1. ĐẶT VẤN ĐỀ
3.2.2Mô phỏng hóa các mô hình đã phân tích
Như trên đã phân tích các mô hình bản vẽ thiết kế và bản vẽ lắp của ổ khí quay. Trong mục này sẽ tiến hành mô phỏng quá trình hoạt động của ổ khí dựa trên các mô hình đã phân tích. Khí được cấp vào các sống dẫn qua lỗ tiết lưu ϕ0,5 với áp suất khảo sát đến 4 bar đi vào các rãnh khí và đi ra bề mặt đệm khí. Điều kiện lý tưởng để ổ khí hoạt động tốt nhất là khoảng đã khảo khe hở từ 1 ÷ 12µm. Điều kiện biên khảo sát cho các trường hợp:
Mô hình và điều kiện biên
Để làm sáng tỏ sự khác biệt về độ cứng của trục chính không khí, ba mô hình được đưa ra để mô phỏng.
Dựa trên các đặc điểm đã khảo sát, điều kiện biên được thiết lập càng gần càng tốt. Kích thước của khe hở không khí được mô phỏng trong các trường hợp thay đổi đến 12 μm. Sau đó, 4 bar và 0 bar (áp suất tương đối) được đặt lần lượt ở đầu vào và đầu ra. Trong gia công chế tạo ổ khí độ nhám giữa trục và bạc luôn tồn tại đáng kể. Do đó, ranh giới mô phỏng được giới thiệu với một con số về độ nhám bề mặt trung bình phù hợp: 0,32 micron trên các bề mặt trục và ổ trục không khí. Trong mô phỏng này, trục được thiết lập để quay với tốc độ khảo sát lên đến 20.000 vòng / phút. Không khí được sử dụng trong mô hình được đặt là thông thường nhất: 1,185 kG / m³ và 25 ºC. Bởi vì cuộc khảo sát không bao gồm truyền nhiệt, mô hình không khí được thiết lập là đẳng nhiệt. Hơn nữa, trong điều kiện ổn định, các lớp trong khe hở không khí được sắp xếp theo thứ tự; tuy nhiên, trật tự này bị phá vỡ khi vận tốc của không khí bên trong bắt đầu đạt cực đại ở một giá trị nhất định, và điều này xảy ra khi các lớp không khí hỗn loạn. Do những rối loạn này, mô hình nhiễu loạn k-epsilon đã được áp dụng để đảm bảo rằng mô phỏng là chính xác.
+ Các phần tử được chia đủ nhỏ để có kết quả mô phỏng chính xác + Đảm bảo sự liên kết giữa các phần tử
+ Số lượng phần tử, giao điểm phải nhỏ hơn một số lượng nhất định (do phần mềm hạn chế), cụ thể là 500000 giao điểm.
+ Sự phân bố của các phần tử được chia là hợp lí: dày hơn, đều hơn ở những khu vực có áp suất cao, tốc độ chảy lớn và ngược lại.
Lựa chọn đặc điểm chảy là single phase vì ở đây ta chỉ có 1 nguồn cấp khí (Ở đây tác giả dùng nguyên một số cụm từ tiếng anh trong phần mềm mô phỏng, trường hợp multi phase dành cho các trường hợp như trộn dòng chất lỏng hay multi compnent trong trường hợp có thành phần cấu tạo nên kết cấu)
Lựa chọn các đặc điểm chảy phù hợp với môi trường thực tế:
Đặc điểm dòng: dòng chảy liên tục
Tốc độ quay của trục:
Thiết lập độ chính xác giữa các bước lặp (mặc định) và số bước lặp: 1000 – 3000.
