Tài liệu Luận văn nghiên cứu chế tạo hệ thống làm kín tích cực bằng phương pháp tăng áp dùng cho ổ trục chịu tải nặng làm việc trong môi trường nóng, bụi

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC & MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI Mà SỐ 245.07 RD/HĐ – KHCN Tên đề tài: Nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng lµm kÝn tÝch cùc b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p dïng cho æ trôc chÞu t¶i nÆng lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG CƠ QUAN CHỦ TRÌ: VIỆN CÔNG NGHỆ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS. TĂNG BÍCH THỦY 6799 12/4/2008 HÀ NỘI, 3 – 2008 BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC & MÁY NÔNG NGHIỆP VIỆN CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI Mà SỐ 245.07 RD/HĐ – KHCN Tên đề tài: Nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng lµm kÝn tÝch cùc b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p dïng cho æ trôc chÞu t¶i nÆng lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI KS. TĂNG BÍCH THUỶ HÀ NỘI, 3 – 2008 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN CHÍNH 1. KS. Tăng Bích Thuỷ CNĐT Viện Công Nghệ 2. TS. Đỗ Quốc Quang CTV Viện Công Nghệ 3. KS. Hoàng Việt Quang CTV Viện Công Nghệ 4. KS. Cao Văn Mô CTV Viện Công Nghệ 5. KS. Trần Xuân Thành CTV Viện Công Nghệ ` môc lôc Trang môc lôc 1 ch−¬ng I: b¸o c¸o TỔNG QUAN 3 1. Tæng quan vÒ c¸c ph−¬ng ph¸p lµm kÝn 3 2. T×nh h×nh nghiªn cøu chung vÒ hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p 8 t¨ng ¸p. ch−¬ng II: c¸c bµi to¸n khÝ ®éng c¬ b¶n, 10 c¬ së lý thuyÕt cho tÝnh to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng lµm kÝn ®iÓn h×nh. 1. Dßng ch¶y gi÷a hai mÆt ph¼ng song song chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi 10 nhau 2. Dßng ch¶y gi÷a hai mÆt ph¼ng song song cè ®Þnh 11 3. Dßng ch¶y dõng trong èng 12 4. Dßng ch¶y trong khe hë gi÷a hai h×nh trô ®ång trôc vµ quay t−¬ng ®èi 13 víi nhau 5. HiÖn t−îng khuÕch t¸n 14 ch−¬ng III: nghiªn cøu bµi to¸n khÝ ®éng 17 cña hÖ thèng lµm kÝn æ trôc ®iÓn h×nh b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p 1. S¬ ®å nguyªn lý cña hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p. 17 2. Ph©n tÝch bµi to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng lµm kÝn ®iÓn h×nh. 18 3. ¸p dông hÖ thèng lµm kÝn cho æ trôc cña b¸nh l¨n trong m¸y nghiÒn 29 ®øng. TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 1 ` 4. KÕt luËn vµ c¸c nguyªn t¾c tÝnh to¸n hÖ khÝ ®éng trong hÖ thèng lµm 33 kÝn b»ng t¨ng ¸p. ch−¬ng iV: thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m« h×nh. 36 Kh¶o nghiÖm hÖ thèng vµ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ 1. Mục đích khảo nghiệm. 36 2. Thiết kế và chế tạo mô hình. 37 3. Tính toán lắp đặt hệ thống làm kín ổ. 41 4. Chạy khảo nghiệm hệ thống làm kín. 45 5. Nhận xét kết quả khảo nghiệm và kết luận. 51 KÕt luËn 55 tµi liÖu tham kh¶o 57 TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 2 ` Ch−¬ng I b¸o c¸o tæng quan 1. Tæng quan vÒ c¸c ph−¬ng ph¸p lµm kÝnc: Trong ngµnh chÕ t¹o m¸y ng−êi ta sö dông nhiÒu ph−¬ng ph¸p còng nh− d¹ng c¬ cÊu lµm kÝn kh¸c nhau ®Ó bÝt kÝn c¸c bÒ mÆt cña mèi ghÐp nèÝ tÜnh vµ ghÐp nèi ®éng cña c¸c chi tiÕt m¸y nh−: c¸c mèi ghÐp ren cña ®−êng èng, c¸c mèi ghÐp gi÷a th©n æ l¨n, æ tr−ît víi trôc truyÒn, gi÷a pÝt t«ng vµ xi lanh... C¬ cÊu lµm kÝn ®−îc ph©n thµnh lo¹l tiÕp xóc, kh«ng tiÕp xóc vµ liªn hîp. C¬ cÊu lµm kÝn tiÕp xóc