B GIO DC V O TO
TRNG I HC BCH KHOA H NI
--------------------------------

NGUYN THNH LONG

Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực
của máy nghiền đứng

CHUYấN NGNH: C HC VT LIU

LUN VN THC S KHOA HC
NGNH: C HC K THUT

Ngi hng dn khoa hc: GS.TS Trn ch Thnh

H NI - 2011


B GIO DC V O TO
TRNG I HC BCH KHOA H NI
--------------------------------

NGUYN THNH LONG

Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực
của máy nghiền đứng

CHUYấN NGNH: C HC VT LIU

LUN VN THC S KHOA HC

Nguyễn Thành Long


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

MC LC
M u ...................................................................................................................3
Danh mc cỏc hỡnh v, th...............................................................................5
Chng 1: Tng quan...........................................................................................7
1.1. Tng quan v mỏy nghin ng ...................................................................7
1.1.1 Nguyờn lý hot ng .............................................................................7
1.1.2.Tỡnh hỡnh nghiờn cu, ch to v ng dng mỏy nghin ng trong
cụng nghip xi mng .......................................................................................10
1.1.3.Tỡnh hỡnh ni a hoỏ mỏy nghin v cỏc ph tựng thay th ..............11
1.2. Cỏc loi gi trong mỏy nghin ng.....................................................12
1.2.1. Gi c khớ......................................................................................12
1.2.2. Gi thu lc ..................................................................................14
1.3. Tớnh toỏn la chn thụng s hỡnh hc ca gi .....................................16
1.3.1. Phõn tớch k cu gi thu lc ca mỏy nghin ng ....................16
1.3.1.1. Guc (Segment) .........................................................................17
1.3.1.2 B phn lm kớn ..............................................................................18
1.3.2.Tớnh toỏn la chn thụng s hỡnh hc cho guc ........................19
2.2.1. Phõn tớch kt cu thc t ca mỏy nghin ng 15 tn/h cú sn ......19
2.2.2. Phõn tớch v la chn kt cu cho cỏc chi tit trong gi (guc). .20
1.3.3. Xỏc nh thụng s hỡnh hc ca guc trong trng hp c th ca
ti...................................................................................................................21
1.3.4. Mụ hỡnh hoỏ gi bng phn mm thit k 3 chiu .......................27
Kt lun chng 1 .......................................................................................29
Chng 2: C s lý thuyt .................................................................................30
2.1. Trng ng sut ..........................................................................................30

3.2.4 . Tính toán kiểm nghiệm hộp giảm tốc .............................................67
3.3. Kt lun v ỏnh giỏ kt qu ....................................................................69
Kt lun chng 3 ............................................................................................70
Chng 4. Tớnh toỏn kt cu hp gim tc bng phng phỏp s ..............71
4.1. Xõy dng mụ hỡnh ...................................................................................71
4.1.1. Xõy dng mụ hỡnh ...........................................................................71
4.1.2. La chn phng phỏp tớnh ............................................................73
4.1.3 .Gii thiu phn mm ANSYS ........................................................74
4.2. Xõy dng phn t .................................................................................76
4.3.. Mụ t phn t .......................................................................................76
4.4. Cỏch xõy dng mụ hỡnh phn t hu hn trờn phn mm ANSYS ...77
4.5. Kim tra kt qu tớnh
.........................................................................81
4.6. Tớnh mt s mụ hớnh vi cỏc iu kin biờn khỏc nhau ...............84
4.7. Bỡnh lun kt qu tớnh .........................................................................88
Kt lun chng 4...............................................................................................80
Kt lun v kin nghi ......................................................................................90
Ti liu tham kho ..........................................................................................91

Nguyn Thnh Long

2

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

M U
1. Tớnh cp thit ca ti

Xõy dng mụ hỡnh tớnh cho bi toỏn tm cú gõn gia cng trờn phõn mm
ANSYS da trờn c s mụ hỡnh v hp gim tc ca ti.

3. Phng phỏp nghiờn cu

Nguyn Thnh Long

3

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

Da trờn c s cỏc nghiờn cu trc kia v gi thu lc xõy dng bi
toỏn ng dng cho mụ hỡnh thc tin ca ti. Ly c s l nhng nghiờn cu ca
Raynolds v cỏc bi toỏn v bụi trn thu lc.
Phõn tớch, ỏnh giỏ da trờn c s mụ hỡnh mỏy nghin cú sn a ra mụ
hỡnh phự hp vi nú.
4. Ni dung ca lun vn
Lun vn c xõy dng da trờn 2 ni dung chớnh l: Tớnh toỏn la chn
thụng s hỡnh hc cho guc v tớnh toỏn kim nghim cng, bn cho ton
b kt cu gi núi chung v hp gim tc núi riờng. C th ni dung ca lun
vn gm 4 chng:
-

Chng 1: Tng quan

-



Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

DANH MC CC HèNH V, ề TH
Hỡnh 1.1: Nguyờn lý nghin
Hỡnh 1.2: Nguyờn lý hot ng ca mỏy nghin ng kiu bỏnh ln
Hỡnh 1.3: Kt cu nộn bỏnh nghin ca Loesche
Hỡnh 1.4: Mụ hỡnh vnh dng con ln
Hỡnh 1.5: Cỏc dng hng ca gi dng con ln
Hỡnh 1.6: Gi thu lc theo thit k u tiờn ca Albert Kingsbury
Hỡnh 1.7: Hp gim tc KSM tớch hp vi gi thu lc ca hóng Flender
Hỡnh 1.8.: Gi thu lc
Hỡnh 1.9: Guc ch nht vi bung trũn
Hỡnh 1.10: Guc ch nht vi bung ch nht
Hỡnh 1.11: Guc vi bung cựng trũn
Hỡnh 1.12: Mụ hỡnh 3D hon chnh ca mỏy nghin
Hỡnh 1.13: Kt cu ca mõm nghin v hp s
Hỡnh 1.14: S b trớ segment
Hỡnh 1.15: Thụng s hỡnh hc ca bung to ỏp trũn
Hỡnh 1.16: S tớnh ca bung to ỏp trũn
Hỡnh 1.17: Mt s chi tit trong gi thu lc
Hỡnh 1.18: H thng gi c (nh 3D)
Hỡnh 2.1: Biu din vộc t ng sut ti mt im
Hỡnh 2.2: Quan h ng sut v bin dng
Hỡnh 2.3: So sỏnh tiờu chun Tresca vi tiờu chun Von Mises
Hỡnh 3.1. V trớ v kt cu ca cm gi thu lc
Hỡnh 4.1. V hp gim tc
Hỡnh 4.2. Mụ hỡnh tớnh
Hỡnh 4.3. Mụ hỡnh phn t shell 181
Hỡnh 4.4. Mụ hỡnh phn t solid 186


Tổng quan

1.1. Tng quan v mỏy nghin ng
1.1.1. Nguyên lý hoạt động
Máy nghiền đứng đã đợc nghiên cứu và chế tạo ngay từ những năm 20 của
thế kỷ trớc ở Mỹ rồi sau đó ở Đức. Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai nhiều hãng
lớn đã cộng tác với nhau để sản xuất những máy vừa có công suất lớn vừa có tính
năng hiện đại phục vụ cho công nghiệp sản xuất xi măng, do vậy nhiều loại máy
nghiền đứng đã xuất hiện trên thị trờng. Các máy của các hãng cũng có những đặc
trng riêng nh hãng Pfeiffer chuyên sản xuất máy nghiền kiểu MPS, hãng Loesche
chuyên sản xuất máy nghiền có bánh lăn hình côn với mâm nghiền phẳng, hãng
Polysius chuyên sản xuất máy nghiền có bánh lăn kép, hãng Mitshubishi sản xuất
máy theo nguyên lý của hãng C.E.Raymon...
Tuy có nhiều chủng loại khác nhau, song về nguyên lý máy gồm một mâm
nghiền đợc dẫn động quay quanh trục thẳng đứng. Các bánh nghiền đợc lắp phía
trên mâm quay vừa có thể quay quanh trục của mình; đồng thời vừa có khả năng
điều chỉnh khoảng cách tiếp xúc với mâm nghiền trong quá trình nghiền. Nhằm tăng
hiệu quả nghiền các bánh nghiền đợc gia tải bằng lực ép lò xo hoặc xi lanh thuỷ
khí. Tuỳ thuộc vào từng loại máy số lợng bánh lăn có thể từ 2 đến 4. Nh thế quỹ
đạo nghiền nằm trong mặt phẳng song song với mặt phẳng của mâm nghiền (xem
hình 1.1). Vật liệu nghiền đợc cấp liên tục vào khu vực nghiền nhờ bộ phận cấp
liệu từ phía trên hoặc từ thành bên của máy.
Trong quá trình nghiền các bánh lăn đợc nâng lên đến một độ cao nhất định
nhờ lực đàn hồi của lò xo hoặc nhờ xi lanh thuỷ khí. Khi mâm nghiền quay, do ma
sát với lớp vật liệu nằm giữa bánh lăn và mâm nghiền làm cho bánh lăn quay quanh
trục của nó đồng thời có sự trợt tơng đối giữa bánh lăn và mâm nghiền. Nh vậy,
vật liệu đợc nghiền đồng thời nhờ lực ép của bánh lăn (trọng lợng bánh, lực nén lò
xo hoặc xi lanh thuỷ khí) và lực miết. Vật liệu sau khi nghiền đợc đẩy ra khỏi
thành mâm nghiền nhờ lực li tâm. Dới tác động của dòng khí luôn đợc thổi qua


8

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động máy nghiền đứng kiểu báng lăn

Hình 1.3. Kết cấu nén bánh nghiền của loesche
a) Bánh nghiền lúc làm việc
b) Bánh nghiền lúc bắt đầu làm việc

Nguyn Thnh Long

9

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

1.1.2. Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng máy nghiền đứng trong công
nghiệp xi măng
Trong công nghệ nghiền xi măng, hai loại máy nghiền đợc xử dụng chủ yếu
là máy nghiền bi và máy nghiền đứng. So với máy nghiền bi, máy nghiền đứng có
rất nhiều u điểm nổi bật nh:
+ Đảm bảo độ mịn cũng nh độ đồng đều hạt cao với dải năng suất khá lớn
mà máy nghiền bi xét về mặt kinh tế rất khó đợc chấp nhận. Khi nghiền clinke

khoảng 20% thì đến năm 1971 con số này đã lên đến 20% còn hiện nay hầu hết các
nhà máy mới đợc lắp đặt đều dùng máy nghiền đứng cho các công đoạn nghiền khi
sản xuất xi măng. Xét về mặt năng suất máy nghiền đứng tỏ ra rất thích hợp với việc
sản xuất xi măng vì một mặt nó đáp ứng đợc năng suất rất lớn, mặt khác lợng vật
Nguyn Thnh Long

10

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

liệu nghiền chứa trong mâm nghiền thông thờng chỉ chiếm khoảng 5% năng suất
nghiền, điều này có ý nghĩa rất lớn trong sản xuất nhất là trong các trờng hợp cần
điều chỉnh tự động năng suất cũng nh chất lợng sản phẩm. Chính vì lý do này mà
xu thế nâng cao năng suất của máy nghiền đứng đã thể hiện quá rõ trong những năm
vừa qua. Nếu năm 1955 năng suất máy nghiền đứng mới chỉ đạt đợc 32 t/h thì đến
năm 1970 đã lên đến 250 t/h, nghĩa là cứ sau 5 năm năng suất lại đợc tăng lên gấp
đôi. Hiện nay năng suất của máy nghiền đứng đã vợt xa năng suất của máy nghiền
bi và đạt đến trên 750 t/h và có thể nói trong tơng lai máy nghiền đứng sẽ thay thế
máy nghiền bi trong công nghiệp xi măng.
Nhận thức đợc điều này trong những năm vừa qua nhiều hãng lớn trên thế
giới nh Loesche, Pfeiffer, LV, Kopper, Polysius, Hosokawa, Mitsubishi Heavy
Indutries, Kurimoto... đã đa ra thị trờng rất nhiều loại máy nghiền đứng có kết cấu
và năng suất khác nhau đáp ứng đợc hầu nh tất cả các yêu cầu cả về nghiền liệu
lẫn nghiền clanke trong công nghiệp xi măng với dải năng suất từ 5 t/h đến 800 t/h.
Để có một cách nhìn tổng quan dới đây chỉ xin nêu khái quát về một số loại máy
thờng gặp hoặc đã nhập hoặc đã đợc chào hàng cho công tác nghiền than, nghiền
liệu và nghiền clinke ở các nhà máy sản xuất xi măng đã và đang xây dựng ở nớc

do ú vi cỏc mỏy nghin ng co nng sut cao hn, ỏp lc ny s t ti hng
ngn tn. Trong quỏ trỡnh thc hin ti KC.05.22, Vin Cụng Ngh ó th t
hng cm gi thu lc t mt s hóng nc ngoi nhng khụng thnh cụng. Lý
do l cỏc hóng ch to gi thu lc thng cú hp ng c quyn vi cỏc hóng ch
to hụp gim tc c chng dựng cho mỏy nghin ng nờn khụng bỏn cho khỏch
hng l. Mt khỏc giỏ ca cm thit b ny rt cao, bỏo giỏ t Trung Quc cho hp
gim tc tớch hp gi thu lc (xut s Thy S) dựng cho mỏy nghin ng
nng sut 15T/h cú giỏ 150.000 EUR (giỏ nm 2004). Giỏ ny chim ti hn 70%
kinh phớ cho ti KC.05.22. Vỡ lý do ú nờn sn phm mỏy nghin ng ca
ti c thay th cm gi thu lc bng gi con ln. Trong quỏ trỡnh lm vic
t nm 2006 n nay, gi con ln cng ó phỏt huy c nhng u im, song
lm vic n v mũn khụng u, dn ti mỏy lm vic khụng n nh.
1.2. Cỏc loi gi trong mỏy nghin ng
1.2.1. Gi c khớ
L loi gi ra i cựng vi s phỏt trin ca ngnh c khớ ch to mỏy. Gi
hin nay ch yu cỏc dng nh bi, bc, con ln. Cỏc loi ny thng dựng
trong cỏc kt cu mỏy thụng thng. Loi gi c s dng nhiu v ph bin l
cỏc bi. Loi ny c tiờu chun hoỏ v c sn xut hng lot bi cỏc nh
cung cp ni tiờng nh: SKF - Thu in, Nachi - Nht Bn, FAG - c
Trong cỏc loi gi núi trờn hu ht c s dng dng gi vi cỏc ti trng t
nh n ln. Trng hp dựng cho nhng thit b siờu trng, siờu trng nh cỏc
Nguyn Thnh Long

12

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng


biệt của GS. Robert H. Thurston - ĐH Conrnell Hoa Kỳ ( The Book: Friction and
Lost Work in Machinery and Millwork 1885). Năm 1886, GS. O. Reynolds (ĐH
Manchester Anh) đã đặt dấu mốc quan trọng trong việc giải thích các thực nghiệm
liên quan tới gối đỡ thuỷ lực bôi trơn màng dầu của B. Tower qua phơng trình
Reynolds nổi tiếng có thể coi nh xuất phát điểm cho hầu hết các nghiên cứu khoa
học về ma sát và bôi trơn các bề mặt (Tribology) của hơn 100 năm kế tiếp.
Hoạt động của gối đỡ thuỷ lực dựa trên cơ sở hình thành một màng dầu giữa hai
bề mặt chuyển động tơng đối với nhau. Tuỳ thuộc vào cách thức hình thành màng
dầu. Gối đỡ thuỷ lực đợc chia thành hai loại: Gối thuỷ động và gối thuỷ tĩnh.
Trờng hợp gối đỡ thuỷ động, màng dầu chỉ đợc tạo thành khi có quá trình
chuyển động tơng đối giữa phần tĩnh và phần động (màng dầu có dạng hình nêm).
Nh vậy khi khởi động hoặc khi dừng máy, hai bề mặt của gối đỡ (phần tĩnh và
đọng) sẽ có một phần nào đó trợt trên nhau trong tình trạng ma sát khô hoặc nửa
khô, do vậy đây là khoảng thời gian hay xảy ra sự cố đối với gối đỡ thuỷ động nếu
các thông số của màng dầu không đợc kiểm soát chặt chẽ và quy trình vận hành
không đợc đảm bảo nghiêm ngặt. Chính vì vậy tuy có u điểm là tiêu thụ năng
lợng trong hoặc động nhỏ, nhng gối đỡ thuỷ động đòi hỏi yêu cầu về kỹ thuật chế
tạo, về chế độ điều khiển cũng nh vận hành thực tế rất khắt khe.
Trờng hợp gối đỡ thuỷ tĩnh, màng dầu đợc hình thành khi dầu đợc bơm
cỡng bức và liên tục vào giữa hai bề mặt của gối đỡ trớc khi khởi động, trong quá
trình làm việc vào cho đến khi máy dừng hẳn, nên hai bề mặt của gối đợ chuyển
động hầu nh song song nhau trong quá trình làm việc. Màng dầu này khá mỏng
(nhỏ hơn 1mm) nhng do đợc duy trì áp lực thích hợp nên luôn ổn định trong quá
trình làm việc của gối đỡ. Nh vậy so với gối thuỷ động, gối thuỷ tĩnh tiêu thụ năng
lợng nhiều hơn trong qua trình làm việc, nhng làm việc ổn định hơn rất nhiều.
Nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động luôn ổn định và không xảy ra sự cố trong quá
trình hoạt động, cần sử dụng hệ thống nhiều bơm dầu (3-4 bơm) phân bố chéo nhau

Nguyn Thnh Long


Nguyn Thnh Long

15

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

Hình 1.7. Hộp giảm tốc KMS tích hợp gối đỡ thủy lực của hãng Flender
1.3: Tính toán, lựa chọn thông số hình học của gối đỡ
1.3.1. Phõn tớch k cu gi thu lc ca mỏy nghin ng
Gi thy lc l mt trong nhng b phn quan trng nht ca mỏy nghin
ng. Cm gi thu lc c cu thnh t nhiu chi tit khỏc nhau.
Gối thuỷ lực gồm 3 cụm chính:
-

Cụm đế liên kết với bộ phần cố định của máy (cụ thể trong đề tài là
vành liên kết với vỏ hộp giảm tốc của máy nghiền)

-

Cụm quay liên kết với bộ phận quay của máy (cụ thể trong đề tài là
vành liên kết với cốc đỡ mâm nghiền)

-

Guốc gối đỡ.

-


Xa

Hỡnh 1.9. Guc ch nht vi bung trũn
- Guc ch nht vi hỡnh ch nht

Nguyn Thnh Long

17

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

2

L1

y
b1
Y

L2

1

x
b2
X

loại gioăng, vòng bít sẽ bị biến dạng, bị mài mòn... do đó mất tác dụng làm kín, bụi
bẩn sẽ thâm nhập vào ổ trục gây h hỏng, thậm chí bản thân chúng còn trở thành tác

Nguyn Thnh Long

18

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

nhân gây phá huỷ ổ trục. Để tăng hiệu quả làm kín cũng nh tăng độ an toàn cho ổ
khi làm việc trong môi trờng nóng, bụi, chịu tải trọng lớn.
Bộ phận làm kín đề tài chọn là vành làm kín Labirin có kết cấu nh hình 3.1.
Đây là kết cấu phổ biến hiện nay. Vành là kết cấu dạng tròn, bên ngoài là các vành
tròn đồng tâm và cách nhau một khoảng cách phù hợp với kết cấu của vành lắp bên
dới.
1.3.2. Tớnh toỏn la chn thụng s hỡnh hc cho guc
1.3.2.1. Phõn tớch kt cu thc t ca mỏy nghin ng 15 tn/h cú sn
Mỏy nghin ng trong ti KC05-22 l loi mỏy nghin nng sut trung bỡnh
nh, õy cng l sn phm u tiờn c ch to v th nghim thnh cụng trong
nc. Cng nh cỏc loi mỏy nghin hin nay trờn th gii, mỏy nghin ny v c
bn tng t nh cỏc mỏy nghin m chỳng ta gp cỏc nh mỏy xi mng. Kớch
thc ca mỏy nghin 4mx4mx9m, chiu cao tng ng vi tũ nh 3 tng, mụ
hỡnh mỏy nghin nh hỡnh 3.5.
Cỏc b phn ch yu ca mỏy nghin nh:
1. B phn truyn ng (ng c v hp s).
2. V mỏy, khung .
3. H thng phõn ly.

Nguyn Thnh Long

20

CHKT 2008-2010


Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho gối đỡ thuỷ lực của máy nghiền đứng

vn ma sỏt gia cỏc b mt. mỏy nghin thc t ca ti. Mõm nghin cú
kớch thc lp rp vi gi cú ng kớnh l 1400mm. Kớch thc ny c chn
lm c s thit k gi cng nh cỏc guc.

Hỡnh 1.13. Kt cu ca mõm nghin v hp s
Ton b b mt ca vựng to mng du bụi trn c chia thnh tng mng nh
ri nhau segment. Mi mt segment c cp du c lp v nh th cú th tớnh
toỏn riờng. Kh nng mang ti, tng lu lng, tng cụng sut y du ca ton b
gi bng tng ca tt c cỏc segment. Bung to ỏp trờn tng segment ca gi
thy tnh thng cú hai dng l bung trũn ) v bung ng dng vi biờn ngoi
(na di hỡnh 2.7b).

Nguyn Thnh Long

21

CHKT 2008-2010