tính toán lựa chọn máy lái cho hệ thống lái tàu dầu 7000 tấn

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. TỔNG QUAN VỀ TÀU 1.1.1. Loại tàu và công dụng Tàu dầu 7000 (Tấn) là loại tàu biển vỏ thép, kết cấu hàn điện hồ quang, đáy đôi. Tàu được trang bị một chong chóng truyền động trực tiếp bởi một máy chính thông qua một đường trục.Tàu dùng để trở một số sản phẩm dầu mỏ: dầu thô, dầu DO, dầu FO…

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: MÁY PHỤ TÀU THỦY

MỤC LỤC

Danh mục chữ viết tắt và ký hiệu………

…… 4

Danh mục bảng………

… 4

Danh mục hình vẽ……… 4

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ TÀU 5

1.1.1 Loại tàu và công dụng 5

1.1.2 Vùng hoạt động và phân cấp 5

1.1.3 Thông số, kích thước chính 5

1.1.4 Máy chính 5

1.1.5 Hệ trục chân vịt 6

1.1.5.1 Hệ trụ 6

1.1.5.2 Chong chóng 6

1.2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LÁI 7

1.2.1.Quá trình quay trở và nhiệm vụ của thiết bị lái ( bánh lái)7 1.2.1.1 Quá trình quay trở của tàu 7

1.2.1.2 Nhiệm vụ của thiết bị lái 9

1.2.2 Các bộ phận cơ bản của hệ thống lái 10

1.2.2.1 Khái niệm về hệ thống lái 10

1.2.2.2 Các bộ phận cơ bản của hệ thống lái 10

1.2.2.3.Yêu cầu và nhiệm vụ 11

PHẦN 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI 14

2.1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN KIỂU MÁY LÁI 14

2.1.1 Phân loại, ưu nhược điểm của máy lái 14

2.1.1.1 Theo công dụng: 14

2.1.1.2 Theo nguồn năng lượng: 14

2.1.1.3 Theo kiểu hệ truyền dẫn động 14

2.1.2.Máy lái thuỷ lực: 17

2.1.2.1 Hệ xi lanh thuỷ lực cố định 19

2.1.2.2.Hệ xi lanh thuỷ lực lắc được 21

2.1.2.3 Động cơ thuỷ lực vành khuyên 22

2.1.2.4 Động cơ thuỷ lực bánh dẫn 23

2.1.2.5 Động cơ thuỷ lực Rôto-piston hướng kính 23

2.2.TÍNH TOÁN LỰA CHỌN MÁY LÁI 24

2.2.1.Nguyên lý làm việc 24

2.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ xilanh thuỷ lực 24

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 25

2.2.2.Tính áp suất và lưu lượng của dầu thủy lực cấp cho cụm xylanh-piston của máy lái 26

2.2.2.1.Tính áp suất 26

2.2.2.2.Tính lưu lượng 30

2.3 TÍNH THỦY LỰC ĐƯỜNG ỐNG VÀ CHỌN BƠM 31

2.3.1 Lựa chọn đường ống 31

2.3.2 Tính thuỷ lực đường ống 34

2.3.3 Chọn bơm 37

PHẦN 3 : KẾT LUẬN 3.1 Máy lái thủy lực………

……… 39

3.2 Mô tơ lai bơm thủy lực …………

……… 39

3.3 Bơm thủy lực………

……… 39

3.4 Dầu thủy lực……… 39

VAN VÀ CÁC KÝ HIỆU VAN………40

BẢNG KÝ HIỆU……… 41

Danh mục chữ viết tắt và ký hiệuTCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

Danh mục bảngVan và ký hiệu van………

40Bảng ký hiệu……… ……

41

Danh mục hình vẽHình 1.1 Quá trình quay vòng của tàu………

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 TỔNG QUAN VỀ TÀU

1.1.1 Loại tàu và công dụng

Tàu dầu 7000 (Tấn) là loại tàu biển vỏ thép, kết cấu hàn điện hồ quang, đáy đôi Tàu được trang bị một chong chóng truyền động trực tiếp bởi một máy chính thông qua một đường trục.Tàu dùng để trở một số sản phẩm dầu mỏ: dầu thô, dầu DO, dầu FO…

