Đồ án bánh lái cân bằng trên tay treo

Đây là đồ án bánh lái tàu thủy, là một trong những bánh lái được áp dụng cho các tàu thủy hiện nay Đồ án này rất chính xác, có bản vẽ kèm theo, được thầy cô giáo đánh giá cao Chúc các bạn thành công...

Mục Lục

Lời mở đầu

Lời nói đầu 2

I THÔNG SỐ TÀU 3

II TÍNH TOÁN CHÂN VỊT 3 1 Xác định sức cản 3 2 Xác định công suất và lựa chọn máy chính 4 3 Thiết kế chân vịt 7

III THIẾT KẾ BÁNH LÁI. 8 1 Xác định thông số hình học bánh lái9 1.1 Diện tích bánh lái 9

1.2 Chiều cao bánh lái 10

1.3 Chiều rộng bánh lái 10

1.4 Độ giang bánh lái 10

1.5 Profile bánh lái 11

2 Đặc tính thủy động bánh lái 16

2.1 Nguyên lý hình thành lực thủy động 16

2.2 Tính toán lực thủy động cho bánh lái 17

2.3 Xác định vị trí tối ưu của trục lái 22

2.4 Xác định lực thủy động của tàu khi tàu chạy tiến và chạy lùi 23

2.4.1 Lực thủy động khi tàu chạy tiến 23

A – Lực thủy động tàu chạy tiến 24

B – momen tác dụng khi tàu chạy tiến 25 2.4.2 Lực thủy động và momen khi tàu chạy lùi 26

A Lực thủy động tàu chạy lùi 26

B – Momen tác dụng lên trục lái 27

2.5 Tính toán lực thủy động mà momen tác dụng lên bánh lái 27

Theo QCVN – 2010 A Trường hợp tàu chạy tiến 28

a Lực tác dụng lên mối phần bánh lái 28

b Momen xoắn tác dụng lên mỗi phần 29

B Trường hợp tàu chạy lùi a Lực thủy động tác dụng lên mối phần bánh lái 30

b Momen tác dụng lên bánh lái 31

2.6 Tính toán kết cấu bánh lái 32

2.6.1 Tôn bánh lái 33

2.6.2 Xương bánh lái 33

2.6.3 Cốt bánh lai 34

2.7 Tính toán trục lái 37

2.7.1 Vật liệu 37

2.7.2 Lực tác dụng lên trục lái 37

2.6.3 Tính sơ bộ trục lái lần 1 38

A Xét bánh lái chịu tác động của lực thủy động 38

B Xét bánh lái chịu tác động của trọng lượng bánh lái 40

2.6.4 Tính sơ bộ trục lái 44

A Phần trên trục lái 44

B Phần dưới trục lái 44

2.6.5 Tính sơ bộ máy lái 45

A Nhiệm vụ máy lái 45

2.6.7 Tính chính xác trục lái 53

2.6.8 Tính chính xác đường kính trục lái 54

2.6.9 Kiểm tra bền trục lái 55

2.6.10 Tính chọn lại máy lái 57

2.6.11 Tính chọn ổ đỡ chặn 58

2.6.12 Tính chọn ổ đỡ 59

2.7 Tính toán mối nối trục và bánh lái 61

2.8 Tính toán chốt bánh lái 62

2.9 Kiểm tra bền bánh lái 63 3.0 Dung sai lắp ghép

Lời nói đầu

Thiết bị tàu là một môn học đề cập đến nguyên lý làm việc, cơ sỡ thiết kế chết tạo thiết bị của hệ thống lái tàu thủy, bánh lái tàu, thiết bị neo, hệ thống buộc tàu, thiết

bị nâng hạ hang trên tàu, thiết bị nâng hạ và cứi sinh Trên cơ sỡ nhiệm vụ được giao là tính toán và thiết kế bánh lái tàu chở dầu với thông số như sau :

Chiều dài tàu : L = 118,9 m.

Chiều rộng tàu B = 18,92 m.

Chiều cao mạn D = 11,5 m.

Chiều chìm là d = 7,93 m.

Vận tốc là v = 13,5 HL/h.

Hoạt động ở vùng biển không hạn chế.

Nội dung tính toán thiết kế gồm.

Tính toán kết cấu bánh lái, tính toán đường kính trục, đường kính chốt lái,ổ đỡ

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Văn Công trong thời gian em thực hiện đồ án đã chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình để em có thể hoàn thành đồ án này.

Mong các thầy trong tổ hỏi bảo vệ đồ án chỉ dẫn những chỗ em còn sai sót, khiếm khuyết Em xin chân thành cảm ơn

Tàu thiết kế là tàu dầu với các thông số sau:

Chiều dài 2 trụ là L PP = 118,9 m.

Chiều rộng tàu B = 19,82 m.

Chiều cao mạn H = 11,5 m.

Chiều chìm của tàu d = 7,93 m.

Lượng chiếm nước của tàu là D = 13 000 T

Thể tích phần chìm khi toàn tải là V = 12683 m.

Với = 1 Khi đó ta có : EPS = = 120,41

Các bước tiếp theo ta thực hiện theo bảng sau :

2 Xách định công suất và lựa chọn máy chính.

Hệ số dòng theo tính theo công thức TAYLOR

= 0,5CB + 0,05 = 0,5 0,67 + 0,05 = 0,285

Hệ số dòng hút tính theo công thức sau :

t = k = 0,7 0,285 = 0,2

Trong đó k = 0,5 – 0,7

Dựa vào tuyến hình và vị trí bố trí chân vịt của tàu mẫu và tuyến hình của tàu thiêt

kế ta xác định dược đường kinh lớn nhất của chân vịt là :

DMAX = 5,9 m

Tốc độ tịnh tiến của tàu:

– Đọc trên đồ thị BU – trên p tối ưu.

H/D và p đọc trên đồ thị BU – với giá trị 0,94

D – đường kính chân vịt :

D = = =

D – đường kính chân vịt đổi sang hệ m

Công suất hữu ích của máy chính là Ne

p h r t v e

EPS N

η η η η

=

= 2919/

Ở đây : là hệ số thân tàu nhận 1,25

là hệ số dòng xoáy = 1,025

là hiệu suất đường trục = 0,97

Căn cứ vào bảng tính trên ta vẽ được hai đường D = f (n) và Ne = f(n) như hình vẽ

Tất cả các điểm nằm phía trên Ne đều có công suất đảm bảo tốc độ yêu cầu Ta chon máy có công suất là 58000 CV tại vòng quay 125 vòng/ phút

Đổi ra KW ta có công suất là 4413 KW

Dựa vào catoger ta chọn máy là 8L32/40 - SCANA vòng quay là 600 vòng trên phút

Chúng ta đã chọn máy có công suất hới cao hơn yêu cầu để đạt tốc độ là 13.5 hải lý/ giờ Cho nên tàu có thể hoạt động đạt vận tốc cao hơn

Trong đó k = 0,2 cho tàu một chân vịt.

Lực đẩy của chân vịt T (kg) trong giai đoạn thiết kế ban đầu tính theo công thưc kinh nghiệm dựa vào công suất máy PD và điều kiện khai thác của tàu

k D Pd Po

T Z Ao

Pd áp suất hơi bão hoà Pd = 240 kG/ m 2.

H S lây theo công thức kinh nghiêm và tàu mẫu.

Vậy ta có giới hạn thấp của a E là 0.549 Vậy ta chọn chân vịt nhóm B4 tỉ lệ diện tích mặt đĩa là 0,55 Các bước tiếp theo ta tính theo bảng sau:

P Va

60

305 ,

Đặc tính của chân vịt được chọn

Đường kính D = 4,71m

Bước xoắn P = 3,43 m

Tỉ lệ bước là H/D = 0,73

Tỉ lệ diện tích mặt đĩa aE = 0,55

II Thiết kê bánh lái

Dựa vào đặc tính hình dáng của đuôi tàu và tàu mẫu ta chọn kiểu bánh lái bán cân bằng tai treo

1 Xác định các thông số hình học của bánh lái.

1.1 Diện tích bánh lái.

Theo [1] (trang 12) diện tích bánh lái xác định theo công thức sau:

Abl = m2

Trong đó : L – Là chiều dài giữa hai đường vuông góc của tàu (m), L = 118,9 m

T – Là chiều chìm của tàu khi chở đầy (m), T = 7.93m

– Là hệ số diện tích bánh lái Theo bảng 1.2 và bảng 1.3 tr 13

sổ tay thiết bị tàu thuỷ, với tàu dầu cỡ nhỏ và trung bình = ( 1.3 1.9)%

ta chọn = 1.6%

Abl - Là tổng diện tích bánh lái

Vậy ta có tổng diện tích bánh lái là : Abl = 1.6% = 15,08 m2

Theo [1] thì tổng diện tích bánh lái phải không nhỏ hơn trị số Amin tính theo công thức sau :

q = 1,25 đối với tàu kéo, q = 1,0 với các loại tàu khác Ta lấy q = 1,0.Vậy tổng diện tích bánh lái không được nhỏ hơn :

Amin = 11(0,75 + ) = 14,37 m2

Vậy diện tích bánh lái thoả mãn

Cũng theo [1] nếu bánh lái đặt trực tiếp sau trụ lái thì diện tích bánh lái Abl phải không được nhỏ hơn 0,8 Amin = 11,49 m2

1.2 Chiều cao bánh lái

Dựa vào tuyến hình tàu , vị trí đặt chân vịt,tàu mẫu ta chọn chiều cao bánh lái là:

t = (0,12 ÷ 0,25) b bl = (0,12 ÷ 0,25)× 3,1 = (0,372 ÷ 0,775) m.

Vẽ profin bánh lái :

Toạ độ thực của profin bánh lái tính theo công thức:

t b y

Ta chọn bánh lái chọn profin bánh lái thiết kế kiểu NACA 0015 Khi đó t = 0,15

Ta tiến hành vẽ profin bánh lái tại các mặt cắt như hình vẽ

Xét tại mặt cắt 1-1.

Ta có bảng tọa độ gốc của profin tại mặt cắt 1-1

Tại đây chiều rộng profin bánh lái là b = 3820 mm

Từ bảng tọa độ ta có profin như sau :∆ là khe hở giữa trụ lái và bánh lái lấy bằng

30 mm

Xét tại mặt cắt 2-2.

Tại mặt cắt này chiều rộng của bánh lái và trụ lái là b = 3492mm

Ta có bảng tọa độ profin như sau :

Xét tại mặt cắt 3-3.

Tại mặt cắt này chiều rộng của bánh lái và trụ lái là 3154 mm

Ta có bảng tọa độ profin của mặt cắt này là như sau :

Từ bảng tọa độ ta có profin tại mặt cắt 3-3 như sau:

Xét tai mắt cắt 4-4.

Chiều rộng tại mặt cắt này là 2400

Ta có bảng tọa độ profin tại mắt cắt này là

2 Đặc tính thủy động của bánh lái.

2.1 Nguyên lý hình thành lực thủy động.

Bánh lái chảy trong dòng không rối của chân vịt

Khi đó ta tiến hành bẻ lái góc α

P0 - Áp suất tĩnh của chất lỏng trong vùng không rối

Px - Áp suất tĩnh của chất lỏng tại mặt cắt bất kì

W0 - Tốc độ của dòng chất lỏng trong vùng không rối

Wx - Tốc độ dòng của chất lỏng tại mắt cắt bất kì

Dựa vào phương trình trên ta thấy tốc độ dòng tăng sẽ dẫn đến áp suất tĩnh giảm.Phần phía trên áp sẽ giảm, phần phía dưới bánh lái sẽ tăng

2.2 Tính toán lực thủy động cho bánh lái thiết kế.

Đặc tính thủy động của hệ bánh lái và trụ lái rất phức tạp vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố

Sau đây áp dụng công thức kinh nghiệm của Mandel để tính toán cho hệ bánh lái vàtrụ lái

Hệ số lực nâng có công thức như sau :

2 4

Trong đó : Ω - góc giữa trụ đứng và ¼ chiều rộng mép trước Hình minh họa

Cd - hệ số cản dich chuyển của bánh lái theo phương vuông góc với mặt phẳng đối xứng Tra theo đồ thị đồ thị của L.F.Vicker và L.F.Feklner

Hệ số lực cản CD tính theo công thức kinh nghiệm của Whicker và Fehlner (1958)

và Johnes (1952) như sau :

CD = CD0 +

2

L

C e

πλ

Trong đó CD0 – Là hệ số cản bé nhất = 0,0065 cho NACA 0.15

e - Hệ số Oswald = 0,9

Áp dụng vào bánh lái tính toán.

Bánh lái tính toán có hệ số giang λ = 1,58

Hệ số cản Cd tra theo đồ thị theo sách [1]- trang 40, lấy giá trị dung hòa giữa đường

số 1 là bánh lái cạnh thẳng và đường số 2 bánh lái cạnh lượn tròn Cd = 1,15

Ta xét đến ảnh hưởng của trụ lái với đặc tính thủy động của bánh lái

Với bánh lái của bánh lái nữa treo nhỏ hơn của bánh lái cân bằng có cùng diện tích

30 0.523 0.274 1.28 1.63 0.37 1.25 0.38

Đặc tính thủy động được biểu diến trên đồ thị sau :

Các lực tác dụng được biểu diễn như trên hình vẽ sau :

Với phần bánh lái có trụ lái :

Với phần bánh lái không có trụ lái.

1 Đạt momen bánh lái nhỏ nhất hoặc

2 Đạt công quay bánh lái từ mạn này sang mạn kia nhỏ nhất

Ta có thể xác định tâm áp suất từ cạnh dẫn theo công thức sau :

b là chiều rộng của bánh lái

Khoảng cách tâm áp suất cách trục lái là :

Momen ở trụ lái : MS = N.c = M – N.a [2] – tr 709

Kết quả tính toán được thể hiện ở bảng sau :

Với những hệ số lưc thủy động như đã xác định được ở trên ta áp dụng những côngthức sau để xác định lực thủy động và momen quay, có kể đến ảnh hưởng cảu các yếu tố như ảnh hưởng của vỏ tàu và ảnh hưởng của chân vịt.

Áp dụng các công thức sau để tính toán lực thủy động :

Lực nâng : L =

2 2

- là khối lượng riêng của nước [kg/m3]

vs - là vận tốc dòng chảy trên bánh lái [m/s]

Abl - Diện tích bánh lái [m2]

bbl - Chiều rộng bánh lái[m]

Từ các công thức trên ta thấy nếu cùng diện tích bánh lái , cùng khối lượng riêng nước thì vận tốc dòng chảy qua bánh lái khác nhau sẽ cho ta các lực thủy động khác nhau Sau đây ta tính toán cho tàu chạy tiến và tàu chạy lùi vì nó gây cho vận tốc dòng qua bánh lái khác nhau

2.3.1 Lực thủy động khi tàu chạy tiến.

Áp dụng cách tính theo sách [2]

Tốc độ dòng chảy đến chân vị là : vp =v.(1-ω

) =13,5.0,5144.(1-0,285) = 4,96 [m/s]Với v là vận tốc tàu bằng 13,5 HL/h, ω

- hệ số dòng theo bằng 0,285

S T

1

3,75 4,96

4,96 3,183

a p

S

v v

A Các lực thủy động của bánh lái khi tàu chạy tiến được thể hiện ở bảng sau :

25 0.906 0.423 1.014 0.246 52724 12791 54254

30 0.866 0.500 1.249 0.371 64943 19291 67748

35 0.819 0.574 1.495 0.529 77734 27506 82457

B Tính momen tác dụng lên trục lái.

Khoảng cách từ tâm áp lực thủy động đến trục lái là : c = e – a

Vậy ta có momen tác dụng lên trục lái là Ms = c.N = N.(e – a) = M – N.a (2.3.4)

Mà ta có Cm/Cn = e/bi thay vào (2.3.5) ta có được công thức tính momen trên trụ lái

2.3.2 Lực thủy động và momen khi tàu chạy lùi.

A - Lực thủy động tác dụng lên bánh lái.

Áp dụng các công thức (2.3.1),(2.3.2) để xách định lực thủy động khi tàu chày lùi nhưng phải lưu ý vận tốc của tàu khi chạy lùi

Theo sách [3] thì khi tàu chạy lùi vận tốc của tàu là vsl = (0,7-0,75).vP

Vậy vận tốc của tàu chạy lùi là vsl = 0,7×9,65 = 6,76 HL/h

Vận tốc của dòng chảy đến bánh lái là vssl = 0,514.ξl.vsl

Với ξl =(1,05 – 1,10) – hệ số ảnh hưởng của thân tàu

Vậy vận tốc dòng chảy đến bánh lái vssl = 0,514.1,10.6,76 = 3,822 [m/s]

B momen tác dụng lên trục lái.

Lý luận như phần khi tàu chạy tiến ta có momen tác dụng lên trục lái là :

Tính tại mặt cắt có chiều rộng trung bình bi = 3,1 m

2.4 Tính toán lực thủy động và momen tác dụng lên bánh lái theo QCVN-2010

Áp dụng QCVN [4] tập 1 phần 2A kết cấu thân tàu và trang thiết bị tàu chở hàng

có chiều dài từ 90m trở lên, chương 25 Thiết bị thân tàu,25.1 bánh lái và thiết bịquay trở

A – Trường hợp tàu chạy tiến.

a Lực thủy động tác dụng lên mỗi phần của bánh lái là :

- A1 Diện tích biểu diễn như trên hình vẽ, A1 = 6,30 m2

- A2 Diện tích biểu diễn như trên hình vẽ A2 = 6,71 m2

t

b

A

Λ = = =

Trong đó: b – là chiều rộng trung bình của bánh lái, b = 3,1 m

At - là diện tích bánh lái bao gồm cả trụ lái,At = 15,08 m2

Vậy k1 = (2+Λ)/3 = (2+0,637)/3 = 0,879

- k2 - hệ số phụ thuộc kiểu bánh lái và dạng profile bánh lái

Tra bảng ta có k2 = 1,10

- k3 hệ số phụ thuộc vào vị trí bánh lái, với chân vịt nằm trong dòng đẩy củachân vịt k3 = 1,00.

- kt = 1,0 khi bánh lái nằm sau chân vịt

Vậy CR = 132.A.V02.k1.k2.k3.kt = 132.14,3.13,52.0,879.1,1.1.1 = 332628,2 N

1 1

6,30332628,2 146542,49

6,71 332628,2 156079,38

Vậy ta thấy QR lớn hơn QRmin nên thỏa mãn.

B – Trường hợp tàu chạy lùi.

a Lực thủy động tác dụng lên mỗi phần của bánh lái là :

Chỉ khác với tàu tiến tại v a và hệ số k 2.

1 1

2 2

- A1 Diện tích biểu diễn như trên hình vẽ, A1 = 6,30 m2

- A2 Diện tích biểu diễn như trên hình vẽ A2 = 6,71 m2

t

b

A

Λ = = =

Trong đó: b – là chiều rộng trung bình của bánh lái, b = 3,1 m

At - là diện tích bánh lái bao gồm cả trụ lái,At = 15,08 m2

6,3060477,85 26644,08

0,5 0,07936,30

f b

A k

2

2,01 0,21 6,71

f b

A k

1

6,30

2,6112,44

2

6,71

2,7502,44

Ta thấy QR> QRmin nên thỏa mãn.

2.5 Tính toán kết cấu của bánh lái.

Mô hình hóa kết cấu bánh lái như hình vẽ :

Vật liệu sử dụng : Theo QCVN – 2010 là thép cán cấp A

Giới hạn chảy là : 235 N/mm2

Giới hạn bền kéo là : ( 400 ÷ 490) N/mm2

2.5.1 Tôn bánh lái.

4 4 1

0,60 1,1 0,5 1,1 0,5 0,63

0,62

s a

235 235

1 235

Khoảng cách của các xương đứng theo [1] thường không quá 1,2 lần khoảng sườnvùng đuôi tàu, tức là không quá 720 mm.

Chiều dày vách nằm theo [1] thì lấy bằng chiều dày tôn bánh lái, t = 12 mm, cònchiều dày của vách đứng bằng (1,1 ÷ 1,25)t = (13,2 ÷ 15) mm Chọn 14 mm

Chiều dày tôn nắp trên bánh lái và nắp dưới bánh lái thường lấy từ (1,2 : 1,5).S0Chọn bằng 1,5.S0 = 1,5.12 =18 mm

Tấm nắp trên và nắp dưới bánh lái có các lỗ nút bằng nút đồng có ren để đưa nướcvào và ra khi thử kín nước bánh lái

Tôn mạn được hàn vào các các thanh lập là có chiều rộng theo tài liệu [1] là

Phân trên bánh lái cốt bánh lái được tạo từ phần 1 xương đứng và một nữa phần

tôn mép trước bánh lái Trên này ta khoét lỗ có kích thước là 400 400×

mm

Chiều dày xương đứng hàn với khối đặc theo QCVN – 2010 không được nhỏ hơntrị số tính theo công thức sau :

t = 2tp trong đó tp là chiều dày tôn bánh lái Vậy t = 2.12 = 24 mm

Chiều dày xương ngang liên kết với khối đặc, t2 = 1,2.tp = 1,2.12 = 14,4

27,7 48 36845,92 12

XF

cm4.Vậy JX = 112499,52 cm4

Vậy modun chống uốn của mặt cắt là

Momen quán tính của mặt cắt với trục x là :

Vậy modun chống uốn của mặt cắt là :

155555,54

26, 2

X x

J h

2.6.1 Vật liệu.

Theo [4] vật liệu làm trục lái phải là thép cán, thép rèn, hoặc thép cacbon đúc phù

hơn 200 N/mm2 Dựa vào phần 7A , trang 219 ta chọn vật liệu để làm trục lái làthép rèn cacbon C45 có giới hạn chảy là 360 N/mm2, có giới hạn bền kéo là (600 –

720) N/mm2, có σ =1F (270 350)÷

, τ−1=(160 210)÷ 2.6.2 Lực tác dụng lên bánh lái :

Lực tác dụng lên bánh lái là:

Áp lực thủy động tác dụng lên bánh lái Pn có phương vuông góc với trục lái

Momen xoắn thủy động tác dụng lên trục lái Mσ

gây xoắn trục lái

Lực tác dụng của sec – tơ lái gây xoắn trục

Trong lượng của trục lái và bánh lái gây kéo uốn trục lái

2.6.3 Tính sơ bộ trục lái lần 1.

Ở lần tính này ta bỏ qua không kể đến tiết diện của trục bánh lái, coi bánh lái nhưmột dầm siêu tĩnh

Ta giả sử momen quay của sec – tơ lái bằng 0

Ta chỉ xét dầm dưới tác dụng của lực thủy động Pn và momen xoắn Mσ, trọnglượng của bánh lái và trục lái do đặt lệch tâm sẽ gây uốn trục

Coi dầm chịu tác dụng của các lực độc lập tiến hành tính toán và sau đó cộng lạitheo nguyên lý cộng tác dụng của các lực độc lập

Sơ đồ bố trí bánh lái ở đuôi tàu là :