Tính áp suất lực nâng của bạc đệm khí mặt trụ theo mô hình điện khí

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

2.4.4 Tính áp suất lực nâng của bạc đệm khí mặt trụ theo mô hình điện khí

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 đƣợc chia thành vùng đệm khí riêng biệt. Khí nén từ nguồn đƣợc đƣa 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 đƣợc 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 đƣợc tạo ra từ màng khí nén trục đƣợc 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 đƣợc 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 nhƣ đƣợc minh họa trong Hình 2.16

Hình 2. 16 Mô hình điện khí tƣơng đƣơng của bạc khí

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 nhƣ sáu điện trợ R11 đến R16 sau đó chảy vào rãnh dẫn. Tại đây coi áp suất khí là cân bằng (coi rãnh nhƣ một dây dẫn có điện trở vô cùng nhỏ).

Hình 2. 17 Đệm khí bề mặt trụ và mô hình điện khí tƣơng đƣơng Áp dụng phƣơng pháp tính toán theo điện khí tƣơng đƣơng cho mỗi đệm khí

riêng biệt. Sự biến thiên sức cản đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

dR 2 dx 2 a0 b0 4x z (38) c R2 dR 2 0 ln  8z (39)

Dựa vào mạch điện tƣơng đƣơng nhƣ hình 2.17 áp suất sau lỗ đột thắt d1

đƣợc tính theo công thức: p1 R2 R1 R2 p0 1 1 32l1z  a 0   b0   4 c  a0 0 p0 (40)

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 nhƣ các dây dẫn nối tắt từ lỗ đột thắt d1 tạo thành vùng đồng áp suất p1

Để đơn giản hóa quá trình tính toán ta coi phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí là một hình chóp cụt có chiều cao p1 nhƣ hình 2.18

Hình 2. 18 Phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí chữ nhật

 a0 b0 4c

a0 b0

Do đó lực đẩy của đệm khí chính là thể tích hình chóp cụt có chiều cao p1  4  3 (41)  4  3 1 32l1z  a 0   b 0   4c  a0 b0 p0 (42)

Khảo sát lực nâng của bạc đệm khí theo khe hở z

Với các thông số cho trƣớc: 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 đƣợc đƣờng đặng tính lực đẩy và khe hở nhƣ hình 2.19 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 2 4 6 8 10 12 14 z (µm)

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 đƣợc 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 ngƣợc lại. Điều này hoàn toàn phù hợp và đúng nhƣ lý thuyết đã tính toán.

Trong số các loại đƣợc cấp khí đã trình bày các lỗ và rãnh của lỗ thoát khí có một số tính năng ƣu việt nhƣ 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 độ chính xác khi quay. Trong chƣơng sau sẽ nghiên cứu này ba mô hình rãnh đƣợc nạp khí đƣợc so sánh để đánh giá độ cứng của chúng. Ngoài ra việc tính toán sơ bộ ổ trục khí tĩnh có rãnh theo phƣơng pháp tƣơng đƣơng điện khí cũng cho kết quả nhanh thay vì sử dụng phƣơng trình động lực học chất lỏng.

 1 b c 2 c a b F a0 0 0 0 b c 2 a b Fa0 0 0 0 p1 F (N )

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

Các nội dung đã nghiên cứu trong chƣơng này:

1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ổ khí tình hình hiện tại và xu hƣớng 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 đƣợc lực đẩy đệm khí theo phƣơng dọc trục thì cần phải thiết kế 2 đệm khí chặn ở vai trục tổng lực đẩy của đệm khí theo phƣơng dọc trục phải thắng đƣợc lực dọc trục khi khoan

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. Đƣa ra các phƣơng trình dòng khí tổng quát cho ổ khí và phƣơng trình đặc tính tĩnh học và động học độ cứng vững trên bề mặt bạc và đệm khí dƣới theo các phƣơng trình động học Bernoulli và Navier-stokes

4. Việc tính toán phƣơng trình ổ khí theo phƣơng pháp các các phƣơng trình khí động học rất phức tạp và cần rất nhiều các điều kiện biên cho bài toán mới có thể giải đƣợc. Ở đây tác giả đã ứng dụng phƣơng pháp đệm khí tƣơng đƣơng để tính toán sơ bộ áp suất và lực nâng của đệm khí phụ thuộc vào kết cấu của đệm cũng nhƣ 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 chƣơng 3 tác giả sẽ mô phỏng dòng khí theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn để đƣa ra các kết quả về phân bố áp suất trên bề mặt trên toàn bộ ổ và độ cứng vững dựa vào các phƣơng trình động lực học Navier-stokes.

CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA Ổ KHÍ QUAY

Mục tiêu nghiên cứu của chƣơng dựa trên các tính toán phân tích ở phần trƣớc 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 đƣợc sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp Việt Nam. Một trong các máy để gia công những lỗ có kích thƣớc với độ nông sâu khác nhau là sử dụng máy khoan. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đòi hỏi chất lƣợng 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 đƣờng 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 đƣợc yêu cầu khi gia công các lỗ nhỏ có độ chính xác cao. Vì thế giải pháp đƣa ra là cần thiết kế một loại ổ trục mới quay đƣợc ở tốc độ cao đáp ứng yêu cầu đặt ra và phƣơng án lựa chọn ở đây là thiết kế ổ trục đệm khí cao tốc.

Công nghệ ổ trục đã ra đời từ lâu và đƣợc nghiên cứu phát triển tối ƣu qua từng thời kì. Nếu nhƣ trƣớc đây việc phát triển ổ lăn đƣợc xem nhƣ là một cải tiến mang tính cách mạng trong khi ổ trƣợt đã bị đẩy tới giới hạn. Thì tƣơng tự nhƣ vậy ngày nay sự ra đời của ổ trục đệm khí đại diện cho bƣớc phát triển tiếp theo trong lĩnh vực thiết kế ổ trục. Ổ trục đệm khí có đặc tính kĩ thuật hơn hẳn ổ trƣợt và ổ lăn về tốc độ cũng nhƣ độ chính xác. Một số ƣu điểm nổi bật của ổ trục đệm khí nhƣ 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 chƣa đƣợc sử dụng triệt để vì ổ trục đệm khí rất khó để sản xuất chính xác các chi tiết cấu thành cũng nhƣ lý thuyết ổ trục đệm khí còn khá mới mẻ. Vì vậy sau khi tính toán thiết kế xong trƣớc khi thực hiện gia công chế tạo một trong những giải pháp hay đƣợc sử dụng là ứng dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng và tính toán các đặc trƣng 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 đƣa ra trong phần tính toán thiết kế sẽ đƣợc kiểm nghiệm. Đồng thời có thể thay đổi các yếu tố đầu vào và điều kiện biên đặt ra để phân tích các phƣơng án thiết kế lựa chọn phƣơng án thiết kế tối ƣu giảm thời gian chế tạo thử nghiệm nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình thiết kế và chế tạo ổ trục.

Các yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của ổ khí quay đó chính là kết cấu của ổ khí và áp suất nguồn cấp hai yếu tố này sẽ quyết định sự phân bố áp suất

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. Nhƣ đã phân tích ở chƣơng 2 khi có sự tác động làm trục quay dịch khỏi vị trí cân bằng theo một phƣơng 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 ngƣợc 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 chƣơng 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 hƣởng 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 hƣởng nhƣ 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 chƣơng 4.