Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu đập bản lật tự động áp dụng cho công trình đập dâng miền núi phía Bắc

Bài viết Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu đập bản lật tự động áp dụng cho công trình đập dâng miền núi phía Bắc trình bày: Bài báo đã đề xuất một loại đập bản lật (dạng cửa van tự lật) áp dụng cho các công trình đập dâng miền núi phía Bắc. Dạng cửa van này có thể chế tạo sẵn theo từng đơn nguyên nên dễ dàng cho việc lắp đặt và thay thế,... Mời các bạn cùng tham khảo.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU ĐẬP BẢN LẬT TỰ ĐỘNG ÁP DỤNG CHO CƠNG TRÌNH ĐẬP DÂNG MIỀN NÚI PHÍA BẮC Giang Thư1, Vũ Hồng Hưng2 Tóm tắt: Bài báo đề xuất loại đập lật (dạng cửa van tự lật) áp dụng cho cơng trình đập dâng miền núi phía Bắc Dạng cửa van chế tạo sẵn theo đơn nguyên nên dễ dàng cho việc lắp đặt thay Với việc sử dụng hệ lò xo để tạo mơ men chống lật nên đáp ứng mực nước khác sử dụng lò xo có độ cứng tương đương thơng qua bảng tra đồ thị lập sẵn Đây ưu điểm loại cửa van Từ khoá: đập lật, đập dâng, miền núi, ANSYS ĐẶT VẤN ĐỀ1 Cửa van tự lật ứng dụng phổ biến cơng trình thủy lợi thủy điện đặc biệt với cơng trình dâng nước với cột nước khơng cao cơng trình tràn cố Ưu điểm bật loại hình cửa van khống chế mực nước độ cao định, mực nước tăng cửa van tự động mở để hạ thấp mực nước tự động đóng lại để dâng nước khơng cần tác động người máy móc thiết bị, chủ động vận hành thời tiết cực đoan mưa lũ bất thường, hạn hán giảm chi phí vận hành Cửa van tự lật vận hành theo nguyên tắc mô men áp lực thủy động lớn mô men trọng lượng thân cửa van ma sát gối quay, cửa van mở đến trạng thái cân Khi áp lực khơng thay đổi, góc mở cửa van khơng thay đổi Khi mô men áp lực thủy động lớn cửa van mở hồn tồn (ở trạng thái nằm ngang); mơ men trọng lượng cửa van lớn mô men áp lực thủy động với lực ma sát, cửa van đóng lại (ở trạng thái đứng) (ZHOU Jingyuan, 2007; Vũ Hoàng Hưng, 2009) Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sông biển - Viện KHTL Việt Nam Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi 126 Thời kỳ đầu từ năm 60 kỷ 20 cửa van tự lật có hình thức kiểu gối đơn cố định, phận gối đỡ lắp đặt thấp vị trí hợp lực áp lực nước (Hình 1) Khi mực nước thượng lưu vượt qua đỉnh cửa với độ cao định, cửa van mở theo hướng đổ phía sau đến vị trí nằm ngang Khi mực nước thượng lưu hạ đến đáy cửa, cửa van tự động quay vị trí đóng để tiếp tục chức chắn nước Qua nhiều năm loại cửa van bước cải tiến thêm cấu cản để khắc phục nhược điểm rung động đóng mở (DENG Xiaojun, 2012) Cho đến cửa van tự lật thường sử dụng hình thức bánh lăn có khe dẫn hướng (Hình 2) bánh lăn có nối (Hình 3) (HOU Shihua, 2007, 2008) Tuy nhiên thực tế cửa van trạng thái mở hồn tồn, để quay lại vị trí đóng gặp nhiều khó khăn, thường sử dụng thêm hệ thống xi lanh thủy lực để đẩy cửa van vị trí đóng đồng thời giúp ổn định q trình làm việc (Hình 3) Ngồi ta mơ men trọng lượng thân lớn lực tích nước trước cửa van lớn, cửa van thường làm bê tơng nặng nề nên khó vận chuyển lắp đặt đặc biệt vùng địa hình phức tạp Vì cần thiết phải nghiên cứu cải tiến vật liệu kết cấu phù hợp khắc phục nhược điểm KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) Hình Cửa van tự lật kiểu gối đơn Hình Cửa van tự lật kiểu bánh lăn có khe dẫn hướng Hình Cửa van tự lật kiểu bánh lăn có nối ĐỀ XUẤT ĐẬP BẢN LẬT TỰ ĐỘNG 2.1 Mơ tả hình thức kết cấu Để khắc phục nhược điểm cửa van có, tác giả tiến hành nghiên cứu đề xuất loại hình cửa van với đặc điểm sử dụng hệ thống lò xo trục khuỷu để tạo mơ men trọng lượng thân (mô men chống lật) Mơ hình cụm đập lật tự động cho hình Cấu tạo cụm đập lật tự động gồm phận: (1) Bản chắn; (2) Sườn chống; (3) Trục quay; (4) Trục khuỷu; (5) Thanh truyền; (6) Tấm trượt; (7) Lò xo; (8) Hộp kỹ thuật MNTL Cöa lËt Hép kü thuật Khối bê tông Hỡnh Mơ hình đập lật tự động KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 127 Khi áp lực thủy động tác dụng vào chắn, thông qua hệ thống trục khuỷu truyền tác dụng vào hệ lò xo, nhờ độ cứng lò xo tạo mơ men ngược với mơ men áp lực thủy động Nếu mô men áp lực thủy động lớn mô men lực kéo lò xo ma sát gối quay, cửa van mở đến trạng thái cân 2.2 Cấu tạo thông số Sơ đồ cấu tạo đập lật cho hình Trục lề O cố định, trục lề B chuyển động tịnh tiến theo phương ngang, trục lề A chuyển động quay quanh tâm O Hv Gv H Llx O FtO L2 FtB 2 B Klx Fs 1 FtA A L1 FA Hình Sơ đồ cấu tạo đập lật Các ký hiệu thể Hình 5: Llx – chiều dài lò xo (m) Klx – độ cứng hệ lò xo (kN/m) B – bề rộng cửa van (m) Hv – chiều cao chắn cửa van (m) Gv – trọng lượng chắn cửa van (kN) e – khoảng cách từ trọng tâm chắn cửa van đến tâm O (m) L1, L2 - chiều dài trục khuỷu truyền (m) 1 – góc nghiêng trục khuỷu so với phương đứng (độ) 2 – góc nghiêng truyền so với phương ngang (độ) H - chiều cao mực nước trước cửa van (m) Fs - lực ma sát trượt hộp kỹ thuật (kN) FtO, FtA, FtB – mô men cản lực ma sát ổ trục quay (kNm)  – góc mở cửa van so với phương đứng (độ) Llx – độ dãn dài hệ lò xo so với vị trí ban đầu (m) Theo sơ đồ hình 5, quan hệ độ cứng hệ lò xo với áp lực nước tác dụng vào mặt sau: 128 - Mô men áp lực nước tác dụng vào chắn tâm O: MO=[(n×H×H/2)×(B/2)]×H/3+Gv×e – FtO (kNm) - Lực tác dụng vào AB: FA = MO/L1 (kN) - Lực dọc vào AB: FAB = FAcos(1-2) (kN) - Lực tác dụng vào lò xo B: FB = FABcos2 (kN) - Độ cứng cần thiết hệ lò xo: Klx = (FB - Fs)/Llx (kN/m) - Quan hệ góc mở cửa van  độ dãn dài hệ lò xo Llx: Llx  [(L1××/180)×cos(1-2)]×cos2 (m) Ví dụ: Xác định độ cứng cần thiết hệ lò xo cho trường hợp kích thước cửa van L1 = 0,15m; L2 = 0,15m; H = 0,3m; B = 1m; 1 = 20o; 2 = 5o; Llx = 0,4m; bỏ qua hệ số ma sát ổ trục Góc mở cho phép cửa van =5o MO = [(10×0,3×0,3×0,5)(1/2)]×(0,3/3) = 0,0225 (kNm); FA = 0,0225/0,15 = 0,1500 (kN); KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) FAB = 0,1449 (kN); FB = 0,1443 (kN); Llx  [(0,15× 5×3,1416/180)× cos(20-5)] × cos5 = 0,01259 (m); Klx = 0,1443/0,01259 = 11,456 (kN/m) 2.3 Ưu, nhược điểm khả áp dụng Đập lật đề xuất có ưu điểm dễ dàng tạo mô men chống lật cách sử dụng hệ lò xo có độ cứng khác để khống chế mực nước trước cửa van theo yêu cầu Bản mặt chắn nước dùng bê tông, gỗ composite lắp ghép sườn chống Tuy nhiên để đập lật hoạt động tốt cần phải bảo dưỡng thường xuyên thiết bị khí phận ổ trục khơng thường xun ngập nước TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ CƠ BẢN CỦA ĐẬP BẢN LẬT 3.1 Xây dựng mô hình Dựa ngơn ngữ lập trình tham số APDL phần mềm ANSYS, xây dựng mơ hình kết cấu truyền động đập lật với tham số kích thước tải trọng tùy ý để dễ dàng cho việc nghiên cứu thiết kế Do đập lật làm việc đối xứng nên xây dựng ½ mơ hình Các vị trí cố định thay liên kết để giảm khối lượng mơ hình tính tốn đảm bảo độ xác Áp lực nước tác dụng vào mặt gán thông qua sườn Các vị trí tiếp xúc ổ trục mô phần tử tiếp xúc với hệ số ma sát tùy ý Mơ hình hình học cấu truyền động cho hình Mơ hình phần tử hữu hạn hệ thống kết cấu cho hình Hình Mơ hình hình học 3.2 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình Tiến hành tính tốn cho trường hợp kích thước cửa van L1 = 0,15m; L2 = 0,15m; H = 0,3m; B = 1m; 1 = 20o; 2 = 5o; Llx = 0,4m; Klx = 30 kN/m; giả thiết hệ số ma sát ổ trục Độ dãn dài lò xo chịu tác dụng tải Hình Mơ hình phần tử hữu hạn trọng 0,005022 m (xem Hình 8) tương ứng với góc mở mặt  = 2o01’ Khi tính tốn giải tích với góc mở mặt tương ứng  = 2o01’ độ dãn dài hệ lò xo 0,005288 m độ cứng lò xo cần thiết Kkx = 27,29 kN/m Lần lượt kiểm tra với chiều cao H = 0,4m H = 0,5m kết cho Bảng Hình Chuyển vị lò xo đỉnh cửa H = 0,3m H = 0,5m KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 129 Bảng Bảng so sánh kết tính tốn Tính tốn ANSYS Giải tích Sai số Chiều cao cột nước H (m) 0,3m 0,4m 0,5m 30 30 30 0,005022 0,01174 0,022946 o o 01’ 40’ 9o00 2o01’ 4o40’ 9o00 0,005089 0,011768 0,022762 28,35 29,07 29,35 5,5% 3,1% 2,2% Tham số Độ cứng hệ lò xo (kN/m) Độ dãn dài hệ lò xo (m) Góc xoay mặt (độ) Góc xoay mặt (độ) Độ dãn dài hệ lò xo (m) Độ cứng hệ lò xo (kN/m) Độ cứng hệ lò xo (kN/m) Nhận xét: Độ cứng hệ lò xo tính tốn giải tích cho kết xấp xỉ phần mềm ANSYS Vì nói mơ hình tính tốn lập phần mềm ANSYS đảm bảo độ tin cậy 3.3 Xác định ảnh hưởng chiều cao cột nước trước cửa van đến độ mở cửa van Nghiên cứu tiến hành tính tốn cho trường hợp kích thước L1 = 0,15m; L2 = 0,15m; B = 1m; 1 = 20o; 2 = 5o; Llx = 0,4m; Klx = 30 kN/m; hệ số ma sát trượt trượt hộp kỹ thuật s = 0,5; hệ số ma sát trượt ổ trục t = 0,2 Chiều cao mực nước trước cửa van thay đổi H = 0,1 ~ 1,0m Kết đường quan hệ chiều cao cột nước trước cửa van (H) độ mở cửa van () cho Hình Hình Quan hệ chiều cao cột nước độ mở cửa van 3.4 Xác định ảnh hưởng chiều cao cột nước trước cửa