Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đệm lót tới đáp ứng động lực học của ổ khí động đàn hồi.

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

NGUYỄN MINH QUÂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐỆM LĨT TỚI ĐÁP
ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ổ KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

HÀ NỘI – 2023
1


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

NGUYỄN MINH QUÂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC ĐỆM LĨT TỚI ĐÁP ỨNG
ĐỘNG LỰC HỌC CỦA Ổ KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI

Ngành: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 9520103

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. GS.TS. ĐINH VĂN PHONG
2. TS. PHẠM MINH HẢI

HÀ NỘI – 2023
2


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết quả
nghiên cứu trong luận án là trung thực, khách quan, chưa từng được tác giả khác công
bố.
Hà Nội, ngày 27 tháng 01 năm 2023
Tập thể GVHD

Nghiên cứu sinh

3


LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của các thầy GS. TS. Đinh Văn
Phong, TS. Phạm Minh Hải cùng với những chỉ dẫn định hướng về mặt khoa học, sự
động viên của các thầy cô trong Nhóm chun mơn Thiết kế hệ thống cơ khí, Trường
Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội (trước đây là Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot,
Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội). Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành và
sâu sắc đối với các thầy giáo hướng dẫn và các thầy cô trong đơn vị công tác đã tạo
điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới Phòng Đào tạo cùng các Phòng-Ban khác
trong Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và tận tình giúp đỡ tác giả
trong quá trình làm nghiên cứu sinh.
Tác giả cũng bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Đại tá Phạm Quang Minh cùng các cộng
sự tại Viện Tên lửa – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phịng đã hỗ trợ

tác giả trong q trình lắp đặt và vận hành hệ thống đo.
Cuối cùng, tác giả xin được bày tỏ lỏng biết ơn đến những người thân trong gia đình đã
ln quan tâm, cảm thơng, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và
nghiên cứu.
Tác giả luận án

4


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT......................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ...........................................................................11
DANH MỤC BẢNG BIỂU...........................................................................................14
MỞ ĐẦU........................................................................................................................15
CHƯƠNG 1...................................................................................................................19
TỔNG QUAN VỀ Ổ KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI...............................................................19
1.1 Cấu tạo và nguyên lí làm việc..................................................................................20
1.1.1 Cấu tạo..................................................................................................................20
1.1.2 Nguyên lí làm việc................................................................................................20
1.2 Ưu nhược điểm của ổ khí động đàn hồi...................................................................21
1.2.1 Ưu điểm.................................................................................................................21
1.2.2 Nhược điểm...........................................................................................................22
1.3 Phạm vi ứng dụng....................................................................................................22
1.4 Phân loại ổ khí động đàn hồi....................................................................................23
1.4.1 Theo khả năng tiếp nhận tải trọng:........................................................................23
1.4.2 Theo cấu trúc đệm.................................................................................................24
1.5 Khái quát về lịch sử phát triển của ổ khí động đàn hồi............................................28
1.6 Tình hình nghiên cứu ngồi nước về ổ khí động đàn hồi........................................31
1.6.1 Mơ hình hóa cấu trúc đệm để nghiên cứu về các đặc tính động lực học..............31
1.6.2 Nghiên cứu về các thông số động lực học của cấu trúc đệm................................37

1.6.3 Nghiên cứu về động lực học trục quay.................................................................38
1.6.4 Thiết kế và đánh giá các cấu trúc đệm mới...........................................................40
1.6.5 Nghiên cứu về khả năng tải...................................................................................46
1.6.6 Nghiên cứu về phủ bề mặt....................................................................................48
1.7 Tình hình nghiên cứu trong nước.............................................................................49
1.8 Hướng nghiên cứu của luận án................................................................................50
1.8.1 Những nhận xét rút ra từ tình hình nghiên cứu.....................................................50
5


