Nghiên cứu thiết kế kết cấu cụm bánh lái cho tàu hàng có tải trọng 20 nghìn tấn

,056% . Suy ra : ∑ S = a.L.T = 2,056%.150.7,6 = 24,37594(m2) Vậy diện tích của một bánh lái là : S = . Tổng diện tích bánh lái phải không được nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau: ∑Smin = p. q. ) , (m2 ) [2- tr 15] Trong đó: L = 150 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); trong tính toán tôi chọn hệ số p = 1,0 q: hệ số (bằng 1,25 đối với tàu kéo; bằng 1 đối với các loại tàu khác), trong tính toán tôi chọn hệ số q = 1,0 ∑Smin = p. q. ) = 1. 1. ) = 16,59(m2) Vậy diện tích bánh lái thỏa mãn. 2.3.3.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 = = 1,74 Suy ra : b = = 2,648 (m), chọn b = 2,65 (m) Vì kiểu bánh lái ta chọn ở đây là bánh lái hình thang, nên chiều rộng ở đây là chiều rộng trung bình. 2.3.4.Chiều dày prôfin 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 = 0,145.b = 0,145.2650 = 385 (mm). 2.3.5.Vẽ prôfin 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 quy của bánh lái nằm trong mặt phẳng chứa các chiều dày lớn nhất t. Khi đó bán kính lượn phần mũi bánh lái bằng t/2. Ta chọn prôfin của bánh lái thiết kế là kiểu prôfin NACA0015 khi đó : 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 : 2.4.Tính toán đặc tính thuỷ động của bánh lái: Mục đích của việc tính toán thuỷ động học bánh lái là đi xác định các trị số của lực thuỷ động để làm cơ sở cho việc chọn máy lái, tính toán bền cho thiết bị lái. Khi bánh lái được đặt trong dòng chảy vận tốc vs, dưới góc tấn α, dưới tác dụng của dòng chảy chất lỏng phân bố áp lực ở mặt trên và mặt dưới của profin mặt cắt bánh lái khác nhau, làm xuất hiện lực tác động ngang. Các lực thuỷ động tác động lên bánh lái gồm có: Lực nâng L và lực cản D. Tổng hợp của L và D sẽ được lực R - lực chính tác động lên bánh lái: (hình 2-8). - Lực 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 thuỷ 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). 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. Hình 2-8. Lực thủy động tác dụng lên bánh 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 = 1,74. Suy ra : = = 0,1304 = 7,4704 Lập bảng tính các hệ số CL, CD và CM cột 1 ÷ cột 4 được cho giống như trong bảng 11-3 sổ tay kỷ thuật đóng tàu thủy với prôfin NACA0015 Các cột khác được tính toán dựa theo các cột 1 ÷ cột 4 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 0,01173 0,03073 2,24111 6,24111 8 0,61 0,037 0,15 0,3721 0,04851 0,08551 4,55692 12,5569 12 0,91 0,059 0,225 0,8281 0,10796 0,16696 6,79802 18,798 16 1,19 0,098 0,3 1,4161 0,18462 0,28262 8,88972 24,8897 20 1,4 0,14 0,36 1,96 0,25553 0,39553 10,4585 30,4585 22.5 1,53 0,2 0,38 2,3409 0,30519 0,50519 11,4296 33,9296 2.4.1.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] Với b là chiều rộng trung bình của bánh lái. Lập bảng tính vị trí tối ưu của trục bánh lái như sau : α CL cosα CD2 sinα cosα*CL sinα*CD2 CN CM e/b 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 0,086 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 0,283 0,421 0,999 0,119 1,018 0,300 0,294 30,458 1,4 0,862 0,396 0,507 1,037 0,160 1,197 0,360 0,300 33,930 1,53 0,830 0,505 0,558 1,060 0,221 1,281 0,380 0,297 Các phép tính được thực hiện trong bảng. Qua đó ta thấy được rằng sự xê dịch tâm áp suất theo chiều rộng bánh lái không vượt quá 1,2% tức bằng 31,8 (mm). Bởi vì với những góc dẫn lớn hơn, hệ lực thẳng góc CN lớn hơn rất nhiều những trị số tương ứng với góc dẫn nhỏ . Cho nên để nhận được mô men nhỏ trên trụ lái, ta nhận vị trí trục lái: Khoảng cách trục lái tính từ cạnh dẫn sẽ là: a= 0,2985.b = 0,2985.2,65 = 0,791(m) 2.4.2. Ảnh hưởng của mặt nước và vỏ tàu đến đặc tính thủy động của bánh lái. Dòng chảy thực qua bánh lái bị ảnh hưởng bởi mặt thoáng của nước, vỏ tàu, tác dụng của chân vịt… Đa số tàu hiện đại có kết cấu vùng đuôi đảm bảo khi tàu chở đầy, bánh lái vẫn ngập sâu trong nước và hầu như không bị ảnh hưởng của mặt nước. Vỏ tàu nằm trong dòng chảy qua bánh lái nên ảnh hưởng đến góc tấn thực tế của bánh lái, đến vận tốc dòng chảy, đến sự phân bố các thành phần vận tốc trong dòng chảy…do đó ảnh hưởng đến lực thuỷ động tác dụng lên 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 thuỷ. [2- tr.44] Trong đó: Với : Dy = 0 u = 1,0 δ = 0,8 h1 = 0,12 (m) h2 = 2,565 (m) l1 = 2,445 (m) l2 = 2,135 (m) F1 = 5,85 (m2) F2 = 6,337 (m2) H = 5,44 (m) Suy ra : = 0,203 = 0,354 => = 0,278 => kv = (1 – 0,278)2 = 0,522 2.4.3.