Kết cấu biên dạng răng vít
 

Ta có những khái nhiệm kết cấu biên dạng răng vít như sau:
 

Biên dạng răng vít cần như thế nào để cho đường ăn khớp của vít – đường tiếp xúc của các vít khi chúng cọ sát với nhau – luôn liên tục từ điểm đầu (trên buồng hút) đến điểm cuối (trên buồng đẩy).

Mỗi biên dạng đều có tính năng kỹ thuật của nó. Như biên dạng răng thân khai, thường sử dụng trong bộ truyền bánh răng lớn, không đảm bảo tính liên tục của đường tiếp xúc, còn trong khi kiểm định máy nén khí trục vít hiện tượng đứt quãng đường tiếp xúc không cho phép, vì khi đó sẽ thông buồng hút với buồng đẩy.

Vì vậy, yêu cầu đầu tiên đối với biên dạng răng vít là đảm bảo tính liên tục của đường tiếp xúc.

Yêu cầu thứ hai là đảm bảo độ kín hướng trục của các cặp khoang làm việc. Thực hiện điều đó tức là thực hiện việc cách ly chắc chắn buồng nén với buồng có áp suất thấp hơn nằm ở khoang kế tiếp. Yêu cầu thứ hai này thường không được thực hiện hoàn toàn bởi giữa các cặp khoang kế tiếp có lỗ nối giữa chúng. Trường hợp như vậy lỗ này không được phép lớn.

Trong máy nén khí trục vít người ta chỉ sử dụng một số loại biên dạng răng đảm bảo được yêu cầu thứ nhất và mức độ nào đó đảm bảo yêu cầu thứ hai.

Các loại biên dạng răng mặt đầu trục vít thường sử dụng là:

1- Biên dạng Trokhoit là dạng gần giống với Epixicloid và Hypoxicloid. Nó có thể gọi chung là Xicloid. Sử dụng biên dạng Xicloid cho một nữa biên dạng răng tính theo đường trục đối xứng hướng kính. Nó có thể đảm bảo chặt chẽ về lý thuyết yêu cầu thứ hai: Độ kin hướng trục.

2- Biên dạng tròn, tâm của vòng tròn biên dạng chạy trên vòng xoắn vít – Biên dạng sao.

Biên dạng Elipse với trục lớn Elipse nằm theo phương hướng kính hoặc cũng có thể theo hướng vuông góc với nó.

Phải hiểu rằng quy luật ăn khớp của các biên dạng tiếp xúc không cho phép tiếp xúc với một biên dạng nào đó với một đoạn chân răng kia. Bởi vậy hiện nay biên dạng răng của máy trục vít là tổng hợp của các biên dạng khác nhau thành một biên dạng phù hợp, loại trừ biên dạng Xicloit.

Với chức năng đã nói ở trên, người ta xây dựng đoạn biên dạng thể hiện tính chất ăn khớp của răng, hay rộng hơn tính chất của máy trục vít.

Để tăng cường cho tính chất này hay tính chất khác theo hướng mong muốn, người ta làm răng vít có dạng không đối xứng theo trục hướng kính và sử dụng các đoạn đường cong biên dạng khác nhau.

Cần phải chú ý một đặc điểm của biên dạng hóa các răng trục vít là: Biên dạng đoạn đầu răng rất quan trọng, không chỉ theo hướng cạnh của răng mà khe hở theo hưóng kính giữa đỉnh răng và rãnh của răng đối diện (khe hở hưóng kính của khớp răng có tải) của máy trục vít về lý thuyết cũng không được tồn tại theo yêu cầu đầu tiên của biên dạng răng máy trục vít. Song đoạn chân răng cũng là đoạn sườn, của biên dạng răng.

Từ đó có thể cho phép kết luận rằng biên dạng răng của máy trục vít là yếu tố quan trọng, xác định tính kinh tế, dạng đặc tính và các thông số kích thước của máy. Việc chọn loại biên dạng răng và chế tạo chính xác đảm bảo chất lượng trong việc chế tạo máy trục vít.

Bề mặt ngoài vít, trong đó kể cả bề mặt biên dạng răng, được chế tạo với kích thước nhỏ đi một chút so với lý thuyết để tạo ra khe hở nhỏ giữa các vít với nhau, giữa các vít với vỏ sau khi lắp chúng vào vỏ.

Các kích thước thực tế bề mặt biên dạng vít nhận được do lượng ăn dao tương ứng của các dụng cụ cắt gọt chuyên dùng sử dụng khi cắt vít.
Khi cọ sát với bề mặt làm việc, các lưỡi này bị mài mòn đều mà không ảnh hưởng đến chất lượng của máy.Khe hở giữa bề mặt biên dạng vít, giữa các vít với vỏ cần phải như thế nào để đảm bảo sự làm việc không có cọ sát của các chi tiết này trong mọi chế độ làm việc của máy ngay cả khi làm việc đột ngột. Song, giá trị khe hở ảnh hưởng rất lớn đến tính kinh tế của máy. Với mục đích giảm rò rỉ qua khe hở đỉnh răng và khe hở mặt đầu trục của vít, người ta làm các gờ hẹp (“lưỡi”) làm kín 

Các gờ làm kín này được chế tạo cùng với trục vít. Cơ tính của gờ làm kín này so với cơ tính vật liệu vít được đảm bảo bởi công nghệ chế tạo trục vít. Trong một số trường hợp gờ làm kín này được ép vào rãnh cắt hẹp.

Vật liệu của gờ làm kín này thường là kim loại mềm, dễ biến dạng khi nguyên công ép đầu tiên.

Trục vít có gờ làm kín như vậy thường giá thành cao hơn vì đòi hỏi nhiều lao động bằng tay, đồng thời cho phép dễ thay thế khi mài mòn hết.
Cần hiểu rằng, những “lưỡi” này trên đỉnh răng của trục vít (hình 3-5) ngăn cản sự rò rỉ khí chỉ qua khe hở giữa đỉnh răng và vỏ. Sự rò rỉ làm ảnh hưởng không lớn đến hiệu suất lưu lượng của máy nén trục vít, nhưng làm giảm hiệu suất lưu lượng làm giảm công nén bên trong. Việc chế tạo các “lưỡi” theo sơ đồ (hình 3-6) có hiệu quả hơn đến sự giảm rò rỉ, làm giảm công nén, cũng như tăng hiệu suất lưu lượng máy nén. Một số hãng đã tạo ra các “lưỡi” cạnh như trên 

Phân loại biên dạng răng vít

Ta có thể phân loại biên dạng răng vít như sau:

Với những kỹ thuật cao hơn được sử dụng để tạo ra các biên dạng của trục vít từ những đường cong biên dạng thực cơ bản của trục vít, và tạo ra những đường cong biên dạng tương đồng thứ hai trên trục vít khác, và được sử dụng trong những điều kiện thích hợp. Một trong những đường cong có thể sử dụng là những đường cong cơ bản, những đường tròn cổ điển thì hầu như thông dụng hơn, tất cả những đường tròn có tâm trên vòng chia tạo ra vòng tròn đồng dạng trên một trục vít khác.

Những vòng tròn có tâm lệch khỏi vòng tròn chia và những đường cong khác, như: Elipse, Parapolic, Hyperpolic, có những chi tiết đối xứng, và tạo ra những đường cong mà được gọi là Trochoid trên trục vít khác, tương tự những điểm cục bộ trên một rotor sẽ cắt đường Epicycloid và nội Cycloid trên một trục vít khác. Trong một thập kĩ thì kỹ năng để chế tạo một trục vít thì rất giới hạn trong việc lựa chọn những đường cong cơ bản mà có thể nối tiếp với một biên dạng thứ hai.

Biên dạng của vòng tròn không đối xứng bao gồm chỉ những vòng tròn. Biên dạng không đối xứng Lyshom, phần riêng của đường tròn đồng trục trên vòng chia được giới thiệu và gọi là Cycloid trên những bề mặt áp suất cao, là hình dáng đầu tiên của trục vít có biên dạng không đối xứng. Biên dạng không đối xứng SRM sử dụng là đường tròn lệch tâm trên những bề mặt có áp suất thấp của trục vít bị động. Theo sau đó là biên dạng SKBK được giới thiệu như trên trục vít chủ động, trong cả hai trường hợp những biên là biên dạng gần đây nhất hầu như được thay thế tương thích nhất mang lại tỉ lệ tốt nhất của sự dịch chuyển trục vít và độ dài đường kín khít.
Hiệu suất của máy nén trục vít phụ thuộc vào những biên dạng của trục vít mà có lưu lượng lớn qua diện tích mặt cắt, độ dài mép bít kín ngắn và diện tích rò rỉ nhỏ. Diện tích mặt cắt lớn thì tỉ lệ lưu lượng lớn giống như kích thước của trục vít và tốc độ của trục vít. Độ dài mép bít kín ngắn hơn và giảm khe hở nên rò rỉ nhỏ hơn, tỉ lệ giữa lưu lượng lớn hơn và khe hở nhỏ thì dạng bao quanh được phân tích như Epicycloid hoặc nội Cycloid. Biên dạng SRM “D” bao gồm những đường tròn riêng biệt, hầu như chúng có những vị trí lệch tâm trên trục vít chủ động và trục vít bị động. Những phát minh sau đây cho đường cong cơ sở trên một trục vít và đường cong thứ hai, tạo ra những đường cong khác trên một trục vít. Cơ bản suy ra từ sự ăn khớp cổ điển hoặc những điều kiện tương tự khác. Gần đây những đường tròn dần dần được thay thế dần bằng những đường cong khác, như: Elipse trong biên dạng của FuSheng, Parapolic trong biên dạng của Compar và Hitachi và Hypoloic trong biên dạng của “Hyper”. Hypoloic làm tăng hiệu suất thể tích của máy nén, mà tỉ lệ của lưu lượng được đưa vào như tổng phần của lưu lượng rò rỉ , đây là một chỗ ngoặt để tăng hiệu suất đoạn nhiệt bởi vì công suất tổn hao nhỏ trong việc nén khí mà tuần hoàn bên trong.
Những điểm chính của những máy nén trục vít vẫn được sản xuất 4 vít đối với trục vít chủ động và 6 vít trụe vít bị động với cả hai trục vít có đường kinh ngoài giống nhau. Hình dạng này là sự thỏa hiệp có triển vọng cho cả hai, áp dụng cho máy nén khí kiểu khô và kiểu ướt và được sử dụng cho không khỉ và làm lạnh hoặc quá trình công nghệ của máy nén khí. Tuy nhiên những hình dạng khác như: 5/6 và 5/7 và gần đây nhất là 4/5 và 3/5 ừở nên được phổ biến. Năm vít ở rotor chủ động tương ứng cho tỉ lệ áp suất cao hơn, đặc biệt nếu kết hợp với những góc xoắn lớn hơn, dãy 4/5 xuất hiện như việc kết hợp tốt nhất trang việc sử dụng cho kiểu ướt cho tỉ lệ áp suất vừa phải. Kiểu 3/5 được sử dụng cho phương pháp khô, bởi vì nó đưa ra tỉ số truyền lớn giữa trục vít chủ động và bị động mà có thể có những ưu điểm để giảm yêu cầu tốc độ dẫn động.

Nhìn trên hình 3-7 những cặp biên dạng của trục vít được vẽ đồng thời để so sánh, được mô tả bằng những tên thương mại của chủng hoặc bằng những tên biểu hiện sự phát minh.

Nhóm thứ nhất với trục vít có 4 vít ở trục vít chủ động và 6 vít ở trục vít bị động. Hình dạng của trục vít này có thể chấp nhận một cách chung chung cho bất cứ việc sử dụng nào. Biên dạng Shibble không đối xứng SRM, 1979, lịch sử xuất hiện biên dạng của máy nén trục vít hầu như thành công gần đến đỉnh cao.
Tiếp theo là biên dạng Astberg SRM “D”, 1982.

Nhóm lớn nhất của trục vít được trình bày trong hình dạng 5/6 là sự kết hợp trục vít trở nên phổ biến nhất bởi vì nó kết hợp với sự dịch chuyển lớn với cửa đẩy lớn và ừong trục vít kích cỡ nhỏ có đường đặc tính tải tốt hơn. Đó là sự thành công hơn nữa trong việc nén khí, trong làm lạnh điều hòa không khí.

Một nhóm bắt đầu với biên dạng SMR “D” theo sau bởi “Sigma”, Biên dạng Bammert,1979; FuSheng, Lee, 1988 và biên dạng “Hyper”, Chia-Hsing 1995. Tất cả các biên dạng ở trên là “ Tạo ra trục vít” sự khác nhau giữa chứng là vít dẫn mà những đường tròn lệch tâm của trạc vít chủ động, những đường cong được nói tiếp theo sau là đường thẳng, đường Elipse, đường Hyperpolic tương ứng. Sự xuất hiện Hyperpolic là những hình dạng có thể tốt nhất cho những mục đích đó. Hai hình còn lại là trục vít được tạo kiểu bánh cóc của Rinder, 1984 và Stosic, 1996. Đường cong chính cho sự lựa chọn và phân bố trên bánh cóc là tạo ra diện tích mặt cắt lởn với những trạc vít bị động khỏe mạnh hơn, hơn các loại khác được biết đến ở máy nén khí trục vít.

Kết cấu vỏ máy nén khi trục vít

Ta có khái nhiệm vỏ máy nén khí trục vít như sau:

Vỏ của máy nén khí trục vít được đúc từ thép, gang hay kim loại màu. Đối với máy nén loại nhỏ và vừa (đường kính trục vít đến 250 mm) thường có mặt ngang tháo được trong khoang mặt đầu hút. Mặt tháo được theo hướng dọc trục thường không có. Điều đó làm giảm biến dạng (lối ra) của vỏ, đơn giản chế tạo, đồng thời làm gọn nhẹ thiết bị áo nước làm mát cho vỏ.

Đôi với máy nén khí lớn, ngoài mặt tháo được ngang tâm còn có mặt tháo được dọc tâm, để đảm bảo việc lắp đặt, kiểm tra hiệu chỉnh khe hở – lắp ráp máy. Để tránh khe hở chỗ nối dùng các buloong kéo.

yếu tố quan trọng cùa kết cấu vỏ là buồng hút và cửa hút.

Dạng cửa hút và cửa đẩy máy nén khí trục vít

Như chỉ ra sau đây, tổn hao trên đường hút làm giảm hiệu suất lưu lượng máy nén, tăng tiêu hao năng lượng khi nén khí. Để giảm tổn hao đó, nhiệm vụ quan trọng của nhà thiết kế là:

Xây dựng khoang dẫn mà từ đó khí đi vào khoang vít theo hướng gần với hướng dọc tâm trục vít, hạn chế các khuỷu, vùng xoáy,…

Chọn tiết diện cửa hút phù hợp – giá trị góc ở tâm (Xib và a2b (hình 3-10) của rãnh vòng cửa hút.

Tăng có thể được tiết diện rãnh hút làm giảm vận tốc chuyển động của khí cửa vào.

Sự mở rộng và thiên hướng gần với hướng dọc tâm của rãnh hút làm cản trở kích thước hướng kính của bộ làm kín, đặc biệt là bộ bánh răng liên kết mà thường được lắp trên hướng cửa hút.

Việc chuyển bộ bánh răng liên kết sang hướng cửa đẩy và việc giảm kích thước hướng kính của bộ làm kín và ổ trục đến tối thiểu cho phép được dẫn dòng khí theo hướng dọc trục vít. Trên hình 3-9 chỉ ra dạng cửa hút đối với biên dạng răng tròn đối xứng và biên dạng không đôi xứng.

Trong buồng ăn khớp sự giãn nở khí tạo nên càng lớn thì sự rò ri qua khe hở càng nhỏ. Vào thời điểm nối buồng ăn khớp này với buồng hút xảy ra sự điền đầy khí rất nhanh tạo nên sự va đập. Đó là nguyên nhân tổn thất và sinh ra tiếng ồn ở phía cửa hút máy nén.

Việc nối sớm thể tích ăn khớp của răng với buồng hút sẽ làm giảm thể tích ăn khớp. Với mục đích đó, cửa hút phía đối diện với chỗ ăn khớp răng người ta làm rãnh hình nêm, còn trên phần lưng của răng vít chủ động, người ta tạo ra rãnh như chỉ trên hình 3-9. Thể tích ăn khớp W chiếm khoảng 0,2% thể tích toàn phần cặp khoang. Những vít có biên dạng hình tròn đối xứng về lý thuyết không có thể tích ăn khớp này.

Đối diện với cửa hút theo đường chéo của hình chiếu cạnh trên vỏ là cửa sổ thông với ống đẩy.

Ở máy nén có hệ số nén trong không cao, cửa đẩy được bố trí bên sườn, từ mặt đầu vít, khi đó kích thước của nó không lớn.

Ở máy nén có hệ số nén trong cao hay máy có số mối ren ít, cửa sổ buồng đẩy chủ yếu đặt ở trên mặt đầu trục vít. Diện tích cửa sổ đẩy trường hợp này không lớn. Điều đó dẫn tới tăng tổn thất cửa đẩy.

Kết cấu cửa đẩy trên mặt phẳng dọc trục và phần mặt đầu cửa đẩy chỉ ra trên hình 3-10.Ống đẩy phải đặt như thế nào đó để phần tiết diện của nó đặt trên mặt đầu phải không nhỏ hơn diện tích phần mặt đầu buồng đẩy.

Phần cửa đẩy được đặt ở phía cạnh vít có mép ngắt được bố trí trên bề mặt tiện hình trụ của vỏ trên trục vít. Phần này thực tế có hình dạng như nhau đối với biên dạng bất kỳ. Phần cửa sổ trong mặt đầu có dạng copy biên dạng mặt đầu của vít. Vì vậy dạng phần này cửa đẩy phụ thuộc vào dạng răng.

Trên hình chiếu cạnh (hình 3-10). chỉ ra dạng phần mặt đầu cửa đẩy (FT) đối diện với biên dạng răng tròn. Đối với biên dạng răng không đối xứng, phần mặt đầu cửa đẩy chỉ ra trên hình 3-10.

Đối với biên dạng răng không đối xứng thì cửa đẩy cũng không đổi xứng, hơn nữa phía bên trái, bên vít bị động mép cửa đẩy hạ thấp xuống đến mặt phẳng tháo được (mặt phẳng đi qua các đường tâm trục vít) với mục đích dẫn hoàn toàn khí từ khoang ăn khớp ra buồng đẩy.

Trong thể tích ăn khớp phía buồng đẩy, khí được nén đến áp suất cao hơn áp suất buồng đẩy, điều đó làm tăng tổn thất năng lượng. Bởi vậy thể tích này thiết kế theo quan điểm nhỏ nhất. Ở vít có những biên dạng răng tròn đối xứng thể tích ăn khớp này không có nên cửa sổ buồng đẩy có dạng đơn giản hơn. Cặp bánh răng liên kết truyền một lượng không lớn mômen xoắn của máy nén nếu như dẫn động qua trục vít chủ động. Lượng mômen xoắn qua đây khoảng 4-10% mômen xoắn chung.