VŨ VĂN VĂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ VĂN VĂN * LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU CỦA BƠM HẠT RẮN HG-150 DÙNG CHO CÁC NHÀ MÁY TUYỂN THAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT * HÀ NỘI - 2019 HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ VĂN VĂN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU CỦA BƠM HẠT RẮN KIỂU HG-150 DÙNG CHO CÁC NHÀ MÁY TUYỂN THAN Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 8.52.01.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Đức Sƣớng Hµ Néi - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khoa học khác Hà nội, ngày tháng 04 năm 2019 Tác giả luận văn Vũ Văn Văn LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài 10 Mục đích đề tài 10 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài .10 Nội dung nghiên cứu đề tài 10 Phương pháp nghiên cứu 11 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 11 Kết cấu luận văn 11 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY BƠM SỬ DỤNG TRONG CÁC NHÀ MÁY TUYỂN 12 1.1 - Nhiệm vụ máy bơm dây chuyền nhà máy tuyển khoáng .12 1.2- Một số loại máy bơm sử dụng nhà máy tuyển khoáng vùng Quảng Ninh nói chung nhà máy tuyển than Vàng Danh nói riêng .13 1.3- Đặc điểm máy bơm hạt rắn kiểu HG-150 dùng cho nhà máy sàng tuyển Vàng Danh 17 1.4 - Tình trạng mịn hỏng chi tiết máy bơm số thành tựu nước giới nhằm nâng cao độ bền mòn máy bơm .18 1.4.1- Tình trạng mòn hỏng chi tiết bơm hạt rắn 18 1.4.2- Thành tựu nghiên cứu nước giới nhằm nâng cao tuổi thọ chi tiết máy bơm .21 Chƣơng MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ LÝ THUYẾT CỦA BƠM HẠT RẮN VÀ PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU CỦA BƠM 25 2.1- Cột áp lý thuyết đường đặc tính lượng 25 2.1.1- Cột áp lý thuyết 25 2.1.2- Cột áp thực tế đường đặc tính lượng 27 2.1.3- Đường đặc tính máy bơm bơm hỗn hợp có hạt rắn 29 2.2- Sự mòn hỏng máy bơm biện pháp nâng cao độ bền mòn .33 2.2.1- Sự mòn hỏng máy bơm bơm dòng mang hạt rắn 33 2.2.2- Những nguyên nhân gây mòn cho máy bơm bơm hạt rắn .35 2.2.3- Phương pháp lựa chọn thông số kết cấu chi tiết máy bơm nhằm tăng độ bền mòn máy bơm hạt rắn nói chung máy bơm HG-150 nói riêng 39 2.2.4- Lựa chọn vËt liƯu chÕ t¹o cho máy bơm dòng hỗn hợp chứa hạt rắn .46 Chƣơng TÍNH TỐN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT CHÍNH 57 CỦA MÁY BƠM HG-150 57 3.1- Tính toán thông số bơm .58 3.1.1- C«ng suất yêu cầu trục bơm .58 3.1.2- Công suất động 58 3.1.3- Số vòng quay đặc tr-ng .59 3.2 -TÝnh to¸n c¸c thông số cửa vào bánh công tác 59 3.2.1- Vẽ sơ đồ kết cấu bánh công tác HG-150 59 3.2.2- Xác định đ-ờng kính đầu trục bơm (đ-ờng kính trục bơm , nơi lắp khíp nèi) 60 Ta chän ®-êng kÝnh đầu trục bơm dr = 60 mm = cm 60 3.2.3- Xác định đ-ờng kính trục nơi lắp BTC 60 3.2.4- Đ-ờng kính moay bánh công t¸c .60 3.2.5- X¸c định đ-ờng kính miêng hút Ds 60 3.2.6- Xác định đ-ờng kính D1 61 3.2.7- Xác định chiều rộng mép vào b1 : 61 3.2.9- ChiỊu dÇy c¸nh dÉn S 64 3.3- Tính toán thông số cửa bánh công tác 64 3.3.1 Gãc cđa b¸nh dÉn : 65 3.3.2 Tính tốc độ vòng mép cđa c¸nh u2 65 3.3.3- Tính đ-ờng kính cửa bánh công tác D2 65 3.3.4- Chän chiỊu réng BCT ë cưa b2 65 3.3.5- Xác định giá trị tốc độ t-ơng đối .66 3.3.7- Chän sè c¸nh dÉn Z 67 3.4- Xây dựng biên dạng cánh 67 3.4.1- X©y dựng biên dạng cánh dẫn mặt kinh tuyến (mặt đứng) cánh có dạng mặt trụ 67 3.4.2- Xây dựng biên dạng cánh dẫn mặt vĩ tuyến .70 3.5- Tính toán xây dựng phân dẫn h-ớng 73 3.5.1- Bé phËn dÉn h-íng vµo .73 3.5.2- Bé phËn dÉn h-íng kiĨu xo¾n èc 74 3.6- Kiểm nghiệm bền trục bơm buồng bơm phần mềm catia 80 3.6.1- Kiểm nghiệm trục bơm phần mềm catia 80 3.6.1.1- Sơ đồ lực tác động lên trục bơm 80 3.6.1.2- Meshing .82 3.6.1.3- Ứng suất 83 3.6.1.4- Chuyển vị 84 3.6.2- Kiểm nghiệm buồng bơm phần mềm catia 85 3.6.2.1- Sơ đồ đặt lực .85 3.6.2.2- Meshing 86 3.6.2.3- Ứng suất .87 3.6.2.4- Chuyển vị 87 3.6.3- Kiểm tra độ bền gối trục 88 3.6.3.1- Sơ đồ đặt lực Lực tác dụng 88 3.6.3.2- Meshing .89 3.6.3.3- Ứng suất 89 3.6.3.4- Chuyển vị 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1- Máy bơm HM-200 sử dụng nhà máy tuyển Vàng Danh 16 Hình 2- Máy bơm HG-150 sử dụng nhà máy tuyển Vàng Danh 17 Hình 3- Tình trạng mòn hỏng chi tiết máy bơm nhà máy tuyển 20 Hình 4- Bánh cơng tác bơm BHP 200chế tạo hồn chỉnh (Vật liệu Gang Cr 27) 23 Hình 5- Buồng bơm BHP 200 chế tạo hoàn chỉnh (Vật liệu Gang Cr 27) 23 Hình 1- Đường đặc tính lượng bơm 27 Hình 2- Đường đặc tính lượng máy bơm HG - 150 Hình 3- Đường đặc tính máy bơm 30 Hình 4- Mơ tả giảm lưu lượng, giảm cột áp hiệu suất, 31 Hình 5- Tình trạng mịn hỏng máy bơm DENVER-ORION HM-200 34 Hình 6- Tình trạng mòn hỏng chi tiết máy bơm nhà máy tuyển khoáng 35 Hình 7- Hình ảnh chuyển động hạt rắn 36 Hình 8- Hình ảnh chuyển động hạt rắn máng xoắn ốc 37 Hỡnh 9- Xây dựng biên dạng c¸nh, theo /11/ Hỡnh 10- Bánh công tác bọc cao su /15/ Hình 11- Bánh công tác bọc cao su /15/ 47 Hình 12- Bơm hạt rắn XPA có bánh cơng tác bọc cao su lớp lót vỏ xoắn làm 48 Hình 13- Bánh cơng tác bọc cao xu 48 Hình 14- Bánh cơng tác bơm Hình 15- Cánh khuấy đúc vật liệu super duplex A890- 5A 54 Hình 16- Bánh công tác bơm ly tâm đúc bằngthép A890- 5A 55 Hình 17- Vỏ bơm đúc thép super duplex A890- 5A, khối lượng 360 kg 55 Hỡnh 1-Sơ đồ kế cấu bánh công tác 59 Hỡnh 2- Tam giác tốc độ cửa vào 61 Hỡnh 3- Cửa vào cánh dẫn 62 Hình 4-Tam giác vận tốc cửa vào 63 Hình 5-Th«ng sè cưa 64 Hỡnh 6-Tam giác tốc độ cửa 66 Hỡnh 7- Mô tả biên dạng mặt kinh tuyến 68 Hình 8- Quy luật biết đổi thông số wi , Cir 68 Hỡnh 9- Biên dạng cánh dẫn mặt kinh tuyến 69 Hình 10- Xây dựng biên dạng cánh ph-ơng pháp giải tích điểm 70 Hỡnh 11- Biên dạng cánh mặt vÜ tuyÕn 72 Hình 12- Bản vẽ Bánh cơng tác máy bơm HG-150 72 Hình 13- Máng xoắn ốc dẫn hướng 75 Hình 14- Trục bơm HG-150 81 Hình 15- Sơ đồ đặt lực trục bơm 82 Hình 16- Phân tích phần tử 82 Hình 17- Kiểm tra ứng suất trục bơm 83 Hình 18- Ứng suất trục bơm 83 Hình 19- Kiểm tra chuyển vị 84 Hình 20- Chuyển vị trục bơm 85 Hình 21- Sơ đồ đặt lưc lên buồng bơm 86 Hình 22- Phân tích phần tử 86 Hình 23- Kiểm tra ứng suất 87 Hình 24- Kiểm tra chuyển vị buồng bơm 88 Hình 25- Sơ đồ đặt lực lên gối trục 89 Hình 26- Kiểm tra phần tử 89 Hình 27- Kiểm tra ứng suất gối trục 90 Hình 28- Kiểm tra chuyển vị 90 Hình 29- Chuyển vị gối trục 91 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1- Các bơm hạt rắn sử dụng Công ty Tuyển Than Cửa Ông 13 Bảng 2- Các bơm hạt rắn sử dụng Công ty Tuyển Than Hòn Gai 14 Bảng 3- Các bơm hạt rắn sử dụng công ty Cổ phần Than Vàng Danh 15 Bảng 4- Thông số máy bơm HG-150 18 Bảng 1- Thông số kỹ thuật số máy bơm dùng nhà máy tuyển (HG) 42 Bảng 2- Một số dạng cánh bánh cơng tác máy bơm cho dịng hỗn hợp rắn – lỏng (trang 66 giáo trình /1/) 45 Bảng 3- Thành phần thép XAR 50 Bảng 4- Thành phần hóa học thép không gỉ duplex 52 Bảng 5- Cơ tính thép duplex 53 Bảng 6- Thành phần hóa học thép super duplex 54 Bảng 7- Thành phần hóa học gang GX260Cr27 56 Bng 1- Bảng thông số kỹ thuật máy bơm HG-150 57 Bng 2- Bảng tính toán phân chia mặt kinh tuyÕn 69 Bảng 3- Bảng tính toán phân chia mặt vĩ tuyến 71 82 Hình 15- Sơ đồ đặt lực trục bơm 3.6.1.2- Meshing Kích thước phần tử : 5mm Hình 16- Phân tích phần tử 83 3.6.1.3- Ứng suất Sau tính tốn phần mềm, kết ứng suất tác dụng lên trục thể sau: Hình 17- Kiểm tra ứng suất trục bơm Từ kết tính toán cho thấy ứng suất tập trung lớn tiết diện cổ trục M63x1,5 mm ( vùng màu đỏ thẫm) Ứng suất tập trung lớn nhiều giới hạn chảy của vật liệu 45X Đảm bảo điều kiện làm việc an tồn Hình 18- Ứng suất trục bơm ( 61,5 MPa) nhỏ 84 3.6.1.4- Chuyển vị Chuyển vị phần tử trình làm việc biểu thị sau: Hình 19- Kiểm tra chuyển vị Chuyển vị lớn nhất: đầu trục có tiết diện lắp bánh đai - Với truyền đai, chuyển vị không ảnh hưởng đến truyền - Chuyển vị giảm dần từ đầu