5. Kết cấu của đề tài
4.2 Thiết kế ổ khí tĩnh cho máy ly tâm trục đứng tốc độ cao
4.2.3 xuất phương án chế tạo ổ khí tĩnh
Ổ đỡ khí tĩnh gồm 2 ổ được bố trí 2 đầu trục chính vì vậy ổ được được gia cơng chính xác lắp với trục chính với khe hở rất nhỏ và trên ổ có các lỗ nhỏ bố trí điều xung quanh giữ nhiệm vụ cấp khí liên tục để tạo lớp màng khí mỏng giữa trục và ổ đỡ khí tĩnh.
Phương án chế tạo ổ khí tĩnh trong trục chính máy ly tâm tốc độ cao có 2 phương án sau:
khi thực hiện phương án này thì quá trình dễ gia cơng và chế tạo, nhược điểm khi đó điều chỉnh độ đồng tâm giữa hai ổ rất khó khăn và mất nhiều thời gian khi lắp ráp (hình 4.14a).
- Phương án 2: ổ khí tĩnh được chế tạo đồng thời nên việc gia cơng và chế
tạo rất khó khăn, nhưng có ưu điểm hơn phương án 1 là độ đồng tâm được đảm bảo (hình 4.14b).
Từ các ưu khuyết điểm của 2 phương án đã đề ra. Qua phân tích phương án 2
được lựa chọn vì đảm bảo độ đồng tâm cao, tiết kiệm thời gian khi lắp ráp,…
a) Bố trí 2 ổ rời b) Bố trí 2 ổ liền
Hình 4.14: Phương án bố trí các ổ khí tĩnh 4.2.4 Tính tốn ổ đỡ khí tĩnh
Q trình thiết kế ổ đỡ cần xác định các thơng số như: hình dạng (đường kính, chiều dài), các kích thước của lỗ cấp khí, số lượng lỗ cấp khí, khe hở hướng kính giữa trục và ổ, vị trí đặt lỗ cấp khí và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hoạt động của ổ [14]. Trình tự các điều kiện xem xét trên được thể hiện qua sơ đồ sau (hình 4.15).
- Kết cấu đơn giản, dễ gia công, dễ lắp ráp;
- Khả năng chịu tải dọc trục cao;
Hình 4.15: Các yếu tố tương tác trong thiết kế ổ khí [14]
Tùy vào mục đích yêu cầu sử dụng ổ khí mà lựa chọn các thơng số cho phù hợp, như thiết kế ổ khí cho các máy có u cầu độ chính xác cao thì cần chọn tỉ số lệch tâm nhỏ,… Trong luận văn này, ổ khí ứng dụng trong máy ly tâm tốc độ cao nên có thể chọn tỉ số lệch tâm là 0,5 và hệ số Kgo tối ưu là 0,4 (theo bảng 3.1). Điều kiện làm việc ổ khí tĩnh tương ứng với ổ bi: cấp chính xác kích thước là 7, cấp độ nhám 8.
- Đường kính lỗ cấp khí
Ta có mối quan hệ giữa đường kính lỗ cấp khí tối ưu và khe hở giữa trục và bề mặt trong ổ khí được thể hiện qua hình 4.17 [14]. Tùy thuộc vào khả năng có thể gia công được mà chúng ta chọn 2 thơng số này cho phù hợp. Theo hình 4.17, với hệ số Kgo = 0.4 ta chọn 2h0 = 2,5x10-3 inch (0.06 mm), đường kính lỗ cấp khí d*= 12,5x10-3 inch (0,3mm).
Hình 4.16: Mối quan hệ giữa đường kính lỗ cấp khí và tỉ lệ L/D [14]
Với mơ hình thực tế, đường kính trục của máy ly tâm là 50 mm nên đường kính trong của ổ sẽ là D = 50,06 mm.
