Nghiên cứu ứng dụng gối xoay xilanh thủy lực cho cửa van cung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Ngô Văn Hiến

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GỐI XOAY XILANH THUỶ LỰC
CHO CỬA VAN CUNG
Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. PHẠM VĂN HÙNG

Hà Nội – 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi làm ra dưới sự hướng dẫn của
PGS. TS. Phạm Văn Hùng cùng các thầy trong bộ môn công nghệ chế tạo máy khoa cơ
khí trường Đại học Bác Khoa Hà Nội. Không hề có sự sao chép, gian lận kết quả của
bất kì công trình nghiên cứu nào khác.
Học viên
Ngô Văn Hiến

- 2-


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Trang

: trọng lượng riêng của nước (N/m3)
H1: cột áp nước thượng lưu (m)
H2: cột áp nước hạ lưu (m)
Hn: cột áp từ mép trên vật chắn nước ngang đến mặt thoáng thượng lưu
(m)
Ht: cột áp từ tâm vật chắn nớc ngang đến mặt thoáng thượng lưu (m)
L: bề rộng cửa (m)
ho: chiều cao vật chắn nớc (m)
pa: áp suất chân không (60.000 N/m2)
b: bề rộng đáy cửa (m)
F: diện tích cửa van (m2)
bc: trọng lợng riêng bùn cát lắng (13.000 14.000 N/m3)
hbc: chiều cao lớp bùn lắng (m)
ζ: góc nghiêng tự nhiên của bùn cát trong nước (rad)
qw: áp lực gió (N/m2)
fr: hệ số ma sát giữa trục và bạc
Hav: cột áp trung bình ép vào gioăng (m)
La: chiều dài gioăng tiếp xúc với nước (m)
bs: bề rộng gioăng tiếp xúc với khe cửa (m)
fs: hệ số ma sát giữa gioăng và khe cửa (N)
T: lực kéo cửa (N)
n1: hệ số bổ sung cho độ không chính xác của toạ độ trọng tâm cửa
n2: hệ số bổ sung cho các lực phụ
rg: cánh tay đòn lực G đối với tâm quay (m)
ra: cánh tay đòn lực Pa đối với tâm quay (m)
rshaft: bán kính trục quay cửa (m)
xp: chuyển vị của tải trọng Mg
M: khối lượng của tải bị lệch (kg)

fi: phản lực sinh ra bởi các xilanh (N)
Li: cánh tay đòn từ điểm liên kết của fi đến trọng tâm của hệ (m)
J: mô men quán tính của khối lượng quay quanh trọng tâm của hệ (kg.m2)
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3-1 Bảng mô men và độ võng thân gối xoay
Bảng 3-2 Khe hở hướng kính ổ cầu tự lựa
- 3-

29
29
29
29
30
30
30
34
34
34
35
35
35
35
35
35
35
35
35
35
36
36

36
36
36
49
49
49
49
49
36
52


Bảng 3-3 Bảng hệ số tải trọng
Bảng 3-4 Bảng hệ số tải trọng
Bảng 3-5 Bảng hệ số tải trọng
Bảng 3-6 Bảng hệ số tải trọng
Bảng 3-7 Bảng hệ số trợt
Bảng 3-8 Bảng hệ số ma sát ổ cầu
Bảng 5-1 Bảng thông số kiểm tra độ võng thân gối xoay xilanh Hương
Điền
Bảng 5-2 Bảng thông số lắp đặt kiểm tra gối xoay Hương Điền
Bảng 5-3 Bảng thông số kiểm tra độ võng thân gối xoay xilanh Cửa Đạt
Bảng 5-4 Bảng thông số lắp đặt kiểm tra gối xoay Cửa Đạt
Bảng 5-5 Bảng các công trình sử dụng gối xoay xilanh kiểu Truntion
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2-1 Đập tràn
Hình 2-2 Cửa van cung
Hình 2-3 Các dạng kết cấu càng cửa
Hình 2-4 Kết cấu cối bản lề cửa cung
Hình 2-5 Sơ đồ bố trí kín nước cửa van

Hình 2-6 Sơ đồ cửa cung hai lớp đồng tâm và cùng đường kính
Hình 2-7 Sơ đồ cửa cung hai lớp đồng tâm khác bán kính
Hình 2-8 Sơ đồ cửa cung phao
Hình 2-9 Sơ đồ khối máy đóng mở
Hình 2-10 Bố trí chung cửa van cung
Hình 2-11 Xilanh ngõng treo giữa thân
Hình 2-12 Gối xoay chôn trong bê tông
Hình 2-13 Gối xoay bắt bulông vào bê tông
Hình 2-14 Gối xoay xilanh Ba Hạ
Hình 2-15 Gối xoay xilanh Hương Điền
Hình 2-16 Gối xoay xilanh gối các đăng
Hình 2-17 Gối xoay xilanh một bậc quay
Hình 2-18 Rèn thân gối xoay xilanh tải xưởng sản xuất (Trung Quốc)
Hình 3-1 Tâm quay trên mức cao
Hình 3-2 Tâm quay bằng ngưỡng trên
Hình 3-3 Tâm quay trong giới hạn, phía trên
Hình 3-4 Tâm quay trong giới hạn, phía dưới
Hình 3-5 Tâm quay bằng ngưỡng thấp
Hình 3-6 Cửa ở dới sâu, tâm quay trên ngưỡng cao
Hình 3-7 Cửa ở dới sâu, tâm quay bằng ngưỡng cao
Hình 3-8 Cửa ở dới sâu, tâm quay gần ngưỡng trên
- 4-

58
60
61
61
63
81
86

87
93
98
10
12
13
14
15
16
16
17
17
21
22
23
24
25
25
25
25
27
29
29
30
30
31
31
32
32

Hình 3-9 Cửa ở dới sâu, tâm quay gần ngưỡng dưới
Hình 3-10 Sơ đồ tính toán lực kéo cửa
Hình 3-11 Đồ thị khoảng cách đỉnh và đường tâm xilanh
Hình 3-12 Sơ đồ tìm điểm tối ưu T
Hình 3-13 Vị trí gối xoay xilanh công trình thuỷ điện Sông Ba Hạ
Hình 3-14 Sơ đồ chịu tải gối xoay xilanh

33
39
40
43
43
45

Hình 3-15 Sơ đồ tính kích thước ngàm lắp chốt treo xilanh
Hình 3-16 Biểu đồ mô men và độ võng thân gối xoay
Hình 3-17 Ứng suất trên cụm gối xoay xilanh khi chịu tải
Hình 3-18 Độ võng cụm gối xoay xilanh khi chịu tải
Hình 3-19 Ổ cầu tự lựa
Hình 4-1 Mô hình gối xoay xilanh sử dụng cầu tự lựa, bắt bulong móng
Hình 4-2 Lới phần tử của thân gối xoay
Hình 4-3 Mô hình cửa van cung thuỷ điện Sông Ba Hạ nhìn từ hạ lưu
Hình 4-4 Mô hình cửa van cung thuỷ điện Sông Ba Hạ nhìn từ thượng
lưu
Hình 4-5 Sơ đồ phân bố ứng suất gối xoay xilanh Cửa Đạt
Hình 4-6 Sơ đồ phân bố biến dạng gối xoay xilanh Cửa Đạt
Hình 5-1 Thông số cửa cung Hương Điền và toạ độ điểm đặt gối xoay
xilanh thuỷ lực
Hình 5-2 Sơ đồ tính thân gối xoay xilanh

Hình 5-3 Biểu đồ mômen uốn và độ võng thân gối xoay xilanh Hương
Điền
Hình 5-4 Ổ cầu tự lựa Hương Điền
Hình 5-5 Phân bố ứng suất trên thân gối xoay xilanh Hương Điền
Hình 5-6 Phân bố độ võng trên thân gối xoay xilanh
Hình 5-7 Bố trí cụm gối xoay xilanh trên trụ pin
Hình 5-8 Kiểm tra khoảng cách tay đòn từ mép bê tông đến tâm ngõng
treo
Hình 5-9 Kiểm tra thông số vị trí gối xoay xilanh trên trụ pin
Hình 5-10 Thông số cửa van cung Cửa Đạt và và toạ độ điểm đặt gối
xoay xilanh thuỷ lực
Hình 5-11 Sơ đồ tính thân gối xoay

46
47
48
48
52
69
71
72

77
80

Hình 5-12 Biểu đồ mô men uốn và độ võng thân gối xoay xilanh Cửa Đạt
Hình 5-13 Ổ cầu tự lựa Cửa Đạt
Hình 5-14 Phân bố ứng suất trên thân gối xoay xilanh Cửa Đạt
Hình 5-15 Phân bố độ võng trên thân gối xoay xilanh Cửa Đạt

92
93
94
94

- 5-

72
73
74

81
82
83
83
84
85
85
88
91


MỤC LỤC
Trang
Trang bìa phụ

1

Lời cam đoan

2

Danh mục kí hiệu và từ viết tắt

3

Danh mục bảng

4

Danh mục hình vẽ, đồ thị

5

CHƯƠNG 1 – MỞ ĐẦU

6

1.1

Tính cấp thiết của đề tài

6

1.2

Tình hình nghiên cứu

6

1.3

Vấn đề nghiên cứu

7

1.4

Ý nghĩa khoa học

8

1.5

Ý nghĩa thực tiễn

8

1.6

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

8

1.7

Nhiệm vụ và nội dung

9

1.8

Phương pháp nghiên cứu

9

CHƯƠNG 2 – HỆ THỐNG GỐI XOAY XYLANH VÀ CỬA VAN CUNG

10

2.1

Sơ lược cửa van cung và phân loại cửa van cung thông dụng

10

2.2

Các loại tải tác dụng lên cửa van

17

2.3

Sơ lược về máy đóng mở thuỷ lực cửa van

20

2.4

Các loại gối quay thường dùng

22

2.5

Giới hạn về công nghệ

26

CHƯƠNG 3 – NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC TIỄN

27

3.1

Phương pháp xác định lực kéo

27

3.2

Quy tắc xác định điểm đặt gần tối ưu

41

3.3

Xác định độ võng và ứng suất gối xoay khi chịu tải

43

3.4

Chọn ổ cầu cho gối xoay

49

CHƯƠNG 4 – MÔ PHỎNG MÔ HÌNH

65


4.1

Phần mềm Solidworks - Cosmosworks

65

4.2

Các bước mô phỏng

68

4.3

Sơ đồ phân bố ứng suất

73

4.4

Sơ đồ phân bố biến dạng

74

4.5

Nhận xét

75

CHƯƠNG 5 – ỨNG DỤNG

76

5.1

Thiết kế gối xoay xilanh thuỷ lực cho cửa van cung thuỷ điện Hương
Điền – Huế.

5.2

76

Thiết kế gối xoay xilanh thuỷ lực cho cửa van cung thuỷ điện Cửa Đạt
– Thanh Hoá.

87

CHƯƠNG 6 – KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

96

TÀI LIỆU THAM KHẢO

97

PHỤ LỤC

98

CÁC CÔNG TRÌNH ĐANG SỬ DỤNG GỐI QUAY XILANH KIỂU
TRUNTION CHO CỬA VAN CUNG.


CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Các thiết bị cơ điện phục vụ cho các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện luôn giữ vai

trò quan trọng đối với cả công trình, đôi khi còn với cả an ninh quốc phòng. Trong thời
gian gần đây, ở nước ta đã bắt đầu ứng dụng công nghệ điều khiển thuỷ lực vào thiết
kế, thi công các công trình thuỷ lợi và thuỷ điện, mà điển hình là việc điều khiển các
cửa van cung kích thước lớn có bề rộng đến 33m, cao đến 15m, lực nâng đến 250 tấn,
hành trình đến 12m. Tuy nhiên, vấn đề thiết kế phần gối xoay cho xilanh điều khiển
đóng mớ các cửa van cung trong ngành thuỷ lợi, thuỷ điện chưa được nghiên cứu ứng

dụng đầy đủ ở nước ta. Hầu hết các thiết kế của các viện, các công ty chuyên ngành
cũng chỉ dừng lại trong việc thiết kế cho một công trình cụ thể với các thông số kinh
nghiệm qua các tài liệu thiết kế có sẵn có ở nước ngoài. Cấu tạo, chức năng, khả năng
vận hành của gối xoay xilanh kiểu Truntion không được xác định đầy đủ nên có những
bất cập giữa khâu thiết kế và yêu cầu thực tại hiện trường. Một trong những lý do quan
trọng đó là do đội ngũ thiết kế thuỷ lực, thuỷ lợi hầu hết có ít thong tin, tài liệu và kinh
nghiệm thiết kế cơ khí chế tạo máy, còn các nhà thiết kế cơ khí chế tạo máy thì lại ít
kinh nghiệm về hệ thống thuỷ lực thuỷ lợi điều khiển các loại cửa van cung trong
ngành thuỷ lợi. Có lẽ cũng chính vì điều này mà quy mô và khả năng thiết kế các cửa
van cung cho các công trình thuỷ lợi và thuỷ điện ở nước ta vẫn còn hạn chế.
Vấn đề cấp thiết đặt ra là phải có một nghiên cứu ứng dụng, đưa ra được các
tính năng, đặc điểm của cụm gối xoay xilanh thuỷ lực cửa van cung, cửa van phổ biến
nhất trong các công trình có quy mô vừa, lớn và cực lớn, hay sử dụng trong các công
trình thuỷ lợi ở nước ta.
1.2

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.2.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng ở nước ngoài
Ứng dụng ở nước ngoài về máy đóng mở thuỷ lực nói chung và gối xoay xilanh
trong ngành thuỷ lợi, thuỷ điện có thể nói đã đi trước chúng ta rất nhiều. Tuy nhiên,

- 6-


hầu hết các nghiên cứu thường ít được công bố vì tính thương mại cao của nó. Có thể
kể đến vài nhà chế tạo thiết bị thuỷ lực cho các cửa van, có nhiều kinh nghiệm như
Rexroth, Eaton, Montanhhydraulik.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, việc thiết kế, chế tạo các cửa van sử dụng hệ thống đóng mở thuỷ lực

mới được thực hiện trong thời gian gần đây. Trong những năm 70 – 80 các cửa van
trong ngành thuỷ lợi chủ yếu chỉ dung máy đóng mở kiểu tời cáp. Đến những năm gần
đây, các công ty tư vấn của ngành thuỷ lợi như Tổng công ty Cơ điện xây dựng nông
nghiệp và thuỷ lợi mới ứng dụng một phần thiết bị thuỷ lực để làm máy đóng mở. Tuy
nhiên, những nghiên cứu cụ thể về cụm gối xoay xilanh cho cửa van cung là chưa được
tiến hành một các bài bản. Dẫn đến kết quả là các công trình không phát huy được ưu
điểm của ứng dụng thuỷ lực. Mặt khác, việc hiểu không đầy đủ về hệ thống cũng như
các đặc điểm khác biệt của máy đúng mở thuỷ lực so với các loại máy đóng mở khác là
một trong các nguyên nhân dẫn đến thiết kế không hợp lý của rất nhiều công trình, gây
lãng phí. Về các nghiên cứu ứng dụng cụ thể, có thể nói rằng ở nước ta, đã có những
nghiên cứu bước đầu để ứng dụng máy đóng mở thuỷ lực vào thực tế nhưng chưa có
nhà nghiên cứu nào nghiên cứu nào nghiên cứu thực sự đưa ra được các yêu cầu của
cụm gối xoay xilanh cũng như tìm cách khắc phục những nhược điểm của cụm gối
xoay, các hiện tượng thường xảy ra khi vận hành để đưa ra các tiêu chí về các chức
năng của cụm gối xoay. Một phần các nghiên cứu về gối xoay sẽ được trình bày trong
chương 2.
Phụ lục cuối luận văn là tên và địa điểm các công trình được khảo sát.
1.3

VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Vấn đề nghiên cứu gối xoay xilanh kiểu Truntion cho cửa van cung ở nước ta

khá mới mẻ, chưa có các nghiên cứu cụ thể về cấu tạo, chức năng, tính ổn định của
cụm gối xoay cho các cửa van cung. Đặc điểm tải trọng và chế độ vận hành của cửa
van hình cung là đề tài chính được trình bày trong luận văn. Hệ thống xilanh thuỷ lực
của máy đóng mở sử dụng cho cửa van cung, khi vận hành, thay đổi vị trí theo vị trí
cửa. Do đó, lực đóng mở thay đổi trong suốt quá trình làm việc. Thực tế cho thấy máy

- 7-

đóng mở và công trình thuỷ công có ảnh hưởng lẫn nhau. Vị trí đặt gối xoay ảnh
hưởng lớn đến lực kéo cửa và hành trình xilanh thuỷ lực. Nhiều khi lực kéo tăng 2 – 3
lần ở các vị trí khác nhau với cùng một công trình. Luận văn giải quyết vấn đề chọn
điểm đặt gần tối ưu để lực kéo cửa nhỏ nhất tương ứng với hành trình xilanh hợp lý.
Giảm lực kéo cửa có nghĩa là giảm được kích thước xilanh thuỷ lực, giảm được lượng
dầu cần cung cấp cho máy đóng mở, giảm thời gian đóng mở, giảm kích thước gối
xoay, giảm vật liệu chế tạo các bộ phận liên quan. Điều này có một ý nghĩa quan trọng
vì nó liên quan đến giá thành toàn bộ công trình.
Điểm đặt gối xoay, đặc điểm, tính năng của gối xoay khi vận hành là vấn đề
chính được giải quyết trong luận văn này. Mặc dù còn rất nhiều vấn đề khác nhau cần
giải quyết nhưng do khuôn khổ giới hạn của luận văn không thể trình bày hết.
1.4

Ý NGHĨA KHOA HỌC
Công trình nghiên cứu ứng dụng của gối xoay xilanh cho cửa van cung có ý

nghĩa quan trọng trong hộ trợ nghiên cứu, thiết kế hoặc cải tạo các công trình cũ sang
sử dụng máy đóng mở thuỷ lực.
1.5

Ý NGHĨA THỰC TIỄN
Công trình giải quyết được vấn đề quan trọng của việc ứng dụng kỹ thuật truyền

động thuỷ lực trong ngành thuỷ lợi hiện nay. Đó là các thiết kế cho gối xoay xilanh
thuỷ lực cho cửa van cung. Rút ra các tiêu chí chức năng quan trọng trợ giúp cho việc
thiết kế máy đóng mở thuỷ lực cho các công trình thuỷ lợi và đặc biệt là các cửa van
cung.
Nghiên cứu kết cấu gối xoay tiến tới cho thép việc chủ động thiết kế chế tạo
hoàn toàn cụm gối xoay trong nước, giảm ngoại tệ nhập khẩu.

1.6

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu về cụm gối xoay đề cập đến trong luận văn không hạn

chế; có thể là bất cứ loại gối xoay nào và kết quả được sử dụng trong trường hợp riêng
là gối xoay xilanh kiểu Truntion cho cửa van cung.

- 8-


1.7

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Tổng kết các kiểu cửa van cung và ứng dụng của từng loại cửa van cung thường

dùng trong thuỷ lợi và thuỷ điện.
Nghiên cứu lý thuyết về tính toán lực đóng mở cửa van cung và ứn dụng của lý
thuyết vào việc xác định các thông số lực kéo của máy đóng mở.
Nghiên cứu kết cấu, ứng suất, dao động, ma sát khi chịu tải của cụm gối xoay
trên cơ sở các đặc điểm cảu các cửa van trong ngành thuỷ lợi. Từ đó, rút ra các yêu cầu
về chức năng, ứng dụng gối xoay đặc thù cho các cửa van cung trong ngành thuỷ lợi
Tiến hành mô hình hoá thiết kế lý thuyết cụm gối xoay xilanh kiểu Truntion.
Áp dụng vào một công trình gần nhất để khảo nghiệm kết quả trong thực tế ứng
dụng.
1.8

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Các nghiên cứu trình bày trong luận văn dựa trên phương pháp phân tích logic

các đặc điểm tải trọng đặt lên các cửa van.
Kết hợp kinh nghiệm sử dụng cửa van trong ngành thuỷ lợi và các kết quả lý
thuyết từ đó rút ra các kết luận lien quan đến thiết kế cụm gối xoay xilanh kiểu
Truntion cho máy đóng mở cửa van cung.

- 9-


CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG GỐI XOAY XILANH VÀ CỬA VAN CUNG
2.1 SƠ LƯỢC VÀ PHÂN LOẠI CÁC DẠNG CỬA VAN CUNG THÔNG DỤNG
Cửa cung được sử dụng rộng rãi trong các công trình thủy lợi đặc biệt là trên
tràn, đập dâng và cống vùng ảnh hưởng thủy triều, nhất là ở những nơi có cột nước cao
thì ưu điểm của nó càng nổi bật.

Hình 2-1 Đập tràn
2.1.1 Ưu nhược điểm của cửa van cung
Ưu điểm
-

Có thể bịt kín khoang cống có diện tích tương đối lớn.

-

Độ cao của giá đỡ máy và độ dày của trụ pin cống tương đối nhỏ.

-

Rãnh cửa không ảnh hưởng tới trạng thái dòng chảy.

-

Lực đóng mở tương đối nhỏ nhờ ảnh hưởng của lực cản ma sát đối với lực đóng mở
khá nhỏ và mô men sinh ra do áp lực nước tác dụng vào cửa đối với tâm quay không
lớn.

-

Số lượng cấu kiện tương đối ít.

Nhược điểm
-

Trụ pin cống đòi hỏi dài.

-

Vị trí không gian cánh cống chiếm tương đối lớn.
- 10-


-

Không thể ra ngoài khoang cống để kiểm tra sửa chữa.

2.1.2 Cấu tạo cửa van cung thông dụng [4]
Cửa cung được cấu tạo 2 phần: Phần động và phần tĩnh.
2.1.2.1 Kết cấu phần động
-

Bản mặt
Bản mặt dạng hình cung có tâm thường trùng với tâm quay của cửa. Bản mặt

nhận toµn bộ áp lực nước và truyền vào các dầm phụ sau nó. Chiều dày bản mặt nhất
thiết phải lớn hơn 6 mm.
-

Khung đứng
Khung đứng được hình thành bởi dầm phụ cong đứng sau tôn bưng với các thanh

giằng nối dầm chính và thanh đứng của giàn đỡ phía sau.
-

Dầm đỡ phía sau
Dầm đỡ phía sau có hình dạng giàn cùng với dầm chính tạo cho cửa có kết cấu

không gian chịu xoắn tốt. Dầm đỡ đứng hợp thành do bộ phận của dầm chính, khung
đứng và các thanh xiên.
-

Càng

Hình 2-3 Các dạng kết cấu càng cửa van
Càng là bộ phận nhận áp lực từ dầm chính truyền vào cối quay (trục quay) cửa.
Kết cấu càng có dạng phẳng (hình 2-2b) và dạng không gian (hình 2-2a). Bố trí càng có
thể thẳng góc với dầm chính (thường sử dụng khi B ≤ 10 m), hoặc bố trí xiên góc với
dầm chính (thường sử dụng khi B ≥10 m).

- 11-

- 12-

1- bản mặt; 2- các dầm phụ; 3- dầm đứng; 4- dầm chính; 5- càng van; 6- tôn gia cường càng; 7- cối bản lề.

Hình 2-2. Cửa van cung


-

Dầm chính
Cửa cung trên mặt thường cấu tạo 2 dầm chính chịu lực đều nhau. Kết cấu dầm

chính có dạng đặc và dạng giàn. Dạng đặc thường là thép chữ I, T hoặc thép tấm ghép
thành, kết cấu này thích hợp với cửa có B < 8m và DH < 5m. Dạng giàn thích hợp với
cửa có B ≥8m và DH≥5m.
Xem hình 2-2.
2.1.2.2 Kết cấu phần tĩnh

Hình 2-4 Kết cấu cối bản lề cửa van cung
-

Đế cối quay:
Chế tạo bởi thép đúc 25Л, 45Л GOCT hoặc thép hàn.

-

Trục quay:
Được cố định vào đế cối quay; chế tạo bằng thép CT5, thép 35 hoặc thép 45.

Trục và đế cối nhận toàn bộ áp lực nước và trọng lượng bản thân cửa truyền vào trụ pin.
Đế cối cửa van được cố định vào trụ pin nhờ các bu lông. Khi thiết kế cần chú ý việc bố
trí các bu lông này sao cho dễ thay thế khi sửa chữa.
-

Gioăng chắn nước

- 13-


Cửa cung được chắn nớc ở đáy và 2 bên, vật liệu gioăng thường bằng cao su vì độ
đàn hồi lớn dễ kín nước.
Kết cấu kín nước có dạng ở hình 2-5.

Hình 2-5 Sơ đồ bố trí kín nước cửa van
a), b) Kín nước đáy; c), d) Kín nước bên.
2.1.3 Các kiểu cửa van cung
2.1.3.1 Cửa van cung thường (hình 2-5a, b)
2.1.3.2 Cửa van cung có lưỡi tràn trên (hình 2-5c)
Ngoài cửa cung thông dụng ta thường gặp còn có cửa cung có lưỡi tràn bên trên.
Đây là hình thức cửa kết hợp giữa cửa cung và cửa sập. Khi muốn tháo lưu lượng nhỏ,
hạ cửa sập (bên trên cửa cung), nước tràn qua cửa cung. Khi muốn xả lưu lượng lớn,
kéo cả cửa cung lên. Hình thức cửa này thường sử dụng ở công trình tràn có lưu lượng
xả lũ thay đổi lớn.
2.1.3.3 Cửa cung hai lớp
-

Cửa cung hai lớp đồng tâm và cùng đường kính (hình 2-5d)

- 14-

Hình 2-6 Sơ đồ cửa cung 2 lớp đồng tâm và cùng đường kính
-

Cửa cung hai lớp đồng tâm bán kính khác nhau (hình 2-6)
Cửa cung 2 lớp đặt chồng lên nhau và quay cùng tâm quay. Trục quay có hai bậc,

bậc có đường kính lớn dành cho lớp dưới, bậc có đường kính nhỏ dành cho lớp trên.
Loại cửa cung 2 lớp có lợi ở chỗ khi cần tháo lưu lượng nhỏ thì mở lớp trên, vẫn giữ
nước trong hồ cao hơn ngưỡng cửa; khi xả lũ lớn mở cả hai lớp.

Hình 2-7 Sơ đồ cửa van cung 2 lớp đồng tâm khác bán kính
- 15-


-

Cửa cung phao (hình 2-8)
Tác dụng của phao là giảm nhẹ lực nâng hạ. Loại cửa này thích hợp khi công

trình có tường ngực và có thể thiết kế thêm cơ cấu đối trọng để đóng mở tự động hoặc
bán tự động như cống La Khê Vân Đình (Hà Tây).

H ình 2-8 Sơ đồ cửa cung phao
2.2 CÁC LOẠI TẢI TÁC DỤNG LÊN CỬA VAN CUNG
2.2.1 Nguyên lý các máy đóng mở

Hình 2-9 Sơ đồ khối máy đóng mở
Phương pháp cơ bản để xây dựng 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, chất lỏng, khí nén..), tiếp theo là lựa chọn phương pháp công
tác, loại truyền động và hàng loạt những thong số kĩ thuật khác như phương pháp điều
chỉnh tốc độ (cơ hoặc điện) và mục tiêu kinh tế phải đạt được.

- 16-


Trong một cơ cấu hay máy đóng mở cửa van bao giờ cũng có ba phần chính: bộ
phận công tác, bộ phận truyền động, và bộ phận phát động.
Bộ phận công tác 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, xilanh
thuỷ lực, vít me trong cơ cấu nâng hạ vật, cửa van theo kiểu kết cấu cứng..
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 công tác. Trong máy đóng mở thường
dung 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 thuỷ lực (bao gồm máy
bơm, đường ống dẫn chất lỏng, động cơ thuỷ lực).
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, tua bin, động cơ đốt trong, bình khí nén, sức người..
Như vậy, để thực hiện công việc của một bộ công 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
điểm nhược điểm riêng về kĩ 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 môi trường sinh thái.
2.2.2 Các loại lực tác dụng vào cửa van
Động lực học của cửa van được tính toán khá đơn giản. Tuy nhiên rất nhiều
hiện tượng do ảnh hưởng cả các tác động khách quan xảy ra khi vận hành.

- 17-


Điều đó đãn tới hệ thống dẫn động, điều khiển máy đóng mở khá phức tạp.
Muốn đóng mở cửa van, thì phải tạo được đủ lực ở cơ cấu nang để thắng được
lực cản khi nâng cũng như khi hạ cửa van. Các tải trọng tác dụng lên cửa van có tác
động trực tiếp lên máy đóng mở cửa van và cụm gối xoay xilanh. Trong tính toán thiết
kế cửa van người ta đưa vào 9 loại tải trọng tác dụng lên cửa van để tính toán thiết kế
kết cấu thép của cửa, đảm bảo cho cửa chịu được tải trọng khi bất lợi nhất. Khi thiết kế
máy đóng mở để đóng mở cửa van, cần phải quan tâm tới các loại tải trọng này. Một
điều cần quan tâm là các loại tải trọng đều biến thiên về trị số trong của trình đóng và
mở cửa, riêng lực ma sát còn thay đổi phương của lực khi thay đổi chiều chuyển động.
Người thiết kế cần nắm vững sự biến thiên đó để tính toán lựa chọn tổ hợp tải trọng
thích hợp nhất, tính chọn được động ơ làm việc an toàn, không lãng phí công suất.
Cửa van thường chịu tác dụng chủ yếu của áp lực nước tĩnh, áp lực thấm, tự
trọng cửa, lực quán tính (khi chuyển động), áp lực gió, áp lực không khí, áp lực sóng,
lực va của các vật trôi nổi, lơ lửng, áp lực bùn cát lắng, lực giãn nở vì nhiệt, lực do
động đất, tải trọng các thiết bị lắp ráp, phương tiện giao thong vào người đi lại trên
cửa, lực của máy đóng mở, lực hút chân không (khi không đóng hoàn toàn). Ngoài ra,
còn có lcực kẹt do vật trôi nổi theo dòng chảy chèn vào khi van không thể xác định đầy
đủ và chính xác. Đôi khi, lực đóng cửa van còn lớn hơn lực mở cửa van, do vậy có
nhiều trường hợp phải có lực đóng mở được cả hai chiều, nhất là đối với cửa van đưới
sâu. Hoan nữa, môi trường ẩm ướt, mưa gió thường xuyên gây ra khí khăn cho việc
bảo quản thiết bị. Máy đóng vở nói chung, gối xoay xilanh nói riêng không làm việc

thưởng xuyên mà chỉ đóng mở khi cần thiết, điều đó dễ gây han rỉ, hoạt động không
trơn tru, khi khởi động dễ gây quá tải cho động cơ. Vị trí đặt máy đóng mở đẽ gây sai
số lắp ráp, gây ra lực đóng mở lớn ngoài tính toán. Vì vậy, việc lựa chọn nguyên lý, kết
cấu máy đóng mở, gối xoay xilanh sao cho hợp lý, hoạt động an toàn, hẹ nhàng là việc
làm khí khăn đòi hỏi phải nghiên cứu cẩn thận, kỹ lưỡng theo đặc điểm của từng công
trình cụ thể, từng vùng.

- 18-


Các tải trọng trên luôn biến thiên trong quá trình đóng mở cửa van. Do vậy, cần
phải lựa trọng một tổ hợp tải trọng phù hợp với đặc điểm công trình để thiết kế máy
đóng mở có hiệu quả.
Trên cơ sở các lực trên, khi thiết kế cửa van phân ra các tổ hợp lực để tính toán.
Các lực chính bao gồm áp lực nước tĩnh hoặc động, tự trọng, áp lực song, áp lực thấm
của nước, áp lực không khí, áp lực bùn cát, lực kéo máy đóng mở, tải tọng thiết bị lắp
ráp, ma sát trong các khớp, lực gió, lực giãn nở vì nhiệt.
Tổ hợp trong các trường hợp đặt biệt bao gồm tổ hợp các lực chính, lực bổ sung của
máy đóng mở khi kẹt cửa, lực va của tàu thuyền, vật nổi, lực do động đất.
2.3 SƠ LƯỢC VỀ MÁY ĐÓNG MỞ THUỶ LỰC CỬA VAN CUNG [13]
Máy đóng mở cửa van cung sử dụng thuỷ lực thường có ba phần chính: cơ cấu
chấp hành là cửa van cung, nguồn năng lượng xilanh thuỷ lực và cơ cấu dẫn động là
cụm gối xoay xilanh.
Trong khoảng 20 năm trở lại đây, máy đóng mở thuỷ lực được cho cửa van sử
dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển. Thuỷ lực ứng dụng trong nông nghiệp
và thuỷ lợi thường đi sau so với các ngành công nghệ mũi nhọn trong công nghiệp như
đóng tàu, hàng không, dầu khí. Đâu là lý do khiến thuỷ lực ứng dụng vào hai lĩnh vực
này chưa phổ biến ? Lý do chính là hệ thống thuỷ lực có giá thành cao hơn các kiểu
máy đóng mở kiểu khác.
-

Ưu điểm của máy đóng mở thuỷ lực
Ưu điểm chính là cơ cấu xilanh thuỷ lực có thể tạo ra một công suất lớn với kết

cấu nhỏ gọn cho phép tạo lực nâng hạ cửa tới 250 tấn, thời gian đóng mở cửa van ngắn
rất hữu ít với nhiệm vụ tưới tiêu, đặc biệt vào thời kì bão lũ, lực quán tính nhỏ chỉ bằng
1/10 so với các thiết bị đóng mở cơ khí khác, có khả năng điểu chỉnh vận tốc nâng hạ
theo ý muốn, an toàn cho cơ cấu nâng và các bộ phận khác, dễ tự động hoá và cơ giới

- 19-


hoá đóng mở, dễ khống chế và kiểm tra lực đóng mỏ của máy, khắc phục được sự
không chính xác do lắp ráp.

H ình 2-10 Bản vẽ bố trí cửa van cung
-

Nhược điểm của máy đóng mở thuỷ lực.
Nhược điểm chính là giá thành thiết bị thuỷ lực khá cao so với các thiết bị khác,

chỉ áp dụng hiệu quả đối với các công trình đã có nguồn điện. Phần gối xoay đòi hỏi độ
cững vững cao, ma sát nhỏ khi làm việc, khả năng tự lựa khắc phục sai số, vật liệu..
phải nhập khẩu với chi phí cao, môi trường làm việc tại các cống thường có độ ẩm rất
cao, thậm chí có độ ăn mòn lớn, ảnh hưởng đến độ an toàn của thiết bị.
Việc ứng dụng thiết bị thuỷ lực cho máy đóng mở cửa van cung có vấn đề cần
quan tâm đó là phương của lực đóng mở luôn thay đổi. Do đó, cần phải tìm ra một vị
trí đặt gối xoay xilanh sao cho có lợi nhất về lực kéo, độ ổn đinh, giá thành hạ, dễ lắp
- 20-

đặt bảo dưỡng.. Mặt khác, yêu cầu làm việc không liên tục cần phải giải quyết vấn đề
hoạt động trơn tru của gối xoay khi đóng mở, vấn đề rung động do chuyển động không
đều cần phải giải quyết triệt để. Nếu không đồng bộ chuyển động, cửa rất dễ bị kẹt và
không thể vận hành được.
2.4 CÁC LOẠI GỐI XOAY XILANH THUỶ LỰC THƯỜNG DÙNG
2.4.1 Sơ lược về gối xoay xilanh
Theo các kết quả nghiên cứu (sẽ được trình bày ở phần 3.1) cho thấy việc sử
dụng xilanh kiểu ngõng giữa thân để nâng hạ các cửa van cung đạt hiệu quả nhất về
mặt kinh tế kĩ thuật. Do vậy, trong phạm vi nghiên cứu ở đây ta chỉ đề cập đến các gối
quay Truntion (dùng cho xilanh kiểu ngõng giữa thân (hình 2-11)).

Hình 2-1 Xilanh ngõng treo giữa thân
Cùng với chuyển động tịnh tiến của xilanh, chuyển động quay của gối cho ta
chuyển động nâng hạ cửa van cung một cách liên tục ở mọi vị trí. Các ổ cầu và khớp

- 21-


các đăng của gối xoay có khả năng tự lựa cao cho phép khử các sai số lắp đặt và biếng
dạng cửa van cung khi nâng hạ dưới tác dụng lực không đều.
Cấu tạo gối xoay xilanh cho phép truyền toàn bộ lực nâng hạ cửa van cung vào
bê tông trụ pin dưới dạng lực nén thuần tuý.
2.4.2 Phân loại gối xoay xilanh Truntion
Thông thường gối xoay xilanh Truntion dùng cho cửa van cung chia làm 2 loại chính:
-

Gối xoay sử dụng ổ cầu tự lựa

-

Gối xoay sử dụng gối các đăng

2.4.2.1 Gối xoay sử dụng ổ cầu tự lựa

Hình 2-12 Gối xoay chôn trong bê tong

- 22-


Hình2-13 Gối xoay bắt bulông vào bê tông
-

Đây là loại gối xoay dùng phổ biến nhất cho cửa van cung vừa và lớn sử dụng
nâng hạ thuỷ lực. Cấu tạo chung của loại gối xoay này gồm 3 phần chính:
- Thân gối (thường gọi là càng cua)
- Phần gối (gồm 2 gối mỗi gối là 1 ổ cầu)
- Phần thép bao (truyền lực kéo cửa vào bê tông)

-

Xilanh thuỷ lực kiểu ngõng treo giữa thân được lắp đặt vào phần càng của thân
gối. Áp lực khi nâng hạ cửa được chia đều sang hai má càng kua, độ võng hai
má là bằng nhau khi chịu tải cộng với khả năng lắc (tự lựa) khử sai số biến dạng
cửa hoặc sai số chế tạo tai treo cửa (khi lắp đặt xilanh vào cửa cung) phụ thuộc
vào khe hở giữa thân xilanh và thân gối khiến cho gối xoay sử dụng ổ cầu tự lựa
làm việc rất ổn định khi chịu tải lớn. Hai ổ cầu quay tạo ra chuyển động quay
của gối xoay xilanh, kết hợp với chuyển động tịnh tiến của xilanh cho phép
nâng hạ cửa ở bất cứ vị trí (đây cũng là ưu điểm của loại gối xoay này trong quá

- 23-