Nghiên cứu hệ thống quan trắc ứng suất đầu to thanh truyền ở chế độ tải trọng động

Nghiên cứu xây dựng hệ thống quan trắc ứng suất đầu to thanh truyền dưới tải trọng động. Trình bày kết quả thực nghiệm và lý thuyết bôi trơn ổ.

• Tác giả: Đỗ Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: Ts. Trần Thị Thanh Hải
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng hệ thống quan trắc trạng thái ứng suất của đầu to thanh truyền ở chế độ tải trọng động
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Quan Trắc Ứng Suất Đầu To Thanh Truyền

Quan trắc ứng suất đầu to thanh truyền là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, đặc biệt liên quan đến hiệu suất và độ bền của các bộ phận động cơ. Tải tác dụng theo chu kỳ lên thanh truyền và sự thay đổi áp suất trong ổ đầu to làm cho ứng suất của đầu to thay đổi liên tục. Để hiểu rõ hơn về trạng thái ứng suất và phân bố ứng suất trong các điều kiện tải động, cần xây dựng hệ thống quan trắc tiên tiến. Nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện thiết kế, tối ưu hóa bôi trơn và nâng cao độ tin cậy của các thiết bị cơ khí. Hệ thống quan trắc hiện đại cho phép theo dõi chi tiết các thay đổi ứng suất trong quá trình hoạt động thực tế của động cơ.

1.1. Khái Niệm Cơ Bản Về Ứng Suất Đầu To Thanh Truyền

Ứng suất đầu to thanh truyền phát sinh từ các lực tác dụng trong quá trình công tác của động cơ. Trạng thái ứng suất tại vùng đầu to thay đổi theo thời gian do tải động. Hiểu biết sâu về cơ chế này giúp thiết kế các kết cấu an toàn hơn và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Bôi Trơn Ổ Đầu To

Bôi trơn ổ đầu to giảm ma sát và mài mòn giữa các bề mặt tiếp xúc. Nghiên cứu bôi trơn thủy động đàn hồi cho phép tối ưu lớp dầu bôi trơn, từ đó giảm ứng suất cục bộ và cải thiện hiệu suất hoạt động toàn bộ hệ thống.

II. Phương Pháp Quan Trắc Trạng Thái Ứng Suất

Phương pháp quan trắc trạng thái ứng suất sử dụng công nghệ quang đàn hồi để phân tích phân bố ứng suất trong các vật liệu. Đây là phương pháp không phá hủy cho phép quan sát trực tiếp các mô hình ứng suất qua hình ảnh vân ứng suất. Kỹ thuật này kết hợp với các thiết bị hiện đại như camera CCD và hệ thống chiếu sáng để ghi lại dữ liệu chính xác. Vân ứng suất và đường đẳng là những chỉ số quan trọng cho thấy cường độ và phân bố của ứng suất. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong quan trắc tải động, nơi ứng suất thay đổi liên tục theo thời gian.

2.1. Lý Thuyết Quang Đàn Hồi

Quang đàn hồi là ngành học về mối quan hệ giữa ánh sáng và trạng thái ứng suất trong vật liệu. Khi ánh sáng xuyên qua vật liệu chịu tải, tính chất quang học thay đổi, tạo ra các vân ứng suất quan sát được. Luật cơ bản cho phép chuyển đổi hình ảnh vân thành dữ liệu ứng suất định lượng.

2.2. Hệ Thống Thiết Bị Thực Nghiệm

Hệ thống thực nghiệm bao gồm thiết bị tạo tải động mô phỏng điều kiện hoạt động của động cơ, mô hình thanh truyền làm từ vật liệu quang đàn hồi, hệ thống chiếu sáng chuyên dụng, và camera CCD độ phân giải cao. Cơ cấu tạo tải cho phép áp dụng các chu kỳ tải phức tạp giống thực tế.

III. Thiết Kế Hệ Thống Giám Sát Ứng Suất Đầu To Thanh Truyền

Thiết kế hệ thống giám sát ứng suất cho đầu to thanh truyền yêu cầu tích hợp nhiều thành phần công nghệ cao. Hệ thống chiếu sáng phải đảm bảo độ sáng đều đặn để chụp ảnh vân ứng suất rõ nét. Camera CCD cần có độ phân giải đủ cao để ghi lại chi tiết nhỏ nhất của vân ứng suất. Phương pháp chụp ảnh trường vân cho phép quan trắc toàn bộ vùng đầu to trong một chu kỳ tải. Kết nối thích hợp giữa camera và hệ thống xử lý dữ liệu là yếu tố then chốt. Quy trình hiệu chuẩn phải được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của kết quả đo. Hệ thống cần khả năng lưu trữ và xử lý lượng dữ liệu lớn từ nhiều chu kỳ tải.

3.1. Hệ Thống Chiếu Sáng Và Camera Quang Học

Hệ thống chiếu sáng sử dụng nguồn sáng đơn sắc để tối ưu hóa độ tương phản của vân ứng suất. Camera CCD được lắp đặt theo hướng vuông góc với mô hình để ghi lại hình ảnh chính xác. Kết nối Camera với máy tính thông qua giao diện tốc độ cao cho phép quay phim trạng thái ứng suất trong thời gian thực.

3.2. Phần Mềm Xử Lý Và Phân Tích Dữ Liệu

Phần mềm xử lý ảnh chuyên biệt có khả năng phân tích vân ứng suất và chuyển đổi thành giá trị ứng suất. Hệ thống cho phép theo dõi sự thay đổi ứng suất theo từng khung hình, từ đó xây dựng đồ thị ứng suất theo thời gian. Tính năng đồng bộ hóa với tín hiệu tải động giúp liên kết dữ liệu ứng suất với các pha của chu kỳ tải.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Các kết quả thực nghiệm từ quan trắc ứng suất đầu to thanh truyền dưới tải trọng động cung cấp dữ liệu quý báu cho thiết kế và tối ưu hóa. Trạng thái ứng suất được ghi lại theo các chu kỳ khác nhau cho thấy mối quan hệ phức tạp giữa tải động và phân bố ứng suất. Dữ liệu thực nghiệm này có thể được so sánh với các mô phỏng số để xác thực tính chính xác của các mô hình tính toán. Ứng dụng thực tiễn bao gồm cải thiện thiết kế kết cấu, tối ưu hóa các yếu tố bôi trơn, và dự đoán tuổi thọ của các bộ phận. Những phát hiện này hỗ trợ các kỹ sư trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của máy móc công nghiệp.

4.1. Phân Tích Kết Quả Đo Tải Động

Kết quả thực nghiệm cho thấy ứng suất ở đầu to thanh truyền thay đổi theo quy luật phi tuyến trong từng chu kỳ tải. Giá trị ứng suất cực đại xuất hiện tại các vị trí nhất định trên bề mặt đầu to, phù hợp với dự báo lý thuyết. So sánh giữa các điều kiện tải khác nhau tiết lộ ảnh hưởng của tần số tải và biên độ tải.

4.2. Ứng Dụng Trong Thiết Kế Và Cải Tiến Sản Phẩm

Dữ liệu quan trắc ứng suất được sử dụng để xác định vùng nguy hiểm và tối ưu hóa hình dạng đầu to. Kết quả giúp cải thiện bôi trơn ổ đầu to bằng cách điều chỉnh loại dầu và thiết kế ổ. Ứng dụng trong sản xuất giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí bảo trì.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN 1.1 Nghiên cứu lý thuyết Phương trình Reynolds Các giả thiết cho phương trình cơ học của màng dầu: - Chất lỏng là chất lỏng Newton. - Môi trường là liên tục. - Chiều dày màng dầu rất nhỏ so với kích thước của nó.

- Dòng chảy tầng. - Các lực khối và quán tính là không đáng kể. - Không có sự trượt giữa chất lỏng và bề mặt ma sát. - Độ cong của bề mặt có thể bỏ qua.

Phương trình Reynolds tổng quát [42] là trường hợp đặc biệt của phương trình cơ học màng dầu. Khi vận tốc một bề mặt ma sát luôn tiếp tuyến tại tất cả các điểm của bề mặt và gốc của hệ toạ độ được gắn với một bề mặt tiếp xúc, tức H1=0 và H2 = h. Nếu xét trong hệ tọa độ đề các Oxyz (Hình 1.1 Hệ trục tọa độ Điều kiện biên: - Trên mặt 1: với y = 0 có u = U1; v = 0; w = W1. Trong đó: - u, v, w: vận tốc chất lỏng theo phương x, y, z.

10 - U1, V1, W1, U2, V2, W2: vận tốc theo phương x, y, z của hai bề mặt. Phương trình Reynolds đặc trung cho màng chất lỏng bôi trơn trong bôi trơn thủy động: (1.2) Phương trình chiều dày màng dầu Màng dầu hình chêm có chiều dày h, là thông số quan trọng trong phương trình Reynolds.2 Mặt cắt ổ đỡ 11 Trong đó: - Rc: Bán kính bạc. - Ra: Bán kính trục. - : Toạ độ trụ trong hệ toạ độ Oxyz - C: Khe hở bán kính C = Rc – Ra - e: Độ lệch tâm.

- a, c: Vận tốc góc của trục và bạc. - x, z: Toạ độ theo phương chu vi và chiều dày ổ. - F : Tải trọng Xem xét một mặt cắt của ổ (Hình 1. Vị trí của một điểm M trên bề mặt của bạc được xác định bằng tọa độ góc.3) Với độ lệch tâm tương đối  = e/C biến thiên từ 0 đến 1.

