Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trương Minh Đức

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ
THÔNG SỐ Ổ KHÍ TĨNH ĐẾN ĐỘ CỨNG VỮNG
CỦA Ổ TRONG GIA CƠNG LỖ NHỎ
Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103

TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2022


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Toàn Thắng

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án
tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Lý do lựa chọn đề tài luận án
Ổ khí (tĩnh, động) cũng như ổ thủy (tĩnh, động) là giải
pháp rất hiệu quả thường được áp dụng cho những bộ truyền
động chính xác. Khi sử dụng ổ khí sẽ khắc phục được những
nhược điểm cơ bản của hầu hết các khớp động truyền thống như
xuất hiện khe hở động gây sai số ngẫu nhiên. Trong ổ khí, khe
hở động ln ln được kiểm sốt và khơng xuất hiện ngẫu
nhiên trong quá trình làm việc của ổ do lớp màng khí nén áp
suất cao được hình thành giữa bạc và trục quay. Đặc biệt, ma
sát rất nhỏ (gần như bằng 0) dẫn đến giảm thiểu mài mòn, giảm
thiểu sinh nhiệt do ma sát. Vì vậy ổ khí sẽ đảm bảo được
chuyển động tương đối với độ chính xác rất cao. Nhờ những ưu
điểm nổi bật mà ổ khí ngày càng được sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực như gia cơng cơ khí, đo lường, hàng khơng…
Đặc biệt, trong lĩnh vực gia cơng cơ khí, việc ứng dụng ổ khí
cao tốc trên các máy cơng cụ để gia cơng các lỗ nhỏ là rất phù
hợp. Vì trong trường hợp này, do kích thước dụng cụ cắt,
mơmen cắt nhỏ nên địi hỏi tốc độ quay trục chính của máy là
rất lớn, cỡ vài chục nghìn vịng/phút [1].
Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông
số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia cơng lỗ nhỏ bao
gồm:
+ Ổ khí tĩnh trong nghiên cứu này hoạt động trên ngun
tắc bơm khí nén có áp suất từ máy nén nhằm tạo ra lớp khí nén
giữa trục và bạc, tách rời bạc đệm khí và trục quay khơng tiếp
xúc cơ khí với nhau, hoạt động hồn tồn dựa trên ma sát khí.

Độ cứng của lớp khí nén là yếu tố rất quan trọng đảm bảo ổ khí
có hoạt động ổn định hay khơng, có giữ cho tâm trục quay ổn
định hay không? Độ cứng vững này sẽ phụ thuộc hồn tồn vào
kết cấu hình học của ổ khí, cách dẫn khí và cấp khí. Do đó việc
nghiên cứu kết cấu của ổ khí để đảm bảo áp suất được phân bố
hợp lý trên bề mặt đệm, tăng độ cứng vững lớp khí nén giữa

1


trục và bạc của ổ khí trong q trình hoạt động là một trong
những điểm trọng tâm của luận án này.
+ Ổ khí ứng dụng trong gia cơng lỗ nhỏ có tốc độ cao
thì các yếu tố như khe hở bộ đơi trục và bạc, áp suất khí cấp, độ
nhám bề mặt, sai lệch hình học và vị trí của trục và bạc đều ít
nhiều ảnh hưởng tới độ chính xác của ổ khí, do đó trong nghiên
cứu này tác giả cũng sẽ khảo sát các yếu tố ảnh hưởng nói trên.
Chính vì vậy, trong nghiên cứu của luận án tác giả đã
lựa chọn ổ khí quay sử dụng trên máy khoan lỗ nhỏ CNC dạng
rãnh với phương thức dẫn khí từ lỗ đột thắt trung tâm qua các
rãnh dẫn hình chữ nhật để tạo vùng áp suất ổn định trong phạm
vi rãnh dẫn hình chữ nhật đó. Việc chọn dạng dẫn khí này phù
hợp với năng lực và khả năng cơng nghệ chế tạo cơ khí tại Việt
Nam.
Với đề tài, “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông
số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ nhỏ”
từng bước làm chủ được thiết kế, công nghệ chế tạo ra ổ khí
quay dạng rãnh dẫn hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm tại
Việt Nam là phạm vi quan tâm của đề tài luận án này.
2. Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên

cứu.
Mục đích
Mục đích của luận án xác định được ảnh hưởng của một
số thơng số khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ như kết cấu hình
học, cách dẫn khí, áp suất cấp. Các yếu tố này tạo ra áp suất
phân bố trên ổ trục và khả năng tải ảnh hưởng đến độ chính xác
của ổ khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ được chế tạo
trong điều kiện cơng nghệ tại Việt Nam. Mục đích cụ thể bao
gồm:
- Nghiên cứu thiết kế chế tạo ra được ổ khí quay có kết
cấu dạng rãnh chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm đảm bảo ổ hoạt
động ổn định, không có tiếp xúc cơ khí và khả năng chịu tải dọc
trục và độ cứng vững hướng tâm đạt trong khoảng 3 ÷ 10N/μm.

