Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động của ổ có dạng đầu to thanh truyền

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:124

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động của ổ có dạng đầu to thanh truyền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Trung Thiên NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH BÔI TRƠN NHIỆT THỦY ĐỘNG CỦA Ổ CÓ DẠNG ĐẦU TO THANH TRUYỀN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Phạm Trung Thiên NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH BÔI TRƠN NHIỆT THỦY ĐỘNG CỦA Ổ CÓ DẠNG ĐẦU TO THANH TRUYỀN Ngành : Kỹ thuật cơ khí Mã số : 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. TRẦN THỊ THANH HẢI 2. TS. PHẠM MINH HẢI Hà Nội – 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công trình đƣợc thực hiện tại Bộ môn Máy và Ma sát học - Viện Cơ khí, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Trần Thị Thanh Hải và TS. Phạm Minh Hải. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm THAY MẶT TẬP THỂ HƢỚNG DẪN Ngƣời cam đoan TS. Trần Thị Thanh Hải Phạm Trung Thiên i
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng của bản thân, Tôi đã nhận đƣợc sự động viên và giúp đỡ của rất nhiều Thầy Cô giáo, các nhà Khoa học, các đồng nghiệp và bạn bè. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Trần Thị Thanh Hải và TS. Phạm Minh Hải và Th.S Lƣu Trọng Thuận là những ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo ở Bộ môn Máy và Ma sát học Trƣờng ĐHBKHN đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian làm nghiên cứu và hoàn thành luận án. Xin cảm ơn các đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí, lãnh đạo trƣờng Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và ủng hộ để tôi hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ sự kính trọng, biết ơn và lòng yêu thƣơng tới đại gia đình, bạn bè đã thực sự động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian tôi học tập tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Hà Nội, ngày tháng năm Nghiên cứu sinh Phạm Trung Thiên ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, viết TT Ý nghĩa tắt 1 C Khe hở bán kính 2 DAQ Bộ xử lý tín hiệu 3 ĐCT Điểm chết trên 4 ĐCD Điểm chết dƣới 5 d2 đƣờng kính ngoài đầu nhỏ 6 d1 đƣờng kính trong đầu nhỏ 7 e Độ lệch tâm 8 n Số khoảng chia theo chiều dài. 9 ⃗ Vector pháp tuyến của bề mặt ổ 10 m Số khoảng chia theo chu vi 11 lđt Chiều dài đầu to thanh truyền 12 p Áp suất thủy động 13 PLC Bộ lập trình khả dĩ (Program logic control) 14 Rb Bán kính bạc 15 Rt Bán kính trục 16 R Bán kính vòng quay trục khuỷu 17 S Tỉ số nén 18 s chiều dài hành trình pít-tông 19 W Tải trọng 20 x, z Tọa độ theo phƣơng chu vi và chiểu dài 21  Góc chất tải 22  Toạ độ trụ trong hệ Oxyz 23 t , b Vận tốc góc của trục và bạc iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................................I LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...............................................III MỤC LỤC ......................................................................................................................... IV DANH MỤC B ẢNG BIỂU .......................................................................................... VII DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ......................................................................... VIII PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. TÍNH CẤP THI ẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................. 1 2. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 1 3. P HẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................................................................ 1 4. M ỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .......................................................................................... 2 5. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................................... 2 6. P HƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................................... 2 7. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ...................................................................... 2 8. N HỮNG ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................... 3 9. C ẤU TRÚC LUẬN ÁN ................................................................................................ 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG CỦA Ổ CÓ DẠNG ĐẦU TO THANH TRUYỀN .......................................................................................... 4 1.1. Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN ...................................................................................... 