Nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ chính xác của chuẩn mô men dùng ổ khí quay tt

MỞ ĐẦU
1 Lý do lựa chọn đề tài luận án
Mô men lực là một trong 12 đại lượng cơ học thông dụng
trong các đại lượng đo có đơn vị dẫn xuất là các đơn vị đo lường
chính thức thuộc Hệ đơn vị đo lường Quốc tế (SI) [2], được sử dụng
nhiều trong ngành cơ khí – động lực.
Sau này, trong lịch sử phát triển của cơ học, người ta đã có
những ứng dụng thiết thực hơn về mô men khi sử dụng ròng rọc, các
bộ truyền đai, xích, bánh răng …
Vì sự phát triển kinh tế và hội nhập với các nước trong khu
vực cũng như với các nước trên thế gới, đại lượng mô men lực ngày
càng được quan tâm và yêu cầu độ chính xác ngày càng cao, do đó
Việt Nam cần có thiết bị chuẩn đầu mô men để phục vụ cho công tác
hiệu chuẩn và so sánh chuẩn với các quốc gia khác.
Ngoài việc nhập một số thiết bị đo mô men thì việc nghiên cứu
chế tạo và đảm bảo độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men đang là
nhu cầu thực tế đặt ra cho nền công nghiệp và ngành đo lường Việt
Nam.
Cơ sở đặt vấn đề nghiên cứu đảm bảo độ chính xác của chuẩn
mô men là:
+ Mô men ma sát tại ổ quay sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị
mô men chuẩn tạo ra, điều này có thể hạn chế bằng việc sử dụng ổ
đệm khí. Ổ đệm khí được nghiên cứu trong thiết bị chuẩn mô men là
ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ đỡ chịu lực hướng tâm, có hệ số ma sát rất
nhỏ. Việc nghiên cứu ổ đệm khí chịu lực hướng tâm đảm bảo được
khả năng tải, độ cứng dùng cho thiết bị chuẩn mô men chưa được
thực hiện ở Việt Nam.
+ Độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô
men: Đây là đại lượng tham gia trong công thức xác định giá trị mô
men chuẩn. Nghiên cứu phương pháp xác định chính xác độ dài làm
việc của cánh tay đòn sẽ góp phần đảm bảo độ chính xác của mô men

chuẩn được tạo ra.

1


2 Mục đích, đối tượng, phương pháp và phạm vi
nghiên cứu
Mục đích
Mục đích của đề tài luận án nhằm đảm bảo độ chính xác của
thiết bị chuẩn mô men dùng ổ đệm khí chịu lực hướng tâm được chế
tạo trong điều kiện công nghệ tại Việt Nam.
Đối tượng nghiên cứu
Các đại lượng, yếu tố ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của
thiết bị chuẩn mô men. Đánh giá những đại lượng ảnh hưởng chính,
quyết định độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men.
Nghiên cứu ổ đệm khí chịu lực hướng tâm nhằm hạn chế sự
ảnh hưởng của mô men ma sát đến độ chính xác của mô men chuẩn
được tạo ra. Đây là ổ đệm khí tĩnh, dạng ổ đỡ (chịu lực hướng tâm
với hai gối đỡ ở hai đầu trục).
Nghiên cứu phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh
tay đòn trên mô hình thiết bị thực nghiệm được tạo ra. Trên cơ sở đó
xác định, tính toán độ không đảm bảo đo của độ dài cánh tay đòn.
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 trong nước và ngoài nước về
phương pháp và thiết bị chuẩn mô men, tiến hành phân tích, đánh giá
các nội dung còn tồn tại để nghiên cứu giải pháp khắc phục, xây
dựng mô hình thực nghiệm xác định độ không đảm bảo đo của thiết
bị chuẩn mô men.
Phạm vi nghiên cứu

Giới hạn của mô men chuẩn được tạo ra trong nghiên cứu là 500
N.m. Ổ đệm khí chịu tải hướng tâm được cung cấp nguồn khí có áp
suất từ 4 bar đến 6 bar, khả năng tải của ổ đệm khí là 1 000 N và
cánh tay đòn có chiều dài 500 mm. Các khối lượng chuẩn, gia tốc
trọng trường và các điều kiện khác theo VMI.

2


3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên
cứu.
Luận án đã phân tích và xác định mức độ ảnh hưởng của các yếu
tố quan trọng nhất đến độ chính xác của giá trị mô men chuẩn, là tiền
đề cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị chuẩn mô men dùng ổ đệm khí,
góp phần chuẩn bị xây dựng thiết bị chuẩn đầu mô men của Việt
Nam.
Các kết quả nghiên cứu tính toán cho ổ đệm khí chịu lực hướng
tâm, giải pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn trên thiết bị
chuẩn mô men, xây dựng công thức tính độ không đảm bảo đo là cơ
sở khoa học cho việc xây dựng thiết bị chuẩn mô men, đồng thời là
nguồn tài liệu học thuật cho những nghiên cứu tiếp theo.

4 Những kết quả mới.
Những kết quả mới của luận án đạt được như sau:
1. Xây dựng được công thức tính lực nâng của đệm khí bề mặt
trụ chịu tải hướng tâm áp dụng phương pháp điện khí tương đương.
Đặc điểm của đệm khí bề mặt trụ chịu lực hướng tâm là khe hở bề
mặt đệm khí thay đổi từ tâm ra ngoài khi chi tiết bạc và trục lệch tâm
làm áp suất phân bố dưới bề mặt đệm khí cũng thay đổi. Từ các quan
hệ hình học xác định được chiều dài chảy và diện tích chảy theo khe

hở ở tâm đệm khí, từ đó tính được sức cản và lực nâng của đệm khí,
xây dựng được biểu đồ đặc tính quan hệ giữa lực nâng của đệm khí
và khe hở tại tâm đệm khí. Đây là điểm mới của luận án mà chưa
được thể hiện trong bất kỳ công bố khoa học nào khác.
2. Đã đưa ra phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh
tay đòn của thiết bị chuẩn mô men theo nguyên tắc cân bằng mô men
lực. Ưu điểm của phương pháp này là có thể xác định cánh tay đòn
làm việc khi thiết bị chuẩn mô men đã được lắp ráp hoàn chỉnh, đặc
biệt là đối với thiết bị chuẩn mô men có khối lượng và kích thước lớn
không thể đưa lên không gian của máy đo 3 tọa độ. Nguyên tắc của
phương pháp là đo lượng dịch chuyển của khối lượng trên cánh tay
đòn và bù lại lượng mô men mất cân bằng khi thêm khối lượng vào
quang treo ở cuối cánh tay đòn, từ đó sẽ tính được độ dài làm việc
cánh tay đòn. Giải pháp xác định độ dài cánh tay đòn này cũng là
3


điểm mới của luận án mà chưa được công trình khoa học nào khác
công bố.

5. Bố cục của Luận án
Luận án được bố cục 4 chương và kết luận, bao gồm
Chương 1: Tổng quan về chuẩn mô men lực
Chương 2: Nghiên cứu ổ đệm khí dùng trong thiết bị chuẩn mô men
lực
Chương 3: Phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn
trong thiết bị chuẩn mô men lực
Chương 4: Ước lượng độ không đảm bảo đo của chuẩn mô men dùng
ổ đệm khí
Kết quả và bàn luận.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHUẨN MÔ MEN LỰC
1.1 Sự cần thiết của việc xác định mô men lực trong
công nghiệp
Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp ở trong nước
cũng như quốc tế, các thiết bị đo, kiểm mô men ngày càng được sử
dụng nhiều trong các dây truyền sản xuất cơ khí, nhà máy lắp ráp,
thiết bị điện, điện tử…
Theo báo cáo của Công ty
Honda Motor gửi các Bộ của
Nhật Bản: do một bulong lắp
puly của máy bơm nước làm
mát không đủ lực xiết chặt (hình
1.7) nên trong quá trình vận
hành đã dẫn đến động cơ không
được làm mát, có 50 122 chiếc
trong mẫu xe SUV Stream,
Sedan Civic và xe thể thao
Crossroad bị lỗi.

Hình 1.7: Một mối ghép ren trong
ô tô không được xiết chặt. [19]
4


Vì vậy sau một khoảng thời gian làm việc, các thiết bị đo mô
men cần được kiểm chuẩn với chuẩn công tác, thiết bị chuẩn công tác
cần được hiệu chuẩn với chuẩn đầu mô men. Do đó, một trong những
yêu cầu đặt ra là thiết bị chuẩn đầu mô men lực được xác định tạo ra
với độ không đảm đo có giá trị bao nhiêu, được minh chứng thế nào?

Việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu phương pháp đảm bảo độ
chính xác của chuẩn mô men dùng ổ khí quay” sẽ đóng góp một số
cơ sở học thuật cho việc xây dựng chuẩn đầu mô men lực tại Việt
Nam.
1.2. Khái niệm và sơ đồ tạo mô men lực
T
R

Hình 1.10 thể hiện sự tác động
của một lực F do quả tải có khối lượng
m gây nên chuyển động quay của đĩa
quay quanh trục của nó. Trọng lực F
được treo vào một sợi dây vòng qua đĩa
bán kính R gây ra mô men lực T, mô
men lực này có tác dụng làm cho đĩa
quay quanh điểm O.

o

Đơn vị của đại lượng mô men
được dẫn xuất từ các đơn vị của 3 đại
lượng cơ bản là khối lượng, độ dài và
F
Hình 1.10: Sơ đồ tạo mô men lực
thời gian.

1.3 Giới thiệu về thiết bị chuẩn mô men lực và
phương pháp xác định độ không đảm bảo đo
1.3.1 Giới thiệu về thiết bị chuẩn mô men lực
Về cấu tạo, tất cả thiết bị chuẩn mô men ở các quốc gia đều

xây dựng trên nguyên tắc tạo ra mô men chuẩn sử dụng khối lượng
tĩnh treo trên cánh tay đòn, giá trị mô men lực được truyền qua cảm
biến mô men. Giá trị mô men chuẩn được so sánh vòng giữa các
quốc gia.
Trên cơ sở các tài liệu về máy chuẩn đầu mô men của các
nước, có thể đưa ra sơ đồ của máy chuẩn mô men như hình 1.18.

5


6

5
4
3

.m
0N
50

2

TK

1
T

8
9

7

Hình 1.18: Sơ đồ làm việc của máy chuẩn mô men
1.3.2 Xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp của thiết bị
chuẩn mô men lực
Qua phân tích sơ đồ tạo mô men chuẩn, các thành phần chính
quyết định độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men là:
+ Độ không đảm bảo đo của độ dài cánh tay đòn;
+ Độ không đảm bảo đo của khối lượng quả tải;
+ Độ không đảm bảo đo của gia tốc trọng trường;
+ Độ không đảm bảo đo của mô men ma sát ổ quay.