2


Bước đầu làm chủ được công nghệ thiết kế và gia cơng chế tạo
ổ khí quay gia cơng lỗ nhỏ phù hợp với điều kiện và kinh tế tại
Việt Nam.
Đối tượng nghiên cứu
Ổ đệm khí dạng rãnh chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm.
Đây là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ chặn, dùng làm đầu trục chính
máy phay cỡ nhỏ, chịu lực dọc trục trong q trình gia cơng.
Các đại lượng, yếu tố khí tĩnh ảnh hưởng đến độ cứng
vững của ổ khí quay ứng dụng trong gia cơng lỗ nhỏ. Đánh giá
những đại lượng ảnh hưởng chính, quyết định độ chính xác ổ
khí quay.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng.

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu, cơng trình đã
nghiên cứu trong nước và ngồi nước về ổ khí quay ứng dụng
trong trục chính của các máy gia cơng lỗ nhỏ. Từ tính tốn lý
thuyết về khe hở ổ trục và bơi trơn trong ổ khí, tìm hiểu lý
thuyết tính tốn ổ khí tĩnh. Nghiên cứu tính tốn độ cứng vững
và áp suất phân bố của ổ khí tĩnh. Nghiên cứu xây dựng mơ
hình mơ phỏng và thực nghiệm để phân tích, đánh giá các yếu
tố ảnh hưởng đến độ chính xác ổ khí tĩnh.
Phạm vi nghiên cứu
Giới hạn của ổ khí quay được tạo ra trong nghiên cứu là ổ
khí kết cấu dạng rãnh dẫn chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm,
phân vùng rãnh, có kích thước giới hạn chiều rộng rãnh là
0,5mm và chiều sâu rãnh là 0,3mm. Ổ đệm khí chịu tải dọc trục
được cung cấp nguồn khí có áp suất từ 2bar 4bar, khả năng
chịu tải dọc trục của ổ đệm khí là 50N÷100N; độ cứng vững
dọc trục và lực hướng tâm là là 3N÷10N/μm
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học: Thiết lập được mô hình thực nghiệm
trên cơ sở mơ phỏng tính tốn ổ khí quay để phục vụ cho

3


ngun cơng khoan lỗ nhỏ trên trục chính máy CNC với tốc độ
quay đến 20.000 vịng/phút.
Mơ phỏng ổ khí quay với kết cấu thiết kế ổ đệm khí
dạng rãnh hình chữ nhật phân phối khí ở lỗ đột thắt trung tâm.
So sánh với kết quả thực nghiệm đối với các thông số: Áp suất
cấp phân bố trên bề mặt đệm khí theo các tốc độ quay khác
nhau, kết cấu đệm khí và áp suất hình thành tải trọng tác động

dọc trục.
Ý nghĩa thực tiễn: Mô phỏng và thực nghiệm giúp xác định
mức độ ảnh hưởng của áp suất khí, ảnh hưởng của số vịng quay
trục chính đến phân bố áp suất trên bề mặt tiếp xúc giữa trục và
bạc. Từ đó tiếp cận khả năng chế tạo ổ khí quay ứng dụng trong
gia công lỗ nhỏ tại Việt Nam.
4. Những đóng góp mới
Những kết quả mới của luận án đạt được như sau:
1. Nghiên cứu đưa ra được kết cấu ổ khí tĩnh có nguồn
khí cấp vào dạng rãnh hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm
phân vùng cấp khí trong ổ, tăng hiệu quả độ cứng của đệm khí.
Ứng dụng mơ phỏng xác định ảnh hưởng của các yếu tố như áp
suất cấp, kết cấu đệm khí đến sự phân bố áp suất trên bề mặt
trong điều kiện ổ khí quay với các vận tốc khác nhau. Đây cũng
là hướng nghiên cứu khác biệt so với các công trình đã cơng bố
trước đó trên thế giới.
2. Đã nghiên cứu chế tạo được mơ hình thực nghiệm ổ
khí tĩnh với kết cấu định vị trên 4 bậc tự do dọc trục và vai trục
định vị 1 bậc tự do, lắp trên trục chính máy CNC để thực hiện
các nguyên công khoan lỗ ≤ 1mm. Độ cứng hướng tâm 5N/μm,
độ cứng dọc trục 4N/μm, hoạt động ổn định trong dải tốc độ từ
1000020000vịng/phút hồn tồn khơng có tiếp xúc cơ khí với
kết cấu nhỏ gọn
5. Bố cục của luận án
Luận án được bố cục 4 chương, bao gồm
Chương 1: Tổng quan về ổ khí ứng dụng trong gia cơng lỗ nhỏ

4

Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế ổ khí quay ứng dụng trong
gia công lỗ nhỏ
Chương 3: Nghiên cứu đánh giá các thơng số ảnh hưởng đến độ
chính xác của ổ khí quay
Chương 4: Thực nghiệm đánh giá các đặc tính kỹ thuật của ổ
khí quay ứng dụng trong gia công lỗ nhỏ
Kết luận và hướng phát triển
Chương 1: Tổng quan về ổ khí ứng dụng trong gia cơng lỗ
nhỏ
Hiện nay việc ứng dụng ổ khí quay trên thế giới đã có
những thành tựu nổi bật trong gia cơng chế tạo, trong khi đó ở
Việt Nam hiện nay chưa có Doanh nghiệp nào có thể gia cơng
sản xuất được, giá thành cho một ổ khí cũng cao. Đây chính là
lý do mà tác giả đã lựa chọn đề tài về lĩnh vực ổ khí quay để
nghiên cứu.

+ Ưu điểm của ổ bơi trơn khí tĩnh:
Khả năng làm việc trong khoảng nhiệt độ rộng
Ma sát trong ổ rất nhỏ
Khả năng làm việc với tốc độ rất cao
Ổ khí có rung động nhỏ
Kết cấu hệ thống phụ đơn giản
Kích thước và trọng lượng nhỏ gọn
Độ tin cậy và hiệu suất của máy cao
+ Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Hiện nay, trên thế
giới đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về ổ khí quay ứng
dụng trong gia cơng lỗ nhỏ và đã có nhiều thành tựu nhất định.
Hầu hết các nghiên cứu tập trung vào giải quyết vấn đề phân bố
áp suất, lực tải và ổn định của ổ khí.
+ Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam: Mới dừng lại ở

nghiên cứu mà chưa được ứng dụng trong thực tế.

5


Kết luận
Với đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số
thơng số ổ khí tĩnh đến độ cứng vững của ổ trong gia công lỗ
nhỏ” với các nội dung nghiên cứu:
1. Qua nghiên cứu tổng quan các công trình về ổ khí
quay ứng dụng trong gia cơng trên thế giới, và các nghiên cứu
tại Việt Nam có thể thấy rằng kết cấu của ổ khí có các dạng cấp
khí:
Cấp khí dạng lỗ hình khun và lỗ đơn giản, cấp khí
dạng khe hẹp, cấp khí dạng rãnh, cấp khí dạng xốp. Tác giả đã
kế thừa các nghiên cứu trước đó và đưa ra dạng cấp khí với lỗ
cấp khí trung tâm liên kết hình chữ nhật tạo ra vùng đồng áp.
2. Nghiên cứu lý thuyết hoạt động của ổ khí tác giả
nhận định: Áp suất cấp vào ổ khí sẽ ảnh hưởng đến phân bố áp
suất trên bề mặt đệm khí và độ cứng của đệm khí, từ đó ảnh
hưởng đến khả năng tải và khả năng định tâm của ổ, chính là
ảnh hưởng đến chất lượng cũng như độ chính xác khi gia cơng
chi tiết của ổ khí tĩnh.
3. Nghiên cứu các ưu nhược điểm của các ổ khí và
những khó khăn khi gia cơng chế tạo ổ khí.
Trong các chương tiếp theo của luận án sẽ nghiên cứu
cơ sở lý thuyết với các phương án:
+ Phân tích kết cấu của ổ khí với bạc đệm khí dạng
rãnh và lỗ đột đột thắt trung tâm với vùng cấp áp suất riêng biệt.
+ Nghiên cứu tính tốn đưa ra các phương trình động

lực học phương trình về phương trình dịng khí, phân bố áp
suất, độ cứng vững của và ổ khả năng tải ảnh hưởng đến chất
lượng và độ chính xác gia cơng.

6


Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế ổ khí quay ứng
dụng trong gia công lỗ nhỏ
Hiện nay trên thế giới đã có nhiều thành tựu nghiên cứu
về ổ khí quay cao tốc và đã trở thành thương phẩm của một số
hãng sản xuất như Westwind, Excellon, ... Tuy nhiên, việc tính
tốn thiết kế và đặc biệt là cơng nghệ chế tạo ổ khí cao tốc vẫn
là bí mật của các hãng sản xuất. Do đó việc nghiên cứu cơ sở lý
thuyết thiết kế chế tạo ổ khí quay cao tốc ở Việt Nam sẽ góp
phần nâng cao về mặt học thuật tiến tới làm chủ thiết kế, làm
chủ công nghệ chế tạo, tăng khả năng nội địa hóa sản phẩm. Vì
vậy, trong luận án này xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật đặt ra đối
với thơng số khí tĩnh trong gia công lỗ nhỏ, tác giả thực hiện
nghiên cứu, tính tốn và thiết kế kết cấu của ổ khí quay cao tốc
để ứng dụng lắp trên trục chính của máy khoan.
Trong chương này sẽ đi phân tích đặc tính kỹ thuật của
ổ khí quay, sau đó đưa ra một số phương trình tính tốn cơ bản
của bơi trơn bằng khí như sau:
Đưa ra được phương trình liên tục của dịng bơi trơn
khí đẳng nhiệt có dạng đơn giản:
(1)
Phương trình bôi trơn cho chi tiết bạc
Dựa trên các giả định của bài tốn, phương trình Reynolds theo
tọa độ trụ góc θ theo trục z có thể được suy ra dựa trên phương

trình Navier – Stokes và phương trình liên tục của chất lỏng:

1   3 p 2    3 p 2 
 ( ph)
( ph) (2)
 12
h
  h
  24
2
R     z  z 
t

Đặc tính tĩnh học và động học được xác định bằng việc lấy tích
phân áp suất trong vùng khí giữa trục phần bạc.

7


 FxJ0 
 po cos 
 J 


 Fy 0    po sin  Rd dz
 M xJ0  , z   zpo sin  
 J 


 M y 0 

 zpo cos 
 k xxJ
 J
 k yx
J
k  J
 k x x
 J
 k y x

k xyJ

k xJ x

k yyJ

k yJ x

kJx y

kJx x

kJy y

kJy x

Trong đó:

(3)

k xJ y 
 cos  

 sin  
k yJ y 
  px p y p p  Rd dz
   
J
x
y 
k x y   , z   z sin   



 z cos  
kJy y 

FxJ0 , FyJ0 , M xJ0 , M yJ0

(4)

là lực và mômen

của trục theo phương x, y
p0: Áp suất cấp, px, py, pφx, pφy áp suất theo các phương.
Phương trình đệm khí dưới
Dựa vào phương trình cơ bản tính tốn đối với trục, phương
trình Reynolds theo tọa độ đệm khí dưới với góc θ và hệ tọa độ
cực r có thể thu được:
  3 p 2    3 p 2 

 ( ph)
 ( ph)
(5)
r
h .r

h
 12r 3
 24 r 2

r 



r   


 



t

Các đặc tính tĩnh và động được xác định bằng cách tích
phân áp suất trong khu vực màng khí trên bề mặt đệm khí dưới.

 FzT0 
po



 T 


 M x 0      po r sin  rdrd
 M Ty 0  r ,  po r sin  


 k zzT

k T   kTx z
 T
 k y z

k zTx
kTxx
kTy x

k zT y 
 1 

kTx y     r sin    pz p x p y  rdrd
 r , 
kTy y 
 r cos  


(6)

(7)

8


Phương trình tính tốn lực nâng theo phương pháp điện
khí tương đương cho đệm khí dưới:

P0

Fnang 
8l
1

d12 2z

ln

r
rn
.ln g1
rg 2
r0

 r r 
ln  n . g1 
 rg 2 r0 




r

 ln n
 2  rg1  rg21  r02 
rg 2

 rg1 .ln   

 
2 
r 
 r0 
 ln  rn . g1  
  rg 2 r0 

rg1
rn

 ln r ln r
 
g2
0

 rg22  rg21 
2z 
 rn rg1 
 ln  . 

 rg 2 r0 

r


ln g1

 2  rg 2  rn2  rg22
r0
 rg 2 ln 


2
 rn rg1  
 rn 

ln
.



r r 
 g2 0 



















 




(8)

Phương trình tính tốn lực nâng theo phương pháp điện khí
tương đương cho bề mặt trụ đệm khí:
4


F   a0b0  c 2  c  a0  b0  
3

1

1
p0
32l1z
 a  b  4c 
 d12 ln  0 0

 a0  b0 

(9)

Kết luận
Các nội dung đã nghiên cứu trong chương này:
1. Cơ sở lý thuyết nghiên cứu ổ khí, tình hình hiện tại
và xu hướng phát triển về lĩnh vực vịng bi khí tĩnh.
2. Phân tích kết cấu của ổ khí tĩnh và tác giả nhận thấy
rằng:
Trong thiết kế ổ khí quay, phải đảm bảo đủ định vị cho
trục quay để còn một bậc tự do chuyển động duy nhất. Đối với
kết cấu ổ khí ứng dụng trong khoan lỗ, để tạo được lực đẩy đệm
khí theo phương dọc trục thì cần phải thiết kế 2 đệm khí chặn ở

9


vai trục, tổng lực đẩy của đệm khí theo phương dọc trục phải
thắng được lực dọc trục khi khoan. Do đó kết cấu ổ khí có một
số bậc định vị trùng nhau, để ổ khí hoạt động tốt thì phải thiết
kế dung sai vị trí tương quan nghiêm ngặt (cỡ một vài micron)
để trục quay chỉ tồn tại 1 bậc tự do chuyển động duy nhất là
quay quanh trục.
Nếu chia ổ cấp khí thành 3 vùng khơng khí riêng biệt,
thì độ cứng của ổ khí tăng 1,5 lần.
Q trình thiết kế đệm khí, phải ln tạo ra vùng áp
suất phân lập để có thể tăng độ cứng vững cho đệm khí, giữ cân
bằng cho trục quay ở một vị trí cố định.
Đối với lĩnh vực đo lường và cơ khí chính xác, thì đây là
lời giải thỏa đáng nhất cho những bộ truyền động chính xác. Tuy

nhiên việc tính tốn để đảm bảo ổ khí làm việc ổn định là một
việc rất phức tạp.
3. Đưa ra các phương trình dịng khí tổng qt cho ổ khí
và phương trình đặc tính tĩnh học và động học độ cứng vững
trên bề mặt bạc và đệm khí dưới theo các phương trình động
học Bernoulli và Navier-stokes
4. Việc tính tốn phương trình ổ khí theo phương pháp các
các phương trình khí động học rất phức tạp và cần rất nhiều các
điều kiện biên cho bài tốn mới có thể giải được. Ở đây tác giả
đã ứng dụng phương pháp đệm khí tương đương để tính tốn sơ
bộ áp suất và lực nâng của đệm khí phụ thuộc vào kết cấu của
đệm cũng như áp suất nguồn cấp phục vụ cho việc chế tạo ổ
khí.
Để khảo sát đặc tính của ổ khí một cách chi tiết hơn,
phức tạp hơn trong chương 3 tác giả sẽ mơ phỏng dịng khí theo
phương pháp phần tử hữu hạn để đưa ra các kết quả về phân bố
áp suất trên bề mặt trên toàn bộ ổ và độ cứng vững dựa vào các
phương trình động lực học Navier-stokes

10


Chương 3: Nghiên cứu đánh giá các thông số ảnh hưởng
đến độ chính xác của ổ khí quay
Để giải các phương trình đã nghiên cứu ở chương 2 có
thể dùng phương pháp số để giải như phương pháp phần tử hữu
hạn, sai phân hữu hạn, phần tử thể tích… Việc giải theo phương
pháp này sẽ mất nhiều thời gian và có thể nhầm trong q trình
biến đổi và tính tốn. Vì vậy chương này sẽ phân tích mơ hình
thiết kế và ứng dụng phần mềm mô phỏng số ANSYS giải

quyết các khó khăn trên bằng việc thiết lập các mơ hình tính
tốn, đưa điều kiện biên theo các dữ liệu đã được lý thuyết đưa
ra từ đó có thể tính toán được lực tác dụng (độ cứng vững) của
ổ và phân bố áp suất trên bề mặt ổ khí và của đệm khí

Hình 3.1 Mơ hình khảo sát ổ khí tĩnh
Để làm rõ ảnh hưởng của việc phân tách đệm khí độc
lập đến độ cứng vững của ổ khí quay, việc mơ phỏng được thực
hiện trên 3 mơ hình: mơ hình 1: Mơ hình đệm khí các rãnh dẫn
liên kết với nhau, mơ hình 2: Mơ hình đệm khí rãnh chữ nhật
liên kết, mơ hình 3: Mơ hình đệm khí dạng rãnh dẫn chữ nhật
phân lập.
Kết quả mô phỏng:

11


(1)

(2)

(3)

Hình 3.2 Sự phân bố áp suất của 3 mơ hình
Từ hình 3.2 ta nhận thấy: Với áp suất chi tiết, áp suất trung bình
của mơ hình (1) là 330400 Pa, mơ hình (2) là 215947 Pa và áp
suất của mơ hình (3) là 127210 Pa

Hình 3.3 Sự phân bố trên bề mặt trên và dưới
Trên hình 3.3 áp suất bề mặt trong mơ hình (3) nhìn chung thấp

hơn nhiều so với mơ hình (1) và (2). Lực đẩy trên bề bặt trong
thiết kế (3) không thể đạt được giá trị như trong thiết kế (1), cụ
thể: bề mặt trên lực đẩy đạt 62,78N và lực đẩy bề mặt dưới đạt
64,72N. Tùy thuộc vào sự chênh lệch giữa các lực tại hai vị trí
nói trên và trục sẽ lệch theo trục Z cho đến khi đạt điểm cân
bằng. Dễ dàng nhận thấy rằng, trong trường hợp khảo sát, kích
thước của khe hở tại hai vị trí (12 µm) cực kỳ gần điểm cân
bằng, điều này đảm bảo rằng trục sẽ quay lơ lửng với trạng thái

