Thiết kế bánh lái tàu chạy biển không hạn chế

y % V.Lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái 1.Tàu chạy tiến... 5.Kiểm tra bền trục lái Bánh lái được coi là đủ bền nếu mômen chống uốn của xương đúng thay thế cho trục lái và mép

BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG TÀU THỦY

I.Các thông số chính của tàu

Thiết kế bánh lái tàu chạy biển không hạn chế với các thông số chính sau

Hệ số béo sườn giữa CW = 0,98

Hệ số béo đường nước CWP = 0,83

Tỉ số XB/L= -0,2%

Dạng mũi chữ U

II.Tính toán sức cản và đường kính chong chóng

Ta xét các đặc trưng của tàu

396 , 3

8,5 B/T = 2,13 ÷

3,92 Công suất kéo của tàu được xác định bằng công thức

2.Tính toán lực cản và công suất kéo của tàu:

L V

L

δ

ψ

0

Ψ

=4,9 xác định trên đồ thị hình 1.14từ CB

T B R

TK R

B C a

)(

)(

( Tra hình 1.16 )2.2 Tính hệ số ma sát của tấm phẳng :

CFo =

2

)2Re(lg

075,0

Chọn KT =0,6

-WT:Hệ số dòng theo tính toán WT= 0,5δ-0,05=0,5×

0.65-0,05= 0,275

=

4

11,8 119, 49200

= 2,759 (m)Chọn D=3 (m)

III.Lựa chọn dạng bánh lái

Ta lựa chọn dạng bánh lái cân bằng,đơn giản

- Bánh lái có dạng hình chữ nhật

- Profin bánh lái là profin NASA 0015

IV.Các đặc trưng hình học của bánh lái

1.Diện tích bánh lái

1.1.Theo công thức thống kê

Diện tích bánh lái được tính bằng công thức

FP = LT/100 ,m2

trong đó

= 1,5 ÷ 2,5 là hệ số diện tích bánh lái cho tàu đi biển 1 bánh lái

L = 89 m là chiều dài giữa 2 đường vuông góc của tàu

T = 4,8 m là chiều chìm trung bình của tàu ở trạng thái toàn tải

Thay số vào ta có

FP = 6,048÷ 10,680 (m2)

Ta chọn diện tích bánh lái FP = 8,4 m2

1.2.Kiểm tra theo điều kiện diện tích tối thiểu

Diện tích của bánh lái phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau

FPmin =

)75

15075

,0(

100 + L+

LT pq

(m2)trong đó

p = 1 vì bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt

q = 1 đối với tàu hàng

L,T lần lượt là chiều dài và chiều chìm tàu

FPmin =

)7589

15075

,0(100

8,489

++

×

= 7,11 (m2) Vậy diện tích bánh lái đã chọn FP = 8,4 m2 thoả mãn không nhỏ hơn diện tích tối thiểu

FPmin = 7,11 m2

2.Kích thước bánh lái

Các kích thước đặc trưng cho bánh lái hình chữ nhật gồm có chiều cao và chiều rộng bánh lái

Dựa vào điều kiện bố trí trong khung giá lái mà ta chọn

- Chiều cao bánh lái hP = 3,5 m

4.Chiều dày lớn nhất của profin bánh lái

Với prôfin NASA 0015 thì chiều dày tương đối

6.Hệ số cân đối của bánh lái

- Hệ số cân đối của bánh lái được tính theo công thức R = P

P

F F'

Trong đó

FP’ = 0,646.3,5 = 2,261 m2 là diện tích phần đối của bánh lái

FP = 8,4 m2 là diện tích của toàn bộ bánh lái

R =

2, 261

8, 4

= 0,27 trong khoảng(0,25-0,35)

7.Xây dựng tuyến hình prôfin lý thuyết

Toạ độ thực của prôfin tính theo công thức

y

(%)

V.Lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái

1.Tàu chạy tiến

vep = 0,515vS(1-wr)c ,m/s

Trong đó

vS = 12.5 ,hl/h là là vận tốc khai thác của tàu

wr là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái

wr = 0,8w0 với w0 là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đĩa chong chóng Theo Papmiel,với tàu biển ta có

CB = 0,65 là hệ số béo thể tích của tàu

V = CB LBT = 4526,184,m3 là thể tích chiếm nước của tàu

DB = 3 m là đường kính chong chóng

∆w là phần kể đến sự tạo sóng

Vì Fr =

12.5 0.51449.81 89

T

π

ρ

trong đó

T = t

T E

−

1

là lực đẩy của chong chóng

TE = R/x = 99,773 kN=10170,513 kG là lực đẩy có ích của chong chóng

B

k k

VCP = 0,515×

12.5(1-0,199)1,343 = 6,928 (m/s) Lực và mômen thuỷ động tác dụng lên bánh lái được thể hiện dưới dạng bảng sau

402

-3

523.61

511.44

-5

407.1

-8 5525.8

1

0 Mσ=ko*M/σ kGm

54.01

482

-8

628.34

613.73

-5

488.6

-2 6631

2.Tàu chạy lùi

Tốc độ tàu chạy lùi

T

T §¹i lîng tÝnhto¸n §¬nvÞ

Gãc bÎ l¸i αPo

6.84 13.78 20.62 27.37 33.545 34.61

-4

307.72

300.56

-6

239.2

-9 3247.4

1

0 Mσ=ko*M/σ kGm

31.74

283

-7

369.26

360.67

-9

287.1

-5 3896.9

Từ kết quả ta vẽ đồ thị lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái

So sánh 2 trường hợp tàu chạy tiến và chạy lùi ta có kết luận

Pnmax = 61346,652 kG tại aP = 33,54 o

Mδmax = 6631 kGm tại aP = 34,61 o

VI.Kết cấu của bánh lái

1.Vật liệu chế tạo bánh lái

- Chọn vật liệu chế tạo là thép CT 3C có

δch = 2400 kG/cm2

- Vật liệu chế tạo trục là thép CT45 có

δch = 3000 kG/cm2

2.Xương gia cường

Khoảng cách giữa các xương gia cường tính theo công thức:

a0 =

4 , 0 100

Khoảng cách giữa các xương gia cường đứng : 500 (mm)

600 2400

360 520 550 550

3.Chiều dày tôn bao

Chiều dày tôn bao không nhỏ hơn trị số tối thiểu

d0 = 8 mm

Chiều dày tôn mặt trên và tôn mặt dưới

Được lấy không nhỏ hơn 1,2d0 = 1,2.8 = 9,6 mm

Chọn chiều dày tôn mặt trên và dưới

dt = dd = 10 mm

Trên tấm tôn mặt trên và mặt dưới có khoét lỗ để thử áp lực,sau đó được làm kín bằng vít đồng có đường kính 50 mm,phía ngoài được hàn tấm ốp có đường kính 100 mmChiều dày tôn bao vùng thay thế cho trục lái

5.Kiểm tra bền trục lái

Bánh lái được coi là đủ bền nếu mômen chống uốn của xương đúng thay thế cho trục lái

và mép kèm của nó lớn hơn mômen chống uốn cho phép

⇒ Vậy bánh lái đủ bền

6.Khối lượng & toạ độ trọng tâm bánh lái

Xc=100,9(cm)

Diện tích prôfin bánh lái S = 5894 cm2

Việc tính toán trọng tâm của bánh lái được thực hiện theo bảng

(mốc tính trọng tâm là mép trước của bánh lái)

STT Tên chi tiết Diện tích (cm) Thể tíchV

V

x

V

= 127,94 cm Khối lượng bánh lái

G = γVi =1653,1 (kG)

Với γ = 7850 (kG/)

VII.Kết cấu trục lái

Tải trọng tác dụng lên trục lái gồm có:

- áp lực thuỷ động Pn của nước tác dụng vuông góc gây uốn trục

- Mômen thuỷ động Ms gây xoắn trục

-Lực tác dụng lên đầu sectơ lái

PC = MC/RC với RC là bán kính sectơ lái

- Trọng lượng bánh lái Gm và trọng lượng bản thân của trục lái

Mô hình hóa trục lái:

