Đồ án bánh lái tàu khách 1

Đây là đồ án bánh lái tàu khách, do sinh viên trường đh giao thông vận tải tp hcm thiết kế Bài làm có bản vẽ kèm theo. Tài liệu này rất cần thiết cho các bạn làm đồ án thiết bị. chúc các bạn thành công....

Mục lục

IV TÍNH LỰC THỦY ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH LÁI 16

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁNH LÁI TÀU THỦY

TÀU KHÁCH

I CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TÀU CẦN THIẾT KẾ

Chiều dài thiết kế : L = 85,15 m

Cấp tàu : hạn chế cấp I

II TÍNH TOÁN CHÂN VỊT

1 Xác định lực cản

Tính toán sức cản ta áp dụng phương pháp Papmiel

Từ bảng trên ta có đồ thị sức cản sau :

2 Tính toán chọn chân vịt tàu.

Hệ số dòng theo tính theo công thức TAYLOR

Hiệu suất xoắn trục : = 1

Dựa vào tuyến hình và vị trí bố trí chân vịt của tàu mẫu và tuyến hình của tàu thiêt kế ta xác định được đường kinh lớn nhất của chân vịt là :

DMAX = 0,65 d = 0.65 4,75 = 3,1 m

Độ sâu tâm trục chân vịt so với đường nước thiết kế :

Hs = d – h = 4,75 – 1,75 = 3 m

Ta có áp suất khí quyển tính trên mặt thoáng : Pa = 10330 kG/m²

Áp suất hơi bão hòa chọn nhiệt độ làm việc 25

).3,03,1(

D Pv Po

T Z

−+

+ CVới một trục chân vịt chọn C = 0,2 , vậy tỷ số mặt đĩa sẽ là :

+ 0,2 = 0,52

Vậy ta chọn chân vịt Wageningen B-4.55 , có tỷ số mặt đĩa là 0,55.

3 Tính toán chọn máy

Chọn vòng quay chân vịt từ N = 100 v/ph đến N = 140 v/ph

Tính toán các trị số Bp , δ và đọc trên đồ thị số hiệu suất tương ứng η0 theo bảng sau:

Với ε = |0,7 - ηD| = 0,004 ≤ 0,005 nằm trong giá trị sai số cho phép

Vì Eps lớn ên ta sẽ chọn máy chính có công suất máy khai thác là :

BHP = =

625,630,653

= 958 kWVậy ta chọn đông cơ 6M30BLGT có công suất 1176 kW, số vòng quay là 250 vòng/phút

4 Thiết kế chân vịt sử dụng hết công suất máy

Sau lần tính thứ 2 tốc độ tàu Vs = 12 hl/h lực đẩy thực tế của chân vịt đạt 10533 kG, xấp xỉ sức cản vỏ tàu R =

10323 kG Sai số giữa 2 đại lượng này nằm trong giới hạn cho phép | Te - R | <3%

Thông số của chân vịt:

P

.515,0

- Tỷ số bước xoắn

- Hiệu suất công tác

Kích thước củ chân vịt:

III CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA BÁNH LÁI

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

1 Diện tích bánh lái.

Theo [STTBT 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 = 85,15 m

T – Là chiều chìm của tàu khi chở đầy (m), T = 4,75 m

– 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 khách cỡ nhỏ và tốc độ trung bình = ( 1,7 2,2)%

ta chọn = 1,9%

Abl - Là tổng diện tích bánh lái

Vậy ta có tổng diện tích bánh lái là : Abl = 1,9% = 7,7 m2

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

Amin = p q (0,75 + ) ; m2

Trong đó : L – Chiều dài tàu (m).

T – Chiều chìm tàu (m)

p – Hệ số bằng 1,2 nếu bánh lái không đặt trực tiếp sau chân vịt, bằng 1 nếu bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt Với trường hợp bánh lái

đang thiết kế ta chọn q = 1,0

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 = 1 1 (0,75 + ) = 6,82 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 = 5,46 m2

2 Chiều cao bánh lái

Chiều cao của bánh lái được xác định theo chiều chìm tàu và kích thước chân vịt Theo

sổ tayTBTT 1 khi tàu toàn tải, bánh lái phải ngập hoàn toàn trong nước Chiều dày lớpnước phía trên bánh lái không được nhỏ hơn 25% chiều cao bánh (h) đối với tàu biển.Mép dưới của bánh lái không được thấp hơn mép chân vịt và mép dưới bánh lái thườngnằm cao hơn mặt dưới sống chính của tàu một đoạn 50÷250 mm[trang 21,sổ tayTBTT 1]

Ta chọn chiều cao bánh lái hbl = 3,5 m

Mép dưới bánh lái cách đường chuẩn là : 200 mm

Mép trên cách đường nước thiết kế là : 1050 mm

3 Chiều rộng bánh lái

Vì ở đây ta chọn bánh lái hình thang nên chiều rộng bánh lái là chiều rộng trung bình

bbl = = = 2,2 m

4 Hệ số kéo dài của bánh lái λ:

Hệ số kéo dài λ được xác định theo công thức sau ( thông thường λ = 0.5 ÷ 3 tuỳ theo kếtcấu vùng đuôi tàu ),bánh lái có λ lớn đảm bảo hiệu quả lái tốt:

λ =

2

2

3,51,59

5 Chiều dày prôfin t của bánh lái :

Chiều dày lớn nhất của prôfin t lấy theo đường kính chân vịt Dcv:

t = (0,1 ÷ 0,125) =0,29÷0,3625 [1-10 ,sổ tay thiết bị T1 trang 16]

Chiều dày tối ưu nằm trong khoảng:

t = (0,12 ÷ 0,25 )bbl =0,264÷0,55 [1-11 ,sổ tay thiết bị T1 trang 16]

Vẽ profin bánh lái :

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

100

t b y

( 1 – 20 – [1] tr 24) [mm]

Trong đó: x , y - tọa độ các điểm trên prôfin bánh lái

_ _

, y x

- tọa độ tương đối ( bảng 1-9 , 2 – tr 24 )

b - chiều rộng prôfin bánh lái tại các mặt cắt thiết kế

_

t

- chiều dày tương đối prôfin

Đối với bánh lái nửa treo thì chiều rộng bbl và chiều dày t thay đổi theo dọc chiều caobánh lái hbl ( phía trên rộng phía dưới hẹp, trên dày , dưới mỏng )

Tại phần có trụ lái thì prôfin của trụ lái cũng có biên dạng giống prôfin bánh lái, vì vậy đểđơn giản trong việc vẽ ta xem trụ lái và phần bánh lái tại những khu vực có trụ lái là mộtbánh lái liên tục.

Bố trí đường tâm quay của bánh lái nằm trong mặt phẳng chứa các chiều dày lớn nhất t.Khi đó bánh kính lượn phần mũi bánh lái bằng t/2

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

Khi đó bán kính lượn phần mũi profin NACA :

2

1 1,1 34,85 151, 25

bl

t r b

(mm)

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 = 3000 mm

3 2

3000

140026802257

Tại mặt cắt này chiều rộng của bánh lái và trụ lái là b = 2680 mm.

Ta có bảng tọa độ profin như sau :

Tại mặt cắt này chiều rộng của bánh lái và trụ lái là 2257 mm

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

Chiều rộng tại mặt cắt này là 1400

Ta có bảng tọa độ profin tại mắt cắt này là

IV TÍNH LỰC THỦY ĐỘNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH LÁI

Mục đích của việc tính toán thuỷ động học bánh lái là đi xác định các trị số của lựcthuỷ động để làm cơ sở cho việc chọn máy lái, tính toán bền cho thiết bị lái Khi bánh láiđược đặt trong dòng chảy vận tốc vs, dưới góc tấn α, dưới tác dụng của dòng chảy chấtlỏng phân bố áp lực ở mặt trên và mặt dưới của profin mặt cắt bánh lái khác nhau, làmxuất hiện lực tác động ngang Các lực thuỷ động tác động lên bánh lái gồm có: Lực nâng

L và lực cản D

- Tổng hợp của L và D sẽ được lực R – Áp lực thủy động tác động lên bánh lái:

2

2 D L

R= +

- Lực R có thể phân thành hai thành phần gồm:

+ Lực pháp tuyến: N =L cos α +D sin α

+Lực tiếp tuyến: T =L sin α −D cos α

Các lực này đặt tại tâm áp lực k

A Tính theo lý thuyết

1 Các thông số ban đầu :

A K A

Trong đó :

• Ap: Diện tích của bánh lái được phủ bởi luồng nước do chân vịt đạp ra

Ap = bbl.Dcv = 2,2.2,9 = 6,38 m2

• Dcv = 2,9 m : Đường kính chân vịt

• Kp : Trị số tăng thêm lực dạt do bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt , được

xác định từ [ đồ thị 1.19 trang 25 Sách Thiết bị tàu ] với CR là hệ số tải của chân vịt

2, 45

2, 2

R p

e R

cv P

T C

D

V πρ

C D

: Thể tích chiếm nước tàu

o ∆ω : Giá trị hiệu chỉnh khi mà

2 , 0 42 , 0

=

L g

V

r

và được tính theo công thức ∆ω = 0,3.CB.(Fr – 0,2) = 0,05

• ωr = 0,8.ω = 0,8x0,526 = 0,42

• ∆ : Hệ số ảnh hưởng toàn phần của tốc độ kích thích đến bánh lái

: Được xác định từ đồ thị 1.18 sách TBT

x = 0,85 m : Khoảng cách từ mép trước của chân vịt tới mép trước của bánhlái

3 Xác định lực thủy động tác dụng lên bánh lái và momen thủy động tác dụng lên trục lái khi tàu chạy tiến :

a Tính toán đặc tính thuỷ động của bánh lái:

• Tổng hợp lực R có hai thành phần :

2

2 D L

R= +

Mtđ = N.e

Trong đó: e : Khoảng cách từ cạnh trước của bánh lái đến điểm đặt lực N

• Mômen tải trên trục lái được tính theo công thức:

M0 = N.x = N.(e – a)

Trong đó: e : khoảng cách từ trục lái đến cạnh trước của bánh lái

a : khoảng cách từ điểm đặt lực đến tâm trục lái

Trong bảng 11-3, Sổ tay kỷ thuật tàu thủy tập I đã cho biết đặc tính của bánh lái có

Trong thực tế thiết kế tàu thủy, bánh lái thường có hệ số λ nhỏ hơn 6 Vì các hệ số

CL, CD và CM phụ thuộc rất nhiều vào λ nên ta tính các hệ số ấy cho mọi bánh lái như sau:

CD2 = CD1 + C1CL2 [Sổ tay kỷ thuật tàu thủy tập I ,11-23 tr 709]

L C

1 2 1

λλ

1 2 2

λλ

=

C

[ Sổ tay kỷ thuật tàu thủy tập I, 11-26 tr 709]

Tra trong bảng 11-3, Sổ tay kỷ thuật tàu thủy tập I (3- trang 705) người ta cho biết đặctính của loại có λ’ = λ1 = 6 và hệ số kéo dài λ2 = λ= 1,59

Suy ra :

) 1 1 ( 1

1 2 1

λλ

1 1 ( 3 , 57

1 2 2

λλ

b Xác định vị trí tối ưu của trục lái:

Ta xác định hệ số lực thẳng góc bánh lái CN theo công thức sau :

CN = CL.cosα + CDsinαKhoảng cách tâm áp suất từ cạnh dẫn được xác định theo công thức :

bl N

M b C

C

e=

Với bbl = 2,2 m : chiều rộng trung bình của bánh lái

Lập bảng tính vị trí tối ưu của trục bánh lái như sau :

Các phép tính được thực hiện trong bảng Qua đó ta thấy được rằng sự xê dịch tâm ápsuất theo chiều rộng bánh lái không vượt quá 1,2% tức bằng 26,4 (mm)

Bởi vì với những góc dẫn lớn hơn hệ số lực thẳng góc CN lớn hơn rất nhiều những trị sốtương ứng với góc dẫn nhỏ Cho nên để nhận được mô men nhỏ trên trụ lái, ta nhận vị trítrục lái:

0, 249 0, 251

0, 25 2

a e

b b

+

Khoảng cách trục lái tính từ mép trước tay treo (tại chiều rộng trung bình bánh lái) sẽ là:a= 0,248.b = 0,248.22 = 0,55 (m)

( Để tránh hiện tượng cướp lái nên ta chọn a/b = 0,248 )

ρ = CL.7,7

2101,76.5,182

ρ

= CD.7,7

2101,76.5,182

d Mômen thủy động tác dụng lên bánh lái:

Mômen thủy động tác động lên bánh lái, với điểm đặt ở mép dẫn của bánh lái là:

Mtd = CM.Abl.bbl 2

2

R V

ρ

=CM.7,7.2,2

2101,76.5,182

= 23127.CM (kG.m)Với : CM : hệ số mômen thủy động

Bbl = 2,2 (m): chiều rộng bánh lái

Kết quả tính lực nâng L, lực cản D, lực tổng hợp R và mômen thủy động tác động lên bánh lái Mtđ được thể hiện qua bảng sau:

Dựa vào bảng tính trên ta có :

Lực nâng lớn nhất : Lmax = 49951,44 (kG)

2

R N bl

V C A

2

)

(

2

V A a C b C

⇔

)

(

2

V A C b b

a b

82925

0

b

a b

e C

⇔Kết quả tính được thể hiên trong bảng sau :

Bảng tính mômen trên trục lái:

Giá trị M0 (mômen thủy động tác dụng lên trục lái) nhận giá trị dương lớn nhất chính làmômen trên trục lái cần sử dụng tính toán

M0 ≈ 817 (kG.m)

Mômen lái trên trục lái được tính theo công thức sau:

M = k0.M0 = 1,2.817 = 980,4 (kG.m) = 9614,44 (N.m) Với: k0 = 1,2 ÷ 1,3 : hệ số tính đến sự tăng thêm của giá trị mômen lái để thắng lực cảnban đầu khi quay lái ngược  chọn k0 = 1,2 [ trang 55 sổ tay thiết bị tàu I ]

B XÁC ĐỊNH LỰC VÀ MÔMEN THỦY ĐỘNG TÁC ĐỘNG LÊN BÁNH LÁI THEO QUY CHUẨN QCVN 21: 2010/BGTVT

1 Lực tác dụng lên bánh lái khi tàu chạy tiến và chạy lùi:

Lực FR tác dụng lên bánh lái khi tàu chạy tiến và chạy lùi được dùng làm cơ sở xác địnhcác kích thước cơ cấu của bánh lái và được tính theo công thức sau:

FR = 132.K1.K2.K3 Abl.Vs2 ,(N)

Trong đó:

o Abl = 7,7 (m2 ): diện tích bánh lái

o Vs = 12 (Hl/h): tốc độ tàu chạy tiến

o Vs = 0,5.Vs = 0,5.12 = 6 (Hl/h): tốc độ tàu chạy lùi

o K1: hệ số phụ thuộc hệ số hình dạng Λ của bánh lái và được tính theo công thứcsau :

K1 = 3

2 + Λ

= 1,2

Với :

2 3,52

1,67,7

bl

t

h A

Với: hbl = 5,5 m: là chiều cao trung bình của bánh lái

At = 7,7 m2: tổng diện tích của bánh lái cộng với diện tích trụ lái,nằm trong phạm vi chiều cao trng bình hbl của bánh lái

2A-B/10.1-QCVN21:2010/BGTVT]

K2 = 1,1: khi tàu chạy tiến

K2’ = 0,8: khi tàu chạy lùi

o K3 : hệ số phụ thuộc vị trí của bánh lái theo qui định

K3 = 1,15: bánh lái nằm trong dòng chảy của chân vịt

K3’ = 0,8: bánh lái nằm ngoài dòng chảy của chân vịt

• b1 = 1,85(m) và b2 = 1,8 (m) chiều rộng tương ứng giữa các phần diện tích A1 và A2

• TR1 và TR2 được xác định như sau:

• r1 và r2: khoảng cách từ tâm của lực tác dụng tương ứng của các phần diện tích S1

và S2 của bánh lái đến đường tâm của trục lái, được xác định theo công thức sau:

1

3,1 1,68 1,85

A c

b

2 2

2

3,151,751,8

A c

f A A

= 0,115 ; kb2 =

2 2

f A A

= 0,25

Với: A1f = 0,525 (m2 ) ; A2f = 1,225(m2 ) phần diện tích cân bằng

α : được xác định như sau:

+ Đối với phần bánh lái không nằm sau kết cấu cố định cố định ( như giá bánh lái ):

Khi tàu chạy tiến : α = 0,33

Khi tàu chạy lùi : α = 0,66+ Đối với phần bánh lái nằm sau kết cấu cố định như giá bánh lái.

Khi tàu chạy tiến : α = 0,25Khi tàu chạy lùi : α = 0,55

Vậy ta thấy TR lớn hơn TRmin nên thỏa mãn.

o Khi tàu chạy lùi:

FR1 = FR A

A1

=

3,128101,43

Vậy ta thấy TR lớn hơn TRmin nên thỏa mãn.

V TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỤM BÁNH LÁI

1 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN BÁNH LÁI:

• Lực thủy động FR tác dụng vuông góc trục lái, gây uốn trục

xoắn trên bánh lái đưa ra đầu trục lái

• Lực tác dụng do sectơ lái gây uốn trục lái

C C C

M F R

=

• Thành phần trọng lượng của bánh lái Gbl , nó cách trục lái một khoảng bằng r, gây

ra mô men uốn và kéo

2 LỰC TÁC DỤNG:

• Lực thủy động FR gây uốn trục

• Mô men TR gây xoắn trục

• Lực tác dụng do sectơ lái gây uốn trục lái Fc

• Trọng lượng bánh lái Gbl gây uốn trục theo phương vuông góc với FR

3 TÍNH TOÁN TRỤC LÁI:

• Vật liệu chế tạo:

- Vật liệu chế tạo trục lái, chốt lái, bu lông nối v.v phải thoả mãn yêu cầu ở Phần 7A

- Thông thường, vật liệu chế tạo trục lái, chốt lái, bu lông nối có giới hạn chảy không nhỏ hơn 200N/mm2 Các yêu cầu của mục này dựa trên cơ sở giới hạn chảy bằng

235 N/mm2 Nếu vật liệu được sử dụng có giới hạn chảy khác với 235 N/mm2, hệ số vật

liệu k được tính theo công thức:

áp suất quá lớn tại mép ổ đỡ

- Các cơ cấu hàn của bánh lái như tôn bánh lái, xương bánh lái và cốt bánh lái phải

được làm bằng thép cán phù hợp với yêu cầu ở Phần 7A của Quy chuẩn Quy cách

theo yêu cầu của các cơ cấu có thể được giảm khi sử dụng thép độ bền cao Khi giảmquy cách cơ cấu, hệ số vật liệu k phải lấy bằng giá trị quy định ở 1.1.7-2(1)

-Vậy ta chọn vật liệu chế tạo trục lái, chốt lái, khớp nối và then của bánh lái có cấp thép

là thép 35 thường hóa, theo bảng 3-8 trang 40 sách Thiết kế chi tiết máy ta có:

3.1 TÍNH SƠ BỘ TRỤC LÁI:

Trong lần tính sơ bộ mục đích để ta có cơ sở để chọn máy lái Trong lần tính này

ta coi trục lái như một dầm tựa trên ba gối chịu tải trọng là lực thủy động FR ( FR bao gồm

FR1 và FR2 ) , mô men xoắn thủy động TR và trọng lượng bản thân của bánh lái Gbl cáchtrục một khoảng r gây uốn trục, còn Fc = 0 Để đơn giản hơn trong tính toán ta sử dụngnguyên lý độc lập tác dụng như sau:

3.1.1 Trục lái dưới tác dụng của lực F R và TR:

Theo bảng 1-14 [ IIIa,trang 66, sổ tay thiết bị tàu thủy T1] đối với bánh lái báncân bằng trên tay treo một chốt , ta có sơ đồ tính toán sau: Ta coi hệ bánh lái trục lái nhưmột dầm tựa trên ba gối chịu tải trọng FR và TR

h =

= 48475 (N/m)

N1 =

1 1

89447,84 1,625

R F

h =

= 55045 (N/m)

Dùng phần mềm sap 2000 giải bài toán ta có :

Phản lực tại các gối như sau :