Nghiên cứu thiết kế và công nghệ phục hồi bạc đỡ ba bít của các tua

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đƣợc đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ
lực cố gắng của bản thân còn có sự hƣớng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng nhƣ
sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và
thực hiện luận văn thạc sĩ.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy giáo: PGS-TS. Phạm Văn Hùng,
ngƣời đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn
này. Xin gửi lời tri ân nhất của tôi đối với những gì mà Thầy đã dành cho tôi. Xin chân
thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn Máy & Ma sát học
Viện Cơ khí- Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt những kiến
thức quý báu cũng nhƣ tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học
tập nghiên cứu và cho đến khi hoàn thành đề tài luận văn.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những ngƣời đã không
ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian
học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các anh chị và các
bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2014.
Học viên thực hiện

Nguyễn Trung Thành

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trong luận
văn là trung thực.
Hà Nội, ngày 28 tháng 03 năm 2014
Học viên

Nguyễn Trung Thành

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU CHÍNH ........................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .............................................. 9
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 11
Chƣơng I : TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT BÔI TRƠN ............................................ 13
1. Cơ sở lý thuyết bôi trơn.............................................................................................. 13
1.1. Quá trình phát triển ma sát học và công nghệ bôi trơn trƣớc thế kỷ 20.................. 13
1.2. Quá trình phát triển của ma sát học và công nghệ bôi trơn, từ thế kỷ 20. .............. 14
1.3. Các dạng bôi trơn .................................................................................................... 16
1.4. Vật liệu bôi trơn ...................................................................................................... 18
2. Bôi trơn, tính toán ổ đỡ thủy động ............................................................................. 19
2.1. Giới thiệu chung ...................................................................................................... 19
2.2. Các ổ đỡ thủy động. ................................................................................................ 21
Kết luận Chƣơng I .......................................................................................................... 32
Chƣơng II: TUABIN HƠI KHÍ ( TUABIN NHIỆT ĐIỆN), CÁC LOẠI GỐI ĐỠ
TUABIN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TỚI 300 MW ....................................... 33
1. Khái quát .................................................................................................................... 33
2. Lịch sử phát triển........................................................................................................ 33
3. Sơ lƣợc về tua bin hơi khí .......................................................................................... 35
3.1. Tua bin hơi nƣớc (Steam Turbine) .......................................................................... 35
3.2. Giới thiệu một số chủng loại Tua bin- Máy phát .................................................... 35

3


4. Các loại gối đỡ ........................................................................................................... 37
4.1. Paliê đỡ (Gối đỡ) ..................................................................................................... 37
4.1.1. Gối đỡ hình trụ ..................................................................................................... 37
4.1.2. Gối đỡ tự lựa ........................................................................................................ 39
4.2. Paliê đỡ- chặn (Gối đỡ- chặn) ................................................................................. 40
4.2.1. Phân loại các dạng gối đỡ- chặn .......................................................................... 41
4.2.1.1. Gối chặn ............................................................................................................ 41
4.2.1.2. Gối đỡ- chặn ...................................................................................................... 43
5. Vị trí lắp đặt các gối đỡ tua bin của tổ máy nhiệt điện đốt than 300MW và sự bôi
trơn các gối. .................................................................................................................... 45
5.1. Giới thiệu tua bin K300-170-1P .............................................................................. 45
5.2. Vị trí lắp đặt các gối đỡ của tua bin K300-170-1P ................................................. 47
5.3. Sự bôi trơn các gối đỡ . ........................................................................................... 48
5.4. Hệ thống dầu nâng thủy lực rô to Tua bin - máy phát ............................................ 51
Kết luận chƣơng II: ........................................................................................................ 53
Chƣơng III: CÁC DẠNG SAI HỎNG VÀ CÁC BƢỚC CƠ BẢN PHỤC HỒI........... 54
BẠC ĐỠ BA BÍT TUA BIN NHIỆT ĐIỆN 300MW.................................................... 54
1. Định nghĩa .................................................................................................................. 54
2. Mòn cặp ma sát .......................................................................................................... 55
3. Phân loại các dạng mòn của cặp ma sát ..................................................................... 55
4. Một số hình ảnh về các dạng hƣ hỏng các loại gối đỡ tua bin K300- 170-1P ........... 56
5. Kiểm tra bạc đỡ Tua bin k300 - 170 - 1P theo lý thuyết bôi trơn. ............................. 57
5.1. Đặc điểm, điều kiện làm việc của gối đỡ Tua bin................................................... 57

4

5.2. Các yêu cầu chung khi nghiên cứu ......................................................................... 58
5.3. Các yêu cầu khi gia công ........................................................................................ 60
5.4. Yêu cầu về vật liệu lót trong ổ đỡ trục ba bít .......................................................... 63
5.4.1. Yêu cầu đối với hợp kim (vật liệu lót) làm ổ trƣợt .............................................. 63
5.4.2. Chọn vật liệu ........................................................................................................ 63
5.5. Tính ổ đỡ ba bít ....................................................................................................... 66
5.5.1. Cơ sở lý thuyết ..................................................................................................... 66
5.5.1.1. Tính gần đúng ổ đỡ ba bít. ................................................................................ 66
5.5.1.2. Tính toán ổ trƣợt chặn. ...................................................................................... 68
6. Các bƣớc cơ bản phục hồi bạc đỡ ba bít Tuabin nhiệt điện 300MW. ....................... 69
6.1. Công nghệ gia công bạc ba bít gối đỡ tua bin cho Nhà máy nhiệt điện 300MW ... 71
6.2. Một số hình ảnh quá trình gia công, phục hồi Gối đỡ Ba bít của Tua bin .............. 73
6.3. Tính toán kiểm tra điều kiện làm việc của ổ đỡ cho Tubin nhiệt điện 300MW ..... 75
Kết luận chƣơng 3 .......................................................................................................... 78
Kết luận chung ............................................................................................................... 79
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 80

5


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU CHÍNH
Ý nghĩa

Ký hiệu
µ

Đơn vị đo là Pa.s= N/m2.s



Độ nhớt động học



Khối lƣợng riêng của dầu ở nhiệt độ t0 đƣợc tính bằng kg/m3

e

Độ lệch tâm hay khoảng cách giữa hai tâm của ổ trục và trục đỡ

ε

Tỉ lệ lệch tâm (độ lệch tâm tƣơng đối)

hmin

Khoảng cách nhỏ nhất giữa hai bề mặt rắn

θ

Góc điểm dày nhất của màng

ψ

Góc chất tải

L/D

Tỷ lệ chiều dài và đƣờng kính ổ

W

Độ lớn của tổng tải trên trục đỡ

W*

Tải không thứ nguyên

D

Đƣờng kính trục

S’

Một nhóm không thứ nguyên

N

Là gốc tọa độ quay

Qin

Chiều dài tại điểm vào

Quot

Chiều dài tại điểm ra

Q*

Giá trị không thứ nguyên

p*

Không thứ nguyên

A,B,C
Б
SnSb

Đƣờng cong
Ba bít
Pha kết tinh trƣớc

p

Áp lực riêng

P

Lực tác dụng lên ổ trƣợt
6

Ghi chú


d

Đƣờng kính ổ trƣợt

l

Chiều dài ổ trƣợt

v

Vận tốc vòng trên ngõng trục

n

Tần số quay của trục

Mms

Mô mem ma sát



Khe hở hƣớng kính giữa ngõng trục và máng lót



Hệ số tính đến độ giảm bề mặt làm việc của ngõng trục

d

Đƣờng kính ngoài của ngõng vành, chọn theo thiết kế.

d1

Đƣờng kính của ngõng trục vành đƣợc tính theo áp lực riêng .

P0

Áp suất hơi ban đầu

TΠ-22C Mác loại dầu Tuabin

7


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. Thành phần hóa học cơ bản
Bảng 3.2. Tính chất cơ lý
Bảng 3.3. Các thông số không thứ nguyên của ổ đỡ

8


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. a)Tính chất đặc trƣng của ổ thủy động, b) Biểu đồ áp suất
Hình 1.2. Ổ đỡ, trục quay ở tốc độ ω
Hình 1.3. Ổ đỡ có chiều dài L và đƣờng kính D: ổ hẹp có D/L < 0,25
Hình 1.4. Đặt lực trên ổ đỡ
Hình 1.5. Thay đổi của góc là hàm số của độ lệch tâm tƣơng đối:
a- Ổ đỡ kín 360° A : Ổ hẹp, B: Ổ dài vô hạn;
b- Ổ đỡ với L/D = 1 và góc bao của C: 360°, D: 180°, E: 60°
Hình 1.6. Lƣu lƣợng không thứ nguyên Q* cho ổ đỡ hoàn toàn với thay đổi của tỷ số
L/D là hàm số của độ lệch tâm tƣơng đối

Hình 2.1. Hình ảnh Tua bin nhà máy nhiệt điện
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo một tua bin hơi nƣớc
Hình 2.3. Mặt cắt dọc của Tuabin K-50-90
Hình 2.4. Gối đỡ trụ của tuabin K300- 170-1P;các thông số: 300MW, 300 v/ph,
d 475 mm
Hình 2.5. Gối đỡ trụ của tuabin K300- 170-1P;các thông số: 300MW, 300 v/ph,
d 436 mm
Hình 2.6. Bản vẽ Gối đỡ tự lựa của tuabin nhiệt 300MW
Hình 2.7. Bản vẽ Gối đỡ tự lựa của tuabin nhiệt 300MW
Hình 2.8. Một gối chặn hình răng lƣợc điển hình
Hình 2.9. Một gối chặn hình đáy quạt điển hình
Hình 2.10. Nửa dƣới một gối đỡ - chặn hình răng lƣợc
Hình 2.11. Bản vẽ gối đỡ - chặn liên hợp của Tua bin K300-170-1P
Hình 2.12. Mặt cắt dọc của Tua bin K300-170-1P
Hình 2.13. Sơ đồ lắp đặt các gối đỡ, đỡ chặn và bôi trơn các gối
Hình 3.1. Gối đỡ nửa dƣới với các vùng hƣ hỏng cần đƣợc phục hồi
9


Hình 3.2. Hình ảnh một gối đỡ Roto Tua bin- Máy phát 32,5MW,3500vph,
đƣờng kính 280mm
Hình 3.3. Sơ đồ sự hình thành và làm việc của màng dầu
Hình 3.4. Sơ đồ gia công tạo khe hở trên máng trục (gối đỡ)
Hình 3.5. Sơ đồ sự trƣợt của vật rắn khi bôi trơn giới hạn
a) Bôi trơn bề mặt lý tƣởng,

b) Tiếp xúc của bề mặt thực

A- Đoạn truyền tải trọng,

B- Đoạn tiếp xúc thực

Hình 3.6. Tổ chức tế vi của hợp kim Pb-Sb
a) Cùng tinh

b) Trƣớc cùng tinh (40% Sn)

