Đồ án bánh lái tàu cân bằng tay treo 1

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...

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BÁNH LÁI CHO TÀU DẦU CHẠY BIỂN CẤP KHÔNG HẠN CHẾ

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN

• Chiều dài giữa 2 trụ : Lpp = 107 m

• Chiều rộng giữa tàu : B = 17,1 m

• Chiều cao mạn : D = 9,25 m

• Chiều chìm tàu : d = 7,6 m

• Hệ số béo thể tích : Cв = 0,8

• Vận tốc tàu : V = 12 hl/h

PHẦN: 1 TÍNH TOÁN SƠ BỘ CHÂN VỊT

Thiết kế chân vịt tàu dầu chạy biển không hạn chế

1 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN:

Phương pháp này được công bố tại Liên xô trước đây , dựa trên kết quả thử mô hình

và kết quả đo sức cản tàu thật Phương pháp này có ưu điểm là rất dễ sử dụng và đơn giản

vì chỉ cần 1 đồ thị Trong công thức Papmel thay vì sức cản R tác giả đề nghị sử dụng EPS (tương đương EHP) dạng sau :

1

3

C

V L

• ∇= 11553 m³ – Thể tích chiếm nước của tàu, m³

• L = 107 m – Chiều dài của tàu, m

• Vs = 12 hl/h – Vận tốc tàu, hl/h

• ξ= 1 – Hệ số ,phụ thuộc vào số đường trục chân vịt và đây là tàu 1chân vịt

• λ = 0,7 + 0,3(L/100) - Vì tàu có L > 100 m nên chọn λ = 1

ξ λ

3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHÂN VỊT :

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

 Áp suất hơi bão hòa chọn nhiệt độ làm việc 250C là :

).3,03,1(

D Pv Po

T Z

 Công suất cấp cho trục chân vịt :

P N

Công suất máy BHP = 3520 kW ; N’ = 210 v/ph

Tỉ số truyền của hộp giảm tốc: i = 1

t

EPS

Ne

ηηη

η

' =

3.3 Thiết kế chân vịt sử dụng hết công suất máy:

PHẦN: 2 TÍNH TOÁN THÔNG SỐ HÌNH HỌC CỦA BÁNH LÁI

2.1 Lựa chọn.

* Các thông số chính của tàu thiết kế bánh lái:

Ở đây, ta chọn tàu mẫu 20.000 tấn để thiết kế kết cấu cụm bánh lái có các thông số sau:

*Phân tích lựa chọn kiểu bánh lái:

Dựa vào đặc hình dáng của vùng đuôi tàu cũng như tuyến hình, điều kiện làm việc, vùng hoạt động… của con tàu để ta đi tiến hành chọn kiểu bánh lái cho tàu Kiểu bánh lái

ta chọn cho tàu ở đây là kiểu bánh lái cân bằng nửa treo vì nó có những yêu điểm sau:+ Công suất máy lái nhỏ

+ Ít bị hư hỏng hơn khi tàu đi qua các luồn lạch cạn hoặc va đập với các vật khác

+ Tạo được khoảng trống xung quanh chân vịt, đưa chân vịt ra xa vỏ tàu để tránh dao động vùng đuôi tàu

Ngoài ra dùng bánh lái nửa treo ổ dưới của trục lái nhỏ, do đó ở những tàu lớn công nghệ chế tạo sẽ đơn giản hơn

2.2 Xác định các thông số hình học của bánh lái:

2.2.1 Chiều cao bánh lái:

Chọn loại bánh lái cho tàu thiết kế là bánh lái nửa treo cân bằng Dựa vào hình dáng vòm đuôi tàu ta thiết kế tàu gồm có 1 bánh lái đặt ngay sau chân vịt

Chiều cao bánh lái nằm trong khoảng 0,6.T ≤ h ≤ 0,9.T, chọn h = 0,613.T

Trong đó: T = 7,6 (m)

Suy ra h = 0,613.7,6 = 4,598(m) chọn h = 4,6 (m)

2.2.2 Tổng diện tích bánh lái:

Trong đó: L = 107 (m) – chiều dài hai trụ của tàu.

T = 7,6 (m) – chiều chìm của tàu

,0.(

,0.(

) = 1.1.107.7,6.(0,75 150

100 +107 75

+ ) = 12,19 (m2)Vậy diện tích bánh lái thỏa mãn

h b

Thông thường λ = 0,5 ÷ 3 tuỳ theo kết cấu vùng đuôi tàu

Ta có : λ =

19,12

6,

h

= 1,74Suy ra :

Tọa độ thực prôfin bánh lái được tính theo công thức sau:

x = 100

_ _ t b

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

x_, y_ - 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 b và chiều dày t thay đổi theo chiều cao bánh lái (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 để đơn giản trong việc vẽ ta xem trụ lái và phần bánh lái tại những khu vực có trụ lái là một bánh lái liên tục Khi bố trí đường tâm quay của bánh lái nằm trong mặt phẳng chứa các chiều dày lớn nhất t Khi đó bán kính lượn phần mũi bánh lái bằng t/2

Ta chọn prôfin của bánh lái thiết kế là kiểu prôfin NACA0015 khi đó : _t =0,15

Ta chọn 4 mặt cắt để vẽ prôfin bánh lái:

(Trang tiếp theo)

* Mặt cắt I - I:

Ta có: b = 3200 (mm)

15,0

* Mặt cắt II - II:

Ta có: b = 2761 (mm)

15,0

* Mặt cắt IV - IV :

Ta có: b = 2690 (mm)

15,0

* Mặt cắt VI - VI:

Ta có: b = 2100 (mm)

15,0

Từ bảng số liệu trên ta vẽ được prôfin bánh lái tại mặt cắt VI – VI :

2.3 Tính toán đặc tính thuỷ động của bánh lái:

Mục đích của việc tính toán thuỷ động học bánh lái là đi xác định các trị số của lực thuỷ động để làm cơ sở cho việc chọn máy lái, tính toán bền cho thiết bị lái

Khi bánh lái được đặt trong dòng chảy vận tốc vs, dưới góc tấn α, dưới tác dụng của dòng chảy chất lỏng phân bố áp lực ở mặt trên và mặt dưới của profin mặt cắt bánh lái khác nhau, làm xuất 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 - lực chính tác động lên bánh lái: (hình 2-8)

+ Lực pháp tuyến: N =L.cosα +D.sinα

+Lực tiếp tuyến: T = L sinα −D cosα.

Các lực này đặt tại tâm áp lực k

- Mômen thuỷ động ở cạnh trước của bánh

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, STKTTT tập I đã cho biết đặc tính của bánh lái có λ =λ1 =6

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 [3- tr 709]

L C

1 2 1

λλ

=

)11(3,57

1 2

1 2

1 =π λ −λ

6

174,1

1(14,3

1

− = 0,1304)

11(3,57

1 2 2

λλ

1(14,3

3,

Các cột khác được tính toán dựa theo các cột 1 ÷ cột 4

2.3.1 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 + CDsinα [2-tr.35]

Khoảng cách tâm áp suất từ cạnh dẫn được xác định theo công thức:

b C

C e N

M

=Với b là chiều rộng trung bình của bánh lái

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

α CL cosα CD2 sinα cosα*CL sinα*CD2 CN CM e/b

Các phép tính được thực hiện trong bảng Qua đó ta thấy được rằng sự xê dịch tâm

áp suất theo chiều rộng bánh lái không vượt quá 1,2 % tức bằng 31,8 (mm)

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

2985,0)3,0297,

L = CL kv kcv

2

.v2ρ S, kG Trong đó:

CL - hệ số lực thủy động

n

ρ - tỷ trọng của nước biển ,ρn = 104,5 (kGS2/m4 )

vn - vận tốc của dòng nước Trong tính toán ta lấy bằng tốc độ của con tàu, m/s ta có: vn = v = 6,939 (m/s )

= 33297,96.CD (kG)

* Hợp lực R tác dụng vào bánh lái:

R = L2 +D2 = (33297,96.C L)2 +(33297,96.C D)2 (kG )

2.3.2.2 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 kv kcv

2

.v2

ρ S b, kG.mVới :

.2,65 = 88239,59.CM (kGm)

* 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:

- Lực tổng hợp lớn nhất tác dụng lên bánh lái : Rmax = 53651,23 (kG)

- Mômen thủy động lớn nhất tác động vào bánh lái : Mtd = 33531(kGm)

2.3.2.3 Mômen trên trục lái:

a N M

M o = td − Với: N k k C n v n S

N cv

2

2ρ

=

S

v a C b C k k

N M

cv

2

.)

.(

2 0

e k k

N cv

2

)

.(

2 0

.59,88239

).(

.65,2.19,12.2

939,6.5,104.08,2.522,00

2 0

b

a b

e C M

b

x b

x C M

N

t a N

Kết quả tính được thể hiên trong bảng sau :

Bảng tính mômen trên trục lái:

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

A

Với : A =

19,12

6,

= 1,25

- k2 hệ số phụ thuộc prôfin bánh lái

Tra bảng 2A/25.1-QCVN 21: 2010/BGTVT ta có:

k2 = 1,1 khi tàu chạy tiến

k2 = 0,8 khi tàu chạy lùi

- k3 hệ số phụ thuộc vị trí bánh lái

Vì bánh lái nằm trong dòng đẩy chân vịt nên k = 1

FR = 1,25.0,8.1.132.12,19.6,752 = 73313,7 ( N )

2.3.3.2 Mômen xoắn tác dụng lên trục lái:

TR = TR1 + TR2 ( N.m )Tuy nhiên, khi tàu chạy tiến TR không được nhỏ hơn TRmin xác định theo công thức sau :

TRmin = 0,1.FR

S

b S b

S1 1 + 2 2

(N.m)Trong đó:

- TR1 và TR2 : mômen xoắn tương ứng do các phần diện tích S1 và S2 của bánh lái

- S1 = 5,76 (m2) và S2 = 6,54 (m2): diện tích phần trên và phần dưới của bánh lái (m 2 ) sao cho:

- 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:

r1 = b1(α – e1) (m)

r2 = b2(α – e2) (m)Trong đó :

- e1 và e2 : hệ số cân bằng ứng với S1 và S2 của bánh lái

5124,0

= 0,089

e2 = 16,413,54 = 0,219

- α: được xác định :

+ Đối với phần bánh lái không nằm sau phần cố định của giá bánh lái

Khi tàu chạy tiến : α = 0,33Khi tàu chạy tiến : α = 0,66+ Đối với phần bánh lái nằm sau giá bánh lái

Hình 2-9 Sự phân bố diện tích bánh lái

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

Do đó :

Khi tàu chạy tiến:

r1 = b1(α – e1 ) = 2,28.( 0,25 – 0,089 ) = 0,367 (m )

r2 = b2(α – e2 ) = 2,4.( 0,33 – 0,219 ) = 0,266 (m )Khi tàu chạy lùi :

TR1 = FR1.r1 = 190531,4.0,367 = 69958,4 (N.m)

TR2 = FR2.r2 = 213355,5.0,266 = 56802,2 (N.m) => TR = TR1 + TR2 = 69958,4 + 56802,2 = 126760,6 (N.m)

- Khi tàu chạy lùi:

TR1 = FR1.r1 = 34642,08.1,051 = 36414,89 (N.m)

TR2 = FR2.r2 = 38791,91.1,058 = 41050,86 (N.m) => TR = TR1 + TR2 = 36414,89+ 41050,86 = 77465,75 (N.m)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỤM BÁNH LÁI.

3.1 Tính toán trục lái:

3.1.1 Xác định phản lực gối và mômen uốn của hệ bánh lái – trục lái:

Theo bảng 1-14 [2-tr 65], đối với bánh lái cân bằng nữa treo một chốt , ta có sơ đồ tính toán sau:

Hình 3-1 Sơ đồ tính phản lực và mômen uốn

Dựa vào kết cấu vòm đuôi tàu đã chọn, ta đi chọn các kích thước h, h1, h2, a, h3 để tính toán trục lái Các kích thước được chọn như sau:

uốn của hệ bánh lái và trục lái:

* Khi tàu chạy tiến :

Lực phân bố N0 và N1 tác dụng lên bánh lái là:

N0 =

56,2

5,213355

Trong đó :

Hình 3-1 Sơ đồ tính toán phản lực và mômen uốn

Hình 3-2 Các kích thước của

trục lái, bánh lái

Mt = TR + MmsVới:

Mms = (20% ÷ 30%) TR – mômen ma sát tại các ổ đỡ trục lái và chốt lái

Chọn Mms = 20%TR

Mt = 126760,6 + 20%.126760,6 = 152112,72 (Nm)

Rc = 500 (mm) = 0,5(m) : bán kình cần quay lái

=> Fc = 1521120,5,72 = 304225,44 (N)

Sau khi tính toán bằng phần mền RDM6 ta có kết quả (xem phần phụ lục trang14):

Lực và mômen tại các gối đỡ là:

Vậy kết quả trên là đúng

* Khi tàu chạy lùi:

Hình 3-3 Đồ thị mômen uốn khi tàu chạy tiến

Trong đó :

Mt mômen tại đầu trục lái

Mt = TR + MmsVới:

Mms = (20% ÷ 30%) TR – mômen ma sát tại các ổ đỡ trục lái và chốt lái

Chọn Mms = 20%TR

Mt = 77465,75 + 20%.77465,75 = 92958,9 (Nm)

Rc = 500(mm) = 0,5(m) : bán kình cần quay lái

=> Fc = 929580,5,9 = 185917,8 (N)

Sau khi tính toán bằng phần mền RDM6 ta có kết quả (xem phần phụ lục trang17):

Lực và mômen tại các gối đỡ là:

Vậy kết quả trên là đúng

Hình 3-3 Đồ thị mômen uốn khi tàu chạy lùi

Trục lái là thiết bị chịu lực chủ yếu của thiết bị lái Trục lái là một trục tròn, thẳng

có các cổ trục để lắp cần lái, phanh,… có rãnh để lắp then và vòng hãm… Phần dưới của trục lái, tuỳ thuộc vào phương pháp ghép nối giữa trục lái và bánh lái mà ta có các dạng khác nhau Ở đây ta chọn trục lái thẳng có đoạn mút côn

3.1.2.1 Đường kính phần trên của trục lái:

Đường kính phần trên của trục lái du yêu cầu để truyền được mômen xoắn phải được xác định sao cho ứng suất xoắn không được lớn hơn 68/Ks (N/mm2)

Đường kính phần trên của trục lái được tính theo công thức sau:

du = 4,2.3 T R.K s (mm )Trong đó :

TR : mômen xoắn trên trục lái

Ks : Hệ số vật liệu trục lái Chọn vật liệu chế tạo trục lái là thép CT5, theo bảng 3-8 [5- tr.40, Thiết kế chi tiết máy (Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm)] có:

- e = 1,00 khi σch < 235 (N/mm2 )

=> Ks = )0 , 75

280

235( = 0,88 Khi tàu chạy tiến ta có:

Chọn đường kính phần trên của trục lái là : d u = 240 (mm).

3.1.2.2 Đường kính phần dưới của trục lái:

Đường kính phần dưới của trục lái chịu mômen uốn và mômen xoắn phải được xác

du : đường kính phần trên trục lái.

M : mômen uốn tại tiết diện đang xét của phần dưới

TR : mômen xoắn của trục lái

Khi tàu chạy tiến :

3,206873(

17,126424(

Tại vị trí phía trên:

Chiều dày của ống lót: n = 0,05.270 = 14 (mm)

Chiều dài : l = 595 (mm)

Tại vị trí phía dưới:

Chiều dày của ống lót: n = 0,045.270 = 12(mm)

Chiều dài : l = 320 (mm)

3.1.2.3 Kiểm tra bền trục lái :

được xác định sao cho ứng suất xoắn không được lớn hơn 68/K s (N/mm 2 ) (K S : Hệ số vật liệu trục lái quy định theo 25.1.1-2.)

• Ứng suất xoắn phần trên trục là :

3

310 1,5

u

R t

Suy ra : 3 3 3

3

210

10.6,126760

1,510 1,5

=

=

u

R t

=> τt < [τ ]Vậy đường kính phần trên của trục thỏa mãn điều kiện bền

Đường kính phần dưới của trục lái chịu mômen uốn và mômen xoắn phải được xác định sao cho ứng suất tương đương ở trục lái không lớn hơn 118/K S (N.mm 2 ) (K S : Hệ số vật liệu trục lái quy định theo 25.1.1-2.)

• Ứng suất tương đương được tính theo công thức:

2 2

l b

l

R t

3

270

10.3,206873

2,1010 2,

=

l b

3

270

10.6,126760

1,510 1,5

=

=

l

R t

σ <

⇒ tdVậy đường kính phần dưới của trục thỏa mãn điều kiện

3.1.2.4 Bảo vệ chống gỉ cho trục lái:

Các cổ trục lắp ổ và vòng kín nước được bọc bằng ống lót đồng hoặc thép không gỉ Các đoạn trục lái còn lại được sơn bằng loại sơn bảo vệ đặc biệt

3.2 Tính toán kết cấu bánh lái:

Vật liệu làm tôn bánh lái, xương bánh lái và cốt bánh lái là thép CT3 theo bảng 3-8 [5- tr.40]:

=> Ks = )1

200

235( = 1,175

β : được xác định theo công thức sau, nhưng β không được lớn hơn 1,0

β = 1,1 0,5.( )2

a

l

−Trong đó:

l = 0,46 (m): khoảng cách các xương nằm hoặc các xương đứng của bánh lái, lấy giá trị nào nhỏ hơn

a = 0,61 (m): khoảng cách các xương nằm hoặc các xương đứng của bánh lái, lấy giá trị nào lớn hơn

46,0.(

5,01,

Vậy :

t = 5,5.0,46.0,903 ).1,175

19,12

10.5,4032257

Vậy chọn chiều dày tôn bánh lái t = 14 (mm)

3.2.2 Xương bánh lái:

Thân bánh lái được gia cường bằng các xương đứng và xương nằm sao cho thân báng lái có tác dụng như dầm chịu uốn.

Khoảng cách chuẩn S của các xương nằm của bánh lái được tính theo công thức sau:

Ta chọn chiều dày các xương đứng của bánh lái bằng với chiều dày tôn bao bánh lái Tại vị trí có gắn khối bích đúc ta chọn chiều dày xương đứng là 16 (mm)

3.2.3 Cốt bánh lái:

Các xương đứng tạo thành cốt bánh lái phải được đặt ở phía trước và sau đường tâm trục lái với khoảng cách gần bằng chiều rộng của tiết diện bánh lái nếu cốt gồm hai xương đứng và đặt theo đường tâm của trục lái nếu cốt gồm một xương

Mô đun chống uốn tiết diện cốt phải được tính toán theo các xương đứng quy định trên cùng với dải mép kèm của tôn bánh lái Chiều rộng của dải tôn mép kèm được lấy như sau:

- Nếu cốt gồm hai xương đứng thì chiều rộng của mép kèm được lấy bằng 0,2 lần chiều dài của cốt

- Nếu cốt gồm một xương đứng thì chiều rộng của mép kèm được lấy bằng 0,16 lần chiều dài của cốt

- Theo hướng dẫn áp dụng của quy chuẩn thì đối với bánh lái nửa treo thì phần mép kèm được xác định như sau:

Hình 3-5 Kết cấu xương nằm của bánh lái.

Hình 3-6 Kết cấu xương đứng của bánh lái

=σ

- Ứng suất cắt :

m c K

50

=τ

- Ứng suất tương đương :

m c b e

200

235( = 1,175 Theo tính toán trên thì mômen uốn lớn nhất nằm trong phần diện tích B nên chiều rộng của mép kèm là: a = b = 0,08.l

Với : l = h = 4,6 (m) chiều cao bánh lái

Suy ra: a = b = 0,08.4,6 = 0,368 (m)

Hình 3-7 Mép kèm của bánh lái

Hình 3-8