1.8.2 Định hướng nghiên cứu của luận án.....................................................................50
CHƯƠNG 2...................................................................................................................52
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN HỆ TRỤC-Ổ........................................................52
2.1 Thiết lập các phương trình đặc tính của hệ trục-ổ đệm khí......................................52
2.1.1 Phương trình phân bố áp suất màng khí................................................................53
2.1.2 Phương trình chuyển động tâm trục......................................................................62
2.1.3 Phương trình biến dạng đàn hồi của cấu trúc đệm................................................68
2.3 Phương pháp giải hệ phương trình vi phân chuyển động........................................70
2.3.1 Phương trình chuyển động của tồn hệ.................................................................70
2.3.3 Điều kiện biên của hệ............................................................................................71
2.3.4 Phương pháp tính tốn quỹ đạo tâm trục..............................................................71
2.3.5 Phương pháp xác định tính ổn định của trạng thái cân bằng và tốc độ tới hạn.....71
CHƯƠNG 3...................................................................................................................73
XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN LỚP ĐỆM SĨNG VÀ....................................73
KHẢO SÁT THAM SỐ.................................................................................................73
3.1 Đặt vấn đề................................................................................................................73
3.2 Mơ hình đàn hồi của lớp đệm sóng..........................................................................74
3.2.1 Phương trình xác định đường đàn hồi của một sóng............................................74
3.2.2 Phương pháp xác định đường đàn hồi của một sóng............................................76
3.2.3 Điều kiện biên.......................................................................................................78

3.2.4 Kết quả tính tốn...................................................................................................79
3.3 Xác định độ cứng danh nghĩa của cả cấu trúc đệm..................................................81
3.4 Khảo sát mức độ ảnh hưởng của các tham số cấu trúc đệm tới độ cứng danh nghĩa
........................................................................................................................................83
3.5 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ và cấu trúc tới đáp ứng động lực
học của ổ khí động đàn hồi............................................................................................85
3.5.1 Kết quả mô phỏng động lực học...........................................................................86
3.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của các tham số tới tốc độ tới hạn của ổ trong trường hợp
trục đỡ bởi một ổ............................................................................................................87

6


3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của các tham số tới tốc độ tới hạn của ổ trong trường hợp
trục đỡ bởi hai ổ.............................................................................................................90
CHƯƠNG 4...................................................................................................................93
THỰC NGHIỆM TRỤC QUAY VÀ XÁC ĐỊNH ĐỘ CỨNG CẤU TRÚC ĐỆM......93
4.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm.................................................................................93
4.1.1 Chế tạo ổ khí động đàn hồi dạng sóng thế hệ I.....................................................93
4.1.2 Xây dựng hệ thống đo...........................................................................................96
4.1.3 Chế tạo trục...........................................................................................................99
4.2 Thực nghiệm xác định độ cứng danh nghĩa của cấu trúc đệm.................................99
4.2.1 Mơ hình thí nghiệm...............................................................................................99
4.2.2 Trình tự thí nghiệm.............................................................................................101
4.2.3 Kết quả và thảo luận............................................................................................101
4.3 Thực nghiệm xác định quỹ đạo tâm trục quay.......................................................106
4.3.1 Mơ hình thí nghiệm.............................................................................................106
4.3.2 Trình tự thí nghiệm.............................................................................................107
4.3.3 Kết quả và thảo luận............................................................................................107
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................................111

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN.......................113
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................114