Hình 3.7. (a). Giản đồ pha Sn- Sb; (b). Tổ chức tế vi của hợp kim Б83
Hình 3.8. Ảnh chụp tổ chức tế vi mầu Б88
Hình 3.9. Thiết bị gia công cơ, máy phay CNC- OKK (Nga)
Hình 3.10. Kiểm tra Gối đỡ ba bít của Tua bin đốt than 300MW (K300-170-1P)trƣớc
khi phục hồi sửa chữa [ 8 ]
Hình 3.11. Ổ sau khi phục hồi [ 8 ]
Hình 3.12. Ổ sau khi phục hồi đƣợc lắp lên Tuabin 300MW [ 8 ]

10


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Hiện nay nghành Công nghiệp sản xuất năng lƣợng (điện năng) ngày càng phát
triển mạnh mẽ, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng đang ngày một tăng cao, việc
phát triển hệ thống các máy nhiệt điện là một thực tế cấp thiết. Trong những năm qua
các nhà máy nhiệt điện ở nƣớc ta đã và đang đƣợc phát triển một cách nhanh chóng.
2. Lịch sử nghiên cứu.
Trong hai năm 2001- 2002 nghành điện lực Việt Nam đƣa vào vận hành thêm các
dự án nhà máy điện làm tăng thêm 3084 MW cho hệ thống điện Quốc gia, các dự án là:
Nhiệt điện Phú Mỹ I, Phú Mỹ II, nhiệt điện Phả Lại II, nhiệt điện Bà Rịa đuôi hơi 3062. Nhà máy nhiệt điện Uông Bí Mở rộng I có công suất 300MW là một trong những dự
án đợc xây dựng trong giai đoạn 2002- 2005, sau khi hoàn thành, hàng năm Nhà máy
nhiệt điện Uông Bí mở rộng I sẽ cung cấp khoảng 1,8 tỷ KWh điện, tiêu thụ 876.000

tấn than, góp phần vào mục tiêu đến năm 2020 khi nƣớc ta cơ bản trở thành nƣớc công
nghiệp thì phải cần đến 250 tỷ KWh điện.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
Với sự phát triển mạnh mẽ của nghành công nghiệp nhiệt điện, đòi hỏi nghành cơ
khí chế tạo phải hội nhập kịp thời để đáp ứng các nhu cầu cung cấp chi tiết, thiết bị
phục vụ nghành sản xuất điện năng. Cứ sau các chu kỳ làm việc, hệ thống các nhà máy
điện phải tiến hành đại tu, sữa chữa (định kỳ) để đảm bảo tuổi thọ và độ bền tin cậy
khi làm việc, đây là một khối lƣợng công việc không nhỏ nhƣng đòi hỏi phải có
nghành Công nghệ phụ trợ phát triển để cung cấp các sản phẩm và dịch vụ thay thế từ
đơn giản đến phức tạp trong các nhà máy điện.
Trong đó hệ thống Tua bin- Máy phát là hệ thống thiết bị chính trong dây chuyền
sản xuất điện năng của một tổ hợp Nhà máy điện. Thiết bị các gối đỡ, đỡ- chặn là một
trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống Tua bin- máy phát. Các thiết bị này luôn
phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt: Vận tốc lớn, áp lực cao, trong những trƣờng
11


hợp bị quá tải …, hơn nữa các thiết bị này rất nhạy cảm với các thay đổi từ tải trọng tác
động đến khả năng và tính chất bôi của hệ thống bôi trơn làm mát…, nên đòi hỏi phải
đƣợc chăm sóc đặc biệt
Các thông số làm việc ổn định của cụm các thiết bị Paliê - Gối đỡ cùng với các
thông số hệ thống khác sẽ quyết định hiệu suất làm việc của Tua bin- Máy phát, cũng
nhƣ đảm bảo chế độ làm việc an toàn. Từ đó việc bảo dƣỡng , sửa chữa định kỳ cũng
nhƣ việc khắc phục các sự cố tức thời các tiết bị trên là rất quan trọng và luôn phả tuân
theo quy trình nghiêm ngặt.
4. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Luận văn đã đi sâu vào nghiện cứu, tìm hiểu bôi trơn ổ đỡ thủy động làm cơ sở
cho quá trình nghiên cứu thực nghiệm việc gia công phục hồi gối đỡ ba bít của tua bin
trong các nhà máy nhiệt điện đến 300MW
5. Phƣơng pháp nghiên cứu.

Để đáp ứng kịp thời, chủ động trong sản xuất và cũng là để thực hiện chủ trƣơng
đúng đắn là nâng cao tỷ trọng sản phẩm cơ khí trong nƣớc, phục vụ chƣơng trình nội
địa hóa, dần thay thế giá trị kinh tế nhập ngoại rất cao, việc tiến hành khảo sát toàn bộ
hệ thống Tua bin- Máy phát và đặc biệt là các thiết bị Gối đỡ, thu nhập dữ liệu, xử lý
dữ liệu thống kê và đã có giải pháp Công nghệ phù hợp (trong điều kiện cơ khí trong
nƣớc) để kịp thời khắc phục sữa chữa các thiết bị Gối đỡ nói trên.

12


Chƣơng I
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT BÔI TRƠN
1. Cơ sở lý thuyết bôi trơn
1.1. Quá trình phát triển ma sát học và công nghệ bôi trơn trƣớc thế kỷ 20.
Hiện tƣợng ma sát đã đƣợc biết đến và ứng dụng từ lâu đời. Ứng dụng đầu tiên
vào khoảng 4000 năm trƣớc công nguyên là việc sử dụng các thanh lăn và xe đẩy để di
chuyển và chuyên chở các vật nặng mà ít tốn sức ngƣời. Trải qua nhiều thiên niên kỷ
ngƣời ta đã không ngừng cải tiến và hoàn thiện các công cụ đó. Hiện nay các công cụ
này đã ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi và đã trợ giúp đắc lực cho việc giải phóng sức
lao động cơ bắp cho con ngƣời. Trong đó, các ổ trục bằng kim loại đã xuất hiện ở
Trung Quốc lần đầu tiên vào khoảng năm 900 khi đó nó đƣợc bôi trơn bằng dầu thƣc
vật hoặc mỡ động vật.
Về mặt lý thuyết, phát minh đầu tiên là của Leonard de Vinci (1452-1519) về các
hiệu ứng ma sát và các khái niệm về hệ số ma sát. Các sơ đồ nguyên lý nhằm giảm hệ
số ma sát của ông cho đến nay vẫn có tính thực tiễn cao. Cuộc cách mạng khoa học lần
thứ nhất (1500-1750) đã ghi nhận những bƣớc phát triển mạnh mẽ của ngành ma sát
học trong cơ khí, đáp ứng đƣợc nhu cầu chế tạo trang thiết bị ngày càng phức tạp. Nổi
bật trong thời kì này là các công trình nghiên cứu của Bernard de Berlidor (16971761) về kỹ thuật dẫn hƣớng và nâng, ngoài ra còn có công trình của Euler (17071783) về tính toán hệ số góc ma sát và hiệu ứng nhấp nhô bề mặt.
Nền công nghiệp phát triển với tốc độ ngày càng cao đã đẩy nhanh tốc độ nghiên
cứu và ứng dụng về ma sát và bôi trơn. Trong thời kì này vấn đề đƣợc đặt ra trong công

trinh của Charles Augustin Coulomb (1736- 1806) là: Ma sát học đã xét đến tính chất
của vật liệu và hiệu ứng bôi trơn, mối quan hệ của tải trọng với đặc tính tĩnh và động
của các cặp ma sát. Từ đó ma sát học ngày càng đƣợc nghiên cứu sâu rộng hơn. Có thể
kể đến các công trình G.A.Hỉm (1851- 1890), N. P.Petrov (1862- 1920), B. Tower
(1845- 1904)…Trong lĩnh vực bôi trơn và cơ học ở giai đoạn này, nổi bật là các công
13


trình về việc mô hình hóa các dòng chảy chất lỏng đơn giản của Stock, hình thành
phƣơng trình tổng quát chuyển động của chất lỏng của L.H.Navier (1842- 1836), luật
chảy của J.M.Poiseuille (1799-1869). Đặc biệt là phƣơng trình tổng quát nổi tiếng
trong bôi trơn thủy động đƣợc Osborne Reynolds (1842- 1912) công bố vào năm 1886.
Phƣơng trình Reynolds đánh dấu bƣớc phát triển nhảy vọt, nó đã đặt nền móng
cho mọi nghiên cứu về công nghệ bôi trơn cho đến hiện nay. Xuất phát từ phƣơng trình
Navier- Stock và với các giả thiết về dòng chảy của màng dầu bôi trơn, dạng cơ bản
của nó là:
  3 p    3 p 
h


h
 h
  6  U 0  U1   2V1 
x  x  z  x 
x



(1.1)

Lý thuyết của Reynolds đã đƣợc sử dụng rộng rãi bắt đầu từ thế kỷ 20 trong việc
nghiên cứu các hệ thống bôi trơn: Hệ thống ổ thủy động, bôi trơn thủy động đàn hồi,
bôi trơn với các chế độ dòng chảy và vật liệu khác nhau. Hơn nữa nó còn thúc đẩy các
lĩnh vực nghiên cứu khác có liên quan đến kĩ thuật bôi trơn nhƣ: Hóa học, gia công cơ
khí, phƣơng pháp tính…
1.2. Quá trình phát triển của ma sát học và công nghệ bôi trơn, từ thế kỷ 20.
Nghiên cứu về ma sát học (Tribology) là khoa học liên ngành của ba lĩnh vực
khoa học: Ma sát, bôi trơn và mòn. Thực chất nó là nội dung nghiên cứu về các bộ
phận tiếp xúc có chuyển động trong các máy móc và thiết bị công nghiệp. Công nghệ
bôi trơn là ngành đầu tiên đƣợc nghiên cứu rất nhiều trong khoa học về ma sát học.
Trƣớc hết là các công trình xoay quanh phƣơng pháp giải phƣơng trình Raynolds. Năm
1095 A.Gmichell (1870- 1959) đã chỉ ra đƣợc sự giảm áp suất ở phần biên của màng
dầu bôi trơn giữa hai tấm phẳng kích thƣớc hữu hạn. Vào năm 1904 ngƣời ta có
phƣơng pháp giải bằng giải tích cho ổ dài với điều kiện biên mang tên gọi tác giả của
J.W.Sommerfield (1868- 1951). Tuy nhiên do chƣa tính đến sự dán đoạn của màng dầu
nên áp suất ở vùng ra của màng dầu không thực tế (áp suất âm). Năm 1914
14


