Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tời cấp cứu và tời cấp cứu và tời cứu sinh phục vụ công tác cứu hộ trên biển

INTERNATIONAL LIFE – SAVING APPLIANCE CODE, các thiết bị hạ và nâng phương tiện cứu sinh lân tàu phải đáp ứng các yêu cầu sau: 1.1.1.Yêu cầu chung đối với tời cứu sinh, cấp cứu.. 1.1.1 T

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

CẤP BỘ NĂM 2010

Tên đề tài:

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tời cấp cứu và tời cứu sinh phục vụ

công tác cứu hộ trên biển”

Ký hiệu: 206.10.RD/HĐ - KHCN

Cơ quan chủ quản: BỘ CÔNG THƯƠNG

Cơ quan chủ trì đề tài: VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

Chủ nhiệm đề tài: NGUYỄN VĂN BÌNH

8736

Hà Nội - 2010

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

BÁO CÁO KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

CẤP BỘ NĂM 2010

Tên đề tài:

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo tời cấp cứu và tời cứu sinh phục vụ

công tác cứu hộ trên biển”

Ký hiệu: 206.10.RD/HĐ - KHCN

Nội dung kết quả trung gian:

Phần 1: Khảo sát chế độ làm việc của tời cấp cứu và tời cứu sinh

Phần 2: Thuyết minh tính toán, lựa chọn thông số kỹ thuật của tời cấp cứu và tời cứu sinh

Phần 3: Bộ tài liệu thiết kế tời cấp cứu và tời cứu sinh

PHÒNG KT – KHCN ĐƠN VỊ CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

(Ký, ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Bình

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TỜI CẤP CỨU VÀ TỜI CỨU SINH 3

1.1 Cơ sở để xác định các thông số làm việc của tời cứu sinh và tời cấp cứu .3 1.1.1.Yêu cầu chung đối với tời cứu sinh, cấp cứu .3

1.1.2 Dây cáp được sử dụng cho tời .4

1.1.3 Yêu cầu đối với phanh 4

1.1.4 Yêu cầu đối với kết cấu cơ khí 4

1.2 Các chế độ làm việc của tời cứu sinh và tời cấp cứu 5

1.2.1 Chế độ treo xuồng .5

1.2.2 Chế độ hạ xuồng: 6

1.2.3 Chế độ nâng xuồng bằng điện 7

CHƯƠNG II: THUYẾT MINH TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA TỜI CẤP CỨU VÀ TỜI CỨU SINH .9

2.1 Lựa chọn sơ đồ truyền động và phân phối tỷ số truyền của hệ thống truyền động .9

2.2 Tính công suất trên các trục: 10

2.2.1- Tính công suất trên trục tang: 10

2.2.2 Tính công suất trên trục trung gian: 10

2.2.3 Tính công suất trên trục ly hợp: 10

2.2.4 Tính công suất trên trục động cơ: 11

2.2.5 Chọn công suất của động cơ: 11

2.3 Tính lực tác dụng lên cáp: 11

2.3.1 Kiểm tra bền cho cáp: 11

2.3.2 Tính kiểm bền tang: 11

2.4 Tính nghiệm bền mối hàn 13

2.4.1 Tính cho mối hàn trên moay ơ 13

2.4.2 Tính mối hàn trên tang 14

2.5 THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG 16

2.5.1 Tính cặp bánh răng Trục ly hợp - Trục động cơ: 16

2.5.2 Tính cặp bánh răng Trục trung gian - Trục ly hợp: 18

2.5.3 Tính cặp bánh răng Trục trung gian - Trục tang 21

2.6 THIẾT KẾ TRỤC 23

2.6.1 Trục cụm động cơ 23

2.6.2 Trục ly lợp 27

2.6.3 Trục trung gian 32

2.6.4 Trục tang 37

2.7 TÍNH CƠ CẤU PHANH HÃM - LY HỢP 42

2.7.1 Xác định mô men trên trục ly hợp - trục phanh 42

2.7.2 Tính toán phanh ly tâm 42

2.7.3 Kiểm tra phần ly hợp ma sát nhiều đĩa 44

2.7.4 Tính khớp ly hợp một chiều 47

TÀI LIÊU THAM KHẢO 49

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TỜI CẤP CỨU VÀ

TỜI CỨU SINH

1.1 Cơ sở để xác định các thông số làm việc của tời cứu sinh và tời cấp cứu

INTERNATIONAL LIFE – SAVING APPLIANCE CODE), các thiết bị hạ và nâng phương tiện cứu sinh lân tàu phải đáp ứng các yêu cầu sau:

1.1.1.Yêu cầu chung đối với tời cứu sinh, cấp cứu

1.1.1 Trừ phương tiện hạ phụ đối với các xuồng cứu sinh hạ rơi tự do, mỗi thiết bị hạ phải được bố trí sao cho phương tiện cứu sinh hoặc xuồng cấp cứu được trang bị đủ mà nó phục vụ có thể hạ một cách an toàn trong những điều kiện không thuận lợi khi tàu chúi đến 100 và đến 200 về bất kỳ phía nào khi:

Khi số thuyền viên trên tàu vận hành không đủ ở trên xuồng

1.1.2 Bất kể yêu cầu ở mục 1.1.1 thế nào, các thiết bị hạ xuồng cứu sinh của tàu dầu, tàu chở hoá chất và tàu chở khí có góc nghiêng cuối cùng lớn hơn

toàn Hàng hải thông qua bằng nghị quyết

1.1.3 Thiết bị hạ không được phụ thuộc vào bất kỳ phương tiện nào khác ngoài trọng lực hoặc cơ năng độc lập với nguồn năng lượng trên tàu để hạ phương tiện xuồng cứu sinh hoặc xuồng cấp cứu khi nó phục vụ ở trạng thái toàn tải cùng các trang thiết bị cũng như ở trạng thái không tải

1.1.4 Mỗi thiết bị hạ xuồng phải có kết cấu sao cho công việc bảo dưỡng thường xuyên phải thuận tiện, tất cả các chi tiết của tời khi các thuyền viên tiếp bảo dưỡng, sửa chữa phải ở vị trí dễ thao tác nhất

1.1.5 Tất cả các chi tiết cấu thành thiết bị nâng hạ tời cứu sinh và tời cấp cứu

và các phụ kiện đi kèm với nó phải có độ bền khi thử tải trọng tĩnh không nhỏ hơn 2,2 lần tải trọng làm việc lớn nhất

1.1.6 Các thành phần kết cấu,các ròng rọc, dây hạ, dây chằng, tai vấu, mắt nối và tất cả các phụ tùng khác được sử dụng cùng với thiết bị nâng hạ phải được thiết kế với hệ số an toàn dựa trên tải trọng làm việc lớn nhất và độ bền tới hạn của vật liệu khi đó hệ số an toàn sử dụng khi thiết kế không nhỏ hơn 4,5 cho tất cả các thành phần kết cấu và hệ số an toàn nhoe nhất bằng 6 cho các dây hạ, xích treo, mắt nối và các ròng rọc

1.1.7 Thiết bị nâng hạ xuồng cứu sinh và xuồng cấp cứu phải làm việc được trong mọi điều kiện thời tiết

1.1.8 Tời cấp cứu và tời cứu sinh phải có đủ khả năng để đưa xuồng cấp cứu

và xuồng cứu sinh cùng với thuyền viên trở về vị trí cất giữ

1.1.9 Thiết bị nâng hạ tời cứu sinh và cấp cứu phải trang bị động cơ tời điện

có đủ khả năng nâng xuồng cấp cứu và xuồng cứu sinh từ mặt nước với đầy

đủ người cùng trang thiết bị của nó với vận tốc không nhỏ hơn 0,3 m/s

1.1.2 Dây cáp được sử dụng cho tời

Yêu cầu đối với cáp: Cáp được sử dụng trên tời cấp cứu và tời cứu sinh phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Loại cáp không xoắn và không rỉ

Đối với tời có nhiều tang, yêu cầu tốc độ thu và rải cấp trên mỗi tang phải

có vận tốc như nhau tại cùng một thời điểm

1.1.3 Yêu cầu đối với phanh

Phanh không bị trôi khi thử với tải tĩnh không nhỏ hơn 1,5 lần tải trọng làm việc lớn nhất

Phanh không bị trôi khi thử với tải trọng động không nhỏ hơn 1,1 lần tải trọng làm việc lớn nhất ở chế độ hạ

1.1.4 Yêu cầu đối với kết cấu cơ khí

Tời phải được bộ truyền động cơ khí bằng tay để nâng các phương tiện cứu sinh và cấp cứu lên tàu Các tay quay hoặc vô lăng của bộ truyền cơ khí này không được quay cùng khi sử dụng tời nâng bằng điện

Tốc độ hạ phương tiện cứu sinh hay xuồng cấp cứu toàn tải xuống nước không được nhỏ hơn giá trị được tính theo công thức sau:

Vhạ = 0,4 + (0,2xH) Trong đó: Vhạ - Là tốc độ hạ (m/s)

H - Chiều cao từ đầu cần cẩu hạ xuồng đến đường nước khi tàu

ở trạng thái tải nhẹ nhất (m) Sơ đồ nguyên lý của tời cứu sinh và tời cấp cứu được mô tả trên hình 1

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tời cứu sinh, cấp cứu

1.2 Các chế độ làm việc của tời cứu sinh và tời cấp cứu

1.2.1 Chế độ treo xuồng

Ở chế độ này xuồng cứu sinh/xuồng cấp cứu được treo lên cẩu cứu sinh bằng 02 sợi cáp chốt vào 02 tang tời Khi đó ly hợp ma sát đóng, dưới tác dụng của trọng lực (của xuồng và người trên xuồng) làm cho 02 tang tời quay sinh ra mô men xoắn theo chiều hạ xuồng, mô men từ cụm trục tang được truyền đến cụm trục trung giam thông qua cặp bánh răng Z100/Z18, m=5, → Z98/Z22, m=4 →ly hợp ma sát, vì ly hợp ma sát đang ở chế độ đóng → mô men truyền đến cặp bánh răng 98/Z42, m=3→ Cụm trục động cơ Tại cụm trục động cơ có lắp cụm phanh một chiều kiểu con lăn, chiều làm việc của cơ cấu này theo chiều hạ xuồng, cho nên phanh trục động cơ lại, kết quả toàn bộ xuồng cứu sinh được treo cố định lên cẩu Ở chế độ này, tời chịu tải trọng tĩnh do trọng lượng của xuồng, người và các trang thiết bị khác trong xuồng gây ra và tải trọng ở chế độ này là lớn nhất (50kN)

Hình 2: Phanh con lăn một chiều 1-Vỏ phanh, 2- lõi phanh, 3- chốt đẩy, 4- con lăn

1.2.2 Chế độ hạ xuồng:

Ở chế độ này, ly hợp ma sát được nhả, quá trình truyền động được thực hiện như sau: Dưới tác dụng của trọng lực (của xuồng và người trên xuồng) làm cho cụm trục tang quay → cụm trục trung giam quay thông qua cặp bánh răng Z100/Z18, m=5, → qua cặp bánh răng Z98/Z22, m=4 → đĩa ly

ly hợp ma sát quay (phần chủ động), phía vỏ của ly hợp ma sát có lắp bộ ly hợp ly tâm, cho nên khi phần chủ động của ly hợp ma sát quay đến một giá trị nhất định, khi đó lực quán tính ly tâm thắng được lực căng lò so làm cho má phanh tỳ vào vỏ cố định của tời và hạn chế được tốc độ rơi tự do của xuồng

cứu sinh, giá trị vận tốc hạ xuồng tuân thủ theo bộ luật LSA Ở chế độ này chỉ

có cụm trục tang, cụm trục trung gian và phanh ly tâm chịu tác dụng của tải trọng Phanh ly tâm có kết cấu như hình 3

Hình 3 Phanh ly tâm 1- Vỏ cố định, 2- lõi phanh ly tâm, 3- lò xo kéo má phanh, 4- má phanh

1.2.3 Chế độ nâng xuồng bằng điện

2.3.1 Chế độ nâng xuồng bằng điện

Ở chế độ này ly hợp ma sát đóng nối truyền động từ động cơ đến tang tời thông qua cụm trục động cơ → cụm trục ly hợp → ly hợp ma sát → cụm trục trung gian → cụm trục tang → 02 tang tời → cuốn cáp và nâng xuồng lên tàu Tốc độ nâng xuồng phải thoả mãn bộ luật LSA

2.3.2 Chế độ nâng xuồng bằng quay tay

Vì một sự cố nào đó, nguồn năng lượng trên tàu không có, việc nâng xuồng

từ dưới nước lên tàu được thực hiện bằng phương pháp quay tay Khi nâng

xuồng cùng với người, do tải trọng nâng lớn, việc nâng bằng tay được thực hiện

ở trục tay quay chậm Khi đó truyền động nâng được thực hiện như sau: Trục tay quay chậm → cụm trục động cơ → cụm trục ly hợp ma sát → ly hợp ma sát → cụm trục trung gian → cụm trục tang → 02 tang tời → cuốn cáp và nâng xuồng lên tàu

Khi nâng với tải trọng nhỏ, việc cuốn cáp được thực hiện ở cấp quay tay nhanh Truyền động khi đó được thực hiện theo sơ đồ sau: Trục tay quay nhanh

→cụm trục tang → 02 tang tời → cuốn cáp

CHƯƠNG II: THUYẾT MINH TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN THễNG SỐ

KỸ THUẬT CỦA TỜI CẤP CỨU VÀ TỜI CỨU SINH

2.1 Lựa chọn sơ đồ truyền động và phõn phối tỷ số truyền của hệ thống truyền động

- Sơ đồ truyền động của tời được giới thiệu trờn hỡnh 2.1

Z56; m2,5

Trục quay tay nhanh

Cụm trục tang

Cụm trục trung gian

Cụm trục ly hợp

Cụm trục

động cơ

Trục quay tay chậm

10222

9818

ntg= 14,6

43,

98.3810297022

98.38

10297038

= n

n dc

2.2 Tính công suất trên các trục:

2.2.1- Tính công suất trên trục tang:

- Căn cứ vào tải trọng nâng P = 43 (KN) = 43000 (N)

- Đường kính tang ®−îc thiết kế theo mẫu Dt = 340 (mm)

- Đường kính tính toán tang ở lớp thứ 3 là: Dtt + 3.dcáp = 340 + (3 x 18) = 394 (mm)

- Vận tốc thu cáp trung bình trên tang:

3,01000

60

6,1439414,31000.60

- Hiệu suất cụm trục tang : ηt=ηolan.ηbr =0,98 ×0,97 =0,95

- Công suất cần thiết trên trục tang:

3,1395,0102

3,04300

V P

2.2.2 Tính công suất trên trục trung gian:

3,13

tg tgian

N

2.2.3 Tính công suất trên trục ly hợp:

tgian lh

lh dctt

- Khi h¹ thuû xuồng cấp cứu rơi tự do, P = 4300 (kG) = 43000(N)

2.3.1 Kiểm tra bền cho cáp:

- Chọn cáp Thép (bện kép): d = 18 (mm)

21610C

Theo Bảng 421- Sổ tay Vật liệu kim loại

Theo thiết kế tời được bố trí hai tang kéo cáp do vậy lực kéo đứt cho 2 sợi cáp:

Pkéo đứt cáp = 164500 x 2 = 329000 (N)

- Theo sơ đồ làm việc tời có hai sợi cáp d = 18 (mm); pmaxk = pmax.k

k: Hệ số an toàn dây hạ k = 6 với xuồng cấp cứu - cứu sinh Theo quy phạm trang bị an toàn tàu biển

Pmaxk = Pmax.k = 43000 x 6 = 258000 (N) < Pkéođứtcáp = 329000 (N)

2.3.2 Tính kiểm bền tang:

- Tính Mômen uốn cho phép của tang tời :

Coi tang là trục rỗng chịu mômen uốn theo công thức:

[ ] σ u

n

t n u

d

d d

M 0,1. .

4

4−

- Ứng suất cho phép Thép các bon trung bình:

k n

k k

n

o u

σ σ

σ σ

σ

.)

6,14,1(

460)45,04,0(

7200001000

6,14160

1056

6

" = × =

k n

8,1

=

kσ

8,15,1

38,11956

,14,1

,159340

310340

1,

,14

3,131055,910

55,

430002

21500

P

M u= k t= × =

75,0

2.4.1 Tớnh cho mối hàn trờn moay ơ

- Tính nh− mối hàn giáp mối chịu nén và mômen Theo công thức (5-3) Chi tiết

F S b M

Vỡ mối hàn chịu nộn nờn:

F S b M

Trong đó: M: mômen

b: chiều rộng của mối hàn hay chiều dài của mối hàn S: bề dày của tấm ghép hay chiều cao của mối hàn

- ứng suất cho phép chịu nén [ ] [ ] [ ] σ ' = σ n' = σ k

(Tra bảng 5-1 Chi tiết máy Tập I)

- Với que hàn bằng tay dùng que hàn N46-VD Hàn khí

- Vật liệu là thép CT38 có [ ] σ c =220(N/mm2) Bảng 58 - Sổ tay vật liệu

:

n

F lực nén của mối hàn tính cho lúc tang làm việc ở tải trọng Pmax= 43000(N)

2

12

14,3

S = 8(mm) Theo thiết kế

M: mômen xoắn, M = 8699657 (N.mm) Theo phần thiết kế trục tang

Ta tính cho cả 4 đường hàn

487,486

215004

87,486

/(2,

4 N mm2 < ' = N mm2

σVậy: Với mối hàn ∆8 đảm bảo kết cấu vững chắc

2.4.2 Tớnh mối hàn trờn tang

- Tính mối hàn giáp mối chịu nén và mômen Theo công thức (5-3) Chi tiết máy tập I:

F S b M

F S b M

Trong đó: M: mômen

b: chiều rộng của mối hàn hay chiều dài của mối hàn S: bề dày của tấm ghép hay chiều cao của mối hàn

- ứng suất cho phép chịu nén [ ] [ ] [ ] σ ' = σ n' = σ k

(Tra bảng 5-1 Chi tiết máy Tập I)

- Với que hàn bằng tay dùng que hàn N46 - VD Hàn khí

- Vật liệu là thép CT38 có [ ] σ c =220(N/mm2) Bảng 58 - Sổ tay vật liệu

:

n

F lực nén của mối hàn tính cho lúc tang làm việc ở tải trọng Pmax= 43000(N)

2

12

S = 8 (mm) Theo thiết kế

M: mômen xoắn, M = 8699657 (N.mm) Theo phần thiết kế trục tang

8286

215008

/(7,

59 N mm2 < ' = N mm2

σVậy: Với mối hàn ∆8 đảm bảo kết cấu vững chắc

• Kết luận: Các mối hàn trên tang bảo đảm tang làm việc an toàn

2.5 THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG

2.5.1 Tính cặp bánh răng Trục ly hợp - Trục động cơ:

3,361

2

1=

o HB; N o=2,5.1076

'

N

N k

td

o

T n u

N td =60 2

T = 10 năm x 100 ngày x 1ca x 1giờ = 1000 (giờ)

6 2

2=60.u.n T =60×1×361×1000=21,54×10

N td

6 6

2

1= N i =2,68×21,54×10 =57,7×10

N td td

95,01054,21

105,1

6

6

7 '

105,26

6

7 '

,03005,2

- Ứng suất cho phép bánh răng nhỏ:

69286

,03503,2

10.05,11

n

N k i

72,143,168,2713

1005,1168

,

2 6

=

i m

A Z

N k

≤

=

10.1,19

2 6

m td

o N

54045,

70045,0

45,0

45,0

51,0

72,143,1101,

2

6

mm N

Kết luận: Bánh răng bảo đảm an toàn về uốn

2.5.2 Tính cặp bánh răng Trục trung gian - Trục ly hợp:

12,81

2=

= n

3,361

=

σb (N/mm2) ; σch= 300( N/mm2)

5,

N

N k

td

o

T n u

N td =60 2

T = 10 năm x 100 ngày x 1ca x 1giờ =1000 (giờ)

6 2

2=60.u.n T =60×1×81,12×1000=4,26.10

N td

6 6

2

1= N i =4,45×4,26×10 =18,9.10

N td td

2,11026,4

105,1

6

6

7 '

105,2

6

6

7 '

,13005,2

- Ứng suất cho phép bánh răng nhỏ:

3,84402,13503,2

10.05,11

n

N k i

i A

( ) 231,1

12,8116,0

143,145

,4922

1005,1145,

2 6

=

i m

A Z

N k

≤

=

10.1,19

2 6

105

105

51,154045,0

2,170045,

Z2 = 98→y2= y = 0,51

k = 1,3

)/

(15940

12,8198451,0

143,1101,

2

6

mm N

Kết luận: Bánh răng bảo đảm an toàn về uốn

2.5.3 Tính cặp bánh răng Trục trung gian - Trục tang

6,14

2=

=n

n tg (v/ph), N2=13,3( kW)

12,81

N

N k

td

o

N =

T n u

N td =60 2

T = 10 năm x 100 ngày x 1ca x 1giờ = 1000 (giờ)

6

2 60 1 14,6 1000 0,876 10

2

1= td = 5,5× 0,8×10 = 3,96 ×10

N

105,1

6

6

7 '

105,2

6

6

7 '

,13005,2

- Ứng suất cho phép bánh răng nhỏ:

109536

,13503,2

.10

05,11

n

N k i i

3,133,15,51253

1005,115,

2 6

=

i m

A Z

N k

≤

=

10.1,19

2 6

n = 1,8 Tụi cải thiện

k = 1,2 Tụi bề mặt răng

67,11096,3

1056

6

7 6

td

o N

67,1

(161110

3,131005

51,0

6,143,1101,

2

6

mm N

n

N c

d≥

970

48,15

1103 =

≥

- Chọn đường kính sơ bộ trục tại vị trí lắp cóc d = 40 (mm)

- Chọn đường kính sơ bộ trục tại vị trí lắp bánh răng d = 40 (mm)

b Tính gần đúng trục:

+ Mômen xoắn Mx:

108992970

48,15.10.55,910

.55,