Trong mô phỏng có thể được chứng minh rằng khe hở không khí có tiếp tuyến giữa các bề mặt cong và phẳng, làm cho việc lựa chọn các phần tử bậc hai phức tạp hơn và kém chính xác hơn. Do đó, phần tử tuyến tính được đánh giá là nâng cao hơn trong trường hợp này; do đó, nó được chọn trong mô hình lưới. Ở kích thước nhỏ, các bề mặt cần được khảo sát giới hạn kích thước phần tử (<0,5 µm) với độ phồng trên bề mặt để thu nhận các lớp không khí mỏng phân bố xung quanh trục và nâng cao chất lượng của phương pháp lưới. Kết quả của việc phân chia lưới được đánh giá bằng cách sử dụng hai chỉ số: chất lượng phần tử – 0,82815 (> 0,8) và độ lệch 0,23378 (<0,25) đó là 2 chỉ số tối ưu trong mô phỏng [80]
Phương trình được sử dụng trong mô phỏng
Trong động lực học chất lỏng, phương trình Navier-Stokes, được gọi là định luật Newton thứ hai cho chất lỏng, được áp dụng để mô tả và tính toán mối tương quan giữa vận tốc, áp suất, nhiệt độ và độ nhớt của chất lỏng. Phương trình này cũng tạo cơ sở cho việc phân tích ANSYS để giải quyết các vấn đề mô phỏng cần thiết và cũng để giải quyết sự phức tạp mà các phương trình đã đưa ra ở chương 2. Các kết quả mô phỏng trong phần này cũng là một trong những nội dung kiểm nghiệm lại các kết quả đã nghiên cứu đưa ra các phương trình tính toán về dòng khí.
Hình 3.8 là mô hình sau khi đã đặt xong điều kiện biên và đưa các thông số đầu vào cho sát với thực tế nhất để kết quả tính toán cũng gần với thực nghiệm.
Hình 3. 8 Mô hình sau khi đặt điều kiện biên.
Tính toán mô phỏng:
Phần mềm Ansys thực hiện tính toán trên phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán những đặc tính của dòng khí: áp suất, vận tốc, vector lực,...
Hình 3. 9 Quá trình tính toán trên phần mềm
Kết quả mô phỏng:
Việc mô phỏng được thực hiện như sau: Đẩy dần tâm trục quay (hình 3.10) lệch khỏi tâm bạc đệm khí theo hướng trục z, điều rõ ràng nhận thấy (Hình 3.11) là đối với mô hình 1, do các rãnh dẫn nối thông nên toàn bộ vùng áp suất giữa trục quay và bạc đệm khí thông nhau, do đó trục quay bị đẩy lệch về một phía, sự thay đổi áp suất theo hướng thay đổi khe hở không đáng kể. Ở mô hình 2, khí được cấp vào các đột thắt chảy ra ô rãnh dẫn hình chữ nhật hình thành các vùng áp suất riêng biệt tại các ô hình chữ nhật. Do đó khi trục bị đẩy lệch tâm, ở phía khe hở giữa trục và bạc nhỏ thì áp suất có tăng và phía khe hở giữa trục và bạc lớn áp suất giảm, trong ổ khí hình thành nên lực đẩy trục ngược trở về vị trí cân bằng. Tức là độ cứng vững tại mô hình này được cải thiện hơn so với mô hình 1. Tuy nhiên, do không có rãnh thoát ngăn cách giữa các vùng của rãnh dẫn hình chữ nhật nên vẫn hình thành buồng thông áp giữa trục quay và bạc đệm khí. Mô hình thứ 3 do tồn tại các rãnh thoát khí giữa các ô hình chữ nhật, tạo thành các đệm khí riêng biệt trên bề mặt bạc, không hình thành vùng thông áp nên khi trục quay bị đẩy lệch tâm, tại vị trí khe hở giữa trục và bạc nhỏ áp suất tăng và khe hở giữa trục và bạc lớn áp suất giảm hình thành 1 lực đẩy trục ngược trở lại vị trí cân bằng, lực đẩy này lớn hơn rất nhiều so với mô hình 1 và 2, đặc biệt khi trục bị đẩy lệch tâm càng lớn thì lực đẩy này tăng càng mạnh. Làm cho độ cứng vững của ổ khí càng cao.
Hình 3. 10 Mô hình trục lệch theo phương z
Với điều kiện biên và phương pháp chia lưới ở trên, trong quá trình mô phỏng đã thu được kết quả mô phỏng của sự phân bố áp suất và vận tốc của dòng chảy, lực đẩy tại các bề mặt nhất định và sự thay đổi của lực đẩy khi xảy ra hiện tượng lệch tâm.
(1) (1) (3)
Hình 3. 11 Sự phân bố áp suất trong ba mô hình riêng biệt (1) Mô hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
(2) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật
(3) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập
Từ hình 3.11 cho thấy áp suất tại mô hình ổ trục (1) với rãnh khí hình chữ nhật có lỗ đột thắt cấp khí trung tâm và rãnh thoát khí phân đôi bạc cao hơn so với mô hình ổ khí được xếp có rãnh thoát khí phân lập. Với áp suất chi tiết, áp suất trung bình của mô hình (1) là 330400 Pa, mô hình (2) là 215947 Pa và áp suất của mô hình (3) là 127210 Pa.
Hình 3. 12 Sự phân bố áp suất trong bề mặt của ba mô hình (1) Mô hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
(2) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(3) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập.
Trên hình 3.12 áp suất bề mặt trong mô hình (3) nhìn chung thấp hơn nhiều so với mô hình (1) và (2). Lực đẩy trên bề bặt trong thiết kế (3) không thể đạt được giá trị như trong thiết kế (1), cụ thể: bề mặt trên lực đẩy đạt 62,78N và lực đẩy bề mặt dưới đạt 64,72N. Tùy thuộc vào sự chênh lệch giữa các lực tại hai vị trí nói trên và trục sẽ lệch theo trục Z cho đến khi đạt điểm cân bằng. Dễ dàng nhận thấy rằng, trong trường hợp khảo sát, kích thước của khe hở tại hai vị trí (12 µm) cực kỳ gần điểm cân bằng, điều này đảm bảo rằng trục sẽ quay lơ lửng với trạng thái tối ưu hóa. Hơn nữa, do áp lực rất lớn, lực đẩy tạo ra tại hai vị trí trong thiết kế (1) cũng lớn hơn trong thiết kế (3), đối với chi tiết thiết kế (1) khi bị lệch khỏi vị trí cân bằng là: 314,26 N cao hơn so với mô hình (3) 179,84N. Do sự phân bố áp suất không cân bằng, trục của thiết kế này có xu hướng di chuyển xa hơn từ vị trí cân bằng và điều này dẫn đến chuyển động của trục quay về phía bề mặt, nơi có ít lực tạo ra áp suất bề mặt hơn. Trong trường hợp này, trục tịnh tiến theo hướng chuyển động trên trục y và gần với bề mặt bạc hơn nhiều.
(1) (2
) (3)
Trục quay
Khe hở chứa không khí
Bạc chứa trục quay ổ khí
(1) Mô hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
(2) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật
(3) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập
Tương tự, kết quả mô phỏng của dòng chảy ổ khí quay trong mô hình (3) có rãnh khí tách biệt có rãnh cao hơn mô hình (1) (hình 3.13). Vì có các rãnh phân phối có kích thước lớn hơn (chiều rộng rãnh khí 3mm và chiều sâu rãnh là1mm), vận tốc của dòng chảy trong mô hình (3) có giá trị trung bình cao hơn trong mô hình (1) là khoảng 100m /s.
Hình 3. 14 Mô tả giả thuyết mô phỏng
Hình 3.14 thể hiện giả thuyết khi trục quay được đẩy theo một hướng cụ thể bên trong chi tiết nắp. Do đó, tính toán này xác định tổng lực đó theo hướng trục y do sự thay đổi của phân bố áp suất xung quanh màng mỏng không khí.
(1) (2
) (3)
Hình 3. 15 Mô hình phân bố áp suất xung quanh bề mặt ngõng trục khi trục quay được đặt lệch tâm theo ba mô hình
350 Lực hướng tâm(N) 300 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 Độ lệch (MICROMET) 12 Mô hình 1
Expon. (Mô hình 1) Mô hình 2 Mô hình 3 Expon. (Mô hình 2)Expon. (Mô hình 3)
(1) Mô hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
(2) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật
(3) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập
Từ kết quả mô phỏng (hình 3.15), sự phân bố áp suất tại thiết kế (1) nhìn chung cao hơn so với thiết kế (3) và (2), nhưng áp suất được phân bổ bằng nhau nên chúng có xu hướng triệt tiêu lẫn nhau, điều này dẫn đến lực tập trung thấp. Mặt khác, do áp suất khác nhau nên tổng lực xuất hiện có hướng ngược lại với độ lệch tâm, kết quả là thiết kế trong mô hình (3) tốt hơn trường hợp thiết kế (1), mặc dù phân bố áp suất thấp hơn. Hình 3.16 thể hiện chi tiết hơn độ lệch tâm tăng.
Hình 3. 16 Khảo sát hiệu quả của việc tự cân bằng trục chính trong ba mô hình riêng biệt
(1) Mô hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
(2) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật
(3) Mô hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập
Đồ thị hình 3.16 cung cấp dữ liệu về sự thay đổi lực hướng tâm do sự gia tăng chiều rộng của khe hở của trục và bạc trong ổ khí theo chiều dương của trục y. Trục quay được di chuyển mỗi lần 2µm trong quá trình đặt điều kiện biên từ 1 đến 11μm theo chiều dương y và song song với trục z trong mỗi mô hình. Nhìn chung, với sự gia tăng của khe hở giữa trục và bạc trong ổ khí quay, thiết kế (3) cho thấy sự tăng lên đáng kể của lực hướng tâm so với thiết kế (1) và (2). Trong khoảng lệch tâm 9μm đầu tiên, lực hướng tâm trong thiết kế (3) tăng đều đặn (khoảng 15N) từ 7N đến hơn 140N. Trong khi đó, thiết kế (1) gần như giữ nguyên với một chút thay đổi về lực hướng tâm từ 1N đến dưới 10N, và thiết kế (2) tăng lên gần 90N. Ngoài ra, từ 9 đến 11 μm, lực hướng tâm của thiết kế (1)
1012 z (µm) 8 6 350 300 Lực đẩy mặt trên Lực đẩy mặt dƣới 600 Lực(N) 550 500 450 400
tăng nhẹ lên khoảng 25N, mặt khác, lực hướng tâm của thiết kế (3) tăng nhanh đến hơn ba lần (dưới 350N). Lý do cụ thể cho trường hợp này là khí thoát trong mỗi thiết kế là khác nhau. Trong thiết kế (1), do lỗ thoát hẹp, áp suất trung bình cao hơn đáng kể so với áp suất mà thiết kế (3) có thể đạt được. Tuy nhiên, do sự kết nối của các rãnh trong mô hình (1), áp lực phân tán bên trong nó được chia đều theo hướng và độ lớn. Mô hình này này chứng tỏ rằng lực tạo ra từ khe hở không khí đã bị triệt tiêu như thế nào. Ngược lại, áp suất tối đa mà thiết kế (3) có thể đạt được hơn thiết kế (1). Mặc dù mức áp suất thấp, mô hình (3) có thể tạo ra lực hướng tâm hiệu quả hơn nhiều. Lý do chính cho kết quả này là các vòng đệm khí trong thiết kế (3) được tách biệt, điều này tạo ra sự khác biệt rõ ràng về áp suất giữa các vòng đệm khí. Thiết kế này ngăn cản các lực tạo ra từ các ổ đỡ trong ổ khí triệt tiêu lẫn nhau, có thể làm tăng độ cứng vững của toàn bộ mô hình lên gần 1,5 lần.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});