Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số kết cấu và thông số khai thác đến quỹ đạo chuyển động của vành răng trong bơm và mô tơ bánh răng ăn khớp trong

Bài viết trình bày phương pháp xác định quỹ đạo chuyển động của vành răng trong bơm và mô tơ bánh răng ăn khớp trong. Ảnh hưởng của các thông số kết cấu và các thông số khai thác được phân tích và đánh giá cụ thể

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ KẾT CẤU VÀ THÔNG SỐ KHAI THÁC ĐẾN QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA VÀNH RĂNG TRONG BƠM VÀ MÔ TƠ BÁNH RĂNG ĂN KHỚP TRONG Phạm Trọng Hòa1, Thái Hà Phi1, Trương Văn Thuận2, Trần Văn Bộ2 Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp xác định quỹ đạo chuyển động vành bơm mô tơ bánh ăn khớp Ảnh hưởng thông số kết cấu thông số khai thác phân tích đánh giá cụ thể Kết tính tốn thơng số kết cấu khai thác có ảnh hưởng lớn đến độ lệch tâm, góc vị trí tâm vành chiều dầy màng dầu nhỏ Từ khoá: Bơm bánh răng, quỹ đạo chuyển động, chiều dày màng dầu nhỏ nhất, độ lệch tâm ĐẶT VẤN ĐỀ * Bơm mô tơ bánh ăn khớp loại bơm có kết cấu đơn giản, dễ sửa chữa, thay bảo dưỡng giá thành thấp nên loại bơm mô tơ sử dụng rộng rãi hệ thống truyền động thủy lực ô tô, máy xây dựng, tàu thủy, hệ thống thủy lực công nghiệp, turbine điện gió (Pham, 2018) Xác định quỹ đạo chuyển động vành bơm bánh ăn khớp sở để nghiên cứu động lực học bơm mô tơ bánh ăn khớp (Pham et al, 2018) Việc xác định quỹ đạo chuyển động cho phép khảo sát đánh giá ảnh hưởng thơng số đến q trình làm việc bơm mơ tơ Tuy nhiên, có nhiều tượng xảy bơm mô tơ trình ăn khớp, trình hình thành phân bố áp suất khoang cao áp thấp áp, chế độ bôi trơn màng dầu Những yếu tố khiến cho việc dự báo quỹ đạo chuyển động vành bơm mô tơ gặp nhiều khó khăn Cho đến nay, chưa có mơ hình lý thuyết để tính tốn quỹ đạo chuyển động vành công bố Theo tác giả Pham cơng trình (Pham, 2019), khơng xét đến ảnh hưởng ăn khớp bánh trình làm việc hệ vành răng/vỏ bơm trục/ổ đỡ có tương đồng kết Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Giao thơng Vận tải Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 230 cấu nguyên lý làm việc Phương pháp Mobility (Booker, 1971) áp dụng để dự báo quỹ đạo chuyển động vành Tác giả Phạm nghiên cứu (Pham et al, 2018) chứng minh thực nghiệm độ xác kết tính tốn phương pháp Mobility Tuy nhiên, ảnh hưởng thông số đến quỹ đạo chuyển động chưa đề cập đến Bài báo sử dụng phương pháp Mobility (Booker, 2014) để dự báo quỹ đạo chuyển động tâm vành Trên sở đó, ảnh hưởng thông số kết cấu thông số khai thác đến quỹ đạo phân tích cụ thể NỘI DUNG 2.1 Cơ sở lý thuyết xác định quỹ đạo chuyển động vành Các phận bơm mô tơ bánh ăn khớp thể hình 1, bao gồm bánh nối với trục ăn khớp với vành Vành thành vỏ bơm ngăn cách màng dầu bôi trơn Với bơm bánh răng, dầu bơi trơn dầu thủy lực công tác Trong nghiên cứu này, dầu bôi trơn giả thiết chất lỏng Niu-tơn Chiều dày màng dầu bôi trơn khoảng từ 20 đến 150 m tùy theo kích thước bơm mơ tơ Phương pháp Mobility Booker để xác