(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu mô phỏng xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao
LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 09 năm 2017 Nguyễn Duy Tân iii LỜI CẢM ƠN Sau trình học tập nghiên cứu, tơi hồn thành đề tài xin bày tỏ lòng biết ơn đến: - PGS TS Đặng Thiện Ngơn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ suốt thời gian thực đề tài - Ban Giám hiệu, phòng đào tạo Sau đại học, khoa Cơ khí Chế tạo máy trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, quý Thầy, Cô truyền đạt kiến thức cho suốt trình học trường - Các bạn học viên tập thể lớp CKM15A chia sẻ buồn vui, khó khăn nhiệt tình giúp đỡ tơi suốt q trình học - Các bạn đồng nghiệp đóng góp giúp đỡ tơi q trình thực luận văn - Gia đình anh chị em động viên giúp đỡ vật chất lẫn tinh thần để tơi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận văn NGUYỄN DUY TÂN iv TÓM TẮT Các máy ly tâm trục đứng sử dụng ổ nhà máy, sở chế biến thực phẩm nước ta gặp phải số vấn đề suất Khi hoạt động tốc độ cao máy gặp phải tình trạng rung động mạnh gây an tồn nhiều không hoạt động ma sát ngõng trục ổ trục gây Để giải vấn đề rung động cần làm giảm ma sát tăng cường độ cứng vững máy Luận văn trình bày kết nghiên cứu theo hướng giảm ma sát ổ trục cho mơ hình máy ly tâm tinh bột khoai mì trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ khí tĩnh thay ổ trục truyền thống Một mơ hình thiết bị máy ly tâm tinh bột khoai mì trục đứng tốc độ cao suất 25 kg/h sử dụng ổ khí tĩnh thiết kế chế tạo Qua mơ hình này, thông số ảnh hưởng đến rung động máy (độ lệch tâm e) trình hoạt động như: áp suất khí, số vịng quay nghiên cứu xác định qua thực nghiệm Kết xác định được: - Ảnh hưởng của số vòng quay n (v/p), áp suất khí P (bar) đế n độ lệch tâm e (mm) biểu diễn qua phương trình: e = 0.0524306 - 0.0128981*P - 0.00000114455*n + 0.00150481*P^2 - 2.5E-7*P*n + 7.69442E-10*n^2 - Ảnh hưởng của số vòng quay n (v/p), áp suất khí P (bar) đế n độ nâng h (mm) biểu diễn qua phương trình: h = 0.0346557 - 0.00426053*P - 0.00000392108*n + 0.00143008*P^2 - 2.5E-7*P*n + 4.1069E-10*n^2 Kết thực nghiệm chế độ hoạt động hợp lý máy ly tâm tinh bột khoai mì trục đứng tốc độ cao suất 25 kg/h sử dụng ổ khí tĩnh là: + Số vòng quay: n = 5000 (v/p) + Áp suất khí: Pổ đỡ = 4,7 (bar), Pổ chặn = (bar) + Độ lệch tâm: e = 0,0326 (mm) + Độ nâng: h = 0,0335 (mm) v ABSTRACT Almost vertical centrifuges using mechanical bearing in national factories and food processing plants have problems with productivity When operating at high speed, these vertical centrifuges are subjected to severe vibration which causes unsafeness, moreover, they can’t operate due to friction between bearing and mounting shaft In order to resolve this vibration problem, it should either reduce this friction or increase the stiffness of machines The paper presents the results of reducing friction in the bearing of a high speed starch vertical rotary centrifuge by using aerostatic bearing instead of traditional bearings A high speed starch vertical rotary centrifuge using aerostatic bearing with capacity 25 kg/hr was designed and fabricated Through this model, some parameters which affected to the vibration of machine (e.g eccentricity e) during operation such as gas pressure, revolution number have been studied and determined experimentally The results have been identified: - The effect of revolution number n (r/m), air pressure P (bar) to eccentricity e (mm) are expressed by the equation: e = 0.0524306 - 0.0128981*P - 0.00000114455*n + 0.00150481*P^2 - 2.5E-7*P*n + 7.69442E-10*n^2 - The effect of revolution number n (r/m), air pressure P (bar) to lift h (mm) are expressed by the equation: h = 0.0310277 - 0.00169009*P - 0.00000314469*n + 0.00101236*P^2 - 2.5E-7*P*n + 3.6968E-10*n^2 Experimental results have shown that the reasonable operating mode of high speed starch vertical rotary centrifuge by using aerostatic bearing with capacity 25 kg/hr are: + Rpm: n = 5000 (v/p) + Air pressure: Pổ đỡ = 4,7 (bar), Pổ chặn = (bar) + Eccentricity: e = 0,0326 (mm) + Lift: h = 0,0335 (mm) vi MỤC LỤC Trang tựa TRANG QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN .iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii DANH SÁCH CÁC HÌNH xiii DANH SÁCH CÁC BẢNG xvii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu đề tài 2.1 Mục tiêu chung 2.2 Mục tiêu cụ thể Ý nghĩa khoa học thực tiễn 3.1 Ý nghĩa khoa học 3.2 Ý nghĩa thực tiễn Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4.1 Đối tượng nghiên cứu đề tài 4.