Tổng quan luận án

Mô men lực là một trong 12 đại lượng cơ học thông dụng trong hệ đơn vị đo lường quốc tế (SI) có đơn vị dẫn xuất là niutơn mét ($\text{N}\cdot\text{m}$), đóng vai trò then chốt trong ngành cơ khí - động lực, chế tạo máy và xây dựng. Trong các dây chuyền sản xuất cơ khí, lắp ráp thiết bị vận tải (ô tô, xe máy, máy bay, tàu thủy) hay các công trình giao thông, các mối ghép ren chịu tải trọng động, va đập và dao động đòi hỏi mô men xiết chặt phải được kiểm soát chính xác. Nếu mô men xiết không đủ hoặc vượt giới hạn, mối ghép có thể bị phá hỏng hoặc tự tháo lỏng, dẫn đến tai nạn kỹ thuật nghiêm trọng (như sự cố xe container bị rơi bánh khi đang chạy, hoặc sự cố Công ty Honda Motor phải thu hồi 150.000 xe ô tô tại châu Âu và Mỹ Latinh do bu lông lắp puly máy bơm nước làm mát không đủ lực xiết). Tại Việt Nam, nhu cầu kiểm chuẩn các dụng cụ đo mô men (cờ lê lực, dụng cụ siết ốc vít) tại các nhà máy là rất lớn (ví dụ Công ty Cổ phần Ô tô Trường Hải sử dụng khoảng 3.000 thiết bị đo mô men). Tuy nhiên, các thiết bị kiểm chuẩn trong nước đều phải gửi ra nước ngoài hiệu chuẩn định kỳ, gây tốn kém chi phí và phụ thuộc công nghệ. Để từng bước làm chủ công nghệ chế tạo thiết bị chuẩn mô men lực cấp quốc gia theo Đề tài cấp Nhà nước mã số ĐTĐL.CN-07/16 (“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và tích hợp máy chuẩn đầu mô men lực độ chính xác cao sử dụng cho lĩnh vực đo lường”), việc nghiên cứu giải pháp đảm bảo độ chính xác cho hệ thống chuẩn mô men trở thành yêu cầu cấp thiết.

Khoảng trống nghiên cứu chính nằm ở hai yếu tố quyết định độ chính xác của mô men chuẩn: mô men ma sát tại khớp quay và độ dài làm việc thực tế của cánh tay đòn. Việc nghiên cứu tính toán, thiết kế ổ đệm khí tĩnh chịu lực hướng tâm có khả năng tải và độ cứng vững cao chưa từng được thực hiện tại Việt Nam. Đồng thời, việc xác định chính xác độ dài làm việc của cánh tay đòn trên thiết bị chuẩn mô men đã lắp đặt hoàn chỉnh gặp khó khăn do tâm quay là tâm ảo và điểm đặt lực phụ thuộc vào độ dày của dây treo tải.

Mục đích và các nội dung nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể như sau:

  1. Đảm bảo ổ đệm khí làm việc không có tiếp xúc cơ khí và đáp ứng yêu cầu khả năng tải và độ cứng cho thiết bị chuẩn mô men.
  2. Xác định được độ dài làm việc của cánh tay đòn trên thiết bị chuẩn mô men đã được lắp đặt hoàn chỉnh.
  3. Ước lượng được độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men thông qua độ không đảm bảo đo của các đại lượng thành phần.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  • Các đại lượng và yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men lực;
  • Ổ đệm khí tĩnh chịu lực hướng tâm (dạng ổ đỡ với hai gối đỡ ở hai đầu trục) nhằm giảm thiểu mô men ma sát;
  • Phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trên mô hình thiết bị thực nghiệm và tính toán độ không đảm bảo đo tương ứng.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Thiết bị tạo mô men chuẩn có dải giá trị đến $500\ \text{N}\cdot\text{m}$;
  • Ổ đệm khí chịu tải hướng tâm được cung cấp nguồn khí nén áp suất từ 4 bar đến 6 bar, khả năng chịu tải thiết kế $1.000\ \text{N}$;
  • Cánh tay đòn có chiều dài danh nghĩa $500\ \text{mm}$;
  • Các khối lượng chuẩn, giá trị gia tốc trọng trường và các điều kiện đo lường chuẩn thực hiện tại Viện Đo lường Việt Nam (VMI).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu về thiết bị chuẩn mô men lực và kết cấu ổ đệm khí trên thế giới và tại Việt Nam:

