Chương 7 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống bôi trơn 155 Chương 7 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống bôi trơn 156 Chương 7 TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG BÔI TRƠN I. YÊU CẦU TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG BÔI TRƠN I.1. Nhiệt độ của dầu bôi trơn Như chúng ta đã biết, ngoài công dụng làm trơn các bề mặt ma sát để giảm tổn thất ma sát trong quá trình động cơ làm việc, dầu bôi trơn còn có một tác dụng khác rất quan trong là làm mát các bề mặt này (đặt biệt là ổ trục). Dầu bôi trơn tải nhiệt lượng do ma sát sinh ra khỏi các bề mặt, nhằm bảo đảm nhiệt độ làm việc bình thường cho các bề mặt ma sát. Trong quá trình tính toán để xác đònh nhiệt độ của dầu bôi trơn, cần phải đảm bảo những yêu cầu sau: - Nhiệt lượng của động cơ truyền cho dầu bôi trơn phải cân bằng với nhiệt lượng do két làm mát dầu tản ra ngoài. - Chênh lệch nhiệt độ của dầu trong két làm mát thường chọn bằng chênh lệch nhiệt độ của dầu khi vào và khi ra khỏi động cơ. Nhiệt độ trung bình của dầu bôi trơn trong két thường vào khoảng (75 85) o C. Nhiệt độ trung bình của không khí qua két làm mát dầu trong điều kiện làm việc nặng có thể chọn bằng 45 o C. I.2. Lưu lượng dầu bôi trơn Lượng dầu bôi trơn phụ thuộc vào số ổ trục và tổng diện tích ma sát. Do dầu nhờn còn có nhiệm vụ làm mát ổ trục nên có thể xác đònh lượng dầu nhờn qua ổ trục bằng phương pháp tính toán nhiệt của ổ trượt. Sau đó tổng hợp lại để tìm lưu lượng dầu nhờn cần cung cấp cho các mặt ma sát của động cơ. Mặc khác cũng có thể tính lưu lượng dầu nhờn theo phương pháp tính cân bằng nhiệt động cơ. Vì nhiệt lượng do dầu nhờn tải đi phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái nhiệt của ổ trục, trạng thái nhiệt và trạng thái công suất của động cơ. Theo số liệu thực nghiệm, đối với các loại động cơ đốt trong hiện nay, nhiệt lượng do dầu nhờn đem đi Q d thường chiếm khoảng 1,5 2% tổng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy trong xylanh sinh ra. Vì vậy có thể xác đònh Q d như sau : rd Q)020,0015,0(Q , (kcal/h) Nhiệt do nhiên liệu cháy sinh ra trong một giờ Q r xác đònh theo phương trình sau: e e r N632 Q Trong đó: e – hiệu suất có ích của động cơ đốt trong. 35,025,0 e Do đó: eed N)5030(N632 )35,025,0( )020,0015,0( Q (7-1) Trong những loại động cơ dùng dầu nhờn làm mát đỉnh piston, có thể chọn Q d (100 110)N e . Chương 7 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống bôi trơn 157 Từ đó có thể tính lưu lượng cần thiết của dầu bôi trơn cung cấp cho các mặt ma sát: tc Q V d d d , (l/h) (7-2) Trong đó: – mật độ dầu nhờn; 0,85 (kg/l). c d – tỷ nhiệt của dầu nhờn. c d = 0,5 kcal/kg o C t = 10 15 o C Thay (7-1) vào (7-2) ta có: V d = (7 10).N e (l/h) Nếu làm mát đỉnh piston: V d = (20 25).N e (l/h) Để