Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động của ổ có dạng đầu to thanh truyền" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phạm Trung Thiên tại Bộ môn Máy và Ma sát học, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trần Thị Thanh Hải và TS. Phạm Minh Hải. Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí (chuyên hướng Máy và Ma sát học - Tribology), kết hợp giữa mô phỏng số nhiệt thủy động học và thực nghiệm trên mô hình thanh truyền quang đàn hồi.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong động cơ đốt trong, ổ đầu to thanh truyền là chi tiết liên kết trung gian giữa thanh truyền và trục khuỷu, có chức năng chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của pít-tông thành chuyển động quay của trục khuỷu. Chi tiết này phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: chịu tải trọng động biến thiên có chu kỳ theo chu trình công tác của động cơ, xuất hiện đồng thời các hiệu ứng thủy động, thủy động đàn hồi (EHD), nhiệt thủy động (THD) và nhiệt thủy động đàn hồi (TEHD). Sự suy giảm chất lượng bôi trơn tại ổ đầu to thanh truyền dẫn đến các dạng hư hỏng điển hình như:
- Bạc lót bị mòn rộng, mòn ô van do phân bố tải không đều và khe hở lắp ghép gia tăng.
- Lớp hợp kim chống ma sát (ba bít thiếc hoặc hợp kim đồng, chì, ăngtimon) bị cháy, bong tróc, biến dạng dẻo do thiếu hụt màng dầu bôi trơn.
- Bề mặt làm việc xuất hiện vết xước, rỗ, nứt tế vi do mỏi tiếp xúc và ảnh hưởng của tạp chất cơ học.
Tác giả chỉ ra rằng tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền chưa nhiều. Hầu hết các nghiên cứu trong nước trước đó chỉ dừng lại ở bài toán tải tĩnh, mô hình bôi trơn thủy động thuần túy hoặc thủy động đàn hồi mà chưa tính toán đến hiệu ứng nhiệt phát sinh trong màng dầu bôi trơn khi chịu tải trọng chu kỳ. Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ thật đòi hỏi kinh phí rất lớn và phức tạp về mặt kỹ thuật đo đạc. Do đó, việc xây dựng mô hình mô phỏng số trường nhiệt độ kết hợp kiểm chứng thực nghiệm trên thanh truyền mô hình bằng vật liệu quang đàn hồi chịu tải chu kỳ là vấn đề có tính cấp thiết cao, giải quyết khoảng trống nghiên cứu về đặc tính nhiệt thủy động của ổ đầu to thanh truyền trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:
- Xây dựng chương trình mô phỏng nhiệt độ màng dầu bôi trơn trong ổ đầu to thanh truyền với điều kiện thích hợp.
- Thực nghiệm đo nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền ở các chế độ vận tốc quay 100 vg/ph, 150 vg/ph, 200 vg/ph và dầu bôi trơn Besil F100, Atox 320.
- So sánh nhiệt độ thực nghiệm với kết quả tính toán mô phỏng nhiệt trong ổ đầu to thanh truyền với điều kiện biên thích hợp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Đặc tính nhiệt thủy động của ổ đầu to thanh truyền với thanh truyền chế tạo bằng vật liệu quang đàn hồi, được khảo sát trong thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to thanh truyền B2016-BKA-20 chịu tải tác dụng theo chu kỳ làm việc của động cơ đốt trong 4 kỳ. Khảo sát vận tốc quay của ổ đến 200 vg/ph và sử dụng hai loại dầu bôi trơn là Besil F100 và Atox 320.
- Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết bôi trơn ổ đầu to thanh truyền.
- Nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền.
- Nghiên cứu thực nghiệm nhiệt trong ổ đầu to thanh truyền khi thay đổi tốc độ quay và dầu bôi trơn.
- Nghiên cứu mô phỏng nhiệt trong ổ đầu to thanh truyền với điều kiện biên thích hợp.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng thuật toàn diện các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước trong khoảng hơn 20 năm, phân loại cụ thể theo từng hướng tiếp cận lý thuyết và thực nghiệm.