Ảnh hưởng của chân vịt đến đặc tính thuỷ động của bánh lái: Dòng nước được đẩy bởi chân vịt chảy qua bánh lái, có ảnh hưởng lớn đến đặc tính thuỷ 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: scv = [2- tr.43] Trong đó: P: lực đẩy của chân vịt, N P = , N [2- tr. 43] R = 489401,8 (N)lực cản chuyển động của tàu.( được tính theo công thức của Papmel) Z = 2 số chân vịt, chiếc q: hệ số hút theo taylo θ = 0,7.ψcv + 0,06 [4- tr.22] r = 1025 (kg/m3) khối lượng riêng của nước vcv: vận tốc dòng chảy tới chân vịt, m/s vcv = v. (1- ycv) [2- tr.43] v = 13,5 (Hl/h) = 6,939 (m/s) vận tốc chuyển động của tàu, m/s ycv: hệ số dòng theo của chân vịt ycv = 0,165. dz . [2- tr.47] d = 0,8 hệ số béo thể tích tàu V = 24437,04(m3) thể tích lượng dãn nước của tàu Dcv = 3 (m) đường kính chân vịt DW = 0 Suy ra : ycv = 0,165. 0,82 . = 0,328 vcv = 6,939(1 – 0,328) = 4,663(m/s) P = = 172301(N) scv = = 2,191 va = vcv.(-1) = 4,663.(- 1 ) = 3,665 (m/s) val = c. va : giá trị tăng tốc độ trung bình do chân vịt tính ở tâm áp suất bánh lái, m/s Với : c = Với : S1 = 1,25 (m) khoảng cách từ mặt đĩa chân vịt đến tâm áp suất c = = 0,727 Do đó : val = 0,727.3,665 = 2,665 (m/s) Ta có hệ số ảnh hưởng của chân vịt được xác định theo công thức: kcv = 1+ . [(1+scv). (-1] [2 – tr .45] Trong đó: S’: diện tích phần bánh lái nằm trong dòng đẩy của chân vịt, (m2) S: diện tích bánh lái,( m2) scv: hệ số lực đẩy chân vịt Với S’ được xác định theo công thức: S’ = b. Dcv. = 2,65.3. = 7,4844(m2 ) [3-tr718] Vậy: kcv = 1+ . [(1+scv).(-1] = 1 + [(1+σcv).()2 -1] =2,08 2.4.4. Xác định lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái: 2.4.4.1. Lực tác dụng lên bánh lái: * Lực nâng L tác động lên bánh lái: L = CL. kv. kcv. . S, kG Trong đó: CL - hệ số lực thủy động. - tỷ trọng của 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 = 12,19 (m2 ) – diện tích bánh lái. Do đó : L = CL.0,522.2,08. = 33297,96.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 : L = CD.0,522.2,08. = 33297,96.CD (kG). * Hợp lực R tác dụng vào bánh lái: R = = (kG ) 2.4.4.2. 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 = 2,65 (m) chiều rộng bánh lái. Do đó : Mtd = CM.0,522.2,08..2,65 = 88239,59.CM (kGm) * Kết quả tính lực nâng L, lực cản D, lực tổng hợp R và mômen thủy động tác động lên bánh lái Mtđ được thể hiện qua bảng sau: 1 2 3 4 5 6 7 8 α CL CD CM L D R Mtd 0 0 0,010 0 0 332,98 332,98 0 6,24111 0,3 0,031 0,075 9989,39 1023,36 10041,67 6617,97 12,5569 0,61 0,086 0,15 20311,8 2847,36 20510,36 13235,9 18,798 0,91 0,167 0,225 30301,1 5559,48 30806,93 19853,9 24,8897 1,19 0,283 0,3 39624,6 9410,69 40726,75 26471,9 30,4585 1,4 0,396 0,36 46617,1 13170,4 48441,89 31766,3 33,9296 1,53 0,505 0,38 50945,9 16821,8 53651,23 33531 Dựa vào bảng tính trên ta có : - Lực cản lớn nhất : Lmax = 50945,9 (kG) - Lực nâng lớn nhất: Dmax = 16821,8 (kG) - Lực tổng hợp lớn nhất tác dụng lên bánh lái : Rmax = 53651,23 (kG) - Mômen thủy động lớn nhất tác động vào bánh lái : Mtd = 33531(kGm) 2.4.4.3. Mômen trên trục lái: . Với: Kết quả tính được thể hiên 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)*88239,59 (kGm) 0 0 0,2504 0 -0,2504 0 6,241 0,302 0,2504 0,2487 -0,0017 -45,30220551 12,557 0,614 0,2504 0,2443 -0,0061 -330,4925604 18,798 0,915 0,2504 0,2458 -0,0046 -371,4004343 24,89 1,198 0,2504 0,2503 -0,0001 -10,57110288 30,458 1,407 0,2504 0,2558 0,0054 670,4267569 33,93 1,551 0,2504 0,2449 -0,0055 -752,7278225 Giá trị M0 nhận giá trị dương lớn nhất chính là mômen trên trụ lái cần sử dụng tính toán. Mômen thủy động tác dụng lên trục lái là: M0 = 670,427 (kGm) Mômen lái trên trụ lái được tính theo công thức sau: M1 = 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%.670,427 = 134,0854 (kGm). Suy ra : Mt = 1,2.670,427 + 134,0854 = 838,6 (kGm) = 83,86 (kNm) 2.4.5. Xác định lực và mômen thủy động tác động lên bánh lái theo quy phạm phân cấp và đóng tàu vỏ thép 2003: 2.4.5.1. 