Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Ở trong nước, các nghiên cứu về máy thủy lực thể tích còn rất hạn chế. Ban đầu, loại máy này chỉ được giới thiệu trong các giáo trình nguyên lý máy chuyên nghiệp dành cho giảng viên các trường đại học vào năm 1970 [25]. Tuy nhiên, mãi cho đến năm 2006 mới có công bố được coi là đầu tiên về lĩnh vực này của tác giả Nguyễn Hồng Thái và cộng sự [26]. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở việc thiết lập phương trình biên dạng rôto và lập trình mô phỏng thiết kế lại mẫu quạt của Palmer đã đề xuất năm 1875 [4]. Tiếp đó là các đề tài nghiên cứu trong nước được thực hiện ở cấp cơ sở năm 2003 [27] và đề tài cấp bộ giáo dục năm 2006 [28]. Nhưng những kết quả nghiên cứu thời điểm đó mới chỉ nghiên cứu tính toán giải mã thiết kế của loại quạt thổi Roots cổ điển được ứng dụng làm máy sục khí trong nuôi trồng thủy sản. Đến năm 2015, tác giả Nguyễn Hồng Thái cùng cộng sự [29] tiếp tục nghiên cứu và đưa ra công thức tổng quát cho việc thiết kế kích thước quạt thổi Roots kiểu Palmer theo lưu lượng cho trước.Năm 2018, Nguyễn Hồng Thái và công sự đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế của quạt Roots đến dao động lưu lượng và áp suất của máy [30]. Cũng trong năm 2018, Nguyễn Hồng Thái và các cộng sự tiến hành khảo sát ảnh hưởng của tham số thiết kế đến hiện tượng trượt biên dạng và lưu lượng của quạt Roots [31]. Năm 2019, Nguyễn Hồng Thái và các cộng sự đã đề xuất một biên dạng mới trong thiết kế quạt thổi cao áp dạng Roots [15], biên dạng rôto được hình thành từ một điểm cố định trên đường tròn sinh lăn không trượt quanh một elip lăn. Nghiên cứu đã đạt được một số kết quả như sau: với cùng một hệ số  phương án này sẽ có lưu lượng lớn hơn và kích thước nhỏ hơn phương án thiết kế trước đó của tác giả [32], với cùng một kích thước hướng kính thì nghiên cứu này sẽ cho kích thước ngang tối ưu hơn so với phương án trong [32]. Nhược điểm của nghiên cứu này là yếu chân răng vì vậy để tối ưu về mặt lưu lượng và kích thước nhưng phải khắc phục được hiện tượng yếu chân răng khi làm việc ở một áp suất nhất định thì phải khảo sát và lựa chọn hệ số 

hợp lý. Về nghiên cứu ứng dụng, nhận thấy vai trò quan trọng của thiết bị này trong các dây chuyền sản xuất các nhà nghiên cứu của Viện nghiên cứu Cơ khí đã thực hiện hai đề tài cấp bộ Bộ Công Thương đó là: (a) Đề tài mã số 241-08 RD/HĐ-KHCN [33] thực hiện năm 2008, với mục đích là tiến hành giải mã công nghệ thiết kế chế tạo các bộ phận tĩnh gồm vỏ và trục của quạt thổi kiểu Roots có thông số kỹ thuật: lưu lượng 600m3/h, áp suất 0,5 bar, công suất là 15kW dùng để thổi khí vào si lô xi măng của nhà máy xi măng lò quay; (b) Đề tài mã số 202- 10 RD/HD-KHCN [34] tiếp tục giải mã chế tạo phần vỏ trên của quạt thổi kiểu

13 Roots có lưu lượng 8,71 m3/phút, áp suất 0,5 bar, công suất 15kW. Kết quả nghiên cứu chủ yếu đi về công nghệ chế tạo cụ thể với các chi tiết chính như: stato, các bộ phận chính (bánh răng dẫn động...), tuy nhiên công nghệ chế tạo rôto cũng chưa được đề cập. Một nghiên cứu trong nước [35] đã chế tạo thành công quạt Roots có thông số Q = 8,71 m3/ph, P = 0,5 bar, N = 15KW phục vụ cho dây chuyền thổi khí vào các máng khí động tại silo xi măng của nhà máy xi măng lò quay, cấu tạo cảu quạt Roots được cho ở Hình 1.10.

