Đề tài Thử so sánh kết quả tính toán thiết bị lái bằng phương pháp lí thuyết với yêu cầu quy phạm

Trong đó: R - phản lực tại ổ (N). d - đường kính trục lái (mm). lo - chiều dài bạc lót ổ (mm). [p] - áp suất cho phép tại ổ. II.2.3. Tổng hợp trình tự các bước tính toán thiết bị lái. II.2.3.1. Xác định các trị số làm cơ sở cho tính toán thiết bị lái. * Trị số diện tích bánh lái và các thông số hình học: Làm cơ sở để tính lực thủy động và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái. - Diện tích bánh lái Abl: Sử dụng công thức thống kê: , m2 Trong đó: L - Chiều dài giữa hai đường vuông góc của tàu (m). T - Chiều chìm của tàu khi trở đầy (m). m - Hệ số diện tích bánh lái thống kê. SAbl - Tổng diện tích các bánh lái của tàu (m2). - Diện tích bánh lái đã chọn phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức: Amin = p.q. , (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 1,0 nếu bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt. q = 1,25 đối với tàu kéo, q = 1,0 đối với các loại tàu khác. - Thông số hình học sử dụng chủ yếu trong tính toán là: chiều cao bánh lái hbl, chiều rộng bánh lái bbl, hệ số kéo dài bánh lái λ. - Các hệ số trong các công thức: Được chọn theo kinh nghiệm và theo tàu mẫu. * Trị số lực thủy động tác dụng lên bánh lái. - Trong đề tài (phần lí thuyết) sử dụng kết quả thử các bánh lái cô lập để tính lực thủy động và mômen thủy động. + Theo lí thuyết: Lực nâng: L = CL.kv.kcv..S , kG. Lực cản: D = CD. kv. kcv..S , kG. Trong đó: CL - hệ số lực nâng. CD - hệ số lực cản. kv - hệ số tính đến ảnh hưởng của vỏ tàu. kcv - hệ số tính đến ảnh hưởng của chân vịt. ρ - khối lượng riêng nước biển, ρ = 104,5 (kGS2/m4). v - vận tốc dòng nước (m/s). S - diện tích bánh lái (m2). Hợp lực tác dụng lên bánh lái là: R = + Theo quy phạm: FR = k1. k2.k3.132.S.v2 , (N). Trong đó: k1 - hệ số phụ thuộc hình dạng bánh lái. k2 - hệ số phụ thuộc prôfin bánh lái. k3 - hệ số phụ thuộc vị trí bánh lái. S - diện tích bánh lái (m2). v - vận tốc của tàu (m/s). Tàu tiến và lùi sử dụng chung một công thức tuy nhiên trị số vận tốc trong công thức là khác nhau. * Trị số mômen thủy động tác dụng lên bánh lái. + Theo lí thuyết: Mômen thủy động: Mtd = CM. kv. kcv.. S. b , kG.m Mômen trục lái: Mo = . Với: + Theo quy phạm: TR = TR1 + TR2 , (N.m) Trong đó: TR - mômen xoắn tác dụng lên trục lái (N.m). TR1 và TR2 - mômen xoắn tương ứng với các phần diện tích. II.2.3.2. Tính thiết bị lái. Sau khi có các trị số làm cơ sở ta tính tiếp cụm bánh lái. * Tính trục lái: Theo điều kiện bền ta có: σ = => d Trong đó: M - Mômen uốn tại vị trí ổ (N.m). d - Đường kính trục tại vị trí ổ (mm). [σ] - Ứng suất cho phép của vật liệu làm ổ (N/mm2). Theo quy phạm: + Phần trên: du = 4,2., (mm). Trong đó: TR - mômen xoắn trên trục lái (N.m). Ks - hệ số vật liệu trục lái. + Phần dưới: dl = du., (mm). Trong đó: du - đường kính phần trên trục lái (mm). M - mômen uốn tại tiết diện đang xét của phần dưới. TR - mômen xoắn của trục lái (N.m). * Tính kết cấu bánh lái: (Toàn bộ tính theo quy phạm). - Tôn bánh lái: t = 5,5.l.β, (mm). Trong đó: d - áp suất thủy tĩnh, lấy bằng chiều chìm của tàu. FR - lực tác dụng lên bánh lái khi tàu chạy tiến (N). S - diện tích bánh lái (m2). kpl - hệ số vật liệu làm tôn bánh lái. - Xương bánh lái: l = 0,2.()+0,4 (m). Trong đó: L - chiều dài giữa hai trụ (m). - Cốt bánh lái. * Tính các ổ đỡ, chốt trên, chốt dưới: - Chốt bản lề bánh lái: dp = (mm). Trong đó: B - phản lực tại ổ đỡ chốt (N). Kp - hệ số vật liệu của chốt. - Ổ đỡ phía trên. - Ổ đỡ phía dưới. - Ổ đỡ chốt lái. II.2.4. Cơ sở tính toán thiết bị lái theo quy phạm. - Như ta đã biết; phương pháp tính toán theo lí thuyết là dựa trên cơ sở đi tính lực thủy động P và mômen thủy động Mtđ. Sau đó đi tính toán các kích thước thiết bị lái và chọn máy lái. Ở đây; phương pháp tính toán theo quy phạm đã có công thức tính toán sẵn có ta chỉ việc áp dụng. Việc áp dụng phương pháp tính theo quy phạm chỉ phụ thuộc vào tàu tính toán là loại tàu gì, công dụng ra sao, vùng hoạt động và chiều dài tàu là bao nhiêu. Cơ sở tính toán theo quy phạm cũng dựa trên cơ sở đi tính lực và mômen tác dụng lên bánh lái. Từ trị số của lực và mômen này ta đi xác định các kích thước của bánh lái và trục lái. Việc áp dụng phương pháp tính này phải tuân thủ theo những quy định có trong quy phạm và những quy định, công ước theo tiêu chuẩn quốc tế. Thông thường ta thấy; các công thức tính toán theo quy phạm thường cho những kết quả dư bền. CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÁI III.1. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ TÀU MẪU TÍNH TOÁN. - Tàu sử dụng cho tính toán là tàu chở hàng khô 20000T, vỏ thép, một boong chính liên tục trên suốt chiều dài tàu. Các thông số chủ yếu của tàu tính toán: + Chiều dài lớn nhất: Lmax = 165,45 (m). + Chiều dài hai trụ: Lpp = 156,00 (m). + Chiều rộng lớn nhất: Bmax = 25,00 (m). + Chiều rộng thiết kế: Btk = 25,00 (m). + Chiều cao mạn: T = 12,00 (m). + Chiều chìm: d = 7,60 (m). + Hệ số béo: d = 0,8 + Lượng chiếm nước Dispt: D = 26000 (T). + Vận tốc của tàu: V = 13,5 (Hl/h). + Trọng tải: = 20000 DWT. + Đặc điểm kết cấu: Đáy đôi, mạn kép. 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 mẫu 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 luồng 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. III.2. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÁI BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÍ THUYẾT. III.2.1. Xác định các thông số hình học của bánh lái. III.2.1.1. 