Các thông số cơ bản của máy chính :

+Công suất dịnh mức: Neđm=5180 KW;

+Công suất lớn nhất liên tục: Ne =4403 KW;

+Vòng quay định mức: Neđm =173 v/p ;

+Vòng quay lớn nhất liên tục: Ne =164 v/p;

+Số xi lanh: i=7 xi lanh ;

+Đường kính xi lanh & hành trình piston: D =350 mm; S =

1400 mm;

+Vận tốc piston: Vp =8,07 m/s;

+Áp suất khí cháy lớn nhất: Pzmax =130 KG/cm2

+Thứ tự nổ: 1-7-2-5-4-3-6;

+Lượng tiêu hao nhiên liệu có ích: ge =178,4 g/KW.h;

+Chiều quay của động cơ: Theo chiều kim đồng hồ (nhìn từ phía lái);

+Áp suất không khí nén khởi động: 25 kG/cm2

+Đảo chiều trực tiếp;

+Tua bin tăng áp kiểu IHI BBC VTR400*2;

+ Đường kính, [D] : 4300 (mm);

+ Số cánh, [z] : 04

Vật liệu : Thép hợp kim Ni-Al-Br

Trọng lượng :6660 (Kg)

1.2 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LÁI

1.2.1.Quá trình quay trở và nhiệm vụ của thiết bị lái ( bánh lái)

1.2.1.1 Quá trình quay trở của tàu

Là khả năng thay dổi hướng đi về một phía của tàu

Ta thấy tính ổn định hướng đi và tính quay trở là hai khái niệm tương phản một con tàu có tính ổn định hướng đi tốt thì sẽ có tính quay trở kém, và ngược lại Do đó, khi thiết kế phải biết dung hoà các mâu thuẫn đó, phải nhấn mạnh đặc tính nào cần thiết hơn đối với con tàu cần thiết kế

Giả thiết trên một con tàu đang chuyển động tịnh tiến theo đường thẳng với vận tốc V, bánh lái đặt trong mặt phẳng đối xứng Khi

bánh lái quay đột ngột về mạn phải của tàu một góc  và giữ bánh lái ở vị trí đó Con tàu bắt đầu thực hiện chuyển mới gọi là quay vòng

Hình1.1 Quá trình quay vòng của tàu

Xét về đặc điểm những lực tác dụng và đạc điểm chuyển động có thể chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1( Hình2.2): Giai đoạn quay lái

Bánh lái từ vị trí nằm trong mặt phẳng đối xứng xủa tàu được quay

đi một góc  ( Góc quay lái) Áp lực thuỷ động P tác dụng lên bánh lái tăng dần theo góc quay  của bánh lái Thành phần P2 của P đẩy tàu dịch chuyển ngang ngược với chiều quay lái Thành phần P1 của

P hướng ngược chiều tiến của tàu làm cho vận tốc tàu giảm Mô menMtđ = P.L bắt đầu làm quay mũi tàu theo chiều quay lái Lực đẩy của chân vịt Pcv bị đổi hướng, đẩy tàu đi lệch hướng đi trước lúc quay lái

Giai đoạn 2 (hình2.3) :Giai đoạn chuyển động quá độ

Khi tàu quay xuất hiện lực dạt Ry lên thân tàu Lực dạt Ry<P2 nên tàu thực hiện 2 chuyển động dạt ngang và quay Quá trình tàu quay

và dạt ngang làm cho Ry tăng dần Khi Ry =P2 tốc độ dạt của tàu bằng 0 ,tàu chuyển động do lực đẩy của chân vịt và đồng thời quay quanh tâm

Giai đoạn 3 (hình2.4) :Giai đoạn chuyển động xác lập

Qua xem xét quá trình quay vòng của tàu ta thấy mô men thuỷ động làm cho tàu quay được chính là lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái và lực ngang tác dụng lên vỏ tàu, lực này suất hiện do áp lực thuỷ động Ptđ của dòng nước sau chân vịt khi bánh lái quay đi một góc  và có gí trị là:

Mtđ = Ptđ l;

l: là khoảng cách từ tâm áp lực thuỷ động của bánh lái tới trọng tâm tàu

1.2.1.2 Nhiệm vụ của thiết bị lái

Tính ăn lái là khả năng thay đổi hướng đi của tàu theo ý muốn

củ người lái Điều đó có nghĩa là con tàu phải có khả năng chuyển động theo hướng thẳng cũng như phải có khả năng thực hiện tính xoay trở cần thiết Vì vậy tính ăn lái bao gồm cả hai tính chất liên hệmật thiết với nhau là tính ổn định hướng đi và tính quay trở của tàu

Vậy thiết bị lái có nhiệm vụ là giữ ổn định hướng đi và làm cho tàu quay vòng

1.2.2.Các bộ phận cơ bản của hệ thống lái

1.2.2.1.Khái niệm về hệ thống lái

Hệ thống lái: được xếp vào nhóm máy quan trọng trên tàu thực hiện chức năng:

- Điều khiển con tàu hành trình theo một hướng đi cho trước

- Điều động tàu đi lại trong luồng lạch, ra vào cảng, quay trở …

1.2.2.2 Các bộ phận cơ bản của hệ thống lái

Sơ đồ cấu trúc

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái

Là hệ cơ cấu các chi tiết liên kết động với nhau có tác dụng

truyền công suất từ máy lái đến làm quay trục lái

Hệ thống bao gồm bàn điều khiển và vô lăng Bàn điều khiển baogồm các đồng hồ chỉ báo góc lái, hướng đi của tàu, tốc độ tàu

nhằm đảm bảo khả năng quay trở tốt nhất cho tàu

- Chiều quay của vòng tay phải trùng với chiều quay của bánh lái

- Máy lái chính phải đảm bảo quay bánh lái từ mạn này sang mạn kia được liên tục trong thời gian không dưới 10 phút khi tàu tiến toàn tốc Đối với tàu biển thời gian quay bánh lái từ 350 mạn này sang 300 mạn kia không quá 28s Đối với tàu nội thuỷ, thời gian

quay bánh lái từ 350 mạn này sang 300 mạn kia không quá 30s cũng trong lúc tàu chạy tiến toàn tốc

- Máy lái phụ phải đảm bảo quay bánh lái liên tục từ mạn này sang mạn kia trong khoảng thời gian không qua 10 phút và thời gian quay

từ 200 mạn này sang 200 mạn kia không quá 60s trong lúc tàu chạy với tốc độ bằng1/2 tốc độ tiến lớn nhất của tàu (nhưng không dưới 7 hải lý/ giờ)

- Máy lái sự cố phải đảm bảo quay bánh lái từ mạn này sang mạn kia khi tàu chạy tiến với tốc độ không dưới 4 hải lý/giờ

- Máy lái chính có thể là máy lái tay với lực đặt vào tay cầm của vòng tay lái không quá 120 N đối với tàu nội thuỷ, không quá 160 N

đối với tàu biển và vô lăng lái không quá 25 vòng khi tàu quay hết

từ mạn này sang mạn kia

- Máy lái phụ có thể là máy lái tay nếu đường kính trục lái dưới 230 [mm] (đối với tàu khách) và dưới 350 [mm] (đối với tàu khác) Khi đómáy lái phụ phải quay được bánh lái từ 200 mạn này sang 200 mạn kia sau khoảng thời gian không quá 60s bởi 4 người quay vòng tay lái, lực do mỗi người đặt lê tay cầm của vòng tay lái không quá 160

N Nếu các điều kiện trên không thoả mãn thì máy lái chính (hoặc phụ) phải có động cơ điện (điện, thuỷ lực…)

- Trên tàu có ít nhất một máy lái chính và một máy lái phụ Bố trí máy lái sự cố trên boong chính khi cả máy lái chính và máy lái phụ đều nằm hoàn toàn hoặc một phần dưới đường nước chở đầy hàng của tàu Cả 3 máy phải làm việc độc lập với nhau Thời gian chuyển

từ máy lái chính sang máy lái phụ không được quá 2 phút Có thể không đặt máy lái phụ nếu:

+ Đối với tàu khách máy lái chính gồm 2 tổ hợp máy lái Mỗi tổ hợp

có thể độc lập thực hiện các yêu cầu đối với máy lái chính

+ Đối với các loại tàu khác, máy lái chính gồm hai tổ hợp máy, mỗi

tổ hợp làm việc chung thì thoả mãn các yêu cầu đối với máy lái

chính

- Palăng lái chỉ có thể làm máy lái phụ và máy lái sự cố trên các tàu

tự hành ( dung tích không quá 5000 tấn đăng kí) Các tàu có máy lái điện thuỷ lực thì không dùng palăng lái

- Các máy lái có động cơ phải có thiết bị phanh hãm giữ được bánh lái ở vị trí đã định khi bánh lái chịu tác động của ngoại lực sóng, nước tác dụng vào

- Trong bộ phận lái phải có thiết bị bảo vệ quá tải cho phép trên trục lái bằng 1,5 lần mô men lái tính toán máy lái chính chỉ cần có lò

xo giảm chấn Máy lái phụ không càn bảo vệ quá tải

b) Nhiệm vụ

- Máy lái cóp nhiệm vụ tạo ra lực để quay bánh lái một góc  cần thiết trong một thời gian t quy định và giữ bánh lái cố định ở một góc quay đó

- Máy lái có hai bộ phận chính là nguồn động lực và hệ truyền dẫn lực lái từ nguồn động lực tới trục lái

PHẦN 2: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG LÁI 2.1 Phân tích lựa chọn kiểu máy lái.

2.1.1 Phân loại, ưu nhược điểm của máy lái.

2.1.1.1 Theo công dụng:

- Máy lái chính

- Máy lái phụ

- Máy lái sự cố

2.1.1.2 Theo nguồn năng lượng:

- Máy lái tay

- Máy lái điện

- Máy lái thuỷ lực

2.1.1.3 Theo kiểu hệ truyền dẫn động

1, Máy lái dây (truyền động cáp hoặc dây xích)

1 Vô lăng 2.Quạt lái

2 Tang quấn dây 3.Tăngđơ

3 Puli 6.Dây cáp

Hình 2.1 Trục lái được dẫn động bởi môtơ điện thông qua dây cáp hoặc xích

Hiện nay, máy lái dây dùng cho các tàu nhỏ, tàu không tự hành (sà lan, phà) khi mô men lái không quá 4 kN.m

Vì vậy máy lái dây chỉ còn sử dụng cho máy lái phụ và máy lái sự

cố cho tàu ven biển trọng tải nhỏ

2,Máy lái trục các đăng

- Ưu điểm: Máy lái trục các đăng làm việc êm, tin cậy hơn máy láidây

- Nhược điểm:

+ Máy lái trục các đăng chỉ sử dụng khi mô men lái không quá 4kN.m

+ Đường kính trục lái không quá 100 mm

Vì vậy máy lái trục các đăng có phạm vi ứng dụng giống như máylái dây chỉ làm máy lái chính cho các tàu nhỏ và làm máy lái sự cốtrên các tàu mà thôi

3, Máy lái trục vít – đai ốc

Máy lái trục vít – đai ốc tuy có nhiều ưu điểm là kích thước vàtrọng lượng nhỏ, mô men bẻ lái tương đối lớn Song hiệu suất nhỏ,cho nên hiện nay chỉ sử dụng trong các máy lái phục vụ và máy lái

sự cố

4, Máy lái trục vít–bánh vít

Bánh vít được gắn trực tiếp lên trục lái, động cơ lai trục vít Máy láitrục vít-bánh vít cấu tạo đơn giản gọn nhẹ, hoạt động tin cậy, songhiệu suất nhỏ thường làm máy lái sự cố trên boong

