- NGUYỄN THÀNH TRUNG CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BƠM ROOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ KHOÁ 2014B Hà Nội – 2015 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - NGUYỄN THÀNH TRUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BƠM ROOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. - Sau thời gian học tập, nghiên cứu tại trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo, đặc biệt là TS. - Tôi xin cam đoan các nội dung được trình bày trong luận văn này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi, không có sự sao chép hay copy của bất cứ tác giả nào. - IX MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BƠM ROOT GIỚI THIỆU VỀ BƠM ROOT NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO Nguyên lý hoạt động Cấu tạo ƯU ĐIỂM CỦA BƠM ROOT CÁC ỨNG DỤNG CỦA BƠM ROOT MỘT SỐ HÃNG CHẾ TẠO BƠM ROOT TRONG CÔNG NGHIỆP Hãng Wright Flow Technologies (USA Hãng ipp Pump Products GmbH (Germany Hãng Viking Pump (USA MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ THẾ GIỚI VỀ BƠM ROOT .18 1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG I CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC BƠM ROOT KIỂU XYCLÔÍT THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG HYPÔXYCLÔÍT THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG EPIXICLÔÍT THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH BIÊN DẠNG CÁNH BƠM XÁC ĐỊNH CÁC BIỂU THỨC TÍNH TOÁN THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC CỦA BƠM Bơm Root 2 cánh (Z Bơm Root 3 cánh (Z Bơm Root 4 cánh (Z Bơm Root 5 cánh (Z Bơm Root Z răng PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG..34 2.5.1 Sơ đồ thuật toán thiết kế biên dạng Phần mềm mô phỏng động học và nguyên lý hoạt động KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC BƠM ROOT KIỂU MỚI THEO NGUYÊN LÝ BÁNH RĂNG KHÔNG TRÒN ĐẶT VẤN ĐỀ ĐỊNH NGHĨA VÀ TÍNH CHẤT ĐƯỜNG ELIP iv 3.2.1 Định nghĩa đường Elip Phương trình đường Elip trong hệ tọa độ đề-các Phương trình đường Elip trong hệ tọa độ cực Tính chất đường Elip THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LĂN Tính toán tổng quát đường lăn bánh răng không tròn Tính toán đường lăn cho bánh răng Elíp Tính toán đường lăn cho cặp bánh răng lôbe MỘT SỐ VÍ DỤ ÁP DỤNG KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG BƠM ROOT KIỂU BIÊN DẠNG XYCLÔÍT PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM 2 RĂNG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM 3 RĂNG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM 4 RĂNG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM 5 RĂNG TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM VỚI TRƯỜNG HỢP TỔNG QUÁT VÍ DỤ ÁP DỤNG Tính toán các trường hợp cụ thể Đường đặc tính lưu lượng bơm KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM ROOT LOẠI 2 RĂNG KẾT CẤU CỦA BƠM TÍNH TOÁN MOMENT TÁC DỤNG LÊN TRỤC TÍNH TOÁN BÁNH RĂNG TÍNH TOÁN TRỤC TÍNH CHỌN Ổ LĂN KẾT LUẬN CHƯƠNG KẾT LUẬN PHỤ LỤC 1: BẢN VẼ THIẾT KẾ PHỤ LỤC 2: SẢN PHẨM CHẾ TẠO PHỤ LỤC 3: MÃ CODE CHƯƠNG TRÌNH vDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa 1{O1x1y1. - hệ quy chiếu gắn trên bánh răng Hypôxyclôít, Epixyclôít 3{O3x3y3. - góc quay giữa của hệ quy chiếu 2 so với hệ quy chiếu 1 (là góc quay của đĩa con lăn so với bánh răng Hypôxyclôít, Epixyclôít. - góc quay giữa hệ 1 và 3 E : độ lệch tâm giữa 2 tâm tích 2và 1, E= r1 – r2 T : là điểm thuộc tâm tích bánh răng tại thời điểm ban đầu tiếp xúc TS : là điểm thuộc tâm tích sinh tại thời điểm ban đầu tiếp xúc P : là điểm tiếp xúc giữa hai tâm tích tại thời điểm t bất kỳ Z : là số răng của canhw bơm r : là bán kính tâm tích sinh R : là bán kính tâm tích bánh răng a : là khoảng cách giữa 2 trục bơm Rv : là bán kính khoang bơm d : là độ dày cánh bơm Si : là diện tích một khoang hút (i = 1, 2, 3. - ứng với số răng của cánh bơm) Qi : là lưu lượng của bơm sau mỗi vòng quay (i = 1, 2, 3. - ứng với số răng của cánh bơm) Qit : là lưu lượng của bơm sau thời gian t phút (i = 1, 2, 3. - ứng với số răng của cánh bơm) Qitt : là lưu lượng tức thời của bơm (i = 1, 2, 3. - ứng với số răng của cánh bơm) Từ viết tắt Nội dung, ý nghĩa TL : bơm trục-vít lệch tâm vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ STT Nội dung TrangHình 1.1 Bơm Root TLP Series - Johnson Pump 5 Hình 1.2 Các vị trí của cánh bơm trong quá trình trục 6 Hình 1.3 Cấu tạo bơm Root 7 Hình 1.4 So sánh kích thước của bơm Root và bơm trục vít lệch tâm 9 Hình 1.5 Đồ thị liên hệ chiều dài và lưu lượng của bơm Root và bơm TL [3] 9 Hình 1.6 Đồ thị liên hệ giữa hiệu suất và dung tích của bơm Root và bơm TL [3] 10 Hình 1.7 Đồ thị nhiệt độ đo được trong thời gian làm việc [3] 11 Hình 1.8 Xe phun phân bón hữu cơ di động [4] 12 Hình 1.9 Hệ thống làm sạch chất thải trong bể dự trữ [4] 12 Hình 1.10 Bơm Root trong dây chuyền sản xuất đồ ăn đóng hộp [4] 13 Hình 1.11 Một trạm trong dây chuyền sản xuất nước ép trái cây [4] 13 Hình 1.12 Dòng sản phẩm Revolution - Wright Flow Technologies [5] 14 Hình 1.13 Sản phẩm bơm Root của ipp Pump Products GmbH [6] 16 Hình 1.14 Sản phẩm bơm Root RL Series 9 [2] 18 Hình 1.15 Bơm DRYMAC PDR-090CH sử dụng trong quá trình LP-CVD SI-N [7] 19 Hình 1.16 Sự khác nhau biên dạng giữa hai phương pháp thiết kế mới và truyền thống 20 Hình 1.17 Biên dạng cánh bơm với mới [9] 21 Hình 1.18 Các khe hở trong bơm Root cánh xoắn [10] 21 Hình 2.1 Các biên dạng cánh bơm Root được sử dụng phổ biến 23 Hình 2.2 Đặt hệ quy chiếu thiết lập phương trình đường Hypôxyclôít 24 Hình 2.3 Ví dụ về đường Hypôxyclôít được thành lập trên Matlab 25 Hình 2.4 Đặt hệ quy chiếu thiết lập phương trình đường Epixyclôít 26 Hình 2.5 Ví dụ về đường Epixyclôít được thành lập trên Matlab 27 viiHình 2.6 Biên dạng cánh bơm 28 Hình 2.7 Bơm Root 2 cánh 30 Hình 2.8 Bơm Root 3 cánh 31 Hình 2.9 Bơm Root 4 cánh 32 Hình 2.10 Bơm Root 5 cánh 33 Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán tính toán và vẽ biên dạng cánh bơm cùng các thông số động học các thông số động học 35 Hình 2.12 Giao diện phần mềm mô phỏng 36 Hình 2.13 Các chức năng của vùng nhập dữ liệu đầu vào 37 Hình 2.14 Màn hình kết quả tính toán của chức năng FLOWRATE ALREADY KNEW 38 Hình 2.15 Màn hình kết quả tính toán của chức năng RADIUS OF ROLLING CIRCLE 39 Hình 3.1 Phương pháp chép hình chế tạo bánh răng không tròn 42 Hình 3.2 Chế tạo bánh răng không trong bằng ứng dụng ăn khớp bánh vít không tròn và trục vít 43 Hình 3.3 Minh họa chế tạo bánh răng Elip 1 và 2 bởi thanh răng sinh 3 44 Hình 3.4 Chuyển động tương đối của thanh răng sinh và bánh răng Elip 45 Hình 3.5 Định nghĩa đường Elip 46 Hình 3.6 Hệ tọa độ cực 47 Hình 3.7 Tính chất đường Elip 49 Hình 3.8 Đường lăn không tròn 50 Hình 3.9 Đường lăn Elip 51 Hình 3.10 Cặp bánh răng Lobe 54 Hình 4.1 Các thông số hình học của bơm Root 57 Hình 4.2 Mặt cắt thể hiện tiết diện S 58 Hình 4.3 Các miền diện tích Hypôxyclôít và Epyxyclôít 59 Hình 4.4 Mặt cắt thể hiện diện tích S2 của bơm 2 răng 60 viii Hình 4.5 Mặt cắt thể hiện diện tích S3 của bơm 3 răng 62 Hình 4.6 Mặt cắt thể hiện diện tích S4 của bơm 4 răng 65 Hình 4.7 Mặt cắt thể hiện diện tích S5 của bơm 5 răng 69 Hình 4.8 Mặt cắt thể hiện tiết diện S 73 Hình 4.9 Thông số hình học quy ước của bơm Root 75 Hình 4.10 Đường đặc tính của lưu lượng lý thuyết Qlt theo tốc độ quay của bơm Root 78 Hình 5.1 Kết cấu của bơm 79 Hình 5.2 Lực phân bố tác dụng lên cánh bơm và thành bơm 80 Hình 5.3 Lực phân bố tác dụng lên cánh bơm 81 Hình 5.4 Chu vi biên dạng cánh bơm Root đo bằng phần mềm 82 Hình 5.5 Moment tác dụng lên cánh bơm 82 Hình 5.6 Đo tọa độ trọng tâm nửa cánh bơm bằng AutoCAD 83 Hình 5.7 Sơ đồ kết cấu trục và các lực đặt lên trục 91 Hình 5.8 Biểu đồ moment tác dụng lên trục 92 Hình 5.9 Kết cấu trục 95 Hình 5.10 Sơ đồ lực tác dụng kên ổ lăn 95 Hình 6.1 Ảnh chụp bơm Root sau khi chế tạo 99 ix DANH MỤC CÁC BẢNG STT Nội dung Trang Bảng 1.1 Thông số kĩ thuật dòng sản phẩm Revolution 15 Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của dòng sản phẩm “The strong one” 16 Bảng 1.3 Thông số kĩ thuật bơm Root RL Series 18 Bảng 2.1 Bộ thông số động học của bơm Root 34 Bảng 3.1 Sơ đồ và các thông số của một số loại bơm 55 Bảng 4.1 Thông số kích thước hình học của một số loại bơm Root được được dùng phổ biến trong công nghiệp 74 Bảng 4.2 Thống kê thông số hình học của bơm Root 75 Bảng 4.3 Các ví dụ cụ thể tính toán các thông số hình học của bơm Root 76 Bảng 5.1 Các thông số hình học của bộ truyền bánh răng 85 1 MỞ ĐẦU I ĐẶT VẤN ĐỀ Bơm Root đã được giới thiệu trong các tài liệu nguyên lý máy của Nga từ những năm 1960, ở Việt Nam trong những năm 1970 và nhiều tài liệu về các loại bơm thủy lực thể tích. - Mặc dù loại bơm này được sử dụng rất nhiều thiết bị, dây truyền sản xuất nhưng khi phát sinh sự cố hỏng hóc đặc biệt là mòn cánh bơm trong quá trình vận hành đều thay thế bằng các thiết bị ngoại nhập. - Các cơ sở trong nước vẫn chưa sản xuất cũng như sửa chữa thay thế được vì một phần do tài liệu kỹ thuật về loại bơm này còn hạn chế, một phần do biên dạng cánh bơm là họ đường cong xyclôít phức tạp, khó gia công. - Mặt khác do đặc điểm ăn khớp dẫn đến loại bơm này đòi hỏi độ chính xác gia công cao chính vì vậy mà loại bơm này Việt Nam chưa sản xuất được trong giai đoạn từ năm 1970 đến nay. - Tuy nhiên, ngày nay với sự phát triển như vũ bão của công nghệ vật liệu, công nghệ gia công CNC có độ chính xác cao thì loại bơm này hoàn toàn có thể sản xuấtt tại Việt Nam. - Về mặt ưu điểm thì loại bơm này có những mặt vượt trội hơn một số loại bơm thủy lực khác trong một số ứng dụng (vấn đề này được trình bày trong mục 1.3 của chương 1của luận văn). - Nguyễn Hồng Thái em đã chọn được đề tài: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BƠM ROOT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP” với mục đích góp một phần nhỏ bé của mình trong việc nghiên cứu phát triển loại bơm này ở Việt Nam. - II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU + Tìm hiểu, tổng hợp, biên tập tài liệu kĩ thuật, theo một hướng chuyên sâu về bơm Root từ các tài liệu trong nước và quốc tế và các công trình công bố quốc tế mới về bơm Root. - Thiết lập các biểu thức thiết kế theo lưu lượng cho trước. - 2 + Xác định toàn bộ các thông số kích thước hình thành nên bơm Root theo lưu lượng cho trước. - Ứng dụng lý thuyết bánh răng tròn thiết kế bơm Root kiểm mới. - Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm ở bước đầu để chứng minh về mặt động học. - III PHẠM VI NGHIÊN CỨU Phạm vi nghiên cứu của luận văn gồm các vấn đề sau. - Động học, thiết lập phương trình biên dạng cánh bơm. - Tính toán lưu lượng lý thuyết và thiết lập biểu thức tính toán thông số hình học của bơm theo lưu lượng cho trước. - Tính toán thiết kế và chế tạo thực nghiệm loại bơm cỡ nhỏ để chứng minh lý thuyết và nguyên lý hoạt động của bơm. - IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN 4.1 Ý nghĩa khoa học + Các kết quả của luận văn là cơ sở để tiếp tục các nghiên cứu sâu hơn về loại bơm này. - Kết quả phần mềm được viết có thể được ứng dụng trong thiết kế cũng như giảng dạy môn học nguyên lý máy và máy thủy lực. - Thiết lập được các công thức xác định bộ thông số kích thước thiết kế theo lưu lượng cho trước. - 4.2 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn Các kết quả của luận văn có thể làm tài liệu tham khảo cho quá trình thiết kế, chế tạo các loại bơm Root, cũng như sửa chữa, bảo dưỡng các loại bơm này cụ thể. - Khôi phục lại cánh bơm và toàn bộ thông số khi biết khoảng cách trục. - Thiết kế được bơm mới khi biết thông số công nghệ áp suất và lưu lượng. - 3 V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Luận văn được nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết bánh răng, đặc biệt là các bánh răng xyclôít ăn khớp ngoài. - Trên cơ sở đó tiến hành thiết lập phương trình biên dạng và các biểu thức tính toán lưu lượng và thiết kế bơm. - Để chứng minh cho lý thuyết đã thiết lập luận văn đã lập trình mô phỏng kiểm nghiệm nguyên lý và chế tạo thực nghiệm để chứng minh. - và cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan về bơm Root Chương này, trình bày tổng quan về bơm Root như nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm cũng như các ứng dụng của bơm Root trong công nghiệp. - Ngoài ra còn đề cập đến các thông số kỹ thuật của một số sản phẩm thương mại của các hãng nổi tiếng trên thế giới. - Trên cơ sở đó lựa chọn đối tượng nghiên cứu của luận văn. - Chương 2: Thiết kế động học bơm Root kiểu xyclôít Chương này, trình bày các phương trình biên dạng cánh bơm từ đó đưa đến phương trình tổng quát cho loại bơm Root thông thường có phần đỉnh răng là đường epixiclôít và chân răng là đường hypôxyclôít. - Chương 3: Thiết kế động học bơm Root kiểu mới theo nguyên lý bánh răng không tròn Trong chương này, trình bày phương pháp tổng hợp biên dạng răng trên cơ sở lý thuyết ăn khớp của cặp bánh răng không tròn để thiết kế biên dạng cánh bơm. - 4 Chương 4: Tính toán lưu lượng bơm Root kiểu biên dạng xyclôít Trong chương này, trình bày phương pháp tính diện tích khoang hút của bơm bằng phương pháp tích phân từ đó tính được lưu lượng tổng quát của các loại bơm với cánh bơm có số răng khác nhau. - Từ những lập luận đó áp dụng tính toán lưu lượng cho các loại bơm Root thông dụng có răng. - Đặc biệt, rút ra được mối liên hệ của các thông số hình học của bơm theo lưu lượng Q cho trước và đồ thị thể hiện đường đặc tính của lưu lượng Q theo số vòng quay n. - Chương 5: Tính toán thiết kế loại bơm Root loại 2 răng Trên cơ sở lý thuyết và các tính toán ở chương 2 và chương 3, chương này đã đưa ra được kết cấu của bơm. - Đồng thời, với việc áp dụng các lý thuyết tính toán về chi tiết máy và sức bền để tính toán, thiết kế được các chi tiết cấu thành bơm một cách chi tiết, chính xác đảm bảo các yêu cầu đề ra của đề tài. - 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BƠM ROOT 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BƠM ROOT Bơm bánh răng là loại bơm phổ biến làm việc dựa trên nguyên lý ăn khớp của hai bánh răng, đây là loại bơm được sử dụng rộng rãi vì những ưu điểm vượt trội của nó. - Nổi bật và phổ biến nhất trong họ bơm bánh răng Xyclôít là bơm Root. - Bơm Root (hay còn gọi là bơm Lobe) là một loại bơm bánh răng ăn khớp ngoài, với biên dạng là các đường Epixyclôít và Hypôxyclôít đã được biết đến từ lâu. - Loại bơm này mới được phát triển mạnh mẽ ở các nước có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Anh, Hàn Quốc, Nhật Bản, Đức v.v. - do đòi hỏi độ chính xác gia công cao vì có biên dạng phức tạp. - Gần đây loại bơm này được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp giấy, hóa học, thực phẩm, nước giải khát, ngành công nghiệp sản xuất dược phẩm, công nghệ sinh học v.v. - với ưu điểm là công suất lớn, khối lượng nhỏ, kích thước tương đối gọn, loại bơm này thường được dùng làm máy hút chân không, máy sục khí dùng trong nuôi trông thủy sản hay thủy lực trong các dây chuyền sản xuất. - Hình 1.1 Bơm Root TLP Series – Johnson Pump [1]
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt