Nghiên cứu tính toán thiết kế và công nghệ chế tạo gối đỡ thủy lực chịu tải nặng đến 80 tấn

• Hệ thống thủy lực của gối đỡ thủy lực: hệ bơm và cấp dầu cao áp; hệ bôi trơn và tự động làm mát dầu khi nhiệt độ dầu quá giới hạn cho phép; hệ lọc và thu hồi dầu; bộ nguồn thủy lực, th

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ CÔNG THƯƠNG

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC

“NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

CƠ KHÍ CHẾ TẠO”, MÃ SỐ KC.05/06-10

BÁO CÁO TỔNG HỢP ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và công nghệ chế tạo

gối đỡ thủy lực chịu tải nặng đến 80 tấn”

MỤC LỤC

Mở đầu .1

Chương I: Tổng quan đề tài .4

• Tình hình nghiên cứu, sử dụng gối đỡ thủy lực cho các máy nghiền đứng trong và ngoài nước .4

• Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu chính của đề tài 13

Chương II: Cơ sở lý thuyết của gối đỡ thủy lực .15

• Lý thuyết bôi trơn màng dầu .15

• Khảo sát nghiệm giải tích của bài toán gối đỡ thủy lực trên cơ sở phương trình Reynolds 21

• Bản chất của bài toán thủy lực trong gối thủy lực 30

Chương III: Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống thủy lực 35

• Đặt vấn đề 35

• Nghiên cứu, tính toán các thông số cơ bản gối thủy lực 36

• Tính toán, thiết kế hệ thống thủy lực 64

Chương IV: Tính toán, thiết kế và chế tạo phần cơ khí gối đỡ thủy lực 79

• Tính toán, thiết kế và số hóa số liệu thiết kế 79

• Chế tạo, lắp ráp, hiệu chỉnh phần cơ khí gối đỡ thủy lực 90

• Mô tả kết cấu và hoạt động của gối đỡ thủy lực 101

Chương V: Hệ thống điện và điều khiển của gối đỡ thủy lực .102

• Đặt vấn đề 102

• Thiết kế hệ thống điều khiển, giám sát, cảnh báo quá tải 102

• Phần mềm 108

• Lắp đặt và hiệu chỉnh 111

• Mô tả hoạt động của hệ thống 113

Chương VI: Tính toán, thiết kế và lắp đặt hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp 116

• Tầm quan trọng của việc làm kín ổ 116

• Nguyên lý làm kín bằng phương pháp tăng áp 116

• Cơ sở lý thuyết cho tính toán khí động của hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp 117

• Phân tích bài toán khí động trong hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp của gối thủy lực 118

• Tính toán, thiết kế và lắp đặt hệ thống làm kín của gối đỡ thủy lực 122

Chương VII: Chạy khảo nghiệm & đo đạc các thông số của hệ thống 126

• Chạy thử có tải, đo đạc các thông số kỹ thuật của hệ thống 130

• Các kết quả đo 139

• Đo đạc, phân tích tình trạng màng dầu qua kết quả đo 141

• Đánh giá phân tích chế độ làm việc của hệ thống qua các kết quả đo 143

Chương VIII: Các sản phẩm của Đề tài 146

• Sản phẩm dạng I 146

• Sản phẩm dạng II 146

• Sản phẩm dạng III, IV 147

Kết luận và kiến nghị 148

MỞ ĐẦU

Đề tài KC.05.18/06-10 “Nghiên cứu tính toán thiết kế và công nghệ chế tạo gối

đỡ thuỷ lực chịu tải nặng đến 80 tấn” được đề xuất trên cơ sở hoàn chỉnh thiết bị Máy

Nghiền đứng năng suất 15T/h được thực hiện thông qua đề tài cấp Nhà nước KC.05.22 giai đoạn 2000 – 2005

Gối đỡ thuỷ lực là một bộ phận trọng yếu trong các máy nghiền đứng có kết cấu hiện đại, tuy nhiên, do tính chất phức tạp của nó nên không thể giải quyết trong đề tài KC.05.22 khó khăn chủ yếu của bộ phận này nằm trong hai khâu Tính toán thiết kế và Chế tạo Cho tới nay, trên thế giới chỉ có một số nước có nền công nghiệp hiện đại như các nước thuộc khối EU, Nhật bản, Mỹ mới làm chủ được khâu thiết kế và chế tạo

bộ phận này Trung quốc là quốc gia đã sử dụng và sản xuất rất nhiều máy nghiền đứng nhưng cho đến gần đây mới bắt đầu sản xuất Gối đỡ thuỷ lực trên cơ sở mua giấy phép chế tạo của Đức và Nhật bản Ở Việt Nam, ngoại trừ các nghiên cứu của cố GS.TSKH Nguyễn Anh Tuấn và GS.TSKH Hàn Đức Kim về vấn đề gối đỡ thuỷ lực chịu lực hướng tâm từ những năm 1970 – 1980, đây là lần đầu tiên chúng ta có điều kiện nghiên cứu tương đối toàn diện và bài bản về gối đỡ thuỷ lực chịu lực hướng trục

Đề tài KC.05.18/06-10 mới là bước đầu tiên để chúng ta tiếp cận với một lĩnh vực còn khá mới mẻ đối với ngành chế tạo máy Việt Nam Qua đề tài này, kết quả thu được không chỉ là các kiến thức liên quan đến nghiên cứu, tính toán, công nghệ chế tạo mà còn tạo ra được một sản phẩm công nghiệp cụ thể làm cơ sở để có thể tiếp tục các nghiên cứu thực nghiệm nhằm mục đích hoàn chỉnh bộ phận Gối đỡ thuỷ lực, không chỉ ứng dụng cho máy nghiền đứng mà còn cho các ứng dụng khác

Vì đây là một đề tài có liên quan đến khá nhiều chuyên ngành riêng như ma sát học,

cơ học chất lỏng, thuỷ lực, thiết kế và công nghệ chế tạo cơ khí, CAD/CAM, điện và tự động hoá …nên sẽ được trình bày trên cơ sở các chương chuyên ngành Việc trình bày này sẽ làm tăng khối lượng của Báo cáo tổng hợp nhưng sẽ cung cấp cho người đọc một tài liệu tương đối tổng hợp, giúp cho việc tiếp cận đề tài được dễ dàng và toàn diện hơn Cũng vì lý do trên, Phụ lục tham khảo và hệ thống đánh số công thức, hình ảnh sẽ được tách biệt theo từng chương để người đọc dễ tham chiếu khi cần thiết

Bản báo cáo này được hoàn thành trên cơ sở Hợp đồng số 18/2009/HĐ – ĐTCT –

là Viện Công nghệ - TCT Máy Động lực & Máy Nông nghiệp, TS Đỗ Quốc Quang là Chủ nhiệm đề tài

Tiếp theo lời nói đầu, bản báo cáo gồm các phần sau:

™ Phần I: gồm hai chương 1 và 2 trình bày về tổng quan như mục tiêu, các nội dung nghiên cứu chính và cơ sở lý thuyết của đề tài

™ Phần II: gồm 4 chương từ 3 đến 6 trình bày về các nội dung nghiên cứu, thiết kế

và chế tạo gối đỡ thủy lực Đây là các sản phẩm dạng I và II của đề tài đã được đăng

ký trong Phụ lục 2 của Hợp đồng số 18/2009/HĐ – ĐTCT – KC.05/06-10, gồm:

1 Hệ thống gối đỡ thuỷ lực ứng dụng cho máy nghiền đứng công suất đến 15T/h, có

bộ phận an toàn chống quá tải

Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống:

• Phần kết cấu cơ khí của gối đỡ thủy lực đã được lắp đặt lên hộp giảm tốc

• Hệ thống thủy lực của gối đỡ thủy lực: hệ bơm và cấp dầu cao áp; hệ bôi trơn và

tự động làm mát dầu khi nhiệt độ dầu quá giới hạn cho phép; hệ lọc và thu hồi dầu; bộ nguồn thủy lực, thùng dầu và hệ thống các đường ống cấp và hồi dầu

• Hệ thống điện và điều khiển của gối đỡ thủy lực: hệ thống điện động lực; hệ thống điều khiển, giám sát trạng thái làm việc và cảnh báo quá tải; tủ điện và điều khiển

• Hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp của gối đỡ thủy lực

2 Bộ tài liệu tính toán, thiết kế và phần mềm điều khiển, giám sát trạng thái hệ thống gối đỡ thuỷ lực

3 Bộ quy trình công nghệ chế tạo một số chi tiết chính của hệ thống gối đỡ thuỷ lực

™ Phần III: gồm một chương trình bày về các nội dung “khảo nghiệm, đo đạc các

thông số kỹ thuật của gối đỡ” Đây là sản phẩm dạng II của đề tài đã được đăng ký

trong Phụ lục 2 của Hợp đồng số 18/2009/HĐ – ĐTCT – KC.05/06-10: Bộ quy trình

kiểm tra, lắp đặt, vận hành hệ thống gối đỡ thuỷ lực

™ Ngoài ra có thể tham khảo chi tiết các kết quả dạng II của đề tài qua phần Phụ lục được tổ chức thành 04 quyển:

• Quyển 1: Bao gồm các bản vẽ thiết kế cơ khí; các bản vẽ, sơ đồ hệ thống thủy lực; Các bản vẽ, sơ đồ điện và điều khiển

• Quyển 2: Bộ quy trình công nghệ chế tạo một số chi tiết chính trong gối thủy lực

• Quyển 3: Bộ quy trình kiểm tra, lắp đặt, vận hành hệ thống gối đỡ thuỷ lực Bộ số liệu “Chạy khảo nghiệm không tải và có tải hệ thống gối đỡ thuỷ lực”

• Quyển 4: Một số kết quả nghiên cứu khác

Chúng tôi trân trọng giới thiệu các kết quả nghiên cứu mà nhóm đề tài dã thu được sau

2 năm tiến hành các nghiên cứu trong phạm vi các nội dung đã đăng ký

4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI I.1 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu, sử dụng gối đỡ thủy lực cho cỏc mỏy nghiền đứng trong và ngoài nước

1.1.1 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu chung:

Trong công nghiệp chế tạo máy, ổ đỡ được sử dụng rộng rãi trong các cụm chi tiết máy quan trọng Tuổi thọ, tính kinh tế, độ tin cậy và trong nhiều trường hợp kích thước, trọng lượng của máy và thiết bị phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu, chất lượng chế tạo và lắp ráp ổ đỡ Việc chọn, sử dụng ổ đỡ dạng ổ lăn (ổ bi) hoặc ổ trượt trong kết cấu máy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kết cấu, tải trọng, tốc độ quay, chế độ làm việc, lắp ráp, vận hành…

Mặc dù ổ lăn (ổ bi) đã được chế tạo hàng loạt với nhiều chủng loại và chất lượng ngày càng cao, nhưng trong một số trường hợp việc sử dụng ổ lăn là bất hợp lý hoặc không thể thực hiện được Ví dụ trong trường hợp tải trọng nặng, tốc độ quay rất lớn việc sử dụng ổ bi là không phù hợp vì lý do tuổi thọ và độ tin cậy thấp Mặt khác ổ bi nhiều khi không đáp ứng được yêu cầu về độ ồn, điều kiện làm việc khắc nghiệt như trong môi trường hoá chất, bụi bẩn, nhiệt độ cao…

Đối với các trường hợp vừa nêu trên, việc sử dụng ổ trượt là giải pháp hợp lý Trong điều kiện bôi trơn thích hợp các bề mặt làm việc của ổ trượt được ngăn cách bằng màng dầu và ổ làm việc trong điều kiện ma sát ướt Khi đó, tiêu hao năng lượng vô công cho ma sát trong ổ là rất nhỏ Gối đỡ thuỷ lực (hình 1.1, 1.2) chính là một dạng ổ trượt làm việc trong điều kiện ma sát ướt Thông thường, chúng chịu tải trọng nhỏ, tốc độ quay cao, hoặc tải trọng lớn tốc độ quay nhỏ Cũng có một số trường hợp kết hợp cả tải trọng và tốc độ lớn nhưng các trường hợp này là rất hạn chế vì chi phí khá cao Ngày nay, gối đỡ thuỷ lực được sử dụng nhiều trong các máy nghiền đứng trong công nghiệp xi măng, năng lượng (để nghiền than, nghiền vật liệu, nghiền clinke), trong turbin khí hoặc turbin hơi nước của nhà máy nhiệt điện, mâm quay kính viễn vọng, rađa…

Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng và kết cấu, gối đỡ thuỷ lực có thể được bôi trơn dạng thuỷ động (hydrodynamic), bán thuỷ động (semi-hydrodynamic) hoặc thuỷ tĩnh (hydrostatic) và loại hỗn hợp: thuỷ tĩnh – thuỷ động Trên thực tế, người ta tìm cách kết hợp hai dạng bôi trơn thuỷ tĩnh và thuỷ động để tận dụng được ưu điểm của cả hai loại

Gối đỡ thuỷ lực có thể dùng chịu tải trọng hướng tâm hoặc hướng trục Loại gối đỡ hướng trục thường dùng trong các loại máy nghiền đứng, mâm quay ra đa, mâm quay kính viễn vọng ….Loại này cũng là đối tượng nghiên cứu trong phạm vi đề tài này

Trường hợp gối đỡ thuỷ động, màng dầu chỉ được tạo thành khi có quá trình chuyển động tương đối giữa phần tĩnh và phần động (màng dầu có dạng hình nêm) Như vậy khi khởi động hoặc khi dừng máy, hai bề mặt của gối đỡ (phần tĩnh và động)

sẽ có một phần nào đó trượt trên nhau trong tình trạng ma sát khô hoặc nửa khô, do vậy đây là khoảng thời gian hay xảy ra sự cố đối với gối đỡ thuỷ động nếu các thông

số của màng dầu không được kiểm soát chặt chẽ và quy trình vận hành không được

đảm bảo nghiêm ngặt Chính vì vậy tuy có ưu điểm là tiêu thụ năng lượng trong hoạt

động nhỏ, nhưng gối đỡ thuỷ động đòi hỏi yêu cầu về kỹ thuật chế tạo, về chế độ điều khiển cũng như vận hành thực tế rất khắt khe, nên trong thực tế gối đỡ thuỷ động chủ yếu được ứng dụng cho các loại máy có công suất không lớn Trên thực tế, gối đỡ thuỷ động vẫn cần hệ thống bơm dầu áp lực khi khởi động tuy hệ thống này có thể

đơn giản hơn trường hợp gối đỡ thuỷ tĩnh

Mặc dù gối đỡ thuỷ động có ưu điểm chính là tiêu hao công suất cho hệ thống bôi trơn thấp hơn loại thuỷ tĩnh nhưng có hạn chế về phạm vi sử dụng nên thường chỉ sử dụng trong các máy nghiền đứng loại công suất nhỏ Các loại máy nghiền đứng có công suất lớn hơn thường sử dụng gối đỡ thuỷ tĩnh Loại này có độ tin cậy cao, ma sát nhỏ, có khả năng chịu lực lớn (tới hàng ngàn tấn) và hoạt động ổn định

Trường hợp gối đỡ thuỷ tĩnh, màng dầu được hình thành khi dầu được bơm cưỡng bức và liên tục vào giữa hai bề mặt của gối đỡ trước khi khởi động, trong quá trình làm việc và cho đến khi máy dừng hẳn, nên hai bề mặt của gối đỡ chuyển động hầu như không tiếp xúc với nhau trong quá trình làm việc Màng dầu trong trường hợp này khá mỏng (nhỏ hơn 1mm) nhưng do được duy trì áp lực thích hợp nên luôn ổn định trong quá trình làm việc của gối đỡ Như vậy so với gối thuỷ động, gối thuỷ tĩnh tiêu thụ năng lượng nhiều hơn trong quá trình làm việc, nhưng làm việc ổn định hơn rất nhiều Nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động luôn ổn định và không xảy ra sự cố trong quá trình hoạt động, cần sử dụng hệ thống nhiều bơm dầu (3-4 bơm) phân bố chéo nhau trong không gian Ngoài ra, cũng cần các hệ thống phụ trợ như hệ thống lọc dầu

2 hoặc 3 cấp, hệ thống giải nhiệt dầu, hệ thống sensor giám sát tải trọng làm việc và

áp lực dầu…

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Trên thế giới, gối đỡ thuỷ lực dạng chịu tải dọc trục lớn, đế phẳng có kết cấu hiện đại đã được đưa vào ứng dụng từ những năm đầu của thế kỷ XX Đây là, loại ổ

