Thiết kế tàu hút bùn - Chương 5

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế tàu hút bùn

- Phao được chế tạo phải thõa mãn các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo tính nổi, tính ổn định trong các tính huống bất lợi nhất củathiết bị.

+ Đảm bảo độ bền.

+ Đảm bảo kết cấu nhỏ gọn, dễ tháo lắp, tạo điều kiện dễ dàng khivận chuyển từ xưởng tới nơi làm việc hay từ nơi làm việc này tới nơi làm việckhác.

5.2 ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC PHAO:

Ta chọn kết cấu phao gồm 1 phao chính và 2 phao phụ:+ Phao chính có chiều dài 1,8m; chiều rộng 2m.

+ Phao phụ: ta nhận thấy tiết diện phao hình tròn sẽ chịu lực tốt hơn làtiết diện phao hình chữ nhật, tuy nhiên tiết diện hình chữ nhật đơn giản trong việcchế tạo nhưng ở luận văn này em nhận thấy rằng toàn bộ thiết bị đều đặt trên phaochính còn 2 phao phụ chỉ có tác dụng trong việc đảm bảo tính nổi, tính ổn định củaphao Nếu phao chính cần có tiết diện hình chữ nhật để dễ chế tạo và nhất là tạonên bề mặt bằng phẳng nhằm bố trí, lắp đặt thiết bị thì ở 2 phao phụ em chọn tiếtdiện hình tròn Tuy nhiên nếu dùng thép tấm để cuộn lại thành hình tròn sẽ đưađến chi phí nguyên vật liệu, công sức khá cao nên em dùng các thùng phi ghép lạiđể tạo nên 2 phao phụ tròn Với giá cả hiện nay thì việc dùng thùng phi ghép lạitạo 2 phao phụ sẽ rẽ hơn rất nhiều so với việc dùng thép tấm để tạo nên phao cótiết điện hình chữ nhật hay tròn.

5.2.1 Thùng phi có kích thước và khối lượng như sau:

Hình 5.1 – Kích thước thùng phi.

- Khối lượng 1 thùng phi: G25kg

- Bề dày tấm tôn làm thùng phi: 1,7mm

5.2.2 Kích thước phao được chọn như sau:

- Trục nổi z-z: là trục thẳng góc mặt nổi và đi qua trọng tâm phao.- Trục nghiêng ngang y-y: là trục dọc phao đi qua trọng tâm phao.- Trục nghiêng dọc x-x: là trục ngang đi qua trọng tâm phao.

Hình 5.3

5.3.2 Tính ổn định của phao:

Tính ổn định của phao là khả năng phao quay về vị trí ban đầu khi lực tácdụng (ngoại lực) làm cho phao bị nghiêng không còn nữa.

- Tính ổn định của phao khi bị nghiêng ngang (quanh trục y-y) một góc 

gọi là tính ổn định ngang.

- Tính ổn định của phao khi bị chúi dọc (quanh trục x-x) một góc  gọi làtính ổn định dọc.

Rõ ràng khi thay đổi vị trí của thiết bị so với vị trí cân bằng ban đầu làm nảysinh 2 momen có xu hướng chống đối nhau.

Momen ổn định hình dáng M1 có khuynh hướng đưa thiết bị về vị trí cânbằng ban đầu, có thể tính như sau:

Khi phao nghiêng (hay chúi) thì có một khối nước hình nêm thoát ra và cómột khối nước hình nêm khác thay vào (phần gạch chéo hình 5.5)

Lực đẩy nguyên tố của cột nước nhỏ cách trục phao 1 đoạn x:

.dv.dF.x.tg .dF.x. (5.1)(vì  nhỏ nên tg)

Lực đẩy nguyên tố này gây nên momen nguyên tố đối với tâm quay O mộtlượng:

Với 0

I : momen quán tính của mặt nổi đối với trục y-y.

- Momen M2:

Khi ở trạng thái cân bằng thì trọng tâm G của thiết bị và tâm đẩy D (điểmđặt của lực đẩy Acsimet tác dụng lên phao) cùng nằm trên trục nổi z-z Khi có tácdụng của ngoại lực làm cho thiết bị bị nghiêng (hay bị chúi) thì tâm đẩy D sẽ dờisang vị trí D’ và cắt trục nổi tại M.

Hình 5.4

Hình 5.5

Ta nhận thấy rằng: đối với việc tính toán ổn định ngang (nghiêng quanh trụcy-y) ta cho phao cân bằng ở trạng thái không làm việc bằng cách bố trí các cụmthiết bị đối xứng qua đường tâm y-y, sau đó khi làm việc do có sự di chuyển vị trícủa 2 công nhân sẽ gây nên momen ngoại lực làm cho phao bị nghiêng một góc  Ta tính toán kiểm tra góc  và xem mức nước ngập phao hay không.

Đối với việc tính toán ổn định dọc thì ngược lại ta tính toán thêm đối trọngđể phao cân bằng ở vị trí làm việc, khi không làm việc do:

'

2yB: lực tác dụng của dàn phay lên trục T khi phao làm việc,

kGyB 2.288,3576,62'

Đồng thời lúc bấy giờ xảy ra trường hợp 2 công nhân rời vị trí làm việc đi vềphía sau nơi 2 cọc neo do đó cũng gây nên 1 momen ngoại lực ngược hướng vớimomen do (22')

y  gây nên.

Ta tính toán xem góc chúi  có nhỏ hơn góc chúi cho phép   không? xemmớn nước có ngập phao không?

Tóm lại: việc tính toán ổn định ngang và dọc theo 2 trạng thái:- Tính toán ổn định dọc theo trạng thái không làm việc- Tính toán ổn định ngang theo trạng thái làm việc.

a Tính toán ổn định dọc theo trang thái không làm việc:

- Tính toán khối lượng tải trọng đặt sau phao để cân bằng phao ở trạng tháilàm việc:

+ Xác định trọng tâm của phao:

Ta giả thiết khối lượng phao phân bố đều trên chiều dài mỗi phao, do đótrọng tâm mỗi phao nằm tại điểm giữa chiều dài mỗi phao như hình vẽ:

G : trọng lượng toàn bộ phao, Gp 2.Gpp Gpc 2.165400730kG

Gọi y là khoảng cách từ trọng tâm của phao đến đường A-A, ta có:



Các tải trọng tác động lên phao và khoảng cách từ điểm đặt các lực đếntrọng tâm phao (hay đến trục x-x).

Hình 5.7

Tải trọng dàn phay tác dụng lên phao:

kGyB 576,62'

Tải trọng của cụm bơm:

kGGcb 158

G 0,6

Tải trọng hai công nhân:

kGGcn 120

G 1,1

Tải trọng hai cụm nâng cọc:

kGGnc 50

my

Mxx 0

+ Tính toán sức nổi của phao:

Khối lượng toàn bộ thiết bị ở trạng thái không làm việc là:

tbGGyGGGGG 2 đ 

1913730kG158623,87116050120

Hình 5.7

Giả thiết lúc không làm việc và phao ở vị trí cân bằng thì đường mớn nước điqua tâm O của phao phụ, ta cần xác định xem hc (chiều cao từ đáy phao chính đếnđường mớn nước) là bao nhiêu khi đảm bảo được sức nổi ở mức đó.

Diện tích vùng gạch chéo A (diện thích cắt ngang của phao phụ phần ngậpnước):

R: bán kính thùng phi, R 0,29m

Trong đó:

: khối lượng riêng của nước, 103kg/m3

A: diện tích vùng gạch chéo, A 0,132m2

L : chiều dài phao phụ, Lp 2,7m

kGGph 2.103.0,132.2,7713

Vậy phần phao chính ngập trong nước phải tạo nên được một sức nổi là Gch

sao cho:

Gch  tb  ph 19137131200

Từ giá trị Gch tính được, ta xác định chiều cao phao chính ngập trong nước hc:

Trong đó:

L : chiều dài phao chính, Lc 1,8m

B: chiều rộng phao chính, B 2mm

H  c 0,330,290,62

b Tính toán ổn định dọc của phao:

