BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRẦN XUÂN TRƢỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU
Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy
Mã số : 60.52.04
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013

Công trình đƣợc hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
ngƣ nghiệp phát triển hiện đại, theo kịp với những nƣớc có nền công
nghiệp phát triển …, Vì thế việc tập trung đầu tƣ vào các dây chuyền
sản xuất tự động hóa, nhằm mục đích giảm chi phí sản xuất, nâng cao
năng suất lao động, ứng dụng tự động hoá trên các thiết bị, trên các
công trình thủy lợi phục vụ sản xuất trong nông nghiệp, ngƣ nghiệp cụ
thể là việc ứng dụng PLC vào các dây chuyền sản xuất, các công trình
thủy điện, thủy lợi…
Đất nƣớc ta với vị trí địa lý thuận lợi cho phát triển các âu
thuyền, cho các công trình thủy lợi, giao thông thủy, có nhiều âu tàu,
âu thuyền để phục vụ cho các mục đích tránh trú bão, phục vụ đóng,
sửa chữa tàu thuyền lƣu và thông qua lại. Âu tàu cũng góp phần xả lũ
trong mùa mƣa và ngăn mặn trong mùa khô, điều tiết nguồn nƣớc ngọt
cho vùng đồng bằng ở hạ lƣu.
Vì vậy, việc thực hiện quá trình đóng mở cửa âu tàu bằng tự
động hóa để cho tàu thuyền ra vào là rất quan trọng.
Để phục vụ việc tự động hóa đóng mở cửa âu tàu đƣợc an toàn,
hiệu quả nên tôi đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống đóng
mở cửa âu tàu”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và ứng dụng PLC để thiết kế hệ thống ĐK đóng
mở cửa âu tàu và các công trình liên quan.
2

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu các loại âu tàu, âu thuyền đã và đang đƣợc xây
dựng trong nƣớc và ở các nƣớc trên thế giới.
Nghiên cứu hệ thống đóng mở cửa âu tàu, âu thuyền để thiết kế
hệ thống đóng mở cửa âu tàu điều khiển tự động bằng PLC.
3.2. Phạm vi nghiên cứu

bằng thủy lực
2.1.3. Cơ cấu biến đổi năng lƣợng và hệ thống xử lý dầu
2.1.4. Các loại cảm biến
2.2. Điều khiển thủy lực và điều khiển bằng PLC
2.2.1. Điều khiển thủy lực
2.2.2. Điều khiển PLC
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU
TÀU
3.1. Tính toán lực nâng hạ của hệ thống xi lanh
3.2. Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ cửa âu tàu
3.3. Hệ thống điều khiển thủy lực và chƣơng trình PLC
3.4. Mô phỏng hệ thống điều khiển thủy lực đóng mở cửa âu tàu
bằng Pro/Engeneer
4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. GIỚI THIỆU VỀ NHỮNG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG ÂU
TÀU
1.1.1. Những âu tàu trên thế giới
1.1.2. Những âu thuyền, âu tàu tại Việt Nam
1.2. MÔ HÌNH TỔNG THỂ CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY
DỰNG ÂU TÀU
1.2.1. Khái niệm của âu tàu
1.2.2. Vai trò của âu trong giao thông vận tải
1.3. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU
1.3.1. Hệ thống đóng mở cửa âu tàu
1.3.2. Hệ thống đóng mở van tháo nƣớc cửa âu tàu
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐIỀU
KHIỂN THỦY LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC

2.5. CÁC LOẠI CẢM BIẾN
2.5.1. Cảm biến vị trí đo chiều dài
2.5.2. Cảm biến vận tốc
2.5.3. Cảm biến đo áp suất, lực và mômen xoắn
2.6. ĐIỀU KHIỂN LOGIC THỦY LỰC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC
2.6.1. Điều khiển logic thủy lực
2.6.2. Điều khiển PLC
6

CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU
3.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU Hình 3.1 – Mô hình hệ thống đóng mở âu tàu

tháo nƣớc từ thƣợng lƣu vào trong âu đến khi nƣớc trong âu bằng
mực nƣớc thƣợng lƣu , khi đó cửa âu đƣợc hệ thống xi lanh thủy lực
nâng lên để thuyền đi vào trong lòng âu (hoặc thuyền trong lòng âu đi
ra phía thƣợng lƣu) có cấu tạo nhƣ hình 3.3.

