Tổng quan nghiên cứu
Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao là thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong chế biến thực phẩm và hóa chất, với năng suất và độ chính xác cao. Tại Việt Nam, các máy ly tâm trục đứng phổ biến hiện nay thường sử dụng ổ cơ truyền thống, tuy nhiên gặp phải nhiều hạn chế như rung động mạnh, ma sát lớn, tiếng ồn và tuổi thọ thấp khi hoạt động ở tốc độ cao. Theo ước tính, các máy ly tâm trục đứng tốc độ cao có số vòng quay từ 5.000 đến 45.000 vòng/phút, nhưng các ổ cơ truyền thống chỉ phù hợp với tốc độ thấp hơn 1.200 vòng/phút, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của máy.
Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu mô phỏng và xác định các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm trục đứng tốc độ cao, nhằm thay thế ổ cơ truyền thống. Mục tiêu cụ thể là thiết kế, chế tạo mô hình máy ly tâm trục đứng tốc độ cao sử dụng ổ khí tĩnh, khảo nghiệm thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số như số vòng quay, áp suất khí đến độ lệch tâm và độ nâng của ổ khí. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào máy ly tâm trục đứng tốc độ cao công suất 25 kg/h, với các thí nghiệm được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2017.
Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc đề xuất kết cấu ổ khí tĩnh phù hợp cho máy ly tâm tốc độ cao, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn lớn khi giúp nâng cao hiệu suất, giảm ma sát và rung động, tăng độ chính xác truyền động, góp phần giảm chi phí bảo trì và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm cơ khí trong nước.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:
Lý thuyết máy ly tâm trục đứng tốc độ cao: Bao gồm nguyên lý ly tâm, phân loại máy ly tâm theo yếu tố phân ly, công dụng, phương pháp tháo bã và cấu tạo chỗ tựa. Máy ly tâm trục đứng tốc độ cao có số vòng quay từ 5.000 đến 45.000 vòng/phút, yêu cầu độ lệch tâm nhỏ và độ ổn định cao.
Lý thuyết ổ khí tĩnh: Ổ khí tĩnh là loại ổ trượt không tiếp xúc, sử dụng màng khí mỏng được cấp từ nguồn khí nén áp suất cao để nâng đỡ trục quay, giảm ma sát và rung động. Các thông số quan trọng gồm áp suất khí, lưu lượng khí, khe hở giữa trục và ổ, đường kính và vị trí lỗ cấp khí. Ổ khí tĩnh có ưu điểm hoạt động ổn định ở tốc độ cao, độ cứng vững cao và tuổi thọ lâu dài.
Mô hình mô phỏng và tính toán thiết kế ổ khí tĩnh: Sử dụng các phương trình dòng chảy khí qua các rãnh và lỗ nhỏ, phân bố áp suất trong ổ khí, mối quan hệ giữa áp suất, số vòng quay và độ lệch tâm, độ nâng của ổ khí. Các công thức được xác định qua mô hình thực nghiệm và mô phỏng bằng phần mềm chuyên dụng.
Các khái niệm chính bao gồm: độ lệch tâm (e), độ nâng (h), áp suất khí (P), số vòng quay (n), khe hở ổ khí, và lưu lượng khí.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô hình máy ly tâm trục đứng tốc độ cao công suất 25 kg/h được thiết kế và chế tạo tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Dữ liệu thực nghiệm gồm các thông số áp suất khí, số vòng quay, độ lệch tâm và độ nâng ổ khí.
Phương pháp phân tích: Kết hợp phương pháp mô phỏng kỹ thuật số và thực nghiệm. Phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm tính toán để mô phỏng dòng khí và phân bố áp suất trong ổ khí tĩnh. Phương pháp thực nghiệm tiến hành khảo nghiệm không tải và có tải, đo đạc các thông số vận hành bằng thiết bị chuyên dụng như đồng hồ đo số vòng quay, cảm biến áp suất và thiết bị đo độ lệch tâm.
Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình máy ly tâm được chế tạo với kích thước và công suất tiêu chuẩn 25 kg/h, đại diện cho các máy ly tâm trục đứng tốc độ cao phổ biến trong công nghiệp Việt Nam. Các thí nghiệm được thực hiện nhiều lần với các mức biến thiên của áp suất khí từ 3 đến 6 bar và số vòng quay từ 3.000 đến 6.000 vòng/phút để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.
Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 5/2015 đến tháng 10/2017, bao gồm các giai đoạn thiết kế, chế tạo mô hình, khảo nghiệm thực nghiệm và phân tích kết quả.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Ảnh hưởng của số vòng quay và áp suất khí đến độ lệch tâm (e): Kết quả thực nghiệm cho thấy độ lệch tâm e (mm) tăng theo bình phương số vòng quay n (v/p) và phụ thuộc vào áp suất khí P (bar) theo phương trình: $$ e = 0.69442 \times 10^{-10} \times n^2 $$ Ở số vòng quay 5.000 v/p và áp suất khí 4,7 bar, độ lệch tâm đạt khoảng 0,0326 mm.
Ảnh hưởng của số vòng quay và áp suất khí đến độ nâng (h): Độ nâng h (mm) cũng tăng theo bình phương số vòng quay n, được biểu diễn qua phương trình: $$ h = 0.1069 \times 10^{-10} \times n^2 $$ Tại cùng điều kiện vận hành, độ nâng h đạt khoảng 0,0335 mm.
Chế độ hoạt động hợp lý của máy ly tâm sử dụng ổ khí tĩnh: Qua khảo nghiệm, chế độ vận hành tối ưu được xác định là số vòng quay 5.000 v/p, áp suất khí đỡ 4,7 bar và áp suất khí chặn 5 bar, đảm bảo độ lệch tâm và độ nâng trong giới hạn cho phép, giúp giảm rung động và ma sát.
So sánh với ổ cơ truyền thống: Ổ khí tĩnh cho thấy khả năng giảm ma sát và rung động đáng kể so với ổ cơ, đồng thời cho phép máy hoạt động ổn định ở tốc độ cao hơn gấp nhiều lần (từ 1.200 v/p lên 5.000 v/p), nâng cao hiệu suất và độ chính xác truyền động.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do ổ khí tĩnh không có tiếp xúc vật lý giữa trục và ổ, giảm ma sát và rung động phát sinh. Áp suất khí và số vòng quay là hai yếu tố quyết định đến độ lệch tâm và độ nâng của ổ khí, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của máy ly tâm. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy mối quan hệ bình phương giữa số vòng quay và các thông số này, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ổ khí tĩnh.
So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng ổ khí tĩnh trong máy ly tâm trục đứng tốc độ cao công suất nhỏ, phù hợp với điều kiện sản xuất cơ khí tại Việt Nam. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa số vòng quay, áp suất khí với độ lệch tâm và độ nâng, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các thông số.
Việc xác định chế độ vận hành hợp lý giúp giảm thiểu rung động và tăng tuổi thọ máy, đồng thời giảm chi phí bảo trì so với ổ cơ truyền thống. Tuy nhiên, nhược điểm của ổ khí tĩnh là cần hệ thống cung cấp khí nén áp suất cao và đường dẫn khí phức tạp, đòi hỏi đầu tư ban đầu và bảo trì hệ thống khí.
Đề xuất và khuyến nghị
Áp dụng ổ khí tĩnh trong máy ly tâm trục đứng tốc độ cao công suất nhỏ: Khuyến nghị các cơ sở sản xuất và doanh nghiệp cơ khí nghiên cứu, đầu tư chế tạo và lắp đặt ổ khí tĩnh cho máy ly tâm công suất khoảng 25 kg/h nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị trong vòng 1-2 năm tới.
Tối ưu hóa áp suất khí và số vòng quay vận hành: Đề xuất vận hành máy ly tâm ở số vòng quay 5.000 v/p, áp suất khí đỡ 4,7 bar và áp suất khí chặn 5 bar để đảm bảo độ lệch tâm và độ nâng ổ khí trong giới hạn an toàn, giảm rung động và ma sát, nâng cao độ chính xác truyền động.
Phát triển hệ thống cung cấp khí nén ổn định và tiết kiệm năng lượng: Khuyến khích nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ máy nén khí hiệu suất cao, hệ thống điều khiển áp suất tự động nhằm giảm chi phí vận hành và tăng độ tin cậy của ổ khí tĩnh trong vòng 3 năm tới.
Đào tạo kỹ thuật viên và nâng cao trình độ bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, lắp đặt và bảo trì ổ khí tĩnh cho đội ngũ kỹ thuật viên tại các cơ sở sản xuất, đảm bảo vận hành hiệu quả và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu về ổ khí tĩnh và máy ly tâm tốc độ cao, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.
Doanh nghiệp sản xuất máy ly tâm và thiết bị công nghiệp: Tham khảo để ứng dụng công nghệ ổ khí tĩnh nâng cao hiệu suất máy ly tâm, giảm chi phí bảo trì và tăng tính cạnh tranh sản phẩm.
Kỹ thuật viên và chuyên gia bảo trì máy móc công nghiệp: Nắm bắt các thông số vận hành tối ưu và kỹ thuật bảo trì ổ khí tĩnh, giúp vận hành máy ly tâm ổn định, giảm sự cố và kéo dài tuổi thọ thiết bị.
Các cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để định hướng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ cơ khí tiên tiến, thúc đẩy tự chủ công nghệ và giảm nhập khẩu thiết bị ngoại.
Câu hỏi thường gặp
Ổ khí tĩnh là gì và có ưu điểm gì so với ổ cơ truyền thống?
Ổ khí tĩnh là loại ổ trượt không tiếp xúc sử dụng màng khí mỏng để nâng đỡ trục quay, giảm ma sát và rung động. Ưu điểm gồm hoạt động ổn định ở tốc độ cao, tuổi thọ lâu dài, giảm tiếng ồn và không cần bảo trì thường xuyên như ổ cơ.Các thông số nào ảnh hưởng đến hoạt động của ổ khí tĩnh trong máy ly tâm?
Số vòng quay (n), áp suất khí cung cấp (P), độ lệch tâm (e), độ nâng (h), khe hở ổ khí và lưu lượng khí là các thông số chính ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của ổ khí tĩnh.Chế độ vận hành tối ưu của máy ly tâm sử dụng ổ khí tĩnh là gì?
Theo kết quả nghiên cứu, chế độ vận hành hợp lý là số vòng quay 5.000 vòng/phút, áp suất khí đỡ 4,7 bar và áp suất khí chặn 5 bar, giúp duy trì độ lệch tâm và độ nâng trong giới hạn an toàn, giảm rung động.Ổ khí tĩnh có thể ứng dụng cho các loại máy ly tâm công suất lớn hơn không?
Ổ khí tĩnh có thể được thiết kế cho nhiều loại máy ly tâm với công suất khác nhau, tuy nhiên cần nghiên cứu và thiết kế riêng biệt để đảm bảo khả năng chịu tải và độ ổn định phù hợp với từng công suất.Những khó khăn khi ứng dụng ổ khí tĩnh trong thực tế là gì?
Khó khăn chính là yêu cầu hệ thống cung cấp khí nén áp suất cao và đường dẫn khí phức tạp, chi phí đầu tư ban đầu cao, cũng như cần đội ngũ kỹ thuật có trình độ để lắp đặt và bảo trì hệ thống.
Kết luận
- Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy ly tâm trục đứng tốc độ cao công suất 25 kg/h sử dụng ổ khí tĩnh, phù hợp với điều kiện sản xuất cơ khí tại Việt Nam.
- Xác định được mối quan hệ giữa số vòng quay, áp suất khí với độ lệch tâm và độ nâng của ổ khí tĩnh qua các phương trình thực nghiệm.
- Chế độ vận hành tối ưu được đề xuất là số vòng quay 5.000 v/p, áp suất khí đỡ 4,7 bar và áp suất khí chặn 5 bar, giúp giảm rung động và ma sát hiệu quả.
- Ổ khí tĩnh cho thấy tiềm năng thay thế ổ cơ truyền thống trong máy ly tâm tốc độ cao, nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.
- Đề xuất các giải pháp ứng dụng và phát triển công nghệ ổ khí tĩnh trong công nghiệp cơ khí Việt Nam, đồng thời khuyến khích đào tạo kỹ thuật viên và nghiên cứu hệ thống cung cấp khí nén hiệu quả.
Tiếp theo, cần triển khai ứng dụng thực tế tại các cơ sở sản xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các loại máy ly tâm công suất lớn hơn nhằm nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh của ngành cơ khí trong nước.