Nghiên cứu tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động

Nghiên cứu tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động Nghiên cứu tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động Nghiên cứu tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Chữ ký của GVHD

Viện: Cơ khí

HÀ NỘI, 06/2020

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Tạ Quang Vĩnh

Đề tài luận văn: Nghiên cứu tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo

sát biên độ áp suất ổ thuỷ động

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số SV: CB180018

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận

06 năm 2020 với các nội dung sau:

− Luận văn trình bày theo đúng tiêu chuẩn

− Bổ sung các đơn vị đo trong bảng 3.1 đến 3.3

− Lưu đồ thuật toán chương trình tính toán và hiển thị

− Kết luận chung

− Theo ý kiến phản biện:

+ Sửa lỗi chính tả

+ Hình 3.1 đến 3.10 phải ghi thứ nguyên

+ Tài liệu tham khảo tiếng Việt đưa lên trước

+ Nguyên lý đo và lấy áp suất

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Nghiên cứu tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất

ổ thuỷ động

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu thực hiện các nội dung luận văn, em gặp rất

nhiều khó khăn Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Phạm Văn Hùng,

người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn giúp đỡ và tháo gỡ những khó khăn cho em

trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện nhiệm vụ của luận văn này Em xin chân

thành cảm ơn tới tập thể các thầy cô giáo trong bộ môn Máy và Ma sát học - Viện

Cơ Khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho em được làm việc và

giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này

Em xin chân thành cám ơn!

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên

độ áp suất ổ thuỷ động được trình bày gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về ổ thủy động và các đặc tính cơ bản

Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết bôi trơn, các đặc tính cơ bản của ổ thủy

động, phương trình Reynolds cho dòng chảy chất lỏng và các phương pháp giải

phương trình Reynolds trong bài toán ổ thủy động

Chương 2: Nghiên cứu các giải pháp số hóa cho thiết bị khảo sát biện độ áp suất ổ

thủy động

Trong chương này nghiên cứu các giải pháp số hoá đưa ra giải pháp tối ưu

cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất chu vi mặt cắt chính giữa ổ thuỷ động với giá

trị bất kỳ của tải trọng và tốc độ trục chính ổ thuỷ động trong vùng khảo sát

Chương 3: Tiến hành mô phỏng, đánh giá kết quả thu được

Mô phỏng khảo sát biểu đồ biên độ áp suất ổ thủy động với các giá trị tải

trọng (W) và tốc độ quay trục chính (n) khác nhau trong vùng khảo sát, đánh giá

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ổ THỦY ĐỘNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ

BẢN 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Các nghiên cứu của nước ngoài và Việt Nam 2

1.3 Lý thuyết về bôi trơn 2

1.3.1 Giới thiệu 2

1.3.2 Phân loại các dạng bôi trơn 3

1.3.3 Lý thuyết về bôi trơn 5

1.3.4 Các loại vật liệu bôi trơn 5

1.3.5 Độ nhớt đông lực và độ nhớt động học của chất bôi trơn 6

1.3.6 Quan hệ giữa độ nhớt với nhiệt độ và áp lực 11

1.3.7 Dầu bôi trơn từ dầu khoáng 13

1.3.8 Chất phụ gia 15

1.3.9 Giới thiệu về bôi trơn thủy động 18

1.4 Ổ đỡ thủy động 19

1.4.1 Cấu tạo 19

1.4.2 Nguyên lý làm việc 20

1.5 Tính toán ổ đỡ đỡ thủy động 20

1.5.1 Phương trình chiều dày màng dầu 22

1.5.2 Phương trình Reynolds một chiều 23

1.5.3 Phương trình Reynolds cho ổ đỡ thủy động 24

1.5.4 Giải phương trình Reynolds cho ổ đỡ thủy động 26

1.6 Kết luận 39

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP SỐ HÓA THIẾT BỊ KHẢO SÁT BIÊN ĐỘ ÁP SUẤT 40

2.1 Cơ sở lý thuyết 40

2.1.1 Cơ sở lý thuyết 40

2.1.2 Nguyên lý đo và lấy áp suất 41

2.2 Kết cấu cơ khí 41

2.3 Giải pháp số khảo sát biểu đồ áp suất ổ thủy động 44

2.3.1 Module điều khiển động cơ 3 pha AC 45

2.3.2 Module điều khiển vị trí động cơ DC servo 51

2.3.3 Module đo và lấy áp suất 56

2.3.4 Module nhận lệnh từ bàn phím 59

2.3.5 Module kết nối và hiển thị LCD 60

2.3.6 Module giao tiếp máy tính 62

2.4 Chương trình tính toán mô phỏng 65

2.5 Kết luận 66

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 67

3.1 Các thông số mô phỏng 67

3.2 Cài đặt các thông số mô phỏng 67

3.3 Kết quả mô phỏng 68

3.3.1 Mô phỏng tại tốc độ 1000 v/ph 69

3.3.2 Mô phỏng tại tốc độ 1500 v/ph 71

3.3.3 Mô phỏng tại tốc độ 1900 v/ph 73

3.4 Đánh giá kết quả mô phỏng 75

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chuyển đổi đơn vị đo căn cứ theo cS 8

Bảng 1.2 So sánh độ nhớt của một số loại dầu theo ISO, SAE, AGMA 9

Bảng 1.3 Cấp độ nhớt của dầu động cơ SAE 10

Bảng 1.4 Dầu bôi trơn bánh răng SAE theo tiêu chuẩn J300 10

Bảng 1.5 Cấp chất lượng và phạm vi sử dụng dầu bánh răng theo API 11

Bảng 1.6 Đặc tính lý hóa của ba nhóm dầu gốc cơ bản trong tinh chế [T, Y] 14

Bảng 1.7 Thành phần dầu động cơ SAE30 hoặc SAE40 18

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật vi xử lý ESP32 46

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của biến tần ATV 32 49

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật cảm biến áp suất WIKA-E10-4364844 59

Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật màn hình LCD 20x4 61

Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật mạch chuyển đổi I2C 62

Bảng 3.1 Các giá trị áp suất tương ứng với tốc độ 1000 v/ph 70

Bảng 3.2 Các giá trị áp suất tương ứng với tốc độ 1500 v/ph 72

Bảng 3.3 Các giá trị áp suất tương ứng với tốc độ 1900 v/ph 74

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Chuyển động của tấm phẳng trên lớp chất lỏng 6