R

2 EI

Ta giả thiết PC = 0 và ta áp dụng nguyên lý độc lập tác dụng

1.1.Trục lái dưới tác dụng của Pn và Mσ

Ta coi bánh lái và trục lái như 1 dầm tựa trên các đế cứng.Phản lực tại các đế là Ri.Độ cứng của bánh lái là EI1 ,của trục là EI2.Ta giả thiết là

1 1 2

2 1 1

1

63

'3

'

b

a EI

b a P EI

L M

1 1 1

Mtt =

1 1

1 1

1

L

a L

D1 ≥ 3 [ ]

2 2 1

1.0

'

σσ

M

(cm)

R’0 = 1

1 1

L

M L

1

2 1 1

'

L

a P L

L

L L

++

D1 = 31 (cm)

D2 = 18 (cm)

1.2.Trục lái chịu tác dụng của trọng lượng bánh lái Gm

MG = Gm.r = 1342,096 ( kGm)

với Gm =1653,1 ( kG )- khối lượng bánh lái

r = 0,679 m Khoảng cách từ trọng tâm BL tới trục

Ta có phương trình góc xoay:

 − 2 

1

2 1 1

1

a EI

L

M G

2 1 1

1 1

3

''3

''

EI

L M EI

L M

−

→ M’’1 =- 1 2

1

2 1 1

2

312

1

L L

L

a L

M’’tt = 1

1 1 1

1 ''

L

a M L

b

M G

−

= 765,9 (kGm) Phản lực tại các gối :

R’’0 = 1

1 1

''

L

M L

1 1

''''

L

M L

M L

M G

++

i msi

M

= 8470 (kGm) = 82,47 (kNm) Chọn máy lái điện thuỷ lực có xylanh lắc,mômen xoắn đưa ra đầu sectơ lái thoả mãn:

Mc≥ Mtp

với Mc là mômen xoắn đầu ra của máy lái

Chọn máy lái điện thuỷ lực có:

Mc = 100 (kNm)

trong đó RC = 0,285 m là bán kính sectơ lái

Biểu đồ momen xoắn trục lái dưới tác dụng của Pn,

2.1.Trục lái dưới tác dụng của Ms,Pn và PC

Phương trình góc xoay viết cho gối 1:

2 2 2

2 1 1

1 1 1

1 1

1

1

6

'3

'3

'1

L M EI

L M EI

L M L

a EI

P n

2

2

1 ''

L

M

= 24565 (kG) Đường kính trục trong lần tính thứ hai:

Di≥ [ ]σ

σ

1 , 0

Mô men gối 1 M’’1=-117,1 kGm

Mô men tính toán M’t=668,7kg.m

Khi đó phản lực tại các gối: R’’o=

'' 1 1

i i

M

1

→ Mtp = 8137 (kGm)

Mtp = 79,82 kNm

Vậy máy lái đã chọn ở lần gần đúng thứ nhất là thoả mãn.Ta không cần chọn lại máy lái

Ta có biểu đồ momen xoắn như sau :

2 R

2 EI

1 M

Mg

1 EI R

3.Kiểm tra bền trục lái

Ta nên kiểm tra bền trục lái tại 3 tiết diện nguy hiểm

- Tiết diện 1-1 là tiết diện mà gót ki lái liên kết với trục lái

- Tiết diện 2-2 là tiết diện ổ trên trục lái

- Tiết diện 3-3 là là nới lắp vành chặn 2 nửa để đỡ toàn bộ trọng lượng của bánh lái và trục lái

l = 4,31 m

l ' = 0,175 m

1 I

1

I

l = 1,403 m l = 0,35 m

l ' = 0,15 m II

III

II III 3 3

2

+ Tại tiết diện 1-1 có mômen uốn tổng cộng :

M1-1 =

2 1

M’’1 là mômen uốn tại tiết diện 1-1 do trọng lượng bánh lái Gm gây ra

xi ui

Phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau

u

r n

M M

)4400(

54

,

5

2 2

+

+σ

σ

,cmtrong đó

Mσ = 663101 kGcm là mômen xoắn thuỷ động

Mu là mômen uốn tại vị trí đặt bích

1.3.Kiểm tra bền mối nối

Bulông trong mối nối gồm có 4 bulông thô và 2 bulông tinh

Bulông được chia thành 2 nhóm

-Nhóm bulông cách xa tâm là bulông ghép không khe hở

T

2 1

φ60

-Nhóm bulông gần tâm là bulông ghép có khe hở

a)Bulông dưới tác dụng của Mσ

Lực siết trên mỗi bulông phải tạo ra được ma sát nhằm chống lại mômen xoắn thuỷ động

Gọi phản lực tại các nhóm bulông là T1 và T2.Chúng phải thoả mãn hệ phương trình

+Ta xét bulông ghép có khe hở

Lực xiết cần thiết của bulông

Trong đó :

K1 =1,38 –hệ số kể đến mức độ quan trong của thiết bị

K2= 1,1 hệ số kể đến sái sót khi tính toán

Vậy bulông thoả mãn điều kiện kéo

b)Bulông dưới tác dụng của Pn

Dưới tác dụng của Pn thì mặt cắt ngang tại mối ghép bị uốn.Ta phải xác định lực xiết N

Wu =l.b2/6 =64000 cm3 là môđun chống uốn của mặt bích bỏ qua lỗ khoét

Mu = 448326 kGcm là mômen uốn do Pn gây ra tại gối 1

ứng suất tổng

u u

d

W

M F

Để thiên về an toàn ta thêm hệ số an toàn k = 2

Kết luận : Các bulông trong mối ghép đủ bền

2.Trục lái với vỏ tàu

pmax là phản lực lớn nhất trên chốt do uốn pmax =46933,518 kG

= 0,25 ch

σ

= 750 (kG/cm2) Vậy dch = 23,73 cm

Chọn dch = 22 cm

Chiều dài đoạn hình trụ của chốt không nhỏ hơn đường kính chốt nhưng cũng không lớnhơn 1,3 đường kính chốt để thuận tiện cho công nghệ

Chọn chiều dài đoạn hình trụ là l =28,6cm

Chiều dài đoạn côn của chốt chọn lC = 1,5 dch =33 cm

5

1

15,4 cm Đường kính đoạn ren của chốt không nhỏ hơn 0,8dc = 12,32 cm

Chọn đường kính ren dg = 13 cm

Chiều dày ống lót chốt lấy bằng 5% đường kính chốt và bằng 7 mm,vật liệu làm ống lót chốt là thép không gỉ

Chiều cao lỗ bản lề

18=dch < lbl < 1,3dch⇒ chọn lbl = 25 cm

Chọn vật liệu lót ổ là đồng thanh có chiều dày là 10 mm

Khe hở giữa hai ống lót = (0,5~1)%dch Chọn = 1mm

Chiều dày moayơ chốt = 1/2dch 11 cm

Kiểm tra áp lực riêng của chốt

- Mômen đầu ra của máy Mc = 63 kNm

- Đường kính đầu trục lái d = 220 mm

- Thời gian quay của bánh lái,trục lái t = 28 s

- Khối lượng máy Gm = 925 kg

l

M l

b

P n

4968 kG

R’1 =

1

1 1

2 1

1

l

a P l

l l

−+

'' 'i R i

18,01

2,01,

22,015

Mtp = Ms+∑ Mmsi

= 2064+(57+33,1+75,8) = 2330 kGm = 22,86 kNmChọn máy lái dự trữ là máy lái, Mc = 25 kNm

3.Máy lái sự cố

vs’’ > 4 hl/h

Vận tốc dòng nước chảy đến chong chóng

1 1 1

l

M l

2 1

1

l

a P l

l l

−+

'' 'i R i

24,01,

34,01,

3,015,

0

4

Π

= 4.7 (kGm) Vậy mômen xoắn tổng cộng

Mtp = Ms+∑M msi

= 800.5+(4.34+4.35+4.7) = 813.4 kGm = 8.1 kNmChọn máy lái dự trữ là máy lái, Mc = 10 kNm