L.F.Gumbel (1874- 1923) đã đề nghị bỏ qua miền áp suất âm khi tính ổ. Sau đó năm
1923 H.B.Swift (1894- 1960) đã xác định có vùng áp suất bão hòa của màng dầu và
định ra điều kiện biên của Reynolds có xét đến sự bảo toàn lƣu lƣợng của màng dầu.
Đó chính là cơ sở cho thuật toán giải số của Chrirtopherson năm 1941.
Bằng phƣơng pháp tƣơng tự điện, năm 1931 A.Kíngbury (1863- 1943) đã trình
bày phƣơng pháp giải gần đúng phƣơng trình Reynolds. Đối với ổ có chiều dài nhỏ hơn
với đƣờng kính, bỏ qua gradien áp suất theo chu vi năm 1953 là giải pháp của
F.W.Ocvirk (1913-1967). Cuối cùng cách giải tổng quát và trọn vẹn phƣơng trình
Reynolds ở dạng vi phân đạo hàm riêng là sử dụng phƣơng pháp số. Các phƣơng pháp
đầu tiên đã đƣợc đƣa ra bởi Cameron và Wood năm 1949 rồi đến pincus, Raimondi và
Boyd năm 1958. Hiện nay nhờ vào sự phát triển vƣợt bậc của các công cụ tính toán nên

các lời giải cho các kết cấu bôi trơn đã đƣợc đƣa ra nhanh chóng và đáng tin cậy.
Các hiệu ứng khác trong bôi trơn ngày càng đƣợc triển khai nghiên cứu cụ thể.
Mặc dù hiệu ứng nhiệt đƣợc Kingsburry đề cập từ năm 1933, nhƣng đến năm 1962
phƣơng trình tổng quát nhiệt thủy động mới đƣợc viết ra lần đầu tiên bởi D.Dowson.
Tuy nhiên để tính nhiệt cho tất cả các trƣờng hợp cho đến nay vẫn còn là bài toán cần
phải tiếp tục giải quyết.
Việc sử dụng chất bôi trơn có độ nhớt thấp hay tăng tốc độ trƣợt trong bôi trơn
thủy động làm sinh ra hiệu ứng thay đổi chế độ chảy của màng dầu. Các phân tích đầu
tiên về bôi trơn với dòng chảy xoắn và rồi là các nghiên cứu của G.I.Taylor năm 1923.
Công thức tính đến lực quán tính của màng dầu đƣợc trình bày bởi Slezkin và Targ
năm 1946 và của D. Wilcook năm 1950. Trong bôi trơn lƣu biến động tính chất chảy
của loại vật liệu này đã đƣợc đặc trƣng bởi định luật của Bingham từ đầu thế kỷ,
những ứng dụng trong bôi trơn đã đƣợc ghi nhận trong các công trình của R.Powell và
H.Eying năm 1944 và A.Síko năm 1958. Có rất nhiều công trình nghiên cứu về hiệu
ứng trên chế độ chảy của màng đầu trong bôi trơn. Nhƣng do phƣơng trình mô tả dạng
phi tuyến, nên việc nghiên cứu cơ hệ bôi trơn ở đây vẫn luôn là vấn đề thời sự.
15


Một dạng bôi trơn với các tính năng đặc biệt là bôi trơn thủy tĩnh và khí tĩnh các
bề mặt ma sát hoàn toàn bị tách rời bởi màng dầu có áp suất cao, ngay cả ở trạng thái
tĩnh. Nó nâng cao độ chính xác và tin cậy của thiết bị. Năm 1917 L.Rayleigh đã đƣa ra
các tính toán đầu tiên về khả năng tải và mômen ma sát của một ổ trục bôi trơn thủy
tĩnh. Tuy dạng bôi trơn này yêu cầu một hệ thống thủy lực phức tạp kèm theo, nhƣng
do ƣu điểm của nó, chúng ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi đặc biệt là trong các ổ
trục chụi tải lớn và đòi hỏi độ chính xác cao. Trong trƣờng hợp màng dầu bôi trơn thủy
động đàn hồi. Ví dụ trong bôi trơn ổ lăn, ổ chụi tải lớn hay cặp bánh răng. Cơ sở
nghiên cứu trong trƣờng hợp này là lý thuyết của H.R.Hert (1857- 1864) với các tiếp
xúc không có chất bôi trơn và mô hình hóa dòng chảy trong tiếp xúc hẹp của Martin
năm 1916. Nó đƣợc bổ sung bằng tính toán của Gatcombe và Grubin năm 1946, nhờ

vào các phƣơng tiện tính toán số, song đây là dạng bôi trơn phức tạp nên hiện nay còn
tồn tại sự sai khác giữa lý thuyết và thực tế. Vì vậy cơ sở của dạng bôi trơn thủy động
đàn hồi vẫn là mục đích của nhiều nghiên cứu.
Tổng quát hóa các nội dung nghiên cứu về bôi trơn năm 1970 là các kết quả
nghiên cứu của M.Godel và cộng sự tại INSA Lyon (Pháp) với mô hình ba vật thể (
Trois cops) đặc trƣng cho hai bề mặt ma sát. Việc xác định các đặc tính tĩnh của lớp
vật liệu đó cho phép xác định đầy đủ hơn các hệ thống số của toàn bộ vùng tiếp xúc.
1.3. Các dạng bôi trơn
Ma sát và bôi trơn quyết định khả năng làm việc của các cặp ma sát, đặc biệt là
trong các loại ổ trục bạc. Tùy theo điều kiện bôi trơn ổ, ma sát đƣợc chia ra các dạng:
Theo trạng thái bôi trơn có ma sát khô, ma sát ƣớt và ma sát nửa ƣớt. Theo vật
liệu bôi trơn có bôi trơn chất rắn (graphit, bisunfitmolybdene), bôi trơn chất lỏng
(nƣớc, dầu, mỡ), và bôi trơn chất khí.
- Ma sát khô là ma sát trong đó hai bề mặt ma sát tiếp xúc nhau tuyệt đối sạch và
không đƣợc bôi trơn bằng bất cứ chất bôi trơn nào hoặc không có điều kiện khẳng định
chất bôi trơn hay bất kỳ chất nào khác. Trong ma sát khô hệ số ma sát cao hơn nhiều so
16


với các dạng ma sát khác.
- Ma sát ƣớt là ma sát trong đó hai bề mặt ma sát đƣợc ngăn cách với nhau bởi
một lớp chất bôi trơn có chiều dày lớn hơn tổng chiều dày độ nhấp nhô của hai bề mặt
ma sát, chuyển động tƣơng đối giữa hai bề mặt đó khi đó bị cản bởi nội ma sát của chất
bôi trơn, nói cung là rất nhỏ:
h> RZ1 + RZ2

(1.2)

- Ma sát nửa ƣớt là dạng ma sát phụ thuộc cả vào chất lƣợng chất bôi trơn và tính
chất vật liệu của bề mặt ma sát.

Trong thực tế, không có ma sát khô bởi vì trong mọi trƣờng hợp hai bề mặt ma
sát cũng không thể là sạch tuyệt đối, môi trƣờng xung quanh ít nhất cũng có hơi ẩm
bao phủ. Bôi trơn ma sát ƣớt có hai dạng chủ yếu là bôi trơn thủy động và bôi trơn thủy
tĩnh.
- Bôi trơn thủy tĩnh là dạng bôi trơn có bơm dầu vào ổ với áp suất cao đủ để nâng
trục tách khỏi ổ bởi màng dầu. Phƣơng pháp này đòi hỏi có trang thiết bị khá phức tạp
và đắt tiền. Nó chỉ đƣợc dùng với nhƣng ổ trục đặc biệt quan trọng, trong các thiết bị
đặc chủng.
- Bôi trơn thủy động là dạng bôi trơn trong đó tính chất động học đƣợc lợi dụng
để tạo điều kiện cho dầu bôi trơn chảy vào khe hẹp giữa trục và ổ với áp suất cân bằng
tải trọng bên ngoài. Dạng bôi trơn này rất thuận tiện vì vậy nó đƣợc ứng dụng rất phổ
biến. Tùy theo số Raynolds R= Vh/ mà có các dạng bôi trơn tuyến tính, bôi trơn lƣu
biến (thƣờng đối với chất bôi trơn dạng mỡ có R nhỏ, hay độ nhớt cao) và bôi trơn rối
(đối với chất bôi trơn là nƣớc hay khí). Bôi trơn dƣới áp lực cao có biến dạng các bề
mặt ma sát gọi là bôi trơn thủy động đàn hồi, thƣờng thấy ở ổ lăn, chụi tải lớn hay cặp
bánh răng ăn khớp.Tuy nhiên, một kết cấu bôi trơn bao giờ cũng là tổng hợp của dạng
bôi trơn khác nhau, vì thế khi tính toán mới có thể đáp ứng tƣơng đối đầy đủ các khía
cạnh kỹ thuật khác nhau.

17


1.4. Vật liệu bôi trơn
Vật liệu bôi trơn bao gồm các loại dầu mỡ nhƣ dầu khoáng, dầu thực vật và mỡ
động vật. Trong đó dầu khoáng đƣợc dùng nhiều nhất vì dễ khai thác, công nghệ ổn
định và rẻ tiền. Mỡ động vật và dầu thực vật có nhiều đặc tính tốt nhƣng đắt tiền, ngƣời
ta thƣờng pha thêm chúng vào dầu khoáng với một tỷ lệ nhỏ hợp lý để cải thiện đặc
tính bôi trơn.
Hai đặc tính quan trọng của tính chất bôi trơn là độ nhớt và tính năng bôi trơn.
Độ nhớt cong gọi là ma sát trong của chất bôi trơn thể hiện khả năng cản trƣợt

giữa các lớp chất bôi trơn trong quá trình chuyển động. Đối với bôi trơn ƣớt độ nhớt là
nhân tố quan trọng quyết định khả năng tải của khớp ma sát. Trong tính toán bôi trơn
thủy động ngƣời ta thƣờng dùng độ nhớt động lực (độ nhớt tuyệt đối  - đơn vị đo là
Pa.s= N/m2.s Trong đó sản xuất chất bôi trơn ngƣời ta hay dùng độ nhớt động học  để
đánh giá:


St  cm 2 / s 

(1.3)

- Khối lƣợng riêng của dầu ở nhiệt độ t0 đƣợc tính bằng kg/m3 khi nhiệt độ tăng
v

lên thì độ nhớt giảm xuống theo công thức:

t 
t  t 0  0 
t 

m

(1.4)

m= 2,6  3
Tính năng bôi trơn của dầu bôi trơn là khả năng dễ dàng tạo màng dầu bôi trơn có
lực cản trƣợt thấp nhờ đó làm giảm ma sát và mòn trong ổ ma sát.
Một số loại dầu thƣờng dùng:
- Dầu công nghiệp nhẹ: Vêlôvit, vadơlin, dầu phân ly…
- Dầu công nghiệp trung bình: dầu công nghiệp 12, 20, 30, 45, 50 hay tua bin 22,