Quốc gia / Đơn vị Dải đo chuẩn Đặc điểm kết cấu cánh tay đòn & Hệ thống đo Đặc điểm ổ đệm khí & Mô men ma sát ($T_f$) Độ không đảm bảo đo ($U$ hoặc $U_{\text{rel}}$)
KRISS (Hàn Quốc) $100\ \text{N}\cdot\text{m}$ Khối lượng chuẩn đặt trên bàn quay 2 động cơ bước; dây treo hợp kim dày $50\ \mu\text{m}$; đầu đo laser xác định cân bằng Ổ đệm khí quay; $T_f = 17,3\ \mu\text{N}\cdot\text{m}$ $U = 5\cdot 10^{-5}$
CEM (Tây Ban Nha) $1\ \text{N}\cdot\text{m} - 1\ \text{kN}\cdot\text{m}$ Cánh tay đòn $500\ \text{mm}$ bằng hợp kim Invar ($\alpha_T = 1,2\cdot 10^{-6}/\text{K}$); dây treo mỏng $25\ \mu\text{m}$; kiểm tra độ dài bằng thiết bị tiếp xúc $1.050\ \text{mm}$ Ổ đệm khí chịu tải hướng kính; $T_f = 10\ \mu\text{N}\cdot\text{m}$ $U_{\text{rel}} = 2\cdot 10^{-5}$
CENAM (Mexico) $1\ \text{kN}\cdot\text{m}$ Cánh tay đòn đối xứng dài 2 m (mỗi bên 1 m); dây đai kim loại dày $25\ \mu\text{m}$; đo chiều dài bằng Laser Tracker; kiểm soát phương ngang bằng máy đo góc nghiêng Ổ đệm khí chịu tải hướng kính; áp suất cấp 4-6 bar; $T_f = 20 - 30\ \mu\text{N}\cdot\text{m}$ Chưa công bố chi tiết
UME (Thổ Nhĩ Kỳ) $1\ \text{kN}\cdot\text{m}$ Cánh tay đòn đối xứng $500\ \text{mm}$ bằng Invar; đo bằng máy CMM ở $20^\circ\text{C}$ ($L_{\text{phải}} = 500,0580\ \text{mm}$; $L_{\text{trái}} = 500,0615\ \text{mm}$) Ổ đệm khí quay $u < 1\ \mu\text{m}$ (chiều dài)
Inmetro (Brasil) Đến $3\ \text{kN}\cdot\text{m}$ Vận hành bằng tay; khảo sát sai số theo 3 nhóm người vận hành (OpL - kinh nghiệm thấp, OpM - trung bình, OpH - cao) Ổ đệm khí quay Phụ thuộc người vận hành
PTB (Đức) $1\ \text{kN}\cdot\text{m}$ Cánh tay đòn 1 m đo bằng máy CMM; hiệu chỉnh góc lệch $\phi, \alpha$ và biến dạng $f(G)$ Khớp quay đệm khí $u_L/L \le 3\cdot 10^{-6}$
NMIJ (Nhật Bản) $20\ \text{kN}\cdot\text{m}$ Dây kim loại Cu-Be dày $t_w = 0,1\ \text{mm}$, kẹp bu lông mô men $70\ \text{N}\cdot\text{m}$; đo $L_u$ bằng CMM độ phân giải $0,0001\ \text{mm}$; treo tải phụ $7,6\ \text{kg}$ giảm sai lệch từ 31 ppm xuống 21 ppm Ổ đệm khí đỡ hai đầu trục Tiêu chuẩn cấp quốc gia
Việt Nam (VMI, TTĐL Quân đội) $0 - 500\ \text{N}\cdot\text{m}$ Thiết bị TCM-500 dùng trục ren vuông; thiết bị CDI Torque (Mỹ); hệ thống đòn bẩy quả cân tại VMI Cơ khí / Ổ bi thông thường Sai số TCM-500 $\le 0,2%$

Về lý thuyết tính toán ổ đệm khí, các nghiên cứu quốc tế của Jumming Wang, Heinzl đã xây dựng công thức tích phân áp suất và đệm khí vi lỗ, tuy nhiên đều dựa trên các giả thiết đơn giản hóa (dòng chảy tầng, khe hở không đổi). Tại Việt Nam, các nghiên cứu tại Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) đã áp dụng phương pháp mạch điện - khí tương đương để tính toán đệm khí buồng phẳng và đệm khí mặt trụ chịu lực dọc trục với khe hở không đổi, xác định tỷ lệ tối ưu giữa bán kính rãnh dẫn và bán kính ngoài $r_0/r_n = 0,5 \div 0,7$.

Khoảng trống mà luận án tập trung giải quyết gồm:

  • Xây dựng mô hình tính toán lực nâng và phân bố áp suất cho đệm khí bề mặt trụ chịu lực hướng tâm trong điều kiện trục và bạc bị lệch tâm (khe hở $z$ thay đổi dọc theo chu vi và từ tâm ra mép).
  • Khắc phục nhược điểm của phương pháp đo cánh tay đòn trên máy đo ba tọa độ CMM (vốn chỉ đo kích thước hình học tĩnh, không đo được khoảng cách từ tâm quay ảo đến đường tác dụng lực thực tế khi chịu tải và không áp dụng được cho máy có kích thước lớn) bằng phương pháp cân bằng mô men trên hệ thống thực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các mô hình tính toán

  1. Phương trình xác định mô men chuẩn: Mô men chuẩn $T$ tạo ra bởi tải trọng tĩnh tác dụng lên cánh tay đòn được mô tả theo công thức: $$T = m \cdot g_{\text{loc}} \cdot L \cdot \left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_w}\right) \pm T_f$$ Trong đó:
  • $m$: Khối lượng quả tải chuẩn ($\text{kg}$);
  • $g_{\text{loc}}$: Gia tốc trọng trường tại vị trí đặt thiết bị ($\text{m/s}^2$), tại phòng thí nghiệm VMI Hà Nội đã được xác định chính xác là $g_{\text{loc}} = 9,78668787\ \text{m/s}^2$;
  • $L$: Độ dài làm việc của cánh tay đòn ($\text{m}$);
  • $\rho_a$: Khối lượng riêng của không khí tại môi trường đo ($\text{kg/m}^3$);
  • $\rho_w$: Khối lượng riêng của vật liệu làm quả tải ($\text{kg/m}^3$);
  • $T_f$: Mô men ma sát tại khớp quay ổ đệm khí ($\text{N}\cdot\text{m}$).

  1. Lý thuyết ma sát tại khớp quay: Mô men ma sát tại khớp quay xác định theo biểu thức: $$T_f = F_f \cdot r = N \cdot f \cdot r$$ Với $N$ là tải trọng hướng kính, $r$ là bán kính trục quay, và $f$ là hệ số ma sát. Theo dữ liệu khảo sát từ Newways, hệ số ma sát của ổ trượt là $0,1$, của ổ lăn là $0,001$, trong khi của ổ đệm khí chỉ là $0,00001$. Do $f$ của ổ đệm khí rất nhỏ nên mô men ma sát $T_f$ được giảm thiểu đáng kể.

  2. Lý thuyết dòng khí nén và phương pháp mạch điện - khí tương đương:

  • Lưu lượng khối lượng dòng khí qua khe hở chữ nhật được xác định qua tích phân phương trình Navier-Stokes: $$M_L = \frac{b \cdot z^3}{12 \cdot \mu \cdot R \cdot T_a} \left(p_2^2 - p_0^2\right)$$ Trong đó: độ nhớt động học của không khí $\mu = 0,018\ \text{mPa}\cdot\text{s}$, hằng số khí $R = 0,2871\ \text{kJ/(kg}\cdot\text{K)}$, nhiệt độ môi trường $T_a = 293\ \text{K}$, áp suất môi trường $p_0$, áp suất sau lỗ tiết lưu $p_2$.
  • Lưu lượng qua lỗ tiết lưu hình trụ ngắn diện tích $A_D$ ở điều kiện đoạn nhiệt ($k = 1,4$, hệ số chảy $\alpha = 0,7$): $$M_D = \alpha \cdot A_D \cdot \frac{p_1}{\sqrt{R \cdot T_a}} \cdot \Psi$$
  • Áp dụng phương pháp tương đương điện - khí: Dòng khí được mô hình hóa tương đương dòng điện, độ chênh áp suất tương đương hiệu điện thế, khí trở tỷ lệ nghịch với tiết diện chảy theo số mũ $\alpha$ và tỷ lệ thuận với chiều dài đường dẫn theo suất khí trở $\rho$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp thực nghiệm kiểm tra tiếp xúc cơ khí: Đo điện trở cách ly giữa trục quay và bạc đệm khí trong suốt quá trình làm việc. Trạng thái không tiếp xúc cơ khí được xác nhận khi điện trở đo được đạt giá trị vô cùng ($\infty$).
  • Phương pháp dao động con lắc: Xác định mô men ma sát $T_f$ và hệ số ma sát $f$ của ổ đệm khí dựa trên quy luật suy giảm dao động góc của hệ trục.
  • Phương pháp cân bằng mô men lực để xác định độ dài cánh tay đòn: Sử dụng khối lượng dịch chuyển trên cánh tay đòn qua hệ thống con trượt và căn mẫu chuẩn, kết hợp đo độ lệch cân bằng bằng đầu đo laser độ chính xác cao để tính toán độ dài làm việc thực tế $L_1, L_2$.
  • Đánh giá độ không đảm bảo đo: Thực hiện theo Hướng dẫn thể hiện độ không đảm bảo đo trong đo lường (GUM) của JCGM và Từ vựng quốc tế về đo lường học (VIM), tổng hợp độ không đảm bảo đo chuẩn loại A và loại B của từng đại lượng thành phần.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về chuẩn mô men lực

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở khoa học và thực tiễn về việc đo và chuẩn hóa mô men lực trong công nghiệp. Tác giả phân tích nguồn gốc của đại lượng mô men từ nguyên lý đòn bẩy của Archimedes đến các ứng dụng cơ học hiện đại trong truyền động và lắp xiết mối ghép ren. Chương này trình bày chi tiết sơ đồ dẫn xuất chuẩn đo lường mô men lực tại Viện Đo lường Việt Nam (VMI) và Viện Đo lường Quốc gia Nhật Bản (NMIJ), chỉ rõ cấu trúc truyền chuẩn từ chuẩn quốc gia (máy chuẩn đầu mô men lực tải trực tiếp) qua chuẩn thứ cấp, chuẩn công tác (thiết bị hiệu chuẩn) đến phương tiện đo tại hiện trường.

Tác giả khảo sát toàn diện các hệ thống máy chuẩn đầu mô men tại các viện đo lường quốc gia phát triển (KRISS - Hàn Quốc, CEM - Tây Ban Nha, CENAM - Mexico, UME - Thổ Nhĩ Kỳ, PTB - Đức, NMIJ - Nhật Bản, Inmetro - Brasil), phân tích các giải pháp kết cấu cánh tay đòn, vật liệu Invar chống giãn nở nhiệt, cơ cấu treo tải bằng dây kim loại mỏng ($25 - 50\ \mu\text{m}$) và ứng dụng của ổ đệm khí để triệt tiêu ma sát. Đồng thời, chương 1 phân tích các công trình nghiên cứu tính toán đệm khí tĩnh của Jumming Wang, Heinzl và nhóm nghiên cứu Đại học Bách Khoa Hà Nội, chỉ ra rằng các công thức hiện có mới chỉ áp dụng cho đệm phẳng hoặc đệm trụ đồng tâm (khe hở không đổi). Cuối cùng, tác giả phân tích các phương pháp xác định chiều dài cánh tay đòn (đo bằng máy CMM, đo biến dạng uốn tấm mỏng, đo con lắc xoắn, đo góc quay) và thiết lập 4 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm của luận án.

Chương 2: Nghiên cứu ổ đệm khí dùng trong thiết bị chuẩn mô men lực

Chương 2 tập trung giải quyết bài toán tính toán thiết kế và thử nghiệm ổ đệm khí tĩnh chịu lực hướng tâm. Tác giả phân tích đặc điểm hình học của khe hở giữa bạc và trục trong 3 trường hợp tương quan vị trí tâm: tâm bạc trùng tâm trục (khe hở đều), tâm bạc nằm trên tâm trục (khe hở ở tâm lớn hơn mép), và tâm bạc nằm dưới tâm trục (khe hở ở tâm nhỏ hơn mép). Dựa trên phương pháp điện khí tương đương, tác giả xây dựng công thức tính toán lực nâng $F$ và phân bố áp suất cho đệm khí bề mặt trụ chịu tải hướng tâm có khe hở thay đổi $z^*$.

Tác giả tiến hành tính toán và so sánh 3 phương án bố trí đệm khí trên mỗi đầu trục:

  • Phương án 1 (PA 1): Bố trí 03 đệm khí trên mỗi đầu trục;
  • Phương án 2 (PA 2): Bố trí 04 đệm khí trên mỗi đầu trục;
  • Phương án 3 (PA 3): Bố trí 05 đệm khí trên mỗi đầu trục.

Kết cấu được lựa chọn là hệ thống đối xứng gồm 2 gối đỡ ở hai đầu trục lắp stator mang các đệm khí mặt trụ để định vị 4 bậc tự do hướng tâm, kết hợp 2 đệm khí phẳng ở mặt đầu để định vị 1 bậc tự do dọc trục, đảm bảo trục chỉ còn 1 bậc tự do quay. Quá trình chế tạo bộ đôi trục - bạc sử dụng công nghệ mài nghiền chính xác với bột nghiền cỡ hạt $5\ \mu\text{m}$.

Kết quả thực nghiệm trên mô hình ổ đệm khí chế tạo thử nghiệm cho thấy:

  • Ở chế độ không tải và có tải với áp suất cấp khí 4 đến 6 bar, điện trở giữa trục và bạc luôn đạt giá trị vô cùng ($\infty$), khẳng định ổ khí làm việc hoàn toàn không có tiếp xúc cơ khí;
  • Mô men ma sát và hệ số ma sát của ổ đệm khí đo được bằng phương pháp dao động con lắc đạt giá trị cực nhỏ (hệ số ma sát $f \approx 10^{-5}$);
  • Khả năng chịu tải hướng tâm của hệ thống ổ đệm khí đạt tới $1.600\ \text{N}$, vượt yêu cầu thiết kế ban đầu ($1.000\ \text{N}$).

Chương 3: Phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men lực

Chương 3 trình bày giải pháp xác định độ dài làm việc thực tế của cánh tay đòn ($L_1, L_2$) dựa trên nguyên lý cân bằng mô men lực trực tiếp trên thiết bị đã lắp ráp. Khắc phục hạn chế của việc đo hình học trên máy CMM khi tâm quay là tâm ảo, phương pháp của luận án thực hiện dịch chuyển một khối lượng chuẩn $m_1$ trên cánh tay đòn một khoảng xác định nhờ con trượt và căn mẫu chuẩn, sau đó bù trừ mô men mất cân bằng bằng cách thêm/bớt khối lượng $m_2$ tại quang treo ở đầu cánh tay đòn để đưa cánh tay đòn trở lại trạng thái cân bằng nằm ngang ban đầu (được kiểm soát chính xác bằng đầu đo laser).

Tác giả phân tích chi tiết các nguồn ảnh hưởng và thành phần độ không đảm bảo đo trong quá trình đo chiều dài cánh tay đòn:

  1. Ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ phòng thí nghiệm;
  2. Độ không đảm bảo đo khi xác định vị trí cân bằng ban đầu ($x_0, y_0$);
  3. Độ không đảm bảo đo do đầu đo laser đọc giá trị theo phương thẳng đứng ($y$);
  4. Độ không đảm bảo đo do căn mẫu không vuông góc với phương nằm ngang (bề mặt căn mẫu không vuông góc với trục cánh tay đòn);
  5. Độ không đảm bảo đo do sự dịch chuyển trọng tâm của con lăn/khối lượng dịch chuyển;
  6. Độ không vuông góc giữa cánh tay đòn và trục quay.

Chương này tổng hợp các kết quả thực nghiệm xác định $L_1, L_2$, lựa chọn các thông số thử nghiệm hợp lý và tính toán ngân sách độ không đảm bảo đo cho độ dài làm việc cánh tay đòn.

Chương 4: Ước lượng độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men dùng ổ đệm khí

Chương 4 thực hiện ước lượng độ không đảm bảo đo tổng hợp và độ không đảm bảo đo mở rộng cho thiết bị chuẩn mô men $500\ \text{N}\cdot\text{m}$ tự chế tạo. Tác giả tiến hành lượng hóa từng thành phần ảnh hưởng theo phương trình đo mô men:

  • Khối lượng quả tải chuẩn ($m$): Xác định độ không đảm bảo đo từ chứng chỉ hiệu chuẩn của bộ quả tải chuẩn tại VMI;
  • Gia tốc trọng trường ($g_{\text{loc}}$): Sử dụng giá trị đo tuyệt đối tại phòng thí nghiệm VMI ($g = 9,78668787\ \text{m/s}^2$);
  • Khối lượng riêng không khí ($\rho_a$) và vật liệu quả tải ($\rho_w$): Tính toán độ không đảm bảo đo của lực đẩy Ác-si-mét phụ thuộc nhiệt độ, áp suất khí quyển và độ ẩm môi trường;
  • Độ dài làm việc của cánh tay đòn ($L$): Lấy từ kết quả thực nghiệm và đánh giá ở chương 3;
  • Mô men ma sát của ổ đệm khí ($T_f$): Đánh giá từ số liệu thực nghiệm đo ma sát ở chương 2.

Tác giả lập hai bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo: bảng chưa tính đến thành phần mô men ma sát và bảng tổng hợp đầy đủ theo thực nghiệm. Kết quả đánh giá cho thấy độ không đảm bảo đo mở rộng của thiết bị thực nghiệm chuẩn mô men đạt $U_{\text{rel}} = 2,286\cdot 10^{-4}$ (với hệ số phủ $k = 2$, mức tin cậy xấp xỉ 95%).

Kết quả và những đóng góp mới

Những kết quả khoa học và thực tiễn chính

  1. Chế tạo thành công thiết bị thực nghiệm: Luận án đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hoàn chỉnh hệ thống thiết bị thực nghiệm chuẩn mô men lực dải đo đến $500\ \text{N}\cdot\text{m}$ sử dụng ổ đệm khí tĩnh chịu lực hướng tâm đỡ hai đầu trục, với cánh tay đòn dài $500\ \text{mm}$.
  2. Khả năng chịu tải và triệt tiêu ma sát: Hệ thống ổ đệm khí bề mặt trụ đảm bảo chế độ làm việc hoàn toàn không tiếp xúc cơ khí (điện trở cách ly vô cùng), khả năng chịu tải trọng hướng kính đạt tới $1.600\ \text{N}$ tại áp suất khí cấp 4 đến 6 bar, hệ số ma sát đạt mức $10^{-5}$, giảm thiểu sai số do mô men ma sát gây ra.
  3. Ước lượng độ không đảm bảo đo: Đã xác định và ước lượng độ không đảm bảo đo mở rộng tổng hợp của thiết bị thực nghiệm đạt $U_{\text{rel}} = 2,286\cdot 10^{-4}$.

Hai đóng góp mới của luận án

  • Đóng góp mới 1: Xây dựng công thức tính lực nâng của đệm khí bề mặt trụ chịu tải hướng tâm dựa trên phương pháp mạch điện - khí tương đương. Luận án đã giải quyết bài toán đặc thù khi trục và bạc bị lệch tâm dưới tác dụng của tải trọng làm khe hở bề mặt biến thiên từ tâm ra mép ngoài, xác định được quy luật chiều dài chảy và diện tích chảy để tính toán sức cản và lực nâng của đệm khí, đồng thời thiết lập biểu đồ đặc tính quan hệ giữa lực nâng và khe hở tại tâm đệm khí.
  • Đóng góp mới 2: Đề xuất phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men theo nguyên lý cân bằng mô men lực. Phương pháp cho phép đo chính xác độ dài làm việc thực tế khi thiết bị đã được lắp đặt hoàn chỉnh, giải quyết triệt để vấn đề tâm quay ảo và điểm đặt tải thực tế của dây treo, đặc biệt thích hợp cho các thiết bị chuẩn có kích thước và khối lượng lớn không thể đưa vào không gian đo của máy đo ba tọa độ CMM.

Kiến nghị và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu của luận án cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm quan trọng phục vụ trực tiếp cho Đề tài cấp Nhà nước ĐTĐL.CN-07/16 nhằm chế tạo máy chuẩn đầu mô men lực cấp quốc gia dải đo đến $2.000\ \text{N}\cdot\text{m}$ với độ không đảm bảo đo mục tiêu $5\cdot 10^{-5}$, đồng thời có thể áp dụng để thiết kế các hệ thống chuẩn mô men ở các dải đo khác nhau tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi thực nghiệm của luận án mới dừng lại ở dải mô men chuẩn $500\ \text{N}\cdot\text{m}$, tải trọng hướng kính của ổ đệm khí khảo sát đến $1.600\ \text{N}$ và chiều dài cánh tay đòn danh nghĩa $500\ \text{mm}$;
  • Nghiên cứu chưa mở rộng khảo sát các kết cấu ổ khí dạng cầu hoặc ổ khí nhiều tầng lỗ cấp cho các dải tải trọng siêu lớn;
  • Mức độ tự động hóa trong việc thay đổi tải trọng và lấy tín hiệu cân bằng trên mô hình thực nghiệm còn ở mức thử nghiệm bán tự động.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Ứng dụng các kết quả tính toán ổ đệm khí và phương pháp xác định cánh tay đòn để mở rộng thiết kế, chế tạo máy chuẩn đầu mô men lực cấp quốc gia dải đo đến $2.000\ \text{N}\cdot\text{m}$ theo đề tài ĐTĐL.CN-07/16.
  2. Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống tự động hóa quá trình nâng hạ, xếp dỡ quả tải và cơ cấu tự động lấy lại vị trí cân bằng của cánh tay đòn bằng động cơ bước và điều khiển hồi tiếp.
  3. Nghiên cứu kiểm soát và bù trừ tự động các yếu tố môi trường (dao động nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển) để nâng cao độ chính xác, hướng tới đạt cấp độ không đảm bảo đo $5\cdot 10^{-5}$.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí chính xác, Đo lường học và Thủy khí kỹ thuật. Phần tính toán đệm khí mặt trụ bằng phương pháp điện khí tương đương (Chương 2) và phương pháp đánh giá độ không đảm bảo đo theo chuẩn GUM (Chương 4) có giá trị học thuật cao trong giảng dạy và nghiên cứu.
  • Đối với các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm đo lường: Các cán bộ nghiên cứu tại Viện Đo lường Việt Nam (VMI), Trung tâm Đo lường Quân đội và các trung tâm kiểm định có thể sử dụng trực tiếp giải pháp xác định độ dài làm việc cánh tay đòn bằng phương pháp cân bằng mô men (Chương 3) để hiệu chuẩn, kiểm tra các thiết bị chuẩn mô men lực tải trực tiếp mà không cần tháo rời cụm cánh tay đòn lên máy CMM.
  • Đối với kỹ sư thiết kế chế tạo máy: Cung cấp quy trình công nghệ gia công, mài nghiền bộ đôi bạc - trục bằng bột nghiền $5\ \mu\text{m}$ và phương án bố trí các đệm khí mặt trụ để chế tạo ổ khí không ma sát chịu tải hướng tâm trong các thiết bị đo chính xác cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thiết bị chuẩn mô men lực cần sử dụng ổ đệm khí tĩnh thay vì ổ lăn hoặc ổ trượt thông thường?
Trong công thức xác định mô men chuẩn, mô men ma sát tại khớp quay ($T_f = N \cdot f \cdot r$) sẽ lẫn trực tiếp vào giá trị mô men tạo ra và gây ra sai số. Theo số liệu khảo sát của Newways, hệ số ma sát của ổ trượt là $0,1$, ổ lăn là $0,001$, trong khi ổ đệm khí chỉ là $0,00001$. Do đó, ổ đệm khí tĩnh giúp triệt tiêu gần như hoàn toàn ma sát cơ khí, không sinh nhiệt, không bị mài mòn và đảm bảo độ ổn định cao cho thiết bị chuẩn đầu.

2. Điểm mới cốt lõi trong công thức tính lực nâng ổ đệm khí của luận án là gì?
Các công trình trước đây chỉ tính toán lực nâng cho đệm khí phẳng hoặc đệm khí mặt trụ đồng tâm (khe hở $z$ không đổi). Luận án đã xây dựng công thức tính toán theo phương pháp mạch điện - khí tương đương cho đệm khí mặt trụ chịu tải hướng tâm có xét đến hiện tượng lệch tâm giữa trục và bạc (khe hở $z$ thay đổi dọc theo chu vi và từ tâm ra mép), xác định được sự biến thiên diện tích chảy, trở lực và phân bố áp suất thực tế.

3. Vì sao không sử dụng máy đo tọa độ 3D (CMM) để xác định độ dài cánh tay đòn mà phải dùng phương pháp cân bằng mô men?
Máy CMM chỉ đo được kích thước hình học tĩnh và khoảng cách tâm trục giả định khi chưa chịu tải, trong khi tâm quay thực tế của hệ là tâm ảo và điểm đặt lực của dây treo quả tải có thể dịch chuyển do độ dày và biến dạng của dây. Ngoài ra, với các máy chuẩn mô men lớn, cánh tay đòn không thể tháo rời hoặc đưa vào không gian đo của CMM. Phương pháp cân bằng mô men của luận án đo trực tiếp trên máy đã lắp ráp hoàn chỉnh, phản ánh chính xác độ dài làm việc thực tế dưới tải trọng.

4. Thiết bị thực nghiệm do luận án chế tạo đạt được những thông số kỹ thuật chính nào?
Thiết bị thực nghiệm tạo mô men dải đo đến $500\ \text{N}\cdot\text{m}$, sử dụng cánh tay đòn dài $500\ \text{mm}$, ổ đệm khí chịu lực hướng kính hoạt động ở áp suất khí 4 đến 6 bar với khả năng tải lên đến $1.600\ \text{N}$ không tiếp xúc cơ khí, và độ không đảm bảo đo mở rộng tổng hợp đạt $U_{\text{rel}} = 2,286\cdot 10^{-4}$.

5. Các đại lượng nào đóng vai trò chính quyết định độ không đảm bảo đo tổng hợp của thiết bị chuẩn mô men?
Độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men được tổng hợp từ 6 thành phần chính: độ không đảm bảo đo của khối lượng quả tải chuẩn $u(m)$, của gia tốc trọng trường $u(g_{\text{loc}})$, của độ dài làm việc cánh tay đòn $u(L)$, của khối lượng riêng không khí $u(\rho_a)$, của khối lượng riêng vật liệu quả tải $u(\rho_w)$, và của mô men ma sát tại ổ đệm khí $u(T_f)$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết hoàn chỉnh hai bài toán kỹ thuật cốt lõi nhằm đảm bảo độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men lực chế tạo tại Việt Nam: tính toán thiết kế thành công ổ đệm khí tĩnh bề mặt trụ chịu tải hướng tâm đạt khả năng tải $1.600\ \text{N}$ không tiếp xúc cơ khí, và đề xuất phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trên thiết bị lắp ráp hoàn chỉnh theo nguyên lý cân bằng mô men. Mô hình thực nghiệm tạo mô men chuẩn dải đo đến $500\ \text{N}\cdot\text{m}$ với chiều dài cánh tay đòn $500\ \text{mm}$ đã được chế tạo và kiểm chứng, đạt độ không đảm bảo đo mở rộng ước lượng là $2,286\cdot 10^{-4}$. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm này cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp phục vụ đề tài cấp Nhà nước ĐTĐL.CN-07/16 trong việc làm chủ thiết kế, chế tạo máy chuẩn đầu mô men lực cấp quốc gia dải đo đến $2.000\ \text{N}\cdot\text{m}$ tại Việt Nam.