B CễNG THNG
TNG CễNG TY MY NG LC & MY NễNG NGHIP
VIN CễNG NGH

BO CO TNG KT TI
M S 245.07 RD/H KHCN
Tờn ti:

Nghiên cứu chế tạo hệ thống làm kín tích cực
bằng phơng pháp tăng áp
dùng cho ổ trục chịu tải nặng
làm việc trong môi trờng nóng, bụi

C QUAN CH QUN: B CễNG THNG
C QUAN CH TRè: VIN CễNG NGH
CH NHIM TI: KS. TNG BCH THY

6799
12/4/2008

H NI, 3 2008
H NI, 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
`

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 1

mục lục
Trang
mục lục
1
chơng I: báo cáo TNG QUAN
3
1. Tổng quan về các phơng pháp làm kín 3
2. Tình hình nghiên cứu chung về hệ thống làm kín bằng phơng pháp
tăng áp.
8

4. Kết luận và các nguyên tắc tính toán hệ khí động trong hệ thống làm
kín bằng tăng áp.
33
chơng iV: thiết kế và chế tạo mô hình.
Khảo nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả
36
1. Mc ớch kho nghim. 36
2. Thit k v ch to mụ hỡnh. 37
3. Tớnh toỏn lp t h thng lm kớn . 41
4. Chy kho nghim h thng lm kớn. 45
5. Nhn xột kt qu kho nghim v kt lun. 51
Kết luận
55
tài liệu tham khảo
57

`

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 3

Chơng I
báo cáo tổng quan
1. Tổng quan về các phơng pháp làm kínc:
Trong ngành chế tạo máy ngời ta sử dụng nhiều phơng pháp cũng nh
dạng cơ cấu làm kín khác nhau để bít kín các bề mặt của mối ghép nốí tĩnh và
ghép nối động của các chi tiết máy nh: các mối ghép ren của đờng ống, các
mối ghép giữa thân ổ lăn, ổ trợt với trục truyền, giữa pít tông và xi lanh

Amian kim loi cú v bc
bng ng
Hi 250 3,5
ng Nc 250 10,0
Nhụm Hi 300 2,0
Nhụm Du m, du nhn 300-400 3,0-6,0
Amian kim loi cú v bc
bng niken
Hi 300 2,0
Paronit OH Nc, hi 200 5,0
`

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 4 Vt liu Mụi trng lm vic Nhit mụi
trng,
0
C max
p sut mụi trng
lm vic N/mm
2
, max
Paronit OH Hi nc 450 5,0
Amian
Hi, khớ t
450 0,15

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 5

c. Một số cơ cấu làm kín các mối ghép động:
Đệm kín cao su mặt cắt tròn thờng dùng làm kín cho các thiết bị thuỷ lực
và khí nén với tốc độ dịch chuyển của các mối ghép này đến 0.5 m/s. Chúng
đợc dùng để làm kín các mối ghép làm việc ở áp suất :
Đến 50 N/mm
2
(500 kG/cm
2
) - trong các mối ghép cố định và đến 32
N/mm
2
(320 kG/cm
2
) - trong các mối ghép động, với môi trờng làm việc
là dầu khoáng, nhiên liệu lỏng, êmunxi, dầu bôi trơn, nớc ngọt và nớc
biển;
Đến 40 N/mm
2
(400 kG/cm
2
) - trong các mối ghép tĩnh và đến 10 N/mm
2

(100 kG/cm
2
Hình 1.6. Làm kín dùng vòng phớt
đợc ép
Hình 1.7. Làm kín dùng
vòng phớt kết hợp với
vòng bít có rãnh vòng Hình 1.8. Làm kín dùng
vòng phớt kết hợp với
vòng bít khuất khúc Hình 1.9. Làm kín dùng
vòng phớt kết hợp với
vòng bít khuất khúc-rãnh
vòng

Hình 1.10. Làm kín dùng vòng bít cao su có cốt sơ đồ gá lắp.
1. Trục 2. Vòng bít 3. Vòng đêm 4. Bạc
`

