Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số bôi trơn thủy tĩnh đến độ cứng vững của cụm trục chính thủy tĩnh máy mài tròn ngoài..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số bôi trơn thủy tĩnh đến độ cứng vững của cụm trục chính thủy tĩnh máy mài tròn ngoài..

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN MẠNH TOÀN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ BÔI TRƠN THỦY TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG CỦA CỤM TR ỤC CHÍNH THỦY TĨNH MÁY MÀI TRÒN NGOÀI 3K12 Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2020
2. Ngành: Kỹ thuCôngật cơ trình khí được hoàn thành tại: Mã số: 9 52 Trư01 0ờ3ng Đại học Bách khoa Hà Nội LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG D ẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. PHẠM VĂN HÙNG Người hướng dẫn khoa h2.ọ c:TS. BÙI TUẤN ANH 1. PGS.TS. Phạm Văn Hùng 2. TS. Bùi Tuấn Anh Hà Nội - 2020 Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. MỞ ĐẦU Cụm ổ trục chính là cụm chi tiết quan trọng của máy công cụ nói chung, máy mài nói riêng có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác, chất lượng bề mặt của chi tiết gia công. Độ cứng vững theo phương hướng kính (sau đây gọi tắt là độ cứng vững) của cụm ổ trục chính có liên quan trực tiếp tới dịch chuyển tâm trục khi chịu tải theo phương hướng kính. Để đảm bảo chất lượng bề mặt và độ chính xác của chi tiết gia công, đặc biệt là chi tiết gia công sau nhiệt luyện, cần phải quan tâm đến độ cứng vững của cụm trục chính máy công cụ nói chung, máy mài nói riêng. Cụm ổ trục chính máy mài sử dụng công nghệ bôi trơn thủy động đã được áp dụng trong nhiều năm qua. Tuy nhiên nhược điểm cơ bản của bôi trơn thủy động là quỹ đạo tâm trục phụ thuộc vào nhiệt độ dầu bôi trơn, tốc độ và tải trọng đặt lên trục chính, do đó ảnh hưởng tới chất lượng chi tiết gia công. Cụm ổ trục chính thủy tĩnh đã được nghiên cứu ứng dụng trong máy công cụ nhằm nâng cao khả năng tải, tăng độ cứng vững, ổn định tâm trục chính, dập tắt dao động, nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy. Đặc biệt hiệu quả khi ứng dụng cho máy gia công tinh như máy mài, máy CNC các loại . Các vấn đề về ảnh hưởng của các thông số bôi trơn thủy tĩnh đến độ cứng vững cụm ổ trục chính thủy tĩnh máy mài tròn ngoài cỡ trung và độ chính xác của chi tiết gia công đã được quan tâm nghiên cứu, tuy nhiên mới dừng lại ở các ảnh hưởng của các thông số đơn lẻ. Các kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy khả năng tải và độ cứng vững của ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh phụ thuộc vào chế độ bôi trơn với các thông số cơ bản như độ nhớt động lực học (sau đây gọi tắt là độ nhớt dầu), chiều dày màng dầu, áp suất v.v Từ những vấn đề nêu trên cho thấy việc “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số bôi trơn thủy tĩnh đến độ cứng vững của cụm trục chính thủy tĩnh máy mài tròn ngoài 3K12” là cần thiết, tạo cơ sở khoa học cho việc tính toán, thiết kế, chế tạo và đánh giá độ cứng vững cụm ổ trục chính thủy tĩnh của máy công cụ và thiết bị công nghiệp trong đó có máy mài tròn ngoài. Đó chính là lý do nghiên cứu sinh lựa 1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Mục đích nghiên cứu: Mục đích chung: Nâng cao độ cứng vững của cụm trục chính máy 1
4. mài trên cơ sở lựa chọn bộ thông số bôi trơn thủy tĩnh phù hợp với bộ thông số hình học đạt được khi chế tạo. Mục tiêu cụ thể: • Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số bôi trơn đến chất lượng cụm ổ trục chính thủy tĩnh nói chung và độ cứng vững nói riêng trên máy 3K12. • Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng, độ nhớt và áp suất dầu bôi trơn tới độ cứng vững của cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh của máy 3K12. b. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh máy mài tròn ngoài 3K12. Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm: • Cụm ổ trục chính máy mài tròn ngoài bôi trơn thủy tĩnh có kích thước cơ bản: Trục dài 535 mm, đường kính ổ 70mm, chiều rộng ổ 56 mm, chiều dày mép ổ 14 mm, khe hở hướng kính của ổ: 21 μm. • Bộ thông số bôi trơn thủy tĩnh thay đổi trong phạm vi: áp suất bơm dầu 3 – 5 MPa, độ nhớt động lực học của dầu: 1,67 – 8,72 mPa.s. • Đánh giá độ cứng vững của cụm ổ trục chính với các chế độ bôi trơn thủy tĩnh ở trạng thái tĩnh. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm: Lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết bôi trơn thủy tĩnh và tính toán các thông số bôi trơn thủy tĩnh cho cụm ổ trục chính máy mài tròn ngoài 3K12. Thực nghiệm: Xác định quy luật biến thiên của độ cứng vững cụm trục chính bôi trơn thủy tĩnh máy mài tròn ngoài 3K12 được chế tạo với tải trọng, độ nhớt và áp suất dầu thay đổi trong vùng lựa chọn nhằm xác thực độ tin cậy của kết quả nghiên cứu lý thuyết. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Ý nghĩa khoa học: Xác định được vùng thông số thủy tĩnh phù hợp với các thông số hình học đạt được khi chế tạo cho độ cứng vững tốt nhất. Xây dựng được mối quan hệ giữa độ nhớt, áp suất dầu bôi trơn và tải trọng hướng kính với độ cứng vững của cụm trục chính, là nguyên 2
5. nhân chính ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng bề mặt chi tiết gia công trên máy mài tròn ngoài nói chung và máy mài tròn ngoài 3K12 nói riêng. Xây dựng được hàm hồi quy thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa độ cứng vững cụm ổ trục chính thủy tĩnh với độ nhớt, áp suất dầu bôi trơn và tải trọng hướng kính đặt lên trục. Kết quả nghiên cứu làm phong phú thêm lý thuyết bôi trơn thủy tĩnh; làm tài liệu tham khảo trong nghiên cứu, tính toán thiết kế, chế tạo cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh máy công cụ; trong hoạt động giảng dạy và đào tạo chuyên ngành. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu đã xác định được giá trị các thông số bôi trơn hợp lý để cụm ổ trục chính thủy tĩnh làm việc ổn định dựa trên tiêu chí độ cứng vững của ổ. Đặc biệt, cho phép lựa chọn chế độ bôi trơn hợp lý căn cứ vào dung sai chế tạo cụ thể của cụm ổ dựa trên cơ sở độ cứng vững. 3. Điểm mới của luận án - Xác định được bộ thông số bôi trơn thủy tĩnh phù hợp cho từng cụm ổ trục chính thủy tĩnh có bộ thông số kích thước hình học cụ thể sau gia công trên cơ sở dung sai chế tạo. - Đã chế tạo được được cụm ổ trục chính thủy tĩnh đầu tiên ở Việt Nam, phù hợp với điều kiện công nghệ chế tạo trong nước hiện có, phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm. - Xây dựng được hệ thống thiết bị và phương pháp thực nghiệm khảo sát độ cứng vững cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh máy mài tròn ngoài. 4. Bố cục của luận án. Luận án được bố cục thành 4 chương Chương 1. Tổng quan về cụm trục chính máy công cụ. Chương 2: Cơ sở lý thuyết bôi trơn thủy tĩnh trục chính máy công cụ. Chương 3: Phương pháp nghiên cứu và thiết bị thực nghiệm. Chương 4: Thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số bôi trơn đến độ cứng vững cụm trục chính thủy tĩnh. Kết luận và kiến nghị CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỤM TRỤC CHÍNH MÁY CÔNG CỤ 1.1 Cụm trục chính máy công cụ 3
6. Cụm trục chính là cụm chi tiết rất quan trọng của máy công cụ do chuyển động của nó trực tiếp tạo ra chuyển động tương đối giữa dụng cụ cắt và chi tiết gia công (chuyển động tạo hình của máy). Do đó độ chính xác, rung động của trục chính trong quá trình gia công sẽ trực tiếp ảnh hưởng tới độ chính xác kích thước cũng như chất lượng bề mặt chi tiết gia công. Ổ đỡ trục chính máy công cụ hiện nay có 3 loại chính: Ổ lăn, ổ thủy động và ổ thủy tĩnh. Ổ thủy tĩnh với nhiều ưu điểm: độ cứng vững, độ chính xác, độ ổn định cao nên ngày càng được nghiên cứu tích hợp trong trục chính máy công cụ có độ chính xác cao. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Tình hình nghiên cứu ngoài nước Trên thế giới cụm ổ thủy tĩnh ứng dụng cho trục chính máy công cụ đã bắt đầu được đề cập từ những năm 70 của thế kỷ trước, và đến nay vẫn được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu. Nhìn chung, các nghiên cứu đều tập trung vào một số vấn đề sau: + Nghiên cứu phát triển các thiết kế mới của ổ thủy tĩnh áp dụng cho các cụm trục chính của máy công cụ chính xác có tốc độ làm việc cao. + Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng làm việc của ổ để từ đó đưa ra phương án hạn chế các ảnh hưởng đó nhằm cải thiện khả năng làm việc của ổ thủy tĩnh. + Nghiên cứu các thiết bị điều khiển lưu lượng dầu: ống mao dẫn, miệng phun, van tiết lưu có lưu lượng cố định hoặc thay đổi . Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưu lượng dầu có ảnh hưởng rất mạnh mẽ tới khả năng làm việc của ổ thủy tĩnh. Các nghiên cứu này chủ yếu thực hiện trong điều kiện thiết bị điều khiển lưu lượng dầu không đổi trong khi áp suất và độ nhớt dầu thay đổi. Với các ổ sử dụng ống mao dẫn thì có thể gặp phải vấn đề không ổn định trong giai đoạn khởi động do ảnh hưởng của nhiệt độ. Với các ổ dùng miệng phun làm thiết bị điều khiển lưu lượng thì khả năng tải sẽ bị hạn chế khi hoạt động trong dải nhiệt độ lớn do độ nhớt của dầu thay đổi. Các nghiên cứu xung quanh vấn đề này đã chỉ ra rằng nếu lựa chọn đúng thiết bị điều khiển lưu lượng sẽ cho khả năng tải của ổ tối ưu, tuy nhiên nó cũng sẽ làm cho kết cấu của ổ trở lên phức tạp, đồng thời chúng cũng rất nhạy cảm với các sai số chế tạo. + Kết cấu hình học của ổ: Kết cấu ổ thủy tĩnh là một trong số những yếu tố quan trọng mang tính chất quyết định đến khả năng làm 4
7. việc của ổ thủy tĩnh. Một số kết cấu ổ chặn cũng như ổ đỡ thủy tĩnh đã được đề xuất: Ổ có buồng dầu và ổ không có buồng dầu, ổ có kết cấu đối xứng và ổ có kết cấu không đối xứng, ổ có buồng dầu trực diện với phương chịu tải và ổ có buồng dầu bố trí lệch so với phương chịu tải; Ổ có buồng dầu tự lựa. Tình hình nghiên cứu trong nước Đã có một số công trình nghiên cứu khoa học tại Phòng thí nghiệm chuyên đề ma sát học, khoa Cơ khí, ĐHBKHN vào những năm 1980 của thế kỷ trước, bước đầu nghiên cứu về ổ thủy động, thủy tĩnh, khí tĩnh trong máy công cụ và thiết bị. Năm 1990, Luận án PTS khoa học đầu tiên về lĩnh vực bôi trơn thủy tĩnh được thực hiện bởi tác giả Nguyễn Phương. Đây là công trình nghiên cứu đầu tiên, cũng như là duy nhất tại Việt nam về lĩnh vực ổ thủy tĩnh trục chính máy công cụ tính đến nay. Trong công trình này tác giả đi sâu vào nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến khả năng tải của ổ thủy tĩnh, trong đó tính lưu biến của chất bôi trơn đã được đề cập. Năm 1990, tại phòng thí nghiệm Ma sát học, khoa Cơ khí ĐHBK HN đã có nghiên cứu đề xuất chế thử cụm ổ trục chính thủy tĩnh cho máy tiện cỡ trung. Tuy nhiên chất lượng gia công tại thời điểm đó không đáp ứng được yêu cầu của ổ. Hiện nay việc nâng cấp cụm trục chính thủy tĩnh máy 3K12 là khả thi do có sự trợ giúp của thiết bị CNC. Sau khi gia công chế tạo cụm ổ trục chính thủy tĩnh của máy, để đánh giá độ cứng vững cụm ổ, cần xây dựng phương pháp và thiết bị đánh giá độ cứng vững của cụm ổ. Kết luận chương 1 Từ những nghiên cứu trên, có thể đưa ra một số kết luận sau: 1. Trục chính bôi trơn thủy tĩnh là một tất yếu khách quan với các ưu điểm: Chất lượng bôi trơn cao, độ ổn định tâm trục cao và đặc biệt là khả năng công nghệ chế tạo hiện nay hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu gia công chính xác của cụm ổ thủy tĩnh. 2. Cụm ổ thủy tĩnh trục chính máy công cụ cần phải sử dụng kết cấu nhiều buồng dầu với các ưu điểm: có độ chính xác và độ cứng vững cao 3. Luận án sẽ tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của cả ba thông số bôi trơn: áp suất, độ nhớt dầu bôi trơn và tải trọng tới độ cứng vững của cụm ổ trục chính thủy tĩnh máy mài tròn ngoài 3K12 dựa trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu ảnh hưởng đơn lẻ của các thông số kể trên 5
8. đã được công bố. 4. Luận án tập trung giải quyết những vấn đề sau: + Nghiên cứu cụm ổ trục chính bôi trơn thủy động máy 3K12, làm cơ sở tính toán thiết kế, chế tạo cụm ổ trục chính thủy tĩnh có khả năng tích hợp lên trên máy 3K12. + Nghiên cứu xây dựng hệ thống thiết bị thực nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số bôi trơn thủy tĩnh đến độ cững vững cụm ổ trục chính thủy tĩnh máy mái tròn ngoài 3K12. + Trên cơ sở thực nghiệm, xác định được bộ thông số bôi trơn thủy tĩnh hợp lý phù hợp với kết cấu cụm trục chính của máy mài 3K12 đã chế tạo dựa trên tiêu chí độ cứng vững. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THỦY TĨNH TRỤC CHÍNH MÁY CÔNG CỤ 2.1 Cơ cấu điều khiển chiều dày màng dầu ổ thủy tĩnh Điều khiển chiều dày màng dầu bằng ống mao dẫn Với ống mao dẫn có đường kính dc và chiều dài lc thì lưu lượng dầu chảy qua ống mao dẫn vào ổ được xác định bởi công thức: ()p− p d 4 s r c (2.22) qout = 128lc Điều khiển chiều dày màng dầu bằng van tiết lưu Lưu lượng dầu chảy qua ổ được đảm bảo ổn định và không đổi bởi các van tiết lưu điều khiển tự động hoặc bơm có lưu lượng không đổi. Khi lưu lượng dầu bơm vào mỗi buồng của ổ ổn định và không đổi thì áp suất trong buồng dầu cũng sẽ được ổn, từ đó chiều dày màng dầu cũng như độ cứng vững của ổ được giữ ổn định. Điều khiển chiều dày màng dầu bằng cơ cấu miệng phun Cơ cấu điều khiển lưu lượng dạng miệng phun sẽ tạo ra dòng chảy rối của chất bôi trơn vào trong buồng dầu. Với cơ cấu miệng phun đơn giản, lưu lượng dầu chảy qua: d 2( pp− ) qC= o sr (2.23) d 4 Với cơ cấu miệng phun hình vành khăn lưu lượng dầu chảy qua 2( pp− ) q= C d h sr (2.24) dr Trong đó Cd là hệ số của miệng phun, phụ thuộc vào trị số Reynolds 6
9. 2.2 Các thông số đặc trưng của ổ đỡ thủy tĩnh. Số buồng dầu và kích thước buồng dầu Số lượng buồng dầu (n), hình dạng và kích thước buồng dầu được lựa chọn từ thực nghiệm hoặc kinh nghiệm vận hành các ổ thủy tĩnh trong các cụm trục chính. Thông thường chọn n ≥ 4. Trong các trường hợp có yêu cầu cao về tải và ổn định của trục chính nên dùng n= 6; còn đối với các ổ chịu tải không lớn và ổn định thì chọn n= 4. Đường kính và khe hở của ổ thủy tĩnh Đường kính tối thiểu của trục được xác định theo công thức: Jl3 D= 4 tr ( mm) (2.26) min 2,4E Trong đó: E –Mô đun đàn hồi vật liệu làm trục (N/mm2). I – Mô men quán tính chính của trục (I~ 0,05 D4 mm4). l – Khoảng cách giữa hai ổ trục, (mm.) Đối với các ổ trục thông thường khe hở tuyệt đối thường được chọn theo chế độ lắp của trục và bạc là H7/g6. Đối với ổ thủy tĩnh dùng cho máy mài chọn khe hở tương đối bằng 1/3 so với thủy động, khi đó khe hở tương đối sẽ là: ψ = 3.10-4. Áp suất buồng dầu Thường sử dụng các bảng số liệu kỹ thuật và toán đồ để tính toán xác định các thông số sơ bản của ổ thủy tĩnh. Áp suất thủy tĩnh trung bình của ổ trục chính khi chọn tỷ lệ chiều dày của vách ổ 0,25 (L): FTH (2.34) ptb = 2.rb1 Áp suất bơm dầu cần cung cấp cho hệ thống có thể được xác định theo áp suất trung bình của ổ và độ lệch tâm tương đối theo toán đồ. Lưu lượng và khả năng tải của ổ thủy tĩnh Lưu lượng Qz cần thiết của buồng dầu chịu tải chính có thể tính theo công thức: .Q FA= z ( ) (2.38) 1 2.r 3 Trong đó : A(ε) được xác đinh theo ε Khả năng tải của ổ thiết kế Khả năng tải của ổ có thể được xác định bằng công thức sau: 7
10. e =1,5 Dp2 (2.43) s Độ cứng vững của cụm ổ Độ cứng vững của cụm ổ được tính theo công thức: a 2 2  1− sin (2.44) ps LD 3N LN Jo = h 2 2 0 z ++1 2 *sin N Trong đó: N – Số buồng dầu, D – Đường kính trong bạc (mm); L – chiều dài buồng dầu (mm); h0 - Khe hở giới hạn (µm); - tỷ số áp suất dầu buồng dầu với áp suất bơm; – Áp suất bơm, (MPa) a – Chiều rộng mép ổ (mm); N.() a L− a  = – Hệ số hình dạng ổ; Db 1  z = – với cơ cấu điều khiển dùng miệng phun 2 (1−  )  z = – với cơ cấu điều dùng ống mao dẫn (1−  ) Khi đó độ cứng vững không thứ nguyên của ổ: a 2 2  1− sin 3n Ln (2.46) Jn = 2 2 z ++1 2 .sin n Công suất tiêu hao trong ổ thủy tĩnh Khi ổ thủy tĩnh hoạt động, công suất tiêu hao do bơm cấp được tính theo công thức: CCC 12 +  (2.52) Giới hạn dưới của áp suất bơm theo độ cứng vững màng dầu Theo giả thiết để màng dầu có độ cứng vững như trục thép thì áp suất dầu thấp nhất được tính theo công thức: p 50.104 (2.53) 1,5D2 Độ nhớt của dầu Có thể xác định độ nhớt cực tiểu của dầu bôi trơn theo tiêu chí giảm 8
11. tiêu hao công suất từ điều kiện ma sát cực tiểu. Khi đó giá trị độ nhớt có thể tính gần đúng theo công thức: 2 8 ppss (2.55)  ==2,25.10 20,25 D n n Độ nhám bề mặt ngõng trục và bạc của ổ Căn cứ vào các trị số độ hở danh nghĩa ∆, khe hở nhỏ nhất, tra bảng tiêu chuẩn dung sai sẽ xác định thông số chế độ lắp ghép trục và ổ là: RR+ + min (2.56) Z12 Z b 3 Trong đó: Rz1, Rz2 : nhám bề mặt ngõng trục và ổ (µm); b : Khe hở bổ sung, để màng dầu không bị đánh thủng; Kết luận chương 2: Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết về bôi trơn thủy tĩnh, có thể rút ra một số kết luận sau: 1. Khả năng tải và độ cứng vững cụm ổ trục chính thủy tĩnh không chỉ phụ thuộc vào các thông số hình học của ổ: số buồng dầu, khe hở hướng kính, chiều dài và chiều rộng ổ mà còn phụ thuộc vào các thông số bôi trơn thủy tĩnh: độ nhớt, lưu lượng, áp suất và nhiệt độ dầu bôi trơn. 2. Trong số các thông số bôi trơn ảnh hưởng tới khả năng làm việc của ổ thủy tĩnh thì áp suất và độ nhớt dầu bôi trơn là hai thông số được quan tâm nghiên cứu đầu tiên. 3. Để đảm bảo tính linh động, điền đầy của dầu bôi trơn, khả năng bôi trơn làm mát, hạn chế biến dạng nhiệt thì độ nhớt dầu bôi trơn nằm trong khoảng 1÷10 mPa.s. 4. Áp suất dầu trong các hệ thống bôi trơn thủy tĩnh thường nằm trong phạm vi (3 ÷ 5 MPa). Tăng áp suất sẽ làm tăng nhiệt độ dầu bôi trơn và dẫn tới giảm khả năng làm mát ổ của dầu. CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 3.1 Mục đích nghiên cứu thực nghiệm Mục đích của quá trình thực nghiệm nhằm khẳng định lại các kết quả nghiên cứu lý thuyết, đồng thời, thông qua thực nghiệm để tìm ra bộ thông số bôi trơn thích hợp với ổ thủy tĩnh được chế tạo có các 9
12. thông số hình học xác định khi trục chịu tải trọng khác nhau. 3.2 Phương pháp và thiết bị nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Cụ thể: dựa trên cơ sở lý thuyết bôi trơn thủy tĩnh và các thông số hình học đã có của ổ trục chính máy 3K12, xác định độ cứng cụm ổ và mối quan hệ giữa độ cứng vững đó với độ nhớt và áp suất của dầu bôi trơn. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết, tiến hành thực nghiệm xác định độ cứng vững cụm trục chính bôi trơn thủy tĩnh với độ nhớt và áp suất dầu đã chọn nhằm chứng minh bằng thực nghiệm tính xác thực của kết quả nghiên cứu lý thuyết. Từ đó đề xuất dải thông số bôi trơn thủy tĩnh (độ nhớt, áp suất dầu) phù hợp với điều kiện làm việc của cụm trục chính máy mài tròn ngoài 3K12 dựa trên cơ sở độ cứng vững. Thiết bị thực nghiệm Thiết bị thực nghiệm bao gồm: cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh và thiết bị đánh giá độ cứng vững của cụm ổ trục chính thủy tĩnh. 3.3 Nâng cấp cụm ổ thủy tĩnh trục chính máy mài tròn ngoài 3K12 trên cơ sở độ cứng vững tương đương Một số thông số cơ bản cụm trục chính thủy động máy mài tròn ngoài 3K12 Cụm trục chính máy mài 3K12 được thiết kế sử dụng ổ thủy động tự lựa 3 mưởng với các thông số: Đường kính ổ D = 70mm, chiều rộng ổ 54mm, chiều dài cung ôm trục của ổ 35mm, khe hở hướng kính 21μm, độ lệch tâm tương đối Ɛ = 0,3, dầu gốc khoáng có độ nhớt động học ở 50 độ 4-5 cSt. Độ cứng vững tương đương lớn nhất của cụm ổ: jsmax = 245.62 N/ µm. Nâng cấp cụm ổ trục chính thủy tĩnh máy mài 3K12 Căn cứ vào kích thước hình học của cụm ổ thủy động trục chính máy mài 3K12, tính toán thiết kế chọn ổ thủy tĩnh có 4 buồng dầu với các kích thước: L = 0,8 D; b = a = 0,25 L. Trong đó D lấy theo trục chính máy mài 3K12: D=70 mm. Khe hở tương đối là: ψ = 3.10-4, → s= 0,0105 mm. Áp suất pz cấp cho buồng dầu có thể được xác định theo áp suất trung bình của ổ và độ lệch tâm tương đối: pz = 4,3 MPa Lưu lượng Qz cần thiết của ổ thủy tĩnh: Q ≥ 0,66 cm3/ph. Giới hạn dưới của áp suất bơm theo độ cứng vững màng dầu: ps = 2,8 MPa. Độ nhớt của dầu: µ = 1.74 mPa.s 10
13. Nhám bề mặt ngõng trục và bạc: Rz1 ≤ 1 ÷ 2 µm, Rz2 ≤ 1 ÷ 3 µm, 1. Trục chính; 2: Bệ máy; 3: Bạc thủy tĩnh trái; 4: Bạc cách; 5 Bạc chặn tự lựa dọc trục; 6: Bạc chặn tự lựa; 7 Bạc thủy tĩnh phải Hình 3.10 Kết cấu cụm trục chính thủy tĩnh máy mài tròn ngoài 3K12 Độ cứng vững cụm trục chính bôi trơn thủy tĩnh máy mài tròn ngoài 3K12 Độ cứng vững của trục thép 40XMH: Jtr 470 µm Độ cứng vững màng dầu: p L D 9* (1− ) s Jo ==* 508 846,8(Nm /  ) h0 + 2, 4(1− ) Độ cứng vững tổng cộng của cụm trục chính thủy tĩnh máy mài tròn ngoài: JJ* J = o tr 244  302 ()N / m ()Jo+ J tr Thiết bị thực nghiệm xác định độ cứng vững cụm trục chính bôi trơn thủy tĩnh máy mài tròn ngoài 3K12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị đánh giá độ cứng vững cụm trục chính được trình bày như trên hình 3.14. Kết luận chương 3 Từ các kết quả nghiên cứu trên, có thể đưa ra một số kết luận sau: 1. Độ cứng vững, khả năng tải cũng như một số đặc trưng của ổ thủy động trên trục chính máy mài tròn ngoài 3K12 đã được xác định, làm cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế cụm ổ trục chính thủy tĩnh mới. 2. Độ cứng vững tổng cộng lý thuyết của cụm ổ trục chính thủy tĩnh được tính toán đạt 244 N/μm với áp suất dầu cấp 3MPa và 302 (N/μm) với áp suất dầu 5MPa khi sử dụng dầu có độ nhớt 1,74 mPa.s. Độ cứng vững này lớn hơn độ cứng vững tương ứng của ổ thủy động 11
14. trên máy 3K12 (245 (N/μm)). 3. Đã chế tạo thành công cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh của máy 3K12 trên cơ sở độ cứng vững tương đương với ổ thủy động cũ của máy với các thông số: kết cấu ổ gồm 4 buồng dầu, đường kính ổ D = 70mm, chiều rộng mép ổ 14mm, khe hở hướng kính của ổ 21 μm, độ lệch tâm tính toán giữa trục và ổ 4 µm. 4. Hệ thống thiết bị khảo sát độ cứng vững cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh cũng được xây dựng và ghép nối, cho phép xác định độ cứng vững của cụm ổ trục chính với yêu cầu đề ra. 1. Động cơ 2. Ổ lăn 3. Đồng hồ so 4. Ổ thủy tĩnh 5. Trục chính 6. Xy lanh khí nén Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý đo chuyển vị của trục chính CHƯƠNG 4. THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ BÔI TRƠN ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG THỦY TĨNH 4.1 Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm Thiết kế thí nghiệm: Quá trình thực nghiệm sẽ được tiến hành với 3 tham số: độ nhớt dầu, áp suất bơm dầu và tải trọng hướng kính đặt lên trục. Hàm mục tiêu là độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ. Áp dụng quy hoạch toàn phần 2k, số thí nghiệm cần thực hiện: 23 = 8 thí nghiệm. Để kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số trong hàm hồi quy, cần bổ sung thêm một thí nghiệm tại tâm quy hoạch, do đó số thí nghiệm cần thực hiện: 2k+1 = 9 thí nghiệm. Căn cứ theo điều kiện thực tế, thông số thực nghiệm được chọn: tải trọng: Fmax = 1500N; Fmin = 500N; độ nhớt dầu bôi trơn:  min = 1,67 mPa.s,  max = 8,72 mPa.s; áp suất: pmin = 3 MPa, pmax = 5 MPa 12
15. Hàm hồi quy của độ cứng vững tổng cộng cụm trục chính thủy tĩnh với độ nhớt, áp suất dầu bôi trơn và tải trọng hướng kính có dạng tuyến tính: Ja=0 + a 1 + apaFa 2 + 3 + 12  paFapFa + 13  + 23 + 123  pF (4.2) Trong đó: J độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ trục chính thủy tĩnh.  : độ nhớt dầu bôi trơn (mPa.s) p: Áp suất bơm dầu (MPa) F: tải trọng hướng kính đặt lên trục (N) Bộ thông số thực nghiệm: Độ nhớt (mPa.s) Áp suất bơm (MPa) Tải trọng (N): min =1,67 Pmin = 3 Fmin = 500 max = 8,72 Pmax = 5 Fmax = 1500 0 = 5,19 P0 = 4 F0 = 1000 Mã hóa các thông số thí nghiệm thành các biến không thứ nguyên: − FF− 0 ; pp− 0 ; 0 X = X = X3 = 1  2 p F Theo đó ta có hàm hồi quy thực nghiệm: yb=0 + bX 11 + bX 22 + bX 33 + bXX 1212 + bXX 1313 + bXX 2323 + bXXX 123123 (4.4) Thực nghiệm được tiến hành theo ma trận thể hiện trong Bảng 4.1. Bảng 4.1 Ma trận thực nghiệm TT  P F (N) X1 X2 X3 Độ cứng (mPa.s) (MPa) vững Y 1 1,67 3 500 -1 -1 -1 2 1,67 3 1500 -1 -1 1 3 1,67 5 500 -1 1 -1 4 1,67 5 1500 -1 1 1 5 8,72 3 500 1 -1 -1 6 8,72 3 1500 1 -1 1 7 8,72 5 500 1 1 -1 8 8,72 5 1500 1 1 1 9 5,19 4 1000 0 0 0 Sự tồn tại của các hệ số b0,,,,,,, b 1 b 2 b 3 b 12 b 13 b 23 b 123 của hàm hồi quy thực nghiệm được kiểm nghiệm bằng tiêu chuẩn student. Hàm hồi quy thực nghiệm được kiểm tra bởi tiêu chuẩn Fisher. 13
16. Tổ chức thực nghiệm Để kết quả thực nghiệm không bị ảnh hưởng bởi sai số của quá trình gia công chế tạo, dịch chuyển của tâm trục cần được xác định ở 8 vị trí được đánh dấu cách đều nhau trên chu vi trục như Hình 4.1 1 2 8 P 3 7 4 6 5 Hình 4.1 Sơ đồ 8 điểm đo chuyển vị tâm trục trên chu vi trục thủy tĩnh Tại mỗi một vị trí đo trên trục, ứng với mỗi tải trọng, độ nhớt và áp suất bơm dầu; quá trình thực nghiệm được lặp lại 9 lần. Chuyển vị tâm trục chính tại mỗi vị trí đo là giá trị trung bình của 9 kết quả đo trên. Với mỗi điều kiện thực nghiệm (tải trọng, độ nhớt và áp suất bơm dầu), chuyển vị của tâm trục là trung bình chuyển vị của 8 vị trí đo phân bố đều trên chu vi trục. Với mỗi độ nhớt của dầu, tiến hành làm thí nghiệm với các áp suất dầu tăng dần: 3 MPa, 4 MPa và 5 MPa. Với mỗi áp suất của dầu bôi trơn, thí nghiệm với tải trọng: 500 N, 1000N và 1500N. Sau khi kết thúc thí nghiệm với một áp suất dầu, dừng thí nghi ệm, điều chỉnh áp suất dầu tới giá trị mới, lập lại quá trình thí nghiệm. Sau khi kết thúc thí nghiệm với một độ nhớt của dầu, xả hết dầu trong toàn bộ hệ thống, thay dầu mới và lặp lại quá trình thí nghiệm. Trong suốt quá trình thực nghiệm luôn giám sát nhiệt độ dầu, đảm bảo nhiệt độ dầu bôi trơn không vượt quá 400C nhằm ổn định độ nhớt, giảm ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhớt của dầu bôi trơn. 4.2 Ảnh hưởng của các thông số bôi trơn tới độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh Thí nghiệm được thực hiện theo ma trận thực nghiệm (Bảng 4.1), kết quả thực nghiệm được thể hiện trong Bảng 4.2. Bảng 4.2 Tổng hợp kết quả thực nghiệm theo quy hoạch 2k+1 TT (mPa.s) P (MPa) F (N) X1 X2 X3 Y 1 1,67 3 500 -1 -1 -1 226,5 14
17. 2 1,67 3 1500 -1 -1 1 219,1 3 1,67 5 500 -1 1 -1 270,7 4 1,67 5 1500 -1 1 1 258,4 5 8,72 3 500 1 -1 -1 240,0 6 8,72 3 1500 1 -1 1 235,8 7 8,72 5 500 1 1 -1 295,2 8 8,72 5 1500 1 1 1 273,4 9 5,19 4 1000 0 0 0 265,7 Sử dụng phần mềm Matlab, xử lý số liệu thực nghiệm ta tìm được hàm hồi quy thực nghiệm không thứ nguyên: y=253,8617 + 7,7488 X1 + 19,5868 X 2 − 5,0728 X 3 + 1,0179 X 1 X 2 (4.8) −2,4979XXXXXXX1 3 − 0,7043 2 3 − 1,3957 1 2 3 Với mức ý nghĩa α = 0,05, các hệ số của phương trình hồi quy đều tồn tại theo tiêu chuẩn Student, hàm hồi quy tương hợp với các số liệu thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher. Theo hàm hồi quy thực nghiệm không thứ nguyên, ta thấy: Áp suất dầu bôi trơn có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất tới độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ thủy tĩnh. Mức độ ảnh hưởng của áp suất dầu xấp xỉ 3,3 lần so với độ nhớt của dầu bôi trơn, gấp gần 3 lần so với tải trọng hướng kính đặt lên trục. Tải trọng hướng kính có mức độ ảnh hưởng tương đương so với độ nhớt dầu bôi trơn (7,6776 so với 6,9215) nhưng theo chiều hướng ngược lại so với áp suất và độ nhớt dầu. Khi thay biến thí nghiệm vào ta có hàm hồi quy thực nghiệm theo độ nhớt, áp suất dầu và tải trọng hướng kính đặt lên trục như phương trình (4.9) với hệ số tương quan của hàm hồi quy R2 = 0,98. y=156,0695 + 1,5123 + 24,5886 p − 1,012*10−3 F + 0,3052 p ss (4.9) +2,401*10−4F − 2,5407*10 − 3 p F − 1,3924*10 − 4 p F ss Từ hàm hồi quy (4.9) ta thấy độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ thủy tĩnh tỷ lệ thuận với độ nhớt và áp suất bơm dầu (hệ số trong hàm hồi quy đều là các số dương). Về mặt lý thuyết, trong điều kiện lý tưởng, độ cứng vững của cụm ổ thủy tĩnh không chịu ảnh hưởng của tải trọng đặt lên trục. Tuy nhiên, từ hàm hồi quy cho thấy: tải trọng hướng kính đặt lên trục lại tỷ lệ nghịch với độ cứng vững của cụm ổ (hệ số của hàm hồi quy âm). Điều 15
18. đó cho thấy, ở điều kiện lý tưởng: trục, bạc và thân ổ đều là các phần tử cứng tuyệt đối do đó độ cứng vững của cụm ổ không ảnh hưởng tới bởi tải trọng. Tuy nhiên, trong điều kiện thực tế trục, bạc hay thân ổ đều không phải là các phần tử cứng tuyệt đối, đặc biệt là với cụm bạc có kết cấu lắp ghép do được nâng cấp tử ổ thủy động. Do đó tải trọng hướng kính đặt lên trục luôn tạo ra những chuyển vị nhất định cho trục, bạc hay thân ổ. Hay nói cách khác, trong điều kiện thực tế, tải trọng hướng kính luôn có tác động lên độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ. Tuy nhiên, hệ số của tải trọng hướng kính trong hàm hồi quy rất nhỏ (xấp xỉ 10-3). Vì vậy khi tải trọng đặt lên trục nhỏ, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của tải trọng tới độ cứng vững của cụm ổ. Khi tải trọng lớn, để đảm bảo độ chính xác cũng như độ tin cậy trong quá trình làm việc của ổ, tác động của tải trọng hướng kính cần phải được chú ý. 4.3 Ảnh hưởng của áp suất và tải trọng đặt lên ổ tới độ cứng vững cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh Dầu có độ nhớt 1,67 mPa.s a) b) Hình 4.3 Đồ thị chuyển vị trung bình của tâm trục (a) và mối liên hệ giữa độ cứng vững tổng cộng cụm ổ trục với áp suất dầu bôi trơn và tải trọng đặt lên trục (b) khi dầu có độ nhớt 1,67 mPa.s Bảng 4.6 Chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ khi độ nhớt dầu bôi trơn 1,67 mPa.s Áp suất Tải trọng (N) bơm dầu 500 1000 1500 (MPa) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 3 2,2 226,4 4,5 223,6 6,8 219,1 4 1,9 262,7 3,9 259,0 5,9 252,4 5 1,8 270,7 3,7 268,7 5,8 258,4 16
19. Khi đó hàm hồi quy thực nghiệm: −−33 J=158,5951 + 25,0983 pss − 1,4129*10 F − 2,7732*10 p F (4.10) Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ với tải trọng và áp suất dầu được thể hiện trên hình 4.3. Dầu có độ nhớt 5,19 mPa.s Bảng 4.10 Chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ khi độ nhớt dầu bôi trơn 5,19 mPa.s Áp suất Tải trọng (N) bơm dầu 500 1000 1500 (MPa) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 3 2,1 233,8 4,3 230,8 6,6 228,3 4 1,9 268,7 3,8 265,7 5,8 257,2 5 1,7 288,0 3,6 280,2 5,7 264,0 Hàm hồi quy thực nghiệm tương ứng: −−33 J =163,9184 + 26,1726pss−2,258*10 F − 3,2633*10 p F (4.11) Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ với tải trọng và áp suất dầu thể hiện trên Hình 4.5 a) b) Hình 4.5 Chuyển vị trung bình tâm trục (a) và mối liên hệ giữa độ cứng vững của cụm ổ với áp suất dầu và tải trọng đặt lên trục (b) khi dầu có độ nhớt 5,19 mPa.s Dầu có độ nhớt 8,72 mPa.s Bảng 4.14 Chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ khi độ nhớt dầu bôi trơn 8,72 mPa.s Áp suất Tải trọng (N) bơm dầu 500 1000 1500 (MPa) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 17
20. 3 2,1 240,0 4,2 238,44 6,4 235,8 4 1,8 274,9 3,7 270,7 5,7 264,0 5 1,7 295,2 3,5 286,9 5,5 273,4 Hàm hồi quy thực nghiệm (4.9) trở thành: −3 −3 J =169,2568 + 27,250pss−3,106 *10 F − 3,7548*10 p F (4.12) Mối quan hệ giữa độ cứng vững cụm ổ với áp suất và tải trọng được thể hiện trên Hình 4.7 a) b) Hình 4.7 Chuyển vị trung bình tâm trục (a) và mối liên hệ giữa độ cứng vững của cụm ổ với áp suất dầu và tải trọng đặt lên trục (b) khi dầu có độ nhớt 8.72 mPa.s 4.4 Ảnh hưởng của áp suất và độ nhớt dầu bôi trơn tới độ cứng vững cụm ổ trục chính thủy tĩnh. Tải trọng đặt lên trục 500N Bảng 4.18 Chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng cộng cụm ổ khi tải trọng hướng kính 500N Áp suất Độ nhớt dầu bôi trơn (mPa.s) bơm dầu 1,67 1000 1,67 (MPa) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 3 2,2 226,4 2,1 233,8 2,1 240,0 4 1,9 262,7 1,9 268,7 1,8 274,9 5 1,8 270,7 1,7 288,0 1,7 295,2 Hàm hồi quy thực nghiệm tương ứng: J=155,5635 + 1,3923 + 23,3182 pss + 0,2356 p (4.13) Mối quan hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm trục chính bôi trơn thủy tĩnh với áp suất và độ nhớt được thể hiện trên Hình 4.8 a. 18
21. Hình 4.8 Mối liên hệ giữa độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh với độ nhớt và áp suất dầu bôi trơn khi tải trọng đặt lên trục 500N Với trường hợp tải trọng 1000N, ta có: Bảng 4.22 Trung bình chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ khi tải trọng đặt lên trục 1000N Áp suất Độ nhớt dầu bôi trơn (mPa.s) bơm dầu 1,67 1000 1,67 (MPa) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 3 4,5 223,6 4,3 230,8 4,2 238,4 4 3,9 259,0 3,8 265,7 3,7 270,7 5 3,7 268,7 3,6 280,2 3,5 286,9 Với tải trọng hướng kính đặt lên trục 1000N, hàm hồi quy : J=155,0575 + 1,2722 + 22,0479 p + 0,1660 p (4.14) ss Mối quan hệ giữa độ cứng vững cụm ổ với áp suất và độ nhớt thể hiện trên hình 4.9. Hình 4.9 Mối liên hệ giữa độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh với độ nhớt và áp suất dầu bôi trơn khi tải trọng đặt lên trục 1000N Tải trọng đặt lên trục 1500N Bảng 4.26 Trung bình chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng 19
22. cộng của cụm ổ khi tải trọng đặt lên trục 1500Nh Áp suất Độ nhớt dầu bôi trơn (mPa.s) bơm dầu 1,67 1000 1,67 (MPa) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 3 6,8 219,1 6,6 228,3 6,4 235,8 4 5,9 252,4 5,8 257,2 5,7 264,0 5 5,8 258,4 5,7 264,0 5,5 273,4 Hàm hồi quy thực nghiệm tương ứng: J=154,5515 + 1,1522 + 20,7776 pss + 0,0963 p (4.15) Mối quan hệ giữa độ cứng vững cụm ổ thủy tĩnh với áp suất và độ nhớt dầu bôi trơn khi đó được thể hiện trên đồ thị hình 4.10. Hình 4.2 Mối liên hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ thủy tĩnh với áp suất và độ nhớt dầu bôi trơn khi trục chịu tải 1500 N 4.5 Ảnh hưởng của độ nhớt và tải trọng hướng kính tới độ cứng vững cụm ổ trục chính thủy tĩnh. Áp suất dầu bơm 3 MPa Bảng 4.27 Trung bình chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ theo độ nhớt và tải trọng hướng kính khi áp suất bơm 3 MPa Tải Độ nhớt dầu bôi trơn (mPa.s) hướng 1,67 1000 1,67 kính (N) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 500 2,2 226,4 2,1 233,8 2,1 240,0 1000 4,5 223,6 4,3 230,8 4,2 238,4 1500 6,8 219,1 6,6 228,3 6,4 235,8 Với áp suất dầu bơm 3 MPa, hàm hồi quy thực nghiệm (4.9) trở thành: 20
23. JFF=229,8353 + 2,4279 − 8,634*10−−33 − 0,6578*10 (4.16) Mối quan hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ với độ nhớt dầu bôi trơn và tải trọng hướng khi áp suất dầu bơm 3MPa được thể hiện trên đồ thị Hình 4.11 a. Nhìn vào đồ thị ta có thể thấy, với cùng điều kiện áp suất bơm dầu 3 MPa, độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ thủy tĩnh tỷ lệ thuận theo độ nhớt dầu bôi trơn và tỷ lệ nghịch theo tải trọng hướng kính đặt lên trục. a) b) Hình 4.11 Mối liên hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ với độ nhớt và tải trọng hướng kính khi áp suất dầu bơm 3 MPa (a) và 4 MPa (b) Áp suất dầu bơm 4 MPa Với trường hợp áp suất dầu bơm 4 MPa, ta có: Bảng 4.28 Trung bình chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ theo độ nhớt và tải trọng hướng kính khi áp suất bơm 4 MPa Tải Độ nhớt dầu bôi trơn (mPa.s) hướng 1,67 1000 1,67 kính (N) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 500 1,9 262,7 1,9 268,7 1,8 274,9 1000 3,9 259,0 3,8 265,7 3,7 270,7 1500 5,9 252,4 5,8 257,2 5,7 264,0 Với áp suất dầu bơm 4 MPa, hàm hồi quy thực nghiệm (4.9) trở thành: JFF=254,4239 + 2,7331 − 11,175*10−−33 − 0,7971*10 (4.17) Khi đó, mối quan hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ với độ nhớt và tải trọng hướng kính được thể hiện trên đồ thị Hình 4.11 b 21
24. Ta thấy mức độ ảnh hưởng của số độ nhớt và tải trọng tới độ cứng vững tổng cộng cũng tăng lên khi tăng áp suất bơm. Điều này được thể hiện qua hệ số tương ứng của các thông số trong hàm hồi quy thực nghiệm có giá trị tuyệt đối lớn hơn so với khi áp suất bơm 3MPa. Áp suất dầu bơm 5 MPa Hoàn toàn tương tự, với trường hợp áp suất dầu 5 MPa, chuyển vị tâm trục và độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ trục chính thủy tĩnh theo độ nhớt và tải trọng hướng kính được thể hiện trong Error! Not a valid bookmark self-reference. Bảng 4.29 Trung bình chuyển vị của tâm trục và độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ theo độ nhớt và tải trọng hướng kính khi áp suất bơm 5 MPa Tải Độ nhớt dầu bôi trơn (mPa.s) hướng 1,67 1000 1,67 kính (N) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) X (μm) J (N/μm) 500 1,8 270,7 1,7 288,0 1,7 295,2 1000 3,7 268,7 3,6 280,2 3,5 286,9 1500 5,8 258,4 5,7 264,0 5,5 273,4 Và hàm hồi quy thực nghiệm (4.9) trở thành: JFF=279,0125 + 3,0383 − 13,715*10−−33 − 0,9363*10 (4.18) Khi đó, mối quan hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ với độ nhớt và tải trọng hướng kính được thể hiện trên Hình 4.13. Hình 4.13 Mối liên hệ giữa độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ với độ nhớt và tải trọng hướng kính khi áp suất dầu bơm 3 MPa Tương tự như trên, khi tăng áp suất bơm thì mức độ ảnh hưởng của độ nhớt và tài trọng tới độ cứng vững sẽ tăng lên. Nhìn chung, độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh theo tính toán lý thuyết cao hơn khoảng 10% so với kết quả xác định từ thực nghiệm. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết cấu 22
25. cụ thể của cụm ổ trục chính được nâng cấp, do chi tiết bạc được lắp ghép trên thân ổ. Trong quá trình lắp ghép, luôn tồn tại các sai số chế tạo, lắp ghép cũng như biến dạng của các chi tiết trong cụm ổ dưới tác dụng của áp suất dầu. Tuy nhiên các sai số chế tạo cũng như các biến dạng này chưa được đề cập đến khi tính toán độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ. Kêt luận chương 4 Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, một số kết luận được rút ra như sau: 1. Ảnh hưởng của độ nhớt, áp suất dầu bôi trơn và tải trọng hướng kính đặt lên ổ tới độ cứng vững tổng cộng cụm ổ trục chính thủy tĩnh máy 3K12 được xác định theo quy hoạch thực nghiệm toàn phần 2k+1. Thể hiện qua phương trình hồi quy không thứ nguyên: y=253,4040 + 6,9215 X1 + 22,9184 X 2 − 7,6776 X 3+ 0,5933 X 1 X 2 −1,4247XXXXXXX1 3 − 1,6355 2 3 − 0,2489 1 2 3 Và phương trình có thứ nguyên tương ứng: J=156,0695 + 1,5123 + 24,5886 p − 1,012*10−3 F + 0,3052 p ss +2,401*10−4F − 2,5407*10 − 3 p F − 1,3924*10 − 4 p F ss 2. Kết quả thực nghiệm cho thấy áp suất dầu bôi trơn có ảnh hưởng lớn nhất tới độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ, gấp khoảng 3,3 lần so với độ nhớt và 3 lần so với tải trọng hướng kính. Mức độ ảnh hưởng của tải trọng hướng kính xấp xỉ 1,1 lần so với độ nhớt dầu bôi trơn. Tăng độ cứng vững tổng cộng bằng giải pháp tăng áp suất bơm dầu sẽ có hiệu quả hơn so với tăng độ nhớt dầu bôi trơn. 3. Với một kết cấu và kích thước cụ thể trong miền dung sai của cụm ổ thủy tĩnh sau chế tạo, trong điều kiện làm việc bình thường, luôn có một miền giá trị của các thông số bôi trơn đảm bảo cho cụm ổ thủy tĩnh làm việc ổn định. Có thể xác định được một bộ thông số bôi trơn phù hợp nhất dựa trên tiêu chí độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ thủy tĩnh. 4. Theo lý thuyết, độ cứng vững tổng cộng của ổ trục bôi trơn thủy tĩnh không phụ thuộc vào tải trọng đặt lên trục. Tuy nhiên thực nghiệm cho thấy rằng, khi tăng tải trọng đặt lên ổ sẽ làm giảm độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ thủy tĩnh. Do tăng tải trọng sẽ làm tăng các biến dạng trong ổ, tăng áp suất cục bộ tại buồng dầu, nhiệt độ dầu bôi trơn 23
26. . Đây cũng là một phát hiện mới của luận án. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, luận án đã đưa ra được các kết luận sau: 1. Hiện nay, có thể chế tạo cụm ổ thủy tĩnh trong nước, đảm bảo yêu cầu về độ chính xác, đáp ứng theo tiêu chí độ cứng vững của cụm ổ trục chính máy công cụ nói chung và máy mài tròn ngoài 3K12 nói riêng. 2. Luận án xây dựng được hệ thống thiết bị đánh giá độ cứng vững cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh cho máy mài 3K12. Hệ thống thiết bị đã đáp ứng yêu cầu thực nghiệm về khảo sát độ cứng vững tổng cộng của cụm ổ sau khi chế tạo. 3. Bằng thực nghiệm, luận án đã xác định được mối quan hệ giữa độ cứng vững cụm ổ trục chính thủy tĩnh với độ nhớt , áp suất dầu bôi trơn ps và tải trọng hướng kính F đặt lên ổ theo phương trình: J=156,0695 + 1,5123 + 24,5886 p − 1,012*10−3 F + 0,3052 p ss +2,401*10−4F − 2,5407*10 − 3 p F − 1,3924*10 − 4 p F ss 4. Với một ổ thủy tĩnh thực tế, có một kết cấu và một bộ thông số hình học xác định nằm trong miền dung sai thiết kế nên sẽ tồn tại một bộ giá trị của các thông số bôi trơn, tại đó độ cứng vững của cụm ổ là cao nhất. 5. Cụm ổ trục chính bôi trơn thủy tĩnh chế tạo cho máy mài 3K12, trong điều kiện bôi trơn: dầu có độ nhớt 8.72 mPa.s và áp suất dầu bơm 5 MPa sẽ có độ cứng vững cao nhất. Kiến nghị Cần phải tiếp tục nghiên cứu tích hợp cụm trục chính bôi trơn thủy tĩnh lên máy mài tròn ngoài 3K12 để đánh giá chất lượng bề mặt chi tiết gia công cũng như nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ gia công (chiều sâu cắt, tốc độ tiến dao, lượng tiến dao, vận tốc cắt ) đến độ cứng vững của cụm trục chính cũng như chất lượng bề mặt chi tiết gia công. 24
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Nguyễn Mạnh Toàn, Phạm Văn Hùng (2017) Lựa chọn bơm thủy lực phù hợp cho hệ thống bôi trơn, Tạp chí cơ khí Việt Nam số 12 năm 2017 2. Nguyễn Mạnh Toàn, Phạm Văn Hùng, Bùi Tuấn Anh (2017), Tính toán thiết kế trạm nguồn thủy lực cho hệ thống bôi trơn thủy tĩnh trục chính máy mài tròn ngoài, Tạp chí cơ khí Việt Nam số 11 năm 2017 3. Van-Hung Pham, Tuan-Anh Bui, Manh-Toan Nguyen (2018), Investigation the stiffness characteristic of self-aligning hydrodynamic bearing on external cylindrical grinding machine based on numerical simulation, The first International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development, Da Nang, Vietnam on May 18- 19, 2018 4. Phạm Văn Hùng, Nguyễn Thùy Dương, Bùi Tuấn Anh, Nguyễn Mạnh Toàn (2019), Nghiên cứu xây dựng phương pháp và hệ thống đánh giá độ cứng vững của cụm ổ trục chính máy mài tròn ngoài trên cơ sở thay thế bôi trơn thủy động bằng bôi trơn thủy tĩnh Tạp chí khoa học & công nghệ, P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619, Số 54.2019, Doi 140.50.50.08 5. Van-Hung Pham, Manh-Toan Nguyen, Tuan-Anh Bui, Oil pressure and viscosity influence on stiffness of the hydrostatic spindle bearing of A medium-sized circular grinding machine, Modern Physics Letters B, DOI: 10.1142/S0217979220401566, SCI Q4, 2020 6. Van-Hung Pham, Manh-Toan Nguyen, Tuan-Anh Bui, Improve the Loading Capacity and Stiffness of Hydrostatic Spindle Medium Sized Circular Grinding Machines Based on Simulation and Geometric Parameters of the Bearing Book Title, Advanced Materials, Chapter DOI, 10.1007/978-3-030-45120-2_45, 2020 7. Tuan-Anh Bui, Manh-Toan Nguyen, Van-Hung Pham*, Determining a Feasible Working Condition for Hydrostatic Spindle Bearings of The External Circular Grinding Machine 3K12, Journal of Science & Technology 143 (2020) 051-055 8. Tuan-Anh Bui1, Van-Hung Pham2*, Manh-Toan Nguyen3, Ngoc-Tam 4,5* Bui , Effect Of Al2O3 Nanoparticle On Rheological Properties Of Oil, International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development (IJMPERD), ISSN (P): 2249–6890; ISSN (E): 2249–8001, Vol. 10, Issue 3, Jun 2020, 2911–2918 (Scopus) 9. Tuan-Anh Bui1, Duc-Do Le2, Van-Hung Pham3, Manh-Toan Nguyen4 5,6* & Ngoc-Tam Bui , A Study Of Al2O3 Nanoparticle Effect On Lubricant To Hydrodynamic Journal Bearing, International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development (IJMPERD), ISSN (P): 2249–6890; ISSN (E): 2249–8001, Vol. 10, Issue 3, Jun 2020, 3607–3618 (Scopus) 10.