Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, nội địa hoá thiết bị máy khoan neo sử dụng khí nén thay thế thiết bị nhập khẩu tại Việt Nam

Hình 1: Hình ảnh một số loại máy khoan neo nhập khẩu

Bảng 2: Thông số kỹ thuật một số loại máy khoan neo nhập khẩu

Với sự tăng trưởng mạnh mẽ của sản lượng lò neo cũng như điều kiện chống neo, các mỏ than hầm lò cũng tăng cường đầu tư mua sắm các dây chuyền thiết bị thi công neo một số mã hiệu điển hình như: Máy khoan neo MYT125/380, MYT160/350 sử dụng nguồn thủy lực; máy khoan neo MQT130/2.8, MQTB80/2.0… sử dụng năng lượng khí nén. Hiện nay mỗi mỏ hầm lò đầu tư trung bình khoảng trên 10 bộ (1 bộ khoan trong 1 gương đào lò bao gồm 1 khoan neo nóc, 1 khoan neo hông và có 1 bộ dự phòng), chính vì vậy thiết bị thi công neo hàng năm các mỏ đầu tư để bổ sung, thay thế là rất lớn.

Hiện nay, các thiết bị khoan neo tại các mỏ hoàn toàn sử dụng thiết bị nhập khẩu. Nhằm mục đích chế tạo nội địa hóa máy khoan neo sử dụng nguồn năng lượng khí nén để thay thế thiết bị nhập khẩu, giúp chủ động cho các đơn vị sản xuất. Tham khảo máy khoan neo nóc MQT130/3.8; neo hông MQTB80/2.5 do Trung Quốc chế tạo Công ty Cổ phần Công nghiệp Ô tô tiến hành nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy khoan neo nóc, neo hông VM-KNN130/3.8 và VM-KNH80/2.5 sử dụng khí nén nhằm chủ động cung cấp thiết bị thi công neo, giảm chi phí giá thành đào lò, khai thác của TKV.

3. Nguyên lý hoạt động của thiết bị khoan neo sử dụng khí nén

3.1. Đặc điểm thiết bị

Máy khoan neo nhập khẩu được áp dụng ở những đường lò có độ cứng của đá: f ≤ 10 với máy khoan neo nóc VM-KNN130/3.8; f ≤ 8 với máy khoan neo hông VM-KNH80/2.5. Thiết bị thích hợp sử dụng trong công tác chống đường lò bằng neo. Khi đó vừa có thể khoan lỗ neo dẻo, vừa có thể khoan lỗ neo cáp, đồng thời còn có thể nhào trộn và lắp đặt các loại neo dẻo, neo cáp, mà không cần các thiết bị khác, vừa có thể bắt vít bulông 1 lần là lắp đặt chắc chắn, đạt được yêu cầu lực siết ban đầu.

Máy có thể tích nhỏ, trọng lượng nhẹ, thao tác đơn giản, duy tu sửa chữa thuận tiện. Môtơ sử dụng khí nén dạng bánh răng, mômen lực lớn, chuyển động nhanh, vận hành ổn định, độ tin cậy cao. Chân khí bằng chất dẻo cốt sợi thủy tinh, an toàn, chống cháy nổ, trọng lượng nhẹ, tính chống mài mòn tốt, thiết kế hợp lý, lực đẩy lớn. Hệ thống điều khiển khí nén được thiết kế 2 đường thải khí, máy khoan hồi chuyển về nhanh, đẩy nhanh được các công đoạn trong công việc, nâng cao hiệu quả làm việc.

Hình ảnh máy khoan neo nóc, neo hông như hình sau:

Hình 2: Hình ảnh máy khoan neo chế tạo

3.2. Nguyên lý làm việc và thông số kỹ thuật máy khoan neo

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy được mô tả như hình 3. Khí nén sau khi qua phin lọc, bộ chứa dầu, phin lọc được đưa vào bộ điều khiển. Dùng tay điều khiển khởi động máy, môtơ kiểu bánh răng dẫn động bằng khí nén sẽ quay, sau khi qua 2 cấp giảm tốc làm quay trục chính của máy xoay theo chiều kim đồng hồ; mômen xoay sẽ khởi động van điều khiển chân khí, khí nén được đưa vào van điều khiển cao tốc, sau đó đưa vào khoang chứa bên trên chân khí, chân khí duỗi dài ra; khi đóng van điều khiển chân khí lại, khí thừa ở khoang trên chân khí sẽ được thải sạch từ van thải khí siêu tốc, chân khí sẽ được quay trở lại dựa vào trong lực của máy khoan. Chuyển động núm xoay khởi động van điều khiển nước, nước phun rửa sẽ lập tức được dẫn qua lưới lọc, van nước, chụp nước, lỗ trong trục chính sau đó đi vào máy khoan, phun rửa lỗ khoan. Dùng bộ điều khiển tay để điều tiết mức độ mở của các van là có thể điều tiết được lượng nước, lực đẩy và tốc độ chuyển động.

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy khoan neo

1- Nguồn khí; 2, 5, 14- Lưới lọc; 3- Bộ chứa dầu; 4, 13- Đầu nối; 6- Van điều khiển chân khí; 7- Van xả khí siêu tốc; 8- Chân khí; 9- Van điều khiển môtơ; 10- Môtơ; 11- Bộ giảm thanh; 12- Nguồn nước; 15- Van điều khiển nước

4. Nghiên cứu, tính toán thiết kế nội địa hóa thiết bị khoan neo Việt Nam

4.1. Phân tích và tính toán lực tác dụng lên thiết bị

Hình 4: Hình ảnh lắp đặt khoan neo

Theo nguyên lý hoạt động của thiết bị và trình tự lắp đặt. Trong quá trình làm việc thiết bị khoan chịu tác dụng của các ngoại lực:

- Áp lực của khí nén: Khí nén được cấp từ nguồn vào các van đến bộ truyền động tạo momen của đầu khoan. Áp suất khí nén lớn nhất, P= 0,63 Mpa.

- Áp lực của nước để làm sạch lỗ khoan. Áp lực nước lớn nhất, P= 1,2 Mpa.

- Lực đẩy của đế chân khí: Lực đẩy do khí nén tác động vào xylanh chân khí giúp nâng, hạ thiết bị. Lực đẩy được tính toán khi áp suất cung cấp lớn nhất, P= 0,63 Mpa. Giá trị lực đẩy của chân khí như sau:

FKNN; FKNH- Lực đẩy của đế chân khí nén xuống nền, N.

P- Áp suất khí nén lớn nhất cung cấp để thao tác chan khí, P= 0,63 Mpa.

DPNN; DPNH- Đường kính trong của ống xylanh chân khí.

- Lực momen yêu cầu của đầu ra tác động để khoan neo: Momen được tạo ra bởi bộ truyền động khí nén, theo yêu cầu thiết kế công suất yêu cầu của thiết bị như sau:

Bảng 3: Thông số kỹ thuật yêu cầu của máy khoan neo

4.2. Tính toán lựa chọn bộ truyền động

Hình 5: Sơ đồ truyền động của bộ truyền

a. Lựa chọn công suất động cơ

Lựa chọn bộ truyền động của máy khoan neo cần đảm bảo thông số kỹ thuật của thiết bị như bảng 3. Công suất trên trục của động cơ được xác định theo công thức:

Pct- Công suất cần thiết trên trục động cơ, kW.

h- hiệu suất của bộ truyền.

h- hiệu suất của bộ truyền,

h1- hiệu suất cặp ổ lăn, h1= 0,99.

h2- hiệu suất bộ truyền bánh răng, h2= 0,96.

b. Phân phối tỷ số truyền và tính momen xoắn trên các trục:

Với đặc tính kỹ thuật của động cơ, tỷ số truyền chung của bộ truyền:

ndc- vận tốc trục ra của động cơ.

n- vận tốc ra của trục. Vận tốc ra của trục được tính theo công thức:

Pi- Công suất trên trục.

Ti- Momen trên trục.

Với công suất thiết bị yêu cầu, tính toán các thông số cơ bản của bộ truyền như sau:

Bảng 4: Thông số kỹ thuật cơ bản của bộ truyền máy khoan neo

Với công suất và tỉ số truyền tính toán lựa chọn hộp giảm tốc cho bộ truyền là hộp giảm tốc 2 cấp, bánh răng thẳng. Với phương án thiết kế hộp giảm tốc hai cấp tải trọng sẽ được phân bố đều cho các ổ, giảm phân bố không đồng đều tải trọng trên chiều rộng vành răng nhờ các bánh răng được bố trí đối xứng đối với các ổ, tại các tiết diện nguy hiểm của các trục trung gian và trục ra mômen xoắn chỉ tương ứng với một nửa công suất được truyền so với trường hợp không khai triển. Kết cấu của bộ truyền như sau:

