Chương 1: Lý do chọn đề tài, tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học – thực tiễn, đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu. - Chương 2: Trình bày tổng quan về ổ trục và ứng dụng của các loại ổ trục.Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ổ khí tĩnh, đến đề tài và các định hướng nghiên cứu. - Chương 3: Cơ sở lý thuyết về máy khoan cao tốc; cơ sở lý thuyết về ổ khí tĩnh, hệ thống công thức để tính toán, thiết kế ổ khí tĩnh. - Chương 4: Nêu các ý tưởng và giải pháp thiết kế máy máy khoan cao tốc, kết cấu ổ khí tĩnh dùng cho máy máy khoan cao tốc.
4 Luan van - Chương 5: Thiết kế các thông số của ổ khí, các mối quan hệ, những sự ảnh hưởng giữa các thông số, giữa các thông số đến khả năng hoạt động của ổ khí - Chương 6: Chế tạo khảo nghiệm ổ khí tĩnh, các khảo nghiệm trên thực tế và kết quả phân tích đánh giá. - Chương 7: Kết luận – Kiến nghị 5 Luan van Chương 2 TỔNG QUAN Một trong các chi tiết quan trọng được sử dụng trong máy khoan, máy khoan cao tốc là các ổ trục. Ổ lăn giúp trục chính máy khoan chuyển động quay với tốc độ cao, chính xác, ma sát nhỏ, ít rung động giúp quá trình hoạt động khoan diễn ra đúng yêu cầu. Ngoài khảo sát về kết cấu máy khoan cao tốc, ổ lăn cũng là chi tiết cũng cần được khảo sát chi tiết để xem xét lựa chọn và ứng dụng vào máy khoan cho phù hợp.
Ổ lăn có nhiều loại như ổ cơ, ổ từ, ổ thuỷ, ổ khí và các loại ổ kết hợp,. Trong các phần sau, các loại ổ cũng như máy khoan cao tốc sẽ được khảo sát và trình bày.1 Định nghĩa Ổ lăn là một dạng của ổ cơ, đây là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của hai bộ phận tiếp xúc nhau khi chuyển động thành ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung hình vành khuyên (hình 2.2 Kết cấu Trong ổ lăn, giữa vòng trong và ngoài của ổ có các con lăn dưới dạng viên bi hoặc dạng đũa, tùy theo dạng tải trọng hoặc điều kiện hoạt động thì vòng ngoài của ổ hay vòng trong của ổ quay. Ổ lăn gồm 4 bộ phận: vòng trong lắp trên trục, vòng ngoài lắp với gối trục (vỏ máy, thân máy…), con lăn và vòng cách (hình 2. 6 Luan van a) Ổ dạng bi b) Ổ dạng đũa Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động Trong ổ lăn, tải trọng từ trục trước khi truyền đến gối trục phải qua các con lăn, nhờ các con lăn nên ma sát sinh ra trong ổ là ma sát lăn.
Con lăn trong ổ thực hiện chuyển động hành tinh giữa vòng trong và vòng ngoài của ổ (hình 2.3: Nguyên lý hoạt động ổ lăn [20] 2.5 Ưu nhược điểm của ổ lăn Ưu điểm: - Ma sát nhỏ (ổ bi: f=0,00012 ~ 0,0015; ổ đũa: f=0,002 ~ 0,006), bôi trơn đơn giản, kích thước chiều rộng nhỏ, mức độ tiêu chuẩn hóa cao và giá thành rẻ. Nhược điểm: - Kích thước hướng kính lớn, lắp ghép tương đối khó khăn và làm việc có nhiều tiếng ồn, khả năng giảm chấn kém.1 Định nghĩa Ổ trượt là một dạng ổ đỡ hoạt động trên nguyên lý ma sát trượt. Giữa ngõng trục và thành ổ là dầu ngăn cách tránh cho thành ổ tiếp xúc trực tiếp với ngõng trục trong quá trình làm việc. Vì vậy, ổ trượt rất đa dạng về kết cấu: bạc trượt, ổ thủy động, ổ thủy tĩnh, ổ khí động, ổ khí tĩnh (hình 2.
