- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Nghiên cứu, tính toán dòng chảy thủy lực qua van phân phối điều khiển cột chống mỏ hầm lò
Xem mẫu
- HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
Nghiên cứu, tính toán dòng chảy thủy lực qua van phân phối
điều khiển cột chống mỏ hầm lò
Nguyễn Đăng Tấn 1, *, Nguyễn Khắc Lĩnh 1, Lê Thị Hồng Thắng 1, Nguyễn Văn Xô 1
1 Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ Địa chất, Việt Nam
THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT
Quá trình:
Van phân phối thủy lực được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị chống giữ thủy
Nhận bài 15/04/2021 lực trong khai thác than hầm lò. Trong tính toán thiết kế van phân phối thủy
Chấp nhận 16/8/2021 lực cần xác định được đường đặc tính quan hệ giữa tổn thất áp suất và lưu
Đăng online 19/12/2021 lượng của van. Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và công thức thực nghiệm giúp
Từ khóa: xây dựng đường đặc tính này. Tuy nhiên, trong tính toán chỉ đề cập đến tổn
tổn thất áp suất, lưu thất khi đi qua các tiết diện khác nhau với hệ số lưu lượng cho trước mà
lượng, dòng chảy, mô
không xác định được tổn thất cục bộ khi chất lỏng đi qua van. Trong thực tế,
đường đặc tính này thường được xác định bằng thí nghiệm. Nhằm xác định
phỏng, van điều khiển tổn thất, vận tốc, áp suất của chất lỏng đi qua van, nghiên cứu xác định các
hướng thủy lực điều kiện đầu vào của van để tiến hành tính toán mô phỏng dòng chảy qua
van. Đường đặc tính tổn thất áp suất – lưu lượng cho phép người thiết kế xác
định giá trị tổn thất áp suất khi thiết kế van có nằm trong phạm vi cho phép
hay không và đề xuất phương án thay đổi cho phù hợp.
© 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm.
1. Đặt vấn đề xylanh thủy lực, mô men và tốc độ quay của motor
thủy lực).
Trong bất kỳ hệ thống vận hành bằng thủy lực Thực tế những năm gần đây sản lượng khai thác
đều có sự xuất hiện của van điều khiển thủy lực. than của Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản
Chúng được lắp ở nhiều vị trí và thực hiện những Việt Nam đã tăng trưởng với tốc độ khá cao, từ 27,5
nhiệm vụ khác nhau. Trong hệ thống thủy lực, triệu tấn năm 2004 lên đến 47,5 triệu tấn năm
ngoài bơm thủy lực, motor, hay xylanh thì các van 2010. Theo kế hoạch phát triển của Tập đoàn sản
thủy lực giữ vai trò rất quan trọng làm nhiệm vụ lượng khai thác sẽ tăng nhanh, trung bình 6,4%
điều chỉnh và điều khiển các thông số đầu vào và năm giai đoạn 2011-2015 và 4,6% năm giai đoạn
đầu ra của hệ thống (Nguyễn Đức Sướng, 2019). 2016-2025 đạt tổng sản lượng khai thác khoảng
Trong đó, van điều khiển được lắp đặt trong mỗi 60,3 triệu tấn vào năm 2015, trong đó sản lượng
mạch của một cơ cấu chấp hành, chúng có nhiệm khai thác hầm lò chiếm hơn 60%. Để đạt được
vụ chính như sau (Nguyễn Tài, 1996): những mục tiêu trên thì các mỏ than hầm lò phải
- Phân phối dòng chất lỏng có áp lực cao cho các tiến hành đổi mới công nghệ khai thác, đẩy mạnh
cơ cấu chấp hành (xylanh, motor thủy lực) áp dụng thiết bị khai thác tiên tiến, công suất lớn và
- Đảo chiều chuyển động của cơ cấu chấp hành áp dụng dây chuyền khai thác hiện đại tức là phải
khi dùng bơm một chiều hoặc dòng năng lượng cơ giới hóa khai thác lò chợ để nâng cao năng suất
một chiều và hiệu quả, sản lượng khai thác (Công ty than Khe
- Điều chỉnh các thông số đầu ra của cơ cấu chấp Chàm, 2013).
