Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MINH QUÂN Nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học ổ khí động đàn hồi Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2023 Cơng trình hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Tập thể hướng dẫn khoa học: GS.TS ĐINH VĂN PHONG TS PHẠM MINH HẢI Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam A MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ổ khí động đàn hồi, khác với ổ khí truyền thống, làm việc khơng cần cấp khí áp cao có cấu trúc đệm đàn hồi có khả nhu động tác dụng áp suất thủy động trục quay Chính nhờ biến dạng đàn hồi cấu trúc đệm nên dù trục bị dãn nở quay tốc độ cao khó bị kẹt ổ Tổ chức thực nghiên cứu loại ổ NASA, thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới chủ đề Từ nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa cấu trúc đệm, xác định khả tải lý thuyết ổ, xây dựng kỹ thuật mơ tính toán tiết kiệm thời gian, đến đánh giá thực nghiệm tốc độ làm việc tới hạn ổ, phát minh ứng dụng lớp phủ để giảm mịn bề mặt trục - ổ làm việc Có thể thấy tất nghiên cứu hướng đến nâng cao khả làm việc ổ khí động đàn hồi Qua nghiên cứu, thấy cấu trúc lớp đệm đóng vai trị định với thiết kế ổ khí động đàn hồi, dẫn đến việc số mơ hình cấu trúc đệm đề xuất nhằm phân tích lý thuyết khả làm việc ổ Tuy nhiên, mơ hình chưa thuận lợi cho việc đánh giá ảnh hưởng thông số cấu trúc đệm tới khả làm việc ổ cách đầy đủ Ngoài ra, nghiên cứu đánh giá dừng lại trường hợp trục có ổ đỡ ổ khí động đàn hồi Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Mục đích luận án Luận án đặt mục tiêu tìm hiểu khả làm việc hệ trục-ổ khí động đàn hồi qua nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, đánh giá ảnh hưởng số thông số đặc trưng bước đầu làm chủ cơng nghệ ổ khí động đàn hồi Để đạt điều này, luận án đề nội dung cụ thể sau: - Phát triển mơ hình động lực học cấu trúc đệm nhằm xác định thông số động lực học Mô hình có xét đến số thơng số hình học đặc trưng cấu trúc đệm - Phát triển phương pháp tính tốn mơ động lực học để nghiên cứu khả làm việc hệ trục-ổ Ảnh hưởng thông số động lực học cấu trúc đệm, thông số công nghệ ổ đến khả làm việc hệ khảo sát đánh giá - Thiết kế, chế tạo ổ khí động đàn hồi, trục quay để xây dựng hệ thống thực nghiệm trục-ổ nhằm củng cố nghiên cứu lý thuyết Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Đối tượng nghiên cứu luận án: ổ đệm khí dạng sóng hệ thứ nhất, có cấu trúc đệm gồm lớp lót ổ đệm dạng sóng Hai lớp đệm cố định đầu vỏ ổ, đầu lại để tự để dễ dàng biến dạng đàn hồi Phạm vi nghiên cứu luận án: Thông qua việc phát triển mơ hình cấu trúc đệm sóng, luận án nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng thông số tới khả làm việc hệ trục-ổ Các thông số ảnh hưởng bao gồm: - Thông số hình học cấu trúc đệm: chiều dày đệm, chiều cao sóng, chiều rộng sóng, số sóng - Thơng số cơng nghệ: khe hở hướng kính danh nghĩa ngõng trục lót ổ, chiều rộng ổ Mơ hình trục-ổ xây dựng phân tích với giả thiết trục cứng tuyệt đối mơi trường đẳng nhiệt Sau đó, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn giải thuật Newton-Raphson để giải hệ phương trình đặc tính, luận án phân tích khả làm việc hệ trục-ổ, thể qua miền tốc độ quay ngõng trục cho hệ đạt trạng thái cân Luận án ảnh hưởng thông số đến thay đổi dải tốc độ Phương pháp nghiên cứu Để đạt mục tiêu luận án đề ra, phương pháp luận án kết hợp phương pháp lý thuyết thực nghiệm, cụ thể là: - Tiếp thu, kế thừa có chọn lọc thành nghiên cứu giới ổ khí động đàn hồi - Ứng dụng phương pháp mơ hình hóa, kỹ thuật giải phương trình vi phân để đánh giá ảnh hưởng thông số cấu trúc đệm - Ứng dụng phần mềm để kiểm chứng tính tốn lý thuyết thơng qua thực nghiệm Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học - Góp phần vào nghiên cứu phát triển chung giới Việt Nam ứng dụng ổ khí động đàn hồi - Tiếp cận dần với công nghệ ổ khí động đàn hồi, xuất phát từ hiểu biết ứng xử động lực học loại ổ - Cung cấp hiểu biết sâu thơng số cấu tạo ổ khí động đàn hồi đến khả làm việc phạm vi ứng dụng Ý nghĩa thực tiễn - Bước đầu thiết kế chế tạo ổ khí động đàn hồi dùng đệm sóng sử dụng vật liệu thơng dụng cơng nghệ chế tạo phù hợp Việt Nam cho mục đích thí nghiệm - Là tiền đề để xây dựng số liệu thiết kế ổ khí động đàn hồi dùng đệm sóng ứng dụng thiết bị, hệ thống cụ thể - Những kết nghiên cứu sở quan trọng để tiếp tục đưa công nghệ ổ khí động đàn hồi vào nghiên cứu ứng dụng sâu rộng Việt Nam giới Các đóng góp luận án - Đề xuất mơ hình động lực học cấu trúc đệm có kiểm chứng lý thuyết thực nghiệm, để từ đánh giá ảnh hưởng thông số cấu trúc đệm tới tốc độ tới hạn ổ - Cung cấp đánh giá sơ việc lựa chọn phương án thiết kế cấu trúc đệm nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn cụ thể - Xây dựng đưa phương pháp tính tốn hiệu hệ động lực học phức tạp trục-màng khí-đệm lót - Thử nghiệm đo đặc tính tĩnh học bước đầu thử nghiệm động lực học điều kiện trang thiết bị kỹ thuật chế tạo hạn chế Bố cục luận án Để diễn giải kết nghiên cứu luận án, nội dung luận án trình bày chương với nội dung: Chương 1: Tổng quan ổ khí động đàn hồi Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn hệ trục-ổ Chương 3: Xây dựng mơ hình tính tốn khảo sát tham số Chương 4: Thực nghiệm trục quay xác định độ cứng cấu trúc đệm B NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương Tổng quan ổ khí động đàn hồi 1.1 Giới thiệu phát triển ổ khí động đàn hồi Ổ khí động đàn hồi, hay cịn gọi ổ đệm khí (foil air/gas bearing, foil bearing) nằm nhóm ổ khí động (aerodynamic bearing), sử dụng lưu chất (fluid) có sẵn kết cấu ổ, thường dạng khí, làm chất bơi trơn [1] có cấu trúc đệm nhu động (compliant foil) đóng vai trị lớp đàn hồi trục-ổ làm việc 1.2 Nguyên lý làm việc Thay tiếp xúc với vỏ ổ, ổ khí động đàn hồi, lót ổ đỡ cấu trúc đệm đàn hồi Theo đó, trục quay, tác dụng áp suất thủy động, cấu trúc đệm nhu động bị biến dạng giúp mở rộng không gian làm việc ngõng trục, đạt đến tốc độ đủ lớn hình thành màng khí giúp lót ổ tách khỏi ngõng trục; đồng thời nhờ biến dạng nên thích ứng với dãn nở trục (tránh kẹt ổ), chuyển động chệch tâm ngõng trục (excursion) hay sai lệch khác (misalignment) [2] Lót ổ Ngõng trục Phân bố áp suất thủy động Hình 1.2 Minh họa hình thành áp suất thủy động ổ [2] 1.3 Kết nghiên cứu ổ khí động đàn hồi 1.3.1 Trên giới Qua khảo sát tài liệu, báo cơng bố vịng 50 năm qua, nhà khoa học giới tập cung vào vấn đề sau: - Mơ hình hóa cấu trúc đệm để nghiên cứu đặc tính động lực học - Nghiên cứu thông số động lực học cấu trúc đệm - Nghiên cứu động lực học trục quay - Thiết kế đánh giá cấu trúc đệm - Nghiên cứu khả tải - Nghiên cứu phủ bề mặt 1.3.2 Tại Việt nam Với ưu điểm trội so với loại ổ truyền thống, ổ khí động đàn hồi nhà khoa học Việt nam quan tâm từ khoảng 10 năm trở lại đây, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phát triển thuật tốn phân tích động lực học sở biểu diễn hệ dạng hệ phương trình vi phân thường bậc phi tuyến để giải đồng thời phương trình cân động lực hệ gồm trục, màng khí lớp đệm lót [54] Tuy nhiên, nghiên cứu riêng ổ khí động đàn hồi Việt nam mẻ, nghiên giai đoạn tìm hiểu ban đầu 1.4 Phân tích đánh giá nghiên cứu Về hướng mơ hình hóa cấu trúc đệm, nghiên cứu chủ yếu tập trung xây dựng mơ hình toán học cấu trúc đệm để nghiên cứu thông số động lực học độ cứng, độ cản đệm Tuy nhiên, mơ hình chưa xét đến nhiều thơng số hình học cấu trúc đệm, thông số công nghệ ổ luận án giải vấn đề Về nghiên cứu đáp ứng động lực học ổ đệm khí dạng sóng, nghiên cứu chủ yếu dừng lại việc đánh giá khả tải, miền làm việc ổn định hệ trục ổ Luận án khảo sát ảnh hưởng số thông số công nghệ đến miền tốc độ làm việc ổn định ổ hai trường hợp: trục đỡ ổ hai ổ Chương Cơ sở lý thuyết tính tốn hệ trục-ổ 2.1 Thiết lập phương trình đặc tính hệ trục-ổ đệm khí 2.1.1 Phương trình phân bố áp suất màng khí Trục quay Độ lệch tâm trục Áp suất màng khí Màng khí Áp suất màng khí Cấu trúc đệm Biến dạng cấu trúc đệm Vỏ ổ Hình Mơ hình hệ trục-màng khí-đệm 𝜕𝜓 = 𝜕𝜏 𝜕 𝜕𝜓 𝜕ℎ̃ { [𝜓 (ℎ̃ − 𝜓 )] 𝛬 𝜕𝜃 𝜕𝜃 𝜕𝜃 𝜕 𝜕𝜓 𝜕ℎ̃ 𝜕𝜓 } + [𝜓 (ℎ̃ − 𝜓 )] − 𝜕𝜁 𝜕𝜁 𝜕𝜁 𝜕𝜃 2.1.2 Phương trình chuyển động tâm trục d2 εx (F + mr 𝛺2 𝑒 𝑐𝑜𝑠2τ) = dτ mr c 𝛺2 x d2 εy = (F − S + mr 𝛺2 𝑒 𝑠𝑖𝑛2τ) dτ mr c 𝛺2 y { (2.24) (2.34) Đối với hệ gồm trục quay đỡ hai ổ đệm khí: {𝜀 ′′ } = [𝐶]−1 ([𝑄𝐹 ]{𝐹} + [𝑄𝑆 ]{𝑆}) + 𝛺 4[𝐶]−1 ([𝑄𝑢𝑐 ]𝑐𝑜𝑠2𝜏 + [𝑄𝑢𝑠 ]𝑠𝑖𝑛2𝜏){𝑈} + 2[𝑄𝐺 ]{𝜀 ′ } (2.37) 2.1.3 Phương trình biến dạng đàn hồi lót ổ ̃ (θ) dW F(θ) ̃ (θ) ) = ( −W (2.45) dτ η Ktd 2.2 Phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động 2.2.1 Phương trình chuyển động tồn hệ Khi đó, kết hợp ba phương trình (2.24), (2.34) (2.45) (2.24), (2.37) (2.45), ta hệ phương trình vi phân thường: 𝑑𝑠 (2.46) = 𝑓(𝜏, 𝑠, 𝛺, 𝑚, 𝑆, 𝜇, 𝑅, 𝐿, 𝑐, 𝑝𝑎 , 𝑘𝑏 , 𝜃𝐹 ) 𝑑𝜏 Với véc-tơ biến trạng thái: T T T 𝑖 = 1: 𝑁𝑧 , (1) (2) (2) s = i(1) , w , , w , , ,j j i, j j 𝑗 = 1: 𝑁𝜃 2.2.2 Điều kiện biên hệ - Luận án tính đến chất cạnh tự cấu trúc đệm, đặt điều kiện biên với mô hình đệm có khe hở đáng kể với 𝜃𝐹 vị trí hở theo hướng cung trịn (2.47a) 𝑝𝜃=𝜃𝐹 = 𝑝𝜃=2𝜋+𝜃𝐹 = 𝑝𝑎 - Độ cứng lớp lót điểm cố định với vỏ xem biến dạng theo hướng kính khơng đáng kể Do điều kiện biên sau: (2.47b) 𝑤𝜃=2𝜋+𝜃𝐹 = - Với áp suất mép hở 0, độ võng 𝑤𝜃=𝜃𝐹 mép hở không định rõ ngoại suy từ độ võng điểm lân cận Ba điểm 𝑤𝜃𝐹+∆𝜃 , 𝑤𝜃𝐹+2∆𝜃 𝑤𝜃𝐹+3∆𝜃 dùng để ngoại suy độ võng 𝑤𝜃=𝜃𝐹 Công thức để tính độ võng mép hở viết sau: (2.47c) 𝑤𝜃=𝜃𝐹 = 3𝑤𝜃𝐹+∆𝜃 − 3𝑤𝜃𝐹+2∆𝜃 + 𝑤𝜃𝐹 +3∆𝜃 2.2.3 Phương