1.4 Một số kết quả nghiên cứu về ổ, đệm khí
Đối với đệm khí bề mặt trụ chịu lực dọc trục, trong trường hợp
tâm trục và tâm bạc đệm khí bề mặt trụ trùng nhau, khe hở của đệm
khí không thay đổi, công trình [6] đã đơn giản hóa bài toán tính đệm
khí mặt trụ bằng cách trải bề mặt đệm khí theo mặt phẳng như hình
1.28. Áp dụng phương pháp điện khí tương đương để tính lực nâng
cho đệm khí dạng chữ nhật. Khi đó, với khe hở z của đệm khí là
không thay đổi trên toàn bộ bề mặt đệm khí, coi sơ đồ đệm khí được
tương đương như sơ đồ mạch điện như hình 1.27b. Kết quả tính lực
nâng của đệm khí được xác định theo công thức sau:

6


p1
4



F =  a0 b0 + c2 + c (a0 + b0 ) 

3



 4 
2 (− + 1) (2 z)
1 + l 

− +1
− +1
2 


  d1  ( a0 + b0 + 2c ) − ( a0 + b0 )



(1.18)

1.4 Một số phương pháp xác định độ dài của cánh tay
đòn trong thiết bị chuẩn mô men lực đã được công
bố
+ Phần lớn các công trình nghiên cứu trước đây đưa ra độ dài
cánh tay đòn là khoảng cách từ tâm trục đến đường thẳng qua tâm
của dây kim loại treo quả tải theo phương ngang và đo độ dài này
trên máy đo 3 tọa độ [9], [10], [12], [15]… Tuy nhiên các công trình
đều không nói rõ phương pháp đo như thế nào để xác định chính xác
cánh tay đòn bên trái và bên phải vì tâm trục là tâm ảo, làm sao để

xác định được điểm tâm này.
+ Trong các công trình nghiên cứu được công bố, độ dài làm
việc của cánh tay đòn hầu hết được xác định thông qua việc đo lường
trên máy đo 3 tọa độ CMM và coi điểm đặt của lực tải tại điểm tâm
của dây treo tải bằng kim loại. Như vậy, cần xác định chính xác
khoảng cách từ tâm quay đến tâm của dây treo tải trong khi tâm quay
là tâm ảo. Mặt khác phương pháp này trở nên khó thực hiện khi máy
chuẩn mô men có kích thước lớn, không thể di chuyển vào không
gian của máy đo 3 tọa độ.

1.6 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
Qua việc phân tích các tài liệu trong và ngoài nước cho thấy
những vấn đề tồn tại mà luận án cần phải nghiên cứu giải quyết cho
thiết bị chuẩn mô men tại Việt Nam:
+ Giá trị mô men ma sát tại khớp quay lẫn vào giá trị mô men
chuẩn. Để giảm ảnh hưởng của mô men ma sát ở khớp quay đến giá
trị mô men chuẩn, các thiết bị chuẩn mô men sử dụng ổ đệm khí tĩnh
chịu tải hướng tâm.
+ Luận án sẽ nghiên cứu phương pháp xác định độ dài làm
việc của cánh tay đòn trong thiết bị chuẩn mô men thông qua việc
cân bằng mô men trên hai cánh tay đòn.
7


+ Đánh giá độ chính xác của thiết bị chuẩn mô men đó chính
là độ không đảm bảo đo, được tổng hợp từ độ không đảm bảo đo của
các đại lượng thành phần như: mô men ma sát, cánh tay đòn và vị trí
của cánh tay đòn, khối lượng quả tải và hình dáng quả tải, gia tốc
trọng trường, nhiệt độ làm việc…
+ Để phục vụ cho việc nghiên cứu thì cần phải xây dựng thiết

bị chuẩn mô men, trên cơ sở đó có thể thực nghiệm nhằm xác định và
đánh giá, hiệu chỉnh các tính toán lý thuyết.

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU Ổ ĐỆM KHÍ DÙNG TRONG
THIẾT BỊ CHUẨN MÔ MEN LỰC
2.1 Lý do sử dụng ổ đệm khí trong thiết bị chuẩn mô
men lực
Trong quá trình tạo ra chuẩn mô men, một trong những yếu tố
có ảnh hưởng lớn đến độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô
men là mô men ma sát tại khớp quay.

Tf = Ff r = N f r

(2.1)

Giá trị của mô men ma sát Tf tại ổ đệm khí sẽ lẫn vào giá trị
mô men chuẩn được tạo ra. Do đó, nhiệm vụ đặt ra là cần xác định và
hạn chế được giá trị của mô men ma sát. Qua các phân tích về kết cấu
ổ đệm khí trong phần tổng quan, luận án lựa chọn thiết kế chế tạo
loại ổ đệm khí chịu lực hướng tâm kết cấu đối xứng.

