Bài giảng Chi tiết máy - Chương 11: Ổ trượt

trượt. 2. Phân loại: - Theo bề mặt làm việc chia ra: mặt trụ (H.a), mặt nón (H.c), mặt cầu (H.d), mặt phẳng (H.b). - Theo khả năng chịu tải trọng chia ra: ổ đỡ (H.a), ổ đỡ chặn (H.c,d) và ổ chặn (H.b). - Theo phương pháp bôi trơn bề mặt làm việc: bôi trơn thủy (thủy động hoặc thủy tĩnh), ổ bôi trơn khí (tạo áp suất trên bề mặt làm việc bằng khí nén), ổ bôi trơn từ (bề mặt làm việc không tiếp xúc trực tiếp nhờ từ tính). 3. Ưu, nhược điểm và phạm vi sử dụng: a. Ưu điểm: độ tin cậy cao khi vận tốc lớn (khi đó ổ lăn có tuổi thọ thấp); chịu được tải va đập nhờ khả năng giảm chấn của màng dầu; kích thước hướng kính tương đối nhỏ; làm việc êm. b. Nhược điểm: yêu cầu chăm sóc bảo dưỡng thường xuyên, chi phí dầu bôi trơn lớn; tổn thất lớn về masát khi mở, đóng máy và khi bôi trơn không tốt; kích thước dọc trục tương đối lớn. c. Phạm vi sử dụng: - Khi kết cấu làm việc với vận tốc lớn (v > 30m/s) nếu dùng ổ lăn tuổi thọ sẽ thấp; - Các máy móc thiết bị chịu tải trọng va đập; - Trong các máy chính xác đòi hỏi độ chính xác hướng trục và khả năng điều chỉnh khe hở; - Ổ có thể làm việc trong môi trường đặc biệt (nước, ăn mòm ); - Dùng trong cơ cấu có vận tốc thấp rẻ tiền, đường kính lớn. Chương 11. Ổ trượt 11.1 Khái niệm chung 4. Kết cấu ổ: Kết cấu ổ trượt đơn giản bao gồm: lót ổ (1), thân ổ (2) và rãnh chứa dầu (3) (h. 9.12). - Lót ổ thường được chế tạo từ vật liệu có hệ số masát nhỏ, thông thường chế tạo nền lót ổ bằng vật liệu bình thường và dán một lớp mỏng vật liệu có độ chịu mòn cao lên bề mặt làm việc của lót ổ, khi lót ổ bị mài mòn ta chỉ cần thay lớp kim loại mỏng này. - Thân ổ có thể làm liền hay chế tạo riêng rồi ghép với thân máy, tùy kết cấu của ổ trượt ta có: ổ nguyên (liền khối) và ổ rời (thường gồm hai nửa ghép lại với nhau - tháo lắp dễ dàng, có thể điều chỉnh khe hở giữa ngõng trục và lót ổ nhưng ổ nguyên cứng và rẻ hơn ổ ghép). - Rãnh dầu giúp phân bố đều dầu bôi trơn trong ổ, rãnh dầu có thể nằm theo chiều dọc trục hoặc vòng theo chu vi của ổ, chiều dài rãnh dầu dọc thường lấy bằng 0,8 chiều dài lót ổ để dầu không bị ứa ra hai mép ổ. Vị trí chỗ cho dầu phải nằm ngoài vùng có áp suất thủy động, nếu không khả năng tải của dầu sẽ bị giảm. Trường hợp biến dạng lớn hoặc khó lắp ráp trục, dùng ổ tự lựa có lót ổ với mặt ngoài dạng mặt cầu cho phép ổ quay tương đối với đường tâm của trục. Chương 11. Ổ trượt 11.1 Khái niệm chung 5. Vật liệu ổ trượt: - Ngõng trục cần tôi bề mặt để có độ rắn cao, ít bị mòn. - Đối với lót ổ cần chọn vật liệu thỏa mãn các yêu cầu: hệ số masát giữa lót ổ và ngõng trục thấp; đảm bảo độ bền mỏi; có khả năng chống mòn và dính; dẫn nhiệt tốt; dễ tạo thành màng dầu bôi trơn; có khả năng chạy mòn tốt Trong thực tế có thể chia vật liệu lót ổ ra làm 3 nhóm: vật liệu kim loại (đồng thanh, babít, hợp kim nhôm, hợp kim kẽm, đồng thau, gamg xám); vật liệu gốm kim loại (bột đồng thanh - graphit, bột sắt, bột sắt graphít) và vật liệu không kim loại (chất dẻo, gỗ, cao su, graphít). 11.2 Các dạng bơi trơn Tùy theo điều kiện bôi trơn ổ có các dạng masát sau: - Masát ướt: được hình thành khi bề mặt ngõng trục và lót ổ được ngăn cách bởi lớp dầu bôi trơn có chiều dày lớn hơn tổng số độ nhấp nhô bề mặt: h > Rz1 + Rz2 và hệ số masát phụ thuộc vào độ nhớt của dầu, f = 0,001  0,008. - Masát nửa ướt: hình thành khị h < Rz1 + Rz2, hệ số masát không những phụ thuộc vào độ nhớt dầu bôi trơn mà còn phụ thuộc vào cặp vật liệu chế tạo ngõng trục và lót ổ, f = 0,010,1. - Masát khô: masát giữa các bề mặt tuyệt đối sạch tiếp xúc với nhau, f = 0,4  1. Chương 11. Ổ trượt 11.2 Các dạng bơi trơn (t) - Masát nửa khô: bề mặt làm việc luôn tồn tại màng mỏng khí, hơi ẩm hoặc mỡ hấp thụ từ môi trường xung quanh, f = 0,1  0,4. Như vậy ổ trượt làm việc tốt nhất khi bảo đảm chế độ bôi trơn masát ướt. Chế độ bôi trơn masát ướt có thể thực hiện bằng bôi trơn thủy tĩnh (bơm dầu với áp suất cao đủ lớn để nâng ngõng trục lên - đòi hỏi nhiều thiết bị nén và dẫn dầu phức tạp nhưng định tâm trục chính xác và giảm mòn khi mở máy và dừng máy) hay bôi trơn thủy động (tạo điều kiện nhất định để dầu theo ngõng trục vào trong khe hở của ổ tạo nên áp suất thủy động). 11.3 Định luật Petrov Nếu lớp bôi trơn giữa hai bề mặt ma sát lớn hơn tổng độ nhấp nhô các bề mặt đó thì ma sát ngoài giữa các bề mặt vật rắn làm việc sẽ biến thành ma sát trong của lớp dầu bôi trơn. Sử dụng định luật Niutơn đối với ma sát của chất lỏng ta có: Fms = μ.A.2.v/ δ trong đó: Fms - lực ma sát; μ - độ nhớt động lực của dầu (cP); v - vận tốc trượt mm/s; δ - độ hở hướng kính, mm; A = π.d.l - diện tích bề mặt ma sát, mm2. Fms = Fr.f ; trong đó: Fr - tải trọng hướng tâm tác dụng vuông góc bề mặt ma sát, f - hệ số ma sát. Do đó: Fr.f = 2.μ.Π.d.l.v / δ  f = 2.μ.Π.d.l.v / (Fr.δ); Fr = p.d.l  f = 2.μ.Π.v / (p.δ) trong trường hợp ổ trượt: v = Π.d.n/60, trong đó: d - đường kính ổ trượt, mm; n - số vòng quay của ổ, vg/ph.  f = 2.Π.d.μ.n / (60.p.δ): Công thức này gọi là định luật Petrov. Hệ số ma sát f và đặc tính chế độ ma sát trong ổ (p.n/μ) có sự liên hệ tuyến tính khi bôi trơn ma sát ướt. Chương 11. Ổ trượt 11.4 Nguyên lý bơi trơn thủy động Gỉa sử có hai tấm phẳng (1) và (2) nghiêng với nhau một góc nào đó chuyển động với vận tốc v (h.a). Lớp bôi trơn giữa 2 tấm có độ nhớt động lực . Khi tấm (1) chuyển động tương đối với tấm (2), dầu chuyển động theo và bị dồn vào phần hẹp của khe hở và bị nén lại tạo nên áp suất dư p. Sự thay đổi áp suất trong lớp dầu nằm giữa 2 tấm được xác định bằng phương trình Reynolds: 3 dp / dx = 6  v (h - hm) / h trong đó:  - độ nhớt động của dầu bôi trơn cP (10-3 Ns/m2); v - vận tốc (m/s); hm - trị số khoảng hở tại tiết diện có áp suất lớn nhất; h - trị số khe hở tại tiết diện có tọa độ x. Như vậy, điều kiện để hình thành chế độ bôi trơn masát ướt bằng phương pháp thủy động là: - Giữa hai bề mặt trượt có khe hở hình chêm; - Dầu phải có độ nhớt nhất định và liên tục chảy vào khe hở hình chêm; - Vận tốc tương đối giữa hai bề mặt phải có phương chiều thích hợp và trị số đủ lớn để đảm bảo áp suất sinh ra trong lớp dầu có đủ khả năng cân bằng với tải trọng ngoài. Chương 11. Ổ trượt 11.4 Nguyên lý bơi trơn thủy động Khả năng tải của ổ trượt: Đối với ổ trượt đỡ, khe hở hình chêm được định sẵn bởi kết cấu (vì đường kính của trục và ổ khác nhau nên tâm của chúng lệch nhau một khoảng e). Khi quay ngõng trục cuốn dầu vào khoảng hẹp dần giữa ngõng trục và ổ, bị nén lại tạo thành áp suất dư và khi trục quay đạt tốc độ đủ lớn thì ngõng trục được nâng lên (h.b). Để giải phương trình Reynolds cho ổ trượt, ta đưa hệ tọa độ đang xét về hệ tọa độ cực (r, ): dx = r d ; v =  r trong đó:  = 2 v / d =  n / 30 - vận tốc góc của ngõng trục; n - số vòng quay của ngõng trục trong 1 phút. Đặt:  = (D - d) - độ hở đường kính;  = (D - d) / d =  / d - độ hở tương đối với: D, d - đường kính lót ổ và ngõng trục; e - độ lệch tâm tuyệt đối: e =  / 2 – hmin ;  - độ lệch tâm tương đối:  = e / ( / 2) = 2 e /  hmin =  / 2 - e =  (1 - ) / 2 ; chiều dày lớp dầu tại tiết diện góc  sẽ là: h = D / 2 - [d cos / 2 + e cos( - )] = (D - d cos) / 2 + e cos vì góc  (giữa bán kính tới tâm ngõng trục và lót ổ) rất nhỏ nên coi cos 1 do đó: h = (D - d) / 2 + e cos =  / 2 + e cos ; h =  / 2 (1 +  cos) Chiều dày lớp dầu tại tiết diện có áp suất lớn nhất (pmax) o sẽ là: ho =  / 2 (1 +  coso) Chương 11. Ổ trượt 11.4 Nguyên lý bơi trơn thủy động Khả năng tải của ổ trượt (t): thay các giá trị của h, ho, dx = r d và  =  / d ta có: 6  [  (cos - coso)] 2 dp = ------------------------------ d và p =  dp 2 3 ( (1 +  cos) ] 1 Khả năng tải của ổ cân bằng với tải trọng ngoài Fr được xác định bằng tích phân hình chiếu của áp suất lên phương của tải trọng dọc trục (miền tích phân là miền bôi trơn thủy động từ 1 đến 2 và có chiều dài l của ổ): dFr = p l cos(a + ) d(lc) ; trong đó d(lc) - chiều dài cung bao góc d : d(lc) = (d / 2) d. Do đó: 2 2 dFr = p l d / 2 cos(a + ) d hay: Fr = (l d / 2)  p [-cos(a + )] d = ( /  ) l d CF 22 1 3 với CF = 3 (cos - coso) / (1 +  cos) d [-cos(a + ))] d 11 CF được gọi là hệ số khả năng tải của ổ, được xác định theo đồ thị (Φ) hay công thức sau: CF = m / (1-) - m = m  / (1 - ) trong đó m phụ thuộc vào (l/d): l/d 0,8 0,9 1 1,2 1,5 m 0,66 0,75 0,85 1 1,1 Chương 11. Ổ trượt 11.5 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính Các dạng hỏng chủ yếu của ổ trượt là mòn, dính và mỏi rỗ bề mặt Mòn xảy ra khi giữa lót ổ và ngõng trục không hình thành lớp dầu bôi trơn, khi lớp dầu bôi trơn không đủ dày để ngăn cách sự tiếp xúc trực tiếp của hai bề mặt ngõng trục và lót ổ, khi đóng mở máy, khi dầu có bụi mài Dính thường xảy ra do áp suất và nhiệt độ cục bộ trong ổ lớn, không hình thành được lớp dầu bôi trơn khiến ngõng trục và lót ổ tiếp xúc trực tiếp với nhau. Mỏi rỗ lớp bề mặt xảy ra khi ngõng trục chịu tải trọng thay đổi lớn (máy có pistông, máy có va đập, máy rung) Tính toán chủ yếu của ổ trượt: tốt nhất là ổ trượt được bôi trơn masát ướt nên tính toán bôi trơn masát ướt là tính toán cơ bản đối với ổ trượt. Trong thực tế thường làm việc ở chế độ nửa khô, nửa ướt, do đó ta phải tính ổ theo masát nửa ướt tức là tính toán áp suất sinh ra trên bề mặt [p] hoặc tích số giữa áp suất bề mặt và vận tốc trượt [pv] không được vượt quá giá trị cho phép để hạn chế mòn và dính. Ngoài ra cũng cần tính toán nhiệt cho ổ trượt. 11.6 Tính tốn thiết kế ổ trượt 1. Tính toán quy ước ổ trượt khi bôi trơn ma sát nửa ướt: Thường tính toán trong trường hợp ổ quay chậm, bôi trơn gián đoạn: p = Fr / (l d)  [p] trường hợp cho trước  = l / d ta có công thức thiết kế: d  Fr /( [p]) ; trong đó giá trị của  = 0,5  1; [p] - áp suất cho phép; Fr - tải trọng hướng tâm; l - chiều dài ổ; d - đường kính ngõng trục. Tính theo tích [pv]: p.v  [p.v] đối với lót ổ làm bằng gang, đồng thanh [p] = 2  6Mpa và [p.v] = 4  8Mpa m/s. Vật liệu babít thì [p] = 5  15Mpa và [p.v] = 5  10. Chương 11. Ổ trượt 11.6 Tính tốn thiết kế ổ trượt (t) 2. Tính toán bôi trơn ma sát ướt: Điều kiện bôi trơn masát ướt: chiều dày lớp dầu bôi trơn phải lớn hơn tổng nhấp nhô bề mặt ngõng trục và lót ổ tức: hmin  S (Rz1 + Rz2) trong đó: hmin - chiều dày nhỏ nhất của lớp dầu trong ổ; S - hệ số an toàn quy ước, thường S = 2 ; Rz1,Rz1 - độ nhấp nhô bề mặt ngõng trục và lót ổ, thường khoảng 0,2  6,3m. 11.7 Trình tự tính tốn thiết kế ổ trượt 1. Chọn tỉ số  = l / d = 0,5  1 2. Kiểm tra [p] và [p v] theo: p = Fr / (l d)  [p] và p.v  [p.v] -3 0,25 3. Xác định độ hở tương đối theo công thức:  = 0,8 10 v ; tính sb theo công thức: sb =  d; trong đó v là vận tốc vòng hay còn gọi là vận tốc trượt của ổ. 4. Chọn kiểu lắp: thường dùng H7/f7, H9/e8; H9/d9; xác định max và min và:  = (max + min) / 2; tính lại  =  / d m 5. Lựa chọn loại dầu bôi trơn, xác định  theo công thức:  = o (to / t) với o - độ nhớt dầu ở nhiệt độ to; m - chỉ số mũ, m = 2,6  3 2 6. Tính hệ số khả năng tải theo công thức: CF=Fr /(.l.d); xác định độ lệch tâm tương đối  theo CF, sau đó xác định hmin: hmin =  (1 - ) / 2 Chương 11. Ổ trượt 11.7 Trình tự tính tốn thiết kế ổ trượt (t) 7. Xác định giá trị tới hạn của bề dày dầu bôi trơn hth: hth = Rz1 + Rz2 (Rz1 và Rz2 - tra bảng độ nhẵn) 8. Kiểm tra độ tin cậy S: S = hmin / hth  [S] = 2 3. Tính toán nhiệt: -3 - Nhiệt lượng sinh ra trong ổ trong 1s: Qt = Fr .v.f.10 - Nhiệt lượng thoát theo dầu qua ổ: Qt1 = C. .Q.t - Nhiệt lượng thoát qua trục, ổ trục: Qt2 = KT..d.l.t ta có: Qt = Qt1 + Qt2 t = tr - tv = f.Fr.v / [1000.(C. .Q + KT..d.l)] hay tr = tv + f.Fr.v / [1000.(C. .Q + KT..d.l)]  tlv trong đó: f - hệ số masát; C = 1,7  2,1 KJ/kgoC - nhiệt dung riêng của dầu;  = 850  900 3 kg/m - khối lượng riêng của dầu; Q - lưu lượng dầu chảy qua ổ (đồ thị); KT = 0,04  0,08 3o o kw/m C - hệ số thoát nhiệt qua trục và thân ổ; tlv = 80  100 C - nhiệt độ làm việc của dầu; o tv = 35  45 C - nhiệt độ đầu vào. HẾT CHƯƠNG 11 Chương 11. Ổ trượt Câu 1: Cho trước áp suất cho phép trong ổ trượt đỡ [p]=10MPa và tỷ số chiều dài/đường kính ngõng trục (l/d) bằng 1,1. Đường kính tính tốn của ngõng trục (d, mm) theo áp suất cho phép khi chịu tải hướng tâm R=13500N là?: a.35,0 b.30,0 c.40,0 d.45,0 Câu 2: Cho trước tích số [pv] trong ổ trượt đỡ là 15 Mpa.m/s và tỷ số chiều dài/đường kính ngõng trục (l/d) bằng 1,1. Trục quay với tốc độ 950 vg/ph. Đường kính tính tốn của ngõng trục (d, mm) theo tích số pv cho phép khi chịu tải hướng tâm R=13500N là?: a.40,7 b.38,7 c.36,7 d.42,7 Câu 3: Cho ổ trượt bơi trơn thủy động cĩ độ hở hướng kính δ = 0,5 mm, khi làm việc cĩ độ lệch tâm e = 0,2 mm. Khe hở nhỏ nhất giữa ngõng trục và lĩt ổ là?: a.0,05 b.0,10 c.0,15 d.0,20 Câu 4: Cho ổ trượt bơi trơn thủy động cĩ độ hở hướng kính δ = 0.2 mm, khi làm việc cĩ độ lệch tâm e = 0.05 mm. Biết hệ số an tồn là 2. Xác định tổng độ nhám (m) lớn nhất của ngõng trục và lĩt ổ? a.20 b.25 c.30 d.35