Nghiên cứu phát triển một hệ thống giám sát các đặt tính áp suất và nhiệt độ của ổ đỡ thủy động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ***************************** PHẠM TRUNG THIÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MỘT HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁC ĐẶC TÍNH ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA Ổ ĐỠ THỦY ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN THỊ THANH HẢI LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Phạm Trung Thiên học viên cao học lớp 14BCDT.KH khóa 2014B Chuyên ngành : Cơ điện tử Đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống giám sát đặc tính áp suất nhiệt độ ổ đỡ thủy động Giáo viên hướng dẫn: TS Trần Thị Thanh Hải Tôi xin cam đoan nghiên cứu, thực nghiệm luận văn tác giả thực MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Lịch sử nghiên cứu Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận văn Tóm tắt điểm đóng góp tác giả 5.Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN 1.1 Giới thiệu 1.2.Một số nghiên thực nghiệm bôi trơn thủy động 1.3 Phƣơng trình Reynolds tổng quát 1.4 Phƣơng trình reynolds cho ổ đỡ thủy động 1.4.1 Chiều dày màng dầu 1.4.2 Phƣơng trình Reynolds 10 1.4.3 Điều kiện biên 11 1.5 Giải phƣơng trình reynolds cho ổ đỡ thủy động 12 1.5.1 Trường hợp ổ dài vô hạn 12 1.5.2 Ổ có chiều dài hữu hạn 23 1.5.3 Trƣờng hợp ổ ngắn 28 1.6 Kết luận 30 CHƢƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ Ổ ĐỠ THỦY ĐỘNG 32 2.1 Thiết bị thực nghiệm 32 2.1.1 Nguyên lý làm việc thiết bị thực nghiệm 32 2.1.2 Ổ đỡ thủy động 33 2.1.3 Hệ thống thủy lực 34 2.2 Hệ thống đo áp suất nhiệt độ ổ đỡ 37 2.2.1 Phƣơng án đo 37 2.2.2 Vị trí lắp cảm biến 38 2.2.3 Cảm biến áp suất MPHZX6400A 38 2.2.4 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 40 2.2.5 Vi điều khiển ATMEGA 42 2.2.6 Màn hình LCD 16x4 44 2.3 Ngôn ngữ lập trình thiết kế mạch 45 2.3.1 Sơ đồ thuật toán 45 2.3.2 Lập trình điều khiển 46 2.3.3 Viết chƣơng trình giao tiếp máy tính 50 2.3.4 Thiết kế mạch in ARES Professional 56 2.3.5 Kiểm thử hệ thống 56 2.4 Kết luận chƣơng 57 CHƢƠNG KẾT QUẢ ĐO ÁP SUẤT, NHIỆT ĐỘ MÀNG DẦU 58 3.1 Kết thực nghiệm 55 3.2 Kết luận 60 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 66 DANH MỤC HÌNH ÀNH Hình 1.1: Cảm biến áp suất đặt trục Hình 1.2: Cảm biến nhiệt độ đặt truyền Hình 1.3: Đo áp suất ổ chiều cao cột áp Hình 1.4: Hệ tọa độ Hình 1.5: Sơ đồ vị trí khởi động ổ Hình 1.6: Mặt cắt ổ đỡ Hình 1.7: Miền khai triển ổ Error! Bookmark not defined Hình 1.8: Dạng đường cong áp suất Error! Bookmark not defined Hình 1.9: Phân bố áp suất Error! Bookmark not defined Hình 1.10: Chia lưới miền khai triển ổ Error! Bookmark not defined Hình 1.11: Trường áp suất ổ đỡ Error! Bookmark not defined Hình 1.12: Phần tử nút Error! Bookmark not defined Hình 2.1:Sơ đồ nguyên lý thiết bị thực nghiệm Error! Bookmark not defined Hình 2.2:Chi tiết bạc trục Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thủy lực Error! Bookmark not defined Hình 2.4: Van phân phối Error! Bookmark not defined Hình 2.5:Van giảm áp Error! Bookmark not defined Hình 2.6: Van tiết lưu 36 Hình 2.7:Bơm bánh Error! Bookmark not defined Hình 2.8: Biến tần SE23400400 – LEROY SOMER 37 Hình 2.9 : Sơ đồ treo tải vị trí lắp đặt cảm biến 38 Hình 2.10: Cảm biến áp suất MPXHZ6400A 39 Hình 2.11: Dạng mạch điều khiển 39 Hình 2.12: Sơ đồ mạch điều khiển 40 Hình 2.13: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Error! Bookmark not defined Hình 2.14: Sơ đồ mạch điều khiển cảm biến nhiệt độ DS18B20 Error! Bookmark not defined Hình 2.15: Sơ đồ chân Atmega8 Error! Bookmark not defined Hình 2.16: Màn hình hiển thị Error! Bookmark not defined Hình 2.17: Sơ đồ thuật tốn 46 Hình 2.18: Giao diện Codevision AVR 47 Hình 2.19: Mạch nạp AVR 910 USB &Mạch nạp AVR ISP 47 Hình 2.20: Sơ đồ mạch mạch phần mềm Proteus 48 Hình 2.21: Giao diện phần mềm CodeVisionAVR 49 Hình 2.22: Biên dịch chương trình 49 Hình 2.23: Nạp chương trình vào vi điều khiển Error! Bookmark not defined Hình 2.24: Giao diện máy tính Error! Bookmark not defined Hình 2.25: Thiết kế mạch in ARES Professional Error! Bookmark not defined Hình 2.26: Khởi động mạch điện Error! Bookmark not defined Hình 2.27: Kết ảo với chương trình máy tính Error! Bookmark not defined Hình 2.28: Hệ thống đo áp suất nhiệt độ màng dầu ổ đỡ thủy động 53 Hình 3.1: Áp suất màng dầu theo màng dầu theo tải tác dụng tốc độ quay 400vg/ph 57 Hình 3.2: Áp suất màng dầu theo tốc độ tải 50N 58 Hình 3.3: Sự thay đổi nhiệt độ màng dầu với tải 3kg, 5kg, 7kg tốc độ 400 vg/ph 59 Hình 3.4: Sự thay đổi nhiệt độ màng dầu với tốc độ 200, 400, 600vg/ph tải 50N 60 PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ổ đỡ thủy động sử dụng phổ biến thiết bị máy móc cơng nghiệp Việc đảm bảo bơi trơn ổ q trình làm việc góp phần nâng cao độ tin cậy tuổi thọ thiết bị Các nghiên cứu bơi trơn ln có nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm tối ưu Do đó, việc xây dựng hệ thống đo xác định đặc tính bơi trơn (áp suất, chiều dày, nhiệt độ màng dầu, …) đóng vai trị quan trọng nghiên cứu thực nghiệm bôi trơn thủy động Hệ thống đo cần phải đảm bảo cho kết thực tế, giám sát đặc tính suốt q trình làm việc ổ Ngoài hệ thống đo cần đáp ứng yêu cầu việc thuận lợi dễ dàng cho người sử dụng, tức có tính tự động hóa Chính em chọn đề tài: " Nghiên cứu phát triển hệ thống giám sát đặc tính áp suất nhiệt độ ổ đỡ thủy động." Lịch sử nghiên cứu Việc đảm bảo bôi trơn cho ổ đỡ thiết bị máy móc góp phần nâng cao độ tin cậy tuổi thọ cho thiết bị Các nghiên cứu tính tốn lý thuyết bôi trơn cần kết hợp nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm tối ưu Do đó, cần phải xây dựng hệ thống đo để xác định đặc tính bơi trơn ổ Các hệ thống đo xây dựng để đo đặc tính ổ thực ổ thiết bị thực nghiệm Năm 1965, Cook [1] nghiên cứu đo quỹ đạo tâm trục ổ trục khuỷu động diezel xi lanh cảm biến điện từ, kết cho thấy biến dạng đàn hồi ổ thay đổi nhiều tải tác dụng lớn Năm 1973, Rosenberg [2] đo chiều dày màng dầu ổ đầu to truyền thông qua cảm biến Các kết đo cho thấy tương thích chiều dày màng dầu tải tác dụng Năm 1975, Good cộng [3] đo chiều dày màng dầu ổ đỡ trục khuỷu sáu điểm sáu cảm biến, chiều dày màng dầu đo phù hợp với chiều dày tính tốn Năm 2001, Moreau [4] tiến hành đo chiều dày màng dầu ba ổ đỡ trục khuỷu ổ đầu to truyền động xăng xilanh Các kết đo so sánh với tính tốn số cho kết tương thích Năm 2000, Optasanu [5] triển khai thiết bị thực nghiệm để đo áp suất ổ đầu to truyền làm vật liệu quang đàn hồi Tác giả quan sát phân tích xuất ứng suất truyền áp suất thủy động thay đổi Chiều dày màng dầu đo nhờ phân tích ảnh chụp màng dầu trình làm việc Năm 2012, Hoang [6] nâng cấp thiết bị đo chiều nhiệt độ màng dầu thông qua cảm biến nhiệt độ Ở Việt Nam, chưa có nhiều nghiên cứu thực nghiệm thiết bị thực nghiệm bôi trơn thủy động Năm 1999, Trần Thị Thanh Hải [7] xây dựng hệ thống thực nghiệm đo áp suất màng dầu ổ đỡ thủy động phương pháp đo chiều cao cột áp Năm 2005, Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo áp suất ổ thủy động dùng cảm biến tác giả Phạm Văn Hùng [8] Mục đích, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận văn Mục đích: Nghiên cứu phát triển hệ thống giám sát đặc tính áp suất nhiệt độ màng dầu ổ đỡ thủy động Đối tượng nghiên cứu: Ổ đỡ thủy động thiết bị thực nghiệm Phạm vi nghiên cứu: - Tổng kết nghiên cứu liên quan đến đề tài - Nghiên cứu bôi trơn thủy động - Thiết kế xây dựng hệ thống đo, khảo sát đặc tính áp suất nhiệt độ ổ đỡ thủy động chế độ tải trọng làm việc với tốc độ quay khác Đánh giá kết đo hệ thống giám sát Tóm tắt điểm đóng góp tác giả Luận văn trình bày gồm chương: Chương 1, Trình bày tổng quan bôi trơn lịch sử phát triển bôi trơn, phân loại dạng bôi trơn nghiên cứu nhà khoa học giới Phương pháp giải phương trình Reynolds tốn áp suất thủy động tính tốn đặc tính ổ thủy động Chương 2, trình bày thiết bị thực nghiệm gồm hệ thống khí với nguyên lý hoạt động thiết bị, hệ thống thủy lực gồm bể dầu, lọc dầu, bơm dầu, van giảm áp, van phân phối, van an toàn, van tiết lưu , hệ thống điều khiển hệ thống đo áp suất thủy động nhiệt độ màng dầu vùng chịu tải ổ Chương 3, đưa kết thực nghiệm sau tám lần đo lấy số liệu quy hoạch thực nghiệm xử lý số liệu, xây dựng biểu đồ áp suất thủy động nhiệt độ màng dầu giá trị vận tốc, tải trọng khác Tiến hành đo lấy kết xử lý số liệu thực nghiệm Đóng góp tác giả: Luận văn xây dựng thiết bị có hệ thống thủy lực làm mát dầu tuần hoàn ổ hệ thống đo áp suất nhiệt độ màng dầu thủy động cảm biến để đưa biểu đồ mơ máy tính hệ thống cảnh báo nhiệt độ vượt mức Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết với thực nghiệm: - Luận văn nghiên cứu tổng quan lý thuyết bôi trơn thủy động Trên sở giải phương trình Reynolds, tính đặc tính ổ khả tải, lưu lượng - Nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát áp suất nhiệt độ màng dầu ổ thủy động Tiến hành thực nghiệm đánh giá kết đo Chương 1: Tổng quan bôi trơn thủy động CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN 1.1 Giới thiệu Nghiên cứu bơi trơn cho tiếp xúc có bơi trơn giúp ta kiểm sốt q trình bơi trơn thời gian làm việc thiết bị Để thể gần với thực tế làm việc kết cấu, nghiên cứu bơi trơn cần tính đến hiệu ứng bôi trơn, hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng thủy động đàn hồi, … Việc phân tích bơi trơn thủyđộng cần tính đến đặc trưng màng dầu bơi trơn hai bề mặt tiếp xúc Đó là: - Áp suất màng dầu tạo chuyển động tương đối bề mặt tiếp xúc tải tác dụng - Chiều dày màng dầu bôi trơn định trường áp suất thủy động tác động lên bề mặt biến dạngnhiệt, đàn hồi, … phát sinh - Nhiệt độ màng dầu bề mặt tiếp xúc Các đặc trưng cho phép xác định đặc tính tiếp xúc (khả tải, lưu lượng dầu, công suất tổn hao, nhiệt độ màng dầu…).Áp suất chiều dày màng dầu thơng số phương trình Reynolds (dạng rút gọn phương trình học màng dầu) phương trình đàn hồi chi phối biến dạng bề mặt, phương trình nhiệt, … 1.2 Một số nghiên cứu thực nghiệm bôi trơn thủy động Việc đảm bảo bôi trơn cho ổ đỡ thiết bị máy móc góp phần nâng cao độ tin cậy tuổi thọ cho thiết bị Các nghiên cứu tính tốn lý thuyết bơi trơn ln cần kết hợp nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm tối ưu Do đó, cần phải xây dựng hệ thống đo để xác định đặc tính bơi trơn ổ Các hệ thống đo xây dựng để đo đặc tính ổ thực ổ thiết bị thực nghiệm Năm 1965, Cook [1] nghiên cứu đo quỹ đạo tâm trục ổ trục khuỷu động { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(100); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; } // function to put a interger (tempetature and pressure) void put_infor(unsigned char i) { switch(i) { 74 case 0: lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts(" ANALYSIS AND"); lcd_gotoxy(0,2); lcd_puts("EMBRACED SYSTEM"); break; case 1: lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts("CONNECT TO PC"); lcd_gotoxy(0,2); lcd_puts(" > CONNECTED"); break; case 2: lcd_clear(); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts("CONNECT TO PC"); lcd_gotoxy(0,2); lcd_puts(" > DISCONNECTED"); break; case 3: lcd_clear() ; lcd_gotox y(0,1); lcd_puts("CONNECT TO PC"); lcd_gotoxy(0,2); lcd_puts(" > SENDING"); break; case 4: lcd_clear() ; lcd_gotox 75 y(0,1); lcd_puts("CONNECT TO PC"); lcd_gotoxy(0,2); lcd_puts(" > SENT"); br e a k; } ; } // function to put a interger (tempetature and pressure) void pusart(unsigned int x){ unsigned char tem, temp; putchar('0'+x/100); temp=x/100; tem=xtemp*100; putchar('0'+tem/10); putchar('0'+tem%10 ); } 76 void put_valuetocom(unsigned int t1, unsigned int t2,unsigned int t3,unsigned int t4,unsigned int t5) { putchar('[');pusart(t1); putchar(';');pusart(t2); putchar(';');pusart(t3); putchar(';');pusart(t4); putchar(';');pusart(t5); putchar(']'); } // Declare your global variables here void main(void) { // Declare your local 77 variables here char display_buffer[33] ; unsigned char s, i , mode=0; unsigned p1,p2,p3,p4,p5; int unsigned int temp[5]; // Input/Output Ports initialization // Port B initialization Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTB=0x00; DDRB=0xFF; // Port C initialization // Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTC=0x00; DDRC=0x00; // Port D initialization 78 // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0x00; DDRD=0xFF; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer Stopped TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer1 Stopped // Mode: Normal top=0xFFFF // OC1A output: Discon 79 // OC1B output: Discon // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; 80 OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter initialization //Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off MCUCR=0x00; 81 // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x00; // USART initialization // Communication Parameters: Data, Stop, No Parity // USART Receiver: On // USART Transmitter: On // USART Mode: Asynchronous // USART Baud Rate: 9600 UCSRA=0x00; UCSRB=0xD8; UCSRC=0x86; UBRRH=0x00; UBRRL=0x33; // Analog Comparator initialization 82 // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC Clock frequency: 1000.000 kHz // ADC Voltage Reference: AREF pin ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x83; // SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization // TWI disabled TWCR=0x00; // Wire Bus initialization // Wire Data port: PORTC 83 // Wire Data bit: // Note: Wire port settings must be specified in the // Project|Configure|C Compiler|Libraries|1 Wire IDE menu w1_init(); // Determine the number of DS1820 devices // connected to the Wire bus ds1820_devices=w1_search(0xf0,ds1820_rom_codes); // check ADC devices for (i=0;i