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài Kết cấu đề tài Chương TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung máy ly tâm 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Phân loại máy ly tâm vii 1.1.2.1 Theo yếu tố phân ly 1.1.2.2 Theo công dụng máy 1.1.2.3 Dựa vào phương pháp tháo bã 1.1.2.4 Theo cấu tạo chổ tựa 1.2 Máy ly tâm trục đứng 1.2.1 Máy ly tâm trục đứng tốc độ thường 1.2.2 Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao 10 1.2.2.1 Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao kiểu đĩa 10 1.2.2.2 Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao loại ống 11 1.3 Các máy ly tâm trục đứng công nghiệp sử dụng Việt Nam 12 1.3.1 Máy ly tâm dầu điều 12 1.3.1.1 Nguyên lý hoạt động 12 1.3.1.2 Nhận xét 12 1.3.2 Máy ly tâm chân 12 1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động 12 1.3.2.2 Nhận xét 13 1.3.3 Máy ly tâm chanh dây 13 1.3.3.1 Nguyên lý hoạt động 13 1.3.3.2 Nhận xét 14 1.3.4 Đánh giá chung 14 1.4 Ổ khí tĩnh 15 1.4.1 Giới thiệu 15 1.4.2 Ứng dụng ổ khí tĩnh 16 1.4.3 Kết cấu 17 1.4.4 Nguyên lý hoạt động 18 1.4.5 Các thơng số ổ khí tĩnh 18 1.6 Các nghiên cứu nước 18 1.6.1 Các nghiên cứu nước 18 1.6.2 Các nghiên cứu nước 24 viii 1.7 Ý kiến thảo luận đề xuất nhiệm vụ đề tài 25 1.7.1 Ý kiến thảo luận 25 1.7.2 Đề xuất nhiệm vụ đề tài 25 Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1 Nội dung nghiên cứu 26 2.2 Phương pháp nghiên cứu 26 2.2.1 Phương pháp kế thừa 26 2.2.2 Phương pháp thu thập thông tin 26 2.2.3 Phương pháp tính tốn thiết kế 27 2.2.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 27 2.2.4.1 Vật liệu thiết bị thực nghiệm 27 2.2.4.2 Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm 27 2.2.4.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm 29 2.2.4.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 29 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 32 3.1 Cơ sở lý thuyết máy ly tâm 32 3.1.1 Cơ sở khoa học máy ly tâm 32 3.1.2 Lực ly tâm yếu tố phân ly 32 3.1.3 Bề mặt chất lỏng thùng 34 3.1.4 Lực kẹp ma sát nghiêng 37 3.2 Cơ sở lý thuyết dịng chảy chất khí 38 3.2.1 Dòng chảy qua phẳng song song 38 3.2.1.1 Dòng chảy qua rãnh chữ nhật 38 3.2.1.2 Dòng chảy qua rãnh tròn 40 3.2.2 Dịng chảy chất khí xun qua lỗ nhỏ 42 3.2.3 Dòng chảy qua rãnh nối tiếp 44 3.2.3.1 Dòng chảy qua rãnh nối tiếp ổ đỡ 44 3.2.3.2 Dòng chảy qua rãnh nối tiếp ổ chặn 46 3.3 Cơ sở tính tốn thiết kế ổ khí tĩnh 48 ix 3.4 Các loại vật liệu dùng để chế tạo ổ khí 50 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 52 4.1 Thiết kế máy ly tâm trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ 52 4.1.1 Yêu cầu thiết kế 52 4.1.2 Phương án thiết kế 52 4.1.2.1 Phương án - Hai ổ bi đỡ chặn hai đầu trục 52 4.1.2.2 Phương án - Hai ổ bi đỡ chặn bên thùng 53 4.1.2.3 Phương án - Hai ổ bi đỡ ổ bi chặn 53 4.1.2.4 Phương án - Hai ổ bi đỡ chặn bên thùng sử dụng khớp nối 54 4.1.3 Tính toán thiết kế máy ly tâm 55 4.2 Thiết kế ổ khí tĩnh cho máy ly tâm trục đứng tốc độ cao 60 4.2.1 Đề xuất phương án bố trí ổ khí tĩnh 60 4.2.2 Đề xuất kết cấu ổ khí tĩnh 61 4.2.2.1 Đề xuất kết cấu ổ đỡ khí tĩnh 61 4.2.2.2 Đề xuất kết cấu ổ chặn khí tĩnh 63 4.2.3 Đề xuất phương án chế tạo ổ khí tĩnh 63 4.2.4 Tính tốn ổ đỡ khí tĩnh 64 4.2.5 Tính tốn ổ chặn khí tĩnh 74 4.3 Chế tạo mơ hình máy ly tâm trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ khí tĩnh 78 4.4 Khảo nghiệm hoạt động 83 4.4.1 Khảo nghiệm không tải 84 4.4.1.1 Mục đích 84 4.4.1.2 Bố trí thí nghiệm 84 4.4.1.3 Kết khảo nghiệm 84 4.4.2 Khảo nghiệm có tải 85 4.4.2.1 Mục đích 85 4.4.2.2 Bố trí thí nghiệm 85 4.4.2.3 