Hình 1.2 Sự thay đổi của độ nhớt dầu bôi trơn khi tăng nhiệt độ 12

Hình 1.3 Mặt cắt ổ đỡ khi làm việc 20

Hình 1.4 Sơ đồ vị trí khởi động ổ 21

Hình 1.5 Sơ đồ mặt cắt ổ đỡ 22

Hình 1.6 Hệ tọa độ 23

Hình 1.7 Miền khai triển của ổ 24

Hình 1.8 Dạng đường cong áp suất 28

Hình 1.9 Phân bố áp suất 29

Hình 1.10 Chia lưới miền khai triển ổ 35

Hình 1.11 Phần tử 4 nút 36

Hình 2.1 Kết cấu ổ đỡ bôi trơn thủy động [5] 41

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán của ổ thuỷ động [5] 42

Hình 2.3 Sơ đồ động thiết bị 43

Hình 2.4 Kết cấu cụm ổ bôi trơn thủy động [5] 44

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 45

Hình 2.6 Sơ đồ chân vi xử lý ESP32 47

Hình 2.7 Vi xử lý ESP32 47

Hình 2.8 Cấu trúc Frame truyền thông của RTU 48

Hình 2.9 Biến tần Altivar 32 Communication variables (ATV 32) 49

Hình 2.10 Sơ đồ kết nối RS485 điều khiển biến tần 51

Hình 2.11 Động cơ DC servo DCMP-500 51

Hình 2.12 Cấu tạo của Encoder 54

Hình 2.13: Bố trí cảm biến V1 và V2 55

Hình 2.14: Sơ đồ kết nối Servo DC 55

Hình 2.15: Cấu tạo đầu đo cơ 56

Hình 2.16: Cảm biến áp suất WIKA-E10-4364844 58

Hình 2.17: Sơ đồ kết cảm biến áp suất 59

Hình 2.18 Sơ đồ kết nối bàn phím 60

Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý modul hiển thị LCD 62

Hình 2.20 Mạch điều khiển thiết bị khảo sát biên độ áp suất ổ thuỷ động 64

Hình 2.21 Lưu đồ giải thuật chương trình tính toán và hiển thị 65Hình 3.1 Giao diện chương trình 68

Hình 3.2 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1000 v/ph và tải trọng 7 kG 69 Hình 3.3 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1000 v/ph và tải trọng 12 kG 69 Hình 3.4 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1000 v/ph và tải trọng 17 kG 70 Hình 3.5 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1500 v/ph và tải trọng 7 kG 71 Hình 3.6 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1500 v/ph và tải trọng 12 kG 71 Hình 3.7 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1500 v/ph và tải trọng 17 kG 72 Hình 3.8 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1900 v/ph và tải trọng 7 kG 73 Hình 3.9 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1900 v/ph và tải trọng 12 kG 73 Hình 3.10 Biểu đồ áp suất tương ứng với tốc độ 1900 v/ph và tải trọng 17 kG 74

DANH MỤC HÌNH VẼ

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ THỦY ĐỘNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH

CƠ BẢN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ổ thủy động được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng cơ khí và các thiết

bị công nghiệp với các ưu điểm như: Kết cấu gọn nhẹ, rẻ, yêu cầu bảo trì ít, hiệu quả bôi trơn tốt và tuổi thọ lâu dài Việc đảm bảo bôi trơn của ổ trong quá trình làm việc sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị thì việc nghiên cứu ổ đỡ thủy động nói riêng và bôi trơn ổ thủy động nói chung là rất cần thiết Qua nghiên cứu, tác giả có thể tính toán được các đặc tính cơ bản của ổ thủy động trong quá trình làm việc, từ đó khảo sát được biểu đồ biên độ áp suất ổ thủy động theo chu vi ổ tạo điều kiện để tìm ra miền làm việc phù hợp Các nghiên cứu tính toán về bôi trơn luôn cần có các nghiên cứu bằng mô phỏng hoặc thực nghiệm để kiểm nghiệm và tối ưu Do đó việc theo dõi biểu đồ biên độ áp suất ổ thủy động

có kết nối với máy tính giúp kiểm tra, đánh giá tình trạng hoạt động, kịp thời phát hiện sự cố của các ổ và thông báo nhanh chóng về máy tính cho người quản lý Vì

vậy “Nghiên cứu tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất

ổ thủy động” là đề tài mang tính cấp thiết

1.2 Các nghiên cứu của nước ngoài và Việt Nam

Ở nước ngoài, ổ thủy động đã và đang được nghiên cứu rộng rãi Một số nghiên cứu tiêu biểu như: Năm 1973, Rosenberg [9] đo chiều dày màng dầu ổ đầu

to thanh truyền thông qua các cảm biến Các kết quả đo cho thấy sự tương thích giữa chiều dày màng dầu và tải tác dụng Năm 1975, Good và cộng sự [10] đã đo chiều dày màng dầu của ổ đỡ trục khuỷu tại sáu điểm bởi sáu cảm biến, chiều dày màng dầu đo phù hợp với chiều dày tính toán Năm 2001, Moreau [11] tiến hành

đo chiều dày màng dầu của ba ổ đỡ của trục khuỷu và ổ đầu to thanh truyền của động cơ xăng 4 xi lanh Các kết quả đo được so sánh với các kết quả tính toán số

và cho kết quả tương thích Năm 2000, Optasanu [12] triển khai thiết bị thực nghiệm để đo áp suất ổ đầu to thanh truyền làm bằng vật liệu quang đàn hồi, ở phần thực nghiệm tác giả quan sát và phân tích sự xuất hiện ứng suất trong thanh truyền khi áp suất thủy động thay đổi Chiều dày màng dầu được đo nhờ phân tích

1.3 Lý thuyết về bôi trơn

1.3.1 Giới thiệu

Bôi trơn các cặp chi tiết máy ma sát có vai trò quyết định đến việc nâng cao chất lượng, độ bền, độ tin cậy và tuổi thọ máy móc trang thiết bị Việc đảm bảo bôi trơn của ổ trong quá trình làm việc sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị Công nghệ bôi trơn là một nội dung được quan tâm đồng thời với vấn

