Nghiên cứu và mô phỏng hiệu ứng nhiệt trong bôi trơn thuỷ động

Luận văn Thạc sĩ khoa học MỤC LỤC Trang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG KÊ CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 Lý chọn đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu củađề tài 2.1 Đối tượng nghiên cứu 2.2 Phạm vi đề tài Mục tiêu đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Phương pháp nghiên cứu sở tài liệu Cấu trúc luận văn TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN 10 1.1 Lịch sử phát triển bôi trơn 10 1.2 Phân loại dạng bôi trơn 14 1.3 Bôi trơn thủy động 14 1.3.1 Khái niệm bôi trơn thủy động 13 1.3.2 Phân nhóm ổ làm việc chế độ bôi 17 trơn thủy động 1.4 Kết luận CHƯƠNG 18 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÔI 19 TRƠN THỦY ĐỘNG 2.1 Phương trình Reynolds tổng quát 19 2.2 Phương trình Reynolds cho ổ đỡ thủy động 22 2.2.1 Chiều dày màng dầu 23 Luận văn Thạc sĩ khoa học 2.2.2 Phương trình Reynolds 2.3 Ổ có chiều dài hữu hạn 24 26 2.5.1 Hiện tượng xâm thực 26 2.5.2 Điều kiện biên Reynolds 28 2.5.3 Giải phương trình Reynolds với giải 29 thuật Elrod 2.4 Kết luận CHƯƠNG 33 MÔ HÌNH TÍNH NHIỆT 34 3.1 Phương trình lượng 34 3.2 Điều kiện biên 37 3.3 Mô hình phần tử hữu hạn cho toán nhiệt 38 3.3.1 Mô hình phần tử hữu hạn cho màng dầu 38 3.3.2 Mô hình phần tử hữu hạn cho bạc 42 3.4 Kết luận CHƯƠNG 45 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 46 4.1 Mô hình mô 46 4.2 Kết mô 47 4.3 Kết luận 57 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 62 Luận văn Thạc sĩ khoa học LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan nội dung mà tác giả viết Luận văn tìm hiểu, nghiên cứu thân, với hướng dẫn tận tình TS Trần Thị Thanh Hải Mọi số liệu kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác.Trừ phần tham khảo trích dẫn nguồn gốc cụ thể Luận văn Hà Nội, tháng năm 2014 Tác giả Lưu Trọng Thuận Luận văn Thạc sĩ khoa học HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Thông số ổ đỡ Bảng 4.2: Áp suất nhiệt độ tiết diện ổ theo phương dọc trục với n=12,5 vg/s ε=0,3 Bảng 4.3:Nhiệt độ áp suất lớn ε=0,3 thay đổi tốc độ Bảng 4.4:Nhiệt độ áp suất lớn n=12,5 vg/s thay đổi độ lệch tâm HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quan hệ thông số lớp màng bôi trơn hệ số ma sát Hình 2.1: Hệ tọa độ Hình 2.2: Sơ đồ vị trí khởi động ổ Hình 2.3: Mặt cắt ổ đỡ Hình 2.4: Miền khai triển ổ Hình 2.5: Vùng khai triển màng dầu Hình 2.6: Miền khai triển ổ đỡ Hình 3.1:Hệ toạ độ Hình 3.2: Điều kiện biên Hình 3.3: Miền tích phân màng dầu Hình 3.4:Phép chuyển hệ toạ độ Hình 3.5: Miền lấy tích phân bạc Hình 4.1: Mô hình ổ đỡ Hình 4.2: Sơ đồ thuật toán Hình 4.3: Phân bố áp suất tiết diện ổ theo phương dọc trục Hình 4.4: Phân bố áp suất tiết diện Y=L/8 Y=L/2 Hình 4.5: Phân bố áp suất ổ Hình 4.6: Sơ đồ thuật toán Luận văn Thạc sĩ khoa