7


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

W

N

Tải trọng lớn nhất của ổ ở trạng thái cân bằng
tĩnh
Hệ số khả năng tải

Φ

L

m

Chiều rộng ổ

D

m

Đường kính trục

Ω

vịng/phút

Tốc độ quay của trục

p

Pa

Áp suất lưu chất

dx, dy, dz
τ xy

Kích thước của một phân tố lưu chất hình hộp
Pa

Ứng suất cắt ở bề mặt trên và mặt dưới của phân
tố

μ

Độ nhớt của lưu chất

γ˙

Tốc độ biến đổi biên dạng cắt

u

m/s

Vận tốc của phân tố theo phương x

v

m/s

Vận tốc của phân tố theo phương z

qx

Lưu lượng theo phương x

qz

Lưu lượng theo phương z

U1

m/s

Vận tốc trượt theo phương x tại mặt lót ổ

U2

m/s

Vận tốc trượt theo phương x tại mặt ngõng trục

h

m

chiều cao của màng chất lưu, chiều dày màng khí

∂
∂t

Thay đổi theo thời gian

8


∂
∂x

Thay đổi theo phương x

∂
∂y

Thay đổi theo phương y

∂
∂z

Thay đổi theo phương z

w0

m/s

vận tốc mặt dưới của lưu chất

w1

m/s

vận tốc mặt trên của lưu chất

ρ

Mật độ khối lượng chất khí

ζ

ζ=

z
R

θ

θ=

x
R

τ

τ=

Ωt
2

pa

Pa

p=
Áp suất màng khí khơng thứ ngun, ~

~
p
c

áp suất khí quyển xung quanh

m

p
pa

Khe hở danh nghĩa giữa ngõng trục và lót ổ
~ h
c

~
h

Chiều cao màng khí khơng thứ ngun, h=

ψ

~
ψ=~
p.h

Λ

Hệ số làm việc của ổ, Λ=

6 μΩ R 2
2
pa c

mr

kg

Khối lượng trục quay

S

N

Tải trọng tĩnh tác dụng lên trục

P

N

Trọng lượng các chi tiết lắp trên trục

Flt

N

Lực quán tính ly tâm
9


e

m

Khoảng cách từ trọng tâm của trục đến đường
tâm quay của trục

εy

Độ hở lệch tâm tương đối theo phương y, ε y =

y
c

εx

Độ hở lệch tâm tương đối theo phương x, ε x =

x
c

Fx

N

Lực tác dụng của màng khí lên ngõng trục theo
phương x

Fy

N

Lực tác dụng của màng khí lên ngõng trục theo
phương y

JP

Mơ men qn tính quanh hai trục x và y

JS

Mơ men qn tính độc cực quanh trục z

θx, θy

Góc xoay của trục theo phương x, y

c 1 , c2

m

Khe hở danh nghĩa trên hai ổ đỡ trục

w

m

Độ võng của đệm

Kb

N/m3

Độ cứng trên một đơn vị diện tích của cấu trúc
đệm

Kb

N/m

Độ cứng cấu trúc đệm

K

N/m2

Độ cứng trên một đơn vị chiều dài của cấu trúc
đệm

θ

Cc ản

Hệ số cản

η

Hệ số thất thốt năng lượng, η=0,25

~
w❑

w❑=
Độ võng khơng thứ ngun, ~

s

Biến trạng thái của hệ phương trình đặc tính

θF

Vị trí hở của lá theo hướng cung trịn

N z× Nθ

Kích thước lưới sai phân

w❑
c

10


Fr

N

Lực tác dụng lên trục khi trục không quay

δ0

m

Chuyển vị của trục theo phương thẳng đứng

ρ0

mm

Bán kính cong ban đầu của một sóng

ρ❑

mm

Bán kính cong của một sóng sau khi chịu uốn

E

Mơ-đun đàn hồi của vật liệu sóng

I

Mơmen qn tính của mặt cắt ngang một sóng

M❑

Nmm

Mơ men uốn nội lực

xF, yF

Tọa độ của điểm tác dụng lên sóng của lực F

xN, yN

Tọa độ của điểm chân sóng N

XN, YN

N

Pphản lực theo hai phương x, y tại điểm chân
sóng N

vF

m

Chuyển vị tại điểm đặt lực F

K bump

N/m

Độ cứng của một sóng

φ

o

Góc tiếp tuyến với các phần tử trên sóng
Các hệ số tích phân Newton

ai, bi, ci

∆l

m

Chiều dài phần tử trên sóng

φ 01

o

Góc tiếp tuyến tại phần tử cố định phía bên trái

h0

m

Chiều cao sóng

l0

m

Nửa chiều rộng sóng

y F0

Tung độ tại F lúc ban đầu

nbump

Số sóng

δi

m

Chuyển vị hướng kính của đỉnh sóng thứ i

K tot

N/m

Độ cứng danh nghĩa của cấu trúc đệm

t

m

Chiều dày sóng
11


Danh mục chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

NASA

Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ

ACM

Thiết bị luân chuyển không khí

ECS

Hệ thống điều khiển mơi trường

BFB

Ổ đệm khí dạng sóng

MMFB

Ổ đệm khí dạng búi kim loại

VEFB

Ổ đệm đàn nhớt

LCC

Khả năng tải

12


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Một loại ổ khí động đàn hồi [1]......................................................................19
Hình 1.2 Minh họa sự hình thành áp suất thủy động trong ổ [2]...................................20
Hình 1.3 Thiết bị ln chuyển khơng khí DC-10 [2].....................................................23
Hình 1.4 Ổ đỡ khí động đàn hồi và ổ chặn khí động đàn hồi [1]...................................24

