5. Kết cấu của đề tài
1.3 Các máy ly tâm trục đứng công nghiệp sử dụng ở Việt Nam
1.3.1 Máy ly tâm dầu điều
1.3.1.1 Nguyên lý hoạt động
Dầu điều sau khi được nấu luyện trong nồi áp suất sẽ được chuyển vào máy ly tâm theo từng mẻ 50 kg để tiến hành ly tâm tách dầu trong khoảng 5 phút thì tiến hành tháo bã, sau đó tiếp tục với mẻ nguyên liệu khác.
a) Nguyên lý b) Máy ly tâm dầu điều
Hình 1.9: Máy ly tâm dầu điều 1.3.1.2 Nhận xét
- Kết cấu máy cồng kềnh, sử dụng ổ cơ;
- Số vòng quay nhỏ n < 1000 (v/p);
- Sử dụng các chi tiết giảm chấn như: lò xo, cao su giảm chấn,…
- Năng suất: 50 kg/mẻ trong thời gian 5 phút.
1.3.2 Máy ly tâm 3 chân 1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động 1.3.2.1 Nguyên lý hoạt động
Máy ly tâm ba chân gồm có bộ phận thùng trụ thẳng đứng chuyển động quay quanh trục chính. Trong q trình lắng, lọc ngun liệu chuyển động quay cùng roto của máy. Lực ly tâm sẽ làm cho các cấu tử có khối lượng riêng khác nhau phân riêng theo hướng của gia tốc trường lực. Nhờ lực ly tâm, nước lọc bị văng ra rồi chảy vào thùng chứa, còn bã nằm lại trên bề mặt lưới lọc ở thùng quay. Việc cạo rửa chất bã có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động bằng pittông lên xuống. Máy ly tâm ba chân thường gặp trong sản xuất nước đậu nành (tách bã khỏi dung dịch đậu nành xay), sản xuất tinh bột khoai mì.
a) Nguyên lý b) Máy ly tâm 3 chân
Hình 1.10: Máy ly tâm ba chân 1.3.2.2 Nhận xét
- Kết cấu máy phức tạp, khó chế tạo, sử dụng ổ cơ;
- Số vòng quay nhỏ: n < 1000 (v/p);
- Sử dụng các chi tiết giảm chấn như: lò xo, cao su giảm chấn,…
- Năng suất: 20 kg/mẻ trong thời gian 5 phút.
1.3.3 Máy ly tâm chanh dây 1.3.3.1 Nguyên lý hoạt động 1.3.3.1 Nguyên lý hoạt động
Nguyên liệu chanh dây được pha với nước sau đó được cho vào máy ly tâm theo từng mẻ 5 kg để tiến hành ly tâm tách nước chanh dây trong thời gian khoảng 3 - 5 phút, sau đó tiến hành tháo bã (mỗi mẻ tháo bã một lần).
a) Nguyên lý b) Máy ly tâm chanh dây
1.3.3.2 Nhận xét
- Kết cấu máy cồng kềnh, sử dụng ổ cơ; - Số vòng quay nhỏ: n < 400 (v/p);
- Sử dụng các chi tiết giảm chấn như: lò xo, cao su giảm chấn,… - Năng suất: 10 kg/mẻ trong thời gian 3 - 5 phút.
1.3.4 Đánh giá chung
- Máy ly tâm trục đứng công nghiệp thường được sử dụng để phân tách tinh bột khoai mì, tách hạt chanh dây, phân tách dầu ra khỏi hạt điều,…
- Số vòng quay thấp: n = 400 - 1200 v/p;
- Công suất phân ly nhỏ: 20 kg/mẻ (trong khoảng 5 phút); - Sử dụng ổ cơ;
- Kết cấu điển hình của chúng được trình bày ở hình 1.12.
