Thiết kế thuyền vận hành bằng gió dùng cho đồng bằng sông cửu long

Hình dáng và cấu tạo của chúng không hạn chế được nhiều lực cản của nước tác động lên, công suất tạo ra từ tay truyền qua dầm tạo lực đẩy không cao , phụ thuộc nhiều vào con người.. Mô h

1.1 Giới thiệu về đề tài 1.2 Phương án thực hiện 1.3 Yêu cầu đề tài 1.4 Nhiệm vụ

CHƯƠNG 2 : XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT CHỌN ĐỘNG CƠ NỔ

2.1 Mô tả

2.2 Công suất cần thiết để thuyền bay di chuyển

2.2.1 Công suất cực đại

2.2.2 Công suất tối thiểu

2.3 Chọn động cơ nổ

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ QUẠT

3.1 Lý thuyết thiết kế quạt

3.1.1 Lý thuyết động lượng cơ bản

3.1.2 Lý thuyết xoáy

3.1.3 Lý thuyết phân tử cánh

3.2 Các thông số cơ bản của quạt

3.2.1 Số vòng quay của quạt

3.2.2 Lưu lượng quạt

3.2.3 Các thông số khác

3.2.4 Tính sức bền cánh quạt

3.2.5 Khối lượng quạt

3.3 Độ ồn của quạt

3.3.1 Ồn khí động

3.3.2 Ồn cơ học

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ ĐAI

4.1 Giới thiệu – Mục đích

4.1.1 Phân loại ưu nhược điểm

4.1.2 Chọn loại đai

4.2 Xác định các thông số bộ truyền đai

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN TRỤC – Ổ LĂN

5.1 Yêu cầu – Mục đích

5.2 Xác định các lực tác dụng lên trục

5.2.1 Tính sơ bộ trục

5.2.2 Xác định các lực tác dụng lên trục – Biểu đồ momen 5.2.3 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi

5.3 Xác định ổ lăn

5.3.1 Lựa chọn

5.3.2 Tính toán ổ lăn

6.3 Khảo sát sự nổi của thuyền bay

CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ CÁNH LÁI

7.1 Mô tả

7.2 Phương án

7.3 Thiết kế cánh lái

7.4 Thiết kế hệ thống xích

7.4.1 Chọn loại xích

7.4.2 Xác định thông số của xích và bộ truyền 7.4.3 Kiểm nghiệm xích về độ bền

7.4.4 Đường kính đĩa xích

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU – PHƯƠNG ÁN ĐỀ TÀI

1.1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI:

 Chúng ta đã biết , hầu như các phương tiện di chuyển ở vùng đồng bằng sông Cửu Long là loại không có động cơ như : bè , ghe , xuồng ….Tất cả chuyển động được là do con người dùng tay điều khiển cây sào hoặc dầm tạo lực đẩy , đẩy chúng đi Các phương tiện trên cho hiệu suất không cao Hình dáng và cấu tạo của chúng không hạn chế được nhiều lực cản của nước tác động lên, công suất tạo ra từ tay truyền qua dầm tạo lực đẩy không cao , phụ thuộc nhiều vào con người Bên cạnh đó , ở những nơi là vùng đầm lầy thì việc di chuyển càng khó khăn Như vậy , cần có 1 phương tiện nào đó đa năng mà có thể giảm sức người và có thể thích nghi mọi địa hình Mô hình “ Thuyền dùng quạt gió “ ra đời từ đó , gọi tắt là thuyền bay ( tiếng Anh là Airboat )

 Thuyền bay là 1 loại thuyền sử dụng cánh gắn trên không nhằm tạo lực nâng khi chuyển động Do vậy thuyền bay có thể đi trên mọi địa hình : trên nước, đầm lầy, tuyết, v.v…

 Hiện nay , phần lớn thuyền bay sử dụng động cơ điều khiển tự động và được sử dụng rộng rãi trên thế giới

1.2 PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN

 Để thiết kế thuyền bay , ta có các phương án sau :

a) Khung thuyền được thiết kế theo nguyên lý bánh tiếp xúc nên thích hợp đi trên mặt phẳng , tuyết ; Không thích hợp di chuyển trên nước , đầm lầy b) Khung thuyền được thiết kế theo kiểu khung thuyền cano  bề mặt tiếp xúc lớn , thích hợp đi trên mọi địa hình , nhưng sự ma sát lớn

c) Khung thuyền được thiết kế theo kiểu nguyên lý phao thổi (khó chế tạo ) ,

xe trượt tuyết hay cộ đập lúa nên thích nghi địa hình đầm lầy , diện tích tiếp xúc nhỏ

Căn cứ vào ưu khuyết điểm , em chọn phương án C

1.3 YÊU CẦU ĐỀ TÀI:

 Thuyền bay được thiết kế cho 1 người ngồi, vận hành với vận tốc Vmax = 40 km/h, Thuyền bay sử dụng động cơ diezel( dầu hoặc xăng), sử dụng cánh quạt được gắn trên không, nhằm tạo lực nâng khi thuyền chuyển động Quạt quay được nhờ hệ thống truyền động nối với động cơ nổ

 Chọn các thông số của thuyền bay như sau:

 Đường kính cánh quạt 1,2m

 Đường kính bầu cánh quạt 0,15m

 Chiều rộng thuyền bay: 1,3m

 Chiều dài thuyền bay: 1,6m

 Hệ số ma sát giữa thuyền và bề mặt tiếp xúc: k =1

 Khối lượng thuyền bay ( kể cả người):200kg

 Các bộ phận của thuyền bay

 Khung thuyền

 Động cơ ( xăng hoặc dầu)

 Hệ thống truyền động đai

 Quạt

 Hệ thống dẫn hướng

 Các thiết bị khác: ghế , khung che

1.4 NHIỆM VỤ

 Tính toán và chọn động cơ

 Tính toán và thiết kế hệ thống đai

 Tính toán và thiết kế quạt

 Thiết kế hệ thống dẫn hướng

Thiết kế khung thuyền

CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT

CHỌN ĐỘNG CƠ NỔ

2.1 MÔ TẢ

 Thuyền bay chuyển động bằng 2 giai đoạn

 Giai đoạn chuyển động đều, V=40 Km/h

 Giai đoạn tăng tốc từ 0 km/h-40 km/h trong khoảng thời gian 60s

2.2 CÔNG SUẤT CẦN THIẾT ĐỂ THUYỀN BAY DI CHUYỂN

2.2.1 Công suất cực đại (N max )

 Diện tích cánh quạt tạo lực đẩy: (S 1 )

S=S 1 -S 2 =1,1128m 2

Gọi P1 là tổng lực tác dụng lên quạt

a là gia tốc thuyền bay ;

60

1

2 V V

a  =0,185(m/s2) với V1=0km/h ; V2=40km/h=11,11m/s

 Tổng lực tác dụng

2.2.2 Công suất tối thiểu.(N min )

Gọi P2 là tổng lực tác dụng lên quạt

 Tổng lực tác dụng

2.3 CHỌN ĐỘNG CƠ NỔ

 Do quạt được truyền qua động cơ nổ bằng đai nên

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUẠT

3.1 LÝ THUYẾT THIẾT KẾ QUẠT

3.1.1 Lý thuyết động lượng đơn bản :

Trong lưu chất không nén được và không ma sát, chong chóng được xem như một đĩa tròn có diện tích A = R2 và lực đẩy T (hình 3.1) Xét một thể tích kiểm soát được bao quanh bởi một đường tròn, diện tích ở phía xa trước và sau đĩa lần lượt là

A0 và A3 như hình vẽ Gọi V, p0 lần lượt là vận tốc không khí tại phía xa trước chong chóng (mặt cắt 0) Khi chuyển động đến gần chong chóng (mặt cắt 1) vận tốc dòng khí được gia tốc đến vận tốc V1 và áp suất là p1 Áp suất khí tăng tới p2

ngay sau khi dòng khí đi qua chong chóng trong khi vận tốc lại không thay đổi (nghĩa là V2 = V1 = V + v) Ở xa phía sau chong chóng (mặt cắt 3) dòng lưu chất tiếp tục tăng tốc cho tới khi dòng là dòng đều, lúc này áp suất trở lại giá trị p0 và vận tốc dòng khí là V3 = V + v3

Hình 3.1: Mô hình dòng chảy của lý thuyết động lượng đơn giản

dòng xa phía trước

dòng xa phía sau

diện tích A 3

đĩa quay diện tích A 3

Áp dụng phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng cho dòng lưu chất tại mặt cắt A0 và A3 ta có:

Bảo toàn khối lượng:

a a V v

v V

3.1.2 Lý thuyết xoáy

Trong lý thuyết này chúng ta có xét thêm ảnh hưởng của các xoáy ở ngang bề mặt và phía xa sau chong chóng như hình 3.2

Gọi  là vận tốc quay của chong chóng Dòng khí vào ở xa phía trước chong chóng không xoáy nhưng dòng khí xa sau chong chóng xoay, có vận tốc góc là  Vận tốc góc tương đối của dòng khí đối với chong chóng là () Đặt

V nD

V

trong đó n là số vòng quay và TSR là tỉ số vận tốc mũi

Cũng tương tự xét thể tích kiểm soát bao quanh bởi hai đường dòng có bán kính lần lượt là r và r + dr tại mặt phẳng đĩa quay và các diện tích hình vành khuyên tương ứng với mặt cắt 0 và 3 Áp dụng định luật bảo toàn momen động lượng góc cho ngoại lực tác dụng lên các phần tử ta có:

dr a Vb

r

dQ4 3 .(1 )

Hình 3.2: Mô hình dòng chảy khi áp dụng lý thuyết

Định luật bảo toàn momen động lượng cho ngoại lực tác dụng lên phần tử khí:

dr a a V

r

dT 4  2 (1 )

Hiệu suất cục bộ:

2 2

a r

V b

a a

b



với x = r/R là bán kính vô thứ nguyên

Các hệ số ảnh hưởng a, b có thể được biểu diễn theo x,  và tỉ số tiến như sau:

2 2 2

2

)

(

)1

2

)

(

)1

2 2

2

2

2

)()12(

)()

2(

)

(

)1

x J

dòng xa phía trước

dòng xa phía sau

diện tích A 3

đĩa quay diện tích A 3

3.1.3 Lý thuyết phần tử cánh

Xét một phần tử cánh có cung cánh c và có độ dài dr tại vị trí bán kính r (hình 3.3) Vận tốc quay tương đối của phần tử cánh so với dòng khí là r(1b) Vận tốc dọc trục của dòng lưu chất khi qua chong chóng là V(1 + a) Vận tốc tổng hợp là VR tạo

ra với mặt phẳng quay một góc  Lực nâng và lực cản tác động lên phần tử cánh theo phương vuông góc và song song với VR lần lượt là:

dFL = ½ VR2CL.c.dr

dFD = ½ VR2CD.c.dr

Nếu chong chóng có m cánh thì lực đẩy và momen xoắn dó chóng tạo ra là:

dr ec

a C

c m

cos)1.(

2



dr ec

b a C

c m r V

cossec)1)(

1.(

b a C

c m r V

cossec)1)(

1.(

3.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA QUẠT

3.2.1 Số vòng quay của quạt (n q )

Gọi P1, P2 lần lượt là áp suất tại cửa hút và cửa đẩy của quạt Xét theo áp suất dư

 Độ chênh áp suất

S: Diện tích cánh quạt tạo lực đẩy, S=1,1128m2

P1: tổng lực tác dụng lên quạt P1  2037 N

x x

U e

1

302

d1: đường kính cánh quạt, d1=1,2m

cửa đẩy

g: gia tốc trọng trường, g=9,8 m/s2

Q: lưu lượng của quạt, m3/s

H: áp suất do quạt tạo ra, H=0,18659 mH2O

Nq: công suất của quạt, Nq=22,7 KW

: hiệu suất của quạt ; =70%

 Q=

xgxH

x Nqx





1000

=7241,5 m3/s

3.2.3 Các thông số khác

 Số cánh Z của quạt

3.2.4 Tính sức bền cánh quạt

Xét điển hình 1 cánh quạt có bề rộng B, chiều dài cánh R ( R=d1-d2) Áp suất tác dụng lên 1 phần tử cánh là p (p=1830.5N/m2), chiều dày cánh h.Giả sử như áp suất phân bố đều lên toàn bộ cánh

0

 momen uốn : M=(B.p.R2 )/2

Xét 1 tiết diện cắt ngang cánh :

 Momen chống uốn :

12

3

B h

J 

 Ứng suất sinh ra ở cánh :

B h

R p B J

M

12.2

 3 6

2

10.850

12

R

p

B

h > 5,88.10-6 m Chọn h= 4mm

3.2.5 Khối lượng quạt (m q )

 Khối lượng cánh quạt

Tổng diện tích 4 lá cánh quạt S3 ( tính từ chân cánh đến đỉnh cánh )

S3= S.

 : mật độ cánh quạt ; =0.5

S : diện tích quạt tạo ra lực đẩy , S=1.1128 m2

h: chiều dày 1 cánh quạt , h=4.10-3m

 : khối lượng riêng vật liệu , thép C45 có =7800kg/m3

S3: tổng diện tích 4 lá cánh quạt , S3=0.5564m2

V: thể tích 4 lá cánh quạt

 m1q=17.359 kg

 Khối lượng bầu quạt :

Diện tích bầu quạt : S2=0.0176 m2

Khối lượng bầu quạt : m2q S2.h2.

h2 : chiều cao bầu quạt ; h2=80.10-3 m

 : khối lượng riêng vật liệu , thép C45 có =7800kg/m3

 m2q=10.98 kg 11 kg

 Khối lượng quạt : m q =m 2q +m 1q =28.359 kg 29 kg

3.3 ĐỘ ỒN CỦA QUẠT

 Thuyền bay có thể gây ra độ ồn nguy hiểm, ảnh hưởng đến con người Trong quá trình hoạt động , động cơ và cánh quạt là nguyên nhân gây ồn chủ yếu Tiếng ồn tăng khi động cơ tăng tốc độ nên quạt quay nhanh hơn Tiếng ồn của quạt có 2 dạng

3.3.1 Ồn khí động

 Ồn khí động sinh ra do các chi tiết khác nhau của quạt tác động lên sự chuyển động của dòng khí Yếu tố chính gây ồn khí động là vận tốc vòng lớn , vì cường độ ồn tỷ lệ bậc sáu đối với vận tốc , bậc 2 với số đo tuyến tính của cánh và bậc

2 với sức cản đỉnh cánh Yếu tố thứ 2 là dạng cánh , dạng thân ( vỏ ) quạt , số cánh chế độ làm việc của quạt và cấu trúc buồng đặt quạt Tiếng ồn sinh ra do chuyển động xoáy của không khí với guồng động tạo nên các sóng không khí và rung động các bộ phận Không khí đi qua cửa hút , cánh hướng dòng ( nếu có ), đi qua cửa ra của vỏ cũng tạo xoáy và gây ồn

3.3.2 Ồn cơ học

 Độ vững chắc của cánh quạt ồn ít hơn

 Hầu hết quạt lắp côngxon với trục nên tiếng ồn lớn nếu cân bằng động không tốt

tiếng ồn còn do các ổ bi gây ra

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ ĐAI

4.1 GIỚI THIỆU –MỤC ĐÍCH :

 Do yêu cầu , điều kiện làm việc của bộ truyền , ta chọn truyền động đai hình thang Loại đai này có tiết diện hình thang , mặt làm việc là 2 mặt bên tiếp xúc với các rãnh hình thang tương ứng trên bánh đai Nhờ đó , hệ số ma sát giữa đai và bánh đai hình thang lớn hơn so với đai dẹt, khả năng kéo cũng lớn hơn

4.1.1 Phân loại –ưu nhược điểm

Gồm 3 loại :

 Đai thang thường : có 7 loại tiết diện

 Đai thang hẹp : có 4 loại tiết diện

 Đai thang rộng ( thường dùng trong các hộp biến tốc )

 Cấu tạo đai thang gồm

- Lớp sợi tẩm cao su, là lớp chịu tải,bố trí ở tâm thiết diện(có 2 loại: đai sợi xếp và đai sợi bện )

- Lớp vải cao su nằm trên lớp sợi , chịu kéo

- Lớp cao su nằm dưới lớp sợi, chịu nén

- Lớp vải cao su bọc quanh đai, bảo vệ làm giảm mòn cho đai

 Đánh giá ưu nhược điểm

a) Ưu điểm:

- Có thể truyền động giữa các trục xa nhau

- Làm việc êm, không ồn nhờ vật liệu dẻo của đai

- Giữ được an toàn cho các tiết máy khi quá tải nhờ khả năng trượt trơn của đai khi quá tải

- Kết cấu và vận hành đơn giản, giá thành hạ

b) Nhược điểm:

- Kích thước bộ truyền lớn

- Tỉ số truyền không ổn định do hiện tượng trượt đàn hồi của đai và bánh đai

- Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn do căng đai

- Tuổi thọ thấp (từ 1000…5000giờ)

4.1.2 Chọn loại đai

 Công suất cần truyền là 22.7KW , số vòng quay trục quạt 1706 vòng/ phút Căn cứ vào [h4.1,1,59 ] ta chọn đai thang hẹp có tiết diện YB

4.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ BỘ TRUYỀN ĐAI

 Tỷ số truyền của hệ thống : ( uht )

uht : tỷ số truyền ; uht = 1.758

d1 : đường kính đai nhỏ ; d1 = 200 mm

 : hệ số trượt ,  = 0.02

nq : số vòng quay trục quạt , nq = 1706 vòng / p

d1:đường kính bánh đai nhỏ , d1 = 200 mm

a phải thỏa :

0.55.(d1 + d2 ) + h  a 2 ( d1 + d2 )

d1 : đường kính bánh đai nhỏ , d1 = 200 mm

d2 : đường kính bánh đai lớn , d2 = 359 mm



+

a

d d

4

)

a : khoảng cách trục ; a= 430.8

d1 : đường kính bánh đai nhỏ ; d1 = 200 mm

d2 : đường kính bánh đai lớn ; d2 = 359 mm

= l

-2

) (d 1 d2

d2 : đường kính bánh đai lớn , d2=359 mm

d1: đường kính bánh đai nhỏ , d1 =200mm

l : chiều dài đai , l = 1800 mm

a1 = 454.22 mm

 Góc ôm  trên bánh đai nho 1

d1 : đường kính bánh đai nhỏ , d1 = 200 mm

d2 : đường kính bánh đai lớn , d2 = 359 mm

a1 : khoảng cách trục thực sự , a1= 454.22 mm

P1 : công suất trên trục bánh đai chủ động ; P1=24 KW

 P0 : công suất cho phép P0 =7,93 KW ,  4.20,1,62

Kđ : hệ số tải trọng động b4.7,1,55 ; Kđ=1,25

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN TRỤC – Ổ LĂN

5.1 YÊU CẦU – MỤC ĐÍCH :

 Vật liệu trục và phương pháp nhiệt luyện được lựa chọn theo những tiêu chuẩn về khả năng làm việc của trục ; thường dùng thép cacbon và thép hợp kim vì chúng có cơ tính cao , có khả năng tăng bền và dễ gia công

 Với yêu cầu đặt ra , trục quay nhanh thì ta chọn vật liệu làm trục là thép 45 thường hóa

5.2 XÁC ĐỊNH CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN TRỤC :

 Lực căng trên một dây đai ( F0 )

C :hệ số kể đến ảnh hưởng của góc ôm 1 [ b 4.15,1,61 ] C= 0.95

P1 : công suất trên trục bánh đai chủ động , P1 = 24 kw

Fv : lực căng do lực ly tâm sinh ra

nq : số vòng quay quạt , nq = 1706 vòng/ p

xj yj

75 ,

 Dựa theo kết cấu , biểu đồ momen có thể thấy tiết diện sau đây là nguy hiểm cần kiểm tra về độ bền mỏi : tiết diện 3 ( tiết diện lắp ổ )

5.2.3 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi

 Hệ số an toàn tại tiết diện nguy hiểm thỏa :

 S S

S

S

S

S j  j. j. j2 j2 

[S] : hệ số an toàn cho phép , [S] = 1,5 …2,5

 Sj , Sj hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp , ứng suất tiếp

mj aj

b 0.436 850 370.6436

.058

12560 16

3 max 3

j  (  /    1 ) /

 kx : hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt Tra [b10.8,1,197] kx=1.1

 ky : hệ số tăng bền bề mặt trục.Tra [b10.9 , 1 ,197 ] ky=1.1

  ; hệ số kích thước ảnh hưởng của kích thước tiết diện trục đến giới hạn mỏi Tra [b10.10,1,198], =0.85;=0.78

 k , k hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn và xoắn

5.3.2 Tính toán ổ lăn

 Xác định tải trọng động quy ước (Q)

Q = ( X.V.Fr+YFa) Kt.Kđ

Fr : tải trọng hướng tâm, Fr = Fy2 = 2.12KN

Fa : tải trọng dọc trục , Fa= 2,03 KN

V: hệ số kể đến vòng nào quay ; Vòng trong quay V= 1

Kt : hệ số kể đến ảnh hưởng nhiệt độ , Kt= 1