Thiết kế chi tiết bạc cho mơ hình 3 với các rãnh khí chiều rộng 0,5 và chiều sâu 0,3 đƣợc liên kết với nhau thành 6 vùng đệm khí hình chữ nhật nhƣng các vùng độc lập với nhau tạo thành những vùng khí riêng biệt trong ổ khí.
Hình 3. 4 Bản vẽ chi tiết trục
Hình 3. 6 Bản vẽ chi tiết bạc
Hình 3. 7 Mơ hình bản vẽ lắp ráp
Trong chƣơng 2 đã phân tích định vị khi nắp mơ hình ổ khí quay giữa chi tiết trục, nắp và bạc đƣợc định vị 5 bậc tự do. Nếu chế tạo các chi tiết không đảm bảo chính xác khi nắp ráp một số bậc định vị có thể bị khống chế nhiều lần dẫn đến số bậc định vị trùng nhau. Nhƣ vậy khi nắp ráp ổ khí sẽ xảy ra hiện tƣợng siêu định vị. Để ổ khí có thể hoạt động khơng bị siêu định vị chỉ còn một bậc tự do quay của trục thì ổ khí phải đƣợc chế tạo đảm bảo đƣợc chính xác.
Sau khi lắp ráp chi tiết theo bản vẽ, khảo sát khe hở lớp đệm khí giữa bạc, đệm khí dƣới và trục quay trong khoảng 1 – 12 µm, nhƣ mơ hình khơng gian khí chảy trong ổ khí (Hình 3.7). Để ổ khí có thể hoạt động không bị tiếp xúc điều kiện khi gia cơng chế tạo chính xác ở cấp chính xác khi lắp ráp theo bảng 3 [79] giữa lỗ và trục là H7/f7, giữa vai trục và nắp H7/g6 điều kiện cần:
Δđộ tròn + Δđộ thẳng < Δz1 và Δđộ phẳng + Δ// < Δz2 + Δz3 (3.1) Trong đó: Δz1 khe hở giữa trục và lỗ bạc
Δz2, Δz3 khe hở mặt đầu bạc với trục và nắp ổ khí Δ// Độ không song song giữa đệm dƣới, các vai trục Δđộ tròn là tổng sai lệch độ trịn của trục và lỗ bạc ổ khí (A) Δđộ thẳng là tổng sai lệch độ thẳng của trục và lỗ bạc ổ khí (A) Δđộ phẳng là tổng sai lệch độ phẳng của vai trục, nắp và mặt đầu lắp ghép của bạc.
Theo hình vẽ 3.2 và 3.4 ta có
Δđộ trịn + Δđộ thẳng = 0.02 + 0.024 = 0.044 < Δz1 = Δz1tb = 0.052 (3.2) Δđộ phẳng + Δ// = 0.006 + 0.01 = 0.016 < Δz2 + Δz3 = 0.017 (3.3) Nhƣ vậy để ổ có thể hoạt động đƣợc thì điều kiện phƣơng trình 3.3, 3.2 phải thỏa mãn phƣơng trình 3.1
3.2.2 Mơ phỏng hóa các mơ hình đã phân tích
Nhƣ trên đã phân tích các mơ hình bản vẽ thiết kế và bản vẽ lắp của ổ khí quay. Trong mục này sẽ tiến hành mơ phỏng q trình hoạt động của ổ khí dựa trên các mơ 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 khong ó kho khe h t 1 ữ 12àm. Điều kiện biên khảo sát cho các trƣờng hợp:
Mơ hình và điều kiện biên
Để làm sáng tỏ sự khác biệt về độ cứng của trục chính khơng khí, ba mơ hình đƣợc đƣa ra để mơ phỏng.
Dựa trên các đặc điểm đã khảo sát, điều kiện biên đƣợc thiết lập càng gần càng tốt. Kích thƣớc của khe hở khơng khí đƣợc mơ 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 cơng chế tạo ổ khí độ nhám giữa trục và bạc ln tồn tại đáng kể. Do đó, ranh giới mơ 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 khơng khí. Trong mơ phỏng này, trục đƣợc thiết lập để quay với tốc độ khảo sát lên đến 20.000 vịng / phút. Khơng khí đƣợc sử dụng trong mơ hình đƣợc đặt là thơng thƣờng nhất: 1,185 kG / m³ và 25 ºC. Bởi vì cuộc khảo sát khơng bao gồm truyền nhiệt, mơ hình khơng khí đƣợc thiết lập là đẳng nhiệt. Hơn nữa, trong điều kiện ổn định, các lớp trong khe hở khơng khí đƣợc sắp xếp theo thứ tự; tuy nhiên, trật tự này bị phá vỡ khi vận tốc của khơng khí bên trong bắt đầu đạt cực đại ở một giá trị nhất định, và điều này xảy ra khi các lớp khơng khí hỗn loạn. Do những rối loạn này, mơ hình nhiễu loạn k-epsilon đã đƣợc áp dụng để đảm bảo rằng mơ phỏng là chính xác.
+ Các phần tử đƣợc chia đủ nhỏ để có kết quả mơ 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 mơi trƣờng thực tế: Đặc điểm dịng: 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.
Trong mơ phỏng có thể đƣợc chứng minh rằng khe hở khơng 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 mơ 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 khơng 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 mơ phỏng [80]
Phương trình được sử dụng trong mơ 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 mơ tả và tính tốn 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 tốn về dịng khí.
Hình 3.8 là mơ 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 tốn cũng gần với thực nghiệm.