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 khích thước cơ cấu của bánh lái và được tính theo công thức sau: FR = k1. k2.k3.132.S.v2 (N) Trong đó: S = 12,19 (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 = = 1,736 h : là chiều cao trung bình 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 = 1,25.1,1.1.132.12,19.13,52 = 403225,4 ( N ). Lực tác dung lên bánh lái khi tàu chạy lùi là: FR = 1,25.0,8.1.132.12,19.6,752 = 73313,7 ( N ) 2.4.5.2. 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 = 5,76(m2) và S2 = 6,54(m2): diện tích phần trên và phần dưới của bánh lái (m 2 ) 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) TR2 = FR2.r2 (N.m) FR1 và FR2 lực tác dụng lên phần diện tích S1 và S2 được xác định như sau : Hình 2-9. Sự phân bố diện tích bánh lái 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 = 0,5124 (m2 ) , Sf2 = 1,413 (m2 ) phần diện tích cân bằng. Suy ra : e1 = = 0,089 e2 = = 0,219 - α : được xác định : + Đối với phần bánh lái không nằm sau phần cố định của giá bánh lái Khi tàu chạy tiến : α = 0,33 Khi tàu chạy tiến : α = 0,66 + Đối với phần bánh lái nằm sau giá bánh lái. Khi tàu chạy tiến : α = 0,25 Khi tàu chạy tiến : α = 0,55 Do đó : Khi tàu chạy tiến : r1 = b1(α – e1 ) = 2,28.( 0,25 – 0,089 ) = 0,367 (m ) r2 = b2(α – e2 ) = 2,4.( 0,33 – 0,219 ) = 0,266 (m ) Khi tàu chạy lùi : r1 = b1(α – e1 ) = 2,28.( 0,55 – 0,089 ) = 1,051 (m ) r2 = b2(α – e2 ) = 2,4.( 0,66 – 0,219 ) = 1,058 (m ) Vậy : - Khi tàu chạy tiến : TRmin = 0,1.403225,4. = 94646,5 (N.m) FR1 = FR.= = 190531,4 (N ) FR2 = FR. = = 213355,5 (N) Suy ra : TR1 = FR1.r1 = 190531,4.0,367 = 69958,4 (N.m) TR2 = FR2.r2 = 213355,5.0,266 = 56802,2 (N.m) => TR = TR1 + TR2 = 69958,4 + 56802,2 = 126760,6 (N.m) - Khi tàu chạy lùi: TRmin = 0,1.73313,7. = 17208,8 (N.m) FR1 = FR.= = 34642,08 (N ) FR2 = FR. = = 38791,91 (N) Suy ra : TR1 = FR1.r1 = 34642,08.1,051 = 36414,89 (N.m) TR2 = FR2.r2 = 38791,91.1,058 = 41050,86 (N.m) => TR = TR1 + TR2 = 36414,89+ 41050,86 = 77465,75 (N.m) CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỤM BÁNH LÁI. 3.1. Tính toán trục lái: 3.1.1. Xác định phản lực gối và mômen uốn của hệ bánh lái – trục lái: Theo bảng 1-14 [2-tr 65], đối với bánh lái cân bằng nữa treo một chốt , ta có sơ đồ tính toán sau: Hình 3-1 Sơ đồ tính phản lực và mômen uốn. Hình 3-1. Sơ đồ tính toán 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 3-2. 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 = = 83342 (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 = 126760,6 + 20%.126760,6 = 152112,72 (Nm) Rc = 500(mm) = 0,5(m) : bán kình cần quay lái. => Fc = = 304225,44 (N). Sau khi tính toán bằng phần mền RDM6 ta có kết quả (xem phần phụ lục trang14): Hình 3-3. Đồ thị mômen uốn khi tàu chạy tiến Lực và mômen tại các gối đỡ là: R1 = 464730,2 (N ). R2 = - 154403 (N ). R3 = 397785,2 (N ). M1 = - 273095,07 (N.m) M2 = 86436,54 (N.m) M3 = -206873,3 (N.m) Kiểm tra lại kết quả : R1 + R2 +R3 = FR2 + FR1 +Fc 464730,2 + (- 154403) + 397785,2 = 213355,5 + 190531,4 + 304225,44 708112,4 = 708112,4 Vậy kết quả trên là đúng. * Khi tàu chạy lùi: Lực phân bố No và N1 tác dụng lên bánh lái là: N0 = = 15153,09 (N/m). N1 = = 16981,41 (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 = 77465,75 + 20%.77465,75 = 92958,9 (Nm) Rc = 500(mm) = 0,5(m) : bán kình cần quay lái. => Fc = = 185917,8 (N). Sau khi tính toán bằng phần mền RDM6 ta có kết quả (xem phần phụ lục trang17): Lực và mômen tại các gối đỡ là: Hình 3-3. Đồ thị mômen uốn khi tàu chạy lùi R1 = 93261,3 (N ) R2 = -72757,7 (N ) R3 = 238848,2 (N ) M1 = - 49653,65 (N.m) M2 = 39512,49 (N.m) M3 = -126424,17 (N.m) Kiểm tra lại kết quả : R1 + R2 +R3 = FR2 + FR1 +Fc 93261,3 +(-72757,7) +238848,2 = 34642,08 + 38791,91 + 185917,8 259351,8 = 259351,8 Vậy kết quả trên là đúng. 3.1.2. Xác định đường kính trục lái: Trục lái là thiết bị chịu lực chủ yếu của thiết bị lái . Trục lái là một trục tròn, thẳng có các cổ trục để lắp cần lái, phanh,… có rảnh để lắp then và vòng hãm… Phần dưới của trục lái, tuỳ thuộc vào phương pháp ghép nối giữa trục lái và bánh lái mà ta có các dạng khác nhau. Ở đây ta chọn trục lái thẳng có đoạn mút côn. 3.1.2.1. Đường kính phần trên của trục lái: Đường kính phần trên của trục lái du yêu cầu để truyền được mômen xoắn phải được xác định sao cho ứng suất xoắn không được lớn hơn 68/Ks (N/mm2 ). Đường kính phần trên của trục lái được tính theo công thức sau: du = 4,2. (mm ) Trong đó : TR : mômen xoăn 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 = 126760,6 (N.m) => du = 4,2. = 201,9 ( mm) Khi tàu chạy lùi ta có : - TR = 77465,75 ( N.m) => du = 4,2. = 171,57 (mm) Chọn đường kính phần trên của trục lái là : du = 210 (mm ). 