7 Luan van Hình 2.4: Hình dạng ổ trượt [20] 2.2 Kết cấu Kết cấu chủ yếu của ổ trượt gồm có thân ổ và ống lót [20]: - Thân ổ: là phần chịu lực, chế tạo liền với khung máy hoặc chế tạo riêng Hình 2.5: Kết cấu ổ trượt - Ống lót: là phần tiếp xúc với ngõng trục, thường làm bằng kim loại màu đắt tiền và hiếm. Sau thời gian sử dụng ổ bị mòn, lót ổ được thay thế mới tránh ảnh hưởng đến thân ổ.6: Hình dạng ống lót ổ trượt 2.3 Nguyên lý hoạt động Ổ trượt tương tự như ổ lăn, là ổ trục dùng để đỡ các chi tiết quay. Thông thường trục quay còn ổ đứng yên nên khi làm việc bề mặt ngõng trục trượt trên bề mặt ổ trượt. Ma sát sinh ra trên bề mặt làm việc là ma sát trượt.6 Ưu nhược điểm Ưu điểm: - Độ tin cậy cao khi vận tốc lớn, chịu được tải trọng động, va đập, kích thước hướng kính tương đối nhỏ và làm việc êm.
8 Luan van Nhược điểm: - Yêu cầu chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên, chi phí lớn về dầu bôi trơn, tổn thất về ma sát khi mở máy, dừng máy, kích thước dọc trục tương đối lớn.7 Phạm vi ứng dụng - Các máy móc thiết bị chịu tải trọng va đập - Các máy đòi hỏi độ chính xác hướng trục và khả năng điều chỉnh khe hở - Ổ có thể làm việc trong nước, môi trường ăn mòn 2.1 Định nghĩa Ổ từ là một loại ổ trục có khả năng nâng không tiếp xúc, các trục chuyển động nhờ vào lực từ trường (hình 2.7: Hình dạng của ổ từ trong thực tế [7] 2.2 Kết cấu Ổ từ có cấu tạo tương tự như một động cơ điện, tuy nhiên thay vì tạo ra mômen xoắn để quay rotor nó lại tạo ra một lực để nâng rotor [7]. Cảm biến khoảng cách Stator Rotor Hệ thống điều khiển Nguồn dòng Hình 2.8: Kết cấu của ổ từ [7] Ổ từ có kết cấu gồm 3 bộ phận chính: vòng ngoài và các cuộn dây (stator), hệ thống các cảm biến, hệ thống điều khiển.3 Nguyên lý hoạt động Khi cấp điện vào các cuộn dây của stator, thì các cuộn dây sẽ sinh ra một lực điện từ, và chính lực điện từ này nâng ngõng trục (rotor) quay không tiếp xúc với stator. Khe hở tạo thành khi nâng rotor cách stator một khoảng thông thường là 0,5 9 Luan van – 2,0 mm. Các cảm biến không tiếp xúc sẽ đo độ sai lệch giữa vị trí ta mong muốn với vị trí thực của rotor và cung cấp tín hiệu tới bộ điều khiền để hiệu chỉnh khe hở theo mong muốn bằng cách điều chỉnh điện áp vào từng cuộn dây [7].5 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng Do giữa trục quay và phần tĩnh không tiếp xúc với nhau nên ổ từ có nhiều ưu điểm mà ổ cơ không có được như: - Không có ma sát nên không gây mòn, hiệu suất truyền động cao.
- Thân thiện với môi trường do không có bộ phận bôi trơn. - Khả năng làm việc với tốc độ cao, loại bỏ các rung động khi chuyển động. - Khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên ổ từ cũng có nhược điểm là bộ điều khiển phức tạp, giá thành cao.
