CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Mất cân bằng không chỉ là nguồn gây rung động thường gặp nhất trong các máy có chuyển động quay mà còn gây ra nhiều hư hại nhiều nhất cho máy. Nó được xem như là khuyết điểm cần khắc phục trước tất cả các vấn đề khác. Mất cân bằng ở các máy quay ngày càng trở nên một yếu tố quan trọng trong việc phát triển các thiết bị hiện đại đặc biệt đối với các thiết bị đòi hỏi tốc độ và độ tin cậy cao. Sự mất cân bằng là một hiện tượng có hại do đó cần phải xác định và khi cần thiết phải giảm thiểu hoặc trừ khử hoàn toàn.
Việc làm đó gọi là cân bằng hoặc cân bằng động. Điều này cũng đồng nghĩa với việc tránh hư hỏng do mỏi trong các kết cấu liên quan, giảm tiếng ồn và rung động, làm tăng tuổi thọ và chất lượng của máy khi vận hành. Nhiều công trình nghiên cứu liên quan đã được thực hiện để tính toán dao động cho việc thiết kế, thử nghiệm hoặc vào các mục đích sử dụng của động cơ khác nhau, chẳng hạn: Le-Dinh Tuan, “Active Balancing of Monorotor during Operation”, Department of Naval Architecture and Marine Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam. Trong lĩnh vực máy quay, sự mất cân bằng khối lượng dẫn đến sự rung động và tiếng ồn cần phải được khử một phần hoặc toàn bộ.
Sự mất cân bằng được phát hiện và khắc phục trong thời gian thực, ở trong quá trình hoạt động ở trạng thái ổn định. Phương pháp bao gồm tạo ra lực hiệu chỉnh từ việc sử dụng hai đối trọng, cố định trên cùng một mặt phẳng và di chuyển ở bán kính không đổi của trục quay. Phương pháp cân bằng được dựa trên phương pháp hệ số ảnh hưởng được áp dụng phổ biến nhất trong máy cân bằng hiệu chuẩn. Các hệ thống đo lường và kiểm soát cụ thể cũng được xây dựng cho các thí nghiệm thực tế.
Thử nghiệm trên máy cân bằng HnB100 đã được phát triển và thương mại hoá. Các thí nghiệm cho thấy rung động do mất cân bằng đã giảm đáng kể. 2 Đỗ Đức Lưu, Lại Huy Thiện, “Đảm bảo toán học cho cân bằng động rotor cứng đặt trên máy cân bằng động”, Viện Nghiên Cứu Phát Triển, Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam. Nghiên cứu đưa ra cơ sở toán học cho quá trình cân bằng động rotor cứng trên cơ sở cân bằng trên một hoặc hai mặt phẳng song song kết hợp đồng thời với phương pháp ma trận thực các hệ số ảnh hưởng và giải tích véc tơ.
Triển khai thử nghiệm số đã chứng minh tính đúng đắn và khả năng áp dụng cho xây dựng phần mềm đo, phân tích rung động và cân bằng động. Cơ sở toán học dùng cân bằng động được xây dựng cho cân bằng trên một mặt phẳng và hai mặt phẳng trên cơ sở giải tích véc tơ và phương pháp ma trận các hệ số ảnh hưởng. Cần chú ý vị trí cân bằng theo phương pháp đặt thêm hay lấy bớt đi khối lượng mất cân bằng tương ứng, chúng lệch nhau 180°. Xây dựng cơ sở toán học áp dụng cho cân bằng động trên Máy Cân Bằng Động chỉ đúng cho cơ hệ tuyến tính, vì áp dụng được nguyên lý xếp chồng.