Hình 1.12: Kết cấu máy ly tâm
Ưu điểm:
- Kết cấu máy đơn giản, dễ chế tạo;
- Ổ trục sử dụng trong máy ly tâm trục đứng là loại ổ cơ (ổ đỡ, ổ chặn). Các loại ổ cơ này đang được sử dụng rất rộng rãi trong cơng nghiệp, có sẳn trên thị trường nên việc thay thế bảo trì, sửa chữa khá thuận lợi.
Nhược điểm:
- Do sử dụng ổ cơ nên khi hoạt động sẽ sinh ra ma sát lớn do có sự tiếp xúc lăn/trượt giữa ngõng trục và ổ.
- Địi hỏi mơmen khởi động lớn để hệ thống có thể khởi động và đi vào trạng thái ổn định.
- Việc sử dụng ổ cơ cho các ứng dụng tốc độ cao yêu cầu ổ được thiết kế và chế tạo đặc biệt, độ chính xác cao, việc lắp đặt cần chính xác, và gắn thêm các thiết bị giảm rung động như: lò xo giảm chấn, cao su giảm rung động.
1.4 Ổ khí tĩnh 1.4.1 Giới thiệu
Ổ khí tĩnh sử dụng một màng mỏng khơng khí được dẫn vào khoảng trống giữa bề mặt ổ khí và ngõng trục thơng qua một hệ thống các rãnh nhỏ để nâng đỡ ngõng trục. Dịng khí phải là dịng chảy liên tục, được cung cấp từ nguồn ngoài với áp suất cao, khí thốt ra ngồi qua các mép của ổ khí.
Hình 1.13: Hình dạng các loại ổ khí tĩnh [11]
Trong ổ khí tĩnh có hai cách bố trí các lỗ cấp khí:
a) Orifice b) Porous
Hình 1.14: Bố trí các lỗ cấp khí [12]
- Phân bố khí tập trung (orifice), loại này thì áp suất khơng khí bên ngồi được cung cấp cho ổ khí thơng qua một hay một số các lổ nhỏ.
- Phân bố khí đều (porous), loại này thì áp suất khơng khí bên ngồi được cung cấp cho ổ khí thơng qua một hệ thống các lổ nhỏ phân bố đều.
Hình 1.15: Đường cong phân bố áp suất [12]
Ưu điểm:
- Không tiếp xúc nên ma sát rất thấp
- Khả năng hoạt động khoảng tốc độ rộng, không đến vượt quá 350.000 v/p - Độ cứng vững cao
- Quay với độ chính xác cao
- Thời gian sử dụng lâu dài do bề mặt không tiếp xúc trực tiếp - Sinh nhiệt thấp
Nhược điểm:
- Ổ khí tĩnh có nhược điểm nổi bật là cần nguồn cung cấp khí nén áp suất cao và đường dẫn khí. Khả năng tải của loại ổ này không phụ thuộc vào tốc độ, trừ một số trường hợp đặc biệt xảy ra khi tốc độ lớn vì khi ấy sẽ suất hiện hiệu ứng khí động. Ổ khí tĩnh có thể sử dụng ngay cả khi tốc độ bằng không, tải trọng của chúng không phụ thuộc vào độ nhớt của khí bơi trơn. Tải trọng riêng của ổ khí tĩnh bị hạn chế bởi áp suất khí cung cấp và chúng khơng địi hỏi chế tạo chính xác cao [5].
1.4.2 Ứng dụng của ổ khí tĩnh
Ổ khí tĩnh được ứng dụng rộng rãi trong các máy móc có độ chính xác cao, các máy đo 3D, các máy cơng cụ có số vịng quay lớn,…[14]
- Đối với các ứng dụng trong y tế, máy khoan răng dùng trong nha khoa là một trong những ứng dụng của ổ khí tĩnh. Máy khoan có thể cung cấp cho các mức tốc độ cao với mức độ tiếng ồn thấp khi hoạt động.