| STT | Phương pháp nghiên cứu | Số lượng | Năm công bố | Tài liệu tham khảo trích dẫn |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Mô phỏng tải trọng tĩnh | 04 | 1968, 1973, 1979, 1983, 2015, 2018 | Reddy và cs [2]; Oh và Huebner [3]; Fantino và Frêne [4]; Pierre-Eugene và cs [5]; Shahmohamadi và cs [6]; Morris và cs [7] |
| 2 | Mô phỏng tải trọng động | 47 | 1972, 1981, 1983, 1984, 1985, 1986, 1988, 1991, 1995, 1997, 1999, 2000, 2001, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2012, 2013, 2016, 2017 | Nicolas [8]; Fantino [9], [10]; Booker và Shu [11]; Goenka [12]; Fantino và Frêne [13]; Labouff và cs [14]; Goenka và Oh [15]; McIvor và Fenner [17], [18]; Aitken và McCallion [19], [20], [21]; Guines [22]; Bonneau và cs [23]; Ozasa và Susuki [24], [25], [26]; Okamoto và cs [27], [28], [29]; Piffeteau và Souchet [30], [31], [32]; Bonneau và Hajjam [33]; Rebora và Stefani [34], [35], [36]; Wang và cs [37], [38]; Michaud [39]; Fatu [40]; Ligier và Antoni [41], [43], [44]; Tran [42]; Thomas Lavie [45]; Nguyen [46]; Chamani và cs [47]; Norbert Lorenz [48] |
| 3 | Thực nghiệm thanh truyền mô hình | 05 | 1983, 2000, 2002, 2006, 2016 | Pierre-Eugene [49]; Optasanu [50]; Hoang và cs [51]; Souchet và cs [52]; Tran [42]; El Gadari, Fatu, Hajjam [53] |
| 4 | Thực nghiệm thanh truyền thật | 12 | 1965, 1973, 1975, 1985, 1987, 1988, 2001, 2005, 2010, 2011 | Cook [54]; Rosenberg [55]; Goodwin và cs [56]; Bates và cs [57], [58], [59]; Tseregounis [60]; Moreau [61]; Michaud và Fatu [39], [40]; Ligier và Dutfoy [62], [63] |
| 5 | Nghiên cứu trong nước | 09 | 1990, 1999, 2001, 2002, 2005, 2014, 2015, 2018 | Nguyễn Phương [64]; Trần Thị Thanh Hải [65], [70], [71]; Phan Thạch Hổ, Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng [66]; Nguyễn Xuân Toàn, Trần Thị Thanh Hải, Dương Minh Tuấn [67]; Phan Thạch Hổ [68]; Phạm Văn Hùng và cs [69]; Nguyễn Đình Tân [72] |
Điểm lại các nghiên cứu tiền đề
- Về mô phỏng lý thuyết: Năm 1969, Reddy và cộng sự là những người đầu tiên áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) vào bôi trơn thủy động. Năm 1973, Oh và Huebner giải phương trình Reynolds kết hợp phương trình đàn hồi với giả thiết đẳng nhớt qua phương pháp lặp Newton-Raphson. Fantino và Frêne (1979) dùng sai phân hữu hạn và thuật toán lặp Gauss-Seidel khảo sát ảnh hưởng của độ nhớt. Booker và Shu (1984), Goenka (1984), McIvor và Fenner (1988) đã tối ưu hóa lưới phần tử hữu hạn (sử dụng phần tử 8 nút thay cho 3 nút để tăng tốc độ hội tụ). Bonneau và Hajjam (2001) đưa vào thuật toán JFO (Jakobson-Floberg-Olsson) để mô tả vùng gián đoạn và tái tạo màng dầu. Rebora và Stefani (2001, 2004), Wang và cộng sự (2004) áp dụng phần mềm Abaqus phân tích ảnh hưởng của lực siết bu-lông, độ trượt tiếp xúc giữa nắp và thân thanh truyền. Michaud (2004), Chamani (2012), Norbert Lorenz (2017) đã mở rộng mô hình 3D phân tích hiệu ứng nhiệt thủy động đàn hồi.
- Về thực nghiệm: Pierre-Eugene và cộng sự (1983) dùng thanh truyền đúc từ nhựa epoxy dưới tải tĩnh 60–300 N, tốc độ 50–200 vg/ph với phương pháp đốm laser. Optasanu (2000), Hoang và cộng sự (2002), Tran (2006) phát triển băng thử biên - khuỷu sử dụng thanh truyền nhựa epoxy (PSM1, PSM4, PLM4, PLMH4) để đo ứng suất quang đàn hồi, áp suất và nhiệt độ màng dầu. Đối với thanh truyền thật, Michaud và Fatu (2005) đã chế tạo băng thử Megapascal cho phép động cơ làm việc tới 20.000 vg/ph với tải nén 90 kN và tải kéo 60 kN.
- Tình hình nghiên cứu trong nước: Trần Thị Thanh Hải (1999, 2015) nghiên cứu ổ đỡ thủy động bằng phương pháp đo cột áp và nâng cấp đo bằng cảm biến hiển thị LCD. Nguyễn Xuân Toàn và nhóm tác giả (2001) xây dựng chương trình giải Reynolds có xét sai số hình học bằng sai phân hữu hạn. Phan Thạch Hổ (2002) tính toán ổ trục khuỷu động cơ NT855. Trần Thị Thanh Hải và cộng sự (2018) thiết kế và chế tạo thiết bị thực nghiệm B2016-BKA-20 mô phỏng thanh truyền động cơ 4 kỳ. Nguyễn Đình Tân (2018) mô phỏng bôi trơn thủy động đàn hồi ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE xét đến lực siết bu-lông.
Khoảng trống luận án giải quyết
Các nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ thật có chi phí chế tạo và vận hành rất cao. Tại Việt Nam chưa có công trình nào giải quyết bài toán mô phỏng số trường nhiệt độ màng dầu bôi trơn kết hợp kiểm chứng thực nghiệm trên thanh truyền mô hình chịu tải trọng biến thiên theo chu trình động cơ. Luận án lựa chọn giải pháp xây dựng chương trình mô phỏng số nhiệt thủy động màng dầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn và thực nghiệm trên thanh truyền mô hình quang đàn hồi của thiết bị B2016-BKA-20 nhằm đảm bảo độ tin cậy khoa học và phù hợp điều kiện nghiên cứu thực tế.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và các phương trình toán học
Luận án tiếp cận bài toán dựa trên lý thuyết bôi trơn thủy động có tính đến hiệu ứng nhiệt (THD), với các giả thiết: môi trường liên tục, chất lỏng bôi trơn là chất lỏng Newton chảy tầng, bỏ qua lực khối và lực quán tính của dòng chất lỏng, không có trượt giữa chất lỏng và bề mặt tiếp xúc, chiều dày màng dầu rất nhỏ so với kích thước bề mặt ổ.
Hệ thống phương trình chủ đạo gồm:
- Phương trình Reynolds cho ổ đỡ thủy động: $$\frac{\partial}{\partial x}\left(h^3 \frac{\partial p}{\partial x}\right) + \frac{\partial}{\partial z}\left(h^3 \frac{\partial p}{\partial z}\right) = 6\mu \left(U_1 - U_2\right)\frac{\partial h}{\partial x} + 12\mu V_2$$ Khi đặt bán kính trục và bạc xấp xỉ nhau ($R = R_t \approx R_b$) và $v$ là vận tốc dài bề mặt trục: $$\frac{\partial}{\partial x}\left(h^3 \frac{\partial p}{\partial x}\right) + \frac{\partial}{\partial z}\left(h^3 \frac{\partial p}{\partial z}\right) = 6\mu v \frac{\partial h}{\partial x}$$
- Phương trình chiều dày màng dầu: $$h = C(1 + \varepsilon \cos \theta)$$ Trong đó $C = R_b - R_t$ là khe hở bán kính, $\varepsilon = e/C$ là độ lệch tâm tương đối (biến thiên từ 0 đến 1), $\theta$ là tọa độ góc tính từ vị trí khe hở lớn nhất.
- Phương trình cân bằng tải: Ngoại lực tác dụng lên ổ bao gồm lực khí thể truyền từ buồng cháy qua pít-tông và lực quán tính. Tác giả bỏ qua lực quán tính của cơ hệ, phương trình cân bằng áp suất thủy động $p$ với ngoại lực được phân rã theo hai trục $x$ và $y$: $$\int_S p \cos \theta , dS - F_x = 0; \quad \int_S p \sin \theta , dS - F_y = 0$$ Các thành phần $F_x, F_y$ được xác định theo đồ thị phụ tải trong chu kỳ 720° góc quay trục khuỷu của động cơ 4 kỳ.
- Phương trình năng lượng và sự phụ thuộc nhiệt độ của độ nhớt: Phương trình năng lượng tổng quát viết trong hệ tọa độ không thứ nguyên $(\bar{x}, \bar{y}, \bar{z})$: $$\bar{u}\frac{\partial \bar{T}}{\partial \bar{x}} + \bar{v}\frac{\partial \bar{T}}{\partial \bar{y}} + \bar{w}\frac{\partial \bar{T}}{\partial \bar{z}} = \frac{1}{Pe}\left[\frac{\partial^2 \bar{T}}{\partial \bar{y}^2}\right] + \bar{\mu}\left[\left(\frac{\partial \bar{u}}{\partial \bar{y}}\right)^2 + \left(\frac{\partial \bar{w}}{\partial \bar{y}}\right)^2\right]$$ Mô hình độ nhớt phụ thuộc nhiệt độ: $$\mu = \mu_0 e^{-\beta_T (T - T_0)}$$
Phương pháp mô phỏng số
Tác giả áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin để rời rạc hóa phương trình vi phân Reynolds và phương trình năng lượng:
- Phần tử chia lưới: Miền tích phân màng dầu được chia thành các phần tử khối hộp chữ nhật 8 nút với các hàm nội suy $N_i$ trong hệ tọa độ tự nhiên. Ma trận đạo hàm được chuyển đổi qua ma trận Jacobi.
- Kích thước lưới rời rạc: Miền khai triển của màng dầu được phân chia theo lưới $k \times k_1 \times k_2 = 12 \times 8 \times 3$ (12 khoảng theo chu vi, 8 khoảng theo chiều dài trục, 3 khoảng theo chiều dày màng dầu). Miền bạc lót được chia tương ứng $k \times k_1 \times k_3$.
- Điều kiện biên nhiệt: Bề mặt tiếp xúc màng dầu với bạc và trục thỏa mãn trao đổi nhiệt liên tục; nhiệt độ tại rãnh cấp dầu bằng nhiệt độ dầu vào (26°C); mặt ngoài và mặt bên của bạc truyền nhiệt đối lưu với môi trường thanh truyền (hệ số đối lưu 80 W/m²·K).
- Công cụ giải thuật: Lập trình giải hệ phương trình phi tuyến trên ngôn ngữ Fortran 95, sử dụng sơ đồ lặp áp suất - trường vận tốc - trường nhiệt độ cho đến khi hội tụ; kết xuất dữ liệu và biểu diễn đồ họa trường nhiệt độ bằng phần mềm SigmaPlot.
| Thông số hình học và điều kiện biên ổ đỡ | Giá trị | Đơn vị |
|---|---|---|
| Đường kính trong ổ ($d$) | 97 | mm |
| Đường kính ngoài ổ ($D$) | 118 | mm |
| Chiều dài ổ ($L$) | 20 | mm |
| Khe hở hướng kính ($C$) | 0,038 | mm |
| Độ lệch tâm tương đối ($\varepsilon$) | 0,3 - 0,6 - 0,9 | mm |
| Áp suất vùng gián đoạn ($P_{cav}$) | 0 | Pa |
| Hệ số dẫn nhiệt của bạc | 100 | W/m·K |
| Hệ số dẫn nhiệt đối lưu của thanh truyền | 80 | W/m²·K |
| Vận tốc góc khảo sát | 1,34 (100 vg/ph) - 200 | vg/s - vg/ph |
| Nhiệt độ môi trường ($T_0$) | 26 | °C |
| Nhiệt độ dầu cấp | 26 | °C |
| Thông số vật lý của dầu bôi trơn | Atox 320 | Besil F100 |
|---|---|---|
| Khối lượng riêng ở 20°C (g/ml) | 0,97 | 0,97 |
| Khối lượng riêng của dầu (kg/m³) | 875 | 970 |
| Hệ số độ nhớt động học (cSt) | 288/352 (ở 40°C) | 250/400 (ở 25°C) |
| Độ nhớt động lực học (Pa·s) | 0,28 | 0,135 |
| Điểm đông đặc (°C) | -12 | -50 |
| Điểm chớp cháy (°C) | 256 | 300 |
| Hệ số dẫn nhiệt của dầu (W/m·K) | 0,14 | 0,13 |
| Nhiệt dung riêng của dầu (J/kg·K) | 2000 | 2000 |
| Hệ số giảm độ nhớt theo nhiệt độ | 0,034 | 0,034 |
| Chỉ số độ nhớt | 118 | 101 |
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Thực nghiệm được triển khai trên thiết bị bôi trơn ổ đầu to thanh truyền B2016-BKA-20:
- Cơ cấu tạo tải và dẫn động: Cơ cấu thủy lực tạo tải tác dụng lên pít-tông dẫn và thanh truyền dẫn làm bằng vật liệu quang đàn hồi, mô phỏng tải khí thể theo đồ thị công tác động cơ 4 kỳ. Hệ thống dẫn động sử dụng động cơ điện điều khiển tốc độ qua biến tần và bộ lập trình khả dĩ PLC kết hợp cảm biến góc quay encoder.