Phương trình cân bằng tải Các lực tác động lên ổ đầu to thanh truyền tại một thời điểm bao gồm: lực khí thể do quá trình cháy tác động thông qua hệ pít tông – thanh truyền Fkt , lực thủy động của màng dầu Fp và lực quán tính của cơ hệ Fqt. Trong nghiên cứu này bỏ qua ảnh hưởng của thành phần lực quán tính do đó phương trình cân bằng lực có dạng: Fkt + Fp = Fkt +  p.4) s 12 Trong đó: p là áp suất thủy động, n là vectơ pháp tuyến của bề mặt ổ.3 Sơ đồ cân bằng lực tác dụng lên thanh truyền Trong động cơ đốt trong, các ổ đầu to thanh truyền phải chịu một tải trọng động Fkt rất lớn. Đặc biệt là tại giai đoạn nổ, áp lực trong xy lanh tăng nhanh và đạt giá trị cực đại. Áp lực này truyền qua thanh truyền sau đó tác dụng lên ổ đầu to.

Lực này được chia làm hai thành phần: Fkt = Fx + Fy. Như vậy phương trình (1.4) chuyển về hệ phương trình: (1.5) Fx và Fy được xác định trên một biểu đồ phụ tải trong một chu kỳ động cơ, θ là góc tạo bởi n và trục x.2 Nghiên cứu thực nghiệm Các thiết bị thực nghiệm được chế tạo để nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. Các thiết bị thực nghiệm được chia làm hai loại: - Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng động cơ hoặc các thiết bị tương đương, sử dụng các thanh truyền thật. - Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng thanh truyền mô hình, theo nguyên lý biên - khuỷu.

Tình hình nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trên thế giới Ổ đầu to thanh truyền phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, nếu không được đảm bảo bôi trơn sẽ xảy ra các hiện tượng hư hỏng (mòn cháy, xâm thực.) 13 của các bề mặt ma sát của ổ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ. do vậy việc nghiên cứu đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trong quá trình làm việc đang được các nhà khoa học cũng như các nhà sản xuất hết sức quan tâm. Đến nay việc nghiên cứu bôi trơn gối đỡ này đang được tiến hành theo hai hình thức: tính toán mô hình hóa và thực nghiệm. Các nghiên cứu tính toán theo hướng nghiên cứu bôi trơn thủy động có thêm hiệu ứng đàn hồi (EHD- ElastoHydroDynamic) hoặc nhiệt đàn hồi (TEHD-ThermoElastoHydroDynamic) hoặc thêm hiệu ứng quán tình.

Các nghiên cứu thực nghiệm gồm nghiên cứu với thiết bị sử dụng thanh truyền thật hoặc thanh truyền mô phỏng. Nghiên cứu thực nghiệm sẽ kiểm chứng được các mô hình tính toán lý thuyết. Có hai phương pháp thức nghiệm đang được các nhà khoa học trên thế giới áp dụng. Phương pháp thứ nhất là thí nghiệm trực tiếp trên động cơ thật, phương pháp này tốn kém và rất khó thực hiện do khó lắp đặt cảm biến đo.

Phương pháp thứ hai là thí nghiệm trên các mô hình tương đương. Để thực hiện phương pháp này, đòi hỏi phải có thiết bị để mô phỏng chế độ làm việc của động cơ. Các thiết bị này cần sự đầu tư lớn về kinh phí nên ít phòng thí nghiệm có thể trang bị. Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị thực nghiệm mô hình trục khuỷu thanh truyền với cơ cấu mô phỏng tải tương ứng với chu kỳ làm việc của động cơ sẽ giúp cho việc nghiên cứu, thí nghiệm có thể tiến hành với chi phí thấp hơn nhiều.

Hiệu suất và tuổi thọ của động cơ phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó bôi trơn đóng vai trò rất quan trọng. Đặc biệt, bôi trơn ổ đầu to thanh truyền có vai trò đặc biệt quan trọng vì ổ phải đáp ứng được điều kiện làm việc khắc nghiệt (tải trọng thay đổi, hiệu ứng nhiệt thủy động đàn hồi, hiệu ứng quán tính…), vì vậy vấn đề này luôn được các nhà khoa học quan tâm, cả tính toán lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn với hiệu ứng (EHD) và (TEHD) Năm 1979, Bernard FANTINO [23] là người đầu tiên nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhớt dầu bôi trơn đến ổ đỡ thanh truyền bằng vật liệu đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng nặng trên cơ sở giải phương trình Reynols và phương trình đàn hồi. Phương trình Reynols được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn với phương pháp lặp Gauss-Seiden.

Đến năm 1981, cũng chính Fantino [24] đư ra giải pháp 14 EHD cho ổ của thanh truyền dưới tác dụng của tải trọng động, phương trình Reynols được giải với điều kiện biên của Gumbel. Năm 1985, Fantino và Frêne [25] đưa ra so sánh tính toán bôi trơn cho thanh truyền của động cơ xăng và diesel. Cùng năm đó, Oh và Goenka [26] đã giới thiệu nghiên cứu về đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền có tính đến sự gián đoạn màng dầu trong quá trình làm việc. 1995, Bonneau [27] đã xây dựng một thuật toán để tính đặc thủy động đàn hồi, sau đó áp dụng tính cho ổ đỡ thanh truyền của động cơ trong điều kiện làm việc thực tế.

Năm 2001, Bonneau và hajjam [28] giới thiệu thuật toán mới dựa trên mô hình JFO tính toán bôi trơn ổ đỡ và ổ đầu to thanh truyền. Thuật toán này đảm bảo theo dõi được sự gián đoạn và điền đầy màng dầu bôi trơn của các tiếp xúc EHD. Biến dạng đàn hồi của bề mặt được tính thông qua các ma trận đàn hồi. Mặt khác, sự rời rạc hóa các phương trình được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn và phân tích chính xác bôi trơn ổ.

Các kết quả nghiên cứu áp dụng cho ổ đầu to thanh truyền của động cơ xe công thức 1 và cho ổ làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Trong cùng năm, Rebota và Stefani [29] nghiên cứu ảnh hưởng của lực vặn vít ghép hai nửa đầu to thanh truyền tới hiệu ứng EHD của ổ đầu to thanh truyền. Năm 2005, Fatu [30] đã nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm bôi trơn ổ động cơ trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt. Mục đích của nghiên cứu này nhằm giúp các nhà thiết kế ổ trục có các công cụ tính toán nhanh và hiệu quả.

Sự thay đổi của độ nhớt, ảnh hưởng của hiệu ứng nhớt và chất lỏng phi Newton được nghiên cứu trong các trường hợp phức tạp của ổ đầu to thanh truyền. Năm 2006, Tran [31] đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền có tính đến sự phân cách có chất bôi trơn hoặc không giữa hai nửa của ổ đầu to thanh truyền. Một mô phỏng số mới cho vấn đề EHD trong màng dầu và tiếp xúc giữa hai nửa đầu to thanh truyền được đưa ra: các phương trình Reynolds, chiều dày màng dầu, cân bằng tải, tiếp xúc với định luật ma sát Coulomb trong bề mặt phân cách giữa hai nửa thanh truyền được rời rạc bởi phương pháp phần tử hữu hạn và được giải bằng phương pháp Newton-Raphson. Năm 2012, Thomas Lavie [32] đưa ra phương pháp tối ưu hóa bôi trơn ổ đầu to thanh truyền.

Tổn thất năng lượng do ma sát tại ổ đầu to thanh truyền là không nhỏ, nó ảnh hưởng tới người sử dụng. Hơn nữa, các tiêu chuẩn về gây ôi nhiễm môi trường của các loại động cơ ngày càng 15 khắt khe, cần phải thực hiện các cải tiến trên tất cả các thanh truyền đẻ làm giảm tổn that năng lượng. Tác giả đề xuất một phần mềm TEHD sử dụng phương pháp thí nghiệm kế hoạch để đưa ra sự tiêu hao. Các tính toán được kiểm chứng, đánh giá bằng thực nghiệm trên băng thử với điều kiện hoạt động thực tế của các thanh truyền trong động cơ.

• Thiết bị sử dụng thanh truyền thật Năm 1965, Cook [41] đã nghiên cứu đo quỹ đạo tâm trục của ổ trục khuỷu trong động cơ diesel một xi lanh bằng cam biến điện tử, các kết quả cho thấy biến dạng đàn hồi của ổ thay đổi nhiều khi tải tác dụng lớn. Năm 1973, Rosenberg [40] sử dụng thiết bị tương đương để đo chiều dày màng dầu thông qua các cảm biến. Các kết quả cho thấy sự tương thích giữa chiều dày màng dầu và tải tác dụng. Năm 1975, Good và cộng sự [11] đã đo chiều dày màng dầu của ổ trục khuỷu tại sáu điểm bởi sáu cảm biến.

Nghiên cứu cho thấy biến dạng đàn hồi lớn hơn các kết quả tính toán, nhưng chiều dày màng dầu đo phù hợp với chiều dày tính toán. Năm 1985, 1987, 1988 Bates và cộng sự [12] [13] [14] đã xây dựng thiết bị sử dụng động cơ xăng V6 biến đổi để có thể đo các đặc tính của ổ đầu to thanh truyền (Hình 1.