Chương 11: THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ CỬA VAN( tt) docx

Hành trình ngợc mở cửa cống: Quá trình này ngợc lại so với quá trình trên, tức là khi có tín hiệu điện của quá trình mở, dầu đợc dẫn lần lợt qua các van nh trên sau đó đi vào khoang dới

2 Nguyên lý làm việc (hình 11-20):

Dầu đợc bơm 3 hút

lên từ bể 1 qua bộ lọc dầu

2 đi đến chờ ở cửa van

phân phối 13 điều khiển

bằng điện từ

Hành trình thuận

(đóng cửa cống): Khi có

tín hiệu điện ở quá trình

đóng, dầu sẽ đợc chuyển

qua van phân phối, đi vào

van tiết lu (van tiết lu này

có thể điều chỉnh đợc để

khống chế lu lợng, điều

khiển đợc tốc độ cửa

van) Sau khi qua van tiết

lu dầu đợc dẫn vào bộ

chia lu lợng (bộ chia lu

l-ợng này có nhiệm vụ làm

cho đồng tốc của hai

xilanh đợc đảm bảo) Khi

qua bộ chia

dầu đợc dẫn vào

khoang trên của xilanh

(khoang không có cần

xilanh), đồng thời dầu ở

khoang dới (khoang có

cần xi lanh) đợc hồi về bể

dầu, cửa van sẽ đợc đóng

lại

Hành trình ngợc

( mở cửa cống):

Quá trình này ngợc

lại so với quá trình trên, tức là khi có tín hiệu điện của quá trình mở, dầu đợc dẫn lần lợt qua các van nh trên sau đó đi vào khoang dới của xilanh, áp lực chất lỏng làm pitông chuyển

động lên trên, đồng thời chất lỏng ở khoang trên đợc hồi về bể dầu, cửa van sẽ đợc mở ra Van an toàn ở đây đóng vai trò quan trọng khi trờng hợp xẩy ra sự cố quá tải hay cửa cống bị kẹt Trong trờng hợp này van sẽ mở cho dầu hồi về bể để đảm bảo an toàn cho bơm

và toàn hệ thống

Ngoài ra trong hệ thống còn có van một chiều nhằm mục đích giữ nguyên vị trí của xilanh (hay cửa cống) khi hệ thống ngừng hoạt động

Đồng hồ đo áp chỉ áp suất làm việc trong hệ thống là bao nhiêu để ngời sử dụng biết theo dõi điều chỉnh

3 u điểm của máy nâng thuỷ lực:

Hình 11-21 Xi lanh thuỷ lực đóng mở cửa van rẻ quạt: 1- Cửa van

2-Thanh chống, 3- Xi lanh, 4- ổ quay cửa,

Cơ cấu nâng thuỷ lực có thể nâng thẳng đứng, nghiêng một góc bất kỳ, hoặc đẩy ngang (hình 11-21) Có kích thớc nhỏ gọn nhng nâng đợc lực lớn Có lực quán tính nhỏ, chỉ bằng một

phần mời của các loại máy nâng khác Có khả năng điều chỉnh vận tốc nâng, hạ theo ý muốn An toàn cho cơ

cấu nâng và các bộ

phận khác Dễ điều

khiển, dễ tự động hoá

và cơ giới hoá đóng

khống chế và kiểm

tra lực đóng mở của

Hình 11-22 Bơm, các

van và các bộ phận

điều tiết

phục đợc sự không

chính xác do lắp ráp

Mặt bằng bố trí cơ

cấu chấp hành nhỏ

gọn Tốc độ đóng mở

cửa van theo hình

thức này nhanh, có

thể đáp ứng bất kỳ

yêu cầu nào của thiết

kế, nên có khả năng

điều tiết đợc lu lợng

4 Nhợc điểm của máy nâng thuỷ lực:

Giá đầu t ban đầu đắt hơn các loại máy nâng khác Chỉ chế tạo đợc xi lanh theo chiều dài nhất định do đó hạn chế chiều cao nâng hạ Khi có rò rỉ khó khôi phục Đòi hỏi ngời vận hành phải có trình độ hiểu biết về kỹ thuật chuyên môn nhất định Chỉ áp dụng hiệu quả cho các công trình đã có nguồn điện Máy đóng mở xi lanh thuỷ lực đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo lắp đặt thiết bị, vật liệu phải có chất lợng tốt Hệ thống đờng ống dẫn dầu th-ờng rất phức tạp và rất dài vì xi lanh công tác đặt xa máy bơm và bể dầu, do đó tổn thất thuỷ lực đờng ống khá lớn, mặt khác dễ xẩy ra sự cố rò rỉ dầu qua các cút nối So với việc áp dụng xi lanh thuỷ lực thông thờng thì xi lanh thuỷ lực dùng ở công trình thuỷ lợi phức tập hơn Môi trờng làm việc tại các cống thờng có độ ẩm rất cao, thậm chí có độ ăn mòn rất lớn

nh ở các cống vùng triều nên các chi tiết đợc chế tạo từ thép đen dễ bị ăn mòn ảnh hởng đến

độ an toàn làm việc của thiết bị

5 Cơ sở lý thuyết tính

chọn thiết bị đóng mở xi

lanh thuỷ lực

a)Tính lực đóng mở cửa

van:

-Lực đóng (theo chiều đẩy

ra):

Pđ = Ptl η=(p1 F1-p2F2) η =

= F1 (p1

-ψ2

p )η, (N);

trong đó:

ψ =

2

1

F

F

- tỷ số diện tích

bề mặt pitông làm việc ở hai

phía

η - hiệu suất cơ của xi lanh

công tác

- Lực mở của cửa van

(chiều co lại):

Pc= Ptl η=(p2 F2 - p1F1) η =

= F1 (

ψ2

p

- p1)η

Khi có trớc lực đóng mở

cửa van ta có thể xác định

đ-ợc áp suất làm việc:

Khi đẩy:

ψ

+ η

= +

η

1

d 2 2 d

1

p F

P ) F p

P

(

F

1

ψ + η

= +

η

2

c 1 1 c

2

p F

P ) F p

P

(

F

1

A A

620

φ950 φ700

φ950

φ1200

340

A 650

φ285

M100x3

A

Hình 11-23. Xi lanh thuỷ lực sức nâng 300t

- Đối với xilanh nhiều tầng, do diện tích mặt cắt pittông khác nhau nên khi cùng áp suất p, sẽ có lực trên tay đẩy là khác nhau ứng với từng tầng làm việc Hiệu suất cơ η của xilanh công tác thay đổi theo áp suất p và kết cấu của píttông áp suất làm việc và vận tốc của từng tầng đợc xác định theo công thức:

;

F

P p

i

i = η Fi

Q

v= Khi lực nâng không thay đổi ta có tỷ số áp suất:









=









=









+

=

+

=

+

1 i

i

const Q i

1 i

const

P

i

1

i

F

F v

v p

p

Các píttông chỉ chịu lực dọc trục, khi tính bền cần kiểm tra ổn định theo chịu nén Khi tính chọn xilanh thuỷ lực thờng cho trớc các kích thớc cơ bản, tức là tại một công trình

cụ thể, ngời thiết kế đã định trớc vị trí đặt xilanh Từ đó biết:

* Hành trình pittông: S (m)

* Lực ( với 1 xilanh ): ( có tính đến ma sát khi chuyển động )

Từ đó dựa vào các công thức cơ bản để tìm đờng kính làm việc của xilanh:

+ Đờng kính trong D (m)

+ Đờng kính cần: d/D= 0,7 ữ 0,8 → chọn: d (m)

* Dầu thuỷ lực dùng cho hệ thống thờng chọn là dầu BPcs 46;

b) Lu lợng cần thiết cung cấp cho nguồn:

- Diện tích làm việc của khoang trên xilanh:

4

D F

2 1

π

- Diện tích làm việc của khoang dới xilanh:

4

) d D ( F

2 2 2

− π

=

- Thể tích làm việc hữu ích của khoang trên xilanh:

V1 = F1 S, m3

- Lu lợng cần thiết cung cấp cho hệ thống:

Với 1 bộ nguồn cung cấp cho 1 cửa (trong trờng hợp 2 xi lanh cho một cửa):

t

V 2

c) Tính toán vận tốc dòng chảy trong ống:

Chọn đờng kính ống (ở đây ta cũng có thể khống chế vận tốc dòng chảy trong ống để tính ra đờng kính ống ): ống hút đợc ký hiệu dh (m); ống đẩy: dđ (m)

Nh vậy vận tốc dòng chất lỏng trong ống hút:

h h

F

Q

v =

Fh - diện tích mặt cắt ngang của ống hút

2 h h

d

Q 4 v π

= , (m/ph) Vận tốc dòng chất lỏng trong ống đẩy:

d d

d

Q 4 v

π

=

d) Tính toán tổn thất trong hệ thống:

Xác định tổng chiều dài đờng

ống bố trí trên công trình là L(m)

- Xác định hệ số Raynolds để

xác định chế độ dòng chảy:

ν

= v.d

Re

v = vmax,m/s - vận tốc dòng

chất lỏng trong đờng ống Để giảm

tổn thất thuỷ lực trong đờng ống

th-ờng phải tính chọn vận tốc v

s

/

m

5

≤

d - đờng kính trong đờng ống,

m;

ν - Độ nhớt động học của dầu thuỷ

lực (ở nhiệt độ 450C độ nhớt ν =

0,12 St) Sau khi xác định đợc Re

đem so sánh với giá trị giới

Hình 11-24 Máy nâng thuỷ lực trên

công trình

hạn 2300, để xác định chế độ dòng

chảy thuỷ lực trong ống Đại đa số

các trờng hợp chế độ dòng chảy

thuỷ lực là chế độ chảy tầng

+ Hệ số tổn thất do ma sát dọc đờng đợc xác định:

e

R

64

= λ + Tổn thất áp suất dọc đờng:

γ λ

=

g 2

v d

L h

2

1

max

+ Tổn thất áp suất cục bộ: Với mỗi nhánh các tổn thất cục bộ qua các van thờng đợc chọn trớc:

Van phân phối: ξp;

Van một chiều: ξV1;

Van tiết lu: ξT ;

Khoá thẳng: ξk ;

Các cút nối, ống cong: ξc ;

Ta có tổng tổn thất áp suất cục bộ:

2 d i

g

V

γ ξ

Thay tổn thất cục bộ qua các van phân phối, van một chiều, bộ lọc, cút cong từ sơ đồ lắp đ-ờng ống sẽ xác định đợc tổng tổn thất áp suất của hệ thống ∆p (bar)

áp suất yêu cầu cho hệ thống:

[ pyc - ( ∆p - ∆pc - ∆pv )] (F1) = [pdmax + (∆pc + ∆pv)](F2)

a) Xác định lu

l-ợng yêu cầu của hệ

thống.

Lợng dầu trong hệ

thống xi lanh thuỷ lực

rất nhiều do vậy cần

quan tâm tới đến tổn

thất lu lợng do độ nén

của dầu Khi áp suất p

của dầu trong hệ

thống thay đổi thì thể

tích và khối lợng dầu

cũng thay đổi theo

Sau một đơn vị thời

gian, trọng lợng

Hình 11-25 Hệ thống

điều khiển xi lanh thuỷ

lực

của dầu chảy vào

buồng làm việc của xi lanh đợc xác định theo công thức:

dt

d V dt

dV dt

) V ( d dt

dM

trong đó:

M - trọng lợng của dầu chứa trong buồng xi lanh và đờng ống dẫn, M = ρ V;

ρ - trọng lợng riêng của dầu, N/m3;

V - thể tích buồng làm việc của xi lanh và đờng ống dẫn, m3

Theo tính liên tục của dòng chảy ta có:

ρ

ρ

=d V dV Mặt khác thể tích của dầu thay đổi theo áp suất nên:

E

d E

Vdp

do đó:

dt

dp E dt

dρ= ρ

Thay vào công thức trên ta đợc:

dt

dp E

V dt

dV

Bằng thực nghiệm chứng minh đợc rằng khi áp suất dầu thay đổi thì khối lợng riêng của dầu thay đổi không đáng kể, vì vậy:

dt

dp E

V dt

dV

trong đó thể tích của dầu dợc xác định theo công thức:

V = Vống+Vxi lanh=L Fống + k1 S Fpt, m3;

trong đó:

L - tổng chiều dài ống, m;

Fống- diện tích tiết diện trong của ống, m2;

k1- hệ số đàn hồi của vật liệu làm ống;

S - hành trình pít tông, m;

Fpt- diện tích tiết diện của pít tông, m2

Nh vậy:

dt

dS F dt

dp k dt

dV

pt

dt

dp k dt

dS F dt

dp ) E

V k ( dt

dS F

E

V k

k_ = 1+ là hệ số đặc trng cho độ cứng của dầu và vật liệu làm xi lanh và

đợc tính theo sức bền vật liệu

Đối với xi lanh chấp hành thì kxl đợc xác định theo công thức:







δ

à

− π

=

E 4

S D E

S D 8

1

xl

3 _

trong đó:

à - Hệ số Poat xông của vật liệu chế tạo xi lanh;

D - Đờng kính trong của xi lanh, m;

Exl - môđun đàn hồi của vật liệu làm xy lanh, N/ m2;

E - môđun đàn hồi của dầu, N/ m2;

δ - chiều dày thành của xi lanh, m;

S - hành trình của pít tông, m

f) Tính toán chọn bơm làm việc cho hệ thống:

Với tính toán ở trên sẽ tính đợc các giá trị:

Pyc (bar)

Q (l/ph)

Bơm làm việc cho hệ thống phải thoả mãn lu lợng đợc xác định qua biểu thức:

Qb = 1,1Q, l/ph

Với lu lợng và áp suất nh trên ta có thể chọn đợc loại bơm phù hợp

nhất với các thông số:

Qb, l/ph

Pb, bar Trên cơ sở đó tiến hành chọn động cơ điện phù hợp

Công suất động cơ kéo bơm là:

η

= b b dc

P Q N

η = 0,75 ữ 0,85 - hiệu suất của bơm

11.3.6 Các loại máy đóng mở khác

Cửa van có rất nhiều loại và đi cùng với nó ngoài các loại máy đóng mở đã đợc giới thiệu ở trên còn có rất nhiều loại thiết bị đóng mở đợc sử dụng phù hợp với điều kiện và nhiệm vụ cụ thể của công trình Trên các công trình thuỷ điện thờng kết hợp dùng một loại máy nâng để đóng mở cửa van và công việc tháo lắp, sửa chữa các thiết bị khác

Các loại máy đóng mở cửa van khác có thể dùng cho việc đóng mở cửa van nh sau:

- Pa lăng (thờng là pa lăng tay);

- Cầu trục;

- Cổng trục, cần trục;

- Tời thuỷ lực

Các loại này đã đựơc giới thiệu ở các loại máy trục trong chơng 10

11.4 Tự động hoá đóng mở cửa van

11.4.1 Những vấn đề chung

Tự động là một hoạt động đợc thực hiện không có sự can thiệp trực tiếp của con ngời vào một khâu hay cả một hệ thống sản xuất Tự động hoá các quy trình sản xuất, dây chuyền công nghệ rất có hiệu quả Những năm gần đây nhờ sự phát triển của công nghệ thông tin và máy tính mà tự động hoá phát triển rất mạnh mẽ và ngày càng đóng vai trò quan trọng để phát triển kinh tế với tốc độ cao và vững chắc

Tự động hoá thuỷ lợi đợc nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới vào những năm 30 Những ứng dụng đầu tiên là ở Morocco và Angiêri trớc chiến tranh thế giới lần thứ 2 Chơng trình nghiên cứu đầu tiên về tự động hoá điều tiết dòng chảy trên kênh đợc bắt đầu vào năm

1966 Cho đến nay nhiều hệ thống thuỷ lợi tới tiêu đã đợc tự động hoá ở mức độ cao nh hệ thống cầu máng ở California có chiều dài 710km lu lợng 430m3/s hay kênh Provence của Pháp có lu lợng 40m3/s, có 33 cửa điều tiết, 24 cửa khẩn cấp, 4 trạm bơm, có 99 bộ thiết bị thu thập số liệu từ xa với 220 chỉ số đo đạc và 800 chỉ số báo động Sự tiến

bộ trong vận hành các thiết bị trên công trình bằng tự động hoá gắn liền với sự tiến bộ của ngành cơ khí, điện và điện tử trong công nghiệp

Tự động hoá đóng mở cửa van là một phần trong hiện đại hoá các công trình thuỷ lợi

Do vậy cửa van và thiết bị đóng mở phải tơng tác với hệ thống công trình mới mang lại hiệu quả Hiện đại hoá có nghĩa là có sự thay đổi theo chiều hớng tốt hơn Nh vậy phải hiểu hiện tại, có tầm nhìn về tơng lai hay phải hiểu đợc sự lựa chọn cho sự thay đổi Công tác thuỷ lợi không đơn giản mà hết sức phức tạp kể cả về kỹ thuật và xã hội, nó tác động tới sự hài hoà của xã hội, kinh tế nông nghiệp, năng suất cây trồng vật nuôi, công nghiệp, năng lợng tiêu thụ, chất lợng môi trờng sinh thái Nếu phân tích công phu, lựa chọn mức tự động hoá phù hợp thì mang lại hiệu quả tốt Đối với máy đóng mở cửa van sẽ giảm đợc sức lao động nặng nhọc cho con ngời, loại trừ đợc tính chủ quan của ngời vận hành, dễ dàng trong vận hành mang lại hiệu quả và tăng tính linh hoạt, giảm đợc sự cố

Nh vậy việc điều khiển đóng mở cửa van trong các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện tuỳ theo yêu cầu khai thác, yêu cầu sử dụng nớc, tính chất quan trọng và độ phức tạp mà bố trí các phơng thức đóng mở bằng tay, bằng điện tại chỗ hay tự động điều khiển một khâu nào

đó hoặc cả công trình

11.4.2 Các mức độ tự động hoá đóng mở cửa van

Tự động đóng mở cửa van có thể chia thành hai loại: Tự động điều khiển theo nghĩa tự

động hoá bằng cơ, điện và điện tử; loại thứ hai là tự động đóng mở cửa van thuần tuý theo thuỷ lực và kết cấu công trình

1 Tự động điều khiển theo nghĩa tự động bằng cơ, điện và điện tử

a) Bán tự động: Trong các phần trớc đã giới thiệu các loại thiết bị đóng mở cửa van.

Các máy hoặc thiết bị đóng mở đó có thể dùng năng lợng điện hoặc sức ngời Khi dùng điện thì dòng năng lợng điện từ lới qua bộ biến đổi sẽ có các thông số thích hợp để đa tới động cơ Động cơ điện, phần tử chính của hệ thống, sẽ biến đổi điện năng thành cơ năng cần thiết cấp cho máy đóng mở thực hiện quá trình đóng mở cửa van

Hình 11-26 Trung tâm điều khiển cầu máng California

Quá trình năng lợng trên diễn ra theo luật do bộ điều khiển quy định Các căn cứ để xác định quyết định điều khiển là tín hiệu của ngời điều khiển hoặc nguồn thông tin và các tín hiệu về trạng thái của hệ thống do kênh đo đa tới Các thông tin cần thiết có thể đợc lu giữ, hiển thị nhờ các thiết bị đầu ra Hệ thống thực hiện giao tiếp với bên ngoài qua các thiết

bị (cổng) ghép nối

ở đây có thể hiểu là một khâu nào đó trong điều khiển vẫn phải do con ngời trực tiếp tác động Khi đóng mở cửa van chạy điện, con ngời phải bấm nút nối mạch điện để máy chạy và tác động đóng hoặc mở cửa van Nhng việc dừng máy đã đợc định trớc không cần

sự theo dõi của con ngời Việc dừng tự động khi đóng hết hoặc mở hết hoặc theo một cữ

đóng mở định trớc nào đó làm cho việc vận hành đợc dễ dàng hơn, an toàn cho thiết bị Ta gọi điều khiển thiết bị đóng mở cửa van kiểu này là bán tự động

Trên hình 8-1 giới thiệu cấu trúc cơ bản hệ thống đóng mở cửa van bằng cơ- điện Đối

với cửa van, việc bị kẹt do các vật trôi nổi chèn vào trong quá trình đóng, mở khi cha kết thúc theo hành trình định trớc thờng xẩy ra Điều đó làm tăng đột ngột lực đóng mở, gây h hỏng thiết bị Để ngăn ngừa, ngời ta phải đa vào đó một bộ phận chống quá tải; có kiểu về lực hoặc mô men xoắn Trên hình 8-1 là sơ đồ tổng quát để điều khiển đóng mở bằng

cơ-điện Bộ phận cảm biến và thiết bị đo ở đây có cả các bộ phận này Khi hết hành trình hoặc

đột ngột quá tải, thông tin đợc truyền về bộ phận điều khiển để ngắt dòng điện cung cấp cho

động cơ vì vậy máy dừng lại và đợc an toàn

Phơng án bán tự động này thờng có đầu t ban đầu rẻ, trình độ kỹ thuật không cao lắm, nhng thích hợp cho các công trình thuỷ lợi Trình độ ngời sử dụng không cần cao, nhng phải qua lớp đào tạo cơ điện

Các dạng máy đóng mở cửa van khác nhau đợc giới thiệu ở các chơng trớc có những hình thức kết cấu về hạn chế hành trình và quá tải khác nhau và độ an toàn, tin cậy của từng loại cũng khác nhau

b) Tự động đóng mở cửa van

- Cơ sở điều khiển tự động đóng mở cửa van

Trên các công trình thuỷ lợi việc điều tiết mực nớc dựa trên các nguyên lý thuỷ lực cơ bản: Điều tiết mực nớc, điều tiết lu lợng, dòng không ổn định và cấu trúc thuỷ lực cơ bản (dòng chảy trên hoặc dòng chảy dới cửa van) Mục đích điều tiết là để tích trữ nớc, cung cấp nớc theo yêu cầu tới tiêu, sinh hoạt, công

nghiệp, bảo vệ an toàn công trình, an toàn cho

vận hành, tiết kiệm nớc Vậy khi bố trí cửa van

để điều tiết mực nớc với ý nghĩa tự động điều

khiển phải tuân thủ sự định hình của bố trí hệ

thống và sự tơng tác giữa các cấp kênh và thiết

bị

Hình 11-27 Điều khiển vào ra

Nh vậy muốn tự động đóng mở cửa van

phải biết đợc những thông số đầu vào cần thiết

tức là phải có các dữ liệu cần thiết và xử lý để

điều khiển quá trình làm việc của thiết bị Dữ liệu

có thể là có sẵn hoặc định sẵn nh giá trị đóng mở

cửa lớn nhất và nhỏ nhất, mực nớc cao nhất thấp

nhất, hoặc đóng mở theo dữ liệu cần cung cấp

n-ớc Để có thể thu thập đợc dữ liệu ngời ta thực

hiện trực tiếp tại vị trí điều khiển và cũng có thể

thực hiện từ xa Trong hiện đại hoá, điều khiển từ

xa có thể hiểu là sự tham gia của thiết bị ngoài các

hoạt động trên thực tế do con ngời làm Một hệ

thống điều khiển từ xa có thể có tín hiệu đợc