Tiến hành thí nghiệm 85 4.4.2.4 Kết khảo nghiệm 86 x 4.4.2.5 Kết luận 87 4.5 Qui hoạch thực nghiệm 87 4.5.1 Kết thí nghiệm đơn yếu tố 87 4.5.1.1 Kết thí nghiệm đơn yếu tố theo áp suất cung cấp 87 4.5.1.2 Kết thí nghiệm đơn yếu tố theo số vịng quay trục 89 4.5.2 Kết thí nghiệm đa yếu tố 92 4.5.2.1 Chọn vùng nghiên cứu giá trị biến thiên thông số đầu vào 92 4.5.2.2 Xây dựng ma trận thực nghiệm 92 4.5.2.3 Kết thí nghiệm 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 Kết luận 98 Kiến nghị 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 103 xi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT CMM - Coodrdinate Measuring Machine LCC - Load Carrying Capacity MGV - Maximum Gas Velocity MFR - Mass Flow Rate LSD - Least Significant Difference xii PHỤ LỤC Kết xử lý số liệu đơn yếu tố: 1.1 Kết xử lý số liệu đơn yếu tố theo áp suất: 1.1.1 Kết xử lý số liệu hàm độ lệch tâm theo áp suất ANOVA Table for e by P Source Sum of Squares Between groups 0.00173939 Within groups 0.000266667 Total (Corr.) 0.00200606 Df 10 22 32 Mean Square 0.000173939 0.0000121212 F-Ratio 14.35 P-Value 0.0000 Multiple Range Tests for e by P Method: 95.0 percent LSD P Count Mean Homogeneous Groups X 4.5 0.02 X 5.5 0.02 X 0.02 X 0.02 X 3.5 0.02 X 0.02 X 3 0.0266667 X 2.5 0.0266667 X 0.0333333 XX 1.5 0.0366667 X 0.04 * denotes a statistically significant difference Parameter CONSTANT P P^2 Estimate 0.0532121 -0.0134763 0.00133644 Standard Error 0.00285417 0.00183083 0.000256493 T Statistic 18.6436 -7.36076 5.21043 P-Value 0.0000 0.0000 0.0000 Analysis of Variance Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value Model 0.00168855 0.000844274 79.77 0.0000 Residual 0.000317514 30 0.0000105838 Total (Corr.) 0.00200606 32 R-squared = 84.1723 percent R-squared (adjusted for d.f.) = 83.1171 percent Further ANOVA for Variables in the Order Fitted Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P 0.00140121 0.00140121 132.39 P^2 0.000287335 0.000287335 27.15 Model 0.00168855 Analysis of Variance with Lack-of-Fit Source Sum of Squares Df Model 0.00168855 Residual 0.000317514 30 Lack-of-Fit 0.0000508469 Pure Error 0.000266667 22 Total (Corr.) 0.00200606 32 Mean Square 0.000844274 0.0000105838 0.00000635587 0.0000121212 103 P-Value 0.0000 0.0000 F-Ratio 79.77 P-Value 0.0000 0.52 0.8254 1.1.2 Kết xử lý số liệu hàm độ nâng theo áp suất ANOVA Table for h by P Source Sum of Squares Between groups 0.00547273 Within groups 0.0004 Total (Corr.) 0.00587273 Df 10 22 32 Mean Square 0.000547273 0.0000181818 F-Ratio 30.10 P-Value 0.0000 Multiple Range Tests for h by P Method: 95.0 percent LSD P Count Mean Homogeneous Groups X 0.02 XX 0.0266667 XX 1.5 0.0266667 XX 2.5 0.03 X 3.5 0.0366667 X 0.0366667 X 3 0.0366667 X 4.5 0.0466667 X 0.05 X 0.06 X 5.5 0.06 * denotes a statistically significant difference Parameter CONSTANT P P^2 Estimate 0.0184242 0.00282673 0.000730381 Standard Error 0.00387947 0.00248851 0.000348632 T Statistic 4.74917 1.13591 2.09499 P-Value 0.0000 0.2650 0.0447 Analysis of Variance Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P-Value Model 0.00528612 0.00264306 135.17 0.0000 Residual 0.000586605 30 0.0000195535 Total (Corr.) 0.00587273 32 R-squared = 90.0114 percent R-squared (adjusted for d.f.) = 89.3455 percent Further ANOVA for Variables in the Order Fitted Source Sum of Squares Df Mean Square F-Ratio P 0.0052003 0.0052003 265.95 P^2 0.0000858197 0.0000858197 4.39 Model 0.00528612 Analysis of Variance with Lack-of-Fit Source Sum of Squares Df Model 0.00528612 Residual 0.000586605 30 Lack-of-Fit 0.000186605 Pure Error 0.0004 22 Total (Corr.) 0.00587273 32 Mean Square 0.00264306 0.0000195535 0.0000233256 0.0000181818 P-Value 0.0000 0.0447 F-Ratio 135.17 P-Value 0.0000 1.28 0.3021 1.2 Kết xử lý số liệu đơn yếu tố theo số vòng quay: 1.2.1 Kết xử lý số liệu hàm độ lệch tâm theo số vòng quay ANOVA Table for e by n Source Sum of Squares Between groups 0.00252121 Within groups 0.000533333 Total (Corr.) 0.00305455 Df 10 22 32 Mean Square 0.000252121 0.0000242424 104 F-Ratio 10.40 P-Value 0.0000 Multiple Range Tests for e by n Method: 95.0 percent LSD n Count Mean Homogeneous Groups X 500 0.02 XX 1500 0.0233333 XX 1000 0.0266667 XX 2500 0.0266667 XX 2000 0.0266667 XX 3000 0.03 XX 3500 0.0366667 XX 4000 0.0366667 XX 4500 0.04 X 5500 0.0466667 X 5000 0.0466667 Coefficients Parameter Intercept Slope Least Squares Estimate 0.000468503 6.04464E-11 Standard Error 0.0000826188 5.48209E-12 Analysis of Variance Source Sum of Squares Model 0.0000114395 Residual 0.00000291689 Total (Corr.) 0.0000143564 Correlation Coefficient = 0.892649 Df 31 32 T Statistic 5.67066 11.0261 Mean Square 0.0000114395 9.40932E-8 P-Value 0.0000 0.0000 F-Ratio 121.58 P-Value 0.0000 R-squared = 79.6823 percent Analysis of Variance with Lack-of-Fit Source Sum of Squares Df Model 0.0000114395 Residual 0.00000291689 31 Lack-of-Fit 5.1689E-7 Pure Error 0.0000024 22 Total (Corr.) 0.0000143564 32 Mean Square 0.0000114395 9.40932E-8 5.74322E-8 1.09091E-7 F-Ratio 121.58 P-Value 0.0000 0.53 0.8397 1.2.2 Kết xử lý số liệu hàm độ nâng theo số vòng quay ANOVA Table for h by n Source Sum of Squares Between groups 0.00140606 Within groups 0.0006 Total (Corr.) 0.00200606 Df 10 22 32 Mean Square 0.000140606 0.0000272727 Multiple Range Tests for h by n Method: 95.0 percent LSD n Count Mean Homogeneous Groups X 5000 0.0166667 X 5500 0.0166667 XX 3000 0.0233333 XX 4500 0.0233333 XX 4000 0.0233333 XX 3500 0.0233333 XX 2500 0.0266667 XX 2000 0.0266667 XX 1500 0.03 XX 1000 0.0333333 X 500 0.04 105 F-Ratio 5.16 P-Value 0.0007 Coefficients Parameter Intercept Slope Least Squares Estimate 0.00459502 -0.000495889 Analysis of Variance Source Sum of Squares Model 0.00000409574 Residual 0.00000162487 Total (Corr.) 0.00000572061 Correlation Coefficient = -0.846145 Standard Error 0.000439696 0.000056098 Df 31 32 Mean Square 0.00000409574 5.24152E-8 P-Value 0.0000 0.0000 F-Ratio 78.14 P-Value 0.0000 R-squared = 71.5962 percent Analysis of Variance with Lack-of-Fit Source Sum of Squares Df Model 0.00000409574 Residual 0.00000162487 31 Lack-of-Fit 1.78204E-7 Pure Error 0.00000144667 22 Total (Corr.) 0.00000572061 32 T Statistic 10.4505 -8.8397 Mean Square 0.00000409574 5.24152E-8 1.98004E-8 6.57576E-8 F-Ratio 78.14 P-Value 0.0000 0.30 0.9665 Kết xử lý số liệu đa yếu tố: 2.1 Kết xử lý số liệu độ lệch tâm (e) theo phương ngang ổ đỡ Estimated effects for lech tam Effect Estimate Stnd Error V.I.F average 0.0265873 0.00156838 A:ap suat -0.00934343 0.00249241 1.0 B:so vong quay 0.0129855 0.00310452 1.0 AA 0.00677164 0.00269924 1.0156 AB -0.001875 0.00438392 1.0 BB 0.00961802 0.00417124 1.0156 Standard errors are based on pure error with d.f Analysis of Variance for lech tam Source Sum of Squares A:ap suat 0.000172854 B:so vong quay 0.000215196 AA 0.0000774121 AB 0.00000225 BB 0.0000653952 Total error 0.000139807 Total (corr.) 0.000657231 Df 1 1 12 Analysis of Variance for lech tam Source Sum of Squares Df A:ap suat 0.000172854 B:so vong quay 0.000215196 AA 0.0000774121 AB 0.00000225 BB 0.0000653952 Lack-of-fit 0.0000906068 Pure error 0.0000492 Total (corr.) 0.000657231 12 R-squared = 78.7279 percent Mean Square 0.000172854 0.000215196 0.0000774121 0.00000225 0.0000653952 0.0000199724 F-Ratio 8.65 10.77 3.88 0.11 3.27 P-Value 0.0217 0.0134 0.0897 0.7470 0.1133 Mean Square 0.000172854 0.000215196 0.0000774121 0.00000225 0.0000653952 0.0000302023 0.0000123 F-Ratio 14.05 17.50 6.29 0.18 5.32 2.46 P-Value 0.0200 0.0139 0.0661 0.6909 0.0824 0.2029 106 Regression coeffs for lech tam Coefficient Estimate constant 0.0524306 A:ap suat -0.0128981 B:so vong quay -0.00000114455 AA 0.00150481 AB -2.5E-7 BB 7.69442E-10 2.2 Kết xử lý số liệu độ nâng (h) theo phương đứng ổ chặn: Estimated effects for nang Effect Estimate Stnd Error V.I.F average 0.0265702 0.00156838 A:ap suat 0.015 0.00249241 1.0 B:so vong quay -0.0116597 0.00310452 1.0 AA 0.00643534 0.00269924 1.0156 AB -0.001875 0.00438392 1.0 BB 0.00513363 0.00417124 1.0156 Standard errors are based on pure error with d.f Analysis of Variance for nang Source Sum of Squares A:ap suat 0.0004455 B:so vong quay 0.000173496 