đảm bảo cung cấp đủ lượng dầu nói trên, bơm dầu thường phải cung cấp lưu lượng lớn gấp vài lần. Do đó, lưu lượng V b ’ của bơm dầu có thể xác đònh như dưới đây: V b ’ = (2 3,5).V d (l/h) - Đối với động cơ xăng: V b ’ = (14 20).N e (l/h) - Đối với động cơ Diesel: V b ’ = (20 40).N e (l/h) Trong hệ thống bôi trơn cácte khô, lưu lượng của các bơm hút (V hu ) thường chọn lớn hơn lưu lượng của các bơm nén (V bn ): V hu = (2 2,5).V bn Nếu xét đến hiệu suất của bơm, lưu lượng lý thuyết của bơm dầu xác đònh theo công thức sau: b ' b b V V Trong đó: b – hiệu suất cung cấp của bơm dầu. - Đối với bơm bánh răng: b = 0,7 0,8. - Đối với bơm phiến trượt: b = 0,8 0,9. Căn cứ vào các thông số kích thước của bánh răng bơm dầu, có thể xác đònh lưu lượng dầu (V b ) theo công thức sau: 6 b 26 bob 10.60Zbnm210.60hbndV , (l/h) Trong đó : d o – đường kính vòng chia (mm). H – chiều dày của bánh răng (mm). n b – vòng quay của bơm dầu (vg/ph). m – môđuyn của răng (mm). Z – số răng. Chương 7 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống bôi trơn 158 Đối với bơm phiến trượt: 6 bb 10.Fbn12,0V , (l/h) Trong đó: F – diện tích chứa dầu của bơm (mm 2 ). b – chiều dài của phiến trựơt (mm). n b – số vòng quay của bơm phiến trượt (vg/ph). II. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ CÔNG SUẤT DẪN ĐỘNG BƠM II.1. Xác đònh kích thước bơm Trong quá trình thiết kế bơm dầu, kích thước và tỷ số truyền được lựa chọn sao cho kích thước của bơm nhỏ gọn nhất mà vẫn bảo đảm được lưu lượng cần thiết và tốc độ quay vòng của của bánh răng không vượt quá giới hạn cho phép (thường vào khoảng 6 8m/s). Kích thước của bơm ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng và hiệu suất của bơm ( b ). Nhưng hiệu suất của bơm lại thay đổi theo các thông số sau: - Khe hở hướng kính và khe hở cạnh: khi tăng khe hở hướng kính và khe hở cạnh, do hiện tượng rò dầu từ khoang dầu cao áp sang khoang dầu thấp áp nên làm giảm hiệu suất bơm. - Nhiệt độ của dầu vào: khi nhiệt độ của dầu còn thấp (nhỏ hơn 60 o C), độ nhớt của dầu lớn nên khó điền đầy khe hở của các bánh răng (bơm bánh răng). Khi nhiệt độ dầu tăng lên, làm độ nhớt của dầu giảm nên dầu dễ rò về khoang áp suất thấp và hiệu suất bơm giảm. - Tốc độ dẫn động bơm: khi tốc độ thấp (1200 vg/ph), do ảnh hưởng của rò dầu lớn nhất nên hiệu suất bơm giảm dần khi nhiệt độ tăng. II.2. Công suất dẫn động của bơm Công suất dẫn động bơm dầu có thể tính theo công thức sau : 27000 1 ).pp(V 1 N dvdrb m b , (hp) Trong đó: m – hiệu suất cơ giới của bơm dầu nhờn. Khi xét đến tổn thất ma sát và tổn thất thủy động: m = 0,85 0,90. V b – lưu lượng lý thuyết cua bơm dầu (l/h). p dr và p dv – áp suất dầu ra và áp suất dầu vào bơm (kG/cm 2 ). III. TÍNH TOÁN LỌC DẦU III.1. Tính toán bầu lọc thấm III.1.1. Bầu lọc thấm dùng lõi lọc kim loại Tính