Công nghệ chế tạo Hệ thống làm kín

Công nghệ chế tạo Hệ thống làm kín

6799

12/4/2008

HÀ NỘI, 3 – 2008

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

1 KS Tăng Bích Thuỷ CNĐT Viện Công Nghệ

1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp 172 Phân tích bài toán khí động của hệ thống làm kín điển hình 183 áp dụng hệ thống làm kín cho ổ trục của bánh lăn trong máy nghiền

đứng

29

4 Kết luận và các nguyên tắc tính toán hệ khí động trong hệ thống làm kín bằng tăng áp

5 Nhận xột kết quả khảo nghiệm và kết luận 51

mối ghép giữa thân ổ lăn, ổ trượt với trục truyền, giữa pít tông và xi lanh

Cơ cấu làm kín được phân thành loạl tiếp xúc, không tiếp xúc và liên hợp Cơ cấu làm kín tiếp xúc thường là các vòng bít bằng phớt và vòng bít cao su Cơ cấu làm kín không tiếp xúc thường là các kiểu khe hở rãnh vòng giữa hai bề mặt đối tiếp cần làm kín có chứa dầu hoặc mỡ trong quá trình làm việc

Tuỳ thuộc vào môi trường, các điều kiện làm việc (vận tốc, nhiệt độ, áp suất ) của cụm chi tiết máy cần làm kín, người ta có thể chọn các loại cơ cấu làm kín khác nhau với các loại vật liệu làm kín khác nhau

Dưới đây là đặc tính của một số vật liệu chế tạo vòng bít tương ứng với các môi trường làm việc, điều kiện làm việc của cụm chi tiết làm kín

Cao su đặc Nước, khụng khớ, chõn khụng 30 0,3

Cactụng kỹ thuật tẩm dầu Nước, dầu mỏ, dầu nhờn 40 1,0

Cao su cú cỏc lớp vải bạt Nước, khụng khớ 60 0,6

Cao su cú lưới (cốt) kim

Đai vải bạt cú cốt Nước, khụng khớ 150 -

Amian kim loại cú vỏ bọc

Vật liệu Mụi trường làm việc Nhiệt độ mụi trường, 0C max

Áp suất mụi trường làm việc N/mm2, max

a Làm kín mối ghép tĩnh:

Mối ghép tĩnh thường là các mối ghép nối ống và mối ghép ren

Hính 1.1 Làm kín mối ghép nối ống và mối ghép ren b Làm kín mối ghép động:

Mối ghép động thường là các mối ghép giữa xi lanh và pít tông, các mối ghép trong các ổ trục Các kiểu làm kín mối ghép động được lựa chọn phụ thuộc vào tốc độ và hướng dịch chuyển tương đối của các chi tiết được làm kín, thể loại, nhiệt độ và áp suất của môi trường được làm kín, tình trạng của môi trường xung quanh, sự rò rỉ cho phép của chất lỏng và khí

Để làm kín mối ghép động có thể sử dụng vòng đệm cao su, vòng phớt, vòng bít cao su có cốt, nắp có các rãnh vòng, cơ cấu làm kín khuất khúc, cơ cấu làm kín liên hợp

Đối với các ổ trục làm việc ở tốc độ không lớn hơn 2m/s nên dùng phớt sợi len thô và nửa thô Khi tốc độ trên 2m/s đến 5m/s nên dùng phớt sợi len mảnh Đối với các kết cấu quan trọng làm việc trong môi trường bụi bẩn hoặc làm việc ở nhiệt độ cao thì không nên dùng vòng phớt Vòng bít bằng cao su có cốt kim loại có thể làm kín các mối ghép động có tốc độ đến 20m/s và nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc của vòng bít với trục từ 45oC đến 150oC nhưng hiệu quả không cao, tuổi thọ ngắn vì dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao dần dần vòng bít sẽ bị biến dạng, bị mài mòn nên sẽ mất tác dụng làm kín, bụi bẩn sẽ thâm nhập vào ổ trục gây hư hỏng

c Một số cơ cấu làm kín các mối ghép động:

Đệm kín cao su mặt cắt tròn thường dùng làm kín cho các thiết bị thuỷ lực và khí nén với tốc độ dịch chuyển của các mối ghép này đến 0.5 m/s Chúng được dùng để làm kín các mối ghép làm việc ở áp suất :

ư Đến 50 N/mm2

(500 kG/cm2) - trong các mối ghép cố định và đến 32 N/mm2 (320 kG/cm2) - trong các mối ghép động, với môi trường làm việc là dầu khoáng, nhiên liệu lỏng, êmunxi, dầu bôi trơn, nước ngọt và nước biển;

ư Đến 40 N/mm2 (400 kG/cm2) - trong các mối ghép tĩnh và đến 10 N/mm2(100 kG/cm2) – trong các mối ghép động, với môi trường làm việc là khôngkhí nén

Hình 1.2 Làm kín dùng vòng đệm cao su không có vòng bảo vệ

Hình 1.3 Làm kín dùng vòng đệm cao su với các vòng bảo vệ

Hình 1.4 Vòng đệm cao su dùng trong các mối ghép ren

Hình 1.5 Làm kín dùng vòng phớt với bạc lắp trên trục

Hình 1.6 Làm kín dùng vòng phớt đ−ợc ép

Hình 1.7 Làm kín dùng vòng phớt kết hợp với vòng bít có rãnh vòng

Hình 1.8 Làm kín dùng vòng phớt kết hợp với

vòng bít khuất khúc

Hình 1.9 Làm kín dùng vòng phớt kết hợp với vòng bít khuất khúc-rãnh

vòng

Hình 1.10 Làm kín dùng vòng bít cao su có cốt – sơ đồ gá lắp 1 Trục 2 Vòng bít 3 Vòng đêm 4 Bạc

d Tầm quan trọng của việc làm kín ổ trục:

Việc làm kín các ổ trục, nhất là đối với ổ trục chịu tải nặng, làm việc trong các môi trường nhiều bụi và nóng có tầm quan trọng đặc biệt vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng làm việc của ổ trục, cũng như độ an toàn trong sản suất và tuổi thọ của thiết bị Làm kín ổ là để ngăn ngừa không cho bụi, nước hay các dị vật từ bên ngoài thâm nhập vào, giữ cho chất bôi trơn trong ổ không bị bẩn hay rò rỉ ra ngoài, tăng hiệu quả cho hệ thống bôi trơn, đảm bảo ổ trục làm việc ổn định, an toàn và tăng tuổi thọ Thông thường người ta làm kín ổ trục bằng gioăng, phớt, vòng bít kết hợp các loại nắp chặn (nắp có rãnh vòng, nắp có rãnh khuất khúc ) Tuy nhiên đối với các thiết bị có ổ trục chịu tải trọng nặng, làm việc trong môi trường nóng, bụi, đặc biệt là bụi có tính mài mòn thì dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao, các loại gioăng, vòng bít sẽ bị biến dạng, bị mài mòn do đó mất tác dụng làm kín, bụi bẩn sẽ thâm nhập vào ổ trục gây hư hỏng, thậm chí bản thân chúng còn trở thành tác nhân gây phá huỷ ổ trục Để tăng hiệu quả làm kín cũng như tăng độ an toàn cho ổ khi làm việc trong môi trường nóng, bụi, chịu tải trọng lớn, hiện nay trên thế giới người ta sử dụng hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp

e Các yêu cầu kỹ thuật khi lắp các cơ cấu làm kín:

Chất lượng làm kín cho các mối ghép phụ thuộc chất lượng các loại gioăng, vòng bít, vòng phót, đồng thời để đảm bảo hiệu quả làm kín, khi lắp ráp các cơ cấu làm kín cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật sau :

ư Cần đảm bảo các vòng đệm, vòng bít không bị nghiêng, vặn làm thay đổi hình dáng hình học của các chi tiết này Không làm hư hỏng về cơ học, không gây ra các vết cắt

ư Bề mặt các chi tiết ghép phải sạch, không dính các chất gây ăn mòn, mài mòn

ư Các bề mặt chi tiết tiếp xúc với vòng đệm, vòng bít… phải được bôi trơn bằng loại dầu không gây tác động có hại cho vật liệu chế tạo vòng làm kín hoặc bằng các chất lỏng công tác có tính bôi trơn tốt

ư Các chi tiết của mối ghép làm kín cần có độ nhám, kết cấu phù hợp để lắp ráp dễ dàng Khi lắp các loại vòng làm kín cần sử dụng dụng cụ gá chuyên dùng thích hợp

2 Tình hình nghiên cứu chung về hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp:

Làm kín ổ trục bằng phương pháp tăng áp dựa trên nguyên lý dòng khí chỉ di chuyển từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp Để ngăn không cho bụi thâm nhập vào ổ trục, người ta cấp khí vào khoang ổ và đảm bảo áp suất trong khoang làm việc của ổ cao hơn so với môi trường bên ngoài Hiệu quả của làm kín ổ trục bằng phương pháp tăng áp rất cao do khí sạch thường xuyên được đưa vào khoang ổ tạo lớp đệm ngăn cách không cho bụi thâm nhập vào ổ, giúp cho chất bôi trơn trong ổ trục luôn sạch, đảm bảo được độ ổn định của thiết bị trong quá trình làm việc, tăng tuổi thọ thiết bị và an toàn trong sản xuất Ngoài ra do thường xuyên đưa không khí vào khoang ổ nên phương pháp làm kín này còn có tác dụng làm mát ổ, giúp duy trì khả năng bôi trơn của các loại dầu, mỡ Khi làm kín bằng phương pháp tăng áp, người ta thường kết hợp với sử dụng vòng bít cao su có cốt kim loại để chúng hỗ trợ nhau, tăng hiệu quả làm kín Tác dụng làm mát ổ của dòng khí còn giúp cho kéo dài tuổi thọ vòng bít

Với những tính năng ưu việt như trên, làm kín bằng phương pháp tăng áp kết hợp với vòng bít cao su có cốt được các hãng sản xuất thiết bị chịu tải nặng, làm việc trong môi trường nóng, bụi (như máy nghiền, máy cán, thiết bị áp lực ) của nhiều nước tiên tiến trên thế giới áp dụng rất nhiều

Còn ở Việt Nam, ngành công nghiệp chế tạo các thiết bị công nghiệp có ổ trục chịu tải lớn, làm việc trong môi trường nóng, bụi chưa phát triển Các thiết bị loại này của một số cơ sở trong nước đều là thiết bị nhập ngoại, nên các tài liệu về nghiên cứu tính toán, thiết kế hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp hầu như không có, trong khi đó nhu cầu chế tạo máy nghiền để phục vụ ngành sản xuất xi măng trong nước ngày càng cao

Năm 2003 ữ 2005, Viện Công Nghệ đã thực hiện đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy nghiền bột siêu mịn hiệu

suất cao ứng dụng trong công nghiệp”, mã số KC.05.22 Đề tài này đã hoàn thành và đạt được những kết quả nổi bật, đã chế tạo và ứng dụng thành công Máy nghiền đứng kiểu bánh lăn ứng dụng trong Công nghiệp sản xuất Vật liệu xây dựng, hiện đang vận hành tại Công ty TNHH VLXD Hạ Long – TP Hồ Chí Minh Với nhu cầu sản xuất không ngừng mở rộng, thiết bị đòi hỏi phải có chế độ làm việc ổn định, độ bền cao, đáp ứng được nhu cầu tăng năng suất của thiết bị nghiền Vì vậy cần phải hoàn thiện các cụm thiết bị, áp dụng các công nghệ mới để nâng cao độ ổn định, an toàn của thiết bị khi làm việc, đảm bảo vệ sinh môi trường công nghiệp, đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của các nhà sản xuất, cũng như của đời sống xã hội mà trong khuôn khổ Đề tài KC.05.22 chưa có điều kiện nghiên cứu Do cấu tạo, các bánh nghiền của máy nghiền đứng bố trí ngay bố trí ngay trong không gian buồng nghiền nên ổ trục phải luôn làm việc trong môi trường hỗn hợp khí và vật liệu nghiền có nồng độ bụi rất cao (bụi chính là sản phẩm công nghệ), vì vậy việc làm kín ổ trục là rất quan trọng, đảm bảo độ ổn định cho thiết bị khi làm việc, đảm bảo độ an toàn trong sản xuất và

nâng cao tuổi thọ thiết bị Đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ thống làm kín tích

cực bằng phương pháp tăng áp, dùng cho ổ trục chịu tải nặng, làm việc trong môi trường nóng, bụi” nhằm hoàn thiện hệ thống làm kín ổ trục các bánh lăn

nghiền trong hệ thống máy nghiền đứng, giúp cho máy nghiền hoạt động ổn định hơn, an toàn hơn, đáp ứng nhu cầu mở rộng sản xuất hiện nay

Các nội dung của đề tài là:

ư Nghiên cứu, phân tích và giải bài toán khí động của hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp Xây dựng cơ sở cho việc lựa chọn sơ đồ kết cấu, lựa chọn cỏc thụng số khớ động để đảm bảo hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng ỏp làm việc ổn định, đạt hiệu quả làm kớn tối ưu

ư Tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống làm kín điển hình bằng phương pháp tăng áp Thiết kế, chế tạo mụ hỡnh để khảo nghiệm hệ thống làm kớn ư Khảo nghiệm hệ thống làm kín bằng phương pháp tăng áp trên mô hình

khảo nghiệm Đo đạc, phân tích và đánh giá các thông số khảo nghiệm của hệ thống

1 Dòng chảy giữa hai mặt phẳng song song chuyển động tương đối với nhau:

Hai mặt phẳng song song chuyển động tương đối với nhau với vận tốc

khụng đổi u Chọn một trong hai mặt phẳng làm mặt phẳng x, z và hướng

trục x theo hướng vận tốc u Nhận thấy tất cả cỏc đại lượng đều chỉ phụ thuộc vào toạ độ y, cũn tại mọi nơi vận tốc chất lỏng đều dương theo trục x Từ phương trỡnh chuyển động cơ bản của chất lỏng, ỏp dụng cho chuyển động dừng ta cú được cụng thức sau:

dp ; 22 =0

(Phương trỡnh liờn tục được đồng nhất thoả món) Từ đú p = const, v = y + b

Với y = 0 và y = h (h là khoảng cỏch giữa cỏc mặt phẳng), lần lượt phải cú:

v = 0 và v = u Ta được: v = u

(2.1) Trong đú: u là tốc độ chuyển động tương đối giữa cỏc mặt phẳng

v là vận tốc theo bề dày của lớp chất lỏng

Như vậy sự phõn bố vận tốc của chất lỏng chứa giữa hai mặt phẳng song song chuyển động đối với nhau là theo hàm bậc nhất Vận tốc trung

bỡnh của chất lỏng được xỏc định bởi vTB = ∫hvdy=u

h 0 21

(2.2)

2 Dòng chảy giữa hai mặt phẳng song song cố định:

Xột dũng chảy dừng của chất lỏng giữa hai mặt phẳng song song cố định khi cú gradien ỏp suất Chọn hệ toạ độ như trong trường hợp (1), trục z hướng theo chiều chuyển động của chất lỏng Cỏc phương trỡnh Navier – Stoker cho ta (hiển nhiờn, vận tốc chỉ phụ thuộc vào toạ độ y):

Phương trỡnh thứ hai chứng tỏ rằng ỏp suất khụng phụ thuộc vào y, nghĩa là nú khụng đổi theo bề dầy lớp chất lỏng giữa cỏc mặt phẳng Khi đú, trong phương trỡnh thứ nhất của vế phải hàm số chỉ phụ thuộc x, cũn ở vế trỏi - chỉ phụ thuộc y Một phương trỡnh như thế chỉ cú thể được thực hiện khi cả hai vế đều là những đại lượng khụng đổi Như vậy: const

dxdp =

nghĩa là ỏp suất là một hàm bậc nhất của tọa độ x theo chiều dũng chảy Bõy giờ, đối với vận tốc ta cú:

−

3 Dßng ch¶y dõng trong èng:

Xét dòng chảy dừng của chất lỏng trong ống có tiết diện không đổi dọc

theo toàn bộ chiều dài, trục x hướng theo chiều dài của ống Vận tốc v của

chất lỏng tại mọi nơi đều hướng theo trục x và chỉ là hàm của y và z Phương trình liên tục được đồng nhất thỏa mãn, còn những thành phần theo trục y và z của phương trình Navier – Stokes lại cho ta ∂p/∂z =∂p/∂z=0, nghĩa là áp

suất không đổi trên tiết diện của ống dẫn Thành phần theo trục x của

phương trình:

ρµ

cho ta:

Từ đó kết luận rằng dp/dx = const; do đó gradien áp suất có thể được viết dưới dạng ∆p /l, trong đó ∆plà hiệu áp suất tại các đầu của ống, l là độ dài của nó

Như vậy, sự phân bố vận tốc của dòng chất lỏng trong ống được xác định bởi một phương trình hai chiều thuộc loại ∆v=const Phương trình này phải được giải với điều kiện biên v = 0 ở trên chu vi của tiết diện ống dẫn

Giải phương trình này cho ống có tiết diện tròn Chọn gốc toạ độ cực tại tâm của ống, vì lý do đối xứng, ta có: v = v(r) Dùng biểu thức toán học Laplace trong các tọa độ cực, ta có:

Lấy tích phân, ta được:

V =− ∆ +ln+4

Hằng số a cần được chọn bằng không, vì vận tốc phải hữu hạn trong toàn bộ tiết diện ống, kể cả tâm Hằng số b được xác định từ đòi hỏi v = 0, khi giá trị r = R (R là bán kính của ống)

Cuối cùng: ( 22)

4 lRrp

V = ∆ −

Như vậy, theo tiết diện ống vận tốc được phõn bố theo hàm bậc hai

Lượng chất lỏng Q đi qua tiết diện thẳng của ống trong một giõy gọi là lưu lượng chất lỏng trong ống Lượng chất lỏng đi qua phần tử hỡnh vành khuyờn2π rdr của tiết diện ống trong một giõy bằng ρ2πrvdr

Nếu xột đến (2.5) , ta thu được : 4

8vlRpQ= π∆

Lượng chất lỏng chảy tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của bỏn kớnh ống

4 Dòng chảy trong khe hở giữa hai hình trụ đồng trục và quay tương đối với nhau:

Xột chuyển động của chất lỏng ở giữa hai hỡnh trụ dài vụ hạn, đồng trục, quay quanh trục của chỳng với vận tốc gúc Ω1 và Ω2; R1 và R2 là cỏc bỏn kớnh hỡnh trụ, với R2 > R1 Chọn cỏc toạ độ r, z, ϕ với trục z trựng với trục của cỏc hỡnh trụ Vỡ lý do đối xứng, nờn hiển nhiờn:

Phương trỡnh Navier – Stokes trong toạ độ trụ trong trường hợp đang xột cho hai phương trỡnh:

dp 2ρ

(2.8) Phương trỡnh (2.5) cú cỏc nghiệm thuộc loại rn Việc thay nghiệm dưới dạng này cho ta n = ±1, do đú v =

Cỏc hằng số a và b tỡm được từ cỏc điều kiện giới hạn, theo cỏc điều kiện này, vận tốc chất lỏng trờn mặt hỡnh trụ trong và ngoài mặt hỡnh trụ ngoài phải bằng vận tốc của hỡnh trụ tương ứng: v1 = R1Ω1 với r=R1 và

222 = RΩ

v với r = R2 Kết quả ta thu được sự phõn bố cỏc vận tốc dưới dạng

v =

Mô men các lực ma sát tác dụng lên các hình trụ được xác định theo công thức:

(2.10) Mô men các lực tác dụng lên hình trụ ngoài M2 = -M1 Với Ω2 =0 và với khe nhỏ giữa các hình trụ (δ≡R2−R1<<R2) công thức (2.10) có dạng

¾ Thứ nhất: Biến thiên nồng độ do có chuyển động vĩ mô của chất lỏng Mỗi phần của chất lỏng đã cho dịch chuyển như một khối có thành phần không thay đổi Sự khuấy trộn thuần tuý cơ học của chất lỏng là một điển hình của sự thay đổi nồng độ do chuyển động vĩ mô; mặc dù thành phần của mỗi phần chất lỏng di chuyển không thay đổi, nhưng tại mỗi điểm cố định đã cho của không gian nồng độ chất lỏng chiếm vị trí đó thay đổi theo thời gian Nếu bỏ qua các quá trình dẫn nhiệt và ma sát nội có thế đồng thời xảy ra, thì một sự biến thiên như thế của nồng độ là một quá trình nhiệt động lực thuận nghịch và không dẫn tới sự tiêu tán năng lượng

¾ Thứ hai: Sự biến thiên của thành phần có thể xảy ra do có sự chuyển vận các chất của hỗn hợp từ một phần chất lỏng này đến một phần khác Sự san bằng nồng độ bằng sự biến thiên trực tiếp thành phần của mỗi phần chất lỏng được

gọi là sự khuếch tán Sự khuếch tán là quá trình không thuận nghịch và cùng

với sự dẫn nhiệt và tính nhớt, nó là một trong các nguồn tiêu tán năng lượng trong hỗn hợp lỏng

Khi không có sự khuếch tán, thành phần của mỗi phần tử đã cho của chất lỏng vẫn không đổi khi chất lỏng dịch chuyển Còn khi có sự khuếch tán, ngoài dòng v, ρ, c của chất đã cho cùng với toàn bộ chất lỏng, còn một dòng nữa dẫn tới sự chuyển vận các chất trong hỗn hợp cả khi không có sự dịch chuyển của chất lỏng xét về toàn bộ; đó là dòng khuếch tán Mật độ dòng khuếch tán qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian ký hiệu là i Dòng khuếch tán i của chất sẽ xuất hiện do có mặt các gradien nồng độ và gradien nhiệt độ ở trong chất lỏng Như vậy, dòng khuếch tán sẽ phụ thuộc vào cả gradien nhiệt độ và gradien nồng độ Nếu gradien nhiệt độ và nồng độ không lớn, thì có thể coi i là hàm bậc nhất của độ nhớt động lựcµ và của nhiệt độ T Dòng khuếch tán xuất hiện khi chỉ có gradien nồng độ được xác định bởi hệ số khuếch tán D; Còn đối với dòng khuếch tán gây bởi gradien nhiệt độ, thì được xác định bởi hệ số khuếch tán nhiệt kTD (đại lượng không thứ nguyên kT được gọi là tỷ số khuếch tán nhiệt) Dòng khuếch tán i không phụ thuộc vào gradien của áp suất (với ∆µ và ∆T đã cho)

Đối với các hỗn hợp chất lỏng trong thành phần có các hạt lơ lửng thì sự khuếch tán được định nghĩa như sau: Do ảnh hưởng của chuyển động phân tử trong chất lỏng, các hạt lơ lửng trong chất lỏng đó thực hiện chuyển động Brown hỗn loạn Giả sử tại một thời điểm ban đầu có một hạt như thế tại một điểm nào đó (gốc toạ độ) Có thể coi chuyển động tiếp sau của nó như

nào của khối chất lỏng giữ vai trò nồng độ Hệ số khuếch tán của các hạt lơ lửng trong chất lỏng được xác định theo độ linh động của chúng Để xác định

độ linh động của cỏc hạt lơ lửng người ta giả sử cỏc hạt này chịu tỏc dụng của một ngoại lực khụng đổi f Trong trạng thỏi dừng, lực tỏc dụng lờn mỗi hạt phải được cõn bằng bởi lực cản do chất lỏng tỏc dụng lờn hạt chuyển động Khi cỏc vận tốc khụng quỏ lớn, lực cản tỷ lệ với luỹ thừa bậc nhất của vận tốc Nếu viết lực đú dưới dạng v/b, b là một hằng số, rồi cõn bằng nú với ngoại lực f, ta thu được: v = bf, nghĩa là vận tốc của hạt thu được dưới tỏc

dụng của ngoại lực tỉ lệ với lực đú Hằng số b được gọi là độ linh động và về nguyờn tắc, cú thể được tớnh dựa vào cỏc phương trỡnh thuỷ động lực Đối với cỏc hạt cú dạng hỡnh cầu cú bỏn kớnh R thỡ lực cản bằng f = 6πàRv, do đú, độ linh động bằng:

Đối với cỏc hạt khụng cú dạng hỡnh cầu, lực cản phụ thuộc vào phương chuyển động và được viết dưới dạng aikvk, trong đú aik là một tenxơ đối xứng Khi tớnh độ linh động, cần phải lấy trung bỡnh theo tất cả cỏc hướng của hạt; nếu a1, a2, a3 là cỏc giỏ trị chớnh của tenxơ đối xứng aik, thỡ ta thu được: =⎜⎜⎝⎛++⎟⎟⎠⎞

Độ linh động liờn hệ với hệ số khuếch tỏn bằng hệ thức: D = Tb (2.14) Kết hợp với (2-12), hệ số khuếch tỏn của cỏc hạt cú dạng cầu được xỏc định theo cụng thức: D =

Như vậy hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, độ nhớt động lực và kích thước hạt Khi nhiệt độ càng cao khả năng khuếch tán của các hạt lơ lửng trong chất lỏng càng lớn, còn độ nhớt và kích thước hạt càng lớn sẽ làm giảm khả năng khuếch tán của chúng

2 Phân tích bài toán khí động của HTLK:

Do liên kết ổ - trục là mối liên kết động, nên luôn luôn phải tồn tại một khe hở δ giữa phần chuyển động (trục quay) và phần cố định Vì vậy kết cấu điển hình để làm kín ổ trục của bánh lăn trong máy nghiền đứng bằng phương pháp tăng áp sẽ có hai dạng sau:

Hình 3.2a Kết cấu làm kín ổ trục sử dụng phương pháp tăng áp

(Vành trong quay, vành ngoài đứng yên)

Hình 3.2b Kết cấu làm kín ổ trục sử dụng phương pháp tăng áp

(Vành ngoài quay, vành trong đứng yên)

Khi áp suất bên trong khoang ổ lớn hơn áp suất bên ngoài, nghĩa là đảm bảo điều kiện cơ bản của phương pháp làm kín (3.1) thì tại khe hở giữa phần chuyển động và phần cố định luôn có một dòng khí (Qδ) di chuyển từ trong khoang ổ ra môi trường bên ngoài, dòng khí đó có tác dụng bịt và ngăn chặn khí bụi từ ngoài xâm nhập vào khoang ổ Vì vậy tính ổn định cũng như các thông số khí động của dòng khí làm kín, đặc biệt là dòng trong khe sẽ có tác động tới khả năng và hiệu quả làm kín ổ Do đó ngoài việc đảm bảo điều kiện cơ bản của phương pháp làm kín thì cần nghiên cứu, phân tích các điều kiện để đảm bảo tính ổn định của dòng khí làm kín, đặc biệt là dòng khí trong khe hở δ là không gian chuyển tiếp giữa khoang ổ và môi trường bên ngoài để đảm bảo hiệu quả làm kín của hệ thống đạt mức tối đa

Từ sơ đồ nguyên lý, điều kiện chênh áp và các dạng kết cấu điển hình của hệ thống làm kín (hình 3.1, 3.2a và 3.2b), sau khi nghiên cứu lý thuyết thuỷ khí động lực, áp dụng các dạng bài toán khí động cơ bản cho hệ khí động trong HTLK, ta có những nhận xét và phân tích sau:

ắ Khi làm việc, phần ổ trục quay, vành làm kín lắp trên ổ quay theo, vành làm kín lắp trên phần cố định sẽ đứng yên Dòng khí được hút từ quạt (hoặc hệ thống khí nén) qua hệ thống ống dẫn vào khoang khí, theo các lỗ khoan thông trên moay ơ và trong trục điền đầy các khoang trống trong ổ; dòng khí cũng qua các lỗ khoan thông trên vách đi vào khe hở δ (hình 3.2) Khi điều kiện chênh áp được đảm bảo, dòng khí sẽ qua khe hở ra ngoài và bụi sẽ không thể xâm nhập được vào trong khoang ổ Với kết cấu như vậy, hệ thống làm kín là hệ thống đường ống hở và dòng trong khe hở sẽ là dòng chảy của chất lòng giữa hai hình trụ đồng tâm và quay tương đối với nhau

Theo tài liệu [4] trang 147 tại miệng thổi (đầu ra khe hở δ) của hệ thống đường ống hở có áp suất tĩnh bằng 0, áp suất toàn phần của dòng khí bằng áp suất động

Kết hợp với (3.1), có: pδ ≈ pđ

δ = TBKKgv γ

2

Trong đó γKK là trọng lượng riêng của không khí Nếu biết áp suất môi trường bên ngoài ổ, ta có thể xác định được vận tốc trung bình của dòng khí trong khe qua công thức:

vTB >

Dòng khí qua khe hở δ là dòng chảy của chất lỏng giữa hai hình trụ đồng tâm và quay tương đối với nhau nên sự phân bố vận tốc của dòng theo mặt cắt khe hở được xác định theo (2.9)

Hay có thể viết thành:

Như vậy vận tốc của dòng khí trong khe hở giữa hai hình trụ đồng tâm và quay tương đối với nhau phụ thuộc các đại lượng: tốc độ quay của các hình trụ Ω1, Ω2; bán kính các hình trụ R1, R2; độ lớn của khe hở δ

Kết hợp với (3.3) có:

(3.5) Nếu biết bán kính của một trong hai hình trụ (giả sử biết R1) và tốc độ quay của chúng, với khe hở δ rất nhỏ (δ = R2 – R1<< R =

định được một khoảng các giá trị nào đó của δ chứ không phải là một giá trị cụ thể

Bây giờ ta xét tính ổn định của dòng chảy trong khe hở giữa hai hình trụ đồng tâm và quay tương đối với nhau: Tài liệu [1] trang 166 ữ 171 cho thấy dòng chảy trong khe giữa hai hình trụ quay có dạng hình phỏng xuyến, gọi là những xoáy Taylor được xếp đều đặn dọc theo chiều dài khe

hở (Xem hình 3.3) và đại lượng giữ vai trò hệ số Reynold:

hay

xác định “loại chuyyển động” của dòng chất lỏng với các giá trị đã cho của các tỷ số

và

(xem hình 3.4) Khi 2

>1 (hay Ω2R22 >Ω1R12) thì dòng trong

khe luôn là dòng ổn định, ngược lại khi 2

<1 (hay Ω2R22 <Ω1R12) và với sự tăng đủ lớn của số Reynold bao giờ dòng trong khe cũng là dòng không ổn định Đường thẳng 112

2R =Ω R

Ω là đường tiệm cận phân chia giữa miền ổn định và không ổn định của dòng chất lỏng trong khe hở giữa hai hình trụ đồng tâm và quay cùng phía

Hình 3.4 Tính ổn định của dòng chảy trong khe hở giữa hai hình trụ quay

a Miền gạch gạch là miền có dòng ổn định

b Miền không gạch là miền có dòng không ổn định Trường hợp giới hạn khi δ→ 0 (δ = R2 – R1<< R =

R + thì dòng trong khe càng ổn định Nói cách khác nếu D = 2R càng lớn thì thì dòng chất lỏng trong khe sẽ càng dễ ổn định vì khi D lớn thì giá trị tuyệt đối của δ có thể tăng lên mà vẫn đảm bảo điều kiện δ << R = ( )

= 0 <1 nên dòng trong khe luôn là dòng không ổn định Ngược lại ttrường hợp cơ cấu làm kín theo kiểu hình 3.2b, vành ngoài quay với tốc độ Ω2, vành trong đứng yên Ω1= 0 Trường hợp này tỷ số 2

→∞ >1 nên dòng trong khe luôn là dòng ổn định

Tóm lại từ phân tích trên có kết luận như sau:

Ngoài điều kiện đảm bảo cơ bản của phương pháp làm kín bằng tăng áp, có nghĩa là có sự chênh áp suất giữa khoang ổ và môi trường bên ngoài (điều kiện 3.1), tính ổn định của dòng khí trong khe hở quyết định tính ổn định của phương pháp làm kín hay là quyết định chất lượng và hiệu quả làm kín bằng phương pháp tăng áp

Để đảm dòng trong khe hở ổn định thì chiều rộng khe hở phải rất nhỏ so vói bán kính trung bình Vậy cần chọn đường kính trung bình D = 2R là lớn để đảm bảo khe hở luôn rất nhỏ tương đối so với D

Vì đây là phương pháp làm kín bằng dòng khí, do vậy tính ổn định của dòng khí sẽ ảnh hưởng tới chất lượng và hiệu quả làm kín Khi dòng khí trong khe ổn định, vận tốc dòng khí ổn định, khả năng làm kín của hệ thống cũng ổn định theo Theo phân tích trên ta nhận thấy với kết cấu hình 3.2b thì với mọi giá trị δ và trị số Reynold, dòng trong khe hở luôn là dòng ổn định Còn theo kết cấu hình 3.2a, dòng trong khe chỉ ổn định với các giá trị δ đủ nhỏ (δ << R = ( )

R + và với trị số Reynold đủ lớn Tuy nhiên xét toàn hệ thống thì kết cấu như hình 3.2a gọn hơn, dòng chảy thuận hơn, không bị đổi hướng như kết cấu hình 3.2b, thêm vào đó giá trị δ cũng không nên chọn quá lớn để đảm bảo tính ổn định của dòng khí trong khe; nên tuỳ thuộc vào giá trị cụ thể của bán kính trung bình R của hai hình trụ quay mà chọn kiểu kết cấu và giá trị của khe hở δ

ắ Theo tài liệu [3] trang 87, lưu lượng của dòng khí qua khe hẹp giữa các hình trụ được tính theo công thức :

Qδ =

lpD δ

à δ

(3.6)

Với: D = 2R = ()2

D + và δ = ()2

Vậy: ∆pδ = 12 2δàlvTB

(3.8) Như vậy tổn thất áp suất trong khe hẹp tỷ lệ nghịch với luỹ thừa bậc hai chiều rộng khe hẹp, tỷ lệ thuận với độ nhớt động lực, với vận tốc dòng khí trong khe và với chiều dài khe hẹp

Công thức (3.8) là công thức tính tổn thất áp suất của dòng khí trong khe hở giữa hai hình trụ đồng tâm, đứng yên Nếu ta thay vTB là vận tốc dòng khí qua khe hở giữa hai hình trụ quay, có thể xác định được gần đúng tổn thất áp suất trong khe hở giữa hai hình trụ quay

Đường kính trung bình D tăng mà δ không đổi thì Qδ tăng, công suất động cơ do đó cũng tăng Đường kính trung bình D phụ thuộc vào kết cấu nên bị hạn chế, khe hở δ lại không nên chọn quá lớn để đảm bảo dòng trong khe ổn định, nên Qδ cũng không thể quá lớn Như vậy nên chọn D1(hoặc D2) lớn nhất có thể để lưu lượng dòng qua khe hở không quá nhỏ

Khi khe hở rất nhỏ δ = R2 - R1 << R = ( )2

R + , chuyển động của chất lỏng giữa hai mặt trụ quay có thể coi như chuyển động của chất lỏng giữa hai mặt phẳmg song song chuyển động tương đối với nhau Khi đó vận tốc trung bình vTB của dòng khí đạt được tại giữa khe (khi r = ( )

R +và được xác định theo công thức (2.2) : vTB =

u với u là vận tốc chuyển động tương đối của hai mặt phẳng Trong truờng hợp này u = v1= Ω1R1, do đó vận tốc trung bình được tính gần đúng theo công thức: vTB =

1 Ω1R1

Như vậy khi δ thay đổi thì vận tốc trung bình của dòng khí thay đổi nhưng không nhiều, trong khi đó tổn thất áp suất ∆p thay đổi và phụ thuộc vào khe hở δ theo hàm bậc hai Theo (3.8) thì tổn thất áp suất phụ thuộc δ theo dạng đường cong hypecbol, khi δ → 0 thì ∆pδ → ∞ và δ → ∞ thì ∆pδ → 0

Hình 3.5 Sự phụ thuộc của tổn thất áp suất dòng khí vào chiều rộng khe hở giữa hai hình trụ quay

Nhìn vào đồ thị hình 3.5, nhận xét thấy khi δ càng nhỏ, sự thay đổi nhỏ của δ sẽ làm ∆pδ thay đổi rất nhanh: đường cong ∆pδ(δ) có độ dốc lớn, còn khi δ càng lớn thì khi δ thay đổi ∆pδ thay đổi nhưng không nhiều bằng khi giá trị δ nhỏ: đường cong ∆pδ(δ) có độ dốc nhỏ hơn và mức độ phụ thuộc của ∆pδ vào δ thay đổi tại giỏ trị δ =1 mm (δ > 1 mm thì δ2 > δ, δ < 1 mm thì δ2 < δ) Vậy để tổn thất áp suất trong khe thay đổi không rõ rệt khi δ thay đổi, nên lấy δ ≥ 1mm Tuy nhiên δ không thể quá lớn vỡ phải đảm bảo điều kiện δ = R2 - R1 << R = ( )

R + để đảm bảo dòng trong khe ổn định, giá trị δ được coi là nhỏ hay không phụ thuộc vào đường kính trung bình của hai hình trụ D, khi D lớn nên lấy δ lớn nhưng không nên lớn quá để vẫn đảm bảo δ << D

, khi D nhỏ phải chọn δ nhỏ nhưng không nên lấy δ < 1mm (trong trường hợp D rất nhỏ chọn δ < 1mm nhưng không nhiều)

Đối với chiều dài khe hẹp không nên chọn quá dài gây tổn thất áp suất lớn, nhưng nếu quá ngắn, dòng trong khe sẽ không kịp ổn định

ắ Trong máy nghiền đứng, tại khe hở δ có sự chênh lệch nồng độ bụi và nhiệt độ giữa khoang bên trong ổ và môi trường bên ngoài nên xuất hiện gradien nhiệt độ và gradien nồng độ, vì thế sẽ xuất hiện dòng khuếch tán qua khe hở Trong máy nghiền đứng, môi trường bên ngoài ổ chính là buồng nghiền nên có rất nhiều các hạt sản phẩm lơ lửng, nên có khả năng các hạt bụi sẽ

khuếch tán qua khe hở δ bằng việc thực hiện các chuyển động Brow (mục 6 chương II) Khi sản phẩm đầu ra càng mịn thì khả năng khuếch tán của các hạt bụi lơ lửng trong buồng nghiền càng cao do hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, vào độ linh động của các hạt bụi theo công thức D =

πà6đối với các hạt bụi có dạng hình cầu và D =

T + + ) đối với hạt có hình dạng khác (mục 5 chương II) Với những phân tích như trên thì khi điều kiện cơ bản (chênh áp) của phương pháp làm kín được đảm bảo và dòng khí trong hệ thống làm kín ổn định, khả năng bụi vẫn có thể xâm nhập được vào khoang ổ do hiện tượng khuếch tán Vì vậy cần kết hợp làm kín bằng phương pháp tăng áp với làm kín bằng vòng bít cao su để đảm bảo tối đa hiệu quả làm kín Đồng thời cần xem xét chọn lưu lượng dòng khí qua khoang ổ phù hợp để dòng khí lưu thông trong khoang ổ làm giảm được nhiệt độ trong khoang giúp cho các vòng bít cũng như chất bôi trơn ổ lâu hỏng

ắ Phần trên ta đang xét dòng chảy qua khe hở giữa hai hình trụ quay có trục đồng tâm, nghĩa là khe hở δ = const theo cả chiều dọc trục và theo chu vi hình trụ Tuy nhiên thực tế các trục của ổ thường chịu tải nên đường tâm trục bị biến dạng cong một lượng f, ngoài ra còn do sai số trong chế tạo và lắp ráp nên thường khe hở δ ≠ const theo cả hai chiều trên Việc giải bài toán về chuyển động của chất lỏng nhớt trong khe hở giữa hai hình trụ quay, không song song và không đồng tâm là bài toán rất phức tạp nên để đơn giản, ta coi như không có biến dạng của đường tâm trục Sau đó lý luận như sau:

Xét khe hở khi đường tâm trục bị biến dạng cong đi một lượng f (biến dạng của ổ trục khi chịu tải), thì theo chu vi hình trụ tại mặt cắt ra của khe hở sẽ có độ lệch tâm giữa trụ ngoài và trong, độ lệch tâm đó chính là f Khi đó theo chu vi hình trụ và tại mặt cắt ra khe hở sẽ thay đổi trong khoảng: δmin ≤ δ ≤ δmax, trong đó giá trị: δmax = δ + f và δmin = δ - f (xem hình 3.5)

Còn theo chiều dọc trục, thực tế khe hở δ ≠ const, nhưng với chiều dài khe hở không lớn, biến dạng đường tâm hình trụ không lớn, ta coi như δ không đổi theo chiều dọc trục

Theo (2.9) thì khi δ = R2- R1 càng lớn (với R1 xác định) thì tốc độ dòng qua khe sẽ giảm đi nhưng không đáng kể, như vậy tại phần khe hở δ L maxvận tốc của dòng sẽ nhỏ nhất, có nghĩa là áp suất toàn phần trong khe sẽ nhỏ nhất tại miền có khe hở max Như vậy nếu điều kiện chênh áp tại phần khe hở δ L max đảm bảo thì trên toàn bộ khe hở δ ≠ const điều kiện này cũng được đảm bảo

Do luôn phải tồn tại khe hở giữa phần quay và phần cố định trong cơ cấu làm kín ổ nên:

δL min > 0

Điều kiện (3.9)gọi là điều kiện đảm bảo khe hở biến dạng trong HTLK

Trong các thiết bị nghiền, để đảm bảo khả năng làm việc dưới áp lực cao, độ cứng các trục của bánh nghiền rất lớn nên nói chung độ biến dạng f nhỏ, do đó với δ > f vẫn đảm bảo là khe hở hẹp δ << R = ( )

R +

Hình 3.5 Khe hở δ trong trường hợp trục bị biến dạng

Theo tài liệu [3] trang 87, lưu lượng dòng chảy trong khe hở giữa hai hình trụ khi có độ lệch tâm e lớn hơn lưu lượng dòng khi hai hình trụ đồng tâm Nếu gọi lưu lượng dòng khí qua khe hở δ giữa hai hình trụ đồng tâm là