1. ĐẶT VẤN ĐỀ
2.4.4Tính áp suất, lực nâng của bạc đệm khí mặt trụ theo mô hình điện khí tương đương
tương đương
Để tạo ra các vùng khí nén riêng biệt giữa chi tiết trục quay và chi tiết bạc, bề mặt chi tiết bạc được chia thành vùng đệm khí riêng biệt. Khí nén từ nguồn được đưa vào lỗ thoát khí sau đó chảy vào các rãnh hình chữ nhật để tạo ra một vùng áp suất bằng nhau.
Trong ổ khí tĩnh, áp suất được cung cấp giữa chi tiết trục quay và các chi tiết bạc tạo ra lực đẩy duy trì sự cân bằng giữa trục không khí. Tùy thuộc vào độ cứng được tạo ra từ màng khí nén, trục được giữ cân bằng ở một vị trí hạn chế trong chi tiết bạc, không tiếp xúc cơ học.
Giả định rằng trên bạc ổ khí quay được thiết kế thành 6 khu vực cấp khí riêng biệt xung quanh chu vi của trục quay, tạo ra sáu khu vực áp suất khí nén trên bề mặt của trục, như được minh họa trong Hình 2.16
L ực n ân g F (N )
Coi dòng khí là dòng điện, khí nén đi từ nguồn cấp P0 chảy vào sáu lỗ d1
đến d6 coi như sáu điện trợ R11 đến R16 sau đó chảy vào rãnh dẫn. Tại đây coi áp
suất khí là cân bằng (coi rãnh như một dây dẫn có điện trở vô cùng nhỏ).
Hình 2. 17 Đệm khí bề mặt trụ và mô hình điện khí tương đương Áp dụng phương pháp tính toán theo điện khí tương đương cho mỗi đệm khí
riêng biệt. Sự biến thiên sức cản được biểu diễn như sau:
dR2 = ρ 2(a dx +b + 4x) z (38) 0 0 ln a0 + b0 + 4c c a +b R2 = ∫ dR2 0 = ρ 0 0 8z (39)
Dựa vào mạch điện tương đương như hình 2.17, áp suất sau lỗ đột thắt d1
được tính theo công thức:
p1 = R2 R +R p0 = 1+ 321 l1z p0 (40) 1 2 πd 12 ln a0 +b0 + 4c a +b 0 0
Sau đó dòng khí nén chảy vào rãnh dẫn hình chữ nhật, các rãnh dẫn này có cản trở rất nhỏ, do đó trong mạch điện coi như các dây dẫn nối tắt từ lỗ đột
Do đó, lực đẩy của đệm khí chính là thể tích hình chóp cụt có chiều cao p1 F = a b +4 c2(a + b )p (41) 0 0 3 0 0 1 F = a b + 4 c2+ c (a +b ) 1 p (42) 0 0 3 0 0 32l1z 0 1+ πd 12 ln a0 + b0 + 4c a +b 0 0
Khảo sát lực nâng của bạc đệm khí theo khe hở z
Với các thông số cho trước: a0 = 13 mm, b0 = 27 mm, c = 3.5 mm, d1 = 0.5
mm, l1 = 2.5 mm, và p0 = 4 bar, có thể vẽ được đường đặng tính lực đẩy và khe
hở như hình 2.19
Hình 2. 19 Đồ thị quan hệ giữa lực đẩy và khe hở đệm khí
Nhận xét: Từ công thức (42) thay các giá trị vào biểu thức sẽ được hàm số có mối quan hệ giữa F(z)
Trên đồ thị cũng đã thể hiện rất rõ quan hệ giữa lực F và khe hở z: Khi tăng khe hở giữa trục và bạc thì lực hay độ cứng vững của ổ sẽ giảm và ngược lại. Điều này hoàn toàn phù hợp và đúng như lý thuyết đã tính toán.
Trong số các loại được cấp khí đã trình bày, các lỗ và rãnh của lỗ thoát khí có một số tính năng ưu việt như đơn giản về cấu trúc, dễ sản xuất và chi phí thấp. Một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc thiết kế trục xoay không khí là đảm bảo độ cứng của màng mỏng không khí, duy trì sự ổn định của tâm và
z (µm) 14 12 10 8 6 4 2 0 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 F ( N )
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Các nội dung đã nghiên cứu trong chương này:
1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ổ khí, tình hình hiện tại và xu hướng phát triển về lĩnh vực vòng bi khí tĩnh.
2. Phân tích kết cấu của ổ khí tĩnh và tác giả nhận thấy rằng:
Trong thiết kế ổ khí quay, phải đảm bảo đủ định vị cho trục quay để còn một bậc tự do chuyển động duy nhất.
Đối với kết cấu ổ khí ứng dụng trong khoan lỗ, để tạo được lực đẩy đệm khí theo phương dọc trục thì cần phải thiết kế 2 đệm khí chặn ở vai trục, tổng lực đẩy của đệm khí theo phương dọc trục phải thắng được lực dọc trục khi khoan (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết cấu ổ cấp khí thành 3 vùng không khí riêng biệt, thì độ cứng của ổ khí tăng 1,5 lần.
Quá trình thiết kế đệm khí, phải luôn tạo ra vùng áp suất phân lập để có thể tăng độ cứng vững cho đệm khí, giữ cân bằng cho trục quay ở một vị trí cố định.
3. Đưa ra các phương trình dòng khí tổng quát cho ổ khí và phương trình đặc tính tĩnh học và động học độ cứng vững trên bề mặt bạc và đệm khí dưới theo các phương trình động học Bernoulli và Navier-stokes
4. Việc tính toán phương trình ổ khí theo phương pháp các các phương trình khí động học rất phức tạp và cần rất nhiều các điều kiện biên cho bài toán mới có thể giải được. Ở đây tác giả đã ứng dụng phương pháp đệm khí tương đương để tính toán sơ bộ áp suất và lực nâng của đệm khí phụ thuộc vào kết cấu của đệm cũng như áp suất nguồn cấp phục vụ cho việc chế tạo ổ khí.
Để khảo sát đặc tính của ổ khí một cách chi tiết hơn, phức tạp hơn trong chương 3 tác giả sẽ mô phỏng dòng khí theo phương pháp phần tử hữu hạn để đưa ra các kết quả về phân bố áp suất trên bề mặt trên toàn bộ ổ và độ cứng vững dựa vào các phương trình động lực học Navier-stokes.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA Ổ KHÍ QUAY
Mục tiêu nghiên cứu của chương dựa trên các tính toán phân tích ở phần trước sẽ đẻ khảo sát mô hình và mô phỏng phân tích đánh giá một số thông số trong ổ khí tĩnh.
3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, gia công lỗ nhỏ với độ chính xác cao được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp Việt Nam. Một trong các máy để gia công những lỗ có kích thước với độ nông sâu khác nhau là sử dụng máy khoan. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi chất lượng mũi khoan cao hơn, bên cạnh đó việc gia công những lỗ bé có độ chính xác cao đòi hỏi trục chính phải có tốc độ nhanh và ổn định trong quá trình gia công. Khi khoan lỗ đường kính càng bé thì tốc độ cắt càng phải cao. Tuy nhiên, khi quay với tốc độ cao thì ổ bi sinh nhiệt do ma sát, dẫn đến giảm tuổi thọ của ổ bi. Bên cạnh đó là sự mài mòn sau thời gian dài hoạt động sẽ tạo ra các khe hở trong ổ trục dẫn đến sai lệch khi gia công. Do đó sẽ không đáp ứng được yêu cầu khi gia công các lỗ nhỏ có độ chính xác cao. Vì thế giải pháp đưa ra là cần thiết kế một loại ổ trục mới quay được ở tốc độ cao đáp ứng yêu cầu đặt ra và phương án lựa chọn ở đây là thiết kế ổ trục đệm khí cao tốc.
Công nghệ ổ trục đã ra đời từ lâu và được nghiên cứu phát triển tối ưu qua từng thời kì. Nếu như trước đây, việc phát triển ổ lăn được xem như là một cải tiến mang tính cách mạng trong khi ổ trượt đã bị đẩy tới giới hạn. Thì tương tự như vậy, ngày nay sự ra đời của ổ trục đệm khí đại diện cho bước phát triển tiếp theo trong lĩnh vực thiết kế ổ trục. Ổ trục đệm khí có đặc tính kĩ thuật hơn hẳn ổ trượt và ổ lăn về tốc độ cũng như độ chính xác. Một số ưu điểm nổi bật của ổ trục đệm khí như ma sát và mài mòn gần bằng không, tốc độ và độ chính xác cao, và không yêu cầu dầu bôi trơn là những lợi thế mạnh mẽ cho thiết kế máy hiện nay. Tuy nhiên cho đến nay, những lợi ích này vẫn chưa được sử dụng triệt để vì ổ trục đệm khí rất khó để sản xuất chính xác các chi tiết cấu thành cũng như lý thuyết ổ trục đệm khí còn khá mới mẻ. Vì vậy, sau khi tính toán thiết kế xong trước khi thực hiện gia công chế tạo, một trong những giải pháp hay được sử dụng là ứng dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng và tính toán các đặc trưng khí tĩnh của các chi tiết trong ổ trục đệm khí. Trên cơ sở các kết quả mô phỏng thì các điều kiện ổn định đã đưa ra trong phần tính toán thiết kế sẽ được
trên bề mặt của đệm khí. Chính nhờ áp suất phân bố trên bề mặt đệm sẽ giữ cho trục quay định vị ổn định trong không gian của bạc và không tiếp xúc cơ khí với bạc, đồng thời tạo cho lớp đệm khí có độ cứng vững xác định. Như đã phân tích ở chương 2, khi có sự tác động làm trục quay dịch khỏi vị trí cân bằng theo một phương nào đó, phía khe hở giữa trục và bạc giảm thì áp suất tại những vùng khe hở giảm sẽ tăng đồng thời tổng hợp lực theo phía này tăng và ngược lại, phía khe hở giữa trục và bạc tăng thì những vùng có khe hở tăng áp suất tại những vùng này sẽ giảm và tổng hợp lực theo phía khe hở này sẽ giảm, từ đó hình thành một lực đẩy từ phía áp suất lớn đẩy trục quay về vị trí cân bằng. Trong chương này sẽ khảo sát các dạng kết cấu cấp khí khác nhau của các đệm khí dạng rãnh trong đó có dạng lỗ đột thắt trung tâm, xem xét mức độ ảnh hưởng đến áp suất và độ cứng vững với các dạng cấp khí khác nhau. Đồng thời khảo sát các yếu tố quan hệ giữa áp suất cấp ảnh hưởng như thế nào đến áp suất trong các kết cấu của ổ khí và độ cứng vũng của ổ khí, tốc độ quay đến lực đẩy trên bề mặt đệm khí.
Trên cơ sở các kết quả mô phỏng chúng ta sẽ kiểm nghiệm trên mô hình thực nghiệm và so sánh các kết quả trong chương 4.