Nghiên cứu, tính toán và chế tạo gầu vớt rác điều khiển bằng thuỷ lực dùng cho các nhà máy thuỷ điện

Đề tài Nghiên cứu, tính toán và chế tạo gầu vớt rác điều khiển bằng thuỷ lực dùng cho các nhà máy thuỷ điện thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ

Mã số: 100-07RD/HĐ-KHCN

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí

Chủ nhiệm đề tài: Th.S Vũ Văn Khoa

6910

26/6/2008

Hà Nội – Năm 2008

1.3 Tổng quan về tình hình sử dụng các loại gầu vớt rác ở Việt

Nam

5

b Gầu vớt rác kiểu thủy lực 8

1.4 Lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với điều kiện ở nước ta 9

1.4.2 Hệ thống thủy lực 13

1.4.3 Hệ thống điện điều khiển 13

Chương 2 Tính toán thiết kế Gầu vớt rác

2.3 Lực tác dụng khi nâng gầu 18

2.6 Kết luận 22 Chương 3 Áp dụng vào dự án thủy điện Sê San 4

3.4 Các bản vẽ thiết kế

Chương 4 Kết luận và kiến nghị, đề xuất 33

4

THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI

3 Nguyễn Đức Hạnh Kỹ sư chế tạo máy Viện Nghiên cứu Cơ khí

4 Nguyễn Tiến Dũng Kỹ sư thủy lực Viện Nghiên cứu Cơ khí

5 Đào Quang Khánh Kỹ sư Cơ tin kĩ

6 Hồ Ngọc Nguyên

8 Thái Nhật Phương Kỹ sư chế tạo máy Công ty CP lắp máy 45.4

9 Nguyễn Văn Minh Kỹ sư Điện Viện Nghiên cứu Cơ khí

5

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Chương trình nội địa hóa các nhà máy thủy điện ở nước ta đang triển khai mạnh mẽ đã góp phần đáng kể trong việc giảm ngoại tệ phải chi trả cho nước ngoài đồng thời tạo công việc, tích lũy và trang bị cho ngành cơ khí chế tạo Việt Nam, tạo thế và lực mới cho ngành trong thời đại hội nhập toàn diện với thế giới

Trong các thiết bị cơ khí thủy công có một hạng mục công việc có sự tổ hợp giữa phần thủy lực-điện-cơ khí đó là là hạng mục Gầu vớt rác Hạng mục này hiện nay ở các công trình thủy điện ở nước ta không đồng nhất về kiểu dáng mà hầu như chỉ quy định về dung tích Gầu, do đó sự phù hợp của thiết bị đối với khí hậu và công nghệ Việt nam nhiều khi không đạt

Trong quá trình thiết kế các thiết bị cơ khí thủy công chúng tôi có cơ hội được tiếp cận năng lực của các nhà máy cơ khí ở nước ta đã nhận thấy thiết bị này hoàn toàn tự chế tạo được Tác giả có mong muốn sau đề tài này chúng ta

có một sự nhìn nhận về sự đồng bộ trong kiểu dáng cho toàn bộ các gầu vớt rác

sẽ sử dụng ở các công trình thủy điện cũng như các công trình thủy lợi khác có yêu cầu

1.2 Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu của đề tài:

a Đối tượng: Gầu vớt rác thủy lực

b Phạm vi: dùng cho thủy điện Sê San 4

c Nội dung nghiên cứu:

- Báo cáo về phân loại các gầu vớt rác, định hướng thiết kế

- Lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với điều kiện Việt Nam

- Áp dụng thiết kế cho công trình thủy điện Sê San 4

1.3 Tổng quan về tình hình sử dụng các loại gầu vớt rác ở Việt Nam: Hiện tại ở nước ta hầu như các công trình thủy điện đều sử dụng Gầu vớt rác hàm phẳng thủy lực, cụ thể như sau:

a Công trình thủy điện Hòa Bình: Sử dụng gầu vớt rác kiểu hàm phẳng thủy lực

Việc thiết kế các gầu vớt rác của các công trình thủy điện ở trong nước

có một số công ty thực hiện là: Viện thủy lợi, Công ty Sông đà Ucrin, công ty

cơ điện nông nghiệp Do việc có nhiều nhà thiết kế khác nhau nên kích thước cũng khác nhau dẫn đến tình trạng không sử dụng chung được cho nhau

