NGHIÊN cứu xây DỰNG hệ THỐNG GIÁM sát các đặc TÍNH áp SUẤT và NHIỆT độ của ổ đỡ THỦY ĐỘNG

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT CÁC ĐẶC TÍNH
ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA Ổ ĐỠ THỦY ĐỘNG
DEVOLOPMENT A SUPERVISE SYSTEM OF PRESSURE AND TEMPARATURE
HYDRODYNAMIC BEARING
Phạm Trung Thiêna, Trần Thị Thanh Hảib
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
a
;

TÓM TẮT
Ổ đỡ thủy động được sử dụng phổ biến trong các thiết bị và máy móc công nghiệp. Việc
đảm bảo bôi trơn của ổ trong quá trình làm việc sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ
của thiết bị. Các nghiên cứu tính toán về bôi trơn luôn cần có các nghiên cứu thực nghiệm để
kiểm nghiệm và tối ưu. Do đó, việc xây dựng hệ thống đo các đặc tính bôi trơn (áp suất, chiều
dày, nhiệt độ màng dầu,…) có vai trò quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm bôi trơn thủy
động. Trong bài báo này, chúng tôi xây dựng hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu ổ đỡ
thủy động thông qua các cảm biến áp suất MPXHZ6400A và cảm biến nhiệt độ DS18B20.
Năm vị trí đo áp suất và năm vị trí đo nhiệt độ màng dầu được bố trí trên tiết diện giữa ổ và
theo phương chu vi của bạc trong vùng chịu tải của màng dầu. Vi xử lý ATmega8 nhận tín
hiệu đo từ các cảm biến và hiển thị trên màn hình LCD hoặc máy tính. Áp suất và nhiệt độ
màng dầu đo được phù hợp với tải tác dụng và điều kiện làm việc của ổ.
Từ khóa: bôi trơn thủy động, ổ đỡ, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, vi xử lý.
ABSTRACT
Hydrodynamic bearings are widely used in and industrial equipment machinery.
Ensuring the lubrication of the bearing during the work will contribute to improving the
reliability and longevity of the device. Researchers calculating the lubrication always takes
the experimental research into test and optimize. Therefore, the construction of the
experimental for measuring system of lubrication characteristic (pressure, thickness,
temperature oil film,...) have an important role in experimental research of hydrodynamic

lubrication. In this paper we build systems for measuring pressure and temperature
hydrodynamic oil film bearing via pressure sensors MPXHZ6400A and temperature sensors
DS18B20. At five positions for measuring pressure and other five positions for temperature
measurement locations in the oil film are arranged on the middle section and according to the
perimeter of the bearing. ATmega8 microprocessor receives signals from the sensors and
displays on the LCD screen or PC. Pressure and temperature measurement of the oil film are
consistent with the applied loads and working conditions of the bearing.
Keywords: lubrication, hydrodynamic bearing, pressure sensor, tempararure sensor,
microprocessor.
1. GIỚI THIỆU
Việc đảm bảo bôi trơn cho ổ đỡ trong các thiết bị và máy móc góp phần nâng cao độ tin
cậy và tuổi thọ cho thiết bị. Các nghiên cứu tính toán lý thuyết về bôi trơn luôn cần kết hợp
nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm và tối ưu. Do đó, cần phải xây dựng hệ thống đo để
xác định các đặc tính bôi trơn của ổ. Các hệ thống đo có thể được xây dựng để đo các đặc tính
của ổ thực hoặc ổ trên các thiết bị thực nghiệm. Năm 1965, Cook [1] đã nghiên cứu đo quỹ
đạo tâm trục của ổ trục khuỷu trong động cơ diezel một xi lanh bằng cảm biến điện từ, các kết
234


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
quả cho thấy biến dạng đàn hồi của ổ thay đổi nhiều khi tải tác dụng lớn. Năm 1973,
Rosenberg [2] đo chiều dày màng dầu ổ đầu to thanh truyền thông qua các cảm biến. Các kết
quả đo cho thấy sự tương thích giữa chiều dày màng dầu và tải tác dụng. Năm 1975, Good và
cộng sự [3] đã đo chiều dày màng dầu của ổ đỡ trục khuỷu tại sáu điểm bởi sáu cảm biến,
chiều dày màng dầu đo phù hợp với chiều dày tính toán. Năm 2001, Moreau [4] tiến hành đo
chiều dày màng dầu của ba ổ đỡ của trục khuỷu và ổ đầu to thanh truyền của động cơ xăng 4
xi lanh. Các kết quả đo được so sánh với các kết quả tính toán số và cho kết quả tương thích.
Năm 2000, Optasanu [5] triển khai thiết bị thực nghiệm để đo áp suất ổ đầu to thanh truyền
làm bằng vật liệu quang đàn hồi. Tác giả quan sát và phân tích sự xuất hiện ứng suất trong
thanh truyền khi áp suất thủy động thay đổi. Chiều dày màng dầu được đo nhờ phân tích các

