Nghiên cứu lực ma sát, lực va đập và lực Coriolis tác động lên thùng trục trục tải giếng đứng
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
NGHIÊN CỨU LỰC MA SÁT, LỰC VA ĐẬP VÀ LỰC CORIOLIS
TÁC ĐỘNG LÊN THÙNG TRỤC TRỤC TẢI GIẾNG ĐỨNG
Tạ Ngọc Hải
Hội Khoa học Công nghệ Mỏ Việt Nam
Vũ Đình Mạnh, Đào Văn Oai
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ- Vinacomin
Biên tập: ThS. Phạm Chân Chính
Tóm tắt:
Bài báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu về lực ma sát, lực va đập và lực Coriolis tác động lên
thùng trục của trục tải giếng đứng mỏ hầm lò. Trên cơ sở đó, đưa ra các khuyến nghị trong tính toán,
sử dụng, lựa chọn các thông số khi thiết kế thùng trục.
1. Đặt vấn đề
dùng cho đường dẫn chế tạo từ các thanh dẫn
Trong trục trải giếng đứng mỏ than hầm bằng thép ray với vận tốc nâng thùng trục nhỏ
lò, thùng trục (skip, thùng cũi) là thiết bị quan hơn 8m/s. Dẫn hướng đàn hồi, con lăn (dẫn
trọng. Độ an toàn, tin cậy khi làm việc của nó hướng con lăn) dùng cho đường dẫn chế tạo từ
ảnh hưởng tới độ an toàn, tin cậy của các thiết các thanh thép hộp với vận tốc nâng lớn. Trong
bị trong hệ thống nói riêng, của cả hệ thống nói đó, mỗi con lăn có bộ phận giảm chấn riêng,
chung. Để đảm bảo thùng trục làm việc an toàn, bề mặt được bọc cao su. Để đảm bảo an toàn,
cần tính toán bền kết cấu thùng trục. Thông số thùng trục lắp dẫn hướng con lăn vẫn phải trang
đầu vào để tính toán bền là các lực tác động lên bị thêm dẫn hướng cứng. Lúc đó, dẫn hướng
thùng trục. Hiện nay, trong tính toán, lực tính này làm nhiệm vụ dẫn hướng an toàn.
toán hay còn gọi là lực tiêu chuẩn chỉ bao gồm
tải trọng do khối lượng bản thân thùng trục và
2.2. Lực ma sát
Trong khi làm việc, có nhiều yếu tố tác động
hàng vận chuyển trong thùng trục. Một số lực lên các thiết bị của trục tải giếng đứng. Ngoài ra,
tác dụng phụ khác chưa tính đến, trong đó có các thiết bị của hệ thống cũng tác động qua lại
lực ma sát, lực va đập và lực Criolis tác động với nhau [1,2,3]. Đối với thùng trục, khi làm việc
lên thùng trục. Để chính xác hơn trong tính toán nó tác động vào đường dẫn cốt giếng. Vì vậy,
kết cấu thùng trục, cần khảo sát, đánh giá các giữa dẫn hướng và đường dẫn xuất hiện lực
lực này.
2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Kết cấu dẫn hướng thùng trục
ma sát. Lực ma sát tác động từ thùng trục tới
đường dẫn của cốt giếng bao gồm: Lực ma sát
trượt khi dùng dẫn hướng cứng; Lực ma sát lăn
Trong khi làm việc, thùng trục chuyển động khi dùng dẫn hướng con lăn.
lên xuống nhờ lực của cáp nâng, dọc theo
đường dẫn hướng của cốt giếng. Do cốt giếng sau:
có đường dẫn cứng (cốt giếng cứng) được sử
dụng phổ biến hơn cốt giếng có đường dẫn
bằng cáp thép, vì vậy ở đây chỉ xem xét thùng
trục làm việc với cốt giếng cứng. Liên kết giữa
thùng trục và đường dẫn hướng được thực hiện
Lực ma sát được tính theo các công thức
(1)
(2)
Trong đó: N- Phản lực tác động từ đường
bằng các thanh dẫn hướng, lắp cố định trên dẫn lên dẫn hướng, N;
thùng trục. µt, µl- Hệ số ma sát trượt và ma sát lăn của
Dẫn hướng của thùng trục có các loại: Dẫn dẫn hướng thùng trục ( µt=0,4; µl=0,01÷0,02m)
hướng cứng, trượt: Kiểu kín (hình 1b), kiểu hở [6].