Hình 1. 5 Thế hệ ổ khí động đàn hồi thứ nhất [3]..........................................................25
Hình 1.6 Ổ đệm khí nhiều lớp đảo ngược [2]................................................................25
Hình 1.7 Cấu trúc đệm thế hệ ổ thứ hai.........................................................................26
Hình 1.8 Cấu trúc đệm trong ổ đệm dạng sóng thế hệ thứ III [3]..................................27
Hình 1.9 Ổ đệm khí dạng búi kim loại [35]...................................................................27
Hình 1.10 Ổ đệm khí dạng sơ khai dùng trong máy quay Brayton [42]........................29
Hình 1.11 Động cơ tua-bin khí tự động sử dụng ổ khí động đàn hồi [1].......................30
Hình 1.12 Biến dạng dải đệm sóng nằm ngang khi chịu tải [60]...................................32
Hình 1.13 Sơ đồ đặt lực trên đệm sóng..........................................................................32
Hình 1.14 Kết cấu ổ gồm 3 dải đệm [62].......................................................................33
Hình 1.15 Mơ hình đơn giản hóa của Swanson [66]......................................................34
Hình 1.16 Mơ hình cấu trúc đệm của Le Lez [67].........................................................34
Hình 1.17 Mơ hình hóa lực ma sát bằng lị xo phi tuyến [74].......................................36
Hình 1.18 Ổ đệm đàn nhớt [99].....................................................................................41
Hình 1.19 Ổ đệm khí có chêm [101]..............................................................................41
Hình 1.20 Ổ có đệm dạng phồng [105]..........................................................................42
Hình 1.21 Đệm kiểu lị xo lồng vào nhau [106].............................................................43
Hình 1.22 Đệm dạng lị xo nén [92]...............................................................................43
Hình 1.23 Ổ lai đệm sóng và búi kim loại [107]............................................................44
Hình 1.24 Đệm biên dạng cam [109].............................................................................44
Hình 1.25 Đệm lỗ tùy biến [110]...................................................................................45
Hình 2.1 Mơ hình các hệ con trục-màng khí-đệm.........................................................52
Hình 2.2 Các lực theo phương x trên phân tố lưu chất..................................................54
Hình 2.3 Lưới sai phân...................................................................................................60
Hình 2.4 Lực tác dụng lên trục.......................................................................................62
Hình 2.5 Sơ đồ lực trục quay đỡ bởi hai ổ đệm khí.......................................................65
Hình 2.6 Kết cấu đệm thực tế Hình 2.7 Mơ hình vật lý của kết cấu đệm..................68

13

Hình 3.1 Mơ hình xác định độ cứng cấu trúc đệm.........................................................73
Hình 3.2 Biến dạng của một sóng..................................................................................74
Hình 3.3 Mặt cắt tại x > xF ..............................................................................................75
Hình 3.4 Mặt cắt tại x ≤ xF .............................................................................................76
Hình 3.5 Điều kiện biên một đầu cố định, một đầu trượt..............................................78
Hình 3.6 Đồ thị chuyển vị - độ cứng khi một đầu cố định, một đầu trượt.....................79
Hình 3.7 Điều kiện biên một đầu cố định, một đầu lăn.................................................79
Hình 3.8 Điều kiện biên một đầu cố định, một đầu chặn...............................................80
Hình 3.9 Đồ thị chuyển vị độ cứng khi một đầu cố định, một đầu lăn..........................80
Hình 3.10 Đồ thị chuyển vị - độ cứng khi một đầu cố định, một đầu chặn...................81
Hình 3.11 Ảnh hưởng của số sóng tới độ cứng danh nghĩa...........................................84
Hình 3.12 Tốc độ tới hạn của ổ chịu tải trọng tĩnh........................................................86
Hình 3.13 Ảnh hưởng của độ hở hướng kính và độ cứng của lớp đệm đàn hồi............87
Hình 3.14 Tốc độ tới hạn của ổ khi L/D = 0,75.............................................................88
Hình 3.15 Tốc độ tới hạn của ổ khi L/D = 1..................................................................88
Hình 3.16 Tốc độ tới hạn của ổ khi L/D = 1,25.............................................................89
Hình 3.17 Tốc độ tới hạn của ổ khi L/D = 1,5...............................................................89
Hình 3.18 Ảnh hưởng của cách bố trí ổ tới tốc độ tới hạn.............................................90
Hình 3.19 Ảnh hưởng của khe hở hướng kính trường hợp đối xứng.............................91
Hình 3.20 Ảnh hưởng của khe hở hướng kính trường hợp bất đối xứng.......................91
Hình 4.1 Vỏ ổ.................................................................................................................93
Hình 4.2 Kích thước một phần đệm sóng......................................................................94
Hình 4.3 Khn chế tạo lớp đệm sóng...........................................................................95
Hình 4.4 Khn chế tạo lớp lót ổ...................................................................................95
Hình 4.5 Sơ đồ hệ thống đo...........................................................................................96
Hình 4.6 Cảm biến tiệm cận điện cảm...........................................................................97
Hình 4.7 Bộ chuyển đổi tín hiệu....................................................................................97
Hình 4.8 Thiết bị duy trì điện áp....................................................................................98
Hình 4.9 Thiết bị thu tín hiệu.........................................................................................98