học Hình 4.7: Phân bố nhiệt độ áp suất tiết diện ổ theo phương dọc trục n=25 vg/s ε=0,3 Hình 4.8: Phân bố nhiệt độ áp suất tiết diện ổ theo phương hướng kính n=25 vg/s ε=0,3 Hình 4.9: Phân bố nhiệt độcủa màng dầu mặt tiếp xúc với bạc n=25 vg/s ε=0,3 Hình 4.10: Phân bố áp suất màng dầu n=12,5, 25, 37,5 vg/s ε=0,3 Hình 4.11: Phân bố áp suất màng dầu n=12,5 vg/s ε=0,3, 0,6, 0,9 Hình 4.12: Phân bố nhiệt màng dầu n=12,5 vg/s ε=0,3, 0,6, 0,9 Luận văn Thạc sĩ khoa học BẢNG CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG Tên ký hiệu Áp suất vùng gián đoạn ( Đơn vị ) Pa Áp suất màng dầu (p) Pa Chiều dày màng dầu (h) mm Chiều dài ổ (L) mm Độ lệch tâm (e) mm Đường kính ổ (D) mm Độ lệch tâm tương đối (ε) Độ nhớt động lực học (µ) Pa.s Hằng số Modulus (β) Pa Hệ số dẫn nhiệt dầu W/m.0K Hệ số giảm độ nhớt theo nhiệt độ (λ) 1/oC Hệ số dẫn nhiệt bạc (k) W/m.0K Hệ số dẫn nhiệt đối lưu bạc (h) W/m2.0K Khe hở hướng kính (C) mm Khối lượng riêng dầu (ρ) Kg/m3 Nhiệt dung riêng dầu (Cp) J/Kg.0K Nhiệt độ môi trường Tα C Nhiệt độ dầu cấp Tin C Vận tốc quay (n) vg/s Tỉ số chiều cao chất bôi trơn khí (α) Luận văn Thạc sĩ khoa học MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vấn đề ma sát, bôi trơn cho cụm chi tiết đặc biệt ý từ trình thiết kế, vận hành đến bảo trì máy móc Quá trình phân tích chất cặp ma sát chế độ làm việc cụ thể, từ đưa dạng, kết cấu bôi trơn nhân tố quan trọng định độ tin cậy tuổi thọ thiết bị Kết trình ảnh hưởng trực tiếp tới tính kinh tế kĩ thuật chi tiết, phận hay toàn dây chuyền, nhà máy.Đặc biệt với chi tiết/cụm chi tiết làm việc điều kiện tải trọng, vận tốc lớn, yêu cầu cao độ tin cậy tuổi thọ Với chế độ làm việc khắc nghiệt tải trọng tốc độ, dạng bôi trơn thông thường không đáp ứng yêu cầu mà chuyển sang chế độ bôi trơn thuỷ động thuỷ tĩnh hai để giảm tối đa hệ số ma sát cặp bề mặt Ở chế độ bôi trơn này, để có đặc tính bôi trơn cần phải giải phương trình Reynolds với điều kiện biên hiệu ứng phù hợp đặc biệt hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng nhiệt đàn hồi Các kết thu sở để phân tích hiệu chỉnh lại thông số vật liệu ổ, thông số bôi trơn dầu cho phù hợp với chế dộ làm việc Qua trình thực tế nhà máy thuỷ điện, nhiệt điện, xí nghiệp sửa chữa xe oto mỏ than, công trường xây dựng, phân tích dạng hỏng hóc phận ổ đỡ, ổ chặn thuỷ động turbin hay trục khuỷu-tay biên động cơ, tác giả nhận thấy, phần lớn dạng hư hỏng yếu tố nhiệt độ cao vùng đối tiếp bề mặt ma sát, làm bong tróc, chảy, cào xước lớp babit bạc Bản thân tác giả công tác Bộ môn Máy Ma sát học-Viện khí Đại học Bách khoa Hà Nội, nên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu mô hiệu ứng nhiệt bôi trơn thuỷ động” Luận văn Thạc sĩ khoa học Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 2.1Đối tượng nghiên cứu Ổ đỡ thuỷ động thiết bị thí nghiệm môn học Công nghệ bôi trơn phòng thí nghiệm Ma sát bôi trơn, Bộ môn Máy Ma sát học 2.2 Phạm vi đề tài - Giải phương trình Reynolds sở điều kiện biên Reynolds có tính đến tượng xâm thực màng dầu - Mô hiệu ứng nhiệt ổ đỡ sở phương trình lượng Mục tiêu đề tài Trong đề tài tác giả trình bày sở lý thuyết bôi trơn thuỷ động nhiệt thuỷ động Kết hợp với phương pháp số, xây dựng mô hình giải phương trình Reynolds với ổ đỡ thuỷ động cho trường áp suất với tập điều kiện biên Reynolds tính đến tượng xâm thực, làm gián đoạn màng dầu Trên sở kết hợp với phương trình lượng xây dựng mô hình tính toán trường nhiệt độ màng Khảo sát thay đổi nhiệt độ thay đổi độ lệch tâm, vận tốc trục bạc Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: đóng góp vào nghiên cứu bôi trơn nhiệt thuỷ động cho ổ đỡ - Ý nghĩa thực tiễn: kết nghiên cứu tiền đề cho nghiên cứu tiếp theo, để hoàn thiện thiết kế, chế tạo cụm ổ đỡ thuỷ động phục vụ thí nghiệm môn Công nghệ bôi trơn phòng thí nghiệm Ma sát bôi trơn Hướng tới ứng dụng tính toán nhiệt thủy động cho ổ đỡ thiết bị làm việc thực tế :ổ truyền động nhiệt ; ổ trục tua bin nhà máy nhiệt điện ,thủy điện Phương pháp nghiên cứu sở tài liệu Luận văn nghiên cứu sở: - Phân tích nghiên cứu nước vấn đề bôi trơn thuỷ động, nhiệt thuỷ động cho ổ đỡ - Nghiên cứu phân tích cụm ổ đỡ thiết bị thí nghiệm Luận văn Thạc sĩ khoa học - Xây dựng mô hình sở phương pháp số: sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn Cấu trúc luận văn Luận văn gồm có ba phần: phần mở đầu, phần nội dung, phần kết luận Trong phần nội dung gồm bốn chương Toàn luận văn trình bày 60 trang, với 24 sơ đồ hình vẽ Trong trình xây dựng đề tài này, tác giả nhận hướng dẫn tận tình quan tâm giúp đỡ thầy cô giảng dạy môn Máy Ma sát học ,Viện Cơ khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Luận văn không tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận quan tâm góp ý tất thầy, cô giáo đồng nghiệp để sau có điều kiện nghiên cứu sâu tác giả giải tốt hoàn thiện Đề tài hoàn thành môn Máy Ma sát học, Viện Cơ khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn khoa học TS.Trần Thị Thanh Hải Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc chân thành cảm ơn tới TS Trần Thị Thanh Hải người cung cấp tài liệu hướng dẫn phương pháp nghiên cứu trình thực đề tài.Tác giả chân thành cám ơn giúp đỡ tạo điều kiện thầy cô đồng nghiệp môn Máy Ma sát học Luận văn Thạc sĩ khoa học CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN 1.1 Lịch sử phát triển bôi trơn Hiện tượng ma sát người biết đến sử dụng từ lâu đời Sáng chế vào khoảng năm 4000 trước công nguyên lăn xe đẩy dùng chuyên chở vật nặng Trải qua nhiều thiên niên kỷ người ta cải tiến bổ sung để công cụ đó, thô sơ tiện dụng giảm nhẹ sức lao động cho người Trong đó, ổ trục kim loại xuất Trung Quốc lần đầu vào khoảng năm 900 bôi dầu động vật thực vật Về mặt lý thuyết, phát minh thuộc Leonard de Vinci (1451-1519) hiệu ứng ma sát đưa khái niệm hệ số ma sát Những sơ đồ nguyên lý nhằm giảm hệ số ma sát ông mang tính thực tiễn ngày Đến năm 1669, nhà vật lý người Pháp Guillaume Amontons công bố định luật ma sát sau nghiên cứu tượng khô hai bề mặt phẳng Thứ nhất, lực ma sát cản trở trượt bề mặt tiếp xúc chung tỷ lệ với tải trọng pháp tuyến Thứ hai, độ lớn lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa Các quan sát nhà vật lý người Pháp Charles Augustin Coulomb (1785) kiểm nghiệm bổ sung thêm định luật thứ ba, lực ma sát động không phụ thuộc vào vận tốc phân biệt rõ ma sát tĩnh động Sự phát triển bôi trơn xảy mạnh mẽ vào năm 1500, đặc biệt phát minh vật liệu chế tạo ổ Năm 1684, Robert Hooke khám phá kết hợp trục thép vòng kim loại tốt trục gỗ vòng gang ổ bánh xe Sự phát triển Tribology gắn liền với phát triển công nghiệp vào cuối kỷ 18 lớn mạnh công nghiệp khai thác dầu Anh, Mỹ, Cannada Vào năm 1668, Isaac Newton phát định luật dòng chất lỏng nhớt, đến cuối kỷ 19 người ta hiểu rõ chất khoa học vấn đề ổ 10 Luận văn Thạc sĩ khoa học endif enddo xp(i)=(1-new)*xp(i)+new*(b(i)-sor)/a(i,i) if (mode(i,k1-1)==0) then ttt=i/(k1-1) if (xp(i)>=1.) then g(ttt+1,k1)=1 else g(ttt+1,k1)=0 endif else ttt=int(i/(k1-1)) if (xp(i)>=1.) then g(ttt+2,mode(i,k1-1)+1)=1 else g(ttt+2,mode(i,k1-1)+1)=0 endif endif enddo end subroutine tinhvantoc(Pe,Re,R,C,k,k1,k2,w,x1,z1,y1,me,h,dh,as,f,f0,y,tin,ktfb,taitfb) parameter(pi=3.141592636) integer k,k1,k2,i,j,jj real*8 R,C,x1,w,omg,mein,z1,y1,dp1,dp2,t1,t2,t3,t4,t5,t6,phu1,tin real*8,dimension(100,2)::ham,ham1,ham2,ham11,ham21,hamw real*8,dimension(100,100)::as,dpx,dpz,h,f,f0,dh real*8,dimension(100,100,10)::me,a1,b1,c1,vtu,vtv,dvtux,dvtvz,vtw,y,Pe,Re real*8,dimension(100,100,10)::dvtuvy2,hstn 95 Luận văn Thạc sĩ khoa học real*8,dimension(8,8)::N11,dn1x,dn1z real*8,dimension(1000,8)::su,sv,sw,dsuvy2,shstn real*8,dimension(8,8)::N1h,dn1hx,dn1hz,dn1ht real*8,dimension(8,8,1000)::kptf real*8,dimension(1000,1000)::ktf,ktfb real*8,dimension(8,1,1000)::taipt real*8,dimension(1000)::taitf,taitfb integer,dimension(1000)::DKB omg=2*pi*w mein=0.039 !print*, x1,z1,y1 i=1,k+1 j=1,k1+1 as(i,j)=as(i,j)*C**2/(mein*omg*R**2) enddo enddo !print 837,(as(2,i),i=1,k1+1) !837 format(10F10.5) !print*, h(2,2)**2,Re(2,2,2) i=1,k+1 j=1,k1+1 jj=1,k2 ham1(jj,1)=(jj-1)*y1 ham1(jj,2)=jj*y1 ham2(jj,1)=1./me(i,j,jj) ham2(jj,2)=1./me(i,j,jj+1) ham(jj,1)=ham1(jj,1)*ham2(jj,1) ham(jj,2)=ham1(jj,2)*ham2(jj,2) call tichphan(ham,t1,jj) 96 Luận văn Thạc sĩ khoa học call tichphan(ham2,t2,jj) t1=t1*y1/2 t2=t2*y1/2 a1(i,j,jj)=(t1-(1-f(i,j))*t2)*h(i,j)**2 b1(i,j,jj)=t2/f0(i,j) !print*, a1(i,j,jj),b1(i,j,jj) enddo enddo enddo phu1=1 call hamdang(N11,dn1x,dn1z,phu1) !print 375,(dn1x(1,j),j=1,4) !375 format(4F20.8) i=1,k+1 j=1,k1+1 if (idk*m+2).and.(i