Nghiên cứu, tính toán thiết kế đầu kéo khí nén sử dụng vận chuyển vật tư, thiết bị trong mỏ than hầm lò

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu, tính toán thiết kế thiết bị này nhằm phục vụ công tác chế tạo sản phẩm đảm bảo an toàn sử dụng thiết bị trong hầm lò.

THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐẦU KÉO KHÍ NÉN SỬ DỤNG VẬN CHUYỂN VẬT TƯ, THIẾT BỊ TRONG MỎ THAN HẦM LÒ ThS Vũ Đình Mạnh, ThS Đồn Ngọc Cảnh, ThS Đào Văn Oai Viện Khoa học Công nghệ Mỏ- Vinacomin Biên tập: TS Tạ Ngọc Hải Tóm tắt: Để thực mục tiêu thiết kế, chế tạo nội địa hóa đầu kéo khí nén sử dụng nguồn khí nén có đường lò để vận chuyển vật tư, thiết bị với cung độ ngắn, cục bộ, độ dốc lớn mỏ than hầm lò, Viện KHCN Mỏ đề xuất Tập đoàn giao thực đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo đầu kéo khí nén sử dụng để vận chuyển vật tư thiết bị” Bài báo trình bày kết nghiên cứu, tính tốn thiết kế thiết bị nhằm phục vụ công tác chế tạo sản phẩm đảm bảo an toàn sử dụng thiết bị hầm lò Đặt vấn đề Cơng tác vận chuyển vật tư, thiết bị khâu quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ sản xuất Trong năm qua, đạo TKV, đơn vị tích cực đầu tư hệ thống vận chuyển vật tư, thiết bị nhằm cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động, góp phần nâng cao suất Các hình thức vận chuyển vật tư, thiết bị đơn vị đa dạng, phù hợp với loại đường lò khối lượng vận chuyển Một số hình thức điển hình như: Lò sử dụng đầu tầu điện, tời điện, thuyền trượt monoray, thuyền trượt lò, cáp kéo đẩy bộ; lò nghiêng sử dụng vận chuyển trục tải, tời điện, thuyền trượt monoray, thuyền trượt lò Ngồi ra, số cơng ty sử dụng đầu tầu diesel kết hợp hệ thống monoray để vận chuyển vật tư, thiết bị khối lượng lớn qua lò lò nghiêng như: Cơng ty than Hà Lầm, Nam Mẫu, Hạ Long, Vàng Danh Các phương tiện vận tải giải vận chuyển thiết bị đường lò giếng nghiêng, đường lò vận tải Tuy nhiên, q trình đào lò, khai thác có nhu cầu vận chuyển vật tư, thiết bị cục bộ, cung độ ngắn 500 m, độ dốc lớn Tại vị trí này, chưa bố trí phương tiện vận chuyển mà chủ yếu dùng tời điện kéo thuyền trượt lò đặt ray tạm vận chuyển xe gng, đẩy thủ công Những phương tiện vận tải này, suất vận tải thấp, việc đặt đường ray tạm khó khăn, phức tạp, khơng an tồn 38 Để khắc phục hạn chế trên, số nước nghiên cứu áp dụng vận chuyển vật tư, thiết bị đầu kéo khí nén di chuyển monoray Tổ hợp thiết bị vận chuyển vật tư, thiết bị với khối lượng 16 lò 2,95 lò nghiêng đến 25º Tổ hợp di chuyển hệ thống monoray qua vị trí uốn lượn theo chiều ngang chiều đứng dễ dàng (bán kính cong ngang nhỏ 4m, bán kính cong đứng nhỏ 8m) Tổ hợp sử dụng nguồn lượng khí nén điều khiển điều khiển tay theo máy Tổ hợp thiết bị bao gồm: Máy nén khí di động chạy động diesel (sử dụng cho khu vực chưa có nguồn khí nén), đầu kéo khí nén MK, palăng MZP phanh BTS Các thiết bị tổ hợp hoạt động độc lập đấu nối thành tổ hợp Mơ hình thơng số kỹ thuật tổ hợp thiết bị PMZP – Công ty PD profi, Koexpro (Cộng hòa Séc) sau: Hình Mơ hình tổ hợp thiết bị PMZP Đầu kéo khí nén; Cần điều khiển palăng; Cần điều khiển đầu kéo; Palăng khí nén; Cần nối KHCNM SỐ 3/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Bảng Bảng thơng số kỹ tuật tổ hợp thiết bị PMZP TT Thông số kỹ thuật Lực kéo Lực phanh Vận tốc lớn Cơng suất Góc dốc lớn Áp suất khí nén lớn Đường kính ống dẫn Trọng lượng Đơn vị AKS 9300 MK10 TK16 KN KN m/phút kW độ MPa mm kg 20 25 36 30 ±20 30 675 16 20 24 2x3,5 ± 25 0,4 32 390 16 24 24 2x5 ± 20 0,6 32 581 Tổ hợp thiết bị lắp đặt, thử nghiệm mặt Cơng ty khí Mạo Khê Sau thử nghiệm thành công, tổ hợp thiết bị số Công ty than sử dụng như: Công ty than Hà Lầm, Núi Béo, Thống Việc áp dụng tổ hợp vận chuyển PMZP cho thấy điều kiện làm việc người lao động cải thiện, đảm bảo an toàn; tổ hợp động linh hoạt, lắp đặt bảo dưỡng đơn giản Giới thiệu đầu kéo khí nén ĐK-16 Để tiến tới thiết kế, chế tạo nội địa hóa thiết bị phục vụ ngành than nhằm mục đích sửa chữa, thay thiết bị, giúp chủ động cho đơn vị sản xuất Đầu kéo khí nén ĐK-16 nghiên cứu thiết kế, chế tạo tham khảo theo đầu kéo khí nén MK10 tổ hợp thiết bị Hình Kết cấu đầu kéo khí nén ĐK-16 Xe mang tải, Bánh tỳ truyền động cấu tay đòn trái, Bánh tỳ truyền động cấu tay đòn phải, Cụm lò xo, Mạch khí nén, Khung, Cần điều khiển Bảng Đặc tính kỹ thuật đầu kéo khí nén ĐK-16 STT Thông số Đơn vị Giá trị N N m/ph 16 000 20 000 24 Lực kéo định mức Lực phanh Vận tốc lớn đường Cơng suất động kW 2x(3,5÷5,2) Độ dốc tuyến lớn Độ ± 25o 10 11 Áp suất khí nén làm việc Đường kính ống cấp khí nén Loại đường ray treo Kích thước: dàixrộngxcao Khối lượng Tải trọng lớn theo độ dốc (khi hệ số ma sát 0,1) Áp khí nén 0,6MPa MPa mm 0,4÷0,6 32 ZD 24 A, B, C, D 800 x 784 x 1126 390 Độ dốc 0° 16 000 Độ dốc 5° 566 Độ dốc 10° 880 mm kg kg Độ dốc 15° .4 502 Độ dốc 20° .3 670 Độ dốc 25° .3 117 KHCNM SỐ 3/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA 39 THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Đầu kéo khí nén ĐK-16 nghiên cứu, thiết kế phương tiện dùng để kéo, di chuyển tải vận hành ray treo đơn I155, nguồn lượng cho hoạt động thiết bị sử dụng khí nén với áp suất 0,4÷0,6 MPa; hệ thống cấp khí sử dụng đường ống mềm DN32 Thiết bị sử dụng ngành khai thác mỏ để vận chuyển vật tư, thiết bị cục cung độ vận tải ngắn, độ dốc đường lò < 250 Nguồn động lực cho máy nguồn khí nén có sẵn dọc theo đường lò sử dụng máy nén khí di động Hình ảnh đặc tính kỹ thuật đầu kéo bảng 2: Nghiên cứu, tính tốn đầu kéo 3.1 Tính tốn, lựa chọn động khí nén Cơng suất động tính tốn, lựa chọn theo u cầu thiết bị, truyền động cần đảm bảo: Lực kéo định mức thiết bị là: F= 16 000 N (áp suất 0,6 MPa); vận tốc di chuyển tối đa, v= 24 m/ph Công suất động xác định theo công thức: F v N dc = 8,81 = 1000.h kw (1.1) h- hiệu suất truyền, = h h= 0.993.0,75.0,98 = 0,71 h h3 Theo catalog nhà sản xuất chọn động khí nén mã hiệu: MPZ 3,5 * Phân phối tỷ số truyền dẫn động: Với đặc tính kỹ thuật động cơ, tỷ số truyền chung dẫn động tỷ số truyền cặp truyền động sau: - Tỷ số truyền chung dẫn động: ndc 3000 i2 120 = = i1= 25 n = ic - Tỷ số truyền trục vít- bánh vít: i1= 30,0 - Tỷ số truyền ngồi: ic 120 i= = = 4,0 i1 30 ndc- vận tốc trục động cơ, ndc= 3000 vg/ph n- vận tốc bánh tỳ truyền động, vg/ph v 24 n1 = = 25 , vg/ph = π D π 0,3 40 * Momen xoắn trục: - Mơ men xoắn trục bánh vít: Tbv= T1 = F D = 1200 , Nm 2 - Mơ men xoắn trục vít: Ttv= T2 = T1 = 53,9 , Nm i1.h1.h2 - Mô