Bài báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu về lực ma sát, lực va đập và lực Coriolis tác động lên thùng trục của trục tải giếng đứng mỏ hầm lò. Trên cơ sở đó, đưa ra các khuyến nghị trong tính toán, sử dụng, lựa chọn các thông số khi thiết kế thùng trục. Mời các bạn tham khảo!
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ NGHIÊN CỨU LỰC MA SÁT, LỰC VA ĐẬP VÀ LỰC CORIOLIS TÁC ĐỘNG LÊN THÙNG TRỤC TRỤC TẢI GIẾNG ĐỨNG Tạ Ngọc Hải Hội Khoa học Công nghệ Mỏ Việt Nam Vũ Đình Mạnh, Đào Văn Oai Viện Khoa học Công nghệ Mỏ- Vinacomin Biên tập: ThS Phạm Chân Chính Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu lực ma sát, lực va đập lực Coriolis tác động lên thùng trục trục tải giếng đứng mỏ hầm lị Trên sở đó, đưa khuyến nghị tính tốn, sử dụng, lựa chọn thông số thiết kế thùng trục Đặt vấn đề Trong trục trải giếng đứng mỏ than hầm lò, thùng trục (skip, thùng cũi) thiết bị quan trọng Độ an toàn, tin cậy làm việc ảnh hưởng tới độ an tồn, tin cậy thiết bị hệ thống nói riêng, hệ thống nói chung Để đảm bảo thùng trục làm việc an tồn, cần tính tốn bền kết cấu thùng trục Thơng số đầu vào để tính tốn bền lực tác động lên thùng trục Hiện nay, tính tốn, lực tính tốn hay cịn gọi lực tiêu chuẩn bao gồm tải trọng khối lượng thân thùng trục hàng vận chuyển thùng trục Một số lực tác dụng phụ khác chưa tính đến, có lực ma sát, lực va đập lực Criolis tác động lên thùng trục Để xác tính tốn kết cấu thùng trục, cần khảo sát, đánh giá lực Nội dung nghiên cứu 2.1 Kết cấu dẫn hướng thùng trục Trong làm việc, thùng trục chuyển động lên xuống nhờ lực cáp nâng, dọc theo đường dẫn hướng cốt giếng Do cốt giếng có đường dẫn cứng (cốt giếng cứng) sử dụng phổ biến cốt giếng có đường dẫn cáp thép, xem xét thùng trục làm việc với cốt giếng cứng Liên kết thùng trục đường dẫn hướng thực dẫn hướng, lắp cố định thùng trục Dẫn hướng thùng trục có loại: Dẫn hướng cứng, trượt: Kiểu kín (hình 1b), kiểu hở (hình 1a,c); Dẫn hướng đàn hồi, lăn (hình 2) Dẫn hướng cứng, trượt (dẫn hướng cứng) 40 dùng cho đường dẫn chế tạo từ dẫn thép ray với vận tốc nâng thùng trục nhỏ 8m/s Dẫn hướng đàn hồi, lăn (dẫn hướng lăn) dùng cho đường dẫn chế tạo từ thép hộp với vận tốc nâng lớn Trong đó, lăn có phận giảm chấn riêng, bề mặt bọc cao su Để đảm bảo an toàn, thùng trục lắp dẫn hướng lăn phải trang bị thêm dẫn hướng cứng Lúc đó, dẫn hướng làm nhiệm vụ dẫn hướng an toàn 2.2 Lực ma sát Trong làm việc, có nhiều yếu tố tác động lên thiết bị trục tải giếng đứng Ngoài ra, thiết bị hệ thống tác động qua lại với [1,2,3] Đối với thùng trục, làm việc tác động vào đường dẫn cốt giếng Vì vậy, dẫn hướng đường dẫn xuất lực ma sát Lực ma sát tác động từ thùng trục tới đường dẫn cốt giếng bao gồm: Lực ma sát trượt dùng dẫn hướng cứng; Lực ma sát lăn dùng dẫn hướng lăn Lực ma sát tính theo cơng thức sau: (1) (2) Trong đó: N- Phản lực tác động từ đường dẫn lên dẫn hướng, N; µt, µl- Hệ số ma sát trượt ma sát lăn dẫn hướng thựng trc ( àt=0,4; àl=0,01ữ0,02m) [6] Phn lc t ng dẫn đại lượng véctơ, xác định theo công thức: KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA N = N m + Nb (3) THÔNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Hình Dẫn hướng cứng, trượt thùng trục a,c Kiểu hở; b Kiểu kín Trong đó: Nm, Nb –Phản lực theo hướng mặt hướng bên từ đường dẫn tác động lên dẫn hướng; N Lực ma sát đường dẫn vào thùng trục, tổng lực ma sát đường dẫn dẫn hướng thùng trục, vậy: (4) (5) Trong đó: Fmst , Fmsl – Lực ma sát trượt ma sát lăn đường dẫn thùng trục, N; n- Số lượng dẫn hướng thùng trục; Pmi , Pbi- Lực từ dẫn hướng thứ i phía mặt phía bên tác động lên đường dẫn, N Theo kết nghiên cứu, lực ma sát tỷ lệ thuận với cường độ nâng Trên hình thể mối quan hệ Mối quan hệ thể gần cơng thức: )6( Hình Dẫn hướng đàn hồi, lăn thùng trục a Thanh dẫn thép ray; b.Thanh dẫn thép hộp Trong đó: A, B- Các hệ số phụ thuộc vào bước cốt giếng, loại đường dẫn loại dẫn hướng thùng trục (xem bảng 1) In- Cường độ nâng; MJ Phạm vi áp dụng cấu dẫn hướng thùng trục, quan điểm giới hạn hợp lý lực ma sát tác dụng lên dẫn giới thiệu bảng 2.3 Lực va đập dẫn hướng lăn chuyển động qua vị trí nối đường dẫn Khi lắp đặt, sai lệch bề mặt làm việc đầu dẫn nối tiếp đường dẫn phải nằm phạm vi sai số định theo thiết kế để đảm bảo êm dịu thùng trục chuyển động qua vị trí nối Tuy nhiên, trình vận hành, tác động từ thùng trục, biến dạng vỏ giếng, vị trí nối có khe hở, sai lệch phương hai đầu nối dẫn vượt sai số Những sai lệch gây va đập với dẫn hướng thùng trục qua vị trí nối dẫn Đối với dẫn hướng lăn, chuyển động qua vị trí nối, Bảng Hệ số A B để xác định lực ma sát tác dụng lên thùng trục [6] Cơ cấu dẫn hướng Đường dẫn Cứng, trượt Thép ray Đàn hồi, lăn Thép hộp Bước cốt giếng, m 3,125 4,168 6,25 Hệ số Ghi A B 8,62 4,22 1,4 0,537 0,254 0,0951 4,04 3,87 3,68 0,21 0,195 0,191 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA 41 THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ Hình Đồ thị quan hệ lực ma sát cường độ nâng [6] a) Ma sát trượt; b) Ma sát lăn Bảng Phạm vi áp dụng loại dẫn hướng [6] Khối lượng thùng trục, Bước cốt giếng 3(3,125)m Vận tốc lớn thùng trục; m/s 10,9 20,3 30 45 60,9 100 Cứng, trượt 12 14 16 18 10,9 Cứng, trượt 20,3 30 45 60,9 100 10,9 20,3 30 45 60,9 100 Cứng, trượt (4,168)m Đàn hồi, lăn (6,25)m 20 Đàn hồi, lăn xuất tải trọng tĩnh động.Trên hình thể sơ đồ lực tác động dẫn hướng lăn đường dẫn vị trí nối hai dẫn Trong hình 4, có: P- Lực tác động phía mặt từ thùng trục tới 42 10 Đàn hồi, lăn dẫn, N; vận tốc điểm C E thời điểm bắt đầu va đập, m/s; - vận tốc điểm C E sau va đập, m/s; KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ phần hệ [5] (8) Động lượng theo phương x phương y là: Hình Sơ đồ lực tác động dẫn hướng lăn đường dẫn vị trí nối hai dẫn w2- vận tốc góc tức thời sau va đập, rad/s; - Động lượng va đập, kg.m/s Khi bánh xe tiếp xúc với điểm D, bánh xe bị va đập Chuyển động tịnh tiến thùng trục bánh xe tức thời thay đổi thành chuyển động quay quanh D Lập hệ tọa độ xDy gắn với điểm D viết phương trình biến đổi mơ men động lượng ta có: (7) Trong đó: LD1, LD2- Mơ men động lượng quanh điểm D, kg.m2/s; - Động lượng va đập ngoại lực tác động lên điểm D, kg.m/s Theo điều kiện tốn mơmen động lượng có =0, LD1=LD2 Giải phương trình (7) với điều kiện =0 với thơng số hình học bánh xe dẫn hướng lăn, thùng trục, với thơng số động học va đập vị trí nối dẫn, áp dụng định lý biến đổi động lượng chuyển động hệ thùng trục – bánh xe va đập có động lượng tồn Trong đó: H- Khoảng cách từ tâm bánh xe dẫn hướng lăn tới trọng tâm thùng trục, m; R- Bán kính bánh xe dẫn hướng, m; m, M- Khối lượng bánh xe dẫn hướng thùng trục đầy tải, kg; Dh- Chênh lệch mặt lăn hai dẫn vị trí nối, m; V- Vận tốc thùng trục, m/s; r - bán kính quán tính qui đổi thùng trục, m; với a, b khích thước chiều cao theo phương x chiều rộng theo phương y, m; Trên hình trình bày đồ thị mối phụ thuộc động lượng va đập vận tốc thùng trục vị trí nối Ngồi việc thay đổi hướng động lượng chuyển động, vị trí mối nối xảy phân bố lại tải trọng khai thác (hoạt tải) theo phía mặt phía bên, tùy theo phương lệch đầu Hình Đồ thị quan hệ động lượng va đập vận tốc nâng vị trí nối [6] a) Thành phần theo phương đứng; b) Thành phần theo phương ngang KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA 43 THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ chuyển động tương đối so với giếng, thùng trục có gia tốc Coriolis [7], xác định theo cơng thức: dẫn vị trí nối (10) Trong đó: Pnd- Lực thành phần vị trí nối theo phương đứng, N; Pm(b)- Lực mặt (hoặc bên) tác dụng lên đường dẫn vị trí nối, N; Pnm(b)- Lực thành phần phía mặt (hoặc bên) theo phương ngang, N; (11) Cuối có: (12) (13) Kết tính tốn tải trọng theo phương ngang đứng, phụ thuộc vào tải trọng thùng trục qua vị trí nối bị lắp đặt khơng xác trình bày hình Trong đó: w - Véc tơ vận tốc góc quay trái đất; - Véc tơ vận tốc chuyển động tương đối thùng trục so với giếng Véc tơ vận tốc góc trái đất hướng theo trục trái đất phía bắc, cịn véc tơ gia tốc Coriolis tiếp tuyến với dường vĩ tuyến vị trí đặt giếng đứng Hướng véc tơ xác định tùy theo hướng chuyển động thùng trục: Khi thùng trục chuyển động từ xuống đáy giếng (hướng vào tâm trái đất), vec tơ có hướng phía tây cịn thùng trục chuyển động lên (rời tâm tái đất) véc tơ có hướng phía đơng Giá trị tuyệt đối véc tơ gia tốc Coriolis xác định theo cơng thức: Trong đó: j- Vĩ độ đặt giếng, độ; Lực Coriolis xác định theo cơng thức: Trong đó: k k = Hình Đồ thị quan hệ tải trọng khai thác sai lệch lắp ráp Dh vị trí nối dẫn [6] Đường kính lăn: a, b- Ỉ160 mm; c,d- Ỉ250 mmHướng tải trọng: a,c- Tải trọng ngang; bd- Tải trọng đứng 2.4 Lực Coriolis Trong hệ thống trục tải giếng đứng, thùng trục chuyển động theo phương thẳng đứng giếng Nếu xem xét đến chuyển động quay trái đất quanh trục mình, thùng trục tham gia vào chuyển động phức tạp: Chuyển động tương đối thùng trục so với giếng chuyển động mang trái đất quay Vận tốc góc w trái đất sau: w=2p/24 x 60 x60= 1/13.700 rad/s Trong trường hợp này, gia tốc 44 2w cos j g - Hệ số tính tới vĩ độ xây dựng giếng, vận tốc góc quay trái đất, gia tốc rơi tự do, s/m; Qk- Tải trọng lớn tác dụng lên cáp nâng; N Do thùng trục có giai đoạn chuyển động có gia tốc, Qk xác định theo công thức: Qk=M (g+a) (17) Trong đó: M- Khối lượng thùng trục kể bánh xe đầy tải, kg; g, a- Gia tốc rơi tự gia tốc lớn đo đồng hồ ghi thùng trục, m/s2; Gia tốc a lớn giếng đứng vùng Đonbas ghi nhận đạt 75m/s2[5] Các mỏ than lớn Việt Nam nằm tập trung tỉnh Quảng Ninh, nằm vĩ độ từ 20040’ đến 21040’ (trung bình 21010’) vĩ độ bắc [8] Gia tốc thùng trục theo biểu đồ nâng giếng đứng Mông Dương, Hà Lầm Núi Béo ~0,75m/ KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ s2 Sử dụng kết đánh giá gia tốc a =75m/s2 , đánh giá lực Coriolis tác động lên thùng trục hệ thống trục tải giếng đứng xây dựng Quảng Ninh Kết thể hình Kết tính tốn cụ thể lực Coriolis tác dụng lên skip giếng đứng Quảng Ninh trình bày bảng 3 Kết thảo luận 3.1 Lực ma sát Phân tích kết cho thấy, dẫn hướng cứng có hệ số ma sát lớn, lực ma sát tác dụng dọc đường dẫn đạt 40% tổng tải trọng ngang tác động lên dẫn đường dẫn (m=0,4) Vì vậy, phạm vi sử dụng cấu dẫn hướng loại bị hạn chế phụ thuộc nhiều vào bước cốt giếng cường độ nâng hệ thống trục tải (xem hình bảng 2) Sử dụng dẫn hướng lăn cho phép giảm lực tác động lên đường dẫn 15÷20 lần (phụ thuộc vào bước cốt giếng vận tốc nâng) giảm lực ma sát Vì hệ thống trục tải cường độ nâng lớn nên sử dụng dẫn hướng lăn 3.2 Lực va đập Khi chuyển động qua mối nối, thay đổi hướng quay hệ bánh xe- thùng trục, thành phần động lượng theo phương đứng, Hình Lực Coriolis tác động lên thùng trục khu vực Quảng Ninh xuất thành phần động lượng va đập ngang, đạt 1.200÷3.600 kg.m/s tùy theo tải trọng thùng trục (xem hình 5) Tăng đường kính lăn dẫn hướng từ 160 mm lên đến 250 mm giảm thành phần tải trọng khai thác theo phương đứng ngang 2÷5% (xem hình 6) Thực tế cho thấy rằng, tải trọng va đập cấu dẫn hướng chuyển động qua vị trí nối chí làm khả làm việc, bật thùng trục khỏi đường dẫn đó, tăng độ mịn vị trí nối hậu tiêu cực khác Nếu sàn cốt giếng bố trí 02 mối nối đường dẫn phục vụ thùng trục xảy nguy tăng hai lần tải trọng vị trí nối, dẫn đến dễ xảy cố Theo đồ thị hình 5, thấy, với vận tốc khối lượng skip đầy tải bảng động lượng va đập Skip mỏ Núi Béo theo hướng đứng 102 tấn.m/s , theo hướng ngang 1,05 tấn.m/s, mỏ Hà Lầm tương ứng 87,73 tấn.m/s 0,9 tấn.m/s Như cần tính đến lực theo phương đứng tính tốn thùng trục 3.3 Lực Coriolis Phân tích đồ thị hình cho thấy, lực Coliolis tác dụng lên thùng trục có giá trị đáng kể khối lượng thùng trục lớn (60 đến 100 tấn) vận tốc cao (15 m/s đến 20 m/s) Phân tích kết tính tốn bảng 3, cho thấy, lực tác dụng lên skip khu vực Quảng Ninh khơng lớn, cao đạt 806 N, tính tốn thùng trục khơng tính đến lực Kết luận Đối thùng trục làm việc với cốt giếng cứng, làm việc chịu tác động lực ma sát, lực va đập qua mối nối đường dẫn lực Coriolis Giá trị lực tăng vận tốc, Bảng Lực Coriolis tác dụng lên skip giếng đứng khu vực Quảng Ninh Skíp Thơng số Giếng skip mỏ Mông Dương Giếng skip mỏ Núi Béo Giếng skip mỏ Hà Lầm Kích thước; m Dung tích; m3 7x1,65x1,33 12,9x1,09x2,856 11,3x1,55x2,4 6,6 16,7 16 Khối Vận tốc lượng nâng; m/s đầy tải; kg 11.320 38.700 40.400 10 8,2 Lực Coriolis; N 118 806 629 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HĨA 45 THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ khối lượng tải trọng thùng trục tăng; Đối với thùng trục nên sử dụng dẫn hướng lăn với đường kính lăn lớn để giảm lực ma sát va đập làm việc Trong tính tốn thùng trục với vận tốc, khối lượng tải trọng lớn cần lưu ý đến tải trọng ma sát va đập; Trong lắp lắp đạt bảo dưỡng đường dẫn cốt giếng cứng, cần đảm bảo sai lệch mặt lăn dẫn vị trí nối phạm vi cho phép, khơng bố trí 02 mối nối đường dẫn phục vụ thùng trục sàn cốt giếng để giảm lực va đập tác động lên thùng trục; Đối với thùng trục sử dụng Quảng Ninh, tính tốn khơng tính đến lực Coriolis./ Tài liệu tham khảo: Tạ Ngọc Hải nnk.(2014), Một số vấn đề thiết kế chế tạo cốt giếng đứng mỏ than hầm lò, Tuyển tập Hội nghị KHKT Mỏ toàn quốc lần thứ XXIV, Vũng Tàu Tạ Ngọc Hải nnk (2015), Các yếu tố tác động đến khả làm việc cốt giếng đứng hệ thống trục tải mỏ hầm lị, Cơng nghiệp mỏ, Số 5-2015 Hà Nội 3.Tạ Ngọc Hải nnk (2016) Phân loại tải trọng tác động lên cốt giếng theo tiêu chuẩn tải trọng tác động, Thông tin KHCN Mỏ, Số 5-2016, Hà Nội Tạ Ngọc Hải, Nguyễn Đức Linh (2018) Nghiên cứu lực ma sát, lực va đập lực Coriolis tác động lên thùng trục trục tải giếng đứng, Công nghiệp mỏ, Số 6-2018, Hà Nội Võ Trọng Hùng (2012),Thi công giếng đứng, Nhà xuất Khoa học & Công nghệ , Hà Nội Прокопов Ф.Ю и др.,(2005), Новое решение в проектирований жесткой армировки вертикальных стволов, Новочерасск Яблонский А.А., Никифорова В.М (1966), Курс теоретической механики Часть I- Статика и кинематика Изд Вышая школа Москва Research on the friction, impact and coriolis forces effecting on the sinking buckets of the vertical shaft mine hoist Ta Ngoc Hai Vietnam Mining Science and Technology Association Vu Dinh Manh, Dao Van Oai Institute of Mining Science and Technology – Vinacomin Summary: The paper represents the research results on the friction, impact and coriolis forces, effecting on the sinking buckets of the vertical shaft mine hoist Basing on these results, the paper refers to the recommendations in calculating, using and selecting parameters for designing the sinking buckets 46 KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA ... loại tải trọng tác động lên cốt giếng theo tiêu chuẩn tải trọng tác động, Thông tin KHCN Mỏ, Số 5-2016, Hà Nội Tạ Ngọc Hải, Nguyễn Đức Linh (2018) Nghiên cứu lực ma sát, lực va đập lực Coriolis tác. .. =75m/s2 , đánh giá lực Coriolis tác động lên thùng trục hệ thống trục tải giếng đứng xây dựng Quảng Ninh Kết thể hình Kết tính tốn cụ thể lực Coriolis tác dụng lên skip giếng đứng Quảng Ninh trình... mmHướng tải trọng: a,c- Tải trọng ngang; bd- Tải trọng đứng 2.4 Lực Coriolis Trong hệ thống trục tải giếng đứng, thùng trục chuyển động theo phương thẳng đứng giếng Nếu xem xét đến chuyển động quay