(1) Mơ hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
(2) Mơ hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật
(3) Mơ hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập
Tƣơng tự, kết quả mơ phỏng của dịng chảy ổ khí quay trong mơ hình (3) có rãnh khí tách biệt có rãnh cao hơn mơ 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 mơ hình (3) có giá trị trung bình cao hơn trong mơ hình (1) là khoảng 100m /s.
Hình 3. 14 Mơ tả giả thuyết mơ 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 tốn này xác định tổng lực đó theo hƣớng trục y do sự thay đổi của phân bố áp suất xung quanh màng mỏng khơng khí.
(1) (2) (3)
Hình 3. 15 Mơ hình phân bố áp suất xung quanh bề mặt ngõng trục khi trục quay đƣợc đặt lệch tâm theo ba mơ hình
Trục quay
Khe hở chứa khơng khí
Bạc chứa trục quay ổ khí
(1) Mơ hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
(2) Mơ hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật
(3) Mơ hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập
Từ kết quả mơ 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 mơ hình riêng biệt
(1) Mơ hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
(2) Mơ hình đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật
(3) Mơ 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 q trình đặt điều kiện biên từ 1 đến 11μm theo chiều dƣơng y và song song với trục z trong mỗi mơ 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)
Mơ hình 1 Mơ hình 2 Mơ hình 3
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 thốt trong mỗi thiết kế là khác nhau. Trong thiết kế (1), do lỗ thốt 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 mơ hình (1), áp lực phân tán bên trong nó đƣợc chia đều theo hƣớng và độ lớn. Mơ hình này này chứng tỏ rằng lực tạo ra từ khe hở khơng 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, mơ hình (3) có thể tạo ra lực hƣớng tâm hiệu quả hơn nhiều. Lý do chính cho kết quả này là các vịng đệm khí trong thiết kế (3) đƣợc tách biệt, điều này tạo ra sự khác biệt rõ ràng về áp suất giữa các vịng 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 tồn bộ mơ 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 mơ 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
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 vịng/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 mơ phỏng, có thể trích áp Trong quá trình khảo sát ổ khí quay sử dụng mơ 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 mơ hình mơ phỏng ổ khí quay với các đệm khí thơng nhau, đệm khí hình chữ nhật lỗ thắt trung tâm thí thốt 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 nắp ổ trục trong ổ khí quay. Đối với mơ hình (1) và mơ hình (2), lực này thay đổi không đáng kể do vùng áp suất đƣợc kết nối. Áp suất khơng khí tại mọi điểm trong khe hở hầu nhƣ không thay đổi. Đối với mơ hình (3), khí nén đƣợc cấp
330 340 350 360 370 380 390 0 5000 10000 15000 20000 25000 Áp suất (kPa) v (rpm)
Áp suất trung bình trên bề mặt ổ trục
Average pressure on journal surface
Áp suất trung bình trên bề mặt ổ trục
riêng cho từng vùng mang khí rãnh, do đó lực này thay đổi nhiều hơn so với thay đổi khe hở khơng khí. Áp suất khơng khí tại mỗi điểm trong khe hở khơng khí bị thay đổi đáng kể do vùng mang khơng khí đƣợc tách biệt trong trục và bạc trong ổ khí. Với các thơng số thiết kế nhƣ kích thƣớc đƣờng kính danh nghĩa ϕ20mm, rãnh cấp khí chữ nhật rộng 0,5mm và sâu 0,3mm, độ nhám bề mặt 0,32μm, áp suất đầu vào 4bar, tốc độ quay 20000vòng/phút, khe hở đệm khí 12μm, chênh lệch lực đẩy giữa mơ hình (1) và mơ hình (3) là 13 lần khi trục bị đẩy lệch tâm ra xa 11μm. Điều này chỉ ra rằng cần tạo các ổ khí riêng biệt xung quanh chu vi trục chính để tăng độ cứng vững của lớp màng khí nén giữa trục và bạc.
Qua mô phỏng sự thay đổi về lực đẩy của đệm khí mặt chặn trên và mặt chặn dƣới vai trục cho thấy lực đẩy của 2 đệm khí cân bằng ở các khe hở khác nhau. Trong quá trình khoan sẽ xuất hiện lực chiều trục do mũi khoan ấn xuống bề mặt vật liệu gia cơng, lực đẩy của đệm khí mặt trên cộng với trọng lực trục quay sẽ bằng tổng lực đẩy của đệm khí phía dƣới cộng với phản lực tác động lên mũi khoan, xác lập điểm cân bằng khe hở z của đệm khí mặt trên và mặt dƣới theo phƣơng dọc trục.