ảnh chụp màng dầu trong quá trình làm việc. Năm 2012, Hoang [6] nâng cấp thiết bị này và
đo chiều nhiệt độ của màng dầu thông qua các cảm biến nhiệt độ.
Ở Việt Nam, chưa có nhiều nghiên cứu thực nghiệm và thiết bị thực nghiệm bôi trơn
thủy động. Năm 1999, Trần Thị Thanh Hải [7] đã xây dựng được hệ thống thực nghiệm đo áp
suất màng dầu trong ổ đỡ thủy động bằng phương pháp đo chiều cao cột áp. Năm 2005,
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo áp suất ổ thủy động dùng một cảm biến của tác giả
Phạm Văn Hùng [8].
Bài báo này xây dựng hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu ổ đỡ thủy động thông
qua các cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ. Các vị trí đo áp suất và các vị trí đo nhiệt độ
màng dầu được bố trí trên tiết diện giữa ổ và theo phương chu vi của bạc trong vùng chịu tải
của màng dầu. Bộ vi xử lý nhận tín hiệu đo từ các cảm biến và hiển thị trên màn hình LCD
hoặc máy tính.
2. HỆ THỐNG ĐO
2.1 Thiết bị thực nghiệm
Thiết bị thực nghiệm và ổ đỡ nghiên cứu được giới thiệu trên Hình 1. Động cơ điện (1)
(công suất 0,55 KW tốc độ 1390vg/ph) truyền chuyển động cho trục (3) qua bộ truyền đai (2).
Khi trục quay, ổ đỡ làm việc tạo ra màng dầu giữa trục và bạc, màng dầu tồn tại áp suất thủy
động cân bằng với tải tác dụng lên ổ. Đồng thời nhiệt độ của màng dầu, bề mặt trục và bạc
cũng tăng lên do ma sát.
1: Động cơ
2: Đai
3: Trục chính
4: Ổ
5: Bể dầu
6: Bơm dầu
7: Van đảo chiều
8: Đồng hồ
9: Van giảm áp
10: Van tiết lưu
11: Cảm biến nhiệt

12: Cảm biến áp suất
13: Biến tần
14: Tủ điện

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý và thiết bị thực nghiệm

235


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2: Ổ đỡ thủy động và hệ thống thủy lực cấp dầu bôi trơn
Hình 2 giới thiệu ổ đỡ nghiên cứu và hệ thống thủy lực cấp dầu bôi trơn. Ổ có thông số:
chiều dài ổ L=50 mm, đường kính ổ D = 70 mm. Tải tác dụng lên ổ được treo trên bạc, khi
làm việc, trục và bạc có độ lệch tâm và tạo phân bố áp suất trong màng dầu như Hình 2a. Áp
suất và nhiệt độ màng dầu được đo tại tiết diện giữa ổ và theo phương chu vi. Áp suất được
đo tại năm vị trí A1, A2, A3, A4, A5 (vùng màng dầu chịu tải có áp suất phân bố như Hình
2a), xen kẽ và cách đều là năm vị trí đo nhiệt độ T1, T2, T3, T4, T5 (Hình 2b). Dầu bôi trơn
cấp cho ổ bởi hệ thống thủy lực (Hình 2c). Áp suất và lưu lượng dầu cấp được điều chỉnh qua
van giảm áp (9) và van tiết lưu (10).
2.2 Hệ thống đo
Đặt năm cảm biến áp suất và năm cảm biến nhiệt độ tại các vị trí cần đo áp suất và nhiệt
độ màng dầu. Cảm biến áp suất MPXHZ6400A (Hình 3a) có phạm vi đo: 20-400 KPa; Sai số
tối đa bằng 1,5% giá trị đo, thời gian phản hồi: 1ms. Tín hiệu từ cảm biến được đo theo mạch
nguyên lý đầu ra ADC (Hình 3b). Cảm biến áp suất được gắn lên bạc và đo trực tiếp áp suất
màng dầu ở bên trong bạc.

Hình 3: Cảm biến áp suất và mạch đo cảm biến
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 (Hình 4a) có phạm vi đo: -55°C - +155°C; sai số: ±
0,5°C. Tín hiệu đo từ các cảm biến áp suất và nhiệt độ được xử lý bởi vi xử lý trung tâm

ATmega8 (Hình 4b) và hiển thị kết quả đo trên màn hình LCD hoặc máy tính.
236


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 4: Cảm biến nhiệt độ và vi xử lý
Tín hiệu từ các cảm biến áp suất và nhiệt độ
được đưa vào cổng input của vi xử lý, vi xử lý tính
toán trong chương trình điều khiển và đưa kết quả đo
ra cổng output hiển thị lên màn hình LCD (Hình 5).
Chương trình nhận tín hiệu, xử lý tín hiệu và hiển thị
được viết theo sơ đồ thuật toán được trình bày trên
Hình 6. Tùy theo chế độ làm việc của ổ (thay đổi tải
trọng và tốc độ quay), vi xử lý đọc tín hiệu ADC từ
cảm biến sau đó chuyển đổi tín hiệu rồi hiển thị lên
màn hình LCD hoặc máy tính.

Bắt đầu
Nhập giá trị tải
trọng và vận tốc
Tạm dừng 1s
S

Đọc ADC

Đ

Hiển thị LCD
hoặc máy tính

Kết thúc

Hình 6: Sơ đồ thuật toán

Hình 5: Sơ đồ mạch nguyên lý
3. KẾT QUẢ

Hình 7: Hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu ổ đỡ thủy động
237


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Sau khi lắp đặt các cảm biến đo áp suất và nhiệt độ vào các vị trí đo, kết nối với mạch vi
xử lý và màn hình hiển thị LCD hoặc máy tính ta được hệ thống đo các đặc tính (áp suất và
nhiệt độ) của ổ đỡ thủy động (Hình 7).
Để đánh giá kiểm nghiệm hệ thống đo, tiến hành khảo sát đo áp suất và nhiệt độ màng
dầu ở các chế độ làm việc khác nhau ứng với các tải tác dụng và vận tốc quay khác nhau.

Hình 8: Biểu đồ áp suất màng dầu ở tải trọng 30N tốc độ quay 400vg/ph
Biểu đồ áp suất màng dầu trên Hình 8 cho thấy các giá trị áp suất lần lượt tại các điểm
A1, A2, A3, A4, A5 (ứng với các vị trí trên biểu đồ là 1, 2, 3, 4, 5) là 104,437 KPa,
106,825KPa, 165 KPa, 113,1 KPa, 100,0375 KPa ở tải trọng 30N và tốc độ quay 400vg/ph.
Tại vị trí A3, áp suất màng dầu đạt giá trị lớn nhất tương ứng với vị trí chiều dày màng dầu
nhỏ nhất, áp suất giảm dần sang hai bên tại các vị trí A1, A2 và A4, A5 tương ứng với chiều
dày màng dầu tăng, điều này phù hợp với lý thuyết bôi trơn [12].

Hình 9: Biều đồ nhiệt độ ở tải trọng 30N tốc độ quay 200vg/ph
Tương tự đo nhiệt độ màng dầu tại các vị trí T1, T2, T3, T4, T5 (ứng với các vị trí trên
biểu đồ là 1, 2, 3, 4, 5) lần lượt là 19,53750C, 19,650C, 19,8250C, 19,680C, 19,6250C ở tải
trọng 30N và tốc độ quay 200vg/ph. Giá trị đo tại vị trí T3 cao nhất đạt 19.8250C và giảm dần

về hai phía T2, T1 và T4, T3. Tại vị trí T,3 chiều dày màng dầu lớn nhất và giảm dần về hai
phía thì nhiệt độ cũng giảm theo. Các giá trị nhiệt độ cho thấy đường đặc tính nhiệt độ trong ổ
phù hợp với lý thuyết bôi trơn thủy động [12]. Nhiệt độ màng dầu tại các vị trí đo chênh lệch
không lớn là do nhiệt đã phân tán vào trục và bạc, hơn nữa dầu bôi trơn cấp cho ổ được tuần
hoàn nên nhiệt độ tăng không nhiều và đồng đều hơn.
Hình 10 cho thấy áp suất màng dầu của ổ tăng theo tải tác dụng 30N, 50N, 70N khi tốc
độ quay 400vg/ph, điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết bôi trơn [12].

238


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 10: Áp suất của màng dầu theo tải tác dụng ở tốc độ quay 400vg/ph
Hình 11 cho thấy nhiệt độ màng dầu bôi trơn tăng theo tải tác dụng 30N, 50N, 70N khi
tốc độ quay 400vg/ph, điều này cũng hoàn toàn phù hợp với lý thuyết bôi trơn [12].

Hình 11: Nhiệt độ màng dầu ở tốc độ 400vg/h
4. KẾT LUẬN
Bài viết này trình bày xây dựng hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng dầu ổ đỡ thủy
động. Thông qua các cảm biến áp suất MPXHZ6400A và nhiệt độ DS18B20. Các cảm biến
đo áp suất và nhiệt độ màng dầu được đặt trên bạc tại tiết diện giữa ổ và theo phương chu vi
trong vùng chịu tải của màng dầu. Tín hiệu từ các cảm biến áp suất và nhiệt độ được đưa vào
cổng input của vi xử lý ATmega8, vi xử lý tính toán trong chương trình điều khiển và đưa kết
quả đo ra cổng output hiển thị lên màn hình LCD hoặc máy tính. Các kết quả đo kiểm nghiệm
cho thấy, các giá trị đo áp suất và nhiệt độ màng dầu đúng với sự phân bố áp suất và nhiệt độ
của ổ thủy động khi chịu tải. Ở cùng tải trọng, áp suất màng dầu đạt giá trị lớn nhất tại vị trí
chiều dày màng dầu nhỏ nhất (áp suất 165Kpa ở tải 30N, tốc độ 400vg/ph), khi chiều dày
màng dầu tăng thì áp suất giảm (áp suất 104,437 KPa, 106,825 KPa ở trước vị trí chiều dày
màng dầu nhỏ nhất và 113,1KPa, 100,0375 KPa ở sau vị trí chiều dày màng dầu nhỏ nhất).

Tương tự, nhiệt độ màng dầu đạt giá trị lớn nhất tại vị trí chiều dày màng dầu nhỏ nhất
(19,8250C ở tải 30N, tốc độ 200vg/ph), nhiệt độ màng dầu giảm nhẹ khi chiều dày màng dầu
tăng (19,53750C, 19,650C ở trước vị trí chiều dày màng dầu nhỏ nhất và 19,680C, 19,6250C ở
sau vị trí chiều dày màng dầu nhỏ nhất). Sự chênh lệch không lớn của nhiệt độ màng dầu tại
các vị trí khác nhau là do nhiệt được hấp thụ vào trục, bạc và dầu được tuần hoàn. Điều này
phù hợp với lý thuyết bôi trơn thủy động.
239


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Cooke W. L., 1965-1966, Dynamic Displacement in a Diesel Engine Main Bearing,
Proceeding. Lubrication and Wear Second Convention, Instn. Mech. Engrs., Vol. 23.
[2]. Rosenberg R. C., 1973, A Method for Determining the Influence of Multigrade oils on
Journal Bearing Performance, SEA TRANS. Paper 730483, Vol. 82.
[3]. Goodwin G., Holmes R., 1975, Determination of the Oil Film Thickness in a Crankshaft
Main Bearing, The Journal of Automotive Engineering, Instn, Mech, Engrs., 1975.
[4]. Moreau H., 2001, Mesures des Epaisseurs du Film d’Huile dans les Paliers de Moteur
Automobile et Comparaisons avec les Résultats Théoriques, Thèse de Doctorat de
Université de Poitiers.
[5]. OPTASANU V., 2000, Modélisation Expérimentale et Numérique de la Lubrification
des Paliers Compliants sous Chargement Dynamique, Thèse de Doctorat de
l’Université de Poitiers.
[6]. Hoang L. V., 2002, Modélisation Expérimentale de la Lubrification
Thermoélastohydrodynamique des Paliers de Tête de Bielle. Comparaison entre les
Résultats Théoriques et Expérimentaux, Thèse de Doctorat de l’Université de Poitiers.
[7]. Trần Thị Thanh Hải, Nghiên cứu sai số hình học của ổ đỡ và thực nghiêm ổ, 1999.
[8]. Phạm Văn Hùng, Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo áp suất ổ thủy động dùng các
phương pháp biểu thị và đánh giá hiện đại, Đề tài cấp Bộ, Mã số B2005-28-216, 2005.
[9]. Văn Thế Minh, Kỹ thuật vi xử lý, NXB Giáo dục, 1997.

[10]. Đỗ Xuân Tiến, Kỹ thuật vi xử lý và Lập trình Assembly cho hệ vi xử lý, NXB Khoa học
& kỹ thuật, 2001.
[11]. Dương Minh Trí, Cảm biến và ứng dụng, NXB KH & KT, 2001.
[12]. Frêne Jean, Daniel Nicolas, Bernard Degueurce, Daniel Berthe, Maurice Godet,
Préfacede Gilbert Riollet., Paris 1990, Lubrification hydrodinamique Paliers et butées.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

Phạm Trung Thiên. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
, Tel: +84438680073.

2.

Trần Thị Thanh Hải. Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
, Tel: +84438680073.

240