- Hệ thống đo lực: Cảm biến đo biến dạng (strain gauge) dán trên thân thanh truyền mắc theo sơ đồ mạch cầu để đo lực kéo/nén và lực uốn, kết nối qua mô-đun thu thập dữ liệu NI 9219.
- Hệ thống đo áp suất màng dầu: Sử dụng cảm biến áp suất siêu nhỏ Kulite XCQ-062 lắp tại đầu to thanh truyền, tín hiệu đo được truyền về máy tính bằng bộ phát và bộ thu sóng vô tuyến RF nhằm tránh hiện tượng xoắn đứt dây cáp khi thanh truyền chuyển động lắc.
- Hệ thống đo nhiệt độ màng dầu: Sử dụng 6 cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện (thermocouple) bố trí tại các vị trí góc quanh bạc ổ đầu to, truyền tín hiệu về mô-đun NI 9213 và giao diện giám sát hiển thị thời gian thực trên phần mềm LabVIEW.
- Xử lý số liệu thực nghiệm: Dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng các công cụ thống kê gồm ước lượng, kiểm định trung bình hai biến chuẩn lấy mẫu độc lập và phân tích phương sai ANOVA.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG CỦA Ổ CÓ DẠNG ĐẦU TO THANH TRUYỀN
Chương 1 trình bày tổng quan cấu tạo cụm thanh truyền và ổ đầu to trong động cơ đốt trong 4 kỳ (gồm đầu nhỏ, bạc lót, thân thanh truyền, đầu to thanh truyền, nắp và bu-lông ghép). Vật liệu chế tạo bạc lót là thép mỏng tráng hợp kim chống mòn (ba bít, đồng-thiếc-chì), mặt trong phay rãnh cấp dầu và có vấu định vị chống xoay. Tác giả phân tích các dạng hư hỏng cơ bản: mòn ô van bạc lót do tải trọng không đều; cháy rỗ, biến dạng dẻo lớp hợp kim do thiếu dầu; xước lõm bề mặt do tạp chất và mỏi cơ học.
Tiếp theo, chương này tổng thuật 47 công trình mô phỏng tải động, 4 công trình mô phỏng tải tĩnh, 17 công trình thực nghiệm quốc tế và 9 công trình trong nước từ năm 1965 đến 2018. Chương 1 chỉ ra rằng các nghiên cứu hiện đại trên thế giới tập trung tích hợp các hiệu ứng nhiệt thủy động đàn hồi (TEHD) và biến dạng do lực siết bu-lông. Tại Việt Nam, nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền còn phân tán, chưa có công trình nào đánh giá trường nhiệt độ màng dầu trên thiết bị thực nghiệm chịu tải chu kỳ.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THUỶ ĐỘNG Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN VÀ MÔ PHỎNG SỐ NHIỆT ĐỘ MÀNG DẦU Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN TRONG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
Chương 2 thiết lập mô hình toán học bôi trơn nhiệt thủy động cho ổ đầu to thanh truyền. Tác giả dẫn xuất phương trình Reynolds cho màng dầu bôi trơn dạng chêm, phương trình xác định chiều dày màng dầu $h = C(1 + \varepsilon \cos \theta)$, phương trình cân bằng tải tĩnh và tải động trong buồng đốt bỏ qua lực quán tính của cơ hệ, và phương trình năng lượng truyền nhiệt dạng không thứ nguyên.
Về phương pháp tính số, tác giả xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn Galerkin với phần tử hình hộp 8 nút, chia lưới miền dầu $12 \times 8 \times 3$. Chương trình tính được viết bằng ngôn ngữ Fortran 95, kết xuất đồ thị trên SigmaPlot. Kết quả mô phỏng cho thấy:
- Với dầu Besil F100 tại tốc độ 100 vg/ph, độ chênh nhiệt độ màng dầu đạt cực đại 3,1°C tại góc 0° (360°) của thanh truyền (khu vực chịu tải lớn nhất khi sinh công nổ) ở tiết diện giữa ổ; vùng nhiệt độ thấp nhất nằm tại góc đối diện 180° (từ 170° đến 190°).
- Khi tốc độ quay tăng từ 100, 150 đến 200 vg/ph, độ chênh nhiệt độ màng dầu tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại lân cận góc 360° của trục khuỷu.
