1. ĐẶT VẤN ĐỀ
2.1.3 Tổng thể về tình hình hiện tại và xu hướng phát triển về lĩnh vực vòng
khí tĩnh
Vòng bi khí tĩnh, sử dụng màng khí nén có độ dày ở cấp độ micromet để hỗ trợ các bộ phận chuyển động và chống lại tải trọng bên ngoài, đã đạt được sự cải thiện hiệu suất đáng kể từ các khía cạnh của độ chính xác chuyển động, ma sát, ô nhiễm và tốc độ, so với vòng bi lăn chính xác. Do đó, vòng bi khí tĩnh đã được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như ngành dệt may [59], đóng gói và đóng gói [60], điện tử và chất bán dẫn [61], đo lường và máy công cụ siêu chính xác [62], máy tuabin [63], máy móc cho ngành công nghiệp thực phẩm [64], và ngành y tế [65]
Sự xuất hiện của công nghệ bôi trơn bằng không khí có thể bắt đầu từ năm 1828 khi Willis [66] thực nghiệm điều tra trạng thái luồng không khí giữa hai mặt phẳng song song. Vào cuối thế kỷ 19, Kingsbury [67] đã nghiên cứu các đặc điểm hỗ trợ của ổ trục khí bằng thực nghiệm, điều này đã chứng minh tính khả thi của ổ trục khí. Sau đó, nhiều bằng sáng chế về vòng bi khí đã được cấp trong đầu những năm 1900 [68] chẳng hạn như ổ đỡ lực đẩy không khí được thiết kế bởi Westinghouse [69] vào năm 1904 và ổ trục tạp khí tĩnh được thiết kế bởi Abbott [70] vào năm 1916. Tuy nhiên, trong những thập kỷ sau đó, chỉ có một số bài báo liên quan đến nguyên lý cơ bản của bôi trơn bằng khí được xuất bản [71]. Trong Thế chiến thứ hai, công nghệ bôi trơn bằng khí lần đầu tiên bùng nổ ở các nước phát triển như Hoa Kỳ, do nhu cầu từ năng lượng hạt nhân và các ngành công nghiệp quốc phòng [72]. Hệ thống ổ trục được yêu cầu phải hoạt động tốt và liên tục trong các điều kiện hoạt động có độ chính xác cao, nhiệt độ cao, ma sát thấp và tốc độ cao. Cụ thể, trong thiết bị hạt nhân, ổ trục được yêu cầu cho phép hệ thống lò phản ứng được niêm phong và không được giám sát trong hơn hai thập kỷ. Hơn nữa, nhiệt độ cao và chiếu xạ sẽ không có tác động trên chất bôi trơn của ổ trục [29]. Những nhu cầu này không thể được đáp ứng bởi vòng bi lăn thông thường hoặc vòng bi thủy tĩnh, nhưng vòng bi khí được coi là một ứng cử viên tốt để đáp ứng những nhu cầu này. Do đó, nhiều thí nghiệm đã được tiến hành và nhiều dữ liệu về thiết kế thí nghiệm đã được thu thập trong giai đoạn này, dẫn đến tiến bộ đáng kể trong việc phát triển công nghệ bôi trơn bằng khí. Từ những sự khởi đầu chuyên biệt này, vòng bi khí tĩnh đã được được thiết kế, sản xuất và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như máy khoan nha khoa tốc độ cao [73], máy mô phỏng không gian [74], máy chính xác công cụ và dụng cụ đo lường [75]. Từ những năm 1970 đến 1990, một số nghiên
cứu về công nghệ bôi trơn bằng khí đã được xuất bản, đánh dấu một thời kỳ trưởng thành về lý thuyết thiết kế của công nghệ bôi trơn bằng khí [71], [29], [76], [77].
Sau những năm 1990, nhu cầu ngày càng tăng từ cả hai lĩnh vực nghiên cứu khoa học và phát triển công nghiệp đối với tấm bán dẫn có độ chính xác cao, linh kiện quang học chính xác, khuôn mẫu chính xác, các bộ phận vi mô và cấu trúc vi mô, v.v. Điều này đã kích thích sự tiến bộ của công nghệ gia công siêu chính xác, đặc biệt là máy công cụ siêu chính xác. Nhu cầu về vòng bi khí tĩnh, một trong những thành phần quan trọng để cho phép gia công siêu chính xác, cũng tăng lên đáng kể do đó thiết kế và phát triển vòng bi khí hiệu suất cao ngày càng thu hút được sự chú ý. Khảo sát các yêu cầu làm việc cực kỳ cao của nó, bao gồm độ chính xác cao, độ ổn định cao và tốc độ cao hơn (thường hơn 10.000 vòng / phút), v.v. Vẫn còn nhiều thách thức để phát triển hiệu suất cao vòng bi khí tĩnh. Tất cả các hiệu suất tĩnh bao gồm khả năng chịu tải và độ cứng, đặc tính động, tính ổn định ở tốc độ cực cao và hiệu ứng tương tác khớp nối để truyền mômen đến trục, đều có tác động đáng kể đến hiệu suất tổng thể của vòng bi khí tĩnh.
Có thể tóm tắt các xu hướng ứng dụng của ổ trục khí trong ngành công nghiệp như sau, trước hết là trong ngành máy công cụ, hy vọng rằng khả năng chịu tải và độ cứng của ổ trục có thể được cải thiện hơn nữa để đáp ứng các yêu cầu của gia công thông thường; sau đó, trong kỹ thuật quang khắc và các ngành liên quan, cần có hệ thống dẫn khí để thực hiện điều khiển định vị ở cấp độ nano, do đó, rung động vi mô trong ổ trục không khí cần phải được triệt tiêu; cuối cùng, trong ngành công nghiệp vi mạch cần đảm bảo độ chính xác của quá trình gia công. Tuy nhiên, mặc dù sự phát triển đáng kể của công nghệ tiên tiến trong thiết kế và sản xuất vòng bi tĩnh, nguyên tắc thiết kế cơ bản vẫn chưa được hiểu đầy đủ, điều này hạn chế đáng kể việc cải thiện hiệu suất hơn nữa của vòng bi tĩnh. Do đó, để có thể nghiên cứu, phát triển và đổi mới ổ trục khí hiệu suất cao thế hệ tiếp theo, cần phải hiểu một cách toàn diện nguyên tắc thiết kế cơ bản của ổ trục khí.
Hiện tại, một số phương pháp số (bao gồm thuật toán đơn giản hóa kỹ thuật (Engineering Simplification Algorithm ESA), phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method FEM) và phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method FDM), Mô phỏng động lực học dòng chảy (Computational Fluid Dynamics CFD) và phương pháp ghép nối đa vật lý (Multi-Physics Coupling Method MPCM)) và phương pháp thực nghiệm đã được áp dụng để khảo sát tính năng của ổ trục khí tĩnh.
Trong khuôn khổ của luận án này sẽ nghiên cứu một số phương pháp đã nêu để thực nghiệm và khảo sát một số thông số của khí tĩnh như độ cứng vững của ổ và áp suất phân bố trên đệm khí…