Hình 1.16: Ứng dụng ổ khí tĩnh trong máy khoan răng nha khoa [14]
- Ổ khí tĩnh được sử dụng trong băng trượt để sản xuất máy cơng cụ chính xác, máy móc, thiết bị kiểm tra, đo vịng bi cho động cơ tuyến tính và trục chính xác tốc độ cao như trong máy tiện, phay hoặc máy mài.
Hình 1.17: Ổ khí tĩnh trong máy mài phẳng và trụ [14] 1.4.3 Kết cấu
Ổ khí tĩnh có kết cấu khá đa dạng tùy theo bề mặt làm việc mà có kết cấu khác nhau, gồm các thành phần: vịng ổ có rãnh dẫn dịng khí luân chuyển nhờ áp lực khơng khí từ bên ngồi cung cấp vào đảm bảo cho việc bôi trơn [11].
1.4.4 Nguyên lý hoạt động
Ổ khí tĩnh là loại ổ trượt khơng khí có khoảng cách giữa trục và bạc đỡ là một lớp khơng khí mỏng được cung cấp bởi máy nén khí từ bên ngồi. Ổ khí tĩnh phù hợp với tốc độ cao do ma sát thấp và được áp dụng trong các máy chuyển động siêu chính xác với vịng quay tốc độ cao bởi hiệu ứng cân bằng lớp khơng khí mỏng.
Hình 1.19: Nguyên lý hoạt động ổ khí tĩnh [14] 1.4.5 Các thơng số ổ khí tĩnh
Ổ khí tĩnh có rất nhiều thơng số ảnh hưởng đến khả năng làm việc nhưng điển hình là các thơng số cơ bản ảnh hưởng đến q trình hoạt động của ổ như: khả năng áp suất cung cấp, lưu lượng của nguồn cấp khí, khơng gian lắp ổ khí, khe hở giữa trục và ổ, đường kính lỗ cấp khí nhỏ nhất có thể gia cơng, vị trí đặt lỗ cấp khí và các yếu tố ảnh hưởng tới q trình hoạt động của ổ,… [14].
1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1.5.1 Các nghiên cứu ngoài nước
- Năm 2017, Xinkuan Wang, Qiao Xu, Ming Huang, Lianxin Zhang, Zhike Peng, đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ sóng bề mặt ổ đến hiệu suất hoạt động của ổ đỡ khí tĩnh gồm độ cứng và độ giảm chấn được kiểm nghiệm thông qua thuyết nhiễu loạn tuyến tính và phương pháp lặp để giải quyết sự khơng ổn định của phương trình Reynolds. Kết quả cho thấy ngõng trục quay có thể đóng vai trị quan trọng trong việc thực hiện hiệu suất chuyển động của ổ đỡ. Độ cứng, độ giảm chấn của ổ đỡ phụ thuộc đáng kể vào sự thay đổi của vận tốc quay. Với sự gia tăng của biên độ sóng, các giá trị tuyệt đối của độ cứng, độ giảm chấn có thể được tăng lên rõ ràng [15].
Hình 1.20: Ổ đỡ khí tĩnh với độ sóng bề mặt ổ [15]
- Năm 2017, Ming Huang, Qiao Xu, Mengyang Li, Baorui Wang, Junwen Wang, đã nghiên cứu phân tích hiệu suất của ổ chặn khí tĩnh với tải chân khơng cho trước. Thơng qua mơ hình tính tốn cho việc phân bố áp suất của ổ chặn khí tĩnh VPL được trình bày dựa trên FDM. Tải chân khơng có ảnh hưởng đến sự phân bố áp lực của ổ chặn khí tĩnh VPL, bề dày màng khí bơi trơn giảm khi tăng khoảng chân không, khoảng chân không làm giảm khả năng tải nhưng có thể cải thiện độ cứng và có độ chính xác cao gấp 3 ~ 5 lần so với phương pháp truyền thống [16].
Hình 1.21: Cấu trúc của ổ chặn khí tĩnh với khoảng tải chân khơng [16]
- Năm 2016, Siyu Gao, Kai Cheng, Shijin Chen, Hui Ding, Hongya Fu đã cơng bố cơng trình nghiên cứu thiết kế tính tốn và phân tích các ổ đỡ khí tĩnh tại các trục tốc độ cao được nghiên cứu một cách có hệ thống, bao gồm phân bố áp lực, tải trọng, độ cứng, góc định hướng, và tốc độ dịng chảy theo khối lượng trong các điều
kiện vận tốc khác nhau và tỷ lệ lệch tâm. Thơng qua phân tích mối quan hệ trên đã chỉ ra được tốc độ dịng chảy của ổ đỡ khí tĩnh, góc định hướng giảm, độ cứng và tỉ lệ lệch tâm tăng khi gia tăng tốc độ quay [17].
Hình 1.22: Hình minh hoạ trục chính tốc độ cao sử dụng ổ đỡ khí tĩnh [17]
- Năm 2015, Siyu Gao, Kai Cheng, Shijin Chen, Hui Ding, Hongya Fu đã cơng bố cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số hình học và dạng lỗ cấp khí đến đặc tính của ổ chặn khí tĩnh. Thơng qua phân tích mối quan hệ trên đã chỉ ra rằng khi giảm áp suất, vận tốc khí, và cường độ rối là tất cả đều suy yếu với giảm độ dày màng khí. Khả năng chịu tải của ổ chặn khí tĩnh hơi giảm khi tăng tốc độ quay của trục chính [18].
Hình 1.23: Các dạng của vịi phun [18]
- Năm 2014, Tomohiko Ise, NaoyukiArita, Toshihiko Asami, Iwao Kawashima, Tadashi Maeda, Takenori Nakajima, nghiên cứu thực nghiệm ổ khí dạng nón cho tuabin quạt khí cỡ nhỏ, với nguồn áp suất bên ngoài. Ổ trục này có thể giảm số lượng các bộ phận máy. Bằng việc thực nghiệm trên ổ khí dạng nón một bề mặt có đường kính 10 mm và 8 mm và chiều dài 15 mm, khe hở theo đường kính là 0,012 mm và 0,014 mm, áp suất cung cấp 1,77 kPa, ở tần số quay tối đa là 350 Hz [19].
Hình 1.24: Hình dạng đường biên hệ thống phần quay của ổ trục [19]
- Năm 2013, Xue-Dong Chen, Jin-Cheng Zhu, Han Chen đã thiết kế và phát triển một loại ổ khí, sử dụng trong truyền động trục chính độ chính xác cao. Cơng trình nghiên cứu trình bày chi tiết về độ cứng động và hệ số giảm xóc của ổ khí tĩnh, cho thấy sự phụ thuộc vào tần số phi tuyến. Ổ chặn khí tĩnh sẽ hoạt động tốt khi có đường kính lỗ cấp khí và khe hở nhỏ và áp suất cung cấp cao [20].
Hình 1.25: Kiểm tra thiết lập [20]
- Năm 2012, Yuntang Li, Han Ding đã nghiên cứu và trình bày một phương pháp đơn giản để tính tốn hiệu suất của ổ chặn khí tĩnh với nhiều lỗ thu hẹp lỗ kiểu ngăn. Các nhà khoa học đã giải thích lý thuyết ảnh hưởng của độ dày lớp màng bơi trơn, đường kính lỗ, đặc tính khí, áp lực cung cấp, và các thơng số cấu trúc về hiệu suất của ổ trục [21].