Hình 1.10 Cấu tạo bên trong quạt Roots [35]

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trải qua gần 180 năm phát triển, máy thủy lực thể tích là một vấn đề được rất nhiều các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu cải tiến và phát triển nhằm mục đích nâng cao hiệu suất của máy phục vụ vào trong các lĩnh vực của đời sống. Trải qua tìm hiểu, phân tích và tổng hợp, chuyên đề sẽ tập trung vào 2 hướng chính là: cải tiến biên dạng rôto tạo ra các máy ứng dụng vào lĩnh vực khác nhau và nghiên cứu về lưu lượng và áp suất của máy để đưa ra các chế độ làm việc của máy phù hợp với từng ứng dụng của máy.

Về cải tiến biên dạng rôto

Với hướng nghiên cứu này có thể kể đến như: Litvin (1960) [9] đã đưa ra một thiết kế biên dạng rôto với phần biên dạng đỉnh rôto là một cung tròn và chân rôto là biên dạng đối tiếp của đỉnh rôto. Về hướng tổ hợp các đường cong còn có Niimura và cộng sự [36] sử dụng tổ hợp các đường thân khai và cung tròn. Mimmi và Pennacchi (1999) [16] tổ hợp các đường epixyclôít, cung tròn, đường thân khai và đường chôtroiít để thiết kế rôto quạt kiểu Lobe. Tuy nhiên việc sử dụng tổ hợp các đường cong để hình thành biên dạng rôto lại gây ra tiếng ồn khi làm việc lớn, dao động cơ học do bị nén cục bộ. Do vậy, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp đường cong đối tiếp của Litvin [9] để khắc phục nhược

điểm trên. Hsieh (2015) [37] đã đề xuất một đường cong mới được hình thành từ quỹ tích một điểm cố định trên elíp sinh lăn không trượt trên đường tròn lăn nhằm cải tiến biên dạng tăng lưu lượng của máy được thể hiện ở Hình 1.11.

Tuy nhiên các nghiên cứu trên thiết kế biên dạng rôto theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng trụ có tỷ số 1:1, còn thiết kế biên dạng rôto theo nguyên lý dẫn động của cặp bánh răng không tròn có tỷ số truyền thay đổi thì có rất ít nghiên cứu đề cập đến chỉ có Tong và Yang [17] sử dụng hai phương pháp DPD (Direct-Profile-Design) và DF (Deviation-Function) kết hợp với phương pháp thiết kế đường lăn trong bánh răng không tròn để thay đổi các tham số thiết kế tạo ra biên dạng rôto mới.

Về lưu lượng và áp suất

Như đã trình bày ở mục 1.4 thì các nghiên cứu về lưu lượng và áp suất được chia thành các hướng với các nghiên cứu của các nhà khoa học về từng hướng như sau:

Hướng nghiên cứu phát triển và ứng dụng lý thuyết cơ học thủy khí vào máy thủy lực thể tích: Hướng nghiên cứu này có Hsieh và Hwang [38] tiến hành khảo sát diện tích tiết diện rôto theo hệ số tỷ lệ các đa thức bậc cao cho loại quạt thổi đã được nhóm tác giả này đề xuất trước đó [37] để tăng lưu lượng và hiệu suất của máy, kết quả lưu lượng tăng khoảng 5% so với mẫu quạt thổi của Palmer [4]. Mimmi và cộng sự [39] đã tiến hành tính toán áp suất của quạt trong quá trình nén khí vào bình tích áp.

Hướng nghiên cứu sử dụng mô phỏng số: Có các nghiên cứu về hướng này như: Huang và Liu (2009) [18] mô hình hóa dòng chảy trong máy thủy lực kiểu

15 Lobe có ba răng, trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã sử dụng mô hình chảy rối K-Epsilon để xác định các vị trí dòng xoáy theo sự thay đổi của góc quay trục dẫn động. Liu và cộng sự [40] đã đưa ra giải pháp thiết kế cửa ra dạng xoắn ốc để giảm xung áp lực và thông qua mô phỏng số để điều chỉnh thiết kế góc xoắn cải thiện hiệu suất của máy. Cai và cộng sự [41] sử dụng công cụ mô phỏng số để xác định dao động lưu lượng của loại quạt được đề xuất trong [42].

Hướng nghiên cứu thực nghiệm: hướng nghiên cứu này thường được ứng dụng trong sản xuất, chế tạo hàng loạt, thông qua việc đo đạc, phân tích, đánh giá kết quả đo để xác định đặc tính làm việc của máy và hiệu suất làm việc của phương án thiết kế. Đây là điều bắt buộc để đưa kết quả nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra sản xuất thương mại. Kết quả thực nghiệm thu được là chính xác và khắc phục được những giả thiết, điều kiện làm việc, yếu tố môi trường mà phương pháp nghiên cứu lý thuyết phải giả định hoặc phương pháp mô phỏng số chưa mô hình hóa hết được. Theo hướng nghiên cứu này có: Mcdougald và cộng sự [19] đã xây dựng mô hình thực nghiệm xác định lượng khí tổn thất qua các khe hở. Kauder và cộng sự [20] đã đề xuất mô hình thí nghiệm xác định ảnh hưởng của ba loại khe hở (khe hở hướng kính, khe hở mặt đầu, khe hở cạnh rôto) đến hiện tượng tụt áp của máy hút chân không kiểu Roots, kết quả cho thấy khe hở mặt đầu có ảnh hưởng lớn nhất.

Bên cạnh đó còn có một số nghiên cứu khác như: Qing Guo và các cộng sự (2020) [43] tiến hành mô phỏng số và thực nghiệm sự phù hợp và nâng cao hiệu suất của bơm Roots hoạt động với hỗn hợp khí-chất lỏng với sơ đồ thí nghiệm được thể hiện ở Hình 1.12, nghiên cứu cho cái nhìn sâu sắc về đặc tính dòng chảy của bơm Roots hoạt động với hỗn hợp khí-chất lỏng.

Shuaihui Sun và các cộng sự (2020) [44] tiến hành mô phỏng số và thực nghiệm để khảo sát dòng qua khe hở trong một loại quạt Roots với sơ đồ thí nghiệm và bộ kiểm tra với kính hiểm vi được thể hiện lần lượt ở Hình 1.13 và Hình 1.14, kết quả thu được trường dòng chảy CFD phù hợp với kết quả thực nghiệm về dòng chảy và vận tốc tại các khu vực, dòng xoáy gây ra bởi dòng rò rỉ dẫn đến sự phân tách các vùng vận tốc cao và thấp ở vùng dòng xuống của khe hở.

Yi-Bin Li và cộng sự (2018) [45] đã trình bày một cấu trúc mới của khoang bơm với khe hở thay đổi trong quá trình rôto hoạt động để giảm độ lớn và dao động của lực hướng tâm lên rôto. Khi khe hở biến thiên nhỏ dần rmax = 0,1 mm thì ở phía có áp suất cao, lực kích thích hướng tâm lên rôto theo phương y giảm

Hình 1.14 Bộ kiểm tra quạt Roots với kính hiển vi trong [44]

17 12% so với khe hở không thay đổi trong quá trình hoạt động, và giảm 19% theo phương x, giúp cho máy có thể tránh được ảnh hưởng của sự thay đổi đột ngột ứng suất lên hệ thống truyền động.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương này trình bày tổng quan về máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài bao gồm các nội dung: (1) Lịch sử hình thành và quá trình phát triển của máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài; (2) Nguyên lý hoạt động, phân loại và ứng dụng của máy thủy lực thể tích xyclôít ngoài; (3) Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài. Từ những trình bày ở trên có thể thấy:

(1) Các nghiên cứu về biên dạng tập trung nhiều vào thiết kế biên dạng rôto cho máy thủy lực thể tích xyclôít kiểu Roots (rôto có hai răng), có rất ít nghiên cứu về máy thủy lực thể tích xyclôít kiểu Lobe (rôto có từ 3 răng trở lên). Về vấn đề này luận văn trình bày một thiết kế mới của máy thủy lực thể tích xyclôít kiểu Lobe với rôto cso bốn răng. Đây là một thiết kế hoàn toàn khác so với các thiết kế có trước đây với hai rôto của máy khác nhau cả về biên dạng cũng như kích thước.

(2) Các nghiên cứu về tổn thất lưu lượng và áp suất của máy mới chỉ xét đến ảnh hưởng của một loại khe hở trong các khe hở hướng kính, khe hở cạnh rôto, khe hở mặt đầu mà chưa xét đến ảnh hưởng của cả ba loại khe hở trên đến tổn thất lưu lượng và áp suất do trong máy thủy lực thể tích xyclôít ăn khớp ngoài luôn tồn tại cùng lúc ba loại khe hở trên. Vấn đề này được luận văn giải quyết ở chương 3 của luận văn.

(3) Nghiên cứu về lực và momen do lưu chất trong buồng làm việc tác động lên rôto còn rất hạn chế. Để giải quyết vấn đề này, chương 4 của luận văn tiến hành xây dựng mô hình tính toán lực và momen tác động lên rôto của máy thủy lực thể tích xyclôít loại Lobe rôto có bốn răng.

Hình 1.15 Dao động của lực hướng kính lên rôto theo phương x trong [45]

Hình 1.16 Dao động của lực hướng kính lên rôto theo phương y trong [45]

CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ MÁY THỦY LỰC THỂ TÍCH KIỂU LOBE RÔTO CÓ BỐN RĂNG

2.1 Nguyên lý hình thành biên dạng rôto

Biên dạng rôto {R} của bơm bao gồm phần biên dạng đỉnh rôto và phần biên dạng chân rôto. Trong đó phần biên dạng đỉnh rôto được hình thành dựa trên quỹ tích của một điểm K cố định trên đường tròn sinh {C} lăn không trượt phía bên ngoài đường elíp lăn {E}; phần biên dạng chân rôto được hình thành dựa trên quỹ tích một điểm K cố định trên đường tròn sinh {C} lăn không trượt phía bên trong đường elíp lăn {E} như được thể hiện trên Hình 2.1.

2.2 Thiết lập phương trình biên dạng đỉnh rôto

Để thiết lập phương trình biên dạng đỉnh rôto ta đặt các hệ quy chiếu

} { 1 1 1 1

1 O x y z

 , P{OPxPyPzP}, 2{O2x2y2z2} gắn với giá như Hình 2.2.

Trong đó: O1 y1 x1 yp xp xc yc P K O2      r b a E c R

Hình 2.2 Nguyên lý hình thành biên dạng đỉnh rôto

R E C Rôto 1 Rôto 2 K

) ( 1 1 1 1

1 O x y z

 là hệ quy chiếu cố định gắn tại tâm O1 trên đường elíp lăn

) , ( 1 P E O r  . ) ( P P P P P O x y z

 là hệ quy chiếu gắn tại tâm OP trùng với điểm tiếp xúc P.

) ( 2

2 O xcyczc

 là hệ quy chiếu gắn tại tâm O2 trên đường tròn sinh

) , (O2 r

 .

K là điểm cố định trên đường tròn sinh C(O2,r).

P là điểm tiếp xúc giữa đường tròn sinh C(O2,r) với elíp lăn E(O1,rP).

a là bán trục lớn của elíp lăn E(O1,rP).

b là bán trục nhỏ của elíp lăn E(O1,rP).

r là bán kính đường tròn sinh C(O2,r).

 là góc quay giữa hệ P(OPxPyPzP) và 1(O1x1y1z1).

 là góc quay giữa hệ 2(O2xcyczc) và P(OPxPyPzP).

 là góc quay giữa hệ 2(O2xcyczc) và 1(O1x1y1z1).

 là góc tạo bởi đường pháp tuyến đi qua P với trục x1.

 là góc quay của đường tròn sinh.

Biên dạng đỉnh rôto được hình thành dựa trên quỹ tích điểm K cố định trên đường tròn sinh {C} lăn không trượt phía bên ngoài đường elíp lăn {E}. Với nguyên lý hình thành như vậy, quỹ tích điểm K được xác định bằng phép biến đổi: K O P P P K r M r M r r 1 1 1 22 1 2   (2.1) Trong đó: P r 1

là tọa độ điểm P trong hệ tọa độ 1(O1x1y1z1).

là ma trận quay quanh trục z của hệ tọa độ P(OPxPyPzP) so với hệ tọa độ 1(O1x1y1z1).

O P

r là tọa độ điểm O2 trong hệ tọa độ P(OPxPyPzP).

2 1

M là ma trận quay quanh trục z của hệ tọa độ 2(O2xcyczc) so với hê tọa độ 1(O1x1y1z1).

là tọa độ điểm K trong hệ tọa độ 2(O2xcyczc).

Từ Hình 2.3, tọa độ điểm P trong hệ tọa độ 1(O1x1y1z1) được cho bởi:

           0 sin cos 1   P P P r r r (2.2)

Với rP là bán kính cực của elíp lăn E(O1,rP) và được cho bởi:

) 2 cos( ) ( 2  b a b a ab rP     (2.3) Xác định 1MP:

Từ Hình 2.3, ma trận quay quanh trục z của hệ tọa độ P(OPxPyPzP) so với hệ tọa độ 1(O1x1y1z1) được cho bởi:

            1 0 0 0 cos sin 0 sin cos 1     P M (2.4) Xác định P O2 r :

Từ Hình 2.4, tọa độ điểm O2 trong hệ tọa độ P(OPxPyPzP) được cho bởi:

O1 y1 x1