Khi không làm việc, do 2y B 2yB' nên gây ra một momen M1 quanh trục x, đồng thời khi hai công nhân ra phía sau phao tạo nên một momen M2 quanh trụcx-x Tổng hợp hai momen này tạo thành momen Md làm cho phao chúi về phíasau một góc  được tính theo công thức:

xx

22' .0,7.1,1

99623kG.,m8576990,8Nm.0,7120.1,1

I  : momen quán tính của mặt nổi đối với trục chúi dọc x-x:

 AI  BI

Ixx 2. xx  xx (5.15)A,B: là các diện tích gạch chéo trên hình 5.8.

 

z : tọa độ trọng tâm của thiết bị khi không làm việc theo trục z-z:

(5.17)Với:

Hình 5.9

Tải trọng dàn phay tác dụng lên phao:

kGyB 623,8

Tải trọng của phao chính:

kGGpc 400

Tải trọng của cụm bơm:

kGGcb 158

G 0,37

Tải trọng hai công nhân:

kGGcn 120

G 0,9

Tải trọng của đối trọng:

kGGđt 71

G 0,62

Tải trọng hai cọc neo:

kGGc 160

Tải trọng hai cụm nâng cọc:

kGGnc 50

Thế tất cả số liệu trên vào ta tính được tọa độ trọng tâm thiết bị khi khônglàm việc:

mzG 0,08

Hình 5.10

z : tọa độ trọng tâm D của phần nước mà phao chiếm chỗ.

(5.18)Với:

Với: 0

R0,29m



   

Vậy: azG  zD 0,080,4420,36m

V: thể tích phần nước do phao chiếm chỗ khi không làm việc:

Thế các số liệu trên vào (5.16) ta tính được:

hmax  c 0,330,0430,373

Vậy thiết bị đạt được độ nổi và độ ổn định khi không làm việc.

b Tính toán ổn định ngang khi làm việc:

- Xác định mức nước tĩnh hc khi phao đang làm việc:

Khi làm việc, tải trọng từ dàn phay tác dụng lên phao 2yB' nhỏ hơn lúckhông làm việc 2yB nên lực đẩy Acsimet lúc bấy giờ cũng nhỏ hơn 1 lượng đúng

2yB  yB F (F2 là lực cản đào pháp tuyến).

Nếu khi không làm việc lực đẩy Acsimet là Fđ 1913kG thì khi làm việc lựcđẩy Acsimet chỉ còn:

 đ

Thể tích nước do phao chiếm chỗ:Ta có: F đ' V.

Gọi z là khoảng cách từ tâm phao phụ đến mớn nước khi làm việc, ta tính Vtheo z như sau:

Hình 5.12

- Tính diện tích vùng gạch chéo A’:+ Diện tích hình quạt MON:

SMON  với arccosRz

+ Diện tích hình tam giác MON:

SMON 

Do đó diện tích phần A’:

V 2'.'.

0,33 .1,8.

2 R2 zR2 z2 z

Mà V 1,8658m3

0,33 .1,81,8658.

Giải phương trình ta tính được:

mz 0,01

Vậy chiều cao phần ngập nước của phao chính là:

zD' D 0,442

Tọa độ trọng tâm thiết bị lúc làm việc zG' tính như lúc không làm việcnhưng thay 2yB 628,3kG thành 2yB'576,6kG

 , ta được:

Do đó:

Tính Iyy: momen quán tính đối với trục nghiêng y-y của mặt nổi.

Do ta xem gần đúng h c' hc nên có thể tính gần đúng Iyy theo hình vẽ sau:

Hình 5.13

Ta tính được:

Khi làm việc, do sự di chuyển vị trí của 2 người công nhân về mép phaochính để quay dàn phay nhằm thay đổi vị trí cắt đất khi thi công Khi 2 người công

nhân di chuyển đến mép phao chính thì tạo ra một momen nghiêng tàu quanh trụcy-y:

Góc nghiêng của phao quanh trục y-y  tính theo công thức:

  0

Với: '2.22.0,292,58

Độ chìm lớn nhất ở mép phao là:

hmac' c''0,330,0260,356

mh' phao 0,58

Vậy thiết bị đạt được độ nổi và độ ổn định.

5.4 TÍNH TOÁN SỨC BỀN CỦA PHAO:5.4.1 Tính toán sức bền phao phụ:

Phao phụ là các thùng phi ghép lại, các thùng phi có bề dày 1,7mm, với bềdày đó ta kiểm tra xem khi thùng phi ngập hẳn trong nước thì có bị hư hỏng không?Khi thùng phi ngập hoàn toàn trong nước thì áp suất tác dụng lên bề mặt ngoàithùng phi tuân theo quy luật bậc nhất:

max.g.H 1000.9,8.0,585684kG/m 0,05684N/mm

Hình 5.14

Để cho việc tính toán dễ dàng ta cho toàn bộ bề mặt ngoài thùng phi chịu tácdụng đều đặn của áp suất Pmax Như vậy bài toán tính bền ở đây là bài toán vềbình chịu áp suất thủy tĩnh, bề dày thành bình tính theo công thức:

 

  : ứng suất cho phép của vật liệu thùng phi,  50N/mm2

Mà ở đây thùng phi có 1,7mm nên đảm bảo độ bền.

Hình 5.22

5.4.2.Tính toán sức bền phao chính:

a Kết cấu phao chính:

Phao chính có khung sườn làm từ các thép LN06 ghép lại với nhau bằngphương pháp hàn, sau đó dùng thép tấm có 4mm để hàn vào các khung sườn tạonên sự kín khít của phao.

Trên cơ sở khung sườn phao đã định ra trên bản vẽ ta kiểm tra xem sức bềncủa khung sườn phao đó.

b Nguyên tắc tính sức bền phao:

Tính sức bền phao tương tự như tính sức bền các tàu thuyền gồm các phần sau:- Kiểm tra sức bền cục bộ của các phần như đáy phao, mạn phao, nắpphao… dưới tác dụng của áp lực nước và các tải trọng tác dụng khác.

- Kiểm tra sức bền chung của phao: lúc đó xem phao như một dầm đàn hồi.Thực ra việc tính toán sức bền của phao bằng cách chia ra như trên chỉ lànhằm đơn giản cho cách tính toán, là cách tính gần đúng nhưng nó thõa mãn chothiết bị củ ta vì thiết bị chịu tải nhẹ, các kết cấu bộ phận đều quá thừa bền.

c Sơ đồ chịu lực của phao:

Hình 5.23

+ Tải trọng của các cụm tác dụng lên phao gồm:- Tải trọng dàn phay: 2yB 623,8kG

- Tải trọng cụm nâng cọc: Gnc 50kG

- Tải trọng 2 cọc neo: Gc 160kG

- Tải trọng cụm bơm: Gcb 158kG

- Tải trọng của đối trọng: Gđt 71kG

+ Các tải trọng tác dụng do áp lực nước:

Để tính sức bền phao ta tính trường hợp phao bị chìm đến độ sâu lớn nhất

hmax 0,362 , ta lấy hmax 0,4m để bù trừ khi có thêm các tải trọng phụ khác.

Như vậy tải trọng làm cho phao chìm trên một đoạn h đều xem như phânbố đều trên phao với cường đo q1:

1. h 10.0,07700N/mq 

(h hmax hc  m

Aùp lực nước từ dưới lên xem như phân bố đều với cường độ q2:

Aùp lực nước tác dụng bên hông phao phân bố bậc nhất với:

3 q 4000N/m

d Kiểm tra sức bền đáy phao:

Khung sườn đáy phao gồm có 3 thanh ngang LN06 và 2 thanh dọc [N08.Các thanh này được hàn với nhau và cuối cùng được phủ lên bằng 1 tấm thép Tagiả thiết các tấm đáy biến dạng và khi đó áp lực nước phân bố đều trên 3 thanhngang và 2 thanh dọc với cường độ qn:

LFqqn 2.

Trong đó:

F : diện tích đáy phao chính, F 2.1,83,6m2

L: tổng chiều dài các thanh, L 2.1,83.29,6m

Trọng lượng cụm bơm gồm: động cơ, khớp nối, bơm,… ta coi như phân bố đềutrên các mối nối của 3 thanh ngang và 2 thanh dọc với lực qcb:

Trong đó:

- Sơ đồ chịu lực của thanh ngang:

Hình 5.24

- Sơ đồ chịu lực của thanh dọc:

Hình 5.25

So sánh sơ đồ chịu lực của thanh ngang và than dọc ta nhận thấy:

- Thanh dọc có tiết diện ngang lớn hơn thanh ngang (thanh dọc là [N08

còn thanh ngang là LN06)

- Thanh dọc ngắn hơn thanh ngang.

- Thanh dọc chịu lực ít nguy hiểm hơn thanh ngang.- Do đó ta chỉ kiểm tra bền thanh ngang

Biểu đồ momen của thanh ngang:

Hình 5.26

Xác định phản lực tai A và B:

 



Thực tế tấm lót đáy cũng chịu một phần áp lực nước, do đó khi tính bền taphải kể đến tấm đáy ghép với thanh L, chiều rộng phần tấm đáy tính thêm vàobằng khoảng cách giữa 2 thanh ngang (0,66m)

Mặt cắt cần kiểm tra có hình dạng và kích thước như sau:

Hình 5.27

Gọi:

- C: là trọng tâm mặt cắt.

- Trục x  : là trục đi qua trọng tâm của mặt cắt trên.x

- Trục x 1 x1: là trục đi qua trọng tâm mặt cắt (1)- Trục x 2 x2: là trục đi qua trọng tâm mặt cắt (2)Khoảng cách OC:



Momen quán tính của mặt cắt đối với trục trung tâm x-x:

Trong đó:

mmY 5615,714,755

Vì vậy: 103,6N/mm2 160N/mm2

Thõa mãn điều kiện bền.

e Kiểm tra sức bền mạn phao:

Mạn phao và đầu phao cuối phao chịu áp lực nước phân bố theo quy luật bậc

max4000N/m

Kết cấu phao gồm 3 thanh LN06 ở giữa và phủ bên ngoài bằng một tấmthép có 4mm Ta xem như tấm thép biến dạng, do đó áp lực nước phân bố đềulên 5 thanh theo quy luật bậc nhất (tam giác).

Sơ đồ chịu lực của thanh đứng:

Hình 5.27

Trong đó:

234000N/mq 

F : diện tích phần mạn phao ngập nước, F 1,8.0,40,72m2

L: tổng chiều dài 3 thanh đứng, L3.0,41,2m

72,0.4000

Trong đó:

R : phản lực tại A, tính bằng:

Mmax 103,2.0,620,422,7

Diện tích mặt cắt phần này giống diện tích mặt cắt phần tính bền đáy phao ởtrên nên:

Ix 

mmY 55

Ưùng suất pháp cực đại sinh ra:

Thõa mãn điều kiện bền.

f Kiểm tra sức bền chung:

Ta xem phao như một dầm chịu tác dụng của các tải trọng và áp lực nước.Sơ đồ lực tác dụng lên dầm phao như sau:

Hình 5.28

Ta tính các tải trọng phân bố:

1 q.b

Trong đó:

21700N/mq 



- Do đó ta kiểm tra sức bền chung của phao tại tiết diện A-A.Momen tại mặt cắt A-A:

Tiết diện mặt cắt A-A:

Hình 5.29

Để đơn giản việc tính toán kiểm tra, ta bỏ qua phần diện tích của thùng phimà chỉ xét đến diện tích của các thanh [N08 đồng thời thay vì xét mặt cắt cácthanh [N08 để xiên ta xét mặt cắt với các thanh [N08 để úp ngay lại như hình vẽ;với mô hình tính toán này vừa an toàn hơn lại vừa tính toán đỡ phức tạp hơn.

S: diện tích một mặt cắt [, S 8,98cm2

a: khoảng cách từ trục x 1 x1 đến trục x-x, a 20,5cm

JYM  .

Trong đó:

MAA 4223,344223340

Y  0 20513,1218,1

39,