Bài viết Nghiên cứu, mô phỏng sự phân bố áp suất của đệm khí trụ trong ổ khí quay cao tốc trên cơ sở ứng dụng phần mềm Ansys, mô phỏng và tính toán sự phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí bằng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm giảm thiếu khối lượng tính toán, tạo ra hình ảnh trực quan về sự phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí và xác định lực nâng của đệm khí.
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU, MÔ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ ÁP SUẤT CỦA ĐỆM KHÍ TRỤ TRONG Ổ KHÍ QUAY CAO TỐC RESEARCH, SIMULATION OF PRESSURE DISTRIBUTION ON CURVED AIR BEARING IN HIGH SPEED AIR BEARING Trương Minh Đức Khoa Cơ khí, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Cơng nghiệp Đến Tịa soạn ngày 02/03/2021, chấp nhận đăng ngày 12/05/2021 Tóm tắt: Hiện ổ khí quay cao tốc giải pháp hiệu thường áp dụng cho truyền động xác định tâm cao Trong báo này, sở ứng dụng phần mềm Ansys, mô tính tốn phân bố áp suất bề mặt đệm khí phương pháp phần tử hữu hạn nhằm giảm thiếu khối lượng tính tốn, tạo hình ảnh trực quan phân bố áp suất bề mặt đệm khí xác định lực nâng đệm khí Từ khóa: Đệm khí, phần tử hữu hạn, áp suất phân bố Abstract: Currently, high speed air bearing is one of the most effective solutions that are often applied to precise actuators In this paper, based on the application of ANSYS software to simulates and calculates the distribution of air pressure on the surface of the air bearing by the finite element method to reduce the volume of calculation, create a visual representation of the pressure distribution on the its surface and calculate the lift force Keywords: Air bearing, finite element method, air pressure distribution ĐẶT VẤN ĐỀ Việc gia cơng lỗ bé có độ xác cao địi hỏi trục phải có tốc độ nhanh ổn định q trình gia cơng Khi khoan lỗ đường kính bé tốc độ cắt phải cao Tuy nhiên, quay với tốc độ cao ổ bi sinh nhiệt ma sát, dẫn đến giảm tuổi thọ ổ bi Bên cạnh mài mịn sau thời gian dài hoạt động tạo khe hở ổ trục dẫn đến sai lệch gia cơng Do không đáp ứng yêu cầu gia công lỗ nhỏ có độ xác cao Vì giải pháp đưa cần thiết kế loại ổ trục quay tốc độ cao đáp ứng yêu cầu đặt phương án lựa chọn thiết kế ổ trục đệm khí cao tốc TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 Công nghệ ổ trục đời từ lâu nghiên cứu phát triển tối ưu qua thời kì Ổ trục đệm khí có đặc tính kỹ thuật hẳn ổ trượt ổ lăn tốc độ độ xác Một số ưu điểm bật ổ trục đệm khí ma sát mài mịn gần khơng, tốc độ độ xác cao, khơng u cầu dầu bơi trơn lợi mạnh mẽ cho thiết kế máy Tuy nhiên nay, lợi ích chưa sử dụng triệt để ổ trục đệm khí khó để sản xuất xác chi tiết cấu thành lý thuyết ổ trục đệm khí cịn mẻ Vì vậy, sau tính tốn thiết kế xong trước thực gia công chế tạo, giải pháp hay sử dụng ứng dụng phần mềm chuyên dụng để mơ tính tốn đặc trưng KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ khí tĩnh chi tiết ổ trục đệm khí Trên sở kết mơ điều kiện ổn định đưa phần tính tốn thiết kế kiểm nghiệm Đồng thời thay đổi yếu tố đầu vào điều kiện biên đặt để phân tích phương án thiết kế, lựa chọn phương án thiết kế tối ưu, giảm thời gian chế tạo thử nghiệm nhằm nâng cao hiệu q trình thiết kế chế tạo ổ trục Chính vậy, báo này, tác giả nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS để mô phân bố áp suất bề mặt đệm khí trụ để xác định lực nâng đệm khí ứng dụng ổ khí quay cao tốc để sử dụng máy khoan lỗ nhỏ [5] phần chất khí chiếm chỗ đệm khí Đây tốn phân tích dịng khí sử dụng phần mềm Ansys CFX Mục đích toán khảo sát phân bố áp suất bề mặt đệm khí MƠ HÌNH HĨA ĐỆM KHÍ DẠNG TRỤ Hình Mơ hình đệm khí trụ phần mềm ANSYS Đệm khí mặt trụ mơ tính tốn hình 2.1 Chia lưới Hình Kích thước thiết kế chi tiết bạc mơ hình ổ khí quay [7] Khí nén với áp suất khơng đổi cấp qua lỗ thổi đường kính 5, sau chảy qua lỗ tiết lưu d1 = 0.5 mm vào rãnh dẫn khí bề mặt đệm khí Dựa đường khí vậy, mơ hình tốn học để mơ đệm khí trụ xây dựng Ansys hình Trong mơ hình mơ này, khí cấp màng khí qua đường cấp khí vào kích thước 5mm, qua 24 lỗ tiết lưu kích thước 0,5 mm phân bố vành tròn dẫn khí từ đường cấp khí lớn vào rãnh khí Khe hở khí khảo sát 5µm Mơ hình tương ứng với Việc chia lưới cho mơ hình thực sở điều kiện biên cách ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn Đặc biệt, để đảm bảo độ xác kết tính tốn việc chia lưới cần phải phù hợp với mơ hình Trong ANSYS hai số đánh giá chất lượng lưới Element quality tiệm cận tốt Element quality: 0-0.001 (unacceptable), 0.001-0.14 (bad), 0.15-0.20 (acceptable), 0.20-0.69 (good), 0.70-0.95 (very good), 0.95-1.00 (excellent) Sknewness tiệm cận tốt Chỉ số đánh giá độ cong vênh chuyển tiếp phần tử Skewness: 0-0.25 (excellent), 0.25-0.50 (very good), 0.50-0.80 (good), 0.80-0.94 (acceptable), 0.95-0.97 (bad), 0.98-1.00 (unacceptable) Việc chia lưới chọn loại lưới hình tam giác Element quality không vượt 0.85 Kết chia lưới đánh giá theo số: Element quality: 0.82815; Sknewness: 0.23378 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Vì mơ hình tồn tiếp xúc mặt cong mặt phẳng, điểm khiến cho việc lựa chọn phần tử bậc (quadratic element) trở nên phức tạp Sau cân nhắc mặt lợi hại, phần tử bậc (linear elemnt) chọn để sử dụng mơ hình chia lưới Mơ hình chia lưới trọng mặt khảo sát khe hở với kích cỡ nhỏ (từ 1-23 μm, khe nhỏ kích cỡ phần tử đặt giá trị tối đa đạt đến μm (Các mặt cần trọng chia lưới - hình 4) Các giá trị chi tiết chia lưới chọn theo hình số với ý element size, max size, defeature size, curvature size [3] + Dòng chảy liên tục Bề mặt: Sau gia công, hầu hết chi tiết tồn mấp mơ, dựa theo trình độ gia cơng sở sản xuất yêu cầu chế tạo thực nghiệm, độ nhám bề mặt mô đặt theo giá trị trung bình phù hợp nhất: 0.32 micron Các bề mặt tiếp xúc với trục quay cho quay quanh trục đối xứng với tốc độ 20000 rpm để mô chuyển động quay trục ổ khí Chất khí: Trong điều kiện tĩnh, lớp khí khe hở khơng có xáo trộn lớp, trục quay hoạt động tốc độ quay lớn, lớp khí xuất xáo trộn, chọn điều kiện biên: dịng chảy rối - mơ hình k-epsilon Lựa chọn đặc điểm chất khí mơ phổ thơng nhất: khối lượng riêng: 1.185 kg/m³ có nhiệt độ đẳng nhiệt: 25ºC Thiết lập độ xác bước lặp (mặc định) số bước lặp: 3000-5000 Hình Thiết lập tham số chia lưới Hình Mơ tả đường khí vào sau nhập điều kiện biên Hình Kết cận cảnh chia lưới 2.2 Điều kiện biên Áp suất đầu vào bar, áp suất đầu bar TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 Sau thiết lập chia lưới nhập thông số điều kiện biên dựa vào lý thuyết kinh nghiệm trình mơ Cơng đoạn quan trọng định đến việc tính tốn có xác kết mơ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ 2.3 Tính tốn mơ trị áp suất trung bình bề mặt 339499 Pa Giá trị áp suất trung bình vai trục 127923Pa (theo kết trích xuất từ mơ phỏng) 3.2 Phân bố lực đẩy vai trục Hình Phần mềm Ansys thực tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn Từ hình ảnh kết tính tốn hình ta thấy từ vòng lặp 600 đồ thị tương đối ổn định đạt độ tụ KẾT QUẢ 3.1 Phân bố áp suất Hình Kết mơ phân bố áp suất Có thể thấy áp suất phân bố mơ hình phân bố bề mặt vai trục có giá Hình Phân bố lực vai trên, vai trục TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Kết quả: Lực thân trục cân bằng: 115.238 N; Lực vai trục trên: 314.262 N; Lực vai trục dưới: 179.841 N; Nhận xét: Lực tác động vai trục thấp hồn tồn hợp lý có tải gia cơng có lực tác động dao để cân với lực vai trục Lực thân trục nhìn chung phân bố lực triệt tiêu cân trục trình quay 3.3 Lực lệch trục khỏi vị trí cân Kết khảo sát lực hướng tâm lên trục quay (trục y) bị lệch khỏi vị trí cân (theo chiều âm trục z) trường hợp khe hở khác Bảng Kết khảo sát theo trục z Độ lệch (µm) Lực trục z (N) Lực trục x (N) 1.00048 1.26065 0.235899 1.33247 3.86705 1.8891 5.0159 1.33818 4.04914 2.89903 4.4536 3.64427 7.63698 3.68028 11 24.939 3.09046 Hình Đồ thị quan hệ khe hở lực hướng tâm Nhận xét: Từ bảng đồ thị hình ta nhận thấy kết khảo sát trường hợp khe hở khác μm, μm μm, μm, μm, μm, μm, 11 μm lực theo trục x tương đối ổn định, lực tác dụng theo trục y tăng khe hở từ μm Do thiết kế trục khe hở tốt μm đến μm độ định tâm trục cao ổn định gia công KẾT LUẬN Qua nghiên cứu nhận thấy việc ứng dụng phần mềm Ansys mô đệm khí giúp nâng cao hiệu kinh tế kỹ thuật trình thiết kế chế tạo đệm khí trụ nói riêng ổ khí quay cao tốc nói chung Vì sở việc mơ giúp xác định phân bố áp suất bề mặt đệm khí trụ lực nâng đệm khí Do đó, cách thay đổi thông số kết cấu đệm điều kiện biên, qua việc tính tốn mơ xác định thông số kỹ thuật tối ưu đệm khí với lực nâng độ cứng vững lớn Vì vậy, việc mơ giúp giảm bớt chi phí thời gian khâu chế tạo thử nghiệm sản phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Nguyễn Dỗn Ý, “Giáo trình ma sát mịn bôi trơn”, NXB Xây dựng (2005) [2] Vũ Duy Quang, Phạm Đức Nhuận, “Giáo trình kỹ thuật thủy khí”, NXB Khoa học Kỹ thuật (2009) [3] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi, “Hướng dẫn sử dụng Ansys”, Học viện Kỹ thuật qn (2003) [4] Nguyễn Xn Tồn, “Cơng nghệ bôi trơn”, NXB Bách khoa (2007) [5] J.W Powell, “Design of Aerostatic Bearings”, The Machinery Publishing Co, Ltd (1970) TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ [6] Mohammad Akhondzadeh; Mehrdad Vahdati, “Experimental investigation on effect of number and size of rectangular air pockets on air spindle vibrations in nanomachining”, Journal of Engineering Manufacture, Vol 227, Issue 2, (2013) 227(2) 281-285 [7] Vu Toan Thang; Truong Minh Duc; Nguyen Trong Dat; Nguyen Thanh Trung; Vu Thanh Tung “Simulation in design air spindle with orifice and distribution grooves”, International Journal of Modern Physic B Int Jour Mod Phy (2020) Vol 34, Nos 22-24 2040132 Thông tin liên hệ: Trương Minh Đức Điện thoại: 0912370199 - Email: tmduc@uneti.edu.vn Khoa Cơ khí, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ SỐ 29 - 2021 ... tương đối ổn định đạt độ tụ KẾT QUẢ 3.1 Phân bố áp suất Hình Kết mơ phân bố áp suất Có thể thấy áp suất phân bố mơ hình phân bố bề mặt vai trục có giá Hình Phân bố lực vai trên, vai trục TẠP CHÍ... Ansys mô đệm khí giúp nâng cao hiệu kinh tế kỹ thuật trình thiết kế chế tạo đệm khí trụ nói riêng ổ khí quay cao tốc nói chung Vì sở việc mơ giúp xác định phân bố áp suất bề mặt đệm khí trụ lực... nâng cao hiệu trình thiết kế chế tạo ổ trục Chính vậy, báo này, tác giả nghiên cứu ứng dụng phần mềm ANSYS để mô phân bố áp suất bề mặt đệm khí trụ để xác định lực nâng đệm khí ứng dụng ổ khí quay