Lực tác dụng trong quá trình làm việc

Máy bơm YHЬ–600 là dạng máy thuỷ lực thể tích, làm việc theo nguyên lý nén chất lỏng trong một thể tích kín dưới áp suất thuỷ tĩnh.

Để thực hiện được nguyên lý đó thì trong quá trình làm việc của máy bơm, chuyển động quay được truyền từ cơ cấu truyền vào hệ thống cơ khí của bơm, qua hệ thống cơ khí này biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến qua lại của piston trong xilanh. Khi piston chuyển động như vậy, nó đã chịu một lực tác dụng P qua cần piston. Lực này thay đổi tính chất tác dụng theo quá trình hút và đẩy của bơm, ứng với các lực kéo, nén. Nhưng để piston chuyển động được như vậy thì thành phần lực kéo (nén) phải thắng được các lực sau:

• Lực ma sát piston: Fms1

Fms1 = N1f1 = П.Dl1p1f1 (N) (2.1) D: Đường kính piston;

F1: Hệ số ma sát giữa piston và xilanh;

p1: Áp lực trên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc giữa piston và xilanh.

• Lực ma sát cần piston: Fms2

Fms2 = N2f2 = П.dl2p2f2 (N) (2.2) P2: Áp lực trên một đơn vị chiều dài tiếp xúc giữa cần piston và vòng chặn;

L2: Chiều dài tiếp xúc ma sát; d: Đường kính cần piston;

f2: Hệ số ma sát giữa cần piston và vòng chắn.

• Áp lực tác dụng lên mặt đầu piston: F

Gọi áp lực lớn nhất tác dụng lên mặt đầu piston là p thì ta có:

F = (N) (2.3)

(với buồng làm việc không chứa cần piston)

F = (N) (2.4)

(với buồng làm việc có chứa cần piston)

Nếu không kể đến sự tác dụng của áp lực lên bề mặt piston không nén chất lỏng thì ta có:

Pn = π.( + dl2p2f2 + Dl1p1f1) (N) (2.5)

Pk = π.[ + dl2p2f2 + Dl1p1f1] (N) (2.6) Ngoài ra trong quá trình làm việc bơm còn chịu tác động của hiện tượng va đập (va đập thủy lực, va đập cơ khí). Thực chất của hiện tượng va đập thủy lực chính là do sự thay đổi vận tốc của dòng chất lỏng trong quá trình bơm làm việc sinh ra lực quán tính. Lực này góp phần lớn sinh ra hiện tượng xâm thực trong máy bơm.

CHƯƠNG 3

NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA MÁY BƠM YHБ-600 3.1. Khái niệm hiệu suất của máy

Đánh giá mức độ tổn thất năng lượng trong quá trình trao đổi năng lượng với chất lỏng.

η = ηQηTTηC (3.1)

trong đó :

ηC : Tổn thất do ma sát của các bộ phận cơ khí trong máy gọi là tổn thất cơ khí;

ηQ : Tổn thất lưu lượng; ηTT : Tổn thất thủy lực.

ηTT là tổn thất cột áp của dòng chảy qua máy. Nhưng do động năng của các phần tử chất lỏng nhỏ, tổn thất này tương đối nhỏ: ηTT = 1

3.2. Nâng cao hiệu suất làm việc của máy

Thực chất nâng cao hiệu suất làm việc của máy là làm giảm mức độ tổn thất năng lượng trong quá trình trao đổi năng lượng với chất lỏng.

Việc giảm tổn thất năng lượng là làm giảm các tổn thất do ma sát của các bộ phận cơ khí trong máy và giảm tổn thất lưu lượng, tức là nâng cao hiệu quả của các chi tiết trong máy và khắc phục các hiện tượng làm giảm lưu lượng của bơm.

3.2.1. Nâng cao hiệu quả cụm xilanh piston a. Xilanh

- Về mặt thiết kế chế tạo, công nghệ phải chọn loại vật liệu có độ cứng vững tốt, tính mài mòn tốt và đặc biệt là ít mài mòn trong điều kiện tải trọng lớn. Do đó cụm piston-xilanh thường chế tạo bằng thép tấm cacbon nồng độ C = 2.7 đến 2.9 % . Và đặc biệt sau khi chế tạo cần bề mặt cứng để giảm độ mài mòn, do đó sau khi chế tạo xong xilanh cần được gia công áp lực, tôi, ram và được thấm cacbon hoặc hợp kim cứng. Ngoài ra trong quá trình làm việc, dung dịch khoan có chứa các chất hoá học khác nhau có thể gây ăn mòn. Chính vì vậy có thể tráng một lớp kim loại mỏng để chống ăn mòn cho xilanh.