2.2 Tính toán thiết kế ổ đệm khí trong thiết bị chuẩn
mô men lực
2.2.1 Xác định lực nâng của đệm khí bề mặt trụ chịu lực
hướng tâm
2.2.1.1 Đặc điểm khe hở của đệm khí bề mặt trụ chịu lực
hướng tâm.
Hình 2.2 là cấu tạo cơ bản của đệm khí bề mặt trụ được sử
dụng trong thiết sử dụng trong thiết bị thử nghiệm tạo mo men chuẩn.
8

1

rc

hc

l

2
d
r2
60°
pu
z

r1

Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của đệm khí bề mặt trụ.
Phụ thuộc vào áp suất nguồn cấp và tải trọng của đệm khí, đệm
khí chịu lực hướng tâm vị trí tương đối giữa tâm bạc và tâm trục có
thể xảy ra một trong ba trường hợp sau:

r2 r1

r2

o2
o1

r1

r1

o2
o1

o1
o2

r2

Hình 2.4: Vị trí tương đối giữa tâm bạc và tâm trục
Trong luận án, tác giả sẽ thực hiện tính toán lực nâng đối với
đệm khí bề mặt trụ với khe hở z giữa trục và bạc thay đổi (ứng với
trường hợp 2 và trường hợp 3).
2.2.1.2 Xây dựng công thức xác định lực nâng của đệm khí bề
mặt trụ chịu lực hướng tâm.
Hình 2.5 là sơ đồ tính toán đệm khí bề mặt trụ chịu lực hướng
tâm trong trường hợp tâm bạc và tâm trục không trùng nhau.
Trên cơ sở giá trị khe hở zu được xác định theo công thức (2.6),
để xác định lực nâng của đệm khí, luận án áp dụng phương pháp điện
– khí tương đương [8]. Từ đó, xác định được lực nâng tính trên toàn
bộ diện tích dưới bề mặt đệm khí.

9


B¹c ®Öm khÝ

b0
u

z

z0
N

zu

*

0

M

r1

Trôc quay

u r 2
O2
O1



c

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán của đệm khí bề mặt trụ

2.2.1.3 Xác định lực nâng của đệm khí chịu lực hướng tâm
dùng trong thiết bị thực nghiệm tạo mô men chuẩn.
Luận án đã sử dụng
phần mền Matlab để tính
toán, hình 2.7 là đồ thị biểu
diễn sự thay đổi lực nâng F
theo khe hở tại tâm đệm khí
z* ứng với bộ số liệu đầu vào
của đệm khí được sử dụng để
thiết kế ổ đệm khí dùng trong

1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400

thiết bị thực nghiệm tạo mô
men chuẩn.

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0.01

Hình 2.7: Quan hệ giữa lực nâng (F)
và khe hở ở tâm của đệm khí (z*)

Đồ thị cho thấy đối với
một đệm khí, lực nâng càng lớn khi khe hở càng nhỏ, khả năng tải
lớn nhất của đệm khí được thiết kế 1 300 N. Kết quả này được dùng
trong tính toán thiết kế ổ đệm khí trong máy chuẩn mô men.
2.2.2 Mô phỏng phân bố áp suất
trên bề mặt đệm khí
Ứng dụng phần mềm Ansys
trong việc mô phỏng đệm khí xây dựng
được biểu đồ phân bố áp suất trên 1

đệm khí như hình 2.12. Qua biểu
10

Hình 2.12: Biểu đồ phân bố
áp suất trên 1 đệm khí.


đồ hình 2.12 ta thấy áp suất phân bố đều và đối xứng trên bề mặt ra.
2.2.3 Các thông số cơ bản thể hiện đặc tính làm việc của
đệm khí.
2.2.3.1 Khả năng tải của đệm khí
Lực nâng F ở đây là một hàm số của áp suất nguồn, các thông
số kết cấu của đường dẫn khí và khe hở z của đệm khí.
1

1




z

z

F

2

2

Hình 2.13: Lực nâng của đệm khí chịu lực hướng tâm.
2.2.3.2 Độ cứng vững của đệm khí
Để đặc trưng cho khả năng chống lại sự thay đổi của khe hở z
trước sự thay đổi của ngoại lực là độ cứng vững của đệm khí: K,
được xác định như sau: K =

dF
dz

(2.22)

Một vấn đề đặt ra là: có cần các đệm khí phía trên của trục
không? Thực tế, vẫn cần có các đệm khí phía trên để tăng “độ cứng“
của ổ, giảm dịch chuyển của tâm quay khi tải trong thay đổi. Điều đó
được thể hiện qua mô phỏng sau đây:
F2-K2

K2

F2-K2

F2

F

F
F1
K1

F+F

F1+K1

F+F
F1+K1

Hình 2.14: Sơ đồ hệ lò xo tương đương
Lò xo trên được nén vào có lực F2 , độ cứng K2 ; Lò xo của cơ
có bằng độ cứng K = K1 + K2.
11


2.2.4 Lựa chọn kết cấu ổ đệm khí chịu lực hướng tâm sử
dụng trong thiết bị chuẩn mô men lực.
Tác giả luận án sẽ khảo sát số lượng và cách bố trí các đệm khí
A
bề mặt trụ để cấu thành một ổ đệm khí:
2.2.4.1 Bố trí 03 đệm khí trên mỗi đầu trục

FA

Kết luận: Khi tải trọng thay đổi từ 0 đến
1 914 N để tạo ra mô men có giá trị từ 0 đến
957 N.m thì khe hở tại vị trí A biến động từ 4,1
F
F
F
µm đến 9,5 µm. Khe hở tại B và C biến động
C
B
từ 6,8 µm đến 2,1 µm đến, tâm trục biến động

5,4 µm.
Hình 2.15: Sơ đồ bố trí 03
2.2.4.2 Bố trí 04 đệm khí trên mỗi
đệm khí trên một đầu trục
đầu trục
B