Trên thế giới các nhà thiết kế, cung cấp gầu vớt rác có ở một số nước như: Mỹ, Nga, Nhật, Ucraina, Trung Quốc, Na uy, Ấn độ, Các nhà cung cấp này đề cấp theo các kích cỡ tiêu chuẩn riêng của họ vì vậy nếu các công trình thủy điện mới xây do các nhà cung cấp khác nhau sẽ có kiểu và kích cỡ khác nhau Đây là một tình trạng phổ biến tại nước ta do vậy rất khó cho việc thay thế, dự trữ phụ tùng Nếu sau này các nhà máy thủy điện về một công ty thì từng cụm thủy điện ta có thể dùng chung một gầu hoặc dự trữ số phụ tùng thay thế ít nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy cao trong vận hành, điều này góp phần giảm đáng kể chi phí vận hành cũng như bảo quản, thay thế Điều này góp phần làm giảm giá thành điện năng gián tiếp làm lợi cho nền kinh tế thị trường

Để tìm hiểu ta sẽ xem xét một số hình ảnh về gầu vớt rác hàn phẳng dẫn động bằng cơ khí và thủy lực

Hình 1- Gầu vớt rác hàm phẳng kiểu cơ khí

Hình 2- Gầu vớt rác hàm phẳng kiểu thủy lực

8

Đặc điểm cấu tạo của hai loại gầu vớt rác đã nêu:

a Gầu vớt rác kiểu cơ khí:

Hình 3- Gầu vớt rác kiểu cơ khí hàm phẳng

- Khối lượng gầu nhẹ như vậy cầu trục chân dê cần lực nâng nhỏ hơn

- Số lượng thiết bị ít, xác xuất hỏng hóc sẽ thấp hơn

- Thao tác khó khăn hơn vì khi mở cần người phải mở hàm cơ khí

- Ít được sử dụng ở các công trình thủy điện có công suất ≥ 100 MW

- Kết cấu bao gồm các phần chính: Cụm khung; Cụm răng động; Cụm bánh

xe dẫn hướng;

9

b Gầu vớt rác kiểu thủy lực:

Hình 4- Gầu vớt rác thủy lực hàm phẳng

- Khối lượng gầu tăng so với gầu vớt rác kiểu cơ khí

- Phải tích hợp nhiều thiết bị, đặc biệt là thiết bị điện- thủy lực cần phải có

độ kín nước cao trong khi vận hành

- Thao tác nhẹ nhàng, tính cơ giới cao, thuận tiện cho người sử dụng Cùng một dung tích gầu, gầu vớt rác thủy lực hoạt động nhanh hơn, an toàn hơn

- Kết cấu bao gồm các phần chính: Cụm khung; Cụm răng động; Cụm bánh xe dẫn hướng; Hệ thống thủy lực; Hệ thống điện

Qua phân tích ở trên chúng ta nhận thấy gầu vớt rác kiểu cơ khí chế tạo

dễ dàng hơn so với gầu vớt rác kiểu thủy lực, nhưng trong quá trình vận hành gầu vớt rác thủy lực lại dễ dàng và an toàn cao hơn, điều này nói lên rằng các công trình đòi hỏi độ an toàn cao thường sử dụng gầu vớt rác thủy lực

Sau đây chúng ta sẽ quan tâm đến loại gầu vớt rác này

1.4 Lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với điều kiện nước ta

Để làm rõ hơn ta sẽ xem xét một bản vẽ chế tạo của một gầu vớt rác hàm phẳng kiểu thủy lực (Hình 5)

1.4.1 Phần cơ khí:

Để lựa chọn vật liệu có tính hàn tốt, ta xuất phát từ công thức tính các bon tương tương như sau(Các nguyên tố tính theo phần trăm):

%Ctđ= C+Si/24+Mn/6+Ni/40+V/14+Nb/2,5+Ti/5+Cr/5+Mo/4

Nếu một hợp kim nào có %Ctđ > 0,5 thì tính hàn kém Nếu sử dụng để hàn

sẽ phải gia nhiệt

Để tránh tình trạng cong vênh của kết cấu dạng khung dàn, ta lựa chọn quy trình hàn đối xứng và không liên tục sau khi hàn xong sẽ nắn hoặc là phẳng

b.Cụm răng động (hình 7):

Nhận xét:

- Đây là kết cấu khung dàn dạng răng lược, các răng này sẽ được cào trên mặt lưới chắn rác vì vậy độ chính xác cũng đòi hỏi phải phù hợp theo lưới chắn rác