4 1.1.1. Khái niệm.......................................................................................................... 4 1.1.2. Các Hiện tƣợng, nguyên nhân hƣ hỏng ........................................................ 4 1.2. ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .............................................................................................. 5 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI................................... 7 1.3.1.Tình hình nghiên cứu trên thế giới. ................................................................ 7 1.3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. .......................... 8 1.3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. .................14 1.3.2.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................................18 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1. ...................................................................................................20 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN VÀ MÔ PHỎNG SỐ NHIỆT ĐỘ MÀNG DẦU Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN TRONG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM ...................................22 iv
2.1. LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG .......................................................................22 2.1.1. Phƣơng trình Reynolds .................................................................................22 2.1.2. Phƣơng trình chiều dày màng dầu ...............................................................23 2.1.3. Phƣơng trình Reynolds cho ổ đỡ thủy động ...............................................24 2.1.4. Phƣơng trình cân bằng tải .............................................................................26 2.1.5. Phƣơng trình năng lƣợng ..............................................................................27 2.2. MÔ P HỎNG NHIỆT ĐỘ MÀNG DẦU TRONG Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN ..............28 2.2.1. Điều kiện biên. ...............................................................................................28 2.2.2. Mô hình phần tử hữu hạn cho nhiệt độ màng dầu .....................................30 2.2.3. Mô phỏng trƣờng nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền .....32 2.2.4. Kết quả mô phỏng trƣờng nhiệt độ của ổ ...................................................35 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2. ...................................................................................................39 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM .............................................................................................................40 3.1. P HƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ................................................................................40 3.2. THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM ........................................................................................41 3.2.1. Nguyên lý hoạt động. ....................................................................................41 3.2.2. Các cụm chi tiết điển hình. ...........................................................................44 3.2.2.1. Thanh truyền ...........................................................................................44 3.2.2.2 Cụm pít-tông và thanh truyền dẫn.........................................................46 3.2.2.3. Cơ c ấu tạo tải. .........................................................................................48 3.2.2.4. Hệ thống thủy lực. ..................................................................................50 3.3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ HỆ THỐNG ĐO. ..........................................................51 3.3.1. Hệ thống điều khiển.......................................................................................51 3.3.1.1. Biến Tần ..................................................................................................51 3.3.1.2. Động cơ ...................................................................................................53 3.3.1.3. Tủ điều khiển ..........................................................................................53 3.3.2. Hệ thống đo ....................................................................................................55 3.3.2.1. Hệ thống đo lực. .....................................................................................55 3.3.2.2. Hệ thống đo áp suất................................................................................58 3.3.2.3. Hệ thống đo nhiệt độ màng dầu............................................................64 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3. ...................................................................................................69 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................70 4.1. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. .......................................................................................70 4.1.1. Xử lý số liệu thực nghiệm.............................................................................70 v
4.1.2. Kết quả đo tải tác dụng lên thanh truyền ....................................................72 4.1.3. Kết quả đo áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền..................................75 4.1.4. Kết quả đo nhiệt độ màng dầu ổ đầu to thanh truyền...............................78 4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG SỐ NHIỆT ĐỘ MÀNG DẦU Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN .....84 4.2.1. Kết quả mô phỏng độ chênh nhiệt độ trong ổ với dầu Besil F100. .........84 4.2.2. Kết quả mô phỏng độ chênh nhiệt độ màng dầu trong ổ với dầu Atox 320 ..............................................................................................................................86 4.3. SO SÁNH NHIỆT ĐỘ MÀNG DẦU MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ..........................89 4.3.1. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng nhiệt độ màng dầu với dầu Besil F100....................................................................................................89 4.3.2. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng dầu Atox 320 ........91 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4. ...................................................................................................93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................95 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................97 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................98 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 105 Phụ lục 1: Quy trình đo tải tác dụng lên thanh truyền ...................................... 105 Phụ lục 2: Quy trình đo áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền.................... 107 Phụ lục 3: Quy trình đo nhiệt độ màng dầu ổ đầu to thanh truyền.................. 109 vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Thống kê phƣơng pháp thực hiện trên thế giới trong khoảng 20 năm gần đây ......................................................................................................................................... 7 Bảng 2. 1: Thông số ổ đỡ .................................................................................................32 Bảng 2. 2: Thông số dầu...................................................................................................33 Bảng 3. 1: Các thông số kỹ thuật yêu cầu của thiết bị thực nghiệm ......................43 Bảng 3. 2: Thông số kỹ thuật cảm biếp áp suất XCQ-062.......................................60 vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các bộ phận của thanh truyền .......................................................................... 4 Hình 1.2: Một số hƣ hỏng thƣờng gặp của ổ đầu to thanh truyền................................. 5 Hình 1.3: Cấu tạo động cơ đốt trong[1]............................................................................ 6 Hình 1.4: Mô hình rời rạc ổ đầu to thanh truyền [34] ..................................................11 Hình 1.5: Ứng suất trong thanh truyền chịu tác dụng của lực siết bu-lông [35] .......11 Hình 1.6: Biến dạng của ổ đầu to thanh truyền chịu tác dụng của lực siết bu-lông [36] ......................................................................................................................................11 Hình 1.7: Hình dạng ban đầu của các bạc lót do lực xiết bu lông [37] ......................12 Hình 1.8: Hình dạng của bạc lót trong một chu kỳ của hoạt động [35] .....................12 Hình 1.9: Mô hình ổ đầu to thanh truyền 2D [41] ........................................................13 Hình 1.10: Sự dịch chuyển của bạc lót trong ổ đầu to thanh truyền [43]...................13 Hình 1.11: (a) Tiếp xúc tròn xoay và (b) Mô hình ổ đầu to thanh truyền [44]..........14 Hình 1.12: ổ đầu to thanh truyền của Pierre-Eugene[49].............................................15 Hình 1.13: Thiết bị nghiên cứu bôi trơn[50]..................................................................16 Hình 1.14: Thanh truyền và hệ thống đo đặc tính bôi trơn ô đầu to [59]...................17 Hình 1.15: Băng thử để khảo sát bôi trơn ổ đầu đo thanh