Đồ án Máy bơm Sulzer MSD D4-8-10.5B phục vụ cho công tác vận chuyển dầu tại mỏ Bạch Hổ

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN KHỚP NỐI TRONG BƠM SULZER 5.1. Giới thiệu khớp nối Khớp nối là chi tiết máy được tiêu chuẩn hóa tương đối cao, được dùng để liên kết các trục với nhau, làm nhiệm vụ truyền chuyển động giữa hai trục, ví dụ như truyền chuyển động giữa trục động cơ và trục hộp giảm tốc ( Hình 5.1), hoặc nối trục động cơ với trục máy bơm, hoặc nối các trục ngắn thành trục dài. Ngoài ra, khớp nối còn dùng để đóng mở các cơ cấu ngăn ngừa quá tải, giảm tải trọng động, bù sai lệch của các trục.
Hình 5.1: Khớp nối 5.2. Phân loại Khớp nối được phân làm 2 nhóm: + Nối trục: là loại khớp nối liên kết cố định 2 trục với nhau, chỉ có thể nối hoặc tách rời 2 trục khi dừng máy. + Ly hợp: là loại khớp nối có thể nối hoặc tháo rời liên kết ngay cả khi trục đang quay. Ly hợp gồm: ly hợp ăn khớp, ly hợp ma sát, ly hợp an toàn, ly hợp ly tâm, ly hợp một chiều.
Hình 5.2: Sơ đồ phân loại khớp nối 5.2.1. Nối trục Nối trục gồm: nối trục chặt, nối trục bù, nối trục di động, nối trục đàn hồi. 5.2.1.1. Nối trục chặt Nối trục chặt để nối cứng các trục đồng tâm và không di chuyển tương đối với nhau. Ngoài mô men xoắn, nó còn truyền mô men uốn, tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục. Nối trục chặt không bù trừ được các sai số chế tạo và lắp ghép, do đó cần định tâm chính xác các trục được nối. Thông thường, nối trục chặt để nối các đoạn trục thành phần thành trục có chiều dài lớn hơn hoặc nối các trục có không gian hẹp. Nối trục chặt được lắp đặt gần ổ đỡ hoặc ở những vị trí trên biểu đồ mô men uốn có giá trị bằng 0. Nối trục chặt gồm: nối trục ống, nối trục đĩa. a. Nối trục ống Gồm 1 đoạn ống bằng thép hoặc gang, lồng vào đoạn cuối của 2 trục và được ghép với trục bằng chốt, vít hãm, then hoặc then hoa. Nối trục ống có kết cấu đơn giản, giá rẻ, kích thước hướng kính nhỏ, tuy nhiên lắp ghép khó vì phải dịch chuyển dọc trục một khoảng khá lớn và đòi hỏi độ đồng trục cao.Do đó, nối trục ống được sử dụng trong các máy có tải trọng nhỏ, các trục có đường kính nhỏ hơn 70 mm, đường kình ngoài ống D = (1,5 – 1,8)d, chiều dài ống L = (2,5 – 4)d, vật liệu ống là thép kết cấu.
Hình 5.3: Nối trục ống b. Nối trục đĩa Gồm 2 đĩa lắp trên đoạn cuối mỗi trục bằng mối ghép then và độ dôi, sử dụng 1 số bu lông để ghép 2 đĩa với nhau Nối trục đĩa thường được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy để nối các trục có đường kính d = 12 ÷ 220 mm, mô men xoắn T = 8 ÷ 45000 Nm, đường kính ngoài D = (3 ÷3,5)d, chiều dài L = ( 2,5 ÷ 4)d. Sau khi lắp các mặt bích lên trục cần kiểm tra độ đảo trên máy tiện để tránh hiện tượng cong trục khi xiết bu lông. Trong các máy có công suất lớn, người ta thường hàn các đĩa vào trục hoặc chế tạo liền trục.
Hình 5.4: Nối trục đĩa a, lắp có khe hở b, lắp không có khe hở 5. 2.1.2. Nối trục bù Sử dụng nối trục bù để nối các trục có sai lệch nhỏ về vị trí do biến dạng đàn hồi của các trục và do sai số chế tạo lắp ghép. Khi sử dụng nối trục bù thì các sai lệch vị trí sẽ bù lại nhờ khả năng di động của các chi tiết cứng trong nối trục bù. Tuy nhiên, khi sử dụng nối trục bù ổ và trục phải chịu thêm tải trọng phụ do sự phân bố tải trọng không đều trong nối trục gây nên. Nối trục bù gồm: nối trục răng, nối trục xích. a. Nối trục răng
Hình 5.5: Nối trục răng Nối trục răng gồm 2 nửa nối trục 1 và 2 có răng ngoài lắp trên 2 trục, 2 ống lồng 3 và 4 có răng trong. Để bù trừ các sai lệch, thì kết cấu nối trục phải có những tính chất sau: - Các răng có khe hở hướng kính C và khoảng cách giữa các mặt mút các nửa nối trục lớn. - Vành răng của 2 nửa nối trục được gia công theo dạng mặt cầu có tâm nằm trên đường tâm của các trục được nối. - Răng có dạng hình trống. Nối trục răng có nhiều ưu điểm khi truyền tải trọng lớn: - Khả năng tải và độ tin cậy cao với kích thước nhỏ do có nhiều răng cùng làm việc một lúc. - Cho phép làm việc với số vòng quay cao. - Có tính công nghệ do áp dụng các phương pháp công nghệ cao gia công răng. Đường kính nối trục răng d = 40 ÷200 mm, mô men truyền 1000 ÷ 63000 Nm. b. Nối trục xích Nối trục xích gồm 2 nửa nối trục dạng đĩa xích có số răng bằng nhau, được lắp cố định trên các trục được nối, được quấn chung một dây xích và phía ngoài có vỏ che để tránh bị bẩn và bôi trơn tốt. Thông thường sử dụng xích con lăn 1 hoặc 2 dãy, trong đó xích 1 dãy được sử dụng rộng rãi nhất. Trong một số trường hợp, người ta còn sử dụng xích răng.
Hình 5.6: Nối trục xích Nối trục xích có kết cấu đơn giản, dùng xích chế tạo sẵn theo tiêu chuẩn, kích thước nối trục không lớn ( khi truyền cùng mô men xoắn thì kích thước nối trục xích nhỏ hơn kích thước nối trục vòng đàn hồi 1,5 lần). Khi tháo lắp không cần dịch chuyển dọc trục. Tuy nhiên, nối trục xích không chịu được va đập và chỉ làm việc 1 chiều, nó có thể truyền được mô men xoắn T = 63 ÷ 8000 Nm, đường kính trục từ 20÷130 mm. 5.2.1.3. Nối trục di động Nối trục di động có thể nối được các trục có sai lệch lớn hơn giá trị cho phép của nối trục bù. Các sai lệch này chủ yếu do chế độ làm việc của cơ cấu. Nối trục di động gồm: nối trục chữ thập, nối trục bản lề. a. Nối trục chữ thập
Hình 5.7: Nối trục chữ thập Nối trục chữ thập bù trừ được sai lệch hướng tâm, sai lệch dọc trục và sai lệch góc. Nối trục gồm 2 nửa nối trục 1 và 2, đĩa trung gian 3 và vỏ bao 4. Các nửa nối trục lắp trên 2 trục được nối với nhau nhờ vào các vấu của đĩa trung gian và đặt vào rãnh của 2 nửa nối trục. Vì các vấu vuông góc với nhau nên nối trục đảm bảo sự dịch chuyển tự do theo phương hướng tâm, dịch chuyển dọc trục và dịch chuyển góc. Nối trục chữ thập có thể nối các trục có đường kính d = 16÷150 mm, mô men truyền T = 16 ÷16000 Nm, sai lệch hướng tâm cho phép đến 0,25d, sai lệch góc cho phép đến 30’, số vòng quay nối trục cho phép khi D < 240 mm là 250 vòng/phút. b. Nối trục bản lề Nối trục bản lề dùng để nối các trục có độ nghiêng tương đối đến 45o và có thể thay đổi góc nghiêng ngay cả khi nối trục đang hoạt động. Nhược điểm của nối trục dạng này là trục bị dẫn chuyển động không đều. Để đảm bảo cho trục bị dẫn chuyển động với vận tốc góc không đổi hoặc có thể truyền chuyển động quay giữa các trục song song và dịch chuyển dọc trục và tăng góc nghiêng giữa các trục được nối, ta sử dụng nối trục bản lề kép ( hình 5.6 b,c). Để trục bị dẫn có số vòng quay không đổi thì trục dẫn và trục bị dẫn phải song song với nhau.
Hình 5.8: Nối trục bản lề a) Nối trục bản lề đơn b,c) Nối trục bản lề kép d) Nối trục với ống lồng Ta sử dụng nối trục bản lề trong trường hợp: - Bù trừ độ không cính xác vị trí các cụm chi tiết máy do sai số lắp ráp, nền móng bị biến dạng, biến dạng lò xo nhíp. - Truyền chuyển động quay cho các trục điều chỉnh được. Nối trục bản lề được chia ra: - Nối trục có kích thước nhỏ dùng để truyền mô men nhỏ. - Nối trục có kích thước lớn dùng để truyền mô men trung bình và lớn. Nối trục bản lề có kích thước nhỏ hơn và kích thước nhỏ kép theo tiêu chuẩn nối các trục có đường kính d = 8÷40 mm, mô men xoắn T = 11,2 ÷ 1120 Nm. Nối trục lớn có thể truyền được mô men đến 3000000 Nm. Bản lề trượt được tạo ra từ nhiều đoạn trục lắp vào nhau. Nếu trục dẫn của nối trục đơn không đồng trục với trục dẫn thì sẽ quay không đều khi trục dẫn quay đều.
Hình 5.9: Nối trục bản lề a) Nối trục bản lề đơn b) Nối trục bản lề kép 5.2.1.4. Nối trục đàn hồi Nối trục đàn hồi gồm 2 nửa nối trục lắp cố định với 2 trục và bộ phận đàn hồi để ghép 2 nửa nối trục với nhau. Ngoài khả năng bù trừ được các sai lệch của trục nhờ biến dạng của các chi tiết đàn hồi, nối trục đàn hồi còn có thể: - Giảm va đập và chấn động. - Đề phòng được cộng hưởng do dao động xoắn gây nên. Nối trục đàn hồi được sử dụng trong các cơ cấu đảo chiều. Trong nhiều trường hợp, nối trục đàn hồi làm tăng tuôi thọ của cơ cấu chịu lực lên nhiều lần. Có 2 tính chất quan trọng là: độ cứng và khả năng giảm chấn. Mô men xoắn được truyền từ nửa nối trục 1 sang nửa nối trục 2 qua vòng đàn hồi. Vòng đàn hồi có thể chế tạo từ kim loại ( thép lò xo) hoặc từ vật liệu phi kim loại ( cao su). Nếu vật liệu đàn hồi là phi kim loại thì nó có ưu điểm sau: - Khả năng tích lũy lớn năng lượng trên một đơn vị khối lượng, lớn hươn 10 lần so với thép lò xo. - Khả năng giảm chấn lớn. - Khă năng cách điện. Nối trục với vhi tiết đàn hồi là phi kim loại có tính công nghệ hơn chi tiết đàn hồi kim loại, được sử dụng để truyền trong kết cấu có mô men nhỏ và trung bình. Nối trục đàn hồi gồm: nối trục vòng đàn hồi, nối trục đĩa hình sao, nối trục răng lò xo, nối trục vỏ đàn hồi. a. Nối trục vòng đàn hồi

Hình 5.10: Nối trục vòng đàn hồi Kết cấu tương tự như nối trục đĩa nhưng để nối 2 nửa nối trục không dùng bu lông mà dùng chốt có bọc ống uốn sóng đàn hồi bằng cao su. Kích thước bao D = (3,5 ÷4)d, L = (3,5 ÷ 4)d. b. Nối trục đàn hồi với đĩa hình sao
Hình 5.11: Nối trục đàn hồi với đĩa hình sao Nối trục đĩa hình sao với 2 nửa nối trục với 3 hoặc 4 vấu mặt đầu tiết diện hình thang cân. Các vấu ăn khớp với rãnh của phần tử đàn hồi trung gian là đĩa hình sao được chế tạo từ cao su. Nối trục đàn hồi với đĩa hình sao dùng để nối trục có kích thước nhỏ D = 2,5d, L = (4 ÷ 4,5)d, đường kính trục d = ( 6 ÷ 48)mm và mô men xoắn T = (2,5 ÷ 4000) Nm. c. Nối trục đàn hồi với đĩa hình côn
Hình 5.12: Đĩa hình côn Nối trục đàn hồi với đĩa hình côn gồm: 2 nửa nối trục có hình dáng giống nhau, có bề mặt làm việc hình côn. Nối trục có kích thước nhỏ. Nhược điểm là cần phải dịch chuyển dọc trục 1 trong 2 trục khi lắp ráp do đó hạn chế khả năng bù trừ sai lệch dọc trục. Nối trục dạng này có thể truyền được mô men xoắn đến 16000 Nm. d. Nối trục với vỏ đàn hồi
Hình 5.13: Nối trục vỏ đàn hồi Nối trục vỏ đàn hồi được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy, các vỏ đàn hồi cao su chịu xoắn và chịu trượt. Nối trục với vỏ hình xuyến gồm 2 nửa nối trục, vòng đàn hồi có hình dạng như vỏ xe và hai vòng nhờ vào vít kẹp chặt vỏ vào nửa khớp nối. Nối trục dạng này dùng nối trục có đường kính d = 14 ÷ 200 mm, mô men xoắn truyền T = 200 ÷ 25000 Nm, đường kính vòng ngoài D = (4 ÷ 5)d, L = (3 ÷4)d. e. Nối trục răng lò xo
Hình 5.14: Nối trục răng lò xo Nối trục răng lò xo với chi tiết đàn hồi với vhi tiết đàn hồi là kim loại, do đó loại này bền hơn loại nối trục đàn hồi với chi tiết đàn hồi là phi kim loại nhưng giá thành đắt hơn nhiều. Loại này được sử dụng chủ yếu trong chế taọ máy tải nặng
5.2.2. Ly hợp Ly hợp cho phép nối hoặc tách các trục khi máy dừng hoặc đang làm việc. Ly hợp không thể bù độ không đồng trục do đó cần đảm bảo độ đồng tâm của các trục được nối. 5.2.2.1. Ly hợp ăn khớp Ly hợp ăn khớp gồm: ly hợp vấu, ly hợp răng. a. Ly hợp vấu Ly hợp vấu gồm 2 nửa 1 và 2 có vấu 4 ở mặt bên, một nửa ly hợp lắp cố định với trục, nửa còn lại được lắp trên đoạn cuối của trục thứ 2 bằng then. Tiết diện vấu có nhiều kiểu: + Vấu hình tam giác: sử dùng để truyền mô men và vận tốc nhỏ nhưng có thể đóng mở nhanh và dễ dàng do có số vấu lớn. + Vấu hình thang:sử dụng khi truyền mô men và vận tốc lớn. + Vấu hình chữ nhật: sử dụng trong các máy hạng nặng và đóng mở bằng tay.
Hình 5.15: Ly hợp vấu b. Ly hợp răng
Hình 5.16: Ly hợp răng 5.2.2.2. Ly hợp ma sát Ly hợp ma sát gồm: ly hợp đĩa ma sát, ly hợp côn ma sát, ly hợp nhiều đĩa ma sát. a. Ly hợp đĩa ma sát


Hình 5.17: Ly hợp đĩa ma sát b. Ly hợp côn ma sát
Hình 5.18: Ly hợp côn ma sát c. Ly hợp nhiều đĩa ma sát điều khiển bằng cơ tay
Hình 5.19: Ly hợp nhiều đĩa ma sát điều khiển băng cơ tay d. Ly hợp nhiều đĩa ma sát điều khiển bằng thủy lực khí nén
Hình 5.20: Ly hợp nhiều đĩa ma sát điều khiển bằng thủy lực khí nén e. Ly hợp đĩa ma sát điều khiển bằng điện từ
Hình 5.21: Ly hợp ma sát điện từ f. Ly hợp ma sát bánh hơi trụ
Hình 5.22: Ly hợp ma sát bánh hơi trụ 5.2.3. Ly hợp tự động 5.2.3.1. Ly hợp an toàn Ly hợp an toàn là ly hợp tự động không làm việc khi quá tải để đảm bảo đọ ann toàn cho máy. Ly hợp an toàn được sử dụng trong các trường hợp sau: - Trong các thiết bị có tải trọng va đập. - Trong các máy làm việc trong môi trường không đồng nhất. - Trong các thiết bị tự động không có sự theo dõi liên tục sự hoạt động. - Trong các hệ thống dẫn động phân nhánh của máy chỉ sử dụng 1 phần công suất động cơ của cả máy. Ly hợp an toàn gồm: ly hợp chốt an toàn, ly hợp ma sát an toàn, ly hợp vấu an toàn, ly hợp bi an toàn. a. Ly hợp chốt an toàn
Hình 5.23: Ly hợp chốt an toàn b. Ly hợp ma sát an toàn Ly hợp ma sát an toàn dùng trong các máy hoặc cơ cấu máy thường xuyên quá tải trong thời gian ngắn thường là do va đập.
Hình 5.24: Ly hợp ma sát an toàn c. Ly hợp vấu an toàn Ly hợp vấu an toàn được sử dụng khi vận tốc và mô men xoắn không lớn vì khi quá tải các vấu gây va đập mạnh và có nhiều tiếng ồn.
Hình 5.25: ly hợp vấu an toàn d. Ly hợp bi an toàn Ly hợp bi an toàn có kết cấu như ly hớp vấu an toàn, các vấu được thay thế bằng các viên bi.
Hình 5.26: Ly hợp bi an toàn 5.2.3.2. Ly hợp 1 chiều Ly hợp 1 chiều chỉ truyền được mô men xoắn theo một chiều nhất định. Chúng được sử dụng trong máy cắt, otô, xe máy...
Hình 5.27: Ly hợp 1 chiều 5.2.3.3. Ly hợp ly tâm Ly hợp ly tâm dùng để tự động nối hoặc tách các trục khi vận tốc góc của trục chủ dộng đạt tới trị số cho trước nào đó. Các ứng dụng cụ thể là: - Điều khiển dễ dàng. - Để tăng tốc các cơ cấu và máy có mô men bánh đà lớn và động cơ với mô men khởi động nhỏ. - Để tăng tốc độ êm khi khởi động.
Hình 5.28: Ly hợp ly tâm Trong quá trình làm việc, ly hợp thường xảy ra hiện tượng trượt do đó, trong các máy bơm ly tâm ta thường ít sử dụng ly hợp mà sử dụng khớp nối. 5.3. Khớp nối trong bơm Sulzer MSD 5.3.1. Mô tả khớp nối trong bơm Sulzer Khớp nối đi kèm bơm Sulzer là kiểu khớp nối mềm dạng màng Metastream TSKS 110 xê ri T do hãng FLEXIBOX chế tạo có đặc tính mô tả trong tài liệu, được thiết kế để truyền mô men xoắn giữa các trục quay của máy dẫn động và máy được truyền động, dung hòa sự sai lệch tất yếu ở chiều ngang theo góc và dọc trục giữa 2 máy nối nhau. Hạng mục cung cấp bao gồm: + Mặt giao đầu cho trục máy dẫn động ( động cơ). + Mặt giao đầu cho trục máy được truyền động. + Bộ chi tiết chốt giữ dùng để lắp bộ truyền động vào 2 mặt giao đầu. + Bộ truyền động lắp ráp tại nhà máy gồm 2 loạt đĩa kim loại mềm, mỗi loạt được giữ chặt bằng bu lông vào vòng bảo vệ và vào đoạn nối chung ( bộ phận giữ khoảng cách). Đoạn này phân tách 2 loạt đĩa. Tồng chiều dài bộ truyền được điều chỉnh cho phù hợp với khoảng cách giữa 2 đầu trục của các máy nối nhau.
Hình 5.29: Khớp nối dùng trong bơm Sulzer 1- Mặt giao đầu dẫn động 3D- Đai ốc 2- Mặt giao đầu được truyền động 3E – Vòng đệm 3- Khớp nối 4 – Bu lông 3C – Bu lông mặt giao đầu 5 – Vòng đệm hãm Khớp nối Metastream TSKS ( khớp chốt) thuộc nhóm khớp nối đàn hồi giảm chấn, sử dụng chi tiết đàn hồi được chế tạo chủ yếu từ cao su, cho phép làm việc với sự dịch chuyển giữa các đầu trục động cơ và bơm, hạn chế các va đập cắt, làm giảm dao động xoắn của trục và khắc phục được sự không đồng trục giữa các trục nối. Khớp nối được chế tạo từ gang hoặc thép: CT45, CT30, ... Người ta chọn vật liệu làm khớp nối chủ yếu dựa vào mô men xoắn. Chốt làm từ thép với mác thép không nhỏ hơn CT45. Khớp được gắn lên các đầu trục. Chi tiết chốt cho phép nối các trục có đường kính khác nhau và cho phép quay với chiều quay bất kỳ. Do có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo nên các máy bơm dùng trong công nghiệp khai thác dầu khí thường dùng khớp nối chốt hơn khớp nối răng vì khớp nối răng khó chế tạo hơn và nó không khắc phục được khả năng lệch trục và tải trọng va đập. 5.3.2. Tính chọn khớp nối Do không đầy đủ các thông số của khớp nối nên trong đồ án này, em xin trình bày cách tính chọn khớp nối cho máy bơm Sulzer.
Hình 5.30: Sơ đồ tính toán khớp nối trong bơm Sulzer Mô men xoắn trên trục Mp = 97430 . 9,81 .
(Nm) (5.1) Trong đó: Mp: mô men xoăn trên trục động cơ N : công suất động cơ, N = 185 kW n : số vòng quay của trục động cơ, n = 2965 vòng/phút Thay tất cả vào ( 5.1), ta có: Mp = 596 Nm Tra bảng trong giáo trình ‘ Tính toán, thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 2 – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển’, em tìm được khớp nối có các thông số trong bảng 5.1 và kích thước cơ bản của vòng đàn hồi trong bảng 5.2. Bảng 5.1: Bảng các thông số của khớp nối d  D  dm  L  l  d1  Do  z  nmax  B  Bl  l1  D3  l2   50  210  95  175  110  90  160  8  2850  6  70  40  36  40   Bảng 5.2: Kích thước cơ bản của vòng đàn hồi dc  d1  D2  l  l1  l2  l3  h   18  M12  25  80  42  20  36  2   Trong đó: dc: đường kính chốt D: đườn kính khớp nối L: chiều dài khớp nối D3: đường kính chốt Do: đường kính vòng tròn qua tâm chốt z: số chốt nmax: tốc độ vòng quay lớn nhất l3: chiều dài phần làm việc của chốt Kiểm tra bền cho khớp vừa chọn được: * Kiểm tra sức bền dập của vòng đàn hồi: σd =
≤
( 5.2) Trong đó:
: ứng suất dập cho phép của vòng cao su
= 2 ÷ 4 MPa Mp = 596 Nm k: hệ số chế dộ làm việc, k = 1,5 ÷ 2 ( với máy bơm ly tâm) Chọn k = 2 Thay số vào ( 5.2), ta có: σd =
= 284529 N/m2 ≈ 0,3 MPa <
Vậy, vòng đàn hồi đủ bền. * Kiểm nghiệm sức bền uốn của chốt: σu =
≤
( 5.3) lo = l1 + l2/2 = 40 + 40/2 = 60 mm
: ứng suất uốn cho phép của chốt
= 60 ÷ 80 MPa σu =
= 79560143 N/m2 <
Vậy, chốt đủ bền. Kết luận Vậy, khớp nối đàn hồi được chọn đủ bền.