(hình 1a,c); Dẫn hướng đàn hồi, con lăn (hình
Phản lực từ đường dẫn là đại lượng véctơ,
2).
xác định theo công thức:
Dẫn hướng cứng, trượt (dẫn hướng cứng)
(3)
N = Nm + Nb
KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
40
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Hình 2. Dẫn hướng đàn hồi, con lăn của thùng trục
Hình 1. Dẫn hướng cứng, trượt của thùng trục
a,c. Kiểu hở; b. Kiểu kín
a. Thanh dẫn thép ray; b.Thanh dẫn thép hộp
Trong đó:
Trong đó: A, B- Các hệ số phụ thuộc vào
bước cốt giếng, loại đường dẫn và loại dẫn
Nm, Nb –Phản lực theo hướng mặt và hướng hướng của thùng trục (xem bảng 1).
bên từ đường dẫn tác động lên dẫn hướng; N.
Lực ma sát giữa đường dẫn vào thùng trục,
In- Cường độ nâng; MJ
Phạm vi áp dụng của cơ cấu dẫn hướng
bằng tổng lực ma sát giữa đường dẫn và các thùng trục, trên quan điểm giới hạn hợp lý của
dẫn hướng của thùng trục, vì vậy:
lực ma sát tác dụng lên thanh dẫn giới thiệu
trong bảng 2.
2.3. Lực va đập khi dẫn hướng con lăn
chuyển động qua vị trí nối của đường dẫn
Khi lắp đặt, sai lệch bề mặt làm việc giữa đầu
các thanh dẫn nối tiếp nhau của đường dẫn phải
(4)
(5)
Trong đó: Fmst , Fmsl – Lực ma sát trượt và ma nằm trong phạm vi sai số nhất định theo thiết kế
sát lăn giữa đường dẫn và thùng trục, N; để đảm bảo êm dịu của thùng trục khi chuyển
n- Số lượng dẫn hướng của một thùng trục; động qua các vị trí nối này. Tuy nhiên, trong quá
Pmi , Pbi- Lực từ dẫn hướng thứ i phía mặt và trình vận hành, do tác động từ thùng trục, cũng
phía bên tác động lên đường dẫn, N.
như do biến dạng của vỏ giếng, tại vị trí nối có
Theo kết quả nghiên cứu, lực ma sát tỷ lệ thể có khe hở, sai lệch về các phương của hai
thuận với cường độ nâng. Trên hình 3 thể hiện đầu nối thanh dẫn vượt quá sai số này. Những
mối quan hệ này. Mối quan hệ này có thể thể sai lệch này gây ra va đập với dẫn hướng thùng
hiện gần đúng bằng công thức:
trục khi qua vị trí nối thanh dẫn. Đối với dẫn
hướng con lăn, khi chuyển động qua vị trí nối,
(6)
Bảng 1. Hệ số A và B để xác định lực ma sát tác dụng lên thùng trục [6]
Hệ số
Ghi chú
Cơ cấu dẫn hướng
Đường dẫn
Bước cốt giếng, m
A
B
3,125
4,168
6,25
3
4
6
8,62
4,22
1,4
0,537
0,254
0,0951
4,04
3,87
3,68
0,21
0,195
0,191
Cứng, trượt
Thép ray
Thép hộp
Đàn hồi, con lăn
KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
41
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Hình 3. Đồ thị quan hệ lực ma sát và cường độ nâng [6]
a) Ma sát trượt; b) Ma sát lăn
Bảng 2. Phạm vi áp dụng các loại dẫn hướng [6]
Khối lượng thùng trục,
tấn
Bước cốt giếng 3(3,125)m
Vận tốc lớn nhất thùng trục; m/s
10,9
20,3
30
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Cứng, trượt
45
Đàn hồi, con lăn
4 (4,168)m
60,9
100
10,9
20,3
Cứng, trượt
30
45
60,9
100
Đàn hồi, con lăn
6 (6,25)m
10,9
20,3
30
Cứng, trượt
45
Đàn hồi, con lăn
60,9
100
sẽ xuất hiện tải trọng tĩnh và động.Trên hình 4 thanh dẫn, N;
thể hiện sơ đồ lực tác động giữa dẫn hướng con
vận tốc của điểm C và E tại
lăn và đường dẫn tại vị trí nối hai thanh dẫn.
Trong hình 4, có:
thời điểm bắt đầu va đập, m/s;
- vận tốc của điểm C và E sau khi
P- Lực tác động phía mặt từ thùng trục tới
va đập, m/s;
KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
42
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
phần của hệ [5].