van đến độ cứng hệ lò xo Nghiên cứu tiến hành tính tốn cho trường hợp kích thước L1 = 0,15m; L2 = 0,15m; B = 1m; 1 = 20o; 2 = 5o; Llx = 0,4m; độ dãn dài cho phép hệ lò xo Llx = 0,0127m (tương ứng với góc mở cửa van  = 5o); hệ số ma sát trượt trượt hộp kỹ thuật s = 0,5; hệ số ma sát trượt ổ trục t = 0,2 Chiều cao mực nước trước cửa van thay đổi H = 0,1 ~ 1,0m Kết đường quan hệ chiều cao cột nước trước cửa van (H) độ cứng hệ lò xo (Klx) cho Hình 10 Hình 10 Quan hệ chiều cao cột nước độ cứng hệ lò xo 130 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) KẾT LUẬN Đập lật kết cấu lần đề xuất Về nguyên tắc kết cấu tạo cột nước có chiều cao khác tùy thuộc vào độ cứng hệ lò xo Tuy nhiên đề xuất nghiên cứu cấu tạo thông số bản, để thực hóa ý tưởng cần có nghiên cứu đặc biệt nghiên cứu thử nghiệm mơ hình vật lý để xác định phân bố áp lực tác dụng vào mặt ứng với độ mở khác hệ số ma sát ổ trục từ lựa chọn độ cứng hệ lò xo phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO Vũ Hoàng Hưng, Cửa van sập tự động khống chế thủy lực, Trường Đại học Thủy Lợi ZHOU Jingyuan Study and application of hydraulic automatic flap gate Journal of Hydroelectric Engineering, 06-2007 邓晓君,焦怀金 水力自动翻板闸门的发展历程及应用 北京水务,2012年第03期 HOU Shihua, SHEN Chang song Path of instantaneous center of hydro-automatic flap gate and its influences on gate’s stability Hydro-Science and Engineering, 3, 9-2007 侯石华,沈长松 连杆滚轮式水力自动翻板闸门的结构优化 水利水电科技进展, 2008 年8月 Abtract: STUDY ON THE IMPROVEMENT OF STRUCTURAL SHAPE OF HYDRO-AUTOMATIC FLAP GATE UTILIZED IN SMALL-DAMS IN THE MOUTAIN OF NORTHERN REGION The present paper proposes a hydro-automatic flap gate utilized in small-dams in the moutain of Northern region This gate can be manufactured for one-by-one prototype specimen available Thus, it is easily to install and replace the gates in small-dams For using spring system to create the momen againsted overturn, the gate can satisfy with different water levels when it is used the spring sytem with equivalent stiffness through table test available It is the main advantages of the gate Keywords: hydro-automatic flap gate, small-dam, moutain, ANSYS Ngày nhận bài: 02/11/2017 Ngày chấp nhận đăng: 14/12/2017 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 59 (12/2017) 131 .. .Hình Cửa van tự lật kiểu gối đơn Hình Cửa van tự lật kiểu bánh lăn có khe dẫn hướng Hình Cửa van tự lật kiểu bánh lăn có nối ĐỀ XUẤT ĐẬP BẢN LẬT TỰ ĐỘNG 2.1 Mơ tả hình thức kết cấu Để... tác giả tiến hành nghiên cứu đề xuất loại hình cửa van với đặc điểm sử dụng hệ thống lò xo trục khuỷu để tạo mơ men trọng lượng thân (mô men chống lật) Mơ hình cụm đập lật tự động cho hình Cấu tạo... Mơ hình hình học cấu truyền động cho hình Mơ hình phần tử hữu hạn hệ thống kết cấu cho hình Hình Mơ hình hình học 3.2 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình Tiến hành tính tốn cho trường hợp kích thước cửa