đề ma sát và mài mòn, được ứng dụng phổ biến từ mọi ngành công nghiệp đến thiết bị phục vụ đời sống hàng ngày

Hiện tượng ma sát đã được con người biết đến và sử dụng từ những năm trước công nguyên Khoảng 4000 năm trước công nguyên, con người đã biết sử dụng các thanh lăn và xe đẩy dùng chuyên chở các vật nặng Leonard de Vinci (1451-1519) được coi là người đầu tiên phát minh ra các hiệu ứng ma sát và đưa

ra các khái niệm về hệ số ma sát Qua thời gian, cùng với sự phát triển của xã hội, ngành 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 Một số nghiên cứu tiêu biểu thời

kỳ trước thế kỷ 20, có thể kể đến như là công trình nghiên cứu: Charles Agustin

3

Coulomb (1736-1806) về ma sát học, nghiên cứu này đã chỉ rõ tính chất vật liệu

và hiệu ứng bôi trơn, mối liên quan tải trọng và đặc tính tĩnh và động các cặp ma sát L.H Navier (1785-1836) với nghiên cứu hình thành phương trình tổng quát chuyển động của chất lỏng Osborne Reynolds (1842-1912) với công trình nghiên cứu nổi tiếng là phương trình tổng quát nổi tiếng trong bôi trơn thuỷ động năm 1886[ Phương trình Reynolds ra đời đánh dấu bước nhảy vọt 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

Từ thế kỷ 20, kỹ thuật bôi trơn được kể đến như một ngành đầu tiên được nghiên cứu rất mạnh trong khoa học về ma sát học Một số nghiên cứu tiêu biểu thời kỳ này như: Năm 1904, J.W Sommerfeld (1868-1951) nghiên cứu phương

pháp giải bằng giải tích cho ổ dài vô hạn với điều kiện biên Vào 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 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 Năm 1953, F W Ocvirk (1913-1967) thành công với nghiên cứu đối với ổ có chiều dài nhỏ so với đường kính, giải pháp bỏ qua gradien áp suất theo chu vi Đến nay, nhờ vào sự phát triển phi thường các công cụ tính toán nên các lời giải cho các kết cấu bôi trơn đã được giải quyết nhanh chóng và cho các ứng dụng rộng rãi và tin cậy

1.3.2 Phân loại các dạng bôi trơn

Tùy theo điều kiện bôi trơn ổ, ma sát được chia ra các dạng:

+ Theo trạng thái bôi trơn có ma sát khô, ma sát ướt và ma sát nửa ướt + Theo vật liệu bôi trơn có bôi trơn chất rắn (graphit, bisunfune, mod- yphene) bôi trơn chất lỏng (nước, dầu, mỡ) và bôi trơn chất khí

- Ma sát khô là ma sát trong đó hai bề mặt ma sát tiếp xúc nhau tuyệt đối sạch

và không được bôi trơn bằng bất cứ chất bôi trơn nào, trong ma sát khô hệ số ma sát cao hơn nhiều so với các dạng ma sát khác

- Ma sát ướt là ma sát trong đó hai bề mặt ma sát được ngăn cách nhau bởi một chất bôi trơn có chiều dày lớn hơn tổng chiều số độ nhấp nhô của hai bề mặt

- Bôi trơn thủy tĩnh là dạng bôi trơn có bơm dầu vào ổ với áp suất cao đủ để nâng trục tách khỏi nhờ màng dầu hoặc màng khí Phương pháp này đòi hỏi có trang thiết bị khá phức tạp và đắt tiền, nó chỉ được dùng với những ổ trục đặc biệt quan trọng trong các máy đặc chủng

- Bôi trơn thủy động là dạng bôi trơn trong đó tính chất động học được lợi dụng để tạo điều kiện cho dầu bôi trơn chảy vào khe hở giữa trục và ổ với áp suất cân bằng tải trọng bên ngoài Dạng bôi trơn này rất thuận lợi vì vậy nó được dụng phổ biến hơn, tùy theo hệ số Reynold mà có các dạng bôi trơn:

Bôi trơn tuyến tính, bôi trơn lưu 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 khí hay nước) Bôi trơn dưới áp lực cao có biến dạng các bề mặt ma sát gọi là bôi trơn thủy động đàn hồi, thường thấy ở ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng ăn khớp Tuy nhiên, một kết cấu bôi trơn bao giờ cũng là tổng hợp của các dạng bôi trơn khác nhau, vì thế khi tính toán một kết cấu bôi trơn thường phải giải quyết đồng thời nhiều bài toán mới có thể đáp ứng tương đối đầy đủ các khía cạnh kỹ thuật khác nhau

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 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

5

1.3.3 Lý thuyết về bôi trơn

Với một số trường hợp quan trọng, cơ cấu kỹ thuật máy móc phải giải quyết tải trọng tiếp xúc, sự trượt bề mặt sẽ hoạt động theo ý của người thiết kế, đó là không thể tăng đến mức bề mặt bị phá hủy và mài mòn, khi chúng được cung cấp

đủ chất bôi trơn Chất bôi trơn có thể tác động trong hai trường hợp riêng biệt nhưng không nhất thiết phải loại trừ lẫn nhau Chức năng đầu tiên của nó có thể tách ly vật lý bề mặt bằng cách đặt giữa chúng một chất có tính dính kết, màng nhớt là tương đối dày (lớn hơn độ nhám bề mặt) Trong ổ thủy tĩnh màng này tạo thành do sự cung cấp của bơm từ bên ngoài và vì vậy sự tạo thành màng phụ thuộc vào sự hoạt động liên tục của nguồn năng lượng bên ngoài Trong ổ thủy động sự tạo thành màng dựa vào đặc điểm hình học, chuyển động của bề mặt (đúng như từ thủy động) với độ nhớt sẵn có của chất lỏng Vai trò thứ hai của chất bôi trơn tạo thêm màng mỏng bảo vệ bề mặt chi tiết, hay cả chi tiết, ngăn cản tối thiểu việc tạo

ra bề mặt cứng và sự phá hủy ở chỗ tiếp xúc Nếu lớp bảo vệ này có độ bền cắt tương đối thấp thì lực ma sát có thể giảm cơ chế cản ma sát giới hạn được biết như ranh giới chất bôi trơn Ranh giới của màng nói chung là rất mỏng, có thể một vài phần tử đặc và sự tạo thành và tồn tại phụ thuộc rất nhiều vào sự tương tác vật lý

và hóa học giữa các thành phần chất bôi trơn và bề mặt chi tiết Ở chương này chúng ta sẽ nghiên cứu sự hình thành màng bôi trơn thủy động, ranh giới sự bôi trơn được xem xét

Tất cả sự tác động của ổ thủy động phụ thuộc vào sự chuyển động của chúng trên mặt hội tụ, khe hở hình chêm được tạo thành do sự chuyển động của trục Áp suất được tạo ra hướng tới đẩy các bề mặt phân cách chêm và nó là sự kết hợp Vấn

đề phức tạp của ổ thủy động là mối quan hệ giữa vận tốc trượt, đặc điểm hình học bề mặt, đặc tính chất bôi trơn và độ lớn của tải trọng mà ổ có thể đỡ

1.3.4 Các loại vật liệu bôi trơn

Vật liệu dùng để bôi trơn bao gồm các loại như: Dầu khoáng, dầu thực vật,

mỡ động vật, nước, khí và một số chất vô cơ Trong đó dầu khoáng được dùng nhiều nhất vì dễ khai thác, công nghệ ổn định và rẻ tiền Mỡ động vật và dầu thực vật có nhiều đặc tính tốt nhưng đắt tiền, người ta thường pha thêm chúng vào dầu khoáng với một tỷ lệ nhỏ hợp lý để cải thiện đặc tính bôi trơn Hiện nay, dầu tổng

ma sát Trong tính toán bôi trơn thủy động người ta thường dùng độ nhớt động lực (độ nhớt tuyệt đối)  Trong thương mại và công nghiệp thường dùng độ nhớt động học

Tính năng bôi trơn của dầu bôi trơn là khả năng dễ dàng tạo màng dầu bôi trơn giữa các bề mặt ma sát, có lực cản trượt thấp nhờ đó làm giảm ma sát và mòn trong ổ trục ma sát

1.3.5 Độ nhớt động lực và độ nhớt động học của chất bôi trơn

Cho một tấm phẳng chuyển động gần tường rắn với vận tốc U trên lớp chất lỏng, có chiều dầy h Giữa các lớp chất lỏng có khoảng cách dy, vận tốc thay đổi

là du

Độ nhớt động lực (độ nhớt tuyệt đối) là độ nhớt của chất lỏng  được xác

định bằng tỷ số ứng suất tiếp giữa các lớp chât lỏng và gradian vận tốc

Hình 1.1 Chuyển động của tấm phẳng trên lớp chất lỏng

Độ nhớt tuyệt đối của chất lỏng  được tính theo công thức:

7

τ

η = du dy

Trong đó:

du

định luật của Newton, trong đó  là hằng số đặc trưng cho vật liệu, nó phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất, là dầu Newton Phần lớn dầu khoáng có cấu trúc không đồng nhất nên ảnh hưởng đến độ nhớt, được gọi là tính nhớt cấu trúc hay là dầu phi Newton

Trên thực tế thường dùng đơn vị nhỏ hơn 100 lần là centi Poise (cP), nó chính

Như vậy dầu bôi trơn có độ nhớt động lực gấp 100 lần nước, khoảng 100 cP

và ngược lại không khí có độ nhớt động lực nhỏ hơn 100 lần so với nước

Có thể chuyển đổi đơn vị từ cP sang reyn (US) như sau:

Độ nhớt động học

Trong sản xuất, thương mại và sử dụng công nghiệp, người ta hay dùng độ nhớt động học  để đánh giá chất bôi trơn Độ nhớt động học  của một chất lỏng bôi trơn được xác định bằng tỷ số giữa độ nhớt động lực và khối lượng riêng của

8

Khi nhiệt độ tăng lên thì độ nhớt giảm xuống theo công thức:

t=t0(t0

t)

m

Với m = 2,6  3

(CGS) Cũng tương tự như đơn vị đo Poise, nó quá lớn trong trong thực tiễn, nên thường sử dụng đơn vị đo centistoke (cS):

Ngoài ra còn một số đơn vị đo độ nhớt khác (căn cứ theo cS) như trong (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Chuyển đổi đơn vị đo căn cứ theo cS

- Dầu động cơ chiếm 70% tổng khối lượng dầu được sử dụng ở nước ta:

- Dầu bôi trơn công nghiệp: Dầu bôi trơn trong máy công cụ, biến thế, máy nén, thủy lực, chất lỏng cắt gọt, dầu tua bin, mỡ… Một số loại dầu bôi trơn thường dùng trong công nghiệp:

Dầu công nghiệp nhẹ: Vêlôxit, vadơlin, dầu phân ly…

Dầu công nghiệp trung bình: Dầu công nghiệp 12, 20, 30,45, 50 hay tuabin 22, 35, 46, 57

Dầu công nghiệp nặng: Dầu xi lanh 11, 24…

9

Dầu bôi trơn hiện nay có rất nhiều tính chất cơ lý hóa khác nhau Nhưng trên quan điểm ma sát học thì tính chất cơ bản, quan trọng nhất đó là độ nhớt của

dầu bôi trơn nói riêng và của chất bôi trơn nói chung

Đối với ổ trượt tốc độ quay càng cao thì dùng dầu có độ nhớt càng thấp, tải trọng càng cao thì độ nhớt phải càng cao Nếu dùng dầu có độ nhớt không hợp lý thì ổ sẽ nhanh mòn khi độ nhớt thấp hoặc tổn hao công suất lớn khi dầu có độ nhớt cao

Bảng 1.2 So sánh độ nhớt của một số loại dầu theo ISO, SAE, AGMA

Độ nhớt theo ISO

Chỉ số AGMA

SAE dầu động cơ

SAE Dầu bánh răng

10

Bảng 1.3 Cấp độ nhớt của dầu động cơ SAE

Số đứng trước chữ W dùng để chỉ khoảng nhiệt độ mà động cơ có độ nhớt

đủ để khởi động xe lúc lạnh Nhiệt độ khởi động thấp nhất bằng - (30 – xW)