3.1.2.2. Đường kính phần dưới của trục lái: Đường kính phần dưới của trục lái chịu mômen uốn và mômen xoắn phải được xác 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 = 201,9 (mm ). M = M3 = 206873,3 (N.m ). TR = 126760,6 (N.m) Suy ra : dl = 201,9. = 259,9 (mm). Khi tàu chạy lùi: du = 171,57 (mm ). M = M3 = 126424,17 (N.m ). TR = 77465,75 (N.m). Suy ra : dl = 171,57. = 220,8 (mm). Chọn đường kính phần dưới của trục là: dl = 260 (mm). . Hình 3-4. Kết cấu trục lái được thể hiện như hình trên Tại các vị trí các ổ đỡ phía trên và phía dưới của trục ta có thêm các ống lót trục(áo bao trục), và được lắp bằng mối ghép căng. Tại vị trí phía trên: Chiều dày của ống lót: n = 0,05.270 = 14 (mm) Chiều dài : l = 595 (mm) Tại vị trí phía dưới: Chiều dày của ống lót: n = 0,045.270 = 12(mm) Chiều dài : l = 320 (mm) 3.1.2.3. Kiểm tra bền trục lái : 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 = 126760,6 (N.m) du = 210 (mm) Suy ra : = 69,8 (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 = 206873,3 (N.m) mômen uốn tại ổ đỡ 3. dl = 270 (mm) đường kính trục . TR = 126760,6 (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. 3.1.2.4. Bảo vệ chống gỉ cho trục lái: Các cổ trục lắp ổ và vòng kín nước được bọc bằng ống lót đồng hoặc thép không gỉ. Các đoạn trục lái còn lại được sơn bằng loại sơn bảo vệ đặc biệt. Đối với trục của tàu ta thiết kế thì chiều dày của ống lót nằm trong khoãng 10 ÷ 20 (mm) đối với ống lót có vật liệu bằng đồng,và 8,5 ÷ 14 với ống lót làm bằng vật liệu là thép không gỉ. Chiều dài ống lót lớn hơn chiều dài bề mặt bảo vệ là 100(mm). Các đoạn trục còn lại có thể chống gỉ bằng cách phủ cao su , êpôxy. Nhưng hiện nay thì người ta thay thế bằng sơn chuyên dùng. 3.2. Tính toán kết cấu bánh lái: Vật liệu làm tôn bánh lái, xương bánh lái và côt bánh lái là thép CT3 theo bảng 3-8 [ 5- tr.40 ] : σb = 300 (N/mm2 ) sch = 200 (N/mm2). 3.2.1. 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 (N/m2) FR = 403225,5 (N), S = 12,19 (m2 ):là lực tác dụng lên bánh lái và diện tích bánh lái. kpl : hệ số vật liêu của 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 = 10,45 (mm) Vậy chọn chiều dày tôn bánh lái t = 14 (mm). 3.2.2. Xương bánh lái: Thân bánh lái được gia cường bằng các xương đứng và xương nằm sao cho thân báng lái có tác dụng như dầm chịu uốn. Khoãng 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 = 0,41 (m) Nhưng ở đây ta chọn khoãng cách giữa các xương nằm là 0,569 (m) và thay đổi tăng dần theo chiều dài bánh lái, và có chiều dày bằng với chiều dày tôn bao bánh lái 14 (mm). Khoãng cách giữa các xương đứng tạo thành cốt bánh lái đến các xương lân cận ta chọn bằng 0,5 (m). Hình 3-5. Kết cấu xương nằm của bánh lái. 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. Hình 3-6. Kết cấu xương đứng của bánh lái Ta chọn chiều dày các xương đứng của bánh lái bằng với chiều dày tôn bao bánh lái. Tại vị trí có gắn khối bích đúc ta chọn chiều dày xương đứng là 16 (mm). 3.2.3. Cốt bánh lái: Các xương đứng tạo thành cốt bánh lái phải được đặt ở phía trước và sau đường tâm trục lái với khoãng cách gần bằng chiều rộng của tiết diện bánh lái nếu cốt gồm hai xương đứng và đặt theo đường tâm của trục lái nếu cốt gồm một xương. Mô đun chống uốn tiết diện cốt phải được tính toán theo các xương đứng quy định trên cùng với dải mép kèm của tôn bánh lái. Chiều rộng của dải tôn mép kèm được lấy như sau: - Nếu cốt gồm hai xương đứng thì chiều rộng của mép kèm được lấy bằng 0,2 lần chiều dài của cốt. - Nếu cốt gồm một xương đứng thì chiều rộng của mép kèm được lấy bằng 0,16 lần chiều dài của cốt. - Theo hướng dẫn áp dụng của quy phạm thì đối với bánh lái nửa treo thì phần mép kèm được xác định như sau: Be = b +a Trong phần diện tích A: a = b = 0,1*l Trong phần diện tích B và D : a = b = 0,08*l Trong phần diện tích C : a phải lấy như ở dưới đây với điều kiện a phải không lớn hơn 0,08*l b = 0,08*l. Hình 3-7. Mép kèm của bánh lái Đối với bánh lái ta thiết kế cho tàu này thì cốt bánh lái gồm một xương đứng có chiều dày là 16 (mm). 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 : Với Km hệ số vật liệu làm bánh lái Vật liệu làm cốt bánh lái là thép CT3 có : σb = 300 (N/mm2 ) sch = 200 (N/mm2). Suy ra: - e = 0,75 khi sch > 235 (N/mm2 ) - e = 1,00 khi sch < 235 (N/mm2 ) Km = => Km = = 1,175 Theo tính toán trên thì mômen uốn lớn nhất nằm trong phần diện tích B nên chiều rộng của mép kèm là: a = b = 0,08.l Với : l = h = 4,6 (m) chiều cao bánh lái. Suy ra: a = b = 0,08.4,6 = 0,368 (m) Hình. 3-8 Lúc này cốt bánh lái được xem như là dầm chữ I ( hình 3-8 ) có các kích thước như sau: Chiều rộng mép kèm B = a + b = 0,368 + 0,368 = 0,736 = 736 (mm) Chiều cao chữ I chính là chiều dày prôfin bánh lái tại vị trí đang xét: t = 365 (mm) Chiều dày của cốt là : n = 16 (mm) Chiều dày tôn bao là : m = 14 (mm) Mô đun chống uốn và diện tích tiết diện nằm ngang của cốt phải sao cho ứng suất uốn, ứng suất cắt và ứng suất tương đương không được lớn hơn các trị số sau: -Ứng suất uốn : (N/mm2 ) -Ứng suất cắt : (N/mm2 ) - Ứng suất tương đương: (N/mm2) Tuy nhiên đối với những chổ cốt bánh lái có lỗ khoét thì ứng suất uốn, ứng suất cắt và ứng suất tương đương không được lớn hơn các trị số sau: -Ứng suất uốn : (N/mm2 ) -Ứng suất cắt : (N/mm2 ) - Ứng suất tương đương: (N/mm2) Trong đó Km : hệ số vật liệu của cốt bánh lái. Sau khi tính toán bằng phần mền RDM6 ta có kêt quả (xem phần phụ lục trang14): Hình 3-9. Biều đồ lực cắt của hệ bánh lái - trục lái Lực cắt tại các gối đỡ là : N1 = 213355,52 (N) N1 = - 251374,8 (N) N2 = - 60843,3 (N) N2 = 93559,8 (N) N3 = -304255,4 (N) Lúc này cốt của bánh lái được xem như dầm chữa I có các kích thước như sau: Ta có mô men quán tính của tiết diện là: J = Trong đó: h1 = 14 (mm) b1 = 736 (mm) h2 = 365 (mm) b2 = 16 (mm) x1 = 189,5 (mm) trọng tâm của bản mép đến trục trung hòa. Suy ra : J = 189,52 + = 1462060079 (mm4) Mô đun chống uốn của tiết diện là : Wu = = 3857678,3 (mm3) Ứng suất của tiết diện là : = 70,8 (N/mm2) Ứng suất cắt lớn nhất của tiết diện : Trong đó : N = N1 = 251374,8 (N) Sx = = 189,5.736.14 + 91,5.16.365 = 2219058 (mm3) mômen tĩnh của một nửa chữ I đối với trục x . b = b2 = 16 (mm) Suy ra: = 23,85 (N/mm2) Ứng suất tương đương của tiết diện : = 81,96 (N/mm2) Ứng suất cho phép là: == 93,6 (N/mm2) == 42,5 (N/mm2) = 119,07 (N/mm2) Vậy cốt của bánh lái đủ bền. 3.2.4. Kiểm tra bền bánh lái: Theo đồ thị mômen và đồ thị lực cắt thì tiết diện nguy hiểm nhất của bánh lái nằm ở vị trí chốt lái. Xét mặt cắt nguy hiểm ở đó ta có tiết diện của bánh lái như hình vẽ sau: Hình 3-10. Kết cấu mặt cắt kiểm tra bền bánh lái Để dễ cho việc tính toán ta có thể xem mặt cắt của bánh tương đương như một hình chữ nhật các các thông số và tiết diện như hình dưới đây: Hình 3-11: Kết cấu mặt cắt tương đương của bánh lái Ta xem kết cấu như các thanh hình chữ nhật liên kết với nhau từ đó ta có Tổng mômen quán tính của các hình chữ nhật là đối với trục trung hòa là: = (mm4 ). Trong đó b1 = 14 (mm) b2 = 14 (mm) b3 = 16 (mm) h1 = 1760 (mm) h2 = 192 (mm) h3 = 192 (mm) x1 = h2 + = 197 (mm) Suy ra : = = 4533325813 (mm4) Mômen chống uốn của tiết diện: Wu = Với : ymax = 110 (mm) => Wu = = 43174531,6 (mm3 ). Tổng diện tích của tiết diện là: = 2.b1.h1 + 4.b2.h2 + b3.h3 = 2.14.1760 + 2.14.192 + 16.192 = 63104 (mm2) Ứng suất uốn và ứng suất cắt của bánh lái là: sb = (N/mm2) τc = (N/mm2) Với: Mu = M1 = 273095,07 (N.m) = 273095,07.103 (N.mm) Q = N1 = 2541374,8 (N) Suy ra: sb = = 6,325 (N/mm2) τc = = 4,02 (N/mm2) Ứng suất tương đương là: se = = 7,47(N/mm2 ) Các ứng suất cho phép là: == 93,6 (N/mm2) == 42,5 (N/mm2) = 119,07 (N/mm2) Suy ra : σb < [σb] , τc < [τc], σe < [σe] Vậy kết cấu của bánh lái đã chọn thỏa mãn điều kiện bền. 3.2.5. Các bước chế tạo bánh lái: Tôn mạn bánh lái được khai triển sao cho số mối nối tôn là ít nhất. Các vách đứng và vách nằm được hàn trước tạo thành bộ khung của bánh lái. Sau đó tôn mạn phải được hàn vào khung bằng các mối hàn chữ T liên tục ( không nên dùng mối hàn gián đoạn vì gây gỉ mạnh). Tiếp theo các tấm tôn nắp , tôn đáy bánh lái được hàn vào khung và vào tôn mạn phải. Trên các mép vách nằm và vách đứng ở mạn trái , hàn các dải tôn có kích thước sau 12x75 (mm). Trên tôn mạn trái cắt các lỗ khoét phân bố đều trên các dải tôn nói trên. Mối hàn quanh mép lỗ khoét sẽ liên kết tôn mạn trái bánh lái vào khung. Kích thước lỗ khoét là 80x40 (mm) bước lỗ khoét theo chiều cao bánh lái là 147(mm) và theo chiều rộng bánh lái là 167 (mm). Hình 3-12. Các lỗ khoét trên tôn mạn trái Sau khi hàn, hình dạng bánh lái được kiểm tra bằng dưỡng. Khe hở giữa mép dưỡng và tôn mạn bánh lái tại mỗi mặt cắt không được quá 1% chiều dày prôfin tại mặt cắt đó. Chiều dày tôn nắp và tôn đáy bánh lái ta chọn bằng 16 (mm), và có các lỗ nút bằng đồng có ren để đưa nước vào và ra bánh lái khi thử kín. Nếu quy định khi sự cố, bánh lái được quay bằng cáp thì ở cạch sau bánh lái có hàn các móc để mắc cáp . Chiều dày tấm của thăm không nhỏ hơn chiều dày tôn mạn bánh lái. Nắp được bắt vào cửa bằng các vít đồng đầu chìm và có gioàng kín nước. khích thước cửa thường không quá 300 mm. Để luồn dây nâng bánh lái lúc tháo lắp, trên bánh lái thường hàn hai ống đường kính 100x14 (mm) xuyên ngang bánh lái, nút lái bằng nút gỗ. Hình 3-13. Lỗ luồn dây nâng bánh lái khi tháo lắp Bánh lái được thử kín nước bằng cách bơm kín nước vào bên trong với áp suất P = 1,25.T + ( 2 – tr 95) Trong đó : p – áp suất nước (m cột nước ) T = 7,6 (m)– chiều chìm V = 13,5 (Hl/h) – vận tốc tàu ( hải lý /h). Suy ra : P = 1,25.7,6 + = 12,5 (m cột nước ). * Hãm chuyển dịch dọc trục của bánh lái : Sự chuyển dịch dọc trục quay của bánh lái (chuyển dịch theo phương thẳng đứng) thường được hãm bằng một trong các phương pháp sau: - Một hoặc hai chốt bánh lái ( thường là chốt trên) được thiết kế có đầu hãm, vòng hãm hoặc đai ốc hãm. - Bộ phận hãm rời kết vào sống đuôi tàu bắng bulông hoặc hàn. - Vòng hãm hai nửa lắp trên trục lái. - Vai trục tren trục lái tỳ vào vỏ ổ hai nửa. - Một bộ phận của mặt trên bánh lái đặt sát vào vỏ tàu. - Bản lề bánh lái đặt dưới bản lề trụ lái khi tàu đang nổi trong nước, phương pháp tốt nhất để tháo bánh lái là dùng vòng hãm hai nửa lắp trên trục lái ở chỗ dễ tháo, đây cũng chính là phương án ta chọn để chống chuyển dịch dọc trục cho bánh lái thiết kế. Dùng vai trục của trục lái có nhược điểm là phải làm vỏ ổ hai nửa phức tạp. Hình 3-14. Các kích thước bánh lái 3.3. Mối nối cốt bánh lái và trục lái: Khớp nối bánh lái với trục lái có thể dùng các mối nối sau: - Mối nối côn. - Mối nối dạng bích nằm. - Mối nối dạng bích đứng. Ta lựa chọn mối nối côn làm mối nối của trục lái với cốt bánh lái của bánh lái ta thiết kế. Quy định chung của mối nối côn là: - Cán dưới phải được liên kết chắc chắn với thân bánh lái đinh ốc rãnh hoặc chi tiết thủy lực. - Phải đặc biệt quan tâm đến sự han gỉ của cán dưới. - Chiều dày tB của phần thép đúc của thân bánh lái phải không nhỏ hơn 0,25 đường kính yêu cầu của cán dưới. Hình 3-14. Mối nối côn tB = 0,25.do = 0,25.260 = 65 (mm) Ta chọn tB = 110 (mm). Chiều dài l của đoạn trục lái dạng côn để lắp vào bánh lái và cố định bằng các ê cu hãm phải không nhỏ hơn 1,5 lần đường kính do ở đỉnh bánh lái. l = 1,5.do = 1,5.260 = 390 (mm) Chọn chiều dài l = 420 (mm). Kích thước ê cu phải phù hợp với yêu cầu dưới đây: + đường kính đỉnh ren : dg ≥ 0,65 do = 0,65.260 = 169 (mm) chọn dg = 170 (mm). + chiều cao ê cu : hn ≥ 0,6 dg = 0,6.170 = 102 (mm) chọn hn = 120 (mm). + đường kính vòng ngoài của ê cu : dn ≥ 1,2.de hoặc dn ≥ 1,5.dg dn ≥ 1,5.dg = 1,5.170 = 255 (mm) chọn dn = 280 (mm). Độ côn của trục : u = = 0,083 3.4. 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 = 464730,3 (N) phản lực tại gối đỡ . - 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. = 223,8 (mm) chọn đường kính chốt lái là: dp = 225 (mm). Chiều dày ống lót chốt 3 ÷ 5% đường kính chốt, chọn chiều dày ống lót chốt là 4,4% dp Chiều dày ống lót là : 0,044.225 = 9,9 (mm) chọn là 10 (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) 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) Hình 3-15. Chốt lái chọn dg = 150 (mm). + chiều cao ê cu : hn ≥ 0,6 dg = 0,6.150 = 90 (mm) chọn hn = 90 (mm). + đường kính vòng ngoài của ê cu : dn ≥ 1,2.de hoặc dn ≥ 1,5.dg dn ≥ 1,5*dg = 1,5*150 = 225 (mm) chọn dn = 240 (mm). 3.5. Tính toán ổ đỡ trục và chốt lái: 3.5.1. Tính toán ổ đỡ trục lái: 3.5.1.1. 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 3-16. 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 = 1,1d. Với d = 270 (mm) là đường kính trục lái tại vị trí ổ. lô = 1,1.270 = 297 (mm) chọn lô = 300 (mm). Chiều dày bạc lót t = 5 ÷ 10% đường kính trục lái tại vị trí ổ, chọn t = 5,9% t = 0,6%.270 = 16,2 (mm) chọn t = 17 (mm) đường kính bạc là : db = 298 (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 = 397785,2 (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 ] = = 56826,5(mm). Bề mặt ổ là Ab = l.db = 300.298 = 89400 (mm2 ) Vậy : Ab < [Ab]. * Vòng bít kín nước của ổ: Vật liệu làm vòng bít thường làm bằng sợi bông hoặc sợi gai tẩm chất chống ma sát. Các sợi được kết lại thành dây mặt cắt vuông có cạnh 4, 6, 8 , 10, 13, 16, 19 22, 25 , 28 (mm). Ta dùng 5 vòng bít kín nước. Cạnh vòng của vòng bít tính theo công thức sau: b = 2. (mm). (2- tr 102) Với d =270 đường kính trục lái tại vị trí lắp vòng bít. b = 2. = 32,6 (mm) chọn b = 32 (mm) Chiều cao lớp vòng bít sau khi ép. h = 0,9.m.b = 0,9.5.32 = 144 (mm). (2- tr 102) 3.5.1.2. 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 = 1,1d. Với d = 270 (mm) là đường kính trục lái tại vị trí ổ. lô = 1,1.270 = 297 (mm) chọn lô = 300 (mm). Chiều dày bạc lót t = 5 ÷ 10% đường kính trục lái tại vị trí ổ, chọn t = 7,4% t = 7,4%.270 = 19,98 (mm) chọn t = 20 (mm) đường kính bạc là : db = 294 (mm). Hình 3-17. Ổ đỡ phía dưới 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 = 154403 (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 ] = = 61761,2(mm). Bề mặt ổ là Ab = l.db = 300.294 = 88200 (mm2 ) Vậy : Ab < [Ab]. 3.5.2. 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) chọn lô = 280 (mm). Chiều dày ống lót t = 5 ÷ 10% đường kính trục lái tại vị trí ổ, chọn t = 8% t = 8%.225 = 18(mm) chọn t = 18 (mm) đường kính bạc là : db = 244 (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 = R1 = 464730,3 (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: Hình 3-18. Ổ đỡ chốt lái [ Ab ] = = 66390,04(mm). Bề mặt ổ là Ab = l.db = 280.244 = 68320 (mm2 ) Vậy : Ab < [Ab]. 3.6. Then : 3.6.1. Then ở đầu trục lái: Ở đầu trục lái người ta lắp mayơ để dẫn động trục lái, người ta dùng then để cố định mayơ và trục lái. Dựa vào đường kính của đầu trục lái d = 210 (mm).Ta chọn then có các kích thước sau: - Kích thước then b x h: 80 x 60 (mm). - Chiều sâu của rảnh: trục: t1 = 30(mm), lổ: t2 = 30(mm) - Chiều dài then lt = (0,8÷0,9).lm(mm). Với: lm = 380(mm) - chiều dài mayơ. Do đó: lt = 0,9.370 = 342(mm). chọn lt = 340 (mm) Theo [6- tr. 91] ta kiểm tra mối ghép then theo điều kiện bền dập và điều kiện bền cắt có dạng sau: Trong đó: sd, sc - ứng suất dập và ứng suất cắt tính toán, Mpa. d = 210(mm) - đường kính đầu trục lái. T = 152112,7.103 (N.mm) – mômen xoắn trên trục lái. [sd] = 150(MPa) - ứng suất dập cho phép của vật liệu. [sc] = 60(MPa) - ứng suất cắt cho phép của vật liệu. Suy ra: Vậy: Then đủ bền. 3.6.2. Then tại vị trí mối nối côn: Dựa vào đường kính của đầu trục lái d = 270(mm).Ta chọn then có các kích thước sau: - Kích thước then b x h: 80 x 50 (mm). - Chiều sâu của rảnh: trục: t1 = 27(mm), lổ: t2 = 24(mm) - Chiều dài then lt = (0,8÷0,9).lm(mm). Với: lm = 430(mm) - chiều dài mayơ. Do đó: lt = 0,86.430 = 369,8(mm). chọn lt = 370 (mm) Theo [6- tr. 91] ta kiểm tra mối ghép then theo điều kiện bền dập và điều kiện bền cắt có dạng sau: Trong đó: sd, sc - ứng suất dập và ứng suất cắt tính toán, Mpa. d = 270 (mm) - đường kính đầu trục lái. T = 126760,6.103 (N.mm) – mômen xoắn trên trục lái. [sd] = 150(MPa) - ứng suất dập cho phép của vật liệu. [sc] = 60(MPa) - ứng suất cắt cho phép của vật liệu. Suy ra: Vậy: Then đủ bền. 3.7. Tiêu chuẩn, công nghệ gia công, lắp ráp hệ trục lái: 3.7.1. Yêu cầu chung: Thiết bị lái phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau đây: - Thời gian quay bánh lái từ 350 mạn này sang 350 mạn kia không quá 28(s) khi tàu chạy tiến toàn tốc với chiều chìm toàn tải. Thời gian quay lái khi sử dụng dẫn động dự trữ từ 200 mạn này sang 200 mạn kia không quá 60(s) khi tàu chạy với tốc độ bằng ½ tốc độ tối đa của tàu, nhưng không nhỏ hơn 7 hl/giờ ở chiều chìm toàn tải mùa hè. - Thời gian chuyển từ dẫn động chính sang dẫn động phụ không quá 2 phút. - Phải có biện pháp giới hạn góc lái. 3.7.2. Yêu cầu về kích thước: Đối tượng kiểm tra Sai lệch cho phép trong gia công và lắp ráp - Đường kính đoạn trục lái có rãnh then - Bán kính góc lượn rảnh then - Khoảng cách từ mép rảnh then đến đầu côn lớn khi đường kính trục lái - Chiều cao then - Chiều dài đoạn côn trục lái nối với bánh lái - Độ côn của trục lái tại mối nối côn - Đường kính ngoài của ren - Đai ốc của trục lái và chốt lái. Đường kính đỉnh ren. Chiều cao đai ốc Đường kính ngoái của đai ốc - Phải tăng ít nhất 5% - Không quá 0,01mm đường kính trục lái nhưng không nhỏ hơn 1mm. - 30 mm - Không nhỏ hơn ½ chiều rộng then. - Không nhỏ hơn 1,5 đường kính tính toán trục lái. - Độ côn tăng theo đường kính từ 1:8÷1:12 - Không nhỏ hơn 0,7 đường kính trục lái. - Không nhỏ hơn 0,65 đường kính trục lái và chốt lái Không nhỏ hơn 0,6d ren. Không nhỏ hơn 1,2d trục hoặc 1,5d ren 3.7.3. Yêu cầu gia công và độ bóng gia công: Đối tượng kiểm tra Sai lệch cho phép trong gia công và lắp ráp Yêu cầu gia công - Sai lệch đường kính cổ trục lái hoặc đường kính ngoài áo trục - Sai lệch đường kính phần không làm việc của trục lái - Độ ô van cổ trục lái, độ côn trên chiều dài bằng đường kính cổ trục lái - Độ ô van, độ đảo hướng tâm bề mặt không làm việc của cổ trục lái - Độ đảo hướng tâm bề mặt làm việc cổ trục lái - Trong miền dung sai theo H8 - Trong miền dung sai L17 - Không lớn hơn 0,03mm. - Không lớn hơn 0,1mm. - 0,03÷0,07 mm. Yêu cầu về độ bóng gia công - Bề mặt cổ trục lái - Mặt lắp cần lái với trục lái - Mặt trụ không làm việc - Không thô hơn Ñ7. - Không thô hơn Ñ6. - Không thô hơn Ñ5. 3.7.4. Yêu cầu lắp ráp: Đối tượng kiểm tra Sai lệch cho phép trong gia công và lắp ráp - Lắp mayơ lái với trục lái có then và dẫn động bằng xilanh thuỷ lực - Chốt lái với thân bánh lái - Lắp cần lái với trục lái (khi có then) - Theo . - Theo - Theo . Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1. Kết luận: Từ kết quả tính toán và kiểm tra bền ta rút ra nhận xét sau: Thiết bị lái tàu thủy là một bộ phận rất quan trọng của con tàu vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của con tàu trong quá trình hoạt động. - 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 chọn các hệ số của công thức thực nghiệm gần sát với thực tế. - Khi kiểm tra bền thì ứng suất không lớn hơn ứng suất cho phép của quy phạm nhiều. - Vậy kết cấu của bánh lái đảm bảo an toàn cho con tàu trong quá trình hoạt động. - Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế và đặc biệt là kiến thức thực tế nên việc lựa chọn các hệ số trong công thức cũng như các mô hình tính toán chưa được hợp lý , và không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong quý thây cô và các đọc giả góp ý cho đồ án này được hoàn chỉnh hơn. 4.2. Đề suất ý kiến: Qua thời gian thực hiện đề tài em có một số đề xuất sau: - Trong phần thiết kế kết cấu theo Quy phạm, vùng quy định áp dụng cua Quy phạm rất rộng, do đó để lựa chọn và thiết kế được các kết cấu có đủ độ bền mà tiết kiệm vật liệu đòi hỏi phải có nhiều kinh nghiệm thực tế mà trong quá trình học tập sinh viên vẫn chưa có được. Mặt khác, phương pháp thiết kế theo Quy phạm có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp khác là công thức sử dụng đơn giản, nhưng có thể dẫn đến dư bền. Do đó, em kính đề nghị Bộ môn nên lồng các quy định của Quy phạm và một số kinh nghiệm trong công tác thiết kế theo quy phạm vào trong phần môn học để sinh viên có thể tiếp cận tốt hơn trong công việc sau này. - Trong công việc thiết kế thì đòi hỏi người thiết kế phải biết tổng hợp các kiến thức lý thuyết và đặc biết là kiến thức thực tế. Chính vì vậy em xin đề nghị với nhà trường cùng khoa nên tạo điều kiện cho sinh viên đi thực tế nhiều hơn để sau này khỏi bở ngỡ khi giải quyết một vấn đề 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].Quy phạm phân cấp đóng tàu vỏ thép 2003.