(8)
Động lượng theo phương x và phương y là:
Trong đó:
Hình 4. Sơ đồ lực tác động giữa dẫn hướng con lăn
và đường dẫn tại vị trí nối hai thanh dẫn
H- Khoảng cách từ tâm bánh xe dẫn hướng
con lăn tới trọng tâm thùng trục, m;
R- Bán kính bánh xe dẫn hướng, m;
m, M- Khối lượng bánh xe dẫn hướng và
thùng trục khi đầy tải, kg;
Dh- Chênh lệch giữa mặt lăn của hai thanh
dẫn tại vị trí nối, m;
V- Vận tốc thùng trục, m/s;
r - bán kính quán tính qui đổi của thùng trục,
m;
w2- vận tốc góc tức thời sau khi va đập, rad/s;
- Động lượng va đập, kg.m/s.
Khi bánh xe tiếp xúc với điểm D, bánh xe bị
va đập. Chuyển động tịnh tiến của thùng trục
và bánh xe tức thời thay đổi thành chuyển động
quay quanh D. Lập hệ tọa độ xDy gắn với điểm
D và viết phương trình biến đổi mô men động
lượng ta có:
(7)
Trong đó: LD1, LD2- Mô men động lượng quanh
điểm D, kg.m2/s;
- Động lượng va đập của ngoại lực tác
động lên điểm D, kg.m/s.
với a, b là khích thước chiều cao theo phương
x và chiều rộng theo phương y, m;
Theo điều kiện bài toán mômen động lượng
Trên hình 5 trình bày đồ thị mối phụ thuộc
động lượng va đập và vận tốc thùng trục tại vị
trí nối.
Ngoài việc thay đổi hướng động lượng
chuyển động, tại vị trí mối nối xảy ra sự phân bố
lại tải trọng khai thác (hoạt tải) theo phía mặt và
phía bên, tùy theo phương lệch của đầu thanh
có
=0, do đó LD1=LD2. Giải phương trình
=0 và với các thông số
(7) với điều kiện
hình học của bánh xe dẫn hướng con lăn, của
thùng trục, với các thông số động học khi va
đập tại vị trí nối thanh dẫn, áp dụng định lý biến
đổi động lượng chuyển động của hệ thùng trục
– bánh xe khi va đập có được động lượng toàn
Hình 5. Đồ thị quan hệ động lượng va đập và vận tốc nâng tại vị trí nối [6].
a) Thành phần theo phương đứng; b) Thành phần theo phương ngang
KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
43
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
dẫn tại vị trí nối.
chuyển động tương đối so với giếng, thùng trục
sẽ có gia tốc Coriolis [7], xác định theo công
thức:
(10)
Trong đó: Pnd- Lực thành phần tại vị trí nối
theo phương đứng, N;
Trong đó:
trái đất;
- Véc tơ vận tốc chuyển động tương
w
- Véc tơ vận tốc góc quay của
P
m(b)- Lực mặt (hoặc bên) tác dụng lên đường
dẫn tại vị trí nối, N;
đối của thùng trục so với giếng. Véc tơ vận tốc
góc của trái đất hướng theo trục trái đất về phía
bắc, còn véc tơ gia tốc Coriolis tiếp tuyến với
dường vĩ tuyến tại vị trí đặt giếng đứng. Hướng
véc tơ được xác định tùy theo hướng chuyển
động của thùng trục: Khi thùng trục chuyển
động từ trên xuống đáy giếng (hướng vào tâm
trái đất), vec tơ có hướng về phía tây còn khi
thùng trục chuyển động lên (rời ra tâm tái đất)
véc tơ có hướng về phía đông.
Pnm(b)- Lực thành phần phía mặt (hoặc bên)
theo phương ngang, N;
(11)
Cuối cùng có:
(12)
(13)
Giá trị tuyệt đối của véc tơ gia tốc Coriolis
Kết quả tính toán tải trọng theo phương
ngang và đứng, phụ thuộc vào tải trọng thùng
trục khi đi qua vị trí nối bị lắp đặt không chính
xác trình bày trên hình 6.
xác định theo công thức:
Trong đó: j- Vĩ độ đặt giếng, độ;
Lực Coriolis xác định theo công thức:
2w
g
kk =
cosj
Trong đó:
- Hệ số tính tới vĩ độ xây dựng giếng, vận tốc
góc quay của trái đất, gia tốc rơi tự do, s/m;
Qk- Tải trọng lớn nhất tác dụng lên cáp nâng;
N.