35, 46, 57.
- Dầu công nghiệp nặng: dầu xi lanh 11, 24…
Đối với ổ trƣợt tốc độ quay càng cao thì dùng dầu có độ nhớt càng thấp, tải trong
18


càng cao thì độ nhớt phải càng cao. Nếu dùng dầu có độ nhớt không hợp lý thì ổ sẽ
nhanh mòn khi độ nhớt thấp hoặc tổn hao công suất lớn khi dầu có độ nhớt cao.
2. Bôi trơn, tính toán ổ đỡ thủy động
2.1. Giới thiệu chung
Trong một số trƣờng hợp quan trọng, khi đƣợc cung cấp đủ chất bôi trơn, các cơ
cấu, máy móc phải chịu đƣợc tải trọng tác dụng, sự trƣợt của bề mặt và không đƣợc
phép mòn đến mức phá hủy bề mặt. Chất bôi trơn có thể tác động theo hai hƣớng riêng
biệt nhƣng không đƣợc loại trừ lẫn nhau. Chức năng đầu tiên của chất bôi trơn là có thể
tách ly vật lý các bề mặt bằng một chất có tính dính kết đặt giữa chúng - màng nhớt là
tƣơng đối dày (lớn hơn độ nhám bề mặt) Trong ổ thủy tĩnh màng này đƣợc hình thành
do bơm cung cấp từ bên ngoài, vì vậy sự tạo thành màng phụ thuộc vào sự hoạt động
liên tục của nguồn năng lƣơng bên ngoài. Trong ổ thủy động, qúa trình hình thành
màng dựa vào đặc điểm hình học, chuyển động của bề mặt (đúng nhƣ từ thủy động)
với độ nhớt sẵn có của chất lỏng. Vai trò thứ hai của chất bôi trơn là tạo thêm màng
mỏng bảo vệ bề mặt cho một hoặc hai bề mặt rắn. ngăn cản hoặc hạn chế đến mức thấp
nhất việc tạo ra mối liên kết bám dính hoặc sự phá hủy bề mặt ở chỗ tiếp xúc ma sát,
Nếu lớp bảo vệ này có độ bền cắt tƣơng đối thấp thì lực ma sát có thể giảm và đƣợc gọi
là ma sát bôi trơn tới hạn. Màng giới hạn nói chung là rất mỏng, có thể là một vài phân
tử chiều dày và sự tạo thành, tồn tại của màng dầu phụ thuộc rất nhiều vào sự tƣơng tác
lý hóa giữa các thành phần bôi trơn và bề mặt chi tiết.
Khả năng chụi tải của ổ thủy động phụ thuộc vào chuyển động của chất lỏng bôi
trơn trong khe hở hình chêm đƣợc tạo thành do sự chuyển động của các bề mặt và độ
lớn nhất của dầu. Áp suất đƣợc tạo thành sẽ đẩy tách ly các bề mặt phân cách chêm và
nó cân bằng với tải. Vấn đề cần phải nghiên cứu của ổ thủy động là thiết lập mối quan

hệ giữa vận tốc trƣợt, đặc điểm hình học bề mặt, đặc tính chất bôi trơn và độ lớn của tải
trọng mà ổ có thể đỡ. Hình 1.1a biểu diễn nguyên lý của ổ thủy động hai chiều, trên
mặt cắt ngang chêm dầu ổ đỡ là kéo dài theo phƣơng y vì vậy không có dòng chất lỏng
19


R

(a)

p

̅

z

U

x

(b)

Maximum
p

x

Hình 1.1.a)Tính chất đặc trƣng của ổ thủy động, b) Biểu đồ áp suất
theo phƣơng pháp tuyến với mặt phẳng tờ giấy. Phía trên là mặt phẳng cố định nằm
nghiêng có chiều dài B, khi mặt phẳng trƣợt phía dƣới di chuyển từ trái sang phải với

vận tốc U. Màng chất lỏng liên tục có chiều dày hi tại cạnh trái hay lối dầu vào của ho
tại chỗ dầu thoát ra. Hình 3.1b là biểu đồ phân bố áp suất đối với chất lỏng nhớt. Tải
20


trọng đặt lên ổ trên đơn vị chiều dài theo phƣơng Oy là W/L và đƣờng tác dụng lực
đƣợc đặt tại khoản cách B từ phía dẫn dầu vào: nói chung là sự phân bố áp suất là
không đối xứng và vì vậy  ≠ 0,5
Cần lƣu ý rằng sơ đồ có góc chêm là 1/4 độ tƣơng đƣơng 40 m trên 100mm. Khả
năng chụi tải ổ loại này không phụ thuộc vào độ chính xác hình dạng và độ nghiêng
của hình chêm giữa miền vào và miên ra, nhƣng chúng bị ảnh hƣởng bởi tỷ số chiều
dày màng dầu vào h1 và đầu ra h0 và dòng chất lỏng là chảy tầng. Trong điều kiện chiều
rộng của ổ lớn, ổ chạy nhanh có thể tạo thành dòng siêu chảy tầng hay dòng chảy
rối và ảnh hƣởng chế độ bôi trơn của ổ.
2.2. Các ổ đỡ thủy động.
Các ổ trục đỡ là dạng chi tiết máy đƣợc sử dụng rộng rãi trong các bộ phận đỡ
thủy động. Dƣới tác đông của tải, một trục quay, hoặc ngoõng trục đƣợc đỡ trong một
ống lót tròn có đƣờng kính khá lớn. Trong (Hình 1.6a) C là tâm của ngoõng trục đỡ và
O là tâm của ống lót hay ổ trục; c là khoảng hở hay độ chênh lệch bán kính giữa ngõng
trục và ổ trục. Ở đây c đƣợc biểu diễn khá lớn - trong thực tế thƣờng là nhỏ hơn 1%
bán kính ổ trục. Xem xét hiện tƣợng xẩy ra nếu trục đỡ mang tải theo phƣơng duy nhất
W bắt đầu quay với một vận tốc nhỏ hơn ω. Trục đỡ và bề mặt ổ trục tiếp xúc tại điểm
P và tại đây lực tiếp xúc R sẽ đƣợc sinh ra bằng và ngƣợc chiều với tải W. Lực R này
thƣờng đƣợc tách thành hai lực thành phần vuông góc với nhau là N và F nhƣ ở hình
vẽ: N là lực pháp tuyến và F là lực ma sát trƣợt tại P có độ lớn bằng µN. Độ cao của
điểm P ở phía trên điểm thấp nhất trong ổ trục phụ thuộc vào độ lớn của hệ số ma sát µ
tại điểm tiếp xúc. Để giữ trục chuyển động đều cần có một momen có độ lớn cân bằng
với hợp lực của W và R.
Xem xét hình vẽ thay đổi nhƣ thế nào nếu cả hai ổ trục đƣợc tra dầu bôi trơn và
tốc độ của trục đỡ đủ để sinh ra hiệu ứng thủy động. Rõ ràng là có một chêm dầu đƣợc

