Nghiên cứu thiết kế chế tạo bơm root ứng dụng trong công nghiệp

NGUYỄN THÀNH TRUNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THÀNH TRUNG CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BƠM ROOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ KHOÁ 2014B Hà Nội – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BƠM ROOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN HỒNG THÁI Hà Nội – 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tên NGUYỄN THÀNH TRUNG, học viên cao học lớp 14BCĐT.KH, khóa 2014B, chuyên ngành Cơ điện tử Sau thời gian học tập, nghiên cứu trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, giúp đỡ thầy cô giáo, đặc biệt TS NGUYỄN HỒNG THÁI, hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Tôi xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kết nghiên cứu thân tôi, chép hay copy tác giả Tôi xin tự chịu trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, Ngày 21 tháng 11 năm 2015 Tác giả NGUYỄN THÀNH TRUNG ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ VI DANH MỤC CÁC BẢNG IX MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BƠM ROOT 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BƠM ROOT 1.2 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO 1.2.1 Nguyên lý hoạt động 1.2.2 Cấu tạo 1.3 ƯU ĐIỂM CỦA BƠM ROOT 1.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA BƠM ROOT 11 1.5 MỘT SỐ HÃNG CHẾ TẠO BƠM ROOT TRONG CÔNG NGHIỆP 14 1.5.1 Hãng Wright Flow Technologies (USA) 14 1.5.2 Hãng ipp Pump Products GmbH (Germany) 15 1.5.3 Hãng Viking Pump (USA) 17 1.6 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ THẾ GIỚI VỀ BƠM ROOT 18 1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG I 22 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC BƠM ROOT KIỂU XYCLÔÍT 23 2.1 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG HYPÔXYCLÔÍT 23 2.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG EPIXICLÔÍT 25 2.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH BIÊN DẠNG CÁNH BƠM 28 2.4 XÁC ĐỊNH CÁC BIỂU THỨC TÍNH TOÁN THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC CỦA BƠM .30 2.4.1 Bơm Root cánh (Z = 2) .30 2.4.2 Bơm Root cánh (Z = 3) 31 2.4.3 Bơm Root cánh (Z = 4) 31 2.4.4 Bơm Root cánh (Z = 5) 32 2.4.5 Bơm Root Z 33 2.5 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 34 2.5.1 Sơ đồ thuật toán thiết kế biên dạng 34 2.5.2 Phần mềm mô động học nguyên lý hoạt động 36 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG .40 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC BƠM ROOT KIỂU MỚI THEO NGUYÊN LÝ BÁNH RĂNG KHÔNG TRÒN 42 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 42 3.2 ĐỊNH NGHĨA VÀ TÍNH CHẤT ĐƯỜNG ELIP 46 iii 3.2.1 Định nghĩa đường Elip .46 3.2.2 Phương trình đường Elip hệ tọa độ đề-các 46 3.2.3 Phương trình đường Elip hệ tọa độ cực 47 3.2.4 Tính chất đường Elip 48 3.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LĂN 49 3.3.1 Tính toán tổng quát đường lăn bánh không tròn 49 3.3.2 Tính toán đường lăn cho bánh Elíp 51 3.3.3 Tính toán đường lăn cho cặp bánh lôbe 53 3.4 MỘT SỐ VÍ DỤ ÁP DỤNG 54 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG .56 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG BƠM ROOT KIỂU BIÊN DẠNG XYCLÔÍT 57 4.