Nghiên cứu lực ma sát, lực va đập và lực coriolis tác động lên thùng trục trục tải giếng đứng

Nội dung text: Nghiên cứu lực ma sát, lực va đập và lực coriolis tác động lên thùng trục trục tải giếng đứng

1. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ NGHIÊN CỨU LỰC MA SÁT, LỰC VA ĐẬP VÀ LỰC CORIOLIS TÁC ĐỘNG LÊN THÙNG TRỤC TRỤC TẢI GIẾNG ĐỨNG Tạ Ngọc Hải Hội Khoa học Công nghệ Mỏ Việt Nam Vũ Đình Mạnh, Đào Văn Oai Viện Khoa học Công nghệ Mỏ- Vinacomin Biên tập: ThS. Phạm Chân Chính Tóm tắt: Bài báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu về lực ma sát, lực va đập và lực Coriolis tác động lên thùng trục của trục tải giếng đứng mỏ hầm lò. Trên cơ sở đó, đưa ra các khuyến nghị trong tính toán, sử dụng, lựa chọn các thông số khi thiết kế thùng trục. 1. Đặt vấn đề dùng cho đường dẫn chế tạo từ các thanh dẫn Trong trục trải giếng đứng mỏ than hầm bằng thép ray với vận tốc nâng thùng trục nhỏ lò, thùng trục (skip, thùng cũi) là thiết bị quan hơn 8m/s. Dẫn hướng đàn hồi, con lăn (dẫn trọng. Độ an toàn, tin cậy khi làm việc của nó hướng con lăn) dùng cho đường dẫn chế tạo từ ảnh hưởng tới độ an toàn, tin cậy của các thiết các thanh thép hộp với vận tốc nâng lớn. Trong bị trong hệ thống nói riêng, của cả hệ thống nói đó, mỗi con lăn có bộ phận giảm chấn riêng, chung. Để đảm bảo thùng trục làm việc an toàn, bề mặt được bọc cao su. Để đảm bảo an toàn, cần tính toán bền kết cấu thùng trục. Thông số thùng trục lắp dẫn hướng con lăn vẫn phải trang đầu vào để tính toán bền là các lực tác động lên bị thêm dẫn hướng cứng. Lúc đó, dẫn hướng thùng trục. Hiện nay, trong tính toán, lực tính này làm nhiệm vụ dẫn hướng an toàn. toán hay còn gọi là lực tiêu chuẩn chỉ bao gồm 2.2. Lực ma sát tải trọng do khối lượng bản thân thùng trục và Trong khi làm việc, có nhiều yếu tố tác động hàng vận chuyển trong thùng trục. Một số lực lên các thiết bị của trục tải giếng đứng. Ngoài ra, tác dụng phụ khác chưa tính đến, trong đó có các thiết bị của hệ thống cũng tác động qua lại lực ma sát, lực va đập và lực Criolis tác động với nhau [1,2,3]. Đối với thùng trục, khi làm việc lên thùng trục. Để chính xác hơn trong tính toán nó tác động vào đường dẫn cốt giếng. Vì vậy, kết cấu thùng trục, cần khảo sát, đánh giá các giữa dẫn hướng và đường dẫn xuất hiện lực lực này. ma sát. Lực ma sát tác động từ thùng trục tới 2. Nội dung nghiên cứu đường dẫn của cốt giếng bao gồm: Lực ma sát 2.1. Kết cấu dẫn hướng thùng trục trượt khi dùng dẫn hướng cứng; Lực ma sát lăn Trong khi làm việc, thùng trục chuyển động khi dùng dẫn hướng con lăn. lên xuống nhờ lực của cáp nâng, dọc theo Lực ma sát được tính theo các công thức đường dẫn hướng của cốt giếng. Do cốt giếng sau: có đường dẫn cứng (cốt giếng cứng) được sử (1) dụng phổ biến hơn cốt giếng có đường dẫn bằng cáp thép, vì vậy ở đây chỉ xem xét thùng (2) trục làm việc với cốt giếng cứng. Liên kết giữa thùng trục và đường dẫn hướng được thực hiện Trong đó: N- Phản lực tác động từ đường bằng các thanh dẫn hướng, lắp cố định trên dẫn lên dẫn hướng, N; thùng trục. µt, µl- Hệ số ma sát trượt và ma sát lăn của Dẫn hướng của thùng trục có các loại: Dẫn dẫn hướng thùng trục ( µt=0,4; µl=0,01÷0,02m) hướng cứng, trượt: Kiểu kín (hình 1b), kiểu hở [6]. (hình 1a,c); Dẫn hướng đàn hồi, con lăn (hình Phản lực từ đường dẫn là đại lượng véctơ, 2). xác định theo công thức: Dẫn hướng cứng, trượt (dẫn hướng cứng) N = Nm + Nb (3) 40 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
2. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình 1. Dẫn hướng cứng, trượt của thùng trục Hình 2. Dẫn hướng đàn hồi, con lăn của thùng trục a,c. Kiểu hở; b. Kiểu kín a. Thanh dẫn thép ray; b.Thanh dẫn thép hộp Trong đó: Trong đó: A, B- Các hệ số phụ thuộc vào bước cốt giếng, loại đường dẫn và loại dẫn Nm, Nb –Phản lực theo hướng mặt và hướng hướng của thùng trục (xem bảng 1). bên từ đường dẫn tác động lên dẫn hướng; N. In- Cường độ nâng; MJ Lực ma sát giữa đường dẫn vào thùng trục, Phạm vi áp dụng của cơ cấu dẫn hướng bằng tổng lực ma sát giữa đường dẫn và các thùng trục, trên quan điểm giới hạn hợp lý của dẫn hướng của thùng trục, vì vậy: lực ma sát tác dụng lên thanh dẫn giới thiệu trong bảng 2. (4) 2.3. Lực va đập khi dẫn hướng con lăn chuyển động qua vị trí nối của đường dẫn (5) Khi lắp đặt, sai lệch bề mặt làm việc giữa đầu các thanh dẫn nối tiếp nhau của đường dẫn phải Trong đó: Fmst , Fmsl – Lực ma sát trượt và ma nằm trong phạm vi sai số nhất định theo thiết kế sát lăn giữa đường dẫn và thùng trục, N; để đảm bảo êm dịu của thùng trục khi chuyển n- Số lượng dẫn hướng của một thùng trục; động qua các vị trí nối này. Tuy nhiên, trong quá Pmi , Pbi- Lực từ dẫn hướng thứ i phía mặt và trình vận hành, do tác động từ thùng trục, cũng phía bên tác động lên đường dẫn, N. như do biến dạng của vỏ giếng, tại vị trí nối có Theo kết quả nghiên cứu, lực ma sát tỷ lệ thể có khe hở, sai lệch về các phương của hai thuận với cường độ nâng. Trên hình 3 thể hiện đầu nối thanh dẫn vượt quá sai số này. Những mối quan hệ này. Mối quan hệ này có thể thể sai lệch này gây ra va đập với dẫn hướng thùng hiện gần đúng bằng công thức: trục khi qua vị trí nối thanh dẫn. Đối với dẫn )6( hướng con lăn, khi chuyển động qua vị trí nối, Bảng 1. Hệ số A và B để xác định lực ma sát tác dụng lên thùng trục [6] Hệ số Ghi chú Cơ cấu dẫn hướng Đường dẫn Bước cốt giếng, m A B 3,125 8,62 4,04 Cứng, trượt Thép ray 4,168 4,22 3,87 6,25 1,4 3,68 3 0,537 0,21 Đàn hồi, con lăn Thép hộp 4 0,254 0,195 6 0,0951 0,191 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA 41
3. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình 3. Đồ thị quan hệ lực ma sát và cường độ nâng [6] a) Ma sát trượt; b) Ma sát lăn Bảng 2. Phạm vi áp dụng các loại dẫn hướng [6] Khối lượng thùng trục, Bước cốt giếng 3(3,125)m tấn Vận tốc lớn nhất thùng trục; m/s 10,9 4 6 8 10 12 14 16 18 20 20,3 Cứng, trượt 30 45 Đàn hồi, con lăn 60,9 100 4 (4,168)m 10,9 Cứng, trượt 20,3 30 Đàn hồi, con lăn 45 60,9 100 6 (6,25)m 10,9 Cứng, trượt 20,3 30 45 Đàn hồi, con lăn 60,9 100 sẽ xuất hiện tải trọng tĩnh và động.Trên hình 4 thanh dẫn, N; thể hiện sơ đồ lực tác động giữa dẫn hướng con vận tốc của điểm C và E tại lăn và đường dẫn tại vị trí nối hai thanh dẫn. thời điểm bắt đầu va đập, m/s; Trong hình 4, có: - vận tốc của điểm C và E sau khi P- Lực tác động phía mặt từ thùng trục tới va đập, m/s; 42 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
4. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ phần của hệ [5]. (8) Động lượng theo phương x và phương y là: Hình 4. Sơ đồ lực tác động giữa dẫn hướng con lăn Trong đó: và đường dẫn tại vị trí nối hai thanh dẫn H- Khoảng cách từ tâm bánh xe dẫn hướng w con lăn tới trọng tâm thùng trục, m; 2- vận tốc góc tức thời sau khi va đập, rad/s; - Động lượng va đập, kg.m/s. R- Bán kính bánh xe dẫn hướng, m; Khi bánh xe tiếp xúc với điểm D, bánh xe bị m, M- Khối lượng bánh xe dẫn hướng và va đập. Chuyển động tịnh tiến của thùng trục thùng trục khi đầy tải, kg; và bánh xe tức thời thay đổi thành chuyển động Dh- Chênh lệch giữa mặt lăn của hai thanh quay quanh D. Lập hệ tọa độ xDy gắn với điểm dẫn tại vị trí nối, m; D và viết phương trình biến đổi mô men động V- Vận tốc thùng trục, m/s; lượng ta có: r - bán kính quán tính qui đổi của thùng trục, (7) m; Trong đó: LD1, LD2- Mô men động lượng quanh điểm D, kg.m2/s; - Động lượng va đập của ngoại lực tác động lên điểm D, kg.m/s. với a, b là khích thước chiều cao theo phương Theo điều kiện bài toán mômen động lượng x và chiều rộng theo phương y, m; Trên hình 5 trình bày đồ thị mối phụ thuộc có =0, do đó LD1=LD2. Giải phương trình (7) với điều kiện =0 và với các thông số động lượng va đập và vận tốc thùng trục tại vị hình học của bánh xe dẫn hướng con lăn, của trí nối. thùng trục, với các thông số động học khi va Ngoài việc thay đổi hướng động lượng đập tại vị trí nối thanh dẫn, áp dụng định lý biến chuyển động, tại vị trí mối nối xảy ra sự phân bố đổi động lượng chuyển động của hệ thùng trục lại tải trọng khai thác (hoạt tải) theo phía mặt và – bánh xe khi va đập có được động lượng toàn phía bên, tùy theo phương lệch của đầu thanh Hình 5. Đồ thị quan hệ động lượng va đập và vận tốc nâng tại vị trí nối [6]. a) Thành phần theo phương đứng; b) Thành phần theo phương ngang KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA 43
5. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ dẫn tại vị trí nối. chuyển động tương đối so với giếng, thùng trục sẽ có gia tốc Coriolis [7], xác định theo công (10) thức: Trong đó: Pnd- Lực thành phần tại vị trí nối theo phương đứng, N; Trong đó: w - Véc tơ vận tốc góc quay của trái đất; Pm(b)- Lực mặt (hoặc bên) tác dụng lên đường dẫn tại vị trí nối, N; - Véc tơ vận tốc chuyển động tương đối của thùng trục so với giếng. Véc tơ vận tốc Pnm(b)- Lực thành phần phía mặt (hoặc bên) theo phương ngang, N; góc của trái đất hướng theo trục trái đất về phía bắc, còn véc tơ gia tốc Coriolis tiếp tuyến với (11) dường vĩ tuyến tại vị trí đặt giếng đứng. Hướng véc tơ được xác định tùy theo hướng chuyển Cuối cùng có: động của thùng trục: Khi thùng trục chuyển động từ trên xuống đáy giếng (hướng vào tâm (12) trái đất), vec tơ có hướng về phía tây còn khi (13) thùng trục chuyển động lên (rời ra tâm tái đất) véc tơ có hướng về phía đông. Kết quả tính toán tải trọng theo phương Giá trị tuyệt đối của véc tơ gia tốc Coriolis ngang và đứng, phụ thuộc vào tải trọng thùng xác định theo công thức: trục khi đi qua vị trí nối bị lắp đặt không chính xác trình bày trên hình 6. Trong đó: j- Vĩ độ đặt giếng, độ; Lực Coriolis xác định theo công thức: 2w Trong đó: k = cosj k g - Hệ số tính tới vĩ độ xây dựng giếng, vận tốc góc quay của trái đất, gia tốc rơi tự do, s/m; Hình 6. Đồ thị quan hệ tải trọng khai thác do sai Q - Tải trọng lớn nhất tác dụng lên cáp nâng; lệch lắp ráp Dh ở vị trí nối thanh dẫn [6] k N. Đường kính con lăn: a, b- Æ160 mm; c,d- Æ250 mmHướng tải trọng: a,c- Tải trọng ngang; bd- Tải