Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ DỤNG TRONG GIA CƠNG LỖ NHỎ
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
3.2. KHẢO SÁT MƠ HÌN HỔ KHÍ
3.2.1 Mơ hình thiết kế
Để làm rõ ảnh hƣởng phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí của việc phân tách đệm khí độc lập đến độ cứng vững của ổ khí quay, tác giả đã đƣa ra ba phƣơng án thiết kế kết cấu của ổ khí. Việc mơ phỏng đƣợc thực hiện trên 3 mơ hình: mơ hình 1: các rãnh trên bề mặt bạc đệm khí đƣợc nối thơng nhau, mơ hình 2: các rãnh dẫn hình chữ nhật với lỗ đột thắt đƣợc bố trí xung quanh bề mặt bạc đệm khí, khơng có đƣờng thốt khí phân tách thành các đệm khí riêng biệt, mơ hình 3: các rãnh dẫn hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm, đƣợc phân tách nhau bởi rãnh thốt khí tạo thành các đệm khí riêng biệt. Từ các kết quả mơ phỏng sẽ lựa chọn ra phƣơng án tốt nhất để tiến hành gia công chế tạo và thực nghiệm trên mơ hình đã mơ phỏng. Hình 3.1 đến hình 3.7 là các phƣơng án thiết kế cho ổ trục khí tĩnh bao gồm các chi tiết giữa trục, bạc và nắp dƣới. Trong đó hình 3.7 là kết cấu mơ hình lắp ráp cho ổ khi tĩnh.
Thiết kế chi tiết bạc cho mơ hình 1 với các rãnh khí chiều rộng rãnh 0,5 và chiều sâu 0,3 liên kết với nhau nhƣ hình khai triển dƣới đây:
Hình 3. 1 Đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau
Thiết kế chi tiết bạc cho mơ hình 2 với các rãnh khí chiều rộng 0,5 và chiều sâu 0,3 đƣợc liên kết với nhau thành sáu vùng đệm khí hình chữ nhật.
Hình 3. 2 Đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật
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 khơng 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 cịn 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 tròn + 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 mô 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 luôn 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 thông 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 mô 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 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.
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 mô 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 toán cũng gần với thực nghiệm.
Hình 3. 8 Mơ hình sau khi đặt điều kiện biên.
Tính tốn mơ phỏng:
Phần mềm Ansys thực hiện tính tốn trên phƣơng pháp phần tử hữu hạn để tính tốn những đặc tính của dịng khí: áp suất, vận tốc, vector lực,...
Hình 3. 9 Quá trình tính tốn trên phần mềm
Kết quả mơ 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 mơ hình 1, do các rãnh dẫn nối thơng nên tồn bộ vùng áp suất giữa trục quay và bạc đệm khí thơng nhau, do đó trục quay bị đẩy lệch về một phía, sự thay đổi áp suất theo hƣớng thay đổi khe hở khơng đáng kể. Ở mơ hình 2, khí đƣợc cấp vào các đột thắt chảy ra ơ rãnh dẫn hình chữ nhật hình thành các vùng áp suất riêng biệt tại các ơ 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 mơ hình này đƣợc cải thiện hơn so với mơ hình 1. Tuy nhiên, do khơng có rãnh thốt ngăn cách giữa các vùng của rãnh dẫn hình chữ nhật nên vẫn hình thành buồng thơng áp giữa trục quay và bạc đệm khí. Mơ hình thứ 3 do tồn tại các rãnh thốt khí giữa các ơ hình chữ nhật, tạo thành các đệm khí riêng biệt trên bề mặt bạc, khơng hình thành vùng thơng 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 mơ 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.
Hình 3. 10 Mơ hình trục lệch theo phƣơng z
Với điều kiện biên và phƣơng pháp chia lƣới ở trên, trong q trình mơ 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 mơ hình riêng biệt (1) Mơ hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau (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 hình 3.11 cho thấy áp suất tại mơ hình ổ trục (1) với rãnh khí hình chữ nhật có lỗ đột thắt cấp khí trung tâm và rãnh thốt khí phân đơi bạc cao hơn so với mơ hình ổ khí đƣợc xếp có rãnh thốt khí phân lập. Với áp suất chi tiết, áp suất trung bình của mơ hình (1) là 330400 Pa, mơ hình (2) là 215947 Pa và áp suất của mơ hình (3) là 127210 Pa.
Hình 3. 12 Sự phân bố áp suất trong bề mặt của ba mơ hình (1) Mơ hình đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau (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.
Trên hình 3.12 áp suất bề mặt trong mơ hình (3) nhìn chung thấp hơn nhiều so với mơ 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 mơ 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)
(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