Cơ sở toán học đáp ứng cho phương pháp cân bằng động hiện đại với độ chính xác cao, song chỉ áp dụng được đối với cơ hệ tuyến tính (cân bằng tại hiện trường cũng như tại xưởng). Cơ sở toán học được xây dựng có thể lập trình trên các phần mềm ứng dụng (ví dụ LabView) để xây dựng thiết bị đo, phân tích rung động, cân bằng động và đào tạo đại học, sau đại học tại Việt Nam. Ngoài ra, còn rất nhiều nghiên cứu về máy cân bằng và thực nghiệm cân bằng động được nghiên cứu rất nhiều ở trong và ngoài nước khác. Các nghiên cứu quy chung về việc xây dựng lý thuyết cân bằng, thực nghiệm và khử cân bằng cho các chi tiết quay thực tế.2 Lý do chọn đề tài Khi làm việc, do chịu sự thay đổi từ việc bôi trơn, hoặc chịu các lực thay đổi theo chu kỳ, nên các khớp quay, miễng bạc lót, miễng căn dọc trục, ổ bi, ổ trục.
bị mài mòn, làm giảm hiệu suất làm việc, giảm tuổi thọ và giảm độ chính xác của các chi tiết. Khi quay do ngoại lực tác dụng thay đổi gây ra lực quán tính của các vật quay thay đổi ngoài ra vận tốc càng lớn sinh ra lực quán tính càng lớn. 3 Mất cân bằng của vật quay chủ yếu do sự biến dạng về nhiệt hay chế độ làm việc quá tải của vật quay, do vật liệu chế tạo không đồng nhất, thiết kế và gia công chế tạo thiếu độ chuẩn xác. Vì vậy việc xử lý mất cân bằng ở vật quay hiện nay rất quan trọng đặc biệt ở những vậy quay ở vận tốc cao hoặc độ chính xác cao.
Để xác định sự mất cân bằng của vật quay phải dùng các máy cân bằng động. Các vật quay có kết cấu đơn giản thì rất dễ xác định vị trí và lượng mất cân bằng. Tuy nhiên các vậy quay có kết cấu phức tạp không đối xứng rất dễ mất cân bằng khi quay với vận tốc cao và đòi hỏi khả năng làm việc chính xác hơn. Vì vậy việc thực nghiệm kiểm tra cân bằng vật quay phức tạp hơn, cần có phương pháp chuẩn xác và thiết bị đo có độ chính xác cao.
Các máy cân bằng hiện nay khá phổ biến và có độ chính xác cao. Trong đó đặc biệt máy cân bằng động được thiết kế, chế tạo tại trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh do PGS.TS Lê Đình Tuân thực hiện đã đạt được độ chính xác cao, chuẩn xác và đã được thương mại hóa rộng rãi. Với khả năng, trang thiết bị đầy đủ và hiện đại tại trường Đại học Bách khoa TP.
Hồ Chí Minh về cân bằng động vật quay, đề tài “Thực nghiệm cân bằng động trục khuỷu động cơ sáu xy-lanh sử dụng phương pháp các hệ số ảnh hưởng” được đề xuất thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Lê Đình Tuân với mục tiêu thực nghiệm cân bằng động vật quay phức tạp như trục khuỷu trên thiết bị cân bằng động ứng dụng phương pháp các hệ số ảnh hưởng.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu tổng thể Nghiên cứu về lý thuyết cân bằng động, phương pháp các hệ số ảnh hưởng đến ứng dụng trong máy cân bằng động chi tiết quay để xác định lượng mất cân bằng, các hệ thống liên quan đến máy cân bằng động, tiêu chuẩn quy phạm về sự mất cân bằng chi tiết quay.2 Đối tượng nghiên cứu áp dụng cụ thể Ứng dụng thực nghiệm trên vật quay mẫu và trục khuỷu thực tế nhằm kiểm nghiệm các kết quả nghiên cứu.4 Nội dung nghiên cứu Theo mục tiêu nghiên cứu đề ra nội dung nghiên cứu của đề tài được giới hạn bao gồm: Nội dung 1: Khảo sát ảnh hưởng các thông số cân bằng động rotor (tốc độ quay, lượng mất cân bằng) lên hệ dao động của máy cân bằng động HnB75B, bao gồm: + Ảnh hưởng tốc độ quay lên hệ dao động. + Ảnh hưởng lượng mất cân bằng lên hệ dao động. Nội dung 2: Thực nghiệm cân bằng động trên vật quay mẫu nhằm kiểm nghiệm phương pháp các hệ số ảnh hưởng áp dụng trong máy cân bằng động. + Kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp các hệ số ảnh hưởng áp dụng trong cân bằng động một mặt.
+ Kiểm nghiệm độ tin cậy của phương pháp các hệ số ảnh hưởng áp dụng trong cân bằng động hai mặt. Nội dung 3: Ứng dụng cân bằng cho trục khuỷu xe Daewoo Magnus sáu xy-lanh thẳng hàng.5 Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng cân bằng động cho trục khuỷu thực tế trên nền máy cân bằng động HnB75B.6 Phương pháp nghiên cứu + Tiếp cận bằng phương pháp lý thuyết: phương pháp các hệ số ảnh hưởng, lý thuyết về cân bằng động, dao động cơ học. + Tiếp cận bằng phương pháp thực nghiệm: thử nghiệm trên vật mẫu để đánh giá phương pháp và thiết bị, thử nghiệm cân bằng động ứng dụng trên trục khuỷu thực tế.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học + Nghiên cứu, áp dụng lý thuyết cân bằng động vào việc chế tạo máy cân bằng động. + Ứng dụng phương pháp hệ số ảnh hưởng ứng trên máy cân bằng động để thực nghiệm cân bằng động các vật quay có kết cấu phức tạp như trục khuỷu động cơ.2 Ý nghĩa thực tiễn + Đưa ra phương pháp thiết lập thực nghiệm cân bằng động trục khuỷu trên máy cân bằng động HnB75B.
+ Thực nghiệm trực tiếp cân bằng động trục khuỷu trên máy cân bằng động HnB75B và đánh giá khả năng cân bằng của trục khuỷu khi làm việc. 6 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÂN BẰNG ĐỘNG 2.1 Tổng quan về cân bằng và nguyên tắc cân bằng 2.1 Cơ sở lý thuyết của cân bằng rotor: Lực quán tính của các khâu chuyển động tương đối (phụ thuộc vào kết cấu máy) sẽ quyết định sự mất cân bằng của máy nên điều kiện cân bằng hoàn toàn của máy sẽ là vector chính R và moment chính M 0 của chúng đối với tâm bằng không. Xét chuyển động của một cơ hệ trong hệ tọa độ gắn liền với máy, gọi khối lượng phân tố của điểm thứ i là mi , tọa độ của nó trong hệ tọa độ quy chiếu là x i , yi , z i .1 vector chính và moment chính có hình chiếu trên các trục là [1]: Rx = − ∑ mi xi ; R y = − ∑ mi yi ; Rz = − ∑ mi zi (2.1: Mô tả véc tơ chính và moment chính trong hệ trục Descartes 7 Máy sẽ cân bằng hoàn toàn nếu các đẳng thức sau thỏa: Rx = R y = Rz = 0 ; M ox = M oy = M oz = 0 (2.3) Đối với đa số máy, có thể giảm số lượng điều kiện này nếu xét đến một số đặc điểm của máy. Ta sẽ phân tích các máy có các chi tiết chuyển động quay trên các trục song song nhau.
Chọn trục oz trùng với trục quay, tọa độ zi của điểm chuyển động của vật luôn luôn không đổi. Do đó, đối với mọi điểm đều bằng 0 và điều kiện Rz = 0 luôn thỏa. Ngoài ra, thành phần moment chính M oz trùng với phương tác dụng của vector moment phản lực ngoài cho nên việc cân bằng thành phần này của moment là vô nghĩa. Trong bài toán cân bằng máy, thành phần M oz theo nguyên tắc là không được tính đến.
Do đó ta có thể rút gọn 6 điều kiện trong (2.