Bảng 1.4 Dầu bôi trơn bánh răng SAE theo tiêu chuẩn J300

11

Ngoài ra dầu động cơ còn được phân loại theo tiêu chuẩn API của Viện dầu

mỏ Hoa Kỳ (API: The American Pertroleum Institute)

- Dầu cho động cơ xăng: Kí hiệu S tiếp theo là các chữ cái theo vần A, B, C…: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH, SJ Trong đó, SJ là cấp cao nhất hiện nay của dầu động cơ xăng

- Dầu cho động cơ diesel: Kí hiệu C tiếp theo là các chữ cái theo vần A, B, C : CA, CB, CC, CD, CE, CF, CG, CH Trong đó, CH là cấp chất lượng cao nhất hiện nay của dầu động cơ diesel

+ CD-II và CF-2: chuyên dụng cho động cơ diesel 2 kỳ

+ CF-4, CG-4 và CH-4: chuyên dụng cho động cơ diesel đời mới

- Dầu dùng để pha xăng cho động cơ 2 kỳ: kí hiệu API TC

- Dầu bánh răng theo cấp phẩm cấp API theo (bảng 1.5)

Bảng 1.5 Cấp chất lượng và phạm vi sử dụng dầu bánh răng theo API

GL1 Truyền động bánh răng trụ, trục vít, côn xoắn, tải trọng nhỏ

1.3.6 Quan hệ giữa độ nhớt với nhiệt độ và áp lực

Quan hệ độ nhớt với nhiệt độ

Độ nhớt của dầu bôi trơn rất nhậy cảm với nhiệt độ vận hành Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của dầu giảm rất nhanh Trong một số trường hợp độ nhớt của dầu

12

Hình 1.2 Sự thay đổi của độ nhớt dầu bôi trơn khi tăng nhiệt độ

Theo quan điểm ma sát học, điều này rất quan trọng, từ độ nhớt ở nhiệt độ làm việc xác định được chiều dầy màng dầu phân cách hai bề mặt ma sát Độ nhớt của dầu ở nhiệt độ nào đó có thể được xác định theo các phương trình độ nhớt - nhiệt độ hoặc theo các đồ thị ASTM

Hiện nay đồ thị ASTM được xây dựng dựa trên phương trình của Walther:

(ν + a) = bd 1/𝑇𝑐

Được logarit:

Log(log(+a)) = b – c.logT Trong đó: a – hằng số = 0,6-0,8

T là nhiệt độ tuyệt đối [K]

Chỉ số nhớt của dầu bôi trơn VI (Viscosity Index)

Thông thường khi nhiệt độ làm việc tăng, độ nhớt của dầu bôi trơn giảm, làm suy giảm chiều dầy màng dầu giữa hai bề mặt ma sát, do đó tính năng bôi trơn giảm Như vậy, dầu bôi trơn có độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ ít nhất là dầu có độ bền nhiệt tốt và là loại dầu bôi trơn tốt, tuổi thọ cao Từ năm 1920, người ta đã biết rằng dầu thô của mỏ Pennsylvania, dầu Parafin có đặc tính bền nhiệt tốt nhất và

mỏ Gulf Coast, dầu nepten có đặc tính bền nhiệt tồi nhất Trên quan điểm ma sát học, thấy rằng, cần thiết phải có thông số đánh giá độ bền nhiệt của dầu bôi trơn Năm 1929, thông số “Chỉ số nhớt” (VI - Viscosity Index) đã được Dean và Davit

13

đề xuất để đánh giá độ bền nhiệt của dầu bôi trơn Độ nhớt dầu càng ít thay đổi theo nhiệt độ thì chỉ số nhớt càng cao Hiện nay, có tiêu chuẩn ASTM (American Society for Testing Materials) và TCVN 6019-1995

Pennsylvania được thừa nhận có VI=100 và dầu được sản xuất ở Gulf Coast có VI=0

Chỉ số nhớt của các loại dầu mỏ được tính theo công thức:

L-HTrong đó:

L, H là độ nhớt động học dầu tham chiếu tại 400C có cùng độ nhớt động học với dầu xác định VI, tại 1000C

Các loại dầu khoáng nói chung có thể đạt tới gần VI=100, còn dầu đa phẩm cấp, dầu tổng hợp chỉ số nhớt cao nhất có thể đạt tới VI=150

Hiện nay, thông số VI có tiêu chuẩn ASTM (American Society for Testing Materials) và TCVN 6019-1995

Quan hệ độ nhớt với áp lực

Đối với phần lớn dầu bôi trơn độ nhớt chỉ tăng theo áp lực khi áp lực đủ lớn hơn áp suất khí quyển Điều này cần được quan tâm trong trường hợp dầu bôi trơn cho các tiếp xúc có áp lực lớn, khi đó nó ứng xử giống như chất rắn hơn là chất lỏng và gây hư hỏng chất bôi trơn

Quan hệ giữa độ nhớt và áp lực thường được tính theo công thức Basuc:

p = 0.epTrong đó:

1.3.7 Dầu bôi trơn từ dầu khoáng

Dầu gốc chưng cất từ dầu khoáng

Dầu gốc tinh chế từ dầu khoáng, được chưng cất từ dầu mỏ, có các cấp độ nhớt và tính chất khác nhau được sử dụng để sản xuất các loại dầu, mỡ bôi trơn

14

Tùy thuộc vào loại dầu thô và quy trình tinh chế sẽ quyết định tính chất hóa lý của dầu gốc Thông thường dầu gốc này phải đáp ứng các yêu cầu về dầu thô paraffin, naphthen và aromatic được dùng để hỗ trợ nhau trong các nhà máy lọc dầu để cho

ra các loại sản phẩm cuối cùng có tính chất tốt nhất và kinh tế nhất

Việc lựa chọn các phân đoạn dầu thô thích hợp trong quá trình tinh chế dầu gốc theo các khoảng nhiệt độ sôi khác nhau sẽ thu được các sản phẩm hydrocacbon sau: Paraffin mạch thẳng và mạch nhánh, hydrocacbon no đơn và đa vòng (naphthen)

có các cấu trúc vòng xyclohexan gắn với mạch nhánh Paraffin, các hydrocacbon thơm đơn vòng chứa vòng và đa vòng chủ yếu chứa các mạch nhánh ankyl Các hợp chất chứa vòng naphthen, vòng thơm và mạch nhánh trong cùng một phân tử