Do thùng trục có giai đoạn chuyển động có
gia tốc, Qk xác định theo công thức:
Hình 6. Đồ thị quan hệ tải trọng khai thác do sai
lệch lắp ráp Dh ở vị trí nối thanh dẫn [6]
Đường kính con lăn: a, b- Æ160 mm; c,d- Æ250
mmHướng tải trọng: a,c- Tải trọng ngang; bd- Tải
trọng đứng
Qk=M (g+a)
(17)
2.4. Lực Coriolis
Trong đó: M- Khối lượng thùng trục kể cả
bánh xe khi đầy tải, kg;
Trong hệ thống trục tải giếng đứng, thùng
trục chuyển động theo phương thẳng đứng của
giếng. Nếu xem xét đến cả chuyển động quay
của trái đất quanh trục của mình, thì thùng trục
tham gia vào chuyển động phức tạp: Chuyển
động tương đối của thùng trục so với giếng và
chuyển động mang do trái đất quay. Vận tốc góc
g, a- Gia tốc rơi tự do và gia tốc lớn nhất đo
được bằng đồng hồ ghi của thùng trục, m/s2;
Gia tốc a lớn nhất tại các giếng đứng vùng
Đonbas ghi nhận được có thể đạt 75m/s2[5].
Các mỏ than lớn tại Việt Nam nằm tập trung
tại tỉnh Quảng Ninh, nằm trong vĩ độ từ 20040’
đến 21040’ (trung bình 21010’) vĩ độ bắc [8]. Gia
tốc thùng trục theo biểu đồ nâng của các giếng
đứng Mông Dương, Hà Lầm và Núi Béo ~0,75m/
w của trái đất như sau:
w=2p/24 x 60 x60= 1/13.700 rad/s
Trong trường hợp này, ngoài gia tốc khi
KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
44
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
s2. Sử dụng kết quả đánh giá gia tốc a =75m/s2 , xuất hiện thành phần động lượng va đập ngang,
đánh giá lực Coriolis tác động lên thùng trục hệ có thể đạt 1.200÷3.600 kg.m/s. tùy theo tải trọng
thống trục tải giếng đứng xây dựng tại Quảng thùng trục (xem hình 5).
Ninh. Kết quả thể hiện bằng hình 7.
Tăng đường kính con lăn của dẫn hướng
Kết quả tính toán cụ thể lực Coriolis tác dụng từ 160 mm lên đến 250 mm có thể giảm thành
lên skip các giếng đứng tại Quảng Ninh trình phần tải trọng khai thác theo phương đứng và
bày trong bảng 3.
ngang được 2÷5% (xem hình 6). Thực tế cho
thấy rằng, tải trọng do va đập khi cơ cấu dẫn
hướng chuyển động qua vị trí nối thậm chí có
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Lực ma sát
Phân tích kết quả cho thấy, do dẫn hướng thể làm mất khả năng làm việc, bật thùng trục
cứng có hệ số ma sát lớn, lực ma sát tác dụng ra khỏi đường dẫn tại đó, tăng độ mòn tại vị trí
dọc đường dẫn có thể đạt 40% tổng tải trọng nối và các hậu quả tiêu cực khác. Nếu trên một
ngang tác động lên thanh dẫn của đường dẫn sàn cốt giếng cùng bố trí 02 mối nối đường dẫn
(m=0,4). Vì vậy, phạm vi sử dụng cơ cấu dẫn phục vụ một thùng trục thì có thể xảy ra nguy cơ
hướng loại này bị hạn chế vì phụ thuộc nhiều tăng hai lần tải trọng tại các vị trí nối, dẫn đến
vào bước cốt giếng và cường độ nâng của hệ dễ xảy ra sự cố.
thống trục tải (xem hình 3 và bảng 2). Sử dụng
Theo đồ thị trên hình 5, có thể thấy, với vận
dẫn hướng con lăn cho phép giảm lực tác động tốc và khối lượng skip khi đầy tải như trong
lên đường dẫn 15÷20 lần (phụ thuộc vào bước bảng 3 thì động lượng khi va đập của Skip mỏ
cốt giếng và vận tốc nâng) do giảm lực ma sát. Núi Béo theo hướng đứng là 102 tấn.m/s , theo
Vì vậy đối với hệ thống trục tải cường độ nâng hướng ngang là 1,05 tấn.m/s, còn của mỏ Hà
lớn nên sử dụng dẫn hướng con lăn.
Lầm tương ứng là 87,73 tấn.m/s và 0,9 tấn.m/s.
Như vậy cần tính đến các lực theo phương
3.2. Lực va đập
Khi chuyển động qua mối nối, do thay đổi đứng khi tính toán thùng trục.
hướng quay của hệ bánh xe- thùng trục, ngoài
thành phần động lượng theo phương đứng,
3.3. Lực Coriolis
Phân tích đồ thị trên hình 7 cho thấy, lực
Coliolis tác dụng lên thùng trục có giá trị đáng
kể khi khối lượng thùng trục lớn (60 tấn đến 100
tấn) và vận tốc cao (15 m/s đến 20 m/s).
Phân tích kết quả tính toán trong bảng 3,
cho thấy, lực tác dụng lên các skip tại khu vực
Quảng Ninh không lớn, cao nhất đạt 806 N, vì
vậy trong tính toán thùng trục có thể không tính
đến lực này.
4. Kết luận
1. Đối thùng trục làm việc với cốt giếng
cứng, khi làm việc chịu tác động của các lực ma
sát, lực va đập khi qua mối nối đường dẫn và
lực Coriolis. Giá trị các lực này tăng khi vận tốc,
Hình 7. Lực Coriolis tác động lên thùng trục tại
khu vực Quảng Ninh
Bảng 3. Lực Coriolis tác dụng lên skip các giếng đứng tại khu vực Quảng Ninh
Skíp
Khối
lượng
Lực Coriolis;
Vận tốc
nâng; m/s
Thông số
Dung
N
Kích thước; m
tích; m3 khi đầy
tải; kg
Giếng skip mỏ Mông Dương
Giếng skip mỏ Núi Béo
Giếng skip mỏ Hà Lầm
7x1,65x1,33
12,9x1,09x2,856
11,3x1,55x2,4
6,6
16,7
16
11.320
38.700
40.400
4
118
806
629
10
8,2
KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
45
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
khối lượng và tải trọng thùng trục tăng;
động đến khả năng làm việc của cốt giếng đứng
2. Đối với thùng trục nên sử dụng dẫn hướng hệ thống trục tải mỏ hầm lò, Công nghiệp mỏ,
con lăn với đường kính con lăn lớn để giảm lực Số 5-2015. Hà Nội.
ma sát và va đập trong khi làm việc. Trong tính
3.Tạ Ngọc Hải và nnk. (2016) Phân loại tải
toán thùng trục với vận tốc, khối lượng và tải trọng tác động lên cốt giếng theo tiêu chuẩn
trọng lớn cần lưu ý đến tải trọng do ma sát và tải trọng và tác động, Thông tin KHCN Mỏ, Số
va đập;
3. Trong lắp lắp đạt và bảo dưỡng đường dẫn
5-2016, Hà Nội.
4. Tạ Ngọc Hải, Nguyễn Đức Linh (2018).
cốt giếng cứng, cần đảm bảo sai lệch mặt lăn Nghiên cứu lực ma sát, lực va đập và lực
của các thanh dẫn tại vị trí nối trong phạm vi cho Coriolis tác động lên thùng trục trục tải giếng
phép, không cùng bố trí 02 mối nối đường dẫn đứng, Công nghiệp mỏ, Số 6-2018, Hà Nội.
phục vụ một thùng trục trên một sàn cốt giếng
để giảm lực va đập tác động lên thùng trục;
5. Võ Trọng Hùng (2012),Thi công giếng
đứng, Nhà xuất bản Khoa học & Công nghệ ,
4. Đối với thùng trục sử dụng tại Quảng Ninh, Hà Nội.
khi tính toán có thể không tính đến lực Coriolis./.
6. Прокопов Ф.Ю и др.,(2005), Новое
решениевпроектированийжесткойармировки
Tài liệu tham khảo:
1. Tạ Ngọc Hải và nnk.(2014), Một số vấn đề вертикальных стволов, Новочерасск.
về thiết kế chế tạo cốt giếng đứng mỏ than hầm 7. Яблонский А.А., Никифорова В.М.
lò, Tuyển tập Hội nghị KHKT Mỏ toàn quốc lần (1966), Курс теоретической механики. Часть
thứ XXIV, Vũng Tàu. I- Статика и кинематика. Изд. Вышая школа.
2. Tạ Ngọc Hải và nnk. (2015), Các yếu tố tác Москва.
Research on the friction, impact and coriolis forces effecting on the sinking
buckets of the vertical shaft mine hoist
Ta Ngoc Hai
Vietnam Mining Science and Technology Association
Vu Dinh Manh, Dao Van Oai
Institute of Mining Science and Technology – Vinacomin
Summary:
The paper represents the research results on the friction, impact and coriolis forces, effecting on
the sinking buckets of the vertical shaft mine hoist. Basing on these results, the paper refers to the
recommendations in calculating, using and selecting parameters for designing the sinking buckets.
KHCNM SỐ 2/2019 * CƠ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HÓA
46
7 trang
16420
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu lực ma sát, lực va đập và lực Coriolis tác động lên thùng trục trục tải giếng đứng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_luc_ma_sat_luc_va_dap_va_luc_coriolis_tac_dong_le.pdf
