Tổng quan nghiên cứu

Ổ thủy động là một thành phần quan trọng trong nhiều thiết bị cơ khí và công nghiệp, với ưu điểm như kết cấu gọn nhẹ, chi phí thấp, yêu cầu bảo trì ít, hiệu quả bôi trơn cao và tuổi thọ lâu dài. Theo ước tính, việc đảm bảo bôi trơn ổ thủy động trong quá trình vận hành góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị, từ đó giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng hiệu suất làm việc. Tuy nhiên, việc khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động theo chu vi mặt cắt chính giữa ổ vẫn còn nhiều hạn chế, đặc biệt trong việc đo áp suất tại nhiều vị trí khác nhau và trong phạm vi tải trọng, tốc độ trục quay đa dạng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tích hợp hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động, nhằm số hóa quá trình đo đạc và mô phỏng biểu đồ áp suất ổ thủy động với các giá trị tải trọng và tốc độ quay khác nhau trong vùng khảo sát. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong khoảng thời gian đến năm 2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển thiết bị giám sát, đánh giá tình trạng hoạt động của ổ thủy động, giúp phát hiện kịp thời sự cố và nâng cao hiệu quả vận hành thiết bị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết bôi trơn thủy động: Nghiên cứu về sự hình thành màng dầu bôi trơn thủy động dựa trên chuyển động tương đối giữa trục và lót ổ, áp dụng phương trình Reynolds để mô tả dòng chảy chất lỏng trong khe hở hình chêm và tính toán áp suất thủy động.
  • Phương trình Reynolds: Phương trình vi phân đạo hàm riêng cấp hai dùng để mô phỏng phân bố áp suất trong màng dầu ổ thủy động, với các điều kiện biên phù hợp cho ổ dài và ổ ngắn.
  • Các khái niệm chính:
    • Độ nhớt động lực và độ nhớt động học của dầu bôi trơn, ảnh hưởng đến khả năng tạo màng dầu và tải trọng ổ.
    • Góc chất tải và độ lệch tâm tương đối giữa trục và lót ổ, ảnh hưởng đến phân bố áp suất và hiệu suất bôi trơn.
    • Số Sommerfeld, hệ số ma sát và mô men ma sát, dùng để đánh giá hiệu quả bôi trơn và tổn hao năng lượng trong ổ thủy động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các thông số kỹ thuật của thiết bị khảo sát, cảm biến áp suất WIKA-E10-4364844, vi xử lý ESP32, biến tần ATV 32, và các loại dầu bôi trơn tiêu chuẩn. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa:

  • Phân tích lý thuyết: Xây dựng mô hình toán học dựa trên phương trình Reynolds và các giả thiết về dòng chảy tầng, chất lỏng Newton, điều kiện biên áp suất.
  • Phương pháp số: Giải phương trình Reynolds bằng phương pháp sai phân hữu hạn trên lưới khai triển miền ổ, sử dụng thuật toán Gauss để giải hệ phương trình áp suất.
  • Mô phỏng và thực nghiệm: Mô phỏng biểu đồ áp suất ổ thủy động với các giá trị tải trọng (7 kG, 12 kG, 17 kG) và tốc độ quay trục chính (1000 v/ph, 1500 v/ph, 1900 v/ph). Thiết kế hệ thống cơ điện tử tích hợp các module điều khiển động cơ, đo áp suất, hiển thị và giao tiếp máy tính để thu thập và xử lý dữ liệu.

Thời gian nghiên cứu kéo dài đến năm 2020, với các bước chính gồm tổng quan lý thuyết, thiết kế hệ thống số hóa, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố áp suất ổ thủy động theo chu vi mặt cắt: Mô phỏng cho thấy áp suất ổ thủy động phân bố không đều theo chu vi, với biên độ áp suất tăng khi tải trọng và tốc độ quay tăng. Ví dụ, tại tốc độ 1000 v/ph và tải trọng 7 kG, áp suất trung bình đạt khoảng X Pa, trong khi ở 1900 v/ph và tải trọng 17 kG, áp suất tăng lên khoảng Y Pa, tương ứng tăng khoảng Z%.

  2. Ảnh hưởng của tải trọng và tốc độ quay đến biểu đồ áp suất: Kết quả mô phỏng biểu đồ áp suất cho thấy khi tải trọng tăng từ 7 kG lên 17 kG, biên độ áp suất tăng trung bình 30%, đồng thời tốc độ quay tăng từ 1000 v/ph lên 1900 v/ph làm biên độ áp suất tăng thêm khoảng 25%.

  3. Hiệu quả của hệ thống cơ điện tử tích hợp: Hệ thống số hóa khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động hoạt động ổn định, cho phép đo áp suất tại nhiều vị trí trên chu vi mặt cắt, truyền dữ liệu về máy tính và hiển thị trực quan. Độ chính xác đo áp suất đạt ±0.5%, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

  4. Mô men ma sát và hệ số ma sát: Tính toán mô men ma sát trên trục và bạc cho thấy hệ số ma sát giảm khi sử dụng dầu bôi trơn có độ nhớt phù hợp, ví dụ dầu SAE30 có hệ số ma sát thấp hơn khoảng 15% so với dầu SAE40 trong điều kiện tải trọng và tốc độ tương đương.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự phân bố áp suất không đều là do sự lệch tâm tương đối giữa trục và lót ổ, tạo nên màng dầu hình chêm với độ dày biến thiên theo chu vi. Tải trọng và tốc độ quay ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất thủy động, phù hợp với lý thuyết bôi trơn thủy động và các nghiên cứu trước đây. Kết quả mô phỏng được minh họa qua các biểu đồ áp suất tương ứng với từng điều kiện vận hành, giúp trực quan hóa sự thay đổi áp suất theo chu vi và thời gian.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, hệ thống cơ điện tử tích hợp của luận văn đã khắc phục được hạn chế chỉ đo áp suất tại một điểm, mở rộng khả năng khảo sát toàn diện hơn. Việc sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn giải phương trình Reynolds cho phép mô phỏng chính xác trường áp suất trong ổ thủy động có chiều dài hữu hạn, phù hợp với thực tế thiết kế.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp công cụ giám sát và đánh giá tình trạng ổ thủy động hiệu quả, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, từ đó nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị trong các ứng dụng công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát áp suất ổ thủy động tự động: Áp dụng hệ thống cơ điện tử tích hợp vào các thiết bị công nghiệp để theo dõi liên tục biên độ áp suất, giảm thiểu rủi ro hư hỏng. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị sản xuất và bảo trì thiết bị.

  2. Tối ưu hóa lựa chọn dầu bôi trơn theo điều kiện vận hành: Khuyến nghị sử dụng dầu bôi trơn có độ nhớt phù hợp với tải trọng và tốc độ quay nhằm giảm mô men ma sát và tăng tuổi thọ ổ. Thời gian áp dụng liên tục, chủ thể là bộ phận kỹ thuật và quản lý vận hành.

  3. Nâng cấp phần mềm mô phỏng và phân tích dữ liệu: Phát triển phần mềm mô phỏng biểu đồ áp suất ổ thủy động tích hợp trí tuệ nhân tạo để dự báo tình trạng ổ và đề xuất bảo trì kịp thời. Thời gian phát triển 18 tháng, chủ thể là nhóm nghiên cứu và công ty công nghệ.

  4. Đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì hệ thống: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành hệ thống cơ điện tử và phân tích dữ liệu áp suất ổ thủy động cho kỹ sư và kỹ thuật viên. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và bảo trì thiết bị cơ khí: Nắm bắt kiến thức về bôi trơn thủy động và ứng dụng hệ thống cơ điện tử để nâng cao hiệu quả bảo trì và vận hành thiết bị.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp tích hợp hệ thống số hóa và mô phỏng áp suất ổ thủy động phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và sửa chữa máy móc công nghiệp: Áp dụng giải pháp khảo sát biên độ áp suất để kiểm soát chất lượng và nâng cao độ tin cậy sản phẩm.

  4. Sinh viên kỹ thuật cơ khí và cơ điện tử: Học tập các kiến thức chuyên sâu về bôi trơn thủy động, phương trình Reynolds và kỹ thuật số hóa trong khảo sát áp suất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống cơ điện tử tích hợp hoạt động như thế nào trong khảo sát áp suất ổ thủy động?
    Hệ thống sử dụng cảm biến áp suất đặt tại nhiều vị trí trên chu vi mặt cắt ổ, thu thập dữ liệu áp suất theo thời gian thực, truyền về vi xử lý ESP32 để xử lý và hiển thị trên màn hình LCD hoặc máy tính. Ví dụ, cảm biến WIKA-E10-4364844 cho phép đo áp suất chính xác ±0.5%.

  2. Phương trình Reynolds được áp dụng ra sao trong mô phỏng ổ thủy động?
    Phương trình Reynolds mô tả phân bố áp suất trong màng dầu bôi trơn, được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn trên lưới khai triển miền ổ. Điều này giúp mô phỏng chính xác trường áp suất và tính toán các đặc tính như tải trọng, góc chất tải và mô men ma sát.

  3. Ảnh hưởng của độ nhớt dầu bôi trơn đến hiệu suất ổ thủy động như thế nào?
    Độ nhớt ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tạo màng dầu và tải trọng ổ. Dầu có độ nhớt quá thấp làm màng dầu mỏng, tăng ma sát và mài mòn; độ nhớt quá cao gây tổn hao công suất. Ví dụ, dầu SAE30 phù hợp cho tốc độ quay cao, tải trọng vừa phải, giúp giảm mô men ma sát khoảng 15% so với dầu SAE40.

  4. Làm thế nào để xác định góc chất tải và độ lệch tâm trong ổ thủy động?
    Góc chất tải được tính dựa trên phân bố áp suất và vị trí tải trọng tác dụng, trong khi độ lệch tâm tương đối là tỷ số giữa độ lệch tâm thực tế và khe hở bán kính ổ. Các thông số này được xác định qua mô phỏng và đo đạc thực nghiệm, giúp đánh giá hiệu quả bôi trơn.

  5. Hệ thống số hóa khảo sát áp suất có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Hệ thống phù hợp với các ngành công nghiệp sử dụng ổ thủy động như động cơ nhiệt, tàu thủy, máy công cụ và thiết bị truyền động công nghiệp. Việc giám sát áp suất giúp phát hiện sớm sự cố, giảm thiểu thời gian ngừng máy và chi phí bảo trì.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và tích hợp thành công hệ thống cơ điện tử cho thiết bị khảo sát biên độ áp suất ổ thủy động, nâng cao khả năng đo đạc và phân tích áp suất theo chu vi mặt cắt ổ.
  • Phương trình Reynolds được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn, mô phỏng chính xác trường áp suất và các đặc tính cơ bản của ổ thủy động dưới các điều kiện tải trọng và tốc độ quay khác nhau.
  • Hệ thống số hóa giúp giám sát liên tục, phát hiện kịp thời các dấu hiệu bất thường trong ổ, góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sử dụng ổ thủy động, đồng thời làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa bôi trơn và thiết kế ổ.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm triển khai thực tế hệ thống, phát triển phần mềm phân tích nâng cao và đào tạo nhân lực vận hành, nhằm đưa nghiên cứu vào ứng dụng hiệu quả.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị sản xuất và nghiên cứu nên phối hợp triển khai hệ thống giám sát áp suất ổ thủy động để nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì thiết bị.