AA 0.0000699141 AB 0.00000225 BB 0.0000186304 Total error 0.000185144 Total (corr.) 0.000887231 Df 1 1 12 Analysis of Variance for nang Source Sum of Squares Df A:ap suat 0.0004455 B:so vong quay 0.000173496 AA 0.0000699141 AB 0.00000225 BB 0.0000186304 Lack-of-fit 0.000135944 Pure error 0.0000492 Total (corr.) 0.000887231 12 Mean Square 0.0004455 0.000173496 0.0000699141 0.00000225 0.0000186304 0.0000264491 F-Ratio 16.84 6.56 2.64 0.09 0.70 P-Value 0.0045 0.0375 0.1480 0.7790 0.4290 Mean Square 0.0004455 0.000173496 0.0000699141 0.00000225 0.0000186304 0.0000453146 0.0000123 F-Ratio 36.22 14.11 5.68 0.18 1.51 3.68 P-Value 0.0038 0.0198 0.0756 0.6909 0.2858 0.1200 R-squared = 79.1324 percent Regression coeffs for nang Coefficient Estimate constant 0.0346557 A:ap suat -0.00426053 B:so vong quay -0.00000392108 AA 0.00143008 AB -2.5E-7 BB 4.1069E-10 Kết xử lý toán tối ưu Optimize Response Goal: minimize lech tam Optimum value = 0.0326889 Factor ap suat so vong quay Low 2.0 5000.0 High 5.0 5500.0 Optimize Response Goal: maximize nang Optimum value = 0.0335168 Optimum 4.70068 5000.0 Factor ap suat so vong quay 107 Low 2.0 5000.0 High 5.0 5500.0 Optimum 5.0 5000.0 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ HOẠT ĐỘNG CHÍNH CỦA MƠ HÌNH MÁY LY TÂM TINH BỘT SẮN TRỤC ĐỨNG TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG Ổ KHÍ TĨNH RESEARCH SOME ACTIVITY DATA OF MODELS CASSAVA CENTRIFUGE HIGH SPEED VERTICAL USE OF AEROSTATICS BEARING Đặng Thiện Ngôn, (2)Nguyễn Duy Tân (1) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh (2) Học viên cao học trường ĐHSPKT TPHCM (1) TÓM TẮT Nâng cao khả làm việc giảm công suất tiêu thụ điện đảm bảo an toàn vận hành máy ly tâm tiêu chí lưu tâm máy ly tâm Máy ly tâm tinh bột sắn trục đứng loại máy ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp cịn tồn đọng số vấn đề công suất tốc độ Bài báo trình bày trình thiết kế máy ly tâm tinh bột sắn có sử dụng ổ khí tĩnh thay ổ trục truyền thống Một mơ hình thiết bị máy ly tâm trục đứng thí nghiệm sử dụng ổ khí tĩnh thiết kế chế tạo Qua mơ hình này, thơng số ảnh hưởng đến q trình hoạt động áp suất, số vòng quay nghiên cứu xác định qua thực nghiệm Các kết cho phép tìm quan hệ áp suất cung cấp số vòng quay đến khả hoạt động ổ đỡ, ổ chặn khí tĩnh sử dụng máy ly tâm trục đứng tốc độ cao công suất 25kg/mẻ Từ khóa: Máy ly tâm, ổ đỡ, ổ chặn khí tĩnh, áp suất, vịng quay ABSTRACT One of the most considered criteria of centrifugal machine is how to enhance work capacity, reduce electricity consumption and be safe in operation Tapioca starch vertical centrifugal machine, being one of the most popular using machines in our industry, still has some limitations about capacity and speed This article shows designing process of a tapioca starch centrifugal machine using air bearing instead of traditional axle-bearings A model of vertical centrifugal machine using aerostatic bearings, used in this experiment, was designed and manufactured With this machine, the parameters affecting the operating process such as pressure and number of revolutions were tested and and determined by experimentation The achieved parameters obtained show the relation between provided pressure and capability of the aerostatic bearings and aerostatic thrust bearings used in vertical centrifugal machine high speed with capacity of 25 kg/h Keywords: centrifugal machine, bearing, air bearing, aerostatic bearing, air pressure GIỚI THIỆU Các máy ly tâm trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ nhà máy, sở chế biến thực phẩm nước ta gặp phải số vấn đề suất, rung động Khi hoạt động tốc độ cao máy gặp phải tình trạng rung động mạnh gây an tồn nhiều không hoạt động ma sát ngõng trục ổ trục gây Để giải 108 vấn đề rung động cần làm giảm ma sát tăng cường độ cứng vững máy Bài báo trình bày kết nghiên cứu theo hướng giảm ma sát ổ trục cho mơ hình máy ly tâm tinh bột khoai mì trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ khí tĩnh thay ổ trục truyền thống Một mơ hình thiết bị máy ly tâm tinh bột khoai mì trục đứng tốc độ cao suất 25 kg/h sử dụng ổ khí tĩnh thiết kế chế tạo Qua mô hình này, thơng số ảnh hưởng đến rung động máy (độ lệch tâm e) trình hoạt động như: áp suất khí, số vịng quay nghiên cứu xác định qua thực nghiệm MÁY LY TÂM TRỤC ĐỨNG SỬ DỤNG Ổ CƠ Trong thực tế máy ly tâm trục đứng sử dụng phổ biế n trình phân tách tinh bột sắn Một lượng hỗn hợp gồm nước bột sắn có lẫn tạp chất cho vào thùng quay hình trụ có lưới lọc để thực q trình phân tách Trong trình này, hạt tinh bột qua lớp lưới lọc sau giữ lại bên ngồi buồng chứa [1] 2.1 Thơng số thiết kế Để thực cơng việc tính tốn, thiế t kế máy ly tâm tinh bột sắn sử dụng ổ khí tĩnh, máy ly tâm trục đứng sử dụng ổ thiế t kế với thông số sau: - Tố c độ quay, n = 4000 - 6000 v/p - Năng suất đạt khoảng 25 kg thành phẩm/giờ - Độ ổn định cao, rung động - Lượng tinh bột phân tách đạt 80% 2.2 Tính toán thiết kế Để đảm bảo suất phân tách tinh bột khoai mì 25 kg/mẻ máy ly tâm theo yêu cầu thiết kế, ta chọn trước đường kính thùng D = 400 mm số vịng quay n = 6000 v/p Từ ta tra giá trị yếu tố phân ly trình ly tâm KP = 8000 Theo [3], [4], [5] ta tính tốn thơng số trình bày bảng Bảng 1: Thông số thiết kế máy ly tâm Kích thước máy (Dài x Rộng x Cao), mm Đường kính thùng Ø, mm Chiều sâu thùng, mm Đường kính trục, mm Khoảng cách ổ trục, mm Số vịng quay trục chính, v/p Động 220V/380 V50Hz, KW Năng suất máy, kg/h 700 x 700 x 1320 400 400 50 250 4000 - 6000 25 Kết cấu máy ly tâm trục đứng tốc độ cao với thơng số bảng trình bày hình 109 Hình 1: Kết cấu máy ly tâm trục đứng tốc độ cao MƠ HÌNH MÁY LY TÂM TRỤC ĐỨNG SỬ DỤNG Ổ KHÍ TĨNH Các kế t tính tốn thiế t kế máy ly tâm (mục 2) sử dụng để tính tốn thiế t kế ứng dụng ổ khí tĩnh thay thế ổ trục Thiết kế ổ khí tĩnh Q trình thiết kế ổ đỡ cần xác định thơng số như: hình dạng (đường kính, chiều dài), kích thước lỗ cấp khí, số lượng lỗ cấp khí, khe hở hướng kính trục ổ, vị trí đặt lỗ cấp khí yếu tố ảnh hưởng tới q trình hoạt động ổ [6] 3.1 3.1.1 Phương án bố trí ổ khí tĩnh Từ kết cấu thiết kế máy ly tâm trục đứng ta có phương án bố trí ổ khí tĩnh sau: 1, - Ổ đỡ; - Ổ chặn - Ổ đỡ; - Ổ đỡ - chặn a) Ổ đỡ -Ổ chặn riêng b) Ổ đỡ - chặn kết hợp Hình 2: Phương án bố trí ổ khí tĩnh Ta nhận thấy phương án bố trí hình 2a phù hợp vì: - Kết cấu đơn giản, dễ gia công, dễ lắp ráp; - Khả chịu tải dọc trục cao; - Cơng việc tính tốn, thiết kế phức tạp 3.1.2 Phương án thiết kế ổ đỡ khí tĩnh Từ kế t cấu máy ly tâm trục đứng thông sớ trên, kế t cấu ổ đỡ khí tĩnh thay thế cho ổ đề xuất kết cấu ổ đỡ khí tĩnh có dạng lỗ cấp khí kế t hợp (hình 3c) 110 a) Lỗ cấp khí đơn giản b) Lỗ cấp có khoang khí c) Lỗ cấp khí kết hợp Hình 3: Phương án sử dụng lỗ cấp khí kết hợp 3.1.3 Phương án thiết kế ổ chặn khí tĩnh Căn theo thiết kế thực tế máy ly tâm trục đứng, kết cấu ổ chặn khí tĩnh đề xuất loại ổ có trục xun qua (hình 4b) a) Một lỗ cấp khí b) Nhiều lỗ cấp khí Hình 4: Kết cấu ổ chặn khí tĩnh Từ phương án thiế t kế ổ đỡ khí tĩnh ổ chặn trình bày, ta chọn kế t cấu ổ đỡ sử dụng lỗ cấp khí kế t hợp (hình 3) ổ chặn có trục xun qua (hình 4) Thay thế ổ máy ly tâm thiế t kế ta có phương án bớ trí kế t cấu ổ khí tĩnh trình bày hình c) Ổ chặn b) Ổ đỡ Hình 5: Phương án bố trí kết cấu ổ khí tĩnh 3.2 Tính tốn thơng số ổ khí tĩnh 3.2.1 Thơng số ổ đỡ Các thơng sớ cần chọn, tính tốn cho ổ đỡ khí tĩnh là: đường kính lỗ cấp khí, vị trí đặt lỗ cấp khí, sớ lượng lỗ cấp khí, khe hở trục ổ đỡ, áp suất khí cung cấp [6] a) Bố trí Kết tính tốn ổ đỡ trình bày bảng 111 Bảng 2: Các thơng số ổ đỡ khí tĩnh - Chiều dài đường kính ổ Vị trí đặt lỗ cấp khí Số lượng lỗ cấp khí Đường kính lỗ cấp khí Khoảng hở trục ổ khí Áp suất khí cấp Lưu lượng dịng khí - - Độ cứng L/D = l/L = 0,25 n=16 lỗ d = 0,3 mm 2ho=0,025(mm) P = 4,5 bar Q =15,86 (l/ph) K 2W N 1,76 106 h0 m 3.2.2 Thông số ổ chặn Tải hướng trục thực tế máy ly tâm trục đứng mà ổ chặn phải chịu 35 kg, tương đương 350 N Hệ số tải trọng CL * lớn [6] b/a = 3,55 (hình 5c), kết tính tốn thể bảng Bảng 3: Các thơng số ổ chặn khí tĩnh - Đường kính ổ Đường kính ngồi ổ Vị trí lỗ cấp khí Đường kính lỗ cấp khí Khoảng hở bề mặt ổ khí Số lượng lỗ cấp khí Lưu lượng