- Năm 2011, Arun Kumar S. và các cộng sự đã nghiên cứu, thiết kế ổ khí tĩnh hình cầu ứng dụng trong dạng bàn xoay [22]. Các nhà khoa học đã đề cặp về vị trí và góc đặt các lổ cấp khí, áp suất tại các vị trí đó và các tính tốn về khả năng tải của ổ khí,…
Hình 1.27: Hình dạng ổ khí tĩnh hình cầu [22]
- Năm 2010, R. Tanase cùng cộng sự đã phát triễn một loại ổ khí, sử dụng trong truyền động trục độ chính xác cao. Cơng trình nghiên cứu trình bày chi tiết về bộ điều khiển cho phép nâng cao độ cứng vững của lớp khí lên đến 4.3 lần (so với khi khơng sử dụng bộ điều khiển), độ chính xác chuyển động dọc trục đạt được đến 0,0031 µm tại 600 vịng/phút [23]
Hình 1.28: Độ chính xác đạt được tại 600 vịng/phút [23]
- Năm 2008, L. Pust và J. Kozanek, các nhà khoa học người cộng hòa Sec, nghiên cứu về dao động phi tuyến và độ ổn định của ổ khí tĩnh. Bằng việc thực nghiệm trên ổ khí tĩnh có đường kính ngõng trục D = 30mm, khoảng hở theo đường kính là 2h = 0,08 mm, chiều dài ổ là L= 45 mm, áp suất cung cấp là 0,2 - 0,4 Mpa với 16 lỗ cấp khí được phân bố đều thành hai hàng trên đường tròn. Các tác giả đã thực hiện phân tích lực tác dụng trên trục trong hệ tọa độ cực để tính tốn giá trị các lực thành phần nhằm xác định ma trận độ cứng của ổ khí tĩnh [24].
Hình 1.29: Sơ đồ thí nghiệm [24]
- Năm 2006, J. Lin, J. P. Khatait, và W. J. Lin đã xác định dạng lỗ cấp khí dùng cho ổ chặn khí tĩnh bằng kỹ thuật mơ phỏng. Các nhà khoa học này đã giới thiệu một tấm đỡ với một lỗ cấp khí duy nhất tại tâm tấm và mơ phỏng bằng phần mềm ANSYS để tìm mối quan hệ giữa hai bề mặt và áp suất cung cấp đến độ cứng và khả năng tải [25]
Hình 1.30: Ổ chặn khí tĩnh [25]
- Năm 2006, Yuntang Li, Han Ding đã cơng bố cơng trình nghiên cứu ảnh hưởng của thơng số hình học và dạng lỗ ấp khí đến đặc tính của ổ chặn khí tĩnh. Thơng qua phân tích mối quan hệ trên đã chỉ ra rằng, ổ chặn khí tĩnh sẽ hoạt động tốt khi có đường kính lỗ cấp khí và khe hở (bề dày lớp bơi trơn nhỏ), đường kính khoang khí lớn. Ổ khí có thể khơng ổn định khi đường kính và độ dày của khoang khí lớn hơn năm và mười lần giá trị giới hạn [10].
Hình 1.31: Mơ hình thực nghiệm [10] 1.5.2 Các nghiên cứu trong nước
Đây là vấn đề mới đang được nghiên cứu ở Việt Nam, cho đến nay ít tìm thấy các cơng bố liên quan về vấn đề này.
- Năm 2016, luận văn thạc sĩ Ngơ Ngọc Tuyền đã nghiên cứu ứng dụng ổ khí tĩnh cho máy khoan cao tốc. Qua mơ hình này, các thơng số ảnh hưởng đến quá trình hoạt động như áp suất, số vòng quay đã được nghiên cứu và xác định. Kết quả máy khoan tốc độ cao có thể hoạt động đạt được tốc độ n = 8000 vịng/phút, áp suất khí cung cấp lớn nhất 3,0 bar, đường kính lỗ khoan 0,5 - 2,0 mm [6].
- Năm 2015, luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Trung đã nghiên cứu ứng dụng ổ khí tĩnh cho máy phát điện gió cơng suất nhỏ. Mơ hình thiết bị nghiên cứu cho thấy hệ thống ổ khí tĩnh hoạt động tốt: ổ chặn có khả năng nâng được khối lượng khoảng 20 kg lên hơn 0,09 mm; hai ổ đỡ đã tạo được đệm khí giúp cho trục quay nhanh nhẹ