Đo đạc và phân tích rung động của tàu cá bằng vật liệu composite

TỔNG QUAN Tàu là một cơ hệ bao gồm nhiều thành phần kết cấu và cơ khí máy, thiết bị trên tàu, chịu kích động bởi một tổ hợp các loại tải trọng động phức tạp có chu kỳ và không chu kì có

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VIỆT ĐIỂN

ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG CỦA TÀU CÁ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC

HÀ NỘI - 2008

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 7

TỔNG QUAN 8

Chương 1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VỀ RUNG ĐỘNG 9

1.1 Các khái niệm cơ bản về rung động 9

1.2 Thiết bị đo rung động 12

1.2.1 Đầu đo rung 12

1.2.2 Khối thu thập 16

1.2.3 Khối lưu trữ và phân tích 16

1.3 Cơ sở phương pháp đo đạc thực nghiệm rung động 16

1.3.1 Xác định đối tượng và mục đích đo 16

1.3.2 Chọn lựa và hiệu chuẩn thiết bị đo 16

1.3.3 Chọn chế độ đo, phân tích và lưu trữ 17

1.3.4 Đánh giá, đưa ra kết luận 17

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT RUNG ĐỘNG CỦA TÀU THỦY 18

2.1 Cơ lí tính của vật liệu composite làm vỏ tàu 18

2.2 Các thành phần cơ bản cấu thành tàu 19

2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá rung động của tàu 19

2.3.1 Tác động của rung động lên con người 19

2.3.2 Rung động của kết cấu thân tàu 20

2.3.3 Rung động của máy móc thiết bị trên tàu 22

2.4 Nguồn gây rung và các khả năng rung động của tàu 23

2.4.1 Rung động khung thân tàu 24

2.4.2 Rung động các cụm kết cấu chính 30

2.4.3 Rung động các phần tử kết cấu cục bộ 31

2.4.4 Rung động các thiết bị trên tàu 31

2.4.5 Rung động của máy đẩy chính 32

2.5 Đo đạc và phân tích trạng thái rung động của tàu 35

2.5.1 Thiết bị đo 36

2.5.2 Đại lượng đo 36

2.5.3 Vị trí lắp đầu đo 37

2.5.4 Chế độ đo 38

2.5.5 Xử lý số liệu 38

Chương 3 ĐO ĐẠC TẠI HIỆN TRƯỜNG 39

3.1 Các thông số kỹ thuật của tàu Cồn Cỏ 01 39

3.2 Tiến hành đo đạc tại hiện trường 39

3.2.1 Địa điểm và thời gian thực hiện 39

3.2.2 Thiết bị và phần mềm phân tích 40

3.2.3 Sơ đồ vị trí điểm đo 40

3.2.4 Chế độ đo, ghi, phân tích xử lý 41

3.2.5 Xử lý kết quả đo và đánh giá 42

3.3 Nhận xét chung và kết luận 50

3.3.1 Nhận xét chung 50

3.3.2 Kết luận 51

KẾT LUẬN 53

KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 54

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

Phụ lục 1: Hình ảnh 57

Phụ lục 2: Đồ thị 58

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Độ nhạy – Dải biên độ (đỉnh) 15

Bảng 2.1 ISO 6954 – giá trị rung cho phép đối với hành khách trên tàu 20

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của máy đo phân tích rung động tàu 36

Bảng 3.1 Thiết bị và phần mềm phân tích 40

Bảng 3.3 Giá trị rung so với tiêu chuẩn thân thể 43

Bảng 3.4 Giá trị rung động so với tiêu chuẩn kết cấu 44

Bảng 3.5 Giá trị rung động so với tiêu chuẩn cho máy 45

Bảng 3.6 Tốc độ động cơ và tần số bội 3 tương ứng 46

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Dao động điều hòa 9

Hình 1.2 Quan hệ giữa chuyển vị, vận tốc, gia tốc 9

Hình 1.3 Quan hệ về pha của chuyển vị, vận tốc, gia tốc 10

Hình 1.4 Tổ hợp các dao động 11

Hình 1.5 Hệ thống đo rung động cơ bản 12

Hình 1.6 Mô hình cơ học đầu đo rung 13

Hình 1.7 Vật liệu áp điện 14

Hình 1.8 Đường cong đáp ứng tần số của đầu đo gia tốc kiểu áp điện điển hình 16

Hình 2.1 Biểu đồ đánh giá rung động kết cấu 21

Hình 2.2 Phân vùng giá trị rung cho phép (ISO 10816) 22

Hình 2.3 Biểu đồ rung cho phép đối với máy chuyên dùng cho tàu thuyền 23

Hình 2.4 Các nguồn kích động chính khung thân tàu 24

Hình 2.5 Hiệu ứng của các lực và mô men của động cơ chính trên thân tàu 25

Hình 2.6 Lực ổ bi 27

Hình 2.7 Các dạng dao động khung thân tàu 28

Hình 2.8 Một số dạng rung động đuôi tàu 30

Hình 2.9 Dao động dọc trục của trục đẩy 34

Hình 2.10 Dao động xoắn của trục 34

Hình 2.11 Rung động xung quanh cơ cấu đẩy chính 35

Hình 3.1 Bản vẽ thiết kế tổng quan tàu Cồn Cỏ 01 39

Hình 3.2 Tàu Cồn Cỏ 01 trước và sau khi xuất xưởng 39

Hình 3.3 Nhóm thực hiện đo đạc tại hiện trường 40

Hình 3.4 Thiết bị đo + hệ thống hiệu chuẩn – Các đầu đo sử dụng 40

Hình 3.5 Sơ đồ vị trí điểm đo trên tàu 41

Hình 3.6 Đầu đo gắn tại: buồng lái – buồng khách – đuôi tàu 41

Hình 3.7 Phần mềm DasyLab – phân tích, xử lý số liệu 42

Hình 3.7 Đáp ứng tần số của gia tốc rung động điểm Đ5(z) và Đ6(z) 47

Hình 3.8 Đáp ứng tần số của gia tốc rung động điểm ĐĐ1(z) và ĐĐ3(z) 47

Hình 3.9 Đáp ứng tần số của gia tốc rung động điểm ĐĐ2(y) và ĐĐ4(y) 48

Hình 3.10 Đáp ứng tần số của gia tốc rung động điểm ĐĐ7(z), ĐĐ8(z), ĐĐ9(z) 48

Hình 3.11 Gia tốc rung động khi tàu tăng tốc từ 600v/p đến 2600v/p trong khoảng 50s 50

Hình 3.12 Phổ gia tốc rung động khi tăng tốc độ từ 600v/p đến 2600v/p trong khoảng 50s 50

Phụ lục 1.1 Một số hình ảnh đo đạc tại hiện trường 57

Phụ lục 2.1 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 600v/p 58

Phụ lục 2.2 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 700v/p 59

Phụ lục 2.3 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 800v/p 60

Phụ lục 2.4 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 900v/p 61

Phụ lục 2.5 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1000v/p 62

Phụ lục 2.6 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1100v/p 63

Phụ lục 2.7 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1200v/p 64

Phụ lục 2.8 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1300v/p 65

Phụ lục 2.9 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1400v/p 66

Phụ lục 2.10 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1500v/p 67

Phụ lục 2.11 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1600v/p 68

Phụ lục 2.12 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1700v/p 69

Phụ lục 2.13 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1800v/p 70

Phụ lục 2.14 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1900v/p 71

Phụ lục 2.15 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2000v/p 72

Phụ lục 2.16 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2100v/p 73

Phụ lục 2.17 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2200v/p 74

Phụ lục 2.18 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2300v/p 75

Phụ lục 2.19 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2400v/p 76

Phụ lục 2.20 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2500v/p 77

Phụ lục 2.21 Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2600v/p 78

Phụ lục 2.22 Chế độ chạy quá độ 79

MỞ ĐẦU

Hiện nay hầu hết tàu thuyền cỡ nhỏ của Việt Nam được đóng bằng gỗ, như chúng ta biết, nguồn gỗ phục vụ cho đóng mới và sửa chữa tàu cá đang ngày càng cạn kiệt do bị khai thác bừa bãi, diện tích rừng bị thu hẹp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái Việc tìm nguồn nguyên liệu mới thay cho gỗ trong lĩnh vực đóng tàu nói chung và tàu cá nói riêng là vấn đề rất cần thiết

