7. Các kết quả mới
1.6.2 Môi trƣờng làm việc máy CNC tại Việt Nam [43,44]
1.6.2.1 Đặc đi m khí hậu Vi t Nam
Nƣớc ta nằm hoàn toàn trong vùng nhiệt đới ở bán cầu Bắc nên khí hậu mang tính chất nhiệt đới, có nền nhiệt độ cao; đồng thời nằm ở rìa phía đông nam của phần châu Á lục địa thƣờng xuyên chịu ảnh hƣởng của gió Mậu Dịch (tín phong) và gió mùa Châu Á – khu vực gió mùa điển hình nhất trên thế giới, nên khí hậu có hai mùa rõ rệt mùa đông lạnh, khô và mùa hạ nóng, mƣa nhiều. Đặc biệt nƣớc ta tiếp giáp với Biển Đông nên khí hậu chịu ảnh hƣởng sâu sắc của biển, biển là nguồn dự trữ dồi dào về nhiệt ẩm, vì thế mà khí hậu nƣớc ta ôn hoà và mát mẽ hơn so với nhiều nƣớc cùng vĩ độ [43].
Việt Nam có bốn miền khí hậu và có sự phân hóa rất đa dạng và phức tạp theo hình dạng lãnh thổ, theo độ cao và theo mùa chủ yếu, bao gồm: Miền khí hậu phía Bắc, miền khí hậu phía Nam, miền khí hậu Trung và Nam Trung Bộ, và miền khí hậu biển Đông [42] nhƣ hình 1.32
40
Miền khí hậu phía Bắc: Miền này với đặc điểm của khí hậu cận nhiệt đới ẩm, mƣa hè
nóng và mƣa nhiều; mùa đông lạnh, ít mƣa về đầu mùa và có mƣa phùn về nửa cuối mùa. Độ ẩm trung bình hàng năm cao > 80%. Mùa hè kéo dài từ tháng 5 tới tháng 9, kèm theo mƣa nhiều, nhiệt độ trung bình 28,1 °C (vào tháng 6 – 7 có những ngày nhiệt độ lên tới 420C). Từ tháng 11 tới tháng 3 năm sau là mùa đông với nhiệt độ trung bình 18,6 °C (có những vùng xuống 00C nhƣ Sa Pa), dao động nhiệt độ lớn (>100C). Cùng với hai thời kỳ chuyển tiếp vào tháng 4 (mùa xuân) và tháng 10 (mùa thu), vùng bắc bộ có đủ bốn mùa xuân, hạ, thu và đông.
Miền khí hậu phía Nam: Miền này với đặc trƣng của khí hậu nhiệt đới gió mùa và cận
xích đạo, nền nhiệt cao và khá ổn định, nhiệt độ trung bình > 200C, dao động nhiệt độ thấp 3-50C. Độ ẩm trung bình hàng năm khoảng từ 80 - 82%. Khí hậu hình thành trên hai mùa chủ yếu quanh năm là mùa khô và mùa mƣa không có mùa đông lạnh. Mùa mƣa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 tới tháng 4.
Miền khí hậuTrungvàNam Trung Bộ: Đây là miền khí hậu chuyển tiếp giữa hai miền
khí hậu nói trên. Miền này lại có thể chia làm hai vùng:
Vùng Bắc Trung Bộ là vùng Bắc đèo Hải Vân đôi khi có thời tiết lạnh và có những thời kỳ khô nóng do gió foehn gây nên.
Vùng Duyên hải Nam Trung Bộ là vùng đồng bằng ven biển Nam Trung Bộ phía Nam đèo Hải Vân nóng quanh năm.
Một đặc điểm quan trọng của miền khí hậu này là mùa mƣa và mùa khô không cùng lúc với mùa mƣa và khô của hai miến khí hậu còn lại. Mùa hè, trong khi cả nƣớc có lƣợng mƣa lớn nhất, thì miền khí hậu này lại đang ở thời kỳ khô nhất.
Miền khí hậu biển Đông: Biển Đông Việt Nam mang đặc tính hải dƣơng và tƣơng đối
đồng nhất
1.6.2 .2 Môi trường là vi c áy CNC tại Vi t N
Với đặc điểm khí hậu nhƣ trên và điều kiện cơ sở vật chất nên hầu hết máy CNC đƣợc sử dụng ở Việt Nam đều đƣợc bố trí trong các nhà xƣởng với điều kiện môi trƣờng khí quyển có mức độ ổn định nhiệt và độ ẩm tƣơng đối không cao, môi trƣờng làm việc chƣa đƣợc quan tâm nhƣ khuyến cáo của nhà sản xuất. Các nhà xƣởng ở Việt Nam phần lớn thông thoáng với môi trƣờng khí quyển, sử dụng quạt để đối lƣu không khí. Do khí hậụ nƣớc ta là nhiệt đới ẩm gió mùa có sự biến đổi nhiệt và độ ẩm tƣơng đối lớn nên đã ảnh hƣởng rõ rệt đến tuổi thọ các máy CNC nói chung và các chi tiết cấu thành máy CNC nói riêng, cũng nhƣ làm giảm độ chính xác của chi tiết gia công.
41
Hình 1.33 Máy CNC làm việc tại Công ty cơ khí tại Việt Nam
Nhận xét chung: Nhiệt độ trung bình dao động 150
C÷500C, độ ẩm 51% † 99% là thông số giới hạn nhiệt ẩm biến thiên đặc trƣng cho khí hậu Việt Nam, các dữ liệu này sẽ đƣợc sử dụng để tổ chức thực nghiệm về ảnh hƣởng của nhiệt ẩm đến đặc tính ma sát của XLPTKN.
1.7 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc về đặc tính ma sát của xylanh – piston khí nén dùng cho máy CNC
XLPTKN là cơ cấu chấp hành, thành phần quan trọng của hệ thống truyền động khí nén đƣợc sử dụng rộng rãi bởi những ƣu điểm: Sạch, vô cấp tốc độ, đáp ứng nhanh, an toàn trong môi trƣờng cháy nổ… Trên thế giới, XLPTKN đƣợc nghiên cứu, thiết kế và kế chế tạo có nhiều chủng loại, đa dạng về kết cấu, hình dáng tùy theo yêu cầu truyền động.
Trong những năm gần đây vấn đề điều khiển chính xác của hệ thống tự động trong công nghiệp (hệ thống khí nén) ngày càng đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu và thử nghiệm nhằm nâng cao chất lƣợng của quá trình sản xuất.
Trong quá trình làm việc của XLPTKN luôn sinh ra lực ma sát trƣợt, gây cản trở chuyển động, là nguyên nhân chính gây khó khăn việc điều khiển chính xác vị trí và ổn định tốc độ. Việc nghiên cứu đặc tính ma sát trong XLPTKN nhằm nâng cao khả năng điều khiển chính xác vị trí và ổn định tốc độ, đã đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Lực ma sát trong cơ cấu máy nói chung hay trong XLPTKN nói riêng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: Áp suất p, tốc độ dịch chuyển v, chất bôi trơn, vật liệu gioăng làm kín, môi trƣờng …
42 Do đó để tính chính xác lực ma sát rất khó, hiện nay việc xác định lực ma sát trong XLPTKN thƣờng đƣợc xác định bằng thực nghiệm.
Ma sát trong XLPTKN thực chất là ma sát trƣợt giữa gioăng piston – thành xylanh và gioăng cần piston - cần piston [19, 22, 30, 31, 32, 50, 53, 58, 62]. T.Raparelli [58] đã tiến hành nghiên cứu đặc tính ma sát giữa gioăng piston và thành xylanh của XLPTKN. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm, đồng thời sử dụng phƣơng pháp mô phỏng số với các điều kiện làm việc của gioăng piston ở các tốc độ dịch chuyển, áp suất làm việc khác nhau trong điều kiện không bôi trơn, bôi trơn giới hạn, bôi trơn ƣớt của piston.
Hình 1.34: Kết quả thực nghiệm đo lực ma sát gioăng- xylanh [58]
Ở cùng điều kiện áp suất, lực ma sát tăng theo hàm mũ và mức độ tăng ít hơn tốc độ dịch chuyển. Lực ma sát khác nhau ở các điều kiện áp suất và tốc độ dịch chuyển khác nhau nhƣ hình 1.34.
Kết quả thực nghiệm cho thấy lực ma sát trong XLPTKN giảm khi piston đƣợc bôi trơn nhƣ hình 1.35. So sánh lực ma sát giữa thực nghiệm và mô phỏng trong điều kiện bôi trơn giới hạn là đồng dạng ở các tốc độ dịch chuyển khảo sát nhƣ hình 1.36. Đặc biệt mô hình này cho phép ƣớc lƣợng lực ma sát sinh ra giữa gioăng và thành xylanh ngay trong quá trình chuyển động của piston khi biết hệ số ma sát của cặp vật liệu
Hình 1.35: Kết quả mô phỏng lực ma sát ở
điều kiện bôi trơn khác nhau [58] Hình 1.36: So sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng [58]
M. GAWLIŃSKI [50] nghiên cứu ma sát và mòn của gioăng piston trong xylanh khí nén và ảnh hƣởng của ma sát và mòn tới quá trình làm việc của gioăng. Kết quả chỉ ra rằng
L ực m a sát (N) Vận tốc Áp suất khô L ực m a sát (N)
Bôi trơn giới hạn Bôi trơn ƣớt
---- Mô phỏng Thực nghiệm
43 mòn của gioăng phụ thuộc vào áp lực tiếp xúc và độ nhám bề mặt, mòn ổn định trên toàn bộ chu vi gioăng khi bán kính trung bình nhấp nhô nằm trong khoảng ̅
Bashir M. Y. Nouri [19, 22] đã xác định nguyên nhân gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác vị trí XLPTKN là lực ma sát trong quá trình làm việc. Tiến hành mô hình hóa hệ thống điều khiển vô cấp vị trí sử dụng xylanh khí nén có kể đến ma sát trong XLPTKN. Mô hình này có thể đƣợc sử dụng để mô phỏng một số hệ thống XLPTKN thực tế. Trong đó ma sát và dòng chảy khí nén là 2 thông số phi tuyến mạnh nhất của hệ thống đƣợc mô phỏng với 2 chế độ tiếp xúc ma sát cơ bản: dịch chuyển ban đầu và trƣợt hoàn toàn.
G. Belforte [30] đã đƣa ra thiết bị đo lực ma sát của XLPTKN, trong đó chuyển động của XLPTKN đƣợc điều khiển bằng xylanh thủy lực trong điều kiện vận tốc, áp suất và đƣờng kính xylanh thay đổi. Thử nghiệm cho thấy lực ma sát thay đổi tùy theo vị trí của xylanh và giữa các xylanh cùng thông số kỹ thuật nhƣ hình 1.37. Sự khác nhau của lực ma sát tùy theo vị trí của piston là do điều kiện ma sát khác nhau tại mỗi vị trí: Dung sai giữa xylanh và các gioăng, độ nhám của xylanh, lƣợng chất bôi trơn… dọc theo xylanh
Hình 1.37 Sự phân bố lực ma sát cho xylanh với các đường kính D=40(mm),
D=60(mm) và D=80(mm)[30]
Kết quả cho thấy lực ma sát là một hàm của tốc độ dịch chuyển và áp suất dẫn động (Pdr ) khi áp suất cản Prs = 0 Mpa. Lực ma sát tăng tuyến tính khi tốc độ dịch chuyển và áp suất dẫn động tăng, tỷ lệ tăng của lực ma sát lớn hơn khi tốc độ dịch chuyển và áp suất dẫn động lơn nhƣ hình 1.38.
Hành trình đi Hành trình về
44
Hình 1.38 Lực ma sát khi áp suất buồng cản =0 (Mpa)[30]
Khi thực nghiệm ở áp suất dẫn động Pdr = 0.6Mpa, lực ma sát trong XLPTKN là hàm của tốc độ dịch chuyển và áp suất của buồng cản. Lực ma sát tăng tuyến tính hơn với vận tốc, tỷ lệ tăng lực ma sát cao hơn khi áp suất buồng cẩn lớn nhƣ trên hình 1.39
.
Hình 1.39 Lực ma sát khi áp suất buồng dẫn động =6 (Mpa)[30]
Lực ma sát trong quá trình làm việc của XLPTKN gây trở ngại quá trình điều khiển chính xác vị trí. Để điều khiển dễ dàng hơn có thể làm giảm lực ma sát trong quá trình
Hành trình đi Hành trình về
Hành trình đi Hành trình về
45 chuyển động. Với mục tiêu cải thiện tính năng ma sát trong xylanh khí nén, từ đó nâng cao khả năng điều khiển chính xác vị trí cũng nhƣ vận tốc của xylanh khí nén.
Pedro Luís Andrighetto [53] đề xuất mô hình thực nghiệm để kiểm tra các hành vi ma sát của XLPTKN với kích thƣớc và các loại khác nhau. Nghiên cứu thực nghiệm đã tập trung vào việc điều tra các hành vi ma sát của khí nén trong điều kiện ổn định và đã chỉ ra rằng các đặc tính lực ma sát- vận tốc ở trạng thái ổn định của XLPTKN đƣợc biểu diễn bởi các đƣờng cong Stribeck.
Chang – Ho [32] đã bổ sung phụ gia nano oxit đồng (CuO) và phụ gia oxit Titan TiO2 vào dầu bôi trơn, sau đó xác định các thông số ma sát trong xylanh khí nén. Các thông số ma sát này đƣợc so sánh với các thông số ma sát tƣơng ứng trong trƣờng hợp không có chất phụ gia. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng phụ gia nano nói trên đã giảm đáng kể ma sát trong xylanh khí nén, cả ma sát tĩnh và ma sát động.
Chang – Ho [31] đã đề xuất một phƣơng pháp đo cũng nhƣ hệ thống đo tƣơng ứng để đo ma sát tổng cộng trong xylanh dƣới 2 trạng thái tiếp xúc: có chất bôi trơn và không có chất bôi trơn trong dải tốc độ 5mm/s -200mm/s. Kết quả thực nghiệm đã chỉ ra rằng đặc tính ma sát tĩnh và động tuân theo quy luật đƣờng cong Stribeck hình 1.40
Hình 1.40 Đồ thị lực ma sát phụ thuộc tốc độ trượt [31]
Tác giả chỉ ra rằng ở tốc độ dịch chuyển thấp xảy ra hiện tƣợng Stick-slip. Trong trƣờng hợp bôi trơn lực ma sát giảm so trƣờng hợp không bôi trơn. Sau khi đƣợc bôi trơn bằng mỡ, lực ma sát đã đƣợc giảm rõ ràng và sự khác biệt giữa lực ma sát tĩnh và ma sát động giảm xuống rõ rệt (Hình 1.41).
Hình 1.41 Đặc tính ma sát của gioăng A –PSD tại 50mm/s trong điều kiện không bôi
46 Xuan Bo Tran, Hideki Yanada [62] nghiên cứu hành vi ma sát động trong giai đoạn trƣợt của XLPTKN đƣợc thực nghiệm và mô phỏng bằng mô hình LuGre sửa đổi mới ở các điều kiện vận tốc và áp lực khác nhau. Kết quả cho thấy rằng có hiện tƣợng trễ ở tốc độ thấp, mối quan hệ lực ma sát – tốc độ – áp suất thay đổi tuyến tính khi tốc độ cao.
Nghiên cứu về độ ẩm ảnh hƣởng đến ma sát mòn đã đƣợc nhiều nhà khoa học đề cập đến. Các tài liệu [24, 25, 26, 45, 47,48, 49, 51, 52] chỉ ra rằng ma sát các cặp vật liệu có chuyển động tƣơng đối với nhau tăng lên khi độ ẩm tƣơng đối giảm. Độ ẩm tƣơng đối đƣợc nghiên cứu trong khoảng 60 ÷ 80% đặc trƣng của vùng khí hậu ôn đới.
Các nghiên cứu trên đây chủ yếu nghiên cứu đặc tính của ma sát trong XLPTKN với các yếu tố: p,v, chất bôi trơn… nghiên cứu ảnh hƣởng của môi trƣờng còn ít đƣợc đề cập đến và chủ yếu nghiên cứu trong vùng khí hậu ôn đới.