C

2.2.4.3 Bố trí 05 đệm khí trên mỗi đầu trục.
Trên cơ sở tính toán cho các phương án ta có bảng tổng hợp
kết quả thông số cơ bản của ổ đệm khí (được cấu thành từ các đệm
khí bề mặt trụ có mối quan hệ giữa lực nâng và khe hở ở tâm như
hình 2.17) theo bảng 2.1.
Bảng 2.1 Những thông số cơ bản của các dạng ổ khí
TT

Sơ đồ
bố trí đệm khí

2 . FT max
(N)

Tmax
(N.m)

δ (µm)

1 914

957

5,4

A

1
30° 30°

B

C

12


A

2
60°

M

2 450

1 225

6,8

1 068

534

3,1

N

60°

B

C
36°

3

72
°

M

D

36°

°
72

N

B

2.2.4.4 Lựa chọn phương án bố trí bạc đệm khí trên trục dùng
trong chuẩn mô men lực.
Từ các phân tích ở trên, tác giả lựa chọn phương án bố trí các
đệm khí theo trường hợp 3 để thiết kế chế tạo thử nghiệm ổ đệm khí
dùng trong thiết bị chuẩn mô men (như thể hiện trên hình 2.18).

Hình 2.18: Sơ đồ bố trí các đệm khí trên trục quay của thiết bị chuẩn
mô men
F
C
FCy

FDy
FC

FMy

C

D

FD
FN

FM

M

O1

FNy


.

O2

N
M

FB

Hình 2.21: Sơ đồ phân tích lực
tác dụng vào ổ trục đệm khí

Hình 2.22: Sự giảm khe hở ∆z
dưới tác dụng của tải trọng F
13


Với kết cấu ổ đệm khí được lựa chọn như trên, trường hợp tạo
ra mô men là 500 N.m, hai ổ ở hai đầu trục chịu tải là 1 000 N, như
vậy mỗi đầu ổ trục chịu tải 500 N, khe hở ở giữa đệm khí đáy giảm
z = 3,1 µm, thay z vào (2.39), (2.40), khe hở ở giữa 2 đệm khí bên
cạnh đệm khí đáy giảm z1= 1 µm, khe hở ở giữa 2 đệm khí bên trên
tăng z2=2,5 µm, thay vào phương trình 2.36, ta có độ cứng trung
bình của một ổ đạt được là:

K = 159 N/µm.

2.3 Thực nghiệm xác định khả năng làm việc của ổ
đệm khí
Thực nghiệm này được thực hiện nhằm đảm bảo trong quá
trình làm việc không có tiếp xúc cơ khí, trục quay hoạt động lơ lửng
trong một lớp đệm không khí nén do các bạc đệm khí tạo thành.

2.4 Thực nghiệm xác định mô men ma sát và hệ số
ma sát của ổ đệm khí chịu lực hướng tâm
2.4.1 Mục đích thí nghiệm

y

Mục đích của thí nghiệm là để xác định mô men ma sát và hệ
số ma sát của ổ đệm khí đã được chế tạo trong thiết bị thực nghiệm
tạo mô men chuẩn.
O
B

l1

l2

m

Hình 2.29: Sơ đồ xác định trạng thái dịch chuyển của cánh tay đòn
2.4.4 Kết quả thí nghiệm
Sau khi thực nghiệm có bảng kết quả:
Bảng 2.7 Các thông số thực nghiệm của ổ đệm khí

TT
1

Đại lượng
Khối lượng bắt đầu làm trục quay
14

Giá trị

Đơn vị

0, 011.10-3

Kg


2
3

Mô men ma sát
Hệ số ma sát của ổ đệm khí

53,8.10-6
1.10-6

N.m

2.4.5 Kết luận
Ổ đệm khí đã chế tạo có mô men ma sát là 53,8.10-6 N.m, sử
dụng phương pháp trên đây với các loại ổ các ổ đệm khí khác sẽ cho

kết quả để so sánh, kiểm chứng mô men ma sát của các loại ổ.

2.5 Thực nghiệm xác định khả năng chịu tải của ổ
đệm khí
Để thuận tiện trong thực nghiệm sẽ treo trực tiếp tải trọng lên
trục của ổ đệm khí thông qua quang treo để xác định khả năng tải của
ổ đệm khí bằng thực nghiệm, như hình 2.30.

Hình 2.30: Mô hình xác định khả năng tải của ổ đệm khí
Sau khi tiến hành thí nghiệm sẽ xây dựng được đồ thị thể hiện
quan hệ giữa lực nâng và khe hở như hình 2.31.

Hình 2.31: Quan hệ giữa lực nâng và khe hở
Từ kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng tải của ổ đệm khí
đã chế tạo thể lên đến 1 600 N với nguồn không khí cấp có áp suất 4
bar, so với tính toán thiết kế đệm khí, 1 đệm có khả năng chịu tải 1
350 N tại áp suất 4 bar là phù hợp. Nếu kể đến trọng lượng của trục
15


quay, cánh tay đòn và quang treo FTr= 550 N, tổng khả năng tải của ổ
là 2 150 N.
2.6 Kết luận Chương 2
- Áp dụng phương pháp điện khí tương đương để tính lực nâng
của đệm khí với khe hở giữa bạc đệm khí với trục quay theo phương
hướng tâm thay đổi.
- Sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để xác định phân bố áp
suất trên bề mặt đệm khí, có thể tính toán được lực nâng của đệm khí
bề mặt trụ trong ổ đệm khí chịu lực hướng tâm.
- Đã xác định được mô men ma sát của ổ đệm khí chịu lực

hướng tâm được chế tạo sử dụng trong thiết bị thực nghiệm tạo mô
men chuẩn, trên cơ sở đó đã xác định được hệ số ma sát của ổ quay
đệm khí chịu lực hướng tâm là 1.10-6.

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ DÀI LÀM
VIỆC CỦA CÁNH TAY ĐÒN TRONG THIẾT BỊ CHUẨN
MÔ MEN LỰC
3.1 Đặt vấn đề
Độ dài cánh tay đòn là độ dài khoảng cách từ tâm quay đến
phương của lực tác dụng gây ra mô men. Trong khi đó, tâm quay và
đường thẳng chứa phương của trọng lực tải trọng đều là yếu tố ảo. Ngoài
ra, sau một khoảng thời gian làm việc thì độ dài cánh tay đòn có sự thay
đổi [9]. Vì vậy, độ dài làm việc của cánh tay đòn khó đo được chính xác,
đặc biệt sau khi cánh tay đòn đã được chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh trên
thiết bị chuẩn mô men. Sau đây, luận án sẽ trình bày một phương pháp
có khả năng xác định chính xác độ dài làm việc của cánh tay đòn.

3.2 Phương pháp xác định chính xác độ dài làm việc của
cánh tay đòn trong chuẩn mô men lực dùng ổ đệm khí
Sau khi chế tạo và lắp ráp thì ở trạng thái cân bằng của cánh
tay đòn không nằm trên phương nằm ngang, hình 3.1.

16


O

Hình 3.1: Trạng thái cân bằng của cánh tay đòn sau khi lắp đặt.
Điều chỉnh trạng thái cân bằng để trục của cánh tay đòn trùng
với phương nằm ngang bằng cách lắp đối trọng có khối lượng m1 lên

hai cánh tay đòn (hình 3.2)
m1

m1
O
A

B

l1

l2

Hình 3.2: Trạng thái cân bằng của thiết bị tạo mô men
Để xác định vị trí của cánh tay đòn tương ứng với vị trí cân
bằng của chuẩn mô men, sử dụng hai đầu đo laser, một đầu đo theo
phương thẳng đứng xác định được giá trị y0, đầu đo thứ hai theo
phương nằm ngang để xác định khoảng dịch chuyển của khối lượng
m1. Tại vị trí cân bằng ban đầu ta có giá trị x0.
I

x0

y0

II
m1
O1

m1

O

A

B

l1

O2

l2

Hình 3.3: Xác định vị trí cân bằng của cánh tay đòn
17


Gọi khối lượng cánh tay đòn bên trái là mct1, trọng tâm là O1 ;
khối lượng cánh tay đòn bên phải là mct2, trọng tâm là O2; O là tâm
quay của cánh tay đòn; l1; l2 lần lượt là độ dài khoảng cách từ tâm
quay đường tác dụng lực của khối lượng m1 bên trái và bên phải.
Tại vị trí cân bằng ta có phương trình cân bằng sau:
mct1.g.O1O + m1.g.l1= m1.g.l2 + mct2.g.O2O + Tf

(3.1)

trong đó: Tf là mô men ma sát của ổ đệm khí tại vị trí cân bằng có
cánh tay đòn nằm trên phương nằm ngang.
I

x0+13

y0

II
m1

m1

O

A

B

l2+13

l1

m2

C

L1

Hình 3.4: Sơ đồ xác định độ dài cánh tay đòn L1.
Kết hợp phương trình (3.1) và phương trình (3.2) ta có:

m
L1 = 1 l3

m2

(3.3)

trong đó: L1 là độ dài làm việc của cánh tay đòn trong thiết bị tạo mô
men chuẩn (cánh tay đòn bên trái trên hình 3.4).

3.3 Thí nghiệm xác định độ dài làm việc của cánh tay
đòn trong thiết bị thực nghiệm.
Sơ đồ thí nghiệm xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn
trong thiết bị thực nghiệm tạo mô men chuẩn như hình 3.4. Nguyên
lý của thí nghiệm là nguyên tắc cân bằng mô men tại vị trí cân bằng.

18


Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm xác định L1.

TT
(i)

1
2
3
4
5
6

Giá trị
y

(mm)
30,899

Giá trị
x (mm)

31,402
31,207
31,207
31,303
31,089
31,340

Giá trị
xi
(mm)

Độ dài
dịch
chuyển
(mm)

27,259
27,259
27,196
27,196
27,196
27,196

l3

4,143
3,948
4,011
4,107
3,893
4,144

Khối
lượng
chênh
lệch
(g)
m2
9,644
9,189
9,336
9,563
9,062
9,644

Khối
lượng
dịch
chuyển
trái (g)
m1
1 163,865
1 163,865
1 163,865
1 163,865

1 163,865
1 163,865

Chiều
dài cánh
tay đòn
phải
(mm)
L1i
499,989
500,048
500,028
499,842
499,992
500,110

Từ kết quả thực nghiệm nhận thấy: Muốn tăng độ chính xác của
phép đo phải tăng độ chính xác của khối lượng và chiều dài dịch chuyển.
3.3.5 Đánh giá độ không đảm bảo đo độ dài làm việc của cánh
tay đòn trong thiết bị thực nghiệm
Hình 3.6 là mô hình thiết
bị thực nghiệm xác định độ dài
làm việc của cánh tay đòn.
Đầu đo Laser ZXLDA11-N (ZX-LD30V) [30]
của hãng OMRON Corporation
được sử dụng để xác định
khoảng cách, hình 3.7.a là hình
ảnh bố trí đầu đo để xác định
giá trị y – xác định vị trí cân
bằng, hình 3.7.b là hình ảnh bố

trí đầu đo để xác định giá trị x
– vị trí của khối lượng m1.

Hình 3.6: Hình ảnh thực hiện
phương pháp đo

19


a) Đầu đo laser theo phương y

b) Đầu đo laser theo phương x

Hình 3.7: Hình ảnh bố trí đầu đo laser được lắp với giá đỡ.
Áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất [36] và công thức
(3.3), độ không đảm bảo đo tương đối của L1:
2

urle( L1 ) =

2

uL1
u  u  u 
=  m1  +  m2  +  l3 
L1
 m1   m2   l3 

2

(3.5)

Thay số ta có:
 uL1 
 5 10−6   0,06 10−3  uL1  35 10−6

 =2 
 +
 ; L
3
1
 3  

 L1 
2

2

2

Với chiều dài cánh tay đòn L1 là 500 mm (0,5 m) ta tính được:

uL1 = 34,881.10−6.0,5 = 17,440.10−6 m

3.4 Lựa chọn hợp lý các thông số thử nghiệm để
nâng cao độ chính xác của độ dài làm việc cánh tay
đòn trong chuẩn mô men lực
Theo công thức (3.3), để thấy rõ ảnh hưởng của độ không đảm
bảo đo của từng đại lượng đến độ không đảm bảo đo của độ dài làm
việc của cánh tay đòn, ta có biểu thức độ không đảm bảo đo tương đối:

uL1 um1 um2 ul3
=
−
+
L1 m1 m2 l3

20


Trong trường hợp tổng quát, theo phương pháp bình phương
nhỏ nhất, kể đến tác động đồng thời của ba yếu tố ta có độ không
đảm bảo đo tương đối theo công thức (3.6). Từ đó nhận thấy:
Muốn độ không đảm bảo đo tương đối của độ dài làm việc
cánh tay đòn nhỏ nhất thì độ không đảm bảo đo của đại lượng m1; m2;
l3 phải nhỏ nhất có thể.
Khi độ đảm bảo đo của các đại lượng thành phần bị giới hạn,
không thể nhỏ hơn thì cách tốt nhất để nâng cao độ chính xác đó là
tăng giá trị m1; m2 và l3 cho phù hợp. Khi đó độ không đảm bảo đo
tương đối sẽ có giá trị nhỏ.

3.5 Phân tích một số yếu tố khác ảnh hưởng đến kết
quả trong quá trình thí nghiệm
Nếu hai lần thí nghiệm mà nhiệt độ phòng thí nghiệm thay đổi
(+1 0C và -1 0C) thì sẽ cho kết quả khác nhau đến 12 m. Do đó,
phép đo xác định độ dài làm việc của cánh tay đòn cần được thực
hiện ở 1 nhiệt độ ổn định.

3.6 Kết luận Chương 3
Độ không đảm bảo của phép đo phụ thuộc chủ yếu vào việc
xác định chính xác các khối lượng và độ dài tham gia vào công thức

tính kết quả đo. Sử dụng phương pháp trên sẽ xác định được độ dài
làm việc của cánh tay đòn trong trường hợp máy chuẩn mô men đã
được lắp ráp. Lựa chọn thích hợp các giá trị đầu vào của thực nghiệm
sẽ nâng cao độ chính xác của phép đo.

CHƯƠNG 4 ƯỚC LƯỢNG ĐỘ KHÔNG ĐẢM BẢO ĐO
CỦA THIẾT BỊ CHUẨN MÔ MEN DÙNG Ổ ĐỆM KHÍ
4.1 Xây dựng công thức tính độ không đảm bảo đo
Độ không đảm bảo đo tuyệt đối uT được xác định theo công thức:
2

2
 T 
 T 
 T 
2
2
2
(uT )2 = 
 (u m ) +  g  (u g ) +    (u m )
 m 


 m
2

2
 T 
 Tf 
 T 

2
2
2
+
 (u air ) + 
 (u L ) +  T  (uTf )



L




 air 
2

2

21

(4.5)


Ta có độ không đảm bảo đo tương đối:
 uT
T


2

2
  um   ug   air   uair   air   um   uL   uTf 
 =  m  +  g  +   −      +   −      +  L  +  T 
      m air   air   m air   m     
2

2

2

2

2

2

(4.6)

4.2 Xác định một số đại lượng ảnh hưởng đến độ
không đảm bảo đo của chuẩn mô men
4.2.1 Các đại lượng thành phần đã được biết trước
4.2.2 Xác định độ không đảm bảo đo độ dài cánh tay đòn
−3
- Sai số do nhiệt độ: uL = 6 10 = 12 10−6
(4.12)
L
500
- Yếu tố trục quay không trùng với phương nằm ngang.
uF1 (110−3 )2
=

= 0,5 10−6
F
2
- Yếu tố dao động của quả tải (Độ không đảm bảo đo do dao
2
động của quả tải): uF = 1  2  = 110−6
(4.20)
2

F



4  1000 

4.2.3 Độ không đảm bảo đo do mô men ma sát của ổ đệm
khí
Độ không đảm bảo đo mô men ma sát của ổ đệm khí là:

uTf
T

=

53,8 10−6
= 108 10−6
0,498

(4.21)

4.3 Tổng hợp độ không đảm bảo đo của mô men
Áp dụng công thức xác định độ không đảm bảo đo tổng hợp
theo tài liệu [22], ta có:

22


Bảng 4.2 Bảng tổng hợp độ không đảm bảo đo theo thực nghiệm
Thành phần

ui

ci

(ui.ci)2

Tỉ lệ (%)

1 Khối lượng quả tải

2,89.10-6

1

8,4.10-12

0,58

2 Gia tốc trọng trường

0,045.10-6

1

3 Khối lượng riêng không khí

33 679.10-6 1,5.10-4 24,5.10-12

1,72

4 Khối lượng riêng quả tải

8 794.10-6

1,5.10-4

1,7.10-12

0,72

12.10-6

1

1,44.10-10

10,1

34,88.10-6

1

0,12.10-8

85,35

0,5.10-6

1

0,25.10-12 1,75.10-2

1.10-6

1

1.10-12

7,02.10-2

108.10-6

1

2,89.10-9

2,03

TT

5 Độ không đảm bảo do nhiệt độ
6 Độ dài cánh tay đòn
7 Độ lệch theo phương ngang
8 Dao động của quả tải
9

Độ không đảm bảo đo mô men
ma sát

10 Độ không đảm bảo đo tổng hợp

20,25.10-16 1,4.10-4

1,143.10-4

11 Hệ số phủ (k=2)

2

12 Độ không đảm bảo đo mở rộng

2,286.10-4

4.4 Kết luận chương 4.
Việc ước lượng độ không đảm báo đo của thiết bị chuẩn mô
men từ các độ không đảm bảo đo thành phần nhằm đánh giá khả
năng đo lường của thiết bị, đồng thời xác định được các thông số nào
ảnh hưởng chính đến độ không đảm bảo đo để tìm giải pháp khắc
phục nâng cao độ chính xác của thiết bị.
Kết quả cho thấy việc sử dụng ổ đệm khí trong thiết bị chuẩn

mô men là phù hợp bởi vì độ không đảm bảo đo do mô men ma sát
tạo ra không đáng kể, chiếm 2%. Hai yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất
đến độ không đảm bảo đo là độ không đảm bảo đo của nhiệt độ và độ
dài cánh tay đòn.
23


KẾT LUẬN CHUNG
Sau thời gian nghiên cứu lý thuyết, xây dựng thiết bị và tiến
hành thực nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và Viện Đo
lường Việt Nam, luận án đã đạt được một số kết quả mới sau:
1. Xây dựng được công thức tính lực nâng của đệm khí bề mặt trụ
chịu tải hướng tâm áp dụng phương pháp điện khí tương đương. Lập
được biểu đồ lực nâng theo khe hở tại tâm đệm khí, từ đó có thể xác
định được độ cứng của đệm khí, đây là hai mục tiêu quan trọng khi
tính toán thiết kế đệm khí bề mặt trụ chịu lực hướng tâm.
2. Đã phân tích định vị của ổ đệm khí tĩnh chịu lực hướng tâm có cấu
tạo bởi các mảnh bạc đệm khí dạng bề mặt trụ. Trên cơ sở đó đã lựa
chọn ổ đệm khí với số lượng bạc đệm khí, vị trí của bạc đệm khí
xung quanh trục đảm bảo vừa đủ định vị, vừa đủ lực nâng và độ cứng
đáp ứng yêu cầu của ổ đệm khí sử dụng trong thiết bị chuẩn mô men
trong giới hạn 500 N.m. Việc chế tạo thành công ổ đệm khí dạng ổ
đỡ và các thực nghiệm xác định các thông số về tải trọng, độ cứng,
mô men ma sát khẳng định có thể làm chủ công nghệ về ổ đệm khí
tại Việt Nam.
3. Xây dựng được phương pháp xác định độ dài làm việc của cánh
tay đòn trên thiết bị chuẩn mô men đã được lắp ráp hoàn chỉnh theo
nguyên tắc cân bằng mô men lực. Độ chính xác của phương pháp này
phụ thuộc vào độ chính xác đo khoảng cách dịch chuyển của khối
lượng trên cánh tay đòn và độ chính xác đo khối lượng.

4. Đã xây dựng thành công thiết bị thực nghiệm chuẩn mô men 500
N.m sử dụng ổ đệm khí với độ dài cánh tay đòn 500 mm. Luận án đã
phân tích các thành phần ảnh hưởng đến độ không đảm bảo đo của
thiết bị chuẩn mô men, trong đó một số đại lượng ảnh hưởng chính
đến độ không đảm bảo đo của thiết bị chuẩn mô men đó là: độ không
đảm bảo đo của độ dài cánh tay đòn, độ không đảm bảo đo của mô
men ma sát. Đã trình bày phương pháp để ước lượng giá trị độ không
đảm bảo đo cho thiết bị chuẩn mô men ở một dải đo xác định. Với
điều kiện hiện có và thiết bị được chế tạo thử nghiệm tại Việt Nam,
đã ước lượng độ không đảm bảo đo của mô men chuẩn được tạo ra là
2,286.10-4.
24


25