Hình 4.10 Trục...............................................................................................................99
Hình 4.11 Thí nghiệm xác định độ cứng danh nghĩa cấu trúc đệm.............................100
Hình 4.12 Sơ đồ lực trên trục.......................................................................................100
Hình 4.13 Các vị trí khác nhau của đầu cố định..........................................................102
Hình 4.14 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc 0 độ................................................................102
Hình 4.15 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc 45 độ..............................................................102
Hình 4.16 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc 90 độ..............................................................103
14


Hình 4.17 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc -45 độ............................................................103
Hình 4.18 Đồ thị lực-chuyển vị tại góc -90 độ............................................................104
Hình 4.19 Cấu tạo lót sau khi dập tạo hình..................................................................105
Hình 4.20 Đường biên dạng của lót tái tạo qua điểm ảnh............................................105
Hình 4.21 Mơ hình thí nghiệm trục quay.....................................................................106
Hình 4.22 Bộ điều khiển động cơ biến tần...................................................................106
Hình 4.23 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 3000 vòng/phút. . .107
Hình 4.24 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 2600 vịng/phút. . .108
Hình 4.25 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 1800 vịng/phút. . .108
Hình 4.26 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 600 vịng/phút.....109
Hình 4.27 Thay đổi về độ lệch tâm trục theo hai phương ở tốc độ 0 vòng/phút – trạng
thái ban đầu..................................................................................................................109

15


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Các thơng số đệm sóng...................................................................................82
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của chiều dày đệm sóng tới độ cứng danh nghĩa.........................83
Bảng 3.3 Ảnh hưởng của kích thước sóng tới độ cứng danh nghĩa...............................84

Bảng 3.4 Các thông số trục và thông số công nghệ.......................................................85

16


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, với các yêu cầu đặt ra trong thực tiễn cuộc sống, các loại máy quay cao tốc
đang được sử dụng ngày càng phổ biến. Để đáp ứng khả năng làm việc của các loại
máy này ở tốc độ cao, việc sử dụng phù hợp ổ trên trục quay đã thu hút sự quan tâm
của các nhà khoa học. Đối với các loại ổ thông thường được bôi trơn bằng dầu, khả
năng hoạt động ở tốc độ cao được cho là sẽ gặp khó khăn do dầu bị hóa hơi. Khi đó,
các loại ổ khí đã được quan tâm đến như một giải pháp phù hợp. Tuy nhiên, với loại ổ
khí truyền thống hoạt động bằng cách đưa khí vào từ các máy bơm áp, do độ nhớt của
khơng khí thấp hơn dầu, nên để đảm bảo khả năng tải khi trục quay, khe hở giữa ngõng
trục và lót ổ cần đảm bảo đủ nhỏ. Điều này dẫn đến nguy cơ khi trục quay ở tốc độ cao
sẽ bị dãn nở nhiệt dẫn đến kẹt ổ. Vì vậy, một loại ổ khí mới đã được nghiên cứu phát
triển để đảm bảo duy trì được khả năng làm việc ở tốc độ cao trên các loại máy này, đó
là ổ khí động đàn hồi
Ổ khí động đàn hồi, khác với ổ khí truyền thống, làm việc khơng cần cấp khí áp cao do
có cấu trúc đệm đàn hồi có khả năng nhu động (compliant) dưới tác dụng của áp suất
thủy động khi trục quay. Nhờ biến dạng đàn hồi của cấu trúc đệm nên dù trục có thể bị
dãn nở khi quay ở tốc độ cao nhưng khó có thể bị kẹt. Tổ chức đầu tiên thực hiện các
nghiên cứu bài bản về loại ổ này là NASA. Cho đến bây giờ, các ổ khí động đàn hồi
đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới về chủ đề này.
Trong quá trình phát triển hơn 50 năm, loại ổ khí động đàn hồi đã được nghiên cứu,
phát triển, cải tiến và được ứng dụng ở rất nhiều các loại máy quay cao tốc kiểu tuabin. Từ các nghiên cứu lý thuyết về mơ hình hóa cấu trúc đệm, xác định khả năng tải lý
thuyết của ổ, xây dựng các kỹ thuật mơ phỏng và tính tốn tiết kiệm thời gian, đến
đánh giá thực nghiệm về tốc độ làm việc tới hạn của ổ, phát minh và ứng dụng các lớp
phủ để giảm mòn bề mặt trục - ổ khi làm việc. Có thể thấy rằng tất cả các nghiên cứu

đều hướng đến nâng cao khả năng làm việc của ổ khí động đàn hồi. Qua các nghiên
cứu, có thể thấy cấu trúc lớp đệm đóng vai trị quyết định với thiết kế của ổ khí động
đàn hồi. Điều này dẫn đến việc một số mơ hình của cấu trúc đệm đã được đề xuất nhằm
phân tích lý thuyết về khả năng làm việc của ổ. Tuy nhiên, các mô hình này mới chỉ
đánh giá được ảnh hưởng của một vài thông số cấu trúc đệm tới khả năng làm việc của
ổ. Ngoài ra, các nghiên cứu đánh giá mới chỉ dừng lại ở trường hợp trục có một ổ đỡ
bằng ổ khí động đàn hồi. Vì vậy, trong luận án này, tác giả sẽ đánh giá thêm ảnh hưởng
của một vài thơng số hình học và cơng nghệ đến khả năng làm việc của hệ trục-ổ trong
17


cả hai trường hợp: trục được đỡ bằng một ổ tự lựa – một ổ khí động đàn hồi, và trục
được đỡ bằng hai ổ khí động đàn hồi.
2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án
Luận án đặt ra mục tiêu tìm hiểu về khả năng làm việc của hệ trục-ổ khí động đàn hồi
qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số đặc
trưng và bước đầu làm chủ cơng nghệ về ổ khí động đàn hồi. Để đạt được điều này,
luận án đề ra các nội dung cụ thể như sau:
- Phát triển mơ hình động lực học của cấu trúc đệm nhằm xác định thông số động lực
học. Mơ hình này có xét đến một số thơng số hình học đặc trưng của cấu trúc đệm.
- Phát triển phương pháp tính tốn mơ phỏng động lực học để nghiên cứu về khả năng
làm việc của hệ trục-ổ. Ảnh hưởng của một thông số động lực học của cấu trúc đệm,
thông số công nghệ của ổ đến khả năng làm việc của hệ cũng được khảo sát và đánh
giá.
- Thiết kế, chế tạo ổ khí động đàn hồi, trục quay để xây dựng hệ thống thực nghiệm
trục-ổ nhằm củng cố nghiên cứu lý thuyết
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là ổ đệm khí dạng sóng thế hệ thứ nhất, có cấu trúc
đệm gồm một lớp lót ổ và một tấm đệm dạng sóng. Hai lớp đệm này được cố định một

đầu trên vỏ ổ, đầu cịn lại để tự do để có thể dễ dàng biến dạng đàn hồi.
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Thông qua việc phát triển một mơ hình cấu trúc đệm sóng, luận án sẽ nghiên cứu và
đánh giá ảnh hưởng của các thông số tới khả năng làm việc của hệ trục-ổ. Các thông số
ảnh hưởng bao gồm:
- Thông số hình học của cấu trúc đệm: chiều dày của đệm, chiều cao của sóng, chiều
rộng của sóng, số sóng.
- Thơng số cơng nghệ: khe hở hướng kính danh nghĩa giữa ngõng trục và lót ổ, chiều
rộng của ổ.