Do thùng trục có giai đoạn chuyển động có trọng đứng gia tốc, Qk xác định theo công thức: Qk=M (g+a) (17) 2.4. Lực Coriolis Trong đó: M- Khối lượng thùng trục kể cả Trong hệ thống trục tải giếng đứng, thùng bánh xe khi đầy tải, kg; trục chuyển động theo phương thẳng đứng của g, a- Gia tốc rơi tự do và gia tốc lớn nhất đo giếng. Nếu xem xét đến cả chuyển động quay được bằng đồng hồ ghi của thùng trục, m/s2; của trái đất quanh trục của mình, thì thùng trục Gia tốc a lớn nhất tại các giếng đứng vùng tham gia vào chuyển động phức tạp: Chuyển Đonbas ghi nhận được có thể đạt 75m/s2[5]. động tương đối của thùng trục so với giếng và Các mỏ than lớn tại Việt Nam nằm tập trung chuyển động mang do trái đất quay. Vận tốc góc tại tỉnh Quảng Ninh, nằm trong vĩ độ từ 20040’ w của trái đất như sau: đến 21040’ (trung bình 21010’) vĩ độ bắc [8]. Gia w=2p/24 x 60 x60= 1/13.700 rad/s tốc thùng trục theo biểu đồ nâng của các giếng Trong trường hợp này, ngoài gia tốc khi đứng Mông Dương, Hà Lầm và Núi Béo ~0,75m/ 44 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
6. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ s2. Sử dụng kết quả đánh giá gia tốc a =75m/s2 , xuất hiện thành phần động lượng va đập ngang, đánh giá lực Coriolis tác động lên thùng trục hệ có thể đạt 1.200÷3.600 kg.m/s. tùy theo tải trọng thống trục tải giếng đứng xây dựng tại Quảng thùng trục (xem hình 5). Ninh. Kết quả thể hiện bằng hình 7. Tăng đường kính con lăn của dẫn hướng Kết quả tính toán cụ thể lực Coriolis tác dụng từ 160 mm lên đến 250 mm có thể giảm thành lên skip các giếng đứng tại Quảng Ninh trình phần tải trọng khai thác theo phương đứng và bày trong bảng 3. ngang được 2÷5% (xem hình 6). Thực tế cho 3. Kết quả và thảo luận thấy rằng, tải trọng do va đập khi cơ cấu dẫn 3.1. Lực ma sát hướng chuyển động qua vị trí nối thậm chí có Phân tích kết quả cho thấy, do dẫn hướng thể làm mất khả năng làm việc, bật thùng trục cứng có hệ số ma sát lớn, lực ma sát tác dụng ra khỏi đường dẫn tại đó, tăng độ mòn tại vị trí dọc đường dẫn có thể đạt 40% tổng tải trọng nối và các hậu quả tiêu cực khác. Nếu trên một ngang tác động lên thanh dẫn của đường dẫn sàn cốt giếng cùng bố trí 02 mối nối đường dẫn (m=0,4). Vì vậy, phạm vi sử dụng cơ cấu dẫn phục vụ một thùng trục thì có thể xảy ra nguy cơ hướng loại này bị hạn chế vì phụ thuộc nhiều tăng hai lần tải trọng tại các vị trí nối, dẫn đến vào bước cốt giếng và cường độ nâng của hệ dễ xảy ra sự cố. thống trục tải (xem hình 3 và bảng 2). Sử dụng Theo đồ thị trên hình 5, có thể thấy, với vận dẫn hướng con lăn cho phép giảm lực tác động tốc và khối lượng skip khi đầy tải như trong lên đường dẫn 15÷20 lần (phụ thuộc vào bước bảng 3 thì động lượng khi va đập của Skip mỏ cốt giếng và vận tốc nâng) do giảm lực ma sát. Núi Béo theo hướng đứng là 102 tấn.m/s , theo Vì vậy đối với hệ thống trục tải cường độ nâng hướng ngang là 1,05 tấn.m/s, còn của mỏ Hà lớn nên sử dụng dẫn hướng con lăn. Lầm tương ứng là 87,73 tấn.m/s và 0,9 tấn.m/s. 3.2. Lực va đập Như vậy cần tính đến các lực theo phương Khi chuyển động qua mối nối, do thay đổi đứng khi tính toán thùng trục. hướng quay của hệ bánh xe- thùng trục, ngoài 3.3. Lực Coriolis thành phần động lượng theo phương đứng, Phân tích đồ thị trên hình 7 cho thấy, lực Coliolis tác dụng lên thùng trục có giá trị đáng kể khi khối lượng thùng trục lớn (60 tấn đến 100 tấn) và vận tốc cao (15 m/s đến 20 m/s). Phân tích kết quả tính toán trong bảng 3, cho thấy, lực tác dụng lên các skip tại khu vực Quảng Ninh không lớn, cao nhất đạt 806 N, vì vậy trong tính toán thùng trục có thể không tính đến lực này. 4. Kết luận 1. Đối thùng trục làm việc với cốt giếng cứng, khi làm việc chịu tác động của các lực ma Hình 7. Lực Coriolis tác động lên thùng trục tại sát, lực va đập khi qua mối nối đường dẫn và khu vực Quảng Ninh lực Coriolis. Giá trị các lực này tăng khi vận tốc, Bảng 3. Lực Coriolis tác dụng lên skip các giếng đứng tại khu vực Quảng Ninh Skíp Khối Vận tốc Lực Coriolis; Thông số Dung lượng Kích thước; m nâng; m/s N tích; m3 khi đầy tải; kg Giếng skip mỏ Mông Dương 7x1,65x1,33 6,6 11.320 4 118 Giếng skip mỏ Núi Béo 12,9x1,09x2,856 16,7 38.700 10 806 Giếng skip mỏ Hà Lầm 11,3x1,55x2,4 16 40.400 8,2 629 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA 45
7. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ khối lượng và tải trọng thùng trục tăng; động đến khả năng làm việc của cốt giếng đứng 2. Đối với thùng trục nên sử dụng dẫn hướng hệ thống trục tải mỏ hầm lò, Công nghiệp mỏ, con lăn với đường kính con lăn lớn để giảm lực Số 5-2015. Hà Nội. ma sát và va đập trong khi làm việc. Trong tính 3.Tạ Ngọc Hải và nnk. (2016) Phân loại tải toán thùng trục với vận tốc, khối lượng và tải trọng tác động lên cốt giếng theo tiêu chuẩn trọng lớn cần lưu ý đến tải trọng do ma sát và tải trọng và tác động, Thông tin KHCN Mỏ, Số va đập; 5-2016, Hà Nội. 3. Trong lắp lắp đạt và bảo dưỡng đường dẫn 4. Tạ Ngọc Hải, Nguyễn Đức Linh (2018). cốt giếng cứng, cần đảm bảo sai lệch mặt lăn Nghiên cứu lực ma sát, lực va đập và lực của các thanh dẫn tại vị trí nối trong phạm vi cho Coriolis tác động lên thùng trục trục tải giếng phép, không cùng bố trí 02 mối nối đường dẫn đứng, Công nghiệp mỏ, Số 6-2018, Hà Nội. phục vụ một thùng trục trên một sàn cốt giếng 5. Võ Trọng Hùng (2012),Thi công giếng để giảm lực va đập tác động lên thùng trục; đứng, Nhà xuất bản Khoa học & Công nghệ , 4. Đối với thùng trục sử dụng tại Quảng Ninh, Hà Nội. khi tính toán có thể không tính đến lực Coriolis./. 6. Прокопов Ф.Ю и др.,(2005), Новое Tài liệu tham khảo: решение в проектирований жесткой армировки 1. Tạ Ngọc Hải và nnk.(2014), Một số vấn đề вертикальных стволов, Новочерасск. về thiết kế chế tạo cốt giếng đứng mỏ than hầm 7. Яблонский А.А., Никифорова В.М. lò, Tuyển tập Hội nghị KHKT Mỏ toàn quốc lần (1966), Курс теоретической механики. Часть thứ XXIV, Vũng Tàu. I- Статика и кинематика. Изд. Вышая школа. 2. Tạ Ngọc Hải và nnk. (2015), Các yếu tố tác Москва. Research on the friction, impact and coriolis forces effecting on the sinking buckets of the vertical shaft mine hoist Ta Ngoc Hai Vietnam Mining Science and Technology Association Vu Dinh Manh, Dao Van Oai Institute of Mining Science and Technology – Vinacomin Summary: The paper represents the research results on the friction, impact and coriolis forces, effecting on the sinking buckets of the vertical shaft mine hoist. Basing on these results, the paper refers to the recommendations in calculating, using and selecting parameters for designing the sinking buckets. 46 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA