Việt Nam.
Tuổi thọ và độ tin cậy là hai khái niệm không thể tách rời. Một số máy, thiết bị đòi hỏi cao về độ chính xác và khả năng làm việc, không cho phép sự cố trong thời gian hoạt động quy định thì ý nghĩa độ tin cậy và tuổi thọ càng được khẳng định. Khi đó cần phải tính toán tuổi thọ các chi tiết, cụm chi tiết máy với các mức tin cậy lớn hơn, và hiện nay, các công thức trong các tài liệu kỹ thuật đã công bố đều xác định ở mức độ tin cậy 90%, Công thức tính tuổi thọ cho bởi ISO 3408 – 5 đã cập nhật và có tính tới hệ số độ tin cậy ở các mức 90%; 95%; ...; 99%. Tuy nhiên, khi làm việc ở các điều kiện môi trường khác nhau, mức độ ảnh hưởng các yếu tố cơ bản đến tuổi thọ sẽ khác đi. Tuổi thọ VMĐB khi làm việc
104
trong các điều kiện môi trường khác nhau cần được bổ sung hệ số đặc trưng cho điều kiện làm việc đặc biệt với mức độ tin cậy khác nhau. Như vậy, độ tin cậy và tuổi thọ của VMĐB mới được giải quyết.
Với hệ số tuổi thọ
đã được QHTN để tìm hàm hồi quy, tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 được tính theo công thức:
- khi không bôi trơn (4.8) Hoặc
- khi có bôi trơn (4.9) Theo số liệu thực nghiệm được tổng hợp thể hiện trong bảng 4.9, đã xác định được hàm hồi quy hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30, không bôi trơn mk. Để xác định độ tin cậy của mk cần tính độ lệch chuẩn của hệ số tuổi thọ VMĐB theo môi trường theo TCVN7699-2-30 và không sử dụng chất bôi trơn. Bảng 4.10 thống kê các hệ số tuổi thọ thực nghiệm để xác định độ lệch chuẩn Bảng 4.10Các giá trị xác định độ lệch chuẩn STN Tên thí nghiệm mk ( ̅̅̅̅)2 1 TN1 0,1312 0,0001039 2 TN2 0,1514 0,0001002 3 TN3 0,1481 4,548E-05 4 TN4 0,1385 8,351E-06 5 TN5 0,1372 1,793E-05 ̅̅̅̅ = 0,000275822 Độ lệch chuẩn hệ số tuổi thọ mk: * ∑ ̅̅̅̅ + = 0,0083 (4.10) Do độ tin cậy của thực nghiệm ở mức 95% (đáp ứng tiêu chuẩn Fisher với mức ý nghĩa 0,05), vì vậy độ tin cậy thực tế của hệ số tuổi thọ “mk” kể trên sẽ là tích độ tin cậy của thực nghiệm (95%) và độ tin cậy của tuổi thọ theo ISO.
Tra bảng Laplace để xác định hệ số zb ứng với các mức độ tin cậy [7]. Với độ tin cậy 95% của hàm hồi quy, zb=1,96
Khoảng giá trị của mk ứng với độ tin cậy 95%, được cho bởi công thức: ̂ ̂
105
Bảng 4.11 Khoảng giá trị ứng với các độ tin cậy thực tế
STT
Theo ISO Thực nghiệm Thực tế
Độ tin cậy Hệ số độ tin cậy Độ tin cậy Hê số tuổi
thọ bổ sung Độ tin cậy Hệ số tuổi thọ theo độ tin cậy
1 2 3 4 5 = 1 * 3 6 = 2 * 4 1 90% far = 1,00 95% ̂ 85,50 1,00.(̂ ) 2 95% far = 0,62 90,25 0,62.(̂ ) 3 96% far = 0,53 91,20 0,53.(̂ ) 4 97% far = 0,44 92,15 0,44.(̂ ) 5 98% far = 0,33 93,10 0,33.(̂ ) 6 99% far = 0,21 94,05 0,21.(̂ ) Tương tự, với =
= 1,68 tìm được từ (4.2), độ lệch chuẩn của hệ số tuổi thọ khi có bôi trơn: * ∑ ̅ + * ∑ ̅̅̅̅ + = 0,014 (4.12) Khoảng giá trị của m ứng với với các độ tin cậy thực tế thể hiện ở bảng 4.12 Bảng 4.12 Khoảng giá trị m ứng với độ tin cậy thực tế STT Độ tin cậy thực tế Hệ số tuổi thọ “m” 1 85,50 1,00 . (̂ ) 2 90,25 0,62 . (̂ ) 3 91,20 0,53 . (̂ ) 4 92,15 0,44 . (̂ ) 5 93,10 0,33 . (̂ ) 6 94,05 0,21 . (̂ )
106
KẾT LUẬN CHƢƠNG 4
Qua thực nghiệm và xử lý số liệu, kết quả thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng tải dọc trục, tốc độ quay đến mòn và tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường theo TCVN7699-2-30 đã dẫn đến các kết luận sau:
- Khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, công thức tuổi thọ theo ISO cần bổ sung thêm hệ số tuổi thọ môi trường m: “Lh mt= m.Lh iso”. Trong đó hệ số tuổi thọ môi trường khi có bổ sung bôi trơn là ̂ và được tính theo (4.3). Khi không bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ môi trường là ̂k và được tính theo (4.1).