Hình 4.17: Mối quan hệ giữa đường kính lỗ cấp khí tối ưu và khe hở [14]
- Chiều dài ổ khí
Để xác định chiều dài ổ người ta sử dụng tỉ số L/D (L - chiều dài ổ; D - đường kính trong của ổ). Hình 4.16 cho thấy mối qua hệ giữa đường kính lỗ cấp khí và tỉ số L/D, trong đó: d - là đường kính lỗ cấp khí; d* - là đường kính lỗ cấp khí tối ưu và được tính theo cơng thức 4.1:
* 2
d d
L D
(4.1)
Ta thấy đường kính lỗ cấp khí tối ưu khi L/D =1, nghĩa là L=D. - Vị trí đặt lỗ cấp khí
Để xác định vị trí lắp đặt lỗ cấp khí ta xét hình 4.21, ta thấy vị trí lắp lỗ cấp khí bố trí càng gần cạnh của ổ thì hệ số tải CL càng lớn, hệ số tải lớn nhất khi lỗ cấp khí ở giữa l/L = 0,125 và l/L = 0,25 (với l là khoảng cách từ cạnh ổ khí tới vị trí lắp lỗ cấp khí) [14].
Hình 4.18: Vị trí đặt lỗ cấp khí
Tuy nhiên, đặt càng gần mép cạnh ngồi ổ khí thì hiệu ứng phân tán dịng khí càng tăng nên hầu hết các nghiên cứu đều bố trí ở các vị trí: (1) l/L =0,25; (2) l/L =0,5. Ở đây, ta chọn l/L = 0,25 để có hệ số tải trọng tốt (hình 4.19).
Hình 4.19: Mối quan hệ giữa CL và vị trí đặt lỗ cấp khí [14]
- Số lượng lỗ cấp khí
Số lượng lỗ cấp khí cũng là một trong những thơng số quan trọng trong thiết kế ổ khí. Để xác định số lỗ cấp khí ta căn cứ vào biểu đồ ảnh hưởng của số lỗ cấp khí mỗi hàng tới khả năng tải. Theo đó, ta thấy khi số lượng lỗ cấp khí càng nhiều thì khả năng tải càng tăng. Tuy nhiên, khi tăng số lỗ cấp khí từ 8 lỗ tới 20 lỗ mỗi hàng thì khả năng tải chỉ tăng 20%. Khả năng tải giảm khá nhanh khi số lượng lỗ cấp khí nhỏ vì hiện tượng phân tán dịng khí, thực tế thường thiết kế mỗi hàng có từ 6 tới 12 lỗ [14]. Số lỗ cấp khí có khuynh hướng tăng khi tỉ lệ L/D nhỏ. Một hệ quả được rút ra từ mối quan hệ giữa đường kính lỗ cấp khí tối ưu và khe hở được đề cập đến trong biểu đồ ảnh hưởng của đường kính lỗ cấp khí tới số lượng lỗ. Từ đó, ta thấy đường kính lỗ là tối ưu khi số lượng lỗ cấp khí là 8 lỗ cho mỗi hàng. Từ những phân tích trên, ta chọn số lượng lỗ cấp khí là 8 lỗ cho mỗi hàng và ổ có 2 hàng.
Hình 4.20: Ảnh hưởng của số lỗ cấp khí mỗi hàng tới khả năng tải [14]
Hình 4.21: Ảnh hưởng của đường kính lỗ cấp khí tới số lượng lỗ [14]
- Ảnh hưởng của chiều dài lỗ đến khả năng tải
Để khảo sát ảnh hưởng của chiều dài lỗ đến khả năng tải của ổ người ta đưa ra hệ số CL’ chỉ phụ thuộc vào đường kính D:
2 0 ' L a W C P P D (4.2)
Từ hình 4.22 ta thấy, hệ số tải hầu như không thay đổi khi L/D >2.0 với l/L = 0,25; hoặc L/D>1.5 với l/L = 0,5 [14]. Vậy chiều dài ổ tối đa bằng 2 lần đường kính trong của ổ.
- Ảnh hưởng của áp suất cung cấp đến khả năng tải và độ cứng của ổ
Theo [14] áp suất cung cấp càng lớn thì khả năng tải và độ cứng của ổ càng tăng được thể hiện qua các hình 4.24, hình 4.25, hình 4.26.
Hình 4.23: Ảnh hưởng của khe hở đến khả năng tải [10]
Hình 4.24: Mối quan hệ giữa áp suất cấp, đường kính lỗ cấp khí tới độ cứng [9]
Hình 4.26: Mối quan hệ giữa khe hở và độ cứng của ổ [9]
- Ảnh hưởng của khe hở giữa trục và ổ đỡ
Theo hình 4.26 ta thấy khe hở giữa trục và ổ đỡ càng nhỏ thì độ cứng của ổ càng tăng. Theo hình 4.23 thì khe hở nhỏ thì khả năng tải càng cao.
Khoảng hở ảnh hưởng đến lưu lượng dịng khí và độ cứng, tải trọng của ổ, do vậy nên giới hạn khoảng hở nhỏ nhất có thể [30].
Theo [30] thì2 0
0, 0005 0, 0015
h
D , tương ứng với 2h0 0, 01250, 0375 (mm) do đó ta điều chỉnh khe hở giữa trục và ổ đỡ xuống 2h0= 0,025mm.
- Xác định các thông số của lỗ cấp khí
Hình 4.27: Các thơng số lỗ cấp khí
Đường kính d, đường kính d* đã được xác định ở phần trên (theo hình 4.19). Theo [10] df và hf được xác định như sau:
2 2 0 0.3 1,8 4 2 0.025 f d d h 0 4 f d h h
Theo [10], hf thường được chọn trong khoảng 0,2 – 0,4 (mm), chọn hf = 0,3 mm. Theo [10], có thể xác định chiều dài lf theo công thức:
20
d lf
, lf thường nằm trong khoảng 0,1 – 6 (mm), chọn lf = 1 mm.
Nghiên cứu [10] đã tiến hành thực nghiệm so sánh ảnh hưởng của các chiều dài lf = 0,1 và lf = 20d đến các hệ số LCC, MGV, MFR. Kết quả thu được không khác biệt nhiều và được thể hiện trong bảng 4.3. Điều đó chứng tỏ chiều dài lỗ cấp khí ít ảnh hưởng tới các đặc tính của ổ khí khi đường kính lỗ cấp khí lớn.
Bảng 4.3: Ảnh hưởng của chiều dài lỗ cấp khí [10]
(Với LCC là khả năng tải, MGV vận tốc dịng khí, MFR lưu lượng dịng khí) - Lưu lượng dịng khí
Lưu lượng dịng khí được xác định thơng qua hình 4.28. Với D = 50 mm (1,97 in) và L = 50 mm (1,97 in), ta xác định được lưu lượng Q = 0,34 cfm (tương đương 9,63 l/phút) [14].
Vậy Q = 0,34 cfm (9,63 l/phút) - Áp suất cung cấp
Áp suất cung cấp được xác định theo biểu đồ thể hiện ở hình 4.29. Từ hình 4.29 ta thấy rằng để đường kính lỗ cấp khí là tối ưu khi tỉ lệ của áp suất pa/p0 bằng 0,227. Với pa= 1 (bar) vậy p0 = 4,5 (bar).
Hình 4.28: Mối quan hệ giữa L,D và lưu lượng dịng khí [14]
Hình 4.29: Mối quan hệ giữa đường kính lỗ cấp khí và tỉ lệ áp suất [14]
Các thơng số của ổ đỡ được tóm tắt lại như sau: - Chiều dài và đường kính của ổ:
- Vị trí đặt lỗ cấp khí:
L/D = 1 l/L = 0,25
- Số lượng lỗ cấp khí n: - Đường kính lỗ cấp khí: - Khoảng hở giữa trục - ổ khí: - Áp suất khí cấp: - Lưu lượng dịng khí: - Độ cứng K: 8 lỗ mỗi hàng và có hai hàng d = 0,3 mm, df =4 mm, lf = 1mm, hf = 0,3 mm 2h0 = 0,025 mm P = 4,5 bar Q = 15,86 l/ph 6 0 2 1, 76 10 W N K h m
Đảm nhận nhiệm vụ phát ra dịng khí nén áp suất cao để làm lớp đệm khí giúp cho trục khơng ma sát với ổ trục. Theo tính tốn, khe hở giữa trục và ổ là 0,0125 mm theo hướng kính, bề mặt trong được mài nhẵn đạt Ra = 1,6 µm.
4.2.5 Tính tốn ổ chặn khí tĩnh
Tải trọng thực tế mà ổ chặn phải chịu là 35kg, tương đương 350N. Theo hình 4.31, từ mối quan hệ giữa đường kính ngồi, đường kính trong và hệ số tải của ổ chặn ta thấy rằng hệ số tải trọng CL* lớn nhất khi b/a =3,55. Với 2a = 50 mm (1,97 in) là đường kính trục của máy ly tâm, 2b = 3,55x50=177,5mm (6,99 in).
Vị trí lỗ cấp khí được xác định theo cơng thức: 25 88,75 47,1
C a b mm
Từ tỉ lệ b/a cho ta có mối quan hệ giữa đường kính lỗ cấp khí và khoảng hở của ổ chặn, theo (hình 4.32) với tỉ lệ b/a = 3,55 ta xác định được kính lỗ cấp khí là d =27,5x10-3 inch (0,7 mm) và khoảng hở tối ưu giữa hai bề mặt là h = 1x10-3 inch (0,025 mm). Tùy thuộc vào kích thước của ổ chặn và khả năng chế tạo mà ta chọn các kích thước cho hợp lý. Nếu chọn tỉ lệ b/a quá nhỏ dẫn tới khoảng hở giữa hai bề mặt q nhỏ nên việc gia cơng hết sức khó khăn, nếu chọn tỉ lệ b/a quá lớn dẫn tới kích thước của ổ sẽ lớn.
Hình 4.32: Mối quan hệ giữa đường kính lỗ cấp khí và khe hở và tỉ lệ b/a [14]
Theo hình 4.33, để đường kính lỗ cấp khí đã chọn ở trên là tối ưu khi số lỗ cấp khí là 4.
Theo [14] ta chọn số lỗ cấp khí là 8 để tăng khả năng tải của ổ chặn lên 20%. Áp suất cung cấp giống như ổ đỡ và được xác định theo hình 4.35
Lưu lượng dịng khí cấp vào ổ chặn tương tự như ổ đỡ và được xác định theo hình 4.35: Q = 16,7 l/ph.
Vậy các thơng số ổ chặn như sau: - Đường kính trong của ổ: - Đường kính ngồi của ổ: - Vị trí đặt lỗ cấp khí: - Sớ lượng lỗ cấp khí : - Đường kính lỗ cấp khí: - Khoảng hở giữa 2 bề mặt ổ khí: - Áp suất khí cấp: - Lưu lượng dịng khí: - Độ cứng K: 2a = 50 mm 2b = 177,5 mm c = 47,1 mm n = 8 lỗ d = 0,7 mm, h = 0,025 mm P = 4,5 bar Q = 16,7 l/ph 6 1.44W 3,8 10 N K h m Hình 4.34: Bố trí lỗ cấp khí
Hình 4.35: Lưu lượng dịng khí cấp [14]
Phần ổ chặn có nhiệm vụ tạo ra áp lực để nâng trục chính để mặt bên dưới của trục không tiếp xúc với tấm chặn bên dưới.
Một tấm chặn với các lỗ cấp khí được bố trí đều lỗ cấp khí có đường kính là 0,7 mm. Một rãnh đường trịn có bề rộng 0,7 mm và sâu 0,3 mm đi qua các lỗ cấp khí giúp tạo nên một vành khí tác động đều lên tấm chặn trên để nâng trục. Bề mặt tấm chặn được mài nhẵn đạt Ra = 1,6 µm.
Hình 4.36: Kết cấu ổ chặn khí tĩnh
4.3 Chế tạo mơ hình máy ly tâm trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ khí tĩnh
Từ những phương án được đề xuất và tính tốn. Mơ hình thử nghiệm khả năng ứng dụng ổ khí tĩnh trong máy ly tâm tốc độ cao đã được thiết kế và chế tạo bao gồm: - Ổ đỡ khí tĩnh đảm nhận nhiệm vụ cấp dịng khí nén áp suất cao để làm lớp đệm khí giúp cho trục khơng ma sát với ổ trục;
- Ổ chặn khí tĩnh sử dụng áp lực của dịng khí tạo nên một khoảng hở giữa ổ chặn và tấm chặn giúp chúng không tiếp xúc nhau;
- Cụm trục chính của máy ly tâm và các bộ phận bạc cấp khí; - Cụm khung đỡ giữ ổ khí.
Hình 4.37: Mơ hình máy ly tâm trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ khí tĩnh
Các chi tiết tiến hành thiết kế, chế tạo bao gồm: - Cụm trục chính máy ly tâm
- Các bộ phận khác
Các chi tiết khác khung đỡ, Thùng ly tâm mơ phỏng vì độ phức tạp khơng cao và cũng dễ chế tạo nên không đề cập đến trong phần này.
Cụm trục chính của máy ly tâm tốc độ cao sau khi được gia cơng hồn thiện theo hình 4.38 gồm các bộ phận sau: Trục chính (1), bạc cấp khí ổ đỡ (2), vịng giữ cụm ổ đỡ (3), bạc cấp khí ổ đỡ (4), tấm chặn (5), ổ chặn khí tĩnh (6), bạc cấp khí ổ chặn (7), cụm ổ đỡ khí (8). đầu nối khí (9).
a) Ổ đỡ khí tĩnh:
Ổ đỡ đảm nhận nhiệm vụ phát ra dịng khí nén áp suất cao để làm lớp đệm khí giúp cho trục khơng ma sát với ổ trục. Theo tính tốn, khe hở giữa trục và ổ là 0,0125 mm theo hướng kính, bề mặt trong được mài nhẵn đạt Ra = 1,6 µm.
a) Thiết kế b) Chế tạo
Hình 4.39: Thiết kế và chế tạo ổ đỡ khí tĩnh
Dung sai kích thước lỗ của ổ đỡ khí tĩnh khá nhỏ, nên gia cơng rất khó khăn. Kết quả đo kiểm tra bằng palme đo lỗ 3 tiếp điểm INSIZE 3227-50 cho thấy chi tiết gia cơng có lỗ làm việc đạt kích thước 50,03 mm.
b) Ổ chặn khí tĩnh
Kết cấu, kích thước và chức năng của ổ chặn có nhiệm vụ tạo ra áp lực để nâng trục chính để mặt bên dưới của trục không tiếp xúc với tấm chặn bên dưới. Để thực hiện được việc này, một tấm phẳng được gắn chặt lên mặt bên dưới của trục chính để tăng diện tích nhằm dễ dàng bố trí các đầu phun khí tạo thành đệm khí (hình 4.40)
a) Thiết kế b) Chế tạo
Hình 4.40: Tấm chặn trên liên kết với trục chính
a) Thiết kế b) Chế tạo
Hình 4.41: Thiết kế Chế tạo ổ chặn
Một ổ chặn với các lỗ cấp khí được bố trí đều (theo tính tốn ở chương 4), lỗ cấp khí có đường kính là 0,7 mm. Một rãnh trịn có bề rộng 0,7mm và sâu 0,3mm đi