Khảo sát sự thay đổi của tốc độ quay đến áp suất phân bố trên bề mặt của ổ khí cho thấy khi tốc độ quay của trục tăng lên 10000 đến 20000 vịng/phút thì áp suất phân bố trên bề mặt này giảm từ 0,38MPa xuống 0,34MPa, sự giảm này khơng đáng kể trong ổ khí tĩnh.
CHƢƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT Ổ KHÍ TĨNH ỨNG DỤNG
TRONG GIA CƠNG LỖ NHỎ
Trên cơ sở các tính tốn lý thuyết và mơ phỏng xác định các đặc tính kỹ thuật của ổ khí quay, chƣơng này sẽ trình bày một số kết quả thực nghiệm đánh giá các thơng số hoạt động của mơ hình ổ khí đƣợc thiết kế mơ phỏng và chế tạo.
Với kết cấu ổ khí quay đƣợc chế tạo có bạc đệm khí dạng trụ phân lập mang đệm khí ăn khớp bộ đơi với trục quay, kết hợp với đệm khí mặt chặn trên và dƣới vai trục tạo ra lực đẩy theo chiều dọc trục ổ khí. Các thực nghiệm đƣợc tiến hành bao gồm thực nghiệm đánh giá độ chính xác kích thƣớc, hình dáng và vị trí bề mặt; kiểm tra trạng thái khơng tiếp xúc cơ khí giữa bạc và trục; đánh giá khả năng tải và đánh giá độ cứng của ổ theo phƣơng hƣớng kính và dọc trục; đánh giá độ ổn định tâm của ổ thông qua thực nghiệm khoan lỗ nhỏ ở các tốc độ quay khác nhau.
4.1. ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƢỚC, SAI SỐ HÌNH DÁNG HÌNH HỌC VÀ SAI SỐ VỊ TRÍ BỀ MẶT CỦA Ổ KHÍ
-Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm
+ Ổ khí quay đã chế tạo theo các nghiên cứu bản vẽ đƣa ra tại chƣơng 3 + Máy nén khí FuSheng model 03 – E sản xuất 3/2012 (áp suất nén max = 10bar)
+ Panme điện tử Mitutoyo No.293-266, Dải đo: 0 ÷ 25 mm, Độ phân giải: 0.001mm, Độ chính xác : ±1µm, Hệ đơn vị: mét
+ Máy đo 3 tọa độ Máy đo Máy đo 3 tọa độ tự động Crysta – Apex S 500 Series độ phân giải 0,001, độ chính xác 0,003+1500L/1000
+ Máy đo độ nhám SJ-301 Mitutoyo Tiêu chuẩn JIS 2001 - Nhiệt độ thực nghiệm: 250C
Sơ đồ gá đặt đo các chi tiết của ổ khí.
+ Gá đặt chi tiết trên máy đo tọa độ các chi tiết của ổ khí: Chi tiết Bạc, chi tiết trục và chi tiết nắp.
Trên máy đo 3 tọa độ với cách gá đặt nhƣ hình 4.1 dƣới ta đo đƣợc các thơng số: 1. Chi tiết bạc của ổ khí đo đƣợc độ vng góc giữa lỗ của bạc với hai mặt đầu độ tròn, độ trụ, của lỗ 20, độ song song của 2 mặt bạc.
2. Chi tiết trục đo đƣợc độ vng góc giữa trục với vai trục, độ song song giữa các vai trục, độ trịn, độ trụ của trục đƣờng kính 20.
3. Chi tiết nắp đo đƣợc độ song song, độ phẳng giữa các mặt, độ vng góc giữa lỗ và mặt.
Các kết quả đo thể hiện trong bảng phụ lục PL1 đến PL6
Hình 4. 1 Gá các chi tiết của ổ khí trên máy đo 3 tọa độ + Gá chi tiết bạc đo độ thẳng + Gá chi tiết bạc đo độ thẳng
Hình 4. 2 Gá đặt chi tiết đo độ thẳng
+ Gá đặt chống tâm 2 đầu chi tiết trục đo độ đồng tâm
Hình 4. 3 Sơ đồ gá đặt đo độ đồng tâm chi tiết trục - Phân tích kết quả: - Phân tích kết quả:
Kích thƣớc đƣờng kính trong và đƣờng kính ngồi của bộ đơi bạc và trục trong ổ khí quay:
Δz1 = (Dlỗ - dtrục)/2 =(20,016-20,005)/2=5,5 µm
Khe hở này đáp ứng đƣợc yêu cầu khe hở đệm khí trong khoảng từ 5 ÷ 12 μm, đồng thời nhƣ đã phân tích tính tốn trong chƣơng 3 cũng thỏa mãn. Độ vng góc và độ song song lớn hơn so với yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên trong phạm vi khe hở của bộ đôi theo các phƣơng hƣớng kính và dọc trục từ 5 ÷ 12 μm thì với sai lệch vị trí của chi tiết bạc và trục đã chế tạo đƣợc, bộ đôi trục và bạc vẫn hoạt động đƣợc mà khơng có tiếp xúc cơ khí. Sau khi gia cơng chi tiết bạc và trục, nguyên công nghiền bộ đôi đã đƣợc thực hiện để trục và bạc khớp với nhau trên toàn bộ bề mặt lắp ráp: Khử đƣợc độ nhám bề mặt và đồng bộ sai lệch hình dáng của bộ đơi, do đó các sai lệch về độ trụ và độ phẳng có thể chấp nhận đƣợc trong phạm vi cho phép.
Hình ảnh đo độ nhám:
Chi tiết trục
Hình 4. 4 Hình ảnh đo độ nhám chi tiết trục
Hình 4. 5 Hình ảnh độ nhám chi tiết bạc
Độ nhám của bạc và trục sau khi nghiền cho thấy giá trị độ nhám trung bình trong phạm vi Ra = 0,29 ÷ 0,35μm,Rz = 2,26 ÷ 2,46μm. Đối với bộ đơi đệm khí thì chỉ tiêu Rz ƣu tiên nhiều hơn vì liên quan đến sự tiếp xúc giữa trục và bạc ở các đỉnh nhám. Do đó sau khi đã nghiền xong bộ đơi thì việc cấp khí vào để chạy rà khơng tải là cần thiết để tất cả tiếp xúc cơ khi các đỉnh nhám đƣợc loại bỏ trong giai đoạn này.
4.2. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIẾP XÚC CƠ KHÍ CỦA Ổ KHÍ KHÍ
Thực nghiệm nhằm đánh giá khả năng tiếp xúc cơ khí của ổ khí trong các trƣờng hợp không tải ở các tốc độ quay khác nhau.
Điều kiện thực nghiệm
-Thiết bị và dụng cụ thực nghiệm
+ Ổ khí quay đã chế tạo theo các nghiên cứu bản vẽ đƣa ra tại chƣơng 3 + Máy nén khí FuSheng model 03 – E sản xuất 3/2012 (áp suất nén max = 10bar)
+ Bộ lọc khí MODEL： 010
Kích thƣớc ： 64,5 mm x 14,6 mm x 14,6 mm Lƣu lƣợng lớn nhất ： 11,5 m³/min
Áp lực lớn nhất ： ≤1,0MPa
Bộ lọc khí bao gồm : 1 lọc tinh + 1 lọc thô + 1 siêu tinh
+ Bộ điều áp chính xác TPC PER2 – 02 – 8k SET PRESS 0.01 ~ 0.8 MPa
+ 01 Đồng hồ đo thông mạch DE – 960TR + Các quả nặng
+ Nhiệt độ thực nghiệm: 250C
Sơ đồ và trình tự thực nghiệm:
1: Đồng hồ đo thông mạch DE – 960TR 2: Ổ khí quay 3: Các quả nặng 4: Khối V 5: Bàn máp Tiến hành thực nghiệm
- Ổ khí quay đƣợc gá trên đồ gá đƣợc cấp nguồn khí nén với áp suất 4 bar trong các trƣờng hợp sau:
- Đo không tiếp xúc cơ khí ở chế độ khơng tải: Bật máy nén khí và mở khí chạy vào bộ lọc khí qua bộ điều áp và cung cấp vào ổ khí quay. Đặt đồng hồ đo diện ở chế độ thông mạch, một đầu đồng hồ đo điện tiếp xúc nhẹ vào trục quay, một đầu tiếp xúc vào vỏ ổ khí, quan sát trạng thái thơng mạch của đồng hồ
- Đo khơng tiếp xúc cơ khí ở chế độ có tải: Bật máy nén khí và mở khí chạy vào bộ lọc khí qua bộ điều áp và cung cấp vào ổ khí quay. Lần lƣợt đặt các tải trọng theo phƣơng dọc trục của ổ khí quay. Đặt đồng hồ đo điện ở chế độ thông mạch, một đầu đồng hồ đo điện tiếp xúc nhẹ vào trục quay, một đầu tiếp xúc vào vỏ ổ khí, quan sát trạng thái thơng mạch của đồng hồ.
Hình ảnh thực nghiệm đo tiếp tiếp xúc trong ổ khí
Hình 4. 7 Thực nghiệm đo tiếp xúc
Ổ khí quay
Quả nặng Bộ điều áp