trục lắp vs bánh đai đến vị trí lắp ổ lăn Do chuyển vị tiết diện lắp ổ lăn sau: + Tại tiết diện ổ lăn 1: chuyển vị theo phương (x,y,z)=(0,0016;0,0136;0,0691) mm + Tại tiết diện ổ lăn 2: chuyển vị theo phương (x,y,z)=(3,5e-005 ;-2.56e-005 ;0,0549) mm Chuyển vị an toàn với điều kiện làm việc trục ổ lăn 85 Hình 20- Chuyển vị trục bơm 19 3.6.2- Kiểm nghiệm buồng bơm phần mềm catia Vật liệu có: ; Hệ số Poisson=0,266; Giới hạn chảy: 3.6.2.1- Sơ đồ đặt lực Áp suất làm việc 10kG/ Cố định mặt bích mặt trụ hình Đặt áp suất làm việc 10 kG/ vào mặt buồng bơm để mơ phịng q trình làm việc bơm chịu áp suất 86 Hình 21- Sơ đồ đặt lưc lên buồng bơm 3.6.2.2- Meshing Kích thước phần tử: 10mm Hình 22- Phân tích phần tử 87 3.6.2.3- Ứng suất Sau tính tốn phần mềm ứng suất tác dụng lên vỏ buồng bơm thể sau: Hình 23- Kiểm tra ứng suất Ứng suất tập trung lớn nhất: tiết diện cổ buổng bơm nhỏ (Vật liệu khảo sát) Thỏa mãn điều kiện an toàn 3.6.2.4- Chuyển vị Chuyển vị phần tử thể sau: 88 Hình 24- Kiểm tra chuyển vị buồng bơm vị trí mặt đầu buồng bơm ( Màu Chuyển vị lớn nhất: đỏ) Chuyển vị theo phương dọc theo trục X ( phương chiều trục so với trục bơm ) , không ảnh hướng đến hệ thống 20 3.6.3- Kiểm tra độ bền gối trục Vật liệu có: Giới hạn chảy: 3.6.3.1- Sơ đồ đặt lực Lực tác dụng ; Hệ số posion=0,266; 89 Hình 25- Sơ đồ đặt lực lên gối trục 3.6.3.2- Meshing Kích thước phần tử: 10mm Hình 26- Kiểm tra phần tử 3.6.3.3- Ứng suất Sau tính tốn phần mềm ứng suất tác dụng lên gối đỡ thể sau: 90 Hình 27- Kiểm tra ứng suất gối trục Ứng suất tập trung lớn nhất: nhỏ tiết diện ổ trục (Vật liệu khảo sát) Thỏa mãn điều kiện an toàn 3.6.3.4- Chuyển vị Hình 28- Kiểm tra chuyển vị 91 ( Màu đỏ) Chuyển vị lớn nhất: Chuyển vị lớn mép gối đỡ ( màu đỏ) Chuyển vị phần tử mặt lắp trục Hình 29- Chuyển vị gối trục + Tại tiết diện ổ lăn 1: chuyển vị theo phương Điểm 1: (x,y,z)=(-0,229; 0,151; -0,0217) mm Điểm 2: (x,y,z)=(0,304 ;0,141;0,0175) mm Nhận xét chƣơng 3: Qua tính tốn thiết kế sơ chi tiết bánh cơng tác buồng bơm ta nhận kết tương đồng với bơm mẫu bơm mẫu HG150 sử dụng nhà máy tuyển Vành Danh có thơng số hợp lý phù hợp Việc xác định thông số tạo điều kiện thuận lợi cho công tác chuẩn hóa vẽ chế tạo, đáp ứng nhu cầu thay thế, sửa chữa thiết bị Dưới vẽ số chi tiết lấy mẫu đầy đủ máy bơm HG-150 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận chung Máy bơm hạt rắn cỡ hạt lớn nói chung máy bơm HG-150 nói riêng giữ vai trị quan trọng dây chuyền nhà máy tuyển nước ta Đến nay, vấn đề nghiên cứu bơm hạt rắn cỡ hạt lớn nói chung bơm HG-150 nói riêng chưa cá nhân đơn vị nước tập chung nghiên cứu đầy đủ hạn chế số lượng chất lượng sản phẩm Sự hiểu biết sâu vấn đề kỹ thuật thiết kế, chế tạo sử dụng máy bơm hạt rắn cỡ hạt lớn hạn chế, đặc biệt máy bơm HG-150 Đây vấn đề phức tạp, cần tập chung nghiên cứu bản, nghiêm túc, đầy đủ Đề tài : “ Nghiên cứu xác định số thông số kết cấu máy bơm hạt rắn kiểu HG-150 dùng cho nhà máy tuyển than” đóng góp phần vào việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy bơm hạt rắn (máy bơm HG-150) Kết đạt đƣợc - Luận văn thực khối lượng lớn công việc thu thập, phân tích, đánh giá số liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu nước, sở đó, sâu vào nghiên cứu nơi dung cần thiết giải nhiệm vụ đặt - Vấn đề nghiên cứu xác định thông số kết cẩu bơm hạt rắn kiểu HG-150 đề tài nghiên cứu đầy đủ tính kiểm nghiệm phân mềm tin học catia - Trên sở tính tốn thơng số đề tài lập vẽ chế tạo chi tiết vẽ lắp bơm hạt rắn kiểu HG-150 Đây kết đạt có tính bước đầu giai đoạn nghiên cứu Trong thời gian tới cần tiếp tục sâu nghiên cứu them phương án khác 93 để xác định thật xác thơng số kỹ thuật nêu với máy bơm hạt rắn có thông số khác Kiến nghị Nhu cầu máy bơm hạt rắn cỡ hạt lớn nói chung, máy bơm kiểu HG-150 nói riêng ngày lớn đồi với cơng tác tuyển quặng Có thể nói ngành chế tạo máy bơm Việt Nam hạn chế máy bơm hạt rắn cỡ hạt lớn Kết nghiên cứu đề tài đóng góp nhỏ cho ngành Cịn nhiều vấn đề kỹ thuật phức tạp máy bơm hạt rắn nói chung máy bơm kiểu HG-150 nói riêng Đề nghị cấp có thẩm quyền nhà khoa học, đơn vị có liên quan quan tâm đầu tue cho việc nghiên cứu loại máy bơm hạt rắn phục vụ chủ động cho ngành khai khoáng 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Huy C-ơng, Nghiên cứu ảnh h-ởng số thông số hình học bánh xe công tác đến tính hiệu làm việc bơm bùn phục vụ nạo vét kênh m-ơng thuỷ lợi Việt Nam, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Hà Nội 2005 PGS.TS Trịnh Chất, TS Lê Văn Uyển, “Tính tốn hệ thống dẫn động khí, tâp 1”, Nhà xuất Giáo dục, 2006 Đoàn Văn Giáp, “Nghiên cứu sử dụng hợp lý hệ thống vận tải thủy lực bơm ly tâm để hút bùn đáy mỏ lộ thiên sâu Việt Nam”, Luận văn Thạc sỹ k thut, i hc M-a cht Hoàng Văn Nại, Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài, Nghiên cứu thiết kế chế tạo bơm ly tâm vỏ xoắn cấp chịu mài mòn ăn mòn hoá học phục vụ cho khai thác than ngành khác, MÃ số KC.05.24, Hà nội tháng 12 năm 2005 Vũ Nam Ngạn, Nghiên cứu mòn hỏng máy bơm mỏ Việt Nam sở dòng hai pha, ph-ơng h-ớng nâng cao độ bền mòn chúng, Luận án PTS khoa học kỹ thuật, Đại học Mỏ - Địa chất Hà nội 1996 Nguyễn Đức S-ớng, Vũ Nam Ngạn, Giáo trình Máy Thuỷ Khí, Đại học Mỏ Địa chất 2009, 2014 o ỡnh Ton, Nghiên cứu hồn thiện dây chuyền cơng nghẹ sản xuất bơm, đề tài nghiên cứu thuộc dự án, “Nghiên cứu thiết kế, hồn thiện dây chuyền cơng nghệ chế tạo bơm đặc thù bơm công suất lớn phục vụ nhu cầu nước xuất khẩu”, Công Ty CP chế tạo bơm Hải Dương, 2016 Vũ Ngọc Trà, “Nghiên cứu chế độ làm việc máy bơm ly tâm ảnh hưởng hạt rắn dòng hỗn hợp hai pha rắn-lỏng nhà máy tuyển than Hòn Gai”, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Mỏ-Địa cht 95 Đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy bơm chịu mài mòn cao phục vụ thải tro xỉ cho nhà máy nhiệt điện khai thác mỏ, Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Đức Cách, Công ty CP Chế tạo bơm Hải D-ơng, năm 2013-2014 10 H-ớng dẫn thiết kế đồ án môn học Máy Thđy KhÝ - PGS.TS Ngun §øc S-íng - Tr-êng §H Mỏ - Địa Chất 11 TS Lờ Vn Uyn, Trnh Chất, “Tính tốn hệ thống dẫn động khí, tâp 2”, Nhà xuất Giáo dục, 2006 12 G Grabow, G Gneipel, N D Suong, P N Tuong, P Hergt, “Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben D185 Gemischfoerderung B (fluessig/fest)”, Freberg TU Bergakademie 3/1994 13 G Gneipel, N.D Suong, P.N Tuong, R Kutzsche, U Schuster, “ Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben Gemischfoerderung fest/fluessig”, AIF – Nr.B9831, FKM-Nr 620103, Freiberg 9/1996 14 G Gneipel, N.D Suong, P.N Tuong, R Kutzsche: “3 Zwischen-bericht zum Forschungsvorhaben Gmischfoerderung fest/fluessig’’ AIF-Nr.B 9831, FKM-Nr.520103 Freiberg, 11/1995 15 Gao Zhi-qiang, Xu Hong-yuan, Wu Yu-lin, “Experimental Study on motion of solid particles in centrifugal pump impellers International conference on pumps and systems” 19-21 May 1992, Beijing 16 Industriepumpen + Kompressoren, Zeitschrift fuer Praxis der Pumpen- und Kompressorentechnik, Heft 4/2006, S.199-200 Vulkan-Verlag Essen 17 Mei Zu-Yan, “A survey of research and development of slurry pumps in China International conference on pumps and systems”, 19-21 May 1992, Beijing 18 N.D Suong, V.N Ngan, G Gneipel, P.N Tuong, “Betrachtungen zum Verschleiss von Gemischkreiselpumpen auf der Basis von 96 Zweiphasenstroemung Vortraege zum 40” Berg-und Huetenmaennischen Tag 1998 in Freiberg A844 Freiberger Forschungshefte 19 W Prechtl, G Vetter, “Verschleissverhalten Carbidhaltiger Werkstoffe bei hydroabrasiven Bedingungen im Pumpenbau Industriepumpen + Kompressoren Zeitschrift fuer Praxis der Pumpen- und Kompressorentechnik”, Heft 3/2004, S.128-135 Vulkan-Verlag Essen 20 Xu Hongyua, “Velocity ratio theory and design principle on solid – liquid pump International conference on pumps and systems”, 19-21 May 1992, Beijing