5. Kết cấu của đề tài
4.2 Thiết kế ổ khí tĩnh cho máy ly tâm trục đứng tốc độ cao
4.2.2 xuất kết cấu ổ khí tĩnh
4.2.2.1 Đề xuất kết cấu ổ đỡ khí tĩnh
Theo các phân tích ở chương 3, ta thấy ổ khí tĩnh sử dụng loại lỗ cấp khí
pocketed orifice (simple orifice) là phù hợp với điều kiện gia công tại Việt Nam và
đảm bảo được các yêu cầu về khả năng tải. Trên cơ sở đó có thể đề xuất các phương án thiết kế kết cấu ổ đỡ khí tĩnh như sau:
a) Phương án lỗ cấp khí đơn giản
Phương án này sử dụng các lỗ cấp khí đơn giản (hình 4.10), chỉ đơn thuần là các lỗ khoan, với ưu điểm dễ gia cơng, chi phí gia cơng thấp. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là áp suất khí cung cấp lớn và vì thế ít được sử dụng.
b) Phương án lỗ cấp khoang khí
Phương án này có khả năng tải cao, áp suất nguồn khí cung cấp nhỏ và có độ tin cậy cao. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là rất khó gia cơng các khoang khí (hình 4.11).
Hình 4.11: Kết cấu ổ đỡ khí tĩnh phương án 2 c) Phương án lỗ cấp lắp ghép
Phương án (3) là phương án cho phép gia cơng các lỗ cấp khí dễ dàng, khoang khí được hình thành khi lắp ghép chi tiết trụ 2 vào lỗ cấp khí 3.
Địi hỏi áp suất nguồn khí cung cấp nhỏ, có khả năng tải và độ tin cậy cao. Trong thực tế, kết cấu này được sử dụng khá phổ biến.
Hình 4.12: Kết cấu ổ đỡ khí tĩnh phương án 3 d) Lựa chọn phương án
– Phương án 1 là gia công dễ dàng tuy nhiên khả năng tải cũng như độ cứng vững kém hơn phương án 2 khoảng 33%.
– Phương án 2 khả năng tải cao hơn phương án 1 nhưng gia cơng các khoang khí rất khó khăn.
– Phương án 3 cũng có khả năng tải cao hơn phương án 1, tương đương phương án 2, nhưng dễ chế tạo hơn phương án 2.
Từ các ưu khuyết điểm của 3 phương án đã đề ra và các phân tích phương án 3 được chọn vì:
+ Khả năng tải cao;
+ Dễ gia công;
+ Dễ chế tạo và lắp ráp.
4.2.2.2 Đề xuất kết cấu ổ chặn khí tĩnh
Ổ chặn khí tĩnh giữ nhiệm vụ chặn trục chính tịnh tiến theo phương dọc trục và trên bề mặt ổ chặn khí tĩnh có các lỗ nhỏ bố trí điều giữ nhiệm vụ cấp khí liên tục để tạo lớp màng khí mỏng giữa trục và ổ chặn khí tĩnh.
Đối với ổ chặn, tùy thuộc vào kết cấu mà có các loại ổ chặn khác nhau:
– Kết cấu nhỏ gọn, khơng có trục xun qua ổ chặn (hình 4.13a).
– Khi có trục xun qua ổ chặn (hình 4.13b).
a) Trục không xuyên qua ổ b) Trục xuyên qua ổ
Hình 4.13: Hai loại ổ chặn điển hình
Ưu điểm của dạng có trục xun qua (hình 4.13b) là phù hợp: yêu cầu có trục xuyên qua ổ, khả năng chịu tải khá cao,…
4.2.3 Đề 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
Quá 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 cơng 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 thơng 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
- Sớ 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 thông 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 khơng 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.