Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí: Ảnh hưởng ổ khí tĩnh đến độ cứng vững gia công lỗ nhỏ - Trương Minh Đức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trƣơng Minh Đức NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trƣơng Minh Đức NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Vũ Toàn Thắng Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Những nội dung, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với điều kiện của Việt Nam.

Các kết quả này chƣa có tác giả nào công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Hà Nội, ngày 04 tháng 03 năm 2022 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh PGS. Vũ Toàn Thắng Trƣơng Minh Đức I LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của tập thể hƣớng dẫn khoa học, đƣợc tạo điều kiện của Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí, các Giảng viên thuộc Bộ môn Cơ khí Chính xác và Quang học – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu tôi đƣợc: Phòng Đo lƣờng Độ dài – Viện Đo lƣờng Việt Nam và Trung tâm đo lƣờng – Viện Công nghệ – Bộ Quốc Phòng đã tạo điều kiện cho tôi đo đạc, thử nghiệm về ổ khí quay.

Ban Giám hiệu, Khoa Cơ khí, Bộ môn Công nghệ chế tạo máy, Trƣờng Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp, Công ty TNHH cơ khí Thành Nam đã tạo điều kiện cho tôi nghiên cứu khoa học, giúp đỡ tôi gia công một số chi tiết, thiết bị phục vụ cho thực nghiệm liên quan đến nội dung trong đề tài. Tôi đƣợc các Giáo sƣ, Phó Giáo sƣ, Tiến sĩ và đồng nghiệp góp ý, tƣ vấn nhiều ý kiến và cung cấp một số tài liệu liên quan đến nội dung của đề tài, đặc biệt là PGS. Nguyễn Tiến Thọ, ngƣời thầy đã giúp tôi lĩnh hội đƣợc nhiều kiến thức chuyên sâu bổ ích trong lĩnh vực đệm khí. Đồng thời, tôi cũng đƣợc các Nghiên cứu sinh của Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học, cũng nhƣ của Viện Cơ khí đã chia sẻ, động viên trong quá trình hoàn thành các thủ tục, nội dung của luận án.

Tôi xin đƣợc chân thành cám ơn sâu sắc các tập thể, cá nhân đã hƣớng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện trong thời gian qua, đặc biệt tôi xin đƣợc bày tỏ sự biết ơn đến thầy giáo hƣớng dẫn: PGS. Tôi xin đƣợc cám ơn đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã động viên, chia sẻ, tạo thuận lợi trong thời gian tôi thực hiện đề tài nghiên cứu. Xin trân trọng cám ơn! ii MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC HÌNH VẼ.

vii DANH MỤC BẢNG BIỂU. ix LỜI MỞ ĐẦU. Lý do lựa chọn đề tài luận án. Mục đích, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Những kết quả mới. TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ .2 PHÂN TÍCH ƢU, NHƢỢC ĐIỂM CỦA Ổ KHÍ TĨNH. Ƣu điểm của ổ bôi trơn khí.

Nhƣợc điểm của ổ khí. ỨNG DỤNG Ổ KHÍ TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ. 18 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ Ổ KHÍ QUAY ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGHIÊN CỨU VỀ Ổ KHÍ .2 Đặc điểm cấu tạo của vòng bi khí tĩnh .3 Tổng thể về tình hình hiện tại và xu hƣớng phát triển về lĩnh vực vòng bi khí tĩnh .2 PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA Ổ KHÍ QUAY .1 Phân tích định vị .2 Phân tích lực tác động lên ổ khí .3 Phân tích các phƣơng án phân vùng đệm khí riêng biệt trên bề mặt trục31 2.4 Phân tích quán tính ly tâm do độ lệch tâm gây ra .3 MỘT SỐ PHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CƠ BẢN CỦA BÔI TRƠN BẰNG KHÍ .1 Phƣơng trình bôi trơn khí trong trƣờng hợp tổng quát [3] .2 Phƣơng trình bôi trơn khí trong trƣờng hợp ổ khí quay .3 Phƣơng trình bôi trơn cho chi tiết bạc .4 Phƣơng trình đệm khí dƣới .4 TÍNH TOÁN ÁP SUẤT, LỰC NÂNG CỦA ĐỆM KHÍ THEO PHƢƠNG PHÁP ĐIỆN KHÍ TƢƠNG ĐƢƠNG.1 Các yêu cầu khi tính toán đệm khí .2 Cơ sở phƣơng pháp tính toán đệm khí .3 Xây dựng công thức tính toán cho mô hình đệm khí dƣới.4 Tính áp suất, lực nâng của bạc đệm khí mặt trụ theo mô hình điện khí tƣơng đƣơng.

48 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA Ổ KHÍ QUAY. KHẢO SÁT MÔ HÌNH Ổ KHÍ .1 Mô hình thiết kế .2 Mô phỏng hóa các mô hình đã phân tích. Khảo sát ảnh hƣởng của khe hở đến lực đẩy của đệm khí mặt đầu.

Khảo sát ảnh hƣởng tốc độ quay đến áp suất trung bình trên bề mặt bạc66 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT Ổ KHÍ TĨNH ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG LỖ NHỎ. ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƢỚC, SAI SỐ HÌNH DÁNG HÌNH HỌC VÀ SAI SỐ VỊ TRÍ BỀ MẶT CỦA Ổ KHÍ. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TIẾP XÚC CƠ KHÍ CỦA Ổ KHÍ.

THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TẢI VÀ ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA Ổ KHÍ. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN TRỤC THEO PHƢƠNG NGANG. THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT TẠI MỘT SỐ VỊ TRÍ CỦA Ổ KHÍ .6 ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH TÂM QUAY Ổ KHÍ THÔNG QUA GIA CÔNG KHOAN LỖ. 83 iv KẾT LUẬN CHƢƠNG 4.

89 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 91 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 100 v DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT Stt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1 N Newton Đơn vị đo lực 2 μm, mm Micromet, milimet Đơn vị đo chiều dài 3 v/ph Revolutions per minute Đơn vị đo vòng/phút 4 kG/cm kilogram per square Đơn vị độ cứng centimetre 5 Kw Kilowatt hour Đơn vị đo công suất 6 Hz Hertz Đơn vị đo tần số 7 l/ph Litre/minute Đơn vị đo lƣu lƣợng khí 8 Sr Độ cứng hƣớng kính 9 Ps Áp nguồn cấp 10 Nm Đơn vị momen 11 ζ Độ lệch tâm 12 φ Góc lệch tâm 13 U = r.ω Vận tốc chuyển động ngõng trục 14 ω Vận tốc góc 15 r Bán kính của ổ 16 h Khe hở giữa ngõng và ổ 17 y Tọa độ trọng tâm của phần tử bôi trơn 18 μ Độ nhớt động lực học của khí 19 τ Ứng suất trƣợt 20 ρ Khối lƣợng riêng 21 p Áp suất tuyệt đối 22 K Độ cứng 23 S Tiết diện chảy 24 R Điện trở khí 25 Bar, MPa, Đơn vị đo áp suất Pa, kG/cm2 26 P0 Áp suất đầu vào 27 TCVN Viet Nam Standards Tiêu chuẩn Việt Nam 28 FEM Finite Element Method Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 29 CFD Computational Fluid Mô phỏng động lực học dòng Dynamics chảy 30 ESA Engineering Simplification Thuật toán đơn giản hóa kỹ Algorithm thuật 31 MPCM Multi-Physics Coupling Phƣơng pháp ghép nối đa vật Method lý 32 FDM Finite Difference Method Phƣơng pháp sai phân hữu hạn vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.

1 Đồ thị nhiệt độ của ổ bi theo thời gian và vận tốc quay [4]. 2 Hình ảnh tƣơng quan về giá thành của các loại ổ trục [4]. 3 Độ chính xác thay đổi theo tốc độ quay trục chính máy tiện D1733 [4]. 4 Các loại máy sử dụng trục chính sử dụng ổ khí của hãng WestWind [4].

5 Tuổi thọ của dao tiện trên máy PCB của hãng WestWind [4]. 6 So sánh độ cứng biến thiên giữa hai loại đệm trong trục chính [4]. 7 So sánh tuổi thọ giữa hai loại ổ [4]. 8 Nhiệt sinh ra khi trục chính máy khoan PCB quay ở tốc độ 200.

9 Trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc dẫn động bằng động cơ [13]. 10 Các bộ phận của trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc dẫn động bằng động cơ [4]. 11 Các bộ phận của trục chính sử dụng ổ khí quay cao tốc dẫn động bằng cánh tuốc bin [4]. 12 Cấu tạo ổ khí quay dùng trong máy khoan hãng Westwind – UK [4].

13 Cấu tạo ổ khí quay dùng trong máy khoan của hãng EXCELLON AUTOMATION [4]. 14 Ổ khí quay cao tốc cho máy phay lỗ nhỏ [14]. 15 Sơ đồ bộ hạn chế khe hẹp [30]. 16 Áp suất cấp dạng rãnh.

17 Cấu tạo ổ khí sử dụng áp suất cấp dạng xốp [35]. 18 Ổ khí quay ứng dụng trong thiết bị đo độ tròn. 19 Ổ khí quay dùng trong máy chuẩn mô men. 1 Mô hình định vị và lắp ráp ổ khí quay.

2 Áp lực bên trong bạc đệm khí và trục quay. 3 Phân tích lực tạo bởi lớp màng khí nén. 4 Phân vùng cấp khí trên bề mặt bạc đệm khí. 5 Phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí.

6 Quan hệ giữa lực đẩy và khe hở đệm khí. 7 Khảo sát sự phân bố vận tốc theo chiều cao của khe hở [3]. 8 Mô hình động lực học của trục ổ khí quay. 9 Hệ tọa độ trụ xét mô hình trục bị nghiêng.

10 Cấu tạo đệm khí loại rãnh. 11 Sơ đồ chuyển đổi khí điện. 12 Mô hình chuyển đổi điện khí tƣơng đƣơng. 13 Điện trở một phân tố chiều dài.

14 Đồ thị khảo sát lực nâng theo z. 15 Đồ thị khảo sát lực nâng theo rd. 16 Mô hình điện khí tƣơng đƣơng của bạc khí. 17 Đệm khí bề mặt trụ và mô hình điện khí tƣơng đƣơng.

18 Phân bố áp suất trên bề mặt đệm khí chữ nhật. 19 Đồ thị quan hệ giữa lực đẩy và khe hở đệm khí. 1 Đệm khí các rãnh dẫn liên kết với nhau. 2 Đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật.

3 Đệm khí dạng rãnh dẫn liên kết hình chữ nhật phân lập .