Nghiên cứu, tính toán dòng chảy thủy lực qua van phân phối điều khiển cột chống mỏ hầm lò

Nội dung text: Nghiên cứu, tính toán dòng chảy thủy lực qua van phân phối điều khiển cột chống mỏ hầm lò

1. 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 không xác định được tổn thất cục bộ khi chất lỏng đi qua van. Trong thực tế, lượng, dòng chảy, mô 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
2. 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 푄푣à표 = 푄 (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). ∆ 푄 = = 푆 ∙ 푣 (1) hơn 125 lít/phút và nhỏ hơn hoặc bằng 250 ∆푡 lít/phút tổn thất áp suất cấp hồi dịch phải nhỏ hơn Trong đó: 6 Mpa 푆( 2) tiết diện mà dung dịch đi qua - Lưu lượng định mức của van đổi hướng lớn 푣( /푠) 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
3. 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 2 3,14 ∗ 0,0082 푆 = = = 0,00005024 2 4 4 Hình 2 Lưu lượng chất lỏng qua các tiết diện • Khối lượng riêng dung dịch nhũ tương 휌 = khác nhau 1000 / 3 Tại vị trí 1 có tiết diện 푆1 và vận tốc 푣⃗⃗⃗⃗1 , tại vị trí • Hệ số lưu lượng chọn 훼 = 0,8 2 có tiết diện 푆2 và vận tốc 푣⃗⃗⃗⃗2 . 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 푄1 푣1 = , (2) kính lỗ d_2=18 mm nên có thể tính vận tốc dòng 푆1 푠 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 푄 (푙/ ℎ) 푣1( /푠) ∆ ( 푃 ) sau (Nguyễn Đức Sướng, 2018): 10 0,655291 0,017195637 2 20 1,310582 0,068782547 푄 = 푆훼√ ∆ (3) 휌 30 1,965872 0,154760731 Trong đó: S- diện tích chất lỏng đi qua 40 2,621163 0,275130189 훼- 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 푄2 휌 ∆ = ∗ (4) 푆2훼2 2 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
4. 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 푄 (푙 ∆ ( 푃 ) 푣 ( /푠) / ℎ) 1 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
5. 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
6. 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