5, Máy lái xec tơ

1.Trục lái 2.Cần lái 3.Cung răng 4.Bộrăng truyền

5.Lò xo 6.Trục vít 7.Trục vít 8.Động cơ

Hình 2.2 Máy lái xéc tơ

Máy lái xéc tơ thường có mô men bẻ lái không quá 160 kN.m Máy lái xéc tơ thường có hai loại truyền động ;

- Hệ máy phát động : Hệ truyền động này tương đối đơn giản và rất tin cậy nên được sử dụng rộng rãi

- Hệ truyền động kiểu động cơ có lồng sóc điều khiển bằng công tắc

tơ hoặc tay khống chế khi đóng ngắt liên tục (ở chế độ lái tự động) Động cơ lồng sóc làm việc tồi, ảnh hưởng chung đến mạng điện trêntàu Thiết bị điều khiển bằng công tắc tơ và tay quay khống chế không đủ tin cậy nên luôn luôn phải có thiết bi dự trữ

Do kết cấu phúc tạp , mô men bẻ lái nhỏ nên trên các tàu hàng hải trọng lượng trung bình và lớn thường ít sử dụng máy lái xéc tơ làm máy lái chính

6, Máy lái thuỷ lực

Công chất truyền động là dầu thuỷ lực áp suất cao được tạo bởicác bơm thuỷ lực dẫn tới động cơ thuỷ lực

- Ưu điểm:Máy lái thuỷ lực hiện nay được sử dụng rộng rãi do cónhững ưu điểm sau đây:

+ Có thể tạo mô men bẻ lái lớn (400kN.m)

+ Trọng lượng và kích thước tính trên một đơn vị công suất nhỏ + Hiệu suất cao

+Có tỉ số truyền lớn và dễ thay đổi tỉ số truyền.

+ Các bộ phận công tác được bôi trơn một cách tin cậy bởi chínhdầu thuỷ lực

+ Thời gian các quá trình quá độ ngắn, gia tốc lớn vì quán tính củacác khối lượng chuyển động nhỏ

+ Bảo vệ tránh quá tải tin cậy đơn giản

+ Độ tin cậy cao vì các bộ phận chính đều được chế tạo từng cặp + Dễ điều khiển tự động

- Hệ truyền động thuỷ lực: Xilanh thuỷ lực - động cơ thuỷ lực

- Hệ điều khiển máy lái:

- Bơm thuỷ lực: Bơm có lưu lượng không đổi – Bơm có lưu lượngthay đổi

Trong hệ thống ta sử dụng bơm kiểu: Roto – Piston hướng trục

Đặc điểm của bơm:

- Vòng quay làm việc của bơm lón,truyền động đơn giản;

- Lưu lượng bơm đều,khoảng điều chỉnh rộng và dễ;

- Cột áp bơm lớn(20 kG/cm2),không phụ thuộc vòng quay;

- Bơm có thể điều chỉnh chiều cấp,lưu lượng mà không thay đổivòng quay

Hình 2.3 Cấu tạo của bơm roto-piston hướng kính

Phân tích một số hệ truyền động thuỷ lực:

2.1.2.1 Hệ xi lanh thuỷ lực cố định

Hệ gồm 2 hay 4 xilanh thuỷ lực một chiều được bắt vào bệ máy.Xilanh thường đặt ngang, trục xilanh vuông góc với mặt phẳng đối

xứng dọc của tàu Máy lái làm việc với toàn bộ hoặc từng cặp xilanh,

do đó máy lái có độ tin cậy cao, có thể không cần đặt máy lái phụ

- Ưu điểm : Mô men tăng khi góc bẻ lái tăng, làm kín dễ, mô men

bẻ lái lớn nhất

- Nhược điểm: Tạo ra lực ngang trên xilanh và trục lái

Có kích thước lớn nhất là chiều ngang hệ

Hình 2.4 Hệ xi lanh thuỷ lực cố định

( 2 Xylanh kiểu ngẫu lực- 2 RAM )

1 Xilanh thuỷ lực 4 Ống dẫn dầu

3 Trục lái

3 2

5

1 4

2.1.2.2.Hệ xi lanh thuỷ lực lắc được:

- Hệ xilanh thuỷ lực lắc được là hệ xilanh thuỷ lực của hệ xilanh haichiều bát chốt tại hai đầu vào cần lái và bệ máy Khi làm việc xilanh

có thể lắc được quanh chốt do đó ống đầu phải có đoạn mềm.Thường dùng hệ hai xilanh quay một hoặc hai bánh lái

- So với hệ xilanh cố định thì hệ xilanh thuỷ lực lắc được có kíchthước và trtọng lượng nhỏ hơn, nhương viêc gia công và chế tạo khókhăn hơn xilanh 2 chiều đòi hỏi độ bóng và độ chính xác gia côngcao

-Ưu điểm: Kích thước nhỏ, tin cậy

Nếu bố trí đối xứng thì không có lực cắt lên trục

Không có lực ngang lên xilanh, ma sát nhỏ

- Nhược điểm: Yêu cầu độ chính xác cao, trọng lượng, kích thướcpiston-xilanh không được lớn lắm nên thường áp dụng cho công suấtnhỏ

Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động thuỷ lực xilanh lắc được:

Hình 2.5 Hệ xi lanh thuỷ lực lắc được

2 Hộp van phân phối 5 Trục lái

3 Xilanh 2 chiều 6 Cảm biến góc lái

2.1.2.3 Động cơ thuỷ lực vành khuyên

Động cơ thuỷ lực hình vành khuyên Lòng xilanh thuỷ lực đượcchia hai khoang, khi bơm dầu vào khoang này và hút dầu ra khỏikhoang kia thì piston cũng sẽ chuyển động làm quay cần lái

54

1

3

- So với hệ xilanh thuỷ lực thì động cơ thuỷ lực hình vành khuyên cókết cấu đơn giản hơn.

- Nhược điểm: Hiện nay chưa khắc phục được dó là chưa có kết cấutấm bít tin cậy, khi sửa chữa và điều chỉnh tấm bít phải dừng máytháo dầu, mở nắp động cơ

2.1.2.4 Động cơ thuỷ lực bánh dẫn:

Động cơ có xilanh hình trụ rỗng, piston cũng hình trụ có hai hoặc

ba cánh quay đồng trục với xilanh, cánh piston và các vách xilanhchia dầu vào khoang này và hút dầu ra khỏi khoang kia, áp lực dầuđẩy bên cánh làm quay piston, do đó làm quay trục lái gắn nối tiếpvào piston

- Động cơ thuỷ lực bánh dẫn tương đối phổ biến vì có ưu điểm là cótrọng lượng và kích thước nhỏ và gọn hơn so với hệ xilanh thuỷ lựckhông tạo lực ngang tác dụng vào trục lái

- Nhược điểm: kết cấu tấm bít chắn dầu ở cánh và vách ngăn phứctạp, góc quay nhỏ

2.1.2.5 Động cơ thuỷ lực Rôto-piston hướng kính:

Động cơ có cấu tạo tương tự với bơm Rôto-piston hướng kính Cácxylanh được gia công trên rôto các piston tì lên stato bằng các conlăn với ổ chao Dầu được cấp vào các xylanh thông qua đĩa chia dầu

- Động cơ thuỷ lực Rôto-piston hướng kính tương đối phổ biến vì có

ưu điểm là có trọng lượng và kích thước nhỏ và gọn hơn so với hệxilanh thuỷ lực không tạo lực ngang tác dụng vào trục lái Vòngquay nhỏ trong khi vẫn đảm bảo mômen rất lớn Thường dùng chocác xe chuyên dụng trên bộ