1. ĐẶT VẤN ĐỀ
3.2.2 Mô phỏng hóa các mô hình đã phân tích
Nhƣ 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 đƣợc cấp vào các sống dẫn qua lỗ tiết lƣu 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 tƣởng để ổ khí hoạt động tốt nhất là khoảng đã khảo khe hở từ 1 ÷ 12µm. Điều kiện biên khảo sát cho các trƣờng 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 đƣợc đƣa ra để mô phỏng.
58 Dựa trên các đặc điểm đã khảo sát, điều kiện biên đƣợc thiết lập càng gần càng tốt. Kích thƣớc của khe hở không khí đƣợc mô phỏng trong các trƣờng hợp thay đổi đến 12 μm. Sau đó, 4 bar và 0 bar (áp suất tƣơng đối) đƣợc đặt lần lƣợt 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 đƣợc 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 đƣợc thiết lập để quay với tốc độ khảo sát lên đến 20.000 vòng / phút. Không khí đƣợc sử dụng trong mô hình đƣợc đặt là thông thƣờng nhất: 1,185 kG / m³ và 25 ºC. Bởi vì cuộc khảo sát không bao gồm truyền nhiệt, mô hình không khí đƣợc thiết lập là đẳng nhiệt. Hơn nữa, trong điều kiện ổn định, các lớp trong khe hở không khí đƣợc 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 đƣợc áp dụng để đảm bảo rằng mô phỏng là chính xác.
+ Các phần tử đƣợc chia đủ nhỏ để có kết quả mô phỏng chính xác + Đảm bảo sự liên kết giữa các phần tử
+ Số lƣợng phần tử, giao điểm phải nhỏ hơn một số lƣợng nhất định (do phần mềm hạn chế), cụ thể là 500000 giao điểm.
+ Sự phân bố của các phần tử đƣợc chia là hợp lí: dày hơn, đều hơn ở những khu vực có áp suất cao, tốc độ chảy lớn và ngƣợc 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, trƣờng hợp multi phase dành cho các trƣờng hợp nhƣ trộn dòng chất lỏng hay multi compnent trong trƣờng hợp có thành phần cấu tạo nên kết cấu)
Lựa chọn các đặc điểm chảy phù hợp với môi trƣờng thực tế: Đặc điểm dòng: dòng chảy liên tục
Tốc độ quay của trục:
Thiết lập độ chính xác giữa các bƣớc lặp (mặc định) và số bƣớc lặp: 1000 – 3000.
59 Trong mô phỏng có thể đƣợc 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 đƣợc đánh giá là nâng cao hơn trong trƣờng hợp này; do đó, nó đƣợc chọn trong mô hình lƣới. Ở kích thƣớc nhỏ, các bề mặt cần đƣợc khảo sát giới hạn kích thƣớc 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 lƣợng của phƣơng pháp lƣới. Kết quả của việc phân chia lƣới đƣợc đánh giá bằng cách sử dụng hai chỉ số: chất lƣợng phần tử – 0,82815 (> 0,8) và độ lệch 0,23378 (<0,25) đó là 2 chỉ số tối ƣu trong mô phỏng [80]
Phương trình được sử dụng trong mô phỏng
Trong động lực học chất lỏng, phƣơng trình Navier-Stokes, đƣợc gọi là định luật Newton thứ hai cho chất lỏng, đƣợc áp dụng để mô tả và tính toán mối tƣơng quan giữa vận tốc, áp suất, nhiệt độ và độ nhớt của chất lỏng. Phƣơng 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 phƣơng trình đã đƣa ra ở chƣơng 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 đƣa ra các phƣơng trình tính toán về dòng khí.
Hình 3.8 là mô hình sau khi đã đặt xong điều kiện biên và đƣa 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 phƣơng pháp phần tử hữu hạn để tính toán những đặc tính của dòng khí: áp suất, vận tốc, vector lực,...
60 Hình 3. 9 Quá trình tính toán trên phần mềm
Kết quả mô phỏng:
Việc mô phỏng đƣợc thực hiện nhƣ sau: Đẩy dần tâm trục quay (hình 3.10) lệch khỏi tâm bạc đệm khí theo hƣớng 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 hƣớng thay đổi khe hở không đáng kể. Ở mô hình 2, khí đƣợc 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 ngƣợc trở về vị trí cân bằng. Tức là độ cứng vững tại mô hình này đƣợc 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 ngƣợc 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.
61 Hình 3. 10 Mô hình trục lệch theo phƣơng z
Với điều kiện biên và phƣơng pháp chia lƣới ở trên, trong quá trình mô phỏng đã thu đƣợc 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 tƣợng 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 đƣợc 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.
62 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
(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 đƣợc giá trị nhƣ trong thiết kế (1), cụ thể: bề mặt trên lực đẩy đạt 62,78N và lực đẩy bề mặt dƣới 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 trƣờng hợp khảo sát, kích thƣớc 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 ƣu 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 hƣớng 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 trƣờng hợp này, trục tịnh tiến theo hƣớng chuyển động trên trục y và gần với bề mặt bạc hơn nhiều.
