HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Nghiên cứu, tính tốn dịng chảy thủy lực qua van phân phối
điều khiển cột chống mỏ hầm lò
Nguyễn Đăng Tấn 1, *, Nguyễn Khắc Lĩnh 1, Lê Thị Hồng Thắng 1, Nguyễn Văn Xô 1
1 Khoa Cơ điện, Trường Đại

học Mỏ Địa chất, Việt Nam

THÔNG TIN BÀI BÁO

TĨM TẮT

Q trình:
Nhận bài 15/04/2021
Chấp nhận 16/8/2021
Đăng online 19/12/2021

Van phân phối thủy lực được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị chống giữ thủy
lực trong khai thác than hầm lị. Trong tính tốn thiết kế van phân phối thủy
lực cần xác định được đường đặc tính quan hệ giữa tổn thất áp suất và lưu
lượng của van. Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và cơng thức thực nghiệm giúp
xây dựng đường đặc tính này. Tuy nhiên, trong tính toán chỉ đề cập đến tổn
thất khi đi qua các tiết diện khác nhau với hệ số lưu lượng cho trước mà
không xác định được tổn thất cục bộ khi chất lỏng đi qua van. Trong thực tế,
đường đặc tính này thường được xác định bằng thí nghiệm. Nhằm xác định
tổn thất, vận tốc, áp suất của chất lỏng đi qua van, nghiên cứu xác định các
điều kiện đầu vào của van để tiến hành tính tốn mơ phỏng dịng chảy qua
van. Đường đặc tính tổn thất áp suất – lưu lượng cho phép người thiết kế xác
định giá trị tổn thất áp suất khi thiết kế van có nằm trong phạm vi cho phép

hay không và đề xuất phương án thay đổi cho phù hợp.

Từ khóa:
tổn thất áp suất, lưu
lượng, dịng chảy, mơ
phỏng, van điều khiển
hướng thủy lực

© 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm.

xylanh thủy lực, mô men và tốc độ quay của motor
thủy lực).
Thực tế những năm gần đây sản lượng khai thác
than của Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khoáng sản
Việt Nam đã tăng trưởng với tốc độ khá cao, từ 27,5
triệu tấn năm 2004 lên đến 47,5 triệu tấn năm
2010. Theo kế hoạch phát triển của Tập đồn sản
lượng khai thác sẽ tăng nhanh, trung bình 6,4%
năm giai đoạn 2011-2015 và 4,6% năm giai đoạn
2016-2025 đạt tổng sản lượng khai thác khoảng
60,3 triệu tấn vào năm 2015, trong đó sản lượng
khai thác hầm lị chiếm hơn 60%. Để đạt được
những mục tiêu trên thì các mỏ than hầm lị phải
tiến hành đổi mới cơng nghệ khai thác, đẩy mạnh
áp dụng thiết bị khai thác tiên tiến, công suất lớn và
áp dụng dây chuyền khai thác hiện đại tức là phải
cơ giới hóa khai thác lị chợ để nâng cao năng suất
và hiệu quả, sản lượng khai thác (Công ty than Khe
Chàm, 2013).
Hiện nay, tại các mỏ hầm lị vùng Quảng Ninh

gồm 06 có lị chợ áp dụng công nghệ khai thác cơ

1. Đặt vấn đề
Trong bất kỳ hệ thống vận hành bằng thủy lực
đều có sự xuất hiện của van điều khiển thủy lực.
Chúng được lắp ở nhiều vị trí và thực hiện những
nhiệm vụ khác nhau. Trong hệ thống thủy lực,
ngoài bơm thủy lực, motor, hay xylanh thì các van
thủy lực giữ vai trị rất quan trọng làm nhiệm vụ
điều chỉnh và điều khiển các thông số đầu vào và
đầu ra của hệ thống (Nguyễn Đức Sướng, 2019).
Trong đó, van điều khiển được lắp đặt trong mỗi
mạch của một cơ cấu chấp hành, chúng có nhiệm
vụ chính như sau (Nguyễn Tài, 1996):
- Phân phối dịng chất lỏng có áp lực cao cho các
cơ cấu chấp hành (xylanh, motor thủy lực)
- Đảo chiều chuyển động của cơ cấu chấp hành
khi dùng bơm một chiều hoặc dòng năng lượng
một chiều
- Điều chỉnh các thông số đầu ra của cơ cấu chấp
hành (lực và tốc độ tịnh tiến của piston trong
167


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

giới hóa đồng bộ. Cột chống và kích được điều
khiển bằng các van tay độc lập (Hình 1). Dung dịch
được cấp đến của P, con trượt của van điều khiển

được kéo sang trái, dung dịch qua van điều khiển
đến khóa thủy lực, khi lực đẩy do dung dịch lớn hơn
lực nén lò xo lên bị chặn, van một chiều của khóa
thủy lực mở, dung dịch được cấp vào khoang sau
cán pison và đẩy piston của cột chống đi ra. Van
một chiều của khóa thủy lực có vai trị chống tụt
piston khi có sự cố trên đường cấp dung dịch cũng
như dò rỉ dung dịch qua van điều khiển. Nếu áp
suất trên đường ống sau van một chiều tới cột
chống lớn hơn áp suất cho phép, van an toàn mở.
Để hạ cột chống, con trượt của van điều khiển được
đẩy sang phải, dung dịch từ của P cấp vào đường
ống với phía cán piston của cột chống. Van một
chiều trên đường ống cấp để nâng cột chống khóa
làm dung dịch khơng thể hồi qua van về đường hồi.
Để mở van một chiều, đường dung dịch điều khiển
được nối với van một chiều (chức năng của van
một chiều và đường dung dịch điều khiển được gọi
là khóa thủy lực) để mở van một chiều. Khi đó,
đường dung dịch khoang dưới cán piston bị đẩy
qua van một chiều về đường hồi.
Để đảm bảo an toàn cho thiết bị chống giữ lò
chợ, các loại xy lanh thủy lực cũng như các phần tử
trong hệ thống thủy lực phải được kiểm định
nghiêm ngặt theo quy chuẩn quốc gia về an toàn vì
chống thủy lực sử dụng trong mỏ than hầm lị theo
QCVN 03:2017/BCT (Bộ cơng thương, 2017).
Ngồi các u cầu về mơ men thao tác, độ kín, độ
bền, độ an tồn thì đặc tính lưu lượng áp suất là
thơng số rất quan trọng. Đặc tính lưu lượng – áp

suất phải thỏa mãn các điều kiện sau:
- Lưu lượng đinh mức của van đổi hướng nhỏ
hơn hoặc bằng 125 lít/phút, tổn thất áp suất cấp
hồi dịch phải nhỏ hơn 5 MPa.
- Lưu lượng định mức của van đổi hướng lớn
hơn 125 lít/phút và nhỏ hơn hoặc bằng 250
lít/phút tổn thất áp suất cấp hồi dịch phải nhỏ hơn
6 Mpa
- Lưu lượng định mức của van đổi hướng lớn
hơn 250 lít/phút, tổn thất áp suất cấp hồi dịch phải
nhỏ hơn 7 MPa.
Để thiết kế, chế tạo van phân phối thủy lực cần
phải xác định đường đặc tính quan hệ áp suất lưu
lượng qua van. Thơng thường, đường đặc tính này

được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm
(Joseph E. Schigley, 1996). Nhằm giảm bớt chi phí
cho việc sửa đổi, thử nghiệm khi chế tạo van phân
phối thủy lực cho các cột chống, giàn chống sử dụng
trong mỏ hầm lò. Đối với van phân phối thủy lực,
tiết diện lõi van khơng chỉ có một vị trí thay đổi mà
cịn có nhiều vị trí khác nhau. Để xác định tổn thất
qua các vị trí này cần phải tách và tính riêng rẽ các
tổn thất. Để có cái nhìn trực quan cũng như chính
xác hơn, phương án mơ phỏng dịng chảy được áp
dụng. Bài báo nghiên cứu xây dựng đường đặc tính
quan hệ áp suất cột áp bằng phương pháp tính tốn
cũng như phương pháp mơ phỏng dịng chảy.

Hình 1 Cấu tạo van thủy lực điều khiển tay 4/3

2. Xác định tổn thất bằng cơng thức tốn học
2.1. Cơ sở lý thuyết
Chất lỏng di chuyển từ qua cửa từ P đến A hoặc
B và từ A hoặc B về T sẽ chịu tổn thất. Phương trình
Bernoulli có giá trị đối với dòng chảy ổn định, theo
định luật bảo tồn lưu lượng, tốc độ dịng chảy vào
và ra là như nhau, nghĩa là 𝑄𝑣à𝑜 = 𝑄𝑟𝑎 (Nguyễn
Đức Sướng, 2018). Lưu lượng dung dịch qua tiết
diện bất kỳ là phần thể tích dung dịch chảy qua tiết
diện đó trong một đơn vị thời gian được xác định
theo công thức sau (George E. Totten, Victor J. De
Negri, 2012).
∆𝑉
𝑄 = ∆𝑡 = 𝑆 ∙ 𝑣
(1)
Trong đó:
𝑆(𝑚2 ) tiết diện mà dung dịch đi qua
𝑣(𝑚/𝑠) vận tốc chuyển động của dung
dịch
Khảo sát chuyển động của dung dịch qua một
ống có tiết diện khác nhau (xem Hình 2).

168


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

thất lớn nhất. Để tính tốn tổn thất áp suất theo lưu
lượng cần xác định các thơng số sau:

• Diện tích tiết diện nhỏ nhất dịng chảy đi
qua
𝜋𝑑2 3,14 ∗ 0,0082
𝑆=
=
= 0,00005024 𝑚2
4
4
• Khối lượng riêng dung dịch nhũ tương 𝜌 =
1000 𝑘𝑔/𝑚3
• Hệ số lưu lượng chọn 𝛼 = 0,8
Thay đổi phạm vi lưu lượng từ 10 l/ph đến 80
l/ph để đánh giá tổn thất áp suất, áp suất dung dịch
đầu ra yêu cầu từ 28 MPa. Tại cửa A hoặc B, đường
kính lỗ d_2=18 mm nên có thể tính vận tốc dịng
chảy tại cửa A hoặc B. Kết quả tính tốn tổn thất áp
suất theo lưu lượng van được thể hiện trên Bảng 1.
Do kích thước của van điều khiển từ cửa P đến A (P
đến B) như nhau, do đó tổn thất áp suất khi cùng
lưu lượng qua là như nhau. Đường đặc tính này
được thể hiện trên Hình 3.

Hình 2 Lưu lượng chất lỏng qua các tiết diện
khác nhau
Tại vị trí 1 có tiết diện 𝑆1 và vận tốc 𝑣
⃗⃗⃗⃗1 , tại vị trí
2 có tiết diện 𝑆2 và vận tốc ⃗⃗⃗⃗
𝑣2 .
Để đảm bảo lưu lượng yêu cầu vận tốc dung dịch
qua van được xác định:

𝑄
𝑚
𝑣1 = 𝑆1 , 𝑠
(2)
1

Nối mạch chung của các sức cản dòng chảy để
điều khiển tĩnh các chuyển động cơ cấu chấp chấp
hành hoặc các phân tố điều khiển trong cả hệ thống,
chúng phải chịu ảnh hưởng công suất lớn (George
E. Totten, Victor J. De Negri, 2017). Các sức cản này
để điều khiển áp suất và điều khiển lưu lượng được
ứng dụng trước hết là ở các van. Lưu lượng chảy
qua tiết lưu nói chung được tính tốn phụ thuộcvào
độ chênh áp suất ∆p của dịng chảy theo công thức
sau (Nguyễn Đức Sướng, 2018):
2
𝜌

𝑄 = 𝑆𝛼 √ ∆𝑝

Bảng 1 Tổn thất áp suất theo lưu lượng qua
van theo tính tốn lý thuyết
𝑄 (𝑙/𝑝ℎ) 𝑣1 (𝑚/𝑠)
10
0,655291
20
1,310582
30
1,965872

40
2,621163
50
3,276454
60
3,931745
70
4,587036
80
5,242327

(3)

Trong đó:

S- diện tích chất lỏng đi qua
𝛼- hệ số lưu lượng phụ thuộc vào
cấu trúc và vị trí tiết lưu có giá trị trong khoảng 0,6
đến 1.
Từ đó xác định được tổn thất áp suất như sau:
𝑄2

∆𝑝 (𝑀𝑃𝑎)
0,017195637
0,068782547
0,154760731
0,275130189
0,42989092
0,619042925
0,842586204

1,100520756

𝜌

∆𝑝 = 𝑆 2 𝛼2 ∗ 2
(4)
Một đường cong đặc tính tiêu biểu của van điều
khiển dòng chảy là đồ thị tổn thất áp suất ∆p và lưu
lượng thủy lực Q qua mỗi đường dòng chảy. Khi
chất lỏng chuyển động qua tiết diện thu hẹp làm
cho tổn thất áp suất tăng lên. Tổn thất dịng chảy có
thể khác nhau khi chất lỏng di chuyển theo cửa PA, P-B và A-T, B-T (HerbertWittel và nnk, 2017).
2.2. Xây dựng đường đặc tính quan hệ áp suất –
lưu lượng

Hình 3 Đặc tính tổn thất áp suất theo lưu lượng
của van điều khiển từ P-A, P-B theo tính tốn lý
thuyết

Để xác định được diện tích chất lỏng đi qua van,
van điều khiển thủy lực cho giàn chống được xây
dựng bằng mơ hình 3D. Đường kính lỗ dẫn dung
dịch nhỏ nhất bằng 8 mm, do đó tại vị trí này tổn
169


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

3. Mơ phỏng dịng chảy

3.1. Điều kiện biên cho mơ phỏng
Sau khi xây dựng mơ hình van phân phối thủy
lực, để tiến hành mơ phỏng dịng chảy qua van cần
khai báo các điều kiện biên. Trường hợp đầu tiên
lấy lưu lượng vào van 10 lít/phút tương đương
0,655 m/s (xem Bảng 1).

Hình 6 Phân bố áp suất, vận tốc ở đầu vào và
đầu ra khi lưu lượng Q = 10 lít/phút
3.2. Kết quả mơ phỏng
Kết quả mơ phỏng xác định phân bố vận tốc, áp
suất khi đi qua van được chỉ trên Hình 6. Do tổn
thất cục bộ và tổn thất dọc đường nên áp suất giảm
dần khi đi từ đầu vào đến đầu ra của van. Với lưu
lượng 10 lít/phút, tổn thất qua van được xác định
∆p=29,9912-28,0486=0,0574 MPa. Vận tốc dung
dịch thay đổi khi đi qua các tiết diện khác nhau từ
đầu vào đến đầu ra. Với vận tốc của vào 0,655 m/s,
tại các vị trí tiết diện thu hẹp, chất lỏng chuyển
động với vận tốc lớn nhất bằng 8,76 m/s. Bằng cách
thay đổi thông số lưu lượng vào của van để xác định
tổn thất áp suất qua van bằng phương pháp mô
phỏng. Kết quả mô phỏng được trình bày trên Bảng
2, Hình 7.

Hình 4 Khai báo vận tốc đầu vào
Do yêu cầu dung dịch cấp cho cột chống có áp
suất từ 28 MPa nên điều kiện biên cho áp suất đầu
ra được lấy bằng 28 MPa. Các khai báo vận tốc và
áp suất được chỉ trên Hình 4, Hình 5.


Bảng 2 Tổn thất áp suất theo lưu lượng qua
van theo phương pháp mơ phỏng
𝑄 (𝑙
/𝑝ℎ)
10
20
30
40
50
60
70
80

Hình 5 Khai báo áp suất đầu ra

170

𝑣1 (𝑚/𝑠)
0,655291
1,310582
1,965872
2,621163
3,276454
3,931745
4,587036
5,242327

∆𝑝(𝑀𝑃𝑎)
0,0574

0,204
0,48
0,88
1,48
2,1
2,45
3,05


HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

•

Giá trị tổn thất áp suất tính tốn bằng
phương pháp mơ phỏng lớn hơn giá trị
tính tốn bằng phương pháp lý thuyết. Do
trong tính tốn lý thuyết khơng tính tốn
tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ của
dòng chảy khi tiết diện thay đổi tại vị trí
chuyển tiếp đường ống vào, ra và thân con
trượt. Giá trị tổn thất áp suất theo phương
pháp mô phỏng thu được từ 0,0574 MPa
đến 3,05 MPa khi lưu lượng thay đổi từ 10
lít/phút đến 80 lít/phút.
• Theo quy chuẩn quốc gia về an tồn vì
chống thủy lực sử dụng trong mỏ than hầm
lò theo QCVN 03:2017/BCT, giá trị tổn thất
áp suất bằng mô phỏng đạt giá trị 3,05 MPa
và nhỏ hơn giá trị cho phép 5 MPa nên đảm

bảo u cầu.
Nhờ nghiên cứu, tính tốn dịng chảy qua van
khơng những cho phép xác định tổn thất qua van
phân phân phối 4/3 điều khiển bằng tay mà còn
cho phép xác định tổn thất áp suất qua các loại van
phân phối thủy lực khác nhau.

Hình 7 Đặc tính tổn thất áp suất theo lưu lượng
của van điều khiển từ P-A, P-B theo phương pháp
mơ phỏng
Sự sai khác tổn thất giữa tính tốn tổn thất áp
suất theo lý thuyết và mơ phỏng xác định tổn thất
được chỉ trên Hình 8. Sự sai lệch tăng dần theo lưu
lượng qua van.

Đóng góp của các tác giả
Tác giả Lê Thị Hồng Thắng, Nguyễn Văn Xô phụ
trách phần tình hình sử dụng van phân phối thủy
lực trong mỏ hầm lò, tác giả Nguyễn Khắc Lĩnh
nghiên cứu phần lý thuyết tổn thất dòng chảy qua
ống thu hẹp.
Tài liệu tham khảo

Hình 8 So sánh đặc tính tổn thất áp suất bằng
tính tốn lý thuyết và mơ phỏng dịng chảy

Nguyễn Đức Sướng (2018). Hệ thống thủy khí
trong máy và thiết bị cơng nghiệp hiện đại.
Giáo trình Cao học Ngành Kỹ thuật Cơ khí
động lực, Hà Nội.

Nguyễn Đức Sướng (2019). Phương pháp tính tốn

4. Kết luận
Nhờ vào cơ sở lý thuyết tính tốn tổn thất áp
suất khi đi qua tiết diện thu hẹp giúp cho xác định
đường đặc tính tổn thất áp suất – lưu lượng của
dung dịch khi đi qua van. Đồng thời sử dụng mơ
phỏng dịng chảy cho phép xây dựng đường đặc
tính này. Kết quả nghiên cứu thu được như sau:
• Đã xây dựng được đường đặc tính tổn thất
của van bằng phương pháp lý thuyết, tại
cửa vào P và cửa ra A có tiết diện thay đổi
nên tổn thất cục bộ qua van bẳng tổng tổn
thất cục bộ tại hai vị trí này. Giá trị tổn thất
áp suất tính theo phương pháp lý thuyết
tăng dần từ 0,017 MPa đến 1,1 MPa

các phần tử trong mạch điều khiển thủy khí
các máy và thiết bị cơng nghiệp. Giáo trình Cao
học Ngành Kỹ thuật Cơ khí động lực, Hà Nội
Nguyễn Tài (1996). Thủy lực Tập I. Nhà xuất
bản xây dựng
George E. Totten, Victor J. De Negri (2012).

Standard Handbook of Hydraulic Fluid
Technology. Taylor & Francis Group, LLC
Joseph E. Schigley (1996). Standard Handbook of
Machine Design. McGraw-Hill.
171



HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA
(MEAE2021)

Tập đồn cơ khí mỏ Trịnh Châu (2014). Giàn chống

HerbertWittel, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek,
Christian Spura (2017). Maschinenelemente
Normung, Berechnung, Gestaltung. Springer
Vieweg
Bộ công thương (2017). Quy chuẩn kỹ thuật quốc

thủy lực trung gian thu hồi than nóc loại
ZF4400/16/28. Quảng Ninh

gia về an tồn vì chống thủy lực sử dụng trong
mỏ than hầm lò, QCVN 03:2017/BCT

ABSTRACT
Research and calculation the pressure drop versus the flow rate through flow
path of manual directional control valve used in underground coal mines
Manual directional control valves are widely used for coal mine roof support. To calculate and design
directional control valves, it is necessary to determine the characteristic curves of the relationship
between the pressure drop versus the flow rate. Currently, there are many studies and empirical formulas
to support to build these characteristic curves. However, they only refer to the pressure drop of the flow
through an orifice. Velocity, orifice area and outlet pressure of the flow rate through flow path are initial
constraint to calculate the pressure drop and simulate the flow. The pressure drop versus flow rate allows
the designer to evaluate whether the values of pressure drop when designing the directional control valve.

Keywords: pressure drop, flow rate, typical characteristic curve, hydraulic directional control valve


172