hành (lực và tốc độ tịnh tiến của piston trong Hiện nay, tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh
gồm 06 có lò chợ áp dụng công nghệ khai thác cơ
167
- HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
giới hóa đồng bộ. Cột chống và kích được điều được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm
khiển bằng các van tay độc lập (Hình 1). Dung dịch (Joseph E. Schigley, 1996). Nhằm giảm bớt chi phí
được cấp đến của P, con trượt của van điều khiển cho việc sửa đổi, thử nghiệm khi chế tạo van phân
được kéo sang trái, dung dịch qua van điều khiển phối thủy lực cho các cột chống, giàn chống sử dụng
đến khóa thủy lực, khi lực đẩy do dung dịch lớn hơn trong mỏ hầm lò. Đối với van phân phối thủy lực,
lực nén lò xo lên bị chặn, van một chiều của khóa tiết diện lõi van không chỉ có một vị trí thay đổi mà
thủy lực mở, dung dịch được cấp vào khoang sau còn có nhiều vị trí khác nhau. Để xác định tổn thất
cán pison và đẩy piston của cột chống đi ra. Van qua các vị trí này cần phải tách và tính riêng rẽ các
một chiều của khóa thủy lực có vai trò chống tụt tổn thất. Để có cái nhìn trực quan cũng như chính
piston khi có sự cố trên đường cấp dung dịch cũng xác hơn, phương án mô phỏng dòng chảy được áp
như dò rỉ dung dịch qua van điều khiển. Nếu áp dụng. Bài báo nghiên cứu xây dựng đường đặc tính
suất trên đường ống sau van một chiều tới cột quan hệ áp suất cột áp bằng phương pháp tính toán
chống lớn hơn áp suất cho phép, van an toàn mở. cũng như phương pháp mô phỏng dòng chảy.
Để hạ cột chống, con trượt của van điều khiển được
đẩy sang phải, dung dịch từ của P cấp vào đường
ống với phía cán piston của cột chống. Van một
chiều trên đường ống cấp để nâng cột chống khóa
làm dung dịch không thể hồi qua van về đường hồi.
Để mở van một chiều, đường dung dịch điều khiển
được nối với van một chiều (chức năng của van
một chiều và đường dung dịch điều khiển được gọi
là khóa thủy lực) để mở van một chiều. Khi đó,
đường dung dịch khoang dưới cán piston bị đẩy
qua van một chiều về đường hồi.
Hình 1 Cấu tạo van thủy lực điều khiển tay 4/3
Để đảm bảo an toàn cho thiết bị chống giữ lò
chợ, các loại xy lanh thủy lực cũng như các phần tử 2. Xác định tổn thất bằng công thức toán học
trong hệ thống thủy lực phải được kiểm định 2.1. Cơ sở lý thuyết
nghiêm ngặt theo quy chuẩn quốc gia về an toàn vì
chống thủy lực sử dụng trong mỏ than hầm lò theo Chất lỏng di chuyển từ qua cửa từ P đến A hoặc
QCVN 03:2017/BCT (Bộ công thương, 2017). B và từ A hoặc B về T sẽ chịu tổn thất. Phương trình
Ngoài các yêu cầu về mô men thao tác, độ kín, độ Bernoulli có giá trị đối với dòng chảy ổn định, theo
bền, độ an toàn thì đặc tính lưu lượng áp suất là định luật bảo toàn lưu lượng, tốc độ dòng chảy vào
thông số rất quan trọng. Đặc tính lưu lượng – áp và ra là như nhau, nghĩa là 𝑄𝑣à𝑜 = 𝑄𝑟𝑎 (Nguyễn
suất phải thỏa mãn các điều kiện sau: Đức Sướng, 2018). Lưu lượng dung dịch qua tiết
- Lưu lượng đinh mức của van đổi hướng nhỏ diện bất kỳ là phần thể tích dung dịch chảy qua tiết
hơn hoặc bằng 125 lít/phút, tổn thất áp suất cấp diện đó trong một đơn vị thời gian được xác định
hồi dịch phải nhỏ hơn 5 MPa. theo công thức sau (George E. Totten, Victor J. De
- Lưu lượng định mức của van đổi hướng lớn Negri, 2012).
∆𝑉
hơn 125 lít/phút và nhỏ hơn hoặc bằng 250 𝑄 = ∆𝑡 = 𝑆 ∙ 𝑣 (1)
lít/phút tổn thất áp suất cấp hồi dịch phải nhỏ hơn Trong đó:
6 Mpa 𝑆(𝑚2 ) tiết diện mà dung dịch đi qua
- Lưu lượng định mức của van đổi hướng lớn 𝑣(𝑚/𝑠) vận tốc chuyển động của dung
hơn 250 lít/phút, tổn thất áp suất cấp hồi dịch phải dịch
nhỏ hơn 7 MPa. Khảo sát chuyển động của dung dịch qua một
Để thiết kế, chế tạo van phân phối thủy lực cần ống có tiết diện khác nhau (xem Hình 2).
phải xác định đường đặc tính quan hệ áp suất lưu
lượng qua van. Thông thường, đường đặc tính này
168
- HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
thất lớn nhất. Để tính toán tổn thất áp suất theo lưu
lượng cần xác định các thông số sau:
• Diện tích tiết diện nhỏ nhất dòng chảy đi
qua
𝜋𝑑2 3,14 ∗ 0,0082
𝑆= = = 0,00005024 𝑚2
4 4
Hình 2 Lưu lượng chất lỏng qua các tiết diện • Khối lượng riêng dung dịch nhũ tương 𝜌 =
khác nhau 1000 𝑘𝑔/𝑚3
Tại vị trí 1 có tiết diện 𝑆1 và vận tốc 𝑣
⃗⃗⃗⃗1 , tại vị trí • Hệ số lưu lượng chọn 𝛼 = 0,8
2 có tiết diện 𝑆2 và vận tốc ⃗⃗⃗⃗
𝑣2 . Thay đổi phạm vi lưu lượng từ 10 l/ph đến 80
Để đảm bảo lưu lượng yêu cầu vận tốc dung dịch l/ph để đánh giá tổn thất áp suất, áp suất dung dịch
qua van được xác định: đầu ra yêu cầu từ 28 MPa. Tại cửa A hoặc B, đường
𝑄 𝑚
𝑣1 = 𝑆1 , 𝑠 (2) kính lỗ d_2=18 mm nên có thể tính vận tốc dòng
1
Nối mạch chung của các sức cản dòng chảy để chảy tại cửa A hoặc B. Kết quả tính toán tổn thất áp
điều khiển tĩnh các chuyển động cơ cấu chấp chấp suất theo lưu lượng van được thể hiện trên Bảng 1.
hành hoặc các phân tố điều khiển trong cả hệ thống, Do kích thước của van điều khiển từ cửa P đến A (P
chúng phải chịu ảnh hưởng công suất lớn (George đến B) như nhau, do đó tổn thất áp suất khi cùng
E. Totten, Victor J. De Negri, 2017). Các sức cản này lưu lượng qua là như nhau. Đường đặc tính này
để điều khiển áp suất và điều khiển lưu lượng được được thể hiện trên Hình 3.
ứng dụng trước hết là ở các van. Lưu lượng chảy Bảng 1 Tổn thất áp suất theo lưu lượng qua
qua tiết lưu nói chung được tính toán phụ thuộcvào van theo tính toán lý thuyết
độ chênh áp suất ∆p của dòng chảy theo công thức 𝑄 (𝑙/𝑝ℎ) 𝑣1 (𝑚/𝑠) ∆𝑝 (𝑀𝑃𝑎)
sau (Nguyễn Đức Sướng, 2018): 10 0,655291 0,017195637
2 20 1,310582 0,068782547
𝑄 = 𝑆𝛼 √ ∆𝑝 (3) 30 1,965872 0,154760731
𝜌
Trong đó: S- diện tích chất lỏng đi qua 40 2,621163 0,275130189
𝛼- hệ số lưu lượng phụ thuộc vào 50 3,276454 0,42989092
cấu trúc và vị trí tiết lưu có giá trị trong khoảng 0,6 60 3,931745 0,619042925
đến 1. 70 4,587036 0,842586204
Từ đó xác định được tổn thất áp suất như sau: 80 5,242327 1,100520756
𝑄2 𝜌
∆𝑝 = 𝑆 2 𝛼2 ∗ 2 (4)
Một đường cong đặc tính tiêu biểu của van điều
khiển dòng chảy là đồ thị tổn thất áp suất ∆p và lưu
lượng thủy lực Q qua mỗi đường dòng chảy. Khi
chất lỏng chuyển động qua tiết diện thu hẹp làm
cho tổn thất áp suất tăng lên. Tổn thất dòng chảy có
thể khác nhau khi chất lỏng di chuyển theo cửa P-
A, P-B và A-T, B-T (HerbertWittel và nnk, 2017).
2.2. Xây dựng đường đặc tính quan hệ áp suất –
lưu lượng
Hình 3 Đặc tính tổn thất áp suất theo lưu lượng
Để xác định được diện tích chất lỏng đi qua van,
của van điều khiển từ P-A, P-B theo tính toán lý
van điều khiển thủy lực cho giàn chống được xây
thuyết
dựng bằng mô hình 3D. Đường kính lỗ dẫn dung
dịch nhỏ nhất bằng 8 mm, do đó tại vị trí này tổn
169
- HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
3. Mô phỏng dòng chảy
3.1. Điều kiện biên cho mô phỏng
Sau khi xây dựng mô hình van phân phối thủy
lực, để tiến hành mô phỏng dòng chảy qua van cần
khai báo các điều kiện biên. Trường hợp đầu tiên
lấy lưu lượng vào van 10 lít/phút tương đương
0,655 m/s (xem Bảng 1).
Hình 6 Phân bố áp suất, vận tốc ở đầu vào và
đầu ra khi lưu lượng Q = 10 lít/phút
3.2. Kết quả mô phỏng
Kết quả mô phỏng xác định phân bố vận tốc, áp
suất khi đi qua van được chỉ trên Hình 6. Do tổn
Hình 4 Khai báo vận tốc đầu vào thất cục bộ và tổn thất dọc đường nên áp suất giảm
dần khi đi từ đầu vào đến đầu ra của van. Với lưu
Do yêu cầu dung dịch cấp cho cột chống có áp lượng 10 lít/phút, tổn thất qua van được xác định
suất từ 28 MPa nên điều kiện biên cho áp suất đầu ∆p=29,9912-28,0486=0,0574 MPa. Vận tốc dung
ra được lấy bằng 28 MPa. Các khai báo vận tốc và dịch thay đổi khi đi qua các tiết diện khác nhau từ
áp suất được chỉ trên Hình 4, Hình 5. đầu vào đến đầu ra. Với vận tốc của vào 0,655 m/s,
tại các vị trí tiết diện thu hẹp, chất lỏng chuyển
động với vận tốc lớn nhất bằng 8,76 m/s. Bằng cách
thay đổi thông số lưu lượng vào của van để xác định
tổn thất áp suất qua van bằng phương pháp mô
phỏng. Kết quả mô phỏng được trình bày trên Bảng
2, Hình 7.
Bảng 2 Tổn thất áp suất theo lưu lượng qua
van theo phương pháp mô phỏng
𝑄 (𝑙 ∆𝑝(𝑀𝑃𝑎)
𝑣1 (𝑚/𝑠)
/𝑝ℎ)
Hình 5 Khai báo áp suất đầu ra 10 0,655291 0,0574
20 1,310582 0,204
30 1,965872 0,48
40 2,621163 0,88
50 3,276454 1,48
60 3,931745 2,1
70 4,587036 2,45
80 5,242327 3,05
170
- HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
• Giá trị tổn thất áp suất tính toán bằng
phương pháp mô phỏng lớn hơn giá trị
tính toán bằng phương pháp lý thuyết. Do
trong tính toán lý thuyết không tính toán
tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ của
dòng chảy khi tiết diện thay đổi tại vị trí
chuyển tiếp đường ống vào, ra và thân con
trượt. Giá trị tổn thất áp suất theo phương
pháp mô phỏng thu được từ 0,0574 MPa
đến 3,05 MPa khi lưu lượng thay đổi từ 10
lít/phút đến 80 lít/phút.
• Theo quy chuẩn quốc gia về an toàn vì
Hình 7 Đặc tính tổn thất áp suất theo lưu lượng chống thủy lực sử dụng trong mỏ than hầm
của van điều khiển từ P-A, P-B theo phương pháp lò theo QCVN 03:2017/BCT, giá trị tổn thất
mô phỏng áp suất bằng mô phỏng đạt giá trị 3,05 MPa
và nhỏ hơn giá trị cho phép 5 MPa nên đảm
Sự sai khác tổn thất giữa tính toán tổn thất áp
bảo yêu cầu.
suất theo lý thuyết và mô phỏng xác định tổn thất
Nhờ nghiên cứu, tính toán dòng chảy qua van
được chỉ trên Hình 8. Sự sai lệch tăng dần theo lưu
không những cho phép xác định tổn thất qua van
lượng qua van.
phân phân phối 4/3 điều khiển bằng tay mà còn
cho phép xác định tổn thất áp suất qua các loại van
phân phối thủy lực khác nhau.
Đóng góp của các tác giả
Tác giả Lê Thị Hồng Thắng, Nguyễn Văn Xô phụ
trách phần tình hình sử dụng van phân phối thủy
lực trong mỏ hầm lò, tác giả Nguyễn Khắc Lĩnh
nghiên cứu phần lý thuyết tổn thất dòng chảy qua
ống thu hẹp.
Hình 8 So sánh đặc tính tổn thất áp suất bằng Tài liệu tham khảo
tính toán lý thuyết và mô phỏng dòng chảy
Nguyễn Đức Sướng (2018). Hệ thống thủy khí
4. Kết luận trong máy và thiết bị công nghiệp hiện đại.
Nhờ vào cơ sở lý thuyết tính toán tổn thất áp Giáo trình Cao học Ngành Kỹ thuật Cơ khí
suất khi đi qua tiết diện thu hẹp giúp cho xác định động lực, Hà Nội.
đường đặc tính tổn thất áp suất – lưu lượng của Nguyễn Đức Sướng (2019). Phương pháp tính toán
dung dịch khi đi qua van. Đồng thời sử dụng mô các phần tử trong mạch điều khiển thủy khí
phỏng dòng chảy cho phép xây dựng đường đặc các máy và thiết bị công nghiệp. Giáo trình Cao
tính này. Kết quả nghiên cứu thu được như sau: học Ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Hà Nội
• Đã xây dựng được đường đặc tính tổn thất Nguyễn Tài (1996). Thủy lực Tập I. Nhà xuất
của van bằng phương pháp lý thuyết, tại bản xây dựng
cửa vào P và cửa ra A có tiết diện thay đổi George E. Totten, Victor J. De Negri (2012).
nên tổn thất cục bộ qua van bẳng tổng tổn Standard Handbook of Hydraulic Fluid
thất cục bộ tại hai vị trí này. Giá trị tổn thất Technology. Taylor & Francis Group, LLC
áp suất tính theo phương pháp lý thuyết Joseph E. Schigley (1996). Standard Handbook of
tăng dần từ 0,017 MPa đến 1,1 MPa Machine Design. McGraw-Hill.
171
- HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA
(MEAE2021)
HerbertWittel, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek, Tập đoàn cơ khí mỏ Trịnh Châu (2014). Giàn chống
Christian Spura (2017). Maschinenelemente thủy lực trung gian thu hồi than nóc loại
Normung, Berechnung, Gestaltung. Springer ZF4400/16/28. Quảng Ninh
Vieweg
Bộ công thương (2017). Quy chuẩn kỹ thuật quốc
gia về an toàn vì chống thủy lực sử dụng trong
mỏ than hầm lò, QCVN 03:2017/BCT
ABSTRACT
Research and calculation the pressure drop versus the flow rate through flow
path of manual directional control valve used in underground coal mines
Manual directional control valves are widely used for coal mine roof support. To calculate and design
directional control valves, it is necessary to determine the characteristic curves of the relationship
between the pressure drop versus the flow rate. Currently, there are many studies and empirical formulas
to support to build these characteristic curves. However, they only refer to the pressure drop of the flow
through an orifice. Velocity, orifice area and outlet pressure of the flow rate through flow path are initial
constraint to calculate the pressure drop and simulate the flow. The pressure drop versus flow rate allows
the designer to evaluate whether the values of pressure drop when designing the directional control valve.
Keywords: pressure drop, flow rate, typical characteristic curve, hydraulic directional control valve
172
nguon tai.lieu . vn