đỡ chịu tải nặng dọc trục và tốc độ quay lớn, hiệu suất cao

Cùng với sự phát triển của công nghiệp nhiệt điện, ximăng… nhiều hãng trên thế giới đã nghiên cứu sản xuất gối đỡ thủy lực để phục vụ cho chế tạo tuốc bin, máy nghiền đứng, máy chế biến gỗ vv… như các hãng Waukesha Bearings[5] ( hình 1.5 ),

LEG [7], FLENDER Đặc biệt, hãng FLENDER (CHLB Đức) chuyên chế tạo hộp giảm tốc chuyên dùng cho máy nghiền đứng tích hợp gối đỡ thuỷ lực với dải công suất truyền động từ 50 KW đến 9500 KW và chịu tải trọng thẳng đứng từ 50 T đến

1200 T[6] ( hình 1.3 )

Hiện nay, với sự tiến bộ của công nghệ sản xuất, các gối đỡ thuỷ lực tích hợp với hộp giảm tốc thế hệ mới có hiệu năng cao (hệ số ma sát thấp h¬n ổ lăn, tiết kiệm điện năng), tuổi thọ cao (15-20 năm) và chi phí vận hành, bảo dưỡng thấp Các hộp giảm tốc - gối đỡ thuỷ lực tích hợp cũng góp phần đáng kể làm giảm tiếng ồn, chống dao động trong vận hành

Hỡnh 1.1: Gối đỡ thủy lực theo thiết kế đầu tiên của Albert Kingsbury

Hỡnh 1.2: Một loại gối đỡ thủy lực của Công ty Kingsbury Inc

8

Hình 1.3: Hộp giảm tốc KMS tích hợp gối đỡ thủy lực của hãng Flender

Hinh 1.4 Lắp ráp gối đỡ thủy lực tích hợp với hộp giảm tốc cỡ lớn

Hỡnh 1.5 Gối đỡ thủy lực của hãng Waukesha Bearings

1.1.2.Tỡnh hỡnh nghiờn cứu trong nước:

Cỏc nghiờn cứu trong nước về vấn đề bụi trơn màng dầu được tiến hành vào những năm 1970 với cỏc cụng trỡnh lý thuyết và thực nghiệm của cố GS Nguyễn Anh Tuấn (Đại học Bỏch khoa Hà Nội) Kết quả của cỏc nghiờn cứu này là thử nghiệm bạc

ma sỏt ướt bụi trơn màng dầu kiểu hướng tõm dựng trong mỏy tiện Một số kết quả nghiờn cứu khỏc cũng đó được thực hiện như phục hồi vành lăn của lũ quay nhà mỏy Ximăng Hoàng Thạch do GS TSKH Hàn Đức Kim (NARIME) thực hiện vào những năm 1980 Tuy nhiờn, chỳng tụi chưa ghi nhận được cỏc cụng trỡnh trong nước khỏc

cú liờn quan tới gối đỡ thuỷ lực hướng trục

Năm 2003, Viện Cụng Nghệ - Bộ Cụng Thương thực hiện đề tài cấp Nhà nước

mó số KC.05.22: “Nghiờn cứu, thiết kế và chế tạo mỏy nghiền bột siờu mịn hiệu suất

cao ứng dụng trong cụng nghiệp”[1] Trong quỏ trỡnh thực hiện, nhúm nghiờn cứu đó phõn tớch, đỏnh giỏ 2 phương ỏn gối đỡ cho bàn nghiền (gối thuỷ lực và hệ thống gối

đỡ con lăn cơ khớ) và đó cú một số kết quả khảo sỏt, thiết kế được cụng bố trong Bỏo cỏo tổng kết đề tài Tuy nhiờn với tải nhỏ (80T) và năng suất 15T/h, hệ thống gối đỡ con lăn cơ khớ là giải phỏp phự hợp với khả năng chịu tải, năng suất thiết bị cũng như khả năng về cụng nghệ chế tạo, đồng thời đơn giản được hệ thống điều khiển, giỏm sỏt trạng thỏi làm việc của hệ thống đỡ bàn nghiền Trong quỏ trỡnh vận hành khai

10

thác thiết bị sau khi nghiệm thu đề tài, hệ thống gối đỡ con lăn cơ khí đã bộc lộ nhược điểm chính là tuæi thä thÊp, thay thế, bảo dưỡng khó khăn…Bởi vậy, mặc dù thị trường về máy nghiền đứng là có tiềm năng, nhưng do chưa hoàn thiện phần gối đỡ bàn nghiền nên Viện Công nghệ chưa có điều kiện đáp ứng được thị trường về máy nghiền đứng

Năm 2006, Viện Công nghệ đã thực hiện đề tài cấp Bộ mã số 20.06/RD - 2006:

“Nâng cao chất lượng cụm đỡ mâm nghiền nhằm cân bằng áp lực làm việc của máy nghiền đứng”[2] Kết quả của đề tài là đã xây dựng được giá thí nghiệm gối đỡ thuỷ tĩnh và thử nghiệm đo đạc mô phỏng các điều kiện của gối đỡ thuỷ lực máy nghiền đứng Kết quả quan trọng nhất của đề tài là chứng minh được khả năng ứng dụng gối

đỡ thuỷ lực hướng trục trong máy nghiền đứng

Năm 2005, Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Cơ khí Hà Nội

(HAMECO) thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy nghiền đứng (nghiền than, nghiền liệu, nghiền Clinker) cho dây chuyền ximăng lò quay công suất 2.500

tấn clinker/ngày” thuộc Dự án KHCN: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thiết bị chủ

yếu cho dây chuyền đồng bộ sản xuất xi măng lò quay công suất 2.500 tấn clinker/ngày thay thế nhập ngoại, thực hiện tiến trình nội địa hoá”[4] do Tổng Công

ty LILAMA chủ trì dự án Tuy nhiên, một số cụm và chi tiết quan trọng trong đó có Hộp giảm tốc tích hợp với gối đỡ thuỷ lực trong dự án này vẫn được nhập ngoại và không có trong nội dung nghiên cứu

Năm 2008, nhà xuất bản Xây dựng đã xuất bản cuốn sách “Máy, thiết bị và hệ

thống nghiền mịn sử dụng trong công nghiệp” [3] do các tác giả Vũ Liêm Chính, Đỗ Quốc Quang, Cao Văn Mô thực hiện Nội dung của cuốn sách có đề cập tới gối đỡ thuỷ lực tích hợp với hộp giảm tốc của máy nghiền đứng nhưng do khuôn khổ của cuốn sách và hạn chế về tài liệu nên các nội dung tính toán, thiết kế gối đỡ thuỷ lực chưa được đề cập đầy đủ

Tóm lại, cho đến nay, gối đỡ thuỷ lực hướng trục cỡ tải trọng tới 80T và lớn hơn hầu như chưa có cơ sở nào ở Việt Nam tiến hành nghiên cứu tường tận và đầy đủ trong khi việc hoàn thiện hệ thống gối đỡ bàn nghiền cho máy nghiền đứng, cụ thể là gối đỡ thuỷ lực bôi trơn dạng thuỷ tĩnh là cần thiết để phát triển sản phẩm máy nghiền

Về thị trường, trong những năm gần đõy, mỏy nghiền đứng thế hệ mới đó được ứng dụng rộng rói trong cỏc ngành cụng nghiệp sản xuất vật liệu xõy dựng cũng như một số ngành cụng nghiệp khỏc cần đến nguyờn cụng nghiền Cú được thị trường như vậy vỡ mỏy nghiền đứng cú nhiều ưu điểm về kết cấu, hiệu suất cao, cú tớnh kinh tế cao khi khai thỏc thiết bị và giảm thiểu ụ nhiễm mụi trường ở Việt Nam, hầu hết cỏc nhà mỏy ximăng mới được xõy dựng đều sử dụng cụng nghệ mỏy nghiền đứng trong nghiền liệu, nghiền than, nghiền clinke Cỏc thiết bị này đều nhập của nước ngoài, với giá đạt tới hàng triệu USD/thiết bị Để từng bước làm chủ việc chế tạo toàn bộ thiết bị máy nghiền đứng, đề tài tập trung nghiên cứu, tính toán, chế tạo và thử nghiệm Gối đỡ thuỷ tĩnh dạng hướng trục dùng cho máy nghiền đứng năng suất tới 15T/giờ (tải trọng tới 80T); đây là thiết bị khó nhất trong toàn bộ máy nghiền đứng Một số yêu cầu đặt

ra đối với đề tài này là:

- Xây dựng cơ sở tính toán lý thuyết cho Gối đỡ thuỷ tĩnh

- Thiết kế và chế tạo Gối đỡ thuỷ tĩnh có kết cấu tiên tiến, chất lượng cao, phù hợp với trình độ công nghệ của Việt Nam

- Khảo nghiệm, đo đạc các tham số kỹ thuật cần thiết để hiệu chỉnh hoặc khẳng

định các cơ sở tính toán lý thuyết và thiết kế

12

Hình 1.6: Máy nghiền đứng của hãng Pfeiffer (CHLB Đức)

I.2 Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu chính của đề tài:

1.2.1 Mục tiêu:

− Về nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát các bài toán về bôi trơn màng dầu (Fluid

Film Lubricant) trên phương diện giải tích và kỹ thuật số để nắm vững bản chất vật lý

và toán học của vấn đề

− Về nghiên cứu thiết kế: Xây dựng các tài liệu tính toán, thiết kế, công nghệ chế

tạo gối đỡ thuỷ tĩnh ứng dụng trong máy nghiền đứng có tính thực tiễn, phù hợp với

điều kiện công nghệ chế tạo trong nước

− Về thực nghiệm trên mô hình: Thử nghiệm mô phỏng điều kiện làm việc của

gối đỡ thuỷ tĩnh trên giá thí nghiệm có sẵn Xác định các thông số làm việc của hệ

thống trong điều kiện thí nghiệm

− Về sản phẩm vật chất của đề tài: Chế tạo và thử nghiệm thành công 01 hệ

thống gối đỡ thủy tĩnh lắp trên máy nghiền đứng cỡ năng suất 15T/h đảm bảo các tính năng tiên tiến, an toàn, vận hành lâu dài, có thể sản xuất hàng loạt và thương mại hoá

sản phẩm

1.2.2 Các nội dung nghiên cứu chính

− Nội dung 1: Khảo sát phân tích tình trạng sử dụng, nghiên cứu các máy nghiền đứng và gối đỡ thuỷ lực trong nước

− Nội dung 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết liên quan tới vấn đề ma sát, bôi trơn

màng dầu Khảo sát nghiệm giải tích của bài toán gối đỡ thuỷ lực trên cơ sở phương

trình Reynolds

− Nội dung 3: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế hệ thống gối đỡ thuỷ lực tích hợp với hộp giảm tốc của máy nghiền đứng năng suất đến 15T/h

− Nội dung 4: Nghiên cứu, xây dựng quy trình công nghệ chế tạo và gá lắp các chi

tiết chính Chế tạo, lắp ráp và hiệu chỉnh các cụm thiết bị và toàn hệ thống gối thuỷ

lực

− Nội dung 5: Lắp đặt hệ thống gối đỡ thuỷ lực lên máy nghiền đứng 15T/h Chạy

khảo nghiệm không tải và có tải hệ thống gối đỡ thuỷ lực

14

TÀI LIỆU THAM KHẢO

(Tờn cụng trỡnh, tỏc giả, nơi và năm cụng bố, chỉ nờu những danh mục đó được trớch dẫn để luận giải cho sự cần thiết nghiên cứu đề tài)

1 Đề tài cấp Nhà nước KC-05-22: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy nghiền bột siêu mịn hiệu suất cao ứng dụng trong Công nghiệp” Chủ nhiệm đề tài KS Ngô Quốc Hưng và nhóm thực hiện đề tài Viện Công nghệ – Tổng VEAM – Bộ Công nghiệp

2 Đề tài cấp Bộ mã số 20.06/RD – 2006: “Nâng cao chất lượng cụm đỡ mâm nghiền nhằm cân bằng áp lực làm việc của máy nghiền đứng” Chủ nhiệm đề tài KS Ngô Quốc Hưng – Viện Công nghệ – Tổng Công ty VEAM – Bộ Công nghiệp

3 T.S Vũ Liêm Chính ( Chủ biên), T.S Đỗ Quốc Quang, K.S Cao Văn Mô

Máy thiết bị và hệ thống nghiền mịn sử dụng trong công nghiệp

Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội 2008

4 Dự án KHCN: “ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thiết bi chủ yếu cho dây chuyền

đồng bộ sản xuất xi măng lò quay công xuất 2.500 tấn Clinker/ ngày, thay thế nhập ngoại, thực hiện tiến trình nội địa hóa” Chủ nhiệm dự án KS Phạm Hùng – Tổng công ty Lắp máy Việt Nam - 2010

CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA GỐI ĐỠ THỦY LỰC

II.1 Lý thuyết bôi trơn màng dầu[1][2][4]

Trước khi đi vào phân tích cơ sở của lý thuyết bôi trơn, sẽ nhắc lại một số yếu tố và bản chất của ma sát khi bôi trơn

2.1.1 Ma sát bôi trơn giới hạn

Bôi trơn giới hạn xảy ra khi các bề mặt ma sát bị phân cách bởi một lớp chất bôi trơn rất mỏng có chiều dày từ cỡ phân tử đến 0,1µ ( hình 2.1) Tính chất bôi trơn giới hạn m

hoàn toàn khác với tính chất của toàn khối chất bôi trơn

+ Bôi trơn giới hạn bằng màng dầu:

Khi chiều dày của màng dầu nhỏ hơn 0,1µ ( có thể do sự tăng nhiệt độ, tăng tải hay m

giảm tốc độ gây ra) tính chất của nó khác hẳn dầu bôi trơn trong lòng khối dầu bôi trơn Trong trường hợp này hệ số ma sát không chỉ phụ thuộc vào độ nhớt của dầu mà còn phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố khác, được gọi là tính bôi trơn Tính bôi trơn là khả năng đảm bảo tác dụng bôi trơn tốt nhất trong điều kiện lớp dầu bôi trơn đủ mỏng và tác dụng của nó không chỉ quyết định bởi độ nhớt của dầu bôi trơn Tuỳ thuộc vào khoảng cách từ dầu bôi trơn đến về mặt ma sát, độ nhớt và các tính chất khác của chất lỏng bôi trơn thay đổi một cách nhảy vọt, nghĩa là có một giới hạn rõ ràng giữa màng bôi trơn và dầu bôi trơn còn lại trong cả khối dầu

Trong các trường hợp giới hạn, các phân tử của chất bôi trơn bị hấp thụ được định hướng rất cao, khác với sự hỗn loạn của chúng trong lòng chất lỏng Các tính chất bôi trơn của chất lỏng cũng sẽ được cải thiện khi độ dài phân tử của chúng được tăng lên Hệ

số ma sát khi bôi trơn giới hạn so với không bôi trơn giảm từ 2 đến 10 lần, cường độ mòn của chi tiết giảm đến hàng trăm lần

Tất cả các chất lỏng bôi trơn (dầu) đều có khả năng được hấp thụ trên về mặt kim loại

Độ bền của màng hấp thụ phụ thuộc vào các phân tử hoạt động được pha vào dầu với tư cách chất phụ gia: axít hữu cơ, keo và các chất hoạt tính khác, các chất béo có trong thành phần dầu thực vật, động vật cũng như trong thành phần của chất bôi trơn dẻo Vì thế gần như tất cả các dầu bôi trơn đều tạo thành trên bề mặt kim loại pha giới hạn có cấu trúc tinh thể giả, chiều dày đến 0,1µ , nó có liên kết bền hoặc không bền với bề mặt kim loại m

Lớp màng bôi trơn giới hạn là dị hướng: ở hướng tiếp tuyến, các lớp phân tử dễ dàng

bị uốn, khi chiều dày đạt tới giá trị tới hạn, chúng sẽ có khả năng trượt tương đối với nhau Theo phương pháp tuyến với bề mặt, màng dầu có sức bền nén cao có thể đạt tới ngàn N/mm2, giới hạn đàn hồi của màng dầu chịu nén trong trường hợp bôi trơn giới hạn

là rất cao

Dưới tác dụng của tải trọng, biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo xảy ra trên các vùng tiếp xúc thực Diện tích tiếp xúc thực là diện tích của các phần gián đoạn nằm gần nhau nhất của bề mặt được phủ một lớp màng giới hạn của chất bôi trơn có chiều dày đến một phân tử Trên các diện tích tiếp xúc, có thể xảy ra sự thâm nhập của các nhấp nhô bề mặt

mà không phá huỷ màng bôi trơn Sức cản chuyển động trượt là tổng sức cản trượt của lớp giới hạn và sức cản gây “cày xới” bề mặt qua các thể tích nhấp nhô thâm nhập vào Ngoài ra, trên các diện tích tiếp xúc chịu biến dạng dẻo lớn nhất và tại các điểm có nhiệt

độ cao, có thể xảy ra sự phá huỷ màng dầu và bám dính bề mặt, có thể có sự xâm thực của kim loại bề mặt Điều này làm tăng sức cản chuyển động

Hình 2.1: Sơ đồ sự trượt của vật rắn khi bôi trơn giới hạn a) Bôi trơn bề mặt lý tưởng, b) tiếp xúc của bề mặt thực A- đoạn truyền tải trọng, B- đoạn tiếp xúc thực

Nhờ có độ linh động của các phân tử chất bôi trơn, hấp thụ xảy ra với tốc độ lớn trên

bề mặt ma sát, do đó màng dầu có khả năng tự phục hồi khi có gián đoạn màng Nó có vai trò to lớn trong việc ngăn chặn quá trình xâm thực Khi màng giới hạn không phục hồi, dầu từ màng được hấp thụ lên phần tử mòn và bị đưa ra khỏi vùng ma sát, do đó xảy ta sự thăng hoa của màng như chất rắn và đưa dầu vào không khí Oxy hoá bề mặt gây ra mất định hướng cấu trúc và phá huỷ màng giới hạn

Trong trường hợp ma sát bôi trơn giới hạn, độ mòn của chi tiết là khá lớn Diện tích tiếp xúc thực A khá nhỏ do có sóng nhấp nhô bề mặt, vì vậy áp lực tiếp xúc có giá trị lớn

và màng dầu mỏng không thể bảo vệ bề mặt khỏi biến dạng dẻo Đây là nguồn gốc dẫn đến mòn chi tiết máy cũng như bản chất của bôi trơn giới hạn

Ngoài yếu tố hấp thụ, hiệu quả của bôi trơn giới hạn còn phụ thuộc vào tác động hoá học của bề mặt kim loại và chất bôi trơn

Ảnh hưởng của oxy đến quá trình ma sát khi bôi trơn giới hạn là rất lớn, kim loại đóng vai trò chất xúc tác, hay chất mang ôxy để ôxy hoá dầu và tạo thành các hợp chất liên kết bền vững với kim loại Những phản ứng hoá học này xảy ra ở chỗ

có nhiệt độ cao và áp suất cao, tức là những điểm tiếp xúc kim loại với nhau Dầu bôi trơn cũng là chất mang ôxy chính

Để nâng cao hoạt tính hoá học của dầu bôi trơn, dầu được bổ sung những phụ gia có chứa hợp chất của lưu huỳnh, clo, phốt pho, có khi cả antimon và asen Mặc dù bền vững trên mặt ma sát, các chất phụ gia này còn bị phân huỷ và tác dụng với bề mặt kim loại tạo nên các màng sunfit sắt, clorua sắt, phốt pho sắt Những màng này ngăn sự tăng nhiệt độ cục bộ Màng tạo bởi cacbua hydro, clo hoá trên bề mặt thép có khả năng làm việc đến

3000C - 4000C và khi nhiệt độ cao hơn nó bị nung nóng chảy hay phân huỷ Đối với màng sunfit khả năng bôi trơn có thể đến 8000C Dưới nhiệt độ tới hạn, các màng sẽ giống các chất bôi trơn rắn

2.1.2 Bôi trơn giới hạn với chất rắn

Một số chất rắn được gọi là chất bôi trơn rắn khi nó tạo ra và duy trì chế độ ma sát bôi trơn giới hạn Màng giới hạn có độ bền nén rất cao và độ bền cắt nhỏ Từ đặc điểm này có một số chất có thể được sử dụng như chất bôi trơn ở trạng thái bôi trơn giới hạn: các chất

có cấu trúc mạng lớp, cấu trúc tấm, kim loại mềm, màng mỏng, chất dẻo…( graphit, disunfit molipden MoS2, sunfit bạc, disunfit vonfram và một số hợp chất vô cơ)

Graphit có cấu trúc mạng lớp, độ bền nén vuông góc với các lớp cao, nhưng độ bền cắt

song song với các lớp nhỏ (hình 2.2) Theo lớp về mặt phẳng dễ tách thì lớp giới hạn tạo

thành có tính chất của lớp bôi trơn giới hạn Độ cứng của graphit theo hướng vuông góc với mặt phẳng các lớp gần tương đương với kim cương nên các phân tử graphit có thể

vững và hầu như không có sự tiếp xúc của kim loại các bề mặt ma sát Hệ số ma sát khi bôi trơn bằng graphit có giá trị rất nhỏ khoảng 0,03÷0,04 Khi có ẩm và màng oxy kim loại sẽ làm tăng cường độ bám dính graphit vào bề mặt kim loại và tăng bền lớp giới hạn Màng ẩm hoặc màng oxyt tồn tại trên bề mặt ma sát là điều kiện cần thiết để graphit có tác dụng bôi trơn

Disunphit molipden (MoS2) có mạng tinh thể tương tự như graphit nên được dùng làm chất bôi trơn ở nhiệt độ thấp (đến -500C) và trong chân không.(Hình 2.3)

Cần chú ý rằng, ở nhiệt độ 5830C nó trở thành triôxyt rất rắn nên trở thành hạt mài làm mòn chi tiết máy Sự có mặt của màng ẩm MoS2 làm lực ma sát tăng lên, có khả năng là

do hơi ẩm phản ứng với nguyên tử lưu huỳnh làm gỉ bề mặt thép

Kim loại mềm có thể được sử dụng làm chất bôi trơn rắn, không bị biến cứng trong khoảng nhiệt độ làm việc và không bị tạo thành các dung dịch rắn, dòn với các kim loại nền của bề mặt ma sát Muốn vậy nhiệt độ làm việc phải lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại Khi bôi trơn bằng kim loại, vai trò của chất bôi trơn cacbuahyđro thay đổi, nó trở thành phương tiện vận chuyển kim loại vào vùng ma sát, tham gia vào các quá trình hoá lý trên

bề mặt tiếp xúc khi tạo thành mạng kim loại, làm nguội và bảo vệ các kết cấu ma sát khỏi

Màng kim loại mềm có độ bền nén tốt, giữ không cho các bề mặt ma sát tiếp xúc và thâm nhập vào nhau Khi có chuyển động tương đối thì xảy ta hiện tượng cắt trong kim loại mềm Do giới hạn sức bền cắt không lớn diện tích tiếp xúc do nền rắn cũng không lớn nên lực ma sát nhỏ Ngược lại màng phủ lên trên nền mềm bị biến dạng nhiều lần dưới tác dụng của tải do đó điện tích tiếp xúc thực tăng dẫn đến lực ma sát tăng

2.1.3 Bôi trơn nửa ướt

Bôi trơn nửa ướt xảy ra khi đồng thời tồn tại cả bôi trơn ướt và bôi trơn giới hạn Khi

đó tải trọng pháp tuyến sẽ cân bằng với lực pháp tuyến của phần bề mặt tiếp xúc và áp suất thuỷ động của màng dầu Trong trường hợp này, lực ma sát là tổng của hai lực thành phần: thành phần tiếp tuyến của lực tương tác bề mặt và sức cản trượt của lớp dầu Khi bôi trơn nửa ướt hiệu ứng thuỷ động xảy ra trong hai trường hợp sau:

- Trường hợp thứ nhất: trạng thái hình học vĩ mô của các bề mặt tiếp xúc ma sát tạo thành chiều chêm dầu (khe hở thu hẹp dần) Khi đó với những thông số ma sát thích hợp

sẽ xuất hiện hiệu ứng thuỷ động và tạo ra lực nâng, nhưng không đủ tiếp nhận toàn bộ tải trọng, do đó vùng trên bề mặt tiếp xúc sẽ tồn tại những vùng tiếp xúc thực và dòng chất lỏng sẽ bao lấy các phần bề mặt tiếp xúc