- Ta chọn răng gầu vớt rác có tiết diện hình quả trám sẽ tốt nhất về mặt tổn thất thủy lực, tuy nhiên giá thành sẽ rất cao nếu mua số lượng ít dưới 100 tấn hàng Để thuận lợi về mặt kinh tế ta sẽ dùng tiết diện hình chữ nhật được gia công theo biên dạng thiết kế Giữa các thanh lưới sẽ cố định bằng các thanh chốt Khi lắp các thanh lưới sẽ lắp trên một đồ gá dạng khung

Để chế tạo các cụm răng này ta sẽ tiến hành gia công các chi tiết riêng lẻ sau đó được lắp thành cụm và tiến hành kiểm tra lầm cuối

c Cụm bánh xe dẫn hướng (Hình 8): Bánh xe (con lăn) sẽ được đúc từ thép 30 Γ hoặc thép rèn C45 Các chi tiết khác (trục, bạc, tấm đệm) sau khi được gia công xong và lắp thành cụm để chờ lắp vào gầu

Sau khi các cụm khung và cụm răng động, cụm bánh xe được chế tạo xong và kiểm tra đạt yêu cầu kỹ thuật sẽ được tiến hành lắp ráp lại trên khung

gá sẽ chờ lắp hệ thống thủy lực và điện điều khiển

13

1.4.2.Hệ thống thủy lực (Tham khảo bản vẽ 07RD-CK.2-04.1-000):

Hệ thống này yêu cầu đảm bảo độ kín nước và làm việc ổn định trong môi trường nóng ẩm, bụi

Các phần tử thủy lực như: Bơm cánh gạt, van an tòan, van điện từ, xi lanh thủy lực, sẽ được mua sẵn trên thị trường Các thiết bị như thùng dầu, hệ thống làm kín, đường ống sẽ được gia công Các thiết bị sau đó sẽ được tổ hợp lại theo sơ đồ điều khiển đã được thiết kế

1.4.3.Hệ thống điện điều khiển (Tham khảo bản vẽ

07RD-CK.2-04.4-000 và 07RD-CK.5-09.4-07RD-CK.2-04.4-000): Hệ thống này có yêu cầu cao về sự thu và rải cáp điện cho phù hợp với tốc độ nâng hạ của cầu trục chân dê nâng hạ gầu vớt rác

Có nhiều phương án đưa ra như: dùng tang cuốn cáp được đồng tốc cùng với tang cuốn/ nhả cáp của cầu trục; phương án dùng rỏ đựng cáp khi rải và thu; phương án dùng hệ thống lò xo cho cáp Trong khuôn khổ dề tài này chúng tôi đề nghị dùng phương án dùng tang cuốn cáp đồng tốc với tang cuốn/ nhả của cầu trục thông qua hệ thống biến tần

16

Chương 2

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GẦU VỚT RÁC

2.1 Mô hình hoạt động của Gầu vớt rác:

2.1.1 Đầu tiên Gầu được cầu trục thả trượt trên mặt lưới chắn rác và đi xuống (ở trên mặt nước):

Hình 6- Sơ đồ gầu vớt rác đi xuống (trên mặt nước) 2.1.2 Gầu đi xuống dưới mặt nước:

Hình 7- Sơ đồ gầu vớt rác đi xuống (trong nước)

17

2.1.3 Gầu thu thanh động vào để gom rác và đi lên

Hình 8- Sơ đồ gầu vớt rác đi lên 2.2 Điều kiện thiết kế

Khi thiết kế gầu và bánh dẫn hướng, những điều kiện về độ chênh lệch mức nước sau sẽ được chấp nhận:

Trạng thái: khi rác trên gầu

Hình 9

18

Đối với rác trên gầu: ∆H ( m)

Đối với thân gầu: ∆H (m)

2.3 Lực tác dụng khi nâng gầu

2.3.1 Khi gầu có rác đã ở trên mặt nước:

a Khối lượng của gầu: W1 (kg)

b Khối lượng của rác: W2(kg)

W2 = γ.V ; Trong đó:

γ: khối lượng riêng của rác ( = 1000 kg/m3 )

V: thể tích của rác (m3)

c Tổng lực tác dụng khi nâng gầu: Wa = W1 + W2(kg)

2.3.2 Khi gầu làm việc trong nước:

a Khối lượng của gầu: W1’ = W x

85 7

1 85

7 − (kg) Trong đó W là khối lượng của Gầu

b Khối lượng của rác

Vì khối lượng riêng của rác bằng khối lượng riêng của nước nên W2’ = 0

c Lực ma sát của rác : W3 = γ.∆H.A.µ (kg);

Trong đó:

γ: khối lượng riêng của rác, lấy bằng 1000 kg/m3

∆H: Độ chênh mức nước khi gầu hoạt động (m )

A: Diện tích hình chiếu của rác trên lưới ( m2)

µ: Hệ số ma sát giữa rác và thanh lưới, thực nghiệm lấy bằng 0.7

d Lực ma sát của bánh xe dẫn hướng

W4 = µr Wr (kg); trong đó:

µr: hệ số ma sát của bánh dẫn, lấy bằng 0.04

Wr: phản lực của bánh xe dẫn hướng (kg)

19

e Tổng lực: Wi’ = W1’ + W2’ + W3 + 4* W4 (kg)

Hình 10 Vậy khi lực nâng ≥ Wi’ sẽ đủ lực để nâng gầu hoạt động

2.4 Tính mô men lật của Gầu:

2.4.1 Gầu và rác ở ngoài nước:

Do khối khối lượng của Gầu và rác cân bằng trên nước nên mô men lật Ma=0

2.4.2 Gầu và rác trong nước:

Hình 11

20

Trong nước gầu chịu tác dụng của lực ma sát giữa rác và thanh lưới; lực

ma sát của bánh xe dẫn hướng và áp lực của dòng nước lên Gầu + rác trên Gầu (Ta bỏ qua lực ma sát giữa chổi làm sạch với bề mặt lưới.)

Do vậy mô men lật: Mi

Mi=Pn x e- 2* W4 * d/2-W3*a

Với Pn Lực tác dụng của dòng nước lên gầu và rác

W4 Lực ma sát của bánh xe dẫn hướng

d đường kính của bánh xe dẫn hướng

W3 lực ma sát của rác và thanh lưới

Nếu Mi dương thì Gầu luôn đè lên mặt lưới

Nếu Mi âm thì Gầu bị mất ổn định cần phải thiết kế lại hình dạng

2.5 Tính toán thiết kế bánh dẫn hướng:

* 4

*

* 2

p D

Trong đó: D: Đường kính của pit-tông

p áp suất làm việc của hệ thống

α: Hệ số tổn thất Như vậy ta phải chọn xi lanh đảm bảo yêu cầu:

α

π

* 100

* 4

*

* 2

p D

≥ V*γ /4 Tính bơm dầu cho trạm nguồn thuỷ lực:

Lưu lượng dầu cấp cho 1 xi lanh:

Q1xl=

1000

* 4

*

D v

π

Trong đó: D : Đường kính của pit-tông

v : Vận tốc của xi lanh

Như vậy lưu lượng bơm cần thiết là: Qđc ≥ 4 x Q1xl (lít/phút)

Công suất động cơ bơm: N =

η

* 612

*Q p

Trong đó: Q: Lưu lượng toàn bộ

p: áp suất làm việc của hệ thống

Tra các catalog ta sẽ chọn được bơm có lưu lượng và công suất phù hợp Như vậy ta tính được các thông số của trạm nguồn

Tính chọn đường ống của hệ thống

Đường kính ống: phụ thuộc vào lưu lượng, tổn thất áp suất, độ nhớt của dầu

Tính theo công thức ta có:

22

di= 4.607

v

Q( mm) Tra bảng với đường ống có áp ta chọn v= 7 ÷ 8 m/s

Đường ống: áp dụng theo tiêu chuẩn của Đức DIN 1630 hoặc DIN 2391 Vật liệu đường ống: thép không rỉ 316/316L

Yêu cầu về dầu thuỷ lực:

Dầu thuỷ lực sử dụng phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

- Tính nhớt ổn định - Hệ số nén thấp

- Không ăn mòn kim loại - Tạo bọt ít

- Tính chất nhiệt độ, độ nhớt tốt - Khả năng chống cháy

- Tính chống ôxi hoá và tác động nhiệt - Không độc hại

2.6 Kết luận

Từ các kết quả trên ta có thể tính toán cho tất cả các gầu vớt rác kiểu thủy lực áp dụng cho tất cả các công trình thủy điện ở Việt Nam

23

Chương 3

ÁP DỤNG VÀO DỰ ÁN THỦY ĐIỆN SÊ SAN 4

3.1 Các thông số yêu cầu của dự án thủy điện Sê San 4:

380/220

3.2 Tính toán các lực tác dụng lên Gầu vớt rác:

Hình 12 Đối với rác trên gầu: ∆H = 1.5 m

Đối với thân gầu: ∆H = 0.05 m

3.2.1 Lực tác dụng khi nâng gầu

3.2.1.1 Khi gầu chưa tới mặt nước:

a Khối lượng của gầu: W1 = 8690 kg

b Khối lượng của rác: W2 = γ.V = 1000 x 6= 6000 kg

3.2.1.2 Khi gầu làm việc trong nước:

a Khối lượng của gầu

W1’ = 8690 x

85 7

1 85

7 − = 7583 kg

b Khối lượng của rác

Vì khối lượng riêng của rác bằng khối lượng riêng của nước nên W2’ = 0

c Lực ma sát của rác

W3 = γ.∆H.A.µ = 1000 x 1.5 x 5.4 x 0.7 = 5670 kg

γ: khối lượng riêng của rác ( = 1000 kg/m3 )

∆H: Độ chênh mức nước khi gầu hoạt động ( = 1.5 m )

A: Diện tích hình chiếu của rác trên lưới ( = 6,5 m2 )

µ: Hệ số ma sát giữa rác và thanh lưới ( = 0.7 )

25

Hình 12

Vậy khi lực nâng ≥ 13783kg sẽ đủ lực để nâng gầu hoạt động

Một số kết quả kiểm tra bằng phần mềm COSMOS khi tính kiểm nghiệm bền các chi tiết của Gầu:

Từ các phân tích ở trên ta nhận thấy lực tác dụng lớn nhất là ở các thanh lưới động, do vậy ta sẽ tính bằng phần mềm COSMOS các ứng suất ở đây:

Hình 13- Sơ đồ đặt lực lên một cụm răng gầu

26

Hình 14- Sơ đồ chia lưới phân tử cụm răng gầu

Hình 15- Biểu đồ ứng suất xuất hiện trong các phần tử của cụm răng gầu

27

Hình 16- Biểu đồ ứng suất tĩnh cụm răng gầu

Hình 17- Biểu đồ chuyển vị của cụm răng gầu Kết luận: Qua các biểu đồ trên ta nhận thấy răng gầu hoàn toàn ổn định khi làm việc

* 4

*

* 2

p

Trong đó: D= 100 mm: Đường kính của pit-tông

p= 40 kG/cm2: áp suất làm việc của hệ thống

Pxl=

2 1 100

* 4

40

* 100

* 2

π = 2,6 tấn => Đạt yêu cầu

Tính bơm dầu cho trạm nguồn thuỷ lực:

Lưu lượng dầu cấp cho 1 xi lanh:

Q1xl=

1000

* 4

*

D v

.

*Q p

=

87 0

* 612

2 47

*

Trong đó: Q= 47.2 lít/phút: Lưu lượng toàn bộ

p= 40 kG/cm2: áp suất làm việc của hệ thống

Tra bảng tiêu chuẩn ta chọn:

Lưu lượng bơm Q= 63.5 lít/phút

Công suất động cơ bơm N= 4 kW

Như vậy ta tính được các thông số của trạm nguồn:

p lực làm việc của hệ thống p= 40 kG/cm2

Lưu lượng của bơm dầu Q= 63.5 lít/phút

63 =13.8 mm Tra bảng với đường ống có áp ta chọn v= 7 ÷ 8 m/s

di= 17 mm; d0= 22.2 mm; s= 3 mm

Đường ống: áp dụng theo tiêu chuẩn của Đức DIN 1630 hoặc DIN 2391 Vật liệu đường ống: thép không rỉ 316/316L

30

Kết luận: Sau khi tính toán, kiểm nghiệm ta có thông số của Gầu vớt rác

dùng cho công trình thủy điện Sê San 4 như sau:

31

32

33

Chương 4 Kết luận, kiến nghị và đề xuất

1 Đề tài đã phân tích được tình hình sử dụng Gầu vớt rác sử dụng trong các công trình thủy điện tại Việt Nam, đã nêu và phân tích được tình hình sử dụng và thiết kế ở trong nước cũng như quốc tế

2 Đề tài đã đưa ra 01 bộ tài liệu tính toán gầu vớt rác thủy lực hoàn chỉnh, có thể dùng để tính toán cho tất cả các gầu vớt rác kiểu thủy lực cho các công trình thủy lợi, thủy điện

3 Sản phẩm của đề tài đã được áp dụng vào công trình thủy điện Sê San 4

4 Với kết quả trên đề tài mong muốn sẽ được tiếp tục nhận các đơn hàng chế tạo

để có điều kiện thành lập một thư viện thiết kế, lúc đó ta chỉ việc vào các thông

số về bề rộng gầu, thể tích gầu là phần mềm sẽ đưa ra các phương án để lựa chọn và đi đến phương án thiết kế cuối cùng