Nhằm xác định tổn thất, vận tốc, áp suất của chất lỏng đi qua van, nghiên cứu xác định các 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.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Nghiên cứu, tính tốn 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 Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ Địa chất, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Nhận 15/04/2021 Chấp nhận 16/8/2021 Đăng online 19/12/2021 Van phân phối thủy lực sử dụng rộng rãi cho thiết bị chống giữ thủy lực khai thác than hầm lị Trong tính tốn thiết kế van phân phối thủy lực cần xác định đường đặc tính quan hệ tổn thất áp suất lưu lượng van Hiện nay, có nhiều nghiên cứu công thức thực nghiệm giúp xây dựng đường đặc tính Tuy nhiên, tính tốn đề cập đến tổn thất qua tiết diện khác với hệ số lưu lượng cho trước mà không xác định tổn thất cục chất lỏng qua van Trong thực tế, đường đặc tính thường xác định thí nghiệm Nhằm xác định tổn thất, vận tốc, áp suất chất lỏng qua van, nghiên cứu xác định điều kiện đầu vào van để tiến hành tính tốn mơ dịng 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 thiết kế van có nằm phạm vi cho phép hay không đề xuất phương án thay đổi cho phù hợp Từ khóa: tổn thất áp suất, lưu lượng, dịng chảy, mơ phỏng, van điều khiển hướng thủy lực © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm xylanh thủy lực, mô men tốc độ quay motor thủy lực) Thực tế năm gần sản lượng khai thác than Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam tăng trưởng với tốc độ cao, từ 27,5 triệu năm 2004 lên đến 47,5 triệu năm 2010 Theo kế hoạch phát triển Tập đoàn sản lượng khai thác tăng nhanh, trung bình 6,4% năm giai đoạn 2011-2015 4,6% năm giai đoạn 2016-2025 đạt tổng sản lượng khai thác khoảng 60,3 triệu vào năm 2015, sản lượng khai thác hầm lị chiếm 60% Để đạt mục tiêu mỏ than hầm lị phải tiến hành đổi công nghệ khai thác, đẩy mạnh áp dụng thiết bị khai thác tiên tiến, công suất lớn áp dụng dây chuyền khai thác đại tức phải giới hóa khai thác lị chợ để nâng cao suất hiệu quả, sản lượng khai thác (Công ty than Khe Chàm, 2013) Hiện nay, mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh gồm 06 có lị chợ áp dụng công nghệ khai thác Đặt vấn đề Trong hệ thống vận hành thủy lực có xuất van điều khiển thủy lực Chúng lắp nhiều vị trí thực nhiệm vụ khác Trong hệ thống thủy lực, ngồi bơm thủy lực, motor, hay xylanh van thủy lực giữ vai trò quan trọng làm nhiệm vụ điều chỉnh điều khiển thông số đầu vào đầu hệ thống (Nguyễn Đức Sướng, 2019) Trong đó, van điều khiển lắp đặt mạch cấu chấp hành, chúng có nhiệm vụ sau (Nguyễn Tài, 1996): - Phân phối dịng chất lỏng có áp lực cao cho cấu chấp hành (xylanh, motor thủy lực) - Đảo chiều chuyển động cấu chấp hành dùng bơm chiều dòng lượng chiều - Điều chỉnh thông số đầu cấu chấp hành (lực tốc độ tịnh tiến piston 167 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) giới hóa đồng Cột chống kích điều khiển van tay độc lập (Hình 1) Dung dịch cấp đến P, trượt van điều khiển kéo sang trái, dung dịch qua van điều khiển đến khóa thủy lực, lực đẩy dung dịch lớn lực nén lò xo lên bị chặn, van chiều khóa thủy lực mở, dung dịch cấp vào khoang sau cán pison đẩy piston cột chống Van chiều khóa thủy lực có vai trị chống tụt piston có cố đường cấp dung dịch dò rỉ dung dịch qua van điều khiển Nếu áp suất đường ống sau van chiều tới cột chống lớn áp suất cho phép, van an toàn mở Để hạ cột chống, trượt van điều khiển đẩy sang phải, dung dịch từ P cấp vào đường ống với phía cán piston cột chống Van chiều đường ống cấp để nâng cột chống khóa làm dung dịch khơng thể hồi qua van đường hồi Để mở van chiều, đường dung dịch điều khiển nối với van chiều (chức van chiều đường dung dịch điều khiển gọi khóa thủy lực) để mở van chiều Khi đó, đường dung dịch khoang cán piston bị đẩy qua van chiều đường hồi Để đảm bảo an toàn cho thiết bị chống giữ lò chợ, loại xy lanh thủy lực phần tử hệ thống thủy lực phải kiểm định nghiêm ngặt theo quy chuẩn quốc gia an tồn chống thủy lực sử dụng mỏ than hầm lị theo QCVN 03:2017/BCT (Bộ cơng thương, 2017) Ngồi u cầu mơ men thao tác, độ kín, độ bền, độ an tồn đặc tính lưu lượng áp suất thông số quan trọng Đặc tính lưu lượng – áp suất phải thỏa mãn điều kiện sau: - Lưu lượng đinh mức van đổi hướng nhỏ 125 lít/phút, tổn thất áp suất cấp hồi dịch phải nhỏ MPa - Lưu lượng định mức van đổi hướng lớn 125 lít/phút nhỏ 250 lít/phút tổn thất áp suất cấp hồi dịch phải nhỏ Mpa - Lưu lượng định mức van đổi hướng lớn 250 lít/phút, tổn thất áp suất cấp hồi dịch phải nhỏ MPa Để thiết kế, chế tạo van phân phối thủy lực cần phải xác định đường đặc tính quan hệ áp suất lưu lượng qua van Thơng thường, đường đặc tính xây dựng phương pháp thực nghiệm (Joseph E Schigley, 1996) Nhằm giảm bớt chi phí cho việc sửa đổi, thử nghiệm chế tạo van phân phối thủy lực cho cột chống, giàn chống sử dụng mỏ hầm lò Đối với van phân phối thủy lực, tiết diện lõi van khơng có vị trí thay đổi mà cịn có nhiều vị trí khác Để xác định tổn thất qua vị trí cần phải tách tính riêng rẽ tổn thất Để có nhìn trực quan xác hơn, phương án mơ dịng chảy áp dụng Bài báo nghiên cứu xây dựng đường đặc tính quan hệ áp suất cột áp phương pháp tính tốn phương pháp mơ dịng chảy Hình Cấu tạo van thủy lực điều khiển tay 4/3 Xác định tổn thất cơng thức tốn học 2.1 Cơ sở lý thuyết Chất lỏng di chuyển từ qua cửa từ P đến A B từ A B T chịu tổn thất Phương trình Bernoulli có giá trị dịng chảy ổn định, theo định luật bảo tồn lưu lượng, tốc độ dịng chảy vào nhau, nghĩa 𝑄𝑣à𝑜 = 𝑄𝑟𝑎 (Nguyễn Đức Sướng, 2018) Lưu lượng dung dịch qua tiết diện phần thể tích dung dịch chảy qua tiết diện đơn vị thời gian xác định theo công thức sau (George E Totten, Victor J De Negri, 2012) ∆𝑉 𝑄 = ∆𝑡 = 𝑆 ∙ 𝑣 (1) Trong đó: 𝑆(𝑚2 ) tiết diện mà dung dịch qua 𝑣(𝑚/𝑠) vận tốc chuyển động dung dịch Khảo sát chuyển động dung dịch qua ống có tiết diện khác (xem Hình 2) 168 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) thất lớn Để tính tốn tổn thất áp suất theo lưu lượng cần xác định thơng số sau: • Diện tích tiết diện nhỏ dịng chảy qua 𝜋𝑑2 3,14 ∗ 0,0082 𝑆= = = 0,00005024 𝑚2 4 • Khối lượng riêng dung dịch nhũ tương 𝜌 = 1000 𝑘𝑔/𝑚3 • Hệ số lưu lượng chọn 𝛼 = 0,8 Thay đổi phạm vi lưu lượng từ 10 l/ph đến 80 l/ph để đánh giá tổn thất áp suất, áp suất dung dịch đầu yêu cầu từ 28 MPa Tại cửa A B, đường kính lỗ d_2=18 mm nên tính vận tốc dịng chảy cửa A B Kết tính tốn tổn thất áp suất theo lưu lượng van thể Bảng Do kích thước van điều khiển từ cửa P đến A (P đến B) nhau, tổn thất áp suất lưu lượng qua Đường đặc tính thể Hình Hình Lưu lượng chất lỏng qua tiết diện khác Tại vị trí có tiết diện 𝑆1 vận tốc 𝑣 ⃗⃗⃗⃗1 , vị trí có tiết diện 𝑆2 vận tốc ⃗⃗⃗⃗ 𝑣2 Để đảm bảo lưu lượng yêu cầu vận tốc dung dịch qua van xác định: 𝑄 𝑚 𝑣1 = 𝑆1 , 𝑠 (2) Nối mạch chung sức cản dòng chảy để điều khiển tĩnh chuyển động cấu chấp chấp hành phân tố điều khiển hệ thống, chúng phải chịu ảnh hưởng công suất lớn (George E Totten, Victor J De Negri, 2017) Các sức cản để điều khiển áp suất điều khiển lưu lượng ứng dụng trước hết van Lưu lượng chảy qua tiết lưu nói chung tính tốn phụ thuộcvào độ chênh áp suất ∆p dòng chảy theo công thức sau (Nguyễn Đức Sướng, 2018): 𝜌 𝑄 = 𝑆𝛼 √ ∆𝑝 Bảng Tổn thất áp suất theo lưu lượng qua van theo tính tốn lý thuyết 𝑄 (𝑙/𝑝ℎ) 𝑣1 (𝑚/𝑠) 10 0,655291 20 1,310582 30 1,965872 40 2,621163 50 3,276454 60 3,931745 70 4,587036 80 5,242327 (3) Trong đó: S- diện tích chất lỏng qua 𝛼- hệ số lưu lượng phụ thuộc vào cấu trúc vị trí tiết lưu có giá trị khoảng 0,6 đến Từ xác định tổn thất áp suất sau: 𝑄2 ∆𝑝 (𝑀𝑃𝑎) 0,017195637 0,068782547 0,154760731 0,275130189 0,42989092 0,619042925 0,842586204 1,100520756 𝜌 ∆𝑝 = 𝑆 𝛼2 ∗ (4) Một đường cong đặc tính tiêu biểu van điều khiển dòng chảy đồ thị tổn thất áp suất ∆p lưu lượng thủy lực Q qua đường dòng chảy Khi chất lỏng chuyển động qua tiết diện thu hẹp làm cho tổn thất áp suất tăng lên Tổn thất dịng chảy khác chất lỏng di chuyển theo cửa PA, P-B A-T, B-T (HerbertWittel nnk, 2017) 2.2 Xây dựng đường đặc tính quan hệ áp suất – lưu lượng Hình Đặc tính tổn thất áp suất theo lưu lượng van điều khiển từ P-A, P-B theo tính tốn lý thuyết Để xác định diện tích chất lỏng qua van, van điều khiển thủy lực cho giàn chống xây dựng mơ hình 3D Đường kính lỗ dẫn dung dịch nhỏ mm, vị trí tổn 169 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Mơ dịng chảy 3.1 Điều kiện biên cho mô Sau xây dựng mơ hình van phân phối thủy lực, để tiến hành mơ dịng chảy qua van cần khai báo điều kiện biên Trường hợp lấy lưu lượng vào van 10 lít/phút tương đương 0,655 m/s (xem Bảng 1) Hình Phân bố áp suất, vận tốc đầu vào đầu lưu lượng Q = 10 lít/phút 3.2 Kết mơ Kết mô xác định phân bố vận tốc, áp suất qua van Hình Do tổn thất cục tổn thất dọc đường nên áp suất giảm dần từ đầu vào đến đầu van Với lưu lượng 10 lít/phút, tổn thất qua van xác định ∆p=29,9912-28,0486=0,0574 MPa Vận tốc dung dịch thay đổi qua tiết diện khác từ đầu vào đến đầu Với vận tốc vào 0,655 m/s, vị trí tiết diện thu hẹp, chất lỏng chuyển động với vận tốc lớn 8,76 m/s Bằng cách thay đổi thông số lưu lượng vào van để xác định tổn thất áp suất qua van phương pháp mô Kết mơ trình bày Bảng 2, Hình Hình Khai báo vận tốc đầu vào Do yêu cầu dung dịch cấp cho cột chống có áp suất từ 28 MPa nên điều kiện biên cho áp suất đầu lấy 28 MPa Các khai báo vận tốc áp suất Hình 4, Hình Bảng Tổn thất áp suất theo lưu lượng qua van theo phương pháp mô 𝑄 (𝑙 /𝑝ℎ) 10 20 30 40 50 60 70 80 Hình Khai báo áp suất đầu 170 𝑣1 (𝑚/𝑠) 0,655291 1,310582 1,965872 2,621163 3,276454 3,931745 4,587036 5,242327 ∆𝑝(𝑀𝑃𝑎) 0,0574 0,204 0,48 0,88 1,48 2,1 2,45 3,05 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) • Giá trị tổn thất áp suất tính tốn phương pháp mơ lớn giá trị tính tốn phương pháp lý thuyết Do tính tốn lý thuyết khơng tính tốn tổn thất dọc đường tổn thất cục dịng chảy tiết diện thay đổi vị trí chuyển tiếp đường ống vào, thân trượt Giá trị tổn thất áp suất theo phương pháp mô thu từ 0,0574 MPa đến 3,05 MPa lưu lượng thay đổi từ 10 lít/phút đến 80 lít/phút • Theo quy chuẩn quốc gia an tồn chống thủy lực sử dụng mỏ than hầm lò theo QCVN 03:2017/BCT, giá trị tổn thất áp suất mô đạt giá trị 3,05 MPa nhỏ giá trị cho phép MPa nên đảm bảo yêu cầu Nhờ nghiên cứu, tính tốn dịng chảy qua van cho phép xác định tổn thất qua van phân phân phối 4/3 điều khiển tay mà cho phép xác định tổn thất áp suất qua loại van phân phối thủy lực khác Hình Đặc tính tổn thất áp suất theo lưu lượng van điều khiển từ P-A, P-B theo phương pháp mô Sự sai khác tổn thất tính tốn tổn thất áp suất theo lý thuyết mô xác định tổn thất Hình Sự sai lệch tăng dần theo lưu lượng qua van Đóng góp tác giả Tác giả Lê Thị Hồng Thắng, Nguyễn Văn Xơ phụ trách phần tình hình sử dụng van phân phối thủy lực mỏ hầm lò, tác giả Nguyễn Khắc Lĩnh nghiên cứu phần lý thuyết tổn thất dòng chảy qua ống thu hẹp Tài liệu tham khảo Hình So sánh đặc tính tổn thất áp suất tính tốn lý thuyết mơ dịng chảy Nguyễn Đức Sướng (2018) Hệ thống thủy khí máy thiết bị cơng nghiệp đại Giáo trình Cao học Ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Hà Nội Nguyễn Đức Sướng (2019) Phương pháp tính tốn Kết luận Nhờ vào sở lý thuyết tính tốn tổn thất áp suất qua tiết diện thu hẹp giúp cho xác định đường đặc tính tổn thất áp suất – lưu lượng dung dịch qua van Đồng thời sử dụng mơ dịng chảy cho phép xây dựng đường đặc tính Kết nghiên cứu thu sau: • Đã xây dựng đường đặc tính tổn thất van phương pháp lý thuyết, cửa vào P cửa A có tiết diện thay đổi nên tổn thất cục qua van bẳng tổng tổn thất cục hai vị trí Giá trị tổn thất áp suất tính theo phương pháp lý thuyết tăng dần từ 0,017 MPa đến 1,1 MPa phần tử mạch điều khiển thủy khí máy thiết bị cơng nghiệp Giáo trình Cao học Ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Hà Nội Nguyễn Tài (1996) Thủy lực Tập I Nhà xuất xây dựng George E Totten, Victor J De Negri (2012) Standard Handbook of Hydraulic Fluid Technology Taylor & Francis Group, LLC Joseph E Schigley (1996) Standard Handbook of Machine Design McGraw-Hill 171 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Tập đồn khí mỏ Trịnh Châu (2014) Giàn chống HerbertWittel, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek, Christian Spura (2017) Maschinenelemente Normung, Berechnung, Gestaltung Springer Vieweg Bộ công thương (2017) Quy chuẩn kỹ thuật quốc thủy lực trung gian thu hồi than loại ZF4400/16/28 Quảng Ninh gia an tồn chống thủy lực sử dụng 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 ... tạo van phân phối thủy lực cho cột chống, giàn chống sử dụng mỏ hầm lò Đối với van phân phối thủy lực, tiết diện lõi van vị trí thay đổi mà cịn có nhiều vị trí khác Để xác định tổn thất qua vị... đồng Cột chống kích điều khiển van tay độc lập (Hình 1) Dung dịch cấp đến P, trượt van điều khiển kéo sang trái, dung dịch qua van điều khiển đến khóa thủy lực, lực đẩy dung dịch lớn lực nén lò. .. dịng chảy qua van khơng cho phép xác định tổn thất qua van phân phân phối 4/3 điều khiển tay mà cho phép xác định tổn thất áp suất qua loại van phân phối thủy lực khác Hình Đặc tính tổn thất