3.6) Các

vị trí đo nhiệt độ và áp suất được đặt cách đều tâm tấm phẳng 1 khoảng bằng 35mm Các vị trí đo áp suất được khoan tròn cách đều nhau Các vị trí đo nhiệt độ được gia công chính xác trên tấm nghiêng theo biên dạng của cảm biến nhiệt độ để gá đặt cảm biến nhằm tránh gây ảnh hưởng tới các đặc tính của ổ

Hình 3.6 Hình ảnh bố trí đầu đo

Theo lý thuyết, khi tốc độ quay đủ lớn và chêm dầu được hình thành thì vị trí

có khe hở bé nhất P3 (tương ứng với chiều dày màng dầu nhỏ nhất) sẽ có áp suất lớn nhất, vị trí có khe hở lớn nhất P1 (tương ứng với chiều dày màng dầu lớn nhất)

sẽ có áp suất thấp nhất Do ổ chặn chịu lực dọc trục theo phương thẳng đứng và được đặt nằm ngang nên quá trình trao đổi nhiệt của dầu sẽ diễn ra thường xuyên và đồng đều trên toàn bộ bề mặt của tấm phẳng và tấm nghiêng Do đó nhiệt độ của màng dầu trong ổ chặn sẽ đồng đều nhau

Các cảm biến được lựa chọn để sử dụng là cảm biến áp suất MPXHZ6400A và cảm biến nhiệt độ DS18B20 Đây là các cảm biến có kích thước nhỏ nên việc lắp đặt để đo tín hiệu sẽ ít gây ảnh hưởng đến các thông số cần khảo sát