Nghiên cứu ứng dụng hệ thống xi lanh thuỷ lực đồng bộ làm việc trong điều kiện tải trọng lớn trong ngành thuỷ điện thủy lợi

..

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG XI LANH THUỶ
LỰC ĐỒNG BỘ LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN TẢI
TRỌNG LỚN TRONG NGÀNH THUỶ ĐIỆN, THUỶ LỢI

Chuyên ngành: MÁY THỦY KHÍ
ĐỖ MẠNH CƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. NGÔ SỸ LỘC

HÀ NỘI - 2006


-2-

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi nghiên cứu, không sao chép. Chưa
được công bố trên tài liệu nào trước đây. Tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm
về lời cam đoan trên.
Tác giả luận văn
Đỗ Mạnh Cường

-3-

LỜI CẢM ƠN
Luận văn tốt nghiệp cao học của tôi với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hệ
thống xilanh thuỷ lực đồng bộ làm việc trong điều kiện tải trọng lớn trong
ngành thuỷ điện, thủy lợi” đã được hoàn thành và đã đạt được các kết quả
mong muốn.
Tôi chân thành cảm ơn P.G.S. T.S. Ngô Sỹ Lộc, thầy hướng dẫn trực tiếp cho
tơi hồn thành luận văn này. Những lời khuyên, hướng dẫn bổ ích của thầy về
vấn đề ứng dụng hệ thống thủy lực đồng bộ và hệ thống servo đã mở ra một
hướng cho việc nghiên cứu ứng dụng mới trong kỹ thuật thủy lực nói chung,
và ứng dụng cho hệ thống cửa van trong thủy lợi nói riêng.
Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô Bộ môn Máy Tự động thủy khí trường ĐHBK
Hà Nội. Cảm ơn Ban lãnh đạo Tổng công ty Cơ điện Xây dựng Nông nghiệp
và Thủy lợi đã tạo điều kiện và giúp đỡ cho tơi hồn thành tốt đề tài của luận
văn. Cảm ơn Giám đốc Trung tâm CNC- Thạc sỹ Lý Thanh Hà đã góp nhiều
ý kiến q giá trong thời gian làm luận văn.
Hà Nội, ngày

tháng năm

Tác giả luận văn
Đỗ Mạnh Cường


-4-

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

2

LỜI CẢM ƠN

3

MỤC LỤC

4

MỞ ĐẦU

10

CHƯƠNG I

12

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

12

THIẾT BỊ THUỶ LỰC CHO HỆ THỐNG NÂNG HẠ

12

TRONG THUỶ LỢI, THUỶ ĐIỆN.

12

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI.

12

1.2 TRONG NƯỚC

13

CHƯƠNG II

24

HỆ THỐNG NÂNG HẠ TẢI TRỌNG LỚN

24

2.1 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG THUỶ LỰC NÂNG HẠ

24

2.2 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG NÂNG HẠ TẢI THỦY LỰC TRONG THUỶ
LỢI THUỶ ĐIỆN

26

2.3 CẤU HÌNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THUỶ LỰC

28

2.4 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA XY LANH CHỊU TẢI TRỌNG LỚN

38

CHƯƠNG III

55

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ

55

HỆ THỐNG THỦY LỰC ĐỒNG BỘ TẢI TRỌNG LỚN DÙNG
TRONG THUỶ LỢI, THUỶ DIỆN

55


-5-

3.1 PHÂN TÍCH TỔNG QUAN VAN

55

3.3 ĐIỀU KHIỂN THUỶ LỰC SERVO

68

3.6 ĐỒNG BỘ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SERVO

77

CHƯƠNG IV

78

TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THUỶ LỰC

78

ĐỒNG BỘ TẢI TRỌNG LỚN.

78

4.1 HỆ THỐNG ĐỒNG BỘ TRONG THỰC TẾ.

78

4.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ

79

4.3 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG & MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

84

4.4 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VAN SERVO

86

4.5 XỬ LÝ SỐ LIỆU & BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ

93

4.4 ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THUỶ LỰC NÂNG HẠ CỬA CỐNG DẪN
DÒNG THI CÔNG - THUỶ ĐIỆN SƠN LA.

101

CHƯƠNG V

109

KẾT LUẬN

109

6.1 KẾT LUẬN

109

6.2 KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO

110

TÀI LIỆU THAM KHẢO

111


-6-

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-7. Máy đóng mở thủy lực cơng trình tràn xả lũ EASUP thượng Đắclak(cửa van cung)

21

Hình 1-8 Tồn cảnh cơng trình tràn xả lũ với máy đóng mở thủy lực

22

Hình 2.1. Hệ thống thuỷ lực đóng tràn xả lũ

28

Hình 2.3. Các kiểu lắp đặt xilanh thuỷ lực.

40

Hình 2.5. Mặt cắt ngang của xilanh thuỷ lực tại vị trí dẫn hướng

44

Hình 2.6. Mặt cắt qua cần piston và dẫn hướng.

45

Hình 2.7 : Phân bố áp lực lên dẫn hướng

47

Hình 2.8. Biểu đồ mơmen và lực tác dụng lên hệ thống xilanh tĩnh.

49

Hình 2.13. Điểm tối ưu T trong miền bê tơng

52

Hình 2.14. Tạo điểm đặt xilanh trên cơng trình

53

Hình 3.1 : Con trượt phân phối 4 cửa

57

Hình 3.2 : Mơ hình cầu tương đương

58

Hình 3.3: đồ thị lưu lượng-áp suất

63

Hình 3.4. Đường cong độ nhạy áp suất.

66

Hình 3.5 : Đường cong rị rỉ

66

Hình 3.6 : Mơ hình tải van ba ngả

67

Hình 3.7 : Sơ đồ khối điều khiển vịng hở

70

Hình 3.8 : Điều khiển vịng mở với van tỷ lệ trực tiếp

70

Hình 3.9 : sơ đồ khối điều khiển vịng kín

71

Hình 3.10 : Đièu khiển vịng kín với van servo

71

Hình 3.12: từ van tỷ lệ tới van servo

73

Hình 3.13 : điều khiển van bằng điều khiển bản chắn.

74

Hình 3.14 : điều khiển vịi phun

74

Hình 3.15 : Van servo hai tầng phản hồi lực

75

Hình 3.16 : chờm dương (overlap)

76


-7-

Hình 4.1: Hệ thống nâng đồng bộ dùng kích nâng cầu giao thơng.

78

Hình 4.2 : Sơ đồ điều khiển đồng bộ

78

Hình 4.3 : Đồng bộ hệ thống nâng giàn khoan

79

Hình 4.4 : đồng bộ bằng bơm thuỷ lưc và bằng van chia lưu lượng

80

Hình 4.5 : Bơm chia lưu lượng 4 cổng

81

Hình 4.6: Sơ đồ dùng bơm chia lưu lượng cho hai mơ tơ thuỷ lực

81

Hình 4.7 : Sơ đồ điều khiển đồng bộ cho máy sấn thuỷ lực

82

Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển đồng bộ bằng van tỷ lệ

82

Hình 4.9 : Hệ thống điều khiển khử nhiễu

83

Hình 4-10. Sơ đồ hệ thống điều khiển servo với hai xilanh

84

Hình 4.11 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đồng bộ

85

Hình 4.12: Sơ đồ 1 khảo sát hệ thống.

86

Hình 4.12 : Mơ hình vịi phun - bản chắn của van servo

87

Hình 4.13 : Van servo phản hồi lực

89

Hình 4.14 : Mơ hình tính tốn hệ thống điều khiển van servo

93

Hình 4.15: Mơ hình bộ điều khiển đồng bộ

98

Hình 4.16: Mơ hình thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp mơ hình mẫu
99
Hình 4.17 : Nguyên lý hệ thống nâng đồng bộ cửa cống dẫn dịng thi cơng
cơng trình thuỷ điện sơn la

101

Hình 4.18 : Thiết bị nâng cửa cống dẫn dịng thi cơng thuỷ điện Sơn la

103

Hình 4.19. Mơ hình bộ điều khiển cho một nhánh

105

Hình 4.20 : Đáp ứng của hệ cho một bên xi lanh với sự thay đổi tải

106

Hình 4.21 : Hệ thống hoạt động khi chưa bật hệ thống đồng bộ

107

Hình 4.22 : Hệ thống hoạt động khi bật hệ thống đồng bộ

108

Hình 4.23 : Sai lệch tại đỉnh của hệ thống hoạt động khi bật hệ thống đồng bộ
108


-8-

DANH MỤC CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ

Cd

Hệ số xả lưu lượng (≈ 0.61)

A port

Diện tích cổng dầu, m2

Q in

Lưu lượng dầu vào van, m3/s

Q out

Lưu lượng dầu ra khỏi van, m3/s

V

Thể tích, m3

β

Mơ đun đàn hồi của dầu

dV
dt

Lượng dịch chuyển của thể tích, m3/s

QL

Lưu lượng thơng qua tải, m3/s

PL

Áp suất do tải, N/m2

Kq

Hệ số lưu lượng, m3/s/mA

KC

Hệ số lưu lượng-áp suất, m3/s/Pa

ρ

Khối lượng riêng của dầu

MT

Tổng trọng lượng của Piston & tải, KG

xv

Độ dịch chuyển của con trượt van servo, m

∆i

Số gia dòng điện trên cuộn cảm của van servo, mA

ωh

Tần số thuỷ lực tự nhiên không giảm chấn, rad/s

δh

Tỷ số giảm chấn

Kh

Hệ số độ cứng thuỷ lực


-9-

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SISO: hệ thống một đầu vào, một đầu ra
(Single-Input Single-Output)
MIMO: hệ thống nhiều đầu và nhiều đầu ra
(Multi-Input Multi-Output)
QRT : Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển của Horowitz
(Quantitative Feedback design Theory)
DK : Bộ điều khiển
DT : Đối tượng được điều khiển
MHM : Mô hình mẫu


-10-

MỞ ĐẦU
Luận văn với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống xilanh thuỷ lực đồng bộ
làm việc trong điều kiện tải trọng lớn trong ngành thuỷ điện, thủy lợi” được
chia làm 6 chương:

Chương I: Tổng quan
- Các nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống xilanh thuỷ lực tải trọng
lớn trong ngành thuỷ lợi, thuỷ điện trên thế giới và tình hình nghiên
cứu trong nước, những tiến bộ về công nghệ chế tạo thiết bị thủy lực. Đặc điểm hệ thống thuỷ lực nâng hạ.
- Nội dung nghiên cứu
- Mục tiêu nghiên cứu
Chương II: Hệ thống nâng, hạ tải trọng lớn
-

Hệ thống nâng tải trọng lớn trong thuỷ lợi, thuỷ điện

- Chức năng hệ thống điều khiển thuỷ lực
- Các vấn đề cần quan tâm trong việc tính tốn thiết kế hệ thống nâng
hạ tải trọng lớn.
Chương III: Cơ sở lý thuyết thiết kế hệ thống thủy lực đồng bộ
- Phân tích tổng quan về van servo
- Hệ thống thuỷ lực Servo
Chương IV: Tính tốn thiết kế hệ thống đồng bộ
- Một số hệ thống đồng bộ thuỷ lực trong thực tế
- Sơ đồ cấu trúc hệ thống & mơ hình điều khiển
- Xử lý số liệu & bộ điều khiển đồng bộ
- Ứng dụng hệ thống điều khiển đồng bộ vào giàn nâng hạ cống dẫn
dịng thi cơng cơng trình thuỷ điện Sơn la.
- Các kết luận .


-11-

Chương V: Kết luận
Kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo.

-12-

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
THIẾT BỊ THUỶ LỰC CHO HỆ THỐNG NÂNG HẠ
TRONG THUỶ LỢI, THUỶ ĐIỆN.
1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI.
Các thiết bị thuỷ lực đã được nghiên cứu và áp dụng cho các thiết bị đóng mở
của các cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện từ rất sớm ở các nước công nghiệp phát
triển như : Đức, Pháp, Nga, Mỹ, Hà lan,…Xilanh thủy lực được dùng phổ
biến rộng rãi từ những năm 50. Ngày nay, xilanh thủy lực được chế tạo đến
đường kính 1500mm hoặc hơn nữa, hành trình đến 25000mm cho các ứng
dụng đặc biệt như ngành dầu khí, thăm dị địa chất. Hiện nay, xilanh thủy lực
không chỉ làm việc đến áp suất 1500 bar (trong thăm dò còn sử dụng áp suất
cao hơn) mà cịn có thể truyền các thơng số về áp suất, hành trình, vận tốc về
cho người điều khiển theo dõi. Xilanh thủy lực với cần piston bằng thép mạ
Cr hoặc Cr-Ni sử dụng phổ biến nhất trong các cơng trình trong đất liền và
mơi trường ít ăn mịn. Xilanh thủy lực có cần piston bằng thép khơng gỉ được
sử dụng trong các vùng ven biển, chịu hóa chất. Đến những năm 80, một vật
liệu phủ mới xuất hiện thay thế cho các vật liệu phủ cổ điển Cr-Ni. Đó là gốm
kim loại gốc Ti-Ni. Vật liệu gốm tuy giịn, nhưng có độ cứng bề mặt lớn, khả
năng chịu mài mịn, chịu ăn mịn tốt trong mơi trường khắc nghiệt đã nhanh
chóng được ứng dụng trong kỹ thuật chế tạo xilanh thủy lực. Gốm kim loại
phủ trên cần xilanh, đầu tiên được dùng để phủ lên dụng cụ cắt cơng nghiệp
và gia dụng, sau đó gốm được đưa vào phủ cho các chi tiết trong ôtô như trục
khuỷu, ống lót và piston động cơ đốt trong. Vật liệu gốm kim loại sử dụng để
tạo lớp phủ trên bề mặt xilanh thủy lực được tiến hành bằng cách phun vật
liệu phủ trong dịng oxy cao tốc với khí bị ion hóa hồn tồn (plasma) nên

-13-

khó giữ được cơ tính ban đầu của vật liệu gốc. Đó cũng chính là lý do chỉ có
một số hãng xác định được chế độ phủ thích hợp và thương mại hóa sản phẩm
của mình. Ngày nay, các van, bơm thủy lực…đặc biệt là các van, bơm điều
khiển được bằng điện tỷ lệ như van tỷ lệ, van servo, bơm điều chỉnh lưu
lượng đã được nghiên cứu và chế tạo được với chất lượng rất cao. Hệ thống
thủy lực ngày nay có thể điều khiển thơng qua máy tính, qua các hệ thống
giám sát. Các cơng trình thủy lợi nổi tiếng nhất thế giới ở Hà Lan, Đức,
Braxin… đã sử dụng các thành tựu mới nhất về thủy lực ứng dụng vào ngành
thủy lợi
1.2 TRONG NƯỚC
Hiện trạng về tình hình nghiên cứu và ứng dụng thiết bị thuỷ lực vào các cơng
trình thuỷ lợi, thuỷ điện ở nước ta trong thời gian những năm gần đây đã được
quan tâm, đóng góp một phần rất quan trọng sự nghiệp cơng nghiệp hố đất
nước. Với địa hình nước ta nhiều đồi núi, sơng suối. Nhiều năm có những thời
gian hạn hán, lúc khác lũ lụt. Chính vì vậy hệ thống thuỷ lợi, hồ đập với hơn
700 cơng trình, các cơng trình đầu mối, kênh mương, được đặc biệt chú
trọng.Thêm vào đó là hệ thống các nhà máy thuỷ điện công suất từ lớn đến
nhỏ khắp nơi trên cả nước phát triển mạnh mẽ. Cùng với các cơng trình trên là
hàng ngàn các cửa van. Đại đa số các trường hợp xảy ra sự cố đều liên quan
đến hệ thống đóng mở. Mặc dù vậy vấn đề quan tâm, nghiên cứu đúng mức
để giảm thiểu những sự cố chua được quan tâm thoả đáng. Phần lớn các cửa
van, cửa cống của các cơng trình thuỷ lợi sử dụng máy đóng mở kiểu vít me
hoặc máy nâng kiểu tời cáp. Các cơng trình dùng thiết bị thuỷ lực đóng mở rất
ít và chỉ ở các cơng trình được xây xựng gần đây. Ngun nhân chủ yếu là do
chất lượng chế tạo các phần tử thuỷ lực tại Việt nam chưa đảm bảo yêu
cầu.Các máy vận hành bằng tay thường rất nặng, thời gian đóng mở dài gây

mệt mỏi cho người sử dụng.. Hầu như các loại máy nâng kiểu tời cáp hay vít


-14-

me đều khơng có hệ thống an tồn, cơ cấu hạn chế hành trình. Vấn đề quá tải
khi truyền động bằng động cơ chưa được quan tâm đúng mức.
1.2.1 Các loại máy đóng mở thường dùng ở nước ta
a) Máy đóng mở kiểu tời cáp
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,
còn đối với cửa van có khẩu độ lớn, chịu tải trọng lớn thường dùng loại hai
tang. Trong cả hai 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.

Hình 1-1. Máy nâng tời cáp cửa phẳng

Hình 1-2. 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


-15-

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…, cũng có thể dùng
trong cơ cấu đóng mở cửa van kiểu nổi chữ nhân song phải có cách mắc thích
hợp (Hình 1-3). 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 1-3. Tời cáp kéo cửa chữ nhân

Hình 1-4. Máy nâng cửa phẳng bằng tời cáp

- Các ưu điểm của máy đóng mở tời cáp
Độ dẻo của cáp cho phép khắc phục được độ khơng chính xác do lắp đặt, chỉ
có một thành phần duy nhất là lực kéo dọc theo dây cáp, linh động trong móc
tải, khả năng tăng bội suất pa lăng để điều chỉnh lực nâng tải khi thiết bị có
sẵn và khơng hạn chế tốc độ nâng, hiệu suất bộ truyền khá cao (trừ trường
hợp dùng hộp giảm tốc bánh vít - trục vít có khả năng tự hãm), tiết kiệm được
cơng suất máy, có khả năng tự động hố, có khả năng điều khiển từ xa, lắp
đặt trên cơng trình gọn gàng, tăng vẻ đẹp cho cơng trình, khơng bị ảnh hưởng
bởi khoảng cách từ đỉnh cửa đến cao trình đặt máy nên áp dụng rất hiệu quả ở
những cửa van cung trên tràn xả lũ khi khoảng cách này lớn, có thể áp dụng
tốt cả ở những nơi có hoặc khơng có điện, dễ chế tạo, lực kéo khá lớn, vận


-16-

hành đơn giản, dễ bảo dưỡng, dễ bố trí, phương lực đóng mở ổn định, đồng
bộ chuyển động khá dễ dàng, hành trình đóng mở lớn, dễ chế tạo, giá thành
tương đối thấp có thể kết hợp hoặc dùng cầu trục như một máy đóng mở.

- Nhược điểm của máy đóng mở tời cáp
Do có tang, puly nên chiều cao đặt máy cao hơn, phức tạp hơn các loại máy
đóng mở khác. Khó sử dụng trong trường hợp cửa van khơng tự đóng, sơ đồ
bố trí hệ thống dây cáp khá phức tạp, nhất là đối với các cửa van chịu tải lớn
cần tăng bội suất pa lăng, hay với các loại cửa van phẳng nhiều tầng và cửa
van dưới sâu khi đóng cần lực ấn, việc bảo quản cáp trong điều kiện khắc
nghiệt của thời tiết, ẩm ướt, khó bơi trơn, chất bơi trơn dễ bị lão hố và trôi,
trong các trường hợp khi làm việc dây cáp ngập trong nước ảnh hưởng đến độ
bền, khả năng làm việc của cáp, khó bảo dưỡng (như đối với cửa van đập Lại
Giang, Bình Định), dây cáp tích tụ rác, vật trơi nổi, dễ bị ách tắc và ngăn cản
dịng chảy, khó làm vệ sinh, đối với các cửa van có khẩu độ (bề rộng) B <
2,5m khơng thích hợp, với bộ truyền trục vít-bánh vít có hiệu suất thấp, tốc
độ nâng hạ chậm đến vài giờ, kém an toàn do dễ đứt, tuột cáp, thường phải bố
trí cáp phía thượng lưu, chìm trong nước nên hay bị gỉ, chống rung cửa kém,
cáp hay bị rung động trong quá trình vận hành, điều khiển tốc độ khá khó
khăn.
Đối với cửa cung, hệ thống máy đóng mở bằng tời các có ưu điểm về
góc kéo cửa gần như khơng đổi khi bố trí cáp ở phía trước tơn bản mặt. Do
đó, dễ xác định lực đóng mở và thơng thường vị trí máy đóng mở được đặt
sao cho trùng với một tiếp tuyến với cửa cung trên cơng trình thủy.
- Tình hình áp dụng máy đóng mở tời
Trong thực tế, tời thường được sử dụng cho các cửa van khẩu độ trung bình
và có khả năng tự đóng do trọng lượng bản thân cửa; đặc biệt với loại tời 2
tang được sử dụng nhiều cho các cửa van cung do giá thành rẻ, tạo được cánh


-17-

tay đòn ổng định cho lực nâng; thao tác đơn giản và khơng bị hạn chế bởi cao
trình đặt tời; đối với các cửa khơng sử dụng lực đẩy thì rất thích hợp.

Qua khảo sát thực tế thấy rằng:
- Hầu hết các cửa van phẳng ở các cống lấy nước có cột nước thấp, có bề rộng
cửa lớn hơn 5m sử dụng thiết bị đóng mở bằng tời như cơng Xuân Quan
(Hưng Yên), cống Lộc Động (Thanh Hóa)…
- Cửa sập hiện tại cũng sử dụng hình thức đóng mở bằng tời cáp như 12 cửa
van đập Lại Giang (Bình Định)
- Hầu hết các cửa van cung cũng sử dụng máy đóng mở bằng tời như thủy
điện Trị An, cửa van cung hồ Núi Cốc (Thái Nguyên), hồ Khe Mây (Quảng
Trị) và rất nhiều cửa van cung trên các hồ chứa khác.
- Một số cửa van đặc biệt như cửa van Đập Đáy (Hà Tây), cửa xả cát Đô
Lương (Nghệ An) cịn sử dụng xích để hỗ trợ cho đóng mở cửa.
b) Máy đóng mở cửa van trục vít-đai ốc
Máy đóng mở kiểu vít thường dùng phổ biến trong cửa phẳng, ít dùng cho các
loại cửa khác vì cơ cấu chuyển hướng phức tạp hơn máy đóng mở kiểu tời
cáp.
Máy đóng mở kiểu vít dựa trên nguyên lý truyền động vít-đai ốc. Đối với máy
đóng mở cửa van, đai ốc quay tại chỗ xung quanh đường tâm trục vít và chịu
lực nén của trục vít, trục vít chuyển động tịnh tiến thực hiện nhiệm vụ đóng
mở cửa van. Truyền động vít đai ốc có ưu điểm nhưng cũng có những nhược
điểm khơng thể khắc phục. Trục vít gắn liền với tai cửa làm nhiệm vụ đóng
mở cửa. Đai ốc chịu lực làm nhiệm vụ truyền mô men từ các bộ truyền trước
nó hay từ tay quay đến trục vít. Đai ốc thường lắp trong hộp chịu lực. Đai ốc
thường liên động với các bộ phận truyền động. Bộ phận truyền động là các
cặp bánh răng, bộ truyền đai gắn liền với các trục, ổ trục, các khớp nối để
truyền mô men từ động cơ tới đai ốc. Nếu quay tay thì quay trực tiếp đai ốc.


-18-

Khi lực kéo >10T, các máy đóng mở cửa van này phải vừa chạy điện khi có

điện (thường xuyên chạy điện) và vừa quay tay (để điều chỉnh máy và dùng
nâng hạ cửa van khi khơng có điện).
- Ưu điểm của máy đóng mở trục vít
Ưu điểm của máy đóng mở kiểu vít đai ốc là giá thành rẻ, chế tạo, lắp đặt bảo
dưỡng, quản lý và vận hành dễ dàng, thuận lợi, có thể áp dụng tốt cả ở những
nơi có hoặc khơng có điện, u cầu mặt bằng bố trí thiết bị hẹp, có thể đóng
mở cửa van ở độ mở bất kỳ nên có thể điều tiết được lưu lượng qua cống khi
cần thiết, chịu được rung động cửa van do thuỷ động của dòng chảy gây nên,
khi sử dụng máy đóng mở kiểu vít kép, hai vít me được dẫn động chung từ
động cơ (hay 1 tay quay) qua hộp giảm tốc chung, qua trục chính và truyền
tới 2 hộp chịu lực ( gồm hai bánh răng nón và đai ốc) và truyền tới 2 vít me.
Hai vít me này nối với cửa van bằng chốt qua các tai được hàn trên đỉnh cửa
van, loại máy này nâng cửa cân bằng hai phía, giảm được lực ma sát của cạnh
lên thành khe van nên lực nâng nhẹ, cửa van chuyển động tương đối ổn định,
dùng được cho cửa van có kích thước lớn.
- Nhược điểm của máy đóng mở vít-đai ốc
Các loại máy đóng mở của cửa van thuộc loại vít me-đai ốc, chỉ có thể nâng
hạ các loại cửa van phẳng, nâng thẳng đứng. Các nhược điểm từ nguyên lý
này không thể thay đổi được. Máy đóng mở kiểu vít đai ốc có hiệu suất rất
thấp. Khi tải trọng lớn, bước vít phải nhỏ để giảm lực trên tay quay, vì vậy
thời gian quay rất chậm. Đối với cửa có tải trọng nâng trên 10 tấn thời gian
nâng kéo dài 4, 5 giờ.
Nếu vít me và đai ốc chế tạo với độ chính xác kém, các bước vít khơng đều
nhau, khơng thẳng góc, sẽ gây ra ma sát và lực kẹt lớn. Ngay cả khi chế tạo
chính xác nhưng lắp đặt trên cơng trình khơng cân bằng cũng gây ra lực kẹt,


-19-

dễ bị cong trục khi có lực xơ ngang tác động, trong trường hợp đó phải sử

dụng cơ cấu cardan để khử độ lệch. Khi tải trọng lớn, kết cấu của máy nặng
nề, công suất động cơ lớn, quay tay rất nặng và chậm. Khó khăn trong việc
lắp đặt và vận hành khi chiều cao nâng quá 6 m. Hạn chế đối với tải trọng và
khẩu độ cửa. Đồng bộ chuyển động hai máy hai bên cửa khá phức tạp về mặt
lắp ráp, điều chỉnh vận tốc khá khó khăn.

Hình 1-5 Máy đóng mở kiểu vít-đai ốc

Hình 1-6. Máy vít đập Bái Thượng

- Tình hình ứng dụng máy đóng mở kiểu vít
Máy vít được sử dụng hầu hết ở các cửa van có bề rộng nhỏ, trên các cơng
cấp nước, hoặc cống lấp nước dưới sâu trên các hồ chứa hay cơng trình đầu
mối. Đặc biệt, loại máy vít 2 trục được áp dụng rất hiệu quả cho các cửa van
dưới sâu do giá thành rẻ, thao các đơn giản, vận hành dễ dàng như đập Bái
Thượng (Thanh Hóa).
Qua khảo sát thực tế thấy rằng hầu hết các cửa van phẳng đều sử dụng máy
nâng kiểu vít. Đa số các cửa van tự động kiểu cánh cửa đều sử dụng máy vít
như cửa tự động Diễn Thành (Nghệ An), Sơng Cui (Long An).


-20-

Một số cửa clapé cũng sử dụng máy đóng mở kiểu vít như cửa van đập dâng
Đồng Láng (Nha Trang), cửa van nâng tràn hồ chứa nước Kinh Môn (Quảng
Trị).
c) Máy đóng mở bằng thủy lực
Máy đóng mở bằng thủy lực sử dụng trong thực tế thường là máy đóng mở
kiểu điện – thủy lực hoặc động cơ nhiệt – thủy lực. Bộ phận phát động cửa
máy là động cơ điện hoặc động cơ đốt trong. Trong một số trường hợp, để

giải quyết vấn đề về vận hành ở vùng sâu, vùng xa, máy được trang bị cả
động cơ điện và máy phát điện dẫn động bởi động cơ đốt trong. Máy đóng mở
bằng thủy lực sử dụng bộ phận truyền động là các bơm thủy lực với cơ cấu
phân phối và điều khiển bằng van có khả năng tự động hóa cao và rất dễ sử
dụng. Bộ phận tác động trong các máy đóng mở thủy lực thường là xilanh
thủy lực tuyến tính, động cơ thủy lực.
- Ưu điểm của máy đóng mở thủy lực
Ưu điểm máy đóng mở thủy lực đó là cơ cấu xi lanh thuỷ lực có thể tác động
theo phương thẳng đứng, nghiêng một góc bất kỳ, hoặc đẩy ngang, thời gian
đóng mở cửa van ngắn rất hữu ích đối với nhiệm vụ tưới và tiêu úng, đặc biệt
vào thời kỳ bão lụt, có kích thước nhỏ gọn nhưng đẩy được lực lớn, có lực
quán tính nhỏ, chỉ bằng một phần mười so với các thiết bị đóng mở (thiết bị
truyền động) cơ khí khác cùng cơng suất, có khả năng điều chỉnh vận tốc
nâng, hạ theo ý muốn, an toàn cho cơ cấu nâng và các bộ phận khác, dễ điều
khiển, dễ tự động hố và cơ giới hố đóng mở, dễ khống chế và kiểm tra lực
đóng mở của máy, khắc phục được sự khơng chính xác do lắp ráp.
- Nhược điểm của máy đóng mở thủy lực
Nhược điểm của máy đóng mở thủy lực đó là giá thành thiết bị khá cao so với
các thiết bị khác, chỉ áp dụng hiệu quả đối với các cơng trình đã có nguồn
điện, địi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo lắp đặt thiết bị, vật liệu có chất


-21-

lượng tốt, hệ thống đường ống dẫn dầu thường rất phức tạp và dài vì xilanh
đặt xa trạm nguồn thủy lực, tổn thất thuỷ lực đường ống khá lớn và dễ xẩy ra
sự cố rò rỉ dầu qua các cút nối gây ô nhiễm môi trường so với việc áp dụng xi
lanh

thuỷ

lực

thơng

thường, thì xi lanh thuỷ lực
dùng trong thủy lợi phức
tạp
hơn,

lực lớn, hành trình

dài và mơi trường làm việc
khắc nghiệt, khi có rị rỉ xi
lanh khó khắc phục, mơi
trường làm việc tại các
Hình 1-7. Máy đóng mở thủy lực cơng trình tràn
xả lũ EASUP thượng - Đắclak(cửa van
cung)

cống thường có độ ẩm rất
cao, thậm chí có độ ăn
mịn rất lớn, như ở các

cống vùng triều, nên các chi tiết được chế tạo từ thép cacbon dễ bị ăn mòn,
ảnh hưởng đến độ an toàn làm việc của thiết bị, khả năng đồng bộ khá khó
khăn ngay cả khi sử dụng các van chia đều lưu lượng.
Về việc ứng dụng thiết bị thủy lực, mà cụ thể là xilanh lực làm máy đóng mở
cửa phẳng thì khá đơn giản. Do lực tác dụng chỉ thẳng đứng từ trên xuống,
việc thay thế máy đóng mở cũ và thiết kế mới khơng có gì thay đổi.

Tuy nhiên, việc ứng dụng máy đóng mở cho cửa cung và âu thuyền thì có vấn
đề cần quan tâm. Đó là phương của lực đóng mở ln thay đổi. Do đó, người
thiết kế cần phải tìm ra một vị trí đặt xilanh sao cho có lợi nhất về lực kéo, độ
ổn định, giá thành hạ, dễ lắp đặt bảo dưỡng…Mặt khác, đối với cửa cung sử
dụng hai xilanh đóng mở, vấn đề cửa rung động do chuyển động không đều
hai bên khe cửa gây ra độ lệch hai xilanh hai bên càng cửa cần được giải


-22-

quyết triệt để. Nếu không đồng bộ chuyển động, cửa rất dễ bị kẹt và khơng
thể vận hành được.

Hình 1-8 Tồn cảnh cơng trình tràn xả lũ với máy đóng mở thủy lực


-23-

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Sau khi phân tích ưu nhược điểm của các cơng trình đóng mở trong và ngồi
nước, có thể thấy rõ rằng xu hướng tự động hố các cơng trình đóng mở cửa
cống mang tính thời sự và phổ biến.
Với mục đích truyền bá và áp dụng vào Việt nam, luận văn này chọn đề
tài nghiên cứu hệ thống đóng mở thuỷ lực làm việc trong điều kiện tải trọng
lớn áp dụng cho các cơng trình thuỷ điện và thuỷ lợi có cơng suất lớn. Nội
dung chủ yếu gồm :
• Xây dựng cấu hình của hệ thống đóng mở thuỷ lực.
• Đặc điểm hệ thống thuỷ lực làm việc trong điều kiện tải trọng lớn.
• Phân tích thiết kế hệ thống trên mơ hình.
• Ứng dụng vào việc nâng hạ cửa cống dẫn dịng thi cơng cơng trình thuỷ

điện Sơn la.


-24-

CHƯƠNG II
HỆ THỐNG NÂNG HẠ TẢI TRỌNG LỚN
2.1 ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG THUỶ LỰC NÂNG HẠ
Việc đóng mở các cửa van, cửa cống trong cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện dùng
hệ thống thuỷ lực nâng hạ là là một phương pháp được các nước phát triển
trên thế giới áp dụng. Các đặc điểm nổi bật của hệ thống thuỷ lực nâng hạ
được mô tả dưới đây :
- Các ưu điểm :
• Tác dụng lực theo nhiều phương khác nhau: Cơ cấu xy lanh thuỷ lực có
thể tác động theo phương thẳng đứng, nghiêng một góc bất kỳ, hoặc
đẩy ngang.
• Có thể truyền lực lớn trong khơng gian nhỏ
• Tập trung được năng lượng
• Thời gian tác động ngắn : Hệ thống xy lanh thuỷ lực ứng dụng vào
đóng mở các cửa cống, van thuỷ lợi, thuỷ điện có thời gian vận hành
đóng mở so với các truyền động khác là nhanh hơn .
• Kích thước nhỏ, gọn : Hệ thống xy lanh thuỷ lực có kích thước nhỏ,
gọn nhưng lại tác động được lực lớn, quán tính nhỏ, chỉ bằng một phần
mười so với thiết bị đóng mở (thiết bị truyền động) cơ khí khác cùng
cơng suất.
• Điều chỉnh dễ dàng : Hệ thống thuỷ lực đóng mở có thể điều chỉnh vận
tốc nâng, hạ theo ý muốn mà không ảnh hưởng đến kết cấu cơng trình.
• An tồn : Thiết bị thuỷ lực làm việc an tồn và có độ tin cậy cao, ngay
cả trong trường hợp có sự cố.

-25-

• Dễ dàng điều khiển, tư động hố ở các mức độ khác nhau. Dễ dàng
khống chế và kiểm tra được lực của cơ cấu tác động máy. Khắc phục
được sự khơng chính xác trong chế tạo và lắp ráp cửa van.
• Tuổi thọ của hệ thống thuỷ lực cao.
- Các nhược điểm :
• Sự tổn thất áp suất trên đường ống và thiết bị điều khiển.
• Độ nhớt dầu thuỷ lực thay đổi khi nhiệt độ và áp suất thay đổi.
• Vấn đề rị rỉ dầu làm ảnh hưởng đến mơi trường sinh thái.
• Vấn đề nén được của dầu thuỷ lực và sự biến dạng của thiết bị khi áp
suất lớn.
• Khó khăn trong bảo dưỡng và u cầu người sử dụng có trình độ cao.
Vì mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu hệ thống thuỷ lực đóng, mở cửa cống
có lực lớn. Muốn có lực lớn phải tăng kích thước của cơ cấu chấp hành, hoặc
tăng áp suất làm việc.
• Tăng kích thước của cơ cấu chấp hành sẽ làm tăng thời gian đóng mở
cửa, và tăng khối lượng thiết bị của cơng trình làm cho giá thành sẽ
cao.
• Tăng áp suất làm việc sẽ giảm kích thước của hệ thống nhưng sẽ có
một loạt vấn đề kéo theo đó là : độ nén được của dầu, độ biến dạng(nở
ra) của đường ống dẫn và các thiết bị. Nếu chọn áp suất quá cao, bản
thân thiết bị cao áp cũng có giá thành cao làm ảnh hưởng đến giá thành
chung của hệ thống.
Xét thấy khả năng chế tạo các thiết bị làm việc ở áp suất cao của chúng ta còn
hạn chế, trong luận văn này sẽ xem xét sự hài hồ giữa tăng kích thước và
tăng áp suất. Đảm bảo hệ thống làm việc ở giới hạn trên của áp suất trung
bình hoặc giới hạn dưới của áp suất cao (≤ 300 bar).