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH 57 4.2 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM RĂNG 59 4.3 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM RĂNG 62 4.4 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM RĂNG 65 4.5 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM RĂNG 68 4.6 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM VỚI TRƯỜNG HỢP TỔNG QUÁT .72 4.7 VÍ DỤ ÁP DỤNG 74 4.7.1 Tính toán trường hợp cụ thể .74 4.7.2 Đường đặc tính lưu lượng bơm 77 4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG .78 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM ROOT LOẠI RĂNG 79 5.1 KẾT CẤU CỦA BƠM .79 5.2 TÍNH TOÁN MOMENT TÁC DỤNG LÊN TRỤC 80 5.3 TÍNH TOÁN BÁNH RĂNG 83 4.4 TÍNH TOÁN TRỤC 90 5.5 TÍNH CHỌN Ổ LĂN .95 5.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG .97 KẾT LUẬN .98 PHỤ LỤC 1: BẢN VẼ THIẾT KẾ 103 PHỤ LỤC 2: SẢN PHẨM CHẾ TẠO 104 PHỤ LỤC 3: MÃ CODE CHƯƠNG TRÌNH .106 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa 1{O1x1y1} : hệ quy chiếu gắn đĩa lăn 2{O2x2y2} : hệ quy chiếu gắn bánh Hypôxyclôít, Epixyclôít 3{O3x3y3} : hệ quy chiếu gắn bạc lệch tâm  : góc quay hệ quy chiếu 2 so với hệ quy chiếu 1 (là góc quay đĩa lăn so với bánh Hypôxyclôít, Epixyclôít)  : góc quay hệ 1 3 E : độ lệch tâm tâm tích   , E= r1 – r2 T : điểm thuộc tâm tích bánh thời điểm ban đầu tiếp xúc TS : điểm thuộc tâm tích sinh thời điểm ban đầu tiếp xúc P : điểm tiếp xúc hai tâm tích thời điểm t Z : số canhw bơm r : bán kính tâm tích sinh R : bán kính tâm tích bánh a : khoảng cách trục bơm Rv : bán kính khoang bơm d : độ dày cánh bơm Si : diện tích khoang hút (i = 1, 2, ứng với số cánh bơm) Qi : lưu lượng bơm sau vòng quay (i = 1, 2, ứng với số cánh bơm) Qit : lưu lượng bơm sau thời gian t phút (i = 1, 2, ứng với số cánh bơm) Qitt : lưu lượng tức thời bơm (i = 1, 2, ứng với số cánh bơm) Từ viết tắt Nội dung, ý nghĩa TL : bơm trục-vít lệch tâm v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ STT Nội dung Trang Hình 1.1 Bơm Root TLP Series - Johnson Pump Hình 1.2 Các vị trí cánh bơm trình trục Hình 1.3 Cấu tạo bơm Root Hình 1.4 So sánh kích thước bơm Root bơm trục vít lệch tâm Hình 1.5 Đồ thị liên hệ chiều dài lưu lượng bơm Root bơm TL [3] Hình 1.6 Đồ thị liên hệ hiệu suất dung tích bơm Root bơm TL [3] 10 Hình 1.7 Đồ thị nhiệt độ đo thời gian làm việc [3] 11 Hình 1.8 Xe phun phân bón hữu di động [4] 12 Hình 1.9 Hệ thống làm chất thải bể dự trữ [4] 12 Hình 1.10 Bơm Root dây chuyền sản xuất đồ ăn đóng hộp [4] 13 Hình 1.11 Một trạm dây chuyền sản xuất nước ép trái [4] 13 Hình 1.12 Dòng sản phẩm Revolution - Wright Flow Technologies [5] 14 Hình 1.13 Sản phẩm bơm Root ipp Pump Products GmbH [6] 16 Hình 1.14 Sản phẩm bơm Root RL Series [2] 18 Hình 1.15 Bơm DRYMAC PDR-090CH sử dụng trình LPCVD SI-N [7] 19 Sự khác biên dạng hai phương pháp thiết kế Hình 1.16 truyền thống 20 Hình 1.17 Biên dạng cánh bơm với [9] 21 Hình 1.18 Các khe hở bơm Root cánh xoắn [10] 21 Hình 2.1 Các biên dạng cánh bơm Root sử dụng phổ biến 23 Hình 2.2 Đặt hệ quy chiếu thiết lập phương trình đường Hypôxyclôít 24 Hình 2.3 Ví dụ đường Hypôxyclôít thành lập Matlab 25 Hình 2.4 Đặt hệ quy chiếu thiết lập phương trình đường Epixyclôít 26 Hình 2.5 Ví dụ đường Epixyclôít thành lập Matlab 27 vi Hình 2.6 Biên dạng cánh bơm 28 Hình 2.7 Bơm Root cánh 30 Hình 2.8 Bơm Root cánh 31 Hình 2.9 Bơm Root cánh 32 Hình 2.10 Bơm Root cánh 33 Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán tính toán vẽ biên dạng cánh bơm 35 thông số động học thông số động học Hình 2.12 Giao diện phần mềm mô 36 Hình 2.13 Các chức vùng nhập liệu đầu vào 37 Hình 2.14 Màn hình kết tính toán chức FLOWRATE ALREADY KNEW 38 Hình 2.15 Màn hình kết tính toán chức RADIUS OF ROLLING CIRCLE 39 Hình 3.1 Phương pháp chép hình chế tạo bánh không tròn 42 Hình 3.2 Chế tạo bánh không ứng dụng ăn khớp bánh vít không tròn trục vít 43 Hình 3.3 Minh họa chế tạo bánh Elip sinh 44 Hình 3.4 Chuyển động tương đối sinh bánh Elip 45 Hình 3.5 Định nghĩa đường Elip 46 Hình 3.6 Hệ tọa độ cực 47 Hình 3.7 Tính chất đường Elip 49 Hình 3.8 Đường lăn không tròn 50 Hình 3.9 Đường lăn Elip 51 Hình 3.10 Cặp bánh Lobe 54 Hình 4.1 Các thông số hình học bơm Root 57 Hình 4.2 Mặt cắt thể tiết diện S 58 Hình 4.3 Các miền diện tích Hypôxyclôít Epyxyclôít 59 Hình 4.4 Mặt cắt thể diện tích S2 bơm 60 vii Hình 4.5 Mặt cắt thể diện tích S3 bơm 62 Hình 4.6 Mặt cắt thể diện tích S4 bơm 65 Hình 4.7 Mặt cắt thể diện tích S5 bơm 69 Hình 4.8 Mặt cắt thể tiết diện S 73 Hình 4.9 Thông số hình học quy ước bơm Root 75 Hình 4.10 Đường đặc tính lưu lượng lý thuyết Qlt theo tốc độ quay bơm Root 78 Hình 5.1 Kết cấu bơm 79 Hình 5.2 Lực phân bố tác dụng lên cánh bơm thành bơm 80 Hình 5.3 Lực phân bố tác dụng lên cánh bơm 81 Hình 5.4 Chu vi biên dạng cánh bơm Root đo phần mềm 82 Hình 5.5 Moment tác dụng lên cánh bơm 82 Hình 5.6 Đo tọa độ trọng tâm nửa cánh bơm AutoCAD 83 Hình 5.7 Sơ đồ kết cấu trục lực đặt lên trục 91 Hình 5.8 Biểu đồ moment tác dụng lên trục 92 Hình 5.9 Kết cấu trục 95 Hình 5.10 Sơ đồ lực tác dụng kên ổ lăn 95 Hình 6.1 99 Ảnh chụp bơm Root sau chế tạo viii DANH MỤC CÁC BẢNG STT Nội dung Trang Bảng 1.1 Thông số kĩ thuật dòng sản phẩm Revolution 15 Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật dòng sản phẩm “The strong one” 16 Bảng 1.3 Thông số kĩ thuật bơm Root RL Series 18 Bảng 2.1 Bộ thông số động học bơm Root 34 Bảng 3.1 Sơ đồ thông số số loại bơm 55 Bảng 4.1 Thông số kích thước hình học số loại bơm Root 74 dùng phổ biến công nghiệp Bảng 4.2 Thống kê thông số hình học bơm Root 75 Bảng 4.3 Các ví dụ cụ thể tính toán thông số hình học bơm Root 76 Bảng 5.1 Các thông số hình học truyền bánh 85 ix PHỤ LỤC BẢN VẼ THIẾT KẾ 103 PHỤ LỤC SẢN PHẨM CHẾ TẠO CÁC CHI TIẾT CỦA BƠM SAU KHI CHẾ TẠO Áp dụng kết tính toán từ chương vào chế tạo thử nghiệm thu chi tiết hình Hình Ảnh chụp truyền động bơm Hình Ảnh chụp vỏ hộp phần truyền động bánh Hình Ảnh chụp mặt bích truyền động Hình Ảnh chụp vỏ bơm, có phần Mica để nhìn thấy cánh bơm BƠM SAU KHI CHẾ TẠO Hình Ảnh chụp tổng thể chi tiết cấu thành bơm 104 Thông số kĩ thuật bơm Kích thước bao: 98x83x56(mm) Lưu lượng Q: 0.0021(l/vòng) Công suất động cơ: 0.2(Kw) Áp suất: 1.2 atm Hình Ảnh chụp bơm Root sau chế tạo 105 PHỤ LỤC MÃ CODE CHƯƠNG TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH MÃ CODE AUTOLISP VẼ BIÊN DẠNG ;;;VE BIEN DANG RANG CYCLOID, TEN LENH "ROOT" ;;;DAU RANG EPICYLOID, CHAN RANG HYPOCYCLOID ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; (defun vebdr ( p1 p2 k k2 / x y) (command "spline" p1) (repeat n (setq x (* r k (- (cos a) (/ (cos (* k a)) (* k k2)))) y (* r k (- (sin a) (/ (sin (* k a)) k))) ) (command (list x y)) (setq a (+ a da)) ) (command p2 "" "" "") ) ;;; -(defun C:ROOT ( / r0 Z n r p0 p1 p2 p3 a oldos da e1 e2) (setq r0 (getreal "\nBan kinh vong tron co so: ") Z (getint "\nSo rang: ") n (getint "\nSo khoang chia tren cung cycloid :") r (/ r0 Z 2) p0 (list 0) p1 (list r0 0) p2 (polar p0 (/ pi Z) r0) p3 (polar p0 (/ (* pi) Z) r0) a0 106 oldos (getvar "osmode") ) (if (not n) (setq n 1000)) (setq da (/ pi n Z)) (setvar "osmode" 0) (command "zoom" "w" (list (* -2 r0) (* -2 r0)) (list (* r0) (* r0))) (command "circle" p0 r0) (vebdr p1 p2 (+ (* Z) 1) 1) (setq e1 (entlast)) (vebdr p2 p3 (- (* Z) 1) -1) (setq e2 (entlast)) (command "array" e1 e2 "" "P" p0 Z 360 "Y") (setvar "osmode" oldos) (princ) ) ;;;******************************************************* 107 CHƯƠNG TRÌNH MÃ CODE PHẦN MỀM MÔ PHỎNG Class pump.cs: using System;  using System.Collections.Generic;  using System.Drawing;  using System.Linq;  using System.Text;  using System.Threading.Tasks;  using System.Windows.Forms;    namespace ROOTPUMPS_v1._1_CHUAN  {      class Pump      {          private float r;          private int Z;          private List ls;          PointF pOrigin;            public float getR {              get { return r; }          }            public int getZ {              get { return Z; }          }            public float setR {              set { r = value;}          }            public int setZ {              set { Z = value; }          }            public PointF getPOrigin {              get { return pOrigin; }          }            public PointF setPOrigin {              set { pOrigin = value; }          }            public Pump(float r, int Z, PointF pOrigin) {  110             this.r = r;              this.Z = Z;              this.pOrigin = pOrigin;              listPointFPump();          }            #region xác định điểm          private PointF getPointF(int j, double phi1)          {              PointF p;              double xp, yp;              if (j % 2 == 0)              {                  xp = ‐r * Math.Cos((2 * Z + 1) * phi1) + r *  (2 * Z + 1) * Math.Cos(phi1);                  yp = ‐r * Math.Sin((2 * Z + 1) * phi1) + r *  (2 * Z + 1) * Math.Sin(phi1);              }              else              {                  xp = r * Math.Cos((2 * Z ‐ 1) * phi1) + r *  (2 * Z ‐ 1) * Math.Cos(phi1);                  yp = ‐r * Math.Sin((2 * Z ‐ 1) * phi1) + r *  (2 * Z ‐ 1) * Math.Sin(phi1);              }              p = new PointF((float)xp, (float)yp);              return p;          }          #endregion          #region get list point of pump          public void listPointFPump()          {              ls = new List();              int i = 0;              double phi = 0;              double pi = Math.PI;              PointF pIXY1; //điểm trong hệ IXY              PointF pIXY2;              PointF p1 = new PointF(); //điểm trong hệ Oxy              PointF p2 = new PointF();              //gốc tọa độ              float ix0 = pOrigin.X;              float iy0 = pOrigin.Y;              double phiDistanceMin = i * pi / Z;              double phiDistanceMax = (i + 1) * pi / Z;  111             float dPhi = 0.01F;              try              {                  phi = phiDistanceMin;                  while (true)                  {                      pIXY1 = getPointF(i, phi);                      phi += dPhi;                      if (phi >= phiDistanceMax)                      {                          i++;                          phiDistanceMin = i * pi / Z;                          phiDistanceMax = (i + 1) * pi / Z;                          phi = phiDistanceMin;                          if (i > (2 * Z ‐ 1)) break;                      }                      pIXY2 = getPointF(i, phi);                      p1 = new PointF(pIXY1.X + ix0, pIXY1.Y +  iy0); //điểm trong hệ Oxy                      p2 = new PointF(pIXY2.X + ix0, pIXY2.Y +  iy0);                      ls.Add(p1);                  }              }              catch (Exception ex) {                   MessageBox.Show("error: " + ex.Message);               }              ls.Add(p2);              //return ls;            }          #endregion          #region vẽ cánh bơm          public void DrawPump(Graphics g) {              Pen pen = new Pen(Color.Red, 2);              if (ls.Count >= 2)              {                  PointF p1Temp;                  PointF p2Temp;                  for (int i = 1; i  1)                      {                          if (r11