NGHIÊN CỨU SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THỦY LỰC ĐÓNG MỞ CỬA VAN TẢI TRỌNG LỚN

BỘ NƠNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

CƠNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập Tự do Hạnh phúc

BÁO CÁO KHOA HỌC
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ NĂM 2008

NGHIÊN CỨU SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THỦY
LỰC ĐÓNG MỞ CỬA VAN
TẢI TRỌNG LỚN
Chủ nhiệm đề tài:

NGUYỄN HỮU TUẤN
KHOA CƠ KHÍ

HÀ NỘI - 2009


BỘ NƠNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

CƠNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập Tự do Hạnh phúc

BÁO CÁO KHOA HỌC
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ NĂM 2008

NGHIÊN CỨU SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THỦY
LỰC ĐÓNG MỞ CỬA VAN
TẢI TRỌNG LỚN

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

CƠ QUAN CHỦ QUẢN

NGUYỄN HỮU TUẤN

HÀ NỘI - 2009


BỘ NƠNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

CƠNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập Tự do Hạnh phúc

BÁO CÁO KHOA HỌC
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ NĂM 2008

NGHIÊN CỨU SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THỦY
LỰC ĐÓNG MỞ CỬA VAN
TẢI TRỌNG LỚN

DANH SÁCH THAM GIA ĐỀ TÀI
NGUYỄN HỮU TUẤN Chủ nhiệm
NGUYỄN ANH TUẤN

ĐOÀN YÊN THẾ
HỒ SỸ SƠN
TRẦN TRIỀU DƯƠNG
NGUYỄN NGỌC MINH

HÀ NỘI - 2009


1

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Tuy mới thực sự phát triển vào nửa cuối của thế kỷ 20, ngày nay các thiết bị
thủy lực đã được áp dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật của các
quốc gia phát triển và đang phát triển. Ở thời điểm này, khó có thể tìm thấy bất kỳ
một lĩnh vực nào mà trong đó khơng sử dụng kỹ thuật thủy khí nói chung và thủy
lực nói riêng.
Đề tài này nghiên cứu hệ thống thủy lực đóng mở các cửa van trong cơng
trình thủy lợi, làm việc trong điều kiện tải trọng lớn và tần suất làm việc rất nhỏ
nhằm mục đích làm sáng tỏ cơ sở khoa học để áp dụng loại thiết bị mới mẻ này
trong các cơng trình thủy lợi đầu mối của Việt Nam.
Nội dung của Đề tài gồm phần mở đầu, 5 chương và phần kết luận – kiến
nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.
Mở đầu
Chương 1 – Tổng quan hệ thống đóng mở tải trọng lớn;
Chương 2 – Đặc điểm của cơng trình thủy lợi, thủy điện và ưu nhược điểm
của hệ thống thủy lực;
Chương 3 – Đề xuất và lựa chọn cấu hình hệ thống thủy lực phù hợp với các
đặc điểm làm việc của cơng trình thủy lợi, thủy điện;
Chương 4 – Nghiên cứu một số phần tử trong hệ thống lựa chọn;
Chương 5 – Xây dựng phương pháp tính tốn lựa chọn các phần tử trong hệ

thống;
Kết luận và kiến nghị


2

MỤC LỤC
Trang
Tóm tắt Đề tài

01

Mục lục

02

Danh mục hình vẽ, đồ thị

04

Danh mục các bảng

07

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

08

Mở đầu

10

Đặt vấn đề

12

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ
TẢI TRỌNG LỚN

14

1.1 Phân loại cửa van
1.2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc và ưu nhược điểm của
các loại hệ thống đóng mở.

14
19

1.3 Tình hình nghiên cứu trên Thế Giới

30

1.4 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

32

CHƯƠNG 2 - ĐẶC ĐIỂM CỦA CƠNG TRÌNH THỦY
LỢI, THỦY ĐIỆN VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ
THỐNG THỦY LỰC

34

2.1 Đặc điểm của thiết bị cửa van trên cơng trình thủy lợi

34

2.2 Đặc điểm của xi lanh chịu tải trọng lớn

35

CHƯƠNG 3 – ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN CẤU HÌNH
HỆ THỐNG THỦY LỰC PHÙ HỢP VỚI CÁC ĐẶC
ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA CƠNG TRÌNH THỦY LỢI,
THỦY ĐIỆN

37

3.1 Cấu hình hệ thống thủy lực

37

3.2 Bộ chấp hành

40

3.3 Chức năng của hệ thống đóng mở thủy lực

41

3.4 Giới hạn về công nghệ

46


3

3.5 Xây dựng hệ thống đóng mở cửa van tải trọng lớn

47

3.6 Chọn điểm đặt gối treo xi lanh hiệu quả

58

3.7 Đề xuất sơ đồ làm việc của hệ thống

60

CHƯƠNG 4 – NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHẦN TỬ
TRONG HỆ THỐNG LỰA CHỌN

68

4.1 Xi lanh thủy lực

68

4.2 Đường ống thủy lực

68

4.3 Trạm nguồn

69

4.4 Các loại bơm thường dùng

70

4.5 Các loại van

74

CHƯƠNG 5 – XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH
TỐN LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ
THỐNG

84

5.1 Hệ thống sử dụng 1 bơm dung tích khơng đổi, 1 mơtơ

84

5.2 Hệ thống sử dụng 1 bơm dung tích khơng đổi, n cơ
cấu chấp hành

84

5.3 Hệ thống sử dụng 2 bơm đồng trục

86

5.4 Hệ thống sử dụng bình tích năng

87

5.5 Tính tốn hiệu quả của mạch:

88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

95

Kết luận

95

Kiến nghị

96

Tài liệu tham khảo

97

Phụ lục
Phụ lục A Hư hỏng và các biện pháp khắc phục trong hệ
thống đóng mở thủy lực

98

Phụ lục B Một số xi lanh thủy lực thường dùng trong hệ
thống đóng mở thủy lực

100


10

MỞ ĐẦU
Đề tài này nghiên cứu hệ thống thủy lực đóng mở các cửa van trong cơng
trình thủy lợi, làm việc trong điều kiện tải trọng lớn và tần suất làm việc nhỏ nhằm
mục đích làm sáng tỏ cơ sở khoa học để áp dụng loại thiết bị mới mẻ này trong các
cơng trình thủy lợi đầu mối của Việt Nam.
Đề tài “Nghiên cứu sơ đồ hệ thống thủy lực đóng mở cửa van tải trọng
lớn” bao gồm phần mở đầu, 5 chương và phần kết luận – hướng nghiên cứu tiếp
theo:
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỐNG MỞ TẢI TRỌNG
LỚN
Các nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và sử dụng máy đóng mở ở Việt Nam và
trên Thế giới. Phân loại, cấu tạo, nguyên lý làm việc và ưu nhược điểm của các loại
hệ thống đóng mở.
CHƯƠNG 2 – ĐẶC ĐIỂM CỦA CƠNG TRÌNH THỦY LỢI, THỦY
ĐIỆN VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THỦY LỰC
Đề xuất cấu hình cơ bản của hệ thống thủy lực và những tiến bộ trong công
nghệ chế tạo xi lanh thủy lực. Các chức năng quan trọng nhất của hệ thống đóng mở
thủy lực. Đặc điểm cơ bản của hệ thống thủy lực đóng mở các cơng trình thủy lợi
đầu mối.
CHƯƠNG 3 – ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN CẤU HÌNH HỆ THỐNG

THỦY LỰC PHÙ HỢP VỚI CÁC ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA CƠNG
TRÌNH THỦY LỢI, THỦY ĐIỆN
Trình bày đặc điểm của thiết bị cửa van, xi lanh chịu tải trọng lớn trên cơng
trình thủy lợi; Xây dựng hệ thống thủy lực nâng hạ cửa van tải trọng lớn; Các
phương pháp đồng bộ 2 xi lanh. Tính tốn, phương pháp xác định các lực tác dụng
lên cửa; Kiểm tra ổn định piston – xi lanh và chọn điểm đặt gối treo đạt hiệu quả.


11

CHƯƠNG 4 – NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHẦN TỬ TRONG HỆ
THỐNG LỰA CHỌN
Giới thiệu về kết cấu cũng như điều kiện áp dụng của các phần tử cơ bản
trong một hệ thống thủy lực.
CHƯƠNG 5 – XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN LỰA
CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG
Giới thiệu các hệ thống sử dụng các nguồn năng lượng khác nhau với các ưu
nhược điểm khi áp dụng. Tính tốn ứng dụng vào một bài toán cụ thể.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Các kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo.


12

ĐẶT VẤN ĐỀ
Nước ta có hàng trăm hệ thống thủy nông lớn và vừa, hàng trăm hồ chứa với
hàng vạn cửa van và thiết bị đóng mở vận hành thực hiện nhiệm vụ đa dạng của
cơng trình thuỷ lợi, thủy điện. Có rất nhiều cơng trình thuỷ lợi đã và đang xây dựng
với những nhiệm vụ hết sức quan trọng, đó là: ngăn mặn, giữ ngọt, tiêu úng, thốt lũ
góp phần giải quyết vấn đề dân sinh kinh tế và an ninh quốc phịng. Cửa van và

thiết bị đóng mở là hạng mục cơng trình quan trọng, làm việc trong điều kiện tải
trọng nặng.
Hiện nay, các nước trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng hệ thống
thủy lực đóng mở cửa van tải trọng lớn. Họ đã làm chủ được cấu hình hệ thống và
một số phần tử trong sơ đồ ứng với các điều kiện làm việc khác nhau ở trình độ cao
một cách đầy đủ, hồn chỉnh và có sản phẩm.
Trong thời gian qua, đã có một số cơ quan, đơn vị nghiên cứu về hệ thống
đóng mở cửa van dẫn động bằng dây mềm, bằng vít, xi lanh thủy lực... Các nghiên
cứu này chủ yếu ứng dụng và lựa chọn các sơ đồ, kích thước xi lanh thủy lực... tùy
vào dữ liệu bên thủy công cung cấp mà chưa đề cập sâu đến cấu hình của hệ thống
thủy lực, chưa có một nghiên cứu đầy đủ có cơ sở khoa học để áp dụng vào thực tế.
Mà chỉ sử dụng sản phẩm hoàn thiện với sơ đồ tương tự ở nước ngoài.
Tuy nhiên, việc ứng dụng các nghiên cứu ở ngoài nước như trên với điều
kiện cụ thể Việt Nam còn nhiều hạn chế và chưa đáp ứng với nhu cầu thực tế, đặc
biệt là liên quan đến vấn đề đóng mở cửa van tải trọng lớn trên các cơng trình thủy
lợi, thủy điện. Ngồi ra, do các cơng trình thủy lợi, thủy điện thường được đặt trên
các khu vực địa hình phức tạp, nhiều cây cối,... ảnh hưởng đến quá trình làm việc.
Vì vậy cần phải có một nghiên cứu đầy đủ và sâu sắc hơn về cấu hình và một số
phần tử trong sơ đồ.
Ngoài ra, các tài liệu, sách tham khảo và giáo trình về máy đóng mở cửa van
tải trọng lớn mới chỉ dừng lại ở giới thiệu mang tính nguyên tắc mà chưa có một
nghiên cứu một cách đầy đủ, có hệ thống về cấu hình và một số phần tử cơ bản
trong sơ đồ.
Vì vậy để làm cơ sở khoa học áp dụng vào thực tế thì cần có một nghiên cứu
đầy đủ và sâu sắc hơn về cấu hình, một số phần tử cơ bản trong sơ đồ hệ thống đóng
mở cửa van tải trọng lớn.
Hiện nay, thiết kế thiết bị đóng mở kiểu xi lanh thủy lực mới dừng lại ở tính
tốn xi lanh và thường chọn một sơ đồ truyền động theo nước ngoài, mà chưa có

13

được một cơ sở khoa học để lựa chọn các phần tử trong sơ đồ. Vì vậy cần có đề tài
nghiên cứu sâu về vấn đề này giúp cho việc nghiên cứu, thiết kế có cơ sở khoa học
hơn nhằm nâng cao hiệu quả của hệ thống.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Đề xuất sơ đồ mẫu cấu hình hệ thống thủy lực phù hợp với các đặc điểm làm
việc của công trình thủy lợi, thủy điện tại Việt Nam
CÁCH TIẾP CẬN
Trên cơ sở tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, xuất phát từ mạch cơ bản của
hệ thống thủy lực kết hợp với các đặc điểm của cơng trình thủy lợi, thủy điện và
những ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực. Từ đó đề xuất ra một mạch thủy lực
mẫu có thể đáp ứng được các yêu cầu trên.
VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
a. Vật liệu nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đóng mở cửa van bằng thủy lực
- Địa điểm nghiên cứu: Khoa Cơ khí – Trường Đại học thủy lợi.
- Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 12/2008 đến tháng 5/2009.
b. Nội dung nghiên cứu
Chương 1. Tổng quan về hệ thống đóng mở tải trọng lớn.
Chương 2. Đặc điểm của cơng trình thủy lợi, thủy điện và ưu nhược điểm
của hệ thống thủy lực.
Chương 3. Đề xuất và lựa chọn cấu hình hệ thống thủy lực phù hợp với các
đặc điểm làm việc của cơng trình thủy lợi, thủy điện.
Chương 4. Nghiên cứu một số phần tử trong hệ thống lựa chọn.
Chương 5. Xây dựng phương pháp tính tốn lựa chọn các phần tử trong hệ
thống.
Chương 6. Các kiến nghị và kết luận.
c. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thu thập số liệu

- Phương pháp phân tích số liệu
- Phương pháp đánh giá, so sánh.


4

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Phân loại các cửa van theo kết cấu cơng trình

15

Hình 1.2 Cửa van phẳng Cống Cái Tắt – Hải Phịng

16

Hình 1.3 Cửa van cung tràn xả lũ Hồ Núi Cốc – Thái Nguyên

17

Hình 1.4 Cửa van cung kết hợp với cửa van phụ

17

Hình 1.5 Hệ thống đóng mở thanh răng – bánh răng

21

Hình 1.6 Máy nâng tời cáp cửa phẳng

22

Hình 1.7 Máy nâng tời cáp cửa cung

22

Hình 1.8 Máy nâng cửa van cung bằng tời cáp - xích

22

Cống Trà Linh II – Thái Bình
Hình 1.9 Máy đóng mở bằng tời cáp, đồng bộ bằng trục truyền

24

Hình 1.10 Máy đóng mở kiểu vít-đai ốc (Bãi Thượng – Thanh Hóa)

25

Hình 1.11 Máy đóng mở kiểu vít-đai ốc cửa van phẳng Cống Báo Đáp
– Hưng n

27

Hình 1.12 Máy đóng mở thủy lực (cửa van cung)

28

Hình 1.13 Tồn cảnh cơng trình tràn xả lũ với máy đóng mở thủy lực

30

Hình 1.14 Cửa van Cống Lower Rhine – Hà Lan

30

Hình 1.15 Cửa van Maeslandt Kering-Hà Lan (truyền động điện-thủycơ)

32

Hình 1.16 Tràn xả lũ hồ chứa nước Dầu Tiếng – Tây Ninh

33

Hình 3.1 Sơ đồ truyền năng lượng trong mạch thủy lực

37

Hình 3.2 Hệ thống thủy lực điển hình

38

Hình 3.3 Sơ đồ hóa hệ thống thủy lực điển hình

39

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống nguồn dẫn động độc lập hoặc đồng thời

48

Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống có đồng bộ hai xi lanh

50

Hình 3.6 Đồng bằng hai bơm đồng trục

52

Hình 3.7 Đồng bộ bằng van tiết lưu

52


5

Hình 3.8 Đồng bộ dùng mạch cầu

53

Hình 3.9 Đồng bộ bằng moto thủy lực

53

Hình 3.10 Đồng bộ bằng bơm chia lưu lượng

54

Hình 3.11 Đồng bộ bằng van tỷ lệ

54

Hình 3.12 Sơ đồ mạch xây dựng hồn chỉnh

55

Hình 3.13 Sơ đồ hệ thống thủy lực nâng hạ cửa van (tham khảo 1)

56

Hình 3.14 Sơ đồ hệ thống thủy lực nâng hạ cửa van (tham khảo 2)

57

Hình 3.15 Định vị bằng mặt bích và cán có dẫn hướng

58

Hình 3.16 Định vị bằng treo xi lanh

59

Hình 3.17 Định vị xi lanh bằng mặt bích và cán xi lanh tự do

59

Hình 3.18 Sơ đồ hệ thống đóng mở thủy lực của van cung

61

Hình 3.19 Sơ đồ hệ thống điều khiển

63

Hình 3.20 Các thành phần của hệ thống điều khiển

63

Hình 3.21 Các loại tín hiệu điều khiển

64

Hình 3.22 Mạch điều khiển hở (Tác động hở)

64

Hình 3.23 Mạch điều khiển kín

65

Hình 3.24 Sơ đồ ngun lý mạch điện điều khiển cửa van cung

66

Hình 4.1 Các loại bơm thường dùng trong cơng nghiệp

70

Hình 4.2 Sơ đồ ngun lý làm việc của bơm bánh răng

70

Hình 4.3 Kết cấu bơm bánh răng

71

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý bơm trục vít

71

Hình 4.5 Các phương pháp điều chỉnh lưu lượng bơm cánh gạt tác dụng
đơn

72

Hình 4.6 Bơm cánh gạt tác dụng đơn

72

Hình 4.7 Bơm piston hướng tâm

73

Hình 4.8 Phương pháp điều chỉnh lưu lượng bơm piston hướng trục

73

Hình 4.9 Van tràn điều khiển trực tiếp

74

Hình 4.10 Van giảm áp điều khiển trực tiếp

75


6

Hình 4.11 Van giảm áp điều khiển gián tiếp

75

Hình 4.12 Ký hiệu và kết cấu van cản

76

Hình 4.13 Các ký hiệu van đảo chiều

76

Hình 4.14 Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí (3/2)

77

Hình 4.15 Van đảo chiều 4 cửa, 3 vị trí (4/3)

78

Hình 4.16 Các loại van tiết lưu

78

Hình 4.17 Hình nguyên lý và kết cấu van 1 chiều

78

Hình 4.18 Một số kết cấu ứng dụng van 1 chiều

79

Hình 4.19 Sơ đồ nguyên lý và ký hiệu van 1 chiều điều khiển được

79

Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý và ký hiệu van chặn khóa lẫn

80

Hình 4.21 Bình tích năng

81

Hình 4.22 Kết cấu và nguyên lý bộ lọc

82

Hình 5.1 Hệ thống sử dụng 1 bơm dung tích khơng đổi, 1 mơtơ:

84

Hình 5.2 Hệ thống sử dụng 1 bơm dung tích khơng đổi, n cơ cấu chấp hàn

85

Hình 5.3 Hệ thống sử dụng 2 bơm đồng trục

87

Hình 5.4 Hệ thống sử dụng bình tích năng

88

Hình 5.5 Hệ thống sử dụng 1 bơm cố định

90

Hình 5.6 Hệ thống thủy lực có kể đến tổn thất qua các phần tử

90

Hình 5.7 Hệ thống sử dụng nhiều máy bơm

94


7

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 5.1 Các thông số của hệ thống đóng mở cửa van

89


8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
A

Diện tích tiết diện hình vành khăn (mm2)

A1

Diện tích piston (mm2)

d

Đường kính cán piston (mm)

D

Đường kính xi lanh (mm)

P1

Lực nâng (N)

P2

Lực hạ (N)

P1’

Lực nâng ở hành trình nhanh (N)

p

Áp suất bơm (bar)

p1

Áp suất ở hành trình nâng (bar)

p2

Áp suất ở hành trình nâng nhanh (bar)

p3

Áp suất ở hành trình hạ (bar)

pb

Áp suất yâu cầu (bar)

pbi

Áp suất yêu cầu với i cơ cấu chấp hành (bar)

pL

Tổn hao qua bộ lọc (bar)

p vpp

Tổn hao qua Van phân phối (bar)

p TL

Tổn hao qua van tiết lưu (bar)

p 1c

Tổn hao qua van 1 chiều (bar)

Q

Lưu lượng yêu cầu (dm3/phút)

Q1

Lưu lượng yêu cầu ở hành trình nâng chậm (dm3/phút)

Q2

Lưu lượng yêu cầu ở hành trình nâng nhanh (dm3/phút)

Qbi

Lưu lượng bơm yêu cầu với i cơ cấu chấp hành (dm3/phút)

Qi

Lưu lượng yêu cầu của cơ cấu thứ i (dm3/phút)

S

Hành trình piston (mm)

S1

Hành trình chậm (mm)

S2

Hành trình nhanh (mm)

t

Thời gian cả chu trình nâng và hạ (s)


9

t1

Thời gian nâng chậm (s)

t2

Thời gian nâng nhanh (s)

t3

Thời gian duy trì nâng (s)

t4

Thời gian hạ (s)

I

Tổng năng lượng cung cấp từ bơm (Nm)

I1

Năng lượng cung cấp từ bơm ở hành trình chậm (Nm)

I2

Năng lượng cung cấp từ bơm ở hành trình nhanh (Nm)

O

Tổng cơng ở hành trình nâng (Nm)

O1

Cơng để di chuyển trong hành trình nhanh (Nm)

O2

Cơng để di chuyển trong hành trình chậm (Nm)

V1

Tốc độ nâng (m/ph)

V1’

Tốc độ nâng nhanh (m/ph)

V2

Tốc độ hạ (m/ph)

Vn

Vận tốc nâng (m/phút)

η

Hiệu suất bơm thủy lực


14
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐỐNG MỞ TẢI TRỌNG LỚN
1.1 PHÂN LOẠI CỬA VAN
Cửa van là một loại kết cấu dùng rất nhiều trong các cơng trình thuỷ lợi thuỷ
điện. Đây là một bộ phận quan trọng của công trình, dùng để điều tiết dịng chảy,
lưu lượng, bảo đảm an tồn cho cơng trình trong q trình tích nước và sử dụng

khai thác nguồn nước.
Cơ khí thủy cơng trên các cơng trình thủy lợi, thủy điện ln giữ vai trị đặc
biệt quan trọng đối với cả cơng trình. Giá thành lắp đặt thiết bị cơ điện cho ngành
thủy lợi, thủy điện thường cao gấp 1,5 đến 2 lần so với giá thành lắp đặt thiết bị cơ
điện của công nghiệp và các ngành khác vì tính đặc thù phức tạp của nó. Có thể
khẳng định rằng, vấn đề cửa van phục vụ ngành thủy lợi, thủy điện đã được nghiên
cứu kỹ lưỡng, phong phú về chủng loại và đạt đến mức hồn thiện, cửa van có độ
ổn định cao, góp phần đáng kể vào việc nâng cao hiệu suất sử dụng cho cả cơng
trình.
Cửa van rất đa dạng và được sử dụng theo mục đích và điều kiện khác nhau.
Các cửa van trong cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện thường chế tạo bằng thép, có các
bộ phận giăng cao su để chống rị rỉ nước khi đóng. Có thể phân loại cửa van như
sau:
1.1.1 Theo vị trí lắp thân cửa van phân thành cửa trên mặt và cửa dưới sâu:
- Cửa van trên mặt: Được lắp trên ngưỡng của cơng trình (trên thân đập, hồ
chứa).
- Cửa van dưới sâu: Với toàn bộ thân van ngập trong nước, mép trên cùng
của van vẫn ngập trong nước.
Cách chia này nhằm mục đích tính tốn tải trọng tác dụng lên cửa van, tính
bền kết cấu cửa và lực đóng mở và lựa chọn thiết bị đóng mở phù hợp.
1.1.2 Theo chức năng vận hành, khai thác
- Cửa van chính: Làm việc thường xun khi khai thác cơng trình và phục vụ
cho việc giữ ổn định mức nước thượng lưu (trạm thủy điện hay cơng trình thủy lợi):
các cửa van tràn xả lũ, cửa lấy nước, âu thuyền làm việc dưới áp lực thủy động.
- Cửa van sửa chữa: Phục vụ cho việc đóng cửa cống của cơng trình khi sửa
chữa van chính.
- Cửa van an toàn (cửa sự cố): Phục vụ cho việc đóng lỗ tháo của cơng trình
khi có sự cố làm hư hỏng các cửa van chính, máy bơm, tuabin…
- Cửa van dẫn dịng thi cơng: Phục vụ thời kỳ xây dựng cơng trình và lắp đặt
các cửa van khác.

15
Từ các mục đích sử dụng đó người ta xác định các thơng số như vận tốc
đóng mở, dạng cửa van phù hợp.
Tùy theo từng loại cửa mà có thể đóng mở tốc độ chậm để giảm va đập lên
ngưỡng hoặc tốc độ nhanh để chặn dịng hoặc khi có sự cố...
1.1.3 Theo lực đóng mở cửa van:
- Lực đóng mở của van tải trọng nhỏ: P ≤ 5 tấn
- Lực đóng mở cửa van tải trọng trung bình: 5 tấn < P < 20 tấn
- Lực đóng mở cửa van tải trọng lớn: P ≥ 20 tấn
1.1.4 Theo kết cấu cơng trình
Trên cơng trình thuỷ lợi thì kết cấu cửa van rất đa dạng, phong phú. Các
dạng cửa van này phải phù hợp kết cấu, điều kiện cụ thể của cơng trình, mục đích
sử dụng.

l)
a)

c)

b)

d)

m)
e)

h)

g)

j)

k)
n)

p)

Hình 1.1 Phân loại các cửa van theo kết cấu cơng trình
a,b. Cửa van phẳng; c. Cửa van cung; d. Cửa van trụ đứng; e. Cửa van trụ
ngang; g. Cửa van mái nhà; h. Cửa phai; j,k. Cửa van tam giác; l. Cửa van hình
quạt;

m. Cửa van chữ nhân; n. Cửa van thủy lực kiểu rèm; p. Cửa van phai

Cửa van cung và cửa van phẳng là hai loại cửa phổ biến nhất thường gặp.
Cửa van phẳng là hình thức cửa ra đời sớm nhất trong các loại cửa sử dụng
trong các cơng trình thủy lợi, song đến nay vẫn còn được áp dụng hết sức rộng rãi.


16
Cửa van phẳng bao gồm cửa van đơn, cửa van kép, cửa van nhiều tầng và
cửa van có cửa phụ. Cửa van phẳng đơn được dùng làm cửa van chính, cửa van bảo
hiểm, sửa chữa và thi công.
Cửa van phẳng được sử dụng nhiều trong các cơng trình trên kênh, cống lấy
nước, tiêu nước, xả nước, đập tràn các công trình cần điều tiết lưu lượng, cửa đóng
nhanh (sự cố) trong nhà máy thủy điện.

Hình 1.2 Cửa van phẳng Cống Cái Tắt – Hải Phòng

Từ cách phân loại này, cửa van phẳng và cửa van cung sẽ đại diện cho các
cửa van cịn lại khi tính tốn, thiết kế.
Cửa van phẳng gồm hai bộ phận chính:
- Bộ phận động (cánh cửa van) có kết cấu phù hợp và chịu được tải trọng của
cơng trình cụ thể, chế tạo hồn chỉnh tại các nhà máy chuyên ngành.
- Bộ phận cố định được định hình và chế tạo lắp đặt và liên kết cố định với
cơng trình (các khe van, tường ngực...).
Cửa có chiều rộng từ 0,6m÷45m, thường gặp cửa có bề rộng nhỏ hơn 20m.
Dẫn hướng cho cửa phẳng chuyển động thường là bánh xe lăn hoặc thanh trượt. Khi


17
chiều cao cột nước lớn, để giảm lực đóng mở, người ta còn sử dụng cửa 2 lớp hoặc
dùng đối trọng hoặc kết hợp cả hai biện pháp.

Hình 1.3 Cửa van cung tràn xả lũ Hồ Núi Cốc – Thái Nguyên

Hình 1.4 Cửa van cung kết hợp với cửa van phụ
Cửa van cung được sử dụng rộng rãi trong các cơng trình thủy lợi đặc biệt ở
đập tràn, đập dâng và cống trong vùng ảnh hưởng của thủy triều. Hệ thống điều tiết
nước sử dụng cửa cung đều là loại cửa có độ an tồn cao, chắc chắn. Ngồi cửa
cung thơng dụng, trong thực tế cịn gặp cửa cung có cửa sập bên trên, cửa sập bên


18
trên sử dụng khi xả tràn lưu lượng nhỏ, khi xả lưu lượng lớn toàn bộ cửa cung được
kéo lên.
Cửa van hình cung có mặt cắt ngang của kết cấu phần động có dạng hình
cung và được liên kết với hai càng. Khi đóng mở, cửa van xoay quanh trục nằm
ngang. Cửa van loại này được dùng trên các tràn xả lũ của đập, cống, âu thuyền.

Cửa van cung chỉ dùng làm cửa chính.
Cửa van hình cung cũng được phân theo cửa van dưới sâu và cửa van trên
mặt. Theo kết cấu có thể chia ra cửa van đơn, cửa van có cửa phụ, cửa van kép.
Cửa van cung cũng có hai bộ phận:
- Bộ phận động gồm: Bản mặt, liên kết với các ơ dầm (dầm chính và dầm
phụ ngang và đứng), các giàn ngang, khung chính, giàn chịu trọng lượng, trụ biên,
giàn gối và bộ phận gối đỡ. Vật chắn nước có tác dụng bịt kín các khe hở giữa tôn
bưng và bộ phận cố định, không cho nước rị rỉ qua khi đóng hết. Bộ phận động
thường được chế tạo hoàn chỉnh tại nhà máy chuyên ngành. Đối với cửa van lớn, để
có thể vận chuyển được đến công trường người ta phải chế tạo thành nhiều phần và
liên kết lại bằng bu lông: bản mặt (Tôn bưng, dàn ngang, khung chính, giàn chịu
trọng lượng), càng van và cối quay. Trong trường hợp bản mặt quá lớn, người ta
phải chia ra nhiều phần và sẽ hàn ghép lại thành cửa van hồn chỉnh tại cơng trình
lắp đặt.
- Bộ phận cố định: Có thể có khe van và cũng có thể bố trí ở mặt ngồi của
trụ pin. Phần cố định cũng có kết cấu tương tự như ở cửa van phẳng.
Ngồi cửa cung một lớp cịn có cửa cung 2 lớp, cửa cung có phao và cửa
cung có đối trọng để giảm lực đóng mở.
1.1.5 Theo phương pháp truyền áp lực nước cho cơng trình
- Cửa van truyền áp lực nước qua trụ đỡ và tường ngực
- Cửa van truyền áp lực nước qua ngưỡng tràn
- Cửa van truyền áp lực qua ngưỡng tràn, trụ đỡ và tường ngực
1.1.6 Theo đặc tính chuyển động của cửa van
- Cửa van chuyển động tịnh tiến
- Cửa van chuyển động quay
- Cửa van nổi tự do


19
Mỗi loại cửa van có những ưu, nhược điểm khác nhau. Lấy ví dụ cho cửa

van cung và cửa van phẳng.
Cửa van cung có những ưu điểm sau: Có thể dùng trên tràn với mặt cắt bất kì
mà khơng cần phải mở rộng đỉnh; Điều kiện thuỷ lực của dòng chảy ở mép dưới
van cung tốt hơn cửa van phẳng; Chuyển động của cửa được xác định do liên kết
của càng với trục quay cố định; Trọng lượng cửa van nhỏ hơn cửa van phẳng khi
cùng điều kiện làm việc; Lực đóng mở nhỏ hơn cửa phẳng. Nhưng chúng cũng có
những nhược điểm là: Phải có mố và tường biên dài; Độ cứng của van cung nhỏ
hơn cửa van phẳng; Khi cống có chiều cao lớn, chân van phải dài để gối bản lề
khơng ngâm trong nước.
Cửa van phẳng có các ưu điểm: Có thể ứng dụng cho các đập tràn có hình
dạng bất kỳ; khơng địi hỏi phải có kết cấu xây dựng kích thước lớn dọc theo dịng
chảy để giữ van; có thể ngăn và tháo nước với lỗ thốt có khẩu độ lớn, chiều cao
lớn; dễ quan sát, theo dõi, vận hành, sử dụng; dễ tháo lắp, sửa chữa; dễ chế tạo, có
thể gia cơng chính xác; giá thành cửa phẳng rẻ hơn 10%÷15% sơ với giá thành chế
tạo các cửa van kiểu đáy quạt hay cửa van cung, rẻ hơn 50% so với cửa van kiểu
tấm phẳng hình cung. Tuy nhiên, cửa van phẳng cũng có những nhược điểm sau:
Lực nâng yêu cầu rất lớn với kích thước lỗ thốt lớn; giá thành thiết bị nâng hạ
tăng; tăng chiều dày trụ đỡ khi phải nâng van lên sửa chữa.
1.2 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA
CÁC LOẠI HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ.
Phương pháp cơ bản để xây dựng một kết cấu máy đóng mở cửa van là phải
xác định được mục đích và những ảnh hưởng chính của cơ cấu đó. Trước tiên cần
quyết định về loại truyền động cho loại và kiểu máy đóng mở nào, năng lượng sử
dụng là gì (ví dụ năng lượng điện, sức người, sức nước, khí nén...), tiếp theo là lựa
chọn phương pháp tác động, loại truyền động và hàng loạt những thông số kỹ thuật
khác như phương pháp điều chỉnh tốc độ (cơ hoặc điện) và mục tiêu kinh tế phải đạt
được.
Trong một cơ cấu hay máy đóng mở cửa van bao giờ cũng có bốn phần
chính: bộ phận phát động, bộ phận truyền động, bộ phận công tác và hệ thống điều
khiển.

20
Bộ phận phát động là phần phát ra lực ban đầu, sản sinh ra năng lượng đủ để
cung cấp cho bộ công tác thực hiện được chức năng công việc. Bộ phận dẫn động
gồm các loại động cơ điện, tuabin, động cơ đốt trong, bình khí nén, sức người…
Động cơ điện dùng cho thiết bị đóng mở cửa van là loại xoay chiều 3 pha
dây cuốn. Thường được sản xuất chun dùng, có khả năng q tải lớn, có cơng
suất ứng với thời gian làm việc xác định là 10, 15, 30 và 60 phút, chịu được mơi
trường mưa, gió khắc nghiệt.
Lực cơ bắp của con người bị hạn chế, lực của mỗi người chỉ đến 400N, bán
kính tay quay đến 300mm, được dùng cho loại cửa van có tải trọng nâng nhỏ hơn
10 tấn, tốc độ quay chậm và khơng đều. Đối với cửa van có tải trọng đóng mở trên
10tấn thì cơ cấu quay tay làm cơng tác hỗ trợ khi mất điện và điều chỉnh khi lắp ráp.
Bộ phận truyền động là phần trung gian nhận, biến đổi, phân phối và truyền
năng lượng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận cơng tác. Trong máy đóng mở thường
dùng các loại truyền động: truyền động cơ khí (bao gồm các khớp nối trục, trục, các
cặp bánh răng, ổ đỡ sắp xếp theo một thứ tự nhất định), truyền động điện (bao gồm
máy phát điện, đường dây truyền dẫn, động cơ điện); truyền động thủy lực (bao
gồm máy bơm, đường ống dẫn chất lỏng, van thuỷ lực…).
Bộ phận công tác hay còn gọi là bộ phận chấp hành là chi tiết, bộ phận máy
nhận năng lượng hoặc cơ năng của các bộ phận trước đó truyền cho để thực hiện
mục đích chính, nhiệm vụ chính của cơ cấu, ví dụ: tang, dây cáp, puly, móc treo
trong máy đóng mở bằng dây mềm, xi lanh thủy lực, vít me trong cơ cấu nâng để
nâng hạ vật, cửa van theo kiểu có kết cấu cứng.v..v.
Hệ thống điều khiển là hệ thống nhận tín hiệu, xử lý và điều khiển q trình
hoạt động của các bộ phận của thiết bị theo yêu cầu đặt ra và bảo đảm an tồn cho
q trình hoạt động.
Như vậy, để thực hiện công việc của một bộ cơng tác, ta có thể sử dụng bộ
phận dẫn động và truyền động khác nhau. Mỗi loại dẫn động và truyền động có

những ưu nhược điểm riêng về kỹ thuật, kinh tế và phạm vi ứng dụng. Vì vậy, khi
lựa chọn sơ đồ dẫn động và truyền động cho một cơ cấu để thiết kế, cần quan tâm
tới các thông số làm việc như công suất, tốc độ, đặc tính động lực học, phương pháp
điều khiển, khả năng quá tải, khả năng tiêu chuẩn hoá và tự động hoá, khả năng lắp
đặt, vận hành, an toàn, các chỉ tiêu kinh tế như giá thành, chi phí sản xuất, khấu hao,
chi phí bảo dưỡng sửa chữa, ảnh hưởng đến mơi trường sinh thái.


21
1.2.1 Hệ thống đóng mở kiểu thanh răng – bánh răng
Máy nâng kiểu bánh răng thanh răng được sử dụng để đóng mở các loại cửa
van phẳng, cửa van hình quạt và cửa van chữ V ở các cửa âu thuyền. Thanh răng
chuyển động tịnh tiến qua lại là nhờ ăn khớp với bánh răng truyền cho. Để bảo đảm
cho bánh răng cuối ăn khớp với thanh răng, cần có kết cấu cụm bánh xe hoặc bạc đỡ
cùng xoay quanh trục bánh răng cuối trên đường tròn ăn khớp; giữ cho khoảng cách
tâm ăn khớp khơng đổi.

Hình 1.5 Hệ thống đóng mở thanh răng – bánh răng
Ưu điểm của loại thiết bị này là hiệu suất cao, truyền động êm, khi bánh răng
cuối ăn khớp với thanh răng có số răng nhỏ thì kết cấu sẽ nhỏ gọn, làm việc được
hai chiều, tốc độ đóng mở nhanh hơn máy vít, độ mở bất kì.
Nhược điểm là chế tạo khó, vật liệu sử dụng phải tốt và phải có xử lý bề mặt
vật liệu sau gia công. Thường lực nén trên thanh răng không đúng tâm. Trong
trường hợp chiều cao nâng lớn, thanh răng đẩy lên cao sẽ không ổn định, khó nối
dài thanh răng. Truyền động bánh răng thanh răng khơng có khả năng tự hãm, vì
vậy khi dùng để nâng cửa van phẳng trên cơng trình thuỷ nơng có chiều cao nâng
không lớn phải kết hợp bộ truyền bánh vít trục vít để tự hãm và thường sử dụng
hiệu quả cho cửa van với lực đóng mở nhỏ.
1.2.2 Hệ thống đóng mở kiểu tời
Tời là một thiết bị nâng hạ cửa van thông qua hệ thống dây mềm (thường

bằng cáp hoặc xích) cuốn lên tang hoặc rịng rọc xích. Tang cuốn và nhả cáp được
nhờ bộ bánh răng truyền động với nguồn động lực có thể là sức người hay động cơ
điện.
Máy đóng mở kiểu tời có các bộ phận chính như bộ phận nâng cửa; gồm dây
cáp, tang quấn cáp, ròng rọc tĩnh và động (trong trường hợp cần tăng bội suất pa
lăng) và kẹp cáp; Đối với cửa van nhỏ thường dùng loại tời 1 tang quấn, cịn đối với
cửa van có khẩu độ lớn, chịu tải trọng lớn thường dùng loại hai tang. Trong cả hai


22
trường hợp nói trên (1 tang hay 2 tang) thì điểm kéo cửa bao giờ cũng là 2 điểm để
bảo đảm kéo cân bằng hai bên cửa.
Têi kÐo cöa Pu ly dÉn h­íng

Tay quay

C¸p kÐo

Cưa van

Hình 1.6 Máy nâng tời cáp cửa phẳng

Hình 1.7 Máy nâng tời cáp cửa cung

Bộ phận truyền động của tời là các khớp nối, cơ cấu phanh, hộp giảm tốc hay
các bộ truyền cho tới tang cuốn cáp. Bộ phận phát động là động cơ điện hoặc sức
người. Tời cáp được sử dụng để nâng hạ cửa van phẳng, cửa van cung, cửa van kiểu
quạt - ống lăn, kiểu mái nhà, kiểu trụ đứng…,. Điều kiện sử dụng bị hạn chế với các
cửa van phải có khả năng tự đóng, hoặc phải thêm gia trọng hay phải mắc cáp để có
khả năng kéo được khi đóng. Khi dùng máy đóng mở kiểu tời cáp ln phải đặt trên

cầu cơng tác phía trên đỉnh cửa van.

Hình 1.8 Máy nâng cửa van cung bằng tời cáp - xích
Cống Trà Linh II – Thái Bình