- Với dầu Atox 320, trường phân bố nhiệt độ có quy luật tương tự nhưng giá trị độ chênh nhiệt độ cao hơn so với Besil F100 tại cùng chế độ làm việc.
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
Chương 3 mô tả chi tiết phương pháp thực nghiệm và kết cấu của băng thử B2016-BKA-20:
- Cơ cấu tạo tải và động học: Thiết bị tái tạo chuyển động của cơ cấu pít-tông - thanh truyền - trục khuỷu. Cụm thanh truyền và pít-tông dẫn được gia công từ vật liệu quang đàn hồi (nhựa epoxy). Hệ thống xi lanh thủy lực tạo tải trọng chu kỳ đồng bộ với góc quay trục khuỷu để mô phỏng lực cháy sinh công.
- Hệ thống điều khiển: Tủ điện trang bị biến tần điều khiển tốc độ quay trục khuỷu, bộ điều khiển khả dĩ PLC và bộ mã hóa xung encoder đồng bộ hóa góc quay.
- Hệ thống đo và chuyển đổi tín hiệu:
- Đo lực nén/kéo và uốn: Ứng dụng cảm biến đo biến dạng (strain gauge) dán trên thân thanh truyền đấu nối theo mạch cầu, truyền dữ liệu qua mô-đun NI 9219; có quy trình hiệu chuẩn lực uốn và kéo trước khi đo.
- Đo áp suất màng dầu: Cảm biến Kulite XCQ-062 gắn trực tiếp tại đầu to thanh truyền, kết nối bộ phát RF truyền tín hiệu không dây đến bộ thu nhằm triệt tiêu hoàn toàn sự cố đứt dây khi đầu to lắc ở tốc độ cao.
- Đo nhiệt độ màng dầu: 6 cặp nhiệt điện tiếp xúc màng dầu quanh chu vi bạc ổ, kết nối mô-đun NI 9213, hiển thị và lưu trữ trên giao diện phần mềm LabVIEW.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu đo thực nghiệm và so sánh với mô phỏng số:
- Dữ liệu thực nghiệm lực và áp suất:
- Đồ thị lực kéo/nén và lực uốn trên thân thanh truyền theo góc quay trục khuỷu ở các tốc độ 100, 150, 200 vg/ph phản ánh rõ đặc tính biến thiên theo chu kỳ nạp - nén - nổ - xả của động cơ 4 kỳ.
- Áp suất màng dầu đo tại các góc 0°, 90°, 180°, 270° của thanh truyền tại tốc độ 100 vg/ph cho thấy áp suất đạt đỉnh tại góc 0° (thời điểm nổ) và giảm thấp nhất tại góc 180°.
- Dữ liệu thực nghiệm nhiệt độ:
- Kết quả đo từ 6 cảm biến nhiệt độ tại các chu kỳ làm việc thứ 1000, 2000, 3000 ở các dải tốc độ 100, 150, 200 vg/ph. Nhiệt độ màng dầu tăng dần theo số chu kỳ làm việc và đạt trạng thái cân bằng nhiệt ổn định sau chu kỳ thứ 3000.
- Ở cùng chế độ tốc độ, dầu Atox 320 có nhiệt độ màng dầu đo được cao hơn so với dầu Besil F100.
- Mô phỏng số và so sánh đối chứng:
- Kết quả mô phỏng số độ chênh nhiệt độ màng dầu dọc theo chiều dài ổ và chu vi bạc lót cho thấy sự tương đồng cao về quy luật phân bố với dữ liệu đo thực nghiệm: nhiệt độ cao nhất luôn tập trung tại vùng góc 0° (360°) của thanh truyền khi trục khuỷu ở góc 360°, và thấp nhất tại vị trí đối diện 180°.
- Sự sai khác giữa giá trị nhiệt độ mô phỏng số trên Fortran 95 và giá trị đo thực nghiệm qua LabVIEW nằm trong phạm vi cho phép, kiểm chứng được độ tin cậy của mô hình phần tử hữu hạn đã xây dựng.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Luận án đã xây dựng thành công chương trình tính toán số nhiệt độ màng dầu bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền bằng phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng phần tử hộp 8 nút giải phương trình Reynolds và phương trình năng lượng trong hệ tọa độ không thứ nguyên), giải quyết bài toán nhiệt thủy động của màng dầu chịu tải trọng biến thiên theo chu kỳ hoạt động.