Vật liệu composite ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo tàu thuyền du lịch, tàu đánh cá, tàu vận tải cỡ nhỏ ven sông biển Qua thực tế sử dụng cho thấy, nhược điểm cần được khắc phục đối với tàu thuyền loại này là độ rung và độ ồn lớn hơn nhiều so với tàu thuyền cùng cỡ có vỏ bằng gỗ hoặc thép Khắc phục được nhược điểm này thì tàu thuyền được làm từ vật liệu composite

sẽ có nhiều ưu điểm vượt trội (nhẹ, độ bền riêng cao, chịu môi trường ẩm, mặn, chịu hà tốt, độ bóng bề mặt cao, dễ tạo dáng) so với tàu thuyền cùng loại làm từ

gỗ và thép

Để khắc phục được nhược điểm trên cần phải thực hiện đo rung động của tàu, phân tích, đánh giá so với các tiêu chuẩn, từ đó là cơ sở cho các quy trình giảm rung ồn đối với từng tàu thuyền Đề tài này tập trung đo đạc và phân tích rung động trên một tàu cụ thể làm bằng vật liệu composite, là bước rất quan trọng để đưa ra thực trạng rung động khi vận hành thực tế để đưa ra các giải pháp điều chỉnh tiếp theo

TỔNG QUAN

Tàu là một cơ hệ bao gồm nhiều thành phần kết cấu và cơ khí (máy, thiết bị trên tàu), chịu kích động bởi một tổ hợp các loại tải trọng động phức tạp có chu

kỳ và không chu kì có cường độ tăng lên đáng kể theo độ khốc liệt của sóng biển

và các chế độ vận hành khác nhau Đáp ứng của toàn bộ các hệ kết cấu và các thành phần máy, cơ khí của tàu đối với một dải rộng các lực kích động và với các hệ số giảm chấn nhỏ, thường đặt các nhà thiết kế trước các vấn đề rất nan giải Mặc dù các kết quả nghiên cứu về rung động thường cũng được hướng dẫn

áp dụng trong quá trình thiết kế và chế tạo tàu, nhưng nhiều nguyên nhân tiềm

ẩn vẫn có thể gây ra các vấn đề rung động trên tàu một cách nghiêm trọng Sự xuất hiện các vấn đề như vậy khi một con tàu được hạ thuỷ là chuyện không hiếm Hơn thế, các vấn đề bảo dưỡng có thể phát sinh trong quá trình vận hành tàu là chuyện bình thường

Tàu compostie là loại tàu có vỏ và kết cấu thân tàu làm từ vật liệu composite, do các đặc tính của vật liệu này (độ cứng kém vật liệu thép và độ giảm chấn kém vật liệu gỗ) nên vấn đề rung ồn của tàu loại này cần được quan tâm giải quyết Trên thực tế cũng đã xuất hiện những con tàu vỏ compostie có mức rung ồn vượt xa các tiêu chuẩn cho phép

Luận văn chủ yếu tập trung vào việc đo đạc và phân tích rung động của một tàu làm bằng composite là tàu Cồn Cỏ 01, gồm có 3 phần chính phân thành

3 chương:

- Chương 1: Cơ sở phương pháp đo đạc thực nghiệm về rung động – trình bày về các khái niệm, nguyên lý cơ bản của hệ thống đo rung, đưa ra cơ sở phương pháp đo thực nghiệm

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết rung động của tàu thủy – tập trung vào các

lý thuyết rung động trên tàu thủy, bao gồm: các thành phần cấu tạo tàu, các nguồn gây rung động và các khả năng rung động có thể có Từ đó phục vụ cho việc đo đạc thực tế

Chương 3: Đo đạc tại hiện trường – tiến hành đo đạc trên 1 tàu thực, phân tích các kết quả, so sánh đánh giá với các tiêu chuẩn quốc tế hiện hành và đưa ra các kết luận

Chương 1 CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VỀ RUNG

ĐỘNG 1.1 Các khái niệm cơ bản về rung động

 Dao động điều hòa

Hình 1.1 Dao động điều hòa

 Quan hệ về pha của chuyển vị, vận tốc, gia tốc của dao động điều hòa

Hình 1.3 Quan hệ về pha của chuyển vị, vận tốc, gia tốc

 Các đại lượng thường được dùng

- Các giá trị đỉnh (peak)

x=Xpeaksin(2ft) = Xpeaksin(t)

v=Vpeakcos(2ft) = Vpeaksin(t+/2)

a=Apeaksin(2ft) = Apeaksin(t+)

 Các hệ số đặc trƣng

Hệ số dạng (form factor):

TB

RMS f

71.02

phần đao động điều hòa đó

x(t) = 0.5a0+a1cost+ a2cos2t+…+ ancosnt

+ b1cost+ b2cos2t+…+ bncosnt

(ở đây x(t) phải là hàm tuần hoàn chu kỳ 2/)

1.2 Thiết bị đo rung động

Một hệ thống đo rung động cơ bản có sơ đồ như hình 1 dưới đây:

Hình 1.5 Hệ thống đo rung động cơ bản

Nguyên lý cơ bản của hệ thống đo rung là chuyển năng lượng cơ học từ đối tượng rung động thành năng lượng điện bằng đầu đo rung, sau đó nó được khuếch đại rồi chuyển vào thiết bị xử lý, phân tích và hiển thị

1.2.1 Đầu đo rung

a Mô hình cơ học và nguyên lý cơ bản của các đầu đo rung

Đầu đo rung có thể được mô hình hóa như hệ dao động 1 bậc tự do:

- Chuyển đổi A/D

Lưu trữ & phân tích

t(kr)t(c)t(

(Với giả thiết đầu đo được gắn chặt với đối tượng rung động)

Ở đây u(t) là tín hiệu rung động đầu vào cần đo, r(t) là tín hiệu đầu ra

Hình 1.6 Mô hình cơ học đầu đo rung

Khảo sát tương quan giữa m, c, k ta sẽ có nguyên lý các loại đầu đo:

)

t(u)t(),t(um)t(m

)t(kr)t(c)t(

1)

t(uc

m)

t(),t(um)

t(c

)t(kr)t(m)

1)

t(uk

m)

t(),t(um)

t(kr

)t(c)t(m)

t(

kr

2 0

b Đầu đo gia tốc

 Các loại đầu đo gia tốc

Dựa vào nguyên lý cơ bản như đã trình bày ở trên (r = f(u )), người ta đã chuyển năng lượng cơ học thành năng lượng điện bằng cách sử dụng một loại vật liệu áp điện (hình 1.7), khi chịu một lực tác dụng thì nó sẽ sinh ra một điện tích, điện tích này tỷ lệ thuận với gia tốc vào của đầu đo (gia tốc cần đo)

Hình 1.7 Vật liệu áp điện

Dựa vào kiểu hoạt động thì có thể phân ra 2 loại đầu đo gia tốc là đầu đo điện tích và đầu đo điện áp:

- Đầu đo điện tích bên trong chỉ có phần tử cảm ứng (áp điện) mà không

có gắn các mạch điện Đặc điểm của loại đầu đo này là đầu ra là tín hiệu điện tích có điện trở cao Khi đó giữa đầu đo và thiết bị thu thập tín hiệu phải dùng một bộ khuếch đại điện tích hoặc một bộ chuyển đổi điện tích để chuyển tín hiệu điện tích đầu ra thành tín hiệu điện áp có điện trở thấp Các đầu đo điện tích được dùng trong các đối tượng có nhiệt độ cao như giám sát các đường ống của máy, động cơ và các tua bin nhiệt Để giảm hiệu ứng nhiễu của tín hiêu đầu ra (do điện trở cao) người ta dùng cáp đồng trục nối giữa đầu đo và bộ khuếch đại điện tích