- Trường hợp thứ hai: nhấp nhô bề mặt nằm giữa các khu vực tiếp xúc tạo ra những chỗ thu hẹp và mở rộng theo chiều cao và theo hướng chuyển động tương đối, với lượng

dầu đủ lớn sẽ hình thành các nêm dầu vi mô thuỷ động (hình 2.4) Hiệu ứng bôi trơn này

hình thành ngay cả khi vận tốc trượt khá nhỏ

Trong trường hợp bôi trơn bằng chất lỏng, ngoài tác dụng bôi trơn, nó còn đóng vai trò của chất làm mát bề mặt ma sát và kết cấu ma sát

Hình 2.4: Sơ đồ nêm dầu vi mô thuỷ

động do các nhấp nhô bề mặt khi chuyển động tương đối tạo nên

h 0 ) khe hẹp nhỏ nhất, a) chiều dài nêm dầu

2.1.4 Bôi trơn ướt - bôi trơn màng dầu (trường hợp nghiên cứu của đề tài)

Khi có tồn tại lớp chất bôi trơn giữa các bề mặt ma sát, nếu chiều dày của nó không nhỏ hơn 1µ và lớn hơn độ cao tổng của các nhấp nhô của hai bề mặt ma sát, khi đó ma m

sát ngoài của các vật rắn sẽ trở thành ma sát trong của các lớp dầu Khi bôi trơn ướt áp suất của màng dầu sẽ cân bằng với ngoại lực, nó được gọi là lớp tải Khi chiều dày lớp dầu lớn hơn chiều dày màng giới hạn, thì ảnh hưởng của bề mặt cứng tới các phân tử dầu

ở xa sẽ giảm đi Các lớp dầu cách bề mặt ma sát 0,5µ sẽ chuyển động tự do với nhau m

Lực ma sát sẽ chỉ phụ thuộc vào nội ma sát

(độ nhớt) của dầu và bằng tổng lực cản trượt của các lớp dầu theo chiều dày màng dầu

Ma sát ướt với hệ số ma sát nhỏ là tối ưu đối với các kết cấu ma sát về khả năng mất mát năng lượng, độ bền mòn và tuổi thọ, khi đó hệ số ma sát không phụ thuộc vào bản chất của bề mặt lắp ghép

Hiện tượng ma sát khi bôi trơn ướt là rất phức tạp được thể hiện trên (hình 2.5) Hình

này cho thấy: các phân tử của chất hoạt tính bề mặt có trong dầu được hấp thụ trên bề mặt trong lớp phân tử mono, trên đó tạo thành lớp giới hạn, liền lớp giới hạn là vùng chuyển động vi mô, cuối cùng là dầu chảy tầng

Có hai phương pháp tạo áp suất ở lớp dầu mang tải, đó là phương pháp bôi trơn thuỷ động - áp suất phụ thuộc vào vận tốc chuyển động và phương pháp bôi trơn thuỷ tĩnh - áp suất của lớp dầu do nguồn dầu áp lực cao ở bên ngoài cung cấp

Hình 2.5: Sơ đồ mặt cắt của bề mặt kim loại

và lớp vật liệu bôi trơn lỏng

1- Cấu trúc kim loại ban đầu;

2- tinh thể bị biến dạng có hướng;

3- tinh thể bị phá huỷ,bị ôxy hoá và lớp hấp

thụ bề mặt;

4- lớp phân tử mono; 5- lớp giới hạn;

6- vùng chuyển động vi mô;

7- dòng dầu chảy tầng

Nền tảng để xây dựng lý thuyết bôi trơn được dựa trên phương trình Reynolds với các giả thiết sau:

- Bỏ qua tác dụng của lực khối

- Áp lực không đổi theo chiều dày của lớp bôi trơn

- Độ cong của bề mặt bôi trơn xem như không đáng kể

- Bỏ qua sự trượt của các lớp biên, nghĩa là vận tốc tương đối của lớp biên chất bôi trơn với bề mặt bôi trơn sẽ bằng vận tốc của bề mặt đó

- Chất bôi trơn được khảo sát là chất lỏng Newton

- Dòng bôi trơn được xem như dòng chảy tầng và chuyển động dừng của chất lỏng không nén được

Trong trường hợp cụ thể của bài toán bôi trơn màng dầu, ta quan tâm nhất là đường cong phân bố áp suất và khả năng chịu tải của màng dầu trên cơ sở khảo sát nghiệm của phương trình Reynolds

II.2 Khảo sát nghiệm giải tích của bài toán gối đỡ thủy lực trên cơ sở phương trình Reynolds[5][6][7][8]

Gối đỡ thuỷ lực đỡ bàn nghiền của máy nghiền đứng là dạng ổ trượt chặn (hướng trục), bôi trơn thuỷ động, hoặc thuỷ tĩnh

Để hình thành chế độ bôi trơn thuỷ động phải bảo đảm giữa hai bề mặt phải tạo được khe hở hình chêm, dầu có độ nhớt nhất định phải liên tục chảy vào khe hở đó và vận tốc tương đối giữa hai bề mặt phải có phương, chiều thích hợp và trị số đủ lớn Đối với ổ trượt chặn thuỷ động, khe hở hình chêm được tạo bằng các mặt vát nghiêng theo một hướng, hoặc sử dụng kết cấu quay lắc tự lựa vị trí

Hình 2.6 Sơ đồ kết cấu ổ chặn thuỷ động

Trong ổ trượt chặn thuỷ tĩnh, màng dầu bôi trơn giữa hai bề mặt có chiều dày h được hình thành do bơm dầu có áp suất cao vào các hốc (buồng) giữa hai bề mặt Chiều dày

màng dầu h không đổi ngay cả khi tốc độ tương đối giữa hai bề mặt ma sát bằng không

(0) Gối đỡ thuỷ tĩnh có thể có dạng hình học bất kỳ: phẳng, trụ, tròn, côn, hoặc cầu nhưng dạng của mặt tỳ luôn tương ứng với dạng của mặt tựa Dòng dầu hướng từ hốc theo bề mặt tựa ra phần chu vi của nó, sau đó được cấp trở lại các hốc bằng hệ thống bơm bôi trơn Để khe hở giữa hai mặt của gối đỡ thuỷ tĩnh ( hình 2.7) không đổi thì lượng dầu

ra khỏi gối trong một đơn vị thời gian phải bằng lượng dầu cấp vào nó

Như ta đã biết, phương trình Reynolds là nền tảng

để xây dựng lý thuyết bôi trơn Bởi vậy để tính toán

ổ trượt nói chung và ở trượt chặn nói riêng các tính toán đều dựa trên việc khảo sát nghiệm của phương trình này

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cấp dầu cho gối đỡ thủy tĩnh

1- Cấp dầu cho gối khác; 2- Gối đỡ; 3- Mặt tỳ; 4- Biểu

đồ áp lực; 5- Đường cấp dầu; 6- Bộ tiết lưu; 7- Chia

đường cấp; 8- Cấp dầu; 9- Van an toàn; 10- Bơm;

11- Hướng dòng dầu; 12- Lỗ cấp dầu bôi trơn; 13- Bề

mặt tựa; 14- Buồng có áp;

W- Tải tác dụng; h- Chiều dầy màng dầu; p p - Áp lực bơm;

p r - Áp lực trong buồng; p s - Áp lực cung cấp

Tính toán ổ trượt chặn bôi trơn thuỷ tĩnh dạng phẳng [4], [6]

Trong ổ trượt thuỷ tĩnh nói chung và ổ trượt chặn thuỷ tĩnh nói riêng dầu bôi trơn dưới

áp lực cao được cấp vào buồng dầu Buồng dầu có kích thước (diện tích, chiều sâu) xác định, nằm trên mặt đỡ cố định của ổ Để bảo đảm chế độ ma sát bôi trơn ướt ta cần phải xác định áp suất dầu trong buồng dầu, khả năng chịu tải và lưu lượng dầu cần thiết để bảo đảm chiều dày màng dầu

- Ổ chặn thuỷ tĩnh hình tròn với hốc dầu hình vành khăn ( hình 2.8)

d

Phương trình trên được giải cho từng phần riêng biệt theo hướng dòng chảy dầu ra ngoài ổ (hướng 2-1) và hướng dầu chảy vào trong ổ (hướng 3-4) Ta có:

r

dr c

dp2−1 = 1

r

dr c

dp3−4 = 3

Tích phân hai phương trình trên ta có:

2 1

1

2 C ln r C

4 3

4

3 C ln r C

w

p = 0 khi r = r 1 và r = r 4

p = p 0 (áp suất trong buồng dầu) khi r = r 2 và r = r 3

Ta có :

2 1

0 1

ln

r r

p

C = −

2 1

1 0 2

ln

ln

r r

r p

C =

4 3

0 3

ln

r r

p

4 3

4 0 4

ln

ln

r r

r p

Thay vào phương trình trên ta có:

2 1

1 0 2 1

1 0 2 1 0 1 2

ln

lnln

.lnln

.ln

r

r r

r p r r

r p r r

r p

4 3

4 0 4 3

4 0 4 3 0 4 3

ln

lnln

.lnln

.ln

r r r

r p r r

r p r r

r p

3

r r

- Khả năng chịu tải của ổ với ổ dầu hình vành khăn tính như sau:

2 2 0 4

3 2

0 1 2

3

4 1

2

) (

p rdrd

p W

2 2 0 4

3

4 0 2

0

2 1

1 0

3

4 1

2

) (

ln

ln

r p d

rdr r r r

r p W

2 4

2 3

2 1

2 2

2 1 0

ln ln

2

.

r r

r r r

r

r r p

Khả năng chịu tải (tải nâng) W có thể tính dưới dạng:

p

K r r p

4

2 1

2 4

2 3

2 1

2 2

2 1 2 4

2

( 2 1

r r

r r r r

r r r r

Lưu lượng Q tính bằng tổng lưu lượng dầu chảy vào phía ngoài Q 1 theo hướng (2-1)

và Q 2 theo hướng chảy vào phía trong (3-4), sau khi tính ta có:

4 3 0 3

2 1 0

3 2

1

ln

1 6

ln

1 6

r r p h r

r p

h Q

Q Q

µ

π µ

π

−

= +

2 4

2 3 2 1

2 2

2 1 0

lnln

2

r r

r r r r

r r

P p

1 2

2

2 1 4 3

4

3 2

1 3

lnln

lnln

r

r r

r r r

r

r r

r P

h Q

P h

4

2 1

3

−

=

π µ

Trong đó K Q - Hệ số lưu lượng không thứ nguyên

4

2 3 2

1 2

2

2 1 4 3

4

3 2

1 2

4

2 1

lnln

lnln

3

1

r r r

r r

r r r

r

r r

r r

−

=

π

Một trong các yếu tố quan trọng đối với ổ chặn thuỷ tĩnh, là xác định công suất bơm

dầu để bảo đảm lưu lượng tương ứng với tải nâng và chiều dày màng dầu h

0

.p

Q

Nnp = Trong đó Q - lưu lượng; p 0 - áp suất dầu trong hốc

Thay giá trị Q và p 0 đã tính ở trên ta có:

r r

P h

N

2

2 4

2 1

Trong đó K Nnp – hệ số công suất bơm dầu không thứ nguyên

2 2 4

2 1 2 2 4

2 3 2

1 2

2

2 1 4 3

4

3 2

1 4

3 2 1

lnln

lnln

lnln3

2

r r r r r

r r

r r r

r

r r

r r

r r

= π

d r h

r M

π π

α

ω µ α

ω µ

4

4 3

4 2

4 1

4 2

4 1

4 2

4 1 2 2 4

2 1

2

1

r r r

r r

.C Q

N

∆ Trong đó: Q - lưu lượng

ρ - tỷ trọng dầu

C - nhiệt dung của dầu

- Ổ chặn thủy tĩnh hình tròn với hốc dầu trung tâm hình tròn (Hình 2.10)

Hình 2.10 Ổ chặn thuỷ tĩnh với hốc dầu trong trung tâm hình tròn

Trường hợp ổ chặn thuỷ tĩnh với ổ dầu trung tâm hình tròn ta có thể tính như

trường hợp riêng của ổ vành khăn trong đó r 3 = r 4 = 0

- Phân bố áp suất

2 1

1

0ln

ln

r

r r

r p

2

1 2

ln

1.21

r r r

P h

1

3

π µ

=

Trong đó K Q – hệ số lưu lượng không thứ nguyên

2 1

2

1

1.3

K Q π

w

- Công suất bơm dầu

N = ⎜⎜ ⎝ ⎛ 2⎟⎟ ⎠ ⎞

1

3

π µ

π

Trong đó K Nnp - Hệ số công suất bơm không thứ nguyên

2 2 1 2 2 1

1

ln3

- Ổ chặn thuỷ tĩnh hình tròn hốc dầu trung tâm vành tựa dạng trục bậc

Hình 2.11 Ổ chặn thuỷ tĩnh hình tròn hốc dầu trung tâm vành tựa dạng trục bậc

Các công thức tính toán, hệ số không thứ nguyên cho dạng ổ này giống như ổ chặn

tròn với hốc dầu tròn ở trung tâm, song chỉ khác hệ số chịu tải không thứ nguyên K P

w

1 2

1

2

2 1

ln

12

r r

số không thứ nguyên

Gối đỡ thuỷ lực sử dụng trong máy nghiền đứng là dạng gối phẳng với tấm đỡ hình dẻ quạt, buồng dầu tròn hoặc đồng dạng, bôi trơn thuỷ tĩnh Các hệ số không thứ nguyên cho gối đỡ tròn buồng trung tâm, gối đỡ tròn buồng vành khăn đã được phân tích tính toán ở trên Các hệ số cho ổ thuỷ tĩnh có dạng hình học khác chủ yếu dựa vào kết quả thí nghiệm Để tính toán các hệ số không thứ nguyên cơ bản, đề tài

đã xây dựng phương pháp tính các hệ số không thứ nguyên cho ổ trượt chặn với tấm đỡ (segment) hình dẻ quạt với buồng dầu tròn hoặc đồng dạng Kết quả tính toán được trình bày trong mục 4.2 “Nghiên cứu, tính toán các thông số cơ bản của gối đỡ thủy lực”

II.3 Bản chất của bài toán thủy lực trong gối thủy lực:

Gối đỡ thủy lực làm việc dựa trên nguyên lý bôi trơn màng dầu có nghĩa là khi gối làm việc hai nửa gối quay tương đối với nhau (qui ước nửa gối trên quay, nửa dưới đứng

yên) trên một màng dầu mỏng có chiều dày h Theo tài liệu “Thủy động lực học” trang

140 ÷ 148[3] có thể áp dụng bài toán thủy lực tương tự là chuyển động xuất hiện trong chất lỏng nhớt nằm giữa hai mặt phẳng rắn song song cách nhau một khoảng h, khi một trong hai mặt phẳng thực hiện chuyển động dao động ở trong mặt phẳng của nó sẽ gây ra dạng sóng ngang với vận tốc vy = v vuông góc với phương truyền của sóng

Vận tốc của chất lỏng phải thỏa mãn điều kiện biên v = u, nghĩa là vx = vz = 0 ,

u

vy = với x = 0

Vì lý do đối xứng, rõ ràng là tất cả các đại lượng chỉ phụ thuộc vào x (và thời gian t)

Do đó phương trình liên tục div v = 0 cho ta

grad t

e u

v = −ω thỏa mãn điều kiện

v = u với x = 0 Thay vào (2.1), ta được:

t x i xe e u

Trục y được lấy theo chiều của các dao động của mặt

Tuy nhiên dao động của sóng ngang có thể giảm nhanh khi xa dần mặt vật rắn dao động đã tạo ra chúng Các biên độ tắt dần theo quy luật hàm mũ với độ xuyên sâu δ=

ω

υ

2 Độ sâu này giảm khi tần số sóng tăng và tăng khi độ nhớt của chất lỏng tăng Tìm nghiệm của phương trình (II.3-1) dưới dạng:

v = ( A sin kx + B cos kx ) e−iωt (II.3-4)

Xác định A và B từ các điều kiện v = u = u0e−iωt với x = 0; v= 0 khi x = h Kết

kh

x h k u

sin

) (

Lực ma sát (trên một đơn vị diện tích) tác dụng lên mặt phẳng chuyển động bằng

gkh ku

x

v P

v P

h x

chiều dày lớp chất lỏng h rất nhỏ so với kích thước mặt phẳng thì: sin k(h - x) ≈ h - x; sin

gối thủy lực dạng thủy tĩnh bằng vận tốc quay của nửa gối trên tại mặt tiếp xúc giữa màng dầu và nửa gối trên và giảm về 0 tại mặt tiếp xúc giữa màng dầu và nửa gối dưới theo công thức (2.8)