8

Hình 3.3 – Cấu tạo cửa âu tàu
1-Xi lanh thủy lực nâng hạ cửa âu; 2-Giá đỡ xi lanh; 3- cầu thang bộ;
4-Ray dẫn hƣớng cửa âu; 5- Xi lanh nâng hạ van; 6-Bể dầu và bơm
dầu thủy lực; 7- cửa xả nƣớc; 8- gioăng chắn nƣớc; 9- Cửa âu tàu;
3.2. TÍNH TOÁN LỰC NÂNG HẠ CỦA HỆ THỐNG XI LANH
3.2.1. Tính toán lực nâng hạ của van
Khi tính toán lực nâng hạ cần xét tới điều kiện bất lợi nhất của
tải trọng tác động lên cửa van ứng với các vị trí: Cửa van tựa lên
ngƣỡng, cửa mở hoàn toàn, thời điểm bắt đầu nâng cừa rời khỏi
ngƣỡng, hoặc hạ xuống ngƣỡng, mở một phần có xét tới áp lực
thủy động.

c
)+P
h
+V
n
(T) (3.1)
Trong đó:
K
g
- Hệ số tính đến khả năng tăng trọng lƣợng: K
g
= 1,1
K
ms
- Hệ số ma sát chƣa tính đến: K
ms
=1.2
G -Trọng lƣợng toàn bộ của bộ phận động của cửa van: G=3,5(T)
G’ - Trọng lƣợng của gia trọng (T)
T
x
- Lực ma sát của gối tự động khi sử bánh lăn (T)
Ht
H
c
H
v
P
h
h






2
2

(3.3)
Trong đó:

- Trọng lƣợng riêng của nƣớc(T/m
3
):

= 1 (T/m
3
)
H
t
- chiều cao cột áp phía thƣợng lƣu(m): H
t
=7,3 (m)
h
t
- chiều cao chịu tải trọng của cửa bằng khoảng cách giữa 2 vật
chắn nƣớc đứng (bằng khoảng cách từ ngƣỡng đáy đến tâm gioăng
tƣờng ngực):
h
t




tt
tt
lh
hH
P

(T)
f
1
- Hệ số ma sát lăn giữa bánh xe và tấm tỳ: f
1
= 0,1;
f
2
- Hệ số ma sát trƣợt trong bánh xe giữa đồng và thép không rỉ:
f
2
= 0,12 ÷0,25, chọn f
2
= 0,25;
r
0
- bán kính trục bánh xe: r
0
=5 (cm);
r
1

t
- Là chiều cao cột nƣớc thƣợng lƣu (m): H
t
=7,3 (m)
H
c
- Là chiều cao gioăng chắn nƣớc bên (m): H
c
=1,825 (m)
b
c
- Là đƣờng kính gioăng củ tỏi (m): b
c
= 0,04 (m)
l
cn
- Là chiều dài của gioăng chắn nƣớc đỉnh (m): l
cn
=3,73 (m)
f - Hệ số ma sát của gioăng cao su chắn nƣớc với đƣờng trƣợt là
thép không rỉ: f=0,2÷0,5, chọn f=0,5
Nên ta có: T
c
= 2γf(H
t
- H
c
)H
c
b

)
b
c
- Là bề rộng gioăng đáy(m): b
c
= 0,3 (m)
l
c
- Chiều dài chịu tải cửa gioăng đáy(m): l
c
= 3,73 (m)
Nên P
h
= pb
c
l
c
= 600,33,73 = 67,14 kN = 6,714 (T)
Trọng lƣợng cột nƣớc tác dụng lên đỉnh van: V
n
= 0 (T)
Do đó lực cần thiết để nâng đƣợc của van là:
N
n

1,1(G + 0) + 1,2(T
x
+ T
c
) + P

12

P
đ
- là lực đẩy tác dụng lên mép dƣới của cửa van khi van tựa
vào ngƣỡng đáy (T):
P
đ
= 0 (T)
P
t
là lực thấm sinh ra khi cửa van đóng (T) và đƣợc tính theo
công thức:
cctt
lbHP 

2
1
(T) (3.8)
Trong đó:
γ - Khối trọng lƣợng riêng của nƣớc (T/m
3
): γ = 1 (T/m
3
)
H
t
- là chiều cao cột áp phía thƣợng lƣu (m): H
t
=7,3 (m)

