đồ án thiết bị thủy công,THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ CỬA VAN KIỂU XILANH THỦY LỰC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ THỦY CÔNG
Họ tên sinh viên: Vũ Thị Huế
Lớp: 54M-TBTC

MSV: 1251050959

1. TÊN ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ CỬA VAN KIỂU XI-LANH THỦY LỰC
2. THÔNG SỐ
Loại cửa van: cửa van chữ nhân

Cao trình
Thượng
lưu
∇TL
M
0,5

Hạ lưu

Đỉnh

∇HL
m
-0,5

∇Đ
m
0,75

Ngưỡn

g
∇N
m
-3,0

Chiều
rộng
thông
thủy

Thời
gian
nâng

Thời
gian hạ

B
m
6

Tn
phút
25

Th
Phút
20

3. YÊU CẦU

-

01 quyển thuyết minh tính toán
01 bản vẽ lắp A0
01 bản vẽ chế tạo A3

LỜI NÓI ĐẦU

1


Đối với sinh viên khối ngành kỹ thuật nói chung và đối với sinh viên chuyên
ngành thiết bị Thủy công trường Đại học Thủy Lợi nói riêng, đồ án là một trong
những môn học quan trọng trong quá trình học tập tại trường. Để có thể hoàn thành
tốt môn học này, sinh viên phải biết ứng dụng và kết hợp nhất nhiều kiến thức của
các môn học khác như: Nguyên lý máy, sức bền vật liệu, cơ học cơ sở, chi tiết máy,
kỹ thuật đo,... Đồng thời, sinh viên cũng phải tìm hiểu ứng dụng từ thực tế để thực
hiện.
Trong chương trình học tập của mình môn học: “ Đồ án Thiết bị Thủy công” là
một trong những môn quan trọng giúp em nâng cao được kiến thức chuyên ngành và
tiếp cận gần hơn với thực tế công việc của mình sau khi ra trường. Đề tài em chọn để
thực hiện đó là: “ THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ CỬA VAN KIỂU XI-LANH
THỦY LỰC”.
Tuy đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, nhưng do sự hiểu biết và
kiến thức còn hạn chế nên khó tránh khỏi những sai sót trong thiết kế. Em mong nhận
được những ý kiến của các thầy và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!

I.
1.

SƠ BỘ CỬA VAN VÀ THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ
Cửa van chữ nhân.
Cửa van chữ nhân

2


Cửa van chữ nhân được sử dụng như cửa âu thuyền và bao gồm hai cánh cửa quay
quanh trục đứng đặt trong khoang âu thuyền. ở vị trí đóng hai cánh cửa tiếp xúc với
nhau ở trung tâm khoang âu thuyền, đầu tự do tựa vào nhau thành chữ nhân.
Ở vị trí mở, chữ nhân được khép vào trong khoang cạnh tường âu thuyền.
Cửa van chữ nhân vận hành bằng các xi lanh thủy lực bố trí theo chiều ngang đóng
mở hai chiều,cần xi lanh liên kết với dầm đỉnh của cánh cửa.
Ưu điểm
-

Đơn giản trong kết cấu và vận hành.
Đóng mở nhanh hơn các loại cửa âu thuyền khác.

Nhược điểm
-

Khi sửa chữa cần rút hết nước mới tiến hành
Tính nhạy cảm của gioăng có thể bị nguy hiểm từ các mảnh vỡ trên ngưỡng
Khoang âu thuyền dài
Không có khả năng đóng trong trường hợp khẩn cấp.
2. Thiết bị đóng mở kiểu xi lanh thủy lực.
a) Cấu tạo

3


Hình 1.7. Xi-lanh thủy lực
1. Đầu cần chữ U

6. Gioăng pistong

2. Đầu trên

7. Cần pistong

3. Vỏ xi-lanh

8. Dải dẫn hướng

4. Pistong

9. Gioăng cán pistong

5. Đầu dưới

b)