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 7

`

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 8

Các chi tiết của mối ghép làm kín cần có độ nhám, kết cấu phù hợp để
lắp ráp dễ dàng. Khi lắp các loại vòng làm kín cần sử dụng dụng cụ gá
chuyên dùng thích hợp.
2. Tình hình nghiên cứu chung về hệ thống làm kín bằng phơng pháp
tăng áp:
Làm kín ổ trục bằng phơng pháp tăng áp dựa trên nguyên lý dòng khí chỉ
di chuyển từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp. Để ngăn không cho bụi
thâm nhập vào ổ trục, ngời ta cấp khí vào khoang ổ và đảm bảo áp suất trong
khoang làm việc của ổ cao hơn so với môi trờng bên ngoài. Hiệu quả của làm
kín ổ trục bằng phơng pháp tăng áp rất cao do khí sạch thờng xuyên đợc đa
vào khoang ổ tạo lớp đệm ngăn cách không cho bụi thâm nhập vào ổ, giúp cho
chất bôi trơn trong ổ trục luôn sạch, đảm bảo đợc độ ổn định của thiết bị trong
quá trình làm việc, tăng tuổi thọ thiết bị và an toàn trong sản xuất. Ngoài ra do
thờng xuyên đa không khí vào khoang ổ nên phơng pháp làm kín này còn có
tác dụng làm mát ổ, giúp duy trì khả năng bôi trơn của các loại dầu, mỡ. Khi làm
kín bằng phơng pháp tăng áp, ngời ta thờng kết hợp với sử dụng vòng bít cao
su có cốt kim loại để chúng hỗ trợ nhau, tăng hiệu quả làm kín. Tác dụng làm
mát ổ của dòng khí còn giúp cho kéo dài tuổi thọ vòng bít.
Với những tính năng u việt nh trên, làm kín bằng phơng pháp tăng áp
kết hợp với vòng bít cao su có cốt đợc các hãng sản xuất thiết bị chịu tải nặng,
làm việc trong môi trờng nóng, bụi (nh máy nghiền, máy cán, thiết bị áp lực )
của nhiều nớc tiên tiến trên thế giới áp dụng rất nhiều.
Còn ở Việt Nam, ngành công nghiệp chế tạo các thiết bị công nghiệp có ổ

nâng cao tuổi thọ thiết bị. Đề tài Nghiên cứu chế tạo hệ thống làm kín tích
cực bằng phơng pháp tăng áp, dùng cho ổ trục chịu tải nặng, làm việc trong
môi trờng nóng, bụi nhằm hoàn thiện hệ thống làm kín ổ trục các bánh lăn
nghiền trong hệ thống máy nghiền đứng, giúp cho máy nghiền hoạt động ổn định
hơn, an toàn hơn, đáp ứng nhu cầu mở rộng sản xuất hiện nay.
Các nội dung của đề tài là:
Nghiên cứu, phân tích v gii bài toán khí động của hệ thống làm kín
bằng phơng pháp tăng áp. Xây dựng cơ sở cho vic la chn s kt
cu, la chn cỏc thụng s khớ ng
m bo hệ thống làm kín bằng
phơng pháp tăng ỏp lm vic n nh, t hiu qu lm kớn ti u.
Tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống làm kín điển hình bằng phơng pháp
tăng áp. Thit k, ch to mụ hỡnh kho nghim h thng lm kớn.
Khảo nghiệm hệ thống làm kín bằng phơng pháp tăng áp trên mô hình
khảo nghiệm. Đo đạc, phân tích v đánh giá các thông số khảo nghiệm
của hệ thống.
`

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 10

Chơng II
Các bài toán khí động cơ bản, Cơ sở lý thuyết
cho tính toán khí động của hệ thống làm kín ổ
bằng phơng pháp tăng áp
Trạng thái của chất lỏng (khí) chuyển động đợc xác định khi các hàm
phân bố vận tốc v = v(x,y,z,t) và hai đại lợng động lực nào đó nh áp suất p = p
(x,y,z,t) và mật độ = (x,y,z,t) đợc xác định. Sự phân bố và quy luật thay đổi

y
(2.1)
Trong ú: u l tc chuyn ng tng i gia cỏc mt phng
v l vn tc theo b dy ca lp cht lng.
`