- Xây dựng được đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động của ổ đầu to thanh truyền với hai loại dầu bôi trơn (Besil F100 và Atox 320) ở các góc quay, chu kỳ làm việc và dải vận tốc quay khác nhau (100, 150, 200 vg/ph); chỉ ra mối quan hệ định lượng giữa tốc độ quay, độ nhớt của dầu với sự gia tăng độ chênh nhiệt độ màng dầu.
- Đóng góp dữ liệu khoa học về trường nhiệt độ và áp suất cho hệ thống nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền tại Việt Nam.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kỹ thuật
- Tham gia chế tạo và hoàn thiện hệ thống đo đạc đồng bộ trên băng thử B2016-BKA-20: ứng dụng thành công kỹ thuật truyền tín hiệu áp suất màng dầu bằng sóng vô tuyến RF từ cảm biến XCQ-062 trên chi tiết chuyển động, giải quyết triệt để vấn đề xoắn đứt dây dẫn đo tín hiệu.
- Thiết lập quy trình công nghệ đo lường thực nghiệm tải tác dụng (strain gauge), áp suất (RF) và nhiệt độ (6 cặp nhiệt điện nối NI 9213 trên nền LabVIEW).
- Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm làm căn cứ tham khảo cho việc lựa chọn dầu bôi trơn có cấp độ nhớt thích hợp, đưa ra khuyến nghị vận hành nhằm kiểm soát nhiệt độ màng dầu, nâng cao tuổi thọ của ổ đầu to thanh truyền và giảm thiểu chi phí bảo dưỡng động cơ đốt trong.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Nghiên cứu thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên thanh truyền mô hình bằng vật liệu quang đàn hồi (nhựa epoxy) trong điều kiện phòng thí nghiệm, chưa tiến hành thử nghiệm trực tiếp trên cụm thanh truyền kim loại của động cơ đốt trong thương mại.
- Chế độ vận tốc quay khảo sát còn thấp (tối đa 200 vg/ph) và dải tải trọng thủy lực mô phỏng chưa đạt đến mức độ tải khắc nghiệt của động cơ thực tế (vận tốc hàng nghìn vòng/phút, tải trọng kéo/nén lên tới hàng chục kilonewton).
- Trong mô hình lý thuyết cân bằng tải màng dầu, tác giả đã giản lược bỏ qua thành phần lực quán tính của cơ hệ chuyển động.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng mô hình tính toán số theo hướng nhiệt thủy động đàn hồi (TEHD) 3 chiều có xét đầy đủ thành phần lực quán tính, lực siết bu-lông và biến dạng đàn hồi của kết cấu bạc lót.
- Nâng cấp hệ thống thiết bị thực nghiệm để kiểm tra trên thanh truyền kim loại thật ở dải vận tốc góc cao hơn (trên 1000 vg/ph) và tải trọng lớn hơn.
- Mở rộng khảo sát thực nghiệm với các loại dầu bôi trơn động cơ thương mại đa cấp và đánh giá ảnh hưởng của các phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Động cơ đốt trong, Cơ kỹ thuật và Ma sát học (Tribology). Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin giải phương trình Reynolds và phương trình năng lượng ở Chương 2 là tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về bôi trơn thủy động.
- Kỹ sư thiết kế động cơ: Tham khảo phương pháp tính toán trường áp suất, chiều dày màng dầu và phân bố nhiệt độ để tối ưu hóa kết cấu hình học của ổ đầu to, khe hở bán kính lắp ghép và bố trí rãnh cấp dầu.
- Kỹ sư vận hành và chuyên viên kỹ thuật dầu nhờn: Tham khảo bộ dữ liệu so sánh độ nhớt và đặc tính nhiệt của dầu Besil F100 và Atox 320 ở Chương 2 và Chương 4 để lựa chọn dầu nhờn bôi trơn phù hợp theo chế độ tải trọng và vận tốc làm việc.
- Kỹ sư đo lường thực nghiệm: Tham khảo Phụ lục 1, 2, 3 và Chương 3 về giải pháp đo áp suất bằng sóng vô tuyến RF trên các cơ cấu chuyển động phức tạp không thể đi dây truyền thống.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án khảo sát bôi trơn với những loại dầu nào và thông số kỹ thuật của chúng ra sao?
Luận án khảo sát hai loại dầu bôi trơn là Atox 320 và Besil F100. Theo số liệu công bố tại Bảng 2.2:
- Dầu Atox 320: Khối lượng riêng 875 kg/m³, độ nhớt động lực học 0,28 Pa·s, hệ số độ nhớt động học 288/352 cSt (ở 40°C), điểm chớp cháy 256°C, điểm đông đặc -12°C, hệ số dẫn nhiệt 0,14 W/m·K, chỉ số độ nhớt 118.
- Dầu Besil F100: Khối lượng riêng 970 kg/m³, độ nhớt động lực học 0,135 Pa·s, hệ số độ nhớt động học 250/400 cSt (ở 25°C), điểm chớp cháy 300°C, điểm đông đặc -50°C, hệ số dẫn nhiệt 0,13 W/m·K, chỉ số độ nhớt 101.
2. Vị trí nào trong ổ đầu to thanh truyền có nhiệt độ màng dầu cao nhất và thấp nhất?
Theo kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở Chương 2 và Chương 4:
- Nhiệt độ màng dầu đạt giá trị cao nhất tại vùng xung quanh góc 0° (hoặc 360°) của thanh truyền (ở dải góc từ 330° đến 360° và từ 0° đến 30°), tại tiết diện giữa ổ theo phương chiều dài. Đây là khu vực màng dầu chịu tải trọng lớn nhất và áp suất màng dầu đạt cực đại khi xảy ra quá trình nổ sinh công (ở góc 360° trục khuỷu).
- Vùng nhiệt độ thấp nhất nằm ở vị trí đối diện góc 0°, tức là xung quanh góc 180° của thanh truyền (từ góc 170° đến 190°), nơi áp suất màng dầu đạt giá trị nhỏ nhất.
3. Tác giả đã giải quyết khó khăn khi đo áp suất màng dầu trên chi tiết chuyển động lắc như thế nào?
Để đo áp suất màng dầu trên đầu to thanh truyền (chi tiết vừa chuyển động quay vừa chuyển động lắc phức tạp khiến dây dẫn thông thường bị vặn xoắn và đứt), tác giả đã lắp cảm biến áp suất siêu nhỏ XCQ-062 trực tiếp tại đầu to thanh truyền, sau đó kết nối với một mạch vi xử lý phát tín hiệu bằng sóng vô tuyến RF. Tín hiệu áp suất được truyền không dây về bộ thu sóng RF cố định kết nối với máy tính, đảm bảo thu thập dữ liệu liên tục theo góc quay trục khuỷu.
4. Thuật toán và công cụ nào được sử dụng để mô phỏng trường nhiệt độ màng dầu?
Tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin để rời rạc hóa phương trình Reynolds và phương trình năng lượng dạng không thứ nguyên trên miền phần tử hộp chữ nhật 8 nút (chia lưới $12 \times 8 \times 3$). Thuật toán được lập trình tính toán bằng ngôn ngữ Fortran 95. Kết quả tính toán trường áp suất và độ chênh nhiệt độ sau đó được xuất sang phần mềm SigmaPlot để vẽ biểu đồ và hiển thị trường nhiệt độ 2D/3D.
5. Hệ thống đo nhiệt độ thực nghiệm được bố trí như thế nào?
Hệ thống đo nhiệt độ màng dầu thực nghiệm sử dụng 6 cảm biến nhiệt độ dạng cặp nhiệt điện (thermocouple) được khoan cấy tại các vị trí góc khác nhau quanh chu vi bạc ổ đầu to thanh truyền. Tín hiệu nhiệt độ từ 6 cảm biến được kết nối về mô-đun thu nhận dữ liệu NI 9213 của hãng National Instruments và được điều khiển, ghi nhận, hiển thị trực quan theo thời gian thực trên giao diện phần mềm LabVIEW.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Trung Thiên đã giải quyết bài toán mô phỏng số và thực nghiệm đặc tính nhiệt thủy động của ổ đầu to thanh truyền chịu tải trọng chu kỳ. Bằng việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin trên ngôn ngữ Fortran 95 và thực nghiệm trên băng thử B2016-BKA-20 với kỹ thuật đo không dây RF và hệ thống cảm biến NI/LabVIEW, luận án đã làm sáng tỏ quy luật phân bố trường nhiệt độ và áp suất màng dầu của hai loại dầu Besil F100 và Atox 320 ở các dải vận tốc đến 200 vg/ph. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học cho lĩnh vực ma sát học động cơ tại Việt Nam và phục vụ trực tiếp cho việc tính toán thiết kế, vận hành và lựa chọn dầu bôi trơn tối ưu cho ổ trục động cơ đốt trong.