Nghiên cứu thiết kế hệ thống đóng mở cửa âu tàu

Tính cấp thiết của đề tài Đất nước ta có bờ biển dài, và rất nhiều sông ngòi nên việc ưu tiên phát triển các công trình biển, các công trình thủy lợi, các âu tàu, âu thuyền phục vụ cho

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG

ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU

Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy

Mã số : 60.52.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2013

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐINH MINH DIỆM

Phản biện 1: TS LƯU ĐỨC BÌNH

Phản biện 2: PGS.TS LÊ VIẾT NGƯU

Luận văn được bảo về trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng 12 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đất nước ta có bờ biển dài, và rất nhiều sông ngòi nên việc ưu tiên phát triển các công trình biển, các công trình thủy lợi, các âu tàu,

âu thuyền phục vụ cho ngư dân tránh trú bão… được Chính phủ và các

Bộ, Ban ngành quan tâm đầu tư xây dựng, góp phần đưa nền nông, ngư nghiệp phát triển hiện đại, theo kịp với những nước có nền công nghiệp phát triển …, Vì thế việc tập trung đầu tư vào các dây chuyền sản xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao năng suất lao động, ứng dụng tự động hoá trên các thiết bị, trên các công trình thủy lợi phục vụ sản xuất trong nông nghiệp, ngư nghiệp cụ thể là việc ứng dụng PLC vào các dây chuyền sản xuất, các công trình thủy điện, thủy lợi…

Đất nước ta với vị trí địa lý thuận lợi cho phát triển các âu thuyền, cho các công trình thủy lợi, giao thông thủy, có nhiều âu tàu,

âu thuyền để phục vụ cho các mục đích tránh trú bão, phục vụ đóng, sửa chữa tàu thuyền lưu và thông qua lại Âu tàu cũng góp phần xả lũ trong mùa mưa và ngăn mặn trong mùa khô, điều tiết nguồn nước ngọt cho vùng đồng bằng ở hạ lưu

Vì vậy, việc thực hiện quá trình đóng mở cửa âu tàu bằng tự động hóa để cho tàu thuyền ra vào là rất quan trọng

Để phục vụ việc tự động hóa đóng mở cửa âu tàu được an toàn, hiệu quả nên tôi đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống đóng

mở cửa âu tàu”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu và ứng dụng PLC để thiết kế hệ thống ĐK đóng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu các loại âu tàu, âu thuyền đã và đang được xây dựng trong nước và ở các nước trên thế giới

Nghiên cứu hệ thống đóng mở cửa âu tàu, âu thuyền để thiết kế

hệ thống đóng mở cửa âu tàu điều khiển tự động bằng PLC

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về âu tàu, âu thuyền và nghiên cứu về lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực bằng PLC

Nghiên cứu các công trình âu tàu, âu thuyền thực tế và ứng dụng để thiết kế hệ thống điều khiển đóng mở cửa âu tàu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực và điều khiển thủy lực bằng PLC

- Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài này góp phần nghiên cứu thiết kế và điều khiển hệ thống đóng mở cửa âu tàu cho công trình liên quan

6 Cấu trúc luận văn

MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu về những công trình xây dựng âu tàu

1.2 Mô hình tổng thể của các công trình xây dựng âu tàu 1.3 Giới thiệu hệ thống đóng mở cửa âu tàu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC

2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển bằng thủy lực

2.1.1 Khả năng ứng dụng của điều khiển bằng thủy lực

2.1.2 Những thành phần cơ bản trong một hệ thống điều khiển bằng thủy lực

2.1.3 Cơ cấu biến đổi năng lượng và hệ thống xử lý dầu

2.1.4 Các loại cảm biến

2.2 Điều khiển thủy lực và điều khiển bằng PLC

2.2.1 Điều khiển thủy lực

2.2.2 Điều khiển PLC

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU

3.1 Tính toán lực nâng hạ của hệ thống xi lanh

3.2 Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ cửa âu tàu

3.3 Hệ thống điều khiển thủy lực và chương trình PLC

3.4 Mô phỏng hệ thống điều khiển thủy lực đóng mở cửa âu tàu bằng Pro/Engeneer

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU VỀ NHỮNG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG ÂU TÀU

1.1.1 Những âu tàu trên thế giới

1.1.2 Những âu thuyền, âu tàu tại Việt Nam

1.2 MÔ HÌNH TỔNG THỂ CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY

DỰNG ÂU TÀU

1.2.1 Khái niệm của âu tàu

1.2.2 Vai trò của âu trong giao thông vận tải

1.3 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU 1.3.1 Hệ thống đóng mở cửa âu tàu

1.3.2 Hệ thống đóng mở van tháo nước cửa âu tàu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU

KHIỂN THỦY LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC 2.1.1 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực

2.1.2 Định luật của chất lỏng

2.1.3 Các dạng năng lượng

2.1.4 Tổn thất trong hệ thồng truyền động bằng thủy lực 2.1.5 Độ nhớt và yêu cầu đối với dầu thủy lực

2.2 KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA THUỶ LỰC

2.2.1 Ứng dụng của thuỷ lực trong công nghiệp chế tạo máy

2.2.2 Ứng dụng của thuỷ lực trong các công trình thủy lợi

2.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN TRONG MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG THỦY LỰC

2.3.1 Hệ thống điều khiển

2.3.2 Phạm vi ứng dụng của điều khiển thủy lực

2.3.3 Van áp suất

2.3.4 Van đảo chiều

2.3.5 Các loại van thủy lực ứng dụng trong điều khiển tự động

2.3.6 Cơ cấu chỉnh lưu lượng

2.3.7 Van chặn

2.3.8 Ống dẫn, ống nối

2.4 CƠ CẤU BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG VÀ HỆ THỐNG XỬ

LÝ DẦU THỦY LỰC

2.4.1 Bơm và động cơ dầu (môt tơ thủy lực)

2.4.2 Xilanh truyền động (cơ cấu chấp hành)

2.5.3 Cảm biến đo áp suất, lực và mômen xoắn

2.6 ĐIỀU KHIỂN LOGIC THỦY LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC 2.6.1 Điều khiển logic thủy lực

2.6.2 Điều khiển PLC

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU 3.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU

Hình 3.1 – Mô hình hệ thống đóng mở âu tàu

1-Xi lanh nâng hạ cửa âu thượng lưu (C,D); 2- Giá đỡ xi lanh nâng cửa âu thượng lưu; 4- xi lanh nâng hạ cửa van tháo nước thượng lưu(A,B); 5-Hầm bơm thủy lực; 6- Xi lanh nâng hạ cửa âu hạ lưu(G,H); 7- Giá đỡ xi lanh nâng cửa âu hạ lưu; 8- xi lanh nâng hạ cửa van tháo nước hạ lưu (E,F); 9- Cửa tháo nước ở đầu âu hạ lưu; 10- Cửa âu hạ lưu

3.1.1 Giới thiệu hệ thống đóng mở cửa van tháo nước

Ở đầu âu thượng lưu và hạ lưu bố trí 02 cửa van tháo nước từ thượng lưu vào trong âu và tháo nước từ trong âu ra phía hạ lưu có cấu tạo như hình 3.2

Hình 3.2 – Cấu tạo cửa van xả nước

1- Xi lanh nâng hạ cửa van; 2- Giá đỡ ; 3- Khung nối cửa van;

4- Bộ phận dẫn hướng cửa van; 5- Cửa van; 6-Gioăng chắn nước

3.1.2 Giới thiệu hệ thống đóng mở cửa âu tàu

Ở đầu âu thượng lưu và hạ lưu bố trí 02 cửa âu để sau khi van tháo nước từ thượng lưu vào trong âu đến khi nước trong âu bằng mực nước thượng lưu , khi đó cửa âu được hệ thống xi lanh thủy lực nâng lên để thuyền đi vào trong lòng âu (hoặc thuyền trong lòng âu đi

ra phía thượng lưu) có cấu tạo như hình 3.3

Hình 3.3 – Cấu tạo cửa âu tàu

1-Xi lanh thủy lực nâng hạ cửa âu; 2-Giá đỡ xi lanh; 3- cầu thang bộ;

4-Ray dẫn hướng cửa âu; 5- Xi lanh nâng hạ van; 6-Bể dầu và bơm

dầu thủy lực; 7- cửa xả nước; 8- gioăng chắn nước; 9- Cửa âu tàu;

3.2 TÍNH TOÁN LỰC NÂNG HẠ CỦA HỆ THỐNG XI LANH 3.2.1 Tính toán lực nâng hạ của van

Khi tính toán lực nâng hạ cần xét tới điều kiện bất lợi nhất của tải trọng tác động lên cửa van ứng với các vị trí: Cửa van tựa lên ngưỡng, cửa mở hoàn toàn, thời điểm bắt đầu nâng cừa rời khỏi ngưỡng, hoặc hạ xuống ngưỡng, mở một phần có xét tới áp lực thủy động

a Các thông số cơ bản

- Số lượng cửa van : 04 bộ ( mỗi đầu âu có 2 van)

- Trọng lượng toàn bộ cửa van : 3,5 (T)

- Chiều rộng cửa van : 3,730 (m)

- Chiều cao cửa van : 1,805 (m)

- Hướng cửa van : Thẳng đứng

- Cao trình đáy van : -4,8 (m)

- Cao trình đỉnh van : +2,5 (m)

- Cột nước thiết kế : 7,3 (m)

b Tính toán lực nâng van

Hình 3.4- Sơ đồ lực tác dụng lên cửa van

Lực nâng cần thiết để nâng cửa van được tính theo công thức sau:

Nn ≥ Kg (G+G’)+Kms (Tx+Tc )+Ph+Vn (T) (3.1) Trong đó:

r f r f

P (3.2)

P lực tác dụng lên bánh xe (T) bằng áp lực thủy tĩnh tác dụng lên cửa được tính theo công thức:

t t t t

l h h H

Trong đó:

 - Trọng lượng riêng của nước(T/m3):  = 1 (T/m3)

Ht - chiều cao cột áp phía thượng lưu(m): Ht =7,3 (m)

ht - chiều cao chịu tải trọng của cửa bằng khoảng cách giữa 2 vật chắn nước đứng (bằng khoảng cách từ ngưỡng đáy đến tâm gioăng tường ngực):

ht =1,805+0,1=1,905 (m)

lt - Nhịp tải trọng của cửa van là khoảng cách giữa hai vật chắn nước ngang (bằng 3,730m cộng với 2 lần khoảng cách từ mép khe đến tâm tấm tỳ gioăng: 0,75m): lt=3,805 (m)

Nên thay số có:

01 , 46 805 , 3 905 , 1 2

905 , 1 3 , 7 2 1 2

Trong đó:

Ht - Là chiều cao cột nước thượng lưu (m): Ht=7,3 (m)

Hc - Là chiều cao gioăng chắn nước bên (m): Hc=1,825 (m)

bc - Là đường kính gioăng củ tỏi (m): bc = 0,04 (m)

lcn- Là chiều dài của gioăng chắn nước đỉnh (m): lcn=3,73 (m)

f - Hệ số ma sát của gioăng cao su chắn nước với đường trượt là thép không rỉ: f=0,2÷0,5, chọn f=0,5

Do đó lực cần thiết để nâng được của van là:

Pđ - là lực đẩy tác dụng lên mép dưới của cửa van khi van tựa vào ngưỡng đáy (T):

Pđ = 0 (T)

Pt là lực thấm sinh ra khi cửa van đóng (T) và được tính theo công thức:

c c t

γ - Khối trọng lượng riêng của nước (T/m3

): γ = 1 (T/m3

)

Ht - là chiều cao cột áp phía thượng lưu (m): Ht=7,3 (m)

bc - chiều rộng gioăng đáy (m): bc =0,3 (m)

lc - chiều dài gioăng đáy tiếp xúc với ngưỡng(m): lc = 3,73 (m) Nên 1,0 7,3 0,3 3,73 4,084

2

12

d Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ van

* Thông số yêu cầu của hệ thống

Xy lanh thủy lực loại tác động 2 chiều;

Số xy lanh: n(cái) n=1

Lực nâng lớn nhất của xy lanh là Pn (T)

Ta có lực cần thiết để nâng được cửa van là: Nn ≥ 21,0976 (T)

Hệ thống có 01 xy lanh nên lực cần thiết cho 01 xy lanh là:

Pn = 21,0976 (T) Chọn xy lanh có sức nâng lớn nhất là: Pn =30 (T)

Lực ấn (đóng van) của xy lanh P(T)

Hệ thống gồm 01 xy lanh nên lực cần thiết cho xy lanh là:

Pa =21,0976 (T) Hành trình làm việc của xy lanh S(m): Swork = 2,2 (m) Tốc độ nâng tối đa Vn (m/ph): Vn = 2,2 (m/ph) Vận tốc hạ tối đa Vh (m/ph): Vh = 3,0 (m/ph) Chọn dải áp suất (MPa): P= 10 (MPa)

* Tính chọn xy lanh

Diện tích buồng nhỏ xy lanh (mm2):

4 4 4

10 3 10 10 30

Đường kính trong xy lanh: Dbore =

) 1 (

1034

2 4

* Tính toán áp suất làm việc của hệ thống

Diện tích xy lanh theo ISO 3320 Sbore (mm2):

Sbore=

4.D bore2

3  2= 49062,5 (mm2

) Diện tích cần piton S (mm2):

4.d rod2

) (3.12)

Vậy: Srod=

4 130 14 ,

= 13266,5 (mm2) Diện tích buồng nhỏ (mm2):

Sa = Sbore - Srod = 49062,5 – 13266,5 = 35796 (mm2)

Áp suất nâng thực tế (MPa):

3579697,0

103097

,0

100976,2197

,0

10

MPa S

* Tính toán thời gian, hạ của hệ thống

Thời gian nâng tm (ph): tm = 1

2,2

2,



h

work v

Thể tích buồng lớn xy lanh Vbore (dm3):

Vbore=SboreSwork10-3

(dm3) (3.18) Vậy: Vbore=49062,5210-3=98,125 (dm3)

Lưu lượng bơm dầu cần thiết khi mở cửa van (l/ph):

1

592,711

m

a

t V

Lưu lượng bơm dầu làm việc của hệ thống Qv(l/ph):

592,71

Chọn bơm nguồn có thông số:

Dung tích làm việc riêng của bơm (cm3/v): qv = 55 (cm3/v)

Áp suất của bơm (MPa): p = 280 (MPa)

* Tính chọn động cơ

Hiệu suất truyền động: 0,9

Công suất cần thiết khi mở cửa van (KW):

, 1

1014505564,81,1

,1

10145055433,41,1

Hệ số công suất: cos() = 0,85

+ Tính chọn đường kính ống dẫn dầu cao áp:

Vậy: dic=

6 14 , 3 60 10 763 , 75

Hệ số an toàn theo DIN 2413: s = 1,5

Giới hạn bền của vật liệu chế tạo ống: K=235 (N/mm2)

Chiều dày ống dẫn dầu theo DIN 2413-1 sv (mm):

sv =

102

p

1046,8215,1

23520

1046,8

Chọn chiều dày ống theo tiêu chuẩn: sv = 2,0 (mm)

Đường kính ngoài của ống cao áp (mm): dac = dic+2sv

Nên dac =22+ 22,0=26 (mm)

Vận tốc thực của dầu trong ống cao áp wc (m/s):

wc=

2 3

60

104

ic

b d

10763,754

Q

60

10

414,360

10763,75

p v s K p d

10 433 , 4 2 1 5 , 1

235 20

10 433 , 4

Chọn chiều dày ống theo tiêu chuẩn: sv=2,0 (mm)

Vậy đường kính ống cần thiết: dat=dit + 2sv=25+22,0 = 29 (mm) Vận tốc thực của dầu trong ống thấp áp wt (m/s):

wt=

2 3

60

104

Diện tích đáy thùng dầu(dm2): St=Dt.St=8,04,0=32 (dm2) Chiều cao lắng cặn(dm): hc=(1÷3)(dm), chọn hc=1,5 (dm) Chiều cao hút nhỏ nhất của bơm: hhd=(1÷3)(dm),

Lượng dầu hữu ích: Tn=Sth0=325,073=162,336 (dm3) Chiều cao lưu không dầu sánh:hs=(1÷5)(dm), chọn hs=1,5(dm) Chiều cao tổng thùng dầu: ht=h0+hs=5,073+1,5 =6,573 (dm) Chọn ht=7,0 (dm)

Dung tích thùng dầu: Vtank=St.ht=32,07,0 =224 (dm3)

3.2.2 Tính toán lực nâng hạ cửa âu tàu

a Các thông số cơ bản

- Số lượng cửa âu n (bộ): 02 (bộ)(mỗi cửa có 2 xi lanh)

- Trọng lượng toàn bộ cửa âu G(T): 75,0 (T)

- Chiều rộng cửa âu G(T): 16,670 (m)

- Chiều cao cửa âu Hv (m): 7,3 (m)

- Hướng cửa van: Thẳng đứng

- Cao trình đáy âu: -4,8 (m)

- Cao trình thành âu: +2,5 (m)

- Cột nước thiết kế Ht (m): 7,3 (m)

b Tính toán lực nâng (mở) cửa âu

Hình 3.5 - Sơ đồ lực tác dụng lên cửa âu tàu

Tương tự tính toán như ở phần tính toán lực nâng hạ cửa van ở mục 3.1.1 ta tính toán được các thông số nâng hạ cửa âu tàu như sau:

Lực nâng cần thiết để nâng cửa âu:

N n ≥ K g ( G + G’ ) + K ms (T x + T c ) + P h + V n

Nn≥ 1,1(G + 0) + 1,2(Tx + Tc) + Ph (T) Vậy: Nn≥1,1(75+0)+1,2(76,932+8,502)+20,4= 205,421(T)

c Tính toán lực hạ cửa âu

Lực hạ cửa âu cần thiết là :

Nđ≥1,2(Tx+Tc)+Pđ+Pt-0,9G’

=1,2(76,932+8,502)+0+12,169- 0,975=47,190 (T)

d Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ cửa âu

* Thông số yêu cầu của hệ thống

Xy lanh thủy lực loại tác động 2 chiều,Số xy lanh (cái): n=2 (cái)

Lực nâng lớn nhất của xy lanh là: pn (T)

Ta có lực cần thiết để nâng được cửa âu là: Nn ≥ 205,421(T) Chọn xy lanh có sức nâng lớn nhất là: Pn =120(T)

Ta có lực cần thiết để đóng cửa âu là : Nd ≥ 47,190(T)

Hành trình làm việc của xy lanh Swork(m): Swork = 12,7(m) Tốc độ nâng tối đa Vn (m/ph): Vn = 3 (m/ph)

Đường kính cần xylanh chọn theo tiêu chuẩn : drod = 220 (mm)

* Tính toán áp suất làm việc của hệ thống

Áp suất nâng thực tế (Mpa):

S p

a

m

408,196374297,0

1012097

,0

a

d

816,36374297,0

10595,2397

,0

* Tính toán thời gian, hạ của hệ thống:

Thời gian nâng hết (phút):tm = phút

v

S n

3

7,

523,8092

n (l/ph)

Qbd = 813,904

175,3

074,1292

Lưu lượng bơm dầu làm việc của hệ thống (l/ph):

391,382

Dung tích làm việc riêng của bơm(cm3/vòng): qv=270(cm3/vòng)

Áp suất của bơm (MPa): p = 280 (MPa)

Chiều dài đường ống cao áp: Lc=25 (m)

Chiều cao hút nhỏ nhất của bơm(dm): hhd=1,5 (dm)

Chiều cao lưu không dầu sánh hs (dm):hs=1,5(dm)

Chiều cao tổng thùng dầu ht(dm): ht=6,2 (dm)

Dung tích thùng dầu Vtank (dm3): Vtank=St.ht=8006,2 =4960(dm3)

3.2.3 Biểu đồ trạng thái của các xi lanh thủy lực

3.2.4 Nhiệm vụ của hệ thống thủy lực đóng mở cửa van và cửa âu

3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC VÀ CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH PLC

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

3/ Nghiên cứu PLC và Lập trình trên S7-200 cho chu trình đóng mở tự động cửa âu tàu;

4/ Ứng dụng hệ điều khiển trên để thiết kế hệ thống điều khiển đóng mở cửa âu tàu Rạch Chanh;

5/ Đã thực hiện mô phỏng quá trình làm việc của hệ thống điều khiển đóng mở cửa âu tàu trên phần mềm Pro/Engineer;

6/ Góp phần cùng Công ty CP Xây lắp Dầu khí Miền Trung hoàn thiện phần thiết kế hệ thống đóng mở của âu tàu mà đơn vị đang thi công tại ấp Rạch Chanh – Tân An – Long An

2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống điều khiển tự động thủy lực bằng PLC nêu trên cho các van của công trình thủy lợi, thủy điện Triển khai lắp đặt hệ thống điều khiển vào công trình âu tàu Rạch Chanh để kiểm nghiệm thực tế và hiệu chỉnh thiết kế áp dụng cho các công trình liên quan