- Công thức tính tuổi thọ của ISO có mức tin cậy 90%, khi yêu cầu mức độ tin cậy cao hơn thì phải nhân với hệ số độ tin cậy far [39]. Mức tin cậy của thực nghiệm là 95% (tiêu chuẩn Fisher): Độ tin cậy thực tế m là 86% tương ứng với mức tin cậy 90% của ISO; Độ tin cậy thực tế m là 94% tương ứng với mức tin cậy 99% của ISO.
- Tốc độ mòn VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, khi không bổ sung bôi trơn tính theo (4.6), khi có bổ sung bôi trơn tính theo (4.7). Trong đó, hệ số tuổi thọ giữa có bổ sung bôi trơn và không bổ sung bôi trơn =
= 1,68.
- Với mức tin cậy từ 86% đến 94%, khi không bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ theo môi trường của VMĐB “mk” tương ứng từ 1,00.(̂ ) đến 0,21.(̂ ); Khi có bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ theo môi trường của VMĐB “m” tương ứng 1,00.(̂ ) đến 0,21.(̂ ).
- So với VMĐB làm việc trong môi trường và bôi trơn theo quy định của ISO, VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30: Khi có bổ sung bôi trơn, lượng mòn tăng lên khoảng 1/0,2374 4,21 lần; Khi không bổ sung bôi trơn, lượng mòn tăng lên khoảng 1/0,1413 7,08 lần. Tương ứng là tuổi thọ VMĐB lần lượt giảm đi 4,21 và 7,08 lần.
107
KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN
Luận án đã thực hiện đầy đủ các nội dung nghiên cứu và đạt được mục đích đề ra. Những kết quả đạt được và đóng góp mới của đề tài cụ thể là:
- Môi trường nhiệt đới ẩm của Việt Nam đặc trưng bởi TCVN 7699-2-30 có ảnh hưởng rõ rệt tới tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB. Quy hoạch thực nghiệm với ước lượng chu kỳ lấy mẫu 24h là phù hợp. Thiết bị thí nghiệm, hệ thống đo có độ chính xác và độ tin cậy đáp ứng yêu cầu của quy hoạch thực nghiệm đo mòn VMĐB.
- Khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, công thức tuổi thọ theo ISO cần bổ sung thêm hệ số tuổi thọ môi trường m: “Lh mt= m.Lh iso”. Trong đó hệ số tuổi thọ môi trường khi có bổ sung bôi trơn là “̂”, tính theo (4.3). Khi không bổ sung bôi trơn là
̂k, tính theo (4.1).
- Công thức tính tuổi thọ của ISO có mức tin cậy 90%, khi yêu cầu mức độ tin cậy cao hơn thì cần bổ sung hệ số độ tin cậy far [39]. Với mức tin cậy của thực nghiệm là 95%: Độ tin cậy thực tế m là 86% tương ứng với mức tin cậy 90% của ISO; Độ tin cậy thực tế m là 94% tương ứng với mức tin cậy 99% của ISO.
- Trong môi trường theo TCVN 7699-2-30, tốc độ mòn VMĐB khi không bổ sung bôi trơn tính theo công thức (4.6), khi có bổ sung bôi trơn tính theo công thức (4.7). Trong đó, hệ số tuổi thọ giữa bổ sung bôi trơn và không bổ sung bôi trơn là = 1,68.
- Với mức tin cậy từ 86% đến 94%: Khi không bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ theo môi trường của VMĐB “mk” thay đổi tương ứng từ 1,00.(̂ ) đến 0,21.(̂ ); Khi bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ theo môi trường của VMĐB “m” thay đổi tương ứng từ 1,00.(̂ ) đến 0,21.(̂ ).
- So với VMĐB làm việc trong môi trường theo quy định của ISO, VMĐB làm việc trong môi trường theo TCVN 7699-2-30: Khi có bổ sung bôi trơn, lượng mòn tăng lên khoảng 4,21 lần; Khi không bổ sung bôi trơn, lượng mòn tăng lên khoảng 7,08 lần. Tương ứng là tuổi thọ VMĐB lần lượt giảm đi 4,21 và 7,08 lần.
KHUYẾN NGHỊ
Kết quả nghiên cứu cho thấy môi trường nhiệt ẩm biến đổi với biên độ và tốc độ lớn, (TCVN 7699-2-30 - môi trường đặc trưng của khí hậu Việt Nam, đặc biệt là miền Bắc Việt Nam) có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ và độ tin cậy. Cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của môi trường:
108
- Trong trường hợp chung, tuổi thọ và độ tin cậy tính toán theo tiêu chuẩn ISO khi VMĐB làm việc trong môi trường có tác động nhiệt ẩm theo TCVN 7699-2-30 sẽ bị suy giảm rõ rệt. Cần phải điều chỉnh bằng hệ số m để xác định chính xác hơn. - Có kế hoạch vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế phù hợp với điều kiện sử
dụng – điều kiện môi trường nhiệt ẩm.
- Lắp đặt và vận hành máy trong điều kiện môi trường sản xuất đảm bảo không trong phạm vi của TCVN 7699-2-30.
109
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Bùi Quý Lực (2006) Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[2]. Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy (2006) Tính toán ứng suất và tuổi thọ trong truyền đông VMĐB. Tuyển tập các bài báo khoa học Hội nghị khoa học lần thứ 20 – Đại học Bách khoa Hà Nội.
[3]. Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy (2007) Phương pháp tính toán, thiết kế và lựa chọn truyền động VMĐB. Tuyển tập công trình hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VIII.
[4]. Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy, Trịnh Đồng Tính (2007) Xây dựng cơ sở tính toán truyền động vít me ma sát lăn và chế tạo thử truyền động vít me ma sát lăn. Đê tài cấp Bộ B2007-01-30.
[5]. Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng (2005) Ma sát học. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[6]. Nguyễn Doãn Ý (2004) Độ tin cậy trong thiết kế chế tạo máy và hệ cơ khí. Nhà xuất bản Xây dựng.
[7]. Nguyễn Doãn Ý (2008) Giáo trình ma sát, mòn và bôi trơn Tribology. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[8]. Nguyễn Doãn Ý (2009) Xử lý số liệu thực nghiệm trong kỹ thuật. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[9]. Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn, Lê Văn Tiến, Trần Xuân Việt (1999) Sổ tay Công nghệ chế tạo máy – tập 1,2. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[10]. Nguyễn Minh Tuyển (2005) Quy hoạch thực nghiệm. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[11]. Nguyễn Thị Ngọc Huyền (2012) Nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của đường dẫn hướng ma sát lăn máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí.
[12]. Nguyễn Trọng Hiệp (2007) Chi tiết máy – Tập 1,2. Nhà xuất bản Giáo dục.
[13]. Phạm Đắp, Nguyễn Anh Tuấn (1983) Thiết kế máy công cụ - Tập 1,2. Nhà Xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
[14]. Phạm Văn Hùng, Nguyễn Phương (2007) Cơ sở máy công cụ. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
110
[15]. Tạ Duy Liêm (1997) Máy công cụ CNC và Robot Công nghiệp. Nhà xuất bản Đại học Bách Khoa.
[16]. TCVN 7011 – 1 (2007) Quy tắc kiểm máy công cụ - Phần 1 – Độ chính xác hình học của máy.
[17]. TCVN 7011 – 2 (2007) Quy tắc kiểm máy công cụ - Phần 2 – Xác định độ chính xác và khả năng lặp lại định vị của trục điều khiển số.
[18]. TCVN 7699 – 2 – 30 (2007) Thử nghiệm môi trường – Phần 2-30: Các thử nghiệm – Thử nghiệm Db: Nóng ẩm, chu kỳ (chu kỳ 12h+12h).
Tiếng Anh
[19]. A. Kamalzadeh, K. Erkorkmaz (2007) Compensation of axial vibrations in ball screw drives. Ann, CIRP 56 (1). pp.373 – 378.
[20]. A. Verl, S. Frey (2010) Correlation between feed velocity and preloading in ball screw drives. CIRP Annals – Manufacturing Technology.
[21]. Adolf Frank, Fritz Ruech Thermal errors in CNC machine tools. Forcus: Ballscrew expansion.
[22]. Amin Kamalzadeh, Daniel J.Gordon, Kaan Erkorkmaz (2010) Robust compensation of elastic derformations in ball screw drives. International Journal of Machine Tools & Manufacture.
[23]. C. C Wei, J. F. Lin, J.H Horng (2009) Analysis of ball screw with a preload and lubrication. Tribology International 42. pp.1816-1831.
[24]. C. L. Chen, M. J. Jang, K.C. Lin (2004) Modeling and high-precision control of a ball-screw-driven stage. Precision Engineering 28. pp.483-495.
[25]. C. W. Wei, J. F. Lin (2003) Kinematic ananlysis of the ball screw mechanism considering variable contact angles and elastic deformations. ASME J.Mech.Des. 125 (4) 717-733.
[26]. Canudas de Wit, Olsson H, Astrom KJ, Lischinsky P (1995) A new model for control of systems with friction. IEEE Trans Auto control 40(3) pp. 419-425.
[27]. Chin-Chung Wei, Ruei–Syuan Lai (2011) Kinematical analyses and transmission efficiency of a preload ball screw operating at high rotational speeds. Mechanism and Machine Theory 46. pp.880-898.
[28]. Chin-Chung Wei, Wei–Lun Liou, Ruei–Syuan Lai (2012) Wear analysis of the offset type preloaded ball-screw operating at high speed. Wear 292-293. pp.111-123.
111 [29]. Cnczone.com
[30]. D. Mundo, H.S Yan (2007) Kinematic optimization of ball screw transmission mechanisms. Mechanism and machine theory 42. pp.34-47.
[31]. FESTIGKEITSBERECHNUNG.
[32]. H. Weule, H. U. Golz (1991) Preload-Control in ball screw – A New Approach for Machine Tool Building.
[33]. Hiwin Technologies Company (2000) Ballscrews technical information.
[34]. Huang, H.-T.T. and Ravani, B (1995) Contact stress Analysis in Ball Screw mechanism Using he Tubular medial Axis Representation of Contacting Surfaces. Azarm, S. et. al., eds., Advances in Design Automation, Vol.1 Proc. ASME Design Engineering Technical Conferences, Sep. 17-20, Boston, 749-756.
[35]. ISO 3408-1-2006(E/F) Ball screw – Part1: Vocabulary and designation.
[36]. ISO 3408-2-1991(E) Ball screw – Part2: Nominal diameters and nominal – Metric series.
[37]. ISO 3408-3-2006(E) Ball screw – Part3: Acceptance conditions and acceptance tests
[38]. ISO 3408-4-2006(E) Ball screw – Part4: Static axial rigidity.
[39]. ISO 3408-5-2006(E) Ball screw – Part5: Static and dynami axial load ratings and operational life.
[40]. J. F. Cuttino, T. A. Dow, B.F. Knight (1997) Analytical and experimental identification of nonlinerities in a single –nut preloads ball screw. ASME J.Mech. Des. 119 (1) 15-19.
[41]. J.K. Lancaster. Areview of the influence of envirionmental humidity and water on friction, lubrication and wear.
[42]. J. Neubrand, H. Weiss (1995) Dry rolling wear of different materials induced by a non-uniform hertzian pressure ditribution. Surface and coatings technology 76-77. pp.462-468.
[43]. Jerzy Z.Sobolewski. Vibration of the ball screw drive (2012) Engineering Failure Analysis 241-8.
[44]. Josef Mayr, Jerzy Jedrzejewsky, Eckart Uhlmanm, M. Alkan Donmez, Wolfgang Knapp, Frank Hartig, Klaus Wendt, Toshimichi Moriwaki, Paulshore, Robert Schmitt, Chirstian Brecher, Timo Wurz, Konrad Wegener (2012). Thermal issues in machine tools. CIRP Annals – Manufacturing Technology.
112
[45]. Jui-Pin Hung, James Shih-Shyn Wu, Jerry Y. Chiu (2004) Impact failure analysis of re-circulating mechanism in ball screw. Engineering Failure Analysis 11. pp.561- 573.
[46]. K. Erkorkmaz, A kamalzadeh (2006) Hand bandwidth control of ball screw drives, Ann, CIRP 55 (1). pp.393 – 398.
[47]. K.K Varanasi, S.A Nayfey (2004) Dynamics of lead-screw drives: low-order modeling and experiments. ASME J.Dyn. Syst. Meas. Control 126 (2). pp.388 – 396. [48]. Ks-kurim.cz
[49]. Levit GA (1963) Recirculating ball screw and nut units. Machines and tooling XXXIV (4). pp.3-8.
[50]. Lin, M.C., Ravani, B., and Velinsky, S.A (1994) Kinematics of the ball screw mechanism. Journal of Mechanical Design, Transaction of the ASME, 116/3:849-855 [51]. M. F. Zaeh, T. Oertli, j. Milberg (2004) Finite element modeling of ball screw feed
drive systems. Ann. CIRP 53 (1). pp.289 – 292. [52]. Machineryselection.com
[53]. Markho PH (1988) Highly accurate formulas for rapid caculation of the key geomatrical parameters of elliptic Hertzian contacts. ASME Journal of Tribology. 109. pp.640-647.
[54]. Milwaukeemachining.com
[55]. Min-Seok Kim, Sung-Chong Chung (2006) Friction identification of ball-screw driven servomechanisms through the limit cycle analysis. Mechatronics 16. pp. 131- 140.
[56]. Mmsonline.com
[57]. Mohammad Asaduzzaman Chowdhury, Md. Maksud Helali (2006) The effect of frequency of vibration and humidity on the coefficient of friction. Tribology International 39. pp. 958-962.
[58]. Nakashima K, Tamaru Y, Takaguji K (2001) Ultraprecision positioning by preload changes of lead screw. JSME International Journal Series C;44(3). pp.808-815. [59]. Nchmf.gov.vn
[60]. NSK Motion and Control ( 2008) Precision Machine Components.
[61]. Nskeurope.com
[62]. Olaru D, Puiu GC, Balan LC, Puiu V (2006) A New Model to Estimate Friction Torque in a ball Screw System. Product Engineering 3. pp.333-346.
113 [64]. Pixgood.com
[65]. Rbrsi.com
[66]. Ro PI, Shim W, Jeong S (2000) Robust friction compensation for submicrom-eter positioning and tracking for a ball screw driven slide system. Prec Eng; 24. pp.160- 73.
[67]. Rotomek.com
[68]. Spath D, Rosum J, Haberkern a (1995) Kinematics, Frictional Characteristics and Wear Reduction by PVD Coating on Ball Screw Drives. Annals of the CIRP 44/1:349-352.
[69]. Steimeyer Catalog Introduction.
[70]. TBI Motion Technology Co.,LTD (2012) Ball screw catalog.
[71]. Thomson (2014) Precision screw.
[72]. U. Heisel, G. Koscák, T. Stehle (2006) Thermography – based investigation into thermarlly inducerd positioning errors of feed drives by example of a ball screw.
Ann, CIRP 55 (1) 423 – 426. [73]. Vi.wikipedia.org/wiki
[74]. Voer.edu.vn
[75]. W.Y.H. Liew (2006) Effect of relative humidity on the unlubricated wear of metals. Wear 260 720-727.
[76]. Weiku.com
[77]. Xuesong Mei, Maosaomi Tsutsumi, Tao Tao, Nuogang Sun (2003) Study on the Load Distribution of the Ball Screw with Errors, Mechanism and Machine Theory, Volume 38, Issue 11 pp.1257-1269.
[78]. Y. Altintas, A.Verl, C.Brecher, L.Uriarte, G.Pritschow (2011) Machine tool feed drives. CRIP Annals – Manufacturing Technology 60. pp. 779-796.
[79]. Z.Z. Xu, X.J Liu, H.K. Kim, J.H.Shin, S.K.Lyu (2011) Thermal errors forecast and performance evaluation for an air-cooling ball screw system. International Jounal of Mechine tools and Manufacture. 51. pp.605-611.
114
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Phạm Văn Hùng, Trần Đức Toàn (2011) Nghiên cứu thiết kế thiết bị khảo sát mòn vít me – đai ốc bi máy CNC dưới tác dụng của lực cắt. Kỷ yếu Hội nghị khoa học toàn quốc về cơ khí nhân dịp 55 năm thành lập trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. ISBN 978-604- 913-125-7. Trang 596-606. Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ.
2. Phạm Văn Hùng, Trần Đức Toàn (2013) Nghiên cứu xây dựng hệ thống đo mòn trong điều kiện nhiệt ẩm của vít me – đai ốc bi. Kỷ yếu Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về Cơ khí. ISBN: 978-604-67-0061-6. Trang 488-496. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
3. Tran Duc Toan, Pham Van Hung (2014) Experimental instrument and estimation method of axial wear of ball screw. PROCESSDINGS the 7th AUN/SEED – Net Regional Conference on Mechanical and Manufacturing Engineering 2014 (RCMME-2014). ISBN 978-604-911-942-2 pp. 181-184. Bach khoa Publishing House.
4. Tran Duc Toan, Pham Van Hung (2014) Effects of temperature and humidity on wear of ball screw. PROCESSDINGS the 7th AUN/SEED – Net Regional Conference on Mechanical and Manufacturing Engineering 2014 (RCMME-2014). ISBN 978-604-911- 942-2 pp. 176-180. Bach khoa Publishing House.