Ổ từ thường được dùng trong các hệ thống truyền động và máy phát điện,…Yêu cầu bảo dưỡng ổ trục thường xuyên. Trong các dây chuyền chế biến thực phẩm và dược phẩm, các thiết bị làm việc trong các điều kiện môi trường đặc biệt như là nhiệt độ rất cao và rất thấp cũng như là trong điều kiện chân không, bôi trơn ổ cơ luôn là vấn đề khó khăn [7].4 Ổ thủy (Fluid Bearing) Ổ thủy dùng áp lực của lớp dung dịch bôi trơn (thường là dầu) để ngăn cách sự tiếp xúc của trục và ổ nhằm làm giảm ma sát trong ổ, ổ thuỷ thường được chia thành 2 loại: ổ thuỷ tĩnh và ổ thuỷ động, các loại ổ thuỷ thường được sử dụng trong các máy đòi hỏi truyền động chính xác cao, vận tốc lớn.1 Định nghĩa Ổ thủy động là loại ổ khi hoạt động một màng dầu được hình thành bao quanh ngõng trục, lớp dầu ngăn cách mỏng bao quanh ngõng trục được sinh ra trong quá trình hoạt động, nhờ vào áp suất trong quá trình quay sinh ra khi đạt được tốc độ giới hạn (hình 2. 10 Luan van Hình 2.2 Nhiệm vụ Ổ thủy động được sử dụng để đỡ trục, chịu tải trọng hướng kính và giữ cho trục quay nhờ vào lớp dầu ngăn cách giữa bạc và ngõng trục.3 Kết cấu Ổ thủy động được sử dụng để đỡ trục và chịu tải trọng hướng kính với sự tổn thất năng lượng và sự mài mòn là ít nhất. Ổ thủy động được đặc trưng bởi một ống lót hình trụ bao quanh ngõng trục.10: Kết cấu ổ thủy động [20] 2.5 Nguyên lý hoạt động Ma sát thủy động thì sinh ra trong trường hợp bôi trơn không cưỡng bức - hay gọi là bôi trơn thủy động.
Vì vậy, bôi trơn thủy động dựa trên nguyên lý hình thành chêm dầu trong khe hẹp, dòng dầu trong khe hẹp bị ép và hình thành áp suất thủy động. Bôi trơn thuỷ động được thực hiện ở vận tốc cao và chất lỏng có độ nhớt lớn để tạo nên khả năng chịu tải cao (hình 2. 11 Luan van Hình 2.11: Nguyên lý hoạt động ổ thủy động 2.1 Định nghĩa Ổ thủy tĩnh là loại ổ mà dầu được bơm vào liên tục trong ổ bằng một máy bơm dầu, với nhiệm vụ là đảm bảo điều kiện bôi trơn, khoảng cách khe hở giữa ngõng trục và ống lót trong quá trình chịu tải (hình 2.12: Hình dạng của ổ thủy tĩnh 2.2 Nhiệm vụ Có nhiệm vụ tiếp nhận các tải trọng từ nhiều hướng tác động tới và giữ cho trục quay theo dạng mặt phẳng, mặt cầu, mặt trụ, mặt côn tùy theo tải trọng mà mỗi loại sẽ có công dụng khác nhau (hình 2. a) Mặt phẳng b) Mặt cầu c) Mặt trụ d) Mặt côn Hình 2.13: Hình dạng bề mặt làm việc 12 Luan van 2.3 Kết cấu Kết cấu ổ đơn giản bao gồm: vòng ngoài ổ, ống lót và rãnh chứa dầu.
a) Ổ thủy tĩnh chỉ chịu lực dọc b) Ổ thủy tĩnh chịu lực dọc trục và hướng trục kính Hình 2.14: Kết cấu ổ thủy tĩnh 2.4 Nguyên lý hoạt động Bằng cách bơm dầu vào vùng khe hở giữa ngõng trục và lót ổ. Ở trường hợp này, bằng cách tạo mối quan hệ thích hợp giữa khe hở của ổ (thông qua đường kính lót ổ (D) và ngõng trục (d) ta có tỉ số D/d), số vòng quay của trục (n), tải trọng tác dụng lên ổ (R) và độ nhớt của dầu bôi trơn, dầu sẽ tự động được cuốn vào vùng khe hở và tạo thành áp suất đủ lớn để nâng ngõng trục lên, không cho nó trực tiếp tiếp xúc với lót ổ (hình 2.15: Nguyên lý hoạt động ổ thủy tĩnh 2.5 Ổ khí (Air Bearing) Ổ khí là một ổ sử dụng màng không khí mỏng áp suất cao để nâng đỡ ngõng trục.