Nghiên cứu, tính toán và chế tạo gầu vớt rác điều khiển bằng thuỷ lực dùng cho các nhà máy thuỷ điện

1






BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ





BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ – NĂM 2007





Tên đề tài:
“ NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO GẦU VỚT RÁC ĐIỀU
KHIỂN BẰNG THỦY LỰC DÙNG CHO CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
”
Mã số: 100-07RD/HĐ-KHCN

Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí
Chủ nhiệm đề tài: Th.S. Vũ Văn Khoa

6910
26/6/2008

Hà Nội – Năm 2008
2

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ




BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ
CẤP BỘ – NĂM 2007




Tên đề tài:
“ NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO GẦU VỚT RÁC ĐIỀU
KHIỂN BẰNG THỦY LỰC DÙNG CHO CÁC NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
”
Mã số: 100-07RD/HĐ-KHCN








Thủ trưởng đơn vị Chủ nhiệm đề tài



Vũ Văn Khoa

Hà N
ộ
i – Năm 2008
3

MỤC LỤC

Trang


Danh sách các thành viên tham gia 4
Chương 1 Tổng quan 5
1.1 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài 5
1.2 Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu 5
1.3 Tổng quan về tình hình sử dụng các loại gầu vớt rác ở Việt
Nam
5
a Gầu vớt rác kiểu cơ khí 8
b Gầu vớt rác kiểu thủy lực 8
1.4 Lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với điều kiện ở nước ta 9
1.4.1 Phần cơ khí 9
1.4.2 H
ệ thống thủy lực 13
1.4.3 Hệ thống điện điều khiển 13
Chương 2 Tính toán thiết kế Gầu vớt rác
2.1 Mô hình hoạt động của Gầu vớt rác 16

2.2 Điều kiện thiết kế 17
2.3 Lực tác dụng khi nâng gầu 18
2.4 Mô men lật của Gầu 19
2.5 Tính toán và chọn các thông số của hệ thống thủy lực 20
2.6 Kết luận 22
Chương 3 Áp dụng vào dự án thủy đi
ện Sê San 4
3.1 Các thông số của dự án thủy điện Sê San 4 23
3.2 Tính toán các lực tác dụng lên Gầu vớt rác 23
3.3 Tính toán kiểm tra hệ thống thủy lực 28
3.4 Các bản vẽ thiết kế
Chương 4 Kết luận và kiến nghị, đề xuất 33
Tài liệu tham khảo 34










4



THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI

TT Họ và tên Chức danh Nơi công tác

1 Vũ Văn Khoa Thạc sĩ Viện Nghiên cứu Cơ khí
2 Phan Đăng Phong Thạc sĩ Viện Nghiên cứu Cơ khí
3 Nguyễn Đức Hạnh Kỹ sư chế tạo máy Viện Nghiên cứu Cơ khí
4 Nguyễn Tiến Dũng Kỹ sư thủy lực Viện Nghiên cứu Cơ khí
5 Đào Quang Khánh Kỹ sư Cơ tin kĩ
thuật
Viện Nghiên cứu Cơ khí
6 Hồ Ngọc Nguyên
Khôi
Kỹ sư chế tạo máy Viện Nghiên cứu Cơ khí
7 Trần Anh Tuấn Kỹ sư chế tạo máy Viện Nghiên cứu Cơ khí
8 Thái Nhật Phương Kỹ sư chế tạo máy Công ty CP lắp máy 45.4
9 Nguyễn Văn Minh Kỹ sư Điện Viện Nghiên cứu Cơ khí
10 Vũ Văn Điệp Kỹ sư chế tạo máy Viện Nghiên cứu Cơ khí








5


Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết và mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Chương trình nội địa hóa các nhà máy thủy điện ở nước ta đang triển
khai mạnh mẽ đã góp phần đáng kể trong việc giảm ngoại tệ phải chi trả cho
nước ngoài đồng thời tạo công việc, tích lũy và trang bị cho ngành cơ khí chế
tạo Việt Nam, tạo thế và lực m
ới cho ngành trong thời đại hội nhập toàn diện
với thế giới.
Trong các thiết bị cơ khí thủy công có một hạng mục công việc có sự tổ
hợp giữa phần thủy lực-điện-cơ khí đó là là hạng mục Gầu vớt rác. Hạng mục
này hiện nay ở các công trình thủy điện ở nước ta không đồng nhất về kiểu
dáng mà hầu như chỉ quy
định về dung tích Gầu, do đó sự phù hợp của thiết bị
đối với khí hậu và công nghệ Việt nam nhiều khi không đạt.
Trong quá trình thiết kế các thiết bị cơ khí thủy công chúng tôi có cơ hội
được tiếp cận năng lực của các nhà máy cơ khí ở nước ta đã nhận thấy thiết bị
này hoàn toàn tự chế tạo được. Tác giả có mong muốn sau đề tài này chúng ta
có một sự nhìn nhận về s
ự đồng bộ trong kiểu dáng cho toàn bộ các gầu vớt rác
sẽ sử dụng ở các công trình thủy điện cũng như các công trình thủy lợi khác có
yêu cầu.
1.2. Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu của đề tài:
a. Đối tượng: Gầu vớt rác thủy lực.
b. Phạm vi: dùng cho thủy điện Sê San 4.
c. Nội dung nghiên cứu:
- Báo cáo về phân loại các gầu vớt rác, định hướng thiết kế.
- Lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với điều kiện Việt Nam.
- Áp dụng thiết kế cho công trình thủy điện Sê San 4.
1.3. Tổng quan về tình hình sử dụng các loại gầu vớt rác ở Việt Nam:
Hiện tại ở nước ta hầu như các công trình thủy điện đều sử dụng Gầu vớt rác
hàm phẳng thủy lực, cụ thể như sau:
a.

Công trình thủy điện Hòa Bình: Sử dụng gầu vớt rác kiểu hàm phẳng
thủy lực.
6

b. Công trình thủy điện Hàm thuận- Đa Mi : Sử dụng gầu vớt rác kiểu
hàm phẳng thủy lực.
c. Công trình thủy điện Đại Ninh: Sử dụng gầu vớt rác kiểu hàm phẳng
thủy lực.
d. Công trình thủy điện YALI: Sử dụng gầu vớt rác kiểu hàm phẳng
thủy lực.
e. Công trình thủy điện Sê san 3: Sử dụng gầu vớt rác ki
ểu hàm phẳng
thủy lực.
f. Công trình thủy điện Sê san 3A: Sử dụng gầu vớt rác kiểu hàm phẳng
thủy lực.
g. Công trình thủy điện Plêikrong: Sử dụng gầu vớt rác kiểu hàm phẳng
thủy lực.
h. Công trình thủy điện Buôn Kuôp: Sử dụng gầu vớt rác kiểu hàm
phẳng thủy lực.
i. Công trình thủy điện A Vương: Sử dụ
ng gầu vớt rác kiểu hàm phẳng
thủy lực.
j. Công trình thủy điện Buôntuasrah:Sử dụng gầu vớt rác kiểu hàm
phẳng thủy lực.
Như liệt kê ở trên ta có thể thấy các công trình thủy điện có công suấ từ
khoảng 100 MW trở lên thường sử dụng loại gầu vớt rác hàm phẳng thủy lực
còn đối với các công trình có công suất nhỏ hơn như dự án KNÔNGH’NĂNG,
TRA XOM, do các công ty cổ phần hay tư nhân thì hay sử dụng gầu vớt rác
hàm phẳng kiểu cơ khí, vì như vậy sẽ giảm được chi phí đầu tư.
Việc thiết kế các gầu vớt rác của các công trình thủy điện ở trong nước

có một số công ty thực hiện là: Viện thủy lợi, Công ty Sông đà Ucrin, công ty
cơ điện nông nghiệp. Do việc có nhiều nhà thiết kế khác nhau nên kích thước
cũng khác nhau dẫn đế
n tình trạng không sử dụng chung được cho nhau.
Trên thế giới các nhà thiết kế, cung cấp gầu vớt rác có ở một số nước
như: Mỹ, Nga, Nhật, Ucraina, Trung Quốc, Na uy, Ấn độ, Các nhà cung cấp
này đề cấp theo các kích cỡ tiêu chuẩn riêng của họ vì vậy nếu các công trình
thủy điện mới xây do các nhà cung cấp khác nhau sẽ có kiểu và kích cỡ khác
nhau. Đây là một tình trạng phổ biến tại nước ta do vậy rất khó cho việ
c thay
thế, dự trữ phụ tùng. Nếu sau này các nhà máy thủy điện về một công ty thì
từng cụm thủy điện ta có thể dùng chung một gầu hoặc dự trữ số phụ tùng thay
thế ít nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy cao trong vận hành, điều này góp phần
giảm đáng kể chi phí vận hành cũng như bảo quản, thay thế. Điều này góp
phần làm giảm giá thành đ
iện năng gián tiếp làm lợi cho nền kinh tế thị trường
7

đặc biệt trong giai đoạn hiện nay khi mà sức ép đòi tăng giá của hầu hết các
mặt hàng chủ lực đều nhìn nhau tăng giá.
Gầu vớt rác thực chất là một kết cấu cơ- điện – thủy lực, với kết cấu này
trong nước hiện nay hoàn toàn có thể chế tạo, cung cấp ổn định. Việc lựa chọn
kiểu, kích thước các phần tử cho phù hợp với tình hình thị
trường và năng lực
trong nước mới là vấn đề cần bàn.
Để tìm hiểu ta sẽ xem xét một số hình ảnh về gầu vớt rác hàn phẳng dẫn
động bằng cơ khí và thủy lực.

Hình 1- Gầu vớt rác hàm phẳng kiểu cơ khí

Hình 2- Gầu vớt rác hàm phẳng kiểu thủy lực
8

Đặc điểm cấu tạo của hai loại gầu vớt rác đã nêu:
a. Gầu vớt rác kiểu cơ khí:



Hình 3- Gầu vớt rác kiểu cơ khí hàm phẳng

- Khối lượng gầu nhẹ như vậy cầu trục chân dê cần lực nâng nhỏ hơn.
- Số lượng thiết bị ít, xác xuất hỏng hóc sẽ thấp hơn.
- Thao tác khó khăn hơn vì khi mở cần người phải mở hàm cơ khí.
- Ít được sử dụng ở các công trình thủy điện có công suất ≥
100 MW.
- Kết cấu bao gồm các phần chính: Cụm khung; Cụm răng động; Cụm bánh
xe dẫn hướng;.







9

b. Gầu vớt rác kiểu thủy lực:

Hình 4- Gầu vớt rác thủy lực hàm phẳng

- Khối lượng gầu tăng so với gầu vớt rác kiểu cơ khí.
- Phải tích hợp nhiều thiết bị, đặc biệt là thiết bị điện- thủy lực cần phải có
độ kín nước cao trong khi vận hành.
- Thao tác nhẹ nhàng, tính cơ giới cao, thuận tiện cho người sử dụng.
Cùng một dung tích gầu, gầu vớ
t rác thủy lực hoạt động nhanh hơn, an
toàn hơn.
- Kết cấu bao gồm các phần chính: Cụm khung; Cụm răng động; Cụm
bánh xe dẫn hướng; Hệ thống thủy lực; Hệ thống điện.

Qua phân tích ở trên chúng ta nhận thấy gầu vớt rác kiểu cơ khí chế tạo
dễ dàng hơn so với gầu vớt rác kiểu thủy lực, nhưng trong quá trình vận hành
gầu vớ
t rác thủy lực lại dễ dàng và an toàn cao hơn, điều này nói lên rằng các
công trình đòi hỏi độ an toàn cao thường sử dụng gầu vớt rác thủy lực.
Sau đây chúng ta sẽ quan tâm đến loại gầu vớt rác này.

1.4. Lựa chọn quy trình chế tạo phù hợp với điều kiện nước ta.
Để làm rõ hơn ta sẽ xem xét một bản vẽ chế tạo của một gầu vớt rác hàm
phẳng kiể
u thủy lực (Hình 5)
1.4.1. Phần cơ khí:
12

a. Cụm khung (Hình 6):
Nhận xét:
- Đây là kết cầu khung dàn được tổ hợp dưới dạng hàn, vì vậy vật liệu
chọn phải có tính hàn tốt.
- Là dạng khung có kích thước tương đối lớn (tùy theo từng công trình
thủy điện mà kích thước có thể dao động, chiều rộng từ 6-12m, chiều cao từ
x2-4 m) lại yêu cầu độ phẳng cao. Như vậy cần có đồ gá và quy trình hàn phù
hợp để tránh biến dạng c
ũng như quy trình kiểm tra phù hợp.
Để lựa chọn vật liệu có tính hàn tốt, ta xuất phát từ công thức tính các bon
tương tương như sau(Các nguyên tố tính theo phần trăm):
%C
tđ
= C+Si/24+Mn/6+Ni/40+V/14+Nb/2,5+Ti/5+Cr/5+Mo/4
Nếu một hợp kim nào có %C
tđ
> 0,5 thì tính hàn kém. Nếu sử dụng để hàn
sẽ phải gia nhiệt.
Để tránh tình trạng cong vênh của kết cấu dạng khung dàn, ta lựa chọn
quy trình hàn đối xứng và không liên tục sau khi hàn xong sẽ nắn hoặc là
phẳng.

b.Cụm răng động (hình 7):
Nhận xét:
- Đây là kết cấu khung dàn dạng răng lược, các răng này sẽ được cào trên
mặt lưới chắn rác vì vậy độ chính xác cũng đòi hỏi phải phù hợp theo lưới ch
ắn
rác.
- Ta chọn răng gầu vớt rác có tiết diện hình quả trám sẽ tốt nhất về mặt

tổn thất thủy lực, tuy nhiên giá thành sẽ rất cao nếu mua số lượng ít dưới 100
tấn hàng. Để thuận lợi về mặt kinh tế ta sẽ dùng tiết diện hình chữ nhật được
gia công theo biên dạng thiết kế. Giữa các thanh lưới sẽ cố định bằng các thanh
chốt. Khi lắp các thanh lướ
i sẽ lắp trên một đồ gá dạng khung.
Để chế tạo các cụm răng này ta sẽ tiến hành gia công các chi tiết riêng lẻ
sau đó được lắp thành cụm và tiến hành kiểm tra lầm cuối
c. Cụm bánh xe dẫn hướng (Hình 8): Bánh xe (con lăn) sẽ được đúc từ
thép 30 Γ hoặc thép rèn C45. Các chi tiết khác (trục, bạc, tấm đệm) sau khi
được gia công xong và lắp thành cụm để chờ lắp vào gầu.
Sau khi các cụm khung và cụm răng độ
ng, cụm bánh xe được chế tạo
xong và kiểm tra đạt yêu cầu kỹ thuật sẽ được tiến hành lắp ráp lại trên khung
gá sẽ chờ lắp hệ thống thủy lực và điện điều khiển.




13

1.4.2.Hệ thống thủy lực (Tham khảo bản vẽ 07RD-CK.2-04.1-000):
Hệ thống này yêu cầu đảm bảo độ kín nước và làm việc ổn định trong
môi trường nóng ẩm, bụi.
Các phần tử thủy lực như: Bơm cánh gạt, van an tòan, van điện từ, xi
lanh thủy lực, sẽ được mua sẵn trên thị trường. Các thiết bị như thùng dầu, hệ
thống làm kín, đường ống sẽ được gia công. Các thiế
t bị sau đó sẽ được tổ hợp
lại theo sơ đồ điều khiển đã được thiết kế.
1.4.3.Hệ thống điện điều khiển (Tham khảo bản vẽ 07RD-CK.2-04.4-
000 và 07RD-CK.5-09.4-000): Hệ thống này có yêu cầu cao về sự thu và rải

cáp điện cho phù hợp với tốc độ nâng hạ của cầu trục chân dê nâng hạ gầu vớt
rác.
Có nhiều phương án
đưa ra như: dùng tang cuốn cáp được đồng tốc cùng
với tang cuốn/ nhả cáp của cầu trục; phương án dùng rỏ đựng cáp khi rải và
thu; phương án dùng hệ thống lò xo cho cáp. Trong khuôn khổ dề tài này
chúng tôi đề nghị dùng phương án dùng tang cuốn cáp đồng tốc với tang cuốn/
nhả của cầu trục thông qua hệ thống biến tần.

16

Chương 2
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GẦU VỚT RÁC

2.1. Mô hình hoạt động của Gầu vớt rác:
2.1.1 Đầu tiên Gầu được cầu trục thả trượt trên mặt lưới chắn rác và đi
xuống (ở trên mặt nước):

Hình 6- Sơ đồ gầu vớt rác đi xuống (trên mặt nước)
2.1.2 Gầu đi xuống dưới mặt nước:



Hình 7- Sơ đồ gầu vớt rác đi xuống (trong nước)
17


2.1.3. Gầu thu thanh động vào để gom rác và đi lên

Hình 8- Sơ đồ gầu vớt rác đi lên
2.2. Điều kiện thiết kế
Khi thiết kế gầu và bánh dẫn hướng, những điều kiện về độ chênh lệch mức
nước sau sẽ được chấp nhận:
Trạng thái: khi rác trên gầu


Hình 9