men xoắn trục động cơ: Tđc= T3 = T2 = 14, 02 , Nm i2 h12 h3 3.2 Tính tốn truyền trục vít Hiện với phát triển máy tính phần mềm hỗ trợ thiết kế, sử dụng phần mềm: Autodesk Inventor 2014 để tính tốn, thiết kế truyền trục vít thiết bị a Xác định thông số ban đầu Vận tốc trục vít: n2= n1.i1= 750 vg/ph Tỉ số truyền: i1= 30,0 Chọn số mối ren trục vít: Z1= Số bánh vít: Z2= i1.Z1= 30 Khoảng cách trục aw tính theo cơng thức:  170  T2 K H a= ( Z + q )   w q  Z [s H ]  q= mm (1.2) d1 m - hệ số đường kính trục vít tiêu chuẩn hóa [2], q= [sH]- ứng suất tiếp xúc cho phép vật liệu làm bánh vít: [sH]= 4.sch= 480 MPa T2- momen xoắn trục bánh vít, T2= 1200000 Nmm KH- hệ số tải trọng, KH= 1,2 Thay giá trị ta có khoảng cách trục aw là: aw = 109,8 mm Modun trục vít xác định theo công thức: 2.aw = m = 5, Z2 + q Modun truyền theo tiêu chuẩn [2], chọn m= 6,3 Khoảng cách trục: = aw m.( Z = + q) 122,8 KHCNM SỐ 3/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA mm Chọn: aw­= 120 mm THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ a Thơng số hình học trục vít b Thơng số hình học bánh vít Hình Các thơng số hình học truyền trục vít b Thiết kế truyền động trục vít Thiết kế, tính tốn kích thước, thành phần lực tải trọng truyền động trục vít phần mềm Inventer 2014 Nhập số liệu thiết kế với thông số đầu vào: - Tỷ số truyền: i= 30; Mơ đun: m= 6,3; Góc áp lực: a= 20o; Đầu mối trục vít: n= 1; Hệ số đường kính: q= Chiều dài phần cắt ren: b1 ³ (11 + 0,1.Z2).m = 88,2 mm Chọn b1= 95 mm; Chiều dày bánh vít với trục vít đầu mối: b2 £ 0,75.da1= 47,25 Chọn b2 = 40 mm Kết tính tốn thơng số truyền trục vít từ phần mềm sau: c Kiểm nghiệm độ bền truyền trục vít * Tính tốn tải trọng: Sử dụng phần mềm tính tốn Inventer để tính tốn, kiểm nghiệm độ bền truyền trục vít với số liệu đầu vào sau: - Tốc độ quay bánh vít: nbv= 25 vg/ph Momen trục bánh vít: T1= 1200 Nm - Hiệu suất ổ lăn, h1= 0,99; Hiệu suất truyền với trục vít, h2= 0,75 - Vật liệu chế tạo bánh vít: CuZn35AlFe3 Vật liệu chế tạo trục vít: thép C45 - Số làm việc: 10800 h Kết tính tốn tải trọng trục vít- bánh vít sau: * Tính kiểm tra độ bền: Kết kiểm tra độ bền truyền trục vít cho kết sau: - Tải trọng động: Fd = 15436,96 N; - Tải trọng giới hạn mỏi bề mặt: Fw = 15669,2 N; - Tải trọng giới hạn mỏi uốn: Fs = 15437,8 N Hình Bảng hệ số kết kiểm tra độ bền truyền KHCNM SỐ 3/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA 41 THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Kết kiểm tra cho thấy truyền trục vít Fk – Lực kéo lớn đầu kéo, theo yêu đảm bảo độ bền cầu; Fk= 16 kN 3.3 Tính tốn cụm lò xo y- hệ số ma sát bánh tỳ với ray, f= 0,1 Cụm lò xo bao gồm lò xo liên kết với trục n- số bánh dẫn; n=2 cần nối, đầu cần nối liên kết Thay giá trị lực làm việc lò xo là: với cấu tay đòn trái, phải Trong q trình 16.0, 265 = = 9,55 ; kN hoạt động lò xo làm việc trạng thái bị nén có P1lv 2.0,1.4.0,555 tác dụng kéo bánh tỳ ép sát vào bề mặt ray dẫn b Xác định thông số lò xo a Xác định lực làm việc cần thiết lò xo Sơ đồ làm việc cụm lò xo hình Sơ đồ làm việc cụm tay đòn, bánh dẫn Trên đó, đường đặc tính làm việc thể cho cụm lò xo sau: 01 lò xo cụm gồm 04 lò xo Trong đó: l0, l1, l2, l3, l4 chiều dài lò xo trạng thái tự do, nén ban đầu, làm việc, chiều dài làm việc với lực lớn có thể, chiều dài nén vòng lò xo chạm Tương ứng có lực F1, F2, F3, F4 Hình Sơ đồ tính lực làm việc lò xo Theo sơ đồ làm việc cụm lò xo, tay đòn xoay quanh chốt liên kết 01 02 nhờ lực ép Hình Sơ đồ làm việc lò xo lò xo Plv ép bánh dẫn tỳ vào bề mặt ray tạo lực ma sát kéo hệ thống chuyển động Khảo sát cụm lò xo đầu kéo khí nén Phương trình cân tay đòn quanh MK10 thơng số hình học sau: O1: N.a1 = Plv.a2 (1.3) Bảng Thơng số lò xo đầu kéo khí nén MK10 N a1 Lực cần thiết cụm lò xo Plv là: Plv = ; kN Ký Đơn TT Thông số Trị số a2 (1.4) hiệu vị Lực làm việc cần thiết 01 lò xo cụm Chiều cao trạng m 0,307 l0 là: thái tự P= 1lv Plv N a1 = ; kN nlx nlx a2 (1.5) Plv- lực làm việc cụm lò xo; kN P1lv- lực làm việc 01 lò xo; kN a1, a2- tay đòn lực, a1=0,265 m; a2=0,555 m nlx- số lò xo, nlx= N- phản lực lực tỳ từ ray tác động lên thanh; kN Lực tỳ cần thiết bánh dẫn đảm bảo đầu kéo phát triển lực kéo lớn không bị trượt xác định sau: F N = k ; kN (1.6) n f 42 Chiều cao nén sơ ban đầu Đường kính trung bình Hướng xoắn Tổng số vòng Dây - Loại dây l1 m 0,290 D m 0,0286 nt vòng Phải 28 Tiết diện chữ nhật - Chiều rộng - Chiều cao a b m m 0,0084 0,0075 Vật liệu - - Thép Độ cứng lò xo xác định theo công thức [3]: KHCNM SỐ 3/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ = K G.b = 173, 63 D.D nlv ; kN/m truyền động bên qua tai đỡ, liên kết với phận mang tải qua chốt 1 G- Mơ dun trượt thép làm dây lò xo; N P2 1,5 = P1 1,5 = p1 165= = p 2595 N G=7,85.10 kN/m b- Chiều cao dây lò xo; b= 7,5 mm D- Đường Sử dụng phần mềm Inventer 2014 xây dựng kính trung bình lò xo; D= 28,6 mm mơ hình, tính tốn kiểm nghiệm độ bền kết cấu nlv- Số vòng làm việc lò xo; vòng nlv= nt Dữ liệu xây dựng mơ hình tính tốn cấu - 1,5= 26,5 vòng mang tải sau: D- Hệ số phụ thuộc vào tỷ lệ kích thước dây - Vật liệu chế tạo thép Q345B theo tiêu a/b chuẩn GB/T 1591-94 - Hành trình nén sơ x1: x1= l0 - l1= 307 - Kết cấu cố định điểm điểm 290= 17 mm liên kết với bánh chịu tải - Lực nén sơ ban đầu: F1= K.x1= - Trọng lượng thân thiết bị: P= 3900 173,63.0,017= 2,95 kN N, tải trọng phân bố sau: tải trọng - Hành trình nén x2 cần thiết để tạo lực làm khung máy, mạch khí nén đỡ tai việc F2 : F2 9,55 treo; tải trọng phận khác nâng = = 55mm x= 1000 chốt đặt bên cấu Với hệ số vượt K 173,53 tải k= 1,5 lực phân bố là: Hành trình làm việc lớn x3 Chọn (p1- trọng lượng khung máy, mạch khí khe hở vòng dây làm việc với lực nén p1= 440 N; p2- trọng lượng phận làm việc lớn =0,25 mm x3= l0 - nt.(b + khác thiết bị p2= 3460 N) 0,00025)= 90 mm - Lực truyền bánh tỳ truyền động thông - Lực nén làm việc lớn có thể: F3= K.x3= qua trục đặt bên phận, giá trị lực 173,63.0,09= 15,6 kN lớn lực kéo theo thơng số thiết bị F= - Hành trình nén vòng dây lò xo chạm 16000 N Tiến hành tính tốn độ bền kết cấu nhau: x4= l0 – nt.b= 97 mm khung với hệ số vượt tải k= 1,5 lực phân - Lực nén vòng lò xo chạm nhau: F4 = bố điểm đặt lực là: K.x4= 173,63.0,097= 16,84 kN F 16000 3.4 Tính tốn, kiểm nghiệm độ bền khung = Ftt 1,= 1, = 12000 N 2 Khung có kết cấu hàn, phận chịu - Lực kéo thiết bị lấy theo thông số thiết tải trọng khối lượng thiết bị phận bị, lực đặt đầu cấu cân với lực kéo liên kết, truyền lực kéo từ hộp truyền động đến truyền động Giá trị đặt là: Fk= 1,5.F= 24000 N phận mang tải Kết cấu đỡ bánh Sử dụng phần mềm Inventer 2014 cho kết xe chịu tải tỳ lên ray treo, liên kết với phận tính tốn khung sau: Hình Kết ứng suất Von Mises chuyển vị phần tử khung KHCNM SỐ 3/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA 43 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Với vật liệu Q345 chọn, giới hạn bền vật liệu [s=] s 550 = = 220 MPa, n= 2,5 n 2,5 hệ số an toàn kết cấu Từ kết tính tốn cho thấy ứng suất lớn phần tử s= 145,4 < [s]= 220 MPa, kết cấu đảm bảo điều kiện bền Chuyển vị lớn phần tử kết cấu đảm bảo điều kiện chuyển vị Vậy khung đảm bảo điều kiện bền biến dạng tác dụng lực Kết luận kiến nghị Từ kết tính toán, kiểm tra bền phận thiết bị phương pháp giải tích sử dụng phần mềm Inventor cho thấy phận đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đảm bảo đủ độ bền theo yêu cầu thiết bị Với việc sử dụng phần mềm tiên tiến tính tốn, kiểm tra bền chi tiết đầu kéo khí nén đảm bảo q trình thiết kế, chế tạo tin cậy, an tồn q trình sử dụng Phương pháp tính tốn đề tài sử dụng việc tính tốn, thiết kế thiết bị tương tự Kết tính tốn sở để chế tạo đầu kéo khí nén sử dụng hầm lò Tài liệu tham khảo: Chu Quang Định nnc (2016) Khả áp dụng đầu kéo khí nén chạy monoray khai thác than hầm lò Thơng tin KHCN Mỏ Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (2006) Tính thóa thiết kế hệ dẫn động khí NXB Giáo dục Báo cáo cơng tác vận tải người vật liệu mỏ hầm lò TKV - Ban Cơ điện Vận tải - Hạ Long, ngày 10 tháng 12 năm 2015 Петров М.С и др Пружины в узлах приводов МАМИ Москва-2001 Research, calculation and design of pneumatic tractors used to transport materials and equipment at underground coal mines MSc Vu Dinh Manh, MSc Doan Ngoc Canh MSc Dao Van Oai Institute of Mining Science and Technology – Vinacomin Summary: To achieve the goal of design and manufacture of localized pneumatic tractors using the existing compressed air sources at roadways to transport materials and equipment with short, local distances, large slope at underground coal mines Vinacomin - Institute of Mining Science and Technology proposed and was assigned by VINACOMIN to implement the project: "Research, design and manufacture of pneumatic tractors used to transport materials and equipment" The paper presents research results, and design of this device to serve the manufacture of products to ensure the safety for use at underground mines 44 KHCNM SỐ 3/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA ... trình thiết kế, chế tạo tin cậy, an tồn q trình sử dụng Phương pháp tính tốn đề tài sử dụng việc tính tốn, thiết kế thiết bị tương tự Kết tính tốn sở để chế tạo đầu kéo khí nén sử dụng hầm lò Tài... lò sử dụng máy nén khí di động Hình ảnh đặc tính kỹ thuật đầu kéo bảng 2: Nghiên cứu, tính tốn đầu kéo 3.1 Tính tốn, lựa chọn động khí nén Cơng suất động tính tốn, lựa chọn theo u cầu thiết bị, ... KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Đầu kéo khí nén ĐK-16 nghiên cứu, thiết kế phương tiện dùng để kéo, di chuyển tải vận hành ray treo đơn I155, nguồn lượng cho hoạt động thiết bị sử dụng khí nén với áp suất