Nguyên lí hoạt động

Thiết bị đóng mở bằng xi-lanh thủy lực làm việc trên nguyên lý thủy lực thể tích
(thủy tĩnh). Môi trường truyền lực là chất lỏng; áp lực chất lỏng được bơm vào xilanh ép lên pistong, đẩy pistong chuyển động qua lại trong xi-lanh. Một đầu của
pistong liên kết với cửa van, do vậy cửa van cũng được chuyển động theo. Trong khi
làm việc, xi-lanh thủy lực thực hiện hai chuyển động: tịnh tiến và quay. Xi-lanh thủy

lực có thể lắp đặt ở mọi tư thế khác nhau: đẩy, kéo, nâng, hạ. Thiết bị đóng mở cửa
van bằng xi-lanh thủy lực làm việc cả hai chiều rất linh hoạt.
Ưu, nhược điểm
Ưu điểm:

c)
-

+

Cơ cấu xi-lanh thủy lực có thể đóng mở ở mọi tư thế của cửa van.
4


+

Kích thức nhỏ gọn, nâng được lực lớn.

+

Lực quán tính nhỏ, có khả năng điều chỉnh vận tốc đóng mở theo ý muốn.

+

An toàn cho cơ cấu nâng và các bộ phận khác, dễ điều khiển, dễ tự động hóa

và kiểm soát, kiểm tra lực đóng mở máy.
-

Nhược điểm:

+ Đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo, thiết kế phức tạp do đó giá thành cao.
+

Đòi hỏi cán bộ quản lý vận hành khai thác phải có trình độ nhất định.

+

Độ chính xác lắp đặt đòi hỏi cao và chỉ sử dụng được ở nơi có nguồn điện.

+ Tổn thất thủy lực lớn, dễ xảy ra hiện tượng rò rỉ dầu và khó khắc phục sự cố.
II.

SƠ ĐỒ THỦY LỰC.
1. Lực tác dụng lên cửa van

Cửa van thường chịu nhiều loại lực tác dụng lên các loại lực chính tác dụng lên cửa
van cần xem xét khi tính toán thiết kế.
-

Áp lực thủy tĩnh
Áp lực thủy động
Trọng lượng bản thân
Lực quán tính
Áp lực gió
Áp lực chân không và tải trọng va đập của tàu thuyền
Lực ma sát và lực đẩy
Lực thiết bị đóng mở
2. Sơ đồ mạch thủy lực

5


a.

Sơ đồ hệ thống thủy lực

40

43

42

39
41

38
37

36

35

34

33

32

31.1

30.2

30.1

29.1

31.2

29.2

28

27

26.3

26.2

26.1

25
24

21
20
23
18

19

17
22
16

15
14

14

13
12

06

10

M

M

09
07

07
05
04

6

11

08

02
03

01


Nguyên lý hoạt động của sơ đồ thủy lực:
Quá trình nâng được thực hiện nhờ 2 xi-lanh, còn cửa van hạ nhờ trọng luợng bản
b.

-

-

thân.
Điều khiển quá trình nâng hạ nhờ điều khiển vị trí làm việc của van phân phối.
- Dầu trong hệ thống được cung cấp bởi bơm 07 hoặc bơm tay 05.
- Bộ điều tốc 36-41-50-52 đảm bảo cho 2 xi-lanh được đồng tốc với nhau.
- Van an toàn xả tải 15 sẽ xả hết dầu trong hệ thống khi cần sửa chữa.
Quá trình nâng cửa van : Van phân phối 19 nằm ở vị trí B, dầu được cung cấp bởi
bơm 07 đi vào van phân phối, qua bộ điều tốc 36-50 rồi vào khoang dưới của xi-lanh
thực hiện quá trình nâng, dầu ở khoang trên của xi-lanh qua van cầu 43-44 qua bộ lọc

-

rồi trở về thùng.

Quá trình hạ cửa van : Cửa van được hạ nhờ trọng lượng bản thân, lúc này van phân
phối 19 chuyển vị trí về khoang A, dầu từ bơm qua van phân phối đến các van một
chiều 37-40-51-53, và mở các van này. Dầu ở khoang dưới của xi-lanh qua van một
chiều, bộ điều tốc rồi trở về thùng.
Quá trình không tải : Van phân phối nằm ở vị trí giữa, dầu được cung cấp vào hệ
thống và trở về thùng qua van an toàn xả tải 15.

III.
1)

TÍNH TOÁN CỦA VAN.
Mực nước tĩnh tác dụng lên cửa.
P= 0.5γL(Ht2- H2h)

Trong đó : γ=9.81
L=B/(2cosα)= 6/(2cos 200)=3.19 (m)
(chọn góc nghiêng α=200)
Ht=0.5-(-3)=3.5(m)
Hh=-0.5-(-3)=2.5(m)
Do đó ta có P=93.88 (kN)

7


Trọng tâm P so với ngưỡng
Z= H3h-H3t/3(H2t-H2h)= 1.514(m)
2)

Trọng lượng cửa van

G= 0.886(B2bh)0.654=16.69(KN)
3)

phản lực giữa hai cửa tựa lên nhau và lên gối theo phương ngang:

R=P/sin α= 93.88/sin200=137.24(KN)
4)

phản lực nối tâm giữa hai điểm tiếp xúc giữa hai của và gối đỡ theo
phương ngang.

S=Rcosα= 137.24cos200= 128.97(KN)
5)

phản lực gối đỡ vuông góc với mặt phẳng cửa

T=Rsinα= 137.24sin200=68.62(KN)
6)

phản lực gối đỡ trên:

P1= (S2+T2)=145,93 KN
phản lực gối đỡ dưới:
P2(G2+ P2 2)=146,88KN
TÍNH CHỌ DẦM NGANG.

IV.

Lựa chọn cửa van chữ nhân cần tính có 5 dầm ngang.
1.

Chiều sâu:

hk= h.
yk=2h[ k3/2-(k-1)3/2 ]/(3)
ta có bảng sau:
STT

hk(m)

yk(m)
8


2.

1

1.677

1.118

2

2.372

2.044

3

2.905

2.647

4

3.354

3.135

5

3.75

3.556

Sơ đồ chịu lực của dầm:

Ya=S/5=128.97/5=25.794(kN)
Từ biểu đồ momen và lực cắt ta thấy:
Qmax=25.974
Mmax=20.714
Ta có Wyc= Mmax/1686,40=122,829(m2)
Trong đó R= 1686,40(daN/cm3)
(chọn thép làm từ CT38)
Do đó Wyc=122.829(m2)
Chọn thép chữ I20.

9

V.
1.

DIỆN TÍCH CHỊU TẢI BẢN MẶT.
Hình ảnh ô bản mặt.

1

2

3
4
5

2.

Tính toán ô bản mặt

+ Áp suất nước tĩnh ô dầm
p=γH
+chọn sơ bộ 12=‫(פֿ‬mm)
+tỷ lệ kích thước dài rộng ô dầm b/a.
+σ= kpa2/(100 2 ‫)פֿ‬
+ta có bảng sau
STT

yk(m)

b(m)

a(m)

b/a

Hk

p
(N/mm2)

kx

ky

σx(Mpa)

1

1.118

0.926

0.638

1.45

0.55

5.48.10-3

46.

29.7

7.24

10

σy(Mpa)
4.60


9

8

2

2.044

0.703

0.638

1.1

1.69
3

16.61.10-3

35.
6

13.4

16.17

6.29

3

2.747

0.638

0.388

1.64

2.55
3

25.04.10-3

53.
7

29.3

14.06

7.67

4

3.135

0.638

0.421

1.5

2.92
5

28.69.10-3

48.
7

29.9

17.20

10.56

5

3.556

0.638

0.194

3.3

3.45
9

34.28.10-3

75

22.5

6.72

2.02

+kiểm tra cường độ bản mặt :
σmax mbRu ( thỏa mãn)
trong đó mb=1.25 (hệ số đk làm việc)
Ru=168,64(kN/cm2)
σmax= 172 (kN/cm2)
VI.
1.

KIỂM TRA TIẾT DIỆN DẦM NGANG

Chọn dầm ngang

Chọn dầm ngang là tiết diện I20 gồm 5 dầm làm từ thép ASTMA36 với thông số sau
Hệ số 20
h =200
b =100
d =5.2
t =8.4
R=9.5
r=4

11


diện tích mặt cắt ngang 26.8
khối lg một m chiều dài 21
Jx=1840
Wx=184
ix=8.28
Sx=104
Jy=115
Wy=23.1
iy=2.07
2.

Xác định đặc trưng hình học:
• bề mặt tham gia chịu uốn :
b bt+bd/2=0.926+0.703/2= 0.8145 (m)
lấy b=830(mm)

•

Diện tích mặt cắt ngang của phần tham gia chịu uốn:
F1= 12. 300=3600(mm2)
F2=26.8(cm2)

Diện tích mặt cắt ngang:
F= 36+26,8=62,8(cm2)
•

Tọa độ trọng tâm:
12


Yc= {[(1,2/2)+20].36+(20/2).26,8}/62.8=16,076(cm)
•

Momen quán tính:

Jx=30.1,23/12=4,32 (cm4)
Jy=1.2.303/12=2700(cm4)
Jxc=[ 4,32+(1,2/2+ 20-16,076).36]+[300+(16,076-20/2). 26,8]=630,02(cm4)
Jy=630,02+115= 745,02 (cm4)
•

Tọa độ điểm uốn xa nhất

Wx=630,02/16.076= 39,19(cm3)
3.

Kiểm tra điều kiện bền:
• ứng xuất pháp:
σ= Mmax/Wx=20.714.100/39.19=52,85(kN/cm2)
• ứng xuất tiếp
τ=QmaxSxc/(Jx.d)

trong đó:
Sxc = 16,076. 0,52.16,076/2+ 0,84.(10-0,52)(16,076-0,84/2)=191.87(cm3)
Vậy
τ = (25,974.191,87)/(630,02.0,52)=15,21 (kN/cm2)
σtd=(3.25,212+52,852)=68,55< 168,64 do đó thỏa mãn.
Kiểm tra độ cứng:
•

4.

Ftc/l= 5.qtc.l3/(384.E.J) 1/250
Trong đó:
13


Qtc= q/np=25,794/2,0=12.897 (kN/m)
E=2,1. 106kg/cm2
J=630,02 cm4
L=0,638 m
Thỏa mãn.
Độ ổn định cục bộ:

5.

hb/‫פֿ‬b 70 u])
<=> 179,2/5,2 70(21/16,864) ( thỏa mãn )
Trong đó:
hb chiều cao bản bụng
‫פֿ‬b chiều dày bản bụng
VII.
1.

TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN DẦM ĐỨNG.
Dầm đứng

Chọn dầm đứng dạng hình chữ nhật gồm 7 dầm chịu tải trọng như một dầm chịu nén
đơn giản. làm từ thép CT38.
2.

Biểu đồ momen

q= 93,88/3,19=29,43(kN/m)
14


Qmax= 93,88kN
Mmax=23,575 kNm
Chọn sơ bộ
Chiều cao H=(1/141/18) B = 200 (mm) với B=3,19 m
Độ rộng B= 20mm
Chiều dài l= 3,75 m.
3.

Kiểm tra đặc trưng hình học,khi hàn với bản mặt.

Tương tự dầm ngang
Chọn bề rộng bản mặt tham gia chịu uốn có b= 200
Diện tích F= 200.12+200.20=6400 mm2
Tọa dộ trọng tâm:
Yc=[(1,2.1,2.20/2)+(10+1,2).2.20]/64=7,225 cm
Momen quán tính tiết diện bản mặt:
Jx1=20.1,23/12=2,88 cm4
Jy1=203.1,2/12=800cm4
Momen tiết diện dầm đứng:

4.

Jx2= [2,88+(7,255-1,2/2)3.1,2.20]+[(1.203/12)+(10-7.255)2.20.2]
=8044.79 (cm4)
Jy2=800+20.13/12=81,67 (cm4)
Tọa độ trục trung hòa xa nhất
Yxn= 20+1,2- 7,255= 13,945 (cm)
Mô men chống uốn xa nhất:
Wx= Jx/ Yxn=8044,79/13,954=183,03 cm3
Kiểm tra điều kiện bề

15


Kiểm tra điều kiện bền theo ứng xuất pháp:
σ= Mmax/Wx=23,579.102/183,03=12,88(kN/cm2) [σu]=13.61( kN/cm2)
do đó thỏa mãn.
5.

Kiểm tra độ cứng:

Ftc/l= 5.qtc.l3/(384.E.J) 1/600
Trong đó:
Qtc= q/np=25,794/2,0=12.897 (kN/m)
E=2,1. 106kg/cm2
J= 1.203/12=666.67 cm4
L=3,75 m

6.

Thỏa mãn.

Độ ổn định cục bộ:

hb/‫פֿ‬b 70 u])
<=> 200/20 70(21/13.61) ( thỏa mãn )
VIII.

GIOĂNG CHẮN NƯỚC.
1. Gioăng cạnh
Chọn gioăng kín nước chữ P có kích thước như sau: a=25mm, b=30mm, c=0,25

mm ,t=20mm.

16


2

3

b=3(cm)

a=2.5 (cm)

t=2(cm)

1

Kích thước gioăng chắn nước.
Áp dụng công thức:

Với:
lực hút thủy động, (kN)
p = 0,6 daN/
B = 3,75m
b = 30mm = 0,03m
Khi đó:
+ Gioăng chắn nước bằng cao su bố trí ở mặt trước cửa van tỳ lên bản đỡ bằng
thép thường.
-

Ma sát gioăng cạnh:

17


Áp dụng công thức:

Trong đó:
f – hệ số ma sát giữa gioăng chắn nước và mặt tựa gioăng, f = 1
N – áp lực thủy tĩnh trung bình lên gioăng (N/mm2)
L – chiều dài gioăng, L = 3,75m
b là bề rộng gioăng ép lên tựa gioăng
Chiều cao cột nước tại trung điểm gioăng cạnh:
Hg= H –hc/2
m


Áp lực nước lên gioăng cạnh:

2.

Gioăng giữa:

chọn gioăng dạng tấm đặt xiên: Ta có : a= 50 mm; b= 50 mm,
R*
a

R
b

Lực ma sát Fv= f.N
Trong đó :
18


f là hệ số ma sát chọn f= 1
N là phản lực tựa gioăng

+ phản lực tựa gioăng là
N= P.L. b2/(2a)
a =50mm
b =50mm
L chiều dài gioăng L= 3,75m
P áp lực thủy tĩnh lên gioăng
Chiều cao cột nước tại trung điểm gioăng cạnh:
Hg= H –hc/2
m


Áp lực nước lên gioăng:

Do đó ta có
N= 22,96. 3,75. 0,052/(2.0,05)=2,15kN
Fv= 2,15. 1= 2,15 kN

IX.

THIẾT BỊ ĐÓNG MỞ.
19


d

D

Các thông số lưạ chọn ban đầu:

1.

Hành trình:

2.

S = H = 3,19 m

Áp suất hệ thống:
p = 20 Mpa (theo TCVN 8300-2009)
Chọn chế độ làm việc: Chế độ làm việc nhẹ
Vật liệu xi lanh:Thép không gỉ
Tính đường kính xi lanh, D

Áp dụng công thức:

Với:
, chọn p = 20 MPa = 20 kN
D – đường kính piston, m
d – đường kính cần, m
d = 0,7D
Chọn :
Ta có:


3.

Áp suất làm việc của xi lanh
Khi mở:

Khi đóng:

20


diện tích làm việc của khoang trên, khoang dưới
Lưu lượng cần thiết cung cấp cho nguồn.
Ta có:

4.

Thể tích làm việc hữu ích khoang trên xi-lanh:
S – hành trình xi-lanh




Lưu lượng cần thiết cung cấp cho một xi-lanh:
t – thời gian hạ

Thể tích làm việc hữu ích khoang dưới xi-lanh:


5.

Lưu lượng cần thiết cung cấp cho một xi-lanh:
t – thời gian nâng
Tính toán vận tốc dòng chảy trong ống
Vận tốc dòng chảy trong đường ống hút:
Áp dụng công thức:
Có => chọn

=>
Vận tốc dòng chảy trong đường ống đẩy:
ADCT:

Thông thường chọn để giảm tổn thất thủy lực trong đường ống
ở đây ta chọn
=>
6. Kiểm tra
Xác định lực tới hạn chịu nén theo công thức Eler:

21


Pth =

Pth=

π 2 EI
v.L2k

[KN], khi {λ>λ0}

.210000.( .0.214/64)/(3.3,192)=2,063 kN

Độ mảnh λ đối với tiết diện tròn:
λ=

4.Lk
d

λ= 4.3,19/ 0,21= 60,76< 89
trong đó:
v=3

là hệ số an toàn;

E = 210 000 N/mm2 là môdun đàn hồi của thép cán pít tông;
λ0 = 89 là độ mảnh giới hạn;
d là đường kính cần pittông, mm;
F là diện tích tiết diện cần pittông, mm2;
Lk=L là chiều dài thu gọn khi nén.
7.

Tính toán chọn bơm và động cơ
Ta có áp suất yêu cầu chọn sơ bộ bằng áp suất hệ thống: p = 20 Mpa=200 bar

Lưu lượng cần thiết của bơm:
η = 0,75 ÷ 0,85 - hiệu suất của bơm. Chọn
Chọn động cơ: 11 kW.
Chọn động cơ điện không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc-50Hz.
Kiểu Type: 3K160S4
( l/ph )= 0,0286 (m3/ph)
22


Công suất động cơ kéo bơm là:

10. Lực đóng mở cửa van.
a. Lực đóng (theo chiều đẩy ra)
P= (F1.p1 –p2.F2).

=(0,071. 4,32.1000 – 7,15.1000.0,036)0,85
=41,922(kN)
b. Lực mở (theo chiều co lại)
P= (p2F2-p1F1).ɳ
=(0,036. 7,15.1000 – 4,32.1000.0,071)0,85
= 41,992 (kN)

23


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “Thiết bị thủy công cấu tạo và ứng dụng” tác giả: PGS. TS. Nguyễn Đăng Cường,
nhà xuất bản: “Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ”, số đăng ký kế hoạch
xuất bản: 975-2014/CXB/02-18/KHTNCN, ISBN;978-604-913-228-5, số QĐXM:
19/QĐ-KHTNCN, năm xuất bản 2014.
[2] “Kỹ thuật thủy khí và ứng dụng” Biên dịch: ThS Nguyễn Thị Việt Ánh, hiệu đính:
PGS. TS Ngô Sỹ Lộc, nhà xuất bản: “Nhà xuất bản Đại học quốc gia Hà Nội”, số xuất
bản: 1167-2010/CXB/03-212/ĐHQGHN ngày 01/12/2010, quyết định xuất bản số:
LK-TN/QĐ-NXBĐHQGHN.
[3] Trường ĐH Thủy Lợi- Các tài liệu máy đóng mở cửa van trong công trình thủy lợi
[4] Tiêu chuẩn thiết kế cửa van 8298:2009 và máy đóng mở 8300:2009.
[5] Trường Đại Học Thủy Lợi- Giáo trình Máy nâng chuyển và thiết bị đóng mở cửa
van- Nhà xuất bản Xây dựng
[6] Sổ tay công trình thủy lợi- Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật.
[7] Các tài liệu trên Internet.

24


25