Nghiên cứu phân bố áp suất ổ thuỷ động trên thiết bị BK BDAS2005 với các vị trí cấp dầu khác nhau

Nghiên cứu phân bố áp suất ổ thuỷ động trên thiết bị BK BDAS2005 với các vị trí cấp dầu khác nhau Nghiên cứu phân bố áp suất ổ thuỷ động trên thiết bị BK BDAS2005 với các vị trí cấp dầu khác nhau Nghiên cứu phân bố áp suất ổ thuỷ động trên thiết bị BK BDAS2005 với các vị trí cấp dầu khác nhau luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

bộ giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hµ néi luận văn thạc sỹ khoa học nghiên cứu phân bố áp suất ổ thuỷ động thiết bị BK-BDAS2005 với vị trí cấp dầu khác ngành: Máy dụng cụ công nghiệp mà số: ngô việt dũng Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Văn Hùng hà nội 2006 Mục lục Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, bảng, hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chương 1: Sơ lược lịch sử phát triển Tribology 1.1: Mét sè nÐt vỊ Tribology tr­íc vµ sau Công nguyên 1.2: Nghiên cứu ma sát từ TK15 đến TK 20 1.3: Quá trình nghiên cứu từ TK 20 đến 1.4: Phân loại dạng bôi trơn Chương 2: Các phương trình thuỷ động 12 2.1: Phương trình Reynolds cho dòng chảy chiều 14 2.2: Phương trình Reynolds cho dòng chảy chiều 17 2.3 : ứng dụng phương trình Reynolds giải số toán 21 2.4 : Xử lý thiết kế ổ trượt 36 2.5: Những kết nghiên cứu thực nghiệm Thế giới 52 2.6: Một số dạng bôi trơn đĩa tròn, điều kiện biên Reynold 68 Chương 3: Thực nghiệm khảo sát trường áp suất ổ thuỷ động 3.1: Thiết bị BK-BĐAS 2005 78 3.2: Thực nghiệm khảo sát trường áp suất 89 Chương 4: Kết bàn luận Tài liệu tham khảo Phần phụ lục 95 Danh mục bảng: tt chương Chương trang Bảng 2.1: Tóm tắt giá trị thông số ổ Bảng 2.2: Giá trị thông số ổ trục dài vô hạn tên bảng Chương Bảng 3.1: Giá trị áp suất điểm đo Danh mục hình vẽ đồ thị: tt tên hĩnvẽ, đồ thị Hình1.1: Phân loại tương đối bôi trơn Hình2.1: Sơ đồ chủ yếu bôi trơn thuỷ động Hình2.2: Nguyên lý dòng chảy liên tục Hình2.3: ổ hẹp vô hạn Hình2.4: Profin màng dầu có dạng hàm số mũ Hình2.5: Sự thay đổi chiều dày màng dầu nhỏ Hình 2.6: Mặt phẳng cuối pâtnh trượt Hình 2.7: ỉ bËc Reyleigh H×nh 2.8: ỉ cã chiỊu réng hữu hạn 10 Hình 2.9: Đường cong tải trọng không thứ nguyên 11 Hình 2.10: ổ đỡ đơn giản 12 Hình 2.11: ổ đỡ có chiều dài L đường kính D=2R 13 Hình 2.12: Các thành phần lực 14 Hình 2.13: Sự tha đổi góc chất tải hàm số độ lệch tâm 15 Hình 2.14: Lưu lượng không thứ nguyên Q* 16 Hình 2.15: Phân bố áp suất không thứ nguyên P* 17 Hình 2.16: Độ lệch tâm tương đối 18 Hình 2.17: Ma sát ổ trục 19 Hình 2.18: Mô men ma sát không thứ nguyên trang 20 Hình 2.19: Các ổ trục gián đoạn 21 Hình 2.20: Các ổ đỡ phần 22 Hình 2.21: Cung cấp dầu ổ thông thường 23 Hình 2.22: Giới hạn làm việc ổn định 24 25 Hình 2.23a+b: Báo cáo Martin Garner, ( trÝch dÉn tõ J.A Williams, Engynering Tribology (1994) Published in the United States by Oford University) H×nh 2.24: Dự báo chiều dày màng dầu 26 Hình 2.25: Mô hình hai xylanh tải với bán kính R1 R2 27 28 Hình 2.26: Điều kiện Sommerfelds đầy đủ điều kiện biên Reynolds Hình 3.1: Sơ đồ động thiết bị BK-BDAS2005 29 Hình 3.2: Cụm ổ đỡ bôi trơn thuỷ động 30 Hình 3.3: Bản vẽ lắp thiết bị BK-BDAS2005 31 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý đĩa phát sung tranzito quang 32 Hình 3.5: Biểu đồ áp suất với tải trọng W=350N 33 Hình 3.6: Biểu đồ áp suất với tải trọng W=450N 34 Hình 3.7: Biểu đồ áp suất theo chu vi ổ 35 Hình 3.8: Vị trí cấp dầu đường tín hiệu 36 Hình 3.9: Biểu đồ áp suất điểm đo 37 Hình 3.10: Vùng cấp dầu tối ưu Phần phụ lục: 38 Hình P1: Sơ đồ tính toán ổ 39 Hình P2: Sơ đồ chân tín hiệu IC EM8450AP Lời cam đoam: Tôi Ngô Việt Dũng lớp cao học khí 2003 ngành Máy Dụng cụ công nghiệp Số hiệu học viên: 328 Tôi xin cam đoan: luận văn thạc sỹ, đề tài Nghiên cứu phân bố áp suất ổ thuỷ động thiết bị BK BĐAS với vị trí cấp dầu khác nghiên cứu, tham khảo tài liệu, Thầy giáo: T.S Phạm Văn Hùng Bộ môn Máy Ma sát Trường Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn Hà nội, ngày tháng 10 năm 2006 Người viết luận văn: Ngô Việt Dũng mở đầu Lý chọn đề tài Trong khoảng 30 năm trở lại đây, kỹ thuật ma sát bôi trơn tiếp nhận thành tựu lĩnh vực tìm hiểu chế mòn, ma sát tiếp xúc vật rắn, chế bôi trơn Trong thực tiễn đà xuất nhiều loại vật liệu có tính chống mòn ma sát cao, vật liệu bôi trơn tổng hợp có hiệu cao Xuất nhiều phương pháp công nghệ bảo đảm tuổi thọ ®é tin cËy cđa c¸c cơm m¸y, chi tiÕt m¸y sở mòn ma sát Công nghệ bôi trơn có ý nghĩa to lớn kinh tế quốc dân Phần lớn máy móc ( 85 90%) không tiếp tục làm việc nguyên nhân hao mòn chi tiết Hội nghị giảm mòn kỹ thuật tổ chức Mỹ năm 1976 kết ln r»ng: ViƯc øng dơng kü tht ma s¸t sÏ tiết kiệm cho nước Mỹ hàng năm từ 12 đến 16 tỷ đôla Báo cáo hội ma sát học nước Anh năm 1966 thừa nhận hàng năm hiệu kinh tế ứng dụng thành tựu kỹ thuật ma sát 500 triệu Bảng, tương đương với 2% thu nhập kinh tế quốc dân Nền công nghiệp Tây Đức chịu tổn thất to lớn ma sát mòn máy Tổn thất năm 1974 lên đến 100 tỷ Mác, chiếm 1% ngân sách Tôi chọn đề tài Nghiên cứu phân bố áp suất ổ thuỷ động thiết bị BK BDAS2005 với vị trí cấp dầu khác với lý mong muốn kết nghiên cứu góp phần cải thiện điều kiện bôi trơn thiết bị máy móc, kéo dài tuổi thọ cđa chóng, ®ång thêi chøng minh mét sè vÊn ®Ị lý thuyết bôi trơn thuỷ động Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Tribology định nghĩa ngành khoa học kỹ thuật cuả bề mặt liên quan chuyển động qua lại phương pháp lý thuyết thực nghiệm Nó xử lý lúc nhiều khía cạnh ma sát, bôi trơn, mòn Công nghệ bôi trơn chuyên ngành mang nhiều tính lý thuyết kết hợp thực tiễn Nói đến kỹ thuật bôi trơn ma sát nói đến ngành khoa học liên ngành mẻ, kỹ thuật ma sát ( Ma sát, mài mòn, bôi trơn) vấn đề có liên quan ( tuổi thọ, độ tin cậy) Bôi trơn thuỷ động dạng công nghệ bôi trơn mà phần lý thuyết đà có nhiều công trình khoa học nghiên cứu Tuy nhiên, lý thuyết thực tế nhiều vấn đề cần quan tâm giải Thiết bị thí nghiệm BK BDAS2005 đề tài nghiên cứu phân bố trường áp suất ổ thuỷ động thực nghiệm, với trợ giúp đắc lực công nghệ thông tin vào trình đo lường kỹ thuật Đó xu hướng tất yếu giai đoạn công nghiệp hoá đại hoá ngày Trong khuôn khổ luận văn này, đối tượng nghiên cứu trường áp suất ổ thuỷ động Mục đích b»ng thùc nghiƯm kiĨm chøng mét sè kÕt qu¶ lý thuyết, đưa số kết luận trường áp suất ổ Phạm vi phương pháp nghiên cứu tài liệu lý thuyết thực tiễn bôi trơn thuỷ động nước giới Thực nghiệm đo quan sát áp suất ổ thuỷ động trực tiếp thiết bị có thay đổi vị trí lỗ cấp dầu, đưa nhận xét thay đổi hình dạng, điểm cực đại biểu đồ áp suất ý nghĩa khoa học thực tiễn: Cơ sở lý thuyết hình thành áp suất ổ thuỷ động Phân tích số yếu tố ảnh hưởng đến biểu đồ phân bố áp suất khả tải ổ Thiết kế chế tạo thiết bị BK BDAS2005, tiến hành thực nghiệm khảo sát biểu đồ áp suất, đưa biểu đồ áp suất quanh chu vi ổ, từ rút kết luận cần thiết Trong trình nghiên cứu, hướng dẫn nhiệt tình Thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Văn Hùng nhóm nghiên cứu, đà hoàn thành luận văn Mặc dù đà cố gắng, luận văn không tránh sai sót Tôi xin góp ý, bảo Thầy Cô giáo bạn đồng nghịêp Tôi xin trân thành cảm ơn 3 chương Sơ lược lịch sử phát triển tribology ************* 1.1 Một số nét ma sát học từ trước công nguyên đến TK15 sau Công nguyên: Nền văn minh cổ mà lịch sử đà thành văn rõ ràng diễn Mesopotamia nghìn năm trước Có chứng rõ ràng họ đà phát triển biết đến số dụng cụ máy móc ma sát, mài mòn bôi trơn tinh vi Họ có xe ngựa có bánh bàn quay thợ gốm, vật dụng đòi hỏi phải dựa nguyên lý cổ trục quay Dấu vết vẽ tường Mesopotamia Ai cập đà diễn tả vận chuyển tảng đá lớn tượng Các thợ thủ công giai đoạn đà hiểu rõ vai trò bôi trơn việc giảm ma sát ván trượt tiếp xúc lăn Những chữ tượng hình Trung Quốc có từ thiên niên kỷ thứ trước Công nguyên tìm thấy cho thấy cỗ xe ngựa cổ có bánh xe quay thợ gốm sử dụng để nung cốc sứ thời điểm xuất vòng trục Trung Quốc vào năm 1500 năm 400 trước Công nguyên Công nghệ ổ trục Trung Quốc phát triển, trục làm đồng bôi trơn dầu thực vật mỡ động vật đà sử dụng cỗ xe ngựa chiến đấu Trong thời kỳ La Mà cổ đại ghi chép liên quan đặc biệt thiết kế ma sát, mòn bôi trơn Nó thể rõ vật dụng, vũ khí lại giai đoạn dụng cụ, máy móc thời kỳ Người Hy Lạp đà tích cực phát triển máy móc thiết bị khí Điều hiển nhiên để vận hành tốt, an toàn người ta đà phải quan tâm đến thiết kế trục bạc Máy tiện biết đến đà phát triển giai đoạn Một giá trị phát minh ý tưởng ma sát, mài mòn, bôi trơn công nghệ giai đoạn kỷ thứ sau Công Nguyên tìm thấy b¶n viÕt tay cđa Mascus Vitruvius Polo kü s­, kiÕn trúc người La Mà Những ghi chép ông đà bị suất thời kỳ tuyên chiến đế quốc La Mà Nhưng coppy đà tìm thấy vào kỷ thứ 15 coi có ảnh hưởng đáng kể đến phát triển kiến trúc ma sát thời kỳ phục hưng Một khảo cổ thú vị theo quan điểm môn học ma sát, mòn, bôi trơn tìm thấy vào cuối năm 20 hồ Nemi cách Rome khoảng 30 km xác tàu lớn tìm thấy ( có vào khoảng năm 50 sau Công nguyên) Trên số tàu người ta tìm thấy bánh xe gỗ ®­êng kÝnh mÐt, ®ã thÊy ỉ trơc vµ trục lăn Các sử gia theo cách không thống phát triển công nghệ ma sát diễn Tây Âu suốt thời kỳ Trung đại ( khoảng thời gian liên tục từ năm 400 đến năm 1450 sau Công nguyên) Mặc dầu xem không nghi ngờ phát triển vững xảy Trung Quốc thời gian Nhiều ý tưởng phát minh có nguồn gốc từ Đông trước đưa vào châu Âu Nhiều máy móc sử dụng suốt thêi kú Trung cỉ cã ngn gèc thêi gian sím Nó đà có đòi hỏi mẫu thiết kế ma sát, mòn bôi trơn tinh vi §ång hå treo t­êng lµ thµnh tùu kü tht nỉi bật kỷ nguyên Mặc dầu vài mẫu vật tồn tại, người ta liệu bạc lót trục đồng đa số trục chúng sắt có phải cặp trục bạc gốc chúng làm thêm sau 5 Tóm lại thời kỳ trước sau công nguyên tượng ma sát đà biết đến có nhiều ứng dụng sống hàng ngày Tuy nhiên, nghiên cứu mặt lý thuyết sơ đẳng, chưa có sở lý luận Về mặt lý thuyết phát minh thuộc Leonard Vinci (14521519) người Pháp, ông đà đưa hiệu ứng ma sát khái niệm hệ số ma sát 1.2 Nghiên cứu ma sát từ TK15 - TK20 Bắt đầu cho thời kỳ cần biết đến phát minh Leonard Vinci đà nói Ông phát minh sơ đồ nguyên lý nhằm giảm hệ số ma sát mà chúng có giá trị đến ngày Cuộc cách mạng khoa học lần thứ (1500 - 1750) ghi nhận bước phát triển quan trọng ngành ma sát khí, đáp ứng yêu cầu chế tạo trang thiết bị ngày phức tạp Tiêu biểu thời kỳ công trình Bernard de Berlidor ( 1697-1761) vỊ kü tht dÉn h­íng vµ nâng Euler (1707- 1783) tính toán hệ số góc ma sát hiệu ứng độ nhấp nhô bề mặt Công nghiệp phát triển với tốc dộ ngày cao đà đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu ứng dụng ma sát bôi trơn Vấn đề đặt đầy đủ công trình Charles Coulomb (1736 -1806): ma sát học đà kể đến tính chất vật liệu hiệu ứng bôi trơn, mối quan hệ tải trọng đặc tính tĩnh động cặp ma sát Từ ma sát học ngày nghiên cứu rộng sâu hơn; kể đến công trình G.A Him (1815 1890).N.P.Petrov (1826- 1920); B.Tower (1845- 1904) Trong lÜnh vùc b«i trơn học giai đoạn bật công trình việc mô hình hoá dòng chảy chất lỏng đơn giản Stokes, hình thành phương trình tổng quát chuyển động chất lỏng L.H.Navier (1785 - 1836), Lt ch¶y cđa J.M Poiseuille (1799- 1869) Và đặc biệt phương trình tổng quát tiếng bôi trơn thuỷ động công bố năm 1886 Osbome Reynolds ( 1842- 1912) Phương trình Reynolds đánh dấu bước phát triển nhảy vọt móng nghiên cứu bôi trơn Xuất phát từ phương trình Navier -Stokes với giả thiết dòng chảy màng dầu bôi trơn, dạng quen biết là: h ∂p ∂ ∂ ∂p   + 2V1  (h ) + (h ) = µ (U + U ) ∂x ∂z ∂z ∂x ∂x Lý thuyết Reynolds đà sử dụng rộng rÃi kỷ 20 việc nghiên cứu hệ bôi trơn: hệ thống ổ thuỷ động, bôi trơn thuỷ động đàn hồi, bôi trơn với chế dòng chảy vật liệu khác Hơn thúc đẩy lĩnh vức nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật bôi trơn hoá học, gia công khí, phưong pháp tính toán 1.3 Quá trình nghiên cứu từ kỷ 20 đến Nghiên cứu ma sát học ( Tribolygy) khoa học liên ngành đồng thời yếu tố ba lĩnh vực khoa học Bôi trơn, ma sát, mòn Thực chất nội dung nghiên cứu thành phần sống tức phận tiếp xúc có chuyển động máy móc thiết bị công nghiệp Kỹ thuật bôi trơn kể đến ngành nghiên cứu mạnh khoa học ma sát học Trước hết công trình xoay quanh phương pháp giải phương trình Reylolds Năm 1905 A.G.Michill (1890-1959) đà giảm áp suất phần biên màng dầu bôi trơn hai phẳng kích thước hữu hạn Vào năm 1904 người ta có phương pháp giải giải tích cho ổ dài vô hạn với điều kiện biên mang tên gọi tác giả hôm J.W.Sommerfield (1868- 1951) Tuy nhiên chưa tính đến gián đoạn màng dầu nên áp suất vùng màng dầu không thực tế ( áp suất âm) Năm 1914 L.F.Gumbel (1874-11923) đà đề nghị bỏ qua miền áp suất âm tính ổ Sau năm 1923 H.B Swift (1894 - 1960) đà xác định có vùng áp suất bÃo hoà dầu Đó sở cho thuật toán giải số Christopherson có từ năm 1941 Bằng phương pháp tương tự điện, năm 1931 A.Kingsbury (1863-1943) đà trình bày phương pháp giải gần phương trình Reynolds Đối với ổ có chiều dài nhỏ so với đường kính, giải ph¸p bá qua Gradien ¸p st theo chu vi cđa F.W.Ocvirk (1913-1967) đà đề năm 1953 Cuối giải tổng quát trọn vẹn phương trình Reynolds dạng vi phân đạo hàm riêng người ta sử dụng phương pháp số; phương pháp đà trình bày Cameron Wood năm 1949 qua Pincus, Raimondi Boyd năm 1958 Đến nhờ vào phát triển phi thường công cụ tính toán nên lời giải cho kết cấu bôi trơn đà giải nhanh chóng cho ứng dụng rộng rÃi tin cậy Các hiệu ứng khác bôi trơn ngày nghiên cứu cụ thể Mặc dù hiệu ứng nhiệt Kingsburry đề cập từ năm 1933 đến năm 1962 phương trình tổng quát thuỷ động viết lần đầu D Dowson Tuy nhiên để tính nhiệt cho tất trường hợp nội dung cần giải Việc sử dụng chất bôi trơn có chất nhớt thấp hay tăng tốc độ trượt bôi trơn thuỷ động sinh hiệu ứng làm thay đổi chế độ chảy màng dầu Các phân tích bôi trơn với dòng chảy xoắn rối thuộc nghiên cứu G.I.Taylor năm 1923 Công thức tính đến lực quán tính màng dầu trình bày Slezkin Targ năm 1946 D Wilcock năm 1950 Trong bôi trơn lưu biến động Tính chất chảy loại vật liệu đà đặc trưng luật Bingham từ đầu kỷ ứng dụng bôi trơn ghi nhận công trình R.Powell H Eyring năm 1944 A Sisko năm 1958 Có nhiều công trình nghiên cứu hiệu ứng chế dộ chảy màng dầu bôi trơn, phương trình mô tả dạng phi tuyến, nên việc xem xét hệ bôi trơn vấn đề thời Một dạng bôi trơn với tính đặc biệt bôi trơn thuỷ tĩnh khí tĩnh, bề mặt ma sát hoàn toàn bị tách rời, trạng thái tĩnh, màng chất lỏng cã Êp suÊt cao Nã cho phÐp sù chÝnh x¸c tin cậy thiết bị Năm 1917 L.Rayleigh đà giới thiệu tính toán khả tải mô men ma sát ổ trục bôi trơn thuỷ tĩnh Tuy dạng bôi trơn yêu cầu tổ hợp thiết bị thuỷ lực kèm theo, ngày ứng dụng phổ biến, đặc biệt với ổ trục chịu tải lớn đòi hỏi độ xác cao Trong trường hợp màng dầu bôi trơn có áp xuất đủ lớn gây biến dạng bề mặt ma sát, người ta có dạng bôi trơn thuỷ động đàn hồi Ví dụ bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lơn hay cặp bánh Cơ sở nghiên cứu trường hợp lý thut cđa H.R Hert (1857- 1894) víi tiÕp xóc ch­a có chất bôi trơn mô hình hoá dòng chảy tiép xúc hẹp Martin nawm 1916 Nó bổ xung tính toán Gatcombe Grubin năm 1946 Cũng nhờ vào phương tiện tính toán, song dạng bôi trơn phức tạp, nên tồn sai khác lý thuyết thực tế sở dạng bôi trơn mục đích hàng loạt nghiên cứu Nhằm tổng quát nội dung nghiên cứu bôi trơn, năm 1970, kết nghiên cứu M Godet cộng INSA Lyon (Pháp) với mô hình ba vật thể đặc trưng hai bề mạt ma sát, việc xác định đặc tính lớp vật liệu cho pháp xác định đầy đủ thông số toàn vùng tiếp xúc 9 1.4 Phân loại dạng bôi trơn Kỹ thuật bôi trơn lĩnh vực rộng Trước trình bày nội dung nghiên cứu khác xin đưa phân loại dạng bôi trơn theo quan niệm đại Theo dạng ma sát, ma sát khô đề cập phần mòn - ma sát có bôi trơn nửa ướt ( thường gắn với việc cung cấp dầu mỡ định kỳ) bôi trơn ướt Theo vật liệu bôi trơn có chất bôi trơn rắn (graphít) chất bôi trơn lỏng ( nước, dầu mỡ) chất bôi trơn khí Với bôi trơn ma sát ướt nghiên cứu nhiều có hai dạng chủ yếu bôi trơn thuỷ động bôi trơn thuỷ tĩnh Trong bôi trơn thuỷ động tuỳ theo số Reynolds R = Vh/à có bôi trơn tuyến tính, bôi trơn lưu biến động phi tuyến ( thường chất bôi trơn mỡ có R nhỏ hay độ nhớt cao) bôi trơn rối ( chất bôi trơn nước khí) Bôi trơn ¸p lùc cao sinh biÕn d¹ng cđa c¸ bỊ mặt ma sát có bôi trơn thuỷ động đàn hồi ( bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng) Ngoài để nâng cao số đặc tính kết cấu bôi trơn, kể hướng nghiên cứu quan trọng bôi trơn dùng bạc tự lựa, bôi trơn bề mặt bôi trơn không cứng tuyệt đối, trường hợp tải trọng thay đổi, ảnh hưởng nhiệt độ, Qua cách phân loại tương đối thấy rằng: nói chung kết cấu bôi trơn thường tổng hợp kiểu phân loại Do vậy, để tính toán kết cấu bôi trơn cần phải giải đồng thời nhiều toán liên quan 10 Hiện nay, giới đà có nhiều thiết bị nghiên cứu truờng áp suất ổ thuỷ động Trường áp suất ổ trực quan nhìn thấy nhờ thiết bị số hóa hiển thị máy tính cá nhân Tuy nhiên Việt nam hạn chế Về lý thuyết đà có nhiều tài liệu, sách, giáo trình đề cập đến việc hình thành phương trình thuỷ động, giải phương trình phương pháp số Trong luận văn lý thuyết đề cập tới việc hình thành phương trình Reynolds cách đơn giản nhất, chủ yếu tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng đến trường áp suất ổ như: hình dạng màng dầu, kích thước ổ, ảnh hưởng độ mảnh đến sức chịu tải, nhiệt độ dầu ổ làm việc v.v Trong phần thực nghiệm, tập trung nghiên cứu thiết bị tạo trường áp suất đưa thiết bị số hoá để hiển thị áp suất hình máy tính Phần thí nghiệm, sử dụng thiết bị để nghiên cứu thay đổi trường áp suất vị trí cấp dầu thay đổi, để từ đưa vị trí cấp dầu tối ưu 11 phân loại tương đối bôi trơn bôi trơn dạng ma sát khô nửa ướt vật liệu bôi trơn uớt rắn thủ (khÝ) ®éng Tun tÝnh láng khÝ thủ (khÝ) tÜnh Phi tuyến Chảy rối Thuỷ động Đàn hồi 12 chương 2: nghiên cứu ổ thuỷ động ********** Giới thiƯu chung: Trong mét sè tr­êng hỵp quan träng, cung cấp đủ chất bôi trơn, cấu, máy móc phải chịu tải trọng tác dụng, trượt bề mặt không mòn đến mức phá huỷ bề mặt Chất bôi trơn tác động theo hai hướng riêng biệt không loại trừ lẫn Chức chất bôi trơn cách ly vật lý bề mặt chất có tính dính kết đặt chúng, gọi màng nhớt có chiều dày lớn độ nhám bề mặt Trong ổ thuỷ tĩnh, màng hình thành bơm cung cấp từ bên ngoài, tạo thành màng phụ thuộc vào hoạt động liên tục nguồn lượng bên Trong ổ thuỷ động, trình hình thành màng dựa vào đặc điểm hình học chuyển động bề mặt Vai trò thứ hai chất bôi trơn tạo thêm màng mỏng bảo vệ bề mặt cho hai bề mặt rắn, ngăn cản hạn chế đến mức thấp việc tạo mối liên kết bám dính, tiếp xúc dẫn đến phá huỷ bề mặt chỗ có ma sát Nếu lớp bảo vệ có độ bền cắt tương đối thấp lực ma sát giảm gọi ma sát bôi trơn giới hạn Màng giới hạn nói chung mỏng, tồn màng phụ thuộc nhiều vào tương tác lý hoá thành phần chất bôi trơn bề mặt chi tiết Khả chịu tải ổ thuỷ động phụ thuộc vào chuyển động chất lỏng bôi trơn khe hở hình chêm tạo thành chuyển động bề mặt độ nhớt dầu áp suất tạo thành đẩy cách ly bề mặt phân cách chêm cân với tải Vấn đề cần phải nghiên cứu ổ thuỷ động thiết lập mối quan hệ vận tốc trượt, đặc điểm hình học bề mặt, đặc tính chất bôi trơn độ lớn tải trọng mà ổ chịu Hình (2.1) nguyên lý ổ thuỷ động Mặt cắt ngang chêm dầu kéo dài theo phương y, coi dòng chất lỏng theo phương 13 Phía phận cố định nằm nghiêng có chiều dài B Khi mặt phẳng phía di chuyển từ trái sang phải víi vËn tèc U, mµng chÊt láng cã chiỊu dµy h i cạnh trái ( lối dầu vào) có chiều dày h chỗ Hình (2.1b) biểu đồ phân bố áp suất chất lỏng nhớt Tải trọng đặt lên ổ đơn vị chiều dài ( theo phương Oy) W/L đường tác dụng lực đặt khoảng cách xB từ phía dẫn dầu vào Nói chung phân bố áp suất không B đối xứng nên Cần lưu ý rằng, sơ đồ (2.1) có góc chêm 1/4 độ tương đương 0,04 mm 10 mm Khả chịu tải ổ loại không phụ thuộc vào độ xác hình dạng độ nghiêng chêm dầu miền vào miềm ra, chúng bị ảnh hưởng tỷ số chiều dày màng dầu vào h i đầu h Coi dòng chảy dầu chảy tầng, tr­êng hỵp chiỊu réng cđa ỉ lín, ỉ quay nhanh tạo dòng chảy rối ảnh hưởng đến chế độ bôi trơn ổ Hình 2.1: a) Sơ đồ chủ yếu bôi trơn thuỷ động b) Đường cong áp suất nhận được,W/L tải trọng đơn vị chiều dài 14 2.1 Phương trình Reynolds cho dòng chảy chiều Khảo sát phân tố chất lỏng vô nhỏ vị trí h ( hình vẽ 2.1) Trong h chiều dày mảng mỏng chiều dài B, đầu vào có chiÒu cao h lèi cã chiÒu cao h o Hệ trục Oxy đặt vuông góc với hướng chuyển động màng mỏng ( Trùng với mặt cắt ngang dòng chảy) Điều cần thiết U> O Đặt đơn vị chiều sâu xét cân phân tử: p ì x ì z = ì z ì x x z Trong p ¸p suÊt chÊt láng vµ τ lµ øng suÊt tiếp bề mặt phân tử Do đó: p = x z (2.1-1) Trên sở chất lỏng chuyển động theo luật chảy Newtơn ( chất lỏng Newtơn) Gọi độ nhớt chất lỏng Ta nói r»ng øng st tiÕp tû lƯ víi gradien vËn tèc theo chiỊu z tøc lµ: ∂u τ =η ∂z (2.1-2) U vận tốc chất lỏng theo chiều x Thay vµo (2.1-1) ta cã: ∂p ∂ 2τ =η ∂x ∂z (2.1-3) Däc theo h, coi h lµ vô bé so với trục ox oy, coi áp suất p số theo chiều dày mỏng Do coi áp suất p phụ thuộc vào x, giá trị không phụ thuộc vào y z Phương trình (2.1-3) trở thành dp ∂ 2τ =η dx ∂z (2.1-4) 15 TÝch ph©n lÇn theo x ta cã: dp z ηu = + Az + B dx (2.1-5) A B số tích phân Chúng ta gán điều kiện biên chuyển động bề mặt để xác định số A B Đặt u= U z = 0, u=o z= h, thay vào (2.15) nên: u= dp  z z ( z − h) + 1 − U 2η dx  h (2.1-6) Sù ph©n bè tèc độ màng chất bôi trơn phân bố Parabol thĨ hiƯn ë sè h¹ng thø nhÊt cđa (2.1-6) tuyến tính số hạng thứ hai *) Giá trị lưu lượng: Lưu lượng dòng chảy q qua đơn vị diện tích mặt cắt ngang ( theo oy) tính tích phân xác định: h h dp Uh q = ∫ udz = − + dx 12 (2.1-7) Với chất lỏng không nén giá trị q tất tiết diện kể theo phương x Khi h chiều dày màng mỏng đầu vào lớn chiều dày màng mỏng h o đầu ra, nã kÐo theo mét gradien ¸p st cã thĨ x¸c định đầu ra, tương đối Sự phân bố áp suất nhận thấy giống biểu đồ (h.2.1b) Tại điểm có chiều dày màng mỏng h mà dp dx = , áp suất đạt cực đại, (2.1-7) viÕt: Uh  q=    (2.1-8)a 16 Tõ ®ã: (2.1-8)b q = Uh Trong ®ã U cã thể hiểu vận tốc ngang, trường hợp đơn giản U đơn giản U/2 Khi bề mặt chuyển động số trường hợp khác cần xem xét U xác Biến đổi vế phải (2.1-7) kết hợp với (2.1-8b): dp hh = 12U dx h3 (2.1-9) Đây dạng công thức sơ đẳng hữu ích thường trích dẫn phương trình Reynolds cho dòng chảy chiều Vấn đề chủ yếu tích phân cổ điển phương trình bôi trơn thuỷ động (2.1-9) cho màng mỏng mối quan hệ hàm số h với trục x, ảnh hưởng tới phân bố áp suất Tích phân lần toàn diện tích ổ, sau cung cấp giá trị thông dụng ( điều kiện biên) cho khả tải ổ Các giả thiết phương trình Reynolds chiều Để có lý luận cần giả thiết sau: Chất lỏng không nén Chất lỏng Newton Độ nhớt số Bỏ qua lực khối lực quán tính Bề mặt ổ không bị biến dạng áp suất không thay đổi theo chiều dày màng dầu Bề mặt vật rắn nhẵn 17 2.2 Phương trình Reynolds cho dòng chảy chiều Để thuận tiện cho việc phân tích phương trình ổ thuỷ động ngắn có chiều dài hữu hạn, hình dáng hình häc cđa ỉ lÉn trơc quay lµ thiÕt u tíi dạng phương trình Reynolds Xem hình (2.2) ta thấy cét chÊt láng víi h­íng δx vµ δy n»m bề mặt: 2, bề mặt ngăn cách màng chất lỏng có chiều cao h Mặt phẳng phía chuyển động ngang có chuyển động thẳng đứng W2 Mặt phẳng phía có chuyển động nằm ngang với tốc độ U V theo trục ox oy, đồng thời với vận tốc thẳng đứng W1 Hình 2.2: Nguyên lý dòng chảy liên tục - Phương trình Reynolds cho dòng chảy chiều Giá trị lưu lượng đơn vị chiều rộng theo trục Ox lµ q x theo trơc Oy lµ q y Như giá trị lưu lượng chảy khỏi phân số chất lỏng là: q y q x ì δx × δy + × δy × δx ∂x ∂y (2.2-1) Lưu lượng phải cân với lượng chất lỏng bị ( giảm sút) cho phân tố Nh­ vËy: 18 ∂q y ∂q x × δx × δy + × δy × δx = (W1 − W2 )δxδy ∂x ∂y (2.2-2) Suy ra: ∂q x ∂q y + + (W1 − W2 ) = ∂x ∂y (2.2-3) Theo lý luận chương (2.1) : ảnh hưởng liên quan giá trị lưu lượng gradien ¸p suÊt ta cã thÓ viÕt: qx = − h ∂p + Uh 12η ∂x h ∂p qy = − + Vh 12η ∂y (2.2-4) Thay thÕ (2.2-3) vào (2.2-4) ý rằng, bề mặt cứng chắc, thành phần vận tốc tiếp tuyến có thĨ n»m ë c¸c to¸n tư kh¸c, dÉn tíi kÕt qu¶ sau:  ∂h  ∂  h ∂p  ∂  h ∂p  ∂h + (W2 − W1 ) +V  +   = 12U ∂x  η ∂x  ∂y  η ∂y  y x (2.2-5) Từ dạng phương trình vi phân thuỷ động đơn giản này, chúng hỗ trợ việc tính khả tải ổ Tính nhớt bôi trơn coi số, đưa dấu tích phân Do đó:  ∂h  ∂  ∂p  ∂  ∂p  ∂h +V + (W2 − W1 ) h + h  = 12η U ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂y  ∂x  (2.2-6) Sè h¹ng (W - W ) cïng víi biểu thức lưu lượng làm cho chiều cao cột chất lỏng thay đổi viết dh/dt, có nghĩa tạo áp lực màng mỏng Khi ổ quay đều, giá trị tiến tíi Tuy nhiªn nã rÊt quan 19 träng víi ý rằng, vị trí thực tế, điều kiện trạng thái không ổn định ( không đặn) áp lực màng mỏng khác không Tích phân phương trình Reynolds chiều khó khăn Trong phần lớn trường hợp thực nghiệm quan tâm đến, tính gần phương trình (2.2-6) cho kết chấp nhận đơn giản hoá phương trình cách chọn trục điều khiển Như vậy, coi vận tốc ngang V Thêm nữa, 12 U đặt số hạng: h x hay thường cho giới hạn áp suất màng mỏng tiến tới Như phương trình trở thành: p ∂  ∂p  dh h + h  = 12ηU ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  dx (2.2-7) Như đà nói (2.2-7) dạng phương trình Reynolds tổng quát cho dòng chảy chiều Nó sáng sủa ổ dài theo chiều trục Oy, chiều dài coi tới vô hạn Khi chảy chiều trục q y gradien áp suất dp/dy Trường hợp (2.2-7) trë thµnh: dh ∂  ∂p  h  = 12ηU dx ∂x  ∂x  (2.2-8) TÝch ph©n theo Ox dÉn tíi: dp h−h = 12ηU dx h3 (2.2-9) h giá trị chiều cao màng mỏng gradien áp suất tiến tới Chúng ta lại trở lại phương trình cho dòng chảy chiều đơn (2.1-9) Thực tế, thường dùng ý nghĩa phương trình ổ dài vô tận, hướng dài theo chiều trục ( vuông góc với vận tốc dài) lớn lần so với hướng ngắn ( theo chiều vận tốc dài) 20 ổ ngắn vô hạn: ( hẹp vô hạn) Ngược lại với trường hợp lý tưởng ổ ngắn vô hạn ổ giới hạn Khi không quan tâm tới phần tử (2.2-7) so sánh với phần tử thứ hai Trong thực tế, điều tức chiều dµi L theo h­íng Oy lµ rÊt nhá so víi phương B Vì gradien áp suất trở lên lín Tøc lµ : VËy: ∂  ∂p  dh h  = 12ηU ∂y  ∂y  dx ∂p ∂p 〉〉 ∂y ∂x (2.2-10) NÕu h, chiỊu dµy chÊt láng kh«ng phơ thc theo y Chóng ta cã thÓ viÕt r»ng: d p 12ηU dh = dy h dx (2.2-11) Phương trình nhiểu phương trình Ocvit, tích phân dẫn tới 12U dh y (2.2-12) + Ay + B h dx Với A B số tích phân Nếu đặt gốc toạ độ ¸p P= suÊt p = t¹i y = + L/2 Phương trình (2.2-12) trở thành: 12U dh L2  P= y −  4 h dx Hình 2.3: ổ hẹp vô hạn, hướng L nhỏ so với hướng B (2.2-13) 21 Mô đen liên tưởng tới phân bố áp lực chất lỏng theo đường phân bố parabol theo trục Oy Chúng ta thấy tích phân đơn sử dụng hợp lý cho ổ coi ổ hẹp ( vÝ dơ nh­ víi tû lƯ chiỊu dµi so víi chiều rộng nhỏ 1/4) 2.3 ứng dụng phương trình reynolds giảI số toán đặc trưng với ổ bạc trượt, chiều rộng vô hạn 2.3.1 Màng dầu có prôfin dạng hàm số mũ Một ví dụ ứng dụng phương trình ReynoIds xem xét trường hợp màng dầu hình chêm bề mặt trượt chuyển động cố định, mà mặt nghiêng biểu diễn hàm số mũ hình (2.4) Mặc dù khó chế tạo ổ dạng Hình 2.4: Profin màng dầu có dạng hàm số mũ 22 Màng dầu kéo dài từ -B>x>O có chiều dày h i đầu vào h đầu Giả sử chiều rộng ổ L theo phương y L > B Vì vậy, giả thiết đầu tiên, coi ổ rộng vô hạn theo phương vuông góc với mặt giÊy Däc theo khe hë ỉ trơc, chỊu dµy mµng phụ thuộc vị trí x theo phương trình sau: (2.3-1) h = h0 exp(−αx) ®ã: α= hi ln B h0 NÕu chóng ta gi¶ sư dP/dx = h = h (2.3-2) toạ độ x có giá trị x , U = U/2 phương trình Reynold (2.1.9) trở thành phương trình: h0 dp = exp(2αx) − exp(−αx ) exp(3αx) 6Uη dx (2.3-3) TÝch phân phương trình (2.3-3) theo biến x: h0 exp(2x) exp(x ) exp(3αx) P= − +C 6Uη 2α 3α (2.3-4) Mặc dù phương trình có số tích phân C có hai điều kiện biến, cụ thể áp suất đầu vào đầu Từ điều kiện tìm C x, vị trí áp suất cực đại ( h giá trị chiều dày màng dầu điểm này) Tại mặt cắt đầu vào ổ x = -B p = đầu x = vµ p = (2.3-5)a 23 NÕu kÝch th­íc B đủ lớn để đơn giản hoá điều kiện việc chọn áp suất x=-∞ Cịng nh­ ®iỊu kiƯn thø hai (2.3-5a) từ điều kiện tìm giá trị C h là: C= h = h0 V× vËy: 3Uη P = {exp(2αx) − exp(3αx)} h0 α (2.3-5) (2.3-6) §Ĩ thn tiƯn viết phương trình dạng đơn giản hay dùng dạng không thứ nguyên Gọi P* áp suất không thứ nguyên H tỷ lƯ chiỊu dµy mµng, suy ra: ph0 P = 6UηB Nh­ vËy: H= * P* = h1 h0 {exp(2x) exp(3x)} ln H (2.3-7) (2.3-8) Khả chịu tải đơn vị chiều dài ổ, W/L, tính từ tích phân sau: W Uη (2.3-9) = ∫ pdx = 2 L −∞ 2h0 Trong trường hợp chiều rộng B không xác định, theo phương trình (2.38) áp suất không thứ nguyên lµ: P* = ln H  [H ( H + 1) exp(3αx) − 1] exp(2αx) − H + H +1   (2.3-10) TÝch ph©n biĨu thức đưa tải trọng lực đẩy ổ, điều tạo định nghĩa tải không thứ nguyên W* là: Wh0 W = UB * Trong trường hợp : (2.3-11) 24 H −1 H ln H  − W =   ( H ln H )  H + H + 1 * (2.3-12) Dạng phương trình (2.3.12) cho thấy khả chịu tải W* đạt giá trị lớn vài vị trí đặc biệt H Đặt giá trị dW*/dH = H 2,3 điều kiện W* max = 0,165 Cũng tính giá trị gần lực tiếp tuyến cần thiết để trì màng dầu bề mạt ổ mối quan hệ chuyển động Khi chất lỏng Newton có độ nhớt không đổi, ứng suất trượt thấp, giá trị ứng suất tính theo công thức sau:  ∂u  τ z =0 = η   (2.3-13) z z =0 Trong u vận tốc chất lỏng, tính thheo phương trình (2.1-6) tõ ®ã ta cã: h  ∂u  Uη  − h  ∂z  z =0 τ z =0 = −  (2.3-14) Sư dơng biĨu thøc (2.3-6) cho thay đổi ấp suất dọc theo ổ tính đến biểu thức hàm số mũ cho chiều dày màng dầu (2.3-1) suy phương trình h0 z =0 = exp(2αx) − exp(αx) Uη (2.3-15) F/L lực tiếp tuyến đơn vị chiều rộng phân tố ổ ngoại lực cần thiết để trì chuyển động tưoưng bề mặt, tính tích phân ứng suất trượt tỉng chiỊu dµi cđa ỉ: F = τ z =0 dx L −∫∞ ®ã suy F 7Uη = L 4h0α (2.3-16) (2.3-17) 25 Tû lƯ cđa lùc tiếp tuyến tải trọng pháp tuyến , µ chÝnh lµ hƯ sè ma s¸t cđa ỉ trơc; tính theo công thức sau: à= F = h0 W (2.3-18) Phương trình viết là: à= 2 LU W (2.3-19) Đây đặc trưng tổng quát ổ thuỷ động, hệ số ma sát phụ thuộc vào bËc cđa biĨu thøc ( LUη / W ), giá trị hệ số phụ thuộc vào hình dạng hình học bề mặt 2.3.2 Màng dầu có profin mặt phẳng nghiêng Mặc dù dễ phân tích màng dầu có hình dạng theo luật hàm mũ tính thực tiễn Profin đẫn đến sức chịu tải lớn Đơn giản hay dùng dạng hình học ổ trượt mặt phẳng nghiêng bạc cố định, biểu diễn hình (2.1) Phần không chuyển động phía chế tạo có độ nghiêng bề mặt định, góc nghiêng không thay đổi trình chế tạo Bề mặt phía di chuyển từ trái sang phải với vận tốc U, chất bôi trơn vào khe hở, giảm chiều dày từ hi đầu vào h0 đầu Giá trị hi h phụ thuộc vào điều kiện làm việc khác chúng h h = hi h0 lµ mét h»ng sè Thõa nhËn r»ng, ỉ kÐo dài vô tận theo phương Oy nghĩa dòng chất bôi trơn theo phương vuông góc với mặt phẳng Oxz 26 Chọn gốc toạ độ đầu vào ổ h chiều dày màng vị trí x, ®­ỵc tÝnh nh­ sau: h = h1 − hay ∆h x B h x = H − ( H − 1) h0 B (2.3-20) Trong H= h1/ h0 Để đánh giá phân bố áp suất tải trọng tác dụng theo phương pháp tuyến ổ phương trình (2.3-20) phải thay vào phương trình Reynold (2.1-9) víi U = U , cã thĨ viÕt nh­ sau: dp h−h = 6Uη dx h (2.3-21) Tích phân dễ dàng thực ý phương trình sau: Vì h dh = −( H − 1) dx B (2.3-22) dp − 6UηB h − h = dh ( H − 1)h0 h (2.3-22) Phương trình tích phân với điều kiện áp suất tới hạn p=0 hai điểm h= h h= h nên xt hiƯn: h= vµ p= 2h0 hi h0 + hi hi 6UηB ( H − 1) h0 + hi (2.3-23)  1  1   −  −   h h1  h0 h  (2.3-24) 27 Thay h phương trình tuyến tính (2.3-20) cho thấy thay đổi áp suất suất chiều dài ổ Để đơn giản dùng đại lượng áp suất không thứ nguyên p*, định nghĩa phương trình (2.3-7), phương trình trở thành: p* = ( H − 1)( B − x) x ( H + 1){BH − ( H − 1) x} ¸p suất đạt giá trị lớn p* = x=x (2.3-25) vµ h = h ( H − 1) H ( H + 1) và: (2.3-26) Vị trí điểm mà áp suất không thứ nguyên đạt giá trị lớn vượt nửa chiều dài bạc, đó: x H = & H B ( H + 1) (2.3-27) Tích phân lần thứ phương trình (2.3-25) với giá trị x lấy tương ứng vị trí W/L, tải đơn vị chiỊu réng cđa ỉ, mèi quan hƯ nµy cã thĨ biểu diễn dạng không thứ nguyên sau: Wh0  ln H  = − W =   UηLB H −  H H + * (2.3-28) Tải trọng không thứ nguyên W* có giá trị lớn khoảng 0,16 xảy H đạt tới H =2,3, chiều dày màng dầu đầu vào 2,3 lần chiều dày màng dầu đầu ra, điều dẫn tới tối ưu hoá hình học bề mặt ỉ Khi cho t¶i träng lín nhÊt øng víi khe hở nhỏ hai bề mặt có khả giảm đến mức tối thiểu phá huỷ bề mặt nhờ di chuyển hạt bám dính, cào xước qua khe hở chất bôi trơn Nếu trọng tải tác dụng 28 lên ổ W lớn giá trị tối ưu, Wop giá trị khe hở nhỏ h giảm so với giá trị h 0P theo mèi quan hÖ sau:  2∆h / h0  ¦W ∆h )− = 22,2ln(1 +  Wop h h / h + ∆ 0   (2.3-29) Sù biÕn ®ỉi tû sè h / h 0P với W/Wo biểu diễn hình (2.5) điểm P miêu tả điểm chuyển động ổ điều kiện tối ưu có toạ độ (1,1) Tăng tải trọng ổ gấp lần giá trị khe hở nhỏ giảm khoảng 40% Hình 2.5 Biểu diễn thay đổi chiều dày màng dầu nhỏ h độ cứng k cho ổ nghiêng ứng với tải trọng thay đổi từ giá trị tối ưu W op 29 Từ độ dày màng dày thay đổi với thay đổi tải trọng ổ, có tác dụng lò xo cứng Sự có mặt lò xo cứng quan träng ®èi víi hiƯu st thủ ®éng cđa ỉ Phương trình độ cứng k, thay đổi khe hở đơn vị tăng tải trọng pháp tuyến, thu việc lấy vi phân phương trình (2.3-28) chọn độ cứng vững điểm làm việc P kop, tương ứng với trọng tải thay đổi độ cứng vững viết theo biểu thức sau: 3,44(∆h / h0 ) (4 + 3∆h / h0 ) k = k op (2 + ∆h / h0 ) (1 + ∆h / h0 ) (2.3-30) Sự thay đổi biểu diễn hình (2.5) Thay đổi áp suất bên ổ không đối xøng qua trung ®iĨm Sù biÕn ®ỉi thĨ hiƯn rõ ràng qua phương trình (2.3-7), điều cho thấy áp suất lớn đạt x > 0,5, đỉnh đường cong áp suất hình thành vị trí trước đầu ổ Vị trí trung tâm có biểu đồ áp suất vị trí tác dụng lực pháp tuyến W, xác định momen khoảng dẫn hướng hình chêm ổ Vị trí đường tác dụng cđa lùc W lµ x = χB chóng ta cã: B WB = pxdx (2.3-31) Kết gần cho phép xác định phạm vi khoảng giá trị hệ số H cho bảng (2.1) ứng với giá trị thực H, giá trị nhỏ 0,6 Giá trị lưu lượng chất bôi trơn đơn vị chiều rộng ổ q rút từ phương trình (2.1-8), (2.3-20) (2.3-23) Vậy có phương trình: q= Uh0 H H +1 (2.3-32) 30 Bảng (2.1) Bảng tóm tắt giá trị thông số ổ H, W*, F* x H 1,5 2,3 2,5 W* 0,13 0,159 0,160 0,158 0,148 0,124 0,104 0,087 F* 1,0 0,844 0,773 0,745 0,729 0,697 0,648 0,609 0,576 x 0,5 0,540 0,569 0,578 0,590 0,607 0,634 0,654 0,669 Có thể tính gần lực ma sát F, hay lực cản tiếp tuyến cản chuyển động ổ, với phương pháp tương tự tính cho màng dầu theo luật hàm mũ Trên đơn vị chiều rộng theo phương y, lực tiếp tuyến không thứ nguyên F* cần thiết để trì chuyển động viết sau: F* = Fh0   ln H = 4 −  BηUL  H − H + (2.3-33) Giá trị F* cho bảng (2.1) Hệ số ma sát ổ tính sau: F h0 F * µ= = W B W* (2.3-34) Cã thĨ chó ý tr­êng hỵp tèi ­u ( h=2,3), dựa vào bảng (2.1) tỷ lệ F*/W* khoảng 4,7 Trong ỉ ®ì h / B = 1: 2500 hệ số ma sát ổ là: µ= 4,7 = 0,002 (2.3-35) 2500 MỈc dï hƯ sè ma sát nhỏ so với giá trị ma sát trượt khô, tồn lượng giới hạn mòn máy móc màng mỏng chất bôi trơn Trong lần xấp xỉ thứ nhất, giả sử tất lượng di chuyển từ ổ vào màng dầu, bỏ qua nămg lượng nhiệt không đáng kể dẫn hay toả từ bạc thiết bị trượt Nó lý để tính gần , nhiệt độ tăng chất lỏng, với thông số vật lý thích hợp, cụ thể trọng lượng riêng 31 nhiệt dung riêng c đà biết Phương trình tốc độ truyền nhiệt dầu H H = F ì U = Lqρc∆Θ (2.3-36) Thay thÕ q,F vµ h , ta cã:  F * H + 1 W ∆Θ =  *  H  LB ρc W (2.3-37) Công thức rõ ràng, đơn giản mà cã thĨ øng dơng ®Ĩ tÝnh nhiƯt Trong thùc tế sử dụng phương pháp chuyên dụng để tính gần nhiệt độ chất bôi trơn Hình 2.6 Biểu diễn mặt phẳng cuối patanh trượt; a- Hình dạng hình học b- Thay đổi tỉa W*ở vùng kéo dài đo thông số hình học 32 Khi chuyển động trượt tương đối hai chi tiết ổ ngừng tất tải trọng thuỷ động tác dụng lên ổ trở ổ bị hỏng Với đặc trưng hình học đơn giản hình (2.1), thể rõ ràng ảnh hưởng quan trọng ngoại lực trọng tải pháp tuyến tác dụng lên ổ, chi tiết khối lượng ổ, tồn đỉnh nhọn cuối bề mặt đưa đến khả phá huỷ bề mặt Một giải pháp thực tế chế tạo bề mặt song song cuối cạnh sắc, biểu diễn hình (2.6)a, kết cấu đảm bảo an toàn tĩnh cho ổ Hình (2.6)b biểu diễn thay đổi tải trọng không thứ nguyên W* với kéo dài mặt phẳng Giá trị tối ưu ổ rộng không giới hạn xảy = 0,8, H = 2,25 W * = 0,192 2.3.3: ổ bậc Rayleigh Lord Rayleigh, năm 1918 sử dụng máy tính tương tự khảo sát hình dạng màng mỏng ổ bạc trượt dài vô hạn với tải trọng lớn đặt lên bậc song song ( hình 2.7) Đó thiết kế tiếng Rayleigh Hình: 2.7: ổ bậc Reyleihg: (a) Hình dáng hình học hai mặt cắt song song (b): Tải trọng W*với phần mở rộng tham số hình học 33 Để bắt đầu phân tích, cần ý màng mỏng hai mặt cắt đầu vào đầu song song suất phát từ phương trình Reynolds gradien áp suất mặt cắt đơn lẻ số áp suất dọc theo ổ bao gồm hai vùng thẳng hình 2.7b Từ ý nghÜa ®ã ta cã thĨ viÕt: Ps  dp  Ps  dp    =− vµ   = B0  dx   dx  i Bi (2.3-38) Ps ấp suất cực đại cđa bËc vµ B i vµ B lµ chiỊu dài đầu vào đầu vùng thuỷ lực Với chất lỏng không nén lý tưởng hoá ổ dài vô hạn, kéo theo q, giá trị lưu lượng dòng chảy đơn vị chiều rộng mặt cắt Phương trình (2.1.7) trở thành: 3 P dp Uh h  dp  Uh q = − i  + i = −   + o 12η  dx  12η  dx  (2.3-39) Thay trở lại (2.3-8) bố trí lại ta cã: 3 h0  U Ps  hi +   = (hi − h0 ) 12η  Bi Bo  Khi ®ã: Ps = P( H − 1) 6UηB0 H + P h0 (2.3-40) (2.3-41) H=h i /h P=B i /B W/L tải trọng đơn vị chiều rộng xác định tích phân biểu thức áp suÊt, suy ra: B Do vËy: W = ∫ pdx = Ps(Bi − B0 ) L 3P( H − 1) W UηB = L h0 2(1 + P)( H + P) Hoặc từ dạng tải trọng không thứ nguyên: (2.3-42) (2.3-43) 34 Wh0 3P( H − 1) W = = UηLB (1 + P)( H + P) * (2.3-44) ViÖc lùa chọn ổ bậc, thông số H có ích để thiết kế bước thứ hai Đó giá trị P, giá trị cần chọn Tỷ số P chiều dài hai mặt cắt song song Sự xuất khác W* đạt tới giá trị max t¹i: ( − 1) = 0,206 3 = 1,87 Khi đó: H =1+ Và: P = (5 + 3 ) / = 2,59 2.4 Những xử lý thiết kế ổ trượt 2.4.1 Hiệu ứng kích thước giới hạn: Trong nghiên cứu chương 2.3, đà lý tưởng hoá rằng: coi chiều rộng ổ vô hạn theo phương 0y, dòng chất lỏng qua khe hở ổ theo phương vuông góc với mặt 0xz Những ổ trục bạc có ý nghĩa thực tế chiều rộng hữu hạn, tất nhiên chất lỏng rò rỉ qua vùng này, thêm vào cạnh bạc áp suất giảm đến không, có nghĩa sức chịu tải ổ với chiều rộng hữu hạn thấp nhiều so với ổ có chiều rộng vô hạn Giải pháp tổng thể phân tích ổ với chiều dài hữu hạn đưa giải phương trình Reynolds cho dòng chảy hai chiều.Tải trọng pháp tuyến W* bạc có chiều rộng hữu hạn L tương tự phương trình (2.3-11) (W / L)h0 W = ηUB * (2.4-1) 35 W tổng trọng tải ổ Hình (2.8) thể hai mặt hoạt động ổ ngắn Mặt Q* phần chất lỏng vào khe hở ổ bị thất thoát từ khe hở cạnh chêm Một vài giá trị H liên quan với tăng mát qua khe hẹp, với L/B giảm Ví dụ, ổ hình vuông (L/B) = W* có giá trị lớn 0,07 có giá trị h=2,2; điều kiện khoảng 1/3 chất bôi trơn vào ổ bị rò rỉ từ cạnh ổ Hình 2.8 Biểu diễn ổ ngắn có chiều rộng hữu hạn Q* tỷ lệ chất lỏng rò rỉ từ cạnh ổ tải trọng không thứ nguyên W* hình độ cong đường phụ thuộc vào tû lƯ L/B 36 øng dơng phỉ biÕn nhÊt cđa ổ bạc chịu tải có khuynh hướng ổ đỡ chặn ổ trục quay Các bạc lót không hoàn toàn hình vuông hay hình chữ nhật, phổ biến hình quạt vận tốc trượt biến đổi theo chiều rộng bạc lót Trong trường hợp tải trọng không thứ nguyên là: (W / L) h0  (2.4-2) W =   ηRϖ  Rβ  Trong góc cung phần hình quạt bạc, R,L biến * đổi W* với tham số chều dày màng H hiển thị hình (2.9) Giá trị khoảng 800 đến 400 tương đương hệ thống có khoảng đến mưởng vòng chặn chế tạo r·nh v­ãi dung sai hỵp lý cã thĨ cung cÊp đuợc lưu lượng cần thiết Hình 2.9 Biểu diễn đường cong tải trọng không thứ nguyên cho ổ bạc chặn hình quạt 37 Hoàn toàn rõ ràng chất lỏng rò rỉ từ cạnh ổ có chiều rộng hữu hạn có ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải ổ Đối với ổ bạc hình vuông có khác giá trị W* bề mặt trượt nghiêng bậc Rayleigh 2.4.2 ổ đỡ thuỷ động Các ổ trục đỡ dạng chi tiết máy sử dụng rộng rÃi phận đỡ thuỷ động Dưới tác động tải, trục quay, ngoõng trục đỡ ống lót tròn có đường kính lớn Trong hình (2.10)a C tâm ngoõng trục đỡ O tâm ống lót hay ổ trục, c khoảng hở hay độ chênh lệch bán kính ngoõng trục ổ trục c biểu diễn lớn - thực tế thường nhỏ 1% bán kính ổ trục Xem xét tượng xảy trục đỡ mang tải theo phương W bắt đầu quay víi mét vËn tèc gãc nhá ω Hoµn toµn rõ ràng chất lỏng rò rỉ từ cạnh ổ có chiều rộng hữu hạn có ảnh hưởng lớn đến sức chịu tải ổ Đối với ổ bạc hình vuông có khác giá trị W* bề mặt trượt nghiêng bậc Rayleigh Hình 2.10: ổ đỡ đơn giản, ngoõng trục quay với tốc độ với : Không chất bôi trơn; b- Bôi trơn thuỷ động 38 Trục đỡ bề mặt ổ trục tiếp xúc điểm P lực tiếp xúc R sinh ngược chiều với tải W Lực R thường tách thành lực thành phần vuông góc với N F hình vẽ: N lực pháp tuyến F lực ma sát trượt P có độ lớn àN Độ cao điểm P phía điểm thấp ổ trục phụ thuộc vào độ lớn hệ số ma sát điểm tiếp xúc Để giữ trục chuyển động cần có mô men có độ lớn cân với hợp lực W R Xem xét hình vẽ thay đổi hai ổ trục cấp dầu bôi trơn tèc ®é cđa trơc ®ì ®đ ®Ĩ sinh hiƯu ứng thuỷ động Rõ ràng có chêm dầu hình thành khoảng hở mặt phía P: dòng chất lỏng đưa vào khoảng hở đẩy hai bề mặt chất rắn xa Tại số tốc độ điểm C thẳng bên tâm O ổ trục Tuy nhiên trường hợp đặc biệt; nhìn chung hình vẽ thể hình (2.10)b với C bên trái O Nếu độ lệch tâm hay khoảng cách hai tâm ổ trục trục đỡ ký hiệu e ta xác định tỷ lệ lệch tâm ( độ lệch tâm tương đối) mối quan hệ e (2.4-3) c Và khoảng cách nhỏ hai bề mặt rắn hmin cho bëi: ε= hmin = c- e = c (1- ) (2.4-4) Với mức độ xác đủ lơn cho phần lớn mục đích kỹ thuật, h liên quan đến vị trí theo chu vi phương trình: h = c ( + cos ) (2.4-5) Trong góc đo từ điểm dày màng dầu Đường OC vecto tải W không phương góc chúng gọi góc chất tải 39 2.4.2 a Giải pháp cho ổ thuỷ động ngắn Một thông số hình học quan trọng đặc tính ổ đỡ tỉ số chiều dài ổ trục với đường kÝnh cđa nã, L/D, ë h×nh (2.11) Trong thùc tÕ tỷ số thay đổi từ 1/8 ổ đỡ hẹp tới ổ trục vuông ổ trục có L/D= Hình 2.11 ổ đỡ có chiều dài L đường kính D=2R; ổ hẹp có L/D