Nghiên ứu tíh hợp hệ thống ơ điện tử ho thiết bị khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động

Em xin chân thành cám ơn!TÓM T T N I DUNG LUẮỘẬN VĂNLuận 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

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

thi t b ế ị khảo sát biên độ áp su ấ t ổ thu ỷ độ ng

C NG HÒA XÃ H I CH Ộ Ộ Ủ NGHĨA VIỆT NAM

tác gi ả đã sửa ch a, b sung luữ ổ ận văn theo biên bản h p Họ ội đồng ngày 29 tháng

+ Sửa lỗi chính tả

Ngày 22 tháng 07 năm 2020

Giáo viên hướ ng d n ẫ Tác gi lu ả ận văn

T CHỦ ỊCH HỘ Ồ I Đ NG

M ẫ u 1c

LỜI CẢM ƠN

trong su t quá trình nghiên c u, ố ứ thực hi n nhi m v c a luệ ệ ụ ủ ận văn này Em xin chân

thành cảm ơn tớ ậi t p th các th y cô giáo trong b ể ầ ộmôn Máy và Ma sát h - ọc Viện

giúp đỡ trong quá trình nghiên cem ứu và th c hi n luự ệ ận văn này

Em xin chân thành cám ơn!

TÓM T T N I DUNG LU Ắ Ộ ẬN VĂN

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

thủy động

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

Mô ph ng kh o sát bi u ỏ ả ể đồ biên độ áp suất ổ thủy động v i các giá tr tớ ị ải

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ Ổ THỦY ĐỘNG VÀ CÁC ĐẶC TÍN H C Ơ

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 C ơ 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 LIỆ U THAM KHẢO 77

DANH MỤC BẢNG BIỂU

B ng 1.1 Chuyả ển đổ ơi đ n v ị đo căn cứ theo cS 8

B ng 1.2 So sả ánh độnhớt của một số loại dầu theo ISO, SAE, AGMA 9

B ng 1.3 Cả ấp độnhớ ủa dầu đột c ng c SAE 10ơ Bảng 1.4 Dầu bôi trơn bánh răng SAE theo tiêu chuẩn J300 10

B ng 1.5 C p ch t l ng v ph m vi s d ng d u bả ấ ấ ượ à ạ ử ụ ầ ánh răng theo API 11

Bảng 1.6 Đặc tính l hý óa của ba nhóm dầ ốc cơ ảu g b n trong tinh ch ế[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

H nh 1.1 ì Chuyển động của tấm phẳng trên lớp chất lỏng 6

H nh 1.2 S ì ự thay đổ ủi c a độ nhớt dầu bôi trơn khi tăng nhiệ ột đ 12

Hình 1.3 Mặt cắt ổ đỡ khi làm việc 20

Hình 1.4 S ơ đồ vị trí khởi động ổ 21

Hình 1.5 S ơ 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 41[5] Hình 2.2 Sơ đồ tính toán của ổ thuỷ động 42[5] 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 S ơ 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 B : ố trí cảm biến V1 và V2 55

Hình 2.14: S ơ 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: S ơ đồ kết cảm biến áp suất 59

Hình 2.18 S ơ đồ kết nối bàn phím 60

Hình 2.19 S ơ 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 c ươh ng trình 68

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

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

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

to thanh truyền thông qua các cảm biến Các kết quả đo cho thấy sự tương thích

chiều dày màng dầu của ổ đỡ trục khuỷu tại sáu điểm bởi sáu cảm biến, chiều dày

động cơ xăng 4 xi lanh Các kết quả đo được so sánh với các kết quả tính toán số

truyền khi áp suất thủy động thay đổi Chiều dày màng dầu được đo nhờ phân tích

2

Ở Việt Nam, chưa có nhiều nghiên cứu thực nghiệm và thiết bị thực nghiệm khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động Năm 2005, Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo áp suất ổ thủy động dùng một cảm biến của tác giả Phạm Văn Hùng

nhiệt độ của ổ đỡ thủy động của nhóm tác giả Phạm Trung Thiên, Trần Thị Thanh

giải pháp số khảo sát biểu đồ áp suất ổ thuỷ động Có thể thấy, các đề tài nghiên

cứu trên còn hạn chế như chỉ đo được áp suất tại vị trí lắp đặt đầu đo áp suất

1.3 L ý 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

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

(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

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

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

Michell (1870-1959) đã chỉ ra được sự giảm áp suất ở phần biên của màng dầu bôi

đã xác định có vùng áp suất bão hoà của màng dầu và định ra điều kiện biên của

(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

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

- 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

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

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

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

là tổ hợp của các kiểu phân loại trên Do đó, để tính toán một kết cấu bôi trơn cần

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 từthủy 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

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 t đỡ.hể

1.3.4 Các loại vật liệu bôi trơn

nhi u nh t vì d khai thác, công ngh ề ấ ễ ệ ổn định và r n M ng v t và d u thẻtiề ỡ độ ậ ầ ực

khoáng với mộ ỷ ệ nhỏ ợp lý để ải thiện đặt t l h c c tính bôi trơn Hiện nay, d u t ng ầ ổ

6

h p c nhi u tợ ó ề ính năng cải thi n cệ ũng được s d ng Hai thông s quan tr ng v ử ụ ố ọ ề

Độ nh t c a chớ ủ ất bôi trơn là ma sát trong của chất bôi trơn thể ệ hi n kh ả năng

với bôi trơn ướt, độ ớ nh t là nhân t quan tr ng quy t đ nh kh ố ọ ế ị ả năng tả ủi c a b m t ề ặ

học

trơn giữa các b m t ma sát, có l c cề ặ ự ản trượt th p nh ấ ờ đó làm giảm ma sát và mòn trong trổ ục ma sát

1.3 5 Độ nhớt động lực và độ nhớt động học của chất bôi trơn

Cho m t t m ph ng chuyộ ấ ẳ ển động gần tường r n v i v n t U trên l p chắ ớ ậ ốc ớ ất

l ng, c ỏ óchiề ầu d y h Gi a c c l p ch t l ng c kho ng c dy, v n tữ á ớ ấ ỏ ó ả ách ậ ốc thay đổi

7

τ

η = du dy

Trong đó:

du

Trên th c t ự ế thường dùng đơn vị nh ỏ hơn 100 lần là centi Poise (cP), nó chính

là độ nhớt động l c cự ủa nướ ởc nhi t 20ệ độ 0 C:

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

Độ nhớt động h c ọ

nhớt động học  để đánh giá chất bôi trơn Độ nhớt động học  c a m t ch t l ng ủ ộ ấ ỏbôi trơn được xác định b ng t s giằ ỷ ố ữa độ nhớt động l c và khự ối lượng riêng c a ủ

Độ nhớt động học  có th nguyên là mứ 2 s-1 (SI) và cm 2 s-1 đượ ọc g i là Stoke

1 cS = 1 10-2 Stoke =1 10-6 m2 s-1 = 1 mm2 s-1

B ng 1.1 Chuy ả  n đ ổi đơn vị đo căn ứ c theo cS

- D u ầ động cơ chiếm 70% tổng khối lượng dầu được sử ụ ở nước ta: d ng

- D u bôi t ầ rơn công nghi p: Dệ ầu bôi trơn trong máy công cụ, bi n th , máy ế ếnén, th y l c, ch t l ng c t g t, d u tua bin, mủ ự ấ ỏ ắ ọ ầ ỡ… M t s ộ ốloại dầu bôi trơn thường

tuabin 22, 35, 46, 57

9

trên quan điểm ma sát h c th tính chọ ì ất cơ bản, quan tr ng nhọ ất đó là độ nh t c a ớ ủ

dầu bôi trơn nói riêng v cà ủa chất bôi trơn nói chung .

i v

Đố ới ổ trư t tợ ốc độ quay càng cao thì dùng dầu có độ nh t càng th p, t i ớ ấ ảtrọng càng cao thì độ nh t ph i càng cao N u dùng dớ ả ế ầu có độ nh t không h p lý ớ ợthì ổ s ẽnhanh mòn khi độ nh t th p ho c t n hao công su t l n khi dớ ấ ặ ổ ấ ớ ầu có độ nhớt cao

B ng 1.2 So s ả á nh đ ộ nhớt củ a m ộ t số loại du theo ISO, SAE, AGMA

Độ nhớt theo ISO

(mm2/s-40oC)

Chỉ số AGMA

SAE dầu động cơ

SAEDầu bánh răng

10

B ng 1.3 C ả ấ p đ ộ nhớ ủ u động cơ SAE t c a d

-11

hi n nay c a dệ ủ ầu động cơ diesel

B ng 1.5 C p ch ả ấ ấ t lư ợ ng và phạ m vi s d ử  ng d ánh răng theo API u b

cao

12

H  nh 1 2 S ự thay đổ ủa độ i c nhớt du bôi trơn khi tăng nhiệ ộ t đ

Theo quan điểm ma s t há ọc, điều n y r t quan tr ng, t nh t nhi t à ấ ọ ừ độ ớ ở ệ độ

l m vi c xà ệ ác định được chi u d y m ng d u phân c ch hai b m t ma sề ầ à ầ á ề ặ át Độ nhớt

c a dủ ầu ở nhiệt độ ào đó ó n c thể đượ ác địc x nh theo các phương trình độ nh t - ớnhiệ ột đ hoặc theo các đồ thị ASTM

Ch ố s nh t c ớ a d u bôi t rơn VI(Viscosity Index)

l m suy gi m chi u d y m ng d u gi a hai b m t ma sà ả ề ầ à ầ ữ ề ặ át, 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 l àloại dầu bôi trơn tốt, tuổi thọ cao T ừ năm 1920, người ta đã ế bi t

r ng d u thô c a m Pennsylvania, d u Parafin c c t nh b n nhi t t t nh t v ằ ầ ủ ỏ ầ ó đặ í ề ệ ố ấ à

m Gulf Coast, d u nepten c c t nh b n nhi t t i nhỏ ầ ó đặ í ề ệ ồ ất Trên quan điểm ma sát

h c, th y r ng, c n thi t ph c thông s nh gi b n nhi t c a dọ ấ ằ ầ ế ải ó ố đá á độ ề ệ ủ ầu bôi trơn

13

Chỉ ố ớ s nh t của c c loá ạ ầi d u m ỏ đượ íc t nh theo công th c: ứ

l ng v ỏ à gây hư hỏng chất bôi trơn

Quan hệ ữ ộ ớ à á ự gi a đ nh t v p l c thường đượ íc t nh theo công th c Basuc: ứ

p = 0.e p

p - nhđộ ớt tuyệ ốt đ i ở áp suất p, [Pa s]

0 - nh t tuyđộ ớ ệ ốt đ i ở áp suất khí quy n, [Pa ể s]

 - h s ph ệ ố ụthuộc vào chất lỏng, [m2/N]

1.3.7 D u bôi trơn t  d u khoáng

Du gốc chưng cất t u khong d

D u g c tinh ch t d u kho ng, ầ ố ế ừ ầ á được chưng cấ ừ ầt t d u m , c c c cỏ ó á ấp độ

nh t v t nh ch t kh c ớ à í ấ á nhau được s dử ụng để ả s n xu t c c lo i d u, m ấ á ạ ầ ỡ bôi trơn

14

T y thu c v o lo i d u thô v quy nh tinh ch s quyù ộ à ạ ầ à trì ế ẽ ết định t nh ch t h a l cí ấ ó ý ủa

d u gầ ốc Thông thường d u g c n y phầ ố à ải đá ứp ng c c yêu c u v d u thô paraffin, á ầ ề ầnaphthen và aromatic được dùng để ỗ h nhau trong c c nh m y l dtrợ á à á ọc ầu để cho

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

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

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 lo i nh m d u g c d a theo thành ph n d u gạ ó ầ ố ự ầ ầ ốc

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 h a ch m, ó ậtrước h t l liên ế à

k t c a axit bay ế ủhơi, chống m n, òsau đó à ố l m i liên

k t s t nh t ế ệ ớ

Ôxi h a không óchậm, liên k t ế

c a v t li u ủ ậ ệkhông bay hơi, chống m n ò

k m, sau é đó ởtrạng th i b n á ù

Ôxi h a m nh, ó ạkhông bay hơi

l n, ch ng m n, ớ ố ò

s ng chố lượ ất thơm giảm tương ứng l s à ự

h n ch ôxi h a ạ ế ó

15

D u có ch s nh t cao (HVI) khi VI > 85 ầ ỉ ố ớ

D u có ch s nh t trung bình (MVI) ầ ỉ ố ớ

D u có ch s nhầ ỉ ố ớt thấp (LVI) khi VI < 30

tâm, dầu LVI được s n xu t t ả ấ ừ phân đoạn d u neptan ầ Hiện nay, công ngh ệcrankinh d u m hiầ ỏ ện đại có th tinh ch ể ế được c c d u g c có ch s nh t r t cao á ầ ố ỉ ố ớ ấ(VHVI) hoặc siêu cao (SHVI)

1.3.8 Ch ất ph gia

Vai tr ủ c a ch t ph gia ấ 

chất ph ụ gia để đ áp ng yêu c u ngày càng cao v ứ ầ ề các tính năng bôi trơn, do điều

ki n làm vi c c a các c p ma sát ngày càng ph c t p và kh c nghi t, trong khi d u ệ ệ ủ ặ ứ ạ ắ ệ ầ

t và th t b ự ứ ự ổsung phụ gia cũng có ảnh hưởng đến các đặc tính c a dủ ầu bôi trơn

t ừ 0,01 đến 0,5% V i các ph ớ ụ gia đặc bi t có th có nệ ể ồng độ ừ t vài ph n triầ ệu (ppm)

vùng t i tr ng và tả ọ ốc độ có bi n thiên ph c tế ứ ạp và điều ki n làm vi c kh c nghiệ ệ ắ ệt Đây cũng là tiền đề quan tr ng cho vi c thi t k c i ti n thi t b , máy móc liên t c ọ ệ ế ế ả ế ế ị ụ

Các chấ t ph  gia cơ bả n

Tăng độ nh t, ch s nh t ớ  ố ớ

chuyển độ quay như trụ ạng c b c, chi u d y màng dề ầ ầu bôi trơn phụ thu c r t nhi u ộ ấ ềvào đặc tính nh t c a dớ ủ ầu bôi trơn, nó thay đổi khi nhiệt độ tăng Vì vậy, ph gia ụ

nhằm nâng cao độ nh t và ch s nhớ ỉ ố ớt được quan tâm nhất Thường s d ng mử ụ ột

16

s ốloại polime nhất định, làm tăng độ nh t c nhiớ ả ở ệt độ ấp và cũng làm tăng nhẹ th

của cơ họ ớc l n hay nhiệt độ cao có th b b gãy m ch và gây ra hi u ng phi ể ị ẻ ạ ệ ứ

Giảm nhiệ ộ đông đặ t đ c

Các thi t b ế ịlàm việc trong môi trường nhiệt độ thấp, thì c n ph i tránh hiầ ả ện tượng đông đặc c a d u, m ủ ầ ỡ bôi trơn, nhất là d u gầ ốc parafin Khi đó, chất bôi trơn

s ẽkhông đáp ứng được yêu c u ch u t i, tách ly b m t ma sát, dầ ị ả ề ặ ẫn đến hiện tượng kẹt, hư hỏng thi t bế ị Trường h p này hay x y ra v i dợ ả ớ ầu bôi trơn của động cơ ô tô khi khởi động và làm việc trong điều ki n nhiệ ệt độ môi trường thấp, khi đó cần b ổsung các ph gia làm gi m nhiụ ả ệt độ đông đặc c a d u, m ủ ầ ỡ bôi trơn Phầ ớn l n các

việc trong môi trường nhiệt độ thấp c n ph i gi m nhiầ ả ả ệt độ nói trên Để gi m nhiả ệt

độ đông đặc c n ph i giầ ả ảm kích thước ho c biặ ến đổi hình d ng tinh th parafin, s ạ ể ử

Tăng tính linh động

nên khe h c t gi a các b m t chuyở thự ế ữ ề ặ ển động tương đối ngày càng nh Viỏ ệc

c p ma sát chính xác và siêu chính xác v i ph ặ ớ ổ kích thướ ừ ấ ớn đế ấc t r t l n r t nh ỏ

khăn do tính linh động c a d u b h n ch Vì v y, c n có nh ng lo i ph gia làm ủ ầ ị ạ ế ậ ầ ữ ạ ụtăng tính linh động và th m th u c a dẩ ấ ủ ầu bôi trơn vào bề ặ m t ma sát Các ch t ph ấ ụ

r t rõ ràng Vi c h n ch quá trình ôxi hoá dấ ệ ạ ế ầu bôi trơn và ôxi hoá bề ặ m t kim loại

b ma sát là r t c n thi t, làm kéo dài tu i th c a chị ấ ầ ế ổ ọ ủ ất bôi trơn và bảo v b mệ ề ặt

ph n l n các loầ ớ ại dầu, m ỡ bôi trơn, hoạ ộng theo các cơ chết đ sau:

Khi t i tr ng l nả ọ ớ , va đập cũng như ốc độ t không ổn định có th làm gián ể

c c b c a nh p nhô b m t ti p xúc ma sát và gây mòn c p ma sát, ngay c khi ụ ộ ủ ấ ề ặ ế ặ ảđược bôi trơn đầy đủ Do đó, cần ph i b o v màng d u không b ả ả ệ ầ ị gián đoạn c c b ụ ộkhi áp l c biự ến thiên đột ngộ ằt b ng các lo i ph gia thích hạ ụ ợp, tránh được mòn tại

đỉnh nh p nhô b mấ ề ặt Trường h p này xợ ảy ra khi bôi trơn giớ ại h n Ph ụ gia được

s d ng bao g m: Các este phophoric, các dithiphotphat kim lo i, các d n su t cử ụ ồ ạ ẫ ấ ủa este béo và axit béo

Chống tạo b tọ

đường ng và b l c, v b dố ộ ọ ề ể ầu thường x y ra hiả ện tượng t o b t khí trong ch t ạ ọ ấ

lỏng bôi trơn Khi đó, tính đồng nh t c a chấ ủ ất bôi trơn bị suy gi m, kh ả ả năng tải

c a màng d u th p, ho c m t kh ủ ầ ấ ặ ấ ả năng tải B m t ma sát m t chề ặ ấ ất bôi trơn, dẫn đến tăng nhiệt độ, gây k t và ng ng máy, k c trư ng h p g y v Vì v y, ph ẹ ừ ể ả ờ ợ ẫ ỡ ậ ụgia ch ng t o bố ạ ọt được quan tâm s d ng trong các h ng bử ụ ệthố ôi trơn và thuỷ ự l c

Tăng nhiệ ộ điể t đ m ch p cháy ớ

pháp h n chạ ế Đặc biệt, khi động cơ bị l i h ỗ ệthống nước làm mát, hay leo đèo dốc

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

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:

- 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

thể là gang xám, gang cầu gang dẻo với tổ chức graphit là phần mềm cũng được dùng

20

làm vật liệu lót cho ổ đỡ không quan trọng lắm Ngoài ra, vật liệu lót ổ có thể được

Trong lót ổ được tao ra các rãnh dầu để bôi trơn cho ổ, vị trí của rãnh dầu phải nằm ngoài vùng áp suất thủy động, rãnh dầu có thể dạng rãnh thẳng hoặc dạng rãnh xoắn

1.4 2 Nguyên lý làm việc

Với ổ thủy động, lót ổ và ngõng trục được lắp lỏng với nhau, do đó tạo nên

khe hở

Khi ngõng trục quay, dầu bị cuốn vào khe hẹp giữa ngõng trục và lót ổ, tạo 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 M  t cắt ổ đỡ khi làm vi c ệ 1.5 T ính toán ổ đỡ thủy động

21

Hình 1 4 Sơ đồ ị v trí kh ở độ i ng ổ

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

kính)

lúc tốc độ quay đạt đến một giá trị nào đó thì hình thành màng dầu hình chêm tạo ra

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

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

1.5 1 Phương trnh chiều dày màng du

e sin θR

Đặt ε = C e là độ ệ l ch tâm tương đối, biến thiên t ừ 0 đến 1

(I-1) 1.5.2 Phương trnh 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

- 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

(I – 2)

- h là chiều dày màng dầu

1.5.3 Phương trnh Reynolds cho ổ đỡ thủy động

Hình 1.7 Mi n khai tri ề  n củ ổ a

Theo đó phương x là phương chu vi

Gọi u, w là các thành phầ ậ ốc theo các phương x, z v, n v n t y,

Ta có: vậ ốn t c c a trủ ục và bạc là:

U2=Ra.ω cosα ;V2=Ra.ω sinα =0;W =0

Mặt khác ừ phương trình Reynolds ột m t chi u tề a có các thành ph n v n ầ ậ

Điều ki n biên Reynolds v áp su t: ệ ề ấ

Với sơ đồ khai tri n ể ổ đỡthủy động như trên, ta có:

26

Hình dạng c a màng dủ ầu ban đầu là h i tộ ụ sau đó phân kỳ do đó cầ, n phải tính

đến s ự gián đoạn c a màng d u vùng phân k Đi u ki n biêủ ầ ở ỳ ề ệ n tương ứng s c n ẽ ầ

phải tính đến ch ế độ gián đoạn này

1.5.4 Giải phương trnh Reynolds cho ổ đỡ thủy động

Để tính toán một kết cấu bôi trơn thuỷ động trước hết ta phải giải phương

hai nên rất khó giải bằng giải tích trừ một số trường hợp đơn giản (ổ dài, ổ ngắn)

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,

Phương trình Reynolds viết cho ổ đỡ thủy động:

Phương trình trên là phương trình đạo hàm riêng cấp 2 (dạng elip) Để đơn

a Trường hợ ổp có chiều dài vô h n ạ

27

N u dùng h tế ệ ọa độ (trụ θ = R ) thì phương trình có dạng: x

Giả ử ổ đượ ấ ầ s c c p d u có áp suất rãnh d c tr c (chi u r ng nhở ọ ụ ề ộ ỏ)

tại tọ ộa đ = 0 Khi đó điều kiện biên Sommerfeld được viế ại như sau:t l

=

Mặt khác phương trình Reynolds trong h tệ ọa độ trụ θ = R x là:

Trong đó h* là chi u dày màng d u tề ầ ại vị trí có đạo hàm v ềáp s ấ ằu t b ng 0

28