Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.Nghiên cứu ảnh hưởng của tải ngoài và tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy của cụm ổ trục chính máy tiện CNC.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Minh Tâm NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI NGOÀI VÀ TỐC ĐỘ QUAY ĐẾN TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY CỦA CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2023 Cơng trình hồn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Văn Hùng PGS.TS Nguyễn Thùy Dương Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp 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 - ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cụm ổ trục máy cơng cụ nói chung máy cơng cụ CNC nói riêng có độ xác chuyển động quay, độ cứng vững, khả chống rung động, khả chống biến dạng nhiệt, tuổi thọ độ tin cậy cao Trong trình làm việc, theo thời gian cụm ổ trục bị mòn làm suy giảm độ cứng vững, tăng rung động ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác gia công, độ tin cậy tuổi thọ máy Nếu cụm ổ trục khơng bảo dưỡng, điều chỉnh kịp thời phải dừng máy để sửa chữa, thay thế, ảnh hưởng đến kế hoạch sản xuất làm tăng chi phí doanh nghiệp Đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục máy cơng cụ q trình làm việc có vai trị quan trọng sản xuất Chất lượng làm việc cụm ổ trục máy cơng cụ đánh giá xác kịp thời đưa thời điểm bảo dưỡng, điều chỉnh xác Nó làm tăng hiệu sử dụng, kéo dài tuổi thọ tăng độ tin cậy cụm ổ trục nói riêng máy cơng cụ nói chung Chất lượng cụm ổ trục máy cơng cụ thường đánh giá theo tiêu mòn, tiêu cứng vững kết hợp với phân tích rung động Máy cơng cụ nói chung máy cơng cụ CNC nói riêng u cầu trì tải đặt trước lên cụm ổ trục để tăng độ cứng vững, đảm bảo độ xác gia cơng Khi cụm ổ trục máy cơng cụ CNC bị mòn, tải đặt trước bị suy giảm ảnh hưởng trực tiếp đến độ xác gia cơng Do xác định thời điểm điều chỉnh cụm ổ trục để trì tải đặt trước quan trọng Trên thực tế, đo mòn hay đo độ cứng vững cụm ổ trục cơng việc khó khăn, phức tạp, cần công cụ trợ giúp phải dừng máy để thực theo quy trình chặt chẽ Sử dụng rung động để đánh giá chất lượng cụm ổ trục giải pháp kỹ thuật tiên tiến, đại, dừng máy Giải pháp phù hợp với điều kiện làm việc máy công cụ thực tiễn sản xuất Tuy nhiên, để sử dụng kỹ thuật đo phân tích rung động cho cụm ổ trục máy cơng cụ CNC phải lượng hóa mối quan hệ lượng mịn độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng rung động theo tải tốc độ quay Trên sở xác định ảnh hưởng tải tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục Các mối quan hệ nói thay đổi theo loại máy, phạm vi công suất cụ thể, đặc điểm kết cấu cụm ổ trục máy cơng cụ Chính vậy, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng tải tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC” Mục đích nghiên cứu luận án * Mục đích chung: Nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC tải tốc độ quay thay đổi * Mục đích cụ thể: - Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc lượng mòn độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng rung động (RMS) cụm ổ trục máy tiện CNC cỡ nhỏ tải tốc độ quay thay đổi - Nghiên cứu xác định giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS] cụm ổ trục tải ngồi tốc độ quay thay đổi - Nghiên cứu xác định tuổi thọ dự kiến cụm ổ trục máy tiện CNC cỡ nhỏ với độ tin cậy khác theo lượng mòn, độ cứng vững giá trị đại lượng đặc trưng rung động Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300, với cặp ổ lăn 7210B lắp ghép kiểu lưng đối lưng (DB) Máy có cơng suất 1,5kW, tốc độ vòng quay tối đa 4.000 vòng/phút * Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300 theo tiêu mòn tiêu cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng rung động RMS tải tốc độ quay thay đổi Các thực nghiệm tiến hành điều kiện mòn gia tốc (nhưng giai đoạn mòn ổn định, bình thường) mịn bơi trơn tiêu chuẩn cụm ổ trục Tốc độ tải ngồi nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với vùng làm việc bình thường máy tiện CNC Eclipse 300 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Ý nghĩa khoa học: Xây dựng mối quan hệ phụ thuộc lượng mòn U độ cứng vững J với giá trị đại lượng đặc trưng RMS rung động cụm ổ trục máy cơng cụ CNC điều kiện tải tốc độ quay thay đổi Lượng hóa giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS] cụm ổ trục máy tiện CNC theo giá trị lượng mịn giới hạn [U] giá trị độ cứng vững giới hạn [J] điều kiện tải tốc độ quay thay đổi Xác định tuổi thọ dự kiến với độ tin cậy khác cụm ổ trục theo tiêu mịn, tiêu cứng vững giá trị đại lượng đặc trưng rung động * Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất giải pháp đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục khơng dừng máy thông qua giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS] xác định qua thực nghiệm Tuổi thọ dự kiến tính tốn cụm ổ trục máy cơng cụ CNC sở thực nghiệm tạo điều kiện chủ động cho việc lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa, trì chất lượng gia cơng tiết kiệm chi phí sản xuất Kết nghiên cứu dùng làm tài liệu tham khảo cho nghiên cứu giám sát chất lượng làm việc cụm ổ trục thiết bị cơng nghiệp sử dụng làm tài liệu tham khảo công tác giảng dạy, đào tạo có nội dung liên quan Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết độ tin cậy, tuổi thọ thiết bị sở lượng mòn, độ cứng vững lý thuyết rung động Sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp nghiên cứu tài liệu khoa học liên quan - Nghiên cứu thực nghiệm: + Xây dựng mơ hình thực nghiệm với yếu tố đầu vào hàm mục tiêu dựa kết nghiên cứu phân tích, tổng hợp; + Thực nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm để đưa mối quan hệ lượng mòn độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục Nghiên cứu sử dụng trang thiết bị đồng cơng cụ, phần mềm phân tích rung động hãng SKF, Thụy Sĩ - Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, tính tốn tuổi thọ dự kiến cụm ổ trục theo độ tin cậy Nội dung luận án Nội dung luận án bao gồm: Chương Tổng quan tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy CNC Nghiên cứu cấu tạo, đặc tính kỹ thuật cụm ổ trục máy tiện CNC Phân tích, đánh giá tổng hợp cơng trình nghiên cứu ngồi nuớc liên quan đến nội dung đề tài Trên sở đó, xác định nội dung, vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu, giải Chương Cơ sở xác định tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy CNC Nghiên cứu, thiết lập tính tốn tuổi thọ, độ tin cậy theo tiêu mòn tiêu cững vững Nghiên cứu ảnh hưởng lượng mòn độ cứng vững đến chất lượng làm việc cụm ổ trục Các kỹ thuật đo, phân tích tính tốn giá trị đại lượng đặc trưng rung động sử dụng để đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục máy công cụ CNC Chương Xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững rung động cụm ổ trục máy tiện CNC Nghiên cứu xây dựng, tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm nhằm xác định quan hệ tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC với tải tốc độ quay Xây dựng quy trình thực nghiệm, quy hoạch xử lý số liệu thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục Thực nghiệm thu thập liệu lượng mòn, độ cứng vững giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục thiết bị tích hợp điều kiện mịn gia tốc bơi trơn tiêu chuẩn Chương Kết thực nghiệm đánh giá tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC Trên sở kết thực nghiệm xây dựng mối quan hệ lượng mòn độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục máy tiện CNC điều kiện tải tốc độ quay thay đổi Tính tốn tuổi thọ dự kiến với độ tin cậy khác cụm ổ trục máy tiện CNC theo lượng mòn, độ cứng vững giá trị đại lượng đặc trưng rung động Dự kiến giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động, làm cho việc dừng máy bảo dưỡng, điều chỉnh trì tải đặt trước Các kết Xây dựng mối quan hệ lượng mòn độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục máy tiện CNC tải ngồi tốc độ thay đổi Dự kiến giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS] cụm ổ trục máy tiện CNC, sở để áp dụng kỹ thuật giám sát chất lượng cụm ổ trục rung động Giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động xác định từ giá trị lượng mòn giới hạn giá trị độ cứng vững giới hạn cụm ổ trục Đây xác định thời điểm dừng máy bảo dưỡng, điều chỉnh cụm ổ trục nhằm trì chất lượng làm việc máy công cụ CNC Xác định tuổi thọ với độ tin cậy khác cụm ổ trục máy tiện CNC theo tải ngồi tốc độ quay dựa tiêu mòn, cứng vững rung động Có thể vào tiêu cụm ổ trục máy cơng cụ CNC để lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa phù hợp với độ xác độ tin cậy yêu cầu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CỤM TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC 1.1 Cụm trục máy tiện CNC 1.1.1 Máy tiện CNC ứng dụng công nghiệp Máy công cụ CNC (Computer Numerical Control – Máy công cụ điều khiển số) sản phẩm điện tử đại, thực chức mà máy cơng cụ truyền thống khơng có Trong nhà máy khí Việt Nam, máy tiện CNC sử dụng phổ biến thực nhiều nguyên công gia công cắt gọt chi tiết máy 1.1.2 Các yêu cầu kỹ thuật cụm trục máy tiện CNC - Độ xác chuyển động quay; - Độ cứng vững cụm trục chính; - Khả chống rung động; - Tuổi thọ cụm trục chính; - Độ tin cậy 1.1.3 Kết cấu cụm trục máy tiện CNC Về nguyên tắc, kết cấu cụm trục máy cơng cụ vạn máy công cụ CNC giống Ổ trục máy tiện CNC tích hợp thêm nhiều cấu chấp hành tự động, nên có kết cấu phức tạp thường bao gồm phận: Vỏ trục chính, trục chính, cụm ổ trục chính, Phanh, Mâm cặp, … 1.2 Cụm ổ trục máy tiện CNC Trên máy tiện CNC cỡ nhỏ, cụm ổ trục thường gồm cặp ổ lăn đỡ chặn Các kết cấu ghép cặp ổ lăn thường dùng nối tiếp (TD – Tandem), lắp lưng đối lưng (DB - Double Back hay Back to Back) hoặc, lắp mặt đối mặt (DF – Double Face hay Face to Face) 1.2.2 Tải đặt trước cụm ổ trục máy cơng cụ Để có độ cứng vững cao, đảm bảo độ xác gia cơng thời gian làm việc, cụm ổ trục máy cơng cụ CNC phải đặt tải đặt trước (cung cấp dự ứng lực lên lăn vòng lăn) 1.2.3 Một số dạng hỏng cụm ổ trục Một số dạng hỏng thường gặp cụm ổ trục máy cơng cụ CNC là: Mịn lăn, ca trong, ca ổ lăn giới hạn cho phép, Tróc rỗ bề mặt ổ lăn mỏi, Vỡ vòng cách, vỡ lăn hay vỡ ca trong, ca ổ lăn, 1.3 Tổng quan tuổi thọ độ tin cậy cụm ổ trục máy cơng cụ CNC 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Các cơng trình tập trung vào hướng chính: Hướng thứ nhất, nghiên cứu tuổi thọ độ tin cậy cụm ổ trục Tuổi thọ làm việc cụm ổ trục định nghĩa số vòng quay số làm việc tốc độ chế độ làm việc xác định mà cụm ổ thực trước xuất dấu hiệu mỏi vật liệu rãnh lăn vịng vịng ngồi lăn [5] Tuổi thọ danh định theo tiêu chuẩn ISO 281 tính theo cơng thức (1.1) [5]: C q Pr L10 = ( r ) (1.1) Việc tính tốn tuổi thọ thực tiễn ổ lăn phụ thuộc vào điều kiện làm việc, chế độ bôi trơn, làm mát hay độ tin cậy yêu cầu Tác giả Tao Zhang việc tính tốn tuổi thọ theo mài mịn cụm trục ổ có thay đổi theo chế độ bơi trơn, mức tải trước cách đặt tải trước [6] Tác giả Rajkumar Bhimgonda Patil cho thực bảo trì thiết bị thời điểm, giúp nâng cao độ tin cậy máy tiện CNC lên thêm 45%, tăng tuổi thọ từ 15.000 lên 17.000 giảm 20% tổng chi phí vịng đời máy [7] Hướng thứ hai, nghiên cứu nhằm tối ưu hóa kết cấu tìm giải pháp nâng cao độ xác cụm trục tình trạng kỹ thuật ổ trục có vai trị định chất lượng làm việc cụm trục máy cơng cụ CNC [1] Tác giả Te Li, thông qua thực nghiệm tải trước với sơ đồ thí nghiệm tải trước có ảnh hưởng lớn đến đặc tính động lực học tính nhiệt cụm trục [8] Hình 1.7 Sơ đồ kiểm tra đầu mút ISO 13041-1:2004 thiết lập trục ụ phơi [10] quy trình kiểm tra hình học cho máy tiện điều khiển số có trục mang phôi nằm ngang [10] Kết phép lượng dịch chuyển dọc trục cho biết lượng mòn tổng hợp dọc trục cụm trục Kết phép đo độ đảo hướng kính cho biết độ cứng vững cụm trục thời điểm đo Đây thông số quan trọng để đánh giá tuổi thọ độ tin cậy cụm trục máy cơng cụ CNC có trục nằm ngang Hướng thứ ba, nghiên cứu giám sát chất lượng (tình trạng) làm việc cụm ổ trục thơng qua rung động Cơng nghệ giám sát tình trạng phân tích rung động sử dụng rộng rãi cụm trục máy cơng cụ với ưu điểm đáp ứng thời gian thực nhanh, độ tin cậy cao chi phí hợp lý Theo tác giả Randall, phân tích rung động kỹ thuật để thu thập thơng tin điều kiện bên trình làm việc cụm ổ trục [10] Phân tích rung động chẩn đốn lỗi ổ trục ngăn ngừa hậu khơng mong muốn việc hỏng hóc Tác giả Grzegorz Wszołek sử dụng hệ thống cảm biến MEMS (Microelectro-Mechanical Systems) để đo rung động vỏ trục máy CNC, kiểm tra tình trạng ổ lăn lắp trục cách sử dụng phân tích rung đồng (sử dụng giá trị RMS) chuyển động quay trục [14] Tác giả Neuebauer thực kỹ thuật giám sát khác cho vịng bi trục [19], kết cho thấy cách sử dụng giá trị trung bình hiệu dụng (RMS) vận tốc rung động (mm/s), dạng hỏng phát mức 10% tuổi thọ lại vòng bi Tác giả Vogl & Donmez đưa thông số SDM để Hình 1.13 Đo rung động chẩn đốn tình trạng cụm trục [17] cụm lăn trục chính, mục đích để bảo trì theo tình trạng, giảm Hình 1.16 Giám sát tình trạng trục thời gian dừng máy, thơng qua LTSC [22] giảm chi phí tăng hiệu sản xuất [21] Phân loại tình trạng hoạt động trục máy cơng cụ vùng A (vùng trục mới), B (vùng tình tạng tốt), C (vùng cảnh báo) D (vùng nguy hiểm) Hình 1.19 Kết nghiên cứu Butdee S and Kullawong T cho thấy mối quan hệ vận tốc rung động theo thời gian hoạt động có dạng phương trình bậc cơng thức (1.3) Vvibrations = 0.1651 + 0.000526t - 0.000483t2 + 0.000110t3 (1.3) 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt Nam, năm gần có nhiều cơng trình tính tốn, thiết kế máy theo tuổi thọ, độ tin nghiên cứu chẩn đốn tình trạng chi tiết máy sở giám sát rung động TCVN 7011-8:2013 ban hành dựa ISO/TR 230-8:2010 đưa quy tắc kiểm tra máy công cụ phần rung động nhằm mục đích chuẩn hóa phương pháp kiểm đặc tính máy công cụ, không lắp dụng cụ cắt, không kể tới dụng cụ máy cầm tay [36] Tác giả Lại Huy Thiện nghiên cứu sở lý thuyết đo, giám sát rung động thực nghiệm động tàu biển Làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị đo, giám sát rung động đối tượng động diesel tàu biển nghiên cứu Việt Nam [34] 1.4 Xác định vấn đề cần nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tuổi thọ độ tin cậy cụm ổ trục - Xác định mối liên hệ tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy cơng cụ CNC dựa vào lượng mòn, độ cứng vững mức độ rung 2.3 Tính tốn tuổi thọ độ tin cậy cụm trục theo tiêu cứng vững Từ quy luật mịn chung Hình 2.1 nội dung nghiên cứu [43], [47], giả thiết qui luật thay đổi độ cứng vững J theo thời gian quãng đường ma sát Hình 2.5 [48], điều kiện mịn bình thường gồm ba giai đoạn: - Giai đoạn chạy rà, tốc độ giảm độ cứng vững giảm dần; - Giai đoạn ổn định, tốc độ Hình 2.5 Quan hệ độ cứng giảm độ cứng vững không vững J theo thời gian t hay quãng thay đổi; đường ma sát L - Giai đoạn độ cứng vững suy giảm nhanh, tốc độ giảm độ cứng vững tăng vọt Trên sở quan hệ mòn tuổi thọ, độ tin cậy [49], đưa quan hệ độ cứng vững J tuổi thọ, độ tin cậy Hình 2.6 [48] Độ cứng vững cụm trục Hình 2.6 Sự phụ thuộc độ cứng vững J J thay đổi theo thời theo thời gian độ tin cậy [49] gian (t) thừa nhận tuân theo quy luật tuyến tính thể phương trình sau: Jm = Jo - γm.t (2.35) Tốc độ giảm trung bình độ cứng vững theo thời gian tính theo phương trình tương tự tốc độ mịn [47]: m=kJ.Pm.Vm (2.37) 12 Xác suất làm việc P(t) – đặc trưng cho khả làm việc liên tục, tính thơng qua tốn tử Laplace [47] sau: J -γ T- J P(t)=0,5+f m σ 2J0 +σ 2γ T (2.41) Tuổi thọ trung bình TJ cụm trục có độ cứng vững cịn lại [J] cho phép xác định theo công thức (2.43): J -J (2.43) TJ = γm 2.4 Đánh giá chất lượng cụm ổ trục sở rung động 2.4.1 Rung động phân tích rung động Rung động tượng phổ biến tự nhiên kỹ thuật q trình đại lượng vật lý (hóa học, sinh học, ) thay đổi theo thời gian mà có đặc điểm lặp lại lần 2.4.2 Cấu trúc tín hiệu rung động Tín hiệu rung động đầu đo rung động ghi lại phép đo tổng hợp từ nhiều nguồn rung động khác 2.4.3 Phân tích xử lý tín hiệu đo Tín hiệu rung động thường phân tích miền thời gian (dựa đồ thị tín hiệu theo thời gian) trước phân tích miền tần số Các giá trị tín hiệu đặc trưng thường sử dụng để đánh giá tín hiệu rung động Trong giá trị trung bình hiệu dụng RMS thường sử dụng để chẩn đốn tình trạng làm việc máy chi tiết máy: 𝑅𝑀𝑆 = √𝑁 ∑𝑁 𝑛=1 𝑥[𝑛] tín hiệu rời rạc 2.4.4 Giám sát tình trạng cụm trục sở phân tích rung động Q trình giám sát tình trạng kỹ thuật cụm trục máy cơng cụ CNC thơng qua đặc trưng rung động mô tả qua bốn giai đoạn [43] - Giai đoạn thứ nhất: Cụm trục cịn hoạt động tốt, lúc biên độ rung động nhỏ chưa xuất hiện tượng mòn cố - Giai đoạn thứ hai: Cụm trục bị mịn đồng bộ, biên độ rung động tăng theo thời gian, tương ứng với khe hở phận cụm tăng lên hay mòn tổng cộng tăng 13 - Giai đoạn thứ ba: Xuất hiện tượng dạng hỏng cục cụm trục chính, phân tích vận tốc hay tần số phát lỗi chi tiết lăn, ca trong, ca ngồi hay vịng cách - Giai đoạn bốn: Xuất dạng hỏng lớn cụm trục chính, mức rung tăng lên, phân tích phổ vận tốc dễ dàng nhận thấy cụm dạng hỏng KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày sở lý thuyết để tính tốn tuổi thọ độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC theo tiêu bền mỏi, tiêu mòn tiêu cứng vững Hiện nay, việc tính tốn tuổi thọ ổ lăn thường sử dụng tiêu bền mỏi với độ tin cậy 90% Các cơng thức tính tuổi thọ theo tiêu bền mỏi đề cập đến điều kiện làm việc, chế độ bôi trơn độ tin cậy Trên máy cơng cụ CNC, cụm ổ trục ngồi việc đảm bảo tiêu bền mỏi phải đảm bảo độ cứng vững để trì độ xác gia cơng độ tin cậy cao Do đó, xác định tuổi thọ cụm ổ trục máy cơng cụ CNC theo tiêu mòn U theo tiêu cứng vững J yêu cầu cần thiết Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục theo tiêu mịn, cứng vững khó khăn, phức tạp, cần công cụ trợ giúp phải dừng máy theo quy trình chặt chẽ Sử dụng kỹ thuật phân tích rung động để đánh giá chất lượng làm việc cụm ổ trục máy cơng cụ CNC giải pháp phù hợp, mang lại nhiều lợi ích thực tiễn sản xuất như: thực môi trường công nghiệp mà dừng máy, độ xác cao, Thơng số đặc trưng rung động thường sử dụng kỹ thuật đánh giá chất lượng làm việc máy công cụ CNC giá trị đại lượng đặc trưng RMS rung động CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH LƯỢNG MÒN, ĐỘ CỨNG VỮNG VÀ RUNG ĐỘNG CỤM Ổ TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC 3.1 Mục đích yêu cầu thực nghiệm Mục đích thực nghiệm xác định lượng mòn, độ cứng vững giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục máy tiện CNC tải ngồi tốc độ quay thay đổi Tìm mối quan hệ lượng mòn độ cứng vững với giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục máy tiện CNC cỡ nhỏ Từ xác định tuổi 14 thọ dự kiến cụm ổ trục máy tiện CNC cỡ nhỏ với độ tin cậy khác theo tải tốc độ quay Yêu cầu thiết bị: Hệ thống thực nghiệm phải đảm bảo điều khiển tải tốc độ quay trình thực nghiệm cụm ổ trục máy tiện CNC cỡ nhỏ Đo xác lượng mòn dọc trục độ cứng vững cụm ổ trục Thu thập, phân tích tính toán giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục Đảm bảo nhiệt độ làm việc cụm ổ trục theo quy định nhà sản xuất 3.2 Xây dựng, tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm 3.2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu cụ thể luận án cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300 Cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300 sử dụng cặp ổ lăn 7210B hãng NSK có góc tiếp xúc α=150 lắp theo kiểu lưng đối lưng (DB) 3.2.2 Xây dựng thiết bị thực nghiệm 3.2.2.1 Hệ thống tạo tải ngồi Phương án lựa chọn để tích hợp vào máy thực nghiệm tạo tải hệ thống xy lanh khí nén Hình 3.6 Hình 3.6 Hình ảnh hệ thống tạo tải máy tiện CNC Eclipse 300 3.2.2.2 Hệ thống đo lượng mòn độ cứng vững Căn vào điều kiện thực tiễn độ xác phép đo, đồng hồ so Mitutoyo 1/1000 (Nhật Bản) sử dụng phép đo dịch chuyển dọc trục dịch chuyển hướng kính Các thơng số đồng hồ so: phạm vi đo: – 0,14 mm, độ chia: 0,001 mm [52] 15 a) Đo lượng mòn Sơ đồ đo dịch chuyển dọc trục xác lập Hình 3.7 b) Đo tính tốn độ cứng vững Sơ đồ đo dịch chuyển hướng kính Hình 3.8 Áp dụng cơng thức (3.9) để tính độ cứng vững cụm ổ trục máy tiện CNC 3.2.2.3 Đo tính tốn giá trị đại lượng đặc trưng rung động Thiết bị đo phân tích rung động CMX A44 hãng SKF (Thụy Sĩ) sử dụng để đo rung động thực nghiệm (Hình 3.9) Xử lý số liệu đo phần mềm MicroAnalysis System 3.3 Tổ hợp máy thực nghiệm: Sơ đồ khối thiết bị thực nghiệm thiết kế Hình 3.14 Fr Fa Trục T o Bộ truyền đai rang Động Rung Biến tần a, r Bộ chuyển đổi Điều chỉnh áp suất, l-u l-ợng Nguồn khí nén COMPUTER Hỡnh 3.14 Sơ đồ hệ thống thiết bị thực nghiệm Thiết bị xây dựng tích hợp hồn chỉnh Hình 3.14 Hình 3.15 Thiết bị thực nghiệm đánh giá chất lượng cụm trục khảo sát rung động máy tiện CNC Eclipse 300 16 3.4 Quy hoạch xử lý số liệu thực nghiệm Trong thực nghiệm, số biến đầu vào (tải P, tốc độ quay n) Thực quy hoạch thực nghiệm tối ưu toàn phần dạng 2k thực nghiệm tâm quy hoạch [55], thực thêm 01 thực nghiệm tâm quy hoạch điều kiện bôi trơn theo tiêu chuẩn để kiểm chứng lý thuyết thực nghiệm Bảng 3.4 Bảng thơng số thí nghiệm Thơng số P (N) n (v/ph) TN1 1.310 1.800 TN2 2.520 1.800 TN3 1.310 2.200 TN4 2.520 2.200 TN5 1.915 2.000 TN6 1.915 2.000 3.4 Trình tự tiến hành thực nghiệm KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, luận án xây dựng tích hợp hệ thống thiết bị thực nghiệm máy tiện CNC Eclipse 300, cho phép xác định lượng mòn, độ cứng vững rung động cụm ổ trục theo tải ngồi tốc độ quay Các thực nghiệm tiến hành điều kiện mòn gia tốc bôi trơn tiêu chuẩn Phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần đề xuất thực nhằm khảo sát ảnh hưởng tải tốc độ quay đến tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC; thực nghiệm 17 tâm quy hoạch điều kiện bôi trơn tiêu chuẩn nhằm đối sánh kết thực nghiệm lý thuyết Kết tính tốn giá trị đại lượng đặc trưng rung động cụm ổ trục thực chương trình Matlab có sử dụng phân tích phổ tần số rung động (FFT) Xác lập bước tiến hành thực nghiệm đo lượng mòn, độ cứng vững giá trị đại lượng đặc trưng rung động RMS cụm ổ trục máy cơng cụ CNC Elipse 300 tải tốc độ quay thay đổi CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN TUỔI THỌ, ĐỘ TIN CẬY CỤM TRỤC CHÍNH MÁY TIỆN CNC 4.1 Quan hệ thời gian điều chỉnh giá trị đại lượng đặc trưng rung động với tải tốc độ quay theo tiêu mòn 4.1.1 Kết thực nghiệm mối quan hệ lượng mòn U giá trị đại lượng đặc trưng rung động RMS theo thời gian t Hình 4.1 Đồ thị tổng hợp lượng mòn tổng hợp dọc trục U đặc trưng gia tốc RMS thí nghiệm 18 Có thể xác định giá trị thời gian điều chỉnh Tdc giá trị giới hạn rung động theo lượng mòn [RMS]U từ giới hạn lượng mòn tổng hợp dọc trục cho phép [U]=5m (được xác định theo ISO 13041 - 1:2004) cách sử dụng phương pháp tốn đồ biểu diễn hình vẽ 4.1.2 Xác định hàm hồi quy giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS]U thời gian điều chỉnh TdcU theo lượng mòn giới hạn [U] Tính thời gian điều chỉnh máy theo lượng mòn tổng hợp dọc trục TdcU: TdcU = U -b12 (4.3) b11 Phương trình xác định giá trị giới hạn đặc trưng rung động theo lượng mòn tổng hợp dục trục [RMS]U: U -b12 U -b12 +b22 +b23 b11 b11 RMS =b21 (4.5) 4.1.3 Sự phụ thuộc thời gian điều chỉnh TdcU, giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS]U theo tải P tốc độ quay n Phương trình tính tốn TdcU [RMS]U theo n, P sau: Td cU ( n , P ) = 324,9 − 0, 2484.n - 0, 01829.P + 5, 262 10−5.n + 7,19 10−6.n.P (4.6) R2=0,9862 [ RMS ]U ( n, P ) = 0,6797 - 0,0006938.n + 0.002559.P + 10-7 n2 - 5,02 10 -7 P (4.7) R2=0,9914 Từ giá trị TdcU [RMS]U thu giá trị đầu vào P, n thí nghiệm, ta biểu diễn mối quan hệ TdcU [RMS]U P, n Hình 4.2 Hình 4.3 Hình 4.2 Đồ thị mối tương quan [RMS]U n,P Hình 4.3 Đồ thị mối tương quan TdcU n,P 19 4.2 Quan hệ thời gian điều chỉnh giá trị đại lượng đặc trưng rung động với tải tốc độ quay theo tiêu cứng vững 4.2.1 Kết thực nghiệm mối quan hệ độ cứng vững J giá trị đại lượng đặc trưng rung động RMS theo thời gian t Hình 4.4 Đồ thị tổng hợp độ cứng vững J giá trị RMS thí nghiệm Có thể xác định giá trị đặc trưng rung động giới hạn tính theo độ cứng vững [RMS]J từ giới hạn độ cứng vững giới hạn cho phép [J] =200N/m sử dụng phương pháp tốn đồ biểu diễn hình vẽ 4.2.2 Xác định hàm hồi quy thời gian điều chỉnh TdcJ giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS]J theo độ cứng vững giới hạn [J] Tính thời điểm phải dừng máy để tiến hành điều chỉnh, phục hồi tải trước theo độ cứng vững sau: TdcJ = J -b12' ' b11 (4.10) 20 Rút phương trình xác định giá trị đặc trưng rung động giới hạn tính theo độ cứng vững cho phép J sau: [J]-b ' RMSJ =b 21 ' 12 b 11 ' [J]-b ' 12 +b ' 22 b' 11 +b ' 23 (4.12) 4.2.3 Sự phụ thuộc thời gian điều chỉnh TdcJ, giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS]J theo tải P tốc độ quay n Từ giá trị TdcJ [RMS]J thu giá trị đầu vào P, n thí nghiệm, ta biểu diễn mối quan hệ TdcJ [RMS]J P, n Hình 4.6 Hình 4.7 Hình 4.6 Đồ thị mối quan hệ RMS theo P, n Hình 4.7 Đồ thị mối quan hệ Tdc P, n Xác lập phương trình tính [RMS]J TdcJ theo n, P vào độ cứng vững giới hạn [J] sau: Td cJ (n, P) = 279,1296 − 0,2079n − 0,004P + 4,4687 10−5 n + 5,1653 10−7 P.n (4.13) R2=0,9998 [ RMS ]J ( n , P ) = 0,653 − 0,002437.n + 0,005052.P - 9,675 10−7.n − 1,005 10−6.P (4.14) R2=0,9914 4.3 Tính tốn tuổi thọ theo độ tin cậy cụm ổ trục 4.3.1 Kết thực nghiệm tâm quy hoạch điều kiện bôi trơn tiêu chuẩn Từ kết thí nghiệm điều kiện bôi trơn tiêu chuẩn, ta vẽ đồ thị Hình 4.8 21 Hình 4.8 Đồ thị phương trình biểu diễn lượng mịn tổng hợp dọc trục giá trị đặc trưng rung động thí nghiệm bơi trơn tiêu chuẩn 4.3.2 Tuổi thọ trung bình cụm trục máy tiện CNC Eclipse 300 4.3.2.1 Tính tuổi thọ cụm trục theo lượng mịn tổng hợp dọc trục thực nghiệm mịn gia tốc Tính tuổi thọ trung bình trục trục máy tiện CNC Eclipse 300 theo tiêu chí mài mịn với công thức (2.23): [U]− a TmU = γ oU = 32,1 mU RMSmU ~ 4,4434 mm/s2 4.3.2.2 Tính tuổi thọ cụm trục theo độ cứng vững thực nghiệm mịn gia tốc Tính tuổi thọ trung bình trục trục máy tiện CNC Eclipse 300 theo tiêu chí độ cứng với cơng thức (2.35): [J]−J TmJ = γ = 37,9 RMSmJ ~ 5,8959 mm/s2 mJ Thay giá trị Uα vào phương trình (2.34), tuổi thọ trục máy tiện CNC Eclipse 300 điều kiện phòng thực nghiệm sau: TJ, P(90%) ~ 29,81 RMSJ, P(90%) ~ 3,9358mm/s2, TJ, P(95%) ~ 28,07 RMSJ, P(95%) ~ 3,5752mm/s2 4.3.2.3 Tính tuổi thọ cụm trục điều kiện bơi trơn tiêu chuẩn Tính tuổi thọ trung bình cụm trục máy tiện CNC Eclipse 300 với dầu bôi trơn tiêu chuẩn theo tiêu chí mài mịn với cơng thức (2.23): 𝑇𝑚𝑈𝐿 =15.799,7 RMSmUL ~ 2,4508 mm/s2 Hệ số tuổi thọ sử dụng thử nghiệm mài mịn bơi trơn tiêu chuẩn tuổi thọ thử nghiệm mài mòn gia tốc trung tâm thực nghiệm xác định bằng: 22 TmJ 37,9 = = 1,18 TmU 32,1 Tuổi thọ cụm trục mong đợi với xác suất khơng hỏng hóc P(t) = 90% điều kiện bôi trơn tiêu chuẩn TuL,P(90%): TuL,P(90%) ~ 80%TmuL = 12.639 lúc có RMSuL,P(90%) ~ 2,0695 K J −W = mm/s2 KẾT LUẬN CHƯƠNG Kết nghiên cứu thực nghiệm xác định mối quan hệ lượng mịn, độ cứng vững, đặc tính rung động tính tốn tuổi thọ, độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300 điều kiện thử nghiệm mịn gia tốc bơi trơn tiêu chuẩn đưa số kết luận sau: Phương pháp thử mòn gia tốc rút ngắn thời gian thực nghiệm, đảm bảo độ tin cậy điều kiện làm việc cụm ổ trục trì nhiệt độ nhỏ 600C Mối quan hệ thời gian điều chỉnh TdcU giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS]U theo tiêu mịn điều kiện tải ngồi tốc độ quay thay đổi điều kiện thực nghiệm thể phương trình: Td cU ( n , P ) = 324,9 − 0, 2484.n - 0, 01829.P + 5, 262 10−5.n + 7,19 10−6.n.P (4.6) [ RMS ]U ( n, P ) = 0,6797 - 0,0006938.n + 0.002559.P + 10-7 n2 - 5,02 10 -7 P (4.7) Mối quan hệ điều chỉnh TdcJ giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS]J theo tiêu cứng vững điều kiện tải tốc độ thay đổi vùng quy hoạch thể phương trình: Td cJ (n, P) = 279,1296 − 0,2079n − 0,004P + 4,4687 10−5 n + 5,1653 10−7 P.n (4.13) [ RMS ]J ( n , P ) = 0,653 − 0,002437.n + 0,005052.P - 9,675 10−7.n − 1,005 10 −6.P (4.14) Tuổi thọ cụm ổ trục máy tiện CNC tính theo tiêu mịn, cứng vững làm sở để xác định giá trị giới hạn rung động [RMS] điều kiện mịn gia tốc bơi trơn tiêu chuẩn Việc lựa chọn giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS] theo tiêu mòn hay tiêu cứng vững tùy thuộc vào u cầu độ xác gia cơng cụ thể Hệ số tuổi thọ mịn gia tốc mịn bơi trơn tiêu chuẩn tham khảo để xác định tuổi thọ thực tế cụm ổ trục máy 23 công cụ CNC thiết bị tương tự có liệu mịn gia tốc KẾT LUẬN Kết nghiên cứu tuổi thọ độ tin cậy cụm ổ trục máy cơng cụ CNC theo lượng mòn, độ cứng vững giá trị đại lượng đặc trưng rung động tải tốc độ quay thay đổi, đưa số kết luận sau: Phương pháp hệ thống thiết bị đáp ứng thực nghiệm xác định mối quan hệ lượng mòn U, độ cứng vững J, giá trị đại lượng đặc trưng rung động RMS tính tốn tuổi thọ độ tin cậy cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300 tải tốc độ thay đổi Đã lượng hóa mối quan hệ giá trị giới hạn đại lượng đặc trưng rung động [RMS] cụm ổ trục máy tiện CNC theo giá trị lượng mòn giới hạn [U] theo giá trị độ cứng vững giới hạn [J] Mối quan hệ thể phương trình (4.5) (4.12) Giá trị giới hạn [RMS] xác định thông qua tải (P) tốc độ quay (n) điều kiện thực nghiệm phương trình (4.7) (4.14) Đây quan trọng cho thấy việc áp dụng kỹ thuật giám sát chất lượng cụm ổ trục rung động mang lại hiệu lớn dừng máy tiết kiệm thời gian Các phương trình (4.6) (4.13) biểu diễn mối quan hệ thời gian điều chỉnh (Tdc) cụm ổ trục máy cơng cụ CNC phụ thuộc vào tải ngồi (P), tốc độ (n) điều kiện thực nghiệm tương ứng với tiêu mòn hay tiêu cứng vững Tuổi thọ dự kiến cụm ổ trục máy tiện CNC Eclipse 300 phụ thuộc vào độ tin cậy theo tiêu mòn tiêu cứng vững tải tốc độ quay thay đổi Tuổi thọ dự kiến cụm ổ trục theo tiêu mòn khoảng 85% so với tiêu cứng vững Phương pháp thực nghiệm mòn gia tốc cho cụm ổ trục máy cơng cụ CNC áp dụng cho thiết bị cơng nghiệp nói chung Phương pháp làm giảm thời gian nghiên cứu, thử nghiệm, cho phép xác định tuổi thọ độ tin cậy thông qua giá trị đại lượng đặc trưng rung động Tuy nhiên, thực tế cần phải có thực nghiệm bôi trơn tiêu chuẩn để xác định hệ số tuổi thọ liên quan 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Phạm Văn Hùng, Nguyễn Thùy Dương, Phạm Minh Tâm, (2021), “Study on the Stiffness, Longevity and Reliability of the Spindle Unit of Eclipse 300 CNC Lathe with Different External Load” - Engineering and Technology for Sustainable Development, vol 31, iss 2, pp 58–64 Phạm Minh Tâm, Nguyễn Anh Tuấn (2021), “Xây dựng hệ thống thiết bị giám sát tình trạng làm việc cụm trục máy cơng cụ CNC phục vụ đào tạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh”, Tạp chí Thiết bị giáo dục, trang 7-9, số 250, kỳ 1, Tháng 10/2021 Van Hung Pham , Minh Tam Pham, Thuy Duong Nguyen (2022), “A Method to Evaluate Wear and Vibration Characteristics of CNC Lathe Spindle”, Tribology in Industry, Vol 44, No (2022) 352-359, DOI: 10.24874/ti.1206.10.21.04” SCOPUS (Q3) Hung Pham Van, Tam Pham Minh, Duong Nguyen Thuy, (2023), “An experimental method for determining the service life and reliability of the CNC lathe main spindle bearing assembly” Manufacturing Review, 10, eISSN : 2265-4224 ISI (Q2)