hình thành do khoảng hở trên mặt phía trên của P: dòng chất lỏng đƣợc đƣa vào khoảng
hở này và đẩy hai bề mặt chất rắn ra xa. Tại một số tốc độ điểm C sẽ ở thẳng bên dƣới
21


tâm O của ổ trục. Tuy nhiên đây là trƣờng hợp khá đặc biệt; nhìn chung hình vẽ đƣợc
thể hiện ở (Hình 1.6b) với C ở bên trái của O.
Nếu độ lệch tâm hay khoảng cách giữa hai tâm của ổ trục và trục đỡ đƣợc ký hiệu
là e thì ta có thể xác định tỉ lệ lệch tâm ε (độ lệch tâm tƣơng đối) bằng mối quan hệ:
(1.5)
(b)

(a)







e
0,
4 c,2 N

w

R
0
c

F


w=
2R

P

Hình 1.2. Ổ đỡ, trục quay ở tốc độ ω
Và khoảng cách nhỏ nhất giữa hai bề mặt rắn hmin đƣợc cho bởi:
(1.6)
Với một mức độ chính xác đủ lớn cho phần lớn các mục đích kỹ thuật, h sẽ liên
quan đến vị trí theo chu vi θ bằng phƣơng trình.
h=c(1+εcosθ)

(1.7)

Trong đó góc θ đo từ điểm dày nhất của màng. Đƣờng OC và vector tải W sẽ
không cùng phƣơng và góc ψ giữa chúng đƣợc gọi là góc chất tải.
Giải pháp cho các ổ thủy động ngắn
22


D

L

Hình 1.3. Ổ đỡ hẹp có D/L < 0,25
Một thông số hình học quan trọng trong đặc tính của các ổ đỡ là tỷ số của chiều
dài ổ trục với đƣờng kính của nó, L/D, ở hình 1.3. Trong thực tế tỷ số này thay đổi từ

1/8 ở ổ đỡ hẹp nhất tới 2. Ổ trục vuông là ổ trục có L/D =1.
Nếu tỷ lệ L/D là tƣơng đối nhỏ, nhỏ hơn 1/4 thì có thể có phần phân tích ổ trục
ngắn độ chính xác có thể chấp nhận đƣợc có sự phân bố áp lực theo parabol là:
{

}

(1.8)

với điều kiện là y, trục tọa độ đƣợc đo từ phần tâm của ổ trục. Kết hợp phƣơng
trình này với 1.8 và lƣu ý rằng

dh/dx

, ta có thể viết sự

phân bố áp lực quanh trục đƣợc cho bởi:
{

}

(1.9)

23


Lƣu ý rằng do số hạng sine sự phân bố áp lực là không đối xứng qua đƣờng OC
đó là điều kiện cần và đủ mà Sommerfeld đã thừa nhận. Do vậy chúng ta thừa nhận
rằng màng dầu bôi trơn có thể chụi đƣợc áp lực âm lớn.

X

o
c


WZ

WX

P

w
z

Hình 1.4. Đặt lực trên ổ đỡ
Tải tác dụng W phải là tổng của hai lực thành phần Wz và Wx
Có thể tính gần đúng tải do ổ trục đỡ ngắn này chụi bằng cách lấy các điều kiện
biên nửa Sommerfeld đó là cách đặt áp lực màng dầu bằng O tại các giá trị θ giữa
khoảng π và 2π, khoảng mà chúng sẽ là âm. Trong trƣờng hợp này là hình 1.4:
∫ ∫

(1.10)

∫ ∫

(1.11)

Đƣa biểu thức (1.5) của áp lực vào các công thức này dẫn tới biểu thức:

24


(1.12)
Độ lớn của tổng tải W trên trục đỡ đƣợc cho bởi độ lớn của tổng hai thành phần:
√
Sau khi biến đổi ta đƣợc:
(1.13)
Xác định tải không thứ nguyên W* trong trƣờng hợp này bằng biểu thức :
( )

(1.14)

Đƣờng kính trục D=2R, phƣơng trình (1.6) trở thành :
{ }

(1.15)

Mặc dù có thể biểu thị các kết quả trong phần phân tích ổ trục đỡ về tải không thứ
nguyên W*, nhóm không thứ nguyên thông dụng hơn đƣợc gọi là số Sommerfeld. S
đƣợc định bởi :
{ }

(1.16)

dẫn tới :
(1.17)
Trong trƣờng hợp vận tốc tịnh tiến, số Sommerfeld có thể đƣợc viết thành :
{ }

(1.18)

Do đó phƣơng trình 1.15 trở thành :
{ }

(1.19)

Các cách xác định khác của số Sommerfeld đôi khi đƣợc sử dụng. Do vậy phải
cẩn thận để có dạng cụ thể của nhóm này khi tham khảo các hƣớng dẫn thiết kế, số liệu
sản suất v.v…Ở phƣơng trình 1.14 ω đƣợc đo bằng rad/s; một nhóm S’ không thứ
nguyên khác có thể đƣợc xác định bằng:
25