định quỹ đạo chuyển động trục dựa vector M gồm có hai thành phần M ε M φ hình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Hình Mặt cắt ngang bơm mơ tơ Hình Phương pháp Mobility Quỹ đạo chuyển động vành xác định thông qua độ lệch tâm tương đối (  ) góc vị trí tâm vành (  ) sau: 2 c F  R ε    M ε μLD c F  R φ    M φ  ω μLDε (1) Trong đó, thành phần vector Mobility xác định sau: M ε  M ζ cosφ  M κ sinφ (2) M φ   M ζ sinφ  M κ cosφ (3) Với Mζ  1  ζ  4κ 1  ζ   L π     D     κ Mκ    L 2  π      D   (4) Trong đó: ζ  εcosφ,   εsinφ (5) F - Lực tác dụng lên vành răng, (N) Lực góc vị trí tâm vành (t) Chương trình xác định dựa độ chênh áp khoang cao tính tốn xác định quỹ đạo chuyển động tâm áp (HP) khoang thấp áp (LP) tài liệu vành xây dựng phần mềm Matlab [2]; c - Khe hở hướng tâm, (m); L - Bề rộng R2018 vành răng, (m); D,R - Đường kính bán kính vành răng, (m);  - Độ nhớt động lực dầu công tác, (Pa.s);  - Độ lệch tâm tương đối, tỷ số độ 2.2 Khảo sát ảnh hưởng thông số khai thác 2.2.1 Ảnh hưởng áp suất làm việc (p) lệch tâm (e) khe hở hướng tâm (c) Nếu biết lực Áp suất làm việc hai thông số khai tác dụng lên vành F(t) thay đổi theo thời gian, thác bơm mô tơ Ảnh hưởng áp sau giải hệ phương trình vi phân chuyển động suất đến quỹ đạo chuyển động vành tương (1) xác định quỹ đạo chuyển động tâm vành thông qua độ lệch tâm  (t) ứng với mức áp suất khác thể hình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 231 a) Áp suất p = 50 bar b) Áp suất p = 100 bar c) Áp suất p = 150 bar d) Áp suất p = 200 bar Hình Quỹ đạo chuyển động vành theo áp suất làm việc Các kết tính tốn cụ thể trình bày bảng Bảng Ảnh hưởng áp suất làm việc Thông số Kết  hmin ( m )  (°) Thơng số chạy chương trình: L/D = 0.28; c = 65 m , n = 2000 v/ph p = 50 bar 0.49 30.47 322 p = 100 bar 0.637 21.53 321 Các kết tính tốn cho thấy góc vị trí tâm vành khơng thay đổi áp suất làm việc thay đổi, nhiên độ lệch tâm (  ) chiều dầy màng dầu nhỏ (hmin) phụ thuộc lớn vào mức áp suất làm việc Khi áp suất làm việc tăng lên, độ lệch tâm (  ) tăng lên chiều dầy màng dầu nhỏ (hmin) giảm Chiều dầy màng dầu giảm đến giá trị màng dầu bị phá vỡ xuất hiện tượng tiếp 232 p = 150 bar 0.71 16.95 320 p = 200 bar 0.76 14.02 319 xúc trực tiếp vành thành vỏ bơm làm giảm hiệu suất dẫn đến hỏng bơm Đây nguyên nhân làm cho áp suất làm việc lớn cho phép bơm mô tơ bánh ăn khớp bị giới hạn Sự phụ thuộc độ lệch tâm chiều dầy màng dầu nhỏ vào áp suất làm việc lực tác dụng lên vành (F) tỉ lệ với áp suất làm việc Khi áp suất làm việc tăng, nghĩa lực tác dụng lên vành tăng làm tăng độ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC lệch tâm giảm chiều dầy màng dầu Trong đó, phương lực tác dụng thay đổi nên vị trí góc tâm vành bị ảnh hưởng áp suất làm việc 2.2.2 Ảnh hưởng tốc độ quay (n) a) Tốc độ quay n = 1000 v/ph b) Tốc độ quay n = 2000 v/ph c) Tốc độ quay n = 3000 v/ph d) Tốc độ quay n = 4000 v/ph Hình Quỹ đạo chuyển động vành theo tốc độ quay Các kết tính tốn ảnh hưởng tốc độ quay (n) trình bày bảng Bảng Ảnh hưởng