pháp tính tốn quỹ đạo tâm trục Hệ phương trình (2.46) hệ phương trình vi phân phi tuyến, giải cách sử dụng giải thuật L Shampine có lệnh ode23s Matlab® với điều kiện ban đầu chọn Cần ý kích thước phương trình (2.46) 1000 (với 𝑁𝑧 = 17 𝑁𝜃 = 73.) Do để tối ưu thời gian tính tốn, ta cần xây dựng dạng giải tích cho ma trận Jacobi 𝐽 = 𝜕𝑓/𝜕𝑠 2.2.4 Phương pháp xác định tính ổn định trạng thái cân tốc độ tới hạ Để nghiên cứu ổn định hệ thống miêu tả phương trình (2.37), ta đặt đạo hàm theo thời gian toàn miền thời gian: (2.48) 𝑓(𝜏, 𝑠, 𝛺, 𝑚, 𝑆, 𝜇, 𝑅, 𝐿, 𝑐, 𝑝𝑎 , 𝑘𝑏 , 𝜃𝐹 ) = Phương trình giải cách sử dụng thuật toán Newton-Raphson với tốc độ quay 𝛺 Sự cân ổn định tất các trị riêng ma trận Jacobi 𝐽 = 𝜕𝑓/𝜕𝑠 có phần thực âm theo lý thuyết ổn định hệ phi tuyến Chương Xây dựng mơ hình tính tốn lớp đệm sóng khảo sát tham số 3.1 Đặt vấn đề Hình 3.1 Mơ hình xác định độ cứng cấu trúc đệm Tại thời điểm, ngõng trục chịu lực Fr có giá trị khơng đổi, có phương thẳng đứng theo chiều từ xuống Nếu xác định chuyển vị theo phương thẳng đứng 𝛿0 ngõng trục (ổ cố định), coi biến dạng cấu trúc đệm từ xác định độ cứng danh nghĩa cấu trúc đệm 3.2 Mơ hình đàn hồi lớp đệm sóng 3.2.1 Phương trình xác định đường đàn hồi sóng Sự thay đổi độ cong điểm sóng trước sau uốn mơ tả phương trình đây: 1 − 𝜌0 𝜌 với 𝜌0 , 𝜌 = 𝑀 𝐸𝐼 (3.1) : bán kính cong trước sau uốn dầm cong 11 𝜑𝑖 − 𝜑𝑖−1 ∆l 𝐿 𝑋𝑁 ∑ 𝑎𝑖 𝑠𝑖𝑛𝜑𝑖 ∆l 𝑖=1 𝑁 𝐿 𝑖=1 𝐹 𝑖=1 𝐿 = −𝑌𝑁 (∑ 𝑏𝑖 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑖 ∆l − ∑ 𝑎𝑖 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑖 ∆l) 𝐸𝐼 { −𝐹 (∑ 𝑐𝑖 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑖 ∆l − ∑ 𝑎𝑖 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑖 ∆l) 𝑖=1 + 𝜌𝑜 3.2.3 Điều kiện biên 𝑖=1 (3.10b) } Hình 3.5 Điều kiện biên đầu cố định, đầu trượt Dưới tác dụng lực màng khí, đệm sóng bị biến dạng đàn hồi với đầu cố định đầu lại chuyển động tự dạng trượt bề mặt vỏ ổ Hình 3.5 Lực ma sát lớp đệm chân sóng với vỏ ổ bỏ qua, mơ hình có xét đến ảnh hưởng mô men nội lực M Ta được: 𝐿 (3.11) 𝑦𝑁 = ∑ 𝑎 𝑠𝑖𝑛𝜑 ∆𝑠 = 𝑖 𝑖 ↔{ { 𝜑0 = 𝜑01 𝑖=1 𝜑0 = 𝜑01 Kết hợp (3.10) (3.11), ta hệ phương trình có dạng: (3.12) 𝑓(𝜑𝑖 , 𝑠𝑖𝑛𝜑𝑖 , 𝑐𝑜𝑠𝜑𝑖 , 𝑎𝑖 , 𝑏𝑖 , 𝑐𝑖 ) = 12 Giải phương pháp Newtons Raphson ta tìm 𝜑1 , 𝜑2 , … , 𝜑𝐹 , … , 𝜑𝑁 Từ đó, suy chuyển vị theo phương thẳng đứng điểm đặt lực F sau: (3.13) 𝑣𝐹 = 𝑦𝐹0 − 𝑦𝐹 𝑥𝐹 Với 𝑦𝐹 = ∫ 𝑠𝑖𝑛𝜑𝑑𝑙 = 𝑓(𝑠𝑖𝑛𝜑𝑖 ), 𝑖 = 1,2, … , 𝑛𝐹 3.2.4 Kết tính tốn Hình 3.6 Đồ thị chuyển vị - độ cứng đầu cố định, đầu trượt Có thể nhận thấy từ Hình 3.6 có hai giai đoạn thay đổi độ cứng đệm sóng: tăng chuyển vị, làm độ cứng tăng tăng tiếp chuyển vị, làm độ cứng giảm Ban đầu tác dụng lực lên sóng, làm xuất chuyển vị, chưa vượt ngưỡng (trạng thái) tĩnh hệ, đo độ cứng tăng lên Khi chuyển vị tăng vượt ngưỡng tự cứng gân, làm cho gân troãi ra, dẫn đến độ cứng giảm (do bán kính cong tăng, độ cứng giảm) mà chuyển vị tăng Để kiểm chứng mơ hình này, ta xem xét với hai điều kiện biên khác: đầu cố định-một đầu lăn, đầu cố định-một đầu bị chặn (3.14) 13 Hình 3.9 Đồ thị chuyển vị độ cứng đầu cố định, đầu lăn Hình 3.10 Đồ thị chuyển vị - độ cứng đầu cố định, đầu chặn Hình 3.9 3.6 khác gối lăn gối trượt