th−êng lµ c¸c vßng bÝt b»ng phít vµ vßng bÝt cao su. C¬ cÊu lµm kÝn kh«ng tiÕp xóc th−êng lµ c¸c kiÓu khe hë r·nh vßng gi÷a hai bÒ mÆt ®èi tiÕp cÇn lµm kÝn cã chøa dÇu hoÆc mì trong qu¸ tr×nh lµm viÖc. Tuú thuéc vµo m«i tr−êng, c¸c ®iÒu kiÖn lµm viÖc (vËn tèc, nhiÖt ®é, ¸p suÊt...) cña côm chi tiÕt m¸y cÇn lµm kÝn, ng−êi ta cã thÓ chän c¸c lo¹i c¬ cÊu lµm kÝn kh¸c nhau víi c¸c lo¹i vËt liÖu lµm kÝn kh¸c nhau. D−íi ®©y lµ ®Æc tÝnh cña mét sè vËt liÖu chÕ t¹o vßng bÝt t−¬ng øng víi c¸c m«i tr−êng lµm viÖc, ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña côm chi tiÕt lµm kÝn. B¶ng 1. VËt liÖu chÕ t¹o vßng bÝt Vật liệu Chì Cao su đặc Cactông kỹ thuật tẩm dầu Paronit Cao su có các lớp vải bạt Policlovinyl Cao su có lưới (cốt) kim loại Policlovinyl ∏OH Đai vải bạt có cốt Đồng Amian kim loại có vỏ bọc bằng đồng Đồng Nhôm Nhôm Amian kim loại có vỏ bọc bằng niken Paronit ∏OH TBT_TTCK&T§H Môi trường làm việc Nhiệt độ môi trường, 0C max Áp suất môi trường làm việc N/mm2, max Axit Nước, không khí, chân không Nước, dầu mỏ, dầu nhờn Không khí Nước, không khí Axit, xăng Nước, không khí 30 40 60 60 60 90 0,2 0,3 1,0 5,0 0,6 4,0 1,0 Xăng, dầu hoả, dầu nhờn Nước, không khí Hơi Hơi 100 150 250 250 2,0 3,5 3,5 250 300 300-400 300 10,0 2,0 3,0-6,0 2,0 200 5,0 Nước Hơi Dầu mỏ, dầu nhờn Hơi Nước, hơi §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 3 ` Vật liệu Paronit ∏OH Amian Thép mềm Môi trường làm việc Hơi nước Hơi, khí đốt Nước, hơi Nhiệt độ môi trường, 0C max Áp suất môi trường làm việc N/mm2, max 450 450 470 5,0 0,15 10,0 a. Lµm kÝn mèi ghÐp tÜnh: Mèi ghÐp tÜnh th−êng lµ c¸c mèi ghÐp nèi èng vµ mèi ghÐp ren. HÝnh 1.1. Lµm kÝn mèi ghÐp nèi èng vµ mèi ghÐp ren. b. Lµm kÝn mèi ghÐp ®éng: Mèi ghÐp ®éng th−êng lµ c¸c mèi ghÐp gi÷a xi lanh vµ pÝt t«ng, c¸c mèi ghÐp trong c¸c æ trôc... C¸c kiÓu lµm kÝn mèi ghÐp ®éng ®−îc lùa chän phô thuéc vµo tèc ®é vµ h−íng dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi cña c¸c chi tiÕt ®−îc lµm kÝn, thÓ lo¹i, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cña m«i tr−êng ®−îc lµm kÝn, t×nh tr¹ng cña m«i tr−êng xung quanh, sù rß rØ cho phÐp cña chÊt láng vµ khÝ. §Ó lµm kÝn mèi ghÐp ®éng cã thÓ sö dông vßng ®Öm cao su, vßng phít, vßng bÝt cao su cã cèt, n¾p cã c¸c r·nh vßng, c¬ cÊu lµm kÝn khuÊt khóc, c¬ cÊu lµm kÝn liªn hîp... §èi víi c¸c æ trôc lµm viÖc ë tèc ®é kh«ng lín h¬n 2m/s nªn dïng phít sîi len th« vµ nöa th«. Khi tèc ®é trªn 2m/s ®Õn 5m/s nªn dïng phít sîi len m¶nh. §èi víi c¸c kÕt cÊu quan träng lµm viÖc trong m«i tr−êng bôi bÈn hoÆc lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao th× kh«ng nªn dïng vßng phít. Vßng bÝt b»ng cao su cã cèt kim lo¹i cã thÓ lµm kÝn c¸c mèi ghÐp ®éng cã tèc ®é ®Õn 20m/s vµ nhiÖt ®é t¹i chç tiÕp xóc cña vßng bÝt víi trôc tõ 45oC ®Õn 150oC nh−ng hiÖu qu¶ kh«ng cao, tuæi thä ng¾n v× d−íi t¸c dông cña nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao dÇn dÇn vßng bÝt sÏ bÞ biÕn d¹ng, bÞ mµi mßn... nªn sÏ mÊt t¸c dông lµm kÝn, bôi bÈn sÏ th©m nhËp vµo æ trôc g©y h− háng. TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 4 ` c. Mét sè c¬ cÊu lµm kÝn c¸c mèi ghÐp ®éng: §Öm kÝn cao su mÆt c¾t trßn th−êng dïng lµm kÝn cho c¸c thiÕt bÞ thuû lùc vµ khÝ nÐn víi tèc ®é dÞch chuyÓn cña c¸c mèi ghÐp nµy ®Õn 0.5 m/s. Chóng ®−îc dïng ®Ó lµm kÝn c¸c mèi ghÐp lµm viÖc ë ¸p suÊt : − §Õn 50 N/mm2 (500 kG/cm2) - trong c¸c mèi ghÐp cè ®Þnh vµ ®Õn 32 N/mm2 (320 kG/cm2) - trong c¸c mèi ghÐp ®éng, víi m«i tr−êng lµm viÖc lµ dÇu kho¸ng, nhiªn liÖu láng, ªmunxi, dÇu b«i tr¬n, n−íc ngät vµ n−íc biÓn; − §Õn 40 N/mm2 (400 kG/cm2) - trong c¸c mèi ghÐp tÜnh vµ ®Õn 10 N/mm2 (100 kG/cm2) – trong c¸c mèi ghÐp ®éng, víi m«i tr−êng lµm viÖc lµ kh«ngkhÝ nÐn. H×nh 1.2. Lµm kÝn dïng vßng ®Öm cao su kh«ng cã vßng b¶o vÖ. H×nh 1.3. Lµm kÝn dïng vßng ®Öm cao su víi c¸c vßng b¶o vÖ TBT_TTCK&T§H H×nh 1.4. Vßng ®Öm cao su dïng trong c¸c mèi ghÐp ren §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 5 ` H×nh 1.5. Lµm kÝn dïng vßng phít víi b¹c l¾p trªn trôc H×nh 1.7. Lµm kÝn dïng vßng phít kÕt hîp víi vßng bÝt cã r·nh vßng H×nh 1.6. Lµm kÝn dïng vßng phít ®−îc Ðp H×nh 1.8. Lµm kÝn dïng vßng phít kÕt hîp víi vßng bÝt khuÊt khóc H×nh 1.9. Lµm kÝn dïng vßng phít kÕt hîp víi vßng bÝt khuÊt khóc-r·nh vßng H×nh 1.10. Lµm kÝn dïng vßng bÝt cao su cã cèt – s¬ ®å g¸ l¾p. 1. Trôc TBT_TTCK&T§H 2. Vßng bÝt 3. Vßng ®ªm 4. B¹c §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 6 ` d. TÇm quan träng cña viÖc lµm kÝn æ trôc: ViÖc lµm kÝn c¸c æ trôc, nhÊt lµ ®èi víi æ trôc chÞu t¶i nÆng, lµm viÖc trong c¸c m«i tr−êng nhiÒu bôi vµ nãng cã tÇm quan träng ®Æc biÖt v× nã ¶nh h−ëng trùc tiÕp tíi chÊt l−îng lµm viÖc cña æ trôc, còng nh− ®é an toµn trong s¶n suÊt vµ tuæi thä cña thiÕt bÞ. Lµm kÝn æ lµ ®Ó ng¨n ngõa kh«ng cho bôi, n−íc hay c¸c dÞ vËt tõ bªn ngoµi th©m nhËp vµo, gi÷ cho chÊt b«i tr¬n trong æ kh«ng bÞ bÈn hay rß rØ ra ngoµi, t¨ng hiÖu qu¶ cho hÖ thèng b«i tr¬n, ®¶m b¶o æ trôc lµm viÖc æn ®Þnh, an toµn vµ t¨ng tuæi thä. Th«ng th−êng ng−êi ta lµm kÝn æ trôc b»ng gio¨ng, phít, vßng bÝt kÕt hîp c¸c lo¹i n¾p chÆn (n¾p cã r·nh vßng, n¾p cã r·nh khuÊt khóc...). Tuy nhiªn ®èi víi c¸c thiÕt bÞ cã æ trôc chÞu t¶i träng nÆng, lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi, ®Æc biÖt lµ bôi cã tÝnh mµi mßn th× d−íi t¸c dông cña nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao, c¸c lo¹i gio¨ng, vßng bÝt sÏ bÞ biÕn d¹ng, bÞ mµi mßn... do ®ã mÊt t¸c dông lµm kÝn, bôi bÈn sÏ th©m nhËp vµo æ trôc g©y h− háng, thËm chÝ b¶n th©n chóng cßn trë thµnh t¸c nh©n g©y ph¸ huû æ trôc. §Ó t¨ng hiÖu qu¶ lµm kÝn còng nh− t¨ng ®é an toµn cho æ khi lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi, chÞu t¶i träng lín, hiÖn nay trªn thÕ giíi ng−êi ta sö dông hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p. e. C¸c yªu cÇu kü thuËt khi l¾p c¸c c¬ cÊu lµm kÝn: ChÊt l−îng lµm kÝn cho c¸c mèi ghÐp phô thuéc chÊt l−îng c¸c lo¹i gio¨ng, vßng bÝt, vßng phãt, ®ång thêi ®Ó ®¶m b¶o hiÖu qu¶ lµm kÝn, khi l¾p r¸p c¸c c¬ cÊu lµm kÝn cÇn tu©n thñ c¸c yªu cÇu kü thuËt sau : − CÇn ®¶m b¶o c¸c vßng ®Öm, vßng bÝt... kh«ng bÞ nghiªng, vÆn lµm thay ®æi h×nh d¸ng h×nh häc cña c¸c chi tiÕt nµy. Kh«ng lµm h− háng vÒ c¬ häc, kh«ng g©y ra c¸c vÕt c¾t. − BÒ mÆt c¸c chi tiÕt ghÐp ph¶i s¹ch, kh«ng dÝnh c¸c chÊt g©y ¨n mßn, mµi mßn. − C¸c bÒ mÆt chi tiÕt tiÕp xóc víi vßng ®Öm, vßng bÝt… ph¶i ®−îc b«i tr¬n b»ng lo¹i dÇu kh«ng g©y t¸c ®éng cã h¹i cho vËt liÖu chÕ t¹o vßng lµm kÝn hoÆc b»ng c¸c chÊt láng c«ng t¸c cã tÝnh b«i tr¬n tèt. TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 7 ` − C¸c chi tiÕt cña mèi ghÐp lµm kÝn cÇn cã ®é nh¸m, kÕt cÊu phï hîp ®Ó l¾p r¸p dÔ dµng. Khi l¾p c¸c lo¹i vßng lµm kÝn cÇn sö dông dông cô g¸ chuyªn dïng thÝch hîp. 2. T×nh h×nh nghiªn cøu chung vÒ hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p: Lµm kÝn æ trôc b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p dùa trªn nguyªn lý dßng khÝ chØ di chuyÓn tõ n¬i cã ¸p suÊt cao tíi n¬i cã ¸p suÊt thÊp. §Ó ng¨n kh«ng cho bôi th©m nhËp vµo æ trôc, ng−êi ta cÊp khÝ vµo khoang æ vµ ®¶m b¶o ¸p suÊt trong khoang lµm viÖc cña æ cao h¬n so víi m«i tr−êng bªn ngoµi. HiÖu qu¶ cña lµm kÝn æ trôc b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p rÊt cao do khÝ s¹ch th−êng xuyªn ®−îc ®−a vµo khoang æ t¹o líp ®Öm ng¨n c¸ch kh«ng cho bôi th©m nhËp vµo æ, gióp cho chÊt b«i tr¬n trong æ trôc lu«n s¹ch, ®¶m b¶o ®−îc ®é æn ®Þnh cña thiÕt bÞ trong qu¸ tr×nh lµm viÖc, t¨ng tuæi thä thiÕt bÞ vµ an toµn trong s¶n xuÊt. Ngoµi ra do th−êng xuyªn ®−a kh«ng khÝ vµo khoang æ nªn ph−¬ng ph¸p lµm kÝn nµy cßn cã t¸c dông lµm m¸t æ, gióp duy tr× kh¶ n¨ng b«i tr¬n cña c¸c lo¹i dÇu, mì. Khi lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p, ng−êi ta th−êng kÕt hîp víi sö dông vßng bÝt cao su cã cèt kim lo¹i ®Ó chóng hç trî nhau, t¨ng hiÖu qu¶ lµm kÝn. T¸c dông lµm m¸t æ cña dßng khÝ cßn gióp cho kÐo dµi tuæi thä vßng bÝt. Víi nh÷ng tÝnh n¨ng −u viÖt nh− trªn, lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p kÕt hîp víi vßng bÝt cao su cã cèt ®−îc c¸c h·ng s¶n xuÊt thiÕt bÞ chÞu t¶i nÆng, lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi (nh− m¸y nghiÒn, m¸y c¸n, thiÕt bÞ ¸p lùc...) cña nhiÒu n−íc tiªn tiÕn trªn thÕ giíi ¸p dông rÊt nhiÒu. Cßn ë ViÖt Nam, ngµnh c«ng nghiÖp chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ c«ng nghiÖp cã æ trôc chÞu t¶i lín, lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi ch−a ph¸t triÓn. C¸c thiÕt bÞ lo¹i nµy cña mét sè c¬ së trong n−íc ®Òu lµ thiÕt bÞ nhËp ngo¹i, nªn c¸c tµi liÖu vÒ nghiªn cøu tÝnh to¸n, thiÕt kÕ hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p hÇu nh− kh«ng cã, trong khi ®ã nhu cÇu chÕ t¹o m¸y nghiÒn ®Ó phôc vô ngµnh s¶n xuÊt xi m¨ng trong n−íc ngµy cµng cao. N¨m 2003 ÷ 2005, ViÖn C«ng NghÖ ®· thùc hiÖn ®Ò tµi khoa häc c«ng nghÖ cÊp nhµ n−íc "Nghiªn cøu thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o m¸y nghiÒn bét siªu mÞn hiÖu TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 8 ` suÊt cao øng dông trong c«ng nghiÖp”, m· sè KC.05.22. §Ò tµi nµy ®· hoµn thµnh vµ ®¹t ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ næi bËt, ®· chÕ t¹o vµ øng dông thµnh c«ng M¸y nghiÒn ®øng kiÓu b¸nh l¨n øng dông trong C«ng nghiÖp s¶n xuÊt VËt liÖu x©y dùng, hiÖn ®ang vËn hµnh t¹i C«ng ty TNHH VLXD H¹ Long – TP. Hå ChÝ Minh. Víi nhu cÇu s¶n xuÊt kh«ng ngõng më réng, thiÕt bÞ ®ßi hái ph¶i cã chÕ ®é lµm viÖc æn ®Þnh, ®é bÒn cao, ®¸p øng ®−îc nhu cÇu t¨ng n¨ng suÊt cña thiÕt bÞ nghiÒn. V× vËy cÇn ph¶i hoµn thiÖn c¸c côm thiÕt bÞ, ¸p dông c¸c c«ng nghÖ míi ®Ó n©ng cao ®é æn ®Þnh, an toµn cña thiÕt bÞ khi lµm viÖc, ®¶m b¶o vÖ sinh m«i tr−êng c«ng nghiÖp, ®¸p øng c¸c yªu cÇu ngµy cµng cao cña c¸c nhµ s¶n xuÊt, còng nh− cña ®êi sèng x· héi mµ trong khu«n khæ §Ò tµi KC.05.22 ch−a cã ®iÒu kiÖn nghiªn cøu. Do cÊu t¹o, c¸c b¸nh nghiÒn cña m¸y nghiÒn ®øng bè trÝ ngay bè trÝ ngay trong kh«ng gian buång nghiÒn nªn æ trôc ph¶i lu«n lµm viÖc trong m«i tr−êng hçn hîp khÝ vµ vËt liÖu nghiÒn cã nång ®é bôi rÊt cao (bôi chÝnh lµ s¶n phÈm c«ng nghÖ), v× vËy viÖc lµm kÝn æ trôc lµ rÊt quan träng, ®¶m b¶o ®é æn ®Þnh cho thiÕt bÞ khi lµm viÖc, ®¶m b¶o ®é an toµn trong s¶n xuÊt vµ n©ng cao tuæi thä thiÕt bÞ. §Ò tµi “Nghiªn cøu chÕ t¹o hÖ thèng lµm kÝn tÝch cùc b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p, dïng cho æ trôc chÞu t¶i nÆng, lµm viÖc trong m«i tr−êng nãng, bôi” nh»m hoµn thiÖn hÖ thèng lµm kÝn æ trôc c¸c b¸nh l¨n nghiÒn trong hÖ thèng m¸y nghiÒn ®øng, gióp cho m¸y nghiÒn ho¹t ®éng æn ®Þnh h¬n, an toµn h¬n, ®¸p øng nhu cÇu më réng s¶n xuÊt hiÖn nay. C¸c néi dung cña ®Ò tµi lµ: − Nghiªn cøu, ph©n tÝch và giải bµi to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p. X©y dùng c¬ së cho việc lựa chọn sơ đồ kết cấu, lựa chọn các thông số khí động để đảm bảo hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng áp làm việc ổn định, đạt hiệu quả làm kín tối ưu. − TÝnh to¸n, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng lµm kÝn ®iÓn h×nh b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p. Thiết kế, chế tạo mô hình để khảo nghiệm hệ thống làm kín. − Kh¶o nghiÖm hÖ thèng lµm kÝn b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p trªn m« h×nh kh¶o nghiÖm. §o ®¹c, ph©n tÝch và ®¸nh gi¸ c¸c th«ng sè kh¶o nghiÖm cña hÖ thèng. TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 9 ` Ch−¬ng II C¸c bµi to¸n khÝ ®éng c¬ b¶n, C¬ së lý thuyÕt cho tÝnh to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng lµm kÝn æ b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p Tr¹ng th¸i cña chÊt láng (khÝ) chuyÓn ®éng ®−îc x¸c ®Þnh khi c¸c hµm ph©n bè vËn tèc v = v(x,y,z,t) vµ hai ®¹i l−îng ®éng lùc nµo ®ã nh− ¸p suÊt p = p (x,y,z,t) vµ mËt ®é ρ = ρ (x,y,z,t) ®−îc x¸c ®Þnh. Sù ph©n bè vµ quy luËt thay ®æi ¸p suÊt, vËn tèc cña dßng ch¶y phô thuéc h×nh d¹ng, ®é nh½n, kÝch th−íc h×nh häc… cña vËt bao dßng ch¶y ®ã. §Ó ph©n tÝch vµ gi¶i bµi to¸n hÖ khÝ ®éng cho mét hÖ thèng cÇn ph¶i dùa trªn c¸c ®Þnh luËt tæng qu¸t cña chÊt láng (khÝ), ¸p dông c¸c d¹ng bµi to¸n khÝ ®éng c¬ b¶n. Sau ®©y lµ mét sè bµi to¸n khÝ ®éng ®iÓn h×nh cÇn thiÕt cho viÖc ph©n tÝch khÝ ®éng cña hÖ thống lµm kÝn: 1. Dßng ch¶y gi÷a hai mÆt ph¼ng song song chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi nhau: Hai mặt phẳng song song chuyển động tương đối với nhau với vận tốc không đổi u. Chọn một trong hai mặt phẳng làm mặt phẳng x, z và hướng trục x theo hướng vận tốc u. Nhận thấy tất cả các đại lượng đều chỉ phụ thuộc vào toạ độ y, còn tại mọi nơi vận tốc chất lỏng đều dương theo trục x. Từ phương trình chuyển động cơ bản của chất lỏng, áp dụng cho chuyển động dừng ta có được công thức sau: dp d 2v = 0; =0 dy dy 2 (Phương trình liên tục được đồng nhất thoả mãn). Từ đó p = const, v = y + b. Với y = 0 và y = h (h là khoảng cách giữa các mặt phẳng), lần lượt phải có: v = 0 và v = u. Ta được: Trong đó: v= y u h (2.1) u là tốc độ chuyển động tương đối giữa các mặt phẳng v là vận tốc theo bề dày của lớp chất lỏng. TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 10 ` Như vậy sự phân bố vận tốc của chất lỏng chứa giữa hai mặt phẳng song song chuyển động đối với nhau là theo hàm bậc nhất. Vận tốc trung bình của chất lỏng được xác định bởi vTB = h u 1 vdy = ∫ 2 h0 (2.2) 2. Dßng ch¶y gi÷a hai mÆt ph¼ng song song cè ®Þnh: Xét dòng chảy dừng của chất lỏng giữa hai mặt phẳng song song cố định khi có gradien áp suất. Chọn hệ toạ độ như trong trường hợp (1), trục z hướng theo chiều chuyển động của chất lỏng. Các phương trình Navier – Stoker cho ta (hiển nhiên, vận tốc chỉ phụ thuộc vào toạ độ y): d 2 v 1 ∂p = dy 2 µ ∂x ; ∂p =0 ∂y Phương trình thứ hai chứng tỏ rằng áp suất không phụ thuộc vào y, nghĩa là nó không đổi theo bề dầy lớp chất lỏng giữa các mặt phẳng. Khi đó, trong phương trình thứ nhất của vế phải hàm số chỉ phụ thuộc x, còn ở vế trái - chỉ phụ thuộc y. Một phương trình như thế chỉ có thể được thực hiện khi cả hai vế đều là những đại lượng không đổi. Như vậy: dp = const dx nghĩa là áp suất là một hàm bậc nhất của tọa độ x theo chiều dòng chảy. Bây giờ, đối với vận tốc ta có: v= 1 dp 2 y + ax + b 2 µ dx Các hằng số a và b được xác định từ các điều kiện biên v = 0 với y = 0 và y = h. Kết quả thu được: v= − 1 dp y ( y − h) 2 µ dx (2.3) Như vậy khi có gradien áp suất, vận tốc của lớp chất lỏng giữa hai mặt phẳng song song cố định thay đổi theo hàm bậc hai, đạt giá trị cực đại ở giữa lớp. Giá trị trung bình của vận tốc theo bề dày của lớp chất lỏng bằng: V =− TBT_TTCK&T§H h 2 dp 12 µ dx §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN (2.4) 11 ` 3. Dßng ch¶y dõng trong èng: Xét dòng chảy dừng của chất lỏng trong ống có tiết diện không đổi dọc theo toàn bộ chiều dài, trục x hướng theo chiều dài của ống. Vận tốc v của chất lỏng tại mọi nơi đều hướng theo trục x và chỉ là hàm của y và z. Phương trình liên tục được đồng nhất thỏa mãn, còn những thành phần theo trục y và z của phương trình Navier – Stokes lại cho ta ∂p / ∂z = ∂p / ∂z = 0 , nghĩa là áp suất không đổi trên tiết diện của ống dẫn. Thành phần theo trục x của phương trình: ∂v 1 µ + (v∇)v = − grad p + ∆v ρ ∂t ρ cho ta: ∂ 2 v ∂ 2 v 1 dp = + ∂y 2 ∂z 2 µ dx Từ đó kết luận rằng dp/dx = const; do đó gradien áp suất có thể được viết dưới dạng ∆p / l , trong đó ∆p là hiệu áp suất tại các đầu của ống, l là độ dài của nó. Như vậy, sự phân bố vận tốc của dòng chất lỏng trong ống được xác định bởi một phương trình hai chiều thuộc loại ∆v = const . Phương trình này phải được giải với điều kiện biên v = 0 ở trên chu vi của tiết diện ống dẫn. Giải phương trình này cho ống có tiết diện tròn. Chọn gốc toạ độ cực tại tâm của ống, vì lý do đối xứng, ta có: v = v(r). Dùng biểu thức toán học Laplace trong các tọa độ cực, ta có: 1 d ⎛ dv ⎞ ∆p ⎜r ⎟ = − r dr ⎝ dr ⎠ µl Lấy tích phân, ta được: V =− ∆p 2 r + a ln r + b 4 µl (2.5) Hằng số a cần được chọn bằng không, vì vận tốc phải hữu hạn trong toàn bộ tiết diện ống, kể cả tâm. Hằng số b được xác định từ đòi hỏi v = 0, khi giá trị r = R (R là bán kính của ống). Cuối cùng: TBT_TTCK&T§H V = ∆p 2 R − r2 4 µl ( ) §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN (2.6) 12 ` Như vậy, theo tiết diện ống vận tốc được phân bố theo hàm bậc hai. Lượng chất lỏng Q đi qua tiết diện thẳng của ống trong một giây gọi là lưu lượng chất lỏng trong ống. Lượng chất lỏng đi qua phần tử hình vành khuyên 2π rdr của tiết diện ống trong một giây bằng ρ2πrvdr. Do đó: R Q = 2πρ ∫ rvdr 0 Nếu xét đến (2.5) , ta thu được : Q= π∆p 8vl R4 Lượng chất lỏng chảy tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của bán kính ống. 4. Dßng ch¶y trong khe hë gi÷a hai h×nh trô ®ång trôc vµ quay t−¬ng ®èi víi nhau: Xét chuyển động của chất lỏng ở giữa hai hình trụ dài vô hạn, đồng trục, quay quanh trục của chúng với vận tốc góc Ω1 và Ω 2 ; R1 và R2 là các bán kính hình trụ, với R2 > R1. Chọn các toạ độ r, z, ϕ với trục z trùng với trục của các hình trụ. Vì lý do đối xứng, nên hiển nhiên: vυ = v r = 0 , vϕ = v (r ) , p=p(r) Phương trình Navier – Stokes trong toạ độ trụ trong trường hợp đang xét cho hai phương trình: dp v2 =ρ r dr (2.7) d 2 v 1 dv v + − =0 dr 2 r dr r 2 (2.8) Phương trình (2.5) có các nghiệm thuộc loại rn. Việc thay nghiệm dưới dạng này cho ta n = ± 1 , do đó v = ar + b r Các hằng số a và b tìm được từ các điều kiện giới hạn, theo các điều kiện này, vận tốc chất lỏng trên mặt hình trụ trong và ngoài mặt hình trụ ngoài phải bằng vận tốc của hình trụ tương ứng: v1 = R1Ω1 với r = R1 và v 2 = R2 Ω 2 với r = R2. Kết quả ta thu được sự phân bố các vận tốc dưới dạng TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 13 ` v= (Ω1 − Ω 2 ) R12 R22 1 Ω 2 R22 − Ω1 R12 r + r R22 − R12 R22 − R12 (2.9) Mô men các lực ma sát tác dụng lên các hình trụ được xác định theo công thức: M1 = − 4πµ (Ω1 − Ω 2 ) R12 R22 R22 − R12 (2.10) Mô men các lực tác dụng lên hình trụ ngoài M2 = -M1. Với Ω 2 = 0 và với khe nhỏ giữa các hình trụ ( δ ≡ R2 − R1 << R2 ) công thức (2.10) có dạng M2 = µRSu δ (2.11) Trong đó S ≈ 2πR là diện tích mặt của một đơn vị dài hình trụ, còn u = Ω1 R là diện tích bao quanh nó. 5. HiÖn t−îng khuÕch t¸n: Hiện tượng khuếch tán xảy ra khi chất lỏng là một hỗn hợp nhiều thành phần và không đồng đều trong thể tích chứa. Trong trong trường hợp này thì các phương trình thuỷ lực sẽ thay đổi một cách cơ bản. Thành phần của hỗn hợp được mô tả bằng nồng độ c, xác định bởi tỷ số giữa khối lượng của một trong các chất tham gia tạo thành hỗn hợp và khối lượng toàn phần của chất lỏng ở trong phần tử thể tích đang xét. Với thời gian, nói chung sự phân bố của nồng độ trong chất lỏng thay đổi. Sự biến thiên của nồng độ xảy ra theo hai cách: ¾ Thứ nhất: Biến thiên nồng độ do có chuyển động vĩ mô của chất lỏng. Mỗi phần của chất lỏng đã cho dịch chuyển như một khối có thành phần không thay đổi. Sự khuấy trộn thuần tuý cơ học của chất lỏng là một điển hình của sự thay đổi nồng độ do chuyển động vĩ mô; mặc dù thành phần của mỗi phần chất lỏng di chuyển không thay đổi, nhưng tại mỗi điểm cố định đã cho của không gian nồng độ chất lỏng chiếm vị trí đó thay đổi theo thời gian. Nếu bỏ qua các quá trình dẫn nhiệt và ma sát nội có thế đồng thời xảy ra, thì một sự biến thiên như thế của nồng độ là một quá trình nhiệt động lực thuận nghịch và không dẫn tới sự tiêu tán năng lượng. TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 14 ` ¾ Thứ hai: Sự biến thiên của thành phần có thể xảy ra do có sự chuyển vận các chất của hỗn hợp từ một phần chất lỏng này đến một phần khác. Sự san bằng nồng độ bằng sự biến thiên trực tiếp thành phần của mỗi phần chất lỏng được gọi là sự khuếch tán. Sự khuếch tán là quá trình không thuận nghịch và cùng với sự dẫn nhiệt và tính nhớt, nó là một trong các nguồn tiêu tán năng lượng trong hỗn hợp lỏng. Khi không có sự khuếch tán, thành phần của mỗi phần tử đã cho của chất lỏng vẫn không đổi khi chất lỏng dịch chuyển. Còn khi có sự khuếch tán, ngoài dòng v, ρ, c của chất đã cho cùng với toàn bộ chất lỏng, còn một dòng nữa dẫn tới sự chuyển vận các chất trong hỗn hợp cả khi không có sự dịch chuyển của chất lỏng xét về toàn bộ; đó là dòng khuếch tán. Mật độ dòng khuếch tán qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian ký hiệu là i. Dòng khuếch tán i của chất sẽ xuất hiện do có mặt các gradien nồng độ và gradien nhiệt độ ở trong chất lỏng. Như vậy, dòng khuếch tán sẽ phụ thuộc vào cả gradien nhiệt độ và gradien nồng độ. Nếu gradien nhiệt độ và nồng độ không lớn, thì có thể coi i là hàm bậc nhất của độ nhớt động lựcµ và của nhiệt độ T. Dòng khuếch tán xuất hiện khi chỉ có gradien nồng độ được xác định bởi hệ số khuếch tán D; Còn đối với dòng khuếch tán gây bởi gradien nhiệt độ, thì được xác định bởi hệ số khuếch tán nhiệt kTD (đại lượng không thứ nguyên kT được gọi là tỷ số khuếch tán nhiệt). Dòng khuếch tán i không phụ thuộc vào gradien của áp suất (với ∆µ và ∆T đã cho). Đối với các hỗn hợp chất lỏng trong thành phần có các hạt lơ lửng thì sự khuếch tán được định nghĩa như sau: Do ảnh hưởng của chuyển động phân tử trong chất lỏng, các hạt lơ lửng trong chất lỏng đó thực hiện chuyển động Brown hỗn loạn. Giả sử tại một thời điểm ban đầu có một hạt như thế tại một điểm nào đó (gốc toạ độ). Có thể coi chuyển động tiếp sau của nó như một “sự khuếch tán” và xác xuất tìm thấy hạt ở trong một phần tử thể tích nào của khối chất lỏng giữ vai trò nồng độ. Hệ số khuếch tán của các hạt lơ lửng trong chất lỏng được xác định theo độ linh động của chúng. Để xác định TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 15 ` độ linh động của các hạt lơ lửng người ta giả sử các hạt này chịu tác dụng của một ngoại lực không đổi f. Trong trạng thái dừng, lực tác dụng lên mỗi hạt phải được cân bằng bởi lực cản do chất lỏng tác dụng lên hạt chuyển động. Khi các vận tốc không quá lớn, lực cản tỷ lệ với luỹ thừa bậc nhất của vận tốc. Nếu viết lực đó dưới dạng v/b, b là một hằng số, rồi cân bằng nó với ngoại lực f, ta thu được: v = bf, nghĩa là vận tốc của hạt thu được dưới tác dụng của ngoại lực tỉ lệ với lực đó. Hằng số b được gọi là độ linh động và về nguyên tắc, có thể được tính dựa vào các phương trình thuỷ động lực. Đối với các hạt có dạng hình cầu có bán kính R thì lực cản bằng f = 6πµRv , do đó, độ linh động bằng: b= 1 (2.12) 6πµR Đối với các hạt không có dạng hình cầu, lực cản phụ thuộc vào phương chuyển động và được viết dưới dạng aikvk, trong đó aik là một tenxơ đối xứng. Khi tính độ linh động, cần phải lấy trung bình theo tất cả các hướng của hạt; nếu a1, a2, a3 là các giá trị chính của tenxơ đối xứng aik, thì ta thu được: 1⎛ 1 1 1 ⎞ b = ⎜⎜ + + ⎟⎟ 3 ⎝ a1 a2 a3 ⎠ Độ linh động liên hệ với hệ số khuếch tán bằng hệ thức: D = Tb (2.13) (2.14) Kết hợp với (2-12), hệ số khuếch tán của các hạt có dạng cầu được xác định theo công thức: D= T 6πµR (2.15) Nh− vËy hÖ sè khuÕch t¸n phô thuéc vµo nhiÖt ®é, ®é nhít ®éng lùc vµ kÝch th−íc h¹t. Khi nhiÖt ®é cµng cao kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña c¸c h¹t l¬ löng trong chÊt láng cµng lín, cßn ®é nhít vµ kÝch th−íc h¹t cµng lín sÏ lµm gi¶m kh¶ n¨ng khuÕch t¸n cña chóng. TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 16 ` Ch−¬ng III nghiªn cøu bµi to¸n khÝ ®éng cña hÖ thèng lµm kÝn æ trôc ®iÓn h×nh b»ng ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p (sau ®©y gäi t¾t lµ hÖ thèng lµm kÝn, viÕt t¾t lµ HTLK) 1. S¬ ®å nguyªn lý cña hÖ thèng lµm kÝn: Lµm kÝn æ trôc theo ph−¬ng ph¸p t¨ng ¸p lµ ph−¬ng ph¸p thæi khÝ vµo khoang lµm viÖc cña æ, khÝ sÏ ®iÒn ®Çy c¸c ngãc ng¸ch trong khoang. Khi ¸p suÊt trong khoang lín h¬n ¸p suÊt bªn ngoµi, dßng khÝ sÏ qua khe hë ra ngoµi vµ cã t¸c dông ng¨n chÆn kh«ng cho bôi x©m nhËp vµo khoang æ. Ph−¬ng ph¸p lµm kÝn nµy dùa trªn hiÖn t−îng dßng khÝ sÏ chØ di chuyÓn tõ n¬i cã ¸p suÊt cao tíi n¬i cã ¸p suÊt thÊp. Nh− vËy ®iÒu kiÖn ®Ó ng¨n kh«ng cho bôi th©m nhËp vµo æ trôc lµ: pKO > pMT Trong ®ã : (3.1) pKO : ¸p suÊt trong khoang lµm viÖc cña æ. pMT : ¸p suÊt m«i tr−êng bªn ngoµi æ. §iÒu kiÖn (3.1) ta gäi lµ ®iÒu kiÖn c¬ b¶n hay chªnh ¸p trong HTLK. H×nh 3.1. S¬ ®å nguyªn lý cña HTLK Tuú thuéc vµo yªu cÇu thùc tÕ cña møc ¸p suÊt trong khoang æ, ng−êi ta cã thÓ dïng qu¹t ly t©m hoÆc dïng khÝ nÐn trùc tiÕp thæi khÝ vµo khoang æ ®Ó t¹o ¸p suÊt trong khoang æ lín h¬n ¸p suÊt m«i tr−êng bªn ngoµi, ®¶m b¶o ®iÒu kiÖn c¬ b¶n cña ph−¬ng ph¸p lµm kÝn b»ng t¨ng ¸p. TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 17