Tóm tắt luận án Nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến 250 vùng Quảng Ninh

Nội dung text: Tóm tắt luận án Nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến 250 vùng Quảng Ninh

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BÙI THANH NHU NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DI ĐỘNG DÙNG TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ CÓ GÓC DỐC ĐẾN 250 VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 62.52.01.16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014
2. Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Máy và thiết bị mỏ, Khoa Cơ điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Đinh Văn Chiến, Trường Đại học Mỏ - Địa chất 2. PGS.TS. Tăng Huy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 1: PGS.TS. Hoàng Văn Gợt, Viện NCCK Bộ Công Thương Phản biện 2: PGS.TS. Trần Văn Dũng, Trường Đại học Bách Khoa - Hà Nội Phản biện 3: TS. Nguyễn Hữu Liên, Bộ khoa học Công nghệ Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi ngày tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
3. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài - Theo chiến lược phát triển ngành than đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030, sản lượng than khai thác dự kiến khoảng 50 triệu tấn, trong đó khai thác hầm lò chiếm tỉ lệ ngày càng lớn. - Có nhiều loại thiết bị chống giữ trong hầm lò, tuy nhiên cho đến nay, giá khung thủy lực là loại được nhiều mỏ lựa chọn để đưa vào chống giữ do nhiều ưu điểm về kết cấu, vận hành, an toàn và hiệu quả. - Tuy nhiên, việc áp dụng thiết bị chống lại phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như điều kiện địa chất, thế nằm của vỉa, áp lực mỏ, mức độ bùng nền, công nghệ khai thác Vì vậy để sử dụng có hiệu quả các loại giá khung thủy lực di động trong điều kiện hầm lò Việt Nam cần phải có những nghiên cứu, đánh giá, lựa chọn những thông số hợp lý dùng phù hợp trong khai thác hầm lò. Do vậy việc: “Nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò có góc dốc đến 0 25 vùng Quảng Ninh” của đề tài là cấp thiết và đúng hướng. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Mục đích nghiên cứu của luận án là đưa ra một phương pháp tính toán nghiệm bền dựa trên các cơ sở lý thuyết, thực nghiệm để lựa chọn được kích thước hợp lý của mái trên, cột chống giá khung thủy lực di động loại ZH 1600/16/24Z phù hợp với điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh có góc dốc đến 250. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng cụ thể là giá khung thủy lực di động loại ZH 1600/16/24Z, đó là loại giá khung được sử dụng ở Nam Mẫu, Vàng Danh, , bước đầu được đánh giá tương đối phù hợp với điều kiện kỹ thuật khai thác than mỏ hầm lò. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính toán kích thước hợp lý, nghiệm bền chi tiết mái trên và cột chống của giá khung thủy lực di động ZH 1600/16/24Z trong điều kiện góc dốc vỉa đến 250.
4. 2 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa lập trình tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học: - Thực nghiệm: Thống kê áp lực làm việc của giá khung thủy lực di động tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh, thông qua đo đạc áp suất trong xylanh khi làm việc. - Xây dựng phương pháp tính toán lựa chọn thông số hình học, vật liệu của mái trên, cột chống hợp lý, phù hợp với điều kiện kỹ thuật của mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và lựa chọn giá khung thủy lực di động phục vụ khai thác than hầm lò. Các kết quả nghiên cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị tư vấn thiết kế mỏ và thiết bị mỏ, cho các nhà quản lý, làm tài liệu giảng dạy đại học và sau đại học. 6. Nội dung luận án Luận án đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng quá trình chịu lực, độ ổn định và khảo sát thực tiễn giá khung thủy lực di động chống ở mỏ hầm lò. Nội dung luận án gồm 4 chương chính làm rõ một số vấn đề nghiên cứu:“Nghiên cứu lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác 0 than hầm lò có góc dốc đến 25 vùng Quảng Ninh”. 7. Luận điểm bảo vệ - Thực nghiệm: Thông qua đo đạc áp suất trong xylanh khi làm việc có thể tính toán áp lực làm việc thực tế của giá khung thủy lực di động tại các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. - Dùng giả thiết thanh hai bậc, ứng suất tương đương Von-Mises để tính toán độ bền, độ ổn định của cột chống.
5. 3 - Sử dụng phương pháp lập trình tính toán được các kích thước hợp lý dành cho mái trên và cột chống dựa trên các điều kiện: tải trọng ban đầu và vật liệu chế tạo. - Tính toán, lựa chọn được kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống giá khung thủy lực ZH 1600/16/24Z trong điều kiện làm việc góc dốc đến 25o. 8. Điểm mới của luận án - Xây dựng được mô hình tính toán mái giá để khảo sát và thiết lập được mối quan hệ độ bền vật liệu và thông số kích thước hình học mái giá với lực tác dụng. - Từ lý thuyết cơ sở đã xây dựng được các quan hệ để tính toán độ dày thành xylanh cột chống phụ thuộc vào áp suất trong xylanh và giới hạn bền của vật liệu, giá trị áp suất lớn nhất mà xylanh có thể làm việc với giới hạn bền của vật liệu cho trước. Việc tính toán độ ổn định của xylanh cột chống với mô hình thanh chịu nén đúng tâm có tiết diện hai bậc phản ánh đúng điều kiện làm việc của cột chống và làm căn cứ xác định chính xác hơn kết quả tính toán. - Từ việc đánh giá về lực chống của các giá khung thủy lực di động đang sử dụng trong Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam thông qua số liệu thống kê và kết quả thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong nước tại Công ty than Nam Mẫu, khẳng định sự cần thiết lựa chọn thông số giá khung dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật mỏ than vùng Quảng Ninh để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị. - Xây dựng phương pháp lựa chọn thông số hợp lý của giá khung thủy lực di động dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật của mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. - Từ phương pháp đề xuất, xác định được một số thông số hợp lý của mái trên và cột chống theo điều kiện làm việc của mỏ hầm lò có góc dốc đến 250.
6. 4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ CHỐNG TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ 1.1 Đánh giá khả năng áp dụng cơ giới hóa khai thác than tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh Qua kết quả đánh giá tổng hợp điều kiện địa chất–kỹ thuật mỏ các khu vực có khả năng áp dụng cơ giới hoá có thể nhận định rằng, để triển khai áp dụng rộng rãi công nghệ khai thác cơ giới hoá khấu than tại vùng Quảng Ninh cần tiến hành tập trung nghiên cứu giải quyết xây dựng các sơ đồ công nghệ khai thác cơ giới hoá trong một số phạm vi điều kiện áp dụng. Trong các phạm vi giới hạn về chiều dày và góc dốc vỉa, khi lựa chọn mô hình cơ giới hoá cần đề cập đến mối tương quan với yếu tố chiều dài theo phương khu vực khai thác. 1.2. Giới thiệu thiết bị chống ở một số nước trên thế giới 1.3. Giới thiệu thiết bị chống ở các mỏ hầm lò Việt Nam Giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z Giá khung thủy lực di động ZH1600/16/24Z là sản phẩm chống đỡ loại nhẹ giữa giá chống xà treo và giá chống thủy lực trong khai thác than do Trung Quốc chế tạo, được nhập và sử dụng tại Việt Nam từ năm 2006 Ưu điểm: + Diện tích chống đỡ lớn, cường độ chống đỡ cao. + Thể tích nhỏ, trọng lượng nhẹ, di động linh hoạt, dễ lắp ráp, dễ điều khiển. + Tháo lắp đơn giản, thuận lợi cho công tác vận chuyển. + Toàn bộ giá liên kết thành tổ hợp bằng xà đỡ, nâng cao tính ổn định của giá, tạo một môi trường làm việc an toàn. + Thao tác đơn giản, nâng cao trình độ tự động hóa, giảm bớt cường độ lao động của công nhân.
7. 5 Nhược điểm: Khả năng kết hợp với cơ giới hóa không cao Các thông số kỹ thuật cơ TT Đơn vị Giá trị bản 1 Chiều cao tối đa mm 2400 2 Chiều cao tối thiểu mm 1600 3 Hành trình cột mm 800 4 Chiều rộng giá chống mm 960 5 Chiều dài giá chống mm 2900 6 Bước tiến của tấm đỡ gương mm 800 7 Tải trọng làm việc kN 1600 8 Tải trọng ban đầu kN 950 9 Áp suất bơm MPa 31,5 10 Số lượng cột chống cái 04 11 Đường kính xi lanh mm 110 12 Góc dốc làm việc của giá độ 25 Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp giá thủy lực di động ZH1600/16/24Z Hình chiếu đứng Hình chiếu cạnh Hình chiếu bằng Hình 1.2. Mô hình tổng quát giá khung thủy lực di động
8. 6 1.4. Các vấn đề nghiên cứu thiết bị chống ở Trung Quốc và Việt Nam; Vấn đề nghiên cứu của luận án 1.4.1. Các vấn đề nghiên cứu thiết bị chống ở Trung Quốc Trong quá trình làm việc của giá khung, bộ phận chịu tải chủ yếu là mái trên, do đó để tiến hành thiết kế và phân tích giá khung nói chung cần phải tiến hành phân tích các tình huống chịu tải của mái trên. Trong diện khấu tổng thể, do vách vỉa bất định, không bằng phẳng và tồn tại những khối đất đá, nên các tình huống làm việc khắc nghiệt của mái trên về phương diện chịu tải được chia làm 4 hình thức chủ yếu sau đây: Mái trên chịu tải trọng tập trung về hai phía; Mái trên chịu tải tập trung tại chính giữa; Mái trên chịu tải xoắn; Mái trên chịu tải lệch một bên. 1.4.2. Tại Việt Nam 1.4.2.1. Phương án 1: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực phân bố Q=320N/mm, với khoảng cách các cột là Lmin = 1,95m. Có xét đến bước sập đổ 0,8m. 1.4.2.2. Phương án 2: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực phân bố Q = 320N/mm, với khoảng cách các cột là Lmax = 1,95m. Không tính đến bước sập đổ. 1.4.2.3. Phương án 3: Xem mái như một hệ dầm chịu tác động của lực phân bố Q=560N/mm, với khoảng cách các cột là Lmax = 1,95m. Không tính đến bước sập đổ và các lực tác động khác. 1.4.3. Vấn đề nghiên cứu của đề tài luận án Từ những kết quả nghiên cứu về thiết bị chống trong khai thác hầm lò ở một số nước trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy: Việc áp dụng giá khung di động tại các mỏ than hầm lò là phù hợp. Đã nâng cao hiệu quả, an toàn, giảm tổn thất tài nguyên trong khai thác than hầm lò. Việc nghiên cứu, tính toán của nhóm nghiên cứu tại Việt Nam cũng như trên thế giới đã đưa ra khá phong phú phương pháp nghiệm bền khung giá thủy lực di động ZH1600/16/24Z, mặc dù vậy mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, nhược điểm khác nhau. Những phương pháp này chủ yếu
9. 7 đi sâu về nghiệm bền chi tiết đã có sẵn dựa trên các công thức sức bền vật liệu kinh điển và mô phỏng mà chưa chỉ ra được phương pháp tính toán kích thước hình học cụ thể theo từng điều kiện làm việc. Chính vì vậy trong luận án này NCS sẽ tiếp tục nghiên cứu, tính toán, đưa ra phương pháp nghiệm bền, lựa chọn kích thước hợp lý cho chi tiết chính của giá khung thủy lực di động ZH 1600/16/24Z (mái trên và cột chống) trong khai thác than hầm lò có góc dốc vỉa đến 250 vùng Quảng Ninh. Chương 2: LÝ THUYẾT CƠ SỞ PHỤC VỤ TÍNH TOÁN, GIÁ KHUNG THỦY LỰC Giá khung thủy lực dùng để chống giữ khoảng không gian trong khai thác hầm lò. Để tính toán thiết kế và lựa chọn giá khung thủy lực cần nghiên cứu lý thuyết về tác động tương hỗ giữa vì chống và đá mỏ; ảnh hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì chống và đá vách; lý thuyết áp lực mỏ. Trên cơ sở đó tiến hành tính toán, thiết kế giá khung dùng phù hợp trong điều kiện địa chất mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh. 2.1. Tác động tương hỗ giữa vì chống và đất đá mỏ 2.2. Ảnh hưởng của các quá trình sản xuất đến sự tác động tương hỗ của vì chống và đá vách 2.3. Một số giả thuyết về áp lực mỏ 2.4. Lý thuyết về sức bền vật liệu Như vậy nội dung trong chương 2 của luận án đã phân tích sự tác động tương hỗ của đất đá mỏ với giá khung thủy lực, làm rõ bản chất của quá trình chuyển vị và biến dạng các bộ phận của giá khung như mái trên, cột chống ứng với dịch chuyển của đá vách. Đồng thời tìm hiểu ảnh hưởng của các quá trình sản xuất đến quan hệ của vì chống và đá vách là khấu than, chống giữ lò chợ và điều khiển đá vách. Lý thuyết về ống dày cho phép xác định được chiều dày xylanh cột chống, bán kính trong của cột và
10. 8 kết cấu mái nhằm mục đích giảm thiểu khối lượng và lựa chọn được kết cấu hợp lý. Định luật Húc cho phép tính toán sự chuyển vị và biến dạng của mái trên, cột chống. Dựa vào lý thuyết nêu trên, cho phép tính toán, lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung thủy lực dùng trong khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh có góc dốc đến 250. Chương 3: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC 3.1. Nghiên cứu khả năng chịu tải của giá khung 3.1.1. Các bước công nghệ khai thác than 3.1.2. Số liệu về việc sử dụng giá khung thủy lực di động của Tập đoàn Than- Khoáng sản Việt Nam (phụ lục 4) - Tập đoàn đã có 10 công ty trong đó 41 lò chợ hiện đang sử dụng giá khung thủy lực di động vào việc chống giữ lò chợ. Chiều dài lò chợ từ 40 đến 140 m; độ dốc lò chợ từ 5 đến 25 độ; áp suất làm việc: Thấp nhất là 7 MPa, cao nhất là 31 MPa
11. 9 - Biểu đồ mô tả số lượng lò chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo áp suất lò chợ tác dụng lên giá khung(hình 3.1). Số lượng lò chợ (%) 100.00% 90.00% 71.40% 80.00% 70.00% 60.00% 50.00% 40.00% 22.90% 30.00% 5.70% 20.00% 10.00% 0.00% 7 ÷ 15 15 ÷ 30 30 ÷ 31,5 p(MPa) Hình 3.1. Số lượng lò chợ sử dụng giá khung(tính theo%) dựa theo áp suất lò chợ tác dụng lên giá khung. 3.1.3. Kết quả áp dụng thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong nước tại Công ty than Nam Mẫu - Vinacomin - Phần cơ khí các giá khung đảm bảo chắc chắn, chống giữ lò chợ đảm bảo an toàn, khả năng làm việc ổn định. - Hệ thống thủy lực được nhập khẩu đảm bảo cung cấp dịch cho giá khung hoạt động ổn định. Cột chống sản xuất trong nước chất lượng tốt, hoạt động bình thường, đảm bảo chống giữ lò chợ. - Việc theo dõi áp lực mỏ lên các bộ giá khung thử nghiệm trong lò chợ được tiến hành đo đạc thường xuyên trong các ca khai thác bằng đồng hồ
12. 10 đo áp lực tự ghi kỹ thuật số LEO Record (Ei). Đồng hồ được lắp đặt tại cột chống luồng phá hỏa bên phải giá số 5 - Qua theo dõi diễn biến áp suất tại mười bộ giá khung áp dụng thử nghiệm, áp suất dao động trong khoảng từ 6  19 MPa, nằm trong khả năng chịu tải của giá khung, không có các biến động lớn gây nguy hiểm đến công tác an toàn, các biến động nhỏ nằm trong tầm kiểm soát, các bộ giá khung vẫn đảm bảo chống giữ lò chợ ổn định. Nhận xét: Từ 2 số liệu của Ban cơ khí Tập đoàn Than- Khoáng sản Việt Nam và theo dõi thử nghiệm tại Công ty than Nam Mẫu của Viện khoa học và công nghệ mỏ cho thấy áp lực mỏ dao động trong khoảng từ 6 – 31MPa. Số liệu này để làm căn cứ cho việc tính toán giá khung của luận án. 3.1.4. Phân tích về khả năng chịu tải của giá khung: - Trong khi làm việc tổng tải trọng lớn nhất tác dụng lên mái là Q = 160 tấn, tải trọng đó được truyền xuống nền thông qua 4 cột chống thủy lực (hình 3.5). - Do thiết kế phần nối giữa cột chống và mái trên có dạng hình chỏm cầu, chính vì vậy có thể “tự lựa” trong quá trình vận hành. - Giả thiết trong quá trình làm việc tải trọng được phân bố đều trên toàn bộ diện tích mặt trên của mái(hình 3.7) - Tải trọng tác dụng lên các cột chống được lấy gần đúng là P= Q/4 - Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 00cho tới 250 tải trọng tác dụng lên giá khung được xác định là từ 145 Tấn cho tới 160 Tấn (Q Qcos )
13. 11 Hình 3.5. Giá3.5 khung thủy lực ZH 1600/16/24Z Hình 3.6. Kết cấu của cột chống thủy lực Hình 3.7. Giả thiết về khả năng chịu tải của mái trên 3.2. Tính toán mái trên 3.2.1. Thiết lập công thức kiểm nghiệm độ bền mái trên. Hình 3.8. Mô hình tính toán kiểm nghiệm bền cho mái trên
14. 12 Phương trình cân bằng lực và mô men được xác định như sau: Y Pi R1 R2 qL 0 (3.1) 2 2 L0 L1 L2  M A Pi q q R2 L1 qL2 L1 0 (3.2) 2 2 2 Suy ra: 1 1 L2 L2 R q L L 2 0 2 1 2 2 2 L1 (3.3) 1 1 L2 L2 0 2 R1 q L1 L0 2 2 L1 Tính toán mô men quán tính mặt cắt ngang Diện tích các phần của mặt cắt được xác định là: F1 b1h1;F2 b2h2;F3 b3h3;F0 b0h0 F b1h1 2b2h2 4b3h3 4b0h0 (3.12) Mô men quán tính đối với trục trung hòa của từng mặt cắt được xác định như sau: b h3 b h3 b h3 b h3 J 1 1 ;J 2 2 ;J 3 3 ;J 0 0 (3.13) x1 12 x2 12 x3 12 x0 12 Mô men tĩnh của các mặt cắt ứng với trục OX được xác định như sau: 1 1 1 S hhF;S hhF;S hhF;S 0 (3.14) x12 101x2 2 022x3 2 303x0 Tổng mô men tĩnh của các mặt cắt ứng với trục Ox được xác định như sau: 1 1 1 S h h F 2 h h F 4 h h 2 (3.15) x 2 1 0 1 2 0 2 2 2 3 0 Tọa độ trọng tâm của mặt cắt được xác định là: 1 h h b h h h b h 2 h h 2 b h 2 1 0 1 1 0 2 2 2 3 0 3 3 yc ;x c 0 (do mặt cắt đối xứng qua b1h1 2b2h 2 4b3h 3 4b0h 0 oy) (3.16) Y b3 b2 h3 x3 h0 X  x 0 h2 x2 h1 x1 b0 b1 Hình 3.9. Tiết diện mặt cắt ngang của mái trên
15. 13 Mô men quán tính đối với trục trung hòa của từng mặt cắt và mô men tổng được xác định: 2  1 yc Ix1 J x1 h 1 h 0 F 1 ; 4 2 1 y 2 c Ix2 J x2 h 0 h 2 F 2 ; 4 2  Ix I x1 2I x2 4I x3 4I x0 (3.17) 2 1 yc Ix3 J x3 h 3 h 0 F 3 ; 4 2 2 Ix0 J x 0 y c F 0  Tính toán giá trị ymax : h0 h0  ymax max h1 yc ; h3 yc  (3.18) 2 2  Ứng suất nguy hiểm nhất được xác định như sau: Max Max M x z  u ymax (3.19) Ix Trong đó: 2 2 1 2 R1 qL0 1 2  Max M x z  Max qL0 ; ; qL2  (3.20) 2 2q 2 2  3.2.2. Nghiệm bền mái trên của giá khung ZH 1600/16/24Z Bảng 3.1. Kết quả tính toán của mái trên trường hợp chịu tải 160 tấn mm mm2 mm3 mm4 mm b0 12 F0 2400 S0x 0 I0x 8969839.3 Yc -20.1 960 - I2x F1 11520 S1x 1221120 I1x 85137715 Ymax1 91.99 b2 12 F2 1656 S2x -51336 I2x 2824740.8 Ymax2 160.2 b3 80 F3 1600 S3x 176000 I3x 27135878 Ymax 160.2 h0 200 FS 30832 SxS -619792 IxS 235210067 h1 12
16. 14 h2 138 h3 20 Hình 3.10. Tiết diện ngang hợp lý của mái trên + Tiết diện mặt cắt ngang hợp lý của mái trên tương ứng trường hợp 160T, độ bền cho phép[] =510 MPa, hệ số an toàn n = 1.5(hình 3.10) + Ứng suất lớn nhất được xác định là: 8 Max Mx z  3.78 10 Max y 160.2 257.2 MPa  u max 8   Ix 2.12 10 3.2.3. Ứng dụng mô phỏng vào nghiệm bền kết cấu mái trên Do tính chất đối xứng về mặt hình học, đồng thời tiết kiệm phần tử khi tính toán, tiến hành mô phỏng tính toán cho 1/2 phôi. Vật liệu được sử dụng có mô đun đàn hồi E = 200 GPa; hệ số poát xông 0.3; Kiểu bài toán: tính toán tĩnh (Static General)
17. 15 Hình 3.11. Mô hình hình học khi mô phỏng tính toán khả năng chịu tải mái trên Kết quả tính toán mô phỏng A B HìnhHình 3.6.3.12. Chuyển Chuy vịển của vị mái của mái Hình 3.8. Các thành phân ứng suất chính A, B, C; biến dạng tương đương của mái D Hình 3.13. Ứng suất tương đương C D Hình 3.7. Ứng suất tương đương Von – Mises Von - Mises Hình 3.1 4. Các thành phần ứng suất chính A,B,C; biến Nhận xét: dạng tương đương của mái D Bằng cả 2 phương pháp tính toán bằng giải tích hay mô phỏng đều cho kết quả là kết cấu mái trên an toàn trong quá trình làm việc. Bằng việc sử dụng phương pháp giải tích sẽ tính toán được hình dạng tiết diện ngang hợp lý cho mái trên, từ đó thiết kế mô hình 3D cho mái và mô phỏng để kiểm nghiệm lại, làm căn cứ cho tối ưu về hình dạng. 3.3. Nghiên cứu tính toán, nghiệm bền cột chống Trong khi làm việc tổng tải trọng lớn nhất tác dụng lên mái là Qmax= 160 tấn (Hình3.5), tải trọng đó được truyền xuống nền thông qua 4 cột chống thủy lực. Do thiết kế phần nối giữa cột chống và mái trên có dạng
18. 16 hình chỏm cầu, chính vì vậy có thể “tự lựa” trong quá trình vận hành. Khi tính toán có thể coi cột chống là một thanh chịu lực nén đúng tâm 3.3.1. Tính toán độ bền piston Piston là một thanh hình trụ, có bán kính là rpt , trong quá trình làm việc chịu lực nén đúng tâm là Q, làm bằng vật liệu có ứng suất bền cho phép là [], như vậy bán kính nhỏ nhất của piston được xác định bởi công thức sau đây: Q rpt,min []1 3.3.2. Tính toán độ bền xylanh 2 Xylanh làm việc an toàn khi: r1 4 4 max eq  p 1 3r 2 / r 1   r2 r 2 2 1 Chiều dày tối thiểu của thành xylanh được xác định là: 2r s r / u 1 1 2 2    1 2 3 p p 3.4. Tính toán độ ổn định của cột chống Để tính toán có thể coi cột chống là thanh hai bậc, có hai đoạn với các thông số mô men quán tính tiết diện và chiều dài khác nhau, piston có chiều dài L1 và momen quán tính tiết diện là I1; tương ứng xylanh là L2 và I2, bị nén đúng tâm(Hình 3.6). Tải trọng tới hạn của cột chống được xác định chính là nghiệm của phương trình[21]: K1 cos K1L1 sin K 2L2 K 2 cos K 2L2 sin K1L1 0 4 4 4 l1 l2 1 1 I1 rpt ;I2 r2 r1 ; x1 ;x 2 ; y1 ; y2 4 4 EI1 EI2 EI1 EI2 Sử dụng phương pháp đồ thị để tìm ra nghiệm của phương trình lượng giác trên là giao điểm của 2 đường cong H(Q) và G(Q) (hình 3.21). Từ đó xác định được tải trọng tới hạn mà cột có thể chịu là 105.4 Tấn, như vậy cột chống an toàn trong điều kiện làm việc. Kết quả nghiên cứu trong chương 3 đưa ra được như sau: . - Trên cơ sở các lý thuyết tính toán và nguyên lý làm việc của chương 1 và chương 2 trong chương này đã đạt được những kết quả sau
19. 17 - Thiết lập được công thức tổng quát để tính Hình 3.21. Đồ Hình 3.19. Đồ thị xác định tải toán độ bền của mái trọng tớithhạnị củaxáccột địnhchống tải ị của H (Q); G G (Q) H của(Q); ị trọng tới hạn trên và cột chống. của cột chống Giá tr Ứng dụng vào trường hợp cụ thể là giá Tải trọng tác dụng lên cột chống (Tấn) khung 1600/16/24Z - Sử dụng phương pháp mô phỏng để kiểm nghiệm lại độ bền của mái trên để tăng thêm độ tin tưởng của các tính toán - Các kết quả tính toán đều cho thấy mái trên và cột chống đều thừa bền, nên để tối ưu về kích thước cũng như giảm khối lượng kết cấu, trong chương 4 dưới đây sẽ trình bày phương pháp tính toán để lựa chọn ra các thông số tối ưu cho kết cấu mái Chương 4: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA GIÁ KHUNG THỦY LỰC DÙNG TRONG KHAI THÁC HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH CÓ GÓC DỐC ĐẾN 25O 4.1. Tính toán lựa chọn một số thông số hợp lý của giá khung 4.1.1. Phương pháp tính toán để xác định một số thông số hợp lý Trong chương này chủ yếu đi sâu vào tính toán hợp lý kích thước của mái và cột bằng việc sử dụng các phương trình có liên quan đã được thiết lập từ chương 3. Sau khi thay đổi tải trọng và vật liệu sẽ nhận được các kích thước hợp lý cho chi tiết trong từng trường hợp, tiến hành thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SOLIDWORK và mô phỏng nghiệm bền lại chi tiết trên phần mềm ABAQUS, để tăng thêm độ tin cậy của những kết quả tính toán nhận được. Phương pháp thực hiện để xác định một số thông số hợp lý sẽ được trình bày theo sơ đồ dưới đây:
20. 18 4.1.2. Tính toán lựa chọn kích thước hợp lý cho mái trên Theo những tính toán ở Chương 3 để xác định được các kích thước cho mái an toàn trong điều kiện làm việc cần thỏa mãn điều kiện sau: Max Max M x z   u ymax   I x (4.6) F 4b0h0 b1h1 2b2h2 4b3h3 min Tiến hành thiết kế sao cho mái nhẹ nhất mà vẫn đảm bảo độ bền 4.1.2.1. Thuật toán để xác định các kích thước hợp lý cho mái trên Để thỏa mãn được điều kiện trên, thực hiện thuật toán “vét cạn” trên ngôn ngữ lập trình C, trong đó: Tải trọng thiết kế Ptk thay đổi từ 100 Tấn đến 160 Tấn; ứng suất cho phép của vật liệu [] thay đổi từ 340 MPa đến 490 MPa; chiều dày tấm b0 thay đổi từ 10 mm đến 20 mm; chiều cao h0 thay đổi từ 100 mm đến 250 mm. Các thông số khác được giữ nguyên đó là: b1=960 mm, b3=80 mm, h2=138 mm, h3=20 mm. Phương pháp tính toán hợp lý được thể hiện bởi sơ đồ thuật toán vét cạn để tìm kiếm giá trị kích thước hợp lý cho mái dưới đây: 4.1.2.2. Kết quả tính toán kích thước hợp lý(hình 4.1) 4.1.2.3. Thiết kế, nghiệm bền chi tiết mái trên Trong phần này nghiên cứu 3 trường hợp làm việc cụ thể của chi tiết, tương ứng tải trọng tác dụng lên giá khung là 120, 140, 160 Tấn; vật liệu chế tạo là thép 16MnSi có ứng suất chảy là 510 MPa, hệ số an toàn được chọn là n = 1.5, nên có ứng suất cho phép [] =510/1.5 = 340 MPa. Căn cứ vào bảng 4.1 lựa chọn được các kích thước hợp lý của b0 và h0 như sau: Sau khi thiết kế xong mô hình 3D của mái, tiến hành mô phỏng nghiệm bền lại độ bền của chi tiết khi làm việc ở từng điều kiện cụ thể. Kết quả tính toán được thể hiện trong hình 4.3, 4.4, 4.5.
21. 19 Hình 4.1. Sự phụ thuộc kích thước h0min vào tải trọng làm việc vào vật liệu chế tạo mái trên umax b0 Fmin P N []MPa MPa mm h0 mm mm2 tk 1200000 340 339.9879 10 102.2 22848.00 1400000 340 339.9592 10 124.0996 23723.98 1600000 340 339.9327 10 143.6005 24504.02 Từ kết quả tính toán cho thấy: - Ứng suất tại các phần tử của mái trên đều có giá trị nhỏ hơn ứng suất cho phép [] =340 MPa, tức là mái trên đảm bảo an toàn trong điều kiện làm việc. - Các trường hợp mô phỏng đều chỉ ra rằng: Chuyển vị lớn nhất đều nằm giữa mái. - Diện tích mặt cắt ngang của mái trên hiện tại đang sử dụng cho trường 2 hợp tải trọng 160 tấn, vật liệu chế tạo 16MnSi là: Fht= 30800 mm , diện 2 tích mặt cắt ngang của mái trên sau khi hợp lý là: Fhl= 24504 mm . Sau khi hợp lý diện tích mặt cắt ngang của mái đã được giảm là: F F 24504 30800 F tu ht 100% 100% 20.44% Fht 30800
22. 20 Hình 4.7.a. Phân bố trường ứng suất trong120 mái T ấn Hình 4.7.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái ứng với tải trọng 120 Tấn tương ứng trường hợp tải trọng 120 Tấn Hình 4.8.a. Phân bố trường ứng suất 140trong T ấn Hình 4.8.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái mái ứng với tải trọng 140 Tấn tương ứng trường hợp tải trọng 140 Tấn Hình 4.8.a. Phân bố trường ứng suất trong 160 Tấn Hình 4.8.b. Chuyển vị tại các vị trí trên mái mái ứng với tải trọng 140 Tấn tương ứng trường hợp tải trọng 140 Tấn 4.1.3. Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho cột chống 4.1.3.1. Thuật toán để xác định các kích thước hợp lý cho cột chống Cột chống được chế tạo bằng xylanh thủy lực. Trong nghiên cứu này việc tính toán thông số hợp lý cho cột chống được thực hiện bằng việc kết hợp 2 điều kiện: bền và ổn định của cột chống. Ptk + Điều kiện bền được xác định như sau: rpt,min []1 + Để xylanh làm việc an toàn thì cần phải có điều kiện là: 2 4 2 2 r1 r2 eq t  t  p 2 2 1 3 4 2 r2 r1
23. 21 + Điều kiện ổn định của cột chống: Tải trọng tới hạn của cột chống được xác định chính là nghiệm của phương trình lượng giác sau đây [21]: K1 cos K1L1 sin K2L2 K2 cos K 2L2 sin K1L1 0 + Điều kiện ổn định là Ptk < Qth (Qth là tải trọng tới hạn mà không làm cho cột mất ổn định) + Tiến hành tính toán thiết kế mái sao cho nhẹ nhất mà vẫn đảm bảo điều kiện bền, chính vì vậy cần có: 2 2 2 V rPTL1 r1 L2 r2 L2 min  Ptk rpt,min []1 2r s 1 min 2 2 r ,r ,r (4.12) 2 2  pt 1 2 toiuu 1 2 3 p p P Q tk th 2 2 2 V rPT L1 r1 L2 r2 L2 min  Để thỏa mãn được điều kiện (4.12), thực hiện thuật toán “vét cạn” trên ngôn ngữ lập trình C. Trong đó: Tải trọng thiết kế Ptk thay đổi từ 25 Tấn đến 40 Tấn; Ứng suất cho phép của vật liệu[] thay đổi từ 600 MPa đến 750 Mpa; Bán kính piston thay đổi từ 30 mm đến 40 mm; Bán kính trong xylanh thay đổi từ 55 mm đến 65 mm; Phương pháp tính toán hợp lý được thể hiện bởi sơ đồ thuật toán vét cạn để tìm kiếm giá trị kích thước hợp lý cho cột chống dưới đây: 4.1.3.2. Kết quả tính toán kích thước hợp lý Căn cứ vào bảng 4.2. thấy rằng: - Kích thước hợp lý cho r1, rpt là: r1 = 65 mm, rpt = 30 mm - Kích thước r2 được xác định thông qua r1 và áp suất trong của xylanh theo công thức: r2 = r1 + Smin ; ( Smin được xác định theo công thức 4.12) - Từ những kết quả thu được, tiến hành vẽ đồ thị 3D biểu diễn sự phụ thuộc kích thước r2 vào tải trọng làm việc và vật liệu chế tạo cột chống (hình 4.7), thông qua đó có thể xác định được giá trị kích thước hợp lý nhất cho cột chống.
24. 22 Hình 4.7. Sự phụ thuộc kích thước r2 vào tải trọng làm việc vàvật liệu chế tạo cột chống 4.2. Lựa chọn kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống trong điều kiện làm việc góc dốc lên tới 250 - Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 0o cho tới 25o tải trọng tác dụng lên mái trên được xác định là từ 145 Tấn cho tới 160 Tấn, được làm từ vật liệu 16MnSi có c = 345 Mpa; b = 510 Mpa; u = 490 MPa kích thước hợp lý được cho bởi bảng 4.3 dưới đây: Bảng 4.3. Kích thước hợp lý cho mái trên Q  F [] umax b0 h0 min 2 Tấn MPa MPa mm mm mm 145 340 339.83 10.0 129.2 23927.98 150 340 339.88 10.0 134.1 24123.99 155 340 339.90 10.0 138.9 24316.01 160 340 339.93 10.0 143.6 24504.02 - Trong điều kiện làm việc góc dốc từ 0o cho tới 25o tải trọng tác dụng lên cột chống được xác định là từ 36 Tấn cho tới 40 Tấn. Kích thước cột chống được cho bởi bảng 4.4 dưới đây: Bảng 4.4. Kích thước hợp lý cho cột chống P [] Q r r r Vmin tk th 1 2 pt 3 Tấn MPa Tấn mm mm mm mm 36 600 44.17302 65 68.01565 30 4257535 37 600 44.27302 65 68.10188 30 4287018 38 600 44.27302 65 68.18826 30 4316591 39 600 44.37302 65 68.27478 30 4346252 40 600 44.47302 65 68.36146 30 4376002
25. 23 Trên cơ sở các công thức tổng quát để nghiệm bền cột chống và mái trên thiết lập ở chương 3, trong chương 4 này đã đạt được những kết quả sau đây: + Tính toán được các kích thước hợp lý dành cho mái trên và chống dựa trên các điều kiện: tải trọng ban đầu và vật liệu chế tạo (được thể hiện trên đồ thị 4.1, 4.7) + Nghiệm bền lại chi tiết mái trong các trường hợp tải trọng 120 Tấn, 140 Tấn và 160 Tấn bằng phần mềm ABAQUS + Lựa chọn được dải kích thước hợp lý cho mái trên và cột chống trong điều kiện làm việc góc dốc đến 25o (Bảng 4.3, 4.4). KẾT LUẬN CHUNG Luận án đã đưa ra được kết quả như sau: 1. Đã xây dựng được mô hình tính toán mái giá để khảo sát và thiết lập được mối quan hệ độ bền vật liệu và thông số kích thước hình học mái giá với lực tác dụng (công thức 4.6). 2. Từ lý thuyết cơ sở đã xây dựng được các quan hệ để tính toán độ dày thành xylanh cột chống phụ thuộc vào áp suất trong xylanh và giới hạn bền của vật liệu, giá trị áp suất lớn nhất mà xylanh có thể làm việc với giới hạn bền của vật liệu cho trước. Việc tính toán độ ổn định của xylanh cột chống với mô hình thanh chịu nén đúng tâm có tiết diện hai bậc phản ánh đúng điều kiện làm việc của cột chống (công thức 4.12). 3. Từ việc đánh giá về lực chống của các giá khung thủy lực di động đang sử dụng trong Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam thông qua số liệu thống kê và kết quả thử nghiệm giá khung thủy lực di động chế tạo trong nước tại Công ty than Nam Mẫu, khẳng định sự cần thiết lựa chọn thông số giá khung dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật mỏ than vùng Quảng
26. 24 Ninh để nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị, góp phần giảm giá thành sản phẩm. 4. Đã đề xuất được phương pháp lựa chọn thông số hợp lý về mặt hình học theo vật liệu của mái trên và xylanh giá khung thủy lực di động dùng phù hợp với điều kiện kỹ thuật của mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh. 5. Từ phương pháp đề xuất, xác định được thông số hợp lý của mái trên và cột chống theo điều kiện làm việc của mỏ hầm lò có góc dốc đến 250 cụ thể như trên bảng 4.3, 4.4 dưới đây: Bảng 4.3. Kích thước hợp lý cho mái trên F Q []  b h min umax 0 0 2 Tấn MPa MPa mm mm mm 145 340 339.83 10.0 129.2 23927.98 150 340 339.88 10.0 134.1 24123.99 155 340 339.90 10.0 138.9 24316.01 160 340 339.93 10.0 143.6 24504.02 Bảng 4.4. Kích thước hợp lý cho cột chống Ptk [] Qth r1 r2 rpt Vmin 3 Tấn MPa Tấn mm mm mm mm 36 600 44.17302 65 68.01565 30 4257535 37 600 44.27302 65 68.10188 30 4287018 38 600 44.27302 65 68.18826 30 4316591 39 600 44.37302 65 68.27478 30 4346252 40 600 44.47302 65 68.36146 30 4376002 6. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác thiết kế và lựa chọn giá khung thủy lực di động phục vụ khai thác than hầm lò. Các kết quả nghiên cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị tư vấn thiết kế mỏ và thiết bị mỏ, cho các nhà quản lý, làm tài liệu giảng dạy đại học và sau đại học.
27. 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ 1. Bùi Thanh Nhu, Đinh Văn Chiến, “Phương pháp tính toán lựa chọn một số thông số hợp lý cho cột chống của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác mỏ hầm lò hầm lò”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 09 (9/2013), Trang 12 - 15. 2. Bùi Thanh Nhu, Đinh Văn Chiến, “ Về một phương pháp kiểm nghiệm mái trên của giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 04 (4/2013) Trang 64 - 67. 3. Đinh Văn Chiến, Bùi Thanh Nhu, Báo cáo Hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc về cơ khí lần III (4/2013), “Nghiên cứu, tính toán, mô phỏng và kiểm tra tiêu chí kỹ thuật của giá thuỷ lực dạng khung dùng trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh”, NXB Khoa học và Kỹ thuật - Hà Nội - tháng 4/2013” Trang 127 - 133. 4. Đinh Văn Chiến, Bùi Thanh Nhu “Nghiên cứu ảnh hưởng của đế cột thủy lực đến khả năng chống của giá khung di động ZH2000/15/35Z dùng trong khai thác hầm lò’’, Tạp chí Công nghiệp mỏ, (Số 4/2009) Trang 59 - 61. 5. Bùi Thanh Nhu “Nghiên cứu lựa chọn giá chống thủy lực dùng phù hợp với máy khấu trong khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh”, Đề tài NCKH cấp trường Năm 2010 – 2011, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Báo cáo nghiệm thu tháng 06/2011, Đạt loại Xuất sắc. 6. Bùi Thanh Nhu “Tính toán so sánh một số thông số của giàn chống tự hành và giá khung thủy lực di động dùng trong khai thác than hầm lò tại công ty than Nam Mẫu”, Kỷ yếu hội nghị khoa học lần thứ 2, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh tháng 5/2012, Trang 35 - 40.