Các hợp chất hữu cơ có chứa các di nguyên tử, chủ yếu là các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ và nhôm Việc phân loại nhóm dầu gốc dựa theo thành phần dầu gốc paraffin, naphthen hoặc aromatic, hàm lượng lưu huỳnh và độ nhớt Nói chung dầu gốc được phân loại thành ba nhóm chính (bảng 1.6)

Bảng 1.6 Đặc tính lý hóa của ba nhóm dầu gốc cơ bản trong tinh chế [T, Y]

Tỷ trọng thấp

Dầu naphthen

Tỷ trọng trung bình

100 0,8628

229

107 -15

440 1,4755

40 5,0

0 0,9194

174

73 -30

330 1,5068

36 4,0 -185 0,8926

160

17 -24

246 1,5503

Ôxi hóa chậm, trước hết là liên kết của axit bay hơi, chống mòn, sau đó là mối liên kết sệt nhớt

Ôxi hóa không chậm, liên kết của vật liệu không bay hơi, chống mòn kém, sau đó ở trạng thái bùn

Ôxi hóa mạnh, không bay hơi lớn, chống mòn,

số lượng chất thơm giảm tương ứng là sự hạn chế ôxi hóa

15

Dầu có chỉ số nhớt cao (HVI) khi VI > 85

Dầu có chỉ số nhớt trung bình (MVI)

Dầu có chỉ số nhớt thấp (LVI) khi VI < 30

Trong trường hợp chỉ số nhớt VI và độ ổn định oxy hóa không được quan tâm, dầu LVI được sản xuất từ phân đoạn dầu neptan Hiện nay, công nghệ crankinh dầu mỏ hiện đại có thể tinh chế được các dầu gốc có chỉ số nhớt rất cao (VHVI) hoặc siêu cao (SHVI)

1.3.8 Chất phụ gia

Vai trò của chất phụ gia

chất phụ gia để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về các tính năng bôi trơn, do điều kiện làm việc của các cặp ma sát ngày càng phức tạp và khắc nghiệt, trong khi dầu gốc không đáp ứng đầy đủ được Chất phụ gia thông thường là các nguyên tố hoá học, hợp chất vô cơ, hữu cơ, polyme, chúng được được cho thêm vào các chất bôi trơn nhằm cải thiện các tính năng đã có của dầu gốc và tạo ra các tính năng mới Cần lưu ý rằng các chủng loại phụ gia hiện nay rất phong phú và đa dạng Khi thêm vào trong dầu bôi trơn chúng có thể tương khắc nhau, hoặc hỗ trợ nhau, trình

tự và thứ tự bổ sung phụ gia cũng có ảnh hưởng đến các đặc tính của dầu bôi trơn Hàm lượng của các chất phụ gia thường không quá 10%, phổ biến trong khoảng

từ 0,01 đến 0,5% Với các phụ gia đặc biệt có thể có nồng độ từ vài phần triệu (ppm)

dầu bôi trơn nói riêng có các tính năng bôi trơn rất tốt, có thể đáp ứng được các vùng tải trọng và tốc độ có biến thiên phức tạp và điều kiện làm việc khắc nghiệt Đây cũng là tiền đề quan trọng cho việc thiết kế cải tiến thiết bị, máy móc liên tục trong vòng đời sản phẩm của nó

Các chất phụ gia cơ bản

Tăng độ nhớt, chỉ số nhớt

Đối với các cặp ma sát chuyển động tịnh tiến như cặp pistong – xilanh, chuyển động quay như trục bạc, chiều dầy màng dầu bôi trơn phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính nhớt của dầu bôi trơn, nó thay đổi khi nhiệt độ tăng Vì vậy, phụ gia nhằm nâng cao độ nhớt và chỉ số nhớt được quan tâm nhất Thường sử dụng một

16

số loại polime nhất định, làm tăng độ nhớt cả ở nhiệt độ thấp và cũng làm tăng nhẹ chỉ số nhớt của dầu bôi trơn như: Polymethacrylates, polyacrylates và các polyme gốc olefines Các Polime này có nhược điểm là liên kết phân tử yếu, dưới tác động của cơ học lớn hay nhiệt độ cao có thể bị bẻ gãy mạch và gây ra hiệu ứng phi Newton của dầu

Giảm nhiệt độ đông đặc

Các thiết bị làm việc trong môi trường nhiệt độ thấp, thì cần phải tránh hiện tượng đông đặc của dầu, mỡ bôi trơn, nhất là dầu gốc parafin Khi đó, chất bôi trơn

sẽ không đáp ứng được yêu cầu chịu tải, tách ly bề mặt ma sát, dẫn đến hiện tượng kẹt, hư hỏng thiết bị Trường hợp này hay xảy ra với dầu bôi trơn của động cơ ô tô khi khởi động và làm việc trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp, khi đó cần bổ sung các phụ gia làm giảm nhiệt độ đông đặc của dầu, mỡ bôi trơn Phần lớn các loại dầu bôi trơn thông dụng có nhiệt độ đông đặc từ -25°C đến 3°C, nên khi làm việc trong môi trường nhiệt độ thấp cần phải giảm nhiệt độ nói trên Để giảm nhiệt

độ đông đặc cần phải giảm kích thước hoặc biến đổi hình dạng tinh thể parafin, sử dụng các phụ gia: Các ankil thơm, các polyesete, polyamit và polylefin

Tăng tính linh động

Do yêu cầu ngày càng cao của các cặp ma sát về độ chính xác chuyển động, nên khe hở thực tế giữa các bề mặt chuyển động tương đối ngày càng nhỏ Việc ứng dụng phương pháp gia công CNC hiện đại đã cho phép gia công chế tạo các cặp ma sát chính xác và siêu chính xác với phổ kích thước từ rất lớn đến rất nhỏ Trong trường hợp này, việc đưa dầu bôi trơn vào bề mặt ma sát trực tiếp có khó khăn do tính linh động của dầu bị hạn chế Vì vậy, cần có những loại phụ gia làm tăng tính linh động và thẩm thấu của dầu bôi trơn vào bề mặt ma sát Các chất phụ gia thường dùng là các muối sulfonates, các thiosphophates và các phenates

Chống ôxi hóa

Dầu bôi trơn trong quá trình làm việc thường xuyên tiếp xúc với môi trường khí quyển và các bề mặt ma sát, thường là kim loại, được làm sạch nên bị ôxi hoá rất rõ ràng Việc hạn chế quá trình ôxi hoá dầu bôi trơn và ôxi hoá bề mặt kim loại

bị ma sát là rất cần thiết, làm kéo dài tuổi thọ của chất bôi trơn và bảo vệ bề mặt kim loại Trên thực tế, phụ gia chống ôxi hoá đã được quan tâm và bổ xung vào phần lớn các loại dầu, mỡ bôi trơn, hoạt động theo các cơ chế sau:

sử dụng bao gồm: Các este phophoric, các dithiphotphat kim loại, các dẫn suất của este béo và axit béo

Chống tạo bọt

Trong quá trình truyền dẫn chất bôi trơn qua hệ thống bơm, cặp ma sát, đường ống và bộ lọc, về bể dầu thường xảy ra hiện tượng tạo bọt khí trong chất lỏng bôi trơn Khi đó, tính đồng nhất của chất bôi trơn bị suy giảm, khả năng tải của màng dầu thấp, hoặc mất khả năng tải Bề mặt ma sát mất chất bôi trơn, dẫn đến tăng nhiệt độ, gây kẹt và ngừng máy, kể cả trường hợp gẫy vỡ Vì vậy, phụ gia chống tạo bọt được quan tâm sử dụng trong các hệ thống bôi trơn và thuỷ lực

Tăng nhiệt độ điểm chớp cháy

Với dầu động cơ, việc tăng nhiệt độ điểm chớp cháy của dầu bôi trơn là rất quan trọng Do nhiệt độ làm việc của động cơ thường cao nên nguy cơ tăng đột biến nhiệt độ làm việc của động cơ vẫn có khả năng xảy ra, mặc dù đã có các biện pháp hạn chế Đặc biệt, khi động cơ bị lỗi hệ thống nước làm mát, hay leo đèo dốc cao, trong thời gian dài Phụ gia nâng cao nhiệt độ điểm chớp và cháy của dầu động cơ đã được nghiên cứu và bổ sung

18

Bảng 1.7 Thành phần dầu động cơ SAE30 hoặc SAE40

Dầu gốc

Phụ gia tẩy rửa

Phụ gia phân tán không tro

1.3.9 Giới thiệu về bôi trơn thuỷ động

Bôi trơn thuỷ động là dạng bôi trơn mà các bề mặt chịu tải của nó được ngăn cách bởi lớp màng chất bôi trơn có áp suất được hình thành từ chuyển động tương đối giữa chúng Trong một số trường hợp quan trọng, khi được cung cấp đủ chất bôi trơn, các cơ cấu, máy móc khi mang tải và bề mặt có trượt tương đối thì không được phép xảy ra mòn đến mức phá hủy lớp bề mặt Chất bôi trơn có thể tác động theo hai hướng riêng biệt nhưng không được loại trừ lẫn nhau Chức năng đầu tiên của chất bôi trơn là có thể tách ly các bề mặt bằng một lớp màng nhớt là tương đối dày (lớn hơn tổng độ nhám hai bề mặt) có tính liên kết với các bề mặt Trong bôi trơn thủy tĩnh màng nhớt này được tạo thành do bơm cung cấp từ bên ngoài, vì vậy

để tạo thành màng cần có hoạt động liên tục của nguồn năng lượng bên ngoài Trong bôi trơn thủy động, quá trình hình thành màng nhớt phụ thuộc vào đặc điểm hình học, chuyển động của bề mặt và độ nhớt của chất lỏng bôi trơn Chức năng thứ hai của chất bôi trơn là tạo lớp màng bảo vệ cho một hoặc hai bề mặt vật rắn,

nó ngăn cản hoặc hạn chế đến mức thấp nhất việc tạo liên kết bám dính hoặc phá hủy bề mặt tại chỗ tiếp xúc ma sát Trong trường hợp hai bề mặt tiếp xúc không tách ly hoàn toàn, nếu lớp bảo vệ này có ứng suất trượt tương đối thấp thì lực ma sát có thể giảm nhiều và được gọi là bôi trơn giới hạn Màng giới hạn nói chung là rất mỏng, có thể là chiều dày khoảng một vài phân tử, sự tạo thành và tồn tại của lớp màng mỏng phụ thuộc nhiều vào sự tương tác lý, hóa giữa các thành phần chất bôi trơn và bề mặt chi tiết

19

Khả năng chiụ tải của ổ thủy động phụ thuộc vào chuyển động của chất lỏng bôi trơn trong khe hở hình nêm Áp suất được tạo thành từ chuyển động tương đối của các bề mặt và độ nhớt của dầu hình thành nêm dầu, có phân bố tải trọng cân bằng với tải ngoài trên ổ Vấn đề cần phải quan tâm nghiên cứu của ổ thủy động là thiết lập mối quan hệ giữa vận tốc trượt, đặc điểm hình học bề mặt, đặc tính chất bôi trơn và độ lớn của tải trọng ngoài với khả năng tải của ổ

1.4 Ổ đỡ thủy động

1.4.1 Cấu tạo

Ổ đỡ thủy động được dùng phổ biến cho các trục có vận tốc quay cao, chịu tải lớn như dùng cho các mô tơ nhiệt, dùng trong tàu thủy, bởi tính ưu việt của nó

là cấu tạo đơn giản và rẻ tiền

Ổ trục thủy động là loại ổ làm việc ở chế độ bôi trơn ma sát ướt, trong quá trình làm việc không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa các bề mặt kim loại, hệ số ma sát giảm một cách dáng kể vì lực ma sát không phụ thuộc vào tính chất bên trong của dầu bôi trơn Áp suất thủy động phụ thuộc vào vận tốc của chuyển động Với

ổ thủy động bôi trơn ma sát ướt có các ưu điểm sau:

- Không cần bộ phận cung cấp dầu riêng

- Đối với hầu hết các hệ thống trục lớn đều sử dụng ổ thủy động, điều này thấy rõ là do sử dụng ổ lăn không thích hợp vì ổ thủy động cho khả năng tải rất lớn tính

- Chống rung cao, thích hợp với trục có số vòng quay cao

và lót ổ

Về cấu tạo, thân ổ (thường là thân máy), có thể được chế tạo dưới dạng ổ nguyên hoặc ổ ghép (nắp ổ và thân được ghép bằng bulong)

mảnh (thường 2÷ 3 mảnh) Bề mặt trong của lót ổ có thể là mặt trụ, mặt côn hay mặt cầu Lót ổ được phân thành hai phần là phần nền lót ỏ và lớp tráng bề mặt

loại Babit thiếc, chì: Б83, Б91, hợp kim nhôm, các loại brông thiếc, brông chì hoặc có thể là gang xám, gang cầu gang dẻo với tổ chức graphit là phần mềm cũng được dùng

1.4.2 Nguyên lý làm việc

Với D và d lần lượt là đường kính của lót ổ và ngõng trục

khe hở

nên màng dầu có dạng hình chêm Do vậy, theo kết quả thí nghiệm Reynolds thì bên trong màng dầu hình chêm tạo nên áp suất thủy động và đẩy ngõng trục lên quay không tiếp xúc trực tiếp với lót ổ

Hình 1.3 Mặt cắt ổ đỡ khi làm việc 1.5 Tính toán ổ đỡ thủy động

mặt cắt ngang khi ta khởi động một ổ đỡ thủy động như (hình 1.4)

21

Hình 1.4 Sơ đồ vị trí khởi động ổ

là L ta có các đại lượng đặc trưng sau:

- Độ lệch tâm giữa trục và bạc: e

ε =C

Ở vị trí dừng ban đầu trục và lót ổ tiếp xúc trực tiếp với nhau và cả hai đều

kính)

Ở vị trí khởi động (hình 1.4.a), ngõng trục lăn trượt trên bề mặt lót ổ và đến lúc tốc độ quay đạt đến một giá trị nào đó thì hình thành màng dầu hình chêm tạo ra

áp suất thủy động và nâng ngõng trục lên không tiếp xúc trực tiếp với lót ổ

Khi tốc độ quay của ngõng trục đạt đến một giá trị ổn định thì trục có một

vị trí cố định trong không gian lót ổ (hình 1.4.c) Tổng hợp các lực bên ngoài W tác động trong mặt phẳng của mặt cắt trung tuyến của ổ, thì đường tâm của trục và đường tâm của lót ổ song song với nhau

22

• Viết phương trình chiều dày màng dầu

• Viết phương trình Reynolds tương ứng với ổ

• Xác định điều kiện về áp suất

• Giải phương trình và tính toán các đặc trưng

1.5.1 Phương trình chiều dày màng dầu

- x, z là tọa độ theo phương chu vi và phương chiều dài ổ

Do vậy chiều dày màng dầu được tính theo giá trị gốc θ như sau:

1.5.2 Phương trình Reynolds một chiều

Trong bôi trơn thuỷ động khi coi vận tốc tại bề mặt tiếp xúc luôn tiếp xúc với chính nó và bằng cách đặt gốc của hệ trục tọa độ trên một bề mặt tiếp xúc,

24

- Dòng chảy chất lỏng là dòng chảy tầng

- Bỏ qua các lực khối và lực quán tính

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

- Vận tốc của bề mặt ma sát luôn tiếp xúc với chính nó

- Bỏ qua khối lượng riêng của chất lỏng

Phương trình Reynolds một chiều được viết như sau:

- h là chiều dày màng dầu

- p là áp suất của màng dầu

- ρ là khối lương riêng của dầu bôi trơn

1.5.3 Phương trình Reynolds cho ổ đỡ thủy động

Vì giá trị các bán kính trục và bạc gần bằng nhau, nên ta có thể bỏ qua độ cong của màng dầu trong ổ Khi đó khai triển ổ theo phương bán kính ta có sơ đồ như sau:

Hình 1.7 Miền khai triển của ổ

Theo đó phương x là phương chu vi

Phương z là phương chiều dài

Gọi u, v, w là các thành phần vận tốc theo các phương x, y, z

Ta có: vận tốc của trục và bạc là:

{U1=Rc.ωc; V1=W1=0

Với v là vận tốc dài của bề mặt trục

Điều kiện biên Reynolds về áp suất:

Với sơ đồ khai triển ổ đỡ thủy động như trên, ta có:

P(θ = 0, z) = P(θ = 2π, z) Khi ổ có rãnh tiếp dầu bôi trơn ta có các điều kiện biên Reynolds tương ứng:

1.5.4 Giải phương trình Reynolds cho ổ đỡ thủy động

Để tính toán một kết cấu bôi trơn thuỷ động trước hết ta phải giải phương trình Reynold Phương trình Reynolds là phương trình vi phân đạo hàm riêng cấp hai nên rất khó giải bằng giải tích trừ một số trường hợp đơn giản (ổ dài, ổ ngắn) Sommerfeld đã giải phương trình này bằng cách bỏ qua sự chảy đường trục (giả thiết của ổ dài) Nhưng thực tế ổ thường gặp có kích thước hữu hạn nên phải giải phương trình Reynolds bằng phương pháp số như: phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn…Ở đây ta dùng phương pháp sai phân hữu hạn vì miền của chêm dầu là miền chữ nhật (do khai triển ổ hình trụ) [3]

Phương trình Reynolds viết cho ổ đỡ thủy động:

a Trường hợp ổ có chiều dài vô hạn

• Giải pháp Sommerfeld

chiều trục của ổ

tại tọa độ θ = 0 Khi đó điều kiện biên Sommerfeld được viết lại như sau:

Hình 1.8 Dạng đường cong áp suất

Tính toán các đặc trưng của ổ đỡ thuỷ động

Các đặc tính của ổ bao gồm: Khả năng tải W, góc chất tải ϕ, momen ma sát