dịng khí - 2a = 50 (mm) 2b = 177,5 (mm) c = 47,1 (mm) d = 0,7 (mm) h = 0,025 (mm) n = lỗ Q = 16,7 (l/ph) - K 1.44 W 3,8 106 N - Độ cứng: h m KHẢO NGHIỆM HOẠT ĐỘNG MƠ HÌNH MÁY LY TÂM TRỤC ĐỨNG SỬ DỤNG Ổ KHÍ TĨNH 4.1 Chế tạo Một mơ hình thiế t bị thử nghiệm dựa thông số thiế t kế (bảng 1, 2, 3) chế tạo (hình 6) với đặc điểm: - Khoảng cách bớ trí ổ đỡ khí tĩnh lắp đặt thiế t kế sử dụng ổ cơ: l=250 mm - Thùng ly tâm thay thế đĩa ly tâm có đường kính khớ i lượng tương đương Hình 6: Mơ hình thiết bị thử nghiệm 112 4.2 Vật liệu, trang thiết bị thực nghiệm Thực tiến hành thực nghiệm cách chủ động, để tối thiểu hóa số thí nghiệm cần thiết mà đảm bảo mức độ tin cậy để nhận mơ hình tốn học thực nghiệm phù hợp Hàm toán cho phép nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố, xác định điều kiện tối ưu đối tượng nghiên cứu 4.2.1 Vật liệu thiết bị thực nghiệm - Vật liệu thực nghiệm: khối nặng 25 kg thay cho thùng ly tâm; - Mô hình máy ly tâm trục đứng tốc độ cao suất 25 kg/giờ; - Địa điểm thực hiện: trình khảo nghiệm thực phịng thí nghiệm REMELab (trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh) 4.2.2 Trang thiết bị phục vụ thực nghiệm - Nguồn cung cấp khí đến từ máy nén khí Puma PK1090 có bình tích 88 lít với áp suất nén tối đa lên đến 10 bar - Các lọc điều chỉnh áp suất khí nén SMCAFM30-N02D-RZ (out 10 bar) Festo LFR-D-MINI (out 12 bar) để loại bỏ nước có khí nén điều chỉnh áp suất khí nén cung cấp cho thiết bị khảo nghiệm Các đồng hồ đo áp suất có khoảng chia nhỏ 0,05 bar - Đồng hồ so Mytast (CHLB Đức) có độ xác 0,01 mm để đo kiểm độ lệch tâm, độ nâng ổ đỡ, ổ chặn khí tĩnh - Thiết bị đo số vịng quay mâm dao: đồng hồ đo số vòng quay kiểu cảm biến hãng EXTECH sản xuất có khả đo từ 0,5 đến 19.999 vịng/phút với độ xác 0,05% - Thiết bị điều chỉnh số vòng quay thùng ly tâm, biến tần Magnetek Gpd 515 4.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 4.3.1 Các tiêu đầu trình nghiên cứu Các tiêu đầu trình nghiên cứu phải đặc trưng cho tiêu kinh tế tiêu kỹ thuật tốn nghiên cứu 4.3.2 Các thơng số đầu vào ảnh hưởng đến nghiên cứu Căn vào lý thuyết mơ hình hoá, u cầu thơng số đầu vào sau: - Thông số đầu vào phải thật ảnh hưởng đến trình nghiên cứu, ảnh hưởng ngẫu nhiên cần loại bỏ hạn chế ảnh hưởng chúng phương pháp ngẫu nhiên hố thí nghiệm - Các thơng số đầu vào q trình nghiên cứu phải có ý nghĩa vật lý đại lượng đo đếm được, điều khiển được, đặc biệt thông số phải độc lập - Bài tốn hộp đen mơ tả q trình nghiên cứu đánh giá thơng số ảnh hưởng đến hiệu hoạt động (mơ hình) máy ly tâm trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ khí tĩnh 4.4 Thực nghiệm 4.4.1 Kế hoạch thực nghiệm Phương án thực nghiệm bậc hai chọn dạng bất biến quay số lượng thí nghiệm xác định theo công thức: N = 2k + 2.k + no 113 Trong đó: + k số yếu tố nghiên cứu đầu vào toán “hộp đen” + no số thí nghiệm lặp lại tâm phương án Bố trí thí nghiệm theo kiểu ngẫu nhiên hồn tồn Ma trận thí nghiệm lập ngẫu nhiên hóa trật tự chương trình Statgraphics 4.4.2 Tiến hành thực nghiệm Để thử nghiệm khả hoạt động ổ đỡ khí tĩnh, động mang trục quay với vận tố c 500 - 5500 v/p Sử dụng đồng hồ so Nikken 1/100 bớ trí hình 7b, đầu dị chạm vào bề mặt trụ ngồi Khi trục quay ta quan sát thay đổi giá trị kim đồng hồ so để đánh giá độ lệch tâm theo phương ngang trục, qua đánh giá khả hoạt động ổ đỡ Đố i với ổ chặn, cho đầu dò đồng hồ so Nikken 1/100 chạm vào bề mặt chặn (hình 7a) Khi thiế t bị hoạt động, ta quan sát di chuyển giá trị kim đồng hồ để xác định độ nâng chặn để đánh giá khả hoạt động ổ chặn Áp suất cung cấp cho hệ thố ng thay đổi từ - bar, bước tăng áp suất 0,5 bar Số vòng quay thùng thay đổi từ 500 – 5500 v/p, bước tăng số vòng quay 500 v/p a) Kiểm tra độ nâng b) Kiểm tra độ lệch tâm Hình 7: Kiểm nghiệm hoạt động ổ khí tĩnh Kế t thử nghiệm sớ liệu trình bày hình - biểu diễn quan hệ độ lệch tâm theo phương ngang ổ đỡ, độ nâng ổ chặn khí tĩnh- nhằm mô tả khả hoạt động máy ly tâm trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ khí tĩnh Hình 8: Quan hệ độ lệch tâm theo phương ngang ổ đỡ độ nâng theo phương đứng ổ chặn khí tĩnh 4.4.3 Xây dựng mơ hình hồi qui thực nghiệm Bằng phương pháp thực nghiệm cho phép xác định mơ hình hồi qui độ lệch tâm độ nâng ổ khí tĩnh: 114 - Mơ hình hồi qui hàm độ lệch tâm dạng thực: e = 0.0524306 - 0.0128981*P - 0.00000114455*n + 0.00150481*P^2 - 2.5E-7*P*n + 7.69442E-10*n^2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng áp suất số vòng quay đến độ lệch tâm hình Estimated Response Surface Contours of Estimated Response Surface (X 1000.0) (X 0.001) so vong quay 53 48 lech tam lech tam 0.023 0.026 0.029 0.032 0.035 43 38 33 28 23 2.5 3.5 4.5 5 (X 1000.0) so vong quay 2.5 3.5 4.5 0.038 0.041 0.044 0.047 0.05 0.053 0.056 ap suat ap suat c) Đồ thị độ lệch tâm (không gian) d) Đồ thị độ lệch tâm (phẳng) Hình 9: Đồ thị quan hệ tỷ lệ độ lệch tâm với áp suất số vịng quay Nhìn vào đồ thị hình ta thấy độ lệch tâm nhỏ tăng áp suất giảm số vịng quay - Mơ hình hồi qui hàm độ nâng dạng thực: h = 0.0346557 - 0.00426053*P - 0.00000392108*n + 0.00143008*P^2 - 2.5E-7*P*n + 4.1069E-10*n^2 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng áp suất số vịng quay đến độ nâng hình 10: Contours of Estimated Response Surface Estimated Response Surface (X 1000.0) (X 0.001) so vong quay 52 nang 47 42 37 32 27 22 2.5 3.5 4.5 5 (X 1000.0) so vong quay 2.5 3.5 4.5 nang 0.022 0.025 0.028 0.031 0.034 0.037 0.04 0.043 0.046 0.049 0.052 0.055 ap suat ap suat c) Đồ thị độ nâng (khơng gian) d) Đồ thị độ nâng (phẳng) Hình 10: Đồ thị quan hệ tỷ lệ độ nâng với áp suất số vịng quay Nhìn vào đồ thị hình 10 ta thấy độ nâng lớn tăng áp suất giảm số vòng quay KẾT LUẬN Kế t nghiên cứu thực nghiệm rằng: - Ổ khí tĩnh hồn tồn thay thế ổ máy ly tâm trục đứng - Độ lệch tâm theo phương ngang có giá trị lớn 0,04 mm, độ nâng 0,06 mm Các giá trị đáp ứng yêu cầu kỹ thuật máy ly tâm thực phẩm [2] - Với khố i lượng thùng quay cấp đầy nguyên liệu đạt 25 kg, máy ly tâm trục đứng tốc độ cao có chế độ hoạt động hợp lý với thông số sau: Chế độ làm việc tối ưu: Các tiêu tối ưu: + Số vòng quay: n = 5000 (v/p) + Độ lệch tâm: e = 0,0326 (mm) + Áp suất: Pổ đỡ = 4,7 (bar), Pổ chặn = (bar) + Độ nâng: h = 0,0335 (mm) Ngoài ra, thử nghiệm bổ sung cho thấy, hệ thớ ng mơ hình thử nghiệm hoạt động tớ t với động có cơng suất 0,75 Kw thay Kw tính tốn, thiế t kế cho máy sử dụng ổ trục Đây ưu điểm sử dụng ổ khí tĩnh, giúp giảm ma sát ổ giảm mơmen khởi động, nhiệt phát sinh thấp giúp máy hoạt động với công suất cần thiế t nhỏ 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bin, Các q trình thiết bị cơng nghiệp hóa chất thực phẩm NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 [2] A.Ia.Sokolov, Nguyễn Trọng Thể Nguyễn Như Thung biên dịch, Cơ sở tính tốn thiết kế máy sản xuất thực phẩm NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1976 [3] Adedipe Oyewole and Abolarin Matthew Design and fabrication of a centrifugal casting machine, pp 8204-8210, 2011 [4] American Society of Mechanical Engineering for calculation of shaft diameters Rajendra Karwa (2006), Machine Design, 2nd Edition, Laxmi Publication (P) Ltd., New Delhi [5] McGraw-Hill, Machine Design Databook, 2004 [6] J W Powell, The design of aerostatic bearing The Machinary Publishing Co.Ltd, 1970 Thông tin liên hệ tác giả (người chịu trách nhiệm viết): Họ tên: Nguyễn Duy Tân Đơn vị: Trường trung cấp Kinh tế - Kỹ thuật Đồng Nai Điện thoại: 0901326090 Email: duytan87spkt@gmail.com Tp HCM, ngày 26 tháng 11 năm 2017 Giảng viên hướng dẫn PGS.TS Đặng Thiện Ngôn 116 S K L 0 ... định thông số ảnh hưởng đến hoạt động ổ khí tĩnh máy ly tâm tốc độ cao? ?? triển khai với mục đích đánh giá khả ứng dụng ổ khí tĩnh máy ly tâm tốc độ cao Các thông số ảnh hưởng đến hoạt động ổ khí tĩnh. .. 1.2 Máy ly tâm trục đứng Máy ly tâm trục đứng bao gồm loại: máy ly tâm trục đứng tốc độ thường máy ly tâm trục đứng tốc độ cao 1.2.1 Máy ly tâm trục đứng tốc độ thường Các máy ly tâm tốc độ thấp... khơng khí mỏng Hình 1.19: Ngun lý hoạt động ổ khí tĩnh [14] 1.4.5 Các thơng số ổ khí tĩnh Ổ khí tĩnh có nhiều thơng số ảnh hưởng đến khả làm việc điển hình thơng số ảnh hưởng đến q trình hoạt động