Ban đầu tăng chuyển vị, làm độ cứng tăng lên giống trường hợp đầu (hình 3.6) Lúc sau, tăng chuyển vị, làm độ cứng giảm chậm (chậm so với trường hợp đầu), gối lăn làm tăng bán kính cong nhanh gối trượt Trong đó, từ hình 3.10 ta thấy, đầu cịn lại sóng bị chặn làm cho độ cứng khơng giảm, tiếp tục tăng chuyển vị Khi có thêm chặn vào đầu tự gân, độ cứng gân tăng lên đáng kể Nhận xét: Từ trường hợp điều kiện biên, ta rút rằng, điều kiện biên có tác động lớn độ cứng gân, trường hợp cho thấy mức độ biến đổi độ cứng rõ rệt Từ đây, ta sử dụng điều kiện biên để xây dựng luật điều khiển thiết kế hệ thống điều khiển với hàm 14 mục tiêu độ ổn định tâm trục giải tốc độ cho trước 3.3 Xác định độ cứng danh nghĩa cấu trúc đệm Từ hình 3.1, ta có quan hệ lực sau: 𝐹𝑟 = 𝐹0 + 𝐹1 𝑐𝑜𝑠∅ + 𝐹2 𝑐𝑜𝑠(2∅) + ⋯ + 𝐹𝑚 𝑐𝑜𝑠 (𝑚∅) (3.17) với ∅ góc sóng 𝑛𝑏𝑢𝑚𝑝 𝑚= 𝐹𝑖 = 𝛿𝑖 𝐾𝑏𝑢𝑚𝑝 (𝛿𝑖 ) (3.18) với 𝛿𝑖 chuyển vị đỉnh sóng theo phương hướng kính 𝑛𝑏𝑢𝑚𝑝 (3.19) 𝛿𝑖 = 𝛿0 𝑐𝑜𝑠 (𝑖 ∅), 𝑖 = ÷ Cho trước chuyển vị 𝛿0 , độ cứng lớp đệm đàn hồi đánh giá sau có 𝐹𝑟 : 𝐹𝑟 𝐾𝑡𝑜𝑡 = (3.20) 𝛿0 Để xác định giá trị độ cứng tổng thể cấu trúc lót ổ, tác giả sử dụng số thơng số kích thước cơng trình nghiên cứu trước [81]: Bảng Thơng số đệm sóng Thơng số Giá trị Đơn vị Chiều dày 102 µm Chiều cao 0.508 mm Nửa bước sóng 1.778 mm Mơ đun đàn hồi 214 Gpa Số sóng 26 Kết cho thấy, giá trị độ cứng tính tốn tổng thể cấu trúc lót ổ 1.187 × 107 giá trị thực nghiệm từ cơng trình [81] 1.069 × 107 Điều cho thấy mơ hình đàn hồi cấu trúc đệm có độ xác chấp nhận 3.4 Khảo sát mức độ ảnh hưởng tham số cấu trúc đệm tới độ cứng tổng thể Tác giả tiến hành thực đánh giá ảnh hưởng tham số hình học đệm sóng tới độ cứng danh nghĩa,bao gồm: chiều dày đệm, số lượng sóng, chiều cao sóng, nửa bước sóng Bảng 3.2 Ảnh hưởng chiều dày đệm sóng tới độ cứng danh nghĩa 15 t (m) 102 202 302 402 502 602 702 802 902 1002 Ktot (N/m) 1.19 × 107 9.46 × 107 1.93 × 1011 1.03 × 1014 3.36 × 1015 2.87 × 1016 1.18 × 1017 3.20 × 1017 6.68 × 1017 1.19 × 1018 Rõ ràng ta nhận thấy chiều dày đệm sóng lớn, độ cứng tổng thể cấu trúc đệm lớn Đáng ý, chiều dày lớp đệm tăng từ 202 μm lên 302 μm 302 μm lên 402 μm, độ cứng danh nghĩa cấu trúc đệm tăng lên vượt bậc trường hợp khác Lượng tăng giá trị độ cứng chiều dày khác không giống Cùng với quan hệ phi tuyến độ cứng chuyển vị, điều thể quan hệ phi tuyến chiều dày lớp đệm với chuyển vị hướng kính cấu trúc đệm Hình 3.11 Ảnh hưởng số sóng tới độ cứng danh nghĩa Hình 3.11 mơ tả ảnh hưởng số sóng tới độ cứng danh nghĩa cấu trúc đệm Ta nhận thấy số sóng lớn, độ cứng cấu trúc đệm lớn xu hướng tăng theo kiểu tuyến tính Điều lý giải việc số sóng 16 lớn, số sóng thực tế chịu lực màng khí lớn, dẫn đến chuyển vị hướng kính đệm nhỏ độ cứng cấu trúc đệm tăng lên Ảnh hưởng thơng số hình học bao gồm chiều cao sóng nửa bước sóng tới độ cứng tổng thể thể Bảng 3.3 Có thể thấy chiều cao lớn bước sóng nhỏ độ cứng tăng Điều lý giải thay đổi bán kính cong sóng dẫn đến tượng Khi tăng chiều cao sóng, bán kính cong nhỏ nên sóng khó biến dạng Ngược lại, với bước sóng tăng dần, chân đệm sóng có xu hướng chỗi dễ dàng hơn, khả biến dạng dễ xảy nên độ cứng giảm dần Bảng 3 Ảnh hưởng kích thước sóng tới độ cứng danh nghĩa 0.508 0.608 0.708 0.808 0.908 1.008 h0(mm) l0(mm) 1.578 2.312 3.558 4.941 6.361 7.72 8.938 1.678 1.638 2.552 3.605 4.712 5.808 6.82 1.778 1.181 1.857 2.654 3.521 4.398 5.245 1.878 0.869 1.373 1.979 2.657 3.361 4.06 1.978 0.65 1.029 1.494 2.022 2.589 3.158 3.5 Khảo sát ảnh hưởng thông số công nghệ cấu trúc tới đáp ứng động lực học ổ khí động đàn hồi Bảng Các thông số trục thông số công nghệ Thông số Giá trị Đơn vị Khối lượng trục kg Đường kính trục 38 mm Độ nhớt 1.95 x 10-5 mm Áp suất môi trường 101325 Pa Khe hở hướng kính µm 32 danh nghĩa 17 Hệ số hao tổn 𝐽𝑆 𝐽𝑃 Tải tĩnh 0.25 9.5 x 10-3 2.3 x 10-4 30 kgm2 kgm2 N 3.5.1 Kết mô động lực học Hình 3.12 Tốc độ tới hạn ổ chịu tải trọng tĩnh Hình 3.12 trình bày phần thực trị riêng ma trận Jacobi, tốc độ rotor Ω thay đổi từ 6000 vòng/ phút đến 20000 vòng/ phút, phần thực trị riêng chạy từ giá trị âm đến giá trị dương với chuyển đổi từ trạng thái ổn định sang trang thái bất ổn định, diễn khoảng 10000 vòng/phút Tại vị trí phần thực 0, so sánh tốc độ trục 9500 vòng/ phút 10500 vịng/ phút Ở tốc độ 9500 vịng/ phút, sau 15 vòng quay, tâm trục tiến nhanh đến trạng thái ổn định Khi tốc độ 10500 vòng/ phút, điểm bắt đầu lấy từ trạng thái cân trước đó, quỹ đạo tâm trục góc bên trái Hình 3.12 cho thấy trạng thái cân không bền vững ổn định biến thành dao động, phân tích thêm phổ tần số dao động cho thấy tần số khoảng nửa tốc độ quay gần với phần ảo giá trị riêng 3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng tham số tới tốc độ tới hạn ổ trường hợp trục đỡ ổ 18 Hình 3.13 Ảnh hưởng độ hở hướng kính độ cứng lớp đệm đàn hồi Hình 3.13 minh họa ảnh hưởng độ hở hướng kính độ cứng tương đương kết cấu lớp đệm đến độ ổn định trục quay rotor Từ hình này, thấy với độ hở hướng kính lớn (c = co =32m, cho bán kính ổ đỡ R = 38mm), miền ổn định dải tốc độ thấp (đỏ/ nét liền tím /nét đứt chấm) Ngược lại với điều đó, giữ độ hở hướng kính thấp (c = 0.25 * 32mm = 8mm), độ cứng lớp đệm tăng, dải ổn định có xu hướng mở rộng, tức từ 10000 vòng / phút đến 18500 vòng/phút ( xanh dương/ nét đứt xanh cây/ đường chấm) Đặc tính giải thích thực tế độ nhớt chất bơi trơn (khơng khí) thấp, địi hỏi độ hở hướng kính phải đủ nhỏ để màng khí trì áp lực chống lại xáo trộn nhỏ tâm trục Và độ cứng cao cấu trúc lớp đệm, màng khí chống lại dịch chuyển tâm trục Do đó, độ dày màng khí làm hệ thống ổn định Hình 3.14 Tốc độ tới hạn ổ L/D = 0.75 19 Hình 3.15 Tốc độ tới hạn ổ L/D = Hình 3.17 Tốc độ tới hạn ổ L/D = 1.5 Qua kết trên, tỉ lệ c/co đạt giá trị 0.75, ảnh thưởng độ cứng đệm đến tốc độ giới hạn không đáng kể Khi tỉ lệ giảm, K/Ko tăng, có nghĩa đệm cứng, tốc độ giới hạn đạt cao Khi c/co lớn 0.75, độ cứng đệm cao giới hạn ổn định thấp Từ hình (3.14) đến hình (3.17), khe hở hướng kính lớn, ổ dài ổn định Chương Thực nghiệm trục quay xác định độ cứng cấu trúc đệm 4.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm 20 8.0 1.0 Ø8 Ø1 15 Hình 4.1 Vỏ ổ Đối với ổ khí động đàn hồi, cần chế tạo riêng vỏ ổ lớp đệm Vỏ ổ chế tạo thép C45 với hình dạng Hình 4.1 Theo kết cấu ổ khí động đàn hồi, đầu đệm cố định vỏ ổ đầu cịn lại để tự Với mục đích đó, tác giả đề xuất sử dụng phương pháp cắt dây để tạo khe hẹp mặt vỏ ổ 5.0000 R0.5000 R0.2000 4.3969 0.8000 3.2062 R0.2000 0.8 Hình Kích thước phần đệm sóng Lớp đệm sóng chế tạo Inox SUS304 có chiều dày 0.1mm Để đảm bảo hình dạng kích thước lớp đệm sóng khơng thay đổi, tác giả đề xuất kích thước Hình 4.2, chiều cao sóng 0.8 mm, chiều dài sóng 3.2 mm gồm có 22 sóng 4.1.2 Xây dựng hệ thống đo Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống đo 21 Sơ đồ thành phần hệ thống đo trình bày Hình 4.5 Tác giả lựa chọn cảm biến tiệm cận sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc để đo Tín hiệu từ cảm biến tiệm cận đưa chuyển đổi tín hiệu, để chuyển điện áp từ -1 Vdc đến -17 Vdc điện áp cỡ mV Sau đó, qua thiết bị thu tín hiệu, liệu đưa máy tính, máy tính có cài đặt phần mềm DASYLab để xử lý hiển thị tín hiệu dạng khoảng cách so với vị trí trục ban đầu 4.2 Thực nghiệm xác định độ cứng danh nghĩa cấu trúc đệm 4.2.1 Mô hình thí nghiệm Hình 4.11 Thí nghiệm xác định độ cứng danh nghĩa cấu trúc đệm Mơ hình thí nghiệm thiết lập nhằm kiểm chứng tính đắn mơ hình tính tốn Mục đích mơ hình thí nghiệm để xác định giá trị: tải trọng tác dụng chuyển vị hướng kính theo phương tải trọng Ở mơ hình thí nghiệm này, ổ cố định gối đỡ trục chịu lực tác dụng 4.2.3 Kết thảo luận Thí nghiệm thực với số vị trí khác đầu cố định, tương ứng với góc độ, 45 độ, 90 độ, -45 độ -90 độ theo phương thẳng đứng Từ đó, đồ thị biểu diễn quan hệ lực chuyển vị hướng kính biểu diễn 22 độ Lực (N) 80 60 40 20 0 0.00005 0.0001 0.00015 Chuyển vị (m) Hình 4.14 Đồ thị lực-chuyển vị góc độ Lực (N) 45 độ 100 50 0 0.00005 0.0001 Chuyển vị (m) Hình 4.15 Đồ thị lực-chuyển vị góc 45 độ Có thể rút số nhận xét từ kết thí nghiệm: - Đường cong lực-chuyển vị ứng với trình tăng tải hạ tải không chồng lên Hiện tượng thấy nghiên cứu khác giới - Tỷ số lực/chuyển vị (trong trình tăng tải) xác định quanh giá trị 7×105N/m, thấp so với tính tốn theo mơ hình nêu phần 3.2, 8×106N/m Sự chênh lệch lý giải q trình tạo hình chưa đủ xác khiến phần chân sóng (gân) có góc thoải mơ hình lấy cung trịn làm để biểu diễn (Hình 4.19 4.20) Chính lý mà kết cấu đệm chế tạo kỹ thuật dùng có xu hướng ln mềm hơn, hệ số độ cứng tổng thể cấu trúc lót thấp mong muốn 4.3 Thực nghiệm xác định quỹ đạo tâm trục quay 4.3.1 Mơ hình thí nghiệm 23 Hình 4.21 Mơ hình thí nghiệm trục quay Mơ hình thí nghiệm trục quay trình bày Hình 4.21 Trong mơ hình này, động biến tần sử dụng nối với trục để tạo tốc độ quay khác (vịng/phút) Ngồi ra, để xác định quỹ đạo tâm trục, cần sử dụng hai cảm biến tiệm cân đặt vng góc với 4.3.3 Kết thảo luận Hình 4.23 Thay đổi độ lệch tâm trục theo hai phương tốc độ 3000 vịng/phút Hình 4.3 Thay đổi độ lệch tâm trục theo hai phương tốc độ 600 vòng/phút 24 Qua thí nghiệm quay ta có nhận xét: - Ngay tốc độ thấp, trục dao động mà không đạt trạng thái cân tĩnh động lực học Nguyên nhân chủ yếu lượng dư cân trục - Khi tăng tốc, bên cạnh việc biên độ dao động trục tăng lên, vị trí trung bình tâm trục nâng lên Điều chứng tỏ có hình thành màng khí động bơi trơn nâng trục lên khỏi đáy ổ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Việc nghiên cứu ảnh hưởng thơng số đặc trưng ổ khí động đàn hồi đến khả làm việc hệ trục-ổ làm sở để đưa phương án lựa chọn, thiết kế chế tạo kết cấu ổ khí động đàn hồi ứng dụng máy quay cao tốc nhu cầu cấp thiết Từ nghiên cứu ổ khí động đàn hồi dạng sóng kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm, luận án có số đóng góp chủ yếu sau: - Xây dựng mơ hình đàn hồi lớp lót dạng sóng Mặc dù cịn cải tiến nữa, xong mơ hình sử dụng hỗ trợ cho q trình tính tốn thiết kế cấu sóng mới, đáp ứng yêu cầu tải trọng-tốc độ khác ổ trục - Chế tạo thử nghiệm mơ hình ổ đệm khí - Thử nghiệm đo đặc tính tĩnh học bước đầu thử nghiệm động lực học điều kiện trang thiết bị kỹ thuật chế tạo hạn chế Kiến nghị Trong phạm vi nghiên cứu luận án, vấn đề sau chưa đề cập tới ý tưởng đề xuất tiếp tục thực cho nghiên cứu sau: - So sánh kết thí nghiệm động lực học với mơ hình lý thuyết - Khảo sát đánh giá đáp ứng động lực học trục lượng cân - Cải tiến mơ hình đàn hồi lót ổ để mơ hình hóa kết cấu lót có nhiều hình dạng độ xác chế tạo khác DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Đăng Ninh, Nguyễn Minh Quân Phạm Minh Hải (2017) Xây dựng đặc tính động lực học khả tải ổ khí động đàn hời hệ Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, tr 1148-1152 Pham Minh Hai, Nguyen Minh Quan (2018) Computation of the Critical Speed of a Rotor Supported by Foil-Air Bearings Proceedings of the First International Conference on Fluid Machinery and Automation Systems 2018, pp 185-189 Nguyen Minh Quan, Pham Minh Hai, Dinh Van Phong (2018) Research on Effect of Geometry Parameters on Stability Zone of a Rotor Supported by Foil-Air Bearings Using an Improved Foil Model Journal of Science and Technology, Vol 130, pp 001-006 Minh-Quan Nguyen, Minh-Hai Pham, Van-Phong Dinh (2020) On the Nominal Stiffness of the Foil Structure in a FirstGeneration Bump-Foil Air Bearing Proceedings of the 2nd Annual International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development, pp 894-900 Nguyen Minh Quan, Pham Minh Hai, Dinh Van Phong (2020) The dynamic response of a rotor supported by two foil-air bearings with an enhanced model of foil structure International Journal of Modern Physics B, Vol 34, 2040160 Minh-Quan Nguyen, Minh-Hai Pham, Van-Phong Dinh (2021) Effect of static load on critical speeds of a shaft supported by two symmetrically arranged bump-foil bearings in a turbocharger Proceedings of IFToMM Asian MMS 2021: Advances in Asian Mechanism and Machine Science, pp 279291 ... CỦA LUẬN ÁN Chương Tổng quan ổ khí động đàn hồi 1.1 Giới thiệu phát triển ổ khí động đàn hồi Ổ khí động đàn hồi, hay cịn gọi ổ đệm khí (foil air/gas bearing, foil bearing) nằm nhóm ổ khí động. .. Nam ứng dụng ổ khí động đàn hồi - Tiếp cận dần với công nghệ ổ khí động đàn hồi, xuất phát từ hiểu biết ứng xử động lực học loại ổ - Cung cấp hiểu biết sâu thơng số cấu tạo ổ khí động đàn hồi. .. qua, nhà khoa học giới tập cung vào vấn đề sau: - Mơ hình hóa cấu trúc đệm để nghiên cứu đặc tính động lực học - Nghiên cứu thông số động lực học cấu trúc đệm - Nghiên cứu động lực học trục quay