truyền[40] ........................17 Hình 1.16: Sơ đồ lực tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền [62].....................................18 Hình 1.17: Ứng suất trong thanh truyền [63].................................................................18 Hình 1.18: Trƣợt tƣơng đối của bạc lót trong ổ [63] ....................................................18 Hình 2.1: Hệ trục tọa độ ...................................................................................................22 Hình 2.2: Mặt cắt ổ đỡ ......................................................................................................24 Hình 2.3: Miền khai triển ổ ..............................................................................................25 Hình 2.4: Sơ đồ cân bằng lực tác dụng lên thanh truyền .............................................26 Hình 2.5: Hệ trục toạ độ ...................................................................................................27 Hình 2.6: Điều kiện biên ..................................................................................................29 Hình 2.7: Miền tích phân của màng dầu.........................................................................30 Hình 2.8: Phép chuyển hệ toạ độ.....................................................................................30 Hình 2.9: Mô hình ổ miền khai triển màng dầu ............................................................32 Hình 2.10: Sơ đồ thuật toán tính áp suất theo phƣơng trình Reynolds .......................33 viii
Hình 2.11: Sơ đồ thuật toán tính nhiệt độ ......................................................................34 Hình 2.12:Trƣờng nhiệt độ màng dầu (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại tốc độ 100 vg/ph, góc 360 0 của thanh truyền. ...................................................................................35 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to thanh truyền.......42 Hình 3.2: Thiết bị thực nghiệm .......................................................................................44 Hình 3.3: Thanh truyền trên thiết bị thực nghiệm .....................................................45 Hình 3.4: Đầu to thanh truyền chế tạo phục vụ thực nghiệm ..................................45 Hình 3.5: Mô hình 3D cụm pít-tông dẫn. .......................................................................46 Hình 3.6: Mô hình lắp cụm pít-tông dẫn lắp với cơ cấu tạo tải...................................47 Hình 3.7: Mô hình lắp thanh truyền dẫn với các cụm kết cấu khác............................47 Hình 3.8: Đồ thị lực khí thể và lực quán tính [35] ........................................................48 Hình 3.9: Sơ đồ cơ cấu tạo tải ........................................................................................48 Hình 3.10: Nguyên lý tạo tải ..........................................................................................49 Hình 3.11: Cơ cấu tạo tải..................................................................................................50 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp dầu...............................................................50 Hình 3.13: Hệ thống thuỷ lực cấp dầu..........................................................................51 Hình 3.14: Biến tần ..........................................................................................................51 Hình 3.15: Nguyên lý điều khiển ....................................................................................52 Hình 3.16: Mạch điều khiển cho biến tần ......................................................................52 Hình 3.17: Tủ điện điều khiển .........................................................................................53 Hình 3.18: Phần tử điều khiển trong tủ điện ..................................................................54 Hình 3.19: Ảnh chụp encoder và PLC ............................................................................54 Hình 3.20: Vị trí đặt cảm biến đo biến dạng để đo lực kéo/nén và lực uốn. .............55 Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu đo lực kéo/nén và lực uốn.............................55 Hình 3.22: Mạch cầu đo lực uốn và lực kéo/néntrên NI9219.....................................56 Hình 3.23: Sơ đồ thuật toán đo lực ...............................................................................57 Hình 3.24: Hiệu chuẩn thiết bị đo lực uốn .....................................................................57 Hình 3.25: Hiệu chuẩn thiết bị đo lực kéo .....................................................................58 Hình 3.26 Trục của ổ (chi tiết bạc) .................................................................................59 Hình 3.27: Cấu tạo cảm biến áp suất XCQ-06 ..............................................................59 Hình 3.28: Đĩa lỗ ...............................................................................................................60 ix