+ P
t
- 0,9G’
=1,2(7,97+0,808)+0+4,084– 0,93,5=11,467 (T)
d. Tính toán hệ thống thủy lực nâng hạ van
* Thông số yêu cầu của hệ thống
Xy lanh thủy lực loại tác động 2 chiều;
Số xy lanh: n(cái) n=1
Lực nâng lớn nhất của xy lanh là P
n
(T)
Ta có lực cần thiết để nâng đƣợc cửa van là: N
n
≥ 21,0976 (T)
Hệ thống có 01 xy lanh nên lực cần thiết cho 01 xy lanh là:
P
n
= 21,0976 (T)
Chọn xy lanh có sức nâng lớn nhất là: P
n
=30 (T)
Lực ấn (đóng van) của xy lanh P
a
(T)
Ta có lực cần thiết để ấn cửa van là: N
n
≥ 21,0976 (T)
13

Hệ thống gồm 01 xy lanh nên lực cần thiết cho xy lanh là:

P
S
n
a
(mm
2
) (3.9)
Tỷ lệ giữa đƣờng kính trong xy lanh D
bore
và đƣờng kính cần xy
lanh
=
8.05,0 
D
d
, chọn:  =
5,0
D
d

Đƣờng kính trong xy lanh: D
bore
=
)1(
4
2
a
S
a


bore
=
4
.
2
bore
D

(mm
2
) (3.11)
Vậy: S
bore
=
4
25014,3
2

= 49062,5 (mm
2
)
Diện tích cần piton S
rod
(mm
2
):
14

S
rod

)
Áp suất nâng thực tế (MPa):
p
m
=
64,8
3579697,0
1030
97,0
10
4
4






a
n
S
p
(MPa) (3.13)
Áp suất đóng thực tế (MPa):
p
đ
=
)(433,4
5,4906297,0
100976,21

Thời gian đóng t
đ
(ph): t
đ
=
734,0
3
2,2

h
work
v
S
(ph) (3.16)
* Tính chọn bơm cho hệ thống
Thể tích buồng nhỏ xy lanh V
a
(dm
3
):
V
a
=S
a
S
work
10
-3
(dm
3

-3
=98,125 (dm
3
)
Lƣu lƣợng bơm dầu cần thiết khi mở cửa van (l/ph):
Q
bm
=
592,71
1
592,711
.



m
a
t
Vn
(1/ph)
Lƣu lƣợng bơm dầu cần thiết khi đóng cửa van Q
bd
(l/ph):
15

Q
bd
=
d
bore

3
3




v
v
n
Q
(cm
3
/v) (3.20)
Chọn bơm nguồn có thông số:
Dung tích làm việc riêng của bơm (cm
3
/v): q
v
= 55 (cm
3
/v)
Áp suất của bơm (MPa): p = 280 (MPa)
* Tính chọn động cơ
Hiệu suất truyền động:
9,0


Công suất cần thiết khi mở cửa van (KW):
N
m

đ
=





612
10
1,1
2
vd
nqp
v
(KW) (3.22)
Vậy : N
đ
=
06,7
9,0612
10145055433,4
1,1
2





(KW)
Chọn động cơ có thông số:

= 0,9555145010
-3
= 75,763 (1/ph)
+ Tính chọn đường kính ống dẫn dầu cao áp:
Vận tốc dầu cao áp v
c
(m/s), chọn: v
c
= 6 (m/s)
Đƣờng kính ống dẫn dầu cao áp d
ic
(mm):
d
ic
=
c
b
v
Q



60
104
3
(mm) (3.24)
Vậy: d
ic
=
614,360

(mm) (3.25)
Vậy: s
v
=
628,0
1046,821
5,1
235
20
1046,822



(mm)
Hệ số chịu mòn (mm): c
1
= c
2
= 0,1s
v
= 0,10,628=0,0628 (mm)
Chiều dày ống cần thiết s
p
(mm):
17

s
p
= (s
v

Nên d
ac
=22+ 22,0=26 (mm)
Vận tốc thực của dầu trong ống cao áp w
c
(m/s):
w
c
=
2
3
60
104
ic
b
d
Q



(m/s)
Vậy: w
c
=
324,3
2214,360
10763,754
2
3


it
=25 (mm)
Hệ số an toàn DIN 2413: s=1,5
Giới hạn bền : K=235 (N/mm
2
)
Hệ số công nghệ: v=1
Chiều dày ống theo tiêu chuẩn DIN 2413-1 s
v
(mm):
10220
10



d
dit
v
pv
s
K
pd
s
364,0
10433,421
5,1
235
20
10433,425


= 0,364+0,0364)
402,0
0364,0100
100


(mm)
Chọn chiều dày ống theo tiêu chuẩn: s
v
=2,0 (mm)
Vậy đƣờng kính ống cần thiết: d
at
=d
it
+ 2s
v
=25+22,0 = 29 (mm)
Vận tốc thực của dầu trong ống thấp áp w
t
(m/s):
w
t
=
2
3
60
104
it
b
d