Lực ma sát tác động lên mặt vật rắn rõ ràng hướng theo trục y và các công thức (II.3-6) và (II.3-7) trở thành:

h

v h

u

đối với cả hai mặt phẳng (II.3-9)

Lực ma sát ( đối với một mức tải đã xác định) trong trường hợp này, cụ thể là trong

gối thủy lực dạng thủy tĩnh phụ thuộc vào độ nhớt động lực của chất lỏng (chất bôi trơn), vào tốc độ dao động của mặt phẳng (tốc độ quay của nửa gối trên) và chiều dày lớp chất lỏng giữa hai mặt phẳng (chiều dày màng dầu) Độ nhớt động học phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian Nói cách khác lực ma sát là một hàm của các đại lượng độ nhớt, nhiệt độ, thời gian, chiều dày màng dầu, tốc độ dao động của gối

Trong gối thủy lực, lực ma sát được tính:

Fms = fms P Trong đó: P - tải trọng thẳng đứng tác dụng lên gối

fms - hệ số ma sát trong gối thủy lực

Theo phân tích ở trên thì hệ số ma sát trong gối thủy tĩnh là một hàm phụ thuộc độ nhớt, nhiệt độ, thời gian, chiều dày màng dầu, tốc độ quay của gối

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Ma sát học

VS GS TSKH Nguyễn Anh Tuấn, PGS TS Phạm Văn Hùng

Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2007

2 Lý thuyết bôi ướt

VS GS TSKH Nguyễn Anh Tuấn, GVC Ths Bùi Văn Gôn

Nhà xuất bản xây dựng – Hà Nội 2006

6 С А ЧЕРНАВСКИИ – ПОДШИПНИКИ СКОЛЪЖЕНИЯ

MАШИНОСТРОИТЕЛЪНАЯ ЛИТЕРАТУРА- Москва 1963

7 R.Gohar H.Rahnejat – Fundamentals of Tribbology

Imperial College Press 2008

8 Богданов.О.И Расчет Опор Сколъжения

ТЕХИКА КИЕВ – 1966

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

HỆ THỐNG THỦY LỰC III.1 Đặt vấn đề

Gối đỡ thủy lực theo nguyên lý bôi trơn thủy tĩnh sử dụng trong máy nghiền đứng

là dạng ổ chặn với tấm đệm hình dẻ quạt Qua phân tích ở chương 2 “Cơ sở lý thuyết

của gối đỡ thủy lực”, ta có thể thấy rằng để tính toán gối đỡ thủy lực (bôi trơn thủy

động hoặc bôi trơn thủy tĩnh) tiện ích nhất là tính toán qua các hệ số không thứ nguyên (khả năng chịu tải, áp suất, lưu lượng…) được thiết lập trên cơ sở của các phương trình

cơ bản của lý thuyết bôi trơn màng dầu (fluid thin film theory)

Mọi gối đỡ thủy tĩnh đều làm việc theo nguyên tắc cấp dòng dầu bôi trơn có áp liên tục vào giữa hai bề mặt chuyển động tương đối Chất lượng làm việc của loại gối

đỡ như vậy phụ thuộc chủ yếu vào độ tin cậy khi hoạt động của hệ thống cấp dầu bôi trơn Bài toán thiết kế đơn giản nhất cho một gối đỡ thủy tĩnh thường được trình bầy như sau:

“Thiết kế một gối đỡ thủy tĩnh có diện tích toàn bộ bề mặt là A p chịu tải trọng hướng trục W với chiều dầy màng dầu tối thiểu là h Tính chất của loại vật liệu bôi trơn được cho trước Cần xác định: áp suất dầu cần thiết trong buồng tạo áp p r ; lưu lượng dầu Q; công suất đẩy dầu qua khe hẹp H; áp suất tách hai bề mặt của gối đỡ P L ”

Giữa ba đại lượng: áp suất dầu trong buồng tạo áp, lưu lượng dầu và công suất đẩy

dầu qua khe hẹp có mối liên quan chặt chẽ và tồn tại những giá trị để cho H là cực tiểu Khi tiến hành thiết kế thường dựa vào ba đại lượng không thứ nguyên là a f , q f và

H f để chọn lựa các kích thước hình học hợp lý Giá trị của những đại lượng này không phụ thuộc vào kích thước tuyệt đối của gối mà chỉ phụ thuộc tỷ lệ giữa chúng Chính xác hơn là tỷ số diện tích của buồng tạo áp với tổng diện tích của gối đỡ Do vậy việc xác định các hệ số không thứ nguyên này cho một dạng hình học cụ thể của gối đỡ thủy tĩnh có ý nghĩa hết sức quan trọng

Hệ số tải trọng của gối đỡ thủy tĩnh af được xác định bằng biểu thức:

A p

af – Hệ số tải trọng của gối đỡ

W – Khả năng chịu tải thực của gối (KG)

pr – Áp suất trong buồng của gối đỡ khi có khe hở (KG/cm2)

Lượng dầu chảy qua khe hở hoặc lưu lượng dầu bôi trơn qua gối đỡ thủy tĩnh được xác định bởi biểu thức:

p f

Q A q

W h

µ

Q- Lưu lượng dầu (cm3/sec)

qf - Hệ số lưu lượng của gối đỡ

W- Tải trọng tác dụng lên gối đỡ (KG)

h- Chiều dầy màng dầu bôi trơn (cm)

µ- Độ nhớt tuyệt đối của dầu bôi trơn (KG.sec/cm2)

Công suất cần thiết của bơm để đẩy dầu qua khe hẹp trong gối đỡ, tính bằng tích giữa áp lực trong buồng và lưu lượng qua ổ

3 2

q H a

Một số tài liệu đã giới thiệu công thức xác định các hệ số không thứ nguyên (af, qf,

Hf) cho gối đỡ tròn buồng tròn trung tâm, gối đỡ tròn buồng vành khăn, gối đỡ chữ nhật buồng chữ nhật, hình côn, hình cầu Tuy nhiên, chưa có tài liệu nào trình bầy đủ chi tiết cơ sở tính toán cho guốc đỡ phẳng có hình dạng khác Chủ yếu các số liệu dùng cho thiết kế các ổ đỡ thủy tĩnh có dạng hình học khác với các hình dạng đã nêu trên đều dựa trên kết quả thí nghiệm

Trên cơ sở các biểu thức giải tích cơ bản đã biết và công cụ tính toán mới có thể xây dựng được phương pháp đủ tin cậy xác định ba hệ số không thứ nguyên quan trọng của gối đỡ nhiều guốc dạng quạt khi cấp dầu vào buồng trung tâm hình tròn, thậm chí cả gối đỡ có hình dạng phức tạp hơn

III.2 Nghiên cứu tính toán các thông số cơ bản của gối đỡ thủy lực

Sau khi tham khảo các tài liệu kỹ thuật của nhiều máy nghiền đứng do các hãng nước ngòai sản xuất chúng tôi đã chọn kết cấu gối đỡ thủy lực dạng tấm đỡ segment và tích hợp với hộp số của máy nghiền đứng năng suất 15T/h Với ổ trượt nhiều segment

có hai loại buồng tạo áp điển hình là buồng tròn và buồng đồng dạng với biên ngoài Dòng dầu có áp được cấp vào buồng của gối đỡ, khi áp lực lớn hơn áp suất tách hai bề

mặt, dòng dầu bôi trơn sẽ chuyển động từ tâm buồng ra ngoài biên Trong những trường hợp này, do kích thước của khe hẹp rất nhỏ nên dòng chảy từ tâm ra biên được coi là dòng chạy tầng

3.2.1 Phương trình chuyển động và tốc độ dòng chảy

Xét một phân tố chất lỏng vô cùng nhỏ nằm cách trung tâm dòng dầu chảy vào buồng là r có dài dr chiều cao y chiều rộng là một đơn vị ( Hình 3.1)

Hình 3.1 Sơ đồ tính tốc độ dòng dầu trong khe hẹp chảy hướng tâm

Ngoại lực tác dụng lên phân tố là các lực bề mặt Phương trình cân bằng có dạng: