LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây tất cả những nội dung trong luận án “Nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của vít me – đai ốc bi máy CNC trong điều kiện môi trường Việt Nam” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, thực hiện dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hùng và PGS.TS Nguyễn Doãn Ý. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, trích dẫn đầy đủ và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày Tập thể hƣớng dẫn PGS.TS. Phạm Văn Hùng tháng năm 2015 Tác giả luận án PGS.TS. Nguyễn Doãn Ý I Trần Đức Toàn LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, góp ý, động viên và chia sẻ của mọi người. Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo sau Đại học, Viện Cơ khí, Bộ môn Máy và ma sát học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho phép, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và nghiên cứu khoa học. Tôi đặc biệt trân trọng và biết ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng, PGS.TS Nguyễn Doãn Ý đã hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi những ý kiến vô cùng bổ ích và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi về mặt chuyên môn trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy và ma sát học – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Lãnh đạo khoa cùng toàn bộ giảng viên khoa Công nghệ Cơ khí – Trường Đại học Điện lực đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được đi học và hoàn thành nhiệm vụ học tập của mình. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những người đã chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi, là nguồn động lực to lớn giúp tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận án Trần Đức Toàn II MỤC LỤC MỤC LỤC .....................................................................................................................III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................... V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH........................................................................ VI DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................... X MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI ................................................. 5 1.1. Đặc điểm, vai trò của vít me – đai ốc bi ................................................................. 5 1.2. Phân loại vít me – đai ốc bi ..................................................................................... 8 1.2.1. Theo hình dáng và kết cấu.................................................................................. 8 1.2.2. Theo cấp chính xác ........................................................................................... 13 1.2.3. Theo công dụng ................................................................................................ 18 1.3. Các dạng hỏng vít me – đai ốc bi .......................................................................... 18 1.4. Các đặc trƣng, tính toán cơ bản của vít me – đai ốc bi ...................................... 20 1.4.1. Độ cứng chống biến dạng đàn hồi [38] ............................................................ 21 1.4.2. Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa Coa [39] ............................................................... 21 1.4.3. Tải động dọc trục danh nghĩa Ca [39] ............................................................... 21 1.4.4. Tải dọc trục sửa đổi [39] .................................................................................. 22 1.4.5. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi [39]........................................................................ 22 1.5. Vật liệu làm vit me – đai ốc bi............................................................................... 23 1.6. Môi trƣờng làm việc của máy công cụ CNC ....................................................... 24 1.6.1. Môi trường làm việc của máy CNC trên thế giới ............................................. 24 1.6.2. Môi trường làm việc máy CNC tại Việt Nam .................................................. 25 1.7. Tổng quan các nghiên cứu vít me – đai ốc bi ...................................................... 28 1.7.1. Một số nghiên cứu về vít me – đai ốc bi trên thế giới:..................................... 28 1.7.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................... 36 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................. 37 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY VÍT ME – ĐAI ỐC BI TRÊN CƠ SỞ MÒN .......................................................................................................... 38 2.1. Tổng quan về mòn vật liệu:................................................................................... 38 2.1.1. Mòn theo thời gian ........................................................................................... 38 2.1.2. Ảnh hưởng các yếu tố cơ bản đến mòn ............................................................ 39 III 2.1.3. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7699-2-30 về thử nghiệm môi trường ................. 43 2.2. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi ..................................................................................... 46 2.2.1. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi theo lý thuyết ........................................................ 46 2.2.2. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi trên cơ sở mòn ...................................................... 48 2.3. Lý thuyết độ tin cậy [6, 7, 11, 12] ......................................................................... 53 2.3.1. Đặc trưng độ tin cậy ......................................................................................... 54 2.3.2. Các chỉ tiêu xác định độ tin cậy ....................................................................... 54 2.3.3. Hàm phân phối sử dụng trong tính toán độ tin cậy: ......................................... 56 2.3.4. Xác định độ tin cậy trên cơ sở mòn [7] ............................................................ 57 2.4. Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB ...................................................................... 59 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................. 61 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP, HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU MÒN ......................................................................................................................... 62 3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm:....................................................................... 62 3.2. Thiết kế máy thí nghiệm........................................................................................ 62 3.2.1. Đối tượng nghiên cứu của thí nghiệm .............................................................. 62 3.2.2. Thiết kế máy thí nghiệm................................................................................... 62 3.3. Tổ hợp máy thí nghiệm ......................................................................................... 74 3.4. Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm ...................................................................... 77 3.4.1. Xác định các thông số thực nghiệm ................................................................. 77 3.4.2. Các thông số cơ bản của thực nghiệm .............................................................. 80 3.4.3. Tổ chức thực nghiệm và đo mòn ...................................................................... 81 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ............................................................................................. 83 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................ 84 4.1. Kết quả thực nghiệm, xây dựng hàm hồi quy ..................................................... 84 4.1.1. Thực nghiệm tạo mòn ...................................................................................... 84 4.1.2. Xây dựng hàm hồi quy ..................................................................................... 92 4.2. Tuổi thọ, độ tin cậy của VMĐB khi làm việc trong môi trƣờng Việt Nam. ... 103 KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ........................................................................................... 106 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN.......................................................................................... 107 KHUYẾN NGHỊ .............................................................................................................. 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 114 IV DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ISO: International Organization for Standardization – Tổ chức tiêu chuẩn thế giới RE: Rotary Encoder – thước quang đo quay LS: Liner Scale – thước quang đo thẳng VMĐB: Ball screw – “Vít me – đai ốc bi” vg/ph: Vòng/phút QHTN: Quy hoạch thực nghiệm V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH Ý nghĩa Ký hiệu Đơn vị  Góc tiếp xúc của bi Độ (0)  Góc rãnh dẫn hướng bi Độ (0) l Sai lệch dọc trục do biến dạng đàn hồi m Ph Bước vít me danh nghĩa mm DW Đường kính bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi mm Dpw Đường kính đường tròn tạo bởi tâm các bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi mm d1 Đường kính danh nghĩa trục vít me mm d2 Đường kính chân răng trục vít me mm D1 Đường kính bích đai ốc mm D2 Đường kính chân răng đai ốc bi mm D3 Đường kính đỉnh răng đai ốc bi mm L Tuổi thọ (theo ISO) Vòng Lh Tuổi thọ (theo ISO) Giờ Lr Tuổi thọ khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều (theo ISO) Vòng Lhr Tuổi thọ khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều (theo ISO) Giờ Lar Tuổi thọ theo hệ số độ tin cậy (theo ISO) Vòng Lhar Tuổi thọ theo hệ số độ tin cậy (theo ISO) Giờ n Tốc độ quay của trục vít me Vòng/phút nm Tốc độ tương đương của trục vít me – đai ốc bi Vòng/phút F Tải dọc trục Fm Fma N Tải dọc trục tương đương khi bộ truyền vít me – đai ốc bi làm việc một chiều Tải dọc trục tương đương khi bộ truyền vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều p Áp suất pháp tuyến tại điểm tiếp xúc v Vận tốc trượt tương đối của cặp ma sát VI N N N/m2 (m/phút) Ca Tải động dọc trục danh nghĩa N Coa Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa N (t) Tốc độ mòn theo thời gian b k m m/giờ Tốc độ mòn VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn Tốc độ mòn VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn m/giờ m/giờ Hệ số tuổi thọ bổ sung khi vít me – đai ốc bi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn Hệ số tuổi thọ bổ sung khi vít me – đai ốc bi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn C Sai số tích lũy vị trí đai ốc m ep Chấp nhận sai số trong hành trình quy định m V300p Vup Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí khi đai ốc dịch chuyển trên đoạn 300 mm bất kỳ Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí đai ốc khi trục vít me quay 1 vòng ở trên đoạn bất kỳ m m Uc Lượng mòn dọc trục m [U] Lượng mòn dọc trục giới hạn m Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc m Sai lệch vị trí dọc trục giới hạn m  [] Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-230 và không bôi trơn Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-230 và có bôi trơn  Hệ số tuổi thọ giữa bôi trơn và không bôi trơn VII Giờ Giờ DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Bảng 1.1 Bảng 1.2 Nội dung ep cho phép với bộ truyền cần độ chính xác định vị cao ep cho phép với bộ truyền không yêu cầu độ chính xác định vị cao Trang 14 15 Bảng 1.3 Vup cho phép theo cấp chính xác 15 Bảng 1.4 V300p cho phép theo cấp chính xác 16 Bảng 1.5 V2p cho phép theo cấp chính xác 16 Bảng 1.6 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của NSK 16 Bảng 1.7 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của HIWIN 17 Bảng 1.8 Hệ số phụ thuộc độ chính xác 22 Bảng 1.9 Hệ số phụ thuộc xử lý khí khi nhiệt luyện thép 22 Bảng 1.10 Vật liệu và phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt 23 Bảng 1.11 Tiếp xúc giữa hai vật rắn có biến dạng đàn hồi 29 Bảng 1.12 Hệ số ma sát trong vít me – đai ốc bi theo mô phỏng và ước tính, so sánh 30 Bảng 2.1 Hệ số độ tin cậy 48 Bảng 2.2 Mô tả sai lệch vị trí đai ốc do biến dạng đàn hồi 51 Bảng 2.3 Các chỉ tiêu độ tin cậy lý thuyết và thực nghiệm 56 Bảng 2.4 Hệ số tuổi thọ thực nghiệm 60 Bảng 2.5 Hệ số tuổi thọ khi làm việc ở môi trường TCVN 7699-2-30 ứng với các độ tin cậy 60 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật vít me – đai ốc bi 63 Bảng 3.2 Các biến của ma trận thí nghiệm 79 Bảng 4.1 Bảng tổng hợp lượng mòn dọc trục đo được trong các thí nghiệm 92 Bảng 4.2 Bảng tính các thông số Lh iso; ; Lh tn; m tại mỗi điểm đo (điểm đích) của các thí nghiệm 93 Bảng 4.3 Bảng ma trận biến thí nghiệm 96 Bảng 4.4 Các giá trị hệ số tuổi thọ theo môi trường tại tâm quy hoạch 96 VIII Bảng 4.5 Các giá trị hàm hồi quy thực nghiệm 97 Bảng 4.6 Bảng số liệu thí nghiệm mòn với hàm hồi quy tốc độ mòn 100 Bảng 4.7 Giá trị các biến vào, ra của hàm hồi quy mới 100 Bảng 4.8 Bảng kê các biến đã chuẩn hóa 101 Bảng 4.9 Các giá trị yi; ̅; ̂ của hàm hồi quy 102 Bảng 4.10 Các giá trị xác định độ lệch chuẩn của mk 104 Bảng 4.11 Khoảng giá trị mk ứng với các độ tin cậy thực tế 105 Bảng 4.12 Khoảng giá trị m ứng với các độ tin cậy thực tế 105 IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình Nội dung Trang Hình 1.1 Hình ảnh về cấu tạo một số bộ truyền vít me – đai ốc 5 Hình 1.2 Hình ảnh một số bộ truyền vít me – đai ốc bi 5 Hình 1.3 Hình ảnh vị trí vít me – đai ốc bi trong máy CNC 6 Hình 1.4 Vị trí vít me – đai ốc bi trong bàn dao 7 Hình 1.5 Vít me – đai ốc bi loại có ren trái và loại có ren phải 8 Hình 1.6 Vít me – đai ốc bi loại có ren một đầu mối 8 Hình 1.7 Vít me – đai ốc bi loại có ren nhiều đầu mối 9 Hình 1.8 Đai ốc cho ren nhiều đầu mối 9 Hình 1.9 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc 10 Hình 1.10 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống 10 Hình 1.11 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp 10 Hình 1.12 Vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở nhờ tấm đệm 11 Loại có hai rãnh bi, khoảng cách tăng (giảm) so với bước vít Hình 1.13 11 khoảng  Hình 1.14 Khử khe hở bằng tăng kích thước bi 12 Hình 1.15 Kết cấu khử khe hở và đặt tải bằng lò xo 12 Hình 1.16 Thông số độ chính xác bước vít me 13 Hình 1.17 Rỉ sét bề mặt vít me – đai ốc bi 19 Hình 1.18 Tróc rỗ bề mặt làm việc vít me – đai ốc bi 19 Hình 1.19 Vít me – đai ốc bi bị cong trục vít me 19 Hình 1.20 Mòn đai ốc, mòn trục vít của VMĐB 20 Hình 1.21 Máy CNC làm việc trong môi trường có điều hòa không khí 24 Hình 1.22 Máy CNC làm việc trong điều kiện thông thường 25 Hình 1.23 Sự phân chia vùng khí hậu tại Việt Nam 26 Hình 1.24 Máy CNC làm việc trong một công ty cơ khí tại Việt Nam 27 Hình 1.25 Máy CNC trong sản xuất thường được làm việc trong nhà xưởng thông thoáng với môi trường tự nhiên X 28 Hình 1.26 Mô tả kiểu ma sát trong VMĐB 30 Hình 1.27 Lượng mòn, tải đặt trước phụ thuộc vận tốc và số hành trình 31 Hình 1.28 Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít đến tải đặt trước 31 Hình 1.29 Mô hình hóa hệ Bi chặn – vít me – đai ốc và bi 32 Hình 1.30 Tải tác động lên bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi 33 Hình 1.31 Quan hệ tần số các bi vào tải, tốc độ quay n và đường kính bi DW 33 Hình 1.32 Thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền vít me – đai ốc bi 34 Hình 1.33 Biến đổi nhiệt độ dẫn đến sai lệch vị trí đai ốc 34 Hình 1.34 Quan hệ tuổi thọ tương đối với mật độ nước trong chất bôi trơn 34 Hình 1.35 Phân phối tải trên các bi và khi một viên bi có lỗi kích thước 35 Hình 1.36 Mòn vít me – đai ốc bi 35 Hình 2.1 Sự phụ thuộc mòn vào thời gian t hay quãng đường ma sát L 38 Hình 2.2 Đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc lượng mòn vào vận tốc 39 Hình 2.3 Biểu đồ biến đổi nhiệt ẩm của không khí 42 Hình 2.4 Mô tả chu trình nhiệt ẩm 45 Hình 2.5 Giai đoạn tạo ổn định 45 Hình 2.6 Đồ thị đường cong mỏi 46 Hình 2.7 Hệ hai lò xo chịu tải 49 Hình 2.8 Quan hệ giữa mòn tổng cộng và mòn dọc trục 50 Hình 2.9 Mô hình hóa hệ vít me – đai ốc – bi trước và sau mòn 52 Hình 2.10 Tổng hợp sự phân phối thời gian 56 Hình 2.11 Các thể hiện mòn và mật độ phân phối mòn 57 Hình 2.12 Các thể hiện mòn tuyến tính và các mật độ f(U), f(t) 58 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ bản của máy thí nghiệm 63 Hình 3.2 Một số kích thước cơ bản của bộ truyền vít me – đai ốc bi 64 Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển tủ nhiệt ẩm 65 Hình 3.4 Sơ đồ đặt tải lên vít me – đai ốc bi 66 Hình 3.5 Phương án I – Tạo tải nhờ tải trọng 67 Hình 3.6 Phương án II – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong-xilanh tách rời sống trượt XI 67 Hình 3.7 Phương án III – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong-xilanh tích hợp sống trượt 68 Hình 3.8 Hệ thống tạo tải dọc trục 68 Hình 3.9 Phương án I – Đo dịch chuyển của đai ốc nhờ đồng hồ so 69 Hình 3.10 Phương án II.1 – Thân thước ghép nối với đai ốc bi di chuyển 70 Hình 3.11 Phương án II.2 – Đầu đọc ghép nối với đai ốc bi di chuyển 70 Hình 3.12 Hình ảnh hệ thống đo gá lắp với máy thí nghiệm, đặt bên ngoài tủ nhiệt ẩm 71 Hình 3.13 Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má trái ren 72 Hình 3.14 Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má phải ren 72 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý máy thí nghiệm 74 Hình 3.16 Hình ảnh mô phỏng tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm 75 Hình 3.17 Hình ảnh tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm – nhìn đằng trước 76 Hình 3.18 Hình ảnh tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm – nhìn bên phải 76 Hình 3.19 Hình ảnh thiết bị đo thẳng LS có độ phân giải 1 xung/m 77 Hình 3.20 Hình ảnh thiết bị đo quay RE có độ phân giải 5000 xung/vòng 77 Hình 3.21 Các điểm quy hoạch thực nghiệm 78 Hình 3.22 Sơ đồ khối xác định hệ số tuổi thọ 81 Hình 4.1 Các vít me – đai ốc bi sau khi thí nghiệm 84 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.2 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 85 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.3 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 86 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.4 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 87 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.5 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, không bôi trơn XII 88 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.6 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 89 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.7 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 90 không bôi trơn Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = Hình 4.8 3500(N) và n = 100(vg/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, 91 không bôi trơn Hình 4.9 Hình 4.10 Hình 4.11 Hình 4.12 Đồ thị hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn Đồ thị hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn Đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, không bôi trơn Đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, có bôi trơn XIII 98 99 102 103 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cơ khí là ngành công nghiệp nền tảng, sản phẩm của cơ khí được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các các ngành kinh tế xã hội. Từ công nghiệp vũ trụ, công nghiệp khai thác tài nguyên thiên nhiên, công nghiệp hóa học, đến cả công nghiệp du lịch, đặc biệt là công nghệ thông tin cũng đều phải sử dụng các sản phẩm, thiết bị, cơ cấu, máy móc cơ khí với từng mức độ khác nhau. Mới đây, ngày 11 tháng 4 năm 2014, phát biểu tại Hội nghị tổng kết 10 năm thực hiện chiến lược phát triển ngành Cơ khí. Thủ Tướng chính phủ nhấn mạnh: “Cơ khí là ngành công nghiệp nền tảng, có vị trí quan trọng trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Chính phủ rất quan tâm tới phát triển ngành Cơ khí, đặc biệt là Cơ khí chế tạo”. Trong lĩnh vực chế tạo và gia công cơ khí chính xác, máy công cụ CNC là lựa chọn ưu tiên hàng đầu hiện nay. Không chỉ có ưu thế về độ chính xác do máy CNC được trang bị hệ thống đo kiểm, phản hồi và điều chỉnh tác động ngay trong quá trình gia công sản phẩm, mà gia công CNC còn đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt do giảm thiểu thời gian gia công nhờ tự động hóa cao các chuyển động phụ (cấp phôi, thay dao, bù dao,...), hoặc thực hiện đồng thời nhiều nguyên công khác nhau. Các chuyển động tịnh tiến dao hoặc phôi trong máy công cụ cần có các cơ cấu truyền động từ động cơ đến cơ cấu chấp hành như: Vít me – đai ốc, bánh răng – thanh răng hoặc tay quay – thanh truyền... Do vít me – đai ốc bi (VMĐB) có kết cấu khử khe hở, ma sát nhỏ nên độ chinh xác truyền động và hiệu suất cao hơn. Vì vậy, VMĐB ngày càng được sử dụng rộng rãi trong máy công cụ, đặc biệt là máy công cụ CNC và đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt Do độ chính xác VMĐB quyết định độ chính xác chi tiết được gia công nên trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, khảo sát các vấn đề liên quan tới cụm chi tiết VMĐB. Hiện nay, tuổi thọ của bộ truyền này được ước lượng qua thời gian làm việc hoặc quãng đường ma sát với độ tin cậy 90%. Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Tải, tốc độ, môi trường,... trong đó yếu tố môi trường nhiệt ẩm chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy VMĐB của máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam có ý nghĩa khoa học và thực tế rất cao, do xu hướng thiết kế, sử dụng VMĐB trong các bộ truyền động tịnh tiến chính xác ngày càng tăng và môi trường làm việc của VMĐB tại Việt Nam là môi trường nhiệt đới ẩm. Mặt khác, bộ truyền VMĐB hiện nay trong nước chưa sản xuất được và nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau, 1 vì vậy tuổi thọ và độ tin cậy phân tán trong khoảng rộng. Kết quả nghiên cứu về mòn của VMĐB là cơ sở cho việc tính toán xác định tuổi thọ, độ tin cậy và kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế VMĐB trong điều kiện Việt Nam. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án - Xác định ảnh hưởng của môi trường theo TCVN 7699-2-30 của Việt Nam đến tốc độ mòn của VMĐB trong điều kiện có bổ sung chất bôi trơn và không bổ sung chất bôi trơn. - Xác định hệ số tuổi thọ trong công thức tính tuổi thọ VMĐB theo tiêu chuẩn ISO khi làm việc trong môi trường TCVN7699-2-30 cùng các mức tin cậy đặt ra. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là VMĐB có mã hiệu: ISO 3408 – 16 x 05 x 222 – T7R4, thường được sử dụng trong máy CNC cỡ nhỏ và trong các thiết bị cơ điện tử công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu: - Môi trường thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm theo TCVN 7699-2-30 - Tải và tốc độ quay của VMĐB được xác định theo cỡ máy CNC và điều kiện sử dụng, cụ thể: -  Tải “F”: Từ 2500 N đến 3500 N  Tốc độ quay trục vít me “n”: Từ 78 vòng/phút đến 100 vòng/phút Các nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện không bổ sung chất bôi trơn, có kiểm chứng với điều kiện bổ sung bôi trơn theo tiêu chuẩn. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học - Đưa ra phương pháp xác định mòn dọc trục của VMĐB. - Đưa ra được “hệ số tuổi thọ” bổ sung vào công thức tính tuổi thọ VMĐB theo ISO 3408 khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30. - Xác định được sự biến thiên hệ số tuổi thọ m theo độ tin cậy thực tế. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu có thể dùng để tham khảo và làm cơ sở khoa học cho việc xác định tuổi thọ theo độ tin cậy của cụm VMĐB khi làm việc trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam, từ đó có kế hoạch điều chỉnh, bảo dưỡng, thay thế phù hợp cho từng đối tượng sử dụng có yêu cầu độ tin cậy khác nhau. - Phần lớn các máy công cụ CNC sử dụng VMĐB tại Việt Nam được nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau, có chất lượng khác nhau nên việc nghiên cứu ảnh hưởng khí hậu 2 nhiệt đới ẩm giúp người sử dụng có lựa chọn các thiết bị có tích hợp cụm VMĐB cho phù hợp với điều kiện nhiệt ẩm ở Việt Nam. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết mòn, các yếu tố ảnh hưởng đến mòn, mối quan hệ giữa mòn và độ chính xác, tuổi thọ của VMĐB. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo, phương pháp đo, thiết kế hệ thống tạo tải, thiết kế nguyên lý làm việc cho hệ thống thiết bị thí nghiệm. Thực nghiệm: Xây dựng Quy hoạch thực nghiệm, thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm. Tổ chức thực nghiệm mòn cho VMĐB khi làm việc ở các điều kiện tải, tốc độ trong điều kiện môi trường TCVN 7699 – 2 – 30. Xử lý số liệu thực nghiệm, xây dựng và đánh giá hàm hồi quy với các công cụ, phần mềm chuyên dụng cho tính toán, mô phỏng. 6. Nội dung luận án Nội dung chính luận án bao gồm Chƣơng 1: Tổng quan về vít me – đai ốc bi Phân tích tổng quan về các dạng VMĐB thông dụng, vai trò của VMĐB trong máy công cụ CNC và một số vấn đề liên quan tới VMĐB. Đánh giá các kết quả nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước có liên quan, đưa ra những vấn đề mà luận án sẽ tập trung giải quyết. Chƣơng 2: Lý thuyết tuổi thọ và độ tin cậy vít me – đai ốc bi trên cơ sở mòn Trình bày các công trình nghiên cứu, tính toán của các nhà khoa học; Tiêu chuẩn có liên quan và phục vụ cho hướng nghiên cứu của đề tài. Chƣơng 3: Phương pháp, hệ thống thiết bị thực nghiệm và đo mòn Sử dụng phương pháp thiết kế dạng modul để thiết kế nguyên lý và kết cấu máy thí nghiệm; Quy hoạch thực nghiệm xác định phương pháp đo, sơ đồ đo sai lệch do mòn Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá Tổ chức thực nghiệm; Xử lý số liệu thực nghiệm; Xác định độ tin cậy, tuổi thọ VMĐB trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam; Xác định hệ số tuổi thọ khi làm việc trong điều kiện TCVN 7699 – 2 – 30. 3 7. Các điểm mới của luận án Luận án đã đưa ra được phương pháp xác định mòn dọc trục VMĐB trên thiết bị thử nghiệm với điều kiện tải và tốc độ quay thay đổi, chịu tác động của môi trường theo TCVN 7699-2-30. Luận án đã đưa ra hệ số tuổi thọ bổ sung vào công thức tính tuổi thọ VMĐB theo ISO 3408 khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và đồng thời xác định được sự biến thiên hệ số tuổi thọ m theo độ tin cậy trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam. 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI 1.1. Đặc điểm, vai trò của vít me – đai ốc bi Bộ truyền VMĐB là một trong các loại của bộ truyền vít me – đai ốc, có tác dụng biến chuyển động quay của trục vít thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc và ngược lại, hiện được sử dụng khá phổ biến trong các máy móc, thiết bị. Hình 1.1 thể hiện hình ảnh một số vít me – đai ốc: Đai ốc Trục vít a) Vít me - đai ốc thông thường (ma sát trượt) b) Vít me – đai ốc bi Hình 1.1 Hình ảnh về cấu tạo một số bộ truyền vít me – đai ốc [63] Đặc điểm bộ truyền vít me – đai ốc bi: Trong các loại vít me – đai ốc, VMĐB có đặc điểm khác biệt bởi ma sát trong các bộ truyền vít me – đai ốc thông thường là ma sát trượt, còn ma sát trong VMĐB là ma sát tổng hợp cả lăn và trượt [26]. Đặc điểm này làm cho hiệu suất bộ truyền cao hơn, mất mát do ma sát ít hơn, đáp ứng rất tốt với yêu cầu khởi động nhanh và dừng chính xác. Trong VMĐB có rãnh hồi bi, tạo điều kiện để các bi chuyển động tuần hoàn trong đai ốc bi. Đặc điểm này làm cho tải trung bình đặt lên từng bi là tương đối đều nhau, không có hiện tượng mòn cục bộ một hoặc một vài viên bi trong bộ truyền. Bằng các biện pháp khử khe hở trong bộ truyền, đồng thời có kết cấu dạng modul, bao gồm các chi tiết tiêu chuẩn, thuận lợi cho việc gia công, chế tạo và lắp ráp chính xác VMĐB. Nhờ đó, VMĐB có độ chính xác truyền động cao hơn, được ứng dụng trong thiết kế chế tạo máy CNC và mở rộng ra ngày càng nhiều lĩnh vực khác. Hình 1.2 thể hiện hình ảnh một số VMĐB thông dụng. Hình 1.2 Hình ảnh một số bộ truyền vít me – đai ốc bi [80] 5 Sử dụng VMĐB có các ưu điểm sau [1, 15] - Mất mát công suất do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền   0,9; - Hệ số ma sát lăn phụ thuộc rất nhỏ vào vận tốc lăn của bi trong vùng làm việc. Điều đó nâng cao khả năng chuyển động ổn định; - Khử khe hở và tạo sức căng ban đầu sẽ đảm bảo độ chính xác truyền dẫn cao hơn, nhất là khi đảo chiều chuyển động. Tuy nhiên, do đặc điểm cấu tạo mà VMĐB có những nhược điểm cơ bản: - Độ cứng chống biến dạng thấp hơn so với bộ truyền vít me – đai ốc khác cùng kích cỡ. - Kích thước đai ốc lớn hơn so với bộ truyền vít me – đai ốc cùng thông số truyền động. - Khả năng chống quá tải thấp hơn so với các bộ truyền vít me – đai ốc khác. Vai trò của vít me – đai ốc bi trong máy công cụ CNC Các chuyển động phục vụ quá trình gia công cắt gọt trong máy công cụ nói chung, máy CNC nói riêng đều bắt nguồn từ các động cơ điện quay. Khi cần truyền, biến đổi từ chuyển động quay của động cơ sang tịnh tiến của bàn máy hoặc đầu trục chính,... để thực hiện các chuyển động chạy dao (hoặc phôi), các cơ cấu vít me – đai ốc thường được lựa chọn. Tuy nhiên, trong máy công cụ CNC – thiết bị điển hình về cơ điện tử hiện đại – yêu cầu chuyển động tịnh tiến chính xác cao hơn, gia công linh hoạt và độ khó cao hơn,... Do các ưu điểm nổi trội về đặc điểm cấu tạo của VMĐB, hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu trên nên ngày càng được sử dụng rộng rãi, thay thế cho các loại vít me – đai ốc thông thường. Hình 1.3 thể hiện vị trí và kết cấu VMĐB trong máy CNC, với chức năng thực hiện chuyển động chạy dao. Hình 1.3 Hình ảnh vị trí vít me – đai ốc bi trong máy CNC [64, 76] 6 Trong máy công cụ CNC, trục vít me thường được gá lắp cố định dọc trục với thân máy, đai ốc được lắp cố định với bàn máy. Khi vít me thực hiện chuyển động quay nhờ hệ thống truyền dẫn, làm cho đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc trục vít me và đưa bàn máy chuyển động theo. Lượng dịch chuyển của đai ốc (cũng như bàn máy) được tính theo góc quay của trục vít me và có thể thay đổi nhờ động cơ Servo. Độ chính xác dịch chuyển bàn máy phụ thuộc vào độ chính xác vị trí đai ốc trong VMĐB và độ chính xác của hệ thống điều khiển, phản hồi. Để thực hiện các chuyển động phức tạp, có thể lắp trên bàn máy một bàn máy khác, bàn máy trên có chuyển động tịnh tiến tương đối so với bàn máy dưới nhờ VMĐB và thường là chuyển động vuông góc. Hình 1.4 thể hiện vị trí và kết cấu VMĐB trong bàn máy của một máy phay CNC 1 2 3 4 5 6 Hình 1.4 Vị trí vít me – đai ốc bi trong bàn dao [52] Trên hình: (1): VMĐB trục Y; (2): Sống trượt bàn Y; (3): VMĐV trục X (4): Sống trượt bàn X (5): Bàn trục Y; (6): Thân máy. Nhìn vào hình 1.4 cho thấy: Bàn trục Y (5) có thể chuyển động tương đối với thân máy (6) theo phương của sống trượt bàn Y (2). Nếu gá lắp bàn máy trục (bàn gá phôi, bàn gá đài dao, hay bàn trục X,...) với đai ốc của vít me – đai ốc bi trục X (3), lượng dịch chuyển và độ chính xác dịch chuyển của bàn máy đó hoàn toàn được điều khiển và xác định bởi (3) và (4). Bàn máy trong máy công cụ CNC có tác dụng thực hiện những chuyển động chạy dao (hoặc phôi) trong quá trình gia công. Chất lượng chuyển động của nó liên quan trực tiếp đến chất lượng và độ chính xác gia công. Do đó, VMĐB chính là cụm chi tiết có ảnh 7 hưởng trực tiếp đến chất lượng quá trình gia công ( lượng dịch chuyển và độ chính xác dịch chuyển của bàn máy). VMĐB còn được ứng dụng trong những máy chuyên dụng khác hoặc những máy không phải CNC. Những máy này cũng đòi hỏi độ chính xác truyền động cao, hiệu suất làm việc lớn, ma sát nhỏ,... như: Máy đóng gói bao bì sản phẩm, dây chuyền công nghệ sản xuất tự động, điêu khắc gỗ, … 1.2. Phân loại vít me – đai ốc bi 1.2.1. Theo hình dáng và kết cấu Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng nổi tiếng cung cấp các loại VMĐB tiêu chuẩn như: Thomson; Carry; Steinmeyer; Kurim; NSK; KSK; HIWIN; GTEN; TBI; NIKO, SKF,… Mỗi hãng có những ký hiệu riêng, có sản phẩm theo tiêu chuẩn riêng, có sản phẩm theo tiêu chuẩn chung. Tuy nhiên, có thể phân loại VMĐB như sau: Phân loại theo chiều của ren vít Theo cách phân loại này, có hai loại ren vít là ren trái và ren phải. Bộ truyền có ren trái tuy được đề cập đến [33, 35, 60, 69, 70, 71], nhưng ít được sản xuất sẵn, đại trà. Có thể mặc định VMĐB có ren phải. Hình 1.5 mô tả hai loại VMĐB có ren trái và phải. Ren trái Ren phải Hình 1.5 Vít me – đai ốc bi loại có ren trái và loại có ren phải. Phân loại theo số đầu mối ren: - Loại có ren một đầu mối: Là loại phổ thông và hiện được sử dụng khá rộng rãi. Ren một đầu mối là loại truyền chuyển động với độ chính xác cao hơn so với ren nhiều đầu mối bởi chế tạo đơn giản hơn và bước vít thường nhỏ hơn. Hình 1.6 mô tả ren một đầu mối Hình 1.6 Vít me – đai ốc bi loại có ren một đầu mối [60] 8 Với lợi thế về khả năng thay đổi tốc độ nhờ động cơ servo và hệ số ma sát nhỏ hơn rất nhiều so với các bộ truyền vít me - đai ốc ma sát trượt thông thường nên khi cần truyền chuyển động với vận tốc lớn thì vẫn có thể dùng loại có ren một đầu mối và thay đổi tốc độ nhờ động cơ servo mà không bắt buộc cần đến bộ truyền VMĐB loại có ren nhiều đầu mối. - Loại có ren nhiều đầu mối: Là loại được chế tạo phức tạp hơn so với loại ren một đầu mối. Do các mối ren khi được chế tạo đều có sai số bước và sai số tích lũy, nên cần sự chính xác rất cao giữa khoảng cách các mối ren trên đai ốc và khoảng cách giữa các mối ren trên trục vít me tại các tiết diện khác nhau. Hình 1.7 thể hiện hình ảnh VMĐB có ren nhiều đầu mối Hình 1.7 Vít me – đai ốc bi loại có ren nhiều đầu mối [60] Loại VMĐB có ren nhiều đầu mối thường có góc xoắn vít lớn nên lực dọc trục tác động lên các bi trong bộ truyền VMĐB có ren nhiều đầu mối nhỏ hơn so với loại một đầu mối [25, 77], ưu điểm của bộ VMĐB có ren nhiều đầu mối là tỷ số truyền lớn hơn so với loại một đầu mối. Việc chế tạo phức tạp hơn so với đai ốc có ren một đầu mối có cùng độ chính xác. Loại có ren nhiều đầu mối, cụm đai ốc có hai rãnh bi độc lập với nhau, không thay đổi tải đặt trước. Bộ truyền kiểu này không được sử dụng rộng rãi. Hình 1.8 mô tả đai ốc cho ren nhiều đầu mối Đai ốc Rãnh hồi bi Nắp chuyển hướng bi Nắp chuyển hướng bi Trục vít me Hình 1.8 Đai ốc có ren nhiều đầu mối [60] Phân loại theo kiểu hồi bi trên đai ốc: - Loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc: Rãnh hồi bi song song với đường tâm đai ốc. Đường dẫn bi đến rãnh hồi bi được bố trí trên nắp của đai ốc. Kết cấu VMĐB loại có rãnh 9 hồi bi theo lỗ trên đai ốc được chỉ ra trên hình 1.9. Ưu điểm của loại này là rãnh hồi bi nằm bên trong đai ốc nên gọn và tính công nghệ cao, phân phối tải đều hơn. Tuy nhiên, kích thước đai ốc to hơn, hạn chế hành trình hơn so với VMĐB cùng cỡ. Đai ốc Máng đổi hướng bi Rãnh hồi bi Trục vít me Hình 1.9 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc [60] - Loại có rãnh hồi bi kiểu ống: Là loại có phương án hồi bi phổ biến nhất hiện nay do ưu điểm dễ chế tạo, sửa chữa và căn chỉnh, kích thước đai ốc không lớn. Ống hồi bi được lắp vào đai ốc nằm trong giới hạn kích thước đường kính ngoài của đai ốc. Nhược điểm của phương án này là phân phối lực trên đai ốc không đều, độ bền mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao. Hình 1.10 thể hiện vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống Rãnh hồi bi Trục vít me Hình 1.10 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống [60] - Loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: Rãnh hồi bi được bố trí trên một máng lót đặc biệt. Để đặt máng lót rãnh hồi bi, trên đai ốc có phân bố các hốc cách đều theo chu vi và được thể hiện như hình 1.11. Kết cấu này khác với các kết cấu khác ở chỗ đường hồi bi là đường nối hai rãnh kế tiếp nhau và có ưu điểm: Kích thước đường kính đai ốc nhỏ hơn kích thước của bộ truyền vít me khác có cùng đường kính, không bị mòn nhanh, có độ tin cậy cao, chiều dài rãnh hồi bi nhỏ. Đai ốc Máng đổi hướng bi Trục vít me Hình 1.11 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp [60] 10 Tuy nhiên, nhược điểm của kết cấu hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp là chế tạo phức tạp, độ khó cao, nhất là khi gia công rãnh hồi bi trên chi tiết đai ốc. Đồng thời, mỗi viên bi chỉ chuyển động tương đối với đai ốc trên một vòng ren nên tải phân bố trên đai ốc và vít me sẽ khó đều và phụ thuộc độ chính xác phân bố các hốc bi trên chu vi đai ốc. Phân loại theo cách đặt tải trước và khử khe hở: - Loại khử khe hở và đặt tải trước bằng tấm đệm: Loại này được đặt tải để khử khe hở bằng cách ghép nối một tấm đệm vào giữa hai đai ốc. Khi muốn tải đặt trước là kéo, chiều dày tấm đệm là dương; Khi muốn tải đặt trước là nén, chiều dày tấm đệm là âm. Với chiều dày tấm đệm khác nhau cho phép thay đổi tải đặt trước làm thay đổi độ cứng của bộ truyền VMĐB. Phương pháp này có kết cấu đơn giản hơn nhưng có nhược điểm là điều chỉnh khó khăn. Hình 1.12 mô tả vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở và đặt tải trước bằng tấm đệm. Tấm đệm Tấm đệm Tải trước kéo Tải trước kéo Tải trước nén Tải trước nén Hình 1.12 Vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở nhờ tấm đệm [60] - Loại khử khe hở bằng cách dùng đai ốc có hai hệ thống rãnh bi, với khoảng cách rãnh lớn (hoặc nhỏ) hơn so với bước vít là α: Kết cấu này đòi hỏi chế tạo phức tạp và chính xác hơn loại có hai đai ốc. Trong thân đai ốc chế tạo hai hệ thống rãnh bi cách nhau một khoảng Ph ± α, trong đó α đặc trưng cho tải đặt trước ứng với từng loại VMĐB. Loại này có nhược điểm là khoảng cách giữa hai hệ thống rãnh bi là cố định nên việc chỉnh sửa, khử khe hở hoặc thay đổi tải đặt trước là không thực hiện được. Kết cấu loại khử khe hở kiểu này được thể hiện ở hình 1.13. (Ph là ký hiệu bước vít me). Đai ốc bi Ph Ph± Ph Hình 1.13 Loại có hai rãnh bi, khoảng cách tăng (giảm) so với bước vít khoảng α [60] 11 - Loại khử khe hở bằng cách tăng kích thước bi: Là loại cần độ chính xác chế tạo cao hơn và yêu cầu lắp ráp khắt khe hơn. Kích thước không gian rãnh bi tạo bởi ren trên trục vít và đai ốc được chế tạo nhỏ hơn hoặc bằng kích thước bi chịu tải làm cho viên bi tiếp xúc cả hai má của rãnh trên trục vít và cả hai má của rãnh trên đai ốc. Đai ốc của VMĐB loại này có kích thước nhỏ nhất so với các loại khác nhưng cũng là loại có độ cứng chống biến dạng đàn hồi nhỏ nhất, thường được dùng trong các máy CNC đòi hỏi độ chính xác, độ cứng không quá cao hoặc trong các tay máy, robot ... Hình 1.14 thể hiện kết cấu khử khe hở bằng cách tăng kích thước bi Đai ốc Trục vít Bi tạo khoảng cách Đai ốc Đai ốc Ph Ph Bi chịu tải Trục vít Trục vít Hình 1.14 Khử khe hở bằng tăng kích thước bi [60] - Loại khử khe hở và đặt tải bằng lò xo: Là loại dùng lò xo có tải đặt trước khá ổn định, khả năng thay đổi tải đặt trước dễ dàng. Tuy nhiên độ đàn hồi của cụm đai ốc cao, sẽ có chuyển vị lớn hơn khi tải tác động lớn. Bộ truyền này thường được sử dụng trong các máy có tốc độ cao, tải nhỏ. Hình 1.15 thể hiện kết cấu VMĐB khử khe hở và đặt tải bằng lò xo Đai ốc A Lò xo Đai ốc B Lò xo Đai ốc A Tải ngoài Hình 1.15 Kết cấu khử khe hở và đặt tải bằng lò xo [60] 12 Đai ốc B 1.2.2. Theo cấp chính xác Theo cấp chính xác làm việc yêu cầu của máy, thiết bị cơ khí, cùng với tải làm việc và tuổi thọ dự kiến, bộ truyền VMĐB được lựa chọn sử dụng phải phù hợp. ISO 3408 – 3 quy định phân loại VMĐB theo cấp chính xác dựa vào lượng sai lệch vị trí đai ốc bi. Trong đó, VMĐB được phân theo các cấp chính xác khác nhau: C0; C1; ... C10. Chữ số đằng sau càng lớn thể hiện độ chính xác thấp dần [33, 35, 37, 60, 69-71]. Hình 1.16 thể hiện ý nghĩa các thông số hình học theo cấp chính xác của VMĐB cho trong bộ tiêu chuẩn ISO 3408 Hình 1.16 Thông số độ chính xác của bước vít me [35] Trên hình lu: Chiều dài đoạn ren vít me có ích; l: C: Giá trị sai số tích lũy bước vít; Vup: Miền giá trị đo thực của mỗi phép đo; e: Sai lệch vị trí của đai ốc; V2πp: Độ lệch khi đai ốc quay một vòng ren; V300p: Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí khi đai ốc di chuyển trên đoạn 300 mm bất kỳ; ep: Chấp nhận sai số trong hành trình quy định. Chiều dài trục vít me; Xét một VMĐB, khi cho vít me quay, đai ốc tịnh tiến từ điểm bắt đầu (điểm O) đến vị trí A mong muốn, cách O một khoảng OA. Theo danh nghĩa chỉ cần cho vít me quay số vòng là với Ph là bước vít danh nghĩa. Do sai số chế tạo, giá trị thực của bước thường không bằng giá trị bước danh nghĩa (Ph) mà là (Ph ± p). Lúc đó đai ốc sẽ đi đến vị trí cách A một khoảng OA ± p * n. Giá trị p * n = C là giá trị sai số tích lũy do bước vít, cũng là lượng dịch chuyển cần bù cho bộ truyền VMĐB. 13 Khi thực hiện phép dịch chuyển, không chỉ có sai số tích lũy do bước vít mới ảnh hưởng đến sai lệch vị trí của đai ốc. Trong quá trình làm việc, do vít me còn chịu tải, ma sát,... gây bến dạng đàn hồi, làm cho giá trị sai lệch vị trí đai ốc không đúng bằng C mà là C ± ep . Giá trị ep chủ yếu là phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi và khe hở dọc trục, dấu “+” hay “-” tùy theo chiều chuyển động của đai ốc. ISO 3408 - 3 thể hiện các thông số đo và quy định cho giá trị của các thông số liên quan tới độ chính xác VMĐB tùy theo cấp chính xác. Trong đó có quy định thống nhất về điều kiện không tải khi đo. Trên hình 1.16 thể hiện ý nghĩa các thông số hình học theo cấp chính xác quy định trong bộ tiêu chuẩn ISO 3408. Các thiết bị đo và máy đo dù chính xác cỡ nào thì khi làm việc, bộ phận chuyển động cũng chịu các lực gây rung động và ảnh hưởng đến tải tác động lên bộ truyền. Thực tế vị trí thực của đai ốc sẽ không đúng bằng C + ep hay C– ep, giá trị vị trí thực của đai ốc sẽ khác nhau giữa các lần đo và nằm trong khoảng “ theo chiều thuận hoặc “ đến đến ” khi đai ốc đi ” khi đai ốc đi theo chiều ngược. Giá trị Vup là do sai số phép đo, do rung động và các yếu tố ngẫu nhiên... Khi chiều dài đoạn ren làm việc Lu càng lớn, đồng nghĩa với bộ truyền VMĐB sẽ có độ cứng vững kém hơn, mất ổn định hơn, các biến dạng kéo – nén và uốn sẽ lớn hơn làm cho sai lệch vị trí đai ốc nhiều hơn. Do đó khi chiều dài đoạn ren chịu tải khác nhau, giá trị của C và ep cho phép ứng với cùng mức cấp chính xác cũng khác đi. Bảng 1.1 quy định giá trị ep cho phép theo cấp chính xác của VMĐB và chiều dài đoạn vít me làm việc. Bảng 1.1 ep cho phép với bộ truyền cần độ chính xác định vị cao [37] Chiều dài đoạn ren Mức tối đa Sai lệch cho phép ep (m) làm việc Lu (mm) Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác > ≤ 0 1 3 5 7 10 0 315 4 6 12 23 - - 315 400 5 7 13 25 - - 400 500 6 8 15 27 - - 500 630 6 9 16 32 - - 630 800 7 10 18 36 - - 800 1000 8 11 21 40 - - 1000 1250 9 13 24 47 - - 1250 1600 11 15 29 55 - - 1600 2000 - 18 35 65 - - 2000 2500 - 22 41 78 - - 2500 3150 - 26 50 96 - - 14 3150 4000 - 32 62 115 - - 4000 5000 - - 76 140 - - 5000 6300 - - - 170 - - Với những bộ truyền VMĐB làm việc có yêu cầu về độ chính xác vị trí không cao, mức tối đa sai lệch cho phép được cho ở bảng 1.2 Bảng 1.2 ep cho phép với bộ truyền có không yêu cầu độ chính xác định vị cao [37] Mức tối đa sai lệch cho phép ep (m) Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác 0 1 3 5 7 10 Trong mỗi phép đo, lượng sai lệch giữa các kết quả đo do rung động và các yếu tố ngẫu nhiên chỉ cho phép trong giới hạn nhất định. Nếu quá giới hạn này cần xem lại máy và thiết bị đo. Bảng 1.3 cho biết lượng sai lệch do rung động và các yếu tố ngẫu nhiên giữa các kết quả đo trong cùng một phép đo Bảng 1.3 Vup cho phép theo cấp chính xác [37] Lượng sai lệch kết quả đo Vup (m) Chiều dài đoạn ren làm việc Lu (mm) Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác > ≤ 0 1 3 5 7 10 0 315 3,5 6 12 23 - - 315 400 3,5 6 12 25 - - 400 500 4 7 13 26 - - 500 630 4 7 14 29 - - 630 800 5 8 16 31 - - 800 1000 6 9 17 34 - - 1000 1250 6 10 19 39 - - 1250 1600 7 11 22 44 - - 1600 2000 - 13 25 51 - - 2000 2500 - 15 29 59 - - 2500 3150 - 17 34 69 - - 3150 4000 - 21 41 82 - - 4000 5000 - - 49 99 - - 5000 6300 - - - 119 - - Sai lệch Vup sẽ không có ý nghĩa khi có sự sai lệch cục bộ tại một hoặc một vài điểm trong bộ truyền, vì vậy cần có sự đánh giá và cho phép đối với bất kỳ đoạn chiều dài đơn vị nào của bộ truyền, để đảm bảo ý nghĩa cho khái niệm cấp chính xác của vít me – đai ốc bi. 15 Bảng 1.4 V300p cho phép theo cấp chính xác [37] Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác 0 1 3 5 7 10 52a 210a Giá trị cho phép V300p (m) 3,5 6 12 23 a: chỉ áp dụng cho bộ truyền vít me – đai ốc bi không yêu cầu độ chính xác vị trí cao Bảng 1.5 V2p cho phép theo cấp chính xác [37] Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác 0 1 3 5 7 10 - - Giá trị cho phép V2p (m) 3 4 6 8 Dựa vào tiêu chuẩn ISO, mỗi hãng có những quy định riêng về cấp chính xác cần thiết cho các trục của máy CNC. Sau đây là bảng yêu cầu cấp chính xác cần thiết của vít me – đai ốc bi sử dụng cho các trục của các máy NC, CNC của một số hãng: Bảng 1.6 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của NSK [60] Cấp ứng dụng Tiện Phay Trục X Cấp chính xác 0 1 2 3     Z Khoan Máy công cụ NC      Y        X     Y        X   Y   Z Doa có bạc dẫn  X Z Trung tâm gia công X   Y   Z    Z Mài Gia công tia lửa điện (EDM) 5 X    Y    X    Y    16 7  10 Z Máy cắt dây Máy cắt laser    X    Y    U     V     X   Y   Z   Bảng 1.7 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của HIWIN [33] Cấp ứng dụng Tiện Phay Trung tâm gia công Máy công cụ CNC Doa có bạc dẫn Khoan Cấp chính xác Trục X 0 1 2 3 Gia công tia lửa điện (EDM) Y    X      Y      Z     X     Y     Z    X   Y   Z   X    Y    X Máy cắt laser 6       Y    X    Y        Z Máy cắt dây 5      Z Mài 4 X    Y    U     V     X    Y    Z    17 7 8 10 1.2.3. Theo công dụng Vít me – đai ốc bi dùng trong các máy cần chuyển động chính xác vị trí cao [37] Loại này thường dùng trong các máy gia công CNC, máy và thiết bị đo. Do yêu cầu độ chính xác cao nên ngoài việc đòi hỏi độ chính xác cao của từng chi tiết trong VMĐB, kích thước bộ truyền cũng thường phải lớn, để giảm lượng biến dạng đàn hồi làm sai lệch vị trí hoặc kết quả đo. Vít me – đai ốc bi dùng trong các máy không yêu cầu độ chính xác vị trí cao [37] Loại này thường dùng cho các tay máy, rô bốt, thiết bị công nghiệp không quá đòi hỏi độ chính xác quá cao về vị trí mà công việc chủ yếu là mang tải và truyền chuyển động. Trường hợp đặc biệt, có thể dùng VMĐB với cấp chính xác 7 cho trục Z máy khoan CNC [60]. 1.3. Các dạng hỏng vít me – đai ốc bi Truyền động VMĐB khi làm việc, theo lý thuyết có thể gặp một số dạng hỏng sau [6]: Hỏng do quá tải: Khi tải trọng tĩnh lớn hơn giá tri tải trọng tĩnh cho phép, VMĐB sẽ bị hỏng dạng: vỡ bi, biến dạng dẻo bề mặt làm việc, gãy, đứt trục; nứt, vỡ đai ốc,... Hỏng do mỏi: Khi chịu tải theo chu kỳ, mặc dù tải nhỏ hơn giá trị cho phép, nhưng do các vết nứt tế vi xuất hiện kết hợp với sự đổi dấu ứng suất khi làm việc sẽ phát triển dần đến nứt, gãy hoặc vỡ. Hỏng do bị ăn mòn: Dưới tác dụng của hóa học, môi trường Hỏng do mài mòn: Do tác dụng của tải (P), vận tốc (V) của chuyển động tương đối lăn và trượt. Hỏng do mất ổn định: Mặc dù tải tác động khá nhỏ so với giá trị cho phép cũng sẽ dẫn tới biến dạng, cong vênh,... Trục vít me mất ổn định khi trục vít quá dài, hoặc có kết cấu không cứng vững (chỉ hạn chế một đầu trục vít, đầu kia để tự do), ... Thực tế, máy công cụ CNC là thiết bị gồm các chi tiết, cụm chi tiết có độ chính xác rất cao, được trang bị các thiết bị tự động hóa hiện đại, tuổi thọ theo thiết kế hằng chục nghìn giờ, nên máy CNC thường được trang bị các cơ cấu cảnh báo và phòng quá tải ở nhiều cấp độ, do đó rất hiếm gặp VMĐB trong máy CNC bị hỏng theo trường hợp hỏng do quá tải làm đứt, gãy, vỡ bi, hoặc do vít me mất ổn định. Dạng hỏng do vít me bị mất ổn định, chỉ 18 xuất hiện với máy CNC có kết cấu VMĐB không cứng vững, một đầu để tự do hoặc do trong quá trình lắp đặt không đạt gây sai số. Chủ yếu VMĐB bị hỏng là do mỏi, và mòn do ăn mòn, mài mòn. Ở các nước công nghiệp phát triển cao như Mỹ, Đức, Nhật,... hỏng máy móc, thiết bị được hiểu là khi máy không đạt độ chính xác gia công, khi đó máy, thiết bị sẽ bắt buộc phải loại bỏ khỏi dây truyền sản xuất, hoặc chuyển đổi đối tượng, mục đích sử dụng, hoặc coi là rác thải công nghiệp. Như vậy, mòn do ăn mòn, mài mòn là dạng hỏng chủ yếu của các thiết bị, máy móc. Dưới đây là một số hình ảnh về hỏng VMĐB: Hình 1.17 Rỉ sét bề mặt vít me – đai ốc bi [29, 67] Hình 1.17 thể hiện hình ảnh VMĐB bị rỉ sét bề mặt làm việc do bảo quản, sử dụng trong điều kiện môi trường làm việc không tốt. Hình 1.18 Tróc rỗ bề mặt làm việc vít me – đai ốc bi [48] Hình 1.18 thể hiện hình ảnh VMĐB bị tróc rỗ bề mặt làm việc do mòn mỏi Hình 1.19 Vít me – đai ốc bi bị cong trục vít me [65] Hình 1.19 thể hiện hình ảnh VMĐB bị biến dạng (cong ) do kết cấu kém cứng vững. 19 Hình 1.20 Mòn đai ốc, mòn trục vít của VMĐB [61] Như vậy, khái niệm tuổi thọ, hay hỏng là khi VMĐB không đủ độ chính xác cho phép ở cấp chính xác ban đầu. Mòn là nguyên nhân chủ yếu gây sai hỏng VMĐB. Khi lượng mòn đạt tới mức giới hạn, sai số bộ truyền đạt mức tối đa cho phép là lúc bộ truyền VMĐB hết tuổi thọ của nó và coi là hỏng. Trên thực tế , tổng hợp mòn do ăn mòn (hóa học) và kết hợp với mài mòn (cơ học) là dạng mòn của VMĐB: mòn cơ hóa, trong đó mòn oxy hóa là dạng mòn quan trọng nhất – “là quá trình phá hủy dần dần bề mặt của chi tiết khi ma sát, do tương tác các lớp bề mặt hoạt tính bị biến dạng dẻo với oxy không khí hay của dầu bôi trơn hấp thụ trên bề mặt. Mòn oxy hóa thể hiện ở sự hình thành các lớp màng hấp thụ hóa học, của các hợp chất hóa học giữa kim loại với oxy và bong tách của lớp màng ấy ra khỏi bề mặt ma sát. Mòn oxy hóa là quá trình ổn định, cân bằng động giữa phá hủy và phục hồi các lớp màng oxyt, đặc trưng cho điều kiện làm việc bình thường của cặp ma sát” [5]. Bộ truyền VMĐB khi chịu ảnh hưởng quá trình mòn sẽ giảm dần kích thước, dẫn đến độ chính xác bị suy giảm, sai lệch vị trí tương đối của cặp ma sát tăng lên làm tăng va đập, rung động. Khi áp suất tại điểm va đập lớn gây biến dạng dẻo bề mặt, chất lượng bề mặt xấu đi dẫn đến ma sát và mòn tăng lên. Quá trình mòn chịu ảnh hưởng rất nhiều của môi trường bảo quản và sử dụng. Đó cũng chính là cơ sở để triển khai nghiên cứu luận án. 1.4. Các đặc trƣng, tính toán cơ bản của vít me – đai ốc bi VMĐB là cụm chi tiết truyền động chính xác được thiết kế chế tạo có tiêu chuẩn hóa cao, vì vậy dù có rất nhiều chủng loại vít me – đai ốc bi với các ký hiệu và nguồn gốc khác nhau nhưng vẫn cơ bản giống nhau về các thông số hình học và các đặc trưng. Một số đặc trưng cơ bản của bộ truyền VMĐB [1, 15]: - Truyền động chính xác cao; - Hiệu suất bộ truyền cao (>90%), mất mát do ma sát thấp; - Lực ma sát phụ thuộc rất ít vào vận tốc; - Có thể khử và điều chỉnh khe hở giữa vít me và đai ốc bi cả khi đảo chiều... 20 VMĐB theo tiêu chuẩn có các phương pháp tính là tương đối giống nhau. Một số phương pháp tính cơ bản cho VMĐB: 1.4.1. Độ cứng chống biến dạng đàn hồi [38] Độ cứng vững dọc trục cụm VMĐB được tính toán xác định theo từng chủng loại, kích thước, vật liệu. Nhìn chung có thể xác định dựa trên công thức quy định như sau: (1.1) Trong đó: RS: Độ cứng vững của trục VMĐB đoạn chịu tải; Rnu,ar: Độ cứng vững của đai ốc bi. Các giá trị RS; Rnu,ar phụ thuộc vào đặc điểm bộ truyền và được nêu trong [38] 1.4.2. Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa Coa [39] (1.2) Trong đó: : Số bi chịu tải trên một vòng i: Số vòng bi chịu tải; : Góc tiếp xúc (độ, 0); ( ); Đường kính bi (mm); : : : Đường kính vòng tròn tạo bởi tâm các viên bi (mm); Góc rãnh bi (độ, 0); : Số bi không chịu tải; ; √ ; ; ; : bán kính cong đối ứng (mm-1). 1.4.3. Tải động dọc trục danh nghĩa Ca [39] (1.3) Trong đó: Tải động cho một vòng bi chịu tải, [ ( ) Cs: Tải động tối đa cho một vòng bi chịu tải trên trục (N); Cn: Tải động tối đa cho một vòng bi chịu tải trên đai ốc (N); CS = fC . (cos )0,86 . zl2/3 . DW1,8 . tan  . (cos )1.3 ; 21 ] (N); ( : hệ số về hình học, ( ) ); ; ( ; ( ; ; ) ) ; ; . 1.4.4. Tải dọc trục sửa đổi [39] Tải tĩnh sửa đổi C0am C0am = C0a . fh0 . fac (1.4) Trong đó: ( : hệ số phụ thuộc độ cứng cho tải tĩnh, ) ; fac: hệ số phụ thuộc cấp chính xác. Bảng 1.8 Hệ số phụ thuộc độ chính xác Cấp chính xác 0, 1, 3 và 5 7 10 fac 1 0,9 0,7 Tải động sửa đổi Cam Cam = Ca . fh . fac . fm (1.5) Trong đó: hệ số phụ thuộc độ cứng cho tải động, ( ) ; fm: hệ số phụ thuộc vào xử lý khí khi luyện thép. Bảng 1.9 Hệ số phụ thuộc xử ký khí khi nhiệt luyện thép Thép làm bi fm Nung nóng 1 Hút chân không 1,25 Nung nóng lại bằng điện 1,44 Nung nóng trong chân không 1,71 1.4.5. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi [39] Khi vít me – đai ốc bi làm việc một chiều: Tuổi thọ tính theo số vòng quay: ( ) (vòng) Tuổi thọ tính theo giờ: 22 (1.6) (h) (1.7) Trong đó: Fm: tải dọc trục tương đương nm: tốc độ quay tương đương Khi vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều: Tuổi thọ được tính tương tự công thức 1.6 và 1.7 cho từng chiều (tải tương đương tính riêng cho từng chiều) và tuổi thọ tổng hợp được tính theo công thức: ( ) (vòng) (1.8) Trong đó: L1; L2: Tuổi thọ tính cho từng chiều, lần lượt là chiều 1 và chiều 2 (ngược lại) 1.5. Vật liệu làm vit me – đai ốc bi Vật liệu làm vít me, bi, đai ốc đòi hỏi chịu được tải trọng tĩnh và va đập tương đối cao, bề mặt chịu mòn cao, độ cứng HRC = 58 – 62. Để đạt được cơ tính tổng hợp cao nhất, vật liệu làm VMĐB phải được nhiệt luyện tốt kết hợp với các biện pháp nâng cao chất lượng bề mặt. Mỗi hãng chế tạo sử dụng vật liệu và công nghệ luyện kim khác nhau, đặc biệt là những sản phẩm đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật và độ chính xác cao bởi những sản phẩm này làm nên thương hiệu và mang bản sắc riêng của hãng. Độ cứng và một số vật liệu làm VMĐB được các hãng công bố [33, 60, 69, 70]: Bảng 1.10 Vật liệu và phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt Hãng TBI Chi tiết Vật liệu Phƣơng pháp xử lý bề mặt Vít me SCM450; S55C; CF53. Tôi cảm ứng 58 – 62 Đai ốc SCM415. Thấm Cacbon 58 – 62 Bi SUJ2. ≥60 Thấm Cacbon Vít me HIWIN hoặc tôi cảm ứng Đai ốc Thấm Cacbon 58 – 62 58 – 62 62 – 66 Bi NSK Độ cứng (HRC) Vít me SUS440C; SUS630. Đai ốc SUS440C; SUS630. Thấm Cacbon hoặc tôi cảm ứng Thấm Cacbon Bi 23 ≥58 ≥58 Steinmeyer Cf53; 100Cr6; X20Cr13; Vít me Đai ốc Bi X90CrMoV18; X30CrMoN15-1 Tôi cảm ứng ; XD15W; X105CrMo17. Quá trình hóa học 100Cr6; X30CrMoN15-1. Vi sóng 102Cr6; X30CrMoN15-1; Xử lý bề mặt X105CrMo17. ≥ 58 ≥ 58 ≥ 58 1.6. Môi trƣờng làm việc của máy công cụ CNC 1.6.1. Môi trƣờng làm việc của máy CNC trên thế giới - Một số đặc điểm môi trường tại các nước có nền Công nghiệp phát triển: Các nước có nền công nghiệp Cơ khí phát triển hầu hết ở Bắc Mỹ và Châu Âu và một phần ở Châu Á (Nhật Bản, Đài Loan). Bắc Mỹ có khí hậu trải dài từ bắc đến nam: Hàn đới, ôn đới, núi cao, hoang mạc và nửa hoang mạc, cận nhiệt đới và nhiệt đới; Khí hậu Châu âu và Nhật Bản chủ yếu là ôn đới và khí hậu Đài loan là cận nhiệt đới [74]. Đặc điểm chung của đa số khí hậu môi trường tại các nước này là sự biến động nhiệt độ trong ngày không lớn. - Một số hình ảnh về môi trường làm việc của các công cụ CNC Hình 1.21 Máy CNC làm việc trong môi trường có điều hòa không khí [54] Hình1.21 là hình ảnh các máy CNC đang làm việc trong một nhà xưởng gia công cơ khí. Có thể dễ dàng nhận thấy nhà xưởng này được trang bị điều hòa không khí để giữ ổn định nhiệt độ và quạt trần để lưu thông không khí. 24 Hình 1.22 Máy CNC làm việc trong điều kiện thông thường [56] Hình 1.22 cho thấy các máy CNC làm việc trong môi trường nhà xưởng công nghiệp với nhiệt độ không có sự biến động lớn. Rõ ràng VMĐB khi được sử dụng trong các máy, thiết bị hiện đại, có yêu cầu độ chính xác cao, ở các nước công nghiệp phát triển đều được quan tâm và nghiêm túc chấp hành các quy định bảo quản, sử dụng và luôn đặt trong môi trường có đối lưu, có điều hòa không khí hoặc trong môi trường có nhiệt độ, độ ẩm ổn định, biến động thấp. 1.6.2. Môi trƣờng làm việc máy CNC tại Việt Nam - Một số đặc điểm khí hậu Việt Nam [11, 73, 74] Lãnh thổ Việt Nam kéo dài theo phương kinh tuyến, giới hạn trong những vĩ độ từ 8030’ đến 230 22’ và kinh độ từ 1020 10’ đến 1090 21’ nằm hoàn toàn trong vùng khí hậu nhiệt đới. Do đặc điểm vị trí địa lý mà khí hậu ở Việt Nam phân thành ba vùng khí hậu riêng biệt, miền Bắc mang khí hậu cận nhiệt đới ẩm, Bắc Trung Bộ mang khí hậu nhiệt đới gió mùa, miền Nam và Nam Trung Bộ mang đặc điểm khí hậu nhiệt đới Xavan. Đồng thời, do lãnh thổ Việt Nam lại nằm ở phía đông nam của lục địa Châu Á, giáp với biển Đông nên khí hậu Việt Nam chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió mùa mậu dịch thường thổi ở các vùng có vĩ độ thấp. 25 Hình 1.23 Sự phân chia vùng khí hậu tại Việt Nam [59] Miền khí hậu phía Bắc: Miền Bắc Việt Nam là phần lãnh thổ phía Bắc dãy Hoành Sơn với khí hậu cận nhiệt đới ẩm với bốn mùa Xuân, Hạ, Thu, Đông rõ rệt. Tuy nhiên miền này có khí hậu mang đặc điểm nổi bật là rất mất ổn định về thời gian bắt đầu - kết thúc của các mùa và cũng mất ổn định về nhiệt độ. Miền khí hậu Bắc Trung Bộ: Miền Bắc Trung Bộ là lãnh thổ phía đông dãy Trường Sơn, kéo dài từ phía Nam dãy Hoành Sơn tới Phan Thiết. Đây là miền có khí hậu nhiệt đới gió mùa, đồng thời là vùng khí hậu chuyển tiếp giữa hai miền bắc và miền Nam với Nam Trung Bộ. Miền khí hậu phía Nam: Miền Nam là phần lãnh thổ phía Nam Bộ và Tây nguyên, có khí hậu nhiệt đới Xavan với hai mùa là mùa mưa và mùa khô. Quanh năm, nhiệt độ của miền này cao nhưng khí hậu ít biến động. Do địa hình nên nhiệt độ và biến đổi nhiệt độ của các vùng trong lãnh thổ Việt Nam được phân hóa rõ rệt và có những đặc điểm rất riêng. Miền Bắc có bốn mùa Xuân, Hạ, Thu, Đông do thường xuyên có sự thay đổi nhiệt độ giữa các mùa trong năm, giữa các tháng, các ngày trong tháng và đặc biệt là biến đổi nhiệt độ trong ngày của miền Bắc là khá 26 lớn. Mức biến đổi nhiệt lớn nhất thông thường từ 8-100C, cá biệt có những ngày chênh lệch nhiệt độ lên tới 150C. Độ ẩm tương đối của miền Bắc cũng biến động lớn (50% đến 100%), trong đó khoảng tháng 3, 4 là thời điểm độ ẩm không khí cao nhất, có nhiều ngày độ ẩm tương đối lên đến 100%. Miền Nam có khí hậu nhiệt đới Xavan nên nhiệt độ tuy cao nhưng duy trì khá ổn định trong ngày, giữa các ngày trong tháng và giữa các tháng trong năm. Miền Bắc Trung Bộ là vùng có khí hậu chuyển tiếp giữa hai vùng trên nên sự biến đổi nhiệt độ chủ yếu diễn ra giữa các tháng trong năm, sự biến đổi nhiệt trong ngày khá nhỏ (từ 30C50C) Nhiệt độ trung bình tại các tỉnh ở Việt Nam cũng tăng dần theo vị trí địa lý, càng về phía gần đường xích đạo, nhiệt độ trung bình càng tăng lên. Vị trí thường có nhiệt độ trung bình thấp nhất ở Việt Nam là SaPa (khoảng 80C) đến Cà Mau, Cần Thơ (khoảng 260C). Nhiệt độ trung bình ở Hà Nội – miền bắc Việt Nam khoảng (17-20)0C. - Các tiêu chuẩn thử nghiệm môi trường tại Việt Nam Với địa hình phân bố phức tạp, khí hậu Việt Nam phân hóa rất rõ rệt từ bắc tới Nam và từ Đông sang Tây, được thể hiện qua sự đa dạng về môi trường thử nghiệm cho bởi bộ tiêu chuẩn quốc gia TCVN – Tuyển tập tiêu chuẩn quốc gia về thử nghiệm môi trường TCVN 7699 – công bố năm 2007. Ví dụ: TCVN 7699-2-1: 2007 Thử nghiệm A: Lạnh; TCVN 7699-2-11: 2007 Thử nghiệm Ka: Sương muối; TCVN 7699-2-13: 2007 Thử nghiệm M: Áp suất không khí thấp; TCVN 7699-2-14: 2007 Thử nghiệm N: Thay đổi nhiệt độ; TCVN 7699-2-18: 2007 Thử nghiệm R và hướng dẫn: Nước; TCVN 7699-2-30: 2007 Thử nghiệm Db: Nóng ẩm, chu kỳ (chu kỳ 12h + 12h); TCVN 7699-2-33: 2007 Hướng dẫn thử nghiệm thay đổi nhiệt độ,.... Hình 1.24 và 1.25 thể hiện điều kiện môi trường làm việc của máy móc, thiết bị công nghệ cao, các máy CNC tại Việt Nam. Hình 1.24 Máy CNC làm việc trong một Công ty cơ khí tại Việt Nam 27 Hình 1.25 Máy CNC trong sản xuất thường được làm việc trong nhà xưởng thông thoáng với môi trường tự nhiên. Qua thực tế khảo sát máy CNC cho thấy: Máy gia công CNC được sử dụng ở Việt Nam hầu hết được đặt trong nhà xưởng có mức độ cách nhiệt, cách ẩm với môi trường tương đối kém, không được quan tâm đúng mức sự ảnh hưởng môi trường đến độ chính xác và khả năng làm việc của máy CNC, trừ trường hợp các máy CNC đặt trong các trường đại học, cao đẳng. 1.7. Tổng quan các nghiên cứu vít me – đai ốc bi 1.7.1. Một số nghiên cứu về vít me – đai ốc bi trên thế giới: Các vấn đề kỹ thuật mang tính phổ biến hầu như đã được nghiên cứu và công bố bởi các nhà khoa học nghiên cứu độc lập và các hãng sản xuất vít me – đai ốc bi trên thế giới như: Thomson, Kurim, NSK, SKF, Steimeyer, HIWIN,... Theo lịch sử phát triển, VMĐB đã xuất hiện từ trước những năm 1960 nhưng chưa được nghiên cứu, phát triển và sử dụng rộng rãi. Năm 1963, một trong những nhà khoa học tiên phong khi nghiên cứu về VMĐB Levit GA với công trình nghiên cứu về sự tuần hoàn trong bộ truyền VMĐB [49]. Trong nghiên cứu này Levit GA cho rằng chuyển động tương đối giữa bi – bi; bi – rãnh bi trên trục và bi – rãnh bi trên đai ốc là chuyển động lăn không trượt (không có sự trượt tương đối giữa bi và trục vít me, bi và đai ốc). Sau đó đã có nhiều nhà nghiên cứu chỉ ra kết quả nghiên cứu trên là không đúng và không thực tế [26]. Do kết quả nghiên cứu của Levit GA không ảnh hưởng nhiều đến các ứng dụng của VMĐB thời đó nên nó vẫn được sử dụng trên thực tế. 28 Sau năm 1960, VMĐB đã được sử dụng nhiều hơn và có nhiều ứng dụng trong thiết bị công nghiệp, đặc biệt đã được ứng dụng trong các máy công cụ điều khiển chương trình số đầu tiên tại học viện kỹ thuật Massachusetts (Mỹ). Các nghiên cứu về VMĐB sau này [24, 66], đều khẳng định tiếp xúc giữa bi – rãnh trượt trong bộ truyền VMĐB có bản chất là tiếp xúc Hertz – nhà khoa học người Đức Hertz đã công bố công trình nghiên cứu về tiếp xúc của các vật thể rắn biến dạng đàn hồi. Mối quan hệ giữa tải, vật liệu và kích thước biến dạng cũng như vết tiếp xúc, đồng thời chuyển động giữa bi - rãnh bi, bi – bi không chỉ là lăn mà còn có cả quá trình trượt tương đối. Đó là một trong những cơ sở khoa học quan trọng cho các nhà khoa học sau này khi nghiên cứu về tiếp xúc, biến dạng, mòn và các đặc điểm khác của bộ truyền VMĐB. ) ( ( ∑ ̅ Áp suất danh nghĩa Tiếp xúc đường: Áp suất danh nghĩa Tiếp xúc điểm: ̅ Áp suất danh nghĩa Tiếp xúc mặt: ̅ 29 √ a=l; √ √ √ √ √ ( a=l; ∑ ) √ √ √ √ √ ∑ xúc Dạng tiếp xúc Mô tả Kích thƣớc vết tiếp áp suất vết tiếp xúc khi tái lập ) Bảng1.11 Tiếp xúc giữa hai vật rắn có biến dạng đàn hồi [31] Khi các cặp ma sát có chuyển động tương đối với nhau, dưới tác dụng của tải, các bề mặt tiếp xúc giữa hai vật thể sẽ chịu biến dạng đàn hồi làm tăng diện tích tiếp xúc thực so với danh nghĩa. Áp suất tại vết tiếp xúc giảm đi, tạo nên vết tiếp xúc có kích thước mới. Bảng 1.11 trình bày sự hình thành vết tiếp xúc giữa một số dạng bề mặt, công thức tính kích thước và áp suất tại vết tiếp xúc. Tổng quan, trong các lĩnh vực nghiên cứu về VMĐB, có thể kể ra một số công trình nghiên cứu sau: Các nghiên cứu về ma sát trong bộ truyền VMĐB [24, 26, 55, 62, 66, 68], chỉ ra rằng trong tiếp xúc giữa bi với các rãnh bi trên trục vít me và đai ốc có biến dạng đàn hồi, ma sát giữa các bi với rãnh là tổng hợp ma sát trượt và ma sát lăn. Đây là dạng tiếp xúc Hertz. Khi mô tả ma sát trong bộ truyền VMĐB, [24, 26, 66] mô tả ma sát trong bộ truyền như những chiếc lông đàn hồi trong chiếc bàn chải, độ lệch của lông gây ra bởi hai mặt có chuyển động tương đối làm tăng lên lực ma sát, được thể hiện ở hình 1.26 Hình 1.26 Mô tả kiểu ma sát trong VMĐB [24, 66] Lực ma sát tạo ra từ việc “uốn – đàn hồi” của lông [66]:  (1.9) Trong đó: F: lực ma sát; : độ cứng; : hệ số giảm chấn; : hệ số ma sát nhớt; : Vận tốc tương đối giữa hai bề mặt,  . Bảng1.12 Hệ số ma sát trong vít me – đai ốc bi theo mô phỏng và ước tính, so sánh [55] Mô phỏng Ước tính So sánh% Hệ số ma sát tĩnh (fs) 0,4 0,4937 23,4 Ma sát khô (fc) 0,1 0,1019 1,9 Hệ số ma sát Ma sát nhớt (fv) Vận tốc bôi trơn giới hạn () 1x10 -7 300 30 1x10 -7 258 11,9 14 Nghiên cứu về vận tốc bộ truyền VMĐB [19, 20, 28], cho thấy có sự ảnh hưởng từ yếu tố vận tốc đến mòn. Theo đó, với tải đặt trước ban đầu 1470 (N), đặt tải dọc trục 588(N) chạy với vận tốc 31,4 (rad/s)  300 (vòng/phút) với 2.000 (hành trình) thì lượng mòn dọc trục khoảng 10-9(m); lượng mòn lớn hơn khi tốc độ quay lớn hơn, lượng mòn tương ứng tăng lên xấp xỉ số lần bằng số lần tăng của số hành trình; Tải đặt trước tương ứng giảm dần tuyến tính theo số hành trình, tốc độ quay của trục vít càng cao thì tốc độ giảm của tải đặt trước càng tăng. Hình 1.27 thể hiện mối quan hệ lượng mòn, tải, tốc độ và số hành trình. Tải đặt trước (N) Lượng mòn dọc trục (m) Tải đặt trước ban đầu: 1470(N) Tải dọc trục: 588N -10%Tải đặt trước Mòn dọc trục Tải đặt trước Số hành trình Hình 1.27 Lượng mòn, tải đặt trước phụ thuộc vận tốc và số hành trình [28] Khi nghiên cứu quan hệ giữa vận tốc và tải đặt trước [20] cho thấy có sự liên quan của hai yếu tố này. Theo đó, khi tốc độ quay của trục vít thay đổi, ảnh hưởng đến sự tăng, giảm tải đặt trước tác dụng lên bộ truyền, tải đặt trước sẽ tăng lên với lượng tăng khoảng 0,5 (N/(vòng/phút)) và giảm cũng tương ứng với mức giảm như trên. Hình 1.28 thể hiện quan Lượng tăng tả Fpr (N) hệ tốc độ và tải đặt trước. Tốc độ quay trục vít (vòng/phút) Hình 1.28 Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít đến tăng (giảm) tải đặt trước [20] 31 Khi nghiên cứu về biến dạng đàn hồi trong VMĐB [22, 25], chỉ ra sai lệch bộ truyền (sai lệch vị trí đai ốc) ứng với đặc tính tải, vận tốc và kích thước bộ truyền, theo đó sai lệch vị trí đai ốc do biến dạng đàn hồi sẽ tương đối tuyến tính với tải, vận tốc. Lý giải cho việc này [22], hệ gồm vòng bi chặn, trục vít me, đai ốc và bi được mô hình hóa như là hệ nối tiếp. Độ cứng của hệ sẽ phụ thuộc hệ số độ cứng của từng phần tử và có dạng của hệ các lò xo nối tiếp. ∑ (1.10) Trong đó: K: Độ cứng của cơ hệ; Ki: Độ cứng khâu thứ i của cơ hệ. Hình 1.29 thể hiện việc mô hình hóa VMĐB. Mô hình độ cứng Mô hình động lực học Hình 1.29 Mô hình hóa hệ Bi chặn - vít me – đai ốc và bi [22] Trên hình: 1: Động cơ; 2: Khớp nối; 3: Ổ bi chặn; 4: Thước quang đo góc 5: Trục vít me 6: Thước quang đo thẳng 7: Bàn máy 8: Đai ốc bi 9: Ổ bi đỡ m: Tổng khối lượng các thành phần chuyển động u: tín hiệu điều khiển rm: Tỷ lệ phân phối khối lượng cho các thành phần có chuyển động quay và phải thỏa mãn (0 < rm < 1). Keq: Độ cứng dọc trục tương đương Ceq: Giá trị giảm chấn tương đương Khi tải thay đổi, biến dạng từng phần tử là khác nhau nhưng tuyến tính với tải, nên biến dạng tổng là tổng các biến dạng tuyến tính, sẽ vẫn tuyến tính với tải. Các điểm đầu và điểm cuối của đai ốc trên hành trình là điểm có lực tác động bằng 0, đồng thời là giao điểm của hai quá trình giảm lực và tăng lực, thay đổi chiều chuyển động, do đó sai lệch vị trí đai ốc tại hai điểm này là bằng 0. 32 Góc tiếp xúc cũng ảnh hưởng tới biến dạng đàn hồi của bộ truyền [25, 77], khi góc tiếp xúc tăng ( tăng) sẽ làm giảm tải nén tác dụng vào bi làm giảm biến dạng đàn hồi của bi (tăng cứng, giảm biến dạng đàn hồi, sai lệch). Nghiên cứu về rung động trong bộ truyền [19, 43, 46, 57] cho thấy nguyên nhân gây rung động trong bộ truyền là quá trình thay đổi lực đột ngột tác dụng lên bi khi bi trong Tải tác động lên bi giai đoạn chuyển tiếp giữa rãnh bi trên trục ren vít và trong ống hồi bi - hình 1.30. Thời gian Hình 1.30 Tải tác động lên bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi [43] Tần số bi vào tải Trọng lượng bàn = 1000kg tốc độ quay (vòng/phút) Hình 1.31 Quan hệ tần số các bi vào tải, tốc độ quay n và đường kính bi DW [43] Ứng với giá trị tốc độ quay và đường kính trục vít me nhất định, có thể điều chỉnh được tần số lực thực tế tác động vào bộ truyền nhờ chọn lại đường kính bi của bộ truyền. Tần số lực tác động không phải tần số cộng hưởng của bộ truyền bởi một phần của nó đã gây ra sự sai lệch của hệ thống [43]. Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 1.31. Nghiên cứu về biến đổi nhiêt trong bộ truyền VMĐB [21, 44, 72, 79] chỉ ra sự tăng nhiệt, tốc độ tăng giảm nhiệt ở các giai đoạn khi bộ truyền làm việc, có hay không có chất bôi trơn, làm mát, và với các tải, chiều chịu tải, vận tốc khác nhau. Nhiệt độ trong bộ truyền VMĐB sẽ tăng lên xấp xỉ 100C sau khoảng 40 phút, sau đó ổn định. Tùy thuộc vào vị trí các điểm trên bộ truyền mà lượng tăng nhiệt độ là khác nhau. 33 Nghiên cứu được thực hiện dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn trên mô trường ANSYS [79]. Hình 1.32 thể hiện kết quả nghiên cứu sự thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền VMĐB. Nhiệt độ (0C) Không làm mát Điểm 1 Điểm 1 Điểm 2 Điểm 2 Điểm 3 Điểm 3 Điểm 4 Điểm 4 Thời gian (giây) Hình 1.32 Thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền vít me – đai ốc bi [79] Thay đổi nhiệt độ làm cho vị trí đai ốc (bàn máy) sẽ sai lệch tương đối lớn so với vị trí danh nghĩa [44]. Theo đó, sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc có thể lên tới hằng trăm micromet (sai lệch tăng theo chiều dài đoạn trục vít). Hình 1.33 mô tả kết quả của biến đổi Sai lệch vị trí đai ốc nhiệt độ (tăng) làm sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc. Máy tính Đo được Vị trí trên trục vít (mm) Hình 1.33 Biến đổi nhiệt độ dẫn tới sai lệch vị trí đai ốc [44]. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường tới tuổi thọ vòng bi. Khi xuất hiện nước Tuổi thọ tương đối trên bề mặt, tuổi thọ tương đối của vòng bi giảm đi rất lớn, được thể hiện ở trên hình 1.34. Mật độ nước (phần triệu) Hình 1.34 Quan hệ tuổi thọ tương đối với mật độ nước trong chất bôi trơn [41] 34 Theo đó, tuổi thọ tương đối giảm đi xấp xỉ 3 lần khi mật độ nước trong chất bôi trơn tăng lên 4 lần [41]. Tỷ lệ này tương đối ổn định, tuyến tính. Khi nghiên cứu sự phân bố tải cho các bi trong bộ truyền VMĐB khi một trong các bi có lỗi kích thước [77]. Theo đó, tải đặt lên các viên bi có lỗi kích thước có thể tăng lên đến 2 lần nếu viên bi có kích thước lớn hơn và có thể không chịu tải khi viên bi có kích thước nhỏ hơn. Khi VMĐB khi chịu tải nén, tải phân phối trên bi đầu tiên là lớn nhất, giảm dần về phía xa ổ đỡ chặn trục vít me, tải đặt lên viên bi đầu tiên có độ lớn gấp 1,4  1,6 lần độ lớn tải đặt lên viên bi cuối cùng. Khi vít me chịu tải kéo, tải phân phối trên các bi tương đối đều hơn so với khi VMĐB chịu tải nén. Giá trị tải trên các bi gần nhau được phân phối dạng chậu, các viên bi ở hai đầu sẽ chịu tải cao hơn so với các viên bi ở giữa, và tỉ lệ này vào khoảng 1,15 lần. Hình 1.35 thể hiện sự phân phối tải trên VMĐB khi có lỗi kích thước. Hình 1.35 Phân phối tải trên các bi và khi một viên bi có lỗi kích thước [77] Khi nghiên cứu VMĐB có tải đặt trước, được bôi trơn và không bôi trơn. Theo đó, mòn VMĐB khi được bôi trơn sẽ nhỏ hơn so với không bôi trơn, phụ thuộc chủ yếu vào tải dọc trục và tốc độ quay của vít me – đai ốc bi [23]. Hình 1.36 thể hiện kết quả nghiên cứu. VMĐB thường Hiệu suất VMĐB không bôi trơn có bôi trơn Góc Helix=5,44; Số viên bi: 44 (a) không dầu bôi trơn (b) có dầu bôi trơn 1 + Tốc độ quay trục vít: 90 (vg/ph) 2  Tốc độ quay trục vít: 125 (vg/ph) Góc Helix=5,44; Số viên bi: 44 1 + Tốc độ quay trục vít: 90 (vg/ph) 2  Tốc độ quay trục vít: 125 (vg/ph) 3  Tốc độ quay trục vít: 200 (vg/ph) Dữ liệu thực nghiệm (mòn VMĐB) Dữ liệu lý thuyết (Tải đặt trước 1800N) 3  Tốc độ quay trục vít: 200 (vg/ph) Dữ liệu thực nghiệm (mòn VMĐB) Dữ liệu lý thuyết (Tải đặt trước 1800N) Lực dọc trục Hình 1.36 Mòn vít me – đai ốc bi [23] 35 Lực dọc trục Nhìn chung việc nghiên cứu, thiết kế những vấn đề kỹ thuật liên quan đến VMĐB đã được các nước công nghiệp phát triển đặc biệt là Đức, Mỹ, Nhật, ... nghiên cứu và giải quyết, cho ra các sản phẩm chất lượng cao, ổn định. Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa đề cập đầy đủ vấn đề ảnh hưởng của môi trường, các điều kiện môi trường làm việc đến mòn, sai lệch, cũng như tuổi thọ của VMĐB – điều này thể hiện ở việc tiêu chuẩn ISO về thử nghiệm môi trường chưa có bản nào tương đương với môi trường theo TCVN 7699-2-30 hay IEC 60068-2-30. 1.7.2. Một số nghiên cứu tại Việt Nam Máy công cụ CNC được đưa vào Việt nam từ những năm 90, nhưng những nghiên cứu về cụm VMĐB còn khá khiêm tốn trong phạm vi hẹp. Năm 2006, một nhóm tác giả trong nước đã nghiên cứu “Tính toán ứng suất và tuổi thọ trong truyền động vít me-bi”, đưa ra các công thức tính tải trọng riêng, ứng suất và chu kỳ chịu tải trên bề mặt con lăn, rãnh lăn theo độ bền mỏi và số chu kỳ cơ sở trong bộ truyền VMĐB [2]. Năm 2007, cũng nhóm tác giả này đã nghiên cứu “ Xây dựng cơ sở tính toán truyền động vít me ma sát lăn và chế tạo thử truyền động vít me ma sát lăn” và trên cơ sở kết quả thu nhận của đề tài, nhóm tác giả trên đã tiếp tục đưa ra nghiên cứu “Phương pháp tính toán thiết kế và lựa chọn truyền động vít me-bi” [3, 4]. Trong các nghiên cứu trên của cùng nhóm tác giả, các công bố được đưa ra đều dựa trên cơ sở ma sát trong bộ truyền VMĐB là ma sát lăn – điều này chưa đầy đủ - theo nhiều khoa học trên thế giới [ 24, 26,...]. Đồng thời, nội dung chủ yếu mà các nghiên cứu trên đưa ra là các công thức tính toán kích thước và chọn bộ truyền. Trong lĩnh vực nghiên cứu sự ảnh hưởng của mòn gây bởi các yếu tố nhiệt ẩm (nhiệt độ, độ ẩm) của môi trường Việt Nam [11], mòn đường dẫn hướng ma sát lăn chịu ảnh hưởng mạnh của khí hậu nhiệt đới ẩm. Thực nghiệm được thực hiện với ba mức tải 2kgf; 4kgf; 6kgf, ở một trong ba mức nhiệt độ 50C; 300C; 450C và một trong ba mức độ ẩm RH51%; RH75% và RH99% đã cho thấy: giá trị tốc độ mòn có thể tăng lên đến 200% và tương ứng tuổi thọ có thể giảm đi đến 50%; Khí hậu Việt Nam được ghi nhận là khí hậu nhiệt đới ẩm, tuy nhiên lại phân hóa rất phức tạp theo địa hình và biến đổi từ Bắc tới Nam. Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm tại các vùng khí hậu không chỉ đơn thuần là cộng cơ học các tác động riêng lẻ, sự đa dạng trong bộ các tiêu chuẩn TCVN 7699 (kể trên) cũng đã nói rõ sự khác biệt này. Do đó, hoàn toàn có thể khẳng định, trong các nghiên trong và ngoài nước hiện nay, chưa có nhà khoa học nào nghiên cứu thực nghiệm về VMĐB khi làm việc trong điều kiện môi trường tiêu chuẩn TCVN 7699 – 2 – 30. 36 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Trong chương 1, qua nghiên cứu tổng quan về VMĐB: Vai trò, phân loại, các đặc trưng cơ bản và tình hình nghiên cứu về VMĐB của các tác giả trong nước và trên thế giới cho thấy: - Độ chính xác truyền động của cụm VMĐB ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác kích thước và hình dáng hình học của sản phẩm khi gia công trên máy công cụ CNC cũng như độ chính xác vị trí của thiết bị công nghiệp, thiết bị đo có sử dụng VMĐB. - Có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác truyền động và tuổi thọ của bộ truyền VMĐB như: Tải, tốc độ, rung động, ma sát, mòn, ... nhưng chưa đề cập nhiều đến ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm (nhiệt ẩm) đến mòn VMĐB. Một số công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt ẩm đến mòn của vật liệu nhưng với điều kiện nhiệt độ và độ ẩm tương đối ổn định, không có biến động nhiệt ẩm trong khoảng thời gian tiến hành thực nghiệm. Hiện nay, TCVN 7699-2-30 được sử dụng trong các nghiên cứu về ảnh hưởng của khí hậu nóng ẩm, chu kỳ - một kiểu môi trường khá đặc trưng cho khí hậu miền Bắc của Việt Nam. - Cho đến nay Việt Nam chưa chế tạo được VMĐB thành phẩm. Các VMĐB nói riêng và máy công cụ CNC nói chung đều được nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau. Môi trường khí hậu Việt Nam có đặc thù “khí hậu nhiệt đới ẩm”, đồng thời việc sử dụng, bảo dưỡng hiện nay đều dựa theo tài liệu kỹ thuật về VMĐB được nước ngoài công bố. Tuổi thọ và độ tin cậy VMĐB trong điều kiện môi trường Việt Nam chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. - Từ những vấn đề nêu trên, luận án lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của vít me – đai ốc bi máy CNC trong điều kiện môi trường Việt Nam”. Đây là vấn đề cần thiết, mới và phù hợp với chủ trương đổi mới trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa cũng như hội nhập của nền kinh tế Việt Nam. 37 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TUỔI THỌ VÀ ĐỘ TIN CẬY VÍT ME – ĐAI ỐC BI TRÊN CƠ SỞ MÒN 2.1. Tổng quan về mòn vật liệu: 2.1.1. Mòn theo thời gian Trong điều kiện ma sát mòn bình thường, sự phụ thuộc của mòn theo thời gian hoặc quãng đường ma sát được chia thành thành ba giai đoạn cơ bản: Giai đoạn chạy rà, giai đoạn mòn ổn định và giai đoạn mòn khốc liệt [5]. Hình 2.1 biểu diễn sự phụ thuộc của mòn Lượng mòn vào thời gian. Quãng đường ma sát (thời gian) Hình 2.1 Sự phụ thuộc mòn vào thời gian t hay quãng đường ma sát L [5] Giai đoạn chạy rà là giai đoạn có tốc độ mòn giảm dần do ban đầu tiếp xúc thực nhỏ, áp suất lớn gây biến dạng dẻo, các nhấp nhô bị phá hủy và đồng thời bị nén ép tạo thành các bề mặt thứ cấp có tiếp xúc thực lớn hơn, khi áp suất riêng trung bình phù hợp với áp suất riêng cho phép thì tốc độ mòn sẽ giảm đến một giá trị ổn định theo thời gian, quá trình mòn lúc này chuyển sang giai đoạn mòn ổn định. Giai đoạn mòn ổn định: giai đoạn này lượng mòn tuyến tính với thời gian hoặc quãng đường ma sát. Với lượng mòn giới hạn được xác định trước có thể dự báo được tuổi thọ làm việc của cặp ma sát Giai đoạn mòn khốc liệt: Khi lượng mòn U đạt giá trị tới hạn, nó làm thay đổi rõ ràng chế độ lắp ghép, tăng sai lệch hình dáng hình học của bề mặt tiếp xúc dẫn đến va đập của các bề mặt ma sát và chuyển sang quá trình mòn khốc liệt, trạng thái hình học tế vi xấu đi, nhấp nhô tăng lên làm tốc độ mòn ngày càng tăng mạnh. “Trong giai đoạn mòn ổn định, thừa nhận quy luật mòn là tuyến tính” [5, 7]. Để xác định được quy luật của giai đoạn này cần ít nhất giá trị của lượng mòn tại hai thời điểm khác nhau, từ đó xác định được tốc độ mòn của giai đoạn mòn bình thường này. 38 2.1.2. Ảnh hƣởng các yếu tố cơ bản đến mòn 2.1.2.1. Ảnh hưởng của tải và vận tốc đến mòn a. Sự phụ thuộc của cường độ mòn vào tải (áp lực) [5] Đối với các bề mặt không được chạy rà, tải trọng riêng ảnh hưởng phi tuyến đến cường độ mòn: I  P(1.4 ...3), đặc biệt là với những bề mặt có diện tích tiếp xúc nhỏ. Đối với bề mặt đã được chạy rà, độ sóng bề mặt làm giảm tính phi tuyến, cường độ mòn tỷ lệ với tải trọng riêng. Trong trường hợp tổng quát, I  P(1....3) là phù hợp với thực nghiệm. b. Sự phụ thuộc của cường độ mòn vào vận tốc [5] Tính chất và cường độ của quá trình mòn được quyết định trước hết do giá trị vận tốc, Cường độ mòn quan hệ I = f(v) là quan hệ cơ bản trong mối quan hệ với các thông số cơ học Vận tốc Hình 2.2 Đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc của mòn vào vận tốc [5] Mối quan hệ có tính nguyên tắc giữa cường độ mòn I và vận tốc v được trình bày trên hình vẽ cho thấy trong trường hợp tổng quát có ba giai đoạn điển hình: I - giai đoạn mòn ổn định cùng với mòn ôxy hoá trong chế độ ma sát bình thường v'th ≤ v ≤ v"th II - giai đoạn mòn không bình thường với tróc loại 1, 0 < v< v'th III - giai đoạn mòn không bình thường do tróc loại 2 và sự quá tải nhiệt trong vùng tiếp xúc v > v"th Tuỳ thuộc vào điều kiện ma sát, các trị số vận tốc giới hạn v'th, v"th có thể thay đổi, làm cho giới hạn của miền ổn định và cường độ mòn bị thay đổi đi. Hai yếu tố chính quyết định sự biến đổi quá trình ma sát và mòn của tác dụng cơ học bên ngoài đó là: áp lực và vận tốc. Chúng xác định mức độ và gradian của biến dạng dẻo, đàn hồi của nhiệt độ trong vùng ma sát, mức độ hoạt hoá kim loại và các hiện tượng dẫn xuất khác. Nói cách khác là chúng quyết định dạng quá trình phá huỷ hay mòn chiếm ưu thế. Chấp nhận lý thuyết mỏi cho các dạng mòn khác nhau, cường độ mòn tuyến tính phụ thuộc vào áp suất p trong vùng tiếp xúc 39 I=k.pm (2.1) Tốc độ mòn theo thời gian ( = ) và cường độ mòn tuyến tính (I) có mối quan hệ: =v.I (2.2) Tổng quát, tốc độ mòn được xác định theo hàm số mũ [5]: =k.pm.vn (2.3) 2.1.2.2. Ảnh hưởng của rung động [5] Tải trọng động tạo nên các biến dạng đàn hồi của vật liệu ở vùng tiếp xúc của các bề mặt lắp ghép, đồng thời làm xuất hiện dòng điện cảm ứng thay đổi trong lớp biến dạng. Sự thay đổi của từ thông tạo ra suất điện động cảm ứng trong khung (hình thành bởi các chi tiết lắp ghép). Tính chất của lớp ôxyt và chất bôi trơn ảnh hưởng tới điện trở và thể hiện trong vùng tiếp xúc là nguyên nhân của sự hoạt hóa bề mặt và sự phát triển mòn ôxy hoá. Sự xâm thực và các quá trình điện hoá làm giảm tuổi thọ của các mối ghép rất nhiều. Hiện tượng này gọi là hiện tượng điện động lực học của sự mòn. 2.1.2.3. Ảnh hưởng của vật liệu bôi trơn [5, 7, 33] Vật liệu bôi trơn được chọn phải đảm bảo giảm ma sát, bảo vệ lớp bề mặt kim loại. Vật liệu bôi trơn được lựa chọn theo tải và tốc độ chuyển động tương đối giữa trục vít, bi, đai ốc. Nếu dùng đúng, ngoài việc giảm hệ số ma sát và bảo vệ bề mặt, nó còn giảm bớt lượng tăng nhiệt độ trong VMĐB. Khi tốc độ chuyển động lớn và tải nhỏ, nên chọn dầu có độ nhớt nhỏ, khi tốc độ chuyển động thấp mà tải lớn thì nên chọn dầu có độ nhớt cao hơn. Thông thường, sử dụng dầu có độ nhớt 32-68 cSt tại 400C (ISO VG 32 – 68) được dùng cho bộ truyền VMĐB có tốc độ cao, dầu có độ nhớt đến 90 cSt (ISO VG 90) được dùng cho các bộ truyền có tốc độ thấp [33]. 2.1.2.4. Ảnh hưởng của môi trường [5, 7, 11] Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm và biến đổi nhiệt ẩm - Ảnh hưởng của nhiệt độ: Trong quá trình ma sát, nhiệt độ các lớp bề mặt tăng lên dẫn đến hóa mềm bề mặt ma sát, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khuyếch tán kim loại. Sự khuyếch tán tăng lên khi đó là ma sát giữa những kim loại dẻo thuần khiết và tăng lên nhiều khi độ biến dạng vật liệu lớn [5]. Khi nhiệt độ xuống thấp, vật liệu có xu hướng co lại, lớp vật liệu bên ngoài sẽ co nhiều hơn do không chịu cản trở của các lớp vật liệu liền kề với nó làm cho kích thước chi tiết có xu hướng giảm về phía có vật liệu. Sự co kéo không đều do hình dáng, kích thước 40 và vật liệu của các chi tiết máy cũng giống như sự giãn nở không đều khi tăng nhiệt độ: làm xuất hiện hiện tượng kẹt (tăng tải), hoặc tải va đập, do khoảng trống giữa các bề mặt ma sát tương ứng là nhỏ đi, hoặc tăng lên. Cả hai hiện tượng này đều dẫn đến biến dạng bề bặt nhiều hơn, chất lượng bề mặt kém đi, thuận lợi cho việc cào xước bề mặt trong quá trình chuyển động gây mòn. - Ảnh hưởng của độ ẩm: Độ ẩm không khí được biểu thị bằng hai đại lượng. Độ ẩm tuyệt đối được tính theo lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí (kg/cm3); Độ ẩm tương đối (RH %) là tỷ số tính phần trăm giữa lượng hơi có thực trong không khí so với lượng hơi có trong không khí bão hòa với cùng nhiệt độ. Độ ẩm tương đối là đại lượng thể hiện lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí và nói lên khả năng hòa tan thêm hơi nước trong không khí so với mức tối đa. Bởi vậy trong thực tế thường sử dụng khái niệm độ ẩm tương đối thay vì sử dụng khái niệm độ ẩm tuyệt đối. Khi lượng hơi nước trong không khí tăng lên, tiếp xúc với chất bôi trơn làm suy giảm tính năng bôi trơn của chất bôi trơn. Lượng oxy trong không khí có cơ hội tiếp xúc với bề mặt ma sát nhiều hơn tạo điều kiện cho việc hình thành lớp oxyt trên bề mặt. Lớp oxyt này có cơ tính khác hẳn với cơ tính của lớp kim loại nền. Khi hai bề mặt ma sát tương tác với nhau tại vị trí có lớp màng oxyt, ứng suất giữa lớp bề mặt và lớp kim loại nền có sự chênh lệch lớn làm lớp màng oxyt dễ bị bong tróc, gây mòn vật liệu [5]. - Tác động do biến đổi nhiệt độ và độ ẩm Do các chi tiết trong máy, thiết bị có kích thước, yêu cầu kỹ thuật khác nhau nên chúng thường được làm bằng các vật liệu khác nhau. Khi biến đổi nhiệt độ xảy ra, các chi tiết có vật liệu và kích thước khác nhau sẽ có hệ số giãn nở (co) nhiệt khác nhau dẫn tới hiện tượng biến đổi tăng tải trong các chi tiết máy (co, kéo), hoặc thay đổi đặc tính tải (tải tĩnh trở thành tải động, hoặc xung,..), làm suy giảm tính năng kỹ thuật của máy. Độ ẩm tương đối không khí cao có ảnh hưởng lớn hơn đến sự mài mòn chi tiết máy. Thực tế cho thấy độ ẩm tương đối của không khí chỉ thực sự có ảnh hưởng đáng kể tới sự tạo thành lớp oxyt trên bề mặt và ăn mòn các chi tiết máy khi chúng có giá trị từ 80% đến 100%. Khi ở vùng có độ ẩm tương đối cao, không khí tiếp xúc với bề mặt có chênh lệch nhiệt độ khoảng > 50C sẽ rất dễ rơi vào vùng không khí quá bão hòa, dẫn đến hiện tượng đọng sương (hơi nước ngưng tụ) trên bề mặt có tiếp xúc với không khí. Chênh lệch nhiệt độ càng cao càng làm tăng lượng hơi nước ngưng tụ trên bề mặt, làm suy giảm tính năng bôi trơn, thẩm thấu và oxy hóa bề mặt kim loại, gây bong, tróc, mòn khi có tải. 41 Hình 2.3 thể hiện biểu đồ biến đổi nhiệt ẩm của không khí ở áp suất 760 mmHg. Hình 2.3 Biểu đồ biến đổi nhiệt ẩm của không khí [74] Dựa trên số liệu của biểu đồ nhiệt ẩm Y-D của không khí ở mức áp suất khí quyển 760 mm Hg, khi nhiệt độ và độ ẩm cùng biến đổi với điều kiện RH < 80% hoặc t0 > 500C, các tác động lên khả năng làm việc của máy, chi tiết máy chỉ đơn thuần là tổng toán học từng tác động của nhiệt độ, độ ẩm (độ ẩm không khí không thể đạt mức bão hòa khi ở nhiệt độ cao >500C). Khi độ ẩm tương đối trong môi trường ở mức cao (RH 80% RH100%) và nhiệt độ dưới 500C, kết hợp với biến động nhiệt độ với tốc độ cao (khoảng 50C/giờ) làm 42 chênh lệch nhiệt độ giữa mối trường và bề mặt ma sát lớn, hơi nước trong không khí gặp bề mặt có nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ đọng sương sẽ ngưng kết trên bề mặt đó (ngưng tụ nước trên bề mặt ma sát). Lượng biến đổi nhiệt độ và tốc độ biến đổi là cơ sở xác định thời gian và lượng hơi nước đọng thành sương trên bề mặt. Ở mức áp suất khí quyển khác, nhiệt độ giới hạn mà ở đó độ ẩm tương đối của không khí có thể đạt mức bão hòa (RH 100%) sẽ thay đổi. Sự có mặt của hơi nước ngưng tụ trên bề mặt vật liệu là kết quả của sự biến đổi có điều kiện của cả nhiệt độ và độ ẩm không khí (khi nhiệt độ biến đổi với tốc độ cao, biên độ lớn và kèm thêm độ ẩm tương đối của không khí cao) [18]. Hơi nước ngưng tụ có thể xuất hiện tại mọi vị trí bề mặt thiết bị có tiếp xúc với môi trường, nếu bề mặt chi tiết được bảo vệ bằng lớp dầu bôi trơn, nước thẩm thấu vào lớp dầu, gây biến tính và giảm khả năng bôi trơn, bảo vệ của dầu và oxy hóa bề mặt kim loại. Nhiệt độ biến đổi với biên độ lớn, tốc độ cao, kết hợp với độ ẩm tương đối của không khí ở mức cao (RH  80%) dẫn đến các hiện tượng: Tăng tải, hoặc hay đổi đặc tính tải; Xuất hiện đọng sương trên bề mặt ma sát. Đây là một môi trường khá khắc nghiệt nếu các cặp ma sát làm việc ở điều kiện này. Đặc biệt, với những chi tiết làm bằng vật liệu dễ oxy hóa bề mặt khi không được bảo vệ, nguyên tử oxy trong nước khi nước tự phân tách sẽ oxyt hóa bề mặt, đồng thời tạp chất do bụi bẩn trong không khí ngưng tụ trong các hạt sương chui vào giữa hai bề mặt tiếp xúc có tác dụng như những hạt mài li ty làm trầy xước, bong tróc và mòn cặp vật liệu nhanh chóng. Sự khắc nghiệt của điều kiện môi trường miền Bắc với biến động nhiệt lớn, độ ẩm tương đối cao, thể hiện qua TCVN 7699-2-30 và được ghi nhận bởi rất nhiều trường hợp suy giảm độ chính xác của máy, thiết bị trên thực tế là cơ sở triển khai nghiên cứu đề tài. 2.1.3. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7699-2-30 về thử nghiệm môi trƣờng * Phạm vi áp dụng: Tiêu chuẩn này để mô phỏng và xác định sự thích hợp của các linh kiện, thiết bị hoặc các sản phẩm khác khi được sử dụng, vận chuyển, bảo quản trong các điều kiện có độ ẩm cao kết hợp với sự thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ và thường tạo ra sự ngưng tụ trên bề mặt. * Yêu cầu kết cấu tủ thử: Nhiệt độ tủ thử phải thay đổi theo chu kỳ trong khoảng từ 250C ± 30C đến nhiệt độ giới hạn trên (phương án 1: 400C hoặc phương án 2: 550C) với dung sai và tốc độ thay đổi quy định nếu thuộc đối tượng áp dụng. 43 Dung sai nhiệt độ tổng ±30C. Miền dung sai này là thích hợp để tính đến sai số tuyệt đối của phép đo cũng như các thay đổi chậm về nhiệt độ và sự biến đổi nhiệt độ của không gian làm việc. Có thể cần phải giữ dao động trong thời gian ngắn ở phạm vi ± 0,50C để duy trì độ ẩm yêu cầu. Độ ẩm tương đối trong không gian làm việc được duy trì trong các giới hạn theo các giai đoạn và phương án được chọn. Phải cẩn thận để đảm bảo nhiệt độ, độ ẩm tại các điểm trong tủ thử phải nằm trong giới hạn yêu cầu. Chú ý đến sự trao đổi nhiệt của không khí. Nước ngưng tụ phải được xả ra liên tục từ tủ thử và không được sử dụng lại cho đến khi nước được làm tinh khiết trở lại. Phải đảm bảo rằng không có nước ngưng tụ rơi lên mẫu thử. * Mức khắc nghiệt: Có hai phương án quy định mức khắc nghiệt, phối hợp giữa nhiệt độ giới hạn trên và số chu kỳ quyết định mức khắc nghiệt của thử nghiệm. Mức khắc nghiệt thứ nhất: 550C  Số chu kỳ thử nghiệm 1; 2; 6. Mức khắc nghiệt thứ hai: 400C  Số chu kỳ thử nghiệm 2; 6; 12; 21; 56. * Mô tả chu kỳ 24h: Giai đoạn tăng nhiệt: “Nhiệt độ của tủ thử phải được tăng lên nhiệt độ giới hạn trên thích hợp mô tả trong quy định kỹ thuật liên quan. Nhiệt độ giới hạn trên phải đạt được trong thời gian 3h ± 30’ với tốc độ nằm trong các giới hạn xác định bởi diện tích được tô đậm như hình 2a và 2b” Sự ngưng tụ có thể xuất hiện trên mẫu trong giai đoạn tăng nhiệt độ này. Giai đoạn ổn định nhiệt: Nhiệt độ phải được duy trì trong các giới hạn quy định đối với nhiệt độ giới hạn trên (± 20C) trong vòng 12h ±30’ tính từ khi bắt đầu chu kỳ. Trong giai đoạn này, độ ẩm tương đối phải là 93% RH ± 3% RH, trong 15 phút đầu và 15 phút kết thúc, độ ẩm phải đạt từ 90% RH đến 100% RH. Giai đoạn hạ nhiệt: Chọn một trong hai phương án thích hợp cho mẫu thử - Chọn phương án 2 (hình 2b, trang 191 của TCVN 7699-2-30:2007) do sự thích hợp với tất cả các loại mẫu [18]. Nhiệt độ phải được hạ xuống 250C ± 30C trong từ 3 đến 6 giờ. Độ ẩm tương đối không được nhỏ hơn RH 80%. Sau đó, nhiệt độ phải được duy trì ở 250C ± 30C với độ ẩm tương đối không được nhỏ hơn 95% RH cho đến khi kết thúc chu kỳ 24h. 44 Sự kết hợp biến đổi từng yếu tố nhiệt độ, độ ẩm theo thời gian của chu trình 24 giờ Độ ẩm tương đối (%) được mô tả bởi hình 2.4 Nhiệt độ môi trường Thời gian Hình 2.4 Mô tả chu trình nhiệt ẩm [18] * Giai đoạn tạo ổn định: Để nhiệt độ đạt được ổn định 250C ± 30C cho chu trình đầu tiên bằng cách: a) Đặt mẫu thử trong tủ riêng trước khi đưa vào tủ thử hoặc b) Điều chỉnh nhiệt độ tủ thử đến 250C ± 30C sau khi đưa mẫu vào và duy trì mẫu ở mức này cho đến khi mẫu đạt đến nhiệt độ ổn định. Độ ẩm tương đối (%) Giai đoạn tạo ổn định được thể hiện trên hình 2.5 Thời gian để độ ẩm RH% đạt từ Nhiệt độ môi trường 95% đến 100% không quá 1 giờ Hình 2.5 Giai đoạn tạo ổn định [18] 45 Trong quá trình ổn định nhiệt độ bằng cả hai phương pháp, độ ẩm tương đối phải nằm trong các giới hạn quy định cho các điều kiện không khí tiêu chuẩn dùng trong thử nghiệm. Sau giai đoạn ổn định, với mẫu ở trong tủ thử, độ ẩm tương đối phải được tăng lên không nhỏ hơn RH 95% ở nhiệt độ xung quanh bằng 250C ± 30C. 2.2. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi 2.2.1. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi theo lý thuyết Thông thường, tuổi thọ các chi tiết, kết cấu máy được xác định phụ thuộc yêu cầu và điều kiện làm việc của chi tiết, kết cấu. Tuổi thọ được xác định theo độ bền: khả năng chịu tải tĩnh; khả năng chịu tải động; mòn; mỏi (khi làm việc nhiều chu trình) hoặc Tuổi thọ theo độ chính xác làm việc. Đa phần các chi tiết máy, kết cấu đều được thiết kế, chế tạo để làm việc với độ chính xác làm việc nhất định trong điều kiện tải động và phải làm việc nhiều chu trình, do đó bài toán xác định tuổi thọ thường là bài toán tổng hợp xác định số chu trình làm việc khi chịu tải mà độ chính xác làm việc vẫn ở trong một mức nhất định, gồm bài toán xác định độ bền mỏi và bài toán xác định số chu trình làm việc ứng với mức tải, vận tốc để độ chính xác làm việc của VMĐB ở từng cấp chính xác. Trên cơ sở nghiên cứu, thống kê các thí nghiệm do mỏi, lập được đồ thị quan hệ ứng suất với số chu kỳ thay đổi ứng suất N mà chi tiết, cụm chi tiết chịu được đến khi hỏng [12]. Phương trình đường cong mỏi được viết dưới dạng: mN = C (2.4) Trong đó: Hằng số; m: Bậc của đường cong mỏi; N: Số chu kỳ thay đổi ứng suất; : Ứng suất. Ứng suất C: Số chu kỳ thay đổi Ứng suất Hình 2.6 Đồ thị đường cong mỏi [12] Với những cặp ma sát có tiếp xúc đàn hồi. Trong quá trình ma sát, thể tích lớp vật liệu bề mặt chịu ứng suất biến thiên theo chu kỳ. Tác động mỗi chu kỳ không mất đi mà bị tích lũy lại các hư hỏng, dẫn đến phá hủy. Tuy nhiên “số chu kỳ ma sát dẫn đến phá hủy vật 46 liệu hay bậc của đường cong mỏi phải xác định bằng thực nghiệm. Số mũ của thông số mỏi trên thực tế đặc trưng cho tất cả quá trình hóa lý khi ma sát, hiện nay không tính toán được mà phải xác định qua thực nghiệm. Thứ nhất: Thử nghiệm mòn; thứ hai: thí nghiệm trên thiết bị đo tiếp xúc cục bộ cho vật liệu không tương tác cơ hóa với môi trường. Khi thử nghiệm mòn, “sử dụng kết quả thử nghiệm mòn ở hiện trường và trong phòng thí nghiệm để tổng hợp hoặc kiểm nghiệm lại các dữ kiện. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là số mẫu thử nghiệm ít, để có độ chính xác cao phải tốn nhiều thời gian và kinh phí” [5]. Với bộ truyền VMĐB, tuổi thọ được xác định theo số chu trình làm việc khi đặt tải mà vẫn đạt cấp chính xác nhất định, và được tính toán dựa trên vật liệu, kích thước, độ chính xác, nhẵn bóng bề mặt, công nghệ xử lý bề mặt,... Các thông số này được tổng hợp và thể hiện qua giá trị tải tĩnh cho phép Coa; giá trị tải động cho phép Ca và các hệ số tuổi thọ phụ thuộc vào độ cứng bề mặt fh; cấp chính xác fac; quá trình nấu chảy vật liệu fm; được tính toán và cho bởi nhà sản xuất trên cơ sở quy định về tuổi thọ các bộ truyền vít me bi trong tiêu chuẩn ISO [35-39] Tuổi thọ cho bộ truyền không được đặt tải trước [39] Tuổi thọ cho bộ truyền làm việc một chiều Tuổi thọ tính theo số vòng quay L (vòng) ( ) Tuổi thọ tính theo giờ Lh (h) (vòng) (2.5) (h) (2.6) Trong đó: ∑ : tốc độ quay tương đương của trục vít me; nj : giá trị tốc độ trục vít me ở chế độ làm việc thứ j; qj: tỷ lệ phần trăm trục vít làm việc ở tốc độ nj; √∑ : tải tương đương; Fj: giá trị tải dọc trục vít me ở chế độ làm việc thứ j; qj: tỷ lệ phần trăm trục vít làm việc ở tốc độ nj và Fj. Tuổi thọ cho bộ truyền làm việc hai chiều: ( ) (vòng) Trong đó: L1,2: Tuổi thọ cho chiều 1 là L1 và chiều 2 là L2; Fm1,2: Tải tương đương ở chiều 1 là Fm1 và chiều 2 là Fm2. 47 (2.7) Tuổi thọ cho bộ truyền được đặt tải trước [39] ( ) (vòng) (2.8) Fma(1) và Fma(2) là tải tương đương thực tế theo chiều 1 của đai ốc 1 và theo chiều 2 của đai ốc 2 (theo mỗi chiều tương ứng có mỗi đai ốc làm việc và chịu tải nén) Tuổi thọ cho các bộ truyền làm việc hai chiều [39] ( ) (vòng) (2.9) (vòng) (2.10) Lar = Lr . far (vòng) (2.11) Lhar = Lh . far (h) (2.12) Tuổi thọ với hệ số độ tin cậy [39] Theo đơn vị tính số vòng quay: Lar = L . far Hoặc với vít me – đai ốc bi làm việc hai chiều hoặc đặt tải trước Theo đơn vị tính giờ “h”: Bảng 2.1 Hệ số độ tin cậy Độ tin cậy far 90 1 95 0,62 96 0,53 97 0,44 98 0,33 99 0,21 2.2.2. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi trên cơ sở mòn Tuổi thọ của chi tiết, cụm chi tiết máy thông thường được xác định theo lượng mòn cho phép [U]. Khi lượng mòn U đạt giá trị tới hạn, nó làm thay đổi chế độ lắp ghép, tăng sai lệch hình dáng hình học của bề mặt tiếp xúc dẫn đến va đập của các bề mặt ma sát và chuyển sang quá trình mòn không bình thường. Khi đó, trạng thái hình học tế vi xấu đi, nhấp nhô tăng lên làm tốc độ mòn ngày càng tăng mạnh, kích thước tiết diện giảm làm ứng suất xuất hiện trong các chi tiết máy tăng lên nhanh, khi đạt ch là lúc vật liệu bị chảy dẻo, hoặc nứt gãy, phá hủy [5, 7]. Một thực tế là trong các máy có yêu cầu độ chính xác cao như máy công cụ CNC, từng chi tiết máy được thiết kế và ấn định một cấp chính xác cho phù hợp với cấp chính xác làm việc của toàn máy. Khi làm việc, các cặp chi tiết máy có chuyển động tương đối (cặp ma sát) sẽ mòn, lượng mòn lớn dần, cùng với các yếu tố khác làm cho độ chính xác máy giảm dần, sai số làm việc tăng dần. Khi sai số tăng đến giá trị cho phép (được xác định theo cấp chính xác), là lúc máy không thực hiện được yêu cầu làm việc ban đầu ( yêu 48 cầu về độ chính xác). Như vậy, do mòn cùng một số yếu tố khác, độ chính xác máy suy giảm và hết tuổi thọ của máy. Bộ tiêu chuẩn quốc tế ISO 3408 về VMĐB quy định cách tính tuổi thọ của từng bộ truyền VMĐB cụ thể. Đồng thời cũng quy định sai lệch dọc trục cho phép tối đa của VMĐB ứng với từng cấp chính xác. Do vậy, nếu tìm được mối quan hệ giữa sai lệch vị trí với lượng mòn, cùng với việc xác định cụ thể các yếu tố ảnh hưởng tới sai lệch vị trí đai ốc sẽ cho phép tính toán tuổi thọ VMĐB qua mòn. VMĐB cùng với ổ đỡ chặn của nó khi chịu tải và chuyển động có thể được mô hình hóa phục vụ tính toán, xác định vị trí đai ốc, giống như hệ đàn hồi gồm 3 chi tiết được mô tả như 3 lò xo mắc nối tiếp (ổ chặn, trục vít, đai ốc) [22]. Khi trục vít me đứng yên tại một vị trí góc quay, nếu đặt tải dọc trục lên đai ốc, vị trí đai ốc là tổng hợp vị trí ba chi tiết nối tiếp: ổ chặn; trục vít; đai ốc, gồm kích thước ban đầu cùng lượng biến dạng đàn hồi. Xét một chi tiết chịu biến dạng đàn hồi và mòn để xét ảnh hưởng của mòn đến thay đổi lượng sai lệch vị trí khi chịu tải. Tiếp tục mô hình hóa chi tiết chịu tải và biến dạng đàn hồi là hai chi tiết ghép nối tiếp như hệ hai lò xo nối tiếp, trong đó có một chi tiết (lò xo) có chiều dài ban đầu đúng bằng lượng mòn (L02). Hệ lực F cân bằng cùng được sử dụng trong các trường hợp chịu tải. Hình 2.7 mô tả hệ hai lò xo khi chưa chịu tải, khi chịu tải, khi từng lò xo chịu tải: Khi chưa mòn, chưa chịu tải Khi chưa mòn, chịu tải Khi mòn L02, chịu tải Hình 2.7 Hệ hai lò xo chịu tải Trên hình: F-F: hệ lực cân bằng; : L01: kích thước còn lại sau mòn; L02: lượng mòn 1: biến dạng đàn hồi của L01; 2: biến dạng đàn hồi khi chưa mòn biến dạng đàn hồi của L02 Khi chi tiết chưa mòn, lượng biến dạng của hệ (t) khi chịu tải: t =  (2.13) Khi chi tiết mòn đi lượng L02, lượng biến dạng của hệ (s) khi chịu tải: s = L02 + 1 49 (2.14) Sai lệch chiều dài tổng của hệ trước và sau mòn lượng L02: s - t = L02 + 1 -  = L02 - 2 (2.15) Lượng biến dạng đàn hồi của vật rắn là vô cùng nhỏ so với kích thước ban đầu của nó (2 t) (2.21) Trong đó: T: Tuổi thọ của chi tiết (thời gian làm việc không hỏng); t: Thời gian làm việc của chi tiết được nghiên cứu. Ứng với các trị số t cho trước sẽ có các xác suất làm việc không hỏng R(t) khác nhau. R(t) còn được gọi là hàm tin cậy. Hàm tin cậy có những tính chất sau: 54 * 0 < R(t) < 1; * R(0) = 0; * R() = 1; * R(t1) < R(t2) nếu t1 > t2 ( Hàm R(t) là hàm đơn điệu tăng) - F(t): Xác suất hỏng trong thời gian hoạt động (t) Là sự kiện bù của sự kiện chi tiết không hỏng trong thời hạn t cho trước R(t) + F(t) = 1 (2.22) Như vậy, hàm F(t) là hàm phân phối tuổi thọ, thì được gọi là hàm mật độ phân phối tuổi thọ của chi tiết - (t): Cường độ hỏng Là tỉ số giữa sự cố hỏng hóc trong một đơn vị thời gian với tổng số chi tiết máy được sử dụng ở thời điểm này  (2.23) Trong thống kê, cường độ hỏng là tỷ số giữa chi tiết hỏng trong một đơn vị thời gian và số chi tiết trung bình đã làm việc không hỏng trước thời gian đó, với điều kiện chi tiết hỏng không phục hồi hoặc thay thế. ̂ [ ] (2.24) Trong đó: - n(t): Số chi tiết hỏng trong khoảng thời gian làm việc t; N0: Số chi tiết thưc hiện thí nghiệm. Nt: Số lượng chi tiết không hỏng ttb: Thời gian làm việc trung bình đến khi hỏng Là giá trị trung bình thời gian làm việc của các chi tiết đến khi hỏng hoặc đến lần hỏng đầu tiên – nếu là chi tiết phục hồi. ∫ (2.25) Sử dụng chỉ số độ lệch tiêu chuẩn () để xác định mức độ biến thiên thời gian làm việc của một nhóm chi tiết tới lần hỏng đầu, với tập các giá trị tuổi thọ thực nghiệm ti (i =1,N0). Tuổi thọ trung bình được tính bằng: ∑ ; (2.26) Độ lệch chuẩn của tuổi thọ: √ ∑ (2.27) 55 Trong đó: : Độ lệch chuẩn của tuổi thọ; ti : Tuổi thọ của chi tiết thứ i; ttb: Tuổi thọ trung bình đến hỏng. Tóm tắt các công thức tính các chỉ tiêu xác định độ tin cậy, lý thuyết và thực nghiệm Bảng 2.3 Các chỉ tiêu xác định độ tin cậy lý thuyết và thực nghiệm Độ tin cậy Lý thuyết Mật độ phân phối hỏng Thực nghiệm ̂(t) = f(t) = ̂ (t) = R(t) = ∫ Xác suất không hỏng ̂ (t) = 1 - F(t) = 1 – R(t) Xác suất hỏng ̂ (t) = Cường độ hỏng Thời gian trung bình đến lần hỏng đầu tiên ̂ = 1 = ttb = 1 = ∫ ∑ Thời gian tổng Cặp ma sát làm việc ti t1 tn Không làm việc Thời gian Hình 2.10 Tổng hợp sự phân phối thời gian [7] 2.3.3. Hàm phân phối sử dụng trong tính toán độ tin cậy: Một số hàm phân phân phối sử dụng trong tính toán độ tin cậy thực nghiệm như: phối chuẩn Gauss, phân phối Weibull, phân phối mũ, phân phối Logart chuẩn, phân phối Gamma, .... Tuy nhiên, theo [7], tương quan độ tin cậy của chi tiết máy, máy do mòn, hầu hết tuân theo phân phối chuẩn Gauss và phân phối Weibull. Tập số liệu về lượng mòn tuân theo phân phối chuẩn Gauss: Hàm mật độ phân phối: (2.28) √ 56 Hàm tin cậy: ∫  Đặt ∫ √ ∫ √ ∫ (2.29) (2.30) (z) được xác định qua hàm Laplace bằng cách tra bảng [6] Tập số liệu về lượng mòn tuân theo phân phối Weibull Hàm mật độ phân phối:  (  ( )  ) (2.31) Trong đó: t: tuổi thọ ngẫu nhiên, t > 0; : Tham số tỷ lệ của phân phối; : tham số kích thước của phân phối; : tham số vị trí của phân phối. Hàm tin cậy:  (  ( )  ) (2.32) 2.3.4. Xác định độ tin cậy trên cơ sở mòn [7] Chiều cao mòn được đặc trung bởi họ đường cong U(t), trong đó, mỗi đường cong ứng với một điều kiện làm việc (tải, tốc độ). Chiều cao mòn Mật độ phân phối tuổi thọ Hình 2.11 mô tả các thể hiện mòn và mật độ phân phối mòn Mật độ phân phối mòn Thời gian làm việc Hình 2.11 Các thể hiện mòn và mật độ phân phối mòn [7] 57 Diện tích phần gạch chéo dưới đường [U] là sác xuất không xảy ra hỏng ở thời điểm t1. Diện tích phần gạch chéo bên phải đường t = t1 là xác suất đề ở thời điểm t1 không xảy ra hỏng, hoặc là xác xuất để tuổi thọ lấy giá trị không nhỏ hơn t1. Độ tin cậy của cặp ma sát tại thời điểm tbk được xác định bằng xác suất làm việc không hỏng tính theo chiều cao mòn hay theo thời gian làm việc: R(t1) = P(U(t1) < [U]) hoặc R(t1) = P (T > t1) Có hai cách xác định độ tin cậy trên cơ sở mòn là xác định độ tin cậy theo thời gian hỏng do mòn và xác định độ tin cậy theo các thể hiện mòn. Khi xác định theo thời gian hỏng, điều kiện cần thiết là có số liệu thống kê về thời gian hỏng. Việc tiến hành thực nghiệm và thu thập các số liệu là quan trọng hàng đầu, nó liên quan đến độ chính xác của các kết luận rút ra sau đó. Có số liệu về thời gian làm việc đến hỏng thì mới xác định được luật phân phối của chúng. Khi biết luật phân phối thì các chỉ tiêu độ tin cậy sẽ hoàn toàn được xác định. Tuy nhiên, nhược điểm của cách này là nó không cho biết mối quan hệ giữa các tham số của phân phối với các thông số kết cấu, cũng như các thông số làm việc của cặp ma sát, gây khó khăn cho việc có thể đưa ra những biện pháp hữu hiệu để nâng cao độ tin cậy của chi tiết. Do đó, đánh giá độ tin cậy theo thể hiện mòn sẽ là phương pháp thích hợp hơn [11]. Các đại lượng đặc trưng cho quá trình mòn thường là lượng mòn kích thước, tốc độ mòn, thể tích mòn,... Xác định độ tin cậy theo các thể hiện mòn là tìm mối quan hệ hàm số giữa các đặc trưng trên với thời gian khai thác. Trong đa số trường hợp, sau thời kỳ chạy rà tốc độ của quá trình mòn có kỳ vọng và phương sai là các hằng số. f(Ur) Hình 2.12 Các thể hiện mòn tuyến tính và các mật độ f(U), f(t) [7] 58 Mòn tuyến tính được biểu diễn là: U(t) = Ur + U’.t (2.33) Các chi tiết được xử lý bề mặt tốt, thời gian chạy rà quá ngắn so với toàn bộ thời gian phục vụ nên khi có thể coi lượng mòn sau thời gian chạy rà Ur = 0. Khi đó: U(t) = U’.t (2.34) Quá trình mòn ngẫu nhiên với thời gian liên tục được thừa nhận là phân phối chuẩn Gauss. Xác suất không hỏng được tính bằng ∫ [ ] ( √ [ ] ) (2.35) Xác suất này có giá trị bằng diện tích phần hình dưới đường cong f(U) với các giá trị giới hạn tương ứng (hình 2.12) 2.4. Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB Ảnh hưởng của môi trường theo TCVN 7699-2-30 tới tuổi thọ VMĐB bi thể hiện qua hệ số tuổi thọ theo môi trường và tốc độ mòn khi làm việc trong môi trường này. Do vậy, các thí nghiệm sẽ phải thực hiện ở điều kiện môi trường TCVN 7699 – 2 – 30. Ở điều kiện môi trường này, mức độ ảnh hưởng đến tuổi thọ ở các chế độ làm việc (tải, vận tốc) sẽ được thể hiện qua mỗi thí nghiệm. Gọi lượng mòn đo được tại mỗi thí nhiệm là Uc i (i = 1,k; k là số thí nghiệm). tốc độ mòn khi vít me bi làm việc trong môi trường TCVN 7699 – 2 – 30 tương ứng là:  (i = 1,k) (2.36) Tuổi thọ xác định trong mỗi thí nghiệm: [ ] (2.37)  Tương ứng hệ số tuổi thọ trong từng thí nghiệm: (2.38) Trong các công thức trên: m: Hệ số tuổi thọ theo môi trường; Lh mt: Tuổi thọ tính được trong mỗi thí nghiệm; Lh iso: Tuổi thọ theo ISO (xem phần 2.2.1); [U]: Lượng mòn dọc trục giới hạn; Uc i: Lượng mòn trong mỗi thí nghiệm; t: Thời gian mỗi thí nghiệm. Độ tin cậy của tuổi thọ, cũng như độ tin cậy của hệ số tuổi thọ của vít me – đai ốc bi khi làm việc trong điều kiện Việt Nam sẽ được xác định qua giá trị tuổi thọ tính được của từng thí nghiệm, tuân theo quy luật phân phối chuẩn, được mô tả như sau: 59 Bảng 2.4 Hệ số tuổi thọ thực nghiệm STT Tải (F) Tốc độ (n) Môi trường Lượng mòn đo được Tuổi thọ thực nghiệm Tuổi thọ theo ISO Hệ số tuổi thọ 1 F1 n1 TCVN Uc 1 Lh mt 1 Lh iso 1 m1 2 F2 n2 TCVN Uc 2 Lh mt 2 Lh iso 2 m2 ... ... ... TCVN ... ... ... ... k Fk nk TCVN Uc k Lh mt k Lh iso k mk Dựa vào số liệu thu được, xác định hàm hồi quy thực nghiệm sự phụ thuộc hệ số tuổi thọ theo môi trường “ ̂ ” và tính được kỳ vọng ( ̅ ), độ lệch chuẩn ( ) của hàm ̂ . Mòn tuân theo phân phối chuẩn Gauss, như vậy “m” cũng tuân theo phân phối chuẩn. ̂ Đặt biến . Do tính đối xứng của hàm mòn, hàm laplace (z) cho phép xác định đối số z của phân phối theo độ tin cậy R(t) dựa trên công thức R(t) = 0,5 + (z) [7]. Ứng với các độ tin cậy khác nhau, tra bảng Laplace để tìm được đối số z. Khoảng giá ̂ trị của m tính được: (2.39) Tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 nhưng ở các điều kiện làm việc (tải, tốc độ quay) khác được xác định theo công thức: Lh mt = m . Lh iso (2.40) Tuổi thọ của VMĐB cho bởi công thức của ISO đạt ở mức 90%, theo mức tin cậy cao hơn thì phải nhân thêm với hệ số độ tin cậy far [39]. Do dó, mức tin cậy thực tế của tuổi thọ khi đã tính đến hệ số tuổi thọ có ảnh hưởng của môi trường TCVN 7699-2-30 là tích của độ tin cậy theo công thức tính tuổi thọ của theo ISO và độ tin cậy của hệ số tuổi thọ thực nghiệm khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30. Hệ số tuổi thọ khi làm việc ở môi trường TCVN7699-2-30 ở các mức tin cậy được tính toán và thống kê ở bảng 2.5. Bảng 2.5 Hệ số tuổi thọ khi làm việc ở môi trường TCVN 7699-2-30 ứng với các độ tin cậy Mức tin cậy của hệ số tuổi thọ thực nghiệm – tiêu chuẩn Fisher – m(95%) I Độ tin cậy của công thức xác định tuổi thọ (Lh theo ISO) Độ tin cậy thực tế (%) Hệ số tuổi thọ “m” ứng với các độ tin cậy V Độ tin cậy far II III IV = I . II 90 1 85,50 95 0,62 90,25 96 0,53 91,20 97 0,44 92,15 98 0,33 93,10 99 0,21 94,05 95 60 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 Trong chương 2, qua nghiên cứu tổng quan về mòn vật liệu, quy luật mòn thực nghiệm; Các yếu tố ảnh hưởng tới mòn; Cơ sở xác định tuổi thọ vít me – đai ốc bi trên cơ sở mòn và lý thuyết độ tin cậy đã rút ra được một số kết luận cơ bản: - Quá trình mòn cặp vật liệu nói chung và mòn VMĐB nói riêng theo thời gian hoặc quãng đường ma sát có ba giai đoạn: Giai đoạn chạy rà, giai đoạn mòn ổn định (có lượng mòn tuyến tính với thời gian và quãng đường ma sát) và giai đoạn mòn khốc liệt dần dẫn tới phá hủy. Tuy nhiên, do được xử lý bề mặt tốt và là VMĐB thành phẩm nên giai đoạn chạy rà của vít me – đai ốc bi có thời gian rất ngắn, có thể giả thiết bỏ qua giai đoạn này. - Sai lệch vị trí dọc trục cho phép của đai ốc “± ep” được xác định theo cấp chính xác và kích thước hình học của VMĐB. Lượng sai lệch này chủ yếu phụ thuộc vào mòn và chính là lượng mòn dọc trục nếu đảm bảo các yêu cầu về ổn định của vận tốc và tải tác dụng. - Tuổi thọ VMĐB theo lý thuyết (ISO 3408) được xác định theo tải dọc trục, tốc độ quay trục vít me cùng các hệ số quy đổi khi làm việc với một số điều kiện nhất định. Tuổi thọ VMĐB xác định theo thực nghiệm chính là tỷ số của sai lệch dọc trục cho phép và tốc độ mòn dọc trục của VMĐB. - Điều kiện môi trường TCVN 7699-2-30 đặc trưng cho môi trường nhiệt ẩm khắc nghiệt. Do vậy, môi trường theo TCVN7699-2-30 là có ảnh hưởng lớn đến mòn khi thay đổi các thông số chính: tải, tốc độ và bôi trơn. - Độ tin cậy thể hiện qua các chỉ tiêu đánh giá: Mật độ phân phối hỏng f(t); Xác suất không hỏng R(t); Xác suất hỏng F(t); cường độ hỏng (t); và thời gian trung bình đến lần hỏng đầu tiên ttb. Hàm phân bố tuổi thọ VMĐB tuân theo phân phối chuẩn là cơ sở để xác định độ tin cậy của hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30. 61 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP, HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM NGHIÊN CỨU MÒN 3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm: Mục đích: Thực nghiệm được thực hiện để xác định sự ảnh hưởng của tải dọc trục và tốc độ quay của trục vít me tới tuổi thọ của VMĐB trên cơ sở mòn trong điều kiện môi trường theo TCVN 7699-2-30. So sánh tuổi thọ xác định được từ thực nghiệm trong môi trường TCVN 7699-2-30 với tuổi thọ của VMĐB theo ISO để xác định hệ số tuổi thọ. Bổ sung hệ số tuổi thọ vào công thức tính tuổi thọ của vít me – đai ốc bi của ISO khi làm việc trong môi trường theo TCVN 7699-2-30. Yêu cầu: - Thí nghiệm phải được thực hiện trong môi trường tuân theo TCVN 7699-2-30. - Thiết bị thí nghiệm phải tạo mòn và đo được sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc bi do mòn trong điều kiện môi trường tiêu chuẩn TCVN 7699-2-30. - Thiết bị thí nghiệm đảm bảo thay đổi tải dọc trục và tốc độ quay của trục vít me, có sai số trong phạm vi 0% - 5%. - Hệ thống đo được bố trí hợp lý, phát hiện sai lệch vị trí đai ốc bi với độ chính xác phù hợp, dễ dàng thay thế mẫu thử và không chịu ảnh hưởng của môi trường thử. - Điều kiện ma sát trong các thí nghiệm là không sử dụng chất bôi trơn để tăng mức độ ảnh hưởng môi trường tới mòn và giảm thời gian thực nghiệm. Một thí nghiệm có sử dụng chất bôi trơn tiêu chuẩn để so sánh với thí nghiệm không sử dụng chất bôi trơn, từ đó rút ra sự ảnh hưởng của bôi trơn trong môi trường TCVN 7699-2-30. 3.2. Thiết kế máy thí nghiệm 3.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu của thí nghiệm Đối tượng nghiên cứu của máy thí nghiệm là VMĐB tiêu chuẩn, thường được sử dụng trong thiết kế, chế tạo máy CNC phục vụ gia công. Trong trường hợp nghiên cứu là VMĐB dùng trong máy CNC cỡ nhỏ, có mã hiệu ISO 3408-16x05x222-T7R4 3.2.2. Thiết kế máy thí nghiệm Máy thí nghiệm được thiết kế dạng modul, bao gồm các phần: Bộ truyền VMĐB; Hệ thống tạo tải và dẫn động VMĐB; Hệ thống đo, phù hợp với thông số kỹ thuật của VMĐB được chọn làm đối tượng nghiên cứu. Sơ đồ nguyên lý cơ bản của máy thí nghiệm được thể hiện trên hình 3.1 62 Đo vị trí đai ốc Đo góc quay trục vít me Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cơ bản của máy thí nghiệm 3.2.2.1. Lựa chọn các thông số kỹ thuật của vít me – đai ốc bi Bộ truyền VMĐB được chọn nghiên cứu có mã hiệu ISO 3408-16x05x222-T7R4. Mã hiệu trên theo quy định của ISO để xác định các thông số cơ bản của VMĐB: Đường kính danh nghĩa d1 = 16; Bước ren Ph = 5; Chiều dài đoạn có ren trên trục vít me L = 222; Loại VMĐB là T; Cấp chính xác VMĐB là 7; Ren phải; Số vòng bi trên trục vít me là 4. Bộ tiêu chuẩn ISO 3408 không tiêu chuẩn hóa các kích thước lắp ghép và các kích thước hình học cụ thể của từng chi tiết. Ứng với một mã hiệu quy định như trên, tùy vào yêu cầu, khả năng công nghệ,... các hãng sản xuất các chủng loại VMĐB khác nhau với các kích thước hình học cụ thể của từng chi tiết khác nhau (bán kính cong của rãnh ren vít, đường kính tâm bi, số vòng ren đai ốc, ....). Do đó, các thông số kỹ thuật cần thiết khác được xác định theo bộ truyền được lựa chọn và tiêu chuẩn của ISO. Bảng 3.1 thể hiện các thông số kỹ thuật cơ bản của VMĐB dùng trong thực nghiệm. Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật vít me – đai ốc bi STT Nội dung Giá trị Đơn vị Ghi chú 1 Đường kính trục vít me 16 mm d0 2 Bước vít me 5 mm Ph 3 Chiều dài đoạn ren 222 mm l1 4 Kiểu đai ốc (P hoặc T) T 5 Cấp chính xác 7 C7 6 Chiều ren R phải 7 Số vòng ren làm việc 4 8 Đường kính bi 9 3,175 mm DW Đường kính lắp ghép đai ốc bi 28 mm D 10 Dung sai đường kính đai ốc bi g6 mm 11 Đường kính bích đai ốc 48 mm 12 Chiều dài đai ốc 42 mm 63 13 Chiều dày mặt bích đai ốc 10 mm 14 Đường kính tâm lỗ trên mặt bích 38 mm 15 Tải động dọc trục danh nghĩa Ca 765 kgf 16 Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa C0a 1240 kgf Hình 3.2 thể hiện một số kích thước cơ bản của bộ truyền VMĐB : Hình 3.2 Một số kích thước cơ bản của bộ truyền vít me – đai ốc bi 3.2.2.2. Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản của máy thí nghiệm Xem phụ lục tính toán của luận án. Tải lớn nhất trong các thí nghiệm là 3500 N; khoảng tốc độ quay của trục vít me là 79100 (vg/ph); Công suất động cơ dẫn động trục vít me 1,0 (kW). 3.2.2.3. Thiết bị tạo môi trường Thiết bị đảm nhận nhiệm vụ tạo môi trường thực nghiệm (tủ nhiệt ẩm) phải đảm bảo yêu cầu sau: - Các cơ cấu chấp hành của tủ nhiệt ẩm được điều khiển có phản hồi. Thời gian lấy tín hiệu phản hồi phải được chọn hợp lý theo yêu cầu và công suất làm việc của các cơ cấu chấp hành. - Giá trị sai số của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm phải được chọn hợp lý theo yêu cầu làm việc và công suất các cơ cấu chấp hành, nhưng không được lớn hơn (hoặc bằng) dung sai nhỏ nhất cho phép của nhiệt độ, độ ẩm môi trường theo TCVN 7699-2-30. - Không khí trong tủ phải được lưu thông - Tránh không để nước tụ trên bề mặt vật liệu rơi trực tiếp vào cảm biến nhiệt ẩm Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ và độ ẩm tương đối của môi trường trong tủ nhiệt ẩm BKM-NA2 theo môi trường tiêu chuẩn TCVN 7699-2-30 được biểu diễn ở hình 3.3. 64 Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển tủ nhiệt ẩm. 65 Trong đó: T: Thời gian trong chu trình 24h t: Nhiệt độ thực trong tủ (do cảm biến phản hồi về) t0: Nhiệt độ đích tmax, tmin: Nhiệt độ max và min cho phép của mức danh nghĩa t0 RH: Độ ẩm tương đối trong tủ (do cảm biến phản hồi về) RH0: Độ ẩm tương đối đích RHmax, RHmin: Độ ẩm tương đối max và min cho phép của mức danh nghĩa RH0 3.2.2.4. Hệ thống tạo tải dọc trục lên bộ truyền vít me – đai ốc bi [13, 14, 16] Hệ thống tạo tải phải tạo tải có đặc điểm như khi VMĐB làm việc và khi đo mòn trong điều kiện có tác dụng của tải dọc trục, nên hệ thống tạo tải phải đảm bảo tạo được hai trạng thái: Trạng thái khi làm việc: - Tải tác dụng lên đai ốc của VMĐB là tải dọc trục - Tải tác dụng lên đai ốc luôn được duy trì ổn định khi đai ốc dịch chuyển ở các vị trí khác nhau trên hành trình và có giá trị bằng không “0” khi đai ốc ngừng dịch chuyển. - Tải tác dụng lên đai ốc theo cả hai chiều và có hướng phụ thuộc vào chiều chuyển động của đai ốc. Trạng thái khi đo: Trục vít me cần được cố định tại các điểm định trước (theo vị trí góc quay của trục vít me). Tải phải được duy trì ổn định trong quá trình đo. Hình 3.4 mô tả sơ đồ đặt tải lên vít me – đai ốc bi Hình 3.4 Sơ đồ đặt tải lên vít me – đai ốc bi 66 Để tạo được tải theo yêu cầu. Có một số phương án cho hệ thống tạo tải lên VMĐB: Phƣơng án I: Tạo tải nhờ tải trọng Hình 3.5 Phương án I – Tạo tải nhờ tải trọng Đặc điểm của phương án I là tải đặt lên đai ốc rất ổn định – rất thuận lợi cho quá trình đo đạc. Đồng thời, kết cấu hệ thống tạo lực đơn giản, dễ chế tạo, ít tốn kém. Tuy nhiên nhược điểm của phương án này là rất khó khi thay đổi chiều tác dụng của tải trong một chu trình chuyển động (nếu điều chỉnh đổi chiều tải bằng tay thì phải dừng máy nên rất tốn thời gian, nếu dùng hệ thống tự động thì khá phức tạp, tốn kém). Đồng thời, để tải tác động lên đai ốc là dọc trục thì việc gá lắp, điều chỉnh là khá khó khăn. Phƣơng án II: Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tách rời sống trượt Hình 3.6 Phương án II – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tách rời sống trượt Đặc điểm của phương án II là dễ dàng điều khiển đổi chiều tác dụng của tải, tải khá ổn định. Kết cấu hệ thống thủy lực chủ yếu bao gồm các cụm chi tiết tiêu chuẩn nên thuận tiện cho việc thiết kế chi tiết. Tuy nhiên, nhược điểm của phương án này là khó gá lắp, điều chỉnh cho tải tác động từ pittong lên đai ốc có phương dọc trục. Đồng thời, do có kết cấu 67 phức tạp, cồng kềnh nên cũng không thuận lợi cho việc gá lắp máy trong tủ môi trường – nhất là khi tủ môi trường có kích thước hạn chế. Phƣơng án III: Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong - xilanh tích hợp với sống trượt Hình 3.7 Phương án III – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tích hợp với sống trượt Đặc điểm của phương án III là dễ dàng điều khiển đổi chiều tác dụng của tải; Tải ổn định; Dễ dàng điều chỉnh để tải tác dụng lên đai ốc là dọc trục; Kết cấu máy nhỏ, gọn, dễ tháo lắp – thuận tiện cho việc gá lắp máy thí nghiệm vào trong tủ môi trường. Do đáp ứng tốt các yêu cầu khi làm việc của tải; dễ dàng chế tạo, gá lắp, căn chỉnh mà phương án III được lựa chọn để thiết kế, chế tạo hệ thống tạo tải của máy thí nghiệm. Hình 3.8 là hình ảnh hệ thống tạo tải dọc truc tác dụng lên VMĐB của thiết bị thí nghiệm. Hình 3.8 Hệ thống tạo tải dọc trục 68 3.2.2.5. Hệ thống đo lường Hệ thống đo lường phải đảm bảo đo được các dịch chuyển dọc trục của VMĐB (tịnh tiến của đai ốc và quay của trục vít me), đồng thời phải có độ phân giải nhỏ hơn lượng mòn dọc trục dự tính của VMĐB sau thời gian thí nghiệm ở điều kiện tiêu chuẩn. Độ phân giải của thiết bị đo càng nhỏ, độ chính xác của thiết bị đo càng cao thì độ tin cậy số liệu đo càng lớn, tuy nhiên giá thành lại rất cao. Do đó, có thể đảm bảo chất lượng phép đo bằng cách sử dụng thiết bị đo có độ phân giải hợp lý và thực hiện nhiều lần một phép đo kích thước. Với độ phân giải hệ thống đo là 1m, có thể đo và nhận biết sai lệch vị trí của VMĐB có cấp chính xác cao nhất C0 khi làm việc Nếu chọn thiết bị đo có độ chính xác cao nhưng phương pháp gá đặt không đúng thì kết quả đo sẽ rất thiếu chính xác. Do đó, việc chọn và lên phương án gá lắp thiết bị đo cũng rất quan trọng. Phương pháp đo quay phổ biến và phù hợp, cho độ chính xác cao hiện nay là đo bằng thước quang đo quay – Rotary Encoder (RE). Với bước vít me 5mm, để có độ phân giải 1m, chọn RE có ký hiệu S48-8-5000VL của hãng LS’ để đo quay cho trục vít me trong các thí nghiệm của luận án. Dưới đây là các phương án đo dịch chuyển tịnh tiến của đai ốc. Phƣơng án I: Đo dịch chuyển đai ốc nhờ đồng hồ so. RE Hình 3.9 Phương án I – Đo dịch chuyển của đai ốc nhờ đồng hồ so Đặc điểm của phương án I là sử dụng các thiết bị đo đơn giản, giá thành thấp. Tuy nhiên, việc gá lắp đồng hồ so để đo được đúng điểm cần đo và phương dịch chuyển là rất khó khăn. Đồng thời, đồng hồ so phải được tháo, lắp mỗi điểm đo và mỗi lần đo. Do đó, phương án này không khả thi. 69 Phƣơng án II: Đo vị trí đai ốc nhờ thước quang đo thẳng – Liner Scale (LS) Theo phương án này, sử dụng thước quang đo thẳng (LS) – có hai phần chính là thân thước và đầu đọc – một phần ghép nối cố định với đai ốc, một phần ghép nối cố định với thân máy. Chuyển động tương đối của đai ốc so với thân máy cũng sẽ là chuyển động tương đối của đầu đọc và thân thước. Lượng dịch chuyển được số hóa, hiển thị trên màn hình của thiết bị hiển thị (Readout) và kết nối với máy tính điện tử. Ưu điểm chính của phương án này là thiết bị đo quang học có độ chính xác rất cao, có thể kết nối và lưu trữ dữ liệu trên máy tính điện tử rất dễ dàng. Chọn LS của hãng “SINPO”, mã hiệu “JOXE-O”, độ chính xác 0,001mm để đo chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Trong phương án II, có 2 phương án gá lắp LS với đai ốc bi và thân máy: Một là ghép nối cố định thân thước với đai ốc bi, đầu đọc ghép nối cố định với thân máy; Hai là ghép nối cố định thân thước với thân máy, đầu đọc ghép nối cố định với đai ốc bi. Các hình dưới đây thể hiện hai phương án 1 và 2 của phương án II. Trong đó, hình 3.10 thể hiện phương án II.1 ghép nối thân thước với đai ốc bi di chuyển, đầu đọc với thân máy; hình 3.11 thể hiện phương án II.2 ghép nối đầu đọc với đai ốc bi di chuyển, thân thước với thân máy. Đầu đọc cố định Thân thước chuyển động Hình 3.10 Phương án II.1 – Thân thước ghép nối với đai ốc bi di chuyển Thân thước cố định Đầu đọc chuyển động Hình 3.11 Phương án II.2 – Đầu đọc ghép nối với đai ốc bi di chuyển. 70 Thực tế khi lắp đặt theo phương án II.1 cho thấy phương án này có nhược điểm đặc biệt là gá lắp, điều chỉnh LS gặp rất nhiều khó khăn, đồng thời thân thước có kích thước lớn nên có ít hơn các phương án gá lắp LS. Phương án II.2 cho thấy rất thuận lợi cho việc tháo lắp, căn chỉnh LS nên cho kết quả đo chính xác hơn. Chọn phương án II.2 làm phương án bố trí, gá lắp thiết bị đo. Đây là phương án được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng cho các nghiên cứu của mình [19, 28, 46, 78]. Đồng thời, cũng là phương án gá đặt thiết bị đo thường thấy trong các máy công cụ CNC có độ chính xác gia công cao. Để loại bỏ ảnh hưởng của môi trường thực nghiệm đến hệ thống đo, đặt hệ thống đo (LS và RE) ở bên ngoài tủ nhiệt ẩm. Hình 3.12 là hình ảnh hệ thống đo được lắp với máy thí nghiệm để chạy thử, trước khi gá lắp toàn bộ hệ thống vào trong tủ nhiệt ẩm. Hình 3.12 Hình ảnh hệ thống đo ghá lắp với máy thí nghiệm, đặt bên ngoài tủ nhiệt ẩm 3.2.2.6. Phương pháp đo Để xác định lượng mòn tại một điểm (theo góc quay trên trục vít me), phải xác định được chính xác vị trí điểm đó khi đo. Trong hệ thống đo này, vị trí mọi điểm đo được xác định theo góc quay so với một điểm chuẩn đặt trước. Vị trí điểm này được xác định cho mỗi thí nghiệm. Như phân tích ở 2.2.2. Lượng mòn dọc trục chính là lượng tăng lên của sai lệch dọc trục. VMĐB làm việc hai chiều, do vậy lượng mòn tại mỗi điểm đo sau một khoảng thời gian là tổng của lượng mòn hai phía của một điểm. Trong đó, lượng mòn mỗi phía được xác định là hiệu của hai giá trị vị trí cùng phía của đai ốc sau hai lần đo, ứng với lúc bắt 71 đầu và kết thúc của khoảng thời gian đó. Sơ đồ đo mòn của VMĐB được thể hiện ở các hình 3.13 và hình 3.14. Hình 3.13 Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má trái ren Hình 3.14 Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má phải ren 72 Trên hình: A: Điểm gốc 0 với cả LS và RE B: Vị trí đai ốc danh nghĩa khi bắt đầu từ A, quay vít me n vòng. B1T: Vị trí thực của điểm B khi đo lần 1, đặt tải tác dụng hướng từ phải qua trái B2T: Vị trí thực của điểm B khi đo lần 2 (sau khoảng thời gian 1 chu kỳ), tải tác dụng theo hướng từ phải qua trái. B1P: Vị trí thực của điểm B khi đo lần 1, đặt tải tác dụng hướng từ trái qua phải B2P: Vị trí thực của điểm B khi đo lần 2 (sau khoảng thời gian 1 chu kỳ), tải tác dụng theo hướng từ trái qua phải. 1T: Sai lệch vị trí đai ốc tại thời điểm đo lần 1, chiều của tải hướng từ phải qua trái 2T: Sai lệch vị trí đai ốc tại thời điểm đo lần 2, chiều của tải hướng từ phải qua trái 1T: Sai lệch vị trí đai ốc tại thời điểm đo lần 1, chiều của tải hướng từ trái qua phải 2T: Sai lệch vị trí đai ốc tại thời điểm đo lần 2, chiều của tải hướng từ trái qua phải T: Sai lệch vị trí đai ốc giữa thời điểm đo lần 1 và đo lần 2, khi chiều của tải hướng từ phải qua trái. P: Sai lệch vị trí đai ốc giữa thời điểm đo lần 1 và đo lần 2, khi chiều của tải hướng từ trái qua phải. Theo hình 3.13, lượng mòn phía trái của điểm B sau thời gian làm việc “t” là hiệu của sai lệch trước làm việc và sau thời gian “t”: T =(AB2T –AB) –(AB1T –AB) =AB2T - AB1T; Tương ứng, lượng mòn phía phải của điểm B: P = AB2P – AB1P (hình 3.14). Lượng mòn tại B sau thời gian làm việc “t”:  = T + P (3.1) Thực hiện đo mòn tại các điểm cách đều nhau có tải và tốc độ ổn định (theo số vòng quay của trục vít me), loại bỏ những điểm quá độ (những điểm thuộc khoảng đầu và cuối của hành trình đai ốc). Các bƣớc thực hiện quá trình đo: Bước 1: Chuẩn máy đo (chỉnh thông số tải và vận tốc về đúng thông số đầu vào thí nghiệm) Bước 2: Reset chuẩn 0 cho các thiết bị đo (chỉ thực hiện 1 lần duy nhất cho mỗi thí nghiệm, khi lấy số liệu vị trí gốc, lúc bắt đầu thí nghiệm) – Điểm A. Bước 3: Điều chỉnh góc quay trục vít me (qua thể hiện trên RE) về đúng vị trí đích cần đo (n vòng so với A). Cố định trục vít me. Lưu lại số chỉ vị trí đai ốc thể hiện trên LS. Bước 4: Đặt tải dọc trục lần lượt vào hai phía của đai ốc. Ghi lại số chỉ vị trí đai ốc trên LS tại từng phía. (Thực hiện tổng cộng 20 lần bước 5. Lấy số liệu trung bình các lần). Bước 5: Làm tương tự bước 3, 4 ở các điểm đích còn lại (“n + i”vòng). 73 3.3. Tổ hợp máy thí nghiệm Tổng hợp các yêu cầu, kết hợp với thiết kế sơ bộ cho các phần (tạo lực, đo, tủ nhiệt ẩm,...) Hình 3.15 mô tả sơ đồ nguyên lý máy được thiết kế thỏa mãn các vấn đề trên: Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý máy thí nghiệm Cấu tạo chung của máy: (1): Hệ thống thủy lực tạo tải (2): Tủ nhiệt ẩm (3): Thiết bị chỉnh thông số vận tốc (4): Bộ truyền vít me – đai ốc bi (5): Hệ thống đo, đọc, ghi và xử lý số liệu. Bộ truyền VMĐB (4) được dẫn động nhờ động cơ, qua cặp bánh đai răng (3) và trục cardan. Đai ốc bi của (4) được ghép cố định với (1) tạo tải đặt lên đai ốc. Lực và tốc độ là hai thông số đầu vào có thể thay đổi được nhờ hệ thống điều chỉnh của hệ thống thủy lực và (3). (1) và (4) được đặt trong (2). Dùng cùng lúc hai thiết bị đo và phản hồi vị trí đai ốc. Một là thước đo thẳng (LS) ký hiệu JOXE-O độ phân giải 1 m/xung để phản hồi vị trí thực đai ốc qua hiển thị số, một là phản hồi góc quay của trục vít me qua thước đo quay (RE) ký hiệu S48-8-5000VL độ phân giải 5000 xung/vòng (tương đương 1m/xung) để từ số vòng quay và bước vít me (danh nghĩa) sẽ xác định được lượng dịch chuyển của đai ốc. Cả hai tín hiệu từ hai thiết bị đo này được đưa về thiết bị đọc, ghi rồi gửi đến máy tính điện tử để lưu trữ và phân tích số liệu. Trên cơ sở nguyên lý máy thí nghiệm, thực hiện các thiết kế chi tiết cũng như các công việc cụ thể và tiến hành thí nghiệm. Sau quá trình thiết kế nguyên lý là quá trình thiết kế chi tiết, chế tạo và lắp đặt máy thí nghiệm. Các hình dưới đây mô tả kết quả mô phỏng và chế tạo máy thí nghiệm. Hình 3.16 là hình ảnh về mô phỏng máy thí nghiệm (chưa có hệ thống thủy lực). 74 75 Hình 3.16 Hình ảnh mô phỏng tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm Tủ tạo môi trường (TCVN7699-2-30) Tổng thể hệ thống thiết bị đang chuẩn bị thực hiện thí nghiệm được thể hiện trên hình 3.17 và hình 3.18 4 3 2 1 5 6 7 8 Hình 3.17 Hình ảnh tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm – Nhìn đằng trước 9 3 Hình 3.18 Hình ảnh tổng thể hệ thống thiết bị thí nghiệm – Nhìn bên phải Các bộ phân cơ bản: (1): Máy vi tính (2): Thiết bị đọc, truyền dữ liệu (3): Thước đo thẳng (LS) (4): Bộ điều khiển tủ nhiệt ẩm (5): Tủ nhiệt ẩm (6): Thiết bị thí nghiệm (7): Bộ truyền đai răng (9): Thước đo quay (RE) (8): Động cơ 76 Hình ảnh về các thiết bị đo LS, RE thể hiện trên hình 3.19 và hình 3.20. Hình 3.19 Hình ảnh thiết bị đo thẳng LS: JOXE-O (SINPO) độ phân giải 1 xung/m Hình 3.20 Hình ảnh thiết bị đo quay RE: S48-8-5000VL (LS’) độ phân giải 5000 xung/vòng. 3.4. Quy hoạch và tổ chức thực nghiệm 3.4.1. Xác định các thông số thực nghiệm Trong thực nghiệm của nghiên cứu, số biến đầu vào là 2 (tải, tốc độ quay); Hàm mục tiêu là hệ số tuổi thọ khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30. Thực hiện quy hoạch thực nghiệm (QHTN) toàn phần dạng 2k (theo [8, 10]). Để kiểm tra tính có nghĩa của các hệ số trong hàm hồi quy, cần phải làm các thí nghiệm tại tâm quy hoạch [10]. Do đó phải làm thêm một thí nghiệm tại tâm quy hoạch. Để có thể ghi nhận ảnh hưởng rõ nét của môi trường TCVN 7699-2-30 đến mòn, qua đó xác định được tốc độ mòn và tuổi thọ của VMĐB, các thí nghiệm trên (2k + 1) được thực hiện trong điều kiện không bôi trơn. Một thí nghiệm tại tâm, có bôi trơn sẽ được làm thêm để so sánh ảnh hưởng của môi trường khi bôi trơn và không bôi trơn (hệ số ) Để kiểm chứng lý thuyết và thực nghiệm – giữa tuổi thọ tính được theo ISO (trong môi trường và bôi trơn tiêu chuẩn) và thực nghiệm đo được (cũng trong cùng điều kiện môi trường và bôi trơn tiêu chuẩn) – bố trí thí nghiệm tại tâm quy hoạch nữa được làm thêm trong điều kiện môi trường và bôi trơn theo ISO. 77 Như vậy, với số biến đầu vào K = 2  Số thí nghiệm sẽ là ntn = 22 + 1 + 1 + 1 = 7. Trong đó năm thí nghiệm đươc quy hoạch để tìm hàm hồi quy hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30, hai thí nghiệm còn lại: thí nghiệm số 6 để tìm hệ số tuổi thọ giữa bôi trơn và không bôi trơn trong môi trường TCVN 7699-2-30; thí nghiệm số 7 để kiểm chứng lý thuyết. Hình 3.21 thể hiện giá trị các biến đầu vào ở trong 5 thí nghiệm (các điểm QHTN) tạo mòn. Tốc độ quay (vg/ph) no (Tải, N) Fo Hình 3.21 Các điểm quy hoạch thực nghiệm Tuổi thọ VMĐB được xác định theo hai thông số chính: “tải” và “tốc độ quay của trục vít me” [39]. Hệ số tuổi thọ khi làm việc trong môi trường theo TCVN 7699-2-30 là tỷ lệ giữa tuổi thọ theo ISO và tuổi thọ khi làm việc trong môi trường theo TCVN 7699-2-30. Do vậy, hàm mục tiêu hệ số tuổi thọ theo môi trường được xác định có dạng tổng quát:  ̂ (3.2) Trong đó: ̂ Hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30, không bôi trơn; F: Tải (N); n: Tốc độ quay trục vít me (vòng/phút); a0; a1; a2; a12: Hệ số hàm hồi quy thực nghiệm; Lkh mt: Tuổi thọ theo thực nghiệm (giờ); Lh iso: Tuổi thọ theo ISO (giờ). 78 Tính chọn giá trị cho các thông số thí nghiệm: Tải dọc trục ( phụ lục 1) Fmax = 3500 N Fmin = 2500 N Các giá trị của tải “F”: F max = 3500 (N) F0 = 3000 (N) = 0,5.(Fmax + Fmin) F min = 2500 (N) Tốc độ quay trục vít me (phụ lục 1) nmax = 100 vg/ph; nmin = 78 vg/ph Các giá trị tốc độ quay của trục vít me “n”: n max = 100 (vg/ph) n0 = 89 (vg/ph) = 0,5.(nmax + nmin) n min = 78 (vg/ph) Mã hóa các biến F và n [8, 10], được hai biến mới X1 và X2 tương ứng như bảng 3.2 Bảng 3.2 Các biến của ma trận thí nghiệm Biến tốc độ Biến tải Giá trị F Mã hóa Giá trị n Mã hóa F (N) X1 n (vg/ph) X2 1 F1 max = 3500 +1 n2 max = 100 +1 2 F1 (0) = 3000 0 n2 (0) = 89 0 3 F1 min = 2500 -1 n2 min = 78 -1 STT Các điểm chia (điểm lấy số liệu): Loại bỏ các điểm ở đầu và cuối hành trình bởi khi đai ốc dừng hoặc tăng tốc, tải và vận tốc không ổn định nên lượng mòn cũng như sai lệch là phi tuyến. Theo [7, 17], lấy các điểm chia thuộc giữa hành trình, cách mỗi đầu khoảng 40 (mm), lấy 12 điểm. Khoảng cách giữa hai điểm lấy số liệu là 2.500 (xung) - đầu đo quay có độ phân giải 5.000 (xung/vòng). Nhiệt độ, độ ẩm tương đối: Trong các thí nghiệm từ 1 đến 6, thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm tương đối tuân theo tiêu chuẩn thử nhiệt ẩm biến đổi chu kỳ TCVN 7699-2-30. Trong thí nghiệm thứ 7, do ISO3408 không quy định về môi trường và chế độ bôi trơn, nên môi trường của thí nghiệm này được lấy theo môi trường quy định trong ISO 230 – 2: Tiêu chuẩn về xác định độ chính xác và khả năng lặp lại định vị của trục điều khiển số (200C; RH60%, có bôi trơn). Thời gian cho mỗi thí nghiệm: 79 Thời gian cho mỗi thí nghiệm được xác định dựa theo quy định trong TCVN 7699-230. Theo đó, thời gian lấy mẫu là bội số của chu kỳ 24 giờ, và tùy thuộc vào mức độ khắc nghiệt của thử nghiệm. Để xác định tốc độ mòn, từ đó tính được tuổi thọ VMĐB (hết tuổi thọ là đến khi nó không đảm bảo độ chính xác cho phép). Tối thiểu cần xác định được lượng mòn ở hai thời điểm trong giai đoạn mòn ổn định. Mặt khác, VMĐB là một trong những cụm chi tiết có ảnh hưởng rất lớn đến độ chính gia công, do đó nó được chế tạo với độ chính xác cao, được xử lý nhiệt, xử lý chất lượng bề mặt rất tốt, nên thời gian của giai đoạn chạy rà có thể bỏ qua do rất ngắn và nằm trong khoảng thời gian 24 giờ đầu tiên. Do đó, mỗi thí nghiệm sẽ được tiến hành với 2 chu trình nhiệt ẩm nối tiếp (48 giờ), 24 giờ lấy số liệu một lần. Thời điểm lấy số liệu thứ hai (sau 24 giờ) và thời điểm lấy số liệu thứ ba (sau 48 giờ) để xác định tốc độ mòn và tính tuổi thọ dự kiến của VMĐB. Theo [37], bộ truyền VMĐB có cấp chính xác C7 thì sai lệch một phía cho phép được xác định: | | | | | | | | (m) (3.3) Sai lệch tối đa cho phép (ứng với tuổi thọ tối đa) với bộ truyền C7: [U] = max = 2 . ( ep7) = 2 . (31,2) = 62,4 (m) (3.4) 3.4.2. Các thông số cơ bản của thực nghiệm - Lực (tải) dọc trục: Ứng với các giá trị X1(+); X1(0) và X1(-), các giá trị tải tương ứng là: Fmax = 3500 (N); F0 = 3000 (N); Fmin = 2500 (N); - Tốc độ quay trục vít me: Ứng với các giá trị X2(+); X2(0) và X2(-), các giá trị tốc độ quay trục vít me tương ứng là nmax = 100 (v/ph); n0 = 89 (v/ph); nmin = 78 (v/ph); - Ma sát: Không chất bôi trơn. - Các điểm chia: Lấy 12 điểm (theo [17]) - Nhiệt độ, độ ẩm tương đối: TCVN 7699-2-30. - Hàm hồi quy thực nghiệm: ̂  - Thời gian tổng cộng cho mỗi thí nghiệm: 48 giờ. - Số lần lấy số liệu trong mỗi thí nghiệm: 3 lần (bắt đầu, sau 24h và sau 48h) 80 Sơ đồ xác định hệ số tuổi thọ khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 được thể hiện ở hình 3.22 Hình 3.22 Sơ đồ khối xác định hệ số tuổi thọ. 3.4.3. Tổ chức thực nghiệm và đo mòn Trình tự tiến hành thí nghiệm: Bƣớc 1: Lắp, cố định máy thí nghiệm vào trong tủ nhiệt ẩm, gá cố định động cơ, các gối đỡ, trục trung gian. Bƣớc 2: Lắp ráp, căn chỉnh, nối các thiết bị đo với các thiết bị đọc, truyền số liệu (readout) và với máy thí nghiệm theo sơ đồ bố trí thiết bị đo hình 3.12 (thiết bị đo lắp ngoài tủ nhiệt ẩm). Bƣớc 3: Lắp bộ truyền VMĐB vào máy thí nghiệm ( nối trục vít me với khớp cardan được dẫn động bởi động cơ, lắp bộ truyền đai, căng đai, nối vít me với RE). Bƣớc 4: Kiểm tra điều kiện hoạt động của tủ nhiệt ẩm Bƣớc 5: Kiểm tra các cữ hành trình, hạn chế hành trình. Bƣớc 6: Khởi động hệ thống điều khiển tủ nhiệt ẩm, điều chỉnh cho nhiệt độ, độ ẩm trong tủ về mức 250C và RH60% (môi trường yêu cầu của phép đo theo quy định tại TCVN 7011-2, tương đương ISO 230-2), giữ nguyên trong vòng 15 phút để tạo ổn định cho máy thí nghiệm. Bƣớc 7: Thực hiện các bước của quá trình đo – đo lần 1. 81 Bƣớc 8: Điều khiển tủ nhiệt ẩm để môi trường biến đổi theo quy định tại TCVN 7699-2-30 – phương án 2, với 1 chu kỳ (24h). Bƣớc 9: Điều chỉnh tủ nhiệt ẩm để môi trường tủ về 250C và RH60%, giữ ổn định trong 15 phút Bƣớc 10: Thực hiện các bước của quá trình đo – đo lần 2. Bƣớc 11: Thực hiện lại bước 8, 9, 10 một lần nữa. Số liệu của bước 10 lần gần nhất là số liệu đo lần 3. Bƣớc 12: Dừng máy, tháo VMĐB ra khỏi máy thí nghiệm, chuẩn bị sẵn sàng cho thí nghiệm tiếp theo với các VMĐB khác. 82 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 Trong chương 3, từ mục đích và yêu cầu của nghiên cứu, qua thiết kế, chế tạo, lắp đặt máy thí nghiệm, quy hoạch và tổ chức thực nghiệm đã cho thấy một số kết quả sau: Máy thí nghiệm được thiết kế, chế tạo đạt yêu cầu kỹ thuật đề ra: - Điều khiển, điều chỉnh được nhiệt độ, độ ẩm tuân theo TCVN 7699-2-30 - Lực tác động lên đai ốc có sai số ±5% - Tốc độ quay của trục vít me có sai số ±5% - Máy thí nghiệm đo được vị trí đai ốc có độ chính xác tới 1m Phương pháp bố trí, gá lắp thiết bị đo vị trí nêu trong luận án có độ tin cậy cao, độ chính xác đo ≤ 1m, được nhiều nhà khoa học sử dụng trong nghiên cứu về biến dạng đàn hồi, rung động, sai lệch tích lũy bước vít,... trong VMĐB Độ chính xác của thiết bị đo hợp lý, phù hợp với đo mòn nhiều loại vít me – đai ốc bi có cấp chính xác cao hơn (cấp C1, C3, C5) Trong điều kiện không bổ sung chất bôi trơn và có kiểm chứng với điều kiện có bôi trơn theo ISO, quy hoạch thực nghiệm đo mòn VMĐB với 7 thí nghiệm, sẽ cơ bản xác định được ảnh hưởng thông số môi trường nhiệt ẩm theo TCVN 7699-2-30 tới tuổi thọ VMĐB. Trong đó 5 thí nghiệm để xác định hệ số ảnh hưởng của yếu tố nhiệt ẩm không bôi trơn, thí nghiệm thứ 6 được thực hiện để trên cơ sở so sánh với thí nghiệm 3 ở tâm quy hoạch thực nghiệm nhằm xác định hệ số ảnh hưởng có bôi trơn so với không bôi trơn, thí nghiệm thứ 7 để kiểm chứng với điều kiện ma sát có bôi trơn và môi trường theo ISO 230. Hàm hồi quy thực nghiệm hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30 được xác định trên cơ sở bộ thông số đầu vào thí nghiệm (tải F và tốc độ quay trục vít me n) có dạng ̂ = a0 + a1 . F + a2 . n + a12 . F . n. Thời gian lấy số liệu 24h trong tổng 2 chu kỳ (48 giờ); Lấy số liệu 3 lần: lúc bắt đầu làm việc, sau 24 giờ, sau 48 giờ. 83 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1. Kết quả thực nghiệm, xây dựng hàm hồi quy 4.1.1. Thực nghiệm tạo mòn Điều kiện chung cho các thí nghiệm: - Máy thí nghiệm được vận hành trong tủ nhiệt ẩm BKM-NA2 - Môi trường thực hiện các thí nghiệm theo TCVN 7699-2-30, phương án 2, mức khắc nghiệt a (nhiệt độ giới hạn trên 400C) - Thời gian thực hiện mỗi thí nghiệm 48 giờ (2 chu trình) - Sau mỗi lần thí nghiệm sử dụng một VMĐB mới. Hình 4.1 cho thấy hình ảnh các vít me – đai ốc bi trong các thí nghiệm theo quy hoạch Hình 4.1 Các vít me – đai ốc bi sau khi thí nghiệm Bảng tổng hợp các kết quả đo vị trí, sai lệch vị trí đai ốc và tính mòn dọc trục tại các điểm chia, theo hướng di chuyển, ở các thí nghiệm được thể hiện ở phụ lục 3. Dưới đây là các biểu đồ thể hiện sai lệch vị trí tại các thí nghiệm và giá trị lượng mòn dọc trục tính được. 84 15.0 10.0 5.0 Bắt đầu làm việc - Sai lệch trái Sau 1 chu trình - Sai lệch trái Sau 2 chu trình - Sai lệch trái Bắt đầu làm việc - Sai lệch phải Sau 1 chu trình - Sai lệch phải Sau 2 chu trình - Sai lệch phải Mòn má trái T (2448h) 2448h 20.0 024h Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc (m) 25.0 Mòn “” sau 24h (2448h):  = T + P = 6,95m Vị trí điểm đích (theo góc quay RE) 0.0 -15.0 -20.0 2448h 024h -10.0 Mòn má phải P (2448h) -5.0 -25.0 Hình 4.2 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa = 3500(N) và n =100(v/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, không bôi trơn 85 5.0 Bắt đầu làm việc - Sai lệch trái Bắt đầu làm việc - Sai lệch phải Sau 1 chu trình - Sai lệch trái Sau 1 chu trình - Sai lệch phải Sau 2 chu trình - Sai lệch trái Sau 2 chu trình- Sai lệch phải Mòn má trái T (2448h) 10.0 2448h 15.0 024h Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc (m) 20.0 Mòn “” sau 24h (2448h):  = T + P = 4,7m Vị trí điểm đích (theo góc quay RE) 0.0 -15.0 2448h 024h -10.0 Mòn má phải P (2448h) -5.0 -20.0 Hình 4.3 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =3500(N) và n =78(v/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, không bôi trơn. 86 5.0 Bắt đầu làm việc - Sai lệch trái Bắt đầu làm việc - Sai lệch phải Sau 1 chu trình - Sai lệch trái Sau 1 chu trình - Sai lệch phải Sau 2 chu trình - Sai lệch trái Sau 2 chu trình- Sai lệch phải Mòn má trái T (2448h) 10.0 2448h 15.0 024h Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc (m) 20.0 Mòn “” sau 24h (2448h):  = T + P = 3,45m Vị trí điểm đích (theo góc quay RE) 0.0 -15.0 Mòn má phải P (2448h) -10.0 2448h 024h -5.0 -20.0 Hình 4.4 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa=3000(N) và n =89(v/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, không bôi trơn. 87 Sau 1 chu trình - Sai lệch trái Sau 1 chu trình - Sai lệch phải Sau 2 chu trình - Sai lệch trái Sau 2 chu trình- Sai lệch phải Mòn “” sau 24h (2448h):  = T + P = 2,4m Vị trí điểm đích (theo góc quay RE) 0.0 2448h 024h -5.0 -10.0 Mòn má trái T (2448h) Bắt đầu làm việc - Sai lệch phải Mòn má phải P (2448h) 5.0 Bắt đầu làm việc - Sai lệch trái 2448h 10.0 024h Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc (m) 15.0 -15.0 Hình 4.5 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =2500(N) và n =100(v/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, không bôi trơn. 88 Sau 1 chu trình - Sai lệch trái Sau 1 chu trình - Sai lệch phải Sau 2 chu trình - Sai lệch trái Sau 2 chu trình- Sai lệch phải Mòn “” sau 24h (2448h):  = T + P = 1,89m Vị trí điểm đích (theo góc quay RE) 0 2448h 024h -5 -10 Mòn má trái T (2448h) Bắt đầu làm việc - Sai lệch phải Mòn má phải P (2448h) 5 Bắt đầu làm việc - Sai lệch trái 2448h 10 024h Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc (m) 15 -15 Hình 4.6 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =2500(N) và n =78(v/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, không bôi trơn. 89 Sau 1 chu trình - Sai lệch trái Sau 1 chu trình - Sai lệch phải Sau 2 chu trình - Sai lệch trái Sau 2 chu trình- Sai lệch phải Mòn “” sau 24h (2448h):  = T + P = 2,05m Vị trí điểm đích (theo góc quay RE) 0 2448h 024h -5 -10 Mòn má trái T (2448h) Bắt đầu làm việc - Sai lệch phải Mòn má phải P (2448h) 5 Bắt đầu làm việc - Sai lệch trái 2448h 10 024h Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc (m) 15 -15 Hình 4.7 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =3000(N) và n =89(v/ph), môi trường theo TCVN 7699-2-30, có bôi trơn. 90 Bắt đầu làm việc - Mòn má phải Sau 2 chu trình - Mòn má trái Sau 2 chu trình - Mòn má phải 5.0 Mòn dọc trục sau 48h:  = T + P = 1,01m Vị trí điểm đích (theo góc quay RE) 0.0 -5.0 -10.0 -15.0 Hình 4.8 Đồ thị sai lệch vị trí tại các điểm và mòn dọc trục khi Fa =3000(N) và n =89(v/ph), môi trường theo ISO 230-2, có bôi trơn. 91 Mòn má phải P (2448h) Bắt đầu làm việc - Mòn má trái Mòn má trái T (2448h) 048h 10.0 048h Sai lệch vị trí dọc trục của đai ốc (m) 15.0 Quan sát các biểu đồ sai lệch vị trí tại các điểm và mòn trong các thực nghiệm cho thấy: - Trong cùng điều kiện tải, tốc độ, môi trường, bôi trơn thì lượng mòn dọc trục trong thời gian 24h đầu tiên xấp xỉ bằng lượng mòn dọc trục trong 24 giờ tiếp theo (24  48h) - Mòn tại các vị trí điểm đích là tương đối đều - thể hiện sự lựa chọn vị trí điểm đích để đo là đúng, hợp lý, máy thí nghiệm có độ chính xác cao, tạo ra tải và tốc độ ổn định. - Lượng mòn dọc trục là đồng biến với tải dọc trục và tốc độ quay dọc trục, trong đó ảnh hưởng của tải tới mòn lớn hơn so với ảnh hưởng của tốc độ - So sánh giữa lượng mòn dọc trục trong thí nghiệm 3 và 6 với thí nghiệm 7 cho thấy môi trường theo TCVN 7699-2-30 là khắc nghiệt, làm mòn tăng rất nhanh do xuất hiện hiện tượng đọng sương lên bề mặt ma sát kể cả khi VMĐB được bôi trơn. 4.1.2. Xây dựng hàm hồi quy Bảng thống kê mòn VMĐB khi làm việc trong các thí nghiệm ứng với các điều kiện làm việc và môi trường khác nhau được cho ở bảng 4.1 dưới đây Bảng 4.1 Bảng tổng hợp lượng mòn dọc trục Uc đo được trong các thí nghiệm Tên thí nghiệm Chế độ làm việc TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 TN6 TN7 Fmax nmax Fmax nmin Fo no Fmin nmax Fmin nmin Fo no Fo no ko bôi trơn ko bôi trơn ko bôi trơn ko bôi trơn ko bôi trơn bôi trơn bôi trơn TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 ISO230-2 40.000 6,9 4,7 3,4 2,4 2,0 2,1 1,0 42.500 6,9 4,5 3,3 2,3 1,9 2,0 1,0 45.000 6,8 4,7 3,5 2,4 2,0 2,0 1,0 47.500 6,8 4,5 3,6 2,4 1,9 2,2 1,1 50.000 6,7 4,7 3,4 2,3 1,8 2,1 1,0 52.500 7,1 5,0 3,5 2,5 1,9 2,0 1,0 55.000 6,9 4,9 3,6 2,4 1,8 2,0 1,0 57.500 7,1 4,8 3,5 2,5 1,8 2,1 1,0 60.000 7,1 4,6 3,4 2,5 1,8 2,1 1,0 62.500 7,2 4,6 3,4 2,3 1,9 2,1 0,9 65.000 6,9 4,5 3,4 2,4 2,0 2,0 1,1 67.500 7,0 4,9 3,4 2,4 1,9 1,9 1,0 Giá trị trung bình 6,95 4,70 3,45 2,40 1,89 2,05 1,01 Mòn điểm đích 92 Để xác định hàm hồi quy hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30, chỉ lấy số liệu trong các thí nghiệm đã được quy hoạch (5 thí nghiệm đầu). Từ giá trị tải và tốc độ quay trục vít me trong mỗi thí nghiệm, tính được tuổi thọ “Lh” theo công thức của ISO 3408 (công thức 2.6); Từ lượng mòn thực nghiệm sau 24 giờ, tính [ ] được tốc độ mòn  (theo [5]), qua đó xác định được tuổi thọ thực nghiệm [ ]  [ ] , và hệ số tuổi thọ theo môi trường . Giá trị các thông số kể trên được tính toán và thống kê ở bảng 4.2. Bảng 4.2 Bảng tính các thông số Lh iso; ; Lh tn; m tại mỗi điểm đo (điểm đích) của các thí nghiệm Tên thí nghiệm Chế độ làm việc Tuổi thọ theo ISO (Lh)  40.000 [ ]  42.500 [ ]   45.000 [ ]   47.500 Vị trí điểm đích ( Theo RE)  [ ]  TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 Fmax; nmax Fmax; nmin Fo; no Fmin; nmax Fmin; nmin ko bôi trơn ko bôi trơn ko bôi trơn ko bôi trơn ko bôi trơn TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 TCVN 7699-2-30 1643 2107 2932 4509 5781 0,2875 0,1958 0,1417 0,1000 0,0833 217,0 318,6 440,5 624,0 748,8 0,1321 0,1513 0,1502 0,1384 0,1295 0,2875 0,1875 0,1375 0,0958 0,0792 217,0 332,8 453,8 651,1 788,2 0,1321 0,1580 0,1548 0,1444 0,1364 0,2833 0,1958 0,1458 0,1000 0,0833 220,2 318,6 427,9 624,0 748,8 0,1340 0,1513 0,1459 0,1384 0,1295 0,2833 0,1875 0,1500 0,1000 0,0792 220,2 332,8 416,0 624,0 788,2 0,1340 0,1580 0,1419 0,1384 0,1364 93  50.000 [ ]   52.500 [ ]   55.000 [ ]    60.000 [ ]   62.500 [ ]   [ ]  65.000 67.500 Vị trí điểm đích (theo RE) 57.500 [ ]   [ ]  0,2792 0,1958 0,1417 0,0958 0,0750 223,5 318,6 440,5 651,1 832,0 0,1360 0,1513 0,1502 0,1444 0,1439 0,2958 0,2083 0,1458 0,1042 0,0792 210,9 299,5 427,9 599,0 788,2 0,1284 0,1422 0,1459 0,1329 0,1364 0,2875 0,2042 0,1500 0,1000 0,0750 217,0 305,6 416,0 624,0 832,0 0,1321 0,1451 0,1419 0,1384 0,1439 0,2958 0,2000 0,1458 0,1042 0,0750 210,9 312,0 427,9 599,0 832,0 0,1284 0,1481 0,1459 0,1329 0,1439 0,2958 0,1917 0,1417 0,1042 0,0750 210,9 325,6 440,5 599,0 832,0 0,1284 0,1545 0,1502 0,1329 0,1439 0,3000 0,1917 0,1417 0,0958 0,0792 208,0 325,6 440,5 651,1 788,2 0,1266 0,1545 0,1502 0,1444 0,1364 0,2875 0,1875 0,1417 0,1000 0,0833 217,0 332,8 440,5 624,0 748,8 0,1321 0,1580 0,1502 0,1384 0,1295 0,2917 0,2042 0,1417 0,1000 0,0792 213,9 305,6 440,5 624,0 788,2 94 Kỳ vọng 0,1302 0,1451 0,1502 0,1384 0,1364 ̅ 0,2896 0,1958 0,1438 0,1000 0,0788 ̅̅̅̅̅̅̅ 216 319 434 625 793 ̅̅̅̅ 0,1312 0,1514 0,1481 0,1385 0,1372 Trong đó: k: Tốc độ mòn khi không bôi trơn; : Tuổi thọ ở điều kiện môi trường TCVN 7699-2-30, không bôi trơn; Hệ số tuổi thọ khi làm việc ở môi trường TCVN 7699-2-30, không bôi trơn. : Theo ISO 3408 – 5, tuổi thọ VMĐB ở các thí nghiệm 3, 6, 7 bằng nhau (2932 h). Như vậy, với điều kiện môi trường tiêu chuẩn (200C, RH 60%, bôi trơn), lượng mòn sau 48h: [ ]  Thí nghiệm số 7 để kiểm chứng thực nghiệm, được thực hiện trong môi trường 200C, RH60%, đo sau 48 h, lượng mòn xác định được là 1,01 (m). Như vậy, với sai số rất nhỏ (1,01 so với 1,02), có thể sơ bộ kết luận: Hệ thống thiết bị có độ tin cậy cao, phù hợp với nghiên cứu mòn VMĐB. 4.1.2.1 Hệ số tuổi thọ khi làm việc ở môi trường TCVN 7699-2-30 Theo [8, 10] mã hóa biến F, n thành biến không thứ nguyên X1, X2 Đặt: ;  X1 max = (Fmax – F0)/F = (F0 – F0)/F X1 0 X1 min = (Fmin – F0)/F ; =1 ; ; và X2 max = (Fmax – F0)/F = 1 = (Fmax – F0)/F = 0 =0 X2 0 = -1 X2 min = (Fmax – F0)/F = -1 Hàm hồi quy (3.2) lúc này trở thành = a0 + a1.(F.X1 + F0) + a2.(n.X2 + n0) + a12.(F.X1 + F0) .(n.X2 + n0) = (a0+a1.F0+a2.n0+a12.F0.n0)+X1.(a1.F+a12.F.n0)+X2.(a2.n+a12.F0.n) +a12.F.n.X1.X2 Đặt: b0 = a0 + a1 . F0 + a2 . n0 + a12 . F0 . n0 (1) b1 = a1 . F + a12 . F . n0 (2) b2 = a2 . n + a12 . F0 . n (3) b12 = a12 . F . n (4) ̂ = Hàm hồi quy cho biến mã hóa: ̂ = b0 + b1 . X1 + b2 . X2 + b12 . X1 . X2 Ma trận thí nghiệm được cho ở bảng 4.3 95 Bảng 4.3 Bảng ma trận thí nghiệm No X0 X1 X2 Y Y.X0 Y.X1 Y.X2 Y.X1.X2 1 + + + 0,1312 0,1314 0,1314 0,1314 0,1314 2 + + - 0,1514 0,1519 0,1519 -0,1519 -0,1519 3 + 0 0 0,1481 0,1502 0 0 0 4 + - + 0,1385 0,1387 -0,1387 0,1387 -0,1387 5 + - - 0,1372 0,1394 -0,1394 -0,1394 0,1394 0,7116 0,0052 -0,0212 -0,0198 và ∑ Tổng ∑ Theo [8, 10], tính các hệ số b theo công thức ∑  ∑  ∑ ∑ Với cùng giá trị tải và tốc độ, có thể coi mòn VMĐB tại các điểm lấy số liệu cách đều nhau (theo góc quay trục vít me) là các thí nghiệm song song. Như vậy, số liệu của 12 điểm chính là số liệu của 12 lần lặp lại thí nghiệm. Tương tự, ở các điểm theo QHTN. Giá trị trung bình của các thí nghiệm lặp tại tâm (thí nghiệm 3): ∑ ̅ ∑ Phương sai lặp tính theo công thức: ( ̅ ) √ Độ lệch chuẩn của các hệ số b: Để tính Sb và = 0,1481 , lập bảng các giá trị hệ số tuổi thọ tại tâm quy hoạch, được thể hiện ở bảng 4.4 Bảng 4.4 Các giá trị hệ số tuổi thọ theo môi trường tại tâm quy hoạch STT Hệ số tuổi thọ theo thực nghiệm Giá trị trung bình ̅̅̅ ( - ̅̅̅ )2 1 0,1502 0,1481 4,35E-06 2 0,1548 0,1481 4,41E-05 3 0,1459 0,1481 4,87E-06 4 0,1419 0,1481 3,92E-05 5 0,1502 0,1481 4,35E-06 6 0,1459 0,1481 4,87E-06 96 7 0,1419 0,1481 3,92E-05 8 0,1459 0,1481 4,87E-06 9 0,1502 0,1481 4,35E-06 10 0,1502 0,1481 4,35E-06 11 0,1502 0,1481 4,35E-06 12 0,1502 0,1481 4,35E-06 ∑ ̅̅̅) = ( 1,63 . 10-4 Tính được: ∑ √ ( ̅ ) √ Để đánh giá tính có nghĩa của các hệ số b0; b1; b2; b12, cần tính giá trị của chuẩn số Student cho chúng 82,64 0,6 2,47 2,3 Với mức ý nghĩa p = 0,05, bậc tự do lặp lại f2 = 12 – 1 = 11, tra bảng có t0,05;11 = 2,2. Như vậy, chỉ có hệ số b0 = 0,14; b2 = - 4,3.10-3; và b12 = -4.10-3 là có ý nghĩa ( > t0,05;11) Phương trình hồi quy của biến mã hóa: ̂ = 0,14 – 4,3.10-3.X2 – 4.10-3. X1. X2 Tính phương sai dư [10]: ∑ ̂ Trong đó: l là số hệ số (b0; b1; b2; b12) có nghĩa trong phương trình (l = 3). Lập được bảng 4.5 để tính Sdư Bảng 4.5 Các giá trị hàm hồi quy thực nghiệm STT X1 X2 y ̂ = 0,14 – 4,3.10-3.X2 – 4.10-3.X1.X2 1 + + 0,1312 0,134106 8,39756.10-6 2 + - 0,1514 0,150559 7,23589.10-7 3 0 0 0,1481 0,142332 3,37765.10-5 4 - + 0,1385 0,142036 1,24333.10-5 5 - - 0,1372 0,142628 2,98398.10-5 ∑ Tính được: ̂ ∑ ̂ 8,5171.10-5 ̂ 97  Chuẩn số Fisher được tính theo công thức: Với f1 = N – l = 5 – 3 = 2: Bậc tự do dư Giá trị tra bảng của chuẩn số Fisher khi mức có ý nghĩa p = 0,05 và f1 = 2; f2 = 11 là: nghĩa là F < F0,05; 1; 11 F0,05; 1; 11 = 4,0 Như vậy mô hình tương hợp thực tế với mức tin cậy 95%. Theo (1), (2), (3), và (4), tính được: a0 = - 1,57.10-2; a1 = 6,42.10-5; a2 = 0,18.10-2; a12 = 7,21.10-7 Hàm hồi quy thực nghiệm hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30: ̂ = -1,57.10-2 +6,42.10-5.F + 1,78.10-3.n - 7,21.10-7.F.n (m/h) (4.1) Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30 được Hệ số tuổi thọ 𝑚 ̂𝑘 cho ở trên hình 4.2 Hình 4.9 Đồ thị hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn. Quan sát đồ thị hệ số tuổi thọ khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn cho thấy: - Hệ số tuổi thọ tuyến tính với từng thông số tải, tốc độ. - Nếu tải càng lớn thì ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ tới hệ số tuổi thọ càng lớn. - Hệ số tuổi thọ có thể đồng biến hoặc nghịch biến với tải, tùy thuộc vào tốc độ quay của trục vít me. 98 Để tìm hệ số tuổi thọ trong môi trường TCVN 7699-2-30 với điều kiện có bôi trơn “m”, có thể xác định qua hệ số tuổi thọ giữa điều kiện không sử dụng chất bôi trơn với có sử dụng chất bôi trơn, cùng trong điều kiện môi trường TCVN 7699-2-30 ở tâm quy hoạch. Thí nghiệm số 6 được thực hiện cũng trong môi trường TCVN 7699-2-30 nhưng có sử dụng chất bôi trơn, so sánh với thí nghiệm số 3 (tâm quy hoạch) xác định được hệ số tuổi thọ giữa có bôi trơn và không bôi trơn khi làm việc ở TCVN 7699-2-30 – hệ số “”.  (4.2) Trong đó: Uc K: Mòn ở thí nghiệm 3 (F0; n0; không bôi trơn) Uc B: Mòn ở thí nghiệm 6 (F0; n0; có bôi trơn) Hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30 trong điều kiện có bôi trơn: ̂ ̂  = -2,64.10-2 +1,08.10-4.F + 2,99.10-3.n – 1,21.10-6.F.n (m/h) (4.3) Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30 được Hệ số tuổi thọ 𝑚 ̂ cho ở trên hình 4.3 Hình 4.10 Đồ thị hệ số tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN7699-2-30 và có bôi trơn. Giữa hệ số tuổi thọ khi bôi trơn và không bôi trơn là hệ số  = 1,68. Do đó các đặc điểm và mối quan hệ phụ thuộc của hệ số tuổi thọ vào tải, tốc độ khi làm việc trong môi trường theo TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn giống như khi không bôi trơn. 99 4.1.2.2 Tốc độ mòn khi vít me – đai ốc bi làm việc ở môi trường TCVN 7699-2-30 Theo công thức (2.3), có thể biểu diễn tổng quát mối quan hệ giữa tốc độ mòn vào tải và tốc độ quay trục vít me như sau: (4.4) Sử dụng bộ số liệu thí nghiệm của bảng 4.1 với đầu vào “F”, “n”, và hàm hồi quy là tốc độ mòn ( trong môi trường TCVN7699-2-30 “ ”, có bảng số liệu 4.6: Bảng 4.6 Bảng số liệu thí nghiệm mòn với hàm hồi quy tốc độ mòn Biến đầu vào Lượng mòn dọc trục Uc (m) Tốc độ mòn  (m/h) 100 6,95 0,290 3500 78 4,70 0,196 3 3000 89 3,45 0,144 4 2500 100 2,40 0,100 5 2500 78 1,89 0,079 STN Tải F (N) Tốc độ n (vg/ph) 1 3500 2 Logarit hai vế của (4.4), được: ln() = ln(a0) + a1 . ln(F) + a2 . ln(n) Đặt: Y = ln(); A = ln(a0); Z1 = ln(F); Z2 = ln(n) Hàm hồi quy tốc độ mòn trở thành: Y = A + a1. Z1 + a2 . Z2 (4.5) Bảng 4.7 thể hiện giá trị các biến vào, ra trong hàm hồi quy mới sau khi đổi biến Bảng 4.7 Giá trị các biến vào ra của hàm hồi quy mới Biến đầu vào STN Biến đầu ra Z1 Z2 Y 1 8,1605 4,6052 -1,2393 2 8,1605 4,3567 -1,6305 3 8,0064 4,4886 -1,9397 4 7,8240 4,6052 -2,3026 5 7,8240 4,3567 -2,5415 Theo [10], đặt ̅ Trong đó: ̅ ; i = 1, 2,..., 5 ; J = 1, 2 ̅: Giá trị trung bình của các biến đầu ra Y ̅̅̅ ̅̅̅: Giá trị trung bình của các biến đầu vào Z1; Z2 100 ̅ √∑ √∑ ; ( ̅) Để chuyển từ quy mô tự nhiên sang quy mô chuẩn (chuẩn hóa tất cả các đại lượng ngẫu nhiên Z). Bảng 4.8 là bảng kê các biến đã được chuẩn hóa. Bảng 4.8 Bảng kê các biến đã chuẩn hóa Biến đầu vào STN Biến đầu ra 0 Z 0 Z 1 Y0 2 1 0,9825 0,987 1,331 2 0,9825 -1,012 0,578 3 0,067 0,05 -0,017 4 -1,016 0,987 -0,716 5 -1,016 -1,012 -1,176 Từ công thức tính hệ số tương quan thực nghiệm [10] ∑ ∑ (l > m; Tính được: ; ; { Nhận được hệ phương trình chuẩn Giải ra được: A1 = 0,949; A2 = 0,303. Tính được hệ số phương trình 4.5: ̅ ∑ ̅ ̅ ̅̅̅ ̅̅̅ Thay vào 4.5, được phương trình: Y = -30,99 + 2,93 . Z1 + 1,26 . Z2 Theo [8], hệ số đánh giá chất lượng phương trình hồi quy ∑ ∑ ̂ Lập bảng 4.9 để tính hệ số R2 101 ̅ ̅ l, m, j = 1,2) Bảng 4.9 Các giá trị yi; ̅; ̂ của hàm hồi quy STN Z1 Z2 yi ̂ 1 8,1605 4,6052 -1,2393 -1,2916 0,2366 0,2902 2 8,1605 4,3567 -1,6305 -1,6051 0,0299 0,0218 3 8,0064 4,4886 -1,9397 -1,8900 0,0125 0,0261 4 7,8240 4,6052 -2,3026 -2,2767 0,2487 0,2752 5 7,8240 4,3567 -2,5415 -2,5902 0,6596 0,5829 1,1872 1,1961 ̅ -1,778 ∑ Tính được: ∑ ̂ ̅ ̂ ̅ ̅ ̅ Với a0 = eA = 3,475 . 10-14, thay vào phương trình 4.4 được hàm hồi quy tốc độ mòn. Như vậy, tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn: (m/h) (4.6) Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc tốc độ mòn vào các thông số tải “F” và tốc độ quay “n” khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn được thể hiện Tốc độ mòn k (m/h) trên hình 4.3 Hình 4.11 Đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn Quan sát đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và không bôi trơn, thấy: - Tốc độ mòn là đồng biến và phụ thuộc vào hai thông số chế độ làm việc: Tải, tốc độ - Sự phụ thuộc tốc độ mòn vào tải lớn hơn so với sự phụ thuộc mòn vào tốc độ - Khi tải càng lớn thì ảnh hưởng của tốc độ quay đến tốc độ mòn càng cao - Khi tốc độ càng lớn thì ảnh hưởng của tải đến tốc độ mòn càng cao 102 Sử dụng hệ số  - hệ số tuổi thọ giữa có bôi trơn và không bôi trơn khi làm việc trong môi trường TCVN7699-2-30, tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn:  (m/h)  (4.7) Đồ thị thể hiện sự phụ thuộc tốc độ mòn vào các thông số tải “F” và tốc độ quay “n” khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn được thể Tốc độ mòn b (m/h) hiện trên hình 4.3 Hình 4.12 Đồ thị tốc độ mòn khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, có bôi trơn Giống như hệ số tuổi thọ, tỷ lệ giữa tốc độ mòn khi không bôi trơn và bôi trơn là 1,68. Do đó các đặc điểm và mối quan hệ phụ thuộc tốc độ mòn vào tải và tốc độ khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và có bôi trơn giống như khi không bôi trơn. 4.2. Tuổi thọ, độ tin cậy của VMĐB khi làm việc trong môi trƣờng Việt Nam. Tuổi thọ và độ tin cậy là hai khái niệm không thể tách rời. Một số máy, thiết bị đòi hỏi cao về độ chính xác và khả năng làm việc, không cho phép sự cố trong thời gian hoạt động quy định thì ý nghĩa độ tin cậy và tuổi thọ càng được khẳng định. Khi đó cần phải tính toán tuổi thọ các chi tiết, cụm chi tiết máy với các mức tin cậy lớn hơn, và hiện nay, các công thức trong các tài liệu kỹ thuật đã công bố đều xác định ở mức độ tin cậy 90%, Công thức tính tuổi thọ cho bởi ISO 3408 – 5 đã cập nhật và có tính tới hệ số độ tin cậy ở các mức 90%; 95%; ...; 99%. Tuy nhiên, khi làm việc ở các điều kiện môi trường khác nhau, mức độ ảnh hưởng các yếu tố cơ bản đến tuổi thọ sẽ khác đi. Tuổi thọ VMĐB khi làm việc 103 trong các điều kiện môi trường khác nhau cần được bổ sung hệ số đặc trưng cho điều kiện làm việc đặc biệt với mức độ tin cậy khác nhau. Như vậy, độ tin cậy và tuổi thọ của VMĐB mới được giải quyết. Với hệ số tuổi thọ đã được QHTN để tìm hàm hồi quy, tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 được tính theo công thức: - khi không bôi trơn (4.8) - khi có bôi trơn (4.9) Hoặc Theo số liệu thực nghiệm được tổng hợp thể hiện trong bảng 4.9, đã xác định được hàm hồi quy hệ số tuổi thọ theo môi trường TCVN 7699-2-30, không bôi trơn mk. Để xác định độ tin cậy của mk cần tính độ lệch chuẩn của hệ số tuổi thọ VMĐB theo môi trường theo TCVN7699-2-30 và không sử dụng chất bôi trơn. Bảng 4.10 thống kê các hệ số tuổi thọ thực nghiệm để xác định độ lệch chuẩn Bảng 4.10 Các giá trị xác định độ lệch chuẩn ̅̅̅̅)2 STN Tên thí nghiệm mk 1 TN1 0,1312 0,0001039 2 TN2 0,1514 0,0001002 3 TN3 0,1481 4,548E-05 4 TN4 0,1385 8,351E-06 5 TN5 0,1372 1,793E-05 ( ̅̅̅̅ = 0,000275822 Độ lệch chuẩn hệ số tuổi thọ mk: ∑ * ̅̅̅̅ + = 0,0083 (4.10) Do độ tin cậy của thực nghiệm ở mức 95% (đáp ứng tiêu chuẩn Fisher với mức ý nghĩa 0,05), vì vậy độ tin cậy thực tế của hệ số tuổi thọ “mk” kể trên sẽ là tích độ tin cậy của thực nghiệm (95%) và độ tin cậy của tuổi thọ theo ISO. Tra bảng Laplace để xác định hệ số zb ứng với các mức độ tin cậy [7]. Với độ tin cậy 95% của hàm hồi quy,  zb=1,96 Khoảng giá trị của mk ứng với độ tin cậy 95%, được cho bởi công thức: ̂ ̂ ̂ (4.11) 104 Bảng 4.11 Khoảng giá trị ứng với các độ tin cậy thực tế Theo ISO STT Thực nghiệm Thực tế Độ tin cậy Hệ số độ tin cậy Độ tin cậy Hê số tuổi thọ bổ sung Độ tin cậy Hệ số tuổi thọ theo độ tin cậy 1 2 3 4 5=1*3 6=2*4 1 90% far = 1,00 85,50 1,00.( ̂ ) 2 95% far = 0,62 90,25 0,62.( ̂ ) 3 96% far = 0,53 91,20 0,53.( ̂ ) 92,15 0,44.( ̂ ) 95% 97% far = 0,44 5 98% far = 0,33 93,10 0,33.( ̂ ) 6 99% far = 0,21 94,05 0,21.( ̂ ) ̂ 4 Tương tự, với  = = 1,68 tìm được từ (4.2), độ lệch chuẩn của hệ số tuổi thọ khi có bôi trơn: * ∑ ̅ + * ∑ ̅̅̅̅ + = 0,014 (4.12) Khoảng giá trị của m ứng với với các độ tin cậy thực tế thể hiện ở bảng 4.12 Bảng 4.12 Khoảng giá trị m ứng với độ tin cậy thực tế STT Độ tin cậy thực tế 1 85,50 1,00 . ( ̂ ) 2 90,25 0,62 . ( ̂ ) 3 91,20 0,53 . ( ̂ ) 4 92,15 0,44 . ( ̂ ) 5 93,10 0,33 . ( ̂ ) 6 94,05 0,21 . ( ̂ ) 105 Hệ số tuổi thọ “m” KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 Qua thực nghiệm và xử lý số liệu, kết quả thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng tải dọc trục, tốc độ quay đến mòn và tuổi thọ VMĐB khi làm việc trong môi trường theo TCVN7699-2-30 đã dẫn đến các kết luận sau: - Khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, công thức tuổi thọ theo ISO cần bổ sung thêm hệ số tuổi thọ môi trường m: “Lh mt= m.Lh iso”. Trong đó hệ số tuổi thọ môi trường khi có bổ sung bôi trơn là ̂ và được tính theo (4.3). Khi không bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ môi trường là ̂ k và được tính theo (4.1). - Công thức tính tuổi thọ của ISO có mức tin cậy 90%, khi yêu cầu mức độ tin cậy cao hơn thì phải nhân với hệ số độ tin cậy far [39]. Mức tin cậy của thực nghiệm là 95% (tiêu chuẩn Fisher): Độ tin cậy thực tế m là 86% tương ứng với mức tin cậy 90% của ISO; Độ tin cậy thực tế m là 94% tương ứng với mức tin cậy 99% của ISO. - Tốc độ mòn VMĐB khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, khi không bổ sung bôi trơn tính theo (4.6), khi có bổ sung bôi trơn tính theo (4.7). Trong đó, hệ số tuổi  thọ giữa có bổ sung bôi trơn và không bổ sung bôi trơn  =  = 1,68. - Với mức tin cậy từ 86% đến 94%, khi không bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ theo môi trường của VMĐB “mk” tương ứng từ 1,00.( ̂ ) đến 0,21.( ̂ ); Khi có bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ theo môi trường của VMĐB “m” tương ứng 1,00.( ̂ - ) đến 0,21.( ̂ ). So với VMĐB làm việc trong môi trường và bôi trơn theo quy định của ISO, VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30: Khi có bổ sung bôi trơn, lượng mòn tăng lên khoảng 1/0,2374  4,21 lần; Khi không bổ sung bôi trơn, lượng mòn tăng lên khoảng 1/0,1413  7,08 lần. Tương ứng là tuổi thọ VMĐB lần lượt giảm đi 4,21 và 7,08 lần. 106 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN Luận án đã thực hiện đầy đủ các nội dung nghiên cứu và đạt được mục đích đề ra. Những kết quả đạt được và đóng góp mới của đề tài cụ thể là: - Môi trường nhiệt đới ẩm của Việt Nam đặc trưng bởi TCVN 7699-2-30 có ảnh hưởng rõ rệt tới tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB. Quy hoạch thực nghiệm với ước lượng chu kỳ lấy mẫu 24h là phù hợp. Thiết bị thí nghiệm, hệ thống đo có độ chính xác và độ tin cậy đáp ứng yêu cầu của quy hoạch thực nghiệm đo mòn VMĐB. - Khi VMĐB làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30, công thức tuổi thọ theo ISO cần bổ sung thêm hệ số tuổi thọ môi trường m: “Lh mt= m.Lh iso”. Trong đó hệ số tuổi thọ môi trường khi có bổ sung bôi trơn là “ ̂ ”, tính theo (4.3). Khi không bổ sung bôi trơn là ̂ k, tính theo (4.1). - Công thức tính tuổi thọ của ISO có mức tin cậy 90%, khi yêu cầu mức độ tin cậy cao hơn thì cần bổ sung hệ số độ tin cậy far [39]. Với mức tin cậy của thực nghiệm là 95%: Độ tin cậy thực tế m là 86% tương ứng với mức tin cậy 90% của ISO; Độ tin cậy thực tế m là 94% tương ứng với mức tin cậy 99% của ISO. - Trong môi trường theo TCVN 7699-2-30, tốc độ mòn VMĐB khi không bổ sung bôi trơn tính theo công thức (4.6), khi có bổ sung bôi trơn tính theo công thức (4.7). Trong đó, hệ số tuổi thọ giữa bổ sung bôi trơn và không bổ sung bôi trơn là  = 1,68. - Với mức tin cậy từ 86% đến 94%: Khi không bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ theo môi trường của VMĐB “mk” thay đổi tương ứng từ 1,00.( ̂ ) đến 0,21.( ̂ ); Khi bổ sung bôi trơn, hệ số tuổi thọ theo môi trường của VMĐB “m” thay đổi tương ứng từ 1,00.( ̂ - ) đến 0,21.( ̂ ). So với VMĐB làm việc trong môi trường theo quy định của ISO, VMĐB làm việc trong môi trường theo TCVN 7699-2-30: Khi có bổ sung bôi trơn, lượng mòn tăng lên khoảng 4,21 lần; Khi không bổ sung bôi trơn, lượng mòn tăng lên khoảng 7,08 lần. Tương ứng là tuổi thọ VMĐB lần lượt giảm đi 4,21 và 7,08 lần. KHUYẾN NGHỊ Kết quả nghiên cứu cho thấy môi trường nhiệt ẩm biến đổi với biên độ và tốc độ lớn, (TCVN 7699-2-30 - môi trường đặc trưng của khí hậu Việt Nam, đặc biệt là miền Bắc Việt Nam) có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ và độ tin cậy. Cần phải quan tâm đến ảnh hưởng của môi trường: 107 - Trong trường hợp chung, tuổi thọ và độ tin cậy tính toán theo tiêu chuẩn ISO khi VMĐB làm việc trong môi trường có tác động nhiệt ẩm theo TCVN 7699-2-30 sẽ bị suy giảm rõ rệt. Cần phải điều chỉnh bằng hệ số m để xác định chính xác hơn. - Có kế hoạch vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế phù hợp với điều kiện sử dụng – điều kiện môi trường nhiệt ẩm. - Lắp đặt và vận hành máy trong điều kiện môi trường sản xuất đảm bảo không trong phạm vi của TCVN 7699-2-30. 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. Bùi Quý Lực (2006) Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [2]. Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy (2006) Tính toán ứng suất và tuổi thọ trong truyền đông VMĐB. Tuyển tập các bài báo khoa học Hội nghị khoa học lần thứ 20 – Đại học Bách khoa Hà Nội. [3]. Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy (2007) Phương pháp tính toán, thiết kế và lựa chọn truyền động VMĐB. Tuyển tập công trình hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VIII. [4]. Lê Văn Uyển, Vũ Lê Huy, Trịnh Đồng Tính (2007) Xây dựng cơ sở tính toán truyền động vít me ma sát lăn và chế tạo thử truyền động vít me ma sát lăn. Đê tài cấp Bộ B2007-01-30. [5]. Nguyễn Anh Tuấn, Phạm Văn Hùng (2005) Ma sát học. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [6]. Nguyễn Doãn Ý (2004) Độ tin cậy trong thiết kế chế tạo máy và hệ cơ khí. Nhà xuất bản Xây dựng. [7]. Nguyễn Doãn Ý (2008) Giáo trình ma sát, mòn và bôi trơn Tribology. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [8]. Nguyễn Doãn Ý (2009) Xử lý số liệu thực nghiệm trong kỹ thuật. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [9]. Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn, Lê Văn Tiến, Trần Xuân Việt (1999) Sổ tay Công nghệ chế tạo máy – tập 1,2. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [10]. Nguyễn Minh Tuyển (2005) Quy hoạch thực nghiệm. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [11]. Nguyễn Thị Ngọc Huyền (2012) Nghiên cứu tuổi thọ và độ tin cậy của đường dẫn hướng ma sát lăn máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí. [12]. Nguyễn Trọng Hiệp (2007) Chi tiết máy – Tập 1,2. Nhà xuất bản Giáo dục. [13]. Phạm Đắp, Nguyễn Anh Tuấn (1983) Thiết kế máy công cụ - Tập 1,2. Nhà Xuất bản Khoa học và kỹ thuật. [14]. Phạm Văn Hùng, Nguyễn Phương (2007) Cơ sở máy công cụ. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. 109 [15]. Tạ Duy Liêm (1997) Máy công cụ CNC và Robot Công nghiệp. Nhà xuất bản Đại học Bách Khoa. [16]. TCVN 7011 – 1 (2007) Quy tắc kiểm máy công cụ - Phần 1 – Độ chính xác hình học của máy. [17]. TCVN 7011 – 2 (2007) Quy tắc kiểm máy công cụ - Phần 2 – Xác định độ chính xác và khả năng lặp lại định vị của trục điều khiển số. [18]. TCVN 7699 – 2 – 30 (2007) Thử nghiệm môi trường – Phần 2-30: Các thử nghiệm – Thử nghiệm Db: Nóng ẩm, chu kỳ (chu kỳ 12h+12h). Tiếng Anh [19]. A. Kamalzadeh, K. Erkorkmaz (2007) Compensation of axial vibrations in ball screw drives. Ann, CIRP 56 (1). pp.373 – 378. [20]. A. Verl, S. Frey (2010) Correlation between feed velocity and preloading in ball screw drives. CIRP Annals – Manufacturing Technology. [21]. Adolf Frank, Fritz Ruech Thermal errors in CNC machine tools. Forcus: Ballscrew expansion. [22]. Amin Kamalzadeh, Daniel J.Gordon, Kaan Erkorkmaz (2010) Robust compensation of elastic derformations in ball screw drives. International Journal of Machine Tools & Manufacture. [23]. C. C Wei, J. F. Lin, J.H Horng (2009) Analysis of ball screw with a preload and lubrication. Tribology International 42. pp.1816-1831. [24]. C. L. Chen, M. J. Jang, K.C. Lin (2004) Modeling and high-precision control of a ball-screw-driven stage. Precision Engineering 28. pp.483-495. [25]. C. W. Wei, J. F. Lin (2003) Kinematic ananlysis of the ball screw mechanism considering variable contact angles and elastic deformations. ASME J.Mech.Des. 125 (4) 717-733. [26]. Canudas de Wit, Olsson H, Astrom KJ, Lischinsky P (1995) A new model for control of systems with friction. IEEE Trans Auto control 40(3) pp. 419-425. [27]. Chin-Chung Wei, Ruei–Syuan Lai (2011) Kinematical analyses and transmission efficiency of a preload ball screw operating at high rotational speeds. Mechanism and Machine Theory 46. pp.880-898. [28]. Chin-Chung Wei, Wei–Lun Liou, Ruei–Syuan Lai (2012) Wear analysis of the offset type preloaded ball-screw operating at high speed. Wear 292-293. pp.111-123. 110 [29]. Cnczone.com [30]. D. Mundo, H.S Yan (2007) Kinematic optimization of ball screw transmission mechanisms. Mechanism and machine theory 42. pp.34-47. [31]. FESTIGKEITSBERECHNUNG. [32]. H. Weule, H. U. Golz (1991) Preload-Control in ball screw – A New Approach for Machine Tool Building. [33]. Hiwin Technologies Company (2000) Ballscrews technical information. [34]. Huang, H.-T.T. and Ravani, B (1995) Contact stress Analysis in Ball Screw mechanism Using he Tubular medial Axis Representation of Contacting Surfaces. Azarm, S. et. al., eds., Advances in Design Automation, Vol.1 Proc. ASME Design Engineering Technical Conferences, Sep. 17-20, Boston, 749-756. [35]. ISO 3408-1-2006(E/F) Ball screw – Part1: Vocabulary and designation. [36]. ISO 3408-2-1991(E) Ball screw – Part2: Nominal diameters and nominal – Metric series. [37]. ISO 3408-3-2006(E) Ball screw – Part3: Acceptance conditions and acceptance tests [38]. ISO 3408-4-2006(E) Ball screw – Part4: Static axial rigidity. [39]. ISO 3408-5-2006(E) Ball screw – Part5: Static and dynami axial load ratings and operational life. [40]. J. F. Cuttino, T. A. Dow, B.F. Knight (1997) Analytical and experimental identification of nonlinerities in a single –nut preloads ball screw. ASME J.Mech. Des. 119 (1) 15-19. [41]. J.K. Lancaster. Areview of the influence of envirionmental humidity and water on friction, lubrication and wear. [42]. J. Neubrand, H. Weiss (1995) Dry rolling wear of different materials induced by a non-uniform hertzian pressure ditribution. Surface and coatings technology 76-77. pp.462-468. [43]. Jerzy Z.Sobolewski. Vibration of the ball screw drive (2012) Engineering Failure Analysis 241-8. [44]. Josef Mayr, Jerzy Jedrzejewsky, Eckart Uhlmanm, M. Alkan Donmez, Wolfgang Knapp, Frank Hartig, Klaus Wendt, Toshimichi Moriwaki, Paulshore, Robert Schmitt, Chirstian Brecher, Timo Wurz, Konrad Wegener (2012). Thermal issues in machine tools. CIRP Annals – Manufacturing Technology. 111 [45]. Jui-Pin Hung, James Shih-Shyn Wu, Jerry Y. Chiu (2004) Impact failure analysis of re-circulating mechanism in ball screw. Engineering Failure Analysis 11. pp.561573. [46]. K. Erkorkmaz, A kamalzadeh (2006) Hand bandwidth control of ball screw drives, Ann, CIRP 55 (1). pp.393 – 398. [47]. K.K Varanasi, S.A Nayfey (2004) Dynamics of lead-screw drives: low-order modeling and experiments. ASME J.Dyn. Syst. Meas. Control 126 (2). pp.388 – 396. [48]. Ks-kurim.cz [49]. Levit GA (1963) Recirculating ball screw and nut units. Machines and tooling XXXIV (4). pp.3-8. [50]. Lin, M.C., Ravani, B., and Velinsky, S.A (1994) Kinematics of the ball screw mechanism. Journal of Mechanical Design, Transaction of the ASME, 116/3:849-855 [51]. M. F. Zaeh, T. Oertli, j. Milberg (2004) Finite element modeling of ball screw feed drive systems. Ann. CIRP 53 (1). pp.289 – 292. [52]. Machineryselection.com [53]. Markho PH (1988) Highly accurate formulas for rapid caculation of the key geomatrical parameters of elliptic Hertzian contacts. ASME Journal of Tribology. 109. pp.640-647. [54]. Milwaukeemachining.com [55]. Min-Seok Kim, Sung-Chong Chung (2006) Friction identification of ball-screw driven servomechanisms through the limit cycle analysis. Mechatronics 16. pp. 131140. [56]. Mmsonline.com [57]. Mohammad Asaduzzaman Chowdhury, Md. Maksud Helali (2006) The effect of frequency of vibration and humidity on the coefficient of friction. Tribology International 39. pp. 958-962. [58]. Nakashima K, Tamaru Y, Takaguji K (2001) Ultraprecision positioning by preload changes of lead screw. JSME International Journal Series C;44(3). pp.808-815. [59]. Nchmf.gov.vn [60]. NSK Motion and Control ( 2008) Precision Machine Components. [61]. Nskeurope.com [62]. Olaru D, Puiu GC, Balan LC, Puiu V (2006) A New Model to Estimate Friction Torque in a ball Screw System. Product Engineering 3. pp.333-346. [63]. Olympus-controls.com 112 [64]. Pixgood.com [65]. Rbrsi.com [66]. Ro PI, Shim W, Jeong S (2000) Robust friction compensation for submicrom-eter positioning and tracking for a ball screw driven slide system. Prec Eng; 24. pp.16073. [67]. Rotomek.com [68]. Spath D, Rosum J, Haberkern a (1995) Kinematics, Frictional Characteristics and Wear Reduction by PVD Coating on Ball Screw Drives. Annals of the CIRP 44/1:349-352. [69]. Steimeyer Catalog Introduction. [70]. TBI Motion Technology Co.,LTD (2012) Ball screw catalog. [71]. Thomson (2014) Precision screw. [72]. U. Heisel, G. Koscák, T. Stehle (2006) Thermography – based investigation into thermarlly inducerd positioning errors of feed drives by example of a ball screw. Ann, CIRP 55 (1) 423 – 426. [73]. Vi.wikipedia.org/wiki [74]. Voer.edu.vn [75]. W.Y.H. Liew (2006) Effect of relative humidity on the unlubricated wear of metals. Wear 260 720-727. [76]. Weiku.com [77]. Xuesong Mei, Maosaomi Tsutsumi, Tao Tao, Nuogang Sun (2003) Study on the Load Distribution of the Ball Screw with Errors, Mechanism and Machine Theory, Volume 38, Issue 11 pp.1257-1269. [78]. Y. Altintas, A.Verl, C.Brecher, L.Uriarte, G.Pritschow (2011) Machine tool feed drives. CRIP Annals – Manufacturing Technology 60. pp. 779-796. [79]. Z.Z. Xu, X.J Liu, H.K. Kim, J.H.Shin, S.K.Lyu (2011) Thermal errors forecast and performance evaluation for an air-cooling ball screw system. International Jounal of Mechine tools and Manufacture. 51. pp.605-611. [80]. Zjhaochen.com 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Phạm Văn Hùng, Trần Đức Toàn (2011) Nghiên cứu thiết kế thiết bị khảo sát mòn vít me – đai ốc bi máy CNC dưới tác dụng của lực cắt. Kỷ yếu Hội nghị khoa học toàn quốc về cơ khí nhân dịp 55 năm thành lập trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. ISBN 978-604913-125-7. Trang 596-606. Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ. 2. Phạm Văn Hùng, Trần Đức Toàn (2013) Nghiên cứu xây dựng hệ thống đo mòn trong điều kiện nhiệt ẩm của vít me – đai ốc bi. Kỷ yếu Hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về Cơ khí. ISBN: 978-604-67-0061-6. Trang 488-496. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 3. Tran Duc Toan, Pham Van Hung (2014) Experimental instrument and estimation method of axial wear of ball screw. PROCESSDINGS the 7th AUN/SEED – Net Regional Conference on Mechanical and Manufacturing Engineering 2014 (RCMME-2014). ISBN 978-604-911-942-2 pp. 181-184. Bach khoa Publishing House. 4. Tran Duc Toan, Pham Van Hung (2014) Effects of temperature and humidity on wear of ball screw. PROCESSDINGS the 7th AUN/SEED – Net Regional Conference on Mechanical and Manufacturing Engineering 2014 (RCMME-2014). ISBN 978-604-911942-2 pp. 176-180. Bach khoa Publishing House. 5. Trần Đức Toàn, Nguyễn Thị Thu Hà, Phạm Văn Hùng (2015) Nghiên cứu đánh giá hệ thống thiết bị thử nghiệm và đo mòn vít me – đai ốc bi trong điều kiện môi trường TCVN 7699-2-30. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 1 + 2 năm 2015, ISSN 0866 – 7056. Trang 200205. 6. Trần Đức Toàn, Phạm Văn Hùng (2015) Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường nhiệt ẩm đến tuổi thọ và độ tin cậy của vít me – đai ốc bi. Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 1+ 2 năm 2015, ISSN 0866 – 7056. Trang 226-232. 114 [...]... vai trò của vít me – đai ốc bi Bộ truyền VMĐB là một trong các loại của bộ truyền vít me – đai ốc, có tác dụng bi n chuyển động quay của trục vít thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc và ngược lại, hiện được sử dụng khá phổ bi n trong các máy móc, thiết bị Hình 1.1 thể hiện hình ảnh một số vít me – đai ốc: Đai ốc Trục vít a) Vít me - đai ốc thông thường (ma sát trượt) b) Vít me – đai ốc bi Hình 1.1 Hình... với điều kiện tải và tốc độ quay thay đổi, chịu tác động của môi trường theo TCVN 7699-2-30 Luận án đã đưa ra hệ số tuổi thọ bổ sung vào công thức tính tuổi thọ VMĐB theo ISO 3408 khi làm việc trong môi trường TCVN 7699-2-30 và đồng thời xác định được sự bi n thiên hệ số tuổi thọ m theo độ tin cậy trong điều kiện nhiệt ẩm Việt Nam 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI 1.1 Đặc điểm, vai trò của vít. .. nay, tuổi thọ của bộ truyền này được ước lượng qua thời gian làm việc hoặc quãng đường ma sát với độ tin cậy 90% Tuổi thọ và độ tin cậy của VMĐB phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Tải, tốc độ, môi trường, trong đó yếu tố môi trường nhiệt ẩm chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều Đánh giá tuổi thọ và độ tin cậy VMĐB của máy công cụ CNC trên cơ sở mòn trong điều kiện khí hậu Việt Nam có ý nghĩa khoa học và thực... trong điều kiện Việt Nam 2 Mục đích nghiên cứu của luận án - Xác định ảnh hưởng của môi trường theo TCVN 7699-2-30 của Việt Nam đến tốc độ mòn của VMĐB trong điều kiện có bổ sung chất bôi trơn và không bổ sung chất bôi trơn - Xác định hệ số tuổi thọ trong công thức tính tuổi thọ VMĐB theo tiêu chuẩn ISO khi làm việc trong môi trường TCVN7699-2-30 cùng các mức tin cậy đặt ra 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên. .. sát trong VMĐB 30 Hình 1.27 Lượng mòn, tải đặt trước phụ thuộc vận tốc và số hành trình 31 Hình 1.28 Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít đến tải đặt trước 31 Hình 1.29 Mô hình hóa hệ Bi chặn – vít me – đai ốc và bi 32 Hình 1.30 Tải tác động lên bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi 33 Hình 1.31 Quan hệ tần số các bi vào tải, tốc độ quay n và đường kính bi DW 33 Hình 1.32 Thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền vít. .. trên đai ốc không đều, độ bền mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao Hình 1.10 thể hiện vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống Rãnh hồi bi Trục vít me Hình 1.10 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống [60] - Loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: Rãnh hồi bi được bố trí trên một máng lót đặc bi t Để đặt máng lót rãnh hồi bi, trên đai ốc có phân bố các hốc... cỡ Đai ốc Máng đổi hướng bi Rãnh hồi bi Trục vít me Hình 1.9 Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc [60] - Loại có rãnh hồi bi kiểu ống: Là loại có phương án hồi bi phổ bi n nhất hiện nay do ưu điểm dễ chế tạo, sửa chữa và căn chỉnh, kích thước đai ốc không lớn Ống hồi bi được lắp vào đai ốc nằm trong giới hạn kích thước đường kính ngoài của đai ốc Nhược điểm của phương án này là... dụng VMĐB trong các bộ truyền động tịnh tiến chính xác ngày càng tăng và môi trường làm việc của VMĐB tại Việt Nam là môi trường nhiệt đới ẩm Mặt khác, bộ truyền VMĐB hiện nay trong nước chưa sản xuất được và nhập khẩu từ nhiều nguồn khác nhau, 1 vì vậy tuổi thọ và độ tin cậy phân tán trong khoảng rộng Kết quả nghiên cứu về mòn của VMĐB là cơ sở cho việc tính toán xác định tuổi thọ, độ tin cậy và kế hoạch... đai ốc thông thường Hình 1.3 thể hiện vị trí và kết cấu VMĐB trong máy CNC, với chức năng thực hiện chuyển động chạy dao Hình 1.3 Hình ảnh vị trí vít me – đai ốc bi trong máy CNC [64, 76] 6 Trong máy công cụ CNC, trục vít me thường được gá lắp cố định dọc trục với thân máy, đai ốc được lắp cố định với bàn máy Khi vít me thực hiện chuyển động quay nhờ hệ thống truyền dẫn, làm cho đai ốc chuyển động... tịnh tiến dọc trục vít me và đưa bàn máy chuyển động theo Lượng dịch chuyển của đai ốc (cũng như bàn máy) được tính theo góc quay của trục vít me và có thể thay đổi nhờ động cơ Servo Độ chính xác dịch chuyển bàn máy phụ thuộc vào độ chính xác vị trí đai ốc trong VMĐB và độ chính xác của hệ thống điều khiển, phản hồi Để thực hiện các chuyển động phức tạp, có thể lắp trên bàn máy một bàn máy khác, bàn máy ... truyền vít me – đai ốc bi Hình 1.3 Hình ảnh vị trí vít me – đai ốc bi máy CNC Hình 1.4 Vị trí vít me – đai ốc bi bàn dao Hình 1.5 Vít me – đai ốc bi loại có ren trái loại có ren phải Hình 1.6 Vít me. .. quốc gia TCVN 7699-2-30 thử nghiệm môi trường 43 2.2 Tuổi thọ vít me – đai ốc bi 46 2.2.1 Tuổi thọ vít me – đai ốc bi theo lý thuyết 46 2.2.2 Tuổi thọ vít me – đai ốc bi. .. trường Việt Nam chưa quan tâm nghiên cứu nhiều - Từ vấn đề nêu trên, luận án lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu tuổi thọ độ tin cậy vít me – đai ốc bi máy CNC điều kiện môi trường Việt Nam Đây vấn