Hình 3.29: Sơ đồ khối hệ thống nhận tín hiệu cảm biến áp suất .................................61 Hình 3.30: Bộ phát và bộ thu tín hiệu bằng sóng RF của cảm biến áp suất ..............61 Hình 3.31: Màn hình hiển thị khi lập trình đo áp suất màng dầu ................................62 Hình 3.32: Giao diện xử lý tín hiệu thu nhận. ...............................................................62 Hình 3.33: Giao diện đồ thị tín hiệu thu nhận trên Labview. ......................................63 Hình 3.34: Sơ đồ thuật toán đo áp suất...........................................................................63 Hình 3.35: Cấu tạo của cảm biến nhiệt cặp nhiệt điện .................................................64 Hình 3.36: Vị trí lắp cảm biến nhiệt độ ..........................................................................65 Hình 3.37: Sơ đồ nguyên lý dây module Ni9213 ..........................................................66 Hình 3.38: Module 9213 (a) và ảnh chụp thanh truyền gắn cảm biến nhiệt độ (b) ..66 Hình 3.39: Xử lý tín hiệu..................................................................................................67 Hình 3. 40: Thiết kế giao diện hiển thị kết quả đo ........................................................67 Hình 3.41: Sơ đồ thuật toán đo nhiệt độ.........................................................................68 Hình 3.42: Ảnh chụp tổng thể thiết bị thực nghiệm kết nối các hệ thống đo ............69 Hình 4.1:Kết quả ƣớc lƣợng và kiểm định một giá trị trung bình...............................71 Hình 4.2:Kết quả so sánh hai giá trị trung bình của hai biến chuẩn khi lấy mẫu độc lập ........................................................................................................................................71 Hình 4. 3Kết quả so sánh nhiều giá trị trung bình bằng phân tích phƣơng sai ANOVA..............................................................................................................................72 Hình 4.4: Lực kéo/nén tác dụng lên thanh truyền ở tốc độ quay 100 vg/ph ..............73 Hình 4.5: Lực uốn tác dụng lên thanh truyền ở tốc độ quay 100 vg/ph .....................73 Hình 4.6: Lực kéo/nén tác dụng lên thanh truyền theo góc quay của trục khuyu ở các tốc độ quay khác nhau................................................................................................74 Hình 4.7: Lực uốn tác dụng lên thanh truyền ở các tốc độ quay khác nhau ..............74 Hình 4.8: Đồ thị lực kéo/nén và uốn ở tốc độ 100 vg/ph .............................................75 Hình 4.9: Sơ đồ tải ở tốc độ 100 vg/ph...........................................................................75 Hình 4.10: Áp suất màng dầu theo góc quay của trục khuỷu tại góc 0 0 của thanh truyền, tốc độ quay 100 vg/ph .........................................................................................76 Hình 4.11: Áp suất màng dầu theo góc quay của trục khuỷu tại góc 180 0 của thanh truyền, tốc độ quay 100 vg/ph .........................................................................................76 x
Hình 4.12: Áp suất màng dầu theo góc quay của trục khuỷu tại góc 90 0 của thanh truyền khi tốc độ quay 100 vg/ph ....................................................................................77 Hình 4.13: Áp suất màng dầu theo góc quay của trục khuỷu tại góc 270 0 của thanh truyền khi tốc độ quay 100 vg/ph ....................................................................................77 Hình 4.14: Áp suất màng dầu theo góc quay của trục khuỷu tại góc 0 0 của thanh truyền ở các tốc độ quay khác nhau ................................................................................78 Hình 4.15: So sánh áp suất màng dầu tại góc 180 0 của thanh truyền ở các tốc độ quay khác nhau ..................................................................................................................78 Hình 4.16: Nhiệt độ màng dầu hiển thị trên phần mềm Labview. ..............................79 Hình 4.17: Nhiệt độ 6 cảm biến ở chu kỳ thứ 1000 ở tốc độ 100 vg/ph tại góc 360 0 của trục khuỷu....................................................................................................................79 Hình 4.18: Nhiệt độ của màng dầu theo góc quay của trục khuỷu tại chu kỳ thứ 1000 ở tốc độ 100 vg/ph ...................................................................................................80 Hình 4.19: Nhiệt độ của màng dầu theo góc quay của trục khuỷu ở các chu kỳ khác nhau ở tốc độ 150 vg/ph. ..................................................................................................81 Hình 4.20: Nhiệt độ của màng dầu theo các chu kỳ ở tốc độ 100 vg/ph....................81 Hình 4.21: Nhiệt độ của màng dầu theo các chu kỳ ở tốc độ 150 vg/ph....................82 Hình 4.22: Nhiệt độ của màng dầu theo các chu kỳ ở tốc độ 200 vg/ph....................82 Hình 4.23: Nhiệt độ của màng dầu ở góc 0 o của thanh truyền tại góc 360 0trục khuỷu với các tốc độ quay khác nhau tại chu kỳ thứ 3000. .....................................................83 Hình 4.24: So sánh nhiệt độ của màng dầu với dầu F-100 và dầu Atox 320 theo chu kỳ hoạt động ở tốc độ 100 vg/ph..............................................................................83 Hình 4. 25: Trƣờng nhiệt độ màng dầu Besil F100 (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại tiết diện giữa ổ theo phƣơng chiều dài ở tốc độ 100 vg/ph, góc 360 0 của trục khuỷu. .............................................................................................................................................84 Hình 4.26: Trƣờng nhiệt độ màng dầu Besil F100 (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại các vị trí trên ổ theo phƣơng chiều dài ở tốc độ 100 vg/ph, góc 360 0 của trục khuỷu. .............................................................................................................................................85 Hình 4.27: Trƣờng nhiệt độ màng dầu Besil F100 (Độ chênh nhiệt độ) của ổ theo phƣơng chiều dài ở góc 0 0 của thanh truyền với tốc độ 100 vg/ph, góc 360 0 của trục khuỷu. .................................................................................................................................85 Hình 4. 28: Trƣờng nhiệt độ màng dầu Besil F100 (Độ chênh nhiệt độ) của các tốc độ tại tiết diện giữa ổ, góc 360 0 của trục khuỷu. ...........................................................86 xi
Hình 4. 29: Trƣờng nhiệt độ màng dầu Atox 320 (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại tiết diện giữa ổ ở tốc độ 100 vg/ph, góc 360 0 của trục khuỷu. ...........................................87 Hình 4. 30: So sánh độ chênh lệch nhiệt độ tại tiết diện giữa ổ với tốc độ 100 vg/ph của dầu Besil F100 và Atox 320, góc 360 0 của trục khuỷu. ........................................87 Hình 4. 31: So sánh trƣờng nhiệt độ màng dầu (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại các tiết diện trên ổ theo phƣơng chiều dài ở tốc độ 100 vg/ph của hai loại dầu, góc 360 0 của trục khuỷu....................................................................................................................88 Hình 4. 32: So sánh độ chênh nhiệt độ tại tiết diện giữa ổ của hai loại dầu ở các tốc độ, góc 360 0 của trục khuỷu.............................................................................................89 Hình 4.33: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhiệt độ màng dầu ở tốc độ 100 vg/ph, góc 360 0 của trục khuỷu, dầu bôi trơn Besil F100.....................................89 Hình 4.34: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhiệt độ màng dầu ở tốc độ 150 vg/ph, góc 360 0 của trục khuỷu, dầu bôi trơn Besil F100.....................................90 Hình 4.35: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhiệt độ màng dầu ở tốc độ 200 vg/ph, góc 360 0 của trục khuỷu, dầu bôi trơn Besil F100.....................................91 Hình 4.36: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhiệt độ màng dầu ở các tốc độ khác nhau, góc 360 0 của trục khuỷu, dầu bôi Atox 320 khi ổ đạt trạng thái ổn định......................................................................................................................................91 Hình 4.37: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm trƣờng nhiệt độ màng dầu tại góc 360 0 trục khuỷu ở tốc độ 100 vg/ph với dầu Besil F100 và dầu Atox 320.........92 Hình 4.38: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm trƣờng nhiệt độ màng dầu tại góc 360 0 trục khuỷu ở tốc độ 200 vg/ph với dầu Besil F100 và dầu Atox 320.........92 xii