12


tối ưu hóa. Hơn nữa, do áp lực rất lớn, lực đẩy tạo ra tại hai vị
trí trong thiết kế (1) cũng lớn hơn trong thiết kế (3), đối với chi
tiết thiết kế (1) khi bị lệch khỏi vị trí cân bằng là: 314,26 N cao
hơn so với mơ hình (3) 179,84N. Do sự phân bố áp suất không
cân bằng, trục của thiết kế này có xu hướng di chuyển xa hơn từ
vị trí cân bằng và điều này dẫn đến chuyển động của trục quay
về phía bề mặt, nơi có ít lực tạo ra áp suất bề mặt hơn. Trong
trường hợp này, trục tịnh tiến theo hướng chuyển động trên trục
Y và gần với bề mặt bạc hơn nhiều

1
2
3
Hình 3.4 Sự phân bố vận tốc khơng khí trong bề mặt
Tương tự trên hình 3.4, kết quả mơ phỏng của dịng chảy ổ khí
quay trong mơ hình (3) có rãnh khí tách biệt có rãnh cao hơn
mơ hình (1) (hình 3.4). Vì có các rãnh phân phối có kích thước
lớn hơn (chiều rộng rãnh khí 3mm và chiều sâu rãnh là1mm),

vận tốc của dịng chảy trong mơ hình (3) có giá trị trung bình
cao hơn trong mơ hình (1) là khoảng 100m /s

1
2
3
Hình 3.5 Mơ hình phân bố áp suất xung quanh bề mặt

ngõng trục khi trục quay được đặt lệch tâm
13


Từ kết quả mơ phỏng (hình 3.5), sự phân bố áp suất tại thiết kế
(1) nhìn chung cao hơn so với thiết kế (3) và (2), nhưng áp suất
được phân bổ bằng nhau nên chúng có xu hướng triệt tiêu lẫn
nhau, điều này dẫn đến lực tập trung thấp. Mặt khác, do áp suất
khác nhau nên tổng lực xuất hiện có hướng ngược lại với độ
lệch tâm, kết quả là thiết kế trong mơ hình (3) tốt hơn trường
hợp thiết kế (1), mặc dù phân bố áp suất thấp hơn. Hình 3.6 thể
hiện chi tiết hơn độ lệch tâm tăng

Hình 3.6 Đồ thị khảo sát hiệu quả của việc tự cân bằng trục

chính
Khảo sát ảnh hưởng của khe hở đến lực đẩy của đệm
khí mặt đầu
Khảo sát ảnh hưởng của khe hở z đến lực đẩy của đệm
khí ở mặt đầu phía trên và dưới chỉ ra ở hình 3.7. Trong thiết kế
ổ khí quay này, lực đẩy mặt đầu ở phía trên cao hơn lực đẩy mặt
đầu ở phía dưới, đường cong dốc hơn, tức là độ cứng cao hơn.

Hình 3.7 Quan hệ giữa lực đẩy mặt đầu và khe hở

14


Theo tính lực dọc trục tại chương 2 khi sử dụng mũi khoan
đường kính D = 0,5mm, bước tiến S = 0,09mm/vòng, lực chiều
trục khi khoan P0 ≃ 63 N. Như vậy ta có phương trình cân bằng
lực hướng trục :
Pmặt trên = Pmặt dưới + P0
Từ đồ thị chênh lệch lực đẩy giữa 2 mặt khi khoan là : Pmặt trên Pmặt dưới ≃ 63 N. Khe hở mặt trên khoảng 12μm, Khe hở mặt
dưới khoảng 7μm
Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quay đến áp suất trung bình trên bề
mặt bạc.
Khảo sát ảnh hưởng của áp suất trung bình trên bề mặt bạc phục
thuộc tốc độ quay chỉ ra ở hình 3.8. Khi tăng tốc độ quay từ
5000 đến 20000 vịng/phút, áp suất trung bình trên bề mặt giảm
từ 380kPa xuống 337kPa, điều đó cũng có nghĩa là tăng tốc độ
quay thì độ cứng hướng kính cũng có xu hướng giảm.

Hình 3. 8 Quan hệ giữa vận tốc quay và áp suất trung bình trên
bề mặt bạc
Trong quá trình khảo sát ổ khí quay sử dụng mơ phỏng, có thể
trích áp suất tại các điểm trên bề mặt ổ, điều này cho phép phân
tích sự phân bố áp suất trên bề mặt ổ khí. Như hình 3.9, áp suất
tại điểm A là 397014[Pa] và điểm B là 399794[Pa]

15

Hình 3. 9 Trích áp suất trên bề mặt ổ tại các điểm A và B
KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, ba mơ hình mơ phỏng ổ khí
quay với các đệm khí thơng nhau, đệm khí hình chữ nhật lỗ thắt
trung tâm thí thốt ở giữa bạc và các đệm khí riêng biệt đã được
thiết lập để so sánh độ cứng. Khi trục bị đẩy ra khỏi tâm, xuất
hiện lực ngược chiều với chiều đẩy do sự thay đổi của áp suất
khí phân phối trong khe hở giữa trục và nắp ổ trục khơng khí.
Đối với mơ hình (1) và mơ hình (2), lực này thay đổi khơng
đáng kể do vùng áp suất được kết nối. Áp suất khơng khí tại
mọi điểm trong khe hở hầu như không thay đổi. Đối với mơ
hình (3), khí nén được cấp riêng cho từng vùng mang khí rãnh,
do đó lực này thay đổi nhiều hơn so với thay đổi khe hở khơng
khí. Áp suất khơng khí tại mỗi điểm trong khe hở khơng khí bị
thay đổi đáng kể do vùng mang khơng khí được tách biệt trong
trục khơng khí. Với các thơng số thiết kế như trục danh nghĩa
đường kính 20mm, rãnh chữ nhật rộng 0,5mm và sâu 0,3mm,
độ nhám bề mặt 0,32 μm, áp suất đầu vào 4 bar, tốc độ quay
20000 vòng / phút, khe hở đệm khí 12 μm, chênh lệch lực đẩy
giữa mơ hình (1) và mơ hình (3) là 13 lần khi trục bị đẩy lệch
tâm ra xa 11 μm. Điều này chỉ ra rằng cần tạo các ổ khí riêng
biệt xung quanh chu vi trục chính để tăng độ cứng của trục
khơng khí.

16


Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ổ khí quay
Trên cơ sở các tính tốn lý thuyết và mơ phỏng xác định

các đặc tính kỹ thuật của ổ khí quay để nâng cao độ chính xác
của phép đo sai lệch độ trịn, chương này sẽ trình bày một số kết
quả thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết trên.
Với kết cấu ổ khí quay có bạc đệm khí dạng trụ không xẻ ăn
khớp bộ đôi với trục quay, kết hợp với đệm khí mặt chặn dưới
khơng điều chỉnh đã giảm bớt khó khăn về cơng nghệ chế tạo,
u cầu kỹ thuật của trục quay gia công trên cùng một lần gá để
đảm bảo độ đồng tâm giữa các bậc trục và độ vng góc giữa
vai trục có đệm khí phẳng tạo lực dọc trục, góp phần nâng cao
độ chính xác của ổ khí quay, phù hợp với trình độ gia cơng cơ
khí tại Việt Nam.
4.1 Đánh giá các thơng số kích thước, sai số hình dáng hình
học và sai số vị trí bề mặt kích thước

Hình 4.1 Kiểm tra độ nhám các chi tiết của ổ khí

17


Hình 4.2 Kiểm tra kích thước trên máy đo CMM
- Phân tích kết quả:
Kích thước đường kính trong và đường kính ngồi của bộ đơi
bạc và trục đáp ứng được u cầu khe hở đệm khí trong khoảng
từ 5 ÷ 12 μm. Độ vng góc và độ song song lớn hơn so với
yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên trong phạm vi khe hở của bộ đơi
theo các phương hướng kính và dọc trục từ 5 ÷ 12 μm thì với
sai lệch vị trí của chi tiết bạc và trục đã chế tạo được, bộ đôi
trục và bạc vẫn hoạt động được mà khơng có tiếp xúc cơ khí.
Sau khi gia công chi tiết bạc và trục, nguyên công nghiền bộ đôi
đã được thực hiện để trục và bạc khớp với nhau trên toàn bộ bề

mặt lắp ráp: Khử được độ nhám bề mặt và đồng bộ sai lệch hình
dáng của bộ đơi, do đó các sai lệch về độ trụ và độ phẳng có thể
chấp nhận được trong phạm vi cho phép.
Độ nhám của bạc và trục sau khi nghiền cho thấy giá trị độ
nhám trung bình trong phạm vi Ra = 0.32 ÷ 0.35μm, Rz = 2.26 ÷
2.46μm. Đối với bộ đơi đệm khí thì chỉ tiêu Rz ưu tiên nhiều
hơn vì liên quan đến sự tiếp xúc giữa trục và bạc ở các đỉnh

18


nhám. Do đó sau khi đã nghiền xong bộ đơi thì việc cấp khí vào
để chạy rà khơng tải là cần thiết để tất cả tiếp xúc cơ khi các
đỉnh nhám được loại bỏ trong giai đoạn này.
4.2 Thực nghiệm đánh giá khả năng tiếp xúc cơ khí của ổ
khí

Hình 4.3 Hình ảnh đo tiếp xúc
Nhận xét thực nghiệm: Khi tiến hành cấp khí cho ổ khí hoạt
động, lấy đồng hồ đo sự tiếp xúc giữa trục và bạc ở các tốc độ
quay đến 18000 vòng và khả năng tải trọng tác dụng đến 5kg ta
nhận thấy kim đồng hồ chỉ ở vị trí vơ cực. Kết luận trục và bạc
ổ khí khơng tiếp xúc nhau trong q trình thử nghiệm và hoạt
động ổn định.
4.3 Thực nghiệm đánh giá khả năng tải và độ cứng vững
của ổ khí
Mơ hình

19

Hình 4.4 Kết quả đo tải dọc trục

Hình 4.5 Đồ thị quan hệ tải trọng F và khe hở Z trên mặt đầu
Nhận xét thực nghiệm: Từ đồ thị ta thấy khi tải lớn thì khe
hở giữa vai trục phía trên và bạc sẽ lớn và ngược lại khe hở giữa
vai dưới và đệm dưới sẽ nhỏ, giá trị độ cứng vững trung bình
trong phạm vi khe hở từ (1÷11) μm được tính như sau:

K

F 4
  0.4kg /  m  4 N /  m
z 10

20


Như vậy thơng qua khảo sát này có thể thấy độ cứng dọc
trục đã thực nghiệm của ổ khí đạt được là 4N/μm
4.4 Thực nghiệm xác định tải trọng tác dụng lên trục theo
phương ngang

Hình 4.6 Kiểm tra tải theo phương ngang

Hình 4.7 Đồ thị độ dịch chuyển của đầu trục

21

Độ cứng hướng tâm trung bình của ổ khí là
kJ = k =

= 0,5kg/ μm = 5N/μm

4.5 Thực nghiệm xác định áp suất tại một số vị trí của
ổ khí

Hình 4.8 Kết quả đo áp suất
Nhận xét thực nghiệm: Khi cung cấp khí vào ổ khí, thay đổi số
vịng quay khác nhau và theo dõi kết quả đo ta nhận thấy áp
suất đo được ở vị trí trụ nhận đc là 0.34Mpa. So với kết quả mơ
phỏng trên hình 4.8 áp suất thực nghiệm bị giảm do các điều
kiện mô phỏng là lý tưởng về kích thước hình dáng hình học và
vị trí bề mặt.

4.6 Đánh giá độ ổn định tâm quay ổ khí thơng qua gia
cơng lỗ
Để đánh giá độ ổn định của ổ khí khi quay với các tốc độ quay
khác nhau tác giả đã đi đánh giá độ định tâm của trục chính mũi
khoan gián tiếp thơng qua các lỗ gia công. Trong chương 1
phần 1.3 đã tính tốn lực dọc trục và mơmen cắt đối với mũi

22


khoan hợp kim đường kính 1mm. Do đó bỏ qua các ảnh hưởng
của độ mòn dao, độ cong vênh của mũi khoan và các yếu tố ảnh
hưởng khác trong quá trình gia cơng, có thể thấy rằng, khi
khoan lỗ sử dụng mũi khoan có đường kính là 1,01mm, với tốc

độ quay của ổ giảm dần trong khoảng từ 20000 vòng/phút
xuống 10000vịng/phút thì kích thước trung bình của các lỗ đo
được càng lớn. Điều này có nghĩa là với tốc độ quay của ổ càng
lớn thì độ ổn định tâm của ổ quay càng tốt.
Kết luận
1. Kiểm tra ổ khí có thể hoạt động ở tốc độ đến 20.000
vòng/phút, tại áp cấp từ 3÷4 bar mà khơng có tiếp xúc cơ khí;
2. Có độ cứng vững dọc trục 4N/μm và độ cứng vững hướng
tâm 5 N/μm đảm bảo cho ổ có khả năng định tâm tốt trong q
trình gia cơng.
3. Áp suất trích trong bề mặt ổ cho thấy q trình quay với các
tốc độ khác nhau hầu như biến động về áp suất không đáng kể
giúp cho trục quay ổn định.
4. Kết quả gia cơng lỗ đường kính mũi khoan 1.01 cho thấy
tốc độ trục chính quay càng cao thì độ trịn lỗ gia cơng càng cao
KẾT LUẬN
1. Tìm hiểu tổng quan về ổ khí quay ứng dụng trong gia cơng
cơ khí, tổng kết được các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi
nước liên quan đến ổ khí quay ứng dụng trong gia cơng, trên cơ
sở đó đưa ra định hướng nghiên cứu cho luận án tập trung vào
dạng ổ khí quay đặt đứng, phân phối khí dạng rãnh và lỗ đột
thắt trung tâm, ứng dụng làm đầu trục chính của các máy phay
CNC để gia công lỗ nhỏ.
2. Luận án đã nghiên cứu được kết cấu ổ khí quay dạng rãnh
hình chữ nhật với lỗ đột thắt trung tâm phân vùng cấp khí để tạo
hiệu quả độ cứng của đệm khí. Dùng phương pháp đệm khí
tương đương để tính tốn sơ bộ quan hệ giữa các thơng số kế
cấu của đệm khí, áp suất cấp với áp suất trên bề mặt đệm khí,

23