=
32
10
4


cic
Ld

(dm
3
)
Vậy: V
c
=
039,310822
4
14,3
32


(dm
3
)
Thể tích dầu điền đầy đƣờng ống thấp áp V
t
(dm
3
):
V

bore
- V
a
(dm
3
)
Thay số ta có: V
0
=98,125-71,592=26,533 (dm
3
)
Thể tích cần thiết đảm bảo điều kiện vận hành:V=2,5V
0
(dm
3
)
Thay số ta có: V=2,5V
0
=2,526,533= 66,332 (dm
3
)
Chiều dài thùng dầu(dm): D
t
=8,0 (dm)
Chiều rộng thùng dầu(dm): R
t
=4,0 (dm)
19

Diện tích đáy thùng dầu(dm

V
(dm),
Thay số ta có: h
0
=
073,5
32
332,66
5,15,1 
(dm),
Lƣợng dầu hữu ích: T
n
=S
t
h
0
=325,073=162,336 (dm
3
)
Chiều cao lƣu không dầu sánh:h
s
=(1÷5)(dm), chọn h
s
=1,5(dm)
Chiều cao tổng thùng dầu: h
t
=h
0
+h
s

b. Tính toán lực nâng (mở) cửa âu
Hình 3.5 - Sơ đồ lực tác dụng lên cửa âu tàu
Tƣơng tự tính toán nhƣ ở phần tính toán lực nâng hạ cửa van ở mục
3.1.1 ta tính toán đƣợc các thông số nâng hạ cửa âu tàu nhƣ sau:
Lực nâng cần thiết để nâng cửa âu:
N
n
≥ K
g
( G + G’ ) + K
ms
(T
x
+ T
c
) + P
h
+ V
n

N
n
≥ 1,1(G + 0) + 1,2(T
x

n
≥ 205,421(T)
Chọn xy lanh có sức nâng lớn nhất là: P
n
=120(T)
Ta có lực cần thiết để đóng cửa âu là : N
d
≥ 47,190(T).
Lực cần thiết cho xy lanh là: P
d
=23,595(T)
H
t

H
c

H
v
P
H
h

21

Hành trình làm việc của xy lanh S
work
(m): S
work
= 12,7(m)

408,19
6374297,0
10120
97,0
10
4
4






(MPa)
Áp suất đóng thực tế (Mpa):
p
d
=
 
MPa
S
p
a
d
816,3
6374297,0
10595,23
97,0
10
4

h
work
v
S
(phút)
* Tính chọn bơm cho hệ thống:
Lƣu lƣợng bơm dầu cần thiết khi mở cửa âu(l/ph):
Q
bm
=
391,382
234,4
523,8092




m
a
t
Vn
(1/ph)
Lƣu lƣợng bơm dầu cần thiết khi đóng cửa âu(l/ph):
Q
bd
=
d
bore
t
Vn

Công suất động cơ N
dc
(KW): N
dc
= 160 (KW)
Tốc độ động cơ n
dc
v/ph): n
dc
= 1450 (v/ph)
Hệ số công suất: cos(ϕ) = 0,85
Hệ số động cơ: η
dc
= 0,92
Dòng điện làm việc định mức (A) I
n
= 56 (A)
* Tính chọn đường ống.
+ Tính chọn đường kính ống dẫn dầu cao áp:
Vận tốc dầu cao áp chọn : v
c
= 6(m/s)
Chọn đƣờng ống dẫn dầu cao áp (mm): d
ic
= 50(mm).
Chọn chiều dày ống theo tiêu chuẩn(mm): s
v
= 5,0(mm)
Đƣờng kính ngoài của ống cao áp (mm): d
ac

(dm): D
t
=40 (dm)
Chiều rộng thùng dầu R
t
dm): R
t
=20(dm)
Diện tích đáy thùng dầu S
t
(dm
2
): S
t
=D
t
S
t
=4020=800(dm
2
)
Chiều cao lắng cặn h
c
(dm): h
c
=1,5 (dm)
Chiều cao hút nhỏ nhất của bơm(dm): h
hd
=1,5 (dm)
Chiều cao lƣu không dầu sánh h

3.4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
ĐÓNG MỞ CỬA ÂU TÀU BẰNG PHẦN MỀM
PRO/ENGINEER.