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 mẫu ta thiết kế tàu gồm có hai bánh lái và hai chân vịt. - Chiều cao bánh lái nằm trong khoảng 0,6.T ≤ h ≤ 0,9.T, chọn h = 0,605.T Trong đó: T = 7,6 (m). Suy ra: h = 0,605.7,6 = 4,598 (m). Chọn: h = 4,6 (m). III.2.1.2. Tổng diện tích bánh lái: - Ta có: ∑Abl = m. , [2- tr.12] Hình III.1. Chiều cao bánh lái. Trong đó: L = 156 (m) - chiều dài hai trụ của tàu. T = 7,6 (m) - chiều chìm của tàu. m – hệ số, theo bảng 1-5 [2-tr 15] ta có: m = 2,0% ÷ 2,8% Chọn: m = 2,055% . Suy ra: ∑Abl = m. = 2,055%. = 24,364 (m2). - Vậy diện tích của một bánh lái là: Abl = (m2). - Tổng diện tích bánh lái phải không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau: ∑Amin = p. q. ) , (m2) [2- tr 15] Trong đó: L = 156 chiều dài tàu, m. T = 7,6 chiều chìm tàu, m. p: hệ số (bằng 1,2 nếu bánh lái không đặt trực tiếp sau chân vịt; bằng 1,0 nếu bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt); chọn hệ số p = 1,0. q: hệ số (bằng 1,25 đối với tàu kéo; bằng 1 đối với các loại tàu khác), chọn hệ số q = 1,0. ∑Amin = p. q. ) = 1.1. ) = 16,898 (m2) Theo điều kiện kiểm tra trên ta thấy diện tích bánh lái thỏa mãn. III.2.1.3. Hệ số kéo dài l: - l được xác định theo công thức sau: l = [2-tr.12] - Thông thường l = 0.5 ¸ 3 tuỳ theo kết cấu vùng đuôi tàu. - Ta có: λ = = 1,737 Suy ra: b = = 2,648 (m). Vì kiểu bánh lái ta chọn ở đây là bánh lái hình thang, nên chiều rộng ở đây là chiều rộng trung bình. III.2.1.4. Chiều dày profin t của bánh lái tại vị trí chiều rộng trung bình b là: - Chiều dày tối ưu nằm trong khoảng: t = (0,12 ÷ 0,25 ).b. [2 – tr 16] - Ta chọn t = 0,146.b = 0,145.2648 = 386,6 (mm). III.2.1.5. Vẽ profin bánh lái. - Tọa độ thực prôfin bánh lái được tính theo công thức sau: x = [2 – tr 24] y = ± [2 – tr 24] Trong đó : x , y - tọa độ các điểm trên prôfin bánh lái. - tọa độ tương đối ( bảng 1-9 , 2 – tr 24 ). b - chiều rộng prôfin bánh lái tại các mặt cắt thiết kế. - 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 tính toán là kiểu prôfin NACA0015 khi đó: Ta chọn 6 mặt cắt để vẽ prôfin bánh lái: * Mặt cắt I - I: Ta có: b = 3200 (mm). Ta có bảng tọa độ thực prôfin bánh lái sau: Bảng tọa độ thực prôfin. x y x y 0,00 0,00 0,0 0,00 15,0 44,55 480 213,84 0,25 7,20 8,0 34,6 17,5 46,3 560 222,24 0,50 10,28 16,0 49,3 20,0 47,78 640 229,34 0,75 12,45 24,0 59,8 25,0 49,50 800 237,60 1,00 14,10 32,0 67,7 30,0 50,00 960 240,00 1,25 15,80 40,0 75,8 40,0 48,35 1280 232,08 1,75 21,8 80,0 104,6 50,0 44,0 1600 211,2 2,5 24,55 104 117,8 60,0 38,03 1920 182,54 3,25 29,60 160 142,0 70,0 30,50 2240 146,4 5,00 34,99 240 168,0 80,0 21,85 2560 104,88 7,50 39,00 320 187,2 90,0 12,06 2880 57,89 10,0 21,80 80 104,6 100 1,05 3200 5,04 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được prôfin bánh lái và trục lái tại mặt cắt I – I: * Mặt cắt II - II: Ta có: b = 2761 (mm). Ta có bảng tọa độ thực prôfin bánh lái sau: Bảng tọa độ thực prôfin. x y x y 0,00 0,00 0,00 0,00 15,0 44,55 414,2 184,5 0,25 7,20 6,90 29,82 17,5 46,3 483,2 191,8 0,50 10,28 13,80 42,57 20,0 47,78 552,2 197,9 0,75 12,45 20,71 51,56 25,0 49,50 690,3 205,0 1,00 14,10 27,61 58,40 30,0 50,00 828,5 207,0 1,25 15,80 34,51 65,44 40,0 48,35 1104,4 200,2 1,75 21,8 48,32 76,82 50,0 44,0 1380,5 182,2 2,5 24,55 69,03 90,28 60,0 38,03 1656,6 157,5 3,25 29,60 89,73 101,67 70,0 30,50 1932,7 126,3 5,00 34,99 138,05 122,5 80,0 21,85 2208,8 90,5 7,50 39,00 207,08 144,9 90,0 12,06 2484,9 50,0 10,0 21,80 276,10 161,5 100 1,05 2761 4,35 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được prôfin bánh lái và trục lái tại mặt cắt II – II: * Mặt cắt III - III: Ta có: b = 2756 (mm). Ta có bảng tọa độ thực prôfin bánh lái sau: Bảng tọa độ thực prôfin. x y x y 0,00 0,00 0 0 15,0 44,55 414,15 184,50 0,25 7,20 6,90 29,82 17,5 46,3 483,18 191,75 0,50 10,28 13,81 42,57 20,0 47,78 552,20 197,88 0,75 12,45 20,71 51,56 25,0 49,50 690,25 205,00 1,00 14,10 27,61 58,40 30,0 50,00 828,30 207,08 1,25 15,80 34,51 65,44 40,0 48,35 1104,40 200,24 1,75 21,8 48,32 76,82 50,0 44,0 1380,50 182,23 2,5 24,55 69,03 90,28 60,0 38,03 1656,60 157,50 3,25 29,60 89,73 101,67 70,0 30,50 1932,70 126,32 5,00 34,99 138,05 122,59 80,0 21,85 2208,80 90,49 7,50 39,00 207,08 144,91 90,0 12,06 2484,90 49,95 10,0 21,80 276,10 161,52 100 1,05 2761,00 4,35 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được prôfin bánh lái và trục lái tại mặt cắt III – III: * Mặt cắt IV - IV: Ta có: b = 2690 (mm). Ta có bảng tọa độ thực prôfin bánh lái sau: Bảng tọa độ thực prôfin. x y x y 0,00 0,00 0 0 15,0 44,55 403,50 179,76 0,25 7,20 6,73 29,05 17,5 46,3 470,75 186,82 0,50 10,28 13,45 41,48 20,0 47,78 538,00 192,79 0,75 12,45 20,18 50,24 25,0 49,50 672,50 199,73 1,00 14,10 26,90 56,89 30,0 50,00 807,00 201,75 1,25 15,80 33,63 63,75 40,0 48,35 1076,00 195,09 1,75 21,8 47,08 74,85 50,0 44,0 1345,00 177,54 2,5 24,55 67,25 87,96 60,0 38,03 1614,00 153,45 3,25 29,60 87,43 99,06 70,0 30,50 1883,00 123,07 5,00 34,99 134,50 119,44 80,0 21,85 2152,00 88,16 7,50 39,00 201,75 141,18 90,0 12,06 2421,00 48,66 10,0 21,80 269,00 157,37 100 1,05 2690,00 4,24 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được prôfin bánh lái và trục lái tại mặt cắt IV – IV: * Mặt cắt V - V: Ta có: b = 2685 (mm). Ta có bảng tọa độ thực prôfin bánh lái sau: Bảng tọa độ thực prôfin. x y x y 0,00 0,00 0 0 15,0 44,55 402,75 179,43 0,25 7,20 6,71 29,00 17,5 46,3 469,88 186,47 0,50 10,28 13,43 41,40 20,0 47,78 537,00 192,43 0,75 12,45 20,14 50,14 25,0 49,50 671,25 199,36 1,00 14,10 26,85 56,79 30,0 50,00 805,50 201,38 1,25 15,80 33,56 63,63 40,0 48,35 1074,00 194,73 1,75 21,8 46,99 74,71 50,0 44,0 1342,50 177,21 2,5 24,55 67,13 87,80 60,0 38,03 1611,00 153,17 3,25 29,60 87,26 98,88 70,0 30,50 1879,50 122,84 5,00 34,99 134,25 119,21 80,0 21,85 2148,00 88,00 7,50 39,00 201,38 140,92 90,0 12,06 2416,50 48,57 10,0 21,80 268,50 157,07 100 1,05 2685,00 4,23 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được prôfin bánh lái tại mặt cắt V – V: * Mặt cắt VI - VI: Ta có: b = 2100 (mm). Ta có bảng tọa độ thực prôfin bánh lái sau: Bảng tọa độ thực prôfin. x y x y 0,00 0,00 0 0 15,0 44,55 315,00 140,33 0,25 7,20 5,25 22,68 17,5 46,3 367,50 145,85 0,50 10,28 10,50 32,38 20,0 47,78 420,00 150,51 0,75 12,45 15,75 39,22 25,0 49,50 525,00 155,93 1,00 14,10 21,00 44,42 30,0 50,00 630,00 157,50 1,25 15,80 26,25 49,77 40,0 48,35 840,00 152,30 1,75 21,8 36,75 58,43 50,0 44,0 1050,00 138,60 2,5 24,55 52,50 68,67 60,0 38,03 1260,00 119,79 3,25 29,60 68,25 77,33 70,0 30,50 1470,00 96,08 5,00 34,99 105,00 93,24 80,0 21,85 1680,00 68,83 7,50 39,00 157,50 110,22 90,0 12,06 1890,00 37,99 10,0 21,80 210,00 122,85 100 1,05 2100,00 3,31 Từ bảng số liệu trên ta vẽ được prôfin bánh lái tại mặt cắt VI – VI: Nhận xét: Từ kết quả các bảng tính đặc trưng hình học toạ độ tương đối của Prôfin bánh lái ta xây dựng được Prôfin bánh lái. Sau khi ta có được biên dạng Prôfin bánh lái của tàu thiết kế ta đi xét lực và mômen thuỷ động tác dụng lên bánh lái, từ đó ta xác định được kết cấu trục lái và bánh lái. III.2.2. Tính toán đặc tính thủy động của bánh lái. - Mục đích của việc tính toán đặc tính thuỷ động học bánh lái là đi xác định các lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái để làm cơ sở cho việc xác định kết cấu trục lái, bánh lái và chọn máy lái, tính toán bền cho thiết bị lái. - Khi tính toán lực và mômen bánh lái, chúng ta ứng dụng các định luật cơ học chất lỏng. Theo các định luật ấy, 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 thủy 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 III.2). - Lực R có thể phân thành hai thành phần gồm: + Lực pháp tuyến: . +Lực tiếp tuyến: . Các lực này đặt tại tâm áp lực k. - Mômen thủy động ở cạnh trước của bánh lái: 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). Hình III.2. Lực thủy động tác dụng lên bánh lái 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. [3- tr 709] . [3- tr 709] - Trong đó: [3- tr 709] [3- tr 709] Tra trong bảng 11-3 (3- tr 705) người ta cho biết đặc tính của loại có λ = λ1 = 6, λ2 = λef = 1,737 Suy ra: = = 0,13 = 7,45 - Lập bảng tính các hệ số CL, CD và CM cột 1÷ cột 4 được cho giống như trong bảng 11-3 sổ tay kỹ thuật đóng tàu thủy với prôfin NACA0015. Các cột khác được tính toán dựa theo các cột 1 ÷ cột 4 Bảng 1.2- Bảng tính đặc tính thủy động học bánh lái. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 α (độ) CL CD CM CL2 C1*CL2 CD2=(3)+(6) C2*CL α2=(1)+(8) 0 0 0,01 0 0 0 0,01 0 0 4 0,3 0,019 0,075 0,09 0,0117 0,0307 2,235 6,235 8 0,61 0,037 0,15 0,3721 0,04837 0,08537 4,5445 12,5445 12 0,91 0,059 0,225 0,8281 0,10765 0,16665 6,7795 18,7795 16 1,19 0,098 0,3 1,4161 0,18409 0,28209 8,8655 24,8655 20 1,4 0,14 0,36 1,96 0,2548 0,3948 10,43 30,43 22.5 1,53 0,2 0,38 2,3409 0,30432 0,50432 11,398 33,8985 III.2.2.1. 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.47] - Khoảng cách tâm áp suất từ cạnh dẫn được xác định theo công thức: [2- tr.46] 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 0 0 1 0,01 0 0 0 0 0 0 6,241 0,3 0,994 0,031 0,109 0,255 0,002 0,257 0,075 0,292 12,557 0,61 0,976 0,085 0,217 0,504 0,015 0,519 0,150 0,288 18,798 0,91 0,947 0,167 0,322 0,721 0,054 0,775 0,225 0,289 24,890 1,19 0,907 0,282 0,421 0,999 0,119 1,018 0,300 0,294 30,458 1,4 0,862 0,395 0,507 1,037 0,160 1,197 0,360 0,300 33,930 1,53 0,830 0,504 0,558 1,060 0,221 1,281 0,380 0,297 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: Khoảng cách trục lái tính từ cạnh dẫn sẽ là: a = 0,2985.b = 0,2985.2,648 = 0,79 (m) III.2.2.2. Ảnh hưởng của mặt nước và vỏ tàu đến đặc tính thủy động của bánh lái. - Thực tế khi tính toán thì ảnh hưởng của vỏ tàu được tính đến bằng hệ số kv, giảm vận tốc dòng chảy qua bánh lái: vbl = v. [2- tr.42] kv = (1- yv)2 [2- tr.42] Trong đó: v - vận tốc chuyển động của tàu, m/s. yv - hệ số dòng theo của vỏ (tra bảng 1-13, Sổ tay thiết bị phụ tàu thuỷ). - Theo bảng 1-13 trang 44, Sổ tay thiết bị phụ tàu thủy. [2- tr.44] Trong đó: Với: Dy = 0 u = 1,0 δ = 0,8 h1 = 0,100 (m) h2 = 2,565 (m) l1 = 2,465 (m) l2 = 2,135 (m) F1 = 6,3 (m2) F2 = 5,91 (m2) H = 5,525 (m) Hình III.3. Hình vẽ biểu diễn các kích thước bánh lái tàu mẫu. Suy ra: = 0,201 = 0,351 => = 0,356 => kv = (1 – 0,356)2 = 0,415 III.2.2.3. Ảnh hưởng của chân vịt đến đặc tính thủy động của bánh lái: - Dòng nước được đẩy bởi chân vịt chảy qua bánh lái, có ảnh hưởng lớn đến đặc tính thủy động của bánh lái. - Mỗi chất điểm trong dòng chảy của chân vịt có 3 thành phần vận tốc: vận tốc dọc vd hướng dọc trục chân vịt, vận tốc tiếp vt hướng vuông góc với bán kính trục chân vịt, vận tốc hướng kính vhk hướng dọc bán kính. - Trị số và tương quan của các thành phần vận tốc nói trên phụ thuộc hệ số lực đẩy của chân vịt scv được xác định theo công thức sau: scv = [2- tr.43] Trong đó: ρ - khối lượng riêng nước biển: ρ = 104,5 (kGS2/m4). Vcv - vận tốc dòng chảy tới chân vịt (m/s). Dcv - đường kính chân vịt: Dcv = 3 (m). P - lực đẩy của chân vịt (kG). - Ảnh hưởng của chân vịt đến đặc tính thủy động học của bánh lái được đặc trưng bởi hệ số kcv, được xác định theo công thức sau: kcv = 1+ .[(1+scv). (-1] [2 – tr .45] Trong đó: bl - diện tích phần bánh lái nằm trong dòng đẩy của chân vịt, (m2). Abl - diện tích bánh lái, (m2). scv - hệ số lực đẩy chân vịt. ψcv - hệ số dòng theo của chân vịt. ψv - hệ số dòng theo của vỏ tàu: = 0,269. - Diện tích bánh lái nằm trong dòng đẩy của chân vịt được xác định theo công thức sau: [3-tr.718] Trong đó: b = 2,648 (m) - Chiều rộng bánh lái. Dcv - Đường kính chân vịt: Dcv = 3 (m). - Giá trị tăng tốc độ trung bình do chân vịt tính ở tâm áp suất bánh lái (m/s). vcv = v.(1-ycv) - Tốc độ dòng chảy đến chân vịt. Với: v = 6,939 (m/s) - Vận tốc chuyển động của tàu. ycv - Hệ số dòng theo của chân vịt: - [4- tr.12]. Trong đó: d = 0,8 - Hệ số béo thể tích của tàu. z = 2 - Số chân vịt. - Hệ số đính chính, tính đến ảnh hưởng của sóng. = 0 nếu (Fr- Hệ số Frond). = 0,1.(Fr-0,2) nếu Fr > 0,2. [4 - tr.12]. Đối với tàu thiết kế ta có: Vậy: = 0 V - thể tích lượng dãn nước của tàu (m3), được xác định theo công thức như sau: (m3). [2 - tr.47]. Với: Ltk = 156 (m) - Chiều dài thiết kế. Btk = 25 (m) - Chiều rộng thiết kế. T = 7,6 (m) - Mớn nước tàu. (m3). Suy ra hệ số dòng theo là: Þ vcv = 6,939 .(1-0,327) = 4,67 (m/s). va: được tính theo công thức như sau: [2 - tr.47]. Trong đó: vcv = 4,67 (m/s), vận tốc dòng chảy đến chân vịt. scv - Hệ số lực đẩy của chân vịt, được xác định theo công thức: [2- tr.47]. Trong đó: - Khối lượng riêng nước biển: = 104,5 (kGS2/m4). Vcv = 4,67 (m/s) -Vận tốc dòng chảy tới chân vịt. Dcv - Đường kính chân vịt: Dcv = 3 (m). P - Lực đẩy chân vịt (kG), [2- tr.47]. Trong đó: z = 2 - Số chân vịt. - Hệ số hút, áp dụng công thức Taylor: =kt. [4- tr.13]. kt = 0,5 - 0,7 chọn kt = 0,6. Suy ra: = kt.= 0,6.0,327 = 0,196 R=-Sức cản tàu, áp dụng công thức tính sức cản PAPMIEL: công suất kéo của tàu được xác định theo công thức: [10 - tr.65]. Trong đó:= 13,5 (hải lý/giờ): Vận tốc tàu. D = (T): Trọng lượng tàu ( hệ số tỷ lệ giữa trọng tải và trọng lượng tàu, đối với tàu hàng khô, chọn ). L = 156 (m): Chiều dài tàu thiết kế. C0: Hệ số, được tính theo công thức: [10-tr.65] Trong đó: : Hệ số đặc trưng về hình dạng thân tàu. B = 25 (m): Chiều rộng tàu. : Hệ số béo thể tích tàu. λ1 = 1: Hệ số điều chỉnh về chiều dài tàu (L=165,45(m) >100(m)). x1: Hệ số kể đến ảnh hưởng của các phần nhô của tàu, phụ thuộc vào số lượng đường trục, x1 = 1,05 (tàu có 2 đường trục chân vịt). C1: Hệ số phụ thuộc vào và tốc độ tương đối , C1 được tra đồ thị 6.1 [10-tr.67] đồ thị này đúng cho các tàu có: , , và Đối với tàu thiết kế có: , , và . Suy ra: λ1 = 1 vậy C1 = 84 vậy (HP). Sức cản: (kG). Vậy lực đẩy của chân vịt là: = (kG). Vậy hệ số lực đẩy của chân vịt: = Suy ra: = (m/s). - giá trị tăng tốc độ trung bình do chân vịt tính ở tâm áp suất bánh lái. Với: [3- tr.711]. Trong đó: s1 = 1,25 (m) - Khoảng cách từ mặt đĩa chân vịt đến tâm áp lực bánh lái. Dcv = 3 (m) - Đường kính chân vịt. Nên: Do đó: va1 = 0,727.7,1 = 5,16 (m/s). Suy ra: (m2) Vậy: III.2.2.4. Tính toán lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái. III.2.2.4.1. Lực tác dụng lên bánh lái. Lực nâng L tác dụng lên bánh lái: L = CL.kv.kcv. ,kG. Trong đó: CL - hệ số của lực thủy động. ρ - khối lượng riêng nước biển, = 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). S = Abl = 12,182 (m2 ) - diện tích bánh lái. Do đó: L = CL.0,415.2,06. = 26200,77.CL, (kG). Lực cản D tác dụng vào bánh lái: D = CD. kv. kcv..S, kG Trong đó: CD - hệ số lực thủy động. Do đó: D = CD.0,415.2,06. = 26200,77.CD, (kG). Hợp lực R tác dụng vào bánh lái: R = = (kG). III.2.2.4.2. 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..S.b, kG.m Với: CM: hệ số mômen thủy động. b = 2,648 (m) chiều rộng bánh lái. Do đó: Mtd = CM.0,415.2,06..2,648 = 69379,63.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: 1 2 3 4 5 6 7 8 α CL CD CM L D R Mtd 0 0 0,01 0 0 262,0077 262,0077 0 6,235 0,3 0,019 0,075 7860,231 497,8146 7875,979 5023,472 12,5445 0,61 0,037 0,15 15982,47 969,4285 16011,84 10406,94 18,7795 0,91 0,059 0,225 23842,7 1545,845 23892,76 15610,42 24,8655 1,19 0,098 0,3 31178,92 2567,675 31284,47 20813,89 30,43 1,4 0,14 0,36 36681,08 3668,108 36684,03 24976,67 33,8985 1,53 0,2 0,38 40087,18 5240,154 40428,22 26364,26 * Dựa vào bảng tính trên ta có: - Lực cản lớn nhất: Lmax = 40087,18 (kG) = 400871,8 (N). - Lực nâng lớn nhất: Dmax = 5240,154 (kG) = 52401,54 (N) - Lực tổng hợp lớn nhất tác dụng lên bánh lái: Rmax = 40428,22 (kG). - Mômen thủy động lớn nhất tác động vào bánh lái: Mtd = 26364,26 (kG.m). III.2.2.4.3. Mômen trên trục lái: . Với: Kết quả tính được thể hiện trong bảng sau: Bảng tính mômen trên trục lái: 1 2 3 4 5 6 α độ CN a/b e/b (4)-(3) Mtd=(2)*(5)*69379,63 (kGm) 0 0 0,2504 0 -0,2504 0 6,241 0,302 0,2504 0,2487 -0,0017 -35,6195 12,557 0,614 0,2504 0,2443 -0,0061 -259,854 18,798 0,915 0,2504 0,2458 -0,0046 -292,019 24,89 1,198 0,2504 0,2503 -0,0001 -8,31168 30,458 1,407 0,2504 0,2558 0,0054 527,1326 33,93 1,551 0,2504 0,2449 -0,0055 -591,843 - Giá trị M0 nhận giá trị dương lớn nhất chính là mômen trên trục lái cần sử dụng tính toán. - Mômen thủy động tác dụng lên trục lái là: M0 = 527,1326 (kG.m). * Mômen lái trên trục lái được tính theo công thức sau: Mt = k0. M0 + Mms, kG.m [2-tr.55] Trong đó: k0 = 1,2 ÷ 1,3 - hệ số tính đến lượng tăng mômen lái khi quay lái ngược, chọn: k0 = 1,2 . Mms = (20% ÷ 30%).M0 - mômen ma sát tại các ổ đỡ trục lái và chốt lái. Chọn Mms = 20%M0 = 20%.527,1326 = 105,4265 (kGm). Suy ra: Mt = 1,2.527,1326 + 105,4265 = 737,9856 (kG.m) = 7379,856 (N.m). III.2.2.5. Tính toán kết cấu bánh lái. III.2.2.5.1. Xác định phản lực và mômen uốn của hệ bánh lái - trục lái. - Theo bảng 1-14 [2-Tr.65], đối với bánh lái cân bằng nửa treo một chốt, ta có sơ đồ tính toán như sau: Hình III.4. 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, h3, a để tính toán trục lái. Các kích thước được chọn như sau: h = 2560 (mm) h1 = 2040 (mm) h2 = 3140 (mm) h3 = 680 (mm) Hình III.5. Các kích thước của trục lái, bánh lái. a = 675 (mm) - Tính lực phân bố N0 và N1 tác dụng lên các phần diện tích của bánh lái: N0 = (N/m). N1 = (N/m). Fc = (N). Trong đó: F0, F1 - Lực tác dụng lên các phần diện tích của bánh lái (N). Mt - Mômen lái trên trục lái (N.m). Rc - Bán kính cần quay lái (m). - F0, F1: Được xác định như sau: F0 = R. , (N) Hình III.6. Sự phân bố diện tích bánh lái. F1 = R. , (N) Trong đó: R - Lực tổng hợp tác dụng lên bánh lái, R = 40428,22 (kG). S1 = 5,66 (m2) và S2 = 6,54 (m2): diện tích phần trên và phần dưới của bánh lái sao cho: S = S1 + S2 (S1 bao gồm cả Sf1 và S2 bao gồm cả Sf2). S = 12,182 (m2) - Diện tích bánh lái. Thay số vào ta được: F0 = 404282,2. = 187837,6 (N). F1 = 404282,2. = 217042 (N). - Lực phân bố N0 và N1 tác dụng lên các phần diện tích bánh lái: N0 = = 73374,06 (N/m). N1 = = 106393,1 (N/m). Fc = = 14759,71 (N). * Sau khi tính bằng phần mềm RDM6 ta có kết quả (xem phần phụ lục): Hình III.7. Đồ thị mômen uốn tính theo lý thuyết. - Lực và mômen tại các gối đỡ là: R1 = 419855,858 (N). R2 = -25071,399 (N). R3 = 24854,769 (N). M1 = 240432,12 (N.m) M2 = -21611,41 (N.m) M3 = 10036,60 (N.m) - Kiểm tra lại kết quả: R1 + R2 +R3 = F0 + F1 +Fc 419855,858 + (-25071,399) + 24854,769 = 187837,6 + 217042 + 14759,71 419639,2 = 419639,2 Vậy kết quả trên là đúng. III.2.2.5.2. Tính trục lái. * Áp dụng công thức tính theo điều kiện của sức bền ta có: σ = => d Vậy: - Đường kính trục lái tại vị trí ổ đỡ chốt là: d = Với: M1 = 240432,12 (N.m) [σ] = 550 (N/mm2) = 550.106 (N/m2) Ta có: d = = 0,1635 (m). - Đường kính trục lái tại vị trí ổ đỡ dưới là: d = Với: M2 = 21611,41 (N.m) [σ] = 550 (N/mm2) = 550.106 (N/m2). Ta có: d = = 0,733 (m). - Đường kính trục lái tại vị trí ổ đỡ trên là: d = Với: M3 = 10036,60 (N.m) [σ] = 550 (N/mm2) = 550.106 (N/m2). Ta có: d = = 0,57 (m). III.2.2.5.3. Tính toán các ổ đỡ. * Tính ổ đỡ chốt lái. Theo điều kiện áp suất cho phép trong ổ ta có: p = [p] => Với: R1 = 419855,858 (N): Phản lực tại gối đỡ chốt. d = 163,5 (mm): Đường kính trục tại vị trí ổ đỡ. [p] = 7 (N/mm2): Vật liệu làm bạc lót ổ đỡ. Vậy: 366,85 (mm). * Tính ổ đỡ phía trên. Theo điều kiện áp suất cho phép trong ổ ta có: p = [p] => Với: R3 = 24854,769 (N): Phản lực tại gối đỡ chốt. d = 73,25 (mm): Đường kính trục tại vị trí ổ đỡ. [p] = 7 (N/mm2): Vật liệu làm bạc lót ổ đỡ. Vậy: 48,48 (mm). * Tính ổ đỡ phía dưới. Theo điều kiện áp suất cho phép trong ổ ta có: p = [p] => Với: R2 = 25071,399 (N): Phản lực tại gối đỡ chốt. d = 56,75 (mm): Đường kính trục tại vị trí ổ đỡ. [p] = 7 (N/mm2): Vật liệu làm bạc lót ổ đỡ. Vậy: 63,12 (mm). III.3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÁI THEO QUY PHẠM. III.3.1. Tính lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái. III.3.1.1. 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 định các kích thước cơ cấu của bánh lái và được tính theo công thức sau: FR = k1. k2.k3.132.S.v2 , (N). Trong đó: S = 12,182 (m2): diện tích bánh lái . v = 13,5 (Hl/h): tốc độ tàu. Nếu tốc độ tàu chạy tiến nhỏ hơn 10 (Hl/h) thì v được lấy bằng vmin xác định theo công thức sau: vmin = , (Hl/h). Khi tàu chạy lùi tốc độ lùi vl được tính theo công thức sau: vl = 0,5.v = 0,.5.13,5 = 6,75 , (Hl/h). - k1 hệ số phụ thuộc hệ số hình dạng của bánh lái và được tính theo công thức sau: k1 = Với: A = = 1,737 h: là chiều cao của bánh lái. Suy ra: k1 = = 1,25 - k2: hệ số phụ thuộc prôfin bánh lái. Tra bảng 2B/21.1.1-TCVN6259-2B:2003 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 một phần nằm trong dòng đẩy chân vịt nên k3 = 1. Vậy: Lực tác dụng lên bánh lái khi tàu chạy tiến là: FR = 1,25.1,1.1.132.12,182.13,52 = 402960,8 (N). Lực tác dụng lên bánh lái khi tàu chạy lùi là: FR = 1,25.0,8.1.132.12,182.6,752 = 73265,6 (N). III.3.1.2. 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. , (N.m) Trong đó: - TR1 và TR2: mômen xoắn tương ứng do các phần diện tích S1 và S2 của bánh lái. - S1 = 5,66 (m2) và S2 = 6,54 (m2): diện tích phần trên và phần dưới của bánh lái (m2) sao cho: S = S1 +S2 (A1 bao gồm cả Sf1 và A2 bao gồm cả Sf2). - b1 = 2,28 (m) và b2 = 2,4 (m) chiều rộng tương ứng giữa các phần diện tích S1 và S2. - FR và S: lực và diện tích bánh lái. - TR1 và TR2 được xác định như sau: TR1 = FR1.r1 , (N.m) Hình III.8. Sự phân bố diện tích bánh lái TR2 = FR2.r2 , (N.m) FR1 và FR2 lực tác dụng lên phần diện tích S1 và S2 được xác định như sau: FR1 = FR. , (N) FR2 = FR. , (N) - 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. e1 = ; e2 = Với Sf1 = 0,512 (m2), Sf2 = 1,413 (m2): phần diện tích cân bằng. Suy ra: e1 = = 0,091 e2 = = 0,216 - α: được xác định: + Đối với phần bánh lái không nằm sau phần cố định của giá bánh lái: Khi tàu chạy tiến: α = 0,33 Khi tàu chạy lùi: α = 0,66 + Đối với phần bánh lái nằm sau giá bánh lái: Khi tàu chạy tiến: α = 0,25 Khi tàu chạy lùi: α = 0,55 Do đó: Khi tàu chạy tiến: r1 = b1(α – e1) = 2,28.(0,25 – 0,091) = 0,367 , (m) r2 = b2(α – e2) = 2,4.(0,33 – 0,216) = 0,266 , (m) Khi tàu chạy lùi: r1 = b1(α – e1) = 2,28.(0,55 – 0,091) = 1,051 ,(m) r2 = b2(α – e2) = 2,4.(0,66 – 0,216) = 1,058 , (m) Vậy: - Khi tàu chạy tiến: TRmin = 0,1.402960,8. = 95360,99 , (N.m) FR1 = FR.= = 190531,45 , (N) FR2 = FR. = = 216332,59 , (N) Suy ra: TR1 = FR1.r1 = 190531,45.0,367 = 69925,5 , (N.m) TR2 = FR2.r2 = 216332,59.0,266 = 57544,5 , (N.m) => TR = TR1 + TR2 = 69925,5 + 57544,5 = 127470 , (N.m) - Khi tàu chạy lùi: TRmin = 0,1.73265,6. = 17338,5 (N.m) FR1 = FR.= = 34642,1 , (N) FR2 = FR. = = 39333,2 , (N) Suy ra: TR1 = FR1.r1 = 34642,1.1,051 = 36408,9 , (N.m) TR2 = FR2.r2 = 39333,2.1,058 = 41614,5 , (N.m) => TR = TR1 + TR2 = 36414,89+ 41050,86 = 78023,4 , (N.m) III.3.2. Tính toán kết cấu bánh lái. III.3.2.1. Tính toán trục lái. III.3.2.1.1. 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 nửa treo một chốt , ta có sơ đồ tính toán sau: Hình III.9. 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: h = 2560 (mm) h1 = 2040 (mm) h2 = 3140 (mm) h3 = 680 (mm) Hình III.10. Các kích thước của trục lái, bánh lái. a = 675 (mm) - Sử dụng phần mền RDM6 ta tính các phản lực, mômen uốn của hệ bánh lái và trục lái: Khi tàu chạy tiến: - Lực phân bố No và N1 tác dụng lên bánh lái là: N0 = = 84505 (N/m). N1 = = 93397,8 (N/m). Fc = - Trong đó: Mt mômen tại đầu trục lái. Mt = TR + Mms Với: Mms = (20% ÷ 30%).TR - mômen ma sát tại các ổ đỡ trục lái và chốt lái. Chọn Mms = 20%.TR Mt = 127470 + 20%.127470 = 152964 (N.m) Rc = 500 (mm) = 0,5 (m): bán kính cần quay lái. Fc = = 305928 (N). Sau khi tính toán bằng phần mền RDM6 ta có kết quả (xem phần phụ lục): Hình III.11. Đồ thị mômen uốn khi tàu chạy tiến. - Lực và mômen tại các gối đỡ là: R1 = 469551,209 (N). R2 = -156996,984 (N). R3 = 400238,087 (N). M1 = 276905,98 (N.m) M2 = -87631,08 (N.m) M3 = 208031,04 (N.m) - Kiểm tra lại kết quả: R1 + R2 +R3 = FR2 + FR1 +Fc 469551,209 + (-156996,984) + 400238,087 = 216332,59 + 190531,45 + 305928 712792,4 = 712792,4 Vậy kết quả trên là đúng. * Khi tàu chạy lùi: - Lực phân bố No và N1 tác dụng lên bánh lái là: N0 = = 15364,53 (N/m). N1 = = 16981,42 (N/m). Fc = - Trong đó: Mt mômen tại đầu trục lái. Mt = TR + Mms Với: Mms = (20% ÷ 30%).TR - mômen ma sát tại các ổ đỡ trục lái và chốt lái. Chọn Mms = 20%.TR Mt = 78023,4 + 20%.78023,4 = 93628,1 (N.m) Rc = 500 (mm) = 0,5 (m): bán kình cần quay lái. Fc = = 187256,2 (N). Sau khi tính toán bằng phần mền RDM6 ta có kết quả (xem phần phụ lục): Hình III.12. Đồ thị mômen uốn khi tàu chạy lùi. - Lực và mômen tại các gối đỡ là: R1 = 94206,844 (N) R2 = -73581,255 (N) R3 = 240605,904 (N) M1 = 50346,49 (N.m) M2 = -39917,11 (N.m) M3 = 127334,22 (N.m) - Kiểm tra lại kết quả: R1 + R2 +R3 = FR2 + FR1 +Fc 94206,844+(-73581,255) +240605,904 = 39333,2+ 34642,1+ 187256,2 261231,5 = 261231,5 Vậy kết quả trên là đúng. III.3.2.1.2. Xác định đường kính trục lái. - Trục lái là thiết bị chịu lực chủ yếu của thiết bị lái, nó có nhiệm vụ truyền mômen từ máy lái đến bánh 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. Đường kính phần trên của trục lái. - Theo quy định của quy phạm 2003 thì 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. (mm) [12-P2-Ch.21] 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] có: sb = 550 (N/mm2). sch = 280 (N/mm2). Suy ra: Ks = Với: - e = 0,75 khi sch > 235 (N/mm2) - e = 1,00 khi sch < 235 (N/mm2) => Ks = = 0,88 - Khi tàu chạy tiến ta có: - TR = 127470 (N.m) => du = 4,2. = 205,56 (mm) - Khi tàu chạy lùi ta có: - TR = 78023,4 (N.m) => du = 4,2. = 171,98 (mm) Đường kính phần dưới của trục lái. - 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/Ks (N.mm2). - Đường kính phần dưới của trục lái được xác định theo công thức sau: dl = du. (mm) Trong đó: 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: du = 205,56 (mm). M = M3 = 208031,08 (N.m). TR = 127470 (N.m). Suy ra: dl = 205,56.= 264,63 (mm). Khi tàu chạy lùi: du = 171,98 (mm). M = M3 = 127334,22 (N.m). TR = 78023,4 (N.m). Suy ra: dl = 171,98.= 221,49 (mm). III.3.2.1.3. Kiểm tra bền 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). - Ứng suất xoắn phần trên trục là: (N/mm2) Trong đó: TR = 127470 (N.m) du = 205,56 (mm) Suy ra: = 74,85 (N/mm2). Ứng suất cho phép là: [= 77,27 (N/mm2). => τt < [τ ] Vậy 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/Ks (N.mm2). - Ứng suất tương đương được tính theo công thức: (N/mm2). Trong đó: (N/mm2) (N/mm2) Với: M = M3 = 208031,04 (N.m) mômen uốn tại ổ đỡ 3. dl = 264,63 (mm): đường kính trục. TR = 127470 (N.m) mômen xoắn trên trục lái. Suy ra: = 107,7 (N/mm2) = 32,84 (N/mm2) => = = 121,83 (N/mm2) Ứng suất cho phép là: [σ ] = = 134,1 (N/mm2) Vậy đường kính phần dưới của trục thỏa mãn điều kiện. III.3.2.2. Tôn bánh lái, xương bánh lái và cốt 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]: σb = 300 (N/mm2) sch = 200 (N/mm2). III.3.2.2.1. Tôn bánh lái: - Chiều dày tôn bánh lái t không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau: t = 5,5.l.β (mm) Trong đó: d- áp suất thủy tỉnh, về trị số lấy bằng chiều chìm lớn nhất của tàu. d = 7,6 (N/m2) FR = 402960,8 (N) - Lực tác dụng lên bánh lái khi tàu chạy tiến. S = 12,182 (m2 ) - diện tích bánh lái. kpl: hệ số vật liệu làm tôn bánh lái. Với: - e = 0,75 khi sch > 235 (N/mm2) - e = 1,00 khi sch < 235 (N/mm2) kpl = => Ks = = 1,175 β: được xác định theo công thức sau, nhưng β không được lớn hơn 1,0. β = 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. Suy ra: β = = = 0,903 Vậy: t = 5,5.0,46.0,903. + 2,5 = 16,36 (mm) III.3.2.2.2. 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 l của các xương nằm của bánh lái được tính theo công thức sau: l = 0,2.()+0,4 = 0,2.()+0,4 = 0,712 , (m). - Khoảng cách chuẩn từ xương đứng tạo nên cốt bánh lái đến xương đứng lân cận không được lớn hơn 1,5 lần khoảng cách các xương nằm. Vậy khoảng cách giữa các xương đứng là: < 1,5.0,712 = 1,068 (m). - Theo quy phạm chiều dày của các xương đứng bánh lái không được nhỏ hơn 8 (mm) hoặc 70% chiều dày tôn bao bánh lái lấy trị số nào lớn. III.3.2.2.3. 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. - Môđun 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. - Đối với bánh lái ta thiết kế cho tàu này thì cốt bánh lái gồm một xương đứng. Mô đun chống uốn và diện tích tiết diện nằm ngang của cốt bánh lái phải sao cho ứng suất uốn, ứng suất cắt và ứng suất tương đương không được lớn hơn các trị số sau đây: - Ứng suất uốn: - Ứng suất cắt: - Ứng suất tương đương: III.3.2.3. Tính chốt bản lề bánh lái. - Chốt lái lắp trong lỗ bản lề của bánh lái và trụ lái có hai loại: chốt đỡ (chịu lực ngang) và chốt đỡ chặn (chịu cả lực ngang và lực đứng do trọng lượng bánh lái). - Thông thường chốt lái có một đoạn hình trụ và một đoạn hình côn. Đoạn côn lắp trong lỗ bản lề của bánh lái. - Đoạn trụ của chốt quay trong lỗ bản lề, được bọc bằng một ống lót chịu mòn và chống gỉ tốt (đồng thanh БpAMц9-21, đồng thau ЛМц 58-2, thép không gỉ OX18H10T, babit). - Đường kính chốt lái dp phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau: dp = (mm). Trong đó: B = R1 = 469551,209 , (N) phản lực tại ổ đỡ chốt. Kp: hệ số vật liệu của chốt lái. Ta chọn vật liệu làm chốt lái là thép CT5, theo bảng tra 3-8 [5- tr.40] có: σb = 550 (N/mm2). σch = 280 (N/mm2). => Kp = = 0,88 Suy ra : dp = = 0,35. = 225 (mm). - Chiều dày ống lót chốt 3 ÷ 5% đường kính chốt, chọn chiều dày ống lót chốt là 4% dp Chiều dày ống lót là: 0,04.225 = 9 (mm). - Chốt lái có kết cấu như một bulông côn, độ côn theo đường kính không được lớn hơn trị số sau đây: 1:8 ÷1:12. Độ côn: u = = 0,1 Chiều dài phần trụ: h = 250 (mm). Hình III-13. Chốt lái Chiều phần côn: l = 250 (mm). - Kích thước của e cu là: + đường kính đỉnh ren: dg ≥ 0,65 do = 0,65.225 = 146,2 (mm). + chiều cao ê cu: hn ≥ 0,6 dg = 0,6.146,2 = 87,72 (mm). + đường kính vòng ngoài của ê cu: dn ≥ 1,2.de hoặc dn ≥ 1,5.dg dn ≥ 1,5*dg = 1,5*146,2 = 210,3 (mm). III.3.2.4. Tính toán ổ đỡ trục lái và chốt lái. III.3.2.4.1. Tính toán ổ đỡ trục lái: * Ổ đỡ phái trên: - Ổ đỡ này là ổ đỡ chặn được lắp trên của đầu trục, có tác dụng là chống dịch chuyển dọc trục. Hình III-14. Ổ đỡ phía trên - Vỏ ổ làm bằng thép đúc (hoặc thép hàn nếu ổ nhỏ) có mặt bích ngang để bắt bulông xuống boong tàu, bạc lót ổ làm bằng đồng thau. - Vật liệu chế tạo bạc lót ổ là đồng thau: ПKC 80-3-3. Chiều dài bạc lót: lô = (1,0 ÷1,2 ).d, chọn lô = 1,2d. Với d = 205,56 (mm) là đường kính trục lái tại vị trí ổ. lô = 1,2.205,56 = 246,68 (mm). Chiều dày bạc lót t = 5 ÷ 10% đường kính trục lái tại vị trí ổ, chọn t = 9%. t = 0,09%.205,56 = 18,5 (mm). Đường kính bạc là: db = 242,56 (mm). - Theo quy phạm thì bề mặt đỡ nhỏ nhất không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau: [Ab] = (mm2) Trong đó: N = R3 = 400238,087 (N) phản lực tại gối đỡ. qa = 7 (N/mm2) áp suất bề mặt cho phép. Bảng 2A/25.2. Áp suất bề mặt cho phép. Vật liệu làm bạc. qa (N/mm2) + Gỗ gai ắc. 2,5 + Kim loại màu (bôi trơn bằng dầu). 4,5 + Vật liệu tổng hợp có độ cứng 60÷70 có cốt D (xem chú thích 1). 5,5 + Thép (xem chú thích 2), đồng thau, và vật liệu đồng – graphic ép nóng. 7,0 * Chú thích: (1) Thử độ cứng phân biệt ở nhiệt độ 230C và độ ẩm 50% theo các tiêu chuẩn đã được công nhận. Ổ đỡ bằng vật liệu tổng hợp phải được Đăng kiểm công nhận. (2) Thép không gỉ và thép chống mòn phải phù hợp vơi ống bọc trục mà không gây ăn mòn điện hóa. Suy ra: [Ab] = = 57176,87 (mm). Bề mặt ổ là: Ab = l.db = 246,67.298 = 59832,28 (mm2). Vậy: Ab > [Ab]. * Ổ đỡ phía dưới: - Chọn vật liệu ổ đỡ phía dưới là gỗ gai ắc, được bôi trơn bằng nước biển. + Chiều dài bạc lót: lô = (1,0 ÷1,2 ).d , chọn lô = 1,2d. Với d = 264,63 (mm) là đường kính trục lái tại vị trí ổ. lô = 1,2.264,63 = 317,56 (mm). + Chiều dày bạc lót t = 5÷10% đường kính trục lái tại vị trí ổ, chọn t = 9%: t = 0,09%.264,63 = 23,82 (mm). đường kính bạc là: db = 365,20 (mm). - Theo quy phạm thì bề mặt đỡ nhỏ nhất không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau: [Ab] = (mm2). Trong đó: Hình III-15. Ổ đỡ phía dưới N = R2 = 156996,984 (N) phản lực tại gối đỡ. qa = 2,5 (N/mm2) áp suất bề mặt cho phép.(Tra theo bảng 2A/25.2). Suy ra: [ Ab ] = = 62798,79 (mm2). Bề mặt ổ là Ab = l.db = 317,56.365,20 = 115972,9 (mm2). Vậy : Ab > [Ab]. III.3.2.4.2. Tính toán ổ đỡ của chốt lái: - Vật liệu làm ống lót chốt lái làm bằng đồng. Chiều dài ống lót : lô = (1,0÷1,2 ).d, chọn lô = 1,2d. Với: d = 225 (mm) là đường kính trục lái tại vị trí ổ. lô = 1,2.225 = 270 (mm). - Chiều dày ống lót t = 5÷10% đường kính trục lái tại vị trí ổ, chọn t = 9% t = 0,09%.225 = 20,25 (mm). Đường kính bạc là: db = 265,5 (mm). Hình III-16. Ổ đỡ chốt lái - Theo quy phạm thì bề mặt đỡ nhỏ nhất không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau: [Ab] = (mm2). Trong đó: N = R1 = 469551,209 (N) phản lực tại gối đỡ. qa = 7,0 (N/mm2) áp suất bề mặt cho phép.(Tra theo bảng 2A/25.2). Suy ra: [Ab] = = 67078,74 (mm). - Bề mặt ổ là Ab = l.db = 270.265,5 = 71685 (mm2). Vậy : Ab > [Ab]. III.4. So sánh kết quả tính toán. Bảng tổng hợp kết quả tính toán và so sánh. Thứ tự tính toán Tàu mẫu Lí thuyết Quy phạm Lực tác dụng lên bánh lái Rmax=404282,2(kN) Tàu tiến: FR = 402960,8 (kN) Tàu lùi: FR =73265,6 (kN) Mômen trục lái Mt=73798,6(kN.m) Tàu tiến: TR = 127470 (kN.m) Tàu lùi: TR = 78023,4 (kN.m) Đường kính trục lái Phần trên: dt = 240(mm) Phần dưới: dd = 260(mm) Tại vị trí trục: d = 163,5 (mm) Tại vị trí ổ đỡ trên: d = 57 (mm) Tại vị trí ổ đỡ dưới: dd = 73,3 (mm) Phần trên: Tàu tiến: du = 205,56 Tàu lùi:du = 171,98 Phần dưới: Tàu tiến: d1 = 264,63 Tàu lùi: d1 = 221,49 Tôn bánh lái t = 14 (mm) t = 16,36 (mm) Xương bánh lái Xương nằm: lmax= 0,615 (m) Xương đứng: lmax= 0,500 (m) - Khoảng cách giữa các xương nằm: l = 0,712 (m) - Khoảng cách giữa các xương đứng: l = 1,068(m) Chốt lái dc = 0,220 (m) Dc = 163,5 (mm) dc = 0,225 (m) Ổ đỡ phía trên Chiều dài bạc lót: l = 300 (mm) Chiều dày bạc lót: t = 14 (mm) Chiều dài bạc lót: l = 48,48 (mm) Chiều dài bạc lót: l = 246,68 (mm) Chiều dày bạc lót: t = 18,5 (mm) Ổ đỡ phía dưới Chiều dài bạc lót: l = 300 (mm) Chiều dày bạc lót: t = 12 (mm) Chiều dài bạc lót: l = 63,12 (mm) Chiều dài bạc lót: l = 317,56 (mm) Chiều dày bạc lót: t = 23,82 (mm) Ổ đỡ chốt lái Chiều dài ống lót: l = 255 (mm) Chiều dày ống lót: t = 17 (mm) Chiều dài ống lót: l = 366,85 (mm) Chiều dài ống lót: l = 270 (mm) Chiều dày ống lót: t = 20,25 (mm) * Qua bảng tổng hợp kết quả tính toán tôi có một số so sánh sau: - Lực thủy động tác dụng lên bánh lái tính theo lí thuyết có giá trị gần bằng với lực thủy động tính theo quy phạm (đối với tàu chạy tiến). Tuy nhiên đối với trường hợp tính theo quy phạm cho tàu chạy lùi thì giá trị này nhỏ hơn rất nhiều so với tính theo lí thuyết và tính theo quy phạm cho tàu chạy tiến. - Mômen trên trục lái: + Trường hợp tính theo lí thuyết có giá trị tương đương với giá trị mômen tính theo quy phạm cho tàu chạy lùi. + Trường hợp tính theo quy phạm áp dụng cho tàu chạy tiến có giá trị lớn hơn nhiều so với tính theo lí thuyết và tính theo quy phạm cho tàu chạy lùi. - Các kích thước khác như: đường kính trục lái, chốt lái, chiều dài các ổ …tính theo hai phương pháp có độ chênh lệch nhau nhỏ. - Kích thước tàu mẫu khi tính toán thiết kế được lựa chọn nhỏ hơn so với kết quả tính toán thực tế. CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN. IV.1. Kết luận. Từ kết quả tính toán thiết bị lái ta rút ra nhận xét sau: - Các thông số hình học của bánh lái sau khi tính toán đều gần sát với các thông số hình học của bánh lái của tàu trên thực tế. Điều này có nghĩa trong tính toán việc chọn các hệ số của công thức thực nghiệm gần sát với thực tế. - Giá trị lực thủy động, mômen thủy động và mômen trên trục lái tính theo lí thuyết lớn hay nhỏ phụ thuộc rất nhiều vào hệ số của các yếu tố ảnh hưởng của tàu. - Các kích thước chi tiết kết cấu tính toán đảm bảo điều kiện bền. - Trong tính toán kích thước một số kết cấu của bánh lái phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn các hệ số. Do vậy cần có kiến thức sâu và kiến thức thực tế mới cho ta kết quả hợp lý. - Tuy nhiên do kiến thức bản thân còn hạn chế đặc biệt là kiến thức thực tế nên chắc chắn đề tài không tránh khỏi những khiếm khuyết. Kính mong quý thầy cô và các đọc giả đóng góp ý kiến để đề tài này được hoàn thiện hơn. IV.2. Đề xuất ý kiến. Thông qua quá trình thực hiện đề tài tôi có một số đề xuất sau: - Kết quả của bài toán mà chúng ta đã nghiên cứu phụ thuộc khá nhiều vào giá trị lực thủy động và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái. Vì vậy yêu cầu khi thực hiện tính toán phải có nhiều kinh nghiệm và kiến thức thực tế. - Phương pháp tính toán này có thể mở rộng áp dụng cho nhiều loại tàu khác nhau. - Trong thực tế thiết kế và đóng mới có thể tham khảo các kết quả tính toán trong đề tài này. - Kính đề nghị nhà trường cùng với khoa nên tạo điều kiện cho sinh viên đi thực tế nhiều hơn để sau này khỏi bỡ ngỡ khi giải quyết các vấn đề mà thực tế đặt ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO š & › [1]. KSĐT. Lưu Đình Hiếu. TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TÀU THUỶ NXB Xây dựng – Hà Nội 2004. [2]. Phạm Văn Hội (chủ biên) – Phan Vĩnh Trị - Hồ Ngọc Tùng. SỔ TAY THIẾT BỊ TÀU THUỶ - Tập 1 NXB Giao thông vận tải – Hà Nội 1986. [3]. Nguyễn Đức Ân - Hồ Quang Long - Trần Công Nghị - Trần Hùng Nam. SỔ TAY KỸ THUẬT ĐÓNG TÀU THUỶ - Tập 1. NXB “Khoa học kỹ thuật”- 1986. [4]. Nguyễn Đình Long. HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG TÀU CÁ. (Lưu hành nội bộ). [5]. Nguyễn Trọng Hiệp - Nguyễn Văn Lẫm. THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY. NXB Giáo dục - 1998 [6]. Nguyễn Hữu Vượng - Nguyễn Đức Ân – Trương Cầm - Trần Công Nghị - Hồ Quang Long - Trần Hùng Nam. SỔ TAY KỸ THUẬT TÀU THUỶ VÀ CÔNG TRÌNH NỔI - Tập 1. NXB Giao thông vân tải. [7]. Nguyễn Trọng Hiệp. CHI TIẾT MÁY - Tập 1. NXB Giáo dục - 1997 [8]. Ths. Nguyễn Thái Vũ – Ks. Nguyễn Chí Thanh BÀI GIẢNG THIẾT BỊ MẶT BOONG (Lưu hành nội bộ) Trường Đại Học Nha Trang – 2006. [9]. Nguyễn Đăng Cường THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP THIẾT BỊ TÀU THUỶ NXB khoa học kỹ thuật – 2000. [10]. Trương Sĩ Cáp - Nguyễn Tiến Lai - Trần Minh Tuấn - Đỗ Thị Hải Lâm. LỰC CẢN TÀU THỦY. Nhà Xuất Bản – Giao Thông Vận Tải – Hà Nội 1987. [11]. Quách Hoài Nam. Hướng Dẫn SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH RDM6 (Lưu hành nội bộ). Trường Đại Học Nha Trang – 2007. [12]. Quy phạm phân cấp đóng tàu vỏ thép 2003.