(1) (2) (3)
63 (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
Tƣơng 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 thƣớc 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 đƣợc đẩy theo một hƣớng cụ thể bên trong chi tiết nắp. Do đó, tính toán này xác định tổng lực đó theo hƣớng 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 đƣợc đặt lệch tâm theo ba mô hình
Trục quay
Khe hở chứa không khí
Bạc chứa trục quay ổ khí
64 (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), nhƣng áp suất đƣợc phân bổ bằng nhau nên chúng có xu hƣớng 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 hƣớng ngƣợc lại với độ lệch tâm, kết quả là thiết kế trong mô hình (3) tốt hơn trƣờng 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 hƣớng tâm do sự gia tăng chiều rộng của khe hở của trục và bạc trong ổ khí theo chiều dƣơng của trục y. Trục quay đƣợc di chuyển mỗi lần 2µm trong quá trình đặt điều kiện biên từ 1 đến 11μm theo chiều dƣơng 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 hƣớng tâm so với thiết kế (1) và (2). Trong khoảng lệch tâm 9μm đầu tiên, lực hƣớng tâm trong thiết kế (3) tăng đều đặn (khoảng 15N) từ 7N đến hơn 140N. Trong khi đó, thiết kế (1) gần nhƣ giữ nguyên với một chút thay đổi về lực hƣớng tâm từ 1N đến dƣới 10N, và thiết kế (2) tăng lên gần 90N. Ngoài ra, từ 9 đến 11 μm, lực hƣớng tâm của thiết kế (1)
0 50 100 150 200 250 300 350 0 2 4 6 8 10 12 Lực hướng tâm(N) Độ lệch(MICROMET)
Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3
65 tăng nhẹ lên khoảng 25N, mặt khác, lực hƣớng tâm của thiết kế (3) tăng nhanh đến hơn ba lần (dƣới 350N). Lý do cụ thể cho trƣờng 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 đƣợc. Tuy nhiên, do sự kết nối của các rãnh trong mô hình (1), áp lực phân tán bên trong nó đƣợc chia đều theo hƣớng và độ lớn. Mô hình này này chứng tỏ rằng lực tạo ra từ khe hở không khí đã bị triệt tiêu nhƣ thế nào. Ngƣợc lại, áp suất tối đa mà thiết kế (3) có thể đạt đƣợc hơn thiết kế (1). Mặc dù mức áp suất thấp, mô hình (3) có thể tạo ra lực hƣớng tâm hiệu quả hơn nhiều. Lý do chính cho kết quả này là các vòng đệm khí trong thiết kế (3) đƣợc 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.
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến lực đẩy của đệm khí mặt đầu
Khảo sát ảnh hƣởng của khe hở z đến lực đẩy của đệm khí ở mặt đầu phía trên và dƣới mô hình 3 chỉ ra ở hình 3.17. Trong thiết kế ổ khí quay này, lực đẩy mặt đầu ở phía trên cao hơn lực đẩy mặt đầu ở phía dƣới, đƣờng cong dốc hơn, tức là độ cứng vững cao hơn.
Hình 3. 17 Quan hệ giữa lực đẩy mặt đầu và khe hở
Theo tính lực dọc trục tại chƣơng 1 khi sử dụng mũi khoan đƣờng kính d = 1mm, bƣớc tiến S = 0,054mm/vòng, lực chiều trục khi khoan P0 ≃ 47 N. Nhƣ vậy ta có phƣơng trình cân bằng lực hƣớng trục:
Pmặt trên = Pmặt dƣới + P0
Từ đồ thị chênh lệch lực đẩy giữa 2 mặt khi khoan là: Pmặt trên - Pmặt dƣới≃
47 N. Khe hở mặt trên khoảng 12μm, khe hở mặt dƣới khoảng 7μm 300 350 400 450 500 550 600 6 8 10 12 Lực(N) z (µm)
Top thrust surface Bottom thrust surface
Lực đẩy mặt trên Lực đẩy mặt dƣới
66
3.2.3. Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quay đến áp suất trung bình trên bề mặt bạc
Khảo sát ảnh hƣởng của áp suất trung bình trên bề mặt bạc phục thuộc tốc độ quay chỉ ra ở hình 3.18. Khi tăng tốc độ quay từ 5000 đến 20000 vòng/phút, áp suất trung bình trên bề mặt giảm từ 0,38MPa xuống 0,337MPa, điều đó cũng có nghĩa là tăng tốc độ quay thì độ cứng vững hƣớng kính cũng có xu hƣớng giảm
Hình 3. 18 Quan hệ giữa vận tốc quay và áp suất trung bình trên bề mặt bạc Trong quá trình khảo sát ổ khí quay sử dụng mô phỏng, có thể trích áp suất tại các điểm trên bề mặt ổ, điều này cho phép phân tích sự phân bố áp suất trên bề mặt ổ khí. Nhƣ hình 3.19, áp suất tại điểm A là 397014Pa = 0,397MPa và điểm B là 399794Pa = 0,4MPa
Hình 3. 19 Trích áp suất trên bề mặt ổ tại các điểm A và B
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Trong nghiên cứu này, ba mô hình mô phỏng ổ khí quay với các đệm khí thông nhau, đệm khí hình chữ nhật lỗ thắt trung tâm thí thoát ở giữa bạc và các đệm khí riêng biệt đã đƣợc thiết lập để so sánh độ cứng vững. Khi trục bị đẩy ra khỏi tâm (vị trí cân bằng tâm trục trong ổ khí quay), xuất hiện lực ngƣợc chiều với chiều đẩy do sự thay đổi của áp suất khí phân phối trong khe hở giữa trục và