TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÁI TÀU CONTAINER FORTUNE FREIGHTER

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM KHOA VIỆN HÀNG HẢI BÁO CÁO MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN II Tính Toán, Thiết Kế Hệ Thống Lái Tàu Container Fortune Freighter TP HCM tháng 3, 2.

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA: VIỆN HÀNG HẢI BÁO CÁO MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN II Tính Tốn, Thiết Kế Hệ Thống Lái Tàu Container Fortune Freighter TP.HCM tháng 3, 2020 Mục lục LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, xu hướng phát triển chung giới xu toàn cầu hoá, vận tải biển ngành quan trọng, đảm bảo lưu thơng hàng hóa tồn giới Với khoảng 3000km chiều dài bờ biển, phát triển kinh tế biển chiến lược đất nước nhằm phát huy mạnh biển phục vụ phát triển kinh tế xã hội Trong chiến lược phát triển kinh tế biển cơng nghiệp tàu thủy đóng vai trị quan trọng Ngành cơng nghiệp đóng tàu non trẻ nước ta giai đoạn phát triển với qui mô tiềm lớn Nghiên cứu, tính tốn, thiết kế hệ thống truyền độn điện máy phụ tàu thủy nhiệm vụ cấp bách nhằm bước làm chủ công nghệ, tự chù vật tư thiết bị phục vụ cho công nghiệp tàu thủy đất nước Tàu thủy cơng trình kỷ thuật nước, di chuyển nước có kết cấu phức tạp hoạt động môi trường vô khắc nghiệt, chịu tác động nhiều nhiều yếu tố ngoại lực sóng , gió , bão … Chính để đảm bảo tính an tồn cho tàu trình khai thác sử dụng , thiết bị lái đóng vai trị quan trọng Nó có nhiệm vụ giúp ta điều khiển tàu đến nơi mong muốn Độ tin cậy thiết bị lái ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn vận hành khai thác tàu MỤC TIÊU Các mục tiêu báo cáo môn học gồm: 1) Thiết kế hệ thống bánh lái cho tàu container Fortune Freighter 2) Tính tốn lực tác dụng lên bánh lái profin 3) Tính tốn cơng suất lựa chọn động điện 4) Nghiệm lại tính chọn động GIỚI THIỆU VỀ TÀU CONTAINER FORTUNE FREIGHTER - Tàu container Fortune Freighter sản xuất vào năm 1997, đóng nhà máy đóng tàu Watanabe Zosen K.K., Nhật Bản - Con tàu hãng tàu VOSCO sở hữu khai thác, chủ yếu tuyến nội địa Bắc Nam - Fortune Freighter loại tàu chở container với cơng suất máy 5979kW với sức chở 8900 - Sau hình ảnh tàu container thơng số tàu: Hình Hình ảnh tàu container Fortune Freighter Thông số tàu container Fortune Freighter: TÀU CONTAINER FORTUNE FREIGHTER QUỐC TỊCH VIỆT NAM CÔNG TY Chủ tàu VOSCO Quản lý tàu VOSCO Số hiệu thân tàu 303 Ngày đặt sống 09 tháng 04 năm 1997 ĐĨNG TÀU Ngày hạ thủy 05 tháng 06 năm 1997 Ngày đóng 09 tháng 08 năm 1997 Nhà máy đóng tàu Watanabe Zosen K.K., Nhật Bản Số đăng ký hành VN-2831-VT SỐ Số phân cấp VR972991 Số IMO 9168520 Hô hiệu XVQH KÍCH THƯỚC LOA / LBP 123.57 / 113.94 B / D (đầy tải) 18.50 / 8.00 Tổng dung tích GT 6773 TRỌNG TẢI Dung tích hữu ích NT 3733 Trọng tải 8937.8 Lượng chiếm nước toàn 12760.8 tải Số / cỡ miệng hầm hàng 12 / 12.6 x 7.8 SỨC CHỨA HÀNG TEU 561 TEU (homo 14T) 400 DO DUNG TÍCH KÉT FO 835.0 Nước 192.0 Ballast 2484.0 Nhà chế tạo / Mác chế tạo I-Mex Co., Ltd / B & W MÁY CHÍNH 6L42MC Vịng quay (RPM) 176 Công suất 5979kW Tốc độ tàu (hải lý/giờ) 16 Cẩu 2x36T THIẾT BỊ Số ổ điện lạnh 100 Chân vịt mũi Có Cellguide Có TÊN TRƯỚC ĐÂY Islet Ace (08), Heung-a Kobe (03) Thơng số tàu container Fortune Freighter: - Chiều dài lớn nhất: LOA = 123.57 m - Chiều rộng thiết kế: - Chiều cao mạn: - Chiều chìm tồn tải: B = 18.5 m D = 11.4 m T=8m GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG 3.1 Chức hệ thống lái tàu thủy LÁI TÀU THỦY - Trên tàu thủy, hệ thống lái thiết bị đặc biệt quan trọng, có chức điều khiển hướng cho tàu biển, đảm bảo tính an tồn tàu người - Sau số hình ảnh hệ thống lái: Hình 2: Bánh lái bàn điều khiển lái tự động Hình 3: Máy lái thủy lực 3.2 Các yêu cầu hệ thống lái - Hệ thống lái phải làm việc tin cậy, chắn điều kiện thời tiết, khí hậu, trạng thái mặt biển - Hệ thống phải có độ dự trữ lớn, khả thay thế, chuyển đổi vị trí điều khiển thuận lợi - Phải có momen quay cần thiết để thắng momen cản cực đại sinh trụ lái kể trường hợp bánh lái bị mắc kẹt - Phải đảm bảo thời gian bẻ lái từ mạn sang mạn theo quy định không 28s - Phải có nhiều vị trí điều khiển, việc chuyển đổi vị trí điều khiển phải thuận lợi, nhanh chóng - Phải có thiết bị báo vị trí bánh lái buồng lái buồng máy lái - Việc cấp nguồn cho hệ thống lái phải lấy từ bảng điện cố - Đối với hệ thống lái, cố phải báo động, không bảo vệ - Khả điều khiển dễ dàng, thuận tiện - Việc bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng thuận lợi - Kích thước gọn nhẹ 3.3 Cấu trúc hệ thống lái - Một hệ thống lái bao gồm thiết bị sau: + Vô lăng lái bàn điều khiển lái tự động + Bánh lái, trụ lái + Máy lái: nay, thường máy lái thủy lực (bao gồm cặp xilanh lực séc tơ lái) + Các cấu truyền động: bánh răng, truyền + Bơm thủy lực động điện lai + Tủ điều khiển: có chức điều khiển báo động cố cho động lai bơm thủy lực + Các phần tử điện tạo lặp (xenxin, cầu điện trở), mạch chỉnh lưu nhạy pha + Các van điện từ, van tay, van chiều, đường ống thủy lực + Các thiết bị báo (đèn báo, đồng hồ báo góc bẻ bánh lái, la bàn) + Các thiết bị ngắt cuối hành trình - Trong hệ thống lái, có cố, phải báo động đèn cịi, khơng bảo vệ, bao gồm cố sau: + Quá tải động lai bơm: dùng rơ le nhiệt + Mất pha: dùng rơ le bảo vệ pha + Mức dầu két thấp + Mất nguồn + Báo động độ lệch hướng - Trên tàu thủy, hệ thống lái có nhiều chế độ lái bao gồm: lái lặp, lái tự động, lái đơn giản, lái từ xa, lái cố THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁNH LÁI CHO TÀU Xác định hình dạng bánh lái - Dựa vào đặc tính hình dáng vùng tàu tuyến hình, điều kiện làm việc, vùng hoạt động tàu để ta tiến hành chọn kiểu bánh lái cho tàu - Từ ta chọn bánh lái cho tàu loại bánh lái cân nửa treo, loại dùng nhiều cho tàu hàng chân vịt cỡ trung bình nhỏ, tàu thường chạy tuyến ven biển, luồng lạch cạn nên cần thiết bị lái có độ tin cậy cao, hỏng hóc 4.1 Hình Hình dạng bánh lái cân nửa treo 4.2 Xác định thơng số hình 4.2.1 Chiều cao bánh lái học bánh lái - Chiều cao bánh lái nằm khoảng: 0.6T h 0.9T (m) với T = 8m chiều chìm tàu chở đầy hàng Ta có: 4.8 h 7.2 (m) - Ta chọn h = 0.65T = 5.2 (m) Diện tích bánh lái - Diện tích bánh lái tính theo cơng thức sau: =a Trong đó: + L: chiều dài trụ tàu (m) + T: chiều chìm tàu tàu chở đầy hàng (m) + a: hệ số diện tích bánh lái 4.2.2 Hình Bảng hệ số diện tích bánh lái Ta có: L = 123.56 (m), T = (m) Ta chọn: a = Từ ta suy diện tích bánh lái là: = = 19.77 () - Diện tích bánh lái khơng nhỏ trị số tính theo cơng thức: = pq(0.75 + ) () Trong hệ số p, q xác định sau : + p = 1.2 : bánh lái không đặt trực tiếp sau chân vịt + p = : bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt + q = 1.25: tàu kéo + q = : loại tàu khác Ta chọn p = q = Vậy ta có: = pq(0.75 + ) = = 14.88 () Ta thấy : = 19.77 () > = 14.88 () Vậy diện tích bánh lái thỏa mãn 4.3 Các thơng số hình học bánh lái profin - Bánh lái khí động học (profin) sử dụng rộng rãi tàu thủy với hình dạng này, moment cản trụ lái giảm đáng kể Mặc khác, để 10 tăng hiệu sử dụng, người ta thường dùng loại bánh lái dạng profin có phần bù với diện tích phần bù khoảng (0.25 0.3) diện tích bánh lái Hình Tham số bánh lái Các tham số nói lên đặc tính hình học bánh lái dạng profin: - Chiều dài tương đối = = (1) Trong đó: + : diện tích bánh lái () + : chiều rộng trung bình bánh lái (m) + h: chiều cao bánh lái (m) Ta có: = 19.77 () , h = 5.2 (m) Từ ta suy ra: = = = 1.37 (m) - Từ công thức (1) ta suy chiều rộng trung bình bánh lái là: = = = 3.8  - Độ dày tương đối t: t= Trong đó: + : chiều dày lớn + b: chiều rộng mặt cắt ngang lớn bánh lái Bánh lái dạng profin thường có t 0.25 Ta có: 0.12≤ t ≤ 0.25  0.456 t 0.95 Ta chọn t = 0.15 = 0.15 3.8 = 0.57 (m) TÍNH TỐN LỰC TÁC DỤNG LÊN BÁNH LÁI PROFIN Tính tốn hệ số lực hệ số moment thực nghiệm - Mục đích việc tính tốn lực thủy động học tác dụng lên bánh lái profin xác định trị số lực thủy động để làm sở cho việc lựa chọn máy lái, tính tốn độ bền cho thiết bị lái 5.1 11 - Các lực tác dụng lên bánh lái profin sau: Hình Phân tích lực tác dụng lên bánh lái profin + Ta có tổng hợp lực lực tác dụng lên bánh lái: = + Mà vng góc với suy ra: F= + Độ lớn lực N là: N = Ycos + Xsin + Độ lớn lực T là: T = Ycos – Xsin - Dựa vào bảng ta chọn phần bù bánh lái e = 0.75, từ suy = 0.82, = 0.245 Α CN CM e/b -4 - - - -2 -0,13 -0,03 0,231 0 0 0,32 0,08 0,25 0,61 0.15 0,246 12 0,80 0,20 0,25 12 16 0,89 0,30 0,337 20 0,85 0,27 0,318 24 0,83 0,26 0,313 30 0,82 0,245 0,3 5.2 Tính tốn hợp lực tác động lên bánh lái 5.2.1 Lực nâng Y tác động lên bánh lái - Lực nâng Y tính theo cơng thức: Y =S đó: + hệ số lực thủy động, ta xem = = 0.82 + tỷ trọng nước biển = 1025 (kg/) + vận tốc dịng nước Trong tính tốn ta lấy tốc độ tàu (m/s) = 16 hải lý/h = 8.2 (m/s) + S diện tích bánh lái S = 19.77 () Từ ta tính Y = 0.82 * = 558.65 (kN) Lực cản X tác động lên bánh lái - Lực cản X tính theo cơng thức: X =S = 0.395 * = 269.1 (kN) 5.2.3 Tính tốn tổng hợp lực F -Tổng hợp lực F tác dụng lên bánh lái tính theo cơng thức: F = = 620 (kN) 5.2.2 5.3 Tính tốn moment  Chế độ tàu tiến cản trụ lái - Lực tác dụng tạo moment cản trụ lái: N = CN S đó: + : hệ số lực khơng thứ ngun xác định thực nghiệm khơng khí = 0.82 + : tỉ trọng nước biển = 1025 (kg/) + : vận tốc dịng nước Trong tính tốn ta lấy tốc độ tàu (m/s) = 16 hải lý/h = 8.2 (m/s) + S: diện tích bánh lái () S = 19.77 () Từ ta tính : N = CN S= 0.82 = 558.65 (kN) 13 - Moment thủy động cạnh trước bánh lái: =S=N với : khoảng cách từ điểm đặt lực đến cạnh trước bánh lái (m) Từ ta tính được: = 0.245 * = 634.27 (kN/m) - Moment cản trụ lái: = N với khoảng cách từ điểm đặt lực đến trụ lái (cánh tay đòn lực): = = với x = e: chiều rộng phần bù bánh lái x = 0.75(m) Từ ta tính được: = = 0.39(m) suy = N = 558.65 * 0.39 = 217.8735(kN/m) = 217873.5(N/m) Chế độ tàu lùi: Khi tính moment chế độ tàu lùi, phải lưu ý đến đặc điểm sau: + Dòng nước tác động tới bánh lái dòng nước đồng nhất, khơng có bọt khí dịng xốy chân vịt tạo + Điểm đặt lực lùi phía cạnh sau bánh lái cách đáng kể, với Xd = (0,7 0,75) Tăng so với tàu tiến từ 2,53 lần + Tốc độ tàu lùi (0.7 0.75) tốc độ tàu tiến Khi tính tốn ta lấy tốc độ dịng nước: = (0.7 0.75)  14 Hình Đặc tính moment cản trụ lái TÍNH TỐN BỘ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC Thơng số xilanh lực - Dựa vào kích thước bánh lái ta chọn xilanh lực có thơng số sau: + Số cặp xilanh: m = + Đường kính xilanh: D = 100 (mm) = 0.1 (m) + Đường kính cán piston: d = 40 (mm) = 0.04 (m) + Chọn bán kính séc tơ lái: R = 300 (mm) + Tiết diện lòng xylanh: F1 = = 78.53 () + Tiết diện cán piston: F2 = = 12.56() 6.1 15 + Tiết diện công tác xilanh F = 2F1 – F2 = 144.5 () + Hành trình piston: h = 2Rsin35 = 344.14 (mm) + Khoảng cách tâm xilanh: L = 2Rcos35 = 491.49 (mm) + Hiệu suất khí: ηc = 0.95 + Dung tích dầu hành trình +35º -35º (V thể tích chất lỏng cơng tác chảy qua bơm bẻ lái từ mạn tới mạn ) 6.2 Tính tốn lực hình thành truyền 6.2.1 Lực tác động tải thủy động động - Lực tác động tải thủy động (ký hiệu T) xác định theo công thức: T= đó: +: moment cản trụ lái 217873.5 (N/m) + : khoảng cách từ trụ lái tới trục truyền lực piston (bán kính séc tơ lái) = 0.3 (m) + m: số cặp xilanh m = Từ ta tính được: T = = 594905 (N) Lực ma sát xilanh máy lái - Lực ma sát xilanh (ký hiệu B) xác định theo công thức: B = 0,15π.D.h.p đó: + D đường kính piston xilanh lực (m) D = 0.1 (m) + h hành trình piston (m) + p áp lực công tác xilanh lực (N/ + hệ số ma sát = 0.2 + 0.15 hệ số kinh nghiệm 6.2.2 Diện tích xilanh: Sxl = 3.14Dh = 3.14 * 0.1 * 3.44 = Suy p = = 169.7 (N/ Từ ta tính được: B = = 5.5 (N) Lực tác dụng xilanh máy lái - Lực tác dụng xilanh máy lái (ký hiệu ) tính theo công thức: = () + B với: + moment cản trụ lái 217873.5 (N/m) + m số cặp xilanh m = + bán kinh séc tơ lái = 0.3 (m) + hệ số ma sát = 0.2 + N lực tác dụng tạo moment cản trụ lái N = 558.65 (kN) + B lực ma sát xilanh máy lái B = 5.5 (N) Từ ta tính được: = 735542.623 (N) 6.3 Tính tốn thơng số bơm 6.2.3 16 Tính tốn lưu lượng bơm - Thể tích chất lỏng cơng tác chảy qua bơm bẻ từ mạn sang mạn (+35º -35º): V = R(sin 35º + sin 35º)F = 30 * 1.15 * 144.5 = 4985.25 ) = 4.98 (lít) - Để thời gian quay lái từ 35º mạn sang 35º mạn 28s, thời gian bẻ lái tính tóan từ mạn sang mạn dựa theo Quy Phạm Đăng Kiểm theo biểu thức sau: T = Tđk - (2 ÷ 3) (s) lưu lượng bơm là: 6.3.1 với T = 25 (s) Từ = = 0.2 ) = 12 (lít/phút) - Lưu lượng định mức: = đó: + = 1.2 + : hệ số dự trữ = 0.5 + : hệ số tốc độ = 0.7 Từ ta tính được: = 1.20.5 = 10.28 (lít/phút) = 1.67 x (/s)  Giải thích thơng số K0, Kdt, Kn - Để đảm bảo hệ thống lái thủy lực họat động tin cậy chắn lưu lượng định mức bơm phải lớn lưu lượng trung bình Trong tính tóan lưu lượng định mức dựa theo nguyên tắc sau: + Trong trình bẻ lái áp suất thủy lực piston tăng làm hiệu suất thể tích giảm dẫn đến lưu lượng bơm bị giảm Khi xét đến giảm thể tích bị nén người ta đưa vào biểu thức tính lưu lượng định mức hệ số K0 = (1,1 ÷ 1,25) + Đa số hệ thống lái điện thủy lực để đảm bảo khả dự trữ người ta thừơng sử dụng hai bơm thủy lực Các bơm làm việc độc lập song song với tuỳ theo chế độ công tác tàu Do tính lưu lượng định mức, người ta đưa vào hệ số dự trữ K dt = (1,0 ÷ 0,5) 17 + Thực tế để tăng tuổi thọ cho bơm người ta thường chọn động có tốc độ làm việc thấp tốc độ định mức bơm khỏang (20 - 30)% Do lưu lượng bơm thực tế giảm so với cataloge khỏang (0,2 - 0,3) lần Để xét đến yếu tố tính tốn lưu lượng định mức người ta đưa hệ số tốc độ Kn = (0,7 ÷ 0,8) 6.3.2 Tính tốn lưu lượng bơm biến lượng hình Hình 9: Sơ đồ cấu tạo bơm biến lượng hình - Lưu lượng bơm biến lượng hình tính theo cơng thức: 18 Q = hmaxeT đó: + D: đường kính piston bơm (m) D = 0.1 (m) + z: số piston bơm z = + : hành trình lớn piston = 3.4414 (m) + e: độ dịch chuyển tương đối vành định tâm bơm biến lượng ( + n: tốc độ quay roto bơm (v/p) n = 1500 (v/p) + : hiệu suất thể tích = 0.92 Từ ta tính được: Q = = 3.1 ( Tính tốn áp lực bơm - Áp lực công tác bơm xác định theo công thức sau: = = f(β) với = = 735542.623 (N) Từ ta tính được: =93699.7 (kN) 6.3.3 - Ngoài tải thủy động số tổn hao học chủ yếu áp lực công tác bơm phải thắng tổn hao ma sát chất lỏng với đường ống dẫn số tổn hao phụ khác Do vậy, bơm cần phải sinh áp lực cơng tác phụ tính tóan khoảng sau: = (0.1 0.15) Ta chọn = 0.1 = 9369.97 (kN) Vì áp lực cơng tác bơm là: = 103069.67 (kN) TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG LÁI ĐIỆN THỦY LỰC - Công suất động điện: P= Với = = 170.92 ( = 103069.67 (kN) = (0.5 0.7) Từ ta tính P = = 24.6 (kW) - Dựa vào catalogue động ta chọn động có thông số sau: + Công suất P = 25.3 kW + Hệ số công suất cos = 0.8 + Tốc độ 1770 (vịng/ phút) 19 Hình 10 Chọn động NGHIỆM LẠI ĐỘNG CƠ - Ta kiểm nghiệm theo phương pháp thời gian để thỏa điều kiện đăng kiểm thời gian bẻ lái từ 35 độ mạn trái sang 35 độ mạn phải: Ta có cơng thức: T = K0Kdt Trong đó: + = 1.2 + : hệ số dự trữ = 0.5 + : hệ số tốc độ = 0.7 + V: thể tích chất lỏng công tác chảy qua bơm bẻ từ mạn sang mạn V = 4985.25 ) + n: tốc độ bơm n = 1770 (vòng/phút) + : lưu lượng riêng bơm = 3.1 ( + : lưu lượng trung bình bơm = 0.2 ) = * (/s) + T: thời gian bánh lái bẻ từ mạn sang mạn Từ ta tính T = 20 (s) < 28 (s) thỏa mãn yêu cầu Đăng Kiểm TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) 2) 3) Tính tốn thiết kế hệ thống TDDTT-2 Truyền động điện tàu thủy – Lưu Đình Hiếu Sổ tay thiết bị tàu thủy tập – Phan Văn Hội 20 ... Trên tàu thủy, hệ thống lái có nhiều chế độ lái bao gồm: lái lặp, lái tự động, lái đơn giản, lái từ xa, lái cố THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÁNH LÁI CHO TÀU Xác định hình dạng bánh lái - Dựa vào đặc tính. .. cho tàu biển, đảm bảo tính an toàn tàu người - Sau số hình ảnh hệ thống lái: Hình 2: Bánh lái bàn điều khiển lái tự động Hình 3: Máy lái thủy lực 3.2 Các yêu cầu hệ thống lái - Hệ thống lái phải... Chiều rộng thiết kế: - Chiều cao mạn: - Chiều chìm tồn tải: B = 18.5 m D = 11.4 m T=8m GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG 3.1 Chức hệ thống lái tàu thủy LÁI TÀU THỦY - Trên tàu thủy, hệ thống lái thiết