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Từ khi nhà phát minh vĩ đại James Watt phát minh ra đầu máy hơi nƣớc đã thay đổi nền công nghiệp thế giới cho thấy hiệu suất làm việc của động cơ quyết định lớn thế nào đến năng suất làm việc cũng nhƣ sự phát triển nền công nghiệp. Chính vì tầm quan trọng của việc nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của động cơ mà các nhà khoa học luôn đề cao chú trọng nghiên cứu bôi trơn. Đặc biệt, bôi trơn ổ đầu to thanh truyền có vai trò đặc biệt quan trọng vì quyết định hiệu suất làm việc và tuổi thọ của ổ. Tuổi thọ của ổ đầu to thanh truyền phụ thuộc vào rất nhiều thông số, nhƣ các thông số hình học (kích thƣớc và hình dạng của ổ), động học và động lực học (tốc độ quay và tải tác dụng), các đặc tính bôi trơn (độ nhớt, khối lƣợng riêng) và vật liệu của ổ. Nghiên cứu điều kiện làm việc khắc nghiệt cho ổ là rất quan trọng. vì vậy vấn đề này luôn đƣợc các nhà khoa học học quan tâm, cả tính toán lý thuyết và thực nghiệm. Các nghiên cứu tính toán theo hƣớng nghiên cứu bôi trơn thủy động có thêm hiệu ứng đàn hồi (EHD-Elasto Hydro Dynamic), thủy động đàn hồi (THD-Thermal Hydro Dynamic), nhiệt thủy động đàn hồi (TEHD-Thermo Elasto Hydro Dynamic) hoặc thêm hiệu ứng quán tính. Các nghiên cứu thực nghiệm gồm nghiên cứu với thiết bị sử dụng thanh truyền thật hoặc thanh truyền mô hình. Ở Việt Nam, chƣa có nhiều nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền cả về mô phỏng số và thực nghiệm. Hơn nữa, các nghiên cứu đều chƣa tính tới hiệu ứng nhiệt của ổ. Vì vậy mà em lựa chọn đề tài ‘‘Nghiên cứu đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động của ổ có dạng đầu to thanh truyền’’. 2. Đối tƣợng nghiên cứu - Nghiên cứu đặc tính nhiệt thủy động ổ đầu to thanh truyền với thanh truyền bằng vật liệu quang đàn hồi 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. Tốc độ quay của ổ đến 200 vg/ph, sử dụng hai loại dầu bôi trơn Besil F100 và Atox 320. 3. 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 1
4. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng chƣơng 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, Atox320. - 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. 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền. - Nghiên cứu lý thuyết bôi trơn thủy động có tính đến hiệu ứng nhiệt. - Tham gia xây dựng hệ thống xác định tải tác dụng lên thanh truyền và hệ thống giám sát áp suất, nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm khảo sát điều kiện bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. - Xây dựng chƣơng trình tính 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 tải trọng và vận tốc khác nhau. - So sánh kết quả chƣơng trình tính nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền với kết quả thực nghiệm. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu mô phỏng: Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu mô phỏng số xây dựng chƣơng trình mô phỏng trƣờng nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn trên cơ sở giải phƣơng trình Reynolds, phƣơng trình chiều dày màng dầu, phƣơng trình cân bằng tải, phƣơng trình năng lƣợng ... xác định chênh lệch nhiệt độ của màng dầu khi thay đổi tốc độ và dầu bôi trơn. - Nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm trên thanh truyền mô hình mô hình. Thực nghiệm đo tải tác dụng, áp suất, nhiệt độ màng dầu với các tốc độ quay khác nhau đƣợc bôi trơn bởi hai loại dầu Besil F100, Atox 320 để đánh giá ảnh hƣởng của tải trọng, áp suất, nhiệt độ màng dầu bôi trơn tới hiệu suất làm việc của động cơ. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học 1. Chƣơng trình mô phỏng số nhiệt thủy động của ổ đầu to thanh truyền với hai loại dầu bôi trơn Besil F100 và Atox 320 góp phần giải quyết bài toán bôi trơn ổ đầu to thanh truyền chịu tải trọng theo chu kỳ. 2
2. Bằng thực nghiệm đã xây dựng đƣợc đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động ổ đầu to thanh truyền với hai loại dầu bôi trơn Besil F100 và Atox 320 với góc quay, vận tốc quay và chu kỳ quay khác nhau. Xác định đƣợc ảnh hƣởng của hiệu ứng bôi trơn thủy động lên ổ đầu to thanh truyền cũng nhƣ chỉ ra đƣợc đặc tính bôi trơn ảnh hƣởng tới hiệu suất làm việc của ổ thủy động. 3. Nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm của luận án đóng góp thêm vào các công trình nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền và là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền tại Việt Nam. b. Ý nghĩa thực tiễn 1. Chƣơng trình mô phỏng số nhiệt độ màng dầu có thể đƣợc ứng dụng để mô phỏng nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong với các loại dầu bôi trơn có độ nhớt khác nhau. 2. Bộ số liệu thực nghiệm của luận án là cơ sở để đƣa ra khuyến cáo lựa chọn dầu bôi trơn cho động cơ, có giá trị tham khảo tốt, đƣa ra khuyến cáo vận hành, sử dụng và bôi trơn sao cho đạt hiệu quả tối ƣu, giúp nâng cao tuổi thọ của ổ đầu to thanh truyền, nâng cao năng suất làm việc của động cơ, giảm chi phí bảo hành bảo trì, thay thế thiết bị. 8. Những điểm mới của đề tài 1. Xây dựng đƣợc chƣơng trình tính toán số nhiệt độ màng dầu bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền với điều kiện biên thích hợp. Góp phần bổ sung thêm các nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của Việt Nam. 2. Xây dựng đƣợc hệ thống giám sát đặc tính bôi trơn (tải tác dụng lên thanh truyền, áp suất và nhiệt độ màng dầu) của ổ đầu to thanh truyền. 3. Xây dựng đƣợc đặc tính nhiệt của ổ đầu to thanh truyền bằng thực nghiệm với hai loại dầu bôi trơn Besil F100 và Atox 320 theo chu kỳ làm việc và các tốc độ quay khác nhau. Là cơ sở để đƣa ra khuyến cáo vận hành, sử dụng để nâng cao tuổi thọ của ổ đầu to thanh truyền cũng nhƣ nâng cao năng suất làm việc của động cơ. 9. Cấu trúc luận án Luận án gồm 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết bôi trơn thuỷ động ổ đầu to thanh truyền và mô phỏng số nhiệt độ màng dầu ổ dạng đầu to thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm. Chƣơng 3: Phƣơng pháp nghiên cứu và hệ thống thiết bị thực nghiệm Chƣơng 4: Kết quả nghiên cứu 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG CỦA Ổ CÓ DẠNG ĐẦU TO THANH TRUYỀN 1.1. Ổ đầu to thanh truyền 1.1.1. Khái niệm Ổ đầu to thanh truyền là liên kết giữa đầu to thanh truyền và trục khuỷu. Thanh truyền là chi tiết nối liền giữa pít-tông và trục khuỷu. Nhờ thanh truyền và tay quay mà sự chuyển động thẳng của pít-tông tạo nên sự chuyển động xoay tròn của trục khuỷu. Thanh truyền là chi tiết trung gian làm nhiệm vụ dẫn truyền lực từ chi tiết này tới chi tiết khác và ngƣợc lại. Ổ đầu to thanh truyền có vai trò đặc biệt quan trọng vì ổ phải đáp ứng đƣợc điều kiện làm việc khắc nghiệt nhƣ tải trọng thay đổi, hiệu ứng nhiệt thủy động đàn hồi, hiệu ứng quán tính …Việc đảm bảo bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền có ảnh hƣởng rất lớn đến độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ. Thanh truyền đƣợc cấu tạo bởi sáu chi tiết nhƣ: Đầu nhỏ (1), Bạc lót (2, 5), Thân thanh truyền (3), Đầu to thanh truyền (4, 6). Hình 1.1: Các bộ phận của thanh truyền Các bạc lót thanh truyền đƣợc làm bằng thép mỏng và hợp kim chống mòn là ba bít thiếc hay hợp kim của đồng, thiếc, chì, ăngtimon. Mặt trong của bạc lót có phay rãnh để chứa dầu bôi trơn.Vỏ thép của bạc lót có các gờ (ắc gô) để định vị khi lắp ráp nhằm giữ cho bạc không quay, trong đầu to thanh truyền. 1.1.2. Các Hiện tƣợng, nguyên nhân hƣ hỏng Các hiện tƣợng phổ biến khi ổ đầu to thanh truyền làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: 4
- Bạc lót bị mòn rộng, mòn ô van: Do lực tác dụng không đều nhau, điều kiện bôi trơn kém làm tăng khe hở lắp ghép, giảm áp suất dầu bôi trơn, gây ra va chạm khi động cơ làm việc (Hình 1.2a). - Lớp hợp kim chống ma sát bị cháy, bong tróc, biến dạng dẻo do thiếu dầu bôi trơn, sửa chữa không đúng yêu cầu kỹ thuật (Hình 1.2b). - Bề mặt trục tiếp xúc với bạc lót có nhiều vết xƣớc, lõm, rỗ do tạp chất cơ học, hóa học, hiện tƣợng mỏi gây ra (Hình 1.2c, d). Hình 1.2 là một số dạng hƣ hỏng thƣờng gặp ở ổ đầu to thanh truyền sau một thời gian sử dụng a b c d Hình 1.2: Một số hư hỏng thường gặp của ổ đầu to thanh truyền. 1.2. Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là động cơ nhiệt tạo ra công cơ học dƣới dạng mô men quay hay còn gọi là mô men xoắn bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu thƣờng đƣợc gọi là hoà khí đƣợc đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một pít-tông đẩy, pít-tông này di chuyển đi. Có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau, một phần sử dụng các chu kì tuần hoàn khác nhau. Động cơ đốt trong 4 kỳ có chu trình tuần hoàn 4 bƣớc: nạp, nén, nổ (đốt) và xả. Xả và nạp là hai bƣớc dùng để thay khí 5
thải bằng nhiên liệu mới. Nén và nổ dùng để biến đổi năng lƣợng hoá học đốt hỗn hợp không khí và nhiên liệu thông qua nhiệt năng và thế năng thành cơ năng. Các kì trong một động cơ pít-tông đẩy 4 kì. Hình 1.3: Cấu tạo động cơ đốt trong[1] 1. Trong kì thứ nhất (nạp – van nạp mở, van xả đóng), hỗn hợp không khí và nhiên liệu đƣợc "nạp" vào cylinder trong lúc pít-tông chuyển động từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dƣới (ĐCD). 2. Trong kì thứ hai (nén – hai van đều đóng), pít-tông nén hỗn hợp khí và nhiên liệu trong cylinder khi chuyển động từ ĐCD lên ĐCT. Ở cuối kì thứ hai (Pít-tông ở tại ĐCT), hỗn hợp khí và nhiên liệu đƣợc đốt trong động cơ xăng bằng bộ phận đánh lửa gọi là bougie (bugi) hoặc tự bốc cháy trong động cơ diesel. 3. Trong kì thứ ba (sinh công – các van vẫn tiếp tục đƣợc đóng), hỗn hợp khí và nhiên liệu đƣợc đốt cháy. Vì nhiệt độ tăng dẫn đến áp suất của hỗn hợp khí tăng và làm cho pít-tông chuyển động từ ĐCT xuống ĐCD. Chuyển động tịnh tiến của pít-tông đƣợc chuyển bằng thanh truyền (còn gọi là tay biên hay tay dên) đến trục khuỷu (còn gọi là cốt máy) và đƣợc biến đổi thành chuyển động quay. 4. Trong thì thứ tƣ (xả - van nạp đóng, van xả mở) pít-tông chuyển động từ ĐCD lên ĐCT đẩy khí qua ống xả (thƣờng gọi là ống bô) thải ra môi trƣờng. 6