18


Mơ hình trục-ổ được xây dựng và phân tích với giả thiết trục cứng tuyệt đối và trong
môi trường đẳng nhiệt. Các giả thiết về chất bôi trơn và mô hình cấu trúc đệm sẽ được
trình bày rõ hơn ở các phần sau (Chương 2 và Chương 3).
Sau đó, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn và giải thuật Newton-Raphson để giải
hệ phương trình đặc tính, luận án sẽ phân tích khả năng làm việc của hệ trục-ổ, được
thể hiện qua miền tốc độ quay của ngõng trục sao cho hệ đạt trạng thái cân bằng. Luận
án sẽ chỉ ra ảnh hưởng của các thông số trên đến sự thay đổi của dải tốc độ này.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
4.1 Ý nghĩa khoa học
- Góp phần vào sự nghiên cứu và phát triển chung trên thế giới và ở Việt Nam về ứng
dụng ổ khí động đàn hồi
- Tiếp cận dần với cơng nghệ ổ khí động đàn hồi, xuất phát từ hiểu biết cơ bản về ứng
xử động lực học của các loại ổ này
- Cung cấp hiểu biết sâu hơn về các thông số cấu tạo của ổ khí động đàn hồi đến khả
năng làm việc và phạm vi ứng dụng.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Bước đầu thiết kế và chế tạo ổ khí động đàn hồi dùng đệm sóng sử dụng vật liệu

thơng dụng và công nghệ chế tạo phù hợp ở Việt Nam cho mục đích thực nghiệm.
- Là tiền đề để xây dựng bộ số liệu thiết kế ổ khí động đàn hồi dùng đệm sóng ứng
dụng trong các thiết bị, hệ thống cụ thể.
- Những kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở quan trọng để tiếp tục đưa công nghệ ổ khí
động đàn hồi vào nghiên cứu và ứng dụng sâu rộng ở Việt Nam và trên thế giới.
5. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Để đạt được mục tiêu luận án đã đề ra, phương pháp của luận án là kết hợp giữa
phương pháp lý thuyết và thực nghiệm, cụ thể là:
- Tiếp thu, kế thừa có chọn lọc các thành quả nghiên cứu của thế giới về ổ khí động đàn
hồi.
- Ứng dụng các phương pháp mơ hình hóa, các kỹ thuật giải phương trình vi phân để
đánh giá ảnh hưởng của các thông số cấu trúc đệm.
19


- Ứng dụng các phần mềm để kiểm chứng các tính tốn lý thuyết thơng qua thực
nghiệm
6. Những đóng góp của luận án
Với những mục tiêu cụ thể mà luận án đã đề ra cùng các phương pháp nghiên cứu, trên
cơ sở đó đánh giá, phân tích kết quả nghiên cứu của luận án so với các kết quả của
những cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước. Luận án có những đóng góp cụ thể
sau:
- Đề xuất được một mơ hình động lực học của cấu trúc đệm có kiểm chứng bằng lý
thuyết và thực nghiệm, để từ đó có thể đánh giá được ảnh hưởng của các thơng số cấu
trúc đệm tới tốc độ tới hạn của ổ.
- Cung cấp những đánh giá sơ bộ về việc lựa chọn phương án thiết kế cấu trúc đệm
nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn cụ thể.
- Xây dựng và đưa ra phương pháp tính tốn hiệu quả đối với một hệ động lực học
phức tạp trục-màng khí-đệm lót.
- Thử nghiệm đo các đặc tính tĩnh học và bước đầu thử nghiệm động lực học trong điều

kiện trang thiết bị và kỹ thuật chế tạo còn hạn chế.
7. Bố cục của luận án
Để diễn giải các kết quả nghiên cứu của luận án, nội dung của luận án được trình bày
trong 4 chương:
Chương 1 Tổng quan về ổ khí động đàn hồi
Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính tốn hệ trục-ổ
Chương 3 Xây dựng mơ hình tính tốn và khảo sát tham số
Chương 4 Thực nghiệm trục quay và xác định độ cứng cấu trúc đệm

20