- Các biện pháp công nghệ, gia công sau khi chế tạo bao gồm: + Gia công nhiệt hoá bề mặt của xilanh:

Đây là phương pháp làm tăng tính cơ lí lớp bề mặt của kim loại nhằm tăng khả năng làm việc và tuổi thọ của nó. Có nhiều phương pháp khác nhau như thấm cacbon, thấm crom, thấm silic, oxy hoá, sulphua hoá… Mỗi phương pháp đem lại sự thay đổi

tính chất cơ lí cho lớp bề mặt của kim loại khác nhau. Tuy nhiên đối với tính chất và điều kiện làm việc của xilanh thì phương pháp thấm crôm được xem là hiệu quả nhất để đáp ứng yêu cầu kĩ thuật. Điều này được giải thích bởi sau khi thấm crôm bề mặt của kim loại có độ bền và độ va đập, độ bền mỏi cao và đặc biệt độ bền mòn rất lớn.

Quá trình thấm crôm được thực hiện như sau: Xilanh sẽ được đặt trong hộp kín chứa bột crôm và bột trơ (tác dụng của bột trơ cho thêm vào để tránh bám dính bề mặt xilanh trong quá trình nung). Sau đó, ta nung từ 1200 đến 1600 độ C. Lớp phủ crôm được tạo thành bằng cách xông khí HCl qua hỗn hợp dạng bột nói trên. HCl tác dụng theo phản ứng:

2HCl + Cr = H2 + CrCl2 .

Do ở nhiệt độ cao nên CrCl2 ở dạng hơi sẽ tác dụng với Fe trên bề mặt chi tiết theo phản ứng :

3Cr + 2 Fe = 2FeCl3 + 3Cr .

Cr thoát ra trong phản ứng trên sẽ khuếch tán tạo thành lớp hợp kim Fe- Cr với nhiệt độ nung 1200 đến 1600 độ C và nung trong khoảng 20 giờ tạo được lớp crôm dày khoảng 0,04 đến 0,07 mm. Với chiều dày này, đáp ứng được yêu cầu cao trong quá trình làm việc của xilanh.

+ Mạ điện bề mặt của xilanh.

Đây là phương pháp phủ lên xilanh một lớp kim loại mỏng dựa trên nguyên lí sự điện phân mà không làm thay đổi tính chất kim loại của xilanh nhưng sẽ tăng độ cứng, độ bóng và đặc biệt lớp mạ kim loại có khả năng chống ăn mòn hoá học cao.

Xilanh được làm sạch bề mặt, sau đó được đặt vào bể chứa muối dung dịch cần mạ. Xilanh được nối với katốt (-) của dòng điện 1 chiều, cực anốt (+) được nói với kim loại mạ. Khi cho dòng điện 1 chiều chạy qua hai cực này xảy ra quá trình điện phân (trao đổi ion) và lúc này xilanh được tráng một lớp kim loại mỏng.

Phương pháp này thường rất hay sử dụng trong thực tế bởi nó có những ưu điểm rất lớn mà các phương pháp khác không có được:

- Dễ dàng điều chỉnh chiều dầy lớp mạ, tính chất lớp mạ bằng cách thay đổi hiệu điện thế, mật độ dòng điện, nồng độ và nhiệt độ dung dịch mạ;

- Lớp mạ bám rất chắc làm kim loại cần được mạ nên mức độ bảo vệ cao; - Độ tinh khiết của kim loại cao nên độ đồng đều của lớp mạ phủ lên bề mặt kim loại là tương đối cao;

- Trong quá trình mạ không có nguyên công nung nóng nên không làm thay đổi cấu trúc của xilanh và ít gây ra cong vênh.

Các kim loại thường được mạ như Zn, Cr, Ni … Tuy nhiên đối với xilanh thì Cr được sử dụng nhiều hơn cả vì đáp ứng yêu cầu kĩ thuật và công nghệ.

Ngoài ra sau khi thực hiện xong các giai đoạn trên cần gia công làm nhẵn bề mặt của xilanh để bề mặt xilanh có độ nhám nhỏ, mức nhấp nhô tế vi thấp khoảng Ra= 0.04đến 0.08 micromet để tăng hiệu suất làm việc cũng như tăng độ bền mỏi, độ cứng của xilanh. Các phương pháp làm nhẵn được thực hiện trên các máy vạn năng với lượng chạy dao nhỏ, tốc độ lớn (có thể làm nhẵn bằng kim cương) được thực hiện qua máy mài tinh hoặc siêu tinh.

Hiện nay với sự phát triển cao của khoa học kĩ thuật phương pháp gia công tăng độ cứng bề mặt của xilanh cũng như độ bền mỏi được thực hiên bằng sử dụng các loại tia chiếu như tia lade… đạt được kết quả cao đáp ứng yêu cầu kĩ thuật tốt.

b. Piston

Piston, cần piston, các gioăng cũng được làm từ vật liệu cứng đảm bảo độ cứng vững cao, độ bền tốt và sau khi chế tạo cần được gia công để tăng độ cứng bề mặt giảm mài mòn cũng được thực hiện như đối với xilanh.

Đặc biệt chú ý đến cần piston cũng như các cơ cấu thanh truyền phải được chế tạo sao cho có độ cứng vững cao trong quá trình làm việc với tốc độ cao tránh được hỏng hóc hoặc gãy.

Gioăng cao su được lắp ở piston để làm tăng độ kín giữa piston và xilanh cũng như tăng khả năng lưu động. Do đó gioăng cao su thường được làm từ cao su tổng hợp để đảm bảo sự ổn định của bơm. Cần chú ý rằng trong dung dịch khoan có nhiều chất khác nhau có thể làm gioăng cao su mòn hỏng rất nhanh do đó nên tính toán trước để chế tạo gioăng cao su sao cho tránh được mòn, rách, mủn trong dung dịch khoan.

c. Ống lót

Ống lót là chi tiết thường được thay thế khi hiệu suất bơm giảm. Nguyên nhân chính là do mòn. Vì ống lót dễ chế tạo và thay thế nên lựa chọn loại ống lót có độ cứng nhỏ hơn xilanh để khi ống lót mòn xilanh bị mòn ít.

Ngoài ra do cụm piston-xilanh thường được nằm ngang nên trong quá trình hoạt động qua lại của xilanh phần dưới của ống lót chịu lực lớn hơn nên dễ mòn hơn. Do đó để giảm bớt sự ô van trong cụm xilanh ta nên chế tạo phần dưới của ống lót có độ cứng hơn phần trên.

Do môi trường làm việc của các van thủy lực là dòng dung dịch có vận tốc lớn và áp suất cao đồng thời chứa các hạt mài,vì vậy sự mòn hỏng của các van thủy lực là không thể tránh khỏi.

Van thủy lực thường có hai dạng hỏng cơ bản của cụm van:

• Hỏng do mòn:

Khi van làm việc thì các hạt mài trong dung dịch theo dòng chảy bắt đầu gây ra va đập, cọ xát vào bề mặt các chi tiết của van và gây ra mòn. Các hạt mài ở đây là do chính bản thân dung dịch cũng chứa các hạt rắn như các hạt làm nặng BaSO4, Fe2O3, chất kết tủa Na2CO3,... và phải kể đến các hạt rắn như thạch anh, đá, cát, nham thạch... từ dưới giếng khoan lên, do quá trình làm sạch dung dịch vẫn còn sót lại. Các hạt này có độ cứng lớn hơn rất nhiều so với kim loại chế tạo chi tiết của van. Khi các hạt mài này tiếp xúc với bề mặt chi tiết của van thì xẩy ra hai khả năng: va đập vào chi tiết và trượt trên bề mặt chi tiết. Khi các hạt trượt trên bề mặt các chi tiết và làm cho bề mặt chi tiết bị xước. Tuy nhiên, như vậy sẽ gây lên sự mòn hỏng cho các chi tiết của cụm van thủy lực làm ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của van.

Ngoài ra các hạt mài còn có thể bị nhét vào giữa các bề mặt lắp ghép cứng của đế van và đĩa van khi đóng. Lúc đầu các hạt có kích thước nhỏ sau đó dến các hạt có kích thước lớn dần. Tại thời điểm các hạt mài phân vụn trong bề mặt lắp ghép cứng, thì các vị trí tiếp xúc của chi tiết với hạt mài xuất hiện các ứng suất cực đại. Ứng suất này lớn hơn nhiều so với ứng suất giới hạn cho phép của các mối ghép trong van. Sự lặp đi lặp lại nhiều lần như vậy trong quá trình làm việc của van gây ra mòn hỏng bề mặt các chi tiết của van. Khi giữa các chi tiết bị mòn tạo độ rơ thì lúc này vị trí tương đối giữa các đĩa van và mặt đế van bị mất đi, đồng thời lò xo nén đĩa van bị yếu do biến dạng mòn và các ống dẫn hướng của đĩa van bị mòn ô van đường kính trong, làm cho đĩa van làm việc không còn vuông góc với bề mặt lắp ghép của mặt đế van, dẫn đến đế van bị cong và kéo theo đệm làm kín bị rách. Lúc này van đóng không còn được kín dẫn đến quá trình mòn hỏng của van diễn ra một cách nhanh chóng.

Sự mòn hỏng cùa van do trong chất lỏng có pha rắn tạo ra một số dạng hỏng ở van như sau:

- Mòn vảy nhỏ: là bề mặt chi tiết xuất hiện các vết rỗ nhỏ nông và thưa. Dạng mòn hỏng này ứng với cuối giai đoạn chạy mài;

- Mòn vảy lớn: là bề mặt chi tiết xuất hiện các vết rỗ lớn, sâu và dày. Dạng mòn hỏng này ứng với giai đoạn mài mòn;

- Mòn lỗ thủng (mòn toàn bộ bề mặt): là bề mặt chi tiết bị mòn thủng trầm trọng, không còn khả năng tiếp tục làm việc. Dạng mòn hỏng này ứng với giai đoạn mài mòn sự cố.

Máy bơm piston thực hiện nhiệm vụ bơm dung dịch khoan, vì thế nên van thủy lực thường xuyên phải tiếp xúc với dung dịch khoan, dẫn đến hiện tượng bề mặt của van xảy ra hiện tượng ăn mòn điện hóa. Sự ăn mòn điện hóa này gây ra sự bào mòn bề mặt chi tiết của van. Cộng với áp suất dòng chảy của dung dịch tạo nên sự xói mòn bề mặt của chi tiết. Quá trình ăn mòn cứ như vậy diễn ra cho đến khi gây hỏng van.

• Hỏng do va đập.

- Hỏng do va đập cơ khí.

Do trong quá trình làm việc của van thì chuyển động của van là chuyển động lên xuống theo chuyển động của dòng chất lỏng (van hút và van xả có chuyển động ngược nhau trong mỗi chu trình chuyển động của piston trong xilanh). Với chuyển động như vậy thì xảy ra hiện tượng va đập cơ khí giữa nắp van và cối van

- Hỏng do va đập thủy lực

Va đập thủy lực là hiện tượng biến đổi áp suất đột ngột khi có sự thay đổi đột ngột của vận tốc dòng chảy.

Trong quá trình làm việc của van ở máy bơm piston, khó tránh khỏi hiện tượng va đập thủy lực, nó gây ra sự mòn hỏng các chi tiết của van, gây ra tiếng ồn và giảm hiệu suất làm việc của van

* Van thủy lực là loại van một chiều đóng mở để hút hoặc đẩy chất lỏng. Trong quá trình làm việc van sẽ đóng mở liên tục cộng với áp suất của chất lỏng rất cao cho nên van dễ mòn phần tiếp xúc giữa van và đế van. Do đó hiệu suất đóng mở của van cũng ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất của máy bơm. Để tăng sự linh động của van, độ kín của van, chúng ta nên lựa chọn vật liệu cho thiết bị làm kín có khả năng mút tốt và chống mài mòn cao. Ngoài ra để giảm áp lực nên van giảm mòn, thường chế tạo van dạng hình côn:

P: áp lực lên van

P = (N) (3.2)

F: lực tác dụng lên van S: diện tích làm việc của van.

Vì thế, để giảm áp lực của van khi lực tác dụng lên van là không đổi ta tăng diện tích cho van bằng cách chế tạo van dạng hình côn.

3.2.3. Nâng cao hiệu quả nhờ thiết bị bôi trơn làm mát

Bôi trơn các bộ phận chi tiết là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả làm việc của máy bơm cũng như tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc cho máy. Các bộ phận như cặp bánh răng của hộp giảm tốc, trục khuỷu, bộ gioăng làm kín và các bộ phận khác luôn được bôi trơn. Các bộ phận khác nhau sẽ được bôi trơn theo hệ thống bôi trơn khác nhau và với từng loại dầu bôi trơn khác nhau và thời gian thay dầu bôi trơn là khác nhau. Chẳng hạn hộp trục khuỷu có thể bôi trơn nhờ loại dầu Vitsa 100 của hãng Shell sau khoảng 4000 giờ làm việc thì phải thay dầu mới, hay hộp giảm tốc có thể dùng loại dầu Spiark 90 EP-2 của hãng Shell để bôi trơn .

Do tính chất quan trọng của dầu bôi trơn, chúng ta phải thường xuyên kiểm tra và bổ sung lượng dầu bôi trơn, khi hết thời gian sử dụng dầu bôi trơn thì phải thay dầu bôi trơn và kiểm tra hệ thống bôi trơn.

3.2.4. Nâng cao hiệu quả làm việc của bình điều hoà

Do sử dụng cơ cấu tay quay-thanh truyền trong bơm piston nên lưu lượng chỉ thị và áp suất làm viêc của bơm không đều. Do vậy để giảm mức độ không ổn định