Hình 6: Kết cấu bộ truyền động máy khoan neo

Thông số kỹ thuật của máy khoan được nghiên cứu, chế tạo như sau:Bảng 5: Thông số kỹ thuật cơ bản của máy khoan neo

4.3. Tính toán, kiểm bền cụm chi tiết chính của thiết bị.

Tiến hành lập mô hình, tính toán các cụm chi tiết chính của máy như: Cụm van phân phối nước- khí nén, cụm đế chống, cụm tay giữ cân bằng. Kết quả tính toán điểm hình cho cụm van phân phối nước - khí nén của thiết bị như sau:

Cụm van phân phối nước - khí nén của máy bao gồm hệ thống các van thủy lực và khí nén phục vụ việc dẫn khí nén và nước cung cấp nguồn, bộ điều khiển của thiết bị.

Hình 7: Cấu tạo cụm phân phối nước - khí nén

Các thông số kỹ thuật cơ bản của cụm phân phối nước - khí nén:

- Áp suất khí nén làm việc: 0,63 Mpa.

- Áp suất nước làm việc: 1,2 Mpa.

- Số đầu cấp: Theo nguyên lý cấu tạo đầu vào.

- Dung dịch làm việc: khí nén, nước sạch.

a. Lựa chọn vật liệu chế tạo chi tiết cơ khí:

Các chi tiết thân van được chế tạo trong nước. Lựa chọn vật liệu chế tạo các thân van cần đảm bảo: Đủ độ bền yêu cầu với áp suất làm việc (áp suất khí nén P= 0,6 Mpa; áp suất nước P= 1,2 MPa), trọng lượng nhẹ, dễ gia công cắt gọt.

Lựa chọn vật liệu chế tạo thân van là: Hợp kim nhôm 6061. là sự kết hợp giữa nhôm và crom, magie, silicon. Chúng có độ bền cao, chống oxy hóa, có tính hàn tốt và được ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống.

b. Kiểm tra độ bền thân van

Trong quá trình hoạt động các van chịu tải trọng của các lực:

- Các lỗ trong thân van chịu lực đẩy của áp suất khí nén hoặc áp suất của nước. Áp suất tính toán được lấy bằng 1,5 áp suất làm việc định mức.

- Lực đẩy của chân khí lên van phân phối.

- Trọng lượng của bộ truyền động lên van phân phối.

- Lực đẩy của cơ cấu tay điều khiển.

Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor professional 2018 để xây dựng mô hình và tính toán, kiểm tra ứng suất xuất hiện trên thân van khi van hoạt động. Mô hình và kết quả tính toán, kiểm bền thân van máy khoan neo hông như sau:

Mô hình và kết quả tính toán ứng suất và chuyển vị trên thân van:

Hình 8: Mô hình và kết quả phân tích ứng suất thân van liên kết

Hình 9: Mô hình và kết quả phân tích ứng suất thân van phân phối

5. Công tác chế tạo, thử nghiệm thiết bị.

5.1. Lập hồ sơ thiết kế sản phẩm

Trên cơ sở mẫu thiết bị khoan neo của Trung Quốc và những phân tích, dữ liệu cơ sở của tính toán thiết kế, bằng sử dụng phần mềm thiết kế CAD, Inventer Công ty đã thực hiện bộ hồ sơ thiết kế sản phẩm bao gồm: Bộ bản vẽ thiết kế máy khoan neo nóc, máy khoan neo hông, bộ quy trình chế tạo, hướng dẫn sử dụng thiết bị. Bộ hồ sơ đảm bảo tính khoa học, chính xác, đầy đủ yêu cầu kỹ thuật chế tạo; đảm bảo yêu cầu và độ tin cho việc chế tạo, sử dụng sản phẩm.

5.2. Công tác chế tạo sản phẩm

Công ty cổ phần Công nghiệp Ô tô-Vinacomin (VMIC) là đơn vị thành viên của tập đoàn Công nghiệp Than-Khoáng sản Việt Nam. Đơn vị luôn quan tâm việc nghiên cứu chế tạo các sản phẩm mới, coi đây là một trong các giải pháp đẩy mạnh phát triển sản xuất, tạo thêm việc làm và thu nhập cho người lao động.

Đơn vị có nhiều kinh nghiệm trong chế tạo, sửa chữa, phục hồi thiết bị thủy lực cho xe cơ giới và các máy & thiết bị cơ khí thủy lực trong Tập đoàn. Những năm gần đây Công ty chú trọng đầu tư chuyên sâu vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Nhiều thiết bị gia công cơ khí mới, hiện đại được công ty đầu tư: Các máy gia công CNC, thiết bị phân tích thành phần hóa học, kiểm tra bền của vật liệu; thiết bị kiểm tra khuyết tật mối hàn, sơn, mạ và các thiết bị đo kiểm hiện đại, thông dụng khác.

Với năng lực và kinh nghiệm trong việc chế tạo các sản phẩm cơ khí Công ty VMIC đã tiến hành chế tạo thành công máy khoan neo nóc VM-KNN130/3.8 và máy khoan neo hông VM-KNH80/2.5 theo yêu cầu của bộ hồ sơ thiết kế. Theo chương trình chế tạo một số chi tiết mua sẵn từ đơn vị thương mại và một số thiết bị được gia công, chế tạo trong nước, cụ thể: Cụm hộp giảm tốc, cụm van điều khiển, tay cầm, tay thao tác được gia công chế tạo trong nước. Động cơ khí nén, bộ chân khí, gioăng, phớt được mua tại các đơn vị thương mại.

Qua đó có thể thấy tỷ lệ nội địa hóa thiết bị khoan neo rất cao. Sản phẩm sau khi chế tạo được nghiệm thu, chạy thử trên mặt bằng và được Công ty Xây lắp Mỏ - TKV sử dụng khoan neo trong hầm lò để đánh giá chất lượng sản phẩm. Thời gian thử nghiệm thi công thực tế hiện trường và theo dõi từ ngày 25/5/2020 đến 20/8/2020 cho thấy các thiết bị khoan neo hoạt động đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, an toàn theo các thông số chế tạo, đảm bảo độ tin cậy, an toàn của sản phẩm phù hợp với điều kiện khai thác mỏ hầm lò của Việt Nam.

Một số hình ảnh chế tạo tại đơn vị:

Việc thiết kế chế tạo nội địa hóa trong nước máy khoan néo nóc, neo hông sử dụng nguồn khí nén góp phần giảm giá thành sản phẩm; chủ động thay thế, sửa chữa linh kiện, chủ động giải quyết kịp thời các vướng mắc trong sản xuất. Góp phần nâng cao năng lực kỹ thuật, kỹ năng sản xuất cho cán bộ kỹ thuật của Công ty. Tạo điều kiện cho đơn vị sản xuất tiếp cận công nghệ chế tạo sản phẩm kỹ thuật cao đồng thời tạo cơ hội phát triển, hiện đại hóa sản xuất cho đơn vị gia công chế tạo.

Máy khoan neo nóc, neo hông được chế tạo nội địa hóa thành công góp phần thúc đẩy phát triển ngành cơ khí mỏ trong nước, phổ biến và nâng cao khả năng ứng dụng thiết bị, công nghệ mới trong khai thác than hầm lò tại Việt Nam, tạo tiền đề cho việc tăng cường nội địa hóa sản phẩm khai thác than.

6. Kết luận và kiến nghị

Máy khoan neo nóc VM-KNN130/3.8 và máy khoan neo hông VM-KNH80/2.5 đã được nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đưa vào áp dụng thử nghiệm để khoan neo trong hầm lò. Qua quá trình thử nghiệm trên mặt bằng và dưới hầm lò cho thấy thiết bị được chế tạo đạt các thông số kỹ thuật đề ra.

Sản phẩm chế tạo với nhu cầu thị trường rộng lớn có thể tiến tới sản xuất hàng loạt, do vậy sẽ hạ thấp giá thành chế tạo sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh so với hàng nhập khẩu, giúp các doanh nghiệp chủ động trong sản xuất từ đó có điều kiện mở rộng cung ứng sản xuất. Là cơ sở đế tiến tới quá trình đưa vào sản xuất toàn bộ thiết bị khoan neo.

HVK

Tài liệu tham khảo:

1. Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo nội địa hóa thiết bị máy khoan neo nóc, neo hông sử dụng năng lượng khí nén cho các mỏ thuộc TKV” – Công ty Cổ phần Công nghiệp Ô tô, 2020.

2. Hà Văn Vui, Nguyễn chỉ Sáng, Phan Đăng Long (2006), Sổ tay thiết kế cơ khí tập 1, 2, 3, NXB Khoa học và kỹ thuật.