toán khả năng lọc của loại bầu lọc dùng lõi lọc kim loại chủ yếu là xác đònh khả năng thông qua của bầu lọc bằng hệ số tiết diện thông qua k tp. - Hệ số tiết diện thông qua k tp được xác đònh theo công thức sau: %, s ) 360 1(100 k tp Trong đó: – khe hở lọc (mm). Chương 7 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống bôi trơn 159 s – chiều dày của phiến lọc (mm). – góc chiếm chỗ của phiến gạt (độ). Hệ số tiết diện thông qua của các loại lọc thấm thường vào khoảng 0,28 0,32. - Tiết diện thông qua F tp của lõi lọc xác đònh theo công thức sau: 2 d b tp 10 v6 V F , (cm 2 ) Trong đó: V b – lưu lượng của bơm dầu (l/ph) v d – tốc độ trung bình của dầu qua lọc (cm/s). Có thể chọn v d theo bảng 7.1 Bảng 7.1 Tốc độ trung bình của dầu nhờn qua lọc Kiểu lọc thấm v d , (cm/s) Lọc lưới 2,0 2,5 Lọc tấm, phiến 6 12 Lọc dải đònh hình 9 18 - Diện tích lọc F của lõi lọc xác đònh theo công thức sau: tp tp k F F , (cm 2 ) - Chiều cao của lõi lọc d E h , (cm) Trong đó: d – đường kính trung bình của lõi lọc (cm). 2 dd d 21 III.1.2. Bầu lọc thấm dùng lõi lọc bằng dạ, bằng giấy Tính toán loại lọc này rất khó vì thường không xác đònh được tiết diện thông qua một cách chính xác. Vì vậy, khi thiết kế nên tham khảo kích thước của những loại lọc tinh của động cơ có công suất tương đương. Có thể căn cứ vào tổng dung tích công tác của động cơ để lựa chọn sơ bộ kích thước lõi lọc theo số liệu thống kê trong bảng 7.2. Tính kiểm nghiệm khả năng lọc của bầu lọc thấm theo công thức sau đây: p CFV 1 , (l/ph). Trong đó: V 1 – lưu lượng dầu qua lọc (l/ph). F – diện tích thông qua lý thuyết tính theo công thức: dhF Hình 7. 1. Lõi lọc kim loại. d 1 d 2 o s Chương 7 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống bôi trơn 160 p – độ chênh áp của bầu lọc (của áp suất dầu vào và ra). drdv ppp , (kG/cm 2 ) thường có thể chọn: )cm/kG(5,11p 2 . – độ nhớt của dầu. C – hệ số lưu thông, theo số liệu thực nghiệm: - Đối với các loại lõi lọc bằng hàng len, da, giấy thấm: C = 0,015. - Đối với các loại lõi lọc bằng hàng sợi bông, lụa: C = 0,006. Bảng 7.2 Kích thước lõi lọc Thể tích công tác V h (l) Đường kính lõi lọc d (mm) Chiều cao lõi lọc h (mm) 4 trở lên 116 204 1,5 – 4 116 126 dưới 1,5 88 135 III.2. Tính toán bầu lọc ly tâm Tính toán kiểm nghiệm bầu lọc ly tâm chủ yếu là xác đònh số vòng quay của roto và đường kính của roto. - Phản lực tác dụng trên đường tâm lỗ phun khiến roto quay, xác đònh theo công thức sau: )vv( g2 G )vv( 2 m F rdrd hoặc: 30 Rn f2 V g2 V F Trong đó: m và G – khối lượng và trọng lượng dầu nhờn qua một lỗ phun trong một giây. v d – tốc độ của tia dầu phun ra khỏi lỗ phun. v r – tốc độ vòng của tâm lỗ phun – mật độ của dầu nhờn. V – lưu lượng của dầu nhờn phun qua một lỗ phun trong một giây. n – số vòng quay của roto trong một phút. f – diện tích tiết diện lỗ phun R – khoảng cách từ tâm lỗ phun đến tâm trục roto – hệ số co dòng của dầu nhờn chảy qua tiết diện lỗ phun. Bảng 7.3 giới thiệu hệ số co dòng và hệ số lưu lượng 1 của dòng dầu qua lỗ phun của bốn loại lỗ phun giới thiệu trên hình 7.2 Chương 7 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống bôi trơn 161 Bảng 7.3 Hệ số và 1 của các dạng lỗ phun Hệ số dạng lỗ phun 1 1 0,9 0,80 2 1,0 0,83 3 1,0 0,78 4 1,0 0,86 IV. TÍNH KÉT LÀM MÁT DẦU Việc tính toán két làm mát dầu bôi trơn là ta đi xác đònh các thông số cơ bản sau. Nhiệt lượng của động cơ truyền cho dầu nhờn: )tt(VcQ dvdrddd , (kcal/h) Nhiệt lượng này cân bằng với nhiệt lượng do két làm mát dầu tản ra ngoài, vì vậy: )tt(VcQ drkdvkkdd , (kcal/h) Trong đó: V d , V k – lưu lượng dầu nhờn tuần hoàn trong động cơ và lưu lượng dầu chảy qua két làm mát. t dv , t dr – nhiệt độ dầu vào và ra khỏi động cơ ( o C). t dvk, t drk – nhiệt độ dầu vào và ra khỏi két làm mát dầu ( o C). c d – tỷ nhiệt của dầu nhờn (kcal/kg o C). – mật độ dầu nhờn (kg/l). Hình 7. 2. Các dạng lỗ phun thường dùng trong bầu lọc ly tâm. 5,5 120 o 10 l 2 2 l 13 o 10 2 4 2 10 13 o 13 o 1 3 4 2 10 Chương 7 – Tính sức bền các chi tiết của hệ thống bôi trơn 162 Trong hệ thống bôi trơn cácte khô, dầu nhờn được làm mát liên tục, vì thế V d = V k . Diện tích cản nhiệt cần thiết của két làm mát dầu xác đònh theo công thức sau: )tt(K Q F kdk d k , (m 2 ) Trong đó: K d – hệ số truyền nhiệt tổng quát giữ dầu nhờn và môi chất làm mát (kcal/m 2 h o C) t d, t k – nhiệt độ trung bình của dầu nhờn trong két và của môi chất làm mát ( o C). 2 tt t drkdvk d ; 2 tt t kvkr k Chênh lệch nhiệt độ của dầu trong két làm mát thường chọn bằng chênh lệch nhiệt độ của dầu khi vào và khi ra khỏi động cơ. Do đó, (t d – t k ) = (t dr – t dv ). - Đối với động cơ xăng, thường chọn: C2010ttt o dvdrd - Đối với động cơ Diesel, thường chọn: C4020ttt o dvdrd Nhiệt độ trung bình của dầu nhờn trong két thường vào khoảng (75 85) o C. Nhiệt độ trung bình của không khí qua két làm mát dầu trong điều kiện làm việc nặng có thể chọn bằng 45 o C. Hệ số truyền nhiệt K d phụ thuộc khá nhiều nhân tố truyền nhiệt. - Đối với loại két làm mát dầu dùng kiểu ống thẳng và nhẵn. Chm/kcal300100K o2 d - Đối với loại két làm mát dầu dùng kiểu ống tạo dòng dầu chảy xoáy. Chm/kcal1000700K o2 d . 35, 025 ,0 e Do đó: eed N)5030(N6 32 )35, 025 ,0( ) 020 ,0015,0( Q ( 7- 1 ) Trong những loại động cơ dùng dầu nhờn làm mát đỉnh piston, có thể chọn Q d (100 110)N e . Chương 7. Hình 7. 2. Các dạng lỗ phun thường dùng trong bầu lọc ly tâm. 5,5 120 o 10 l 2 2 l 13 o 10 2 4 2 10 13 o 13 o 1 3 4 2 10 Chương 7 –. như dưới đây: V b ’ = (2 3,5).V d (l/h) - Đối với động cơ xăng: V b ’ = (14 20 ).N e (l/h) - Đối với động cơ Diesel: V b ’ = (20 40).N e (l/h) Trong hệ thống bôi trơn