Nghiên cứu thiết kế chế tạo bơm root ứng dụng trong công nghiệp

NGUYỄN THÀNH TRUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

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


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. NGUYỄN HỒNG THÁI

Hà Nội – 2015

i


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là NGUYỄN THÀNH TRUNG, học viên cao học lớp 14BCĐT.KH,
khóa 2014B, chuyên ngành Cơ điện tử. 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.
NGUYỄN HỒNG THÁI, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ.
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.
Tôi xin tự chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.
Hà Nội, Ngày 21 tháng 11 năm 2015
Tác giả

NGUYỄN THÀNH TRUNG

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... II
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................V
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ VI

DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... IX
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BƠM ROOT ..........................................................5
1.1 GIỚI THIỆU VỀ BƠM ROOT ..........................................................................5
1.2 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO.....................................................6
1.2.1 Nguyên lý hoạt động...................................................................................6
1.2.2 Cấu tạo ........................................................................................................7
1.3 ƯU ĐIỂM CỦA BƠM ROOT ...........................................................................8
1.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA BƠM ROOT ............................................................11
1.5 MỘT SỐ HÃNG CHẾ TẠO BƠM ROOT TRONG CÔNG NGHIỆP ............14
1.5.1 Hãng Wright Flow Technologies (USA)..................................................14
1.5.2 Hãng ipp Pump Products GmbH (Germany)............................................15
1.5.3 Hãng Viking Pump (USA)........................................................................17
1.6 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ THẾ GIỚI VỀ BƠM ROOT .18
1.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG I .................................................................................22
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC BƠM ROOT KIỂU XYCLÔÍT .................23
2.1 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG HYPÔXYCLÔÍT..........................23
2.2 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG EPIXICLÔÍT ................................25
2.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH BIÊN DẠNG CÁNH BƠM..........................28
2.4 XÁC ĐỊNH CÁC BIỂU THỨC TÍNH TOÁN THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC
HÌNH HỌC CỦA BƠM.........................................................................................30
2.4.1 Bơm Root 2 cánh (Z = 2).........................................................................30
2.4.2 Bơm Root 3 cánh (Z = 3)..........................................................................31
2.4.3 Bơm Root 4 cánh (Z = 4)..........................................................................31
2.4.4 Bơm Root 5 cánh (Z = 5)..........................................................................32
2.4.5 Bơm Root Z răng ......................................................................................33
2.5 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG..34
2.5.1 Sơ đồ thuật toán thiết kế biên dạng ..........................................................34
2.5.2 Phần mềm mô phỏng động học và nguyên lý hoạt động..........................36
2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.................................................................................40

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC BƠM ROOT KIỂU MỚI THEO NGUYÊN
LÝ BÁNH RĂNG KHÔNG TRÒN .........................................................................42
3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................42
3.2 ĐỊNH NGHĨA VÀ TÍNH CHẤT ĐƯỜNG ELIP ............................................46

iii


3.2.1 Định nghĩa đường Elip .............................................................................46
3.2.2 Phương trình đường Elip trong hệ tọa độ đề-các......................................46
3.2.3 Phương trình đường Elip trong hệ tọa độ cực ..........................................47
3.2.4 Tính chất đường Elip ................................................................................48
3.3 THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LĂN ..............................................49
3.3.1 Tính toán tổng quát đường lăn bánh răng không tròn ..............................49
3.3.2 Tính toán đường lăn cho bánh răng Elíp ..................................................51
3.3.3 Tính toán đường lăn cho cặp bánh răng lôbe............................................53
3.4 MỘT SỐ VÍ DỤ ÁP DỤNG.............................................................................54
3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.................................................................................56
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG BƠM ROOT KIỂU BIÊN DẠNG
XYCLÔÍT .................................................................................................................57
4.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH ...................................................................................57
4.2 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM 2 RĂNG...........................................59
4.3 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM 3 RĂNG...........................................62
4.4 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM 4 RĂNG...........................................65
4.5 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM 5 RĂNG...........................................68
4.6 TÍNH TOÁN LƯU LƯỢNG VỚI BƠM VỚI TRƯỜNG HỢP TỔNG QUÁT
...............................................................................................................................72
4.7 VÍ DỤ ÁP DỤNG ............................................................................................74
4.7.1 Tính toán các trường hợp cụ thể ...............................................................74
4.7.2 Đường đặc tính lưu lượng bơm ................................................................77

4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.................................................................................78
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM ROOT LOẠI 2 RĂNG...................79
5.1 KẾT CẤU CỦA BƠM .....................................................................................79
5.2 TÍNH TOÁN MOMENT TÁC DỤNG LÊN TRỤC........................................80
5.3 TÍNH TOÁN BÁNH RĂNG ...........................................................................83
4.4 TÍNH TOÁN TRỤC ........................................................................................90
5.5 TÍNH CHỌN Ổ LĂN.......................................................................................95
5.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5.................................................................................97
KẾT LUẬN ...............................................................................................................98
PHỤ LỤC 1: BẢN VẼ THIẾT KẾ .........................................................................103
PHỤ LỤC 2: SẢN PHẨM CHẾ TẠO....................................................................104
PHỤ LỤC 3: MÃ CODE CHƯƠNG TRÌNH.........................................................106

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Nội dung, ý nghĩa

1{O1x1y1}

: hệ quy chiếu gắn trên đĩa con lăn

2{O2x2y2}

: hệ quy chiếu gắn trên bánh răng Hypôxyclôít, Epixyclôít

3{O3x3y3}

: hệ quy chiếu gắn trên bạc lệch tâm



: 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  2 và  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

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
STT

Nội dung

Trang

Hình 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 LPCVD SI-N [7]

19

Sự khác nhau biên dạng giữa hai phương pháp thiết kế mới và
Hình 1.16 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

vi


Hình 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
35
thông số động học các thông số động học

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

vii


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

99

Ảnh chụp bơm Root sau khi chế tạo

viii


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
74
được dùng phổ biến trong công nghiệp

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

ix



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).
Như đã trình bày ở trên, cùng với sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn TS.
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.

1


+

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.

2


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.
VI NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
Luận văn được trình bày 104 trang và 15 trang phụ lục bao gồm (tập bản vẽ,
các kết quả tính toán, mã code chương trình v.v...) 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. Trên cơ sở đó tiến hành viết
phần mềm mô phỏng hình động học trên phần mềm Visual Studio nhằm kiểm tra
tính đúng đắn của các phương trình đã thiết lập. Đây cũng là tiền đề cho các
chương tiếp theo.
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.

3


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 2, 3, 4, 5 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.

4


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]

5


1.2 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO
1.2.1 Nguyên lý hoạt động
Cấu tạo của bơm Root bao gồm các thành phần 2 bánh răng thường là bánh răng
nghiêng hoặc chữ V. Hai bánh răng được đặt ở khoang riêng gồm một bánh chủ

động và một bánh bị động ăn khớp với nhau theo kiểu ăn khớp ngoài và có tỉ số
truyền là 1:1. Chúng có tác dụng truyền chuyển động đến hai cánh bơm (thành phần
chính) với biên dạng là các đường Epixyclôít và Hypôxyclôít đặt trong khoang
bơm, hai cánh bơm quay ngược chiều nhưng cùng tốc độ tạo ra các khoang hút và
đẩy. Bơm Root có nhiều loại với số cánh bơm khác nhau như loại 2 răng, 3 răng, 4
răng, 5 răng v.v..., nhưng loại 2 răng và 3 răng là những loại được dùng phổ biến
nhất do có ưu điểm lưu lượng lớn.
Để minh họa cho nguyên lý hoạt động, trên hình 1.2 dưới đấy là vị trí của các
cánh bơm thể hiện quá trình hút và nén khi trục chính của bơm quay ở các vị trí
khác nhau. Trên hình 1.2a, 2 cánh bơm 1 và 2 quay đến vị trí 0o tạo ra khoang trống
3 có áp suất thấp hơn bên ngoài hút chất lỏng (không khí) vào khoang này qua cửa
vào. Hai cánh bơm 1, 2 tiếp tục quay, ăn khớp với nhau tạo ra các khoang có trống
để chứa chất lỏng (không khí) như trên hình 1.2b, 1.2c. Trên hình 1.2d, khi cánh
bơm ở vị trí 180o, chất lỏng (không khí) được các cánh bơm đưa sang khoang 4, tại
đây áp suất tăng và lớn hơn bên ngoài khiến chất lỏng (không khí) bị nén lại và đẩy
ra ngoài ở cửa ra.

o

3

Cửa ra

2

1

a.Vị trí 0

4

o

o

b.Vị trí 45

c.Vị trí 90

Cửa vào

o

d.Vị trí 180

Hình 1.2 Các vtrí của cánh bơm trong quá trình trục chính

Đặc biệt, khi thay đổi cách bố trí cửa vào, ra của bơm hay cách ghép nối các bơm
với nhau ta có được như sau:

6


+ Nếu cửa vào lắp vào một bình kín sẽ tạo ra máy hút chân không.
+ Nếu cửa ra được nối với ống và sục xuống nước thì gọi là máy sục khí.
+ Khi kết hợp nhiều bơm với nhau có thể tạo thành máy trộn cho các loại nguyên
liệu ở dạng lỏng được đưa vào từ cửa vào.
1.2.2 Cấu tạo
Bơm Root được cấu tạo từ các bộ phận chính là cánh bơm (có biên dạng là các
đường Epixyclôít và Hypôxyclôít), trục dẫn động, bánh răng thân khai, giá đỡ. Hình

1.3 minh họa một cách tổng quát cho cấu tạo của bơm Root.
Đường hồi khí
Vỏ khoang làm việc
Ổ côn đũa

Vỏ hộp dầu

Cánh bơm

Trục dẫn động

Giá đỡ
Ổ trượt

Bánh răng trụ răng nghiêng

Hình 1.3 Cấu tạo bơm Root [2]

Vỏ khoang làm việc chứa hai cánh bơm. Vỏ này phải đảm bảo kín khít với cánh
bơm và do bơm Root là loại bơm hai cánh dẫn đến trong quá trình hoạt động sinh

7


nhiệt rất lớn do ma sát trong quá trình ăn khớp và với thành ở mắt đầu, chính vì vậy
vỏ khoang làm việc cần phải có các cánh tản nhiệt ra môi trường xung quanh và
trong một số môi trường làm việc khắc nghiệt vỏ khoang làm việc còn cần phải có
cơ cấu làm mát bằng dung dịch.
Cánh bơm được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau sao cho phụ hợp với
yêu cầu sử dụng. Biên dạng cánh bơm được xây dựng từ một số loại đường Xyclôít

nhằm tối ưu cho từng trường hợp cụ thể.
Cặp bánh răng trụ răng nghiêng có cùng thông số kĩ thuật được đặt trong
khoang riêng có chứa dầu bôi trơn nhằm đảm bảo tỷ số truyền 1:1 cho hai cánh
bơm. Cặp bánh răng này được kết nối với hai cánh bơm thông qua trục dẫn động.
Trục dẫn động gồm một trục chủ động nối với động cơ thông qua một khớp nối.
Trục này được giới hạn dọc trục bằng cặp ổ đũa côn bố trí kiểu chữa X và truyền
mômen cho cặp bánh răng và hai cánh bơm bằng then. Trục được đỡ bằng ổ trượt
có khả năng chống ăn mòn cao.
Các bộ phận chính nêu trên cũng như các bộ phận khác của bơm Root được đặt
trên giá đỡ và sử dụng tối đa các chi tiết tiêu chuẩn để dễ dang thay thế và sửa chữa.
Ngoài ra ,các chi tiết được gắn kết với nhau bằng vít và được định vị bằng các chốt
trụ để tạo thuận lợi cho quá trình lắp ráp.
1.3 ƯU ĐIỂM CỦA BƠM ROOT
Như chúng ta đã biết bơm Root được ứng dụng nhiều trong các ngành công
nghiệp cũng như đời sống dân sinh với các ưu điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn,
lưu lượng lớn, ma sát giảm v.v... Vậy để hiểu rõ được những ưu điểm của bơm Root
trong phần tiếp theo ta sẽ mô tả cụ thể các ưu điểm này.
 Về kích thước tổng thể
Kích thước tổng thể của bơm Root nhỏ hơn các loại bơm có cùng công suất
cũng như lưu lượng. Cụ thể chiều dài tổng cộng mà bơm Root có lưu lương là
30m3/giờ nhỏ hơn bơm trục-vít lệch tâm (từ đầy trở về sau trong luận văn này xin

8


gọi là bơm TL) có cùng lưu lượng là 50% [3]. Ta có thể thầy rõ điều này trong hình
1.4.

Bơm Root

Bơm TL

Hình 1.4 So sánh kích thước của bơm Root và bơm trục vít lệch tâm [3]

Trong đồ thị hình 1.5 ta càng có một cái nhìn đầy đủ hơn về sự vượt trội của
bơm Root so với loại bơm TL. Khi quan sát kĩ đồ thị ta thấy chiều dài của bơm
Root có thể tiết kiệm được hơn đến hơn 50% so với bơm TL có cùng thể tích đầu ra
sau mỗi vòng quay.
Chiều dài bơm

Bơm Trục - vít lệch tâm
Bơm Root
Bơm Trục-vít lệch tâm

Bơm trục-vít lệch tâm chiếm
50% không gian lắp đặt so với
bơm Root

Bơm Root

Lưu lượng (Gal/vòng)

Hình 1.5 Đồ thị liên hệ chiều dài và lưu lượng của bơm Root và bơm TL [3]

9


 Về hiệu suất
Để thấy được hiệu suất của bơm Root ta phải xét trên cả phương diện lưu lượng
lẫn hiếu suất tổng thể (gồm khe hở tạo ra so ma sát và mô-men xoắn). Ta phải xét cả

hai phương diện như vậy là vì nếu lấy đối tượng cụ thể để so sánh là bơm TL, với
bơm có công suất nhỏ thì bơm TL có hiệu suất về lưu lượng cao hơn bơm Root,
nhưng với loại bơm có công suất cao hơn thường được dùng trong công nghiệp thì
bơm Root lại thể hiện sự vượt trội hơn về mọi mặt. Trong đồ thị hình 1.6 đã thể hiện
rõ điều này (các giá trị được đo với nước ở 70oF và áp suất bơm là 58 PSI).
Hiệu suất

Bơm Root
Bơm TL

Hiệu suất dung tích đầu ra của bơm Root
Hiệu suất tổng thể của bơm Root
Hiệu suất dung tích đầu ra của bơm TL
Hiệu suất tổng thể của bơm TL

Lưu lượng (Gal/vòng)

Hình 1.6 Đồ thị liên hệ giữa hiệu suất và dung tích của bơm Root và bơm TL[3]

 Về rung động và ma sát
Với đặc điểm cấu tạo của bơm vấn đề rung động và ma sát trong khi hoạt động
của bơm Root là rất nhỏ. Bơm Root có được ưu điểm này phần lớn là do cấu tạo của
biên dạng cánh bơm và độ chính xác trong gia công làm giảm ứng suất cũng như ma
sát tiếp xúc. Ngoài ra để chứng minh rõ thêm cho về việc ma sát nhỏ ta có đồ thị
nhiệt độ đo được trong khi hoạt động của bơm Root và bơm TL.

10


Nhiệt độ

Bơm TL

Bơm Root

Thời gian làm việc

Hình 1.7 Đồ thị nhiệt độ đo được trong thời gian làm việc [3]

 Các ưu điểm khác
Ngoài các ưu điểm nêu ở trên bơm Root còn có một số ưu điểm nổi trội khác
như dễ thay thế, sửa chữa cũng như làm việc trong nhiều điều kiện đặc biệt mà các
loại bơm khác khó có thể đảm nhận được như với các chất lỏng sinh hóa học có độ
nhớt cao hay sử dụng để bơm các dạng vật chất quánh sệt trong hầm biogas [3].
Hơn nữa tốc độ quay của cánh bơm lớn có thể lên đến 1580 (vòng/phút) tạo ra vận
tốc trượt của vật liệu lên tới 5m/s [3] chính vì vậy mà lưu lượng bơm sinh ra là rất
lớn so với những bơm cùng loại.
1.4 CÁC ỨNG DỤNG CỦA BƠM ROOT
Với những ưu điểm nổi trội, bơm Root được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất
công nghiệp như trong ngành sản xuất thực phẩm, đồ uống, ngành môi trường v.v...
Ngoài ra, bơm Root còn được sử dụng nhiều trong các hoạt động của đời sống dân
sinh như sử dụng trong các nông trại, hút chất thải trong bể biogas v.v... Dưới đây là
một số ứng dụng cụ thể của bơm Root vào các hoạt động sản xuất công nghiệp.
Bơm Root sử dụng trên xe phun phân bón hữu cơ (hình 1.8) có lưu lượng 5000
l/phút, hoạt động nhờ một động cơ diezen thông qua trục PTO.

11


Hinh 1.8 Xe phun phân bón hữu cơ di động [4]

Hệ thống làm sạch chất thải trong bể dự trữ là hệ thống hút các chất thải dạng
quánh sệt ra ngoài nhờ bơm Root. Bơm Root trong hệ thống này hoạt động với lưu
lượng 120 m3/giờ với áp suất đầu ra là 1 bar.

Hình 1.9 Hệ thống làm sạch chất thải trong bể dự trữ [4]

12


Bơm Root được sử dụng trong dấy chuyền sản xuất đồ ăn đóng hộp (hình 1.10)
có biên dạng cánh bơm được thiết kế đặc biệt để giảm thiểu và ngăn chặn những
rung động trong quá trình hoạt động.

Hình 1.10 Bơm Root trong dây chuyền sản xuất đồ ăn đóng hộp [4]

Trong dây chuyền sản xuất nước ép trái cây (hình 1.11), bơm Root hoạt động
liên tục ở nhiệt độ 8oC tạo ra dòng chảy với lưu lượng 20 m3/h và áp suất được giữ
đều ở mức 2 bar.

Hình 1.11 Một trạm trong dây chuyền sản xuất nước ép trái cây [4]

13


1.5 MỘT SỐ HÃNG CHẾ TẠO BƠM ROOT TRONG CÔNG NGHIỆP
1.5.1 Hãng Wright Flow Technologies (USA)
Năm 1977, hai công ti Johnson Pumps và Evridge Engineering đã hợp tác cho
ra đời công ty chuyên về sản xuất bơm Root (còn gọi là bơm Lobe) là Evro Johnson
Pumps Ltd. Năm 1983, Evro Johnson Pumps Ltd chuyển về đến Eastbourne, East

Sussex, UK và ở đó đến tận ngày nay. Năm 1989 là một mốc son quan trọng của
Evro Johnson Pumps Ltd với những nghiên cứu mang ý nghĩa lớn lao cùng với sự
phát triển chóng mặt về công nghê cũng như nguồn lực sản xuất và đặc biệt Evro
Johnson Pumps Ltd đã đổi tên thành Johnson Pump (UK) Ltd. Năm 1992, tập đoàn
IDEX Corporation đã mua lại Johnson Pump (UK) Ltd. Sau khi được mua lại và tái
cấu trúc, Johnson Pump (UK) Ltd được đổi tên thành Wright Pump, Inc và vào năm
1996 công ti đã chuyển trụ sở chính về Muskego, Wisconsin, USA. Sau đó ngoài
sản phẩm chủ lực là bơm Root, công ti mở rộng sản xuất kinh doanh sang các loại
bơm piston rồi tiếp tục phát triển thêm các sản phẩm bơm khác phục vụ cho ngành
sản xuất thuốc, ngành công nghiệp công nghệ sinh học cũng như vệ sinh môi
trường. Từ năm 2008, công ti lại một lần nữa đổi tên thành Wright Flow
Technologies và tên này được giữ cho đến tận ngày nay. Hiện nay, mạng lưới phân
phối và kinh doanh của Wright Flow Technologies đã được mở rộng sang nhiều
nước với sản phẩm chính là bơm piston, bơm Root, bơm li tâm [5].
Dưới đây là dòng sản phẩm tiêu biểu mang tính cách mạng của công ty, dòng
sản phẩm Revolution.

Hình 1.12 Dòng sản phẩm Revolution - Wright Flow Technologies [5]

14