Bài giảng Cửa van

Chương 7. Cửa van Chương 7 CỬA VAN 7.1. Khái niệm và phân loại 7.1.1. Khái niệm Cửa van là một bộ phận của CTTL bố trí ở các lỗ tháo nước của đập nhờ đó người ta điều khiền được dòng nước, các CTTL có cửa để tháo nước, các cửa này được đóng mở bằng bằng cách kéo van mà có thể đóng mở điều tiết lưu lượng dòng chảy theo ý muốn. Nhịêm vụ cửa van: + Điều tiết nước: tháo nước, cấp nước; + Tháo cát bùn và các vật nổi, theo yêu cầu sử dụng tùy theo yêu cầu; + Cửa van có thể bố trí trên đỉnh đập hoặc dưới sâu tuỳ theo yêu cầu sử dụng hoặc khai thác. 7.1.2. Phân loại + Dựa theo điều kiện công tác, phương thức truyền động, phương thức truyền lực mà người ta chia làm 2 loại: cửa van trên mặt và cửa van dưới sâu. 7.1.2.1. Cửa van trên mặt Khi đóng đỉnh van nhô hẳn lên khỏi mặt nước. Loại cửa van này thường thấy ở đập tràn, cống lộ thiên. 7.1.2.2. Cửa van dưới sâu Khi đóng cửa ngập sâu trong nước và chịu áp lực nước lớn.Theo cách truyền lực phân ra cửa van truyền lực cho mố trụ và cửa van truyền lực cho ngưỡng đáy. Hình 7- 1: cửa van phẳng Khi thiết kế cửa van cần đảm bảo một số yêu cầu cấu tạo đơn giản, lực đóng mở nhẹ, đóng mở nhanh, lắp ráp sửa chữa dễ dàng giá thành hạ. Vật liệu xây dựng cửa: bằng thép, gỗ ,bêtông cốt thép. Tuỳ theo từng quy mô lớn nhỏ mức độ quan trọng và điều kiện làm việc của cửa van mà chọn cho thích hợp. 7-1 Chương 7. Cửa van Hình 7- 2: cửa van kiểu phao 7.2. Cửa van phẳng 7.2.1. Khái niệm Là loại đựơc sử dụng phổ biến nhất vì cấu tạo đơn giản, lắp ráp dễ dàng dùng được cho cửa trên mặt và cửa dưới sâu, tác dụng chắn nước, điều tiết lưu lượng tốt. Tuy nhiên nó có nhược điểm lực kéo khi mở cửa tương đối lớn, tốc độ đóng mở không nhanh, khe van khá sâu nên mố trụ dày. Cửa van có thể làm một hoặc nhiều tầng ,cửa van một tầng khi mực nước thấp, khi mực nước cao thì cầu công tác lớn, trong trường hợp này thì làm cửa van hai tầng hoặc có bộ phận quay được. 7.2.2. Cấu tạo cửa van phẳng Bộ phận chính: bản mặt dầm chính, dầm phụ, dầm đứng, cột biên Bộ phận phụ: bộ phận đỡ cửa và bộ phận chống rò rỉ 6 8 6 3 2 1 5 141 5 16 1.Dầm chính 2.Dầm đứng . 3.Dầm ngang phụ. 4.Bản mặt 5.Thanh giằng chéo 6.Trụ biên. 7.Bánh xe lăn. 8.Thiết bị chống rò . Hình 7- 3: Cấu tạo cửa van phẳng 7.2.2.1. Bản mặt - Dùng để chắn nước làm bằng bê tông cốt thép, gỗ: ( )[ ]u pna σηδ 212 . += (mm) (7.1) [σ]: ứng suất cho phép về uốn của vật liệu làm bản mặt; 7-2 Chương 7. Cửa van b an = ; a: Chiều ngắn ô bản; b: Chiều dài ô bản; P: áp lực nước đơn vị tác dụng ô bản mặt (kg/cm2); ϕ: hệ số phụ thuộc: + Tự do: ϕ = 1,1; + Ngàm 2 đầu: ϕ = 1,0; + Ngàm 4 mặt: ϕ = 0,75; + Khi bản mặt kết dính bằng đinh tán. ∆ = σ + 1m > 6mm; Theo công thức (7.1) ta thấy σ phụ thuộc vào P, P tăng theo chiều sâu nên σ cũng tăng theo chiều sâu nhưng thực tế không có loại thép thay đổi vì vậy có hai cách giải quyết: 1.Thay đổi khoảng cách giữa các dầm từ trên xuống 2. Hàn thêm các bản thép vào phần dưới . 7.2.2.2. Áp lực nước tác dụng lên các phân tố cửa van Hình 7- 4: Sơ đồ tính Được xác định theo từng vùng bằng nhau và áp lực tác động phân phối theo quy luật tam giác, trong giới hạn một khung dầm. Lực truyền cho các tấm bản mặt lên dầm và trụ đứng. 7.2.2.3. Dầm ngang phụ Dầm ngang phụ, chịu áp lực nước truyền từ bản mặt rồi truyền sang dầm đứng. Dầm ngang phụ được lấy theo định hình và có thể có như dầm liên tục kê trên các gối. Đối với cửa van có cột nước lớn thì dùng thép T làm dầm ngang phụ. 7.2.2.4. Dầm đứng Chịu lực tương đối ít, chịu tác dụng của dầm ngang truyền vào, lấy theo định hình hoặc tính toán. 7.2.2.5. Dầm ngang chính 7-3 Chương 7. Cửa van Chịu lực lớn ,dầm chính chỉ gác lên 2 trục biên (trụ van). Nó là một dầm đơn giản kê trên hai gối. Trong cửa van phẳng có từ hai dầm chính trở lên, cửa van phẳng trên đỉnh đập thường có kích thước như sau: )(1 HL H L ≈> L: Chiều dài cửa van; H: Chiều cao cửa van; Cửa van đặt dưới sâu do chịu tác dụng áp lực nước nên đặt nhiều dầm chính. Dầm chính thường có kết cấu loại dàn bằng thép chữ I hoặc cũng có thể làm dầm đơn giản hoặc dầm tổ hợp. Độ võng cho phép của dầm chính: + Loại dầm thép và giản đơn: Độ võng vĩnh cửa f ≤1/750; Độ võng tạm thời f≤1/500. + Loại dàn: Độ võng vĩnh cửa f ≤1/1000; Độ võng tạm thời f≤1/750. 7.2.2.6. Xác định vị trí dầm ngang chính Nguyên tắc chọn vị trí dầm ngang chính là sao cho áp lực nước truyền xuống đều nhau khi bố trí dầm chính cần chú ý: Mút thừa h > 0,45H, khoảng cách a không quá nhỏ amin = (0,35÷0.4)H. Lấy b sao cho α ≤ 600 không được quá nhỏ vì lấy nhỏ quá sinh ra chân không và chấn động. Cách xác định vị trí dầm ngang chính: Phương pháp vẽ: + Nếu đặt 3 dầm chính thì chia chiều cao H ra làm 3 phần bằng nhau; + Lấy A làm tâm quay có bán kính Ab, Ac cắt đường tròn đường kính AB tại b’, c’; + Kéo ngang cắt biểu đồ áp lực nước tại và c'''''' , ccbb '''b ’’’ chia tam giác KDF ra thành 3 phần bằng nhau có áp lực nước là W1,W2,W3.Tìm trọng tâm của hình tam giác và hình thang. Đó chính là vị trí dầm ngang chính. 7-4 Chương 7. Cửa van a h H α b Hình 7- 5: Cách chọn vị trí dầm ngang chính Hình 7- 6: Sơ đồ tìm vị trí dầm ngamg chính đối với cửa van trên mặt + Nếu đặt cửa van dưới sâu thì ta làm ngược lại quá trình trên. Khi đặt n dầm chính thì ta chia H thành n phần bằng nhau và quá trình đó ta làm như sau: + Tìm chiều cao H’ + Chia H’ thành n phần bằng nhau Hình 7- 7: Sơ đồ tìm vị trí dầm ngamg chính đối với cửa van dưới s 7.2.2.7. Bộ phận đỡ cửa van 7-5 Chương 7. Cửa van Đây là bộ phận liên hệ giữa cửa van và trụ biên, nó nâng đỡ cửa van và truyền lực từ cửa van sang trụ biên đồng thời làm cho các bánh xe lăn khi đóng mở. 7.2.3. Xác định lực đóng mở của van Lực đóng mở cửa van phụ thuộc nhiều yếu tố như trọng lượng bản thân cửa van, hình thức liên kết với cửa van và bệ đỡ trong quá trình chuyển động như hình thức trượt hay có bánh xe lăn. 7.2.3.1. Cửa van trượt Bộ phận đỡ cửa van là phần cố định, khi cửa van chuyển động thì nó trượt lên nhau, do đó loại này lực ma sát sinh ra rất lớn. Lực kéo cửa van P1, và đóng P2. Được tính theo công thức sau: P1 = k1.G + k2.(T1+T2) (7.1) P1 = k’.[k2.(T1+T2) – k1.G] (7.2) k1, k2, k’: hệ số an toàn k1 = 1,1; k2 = 1,2; k’ = 1,25. G: trọng lượng bản thân cửa van; T1: lực ma sát tại chỗ tiếp xúc của cửa van với bộ phận đỡ tựa; T2: Lực ma sát tại chỗ tiếp xúc của bộ phận chắn nước chống rò rỉ. + Trường hợp có thêm đối trọng thì công thức (7.1) phải trừ đi trọng lượng đối trọng Gđ; còn công thức (7.2) phải cộng thêm trọng lượng đối trọng Gđ . + Đối với cửa van bằng thép, để xác định trọng lượng của cửa có thể dùng công thức của Laupman: Trọng lượng trung bình của một m2 cửa được xác định theo công thức: )1..(600 3 2 −= lHg o (7.3) Với )/(70001900 2mNg ≤≤ Ho: cột nước tính đến trọng tâm lỗ; l: chiều rộng của lỗ; Trọng lượng toàn bộ cửa van: G = g.H.lo (7.4) H: chiều cao cửa van; lo: chiều rộng cửa van. + Lực ma sát ở thiết bị chắn nước T2 được xác định theo công thức: T2 = f.a.h12 (7.5) Trong đó: f: hệ số ma sát của vật liệu làm vật chắn nước và mố trụ tra bảng 16-1/186; a: chiều rộng của thiết bị chắn nước. a = 0,15-0,2m; h1 : chiều sâu nước thượng lưu tính đến đáy cửa van. 7-6 Chương 7. Cửa van Nếu cửa van tỳ vào thanh kim loại gắn chặt ở mố trụ mà giữa chúng là tiếp xúc trượt, lực ma sát T1 được tính theo công thức: T1 = f.W (7.6) W: tổng áp lực nước tác dụng lên cửa van; f: trị số ma sát trượt tra bảng 16-1/186; 7.2.3.2. Cửa van có bánh xe lăn trên đường ray Để giảm lực ma sát ở một số cửa van lớn hay cửa van dưới sâu dùng loại bánh xe chuyển động lăn trên đường ray gắn vào mố trục (như hình vẽ). Hình 7- 8: Cấu tạo của cửa van có bánh xe lăn Nếu tổng trọng lượng nước tác dụng lên của van là W, số bánh xe là n thì lực tác dụng lên 1 bánh xe Q = W/n lực kéo cửa van xác định theo công thức: P ≥ K1 . G + T1 . K2 (7.2) T1: lực ma sát được tính theo công thức sau: T1 = T0 . n (7.3) T0: lực ma sát do 1 bánh xe, lực kéo tối thiểu P phải căn bằng với lực T0 T0.R = f . Q.r + f1.Q (7.4) => T0 = ( 1. frfR Q + ) (7.5) Q: áp lực tác dụng lên một bánh xe; f: hệ số ma sát giữa bánh xe với trục của nó; f1: hệ số ma sát lăn giữa bánh xe với răng của nó (tra bảng). R = [ ]nb Q σ.2 (7.6) [σ]n: ứng suất cho phép cửa van làm bánh xe; b: chiều rộng đỉnh ray. Vậy T1 = n . T0 = ( 1. frfR W + ) (7.7) 7.3. Cửa van hình cung 7.3.1. Khái niệm. 7-7 Chương 7. Cửa van Cửa van hình cung là loại cửa van có bản chắn nước cong mặt trụ. Sau tấm chắn nước là hệ thống dầm tựa vào càng, chân càng dựa vào trục quay gắn vào mố trụ. Chuyển động khi nâng hạ là chuyển động quay. Ưu điểm: lực kéo cửa van nhỏ so với cửa van phẳng, đóng mở trụ nhanh, dễ dàng, điều tiết khá tốt, mố trụ có thể làm mỏng so với cửa van phẳng. Nhược điểm: có kết cấu phức tạp, các bộ phận đỡ ở xa bộ phận chắn nước, kích thước các dầm lớn. Cửa van hình cung bao gồm bản chắn nước, hệ thống dầm, càng đỡ và khớp quay, hệ thống dầm cùng bố trí theo nguyên tắc ở mọi chỗ bản mặt chịu lực như sau, các dầm chính chịu lực như nhau để tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu. 7.3.2. Lực tác dụng lên cửa van Hình 7- 9: Sơ đồ áp lực nước tác dụng cửa van hình cung 7.3.2.1. Áp lực nước Áp lực nước thượng lưu W tác dụng lên cửa van là hợp lực của W1 và W2: W = 2221 WW + (7.8) W1 = lH ...2 1 2 1γ (7.9) Trong đó: l: chiều dài nhịp van; γ: trọng lượng riêng của nước; Áp lực nước W2 bằng trọng lượng khối nước ABC. Điểm đặt cách tâm O 1 khoảng l2 . Tị số l2 được xác định theo phương trình sau: W1.l1 - W2 .l2 = 0 7.3.2.2. Trọng lượng cửa van Trọng lượng của cửa van bằng thép tính theo công thức của A.R.Bêzimski: G = 1500F. 4 F (N) (7.10) F: đường kính bản chắn nước, tính bằng m2. 7.3.3. Xác định lực mở cửa van 7-8 Chương 7. Cửa van Hình 7- 10: Sơ đồ tính lực đóng mở cửa van α Lực mở P1 xác định theo công thức: P1 = K1 . T0 + K2 (T1 + T2) (7.11) To: lực để thắng trọng lượng bản thân; T1: lực ma sát tại khớp quay; T2: lực ma sát tại thiết bị chắn nước; T0 = G. 4 3 l l G: Trọng lượng cửa van; l3 : Khoảng cách từ b đến bo Lực ma sát T1 = 4 .. l rQf f: Hệ số ma sát trượt (16-1/186); r: Bán kính trục tại khớp quay; Q: Lực tác dụng tổng hợp tai khớp quay; Q= WGo + W: Áp lực nước tĩnh truyền lên khớp G0: Trọng lượng bản thân truyền lên khớp quay được tính theo công thức: G0 = )cos.1.( 4 3 α l l b − α:góc giữa phương thẳng đứng và phương dây kéo Lực kéo T2 để thắng thiết bị chắn nước ở hai bên được xác định: T2 = 4 ) 2 ('. l eRPf + f’: hệ số ma sát giữ vật liệu làm thiết bị chắn nước và vật liệu làm mố trụ; P: áp lực nước nước tác dụng lên thiết bị chắn nước; 7-9 Chương 7. Cửa van e: Chiều rộng của thiết bị chắn nước. 7.3.4. Một số nguyên tắc bố trí và cấu tạo Cửa van hình cung bao gồm: Bản chắn nước hệ thống dầm, càng đỡ và khớp quay. Hệ thống dầm cũng bố trí theo nguyên tắc ở mọi chỗ bản mặt chịu lực như nhau để tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu. Hình 7- 11: Cấu tạo cửa van 1.Bản chắn nước 2.Dầm chính 3.Dầm phụ 4.Cột đứng 5.Khớp quay 7-10