tốc độ quay Thông số Kết Thơng số chạy chương trình: L/D = 0.28; c = 65 m , p= 100 bar n = 1000 v/ph n = 2000 v/ph n = 3000 v/ph n = 4000 v/ph  0.639 0.637 0.633 0.626 hmin ( m ) 21.38 21.53 21.8 22.26 328 321 315 308  (°) Nhìn vào quỹ đạo chuyển động kết tính tốn bảng thấy rằng, độ lệch tâm (  ) chiều dầy màng dầu nhỏ (hmin) phụ thuộc vào thay đổi tốc độ quay (n) Khi tốc độ quay tăng từ 1000 v/ph lên 4000 v/ph, độ lệch tâm giảm từ 0.639 xuống 0.626 chiều dầy màng dầu nhỏ tăng từ 21.38 m lên giá trị 22.26 m Tuy nhiên, tốc độ quay có ảnh hưởng lớn đến góc vị trí tâm vành răng, cụ thể tốc độ quay tăng từ 1000 v/ph lên 4000 v/ph giá trị góc vị trí tâm vành giảm từ 328° xuống 308° Sự phụ thuộc góc vị trí tâm vành vào tốc độ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 233 quay giải thích ảnh hưởng áp suất động màng dầu bôi trơn Các kết nghiên cứu áp suất động màng dầu bôi trơn tỉ lệ thuận với tốc độ quay (n) 2.3 Ảnh hưởng thông số kết cấu 2.3.1 Ảnh hưởng khe hở hướng tâm (c): Khe hở hướng tâm có giá trị nhỏ, từ vài chục đến vài trăm micro mét Giá trị nhỏ so với thơng số kết cấu khác đường kính (D) hay bề rộng (L) vành Tuy nhiên, lại thơng số kết cấu có ảnh hưởng định đến động lực học vành Các kết mô ảnh hưởng khe hở hướng tâm đến quỹ đạo chuyển động vành thể hình a) Khe hở hướng tâm c = 30 m b) Khe hở hướng tâm c = 60 m c) Khe hở hướng tâm c = 90 m d) Khe hở hướng tâm c = 120 m Hình Quỹ đạo chuyển động vành với giá trị khác khe hở hướng tâm Bảng Ảnh hưởng khe hở hướng tâm Thông số Kết  hmin ( m )  (°) Thơng số chạy chương trình: L/D = 0.28; p= 200 bar ; n = 2000 v/ph c = 30 m c = 60 m c = 90 m c = 120 m 0.474 14.77 322 Các kết tính toán cụ thể ảnh hưởng khe hở hướng tâm (c) trình bày bảng Khi khe hở hướng tâm tăng lên độ lệch tâm 234 0.74 14.24 320 0.865 10.5 313 1.0012 -1.79 301 tăng lên chiều dầy màng dầu nhỏ góc vị trí tâm vành giảm Nếu giá trị khe hở hướng tâm lớn, màng dầu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC bị phá hủy, vành thành bơm tiếp xúc trực tiếp với gây mịn hỏng bơm nhanh Ví dụ kết tính tốn khe hở hướng tâm giá trị c = 120 m hình 5d, thấy vành vượt phạm vi cho phép, chiều dầy màng dầu nhận giá trị âm (h = -1.79 m ) nghĩa vành thành bơm mô tơ tiếp xúc trực tiếp với Việc tiếp xúc trực tiếp điều không mong muốn xảy q trình làm việc Để tránh tượng này, giá trị khe hở hướng tâm phải phân tích lựa chọn cẩn thận giai đoạn thiết kế 2.3.2 Ảnh hưởng tỷ số kết cấu L/D Tỷ số bề rộng đường kính vành thơng số kết cấu quan trọng bơm mô tơ bánh ăn khớp Các kết mơ tính toán bảng cho thấy, tỷ số kết cấu L/D khơng có nhiều ảnh hưởng đến quỹ đạo, độ lệch tâm chiều dầy màng dầu nhỏ Trong góc vị trí tâm vành giảm tỷ số L/D tăng lên Bảng Ảnh hưởng hệ số kết cấu L/D Thông số Kết  hmin ( m )  (°) Thông số chạy chương trình: c = 60 m ; p= 200 bar ; n = 2000 v/ph L/D = 0.2 0.738 14.41 322 L/D = 0.3 0.741 14.22 319 KẾT LUẬN Trên sở kết tính tốn mơ phỏng, báo đưa số kết luận sau: (1) Áp suất làm việc (p) thông số có ảnh hưởng lớn đến độ lệch tâm chiều dầy màng dầu nhỏ Khi áp suất làm việc tăng lên, độ lệch tâm tăng chiều dầy màng dầu giảm (2) Tốc độ quay không ảnh hưởng đến độ lệch tâm chiều dầy màng dầu nhiên tốc độ tăng lên góc vị trí tâm vành giảm (3) Giá trị khe hở hướng tâm có ảnh hưởng lớn đến độ lệch tâm, chiều dầy màng dầu nhỏ L/D = 0.4 0.749 13.74 316 L/D = 0.5 0.767 12.69 311 góc vị trí tâm vành Giá trị phải lựa chọn cẩn thận tính tốn thiết kế, khơng màng dầu bị phá hủy trình làm việc gây tượng tiếp xúc trực tiếp vành thành vỏ bơm làm giảm hiệu suất làm việc giảm tuổi thọ bơm mô tơ (4) Tỷ số kết cấu L/D có ảnh hưởng đến độ lệch tâm chiều dầy màng dầu, góc vị trí tâm giảm tỷ số L/D tăng Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia Việt Nam (NAFOSTED) mã số 107.03-2019.17 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trong Hoa Pham, (2018), Analysis of the Ring Gear Orbit, Misalignment, and Stability Phenomenon for Internal Gear Motors and Pumps, Shaker Verlag, Germany Pham, T.H., Müller, L., Weber, J., (2018), Dynamically loaded the ring gear in the internal gear motor/pump: Mobility of solution, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol 32, No Trong Hoa Pham, (2019), Hybrid method to analysis the dynamic behavior of the ring gear for the internal gear motors and pumps, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol 33, No 2, pp 602-612 Booker, J.F., (1971), “Dynamically Loaded Journal Bearings: Numerical Application of Mobility Method”, Transactions of the ASME, Journal of Lubrication Technology, Vol 1, pp 168-176 Booker, J F., (2014), “Mobility/Impedance Methods: A Guide for Application,” ASME Journal of Tribololy, vol 136(2), pp 024501 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 235 Abstract: STUDY OF EFFECT OF GEOMETRIC AND WORKING PARAMETERS ON RING GEAR ORBIT IN THE INTERNAL GEAR MOTOR AND PUMP The paper presents the method to determine the ring gear orbit in internal gear motor and pump The effects of geometric and operating parameters are then analyzed The simulation results pointed out that geometric and operating parameters has great effect on the eccentricity, position angle as well as the minimum film thickness Keywords: Internal gear pump, orbit, minimum film thickness, eccentricity Ngày nhận bài: 07/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 30/8/2019 236 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ... 2.3.2 Ảnh hưởng tỷ số kết cấu L/D Tỷ số bề rộng đường kính vành thơng số kết cấu quan trọng bơm mô tơ bánh ăn khớp Các kết mơ tính toán bảng cho thấy, tỷ số kết cấu L/D khơng có nhiều ảnh hưởng đến. .. đổi theo thời gian, thác bơm mô tơ Ảnh hưởng áp sau giải hệ phương trình vi phân chuyển động suất đến quỹ đạo chuyển động vành tương (1) xác định quỹ đạo chuyển động tâm vành thông qua độ lệch... chục đến vài trăm micro mét Giá trị nhỏ so với thơng số kết cấu khác đường kính (D) hay bề rộng (L) vành Tuy nhiên, lại thơng số kết cấu có ảnh hưởng định đến động lực học vành Các kết mô ảnh hưởng