TBT_TTCK&T§H §Ò tµi 245.07.RD/H§-KHCN 11

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
v
TB
=
∫
=
h
u
vdy
h
0
2
1
(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

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 =
baxy
dx
dp
++
2
2
1
µ

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 =
)(
2
1
hyy
dx
dp
−−
µ
(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:

dx
dph

v
ρ
1
)( −=∇+
∂
∂
vp ∆+
ρ
µ

cho ta:
dx
dp
z
v
y
v
µ
1
2
2
2
2
=
∂
∂
+
∂
∂


⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
1

Lấy tích phân, ta được:

brar
l
p
V ++
∆
−= ln
4
2
µ
(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:
(
)
22
4
rR
l

8
R
v
l
p
Q

=


Lng cht lng chy t l vi ly tha bc bn ca bỏn kớnh ng.
4. Dòng chảy trong khe hở giữa hai hình trụ đồng trục và quay tơng đối
với nhau:
Xột chuyn ng ca cht lng gia hai hỡnh tr di vụ hn, ng trc,
quay quanh trc ca chỳng vi vn tc gúc
1

v
2

; R
1
v R
2
l cỏc bỏn
kớnh hỡnh tr, vi R
2
> R
1
. Chn cỏc to r, z, vi trc z trựng vi trc

r
v
dr
dv
r
d
r
vd
(2.8)
Phng trỡnh (2.5) cú cỏc nghim thuc loi r
n
. Vic thay nghim di
dng ny cho ta n =
1
, do ú v =
r
b
ar +

Cỏc hng s a v b tỡm c t cỏc iu kin gii hn, theo cỏc iu
kin ny, vn tc cht lng trờn mt hỡnh tr trong v ngoi mt hỡnh tr
ngoi phi bng vn tc ca hỡnh tr tng ng:
111

=
Rv vi
1
Rr
=
v

2
2
2
11
2
22
−
Ω−Ω
+
−
Ω−Ω
(2.9)
Mô men các lực ma sát tác dụng lên các hình trụ được xác định theo
công thức:

2
1
2
2
2
2
2
121
1
)(4
RR
RR
M
−
Ω−Ω

RS
π
2≈
là diện tích mặt của một đơn vị dài hình trụ, còn
Ru
1
Ω= 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
ch
ất 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 nă
ng lượng.
`

D (đại lượng
không thứ nguyên k
T
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&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 16

linh ng ca cỏc ht l lng ngi ta gi s cỏc ht ny chu tỏc dng
ca mt ngoi lc khụng i f. Trong trng thỏi dng, lc tỏc dng lờn mi
ht phi c cõn bng bi lc cn do cht lng tỏc dng lờn ht chuyn

hng ca ht; nu a
1
, a
2
, a
3
l cỏc giỏ tr chớnh ca tenx i xng a
ik
, thỡ ta
thu c:








++=
321
111
3
1
aaa
b
(2.13)
linh ng liờn h vi h s khuch tỏn bng h thc: D = Tb (2.14)
Kt hp vi (2-12), h s khuch tỏn ca cỏc ht cú dng cu c xỏc
nh theo cụng thc: D =
R

MT
(3.1)
Trong đó : p
KO
: áp suất trong khoang làm việc của ổ.
p
MT
: áp suất môi trờng bên ngoài ổ.
Điều kiện (3.1) ta gọi là điều kiện cơ bản hay chênh áp trong HTLK.

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của HTLK
Tuỳ thuộc vào yêu cầu thực tế của mức áp suất trong khoang ổ, ngời ta
có thể dùng quạt ly tâm hoặc dùng khí nén trực tiếp thổi khí vào khoang ổ để
tạo áp suất trong khoang ổ lớn hơn áp suất môi trờng bên ngoài, đảm bảo
điều kiện cơ bản của phơng pháp làm kín bằng tăng áp.
`

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 18

2. Phân tích bài toán khí động của HTLK:
Do liên kết ổ - trục là mối liên kết động, nên luôn luôn phải tồn tại một
khe hở
giữa phần chuyển động (trục quay) và phần cố định. Vì vậy kết cấu
điển hình để làm kín ổ trục của bánh lăn trong máy nghiền đứng bằng phơng
pháp tăng áp sẽ có hai dạng sau:

Hình 3.2a. Kết cấu làm kín ổ trục sử dụng phơng pháp tăng áp

động trong HTLK, ta có những nhận xét và phân tích sau:
ắ Khi làm việc, phần ổ trục quay, vành làm kín lắp trên ổ quay theo, vành
làm kín lắp trên phần cố định sẽ đứng yên. Dòng khí đợc hút từ quạt (hoặc
hệ thống khí nén) qua hệ thống ống dẫn vào khoang khí, theo các lỗ khoan
thông trên moay ơ và trong trục điền đầy các khoang trống trong ổ; dòng
khí cũng qua các lỗ khoan thông trên vách đi vào khe hở
(hình 3.2). Khi
điều kiện chênh áp đợc đảm bảo, dòng khí sẽ qua khe hở ra ngoài và bụi
sẽ không thể xâm nhập đợc vào trong khoang ổ. Với kết cấu nh vậy, hệ
thống làm kín là hệ thống đờng ống hở và dòng trong khe hở sẽ là dòng
chảy của chất lòng giữa hai hình trụ đồng tâm và quay tơng đối với nhau.
Theo tài liệu [4] trang 147 tại miệng thổi (đầu ra khe hở
) của hệ thống
đờng ống hở có áp suất tĩnh bằng 0, áp suất toàn phần của dòng khí bằng
áp suất động.
Kết hợp với (3.1), có:
p

p
đ

=
KK
TB
g
v

2
2
> p

RR
r
RR
RR
1
)(
2
1
2
2
2
2
2
121
2
1
2
2
2
11
2
22


+



Hay có thể viết thành:
v =


1
,
2
; bán kính các hình trụ R
1
, R
2
; độ lớn của khe hở .
Kết hợp với (3.3) có:

r
RR
RR
r
RR
RR
1
)(
)(
)(
12
2
2
2
121
12
2
11
2

2
12
RR +
. Thay vào (3.5) ta
sẽ đợc một bất đẳng thức bậc ba với ẩn là R
2
. Về nguyên tắc ta có thể xác
định đợc R
2
(có nghĩa là xác định đợc khe hở ) bằng cách giải bất đẳng
thức nói trên. Tuy nhiên việc giải bất đẳng thức khá phức tạp và chỉ xác
`

TBT_TTCK&TĐH Đề tài 245.07.RD/HĐ-KHCN 21

định đợc một khoảng các giá trị nào đó của chứ không phải là một giá
trị cụ thể.

Bây giờ ta xét tính ổn định của dòng chảy trong khe hở giữa hai hình
trụ đồng tâm và quay tơng đối với nhau: Ti li
u [1] trang 166 ữ 171 cho
th
y dòng chảy trong khe giữa hai hình trụ quay có dạng hình phỏng
xuyến, gọi là những xoáy Taylor đợc xếp đều đặn dọc theo chiều dài khe
hở (Xem hình 3.3) và đại lợng giữ vai trò hệ số Reynold:
v
R

2
22
R
R


(xem hình 3.4). Khi
2
11
2
22
R
R


>1 (hay
2
11
2
22
RR > ) thì dòng trong
khe luôn là dòng ổn định, ngợc lại khi
2
11
2
22
R
R



2
R
1
<< R =
2
12
RR +
, chuyển
động của chất lỏng giữa hai hình trụ quay là chuyển động của chất lỏng
giữa hai mặt phẳng song song chuyển động tơng đối với nhau. Chuyển
động này là ổn định với mọi trị số của số Re =
u/v (u là vận tốc tơng đối
của các mặt phẳng). Nh vậy dòng khí trong khe ổn định với mọi trị số Re
khi khe hở
0 hay khi khe hở càng nhỏ ( << R =
)(
2
1
21
RR +
thì dòng
trong khe càng ổn định. Nói cách khác nếu D = 2R càng lớn thì thì dòng
chất lỏng trong khe sẽ càng
d ổn định vì khi D lớn thì giá trị tuyệt đối của
có thể tăng lên mà vẫn đảm bảo điều kiện << R =
)(
2
1
21
RR +

R


>1
nên dòng trong khe luôn là dòng ổn định.
Tóm lại từ phân tích trên có kết luận nh sau: