Giáo trình Trang bị động lực (Phần 4)

Nội dung text: Giáo trình Trang bị động lực (Phần 4)

1. Trang bị động lực trang 109 Khi mắc nối tiếp cản của bình tiêu âm sẽ tăng và có thể làm giảm công suất của động cơ. Mức giảm có thể tới 5 - 15% cho 10 db. Vì vậy, nhà chế tạo động cơ cần quy định tổn thất áp suất lớn nhất cho phép trên đường cản. Ví dụ, đối với động cơ 8Π và 4 μ 13/18 (của Nga) đối áp cho phép là 600 và 500 mm cột nước. Khi mắc song song cản hoạt tính, bình tiêu âm được ốp phía trong bằng một loại vật liệu hấp thụ âm lượng và không làm giảm tiết diện lưu thông của không khí. BỘ DẬP TÀN Khí thải được xả ra ngoài thường mang theo những hạt tàn của nhiên liệu và dầu cháy đốt. Những hạt tàn này có thể gây hoả hoạn nguy hiểm, đặc biệt đối với các trang bị động lực tàu thủy vận chuyển sản phẩm dầu mỏ, bông sợi, len dạ và những hàng dễ cháy khác. Để ngăn ngừa những sự cố có thể xảy ra, cuối đường thải thường trang bị bộ dầp tàn. Loại xả qua nước tàn được dập triệt dễ hơn nhưng tăng cản đến 8 - 100 mm cột nước. Để cung cấp nước cho thiết bị dập tàn người ta trang bị một bơm riêng (đối với trang bị động cơ công suất lớn), hoặc trích đường nước từ bơm vòng hở hay bơm cứu hoả (cho các trang bị công suất trung bình). Bơm cấp nước cho thiết bị dập tàn phải tạo được áp suất đến 3kG/cm 2 . Tỉ trọng của thiết bị dập tàn khoảng 0,3 - 0,4 kg/m.l và thể tích - 0,15 ÷ 0,20 lít/m.l Khi thiết bị đường thải đặc biệt phải chú ý tới tổng cản các thiết bị (cả nồi hơi tận dụng, bộ bù, bình tiêu âm, bộ dập tàn) không vượt quá 300 - 400 mm cột nước, việc tăng cản đường thải dẫn đến giảm công suất động cơ và tăng suất tiêu hao nhiên liệu. Vì vậy, để giảm cản đường thải, cố gắng thiết kế ống dẫn: thẳng với số khuỷu, uốn cong nhỏ nhất. Trần Văn Luận
2. Trang bị động lực trang 110 Hình 3.11. đồ các thiết bị dập tàn a- loại tưới nước; b,c- loại xả qua nước Chương 4. GIẢM RUNG HỆ ĐỘNG LỰC 1. Khái niệm về rung và giảm rung cho động cơ Như đã trình bày ở phần đầu, do truyền lực qua cơ cấu khuỷu trục thanh truyền nên động cơ đốt trong là nguồn gây rung rất lớn cho bản thân nó và cho bệ máy. Tác hại do rung gây ra có thể rất lớn, đe dọa trực tiếp đến độ bền của trục và các ổ trục, làm kẹt pistong và xecmăng, bẻ gãy các gujông và bulông bắt bệ với thân máy, gây ứng suất và biến dạng lớn trong các chi tiết máy và làm giảm độ tin cậy chung của ôtô, tàu hỏa, tàu thủy lắp động cơ này. Ngoài ra, rung còn tạo nên âm lớn trong khu vực đặt máy, làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của công nhân. Để giảm những tác hại trên, ngày nay, đối với những động cơ không cân bằng và thậm chí cả những động cơ đã cân bằng người ta thường đặt trên bệ móng hay bệ tàu qua cơ cấu đàn hồi gọi là bộ giảm xóc. Lực kích thích gây rung cho động cơ trên bệ là các lực quán tính không cân bằng của khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay, mômen của các lực này và mômen lật của động cơ. Trên hình 1.6.7a biểu diễn sơ đồ đặt động cơ trên các bộ giảm xóc và chiều tác dụng của các lực kích thích. Trần Văn Luận
3. Trang bị động lực trang 111 Rung hay dao động tịnh tiến theo phương thẳng đứng của động cơ dọc theo trục OZ sinh ra bởi các lực quán tính không cân bằng của khối lượng chuyển động tịnh tiến và thành phần thẳng đứng của lực quán tính ly tâm không cân bằng. Dao động quán tính theo phương nằm ngang dọc theo trục OY xuất hiện do thành phần nằm ngang của lực quán tính ly tâm. Còn dao động tịnh tiến theo phương nằm ngang dọc theo trục OX, chỉ xảy ra đối với các động cơ dùng để quay chân vịt, theo hướng này là lực kích thích do sự thay đổi tuần hoàn của lực đẩy Px từ chân vịt. Dao động quay xung quanh trục OX tạo bởi mômen lật và thành phần nằm ngang của lực quán tính ly tâm không cân bằng. Dao động xung quanh trục OY gây ra do mômen lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến không cân bằng và mômen của thành phần lực ly tâm theo phương thẳng đứng không cân bằng. Còn thành phần nằm ngang của lực này gây nên dao động quay quanh trục OZ. Như vậy, động cơ có thể xem như một vật rắn, đồng thời tham gia trong sáu dao động liên hợp phức tạp: ba dao động tịnh tiến dọc theo ba trục tọa độ OX, OY, OZ và ba dao động quay xung quanh ba trục ấy (hình 1.6.7b). Để minh họa nguyên lý giảm dao động nhờ bộ giảm xóc, dưới đây ta xem xét một trường hợp điển hình đơn giản: dao động của động cơ dưới tác dụng của một trong những thành phần lực quán tính không cân bằng là: 2 Pz = mr Rω cosα hay có thể viết Pz = Pcosωt trong đó: P = Rω 2 - biên độ kích thích; α = ωt - góc quay của trục khuỷu tính từ điểm chết trên. Nếu động cơ được bắt chặt trực tiếp với bệ máy thì lực Pz sẽ truyền toàn bộ lên bệ này. Để giảm lực tác dụng lên bệ máy, giữa động cơ và bệ ta đặt các bộ giảm sóc (như hình 1.6.7). Như vậy ta được một hệ dao động gồm động cơ và các lò xo Trần Văn Luận
4. Trang bị động lực trang 112 hình trụ. Theo nguyên lý về dao động ta có thể viết phương trình dao động cưỡng bức của động cơ ở dạng: P ⎛ 1 ⎞ Z = ⎜ ⎟cosωt hay Z = Acosωt C ⎝1− ω 2 / k 2 ⎠ P ⎛ 1 ⎞ trong đó: A = ⎜ ⎟ C ⎝1−ω 2 / k 2 ⎠ là biên độ của dao động cưỡng bức; C - độ cứng của hệ lò xo; k - tần số dao động tự do của hệ. Trong biểu thức (1.7) P/C là độ di chuyển tĩnh của hệ dưới tác dụng của lực kích thích P. Đối với mỗi giá trị nhất định của hệ thức này biên độ dao động cưỡng bức chỉ phụ thuộc vào tỉ số ω/k. Từ biểu thức trên ta có thể kết luận rằng, cơ cấu đàn hồi có tác dụng giảm lực truyền rung cho bệ máy chỉ khi nào giá trị tuyệt đối của hiệu ⏐1-ω2/k2 > 1⏐, hay ω > 2k . Như vậy, khi tỉ số ω/k càng lớn (hay ω rất lớn so với k), có nghĩa là khi động cơ được đặt trên bệ càng đàn hồi, thì hiệu suất giảm xóc cho động cơ trên bệ đàn hồi càng lớn. Nói một cách khác, để giảm lực truyền rung cho bệ máy, máy phải đặt trên các bộ giảm xóc có độ đàn hồi đủ để tần số dao động tự do nhỏ hơn tốc độ góc của trục khuỷu. 2 Để giảm thành phần lực kích thích ngang (Py = mr Rω sinα) ta phải lắp vào hệ những lò xo ngang và nghiên cứu dao động theo phương nằm ngang của động cơ. Tương tự như trên ta cũng đi đến kết luận là: Để giảm lực kích động ngang, tần số dao động tự do phải nhỏ hơn so với các mômen kích thích ta cũng rút ra kết luận như trên. Thông thường, tính toán dao động của động cơ đặt trên bệ đàn hồi bao gồm các bước sau: 1. Xác định sơ bộ trọng tâm của động cơ và các mômen quán tính tương ứng trục tọa độ đặt ở trọng tâm. 2. Căn cứ vào trọng lượng của động cơ và tải trọng cho phép trên một bộ giảm xóc để chọn chủng loại, số lượng và phân bố chúng dưới bệ máy của động cơ. 3. Theo số lượng và độ cứng của các bộ giảm xóc đã chọn xác định tâm cứng chung. Trần Văn Luận
5. Trang bị động lực trang 113 4. Xác định các tần số của dao động riêng. 5. Xác định biên độ của dao động do các lực và các mômen lực kích thích gây nên. 6. Kết luận về chủng loại số lượng giảm xóc và sơ đồ phân bố giảm xóc cho động cơ. 2.Các loại giảm xóc a. Vật liệu chế tạo Hiệu suất giảm rung của bộ giảm xóc chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo đệm đàn hồi. Để giảm rung cho động cơ và bệ máy người ta thường dùng các bộ giảm xóc bằng cao su và bằng lò xo. Ưu điểm chính của loại giảm xóc bằng cao su là có ma sát trong lớn – đó là đặc tính quan trọng để dập tắt dao động cộng hưởng. Ngoài ra, bộ giảm xóc loại này có khả năng cách âm tốt trong các dải âm tần. Nhược điểm của bộ giảm xóc bằng cao su là cao su dễ bị già hóa (tính chất đàn hồi mất dần theo thời gian) và dễ bị hư hỏng do tác động của sản phẩm dầu mỏ và nhiệt độ cao (chỉ thích ứng với điều kiện nhiệt độ dưới 70 ÷ 75oC). Ngày nay, đối với các bộ giảm xóc bằng cao su, người ta chỉ dụng loại giảm xóc có đệm đàn hồi làm việc ở trạng thái chịu nén. Loại giảm xóc bằng lò xo kim loại giữ được tính chất đàn hồi lâu dài và không chịu tác động của dầu, nhiệt độ và độ ẩm. Tuy vậy, loại giảm xóc bằng lò xo có ma sát trong rất nhỏ và khả năng cách âm lại kém ở các tần số cao và tần số trung bình. Lò xo thường giảm rung tốt ở tần số đến 200 Hz. Ở tần số lớn hơn rung động chẳng những không giảm mà thậm chí có thể tăng. Cho nên, trong các bộ giảm xóc bằng lo xo thường có cơ cấu làm tăng khả năng giảm rung và ma sát. Với mục đích ấy dưới lò xo của bộ giảm xóc đôi khi người ta đặt thêm đệm bằng cao su cứng có độ dày không lớn để tăng ma sát trong của bộ giảm xóc lò xo. b. Kết cấu các loại giảm xóc Dựa vào hai loại vật liệu chế tạo kể trên người ta phân các bộ giảm xóc thành hai nhóm chính: bộ giảm xóc dùng đệm đàn hồi bằng kim loại và bộ giảm xóc dùng đệm đàn hồi bằng cao su. Trần Văn Luận
6. Trang bị động lực trang 114 1. Bộ giảm xóc bằng kim loại theo kết cấu của đệm đàn hồi có thể chia thành các loại chính sau đây: - Loại lò xo; - Loại lò xo – cao su; Hình 4.1.Các loại giảm xóc thường dùng a. loại một vòng lò xo; b, c.loại đệm cao su, vỏ kim loại; đ, e.loại lò xo; i. loại dệm cao su có đế kim loại ở giữa; k. loại đệm cao su đặt nghiêng; l. loại lò xo có lõi giảm chấn bằng cao su - Loại lò xo – chất dẻo; - Loại nhíp; - Loại bện bằng dây kim loại. Bộ giảm xóc bằng lò xo có thể là lò xo hình trụ hay lò xo hình nón. Để khử dao động cộng hưởng, người ta thường dùng thêm cao su hay chất dẻo kết hợp với kim loại. Trần Văn Luận
7. Trang bị động lực trang 115 Các đệm đàn hồi bằng kim loại có thể xếp thành nhiều lớp như dạng nhíp, đèn xếp, tổ hợp lò xo hoặc xếp thành nhiều lớp mỏng. Để giảm rung cho các động cơ nhỏ ít xylanh (dùng để quay máy bơm, máy nén khí, trong các hệ động lực tĩnh tại và tàu thủy) có thể dùng bộ giảm xóc một vòng lò xo như hình 1.6.8a (tải trọng định mức trên một bộ đến 300N). Thành phần đàn hồi của loại giảm xóc bằng kim loại có đặc điểm là thay đổi kích thước dưới tác dụng của ngoại lực và phục hồi sau khi ngừng tác dụng. Thành phần đàn hồi thường dùng trong bộ giảm xóc bằng kim loại là lò xo (hình trụ, hình nón, hính trống và các dạng khác). Đối với những động cơ thường làm việc ở điều kiện có độ ẩm lớn, lò xo nên làm bằng thép hợp kim không gỉ (1X18H9T), chế tạo theo phương pháp quấn nguội. Sau khi quấn, lò xo được đưa vào nhiệt luyện (ram) – nung nóng lò xo trong lò điện đến nhiệt độ 450oC, giữ ở nhiệt độ này 20 ÷ 30 phút và sau đó làm nguội ở ngoài không khí. Nguyên công này làm tăng độ bền và làm giảm độ biến dạng dư của lò xo. Sau khi ép các lò xo với nhau, tiến hành đánh bóng để tăng khả năng chống ăn mòn. Việc đánh bóng được thực hiện bằng phương pháp hóa học hay điện hóa học. Kết cấu của một số loại giảm xóc thường dùng giới thiệu trên hình 1.6.8. 2. Bộ giảm xóc bằng cao su – kim loại có thể phân chia thành các loại chính sau đây: - Loại hai tấm; - Loại có tấm trung gian; - Loại ổ bọc; - Loại ống đệm. Các loại giảm xóc kể trên (trừ loại hai tấm) bảo đảm vị trí ổn định (có bảo hiểm) của động cơ khi khối cao su bị phá hủy. Tất cả các bộ phận giảm xóc được nối với động cơ và với bệ nhờ các tấm kim loại, mà được ngăn cách nhau bằng một lớp cao su (lưu hóa với các tấm kim loại này) và bảo đảm mối quan hệ đàn hồi giữa động cơ và bệ. Trần Văn Luận
8. Trang bị động lực trang 116 Bộ giảm xóc dùng tấm đệm cao su có thể đặt nằm ngang (hình 1.6.8b), đặt nghiêng (hình 1.6.8k) hay đặt thành góc. Khi đặt nghiêng và đặt thành góc khối cao su có khả năng giảm rung lớn hơn so với đặt nằm ngang, vì độ cứng của cao su giảm do sự chuyển tải trọng từ trạng thái nén sang trạng thái trượt. Tùy theo kích thước của nó, bộ giảm xóc hai tấm có thể chịu tải trọng định mức từ vài chục kilôgam đến vài tấn. Bộ giảm xóc có tấm trung gian (hình 1.6.8i) có hiệu quả tốt hơn so với bộ giảm xóc loại hai tấm đặt ngang, do cao su cũng làm việc theo trạng thái trượt. Ngoài ra, khi phân chia khối cao su bằng một tấm kim loại trung gian có thể tăng thêm khả năng phản xạ sóng rung lên bề mặt chia tấm kim loại với cao su. Bộ giảm xóc có tấm trung gian có thể chịu tải trọng đến 17.000N. Ngoài các loại thường dùng kể trên, trong trang bị động lực diesel còn thường dùng loại giảm xóc bằng khí nén và loại ống chặn. Bộ giảm xóc bằng khí nén khác với các bộ giảm xóc bằng cao su – kim loại là có khoang chứa không khí (đệm khí nén). Tuy nhiên nó vẫn có thể giảm rung được khi không có khí nén. Trong trường hợp này phải giảm một nửa tải trọng trên mỗi bộ. Bộ giảm xóc bằng khí nén có hiệu suất giảm rung hơn hẳn các loại khác. Tùy theo kích thước, loại giảm xóc này có thể chịu tải trọng định mức từ 2000 đến 7000N. Kết cấu của bộ giảm xóc bằng khí nén trình bày trên hình 1.6.9. b. a. Hình 4.2.Bộ giảm xóc kiểu ống chặn; 1. chân động cơ, 2. bệ máy; 1.6.9 b Bộ giảm xóc bằng khí nén Bộ giảm xóc kiểu ống chặn (hình 1.6.9a) có độ cứng hướng tâm (theo hướng bán kính khá hơn) nên nó được dùng làm gối đỡ. Nhưng do ống cao su tương đối dài nên bộ giảm xóc này hay bị hỏng do cao su tróc ra khỏi ống kim loại. Trần Văn Luận
9. Trang bị động lực trang 117 3.Lựa chọn và phân bố bộ giảm xóc cho động cơ Khi trang bị hệ thống giảm xóc cho động cơ đốt trong, phải tiến hành lựa chọn và xác định kết cấu, số lượng và cách phân bố bộ giảm xóc dưới động cơ cũng như xem xét khả năng di chuyển của động cơ, sau đó phải tính toán tần số dao động tự do của động cơ trên bệ giảm xóc. Trong quá trình tính toán và thiết kế, những vấn đề trên thường đối lập nhau, vì vậy ta phải lựa chọn một giải pháp hợp lý hơn cả. a- Lựa chọn loại giảm xóc Lựa chọn loại giảm xóc thích hợp là một vấn đề cơ bản của nhiệm vụ thiết kế. Nó được xác định trên cơ sở bảo đảm độ giảm rung cần thiết cho nền móng hoặc bệ lắp động cơ để giảm mệt nhọc cho hành khách, bảo đảm độ bền của các thiết bị khác và bảo vệ chính thân động cơ tránh khỏi hư hỏng do rung xe hoặc tàu gây nên. Lựa chọn bộ giảm xóc nên tham khảo tính năng hiệu lực của các bộ giảm xóc sẵn có. Chỉ khi nào những bộ giảm xóc này không đáp ứng được yêu cầu giảm rung cần thiết thì mới thiết kế cơ cấu giảm xóc mới. Khi chọn loại giảm xóc không chỉ chú ý riêng tới khả năng giảm rung mà còn phải chú ý đến các đặc tính khác như độ biến dạng, tính chịu dầu, độ ổn định của đặc tính đàn hồi, chế tạo đơn giản, sử dụng tiện lợi, làm việc bền với độ tin cậy lớn, v.v b- Xác định số lượng và phân bố giảm xóc Sau khi đã chọn chủng loại giảm xóc, phải xác định số bộ đỡ (để chịu tải trọng trọng lực của động cơ) và số bộ chặn (khống chế khả năng truyền rung động của động cơ theo các phương, chiều có lực quán tính hay mômen lực quán tính không cân bằng). Số lượng bộ đỡ được xác định trước hết từ điều kiện bảo đảm tải trọng tĩnh định mức trên mỗi bộ và độ ổn định của động cơ đặt trên các đệm đàn hồi. Vì thế có thể lựa chọn chủng loại và số lượng bộ giảm xóc theo tải trọng định mức đã biết hoặc dựa vào đó để thiết kế bộ giảm xóc mới. Số lượng bộ giảm xóc xác định theo công thức sau: Gđ ig = PH Trần Văn Luận
10. Trang bị động lực trang 118 trong đó: ig – số bộ; Gđ – trọng lượng của động cơ, N; PH – tải trọng định mức trên một bộ, N. Khi xác định số bộ giảm xóc ta phải chú ý xem xét cả số lượng và vị trí các vấu chân động cơ và bệ động cơ. Nên chọn bộ giảm xóc có tải trọng định mức nhỏ để tăng số chân tựa, do đó, động cơ làm việc sẽ ổn định và khả năng giảm rung của hệ giảm xóc tốt hơn. Nhược điểm chính của phương án này là lắp đặt phức tạp vì số bộ giảm xóc tăng. Phân bố các bộ giảm xóc phải bảo đảm độ ổn định của động cơ và ít phân tán các tần số dao động tự do. Vì vậy, bộ giảm xóc phải được phân bố sao cho các trục cứng và tâm cứng của hệ giảm xóc phải trùng hay gần trùng với các trục quán tính tương ứng và trọng tâm của động cơ. Khi chọn sơ đồ phân bố các bộ giảm xóc cần chú ý tới điều kiện lắp ráp, thay thế, kiểm tra và bảo dưỡng. Để bảo đảm khả năng giảm rung lớn nhất, các bộ giảm xóc phải đặt trên các chi tiết cứng của bệ (trên khung thép lồng trong khối bêtông của bệ động cơ tĩnh tại hay trên các gân cứng, các trụ đỡ của hệ động cơ tàu thủy hay phát điện lưu động). Số tần số dao động tự do của động cơ trên các bộ giảm xóc tương ứng với số bậc tự do của nó. Để bảo đảm hiệu lực giảm rung lớn, các tần số dao động tự do phải nhỏ và không trùng hay không gần trùng với tần số của các lực kích thích trong động cơ và tần số rung do vận hành của tàu hay xe. Tỉ số giữa các tần sô này và các tần số của dao động tự do phải lớn hơn 1,2 ÷ 1,3. Điều kiện này thường rất khó thực hiện, nhất là đối với những động cơ không cân bằng. Ở một vài trường hợp có khi phải thiết kế lại toàn bộ hệ giảm xóc. Trần Văn Luận