- Đầu đo điện áp ngoài phần tử cảm ứng (áp điện) nó còn được tích hợp

mạch điện tử bên trong để chuyển đổi tín hiệu điện tích có điện trở cao thành tín hiệu điện áp có điện trở thấp, tín hiệu này có thể được truyền một cách dễ dàng qua các cáp đồng trục hoặc cáp có lõi 2 dây thông thường Do điện trở thấp nên tín hiệu có thể được truyền qua các cáp dài và được dùng nhiều trong công nghiệp Do bộ khuếch đại tích hợp ngay bên trong nên chúng không cần dùng những loại cáp nhiễu thấp hoặc các bộ khuếch đại ngoài trước các thiết bị thu thập tín hiệu Đầu đo điện áp được sử dung trong hầu hết việc đo rung động hoặc xung do tính đơn giản, chính xác, dải tần số rộng và giá thấp Kiểu điển hình trong loại này là đầu đo ICP (Integrated Circuit Piezoelectric)

 Các thông số của đầu đo gia tốc

Hai thông số quan trọng của đầu đo gia tốc là độ nhạy và dải tần số làm việc

- Độ nhạy đầu đo: là giá trị đầu ra (là giá trị điện)/một đơn vị gia tốc đầu vào Với đầu đo điện tích thì giá trị đầu ra là điện tích, đơn vị của độ nhạy sẽ là pC/g (1pC=10-12 C; g=9.807m/s2) Với đầu đo điện áp thì giá trị đầu ra là điện

áp, đơn vị của độ nhạy sẽ là mV/g (1mV=10-3

V) Độ nhạy của các đầu đo điện

áp trong công nghiệp thường nằm trong dải từ 10mV/g tới 500mV/g Nhưng trong hầu hết các ngành công nghiệp nói chung thì độ nhạy chuẩn thường là 100mV/g

Một thông số quan trọng nữa của đầu đo gia tốc liên quan tới độ nhạy là dải biên độ có thể đo được Như đã biết điện áp ở đầu ra của đầu đo gia tốc tỷ lệ thuận với gia tốc đầu vào qua hệ số độ nhạy, giá trị giới hạn của điện áp này phụ thuộc vào nguồn điện áp cấp cho đầu đo, thông thường là 5V Do đó gia tốc lớn nhất mà đầu đo gia tốc có thể đo được bằng giá trị giới hạn của điện áp đầu ra chia cho độ nhạy đầu đo, được gọi là dải biên độ có thể đo được

Như vậy đầu đo gia tốc nào có độ nhạy càng cao thì dải biên độ có thể đo được càng nhỏ, tương quan tỷ lệ nghịch Bảng 1.1 là độ nhạy với dải biên độ (đỉnh) có thể đo được của các đầu đo gia tốc có giá trị giới hạn điện áp ra là 5V

Bảng 1.1 Độ nhạy – Dải biên độ (đỉnh)

1f

Hình 1.8 Đường cong đáp ứng tần số của đầu đo gia tốc kiểu áp điện điển hình

1.2.2 Khối thu thập

 Khuếch đại: khuếch đại tín hiệu điện từ đầu đo ra do tín hiệu điện đó được sinh ra quá nhỏ

 Lọc cứng: dùng các mạch lọc điện tử analog để lọc nhiễu

 Chuyển đổi A/D: tín hiệu từ đầu đo, qua khuếch đại, lọc là tín hiệu liên tục (analog), nó sẽ được chuyển thành tín hiệu rời rạc (digital) qua bộ chuyển đổi A/D để chuyển vào máy tính để xử lý tiếp

1.2.3 Khối lưu trữ và phân tích

Tín hiệu sau khi được số hóa sẽ được truyền vào máy tính để hiển thị, phân tích và lưu trữ bằng các phần mềm chuyên dụng

1.3 Cơ sở phương pháp đo đạc thực nghiệm rung động

1.3.1 Xác định đối tượng và mục đích đo

- Trước khi đo rung động cho một đối tượng ta cần phải tìm hiểu chi tiết về đối tượng đó như: hình học, cấu trúc, vật liệu … để có thể biết được các khả năng rung động có thể có Đặc biệt nếu có thể thì mô phỏng đối tượng đó bằng phần mềm chuyên dụng để nhận biết trực quan hơn về khả năng rung động, phục

vụ cho các mục đích đo

- Xác định mục đích đo rung rõ ràng để xác định các đại lượng đo hợp lý,

dễ dàng cho việc lấy thông tin kết quả

1.3.2 Chọn lựa và hiệu chuẩn thiết bị đo

- Từ đối tượng và mục đích đo ta chọn thiết bị hợp lý (kiểu đầu đo, số lượng đầu đo, khối khuếch đại, lưu trữ, hiển thị, phân tích…)

- Một bước rất quan trọng nữa là cần phải hiệu chỉnh thiết bị đo, mục đích

là để xem thiết bị đó còn hoạt động đúng nữa hay không

1.3.3 Chọn chế độ đo, phân tích và lưu trữ

Tùy vào mục đích đo rung, ta chọn chế độ đo và phân tích, lưu trữ phù hợp, ví đo đo đánh giá theo tiêu chuẩn ta chọn dải tần số đo theo tiêu chuẩn để

so sánh, nếu đo để chẩn đoán thì chọn dải tần số rung theo đối tượng có thể đáp ứng được

1.3.4 Đánh giá, đưa ra kết luận

Đây là bước cuối cùng, sau khi đo đạc, lưu trữ ta phân tích các kết quả theo mục đích đo, so sánh đánh giá và kết luận

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT RUNG ĐỘNG CỦA TÀU THỦY 2.1 Cơ lí tính của vật liệu composite làm vỏ tàu

[2] Vật liệu composite được dùng phổ biến trong đóng tàu cá và tàu du lịch nhỏ ở Việt Nam thuộc loại GRP (Glassfiber Reinforced Plastic) Vật liệu GRP

là loại vật liệu compostie dựa trên cốt sợi thuỷ tinh, và nền là nhựa tổng hợp Theo thống kê có đến hơn 80% vật liệu compostite thuộc loại GRP Thành phần

cơ bản của vật liệu compostie được dùng trong đóng tàu gồm:

 Nhựa nền

Nhựa nền vật liệu compostie thường dùng bao gồm Polyester không no UPR (Unsaturated Polyester Resin), Epoxy, Silicon, Vinylester, Phenolic

 Cốt sợi thuỷ tinh

- Sợi đồng phương: Đây là dạng cơ bản nhất, từ loại sợi đồng phương, các loại khác như vải (Cloth), vải thô (Wowen roving) sẽ được tạo ra Cơ lí tính của composite có cốt sợi đồng phương được lấy làm cơ sở để tính toán các đặc trưng

cơ lí của các loại vật liệu composite khác

- Vải thuỷ tinh (Cloth): Vải thuỷ tinh được dệt từ sợi đồng phương theo các kiểu dệt khác nhau Trong thực tế thường dùng các loại vải thuỷ tinh như kiểu lụa, kiểu xa tanh, kiểu vân chéo…

- Vải thô (Wowen roving): Vải thô cũng được dệt từ sợi đồng phương, nhưng khoảng cách giữa các sợi lớn hơn so với vải thuỷ tinh

- Mat (Chopped Strand Mating): Mat được chế tạo bằng cách rải ngẫu nhiên các sợi thuỷ tinh trên bề mặt

- Mô đun đàn hồi thay đổi theo không gian

- Tồn tại các hiệu ứng kéo theo

- Các chi tiết kết cấu GRP thường được chế tạo dưới dạng lớp

Do đó, việc xác định được các đặc trưng cơ lí (mô đun đàn hồi E, mô đun

đàn hồi trượt, hệ số Poisson ) của vật liệu composite và ứng xử của nó là một vấn đề rất phức tạp

2.2 Các thành phần cơ bản cấu thành tàu

[6] Có thể chia toàn bộ tàu thành 5 phần như sau:

 Khung thân tàu

Thiết bị trên tàu được phân loại thành thiết bị chủ động và bị động, thiết bị chủ động là trực tiếp sinh ra các lực rung động, thiết bị bị động thì không sinh ra lực rung động Đáp ứng của những thiết bị này có thể liên quan tới chính lực kích động của chúng hoặc tới các lực truyền qua kết cấu tàu

Hệ máy đẩy chính có thể bị kích động bởi chân vịt, mất cân bằng động hoặc thủy động lực hoặc do các lực điều hòa trong trường hợp với động cơ diesel Các rung động vượt mức của hệ máy chính có thể phá hỏng thân tàu, thiết bị hoặc chính các máy đó

Hiểu biết về lực kích động và đáp ứng của các phần tử riêng biệt và mối tương quan giữa chúng sẽ giúp cho việc nhận biết hầu hết các vấn đề rung động

gặp phải Mục 2.4 sẽ phân tích chi tiết từng mục cụ thể ở trên

2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá rung động của tàu

Để đánh giá mức rung động của tàu người ta phân ra 3 loại tiêu chuẩn:

 Tác động của rung động lên con người

 Rung động của kết cấu thân tàu

 Rung động của máy móc thiết bị trên tàu

2.3.1 Tác động của rung động lên con người

Các tiêu chuẩn tham khảo: [9], [10], [15]

Tiêu chuẩn ISO 6954 hướng dẫn cách đo, ghi và đánh giá rung động liên quan tới khả năng thích nghi trên các tàu thương mại và tàu khách:

- Thiết bị đo đạc: theo tiêu chuẩn ISO 8041, cần được hiệu chuẩn trước khi đo

+ Động cơ đảm bảo chạy ở tốc độ cố định

+ Biển động cấp 3 hoặc nhỏ hơn

+ Chân vịt ngập nước

+ Độ sâu của nước không được nhỏ hơn 5 lần tầm nước của tàu

- Quá trình đo: chế độ đo, ghi để lấy số liệu theo tiêu chuẩn 2631

Tiêu chuẩn ISO 6954 đưa ra cách đánh giá khả năng thích nghi của những người hoạt động trên tàu Nó phân loại ra các lớp áp dụng cho các vùng khác nhau trên tàu mà được sự chấp nhận giữa bên đóng tàu, chủ tàu và bên đánh giá khả năng thích nghi Các giá trị đưa ra là RMS của gia tốc (mm/s2) và vận tốc (mm/s) và là giá trị toàn thang có tính đến trọng số tần số trong dải từ 1Hz đến 80Hz

Bảng 2.1 ISO 6954 – giá trị rung cho phép đối với hành khách trên tàu

Phân loại vùng

mm/s2 mm/s mm/s2 mm/s mm/s2 mm/s Các giá trị phía trên

Ghi chú: vùng nằm giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất phản ánh các rung động thực tế thông

thường trên tàu và chấp nhận được

Ghi chú: vùng A là trong cabin, vùng B là phòng ăn ở của thủy thủ, vùng C

là những nơi làm việc

2.3.2 Rung động của kết cấu thân tàu

Các tiêu chuẩn tham khảo: [11], [12]

Nếu giới hạn tiếp xúc của thân thể với rung động không vượt quá trong

phòng ăn ở ở trên tàu thì các vấn đề rung động vẫn có thể gặp phải trong các vùng khác mà các giá trị giới hạn không được áp dụng Ví dụ như các kết cấu thùng hoặc các thành phần cục bộ khác ở đuôi tàu và trong phòng máy

Do đó trong trường hợp cộng hưởng hoặc gần cộng hưởng có thể khuếch đại các rung động liên quan tới các trụ đỡ Nguy cơ xảy ra hư hỏng từ việc độ bền mỏi không tương xứng là rất cao Do có nhiều nhân tố ảnh hưởng tới độ bền mỏi như: vật liệu, các chi tiết kết cấu (ứng suất tập trung), dạng rung động, kỹ thuật hàn, phương pháp chế tạo và môi trường (chất xúc tác ăn mòn), nên khả năng xảy ra rạn nứt là rất lớn, xem hình 2.1

Hình 2.1 Biểu đồ đánh giá rung động kết cấu

Biểu đồ trên đưa ra 2 đường cong giới hạn (được thiết lập từ rất nhiều lần

đo thực nghiệm) mà có thể dùng để đánh giá khả năng xảy ra rạn nứt các kết cấu cục bộ do quá trình rung động (các giá trị biên độ ở trên là các giá trị đỉnh) Trục hoành của biểu đồ trên là giá trị tần số rung động chia theo dải loga cơ

số 10, trục tung là 3 giá trị: chuyển vị, vận tốc và gia tốc Đường cong giới hạn được chia ra đánh giá theo 2 mức tần số: mức tần số thấp (<5Hz) và mức tần số cao (>5Hz) Với mức tần số thấp thì đánh giá theo các giá trị chuyển vị (tính

theo mm, đỉnh), với mức tần số cao thì đánh giá theo các giá trị vận tốc (tính theo mm/s, đỉnh), còn giá trị gia tốc là tham khảo tương ứng với các giá trị đánh giá

2.3.3 Rung động của máy móc thiết bị trên tàu

Các tiêu chuẩn tham khảo: [13], [14]

Để đánh giá chất lượng rung động của 1 máy đã biết và đưa ra các hướng dẫn về các hoạt động cho phép đối với máy đó, người ta đưa ra các vùng đánh giá đặc trưng Sự phân loại khác nhau và số lượng các vùng được phân đối với các kiểu máy đặc biệt được đưa ra trong phần bổ sung của ISO 10816

- Vùng A: rung động của các máy mới đưa vào sử dụng thường nằm trong vùng này

- Vùng B: rung động các máy nằm trong vùng này thường chấp nhận được và không tính đến điều kiện hoạt động liên tục trong khoảng thời gian dài

- Vùng C: rung động các máy nằm trong vùng này thường không thỏa mãn trong điều kiện làm việc liên tục trong khoảng thời gian dài Nhìn chung một máy có thể hoạt động theo một chu kỳ giới hạn trong điều kiện trên tới khi

có cơ hội thích hợp để kiểm tra sửa chữa

- Vùng D: các giá trị rung động nằm trong vùng này thường vừa đủ mức

độ nguy hiểm làm hư hỏng máy

Hình 2.2 Phân vùng giá trị rung cho phép (ISO 10816)

Trong hầu hết các trường hợp thì vân tốc rung động là đủ đặc trưng cho mức độ nguy hiểm của rung động trong dải tốc độ làm việc của máy Tuy nhiên

Vùng A Vùng B Vùng C

Vùng D Vận tốc, RMS

Tần số, f

trong một số trường hợp chỉ dùng một giá trị vận tốc mà không quan tâm tới tần

số có thể dẫn tới trường hợp chuyển vị lớn vượt mức cho phép mà vận tốc vẫn ở mức cho phép, đó là các trường hợp máy làm việc ở tần số thấp, khi đó các rung động ở tần số quay thường nổi trội Tương tự với trường hợp máy làm việc ở tần

số cao, khi đó vận tốc vẫn ở mức cho phép nhưng gia tốc lại vượt mức cho phép

Do đó tiêu chuẩn cho phép dựa vào vận tốc sẽ có dạng như hình trên, trong đó khi tần số làm việc của máy nằm trong khoảng từ (fl ÷ fx) thì đánh giá rung động theo chuyển vị, tần số làm việc của máy nằm trong khoảng từ (fx ÷ fy) thì đánh giá rung động theo vận tốc, tần số làm việc của máy nằm trong khoảng từ (fy ÷

fu) thì đánh giá rung động theo gia tốc

Hình 2.3 Biểu đồ rung cho phép đối với máy chuyên dùng cho tàu thuyền

Nhìn chung đường cong giới hạn A có thể dùng đánh giá các mức rung động liêu quan tới các thành phần của máy Các tiêu chuẩn đánh giá theo các đường cong A’, B, B’ và C chủ yếu dùng cho các động cơ kiểu piston với các phụ kiện liên quan Ngoài ra đường cong giới hạn B cũng được dùng để đánh giá thiết bị và các thành phần lắp đặt trong các hộp số hoặc bánh lái Những trường hợp khó đánh giá các bộ phận của máy thì nên dùng các tiêu chuẩn đánh giá trong vùng A

2.4 Nguồn gây rung và các khả năng rung động của tàu

[6] Rung động của tàu thủy có thể gây ra hư hỏng mỏi của kết cấu tàu hoặc

các bộ phận máy chính, giảm hiệu suất của thiết bị quan trọng trên tàu, tăng giá thành bảo dưỡng, tăng sự khó chịu cho hành khách và thủy thủ Nhìn chung rung động thân tàu gây khó chịu cho thủy thủ trước khi gây hư hỏng kết cấu tàu Tuy nhiên hỏng hóc của các bộ phận máy chính và thiết bị quan trọng có thể không gây khó chịu trên tàu

2.4.1 Rung động khung thân tàu

Bộ khung thân tàu gồm có bộ vỏ, sàn chính và các phần tử bên trong tạo nên độ bền cần thiết của tàu đáp ứng được môi trường biển mong muốn

Các đáp ứng của khung thân tàu giống như dầm tự do 2 đầu chịu các tải trọng động Lực kích động chủ yếu là các lực chân vịt, rung động của khung thể hiện hầu hết các nguồn rung động khó chịu hay xuất hiện trên tàu Chân vịt và hình dạng đuôi tàu tạo nên các đặc trưng rung động trên tàu Sau khi chế tạo vẫn cần phải sửa đổi để hiệu chỉnh các rung động quá mức từ phần không hợp lý của chân vịt hoặc đuôi Hơn nữa rung động của khung thân tàu sẽ kích động các cụm kết cấu chính, các phần tử kết cấu cục bộ và thiết bị trên tàu Máy đẩy chính và máy phụ có thể cũng gây ra rung động tổng thể thân tàu và các thành phần kết cấu cục bộ

a Nguồn kích động khung thân tàu

Các lực động tác dụng vào thân tàu theo hướng của trục đẩy hoặc trực tiếp qua cánh chân vịt bởi các lực đẩy, các lực này sinh ra rung động chính trên thân tàu Với các động cơ diesel tốc độ thấp thì cần chú ý sự mất cân bằng của máy là các lực đốt Nguồn rung động phụ gồm các máy phụ và các kích động thủy động lực Khi xác định nguồn rung cần phải xác định tần số của các kích động để tìm mối xác định xem chúng có liên quan tới tần số quay của trục hay không Hình 2.4 chỉ ra các nguồn kích động chính

Hình 2.4 Các nguồn kích động chính khung thân tàu

 Các lực có tần số trùng với tần số quay của trục:

Các lực máy có liên quan tới tốc độ quay của trục có thể sinh ra do một hoặc nhiều các nguyên nhân sau:

A Mất cân bằng trục

B Mất cân bằng chân vịt

C Sai số bước răng chân vịt

D Mất cân bằng máy (với các tàu truyền động diesel tốc độ thấp)

E Cong trục

F Lệch tâm cổ trục

G Lệch chỗ nối hoặc mặt bích

Những nguyên nhân thường gặp nhất của các lực có tần số quay của trục là

A, B, C, D Các nguyên nhân khác sẽ không hay xảy ra nếu các thông số kỹ thuật tàu hợp lý, tay nghề cao và thực hiện các bước kiểm duyệt trong suốt quá trình thiết kế chế tạo tàu

Các lực có tần số quay của trục thường nằm trong dải tần số thấp, tuy nhiên cũng cần chú ý với các lực tần số thấp nhưng biên độ lớn có thể kích động các dạng dao động riêng thấp của thân tàu gây ra hiệu ứng cộng hưởng

Với các động cơ diesel tốc độ thấp bị mất cân bằng thường sinh ra các lực

và mô men động cơ tự do gốc và thứ cấp, sinh ra các vấn đề cần chú ý như biên

độ của lực và mô men, vị trí đặt động cơ và mối tương quan của chúng tới các tần số riêng theo phương đứng và ngang của thân tàu Các lực và mô men gốc xuất hiện tần số trục, lực và mô men thứ cấp xuất hiện tần số bội 2 của trục Biên độ của chúng thường phụ thuộc vào người lắp đặt động cơ Hình 2.5 là hiệu ứng của các lực và mô men của động cơ chính trên thân tàu

Hình 2.5 Hiệu ứng của các lực và mô men của động cơ chính trên thân tàu

 Các lực chân vịt:

Khi thiết kế nhằm tăng thêm lực đẩy của tàu, chân vịt cũng sinh ra các lực

và mô men thay đổi không mong muốn khi hoạt động do tác động qua lại giữa các cánh chân vịt gần với thân tàu và các thành phần phụ, chúng cũng được xem như các lực chân vịt và có tần số cánh cơ bản và các thành phần bội của nó Các thành phần bội thường ở mức quan trọng thứ yếu Các lực chân vịt này lần lượt được chia thành các lực ổ bi và áp lực lên thân tàu

Với tàu hoạt động trong vùng nước lặng nhưng phía sau thân tàu do có tác động qua lại giữa thân tàu và vùng nước xung quanh đuôi nên tạo nên vùng nước rối Khi tàu lướt về phí trước tạo nên lằn tàu và làm tăng thêm rung động trên mỗi cánh khi chân vịt quay

Chân vịt quay sinh ra cả mô men xoắn lẫn lực đẩy, mỗi khi cánh chân vịt chuyển động qua vùng nước rối thì lại làm tăng thêm 2 thành phần này tại tần số cánh và các thành phần bội của chúng Thêm một hiệu ứng do tải trọng rối của chân vịt gây ra là tâm đẩy và tâm hình học của chân vịt lệch nhau, tạo ra các mô men uốn trong trục và các lực theo phương thẳng đứng và phương ngang trong ổ

bi Khi hoạt động các cánh chân vịt sát thân tàu sẽ tạo ra áp lực theo phương dọc

và ngang, đồng thời các phản lực từ bề mặt thân tàu sẽ tác dụng ngược lại các cánh chân vịt sinh ra các lực trong ổ bi

- Các lực ổ bi:

Các lực ổ bi sinh ra từ sự không đồng đều của vệt nước xung quanh mặt phẳng đĩa chân vịt Vệt nước này phụ thuộc vào hình dạng của thân tàu, một thiết kế hình dạng thân tàu tối ưu sẽ giúp giảm độ không đồng đều của vệt nước,

do đó giảm biên độ các lực ổ bi

Các lực ổ bi kích động lên tàu qua hệ đẩy trục/ổ bi và được biểu diễn bằng

6 thành phần như hình 2.6: (gốc tọa độ tại tâm chân vịt, trục x dọc thân tàu, trục

y ngang thân tàu, trục z theo phương thẳng đứng) lực đẩy và mô men xoắn theo trục x (dọc thân tàu), lực ổ bi theo phương ngang và mô men uốn theo phương trục y, lực ổ bi theo phương thẳng đứng và mô men uốn theo trục z Các thành phần lực này sinh ra do các sự chênh lệch giữa các lực xoắn của các cánh chân vịt, còn các mô men uốn theo phương thẳng đứng và phương ngang sinh ra do

độ lệch tâm của tâm lực đẩy chân vịt và tâm hình học chân vịt

Hình 2.6 Lực ổ bi

- Các áp lực lên thân tàu

Các áp lực lên thân tàu sinh ra từ sự thay đổi áp suất do chuyển động đầu cánh chân vịt gần với thân tàu và các bộ phận phụ khác Các áp lực này phụ thuộc vào khe hở giữa thân tàu và chân vịt, tải trọng lên cánh chân vịt, và các sự thay đổi trường áp suất cục bộ xung quanh cánh chân vịt

Các áp lực kích động lên tàu qua mặt đáy thân tàu gần với chân vịt, chúng cũng được biểu diễn bằng 6 thành phần: lực và mô men theo trục dọc thân tàu, lực và mô men theo trục ngang thân tàu, lực và mô men theo trục thẳng đứng

- Hiệu ứng của các lực chân vịt

Các lực đẩy ổ bi có tần số cánh tạo ra các kích động chính cho hệ thống đẩy theo dạng thẳng dọc tàu, còn các mô men xoắn có tần số cánh tạo ra các kích động chính cho hệ thống đẩy theo dạng xoắn Hợp lực theo phương thẳng đứng của lực ổ bi và áp lực (theo phương thẳng đứng) sẽ kích động thân tàu theo phương thẳng đứng, tương tự các lực ổ bi và áp lực theo phương ngang tạo thành hợp lực kích động chủ yếu lên thân tàu theo phương ngang Độ lệch giữa lực đứng và ngang sẽ tạo ra kích động xoắn lên thân tàu Các áp lực lên thân tàu theo phương dọc và lực đẩy thân tàu qua ổ bi sẽ tạo thành hợp lực kích động thân tàu theo hướng dọc thân tàu

b Đáp ứng rung động khung thân tàu

Khung thân tàu có thể bị kích động cộng hưởng hoặc không cộng hưởng Với kích động có tần số trục hoặc tần số cánh chân vị có thể gây rung động cộng hưởng tới 5 hoặc 6 dạng riêng đầu tiên Các tần số kích động chính là tần số trục quay, tần số cánh chân vịt và các bội của nó Các lực thủy động lực học cũng có thể kích động tần số cộng hưởng của thân tàu, bánh lái hoặc các thanh giằng thông qua các bộ phận phụ khác

 Các dạng rung động của khung thân tàu

Khung thân tàu thường rung động theo các dạng riêng sau:

Uốn đứng.

Uốn ngang.

Xoắn.

Nén dọc.

Hình 2.7 Các dạng dao động khung thân tàu

Ngoài ra có thể có các dạng kết hợp giữa uốn đứng và dọc trục, giữa uốn ngang và xoắn Nhƣng hầu hết các dấu hiệu dao động đều liên quan tới dạng uốn đứng và ngang

 Tần số rung động của khung thân tàu

Trong vận hành thì dạng dao động uốn đứng khi cộng hưởng là nghiêm trọng nhất Như đã trình bày ở các phần trên, dao động dạng uốn đứng có thể bị kích động do sự mất cân bằng động hoặc thủy động của chân vịt, mất cân bằng động hoặc lệch tâm của trục hoặc do các khối lượng lớn quay như sai số bánh răng, và do các mô men mất cân bằng chính hoặc thứ cấp của các động cơ diesel Ngoài ra các lực do sóng biển gây ra cũng có thể kích động các tần số riêng thân tàu Với các tàu chân vịt kép có thể các dạng dao động theo phương ngang bị kích động do sự đồng pha của các lực mất cân bằng chân vịt

Một vài tàu lớn, như các tàu container có boong lớn thường nhạy cảm với các dạng xoắn khi bị kích động các lực ngang

Nhìn chung dạng riêng uốn cơ bản theo phương thẳng đứng thường dưới 1Hz, các dạng riêng cao hơn sẽ là bội của tần số cơ bản với các hệ số 1, 2, 3, 4… Các tần số riêng của dạng uốn ngang cũng tương tự, tuy nhiên tần số riêng

cơ bản của nó thường lớn hơn 1,5 lần tần số riêng cơ bản uốn đứng

Dạng riêng xoắn cơ bản của thân tàu có tần số thường gấp đôi tần số riêng

cơ bản của dạng riêng uốn ngang

Tần số riêng theo phương dọc tàu thường bằng 1/3 tới 1/2 tần số riêng cơ bảng của dạng riêng uốn ngang

 Tác động của các điều kiện vận hành bất lợi

Khi tàu vận hành trong các điều kiện bất lợi nó thường làm tăng đáng kể các biên độ rung động Khi ghi lại hoặc xử lý các vấn đề rung động trên tàu thì một việc cực kỳ quan trọng là phải nhận biết được mức độ bất thường của các rung động đó và các điều kiện vận hành đó cũng phải được ghi lại Các nhân tố này cũng có tác động đáng kể tới việc ghi và phân tích dữ liệu đánh giá Sau đây

sẽ trình bày một vài nhân tố liên quan:

- Điều kiện biển

Dưới các điều kiện biển lý tưởng (lặng gió, dòng thẳng) các tín hiệu rung động thân tàu sẽ dao động trong khoảng (min:max) tương đương với tỷ lệ 1:2 Với các điều kiện thử nghiệm bắt buộc thì tỷ lệ đó là 1:3 Với các điều kiện khắc nghiệt hơn thì hệ số max sẽ cao hơn nữa

đó hoặc trong phần chi tiết ghép nối, tùy thuộc vào khối lượng và phương pháp ghép nối thỉnh thoảng cụm kết cấu chính còn có thể khuếch đại cộng hưởng thân tàu

Hình 2.8 là một số dạng dao động thường gặp ở kết cấu buồng trên đuôi tàu khi khung thân tàu bị xoắn và nén dọc, đó là các dạng:

- Biến dạng uốn và trượt

- Biến dạng dẻo trụ đỡ

- Rung động thân tàu theo phương thẳng đứng

- Rung động thân tàu theo phương dọc tàu

Hình 2.8 Một số dạng rung động đuôi tàu

Đặc trưng đáp ứng động lực học của kết cấu trên boong chính chủ yếu là hàm của độ cứng trượt, độ cứng kết cấu theo phương thẳng đứng số mode của phần ghép nối với khung thân tàu

2.4.3 Rung động các phần tử kết cấu cục bộ

Phần tử kết cấu cục bộ là một khối kết cấu phụ có liên quan tới các cụm kết cấu chính Kết cấu cục bộ có thể là các tấm, bản, dầm, vách ngăn, bệ, tay vịn, đế các thiết bị phụ… và hầu hết các thành phần kết cấu chính hoặc khung thân tàu Hầu hết các vấn đề gặp phải trên tàu là xuất hiện ở các phần tử kết cấu cục bộ, kết cấu mẹ khuếch đại do hiệu ứng cộng hưởng trong kết cấu cục bộ hoặc đáp ứng với các lực rung động sinh ra từ các thiết bị cơ khí lắp trên kết cấu cục bộ Trong một vài trường hợp rung động xuất hiện do lỗi lắp đặt thiết bị ngay cả khi chúng là các thiết bị bị động

2.4.4 Rung động các thiết bị trên tàu

Thiết bị trên tàu là tất cả các thiết bị đặt trên tàu như một bộ phận cố định của toàn bộ hệ thống tàu Đó có thể liên quan tới hệ máy đẩy chính, máy phụ, thông tin liên lạc, điều khiển hoặc các hệ thống phục vụ sinh hoạt Để thuận tiện trong việc nhận biết các vấn đề rung động của thiết bị trên tàu ta chia chúng thành 2 loại là “thiết bị bị động” và “thiết bị chủ động”

a Các thiết bị bị động

Là các thiết bị được gắn cố định với kết cấu tàu nhưng không có bộ phận nào chuyển động hay sinh ra các lực kích động Điển hình là các bộ chuyển nhiệt, radio, tổng đài, đồ đạc sinh hoạt, đường ống … Các rung động quá mức của các thiết bị này có thể làm hỏng thiết bị và tác động bất lới tới hoạt động của chúng Trong một vài trường hợp các ngưỡng rung động được thiết lập sẵn cho các thiết bị trên tàu, đặc biệt với thiết bị hải quân Hiện tại các tiêu chuẩn quốc

tế được áp dụng cho thiết bị tàu thương mại đang chịu rung động của tàu Các thiết bị nhạy cảm với rung động như các thiết bị điện thường được gắn trên đế đàn hồi, khó khăn thường gặp phải là chọn vị trí thích hợp cho các đế

Việc đánh giá rung động của tàu dưới tác động của thiết bị bị động tương tự như đã dùng với các phần tử kết cấu cục bộ Rung động xuất hiện thường kết hợp với rung động của kết cấu chân đế và có thể liên quan tới hệ đẩy chính, tới các lực sinh ra từ máy xung quanh hoặc các thiết bị phụ gắn trực tiếp trên một máy Cũng giống như các phần trước, vấn đề rung động là do các lực tác dụng lớn hoặc do khuếch đại cộng hưởng từ phương pháp lắp đặt hoặc do đặc tính của máy

b Các thiết bị chủ động

Ngược với thiết bị bị động, thiết bị chủ động (như các máy bơm, máy nén, máy phát…) có các bộ phận chuyển động sinh ra các lực rung động, khi kết hợp với rung động của kết cấu chân đế có thể gây ra các vấn đề rung động khi hoạt động Các hệ đế thiết bị gồm có các đế đàn hồi có thể làm giảm các lực do thiết

bị sinh ra truyền xuống đế nhưng cũng có thể khuếch đại rung động tần số thấp sinh ra từ hệ thống đẩy của tàu

Các rung động cơ bản kết hợp với rung động sinh ra từ thiết bị chủ động truyền qua kết cấu tàu Chúng thường được nhận biết từ các tần số khác nhau Nhìn chung kết cấu đế và hệ đế thiết bị có thể thay đổi khi cần nếu không quá khó

2.4.5 Rung động của máy đẩy chính

Cơ cấu đẩy chính gồm tất cả các bộ phận từ động cơ tới chân vịt, các lực sinh ra do chân vịt và các thành phần hệ thống đẩy gây rung cho tàu và gây ra các ứng suất động Các lực do chân vịt sinh ra đã nói ở trên, phần này sẽ nói tới các lực động do hệ thống đẩy sinh ra và ảnh hưởng của chúng tới các đặc trưng rung động của toàn bộ hệ thống đẩy

Ứng suất động trong hệ thống đẩy và trong các bộ phận của nó cần phải đặc biệt quan tâm, kiểm soát các lực động do hệ thống đẩy sinh ra góp phần vào các đặc trưng rung động của toàn bộ tàu Tuy rung động thân tàu và máy đẩy liên quan tới nhau nhưng vẫn cần phải nghiên cứu thiết kế sơ bộ và kiểm soát rung động trên tàu để thực hiện nghiên cứu độc lập trên hệ thống đẩy Tuy nhiên cần phải có một hệ số kinh nghiệm thực tế liên quan tới kết cấu tàu dưới dạng hệ khối lượng – lò xo Trong thực tế khi đánh giá đáp ứng rung động của hệ thống đẩy thì độ cứng của ổ bi đỡ chặn là quan trọng nhất

Các phạm vi chính liên quan khi nảy sinh các rung động hoặc ứng suất động khó chịu:

động rơi vào vùng cộng hưởng với một tần số riêng nào đó của thân tàu Các lực mất cân bằng bậc 1 hoặc bậc 2 của các động cơ diesel hoặc lệch trục cũng có thể gây ra các tác hại tương tự

Tuy nhiên rung động tại các tần số thấp sẽ đặc biệt khó chịu với con người khi vận hành trong vùng cộng hưởng các tần số thấp của thân tàu Nên điều chỉnh các rung động vượt quá tiêu chuẩn để tránh hư hỏng cục bộ Để điều khiển các lực mất cân bằng bậc 1 và bậc 2 của các động cơ diesel cũng cần phải hiệu chỉnh đặc biệt như trên

Lượng mất cân bằng cho phép hoặc các giới hạn rung động máy của các bộ phận hoạt động tốc độ cao, như tua-bin và các máy nén, thường được nhà sản xuất đưa ra Khi rung động vượt quá mức cho phép đó có thể dẫn đến các vấn đề nguy hiểm tiềm ẩn trong chính thiết bị hoặc gây ra cộng hưởng cục bộ chân đế, ống nối hoặc các bộ phận máy Khi nhà sản xuất không đưa ra tiêu chuẩn thì nên dùng tiêu chuẩn được cho trong hướng dẫn Một vấn đề nữa là để hiệu chỉnh đúng yêu cầu cần phải phân biệt giữa rung động bị kích động từ thân tàu và rung động bị kích động từ máy

b Ứng suất động của trục quay

Phần lớn các trường hợp ứng suất động của trục thường nghiêm trọng hơn

do bị giảm độ mài mòn, nguyên nhân có thể là do lực đẩy lệch tâm, đẩy ngược dòng chảy chân vịt và có thể nghiêm trọng hơn do lệch trục hoặc hư hỏng các chỗ nối trục Các ứng suất vượt mức kết hợp với rung động xoắn trong động cơ diesel cũng là một vấn đề tiềm tàng

Để giảm thiểu các vấn đề trên, toàn cơ cấu đẩy cần phải được đánh giá đạt tiêu chuẩn cho phép và tiêu chuẩn các mức ứng suất động, đồng thời cần phải bảo dưỡng định kỳ để kiểm tra ăn mòn ổ bi và hư hỏng chân vịt

c Dao động dọc trục

Hệ thống đẩy sinh ra các lực đẩy từ chân vịt có tần số cánh hoặc bội của nó, gây ra các rung động dọc thân tàu Các rung động này nếu vượt quá mức tiêu chuẩn cho phép có thể gây hư hỏng đặc biệt tới ổ bi đỡ chặn và ăn mòn bánh răng Các lực đẩy này truyền tới thân tàu qua ổ bi đỡ chặn, tùy vào đặc tính kết cấu mà nó có thể gây ra các rung động cục bộ nghiêm trọng trong buồng máy và đáp ứng nguy hiểm tới kết cấu nhà ở trước và sau tàu Hình 2.9 là rung động dọc trục của một trục đẩy điển hình Các lực đẩy truyền tới thân tàu chủ yếu phụ thuộc vào khối lượng hệ trục đẩy kết hợp với ổ bi đỡ chặn và độ cứng nền

Hình 2.9 Dao động dọc trục của trục đẩy

Thông thường rung động dọc trục và xoắn của các hệ thống đẩy có thể được xét độc lập với nhau, nhưng không phải tất cả các trường hợp Trong tất cả các trường hợp thì chân vịt nối bậc tự do dọc trục và xoắn của hệ với nhau tới một mức độ nhất định, nhưng hiệu ứng nối chỉ đáng kể khi các tần số tới hạn độc lập gần với một tần số lực kích động Trong trường hợp đó thì dạng kích động thực sự là dạng dọc-xoắn và kích động bao gồm một hợp lực của rung động xoắn và đẩy, đặc biệt với trường hợp các hệ truyền động diesel

Khi theo dõi rung động dọc trục để lắp thiết bị phù hợp và đánh giá phù hợp với các tiêu chuẩn khác nhau cần phải phân tích động phục vụ các mục đích liên quan và phân tích thêm để xác định cơ cấu hiệu chỉnh tối ưu Các chuyên gia cần phải nhận biết được các vấn đề như trên và đánh giá toàn bộ hệ thống trong quá trình thử nghiệm tàu

d Dao động xoắn

Rung động xoắn của cơ cấu đẩy bị kích động bởi lực xoắn do chân vịt hoặc các bội của động cơ trong hệ truyền động diesel sinh ra Những cộng hưởng xoắn thông thường trong cơ cấu trục ở hình dưới không gây ra các vấn đề rung động nghiêm trọng trong kết cấu nhưng chúng có thể gây ra các hiệu ứng phá hỏng các bộ truyền động ăn khớp bánh răng, đặc biệt dước các điều kiện môi trường biển khắc nghiệt Ngoài ra cộng hưởng xoắn còn gây hư hỏng các bộ phận của cơ cấu

Hình 2.10 Dao động xoắn của trục

Tuy việc đánh giá rung động xoắn của trục quay tùy thuộc và các quy tắc

đã có nhưng vẫn cần phải phân tích rung động xoắn trong toàn cơ cấu đẩy trong bước thiết kế và chỉ ra các đặctính đáp ứng hệ thống trong quá trình thử nghiệm

e Rung động xung quanh cơ cấu đẩy chính

Cơ cấu trục đẩy như hình 2.11 thường được thiết kế tốc độ quay tới hạn ở trên tốc độ làm việc Dạng rung động cơ bản là xoắn đẩy và do lực mất cân bằng gây ra, khi cộng hưởng nó sẽ đặc biệt gây nguy hiểm cho cơ cấu trục chân vịt Tần số của có cấu chịu ảnh hưởng đặc biệt bởi vị trí gối đỡ ổ bi đuôi tàu và độ cứng của chúng

Hình 2.11 Rung động xung quanh cơ cấu đẩy chính

Lệch trục hoặc ổ bi bị ăn mòn nghiêm trọng có thể gây ra các thành phần ứng suất động cao trong trục, tới biên độ các phản lực ổ bi, rung động vỏ tàu tăng và sự quá nhiệt Ngay cả khi việc thiết kế đã thỏa mãn yêu cầu ban đầu và bảo dưỡng tốt, cũng vẫn cần phải sử dụng các ổ bi tốt, hiệu chỉnh chúng thích hợp và chú ý tới vấn đề cân bằng động để giảm thiểu các vấn đề nguy hiểm tiềm tàng

2.5 Đo đạc và phân tích trạng thái rung động của tàu

[2] Việc đo và phân tích trạng thái rung động của tàu có hai nội dung chính Nội dung thứ nhất là đo để đánh giá mức rung động của tàu so với mức cho phép của tiêu chuẩn Nội dung thứ hai là đo để xác định các nguyên gây ra rung động làm cơ sở cho việc đề xuất các phương án khử rung động có hiệu quả Mục tiêu chính của đề tài là đo đạc và phân tích rung động, việc xác định nguyên nhân và các phương án đề xuất không phân tích mà chỉ đưa ra nhận xét chung Như đã phân tích ở trên, các trạng thái rung động của tàu là vô cùng phức tạp Nó được tổ hợp bởi nhiều khả năng rung động của nhiều thành phần cấu thành hệ thống tàu: kết cấu thân tàu, các cụm kết cấu chính, kết cấu cục bộ, thiết

bị và hệ thống đẩy Nguồn kích động cũng rất phức tạp, nhiều thành phần tần số, nhiều điểm tác động, nhiều hướng tác động Nên muốn thu thập một cơ sở dữ liệu đo đủ để có được bức tranh tổng thể về trạng thái rung động của con tàu thì một số yêu cầu về thiết bị và kiến thức được đặt ra Thiết bị đo rung động phải

có một số chức năng tối thiểu như trong bảng 2.2 Người thực hiện việc đo đạc

và phân tích rung động phải có kiến thức và kinh nghiệm thực tế về các vấn đề rung động tàu, và phải tuân thủ quy trình đo phân tích một cách nghiêm túc 2.5.1 Thiết bị đo

Thiết bị đo phải có các thông số kỹ thuật phù hợp cho việc đo và phân tích rung động của tàu Các thông số kỹ thuật của thiết bị đo và phân tích rung động của tàu có thể tóm tắt trong bảng 2.2 dưới đây

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của máy đo phân tích rung động tàu

TT Chức năng Yêu cầu Ghi chú

1 Số kênh đo ≥ 2 kênh Càng nhiều càng thuận tiện

2 Loại đầu đo Đo được dao động tương

đối và tuyệt đối

Đầu đo kiểu dòng xoáy (đầu đo chuyển vị) và kiểu gốm áp điện (đầu

đo gia tốc)

3 Dải tần đo 0.1 ÷ 1000 Hz

Để đo được các đáp ứng do sóng biển (tần số thấp) và hệ thống đẩy (tần số cao)

4 Bộ lọc Thông thấp và thông cao Lọc nhiễu và tách các rung động theo

yêu cầu và phân tích

5 Bộ nhớ Bản ghi tối thiều dài 60'

Để lưu số liệu cho việc phân tích tín hiệu rung động từ tần số 0,1 ÷ 1000

vị kiểu dòng xoáy) và đầu đo pha; có chức năng phân tích phổ (FFT); có giải tần

đo từ 0,1Hz đến 1000Hz, có khả năng lưu trữ được khối lượng lớn số liệu cho một quy trình đo đủ dài (tối thiểu 60 phút)

2.5.2 Đại lượng đo

Việc chon đại lượng đo phụ thuộc và nội dung đo Đối với nội dung thứ nhất thì đại lượng đo đã được các tiêu chuẩn quy định ra rất cụ thể Người thực hiện phải chọn thiết bị đo và phần mềm phân tích để đưa ra được các đại lượng theo yêu cầu của các tiêu chuẩn đánh giá

Đối với nội dung đo thứ hai thì việc chọn đại lượng đo lại phụ thuộc chủ yếu vào thực trạng rung động của con tàu Kinh nghiệm cho thấy, với các rung

động có tần số cao trên 80Hz thì vận tốc và gia tốc rung động được ưu tiên dùng; đối với tần số dưới 80Hz thì các đại lượng chuyển vị và vận tốc được dùng; và với tần số cỡ 5 Hz trở xuống thì chuyển vị là đại lượng được ưu tiên dùng nhất Về lí thuyết, chúng ta có thể tích phân gia tốc để được vận tốc và chuyển vị, nhưng tích phân số thường gây ra sai số rất đáng kể, do vậy nên chọn loại đầu đo phù hợp, đưa ra được trực tiếp đại lượng mong muốn

2.5.3 Vị trí lắp đầu đo

Vị trí lắp đầu đo được chọn lựa trên dựa trên mục đích đo, như đo để xác định các đặc trưng của các nguồn kích động; đo để xác định trạng thái rung động của tàu, đo để xác định tương quan rung động giữa hai điểm Vị trí quan trọng thường được chọn để đo rung động trên tàu gồm:

 Các vị trí trên đuôi tàu (rung động do áp lực chân vịt)

 Các vị trí trên hệ truyền động chính (ổ chặn dọc, gối gần chân vịt)

 Các vị trí trên máy quay (bơm, máy nén, máy phát điện công suất lớn)

Để chọn được các vị trí đo phù hợp có thể tham khảo thêm các tiêu chuẩn

về đánh giá mức rung động (ISO 4867)

a Xác định đặc trưng của các nguồn kích động trên tàu

Đối với hệ thống đẩy, các vị trí đo có thể gắn trên chân đế của động cơ (điểm liên kết với kết cấu), trên các gối trục, đặc biệt là ổ chặn dọc trục, theo các hướng x,y,z

Đối với các thiết bị chủ động, đo tại các chân đế

Đối với kết cấu thân tàu, đo tại các điểm liên kết với các cụm kết cấu chính

và cụm kết cấu cục bộ

b Xác định đặc trưng rung động của các thành phần cấu thành tàu

Kết cấu thân tàu, các cụm kết cấu chính, các cụm kết cấu cục bộ và hệ thống đẩy

Đối với kết cấu thân tàu, đầu đo phải được gắn để có thể nhận dạng được các trạng thái cộng hưởng khác nhau của thân tàu (tần số và pha dao động) Vị trí đo không được trùng với các điểm nút của các dạng dao động riêng

Đối với các cụm kết cấu chính, đầu đo phải được đặt vào các vị trí và hướng có biên độ rung động lớn

Đối với hệ thống đẩy, đo tại các vị trí có biên độ rung động lớn và có sự tương tác với kết cấu thân tàu

c Xác định sự tương quan giữa nguồn kích động và đáp ứng

Đo đồng thời tại các điểm có mức rung động lớn đáng quan tâm trên tàu và

tại các điểm được coi là nguồn kích động (các điểm liên kết, các điểm trên hệ thống đẩy, trên các thiết bị chủ động)

2.5.4 Chế độ đo

Việc đo phải được thực hiện trong các điều kiện vận hành bình thường (theo thiết kế) của tàu về tải trọng, tốc độ; trong điều kiện sóng gió bình thường, với độ sâu phù hợp Các điều kiện đó có thể được cụ thể hoá như sau:

 Việc đo kiểm phải được thực hiện ở mực nước sâu, không nông hơn 5 lần mớm nước của tàu

 Đo kiểm phải được tiến hành khi biển lặng (dưới cấp 3 theo tiêu chuẩn SNAME, không có bão)

 Tàu phải được dằn ngập đến vị trí gần như vận hành thực tế Mớm nước ở phần đuôi tàu phải đảm bảo để chân vịt ngập hoàn toàn trong nước

 Trong quá trình đo kiểm, tàu đang được vận hành với hành trình tự do, góc bánh lái không được lớn hơn 2 độ

 Tàu chạy với các chế độ tốc độ thiết kế

2.5.5 Xử lý số liệu

Số liệu được lưu trữ vào máy sau khi đo sẽ được xử lý phân tích Tùy thuộc vào tưng mục đích cụ thể đã đặt ra mà ta tính toán các số liệu theo các cách khác nhau Với những trường hợp đơn giản như tính các giá trị theo tiêu chuẩn để đánh giá thì có thể tính toán bằng tay, với những trường hợp phức tạp như chẩn đoán trạng thái rung động của cả tàu hoặc số lượng dữ liệu lớn thì cần phải dùng các phần mềm chuyên dụng để phân tích, biến đổi cho phù hợp yêu cầu

Chương 3 ĐO ĐẠC TẠI HIỆN TRƯỜNG 3.1 Các thông số kỹ thuật của tàu Cồn Cỏ 01

Hình 3.1 Bản vẽ thiết kế tổng quan tàu Cồn Cỏ 01

Hình 3.2 Tàu Cồn Cỏ 01 trước và sau khi xuất xưởng

3.2 Tiến hành đo đạc tại hiện trường

3.2.1 Địa điểm và thời gian thực hiện

Trung tâm tàu cá, ĐH Nha Trang

Tháng 7/2007