Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Ổ KHÍ TĨNH
TRONG MÁY LY TÂM TINH BỘT SẮN TRỤC ĐỨNG
THE RESEARCH ON APPLYING-ABILITY
OF AEROSTATIC BEARINGS FOR CENTRIFUGAL MACHINE
Đặng Thiện Ngôn1a, Ngô Ngọc Tuyền2b, Nguyễn Văn Trung3c
1
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
2
Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng
3
Trường Cao đẳng Công nghệ Quốc tế Lilama 2
a
, ,
TÓM TẮT
Nâng cao khả năng làm việc và giảm công suất tiêu thụ điện năng cũng như đảm bảo an
toàn vận hành của máy ly tâm là một trong các tiêu chí đang được lưu tâm của máy ly tâm
hiện nay. Máy ly tâm tinh bột sắn trục đứng là một trong các loại máy được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp còn tồn đọng một số vấn đề về công suất và tốc độ. Bài báo trình bày quá
trình thiết kế một máy ly tâm tinh bột sắn có sử dụng các ổ khí tĩnh thay thế các ổ trục truyền
thống. Một mô hình thiết bị máy ly tâm trục đứng thí nghiệm sử dụng là các ổ khí tĩnh đã
được thiết kế và chế tạo. Qua mô hình này, các thông số ảnh hưởng đến quá trình hoạt động
như áp suất, số vòng quay đã được nghiên cứu và xác định qua thực nghiệm. Kết quả thực
nghiệm cho phép xác định được quan hệ giữa áp suất cung cấp và khả năng hoạt động của các
ổ đỡ, ổ chặn khí tĩnh sử dụng trong máy ly tâm trục đứng năng suất 12 kg/h.
Từ khóa: máy ly tâm, ổ đỡ, ổ chặn, ổ khí tĩnh, áp suất khí
ABSTRACT
One of the most considered criteria of centrifugal machine is how to enhance work
capacity, reduce electricity consumption and be safe in operation. Tapioca starch vertical
centrifugal machine, being one of the most popular using machines in our industry, still has

vật liệu chế tạo ổ [5]. Chen, Chiu và Cheng đã xem xét ảnh hưởng của điều kiện hoạt động và
thông số hình học đến độ cứng vững của ổ khí tĩnh và qua thực nghiệm đã xây dựng các biểu
đồ liên quan [1]. Các công trình nghiên cứu này đã và đang là cơ sở cho các nghiên cứu ứng
dụng ổ khí tĩnh vào các máy móc công nghiệp.
Ổ khí tĩnh có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến khả năng làm việc nhưng điển hình là
các thông số sau: đường kính lỗ cấp khí, chiều dài ổ khí, vị trí đặt lỗ cấp khí, số lượng lỗ cấp
khí, áp suất cung cấp đến khả năng tải và độ cứng của ổ,khe hở giữa trục và ổ đỡ,…[6]. Trong
bài báo này, các nghiên cứu sẽ đề cập đến khả năng ứng dụng ổ khí tĩnh thay thế ổ cơ sử dụng
trong máy ly tâm tinh bột sắn trục đứng năng suất 12 kg/h.
2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY LY TÂM
Trong thực tế máy ly tâm trục đứng được sử dụng rất phổ biến trong quá trình phân tách
tinh bột sắn. Một lượng hỗn hợp gồm nước và bột sắn có lẫn tạp chất được cho vào thùng
quay hình trụ có lưới lọc để thực hiện quá trình phân tách. Trong quá trình này, các hạt tinh
bột đi qua lớp lưới lọc và sau đó được giữ lại bên ngoài buồng chứa [7].
2.1

Yêu cầu thiết kế

Để thực hiện công việc tính toán, thiết kế máy ly tâm tinh bột sắn sử dụng ổ khí tĩnh,
một máy ly tâm trục đứng sử dụng ổ cơ được thiết kế với các thông số sau:
- Tốc độ quay, n = 980 - 2000 v/ph
- Năng suất đạt khoảng 12 kg thành phẩm/giờ
- Độ ổn định cao, ít rung động
- Lượng tinh bột phân tách đạt trên 80%.
2.2

Tính toán thiết kế
Bảng 1 trình bày các ký hiệu được sử dụng trong quá trình tính toán thiết kế máy.

FRCF

V

Vận tốc, m/s

R

Bán kính, m

N

Công suất động cơ, Kw

D

Đường kính ngoài thùng, m

T

Mô men xoắn, Nmm

d

Đường kính trục, mm

Q

Năng suất máy ly tâm, m3/h

H


FG m  G  2  R 125,62  0,2



 321,6 N
Fg m  g
g
9,84

- Mômen xoắn khi ly tâm:

T  FRCF  R  321,6  0,2  64,3 Nm  64.323,5 Nmm
- Chọn vật liệu chế tạo trục là thép C45 [9], [] = 20 - 25 MPa:

d 3

T
64323,5
3
 23,4 mm
0.2   
0,2  25

Trong thực tế đối với trục quay, chọn hệ số an toàn K=1,5 nên:

d  23,4  1,5  35,1 mm
Để bảo đảm điều kiện bền và qui chuẩn, ta chọn đường kính trục d=40mm.
- Vận tốc quay của thùng:
V



Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
-

Bảng 2: Thông số thiết kế của máy ly tâm
Kích thước máy (Dài x Rộng x Cao),mm
800 x 575 x 1040
Đường kính thùng D, mm
400
Chiều sâu thùng, mm
450
Đường kính trục, mm
40
Khoảng cách ổ trục, mm
250
Số vòng quay trục chính, v/ph
1200
Động cơ, Kw
0,75
Năng suất máy,kg/h
12

3. ỨNG DỤNG Ổ KHÍ TĨNH VÀO MÁY LY TÂM TRỤC ĐỨNG
Các kết quả tính toán thiết kế máy ly tâm (mục 2) được sử dụng để tính toán thiết kế
ứng dụng ổ khí tĩnh thay thế ổ trục cơ.
3.1

Thiết kế ổ khí tĩnh

Quá trình thiết kế ổ đỡ cần tiến hành xác định các thông số như: hình dạng (đường kính,

47


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

a)Lỗ cấp khí đơn giản

b) Lỗ cấp có khoang khí

c) Lỗ cấp khí kết hợp

Hình 3: Phương án sử dụng lỗ cấp khí
3.1.3 Phương án thiết kế ổ chặn khí tĩnh
Ổ chặn khí tĩnh thường có 2 dạng kết cấu: dạng một lỗ cấp khí (hình 4a) và dạng nhiều
lỗ cấp khí (hình 4b) [6].

a) Ổ có trục không xuyên qua

b) Ổ có trục xuyên qua

Hình 5: Kết cấu ổ chặn khí tĩnh
Từ các phương án thiết kế ổ đỡ khí tĩnh và ổ chặn đã trình bày, ta chọn kết cấu ổ đỡ sử
dụng lỗ cấp khí kết hợp (hình 3c) và ổ chặn có trục xuyên qua (hình 4b). Thay thế ổ cơ trong
máy ly tâm đã thiết kế ta có được phương án bố trí và kết cấu ổ khí tĩnh như trình bày ở hình 5.

a) Bố trí

b) Ổ đỡ

c) Ổ chặn

d2
0,452

 3,375
4  h0 2  0,03

+ hf 

d
 h0 , hf = (0,2 -0,4) mm
4

lf

+

d

 20

3.2.2 Thông số ổ chặn
Tải hướng trục thực tế của máy ly tâm trục đứng mà ổ chặn phải chịu là 20kg, tương
đương 200N. Hệ số tải trọng CL* lớn nhất [6] khi b/a = 3,55 (hình 5c), (2a = 40 mm là đường
kính trục, 2b = 3,55 x 40 = 142 mm đường kính ngoài của ổ chặn).
Vị trí lắp lỗ cấp khí được xác định (hình 5c):

c  a  b  20  71  37,7 mm
Từ mối quan hệ giữa đường kính lỗ cấp khí và khoảng hở của ổ chặn b/a = 3,55, ta xác
định được đường kính lỗ cấp khí là d = 0,0375 inch (1,0 mm) và khoảng hở giữa hai bề mặt là
h = 0,00125 inch (0,03 mm) [6].

d = 1,0 mm
h = 0,03mm
n = 8 lỗ
Lưu lượng: Q = 24,75l/ph

- Độ cứng:

𝐾 = 1,44

𝑊
𝑁
= 2,8. 107
ℎ
𝑚

4. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
4.1

Chế tạo

Ổ đỡ khí tĩnh đảm nhận nhiệm vụ cấp dòng khí nén áp suất cao để làm lớp đệm khí giúp
cho trục không ma sát với ổ trục có kết cấu được chế tạo như ở hình 5b.
49


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Ổ chặn khí tĩnh sử dụng áp lực của dòng khí tạo nên một khoảng hở giữa ổ chặn và tấm
chặn (độ nâng) giúp chúng không tiếp xúc nhau được chế tạo theo kết cấu đã trình bày ở hình 5c.
Một mô hình thiết bị thử nghiệm dựa trên các thông số thiết kế (bảng 2, 3) đã được chế
tạo (hình 7) với các đặc điểm:

4.2.2 Thiết bị đo kiểm
Đồng hồ đo áp suất Festo với khoảng chia nhỏ nhất 0,5 bar cho phép điều chỉnh áp suất
cần thiết cung cấp cho thiết bị.
Đồng hồ so Nikken có độ chính xác 0,01mm để đo kiểm độ lệch tâm, độ nâng của ổ
đỡ, ổ chặn khí tĩnh.
Thiết bị đo tốc độ vòng quay Vimet với tốc độ đo tối đa là 7200 v/ph, độ chính xác
0,05%.
4.2.3 Quá trình thử nghiệm
Để thử nghiệm khả năng hoạt động của ổ đỡ khí tĩnh, động cơ mang trục sẽ quay với
vận tốc 1200 vòng/phút. Sử dụng đồng hồ so Nikken 1/100 bố trí như ở hình 8a, đầu dò chạm
50


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
vào bề mặt trụ ngoài. Khi trục quay ta quan sát sự thay đổi giá trị của kim đồng hồ so để đánh
giá độ lệch tâm theo phương ngang của trục, qua đó đánh giá khả năng hoạt động của ổ đỡ.
Đối với ổ chặn, cho đầu dò của đồng hồ so Nikken 1/100 chạm vào bề mặt tấm chặn
(hình 8b). Khi thiết bị hoạt động, ta quan sát sự di chuyển giá trị của kim đồng hồ để xác định
độ nâng của tấm chặn để đánh giá khả năng hoạt động của ổ chặn.
Áp suất cung cấp cho hệ thống được thay đổi từ 0,5 - 4,5 bar, bước tăng áp suất 0,5 bar.

a) Kiểm nghiệm hoạt động ổ đỡ

b) Kiểm nghiệm hoạt động ổ chặn

Hình 8: Kiểm nghiệm sự hoạt động của ổ khí tĩnh
Kết quả thử nghiệm và số liệu được trình bày ở hình 9 - biểu diễn quan hệ giữa áp suất
và độ lệch tâm theo phương ngang của ổ đỡ, độ nâng ổ chặn khí tĩnh- nhằm mô tả khả năng
hoạt động của máy ly tâm sử dụng ổ khí tĩnh.
Dữ liệu từ biểu đồ ở hình 9 cho thấy:

[1]. Y.S. Chen, C.C. Chiu, Y.D. Cheng, Influences of operational conditions and geometric
parameters on the stiffness of aerostatic journal bearings. Precision Engineering 34,
2010, pp.722-734.
[2]. Yantang Li, Han Ding, Influences of the geometrical parameters of aerostatic thrust
bearing with pocketed orifice type restrictor on its performance. Tribology International
40, 2007, pp.1120-1126.
[3]. G. L. Shires, The design of pressurized gas bearings. Tribology International, 1968,
Volume 1, Issue 4, pp. 219-229.
[4]. E.G.Ping, K.J.Stout, Designprocedures for orifice compensated gas journal bearing
based on experimental data. Tribology International, 1978, pp.63-75.
[5]. K. Cheng, W. B. Rowe, A selection strategy for the design of externally pressurized
journal bearing. Tribology International 28, 1995, pp.465-474.
[6]. J. W. Powell, The design of aerostatic bearing. The Machinary Publishing Co.Ltd., 1970.
[7]. Nguyễn Bin, Các quá trình thiết bị trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm. NXB
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
[8]. A.Ia.Sokolov, Nguyễn Trọng Thể và Nguyễn Như Thung biên dịch, Cơ sở tính toán và
thiết kế máy sản xuất thực phẩm. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1976.
[9]. John E. Bringas, Handbook of Comparative World Steel Standards, 3rd Edition. ASTM
International, 2004.
[10]. Nguyễn Minh Tuyển, Nguyễn Đình Phán, Hà Thị An, Các máy lắng lọc và ly tâm. NXB
Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1987.
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
1.

Đặng Thiện Ngôn. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, Tp. Hồ Chí
Minh, Việt Nam. Email: Điện thoại: 0913804803

2.

Ngô Ngọc Tuyền. Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam.