Khóa luận tốt nghiệp Cơ khí công nghệ: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế cụm di động và hệ thống lái của máy cắt rong cỏ

Mục tiêu chính của chương trình này là thiết kế, chế tạo được một hệ thống máy bao gồmmáy cắt rong cỏ đưới nước, vớt bèo tây, rác thải nổi trong lòng kênh mương, hồ thủy lợi cùng các thi

_— BỘGIÁO DỤC VÀ ĐÀOTẠO | TRUONG ĐẠI HỌC NÔNG LAM TP HO CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ - CÔNG NGHỆ

ex Ls

NGUYEN NGOC HOA

DE TAI:

NGHIEN CUU, TINH TOAN, THIET KE CUM

DI DONG VA HE THONG LAI CUA

MAY CAT RONG CO

Tp Hé Chi Minh Thang 06 Nam 2006

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LAM TP HO CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ - CÔNG NGHỆ

ells

DE TAI:

DI DONG VA HE THONG LAI CUA

MAY CAT RONG CO

Chuyén nganh: Co Khi Nong Lam

Giáo viên hướng dan : Sinh viên thực hiện :

TS : Nguyên Phúc Danh Nguyên Ngọc Hòa

Khóa : 2002 - 2006

Tp Hồ Chí Minh Tháng 06 Năm 2006

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCMC UNIVERSITY OF AGRICULTURE AND FORESTRY

FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING

ells

FINAL ENGINEER PROJECT:

THEORETICAL STUDIES AND ENGINEERING

DESIGN OF PROPULSION AND STEERING SYSTEMS

FOR AQUATIC PLANT/WEED HARVESTER

Speciality: Agricultural Engineering

TÓM TAT

Giải quyết tình trạng rong cỏ, bèo trôi hay rác thải nổi trên các sông, hồ, kênh rạch sẽ tạo

điều kiện cho quá trình hoạt động sản xuất hay giải quyết vấn đề lưu thông dòng chảy, cấp thoát nước, tạo môi trường cho các loài thủy sinh sống và phát triển Nhóm chúng tôi thiết lặp chương trình nghiên cứu để giải quyết vấn đề này và đây cũng là một trong những vấn đề trọng điểm của chương trình cơ khí chế tạo máy quốc gia.

Mục tiêu chính của chương trình này là thiết kế, chế tạo được một hệ thống máy bao gồmmáy cắt rong cỏ đưới nước, vớt bèo tây, rác thải nổi trong lòng kênh mương, hồ thủy lợi cùng

các thiết bị phụ trợ theo máy phù hợp với điều kiện Việt Nam có chất lượng tương đương ngoại nhập Kế đến là thiết lập qui trình công nghệ chế tạo các thiết bị với kha năng dé dang chuyền giao cho các co sở sản xuất, vận hành và thử nghiệm các thiết bị này và sau cùng là phối hợp với các đơn vị sử dung dé ứng dung sản pham vào thực tế.

Trong giai đoạn đầu của chương trình trọng điểm này, luận văn sẽ đóng góp vào việc nghiên cứu, lựa chọn và xác định kiểu đi động cho thiết bị thủy đi chuyển trong môi trường rong cỏ Guồng máy được lựa chọn giúp cho máy di chuyên thích hợp trong môi trường rong cỏ Phần thiết kế chân vịt thêm vào cho máy hoạt

động trong những tình huống cần thiết Từ đó tiến hành tính toán, thiết kế các cụm diđộng cho máy cắt rong cỏ dam bảo yêu cầu về lực day, về kỹ thuật và sự thuận tiện cho thay

thế hay lắp đặt Hệ thống lái ứng với guồng máy đơn thuần là điều khiển hệ thống motor thủy lực.

Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Phúc Danh Nguyễn Ngọc hòa

Khóa : 2002 - 2006

One of the grave water management issues today is to cut and remove a wide variety of lake weeds so as to make waterways usable Aquatic weed control

equipment such as aquatic harvester is needed to help resolve these aquatic

vegetation problems In addition to aquatic weed control, trash skimmers are also needed to pick up floating trash in rivers, harbors and lakes.

Being one of the key national programs on machine manufacture, we are in charge of designing and manufacturing aquatic plant/weed harvester, trash hunter and accompanied equipments conforming to Vietnamese conditions and assuring international quality Manufacturing processes for the equipments will be established in order to easily transfer them to fabricators The machines are then tested and operated in real situations before being transferred to end users.

In the first stage of the program, this work is devoted to the theoretical studies and engineering design of propulsion and steering systems for aquatic plant/weed harvester Paddle wheels are chosen as propulsion system and the steering is controled by a hydraulic motor chain drive Screw-propeller is an option for the harvester.

Advisor: Student :

Dr Nguyen Phuc Danh Nguyen ngoc Hoa

Course: 2002 -2006

LỜI CÁM TA

ella

Sau bốn năm hoc và thực tập tại trường Được sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và dạy bao tận tình của thay cô.

Em xin chân thành cảm ơn đến:

- Gia đình và các bạn bè đã có những giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình học tập

- Ban giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm TP HCM.

- Tat cả qui thay cô và ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí Công Nghệ

Và lòng biết ơn sâu sắc đến :

Thay hướng dẫn TS Nguyễn Phúc Danh cùng thay ThS Bùi Trung Thành Khoa Cơ

Khi Trường Đại Học Công Nghiệp TP HCM đã tận tình giúp đỡ và hướng dan trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Trong thời gian thực hiện đề tài chúng tôi đã cố gắng mọi nỗ lực dé đạt được kết quả một cách tốt nhất Tuy nhiên rất mong sự thông cảm của quý thầy cô, bạn bè nhiều hơn nữa.

Xin chân thành gởi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè lời chúc sức

khỏe và lời cảm ơn chân thành nhất

Trân trọng cảm ơn TP.HCM-06/2006

MỤC LỤC

Trang 09380027 1

CHUONG I : TONG QUAN 52-25222222 zvsrsrrrrerrrrred 3

1.1 Đặt vấn G6 occ cece cccecceesescsecseesecseeseesessessessecsessessesseseesssseesesseeeeees 3

1.2 Mục đích đề tai cecceccccecccccsesessesecsesecsscevsecsecseseesecsesevseseesecsecsesees 4

EGHƯDNWGTI: TRÀ ĐI TÀI LIÊN suaseeesesoeedueinbeiediosbsuroregoee 52.1 Nghiên cứu lựa chon và xác định kiểu di động - 52.1.1 Các thiết bị day dùng cho tàu thuyền - 2-2252 5522 5

Qed 2 Hệ động lực phần NW saaeseesesenseeenidisdiionekissdi4c05S95S6S066028513805E00 5

218 Bom EW sess ccenseseensyarcternsreaxcesemm rae eee 6

24 (CeerEimmiEinilsenssesssretredneiriotitb9t60898L00i0n0010n0/00inGgpkssnisusg 6

21S Chait Wit sess ecu secesnnn seas cesnonin arama seamen aaa meamiennenar seme eae cmmmcated vi

2.1.6 Gung tau they n6 ẽ 72.1.7 lựa chon và xác định cho thiết bi di chuyên . - 8

2.2 Các loại máy động lực trên tảu eee eee eee eeeeeeeees 9

2.3 Nghiên cứu lựa con và xác định bộ phận lái - - 9

2.4 Lý thuyết động lực hoạt động ORR DI CC cư 10

2.5 Tính toán chọn động cơ cho guồng máy - -z- 13 2.5.1 Quan hệ giữa lực đây và momen quay trên trục guỗồng 13 2.5.2 Quan hệ giữa momen quay trên trục NGÃ 13

2.5.3 Số vòng quay của động CƠ code 13 2.6 Các tam giác vận tốc va dang của cánh guỗng - 14

2.7 Số cánh của guồng A ee eee se ren anaeen=- 15

2.7.1 Số cánh là nhiều vô hạn 2 2 2222222222E+2EE+2E+2zxzzxzzzea 15 2.7.2 Số cánh là giới hạn 2- 2 ©2222222222EE22E22E222E 2E 2Excrkcrea 15

2.7.3 Các dang cánh của guồng - -2-©2+2c+ccrxerreerrerree 162.7.4 lý thyét tính toán lực tác dụng lên máy máy cắt rong cỏ 172.8 lý thuyết thiết kế trục -2¿©22+2E+2E22E22E22E2EE2Ezrxrrree 19

2.9 Lý thuyết tính toán, thiết kế chân vịt đây nước - - 222.9.1 Thiết kế chân vịt theo chế độ chạy tự do, đường kính hạn chế 22D,10 ES bên cánh OBA Vi «e~eseeeeseieidirhieiLZ-g.g0012 0100010 ,000.LL 23

2.10.1 Kiểm tra độ bền theo công thức Romson . -: 23

2.11 Thiết kế trục chân vịt - 2© 2+s+S+2E+2E+E2E2E2E22E2E.2Eecrxee 25

CHUONG III : PHƯƠNG PHAP VÀ PHƯƠNG TIỆN - 283.1 Cac dai luong cần tính toán, thiết kế - 2+s+czcszse¿ 28

3.2 Cơ sử tính toán Thiết kế S2 eE.eeiEHEckEDEmiirrkEEmrii 28

3:3 Phirone phẩp Hh (OANáxseccseisiieeobibiitesSiA BiLL41039165939353E0904043608080468 28

3.3.1 Phương pháp tính toán guồng máy 2-22 25522522 28

3.3.2 Phương pháp tính toán chân vỊt - - -+<=+s=+-<+ee~s+ 29

3.4 Phương pháp kiểm tra DOM “ 30

3.5 Phương pháp tiến hành kiểm tra bền -2- 2 22222522522 30

EHẨNMGTYV: THỰ HIỆN 62:0.) re 32

4.1 Tính toán thiết kế cụm di động (guồng Iáy) cccc se 32

4.2 Tính toán các kích thước của guông máy và công suất motor 33

4.3 Số cánh của guồng — 384.4 Tính toán thiết kế trục guéng 072/0 TQ g g.ggŸỰỢ 42

4.5 Kiểm nghiệm trục guong theo điều kiện bền - 45 4.6 Thiết kê ƒ2/0, 22070220 Vy N QNNggggỰỢ

4.7 Chọn kiêu lắp ô Os 1s 221211212 45

es aN Se «NT Ô C an VN 45

d7 bụi KHE Oiler 45

AS Tính tuần mayø lên THIỆN HN seseaesesbirotoioiBAiAEuLEn023000186:3004084031501804 454.9 Cau tạo vỏ hộp và các chi tiết máy khác - 52552 48

A AGG Teeter at Be ghi VÌ Nuessesnssennnassgitootgttttpdggrosgtssztinsxorea 484.11 Thiết kế chân vit tau chạy kéo -©72cccccscrecrxerree 494.11.1 Thiết kế trục chân vịt -c+-ccccrrrrkerrrrrrrrrrrrrrrrrrk 514.11.2 Tính độ bền cánh chân vịt - 2 2 2+2z+2z+Ez+£+E+zzzzzzx 52

CHUONG V : KET LUẬN - DE NGHỊ, 2 2+2222z22z22222 55

Be encase hei tate 55

SO, | vung ha SEEideoinerdoiorfobisiossitiptgstedittriiktisgaetiodsiassgeoe 55ECM T8: ằeekeegrurgraratisgeageuroaprtessg 56

PHỤ LỤC

CHUONG I : TONG QUAN

1 Đặt vấn đề

Hiện nay trên thế giới, các nước như Hoa Kỳ hay Hà Lan đã có các mẫu máy

làm việc rất hiệu quả trong van đề giải quyết tình trạng rong cỏ, bẻo trôi hay rác thảinồi trên các sông, hồ, kênh rạch tạo điều kiện cho quá trình di chuyên, hoạt động sản

xuất hay giải quyết việc lưu thông dòng chảy, cấp thoát nước, tạo môi trường cho

các loài thủy sinh sinh sống và phát triển

Với tình hình trong nước, trước hiện trạng rong cỏ mọc với mật độ dày, các loại

bẻo trôi dat hay các loại rác thải nỗi trên các sông, kênh rạch gây các trở trong quátrình vận chuyên, sản xuất cũng như việc giảm khả năng tích chứa, gây ảnh hưởng

tới môi trường sống Ví dụ như nội ngoại thành Tp.HCM và các tỉnh lân cận như

Đồng Nai, Tây Ninh, Nước ta đã có nhiều biện pháp nhằm khắc phục tình trạngtrên bằng cách : dùng xuồng chéo hay động cơ nhỏ với dụng cụ vớt thô sơ hay liém

cắt rong, vợt vớt rác Còn biện pháp phức tạp hơn nữa là ngăn đoạn sau đó tắt cửavan và tiến hành dùng máy cào xúc nên trong quá trình làm việc gây ach tắt mà chi

phí lại cao nên nó chỉ là giải pháp tình thế Vì vậy dé đáp ứng yêu cầu bức xúc này

cần phải có một mẫu máy thích đáng thõa mãn yêu cầu về xử lý tình trang rong cỏ

hay các vật gây trở ngại đó Và vì máy này phải hoạt động được có hiệu quả trong

môi trường rong cỏ mật độ dày đặc cũng như vượt được các chướng ngại vật đòi hỏi

máy phải có cau tạo bộ phận di đông và bộ phận lái đặc biệt

Trước hiện trạng cấp thiết này, chúng tôi tiến hành : “nghiên cứu, thiết kế, chế

tạo hệ thống máy cắt rong cỏ đại trong lòng kênh mương, hồ chứa nước Đây là mộtcông trình lớn, trong khuôn khổ của luận văn này, chúng tôi đóng góp vào việc

nghiên cứu, tính toán, thiết kế cụm di động và hệ thống lái cho máy cắt rong cỏ

2 Mục đích đề tài

Trên cơ sở công trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống máy cắt rong cỏdại, mục đích của đề tài đi sâu vào vấn đề nghiên cứu lựa chọn và xác định kiểu di

động của thiết bị thủy trong môi trường rong cỏ

Sau khi cụm di động được cân nhắc và chọn lựa, chúng tôi tiến hành tính toán

và thiết kế cụm này, cũng như phải tiến hành chọn lựa và tính toán bộ phận lái chophù hợp với cum di động được thiết kế

Phần tính toán và thiết kế chân vịt được chủ động thêm vào khi máy cắt rong cỏ

di chuyên xa (trong môi trường không có rong cỏ) khi máy cắt không được chuyênchở bằng xe chuyên dụng

CHƯƠNG II :TRA CỨU TÀI LIỆU

2.1 Nghiên cứu lựa chọn và xác định kiểu di động trong môi trường rong

2.1.1 Các thiết bi day dùng cho tàu thuyền

- Tàu thuyền dùng chèo

- Tàu thuyền dùng cánh guéng

- Tàu thuyền dùng dùng chân vit: 1, 2, 3 chân vit

- Tàu thuyền chạy bằng buồm

- Tàu thuyền dùng ống phụt nước

- Tàu thuyền dùng cánh tuabine quạt gió

Sau đây là một số loại thiết bi day dùng cho tàu thuyền trên các biển, sông,

thống truyền động đảo chiều cho động cơ Hóa chat, chất dẻo có thé sử dụng dé gia

tốc và xả nước hoặc sử dụng động cơ phản lực hay tên lửa bên trên mặt nước

+ Nhược điểm

Nhược điểm của hệ động lực phản lực là mất thé tích tàu cho hệ thống ống dẫn

và thiết bị đây, hay ngược lại là tăng kích cỡ của tàu để phục hồi các bộ phận về giá

trị ban đầu của nó, sự nguy hiểm của các mảnh vụn, rác, quanh tàu ngoại trừ có

các lưới chan lắp các đường vào, và khó có được dòng chảy đầu vào thiết bị day khi

mà nước vào từ các lớp biên xung quanh các chỗ cong trong các ông dân.

2.1.3 Bơm JET

a Khái niệm

Đây là tên đặt cho thiết bị đây ở ngoài vỏ, thiết bị quanh các ống dẫn hướng cố

định ở phía trước hay sau nó, hoặc cả trước và sau, toàn bộ thiết bị được một ống

hay vòng chắn bao quanh

b Ưu và nhược điểm

Trong thiết bị hiện đại cánh của bơm, đường kính ống dẫn tăng dần về phía

thiết bị để tốc độ giảm và áp suất tăng Theo cách này đường kính thiết bị đây lớnhơn và hệ số tải lực day thấp hơn dẫn tới hiệu sat cao hon Tuy nhiên phải chịu sứccản của bản thân ống dẫn và hiệu quả cuối cùng còn tùy thuộc vào mỗi hoàn cảnh

riêng biệt.

2.1.4 Ong phun Kort

a Khái niệm

Nó có dạng vòng đai hay vòi phun xung quanh chân vịt, gắn với vỏ tại đỉnh của

nó Các mặt cánh dọc như cánh máy bay Dạng ống phun là ngược lại với dạng vành

đai bao ống phun bơm, ở cửa ống phun Kort đường kính lớn hơn đường kính chânvit nhiều dé nó hút được nước vào nhiều hơn

b Ưu và nhược điểm

Việc sử dụng ống phun có khả năng làm tăng hiệu quả kinh tế bởi khả năng bảo

vé của nó.

Với cùng một lực đây, lượng nước lớn hơn thì gia tốc một lượng nhỏ hơn nên

cách cấu tạo cho hiệu suất lớn hơn

Khi kéo ở chế độ đứng yên, trong lúc kéo vẫn có ưu điểm ở các cấp độ thấp

Tốc độ chạy tự do có ống phun luôn nhỏ hơn loại không có ống phun

Trong một số tàu kéo và tàu sông mà chế độ điều động là quan trọng thì ống

phun trở thành một cơ cấu rất hiệu quả Ở biển ống phun hoạt động như thiết bị

giảm bước và tránh được việc hút khí vào.

khi tàu va chạm hay điều kiện của biến

Không làm tăng chiều dài toàn bộ cũng như chiều chìm của tàu và nó có thé đây

tàu đi nhanh hơn và có thé dam bảo hiệu suất bằng hoặc hơn

Động cơ nhỏ, nhẹ, cao tốc và có thé sử dụng

+ Nhược điểm

Khả năng điều động kém

Vận tốc lớn nên không thích hợp với môi trường hoạt động khai thác, sản xuất

trên các kênh rạch, sông nhỏ có vật cản trở như rác và rong cỏ vì nó sẽ làm giảm

năng suất của máy và hoạt đông kém hiệu quả do chân vịt có thể bị kẹt cứng do các

vật xung quanh gây ra.

2.1.6 Guéng tàu thủy

a Khái niệm

Các guéng đầu tiên có định có các cánh phẳng nhưng sau đó chúng được làm

cong, các cánh chèo với cùng góc vào nước đã giảm được đường kính của guông

Với hiệu suât chân vịt ở những nơi bê rộng và độ sâu hạn chê giá trị đường kính

chân vịt Điều quan trọng là xác định vị trí guồng trên sông dưới góc nghiêng của

sông dé tạo thuận lợi cho việc chuyền động của nước trong các con sông Các tàukhi kéo không có hệ thống sóng nghiêm trọng và do vậy các mái chèo bênh cạnh có

thé được lắp đặt cho với tốc độ chạy tự do

b Ưu và nhược điểm

+ Ưu điểm

Có nhiều khu vực hoạt động hữu ích ngoài các con tau hơi nuớc va tàu kéo hoạt

động ở sông và các vùng nước được bảo vệ khác.

Do quay vòng nhỏ nên có hiệu quả hợp lý.

Vận tốc nhỏ nên thích hợp với môi trường hoạt động khai thác, sản xuất trên

các kênh rạch, sông nhỏ.

Guéng có đặc điểm là dé điều động mà chân vịt không có được Những tàu có

guéng hiện nay vẫn còn sử dụng cho các tàu khách, hang và tau lai dắt

+ Nhược điểm

Những tàu chạy bằng guồng không thích hợp cho những tàu đi biển Mức độ

chìm trong nước thay đổi theo lượng chiếm nước của tàu Guồng nước ra khỏi nước

khi con tàu nhấp nhô, tạo ra sự thay đối hướng thất thường và bị sóng lớn gây hư

hỏng.

Chạy chậm khi sử dụng máy quá nặng va cong kénh

Trong khai thác do quay vòng nhỏ nên chúng làm thay đổi hoàn toàn việc áp

dụng khi chân vịt được chứng minh là biện pháp có thể thay thế được

2.1.7 Lựa chọn và xác định cho thiết bị di chuyển trong môi trường rong cỏ

Như đã trình bày ở trên, ta thấy dé làm việc trong môi trường rong với nhiều

chướng ngại vật, các loại rong cỏ và rác làm ngăn cản khả năng chuyển động của

máy, bên cạnh đó để làm việc có hiệu quả, năng suất cũng như tính kinh tế của máy,

yêu cầu kha năng xoay trở dé dang, vận tốc di chuyên khi tiến hành công việc là nhỏ(từ 1 + 2 km/h), làm việc với công suất và số vòng quay 6n định, không bi trở ngạikhi làm việc trong môi trường rong cỏ, vì tại bộ phận di chuyên sé bi rong cỏ cuốn

vào gây quá tải, giảm năng suât làm việc và có thê bị đứng máy khi đang làm việc.

Từ những van dé đặt ra ở trên mà ta tiễn hành di chọn guéng máy làm bộ phận

di chuyên trong môi trường rong cỏ

2.2 Các loại máy động lực trên tàu

a Động cơ hơi nước

Động cơ hơi nước có kha năng quá tải ở mọi điều kiện va dé dang đảo chiều.Dải vòng quay hiệu quả của chúng phù hợp vời vòng quay hiệu suất cao của chân

vịt Mặc khác, hệ thống toàn bộ khá nặng, cồng kénh, chiếm không gian lớn, công

suất xylanh hạn chế

b Chạy bằng turbine

Ngoài số vòng quay 6n định nó còn phù hợp với máy có công suất lớn Sử dung

hơi nước vào có áp suất cực cao với áp suất thải ra cực nhỏ, hiệu suất khá cao, ít tốnnhiên liệu Tuy nhiên đông cơ lại không có khả năng đảo chiều vòng quay hiệu quả

nhất của nó lại kém hơn vòng quay bình thường của chân vịt loại bình thường

c Động cơ đốt trong

Động cơ được sử dụng cho hệ thống thủy lực tàu thủy, hoạt động dựa trênnguyên lý động cơ Diesel Chúng có thể đảo chiều trực tiếp, chiếm không gian nhỏ

và có sức tiêu hao nhiên liệu nhỏ Chúng được sử dụng với động cơ lớn độc lập Vì

thế nó được sử dụng phô biến và thích ứng với nhiều loại máy trong những điều

kiện làm việc phức tạp và théa mãn được điều kiện kinh tế

2.3 Nghiên cứu lựa chọn và xác định bộ phận lái

a Hệ thống lái

Lái tàu nhằm mục đích chủ động hướng đi của con tàu trên sóng nước để đảm

bảo tính khai thác, tính an toàn Con tàu hoạt động trên sông biển chịu tác động của

các ngoại lực như : dong chảy, sóng biển, gió bão, các vật cản trở làm hỏng vỏ tau,

hư hỏng bộ phận di chuyên, giảm vận tốc tàu và có thé đắm tàu Do đó ngoài khanăng di chuyên, còn phải chủ động được khi di chuyên (tới, lui, dừng, quay trái, phải

và quay vòng).

Ngoại trừ máy đĩa dùng phương pháp lái tàu bằng chân vịt, hoặc tàu trang bị

ống đạo lưu quay, các tàu dùng thiết bị điều khiển dòng Hầu hết các tàu phô biến

đều có hệ thống lái gồm có các phần sau :

1 Bánh lái - 6 trục lái — cần hay secto lái

2 Bộ phận truyền lực đến bánh lái

3 Bộ phận điều khiển máy lái

b Máy lái

Đây là loại thiết bị giúp thuyền thông qua đó có thể chuyên hướng được, hoạt

động của nó dựa trên nguyên tắc tác động lực vào vôlăng và thông qua hệ thống lái

làm thay đổi hướng của máy Có thé nói về máy lái ta có các cách tác động như:

Dùng tay, máy lái cơ khí và máy lái có trợ lực thủy lực.

Ngoài hệ thống lái thường dùng trên, hiện nay dé điều khiển được nhẹ nhàng,

tiện lợi Người ta thay hệ thống lái trên bằng các cần điều khiến với truyền động

bằng thủy lực, hay bằng các mạch điện đều khiển tác dụng lên cụm di động như làcác bánh chuyên động quay (bánh , guồng, tuabin, )

c Lựa chọn bộ phận lái

Tùy theo từng điều kiện hoạt động mà ta có thể có máy lái hay không Trong

điều kiện phức tạp như trong môi trường rong cỏ thì hoạt động của máy đòi hỏi phảilái nhẹ nhàng ít tốn sức và thao tác phải ít bởi vì nó phải làm việc với nhiều thao táckhác, khó kiểm tra, bôi trơn chăm sóc cũng như điều kiện sửa chữa phải ở trên bờ.Trong trường hợp nay ta có thé sử dụng hệ thống lái bằng các cần điều khiến vớinăng lượng truyền động bằng thủy lực thông qua một môtơ thủy lực ở mỗi bánh sẽđơn giản và giải quyết được van đề kiểm tra, chăm sóc và phù hợp với điều kiện di

chuyền là đơn giản, làm tăng tính ôn định của máy, tăng công suất, năng suất cũng

như khả năng làm việc của máy.

2.4 Ly thuyết động lực hoạt động chân vit

Trong định nghĩa lý tưởng của chân vịt nó được xem là một đĩa hay một cơ cấu

có khả năng truyền sự tăng áp suất đột ngột cho dòng chất lỏng đi qua nó, phương

pháp này mà theo đó tác động bị bỏ qua.

Giả thuyết rằng :

+ Chân vịt truyền gia tốc đều tới chất lỏng chảy qua nó, do đó lực đây tạo ra tại

đó được phân bồ đều trên mặt dia

+ Dòng chảy không có ma sát.

+ Có một dòng chảy vào chất lỏng không giới hạn vào chân vịt

Giả thuyết thứ nhất liên quan tới việc thu nhỏ lại của dòng chất lỏng đi qua đĩa,

vì sự thu hẹp này không chảy ra ngay tức thì tại đĩa, sự gia tốc phải xảy ra ngoài đĩa

và mở rộng ra ngoài khoảng cách xác định giữa mũi và lái.

Xét một đĩa chân vit có diện tích la A đang tiễn tới vận tốc đều ở trong chất

lỏng tĩnh Lực thủy động không thay đổi nếu chúng ta thay đổi hệ thống này bằngmột đĩa đứng yên trong dòng nước chảy đều với cùng vận tốc Va (Biểu diễn theo

Hình vẽ 1 Sự thay đổi áp suất và lực tác dụng lên đĩa

Tại mặt cắt ngang 1, cách phía trước đĩa một khoảng cách, vận tốc của dòngchảy là Va va áp suất trong chất lỏng là Pi, ngay sau chân vit là đoạn tăng tốc, cónghĩa là chất lỏng đã qua đĩa chân vịt bắt đầu bị áp suất hay lực đây tác động lên, sẽ

có vận tốc về phía đuôi lớn hơn vận tốc đó, chúng ta có thê viết là : VA(1+b) Chấtlỏng phải nhận phần nào đó của sự tăng tốc này trước khi tới đĩa và vận tốc qua nótại mặt cắt 2 sẽ lớn hơn Va và chúng ta có thé viết là : Va(1+a); trong đó a là hệ số

dòng chảy dọc trục.

Áp suất trong cột dòng chảy xiét Pi ở ngay phía trước đĩa sẽ bị giảm khi chất

lỏng tiễn tới đĩa Theo định luật Bernoulli, sự tăng tốc kèm với sự giảm áp suất tạiđĩa, áp suất đột ngột tăng lên giá trị lớn hơn P\ và sau đó lại giảm tiếp với sự gia tốc

nhanh hơn nữa của dòng chảy Nếu mặt cắt ở phía xa phía sau chân vịt mà sự thu lạicủa dòng tăng tốc được xem là dừng lại và không có sự quay của chất lỏng, áp suất

trong dòng tăng tại mặt cắt 3 sẽ là Pi, bang áp suất của dong chất lỏng ngoài vùng

tăng tốc.

Lưu lượng nước qua đĩa sẽ là : Q = Va(1+a)A, (m3⁄s) (2.1)

Bỏ qua các ảnh hưởng quay có thê tác động tới chất lỏng, sự thay đổi động

lượng trong một đơn vị thời gian là : p.Q[VA(1+b)-VA] và nó phải bằng lực day T ở

đĩa, nên ta có :

T=ø0[V,(I+b)-V, | (2.2)

=>T =p.Q.Va.b =p.A.(Va)*(1ta).b

Tổng công thực hiện trên một don vi thời gian (hay nang lượng tiêu thụ) cân

bằng động năng trong chất lỏng và nếu không có sự quay, sự tăng động năng trong

một đơn vi thời gian sẽ được cho bởi :

1⁄4 p.Q[VA2(1+b)?- Va2] = 1⁄2 p.Q(VA?b2 + 2.b.VA?) = p.QVA?b(11+b/2)

= TVa(1+b/2)

Điều này sẽ tăng động năng đã được lực day sinh ra trong nước, nó bằng

TVa(1+a) trên một đơn vi thời gian.

Do đó, ta có :

TVA(1+a) = TVA(1+b/2) hay a = b/2 (2.3)

Dat Vp = VA(1+a), Khi đó van tốc dòng nước tại mặt cắt 3 sẽ là :

Va(1+b) = Va(2Vp/ Va -1) (2.4)

Thay các giá trị từ (1), (3) và (4) vào (2) ta được công thức tinh lực day sé là :

T=2pVsA(Vh - Va ) (2.5) Trong đó :

T: là lực đây của chan vit, N

p : là khối lượng riêng của chat long, (p=1000K g/m’)

A: là diện tích đĩa chân vịt, m?

Va: là Vận tốc dòng nước hay vận tốc của tàu thuyền, m/s?

Vp= Va(1+a) : là vận tốc của dòng nước khi được tăng tốc trước khi vào

dia, m/s?

Trên cơ sở lý thuyết động lực học chân vit, nghiên cứu sự tăng tốc của dòng nước

trước và sau khi qua đĩa dưới tac động của lực đây (T) của chân vịt Ta có thé ápdụng kết quả này vào việc tính toán lực day cho guồng máy

Dé dé dàng trong việc tính toán ta có thé xem vận tốc lớn nhất của dòng nước

sau khi được tăng tốc VA(1+b) biến thiên tại một thời điểm nào đó với giá trị vận tốcđài của guong, nên ta có được :

2.5 Tinh toán chọn động cơ cho guồng may

2.5.1 Quan hệ giữa lực đây va momen quay trên trục guồng

Mạ= T.] (N.m) (2.8)

1: khoảng cách từ tam cánh tới điểm đặt lực đây tại mạt cắt đang xét (m)

2.5.2 Quan hệ giữa momen quay trên trục chân vịt và công suất của trụcguong

q

(vong/phut) (2.10)

2.6 Các tam giác vận tốc và dạng của cánh guồng

Xét sự chuyên động của cánh guồng máy tại hai mặt cắt 1 và 2 (hình vẽ 1)

Phân tích chuyển động của phan tử chất lỏng qua guồng Chuyên động tuyệt đối của

mỗi phan tử chất lỏng có thé được phân tích thành hai thành phần chuyên động đồngthoi: chuyển động theo (quay tròn cùng guong quay) và chuyển động tương đối

(theo biên dạng cánh dẫn) có thé biéu thị sau :

C=U+W Trong đó :

C : vận tốc tuyệt đối, m/s

U : vận tốc vòng (của chuyền động theo) có phương thắng góc với hướng

kính, m/s

W : vận tốc tương đối, có phương tiếp tuyến với biên dạng cánh dẫn, m/s

Dé xây dựng các tam giác vận tốc và dang của cánh guồng, ta cần phân biệt hai

trường hợp đó là: gưồng có số cánh nhiều vô hạn và guồng có số cánh giới hạn

Guéng có số cánh nhiều vô hạn sẽ làm tăng ma sát giữa guồng và dòng nước

Nhung trong thực tế số cánh là có hạn nên khoảng cách giữa hai cánh là đáng ké Vì

vậy khi làm việc thì vận tốc tương đối của lớp chất lỏng sát cánh mới song song vớitiếp tuyến, còn lớp ở xa bị thay đồi và tạo xoáy

Dạng của cánh và các tam giác vận tôc được thê hiện ở hình vẽ 2.

Hình vẽ 2 - Cách dựng cánh guông và các tam giác vận toc

2.7 Số cánh của guồng máy

2.7.1 Số cánh là nhiều vô hạn

Vận tốc vòng và hướng kính của lưu thé tại điểm 1 và 2 được tính như sau :

Uì =nzr.D¡/30.2 (m/s) U2 = nr.D;/30.2 (m/s)

Ci = Qua Dị.À¡.bị (m/s) Cm2 = Qua Da.À2.ba (m/s)

8,:Ø, : góc vào và ra của cánh guông

tị, t2 : là bước cánh (phụ thuộc vào Dị, D2 và số cánh), m

Qi : lưu lượng, mỶ/s

Di, D2 : đường kính guéng đi qua 1 và 2,m

bị, bạ : chiêu rộng của cánh tại 1 và 2,m

(2.11) (2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

Ai, À2 : hệ sô chật hẹp do độ day của cánh ở cửa vào và ra gây nên có thê

lay gần đúng của Ai, À2 như sau:

M1 & 0,8 + 0,92 A2 = 0,9 + 0,97

Ai =A2=1

2.7.2 Số cánh là giới han

Số cánh trong guồng có ý nghĩa rat lớn đối với việc truyền năng lượng Có một

số biéu thức thực nghiệm đề tính số cánh Z Trong đó có một biểu thức đã được thực

tế chứng minh là: số cánh là tốt nhất khi khoảng cách giữa hai cánh liên tiếp bằng

một nửa chiêu dài của một cánh.

Z = 6,5.(Dz+D).sim[(B1+B2)/2]/( D2-D1) (2.17)

Đối với các guồng đúc liền cánh thì số cánh Z được tinh theo biểu thức :

Trừ hai phương trình trên cho nhau ta thu được :

R= (R2?- Ri2)/2(RzcosBa- RicosB1) (2.19)

` K-R (2.20)

Hình vẽ 3 - Cách dựng cánh guéng cong

b Dựng cánh thắng

Sau khi dựng hai đường tròn có bán kính Ri, Ro Căn cứ vào số cánh và góc B1

hoặc 2 ta sẽ dựng được các cánh thang của guồng động Chiều dài của cánh là l :

Hình vẽ 4 — Cách dung cánh guồng thang

2.7.4 Lý thyết tính toán lực tác dụng lên máy cắt rong cỏ

Xét một vật thé đang chuyền động trên nước, phân tích lực ta thấy vật chịu tácdụng của các loại sức cản sau : sức cản nhớt, sức cản do sóng Vì máy chuyên động

với vận tốc nhỏ (5 km/h) nên có thé bỏ qua sức cản do sóng Vậy sức cản ta nghiên

cứu ở đây chủ yếu là sức cản nhớt giữa máy và nước

Sức cản nhớt gồm có : sức cản do ma sát giữa máy và nước với sức cản do hình

dáng Trong hai loại sức cản này ta đặt biệt quan tâm là sức cản do ma sát, vì đối với

máy chạy chậm (5 km/h), thì sức cản này chiếm từ 80% +85% sức cản của toànmáy Theo Froude, ông đã tiễn hành thí nghiệm và cho ra kết quả là sức cản ma sát

sẽ bằng :

R=ƒ.sự! (2.22)

Trong đó :

R : sức can máy đo bằng N

S :Tổng diện tích tam, m?

V: vận tốc, m/s

f, k : hệ số phụ thuộc vào chiều dài và độ nhẫn bề mặt

Công thức trên được đổi thành công thức sau :

Công thức tính hệ số f của Froude đã được chính thức hóa trong hệ thống mét

như sau, theo kết luận của hội nghị ITTC 1935 :

0,258 2,684+L

f =9,1393+ (2.24)

L : chiều dai của máy, m

Theo cách đặt van đề của Froude sức cản ma sát giữa vỏ máy va nước được

tính :

Hệ số ma sát giữa vỏ máy và nước dược tính thêm phần hệ số nhám của phần

vỏ máy tiếp xúc với nước sẽ là :

(2.25)

+

Trong đó :

R : sức cản máy đo bằng N

k: hệ sô phụ thuộc vào chiêu dài và độ nhẫn bề mặt

2.8 Lý thuyết thiết kế trục

+ Chọn vật liệu cho trục guồng

Trục thường làm thép cacbon hoặc thép hợp kim Đối với trục của những máymóc không quan trọng, không yêu cầu hạn chế kích thước có thể dùng thép CT5không cần nhiệt luyện Đối với trục làm trong những máy móc quan trọng, chịu tảilớn có thể dùng thép 45 hoặc thép 40X có nhiệt luyện Trường hợp dùng gối trụcbằng 6 trượt quay nhanh, trục nên làm thép 20 hoặc 20X, ngõng trục ngắm than rồi

n : số vòng quay trong một phút của trục, vòng/phút

[z], : ứng suất xoắn cho phép , N/mm’

C : hệ số tinh toán, phụ thuộc [rÌ],

Trong đó :

Mia : momen tương đương, N.mm

Mu, Mx : momen uốn và xoắn tại tiết diện tính toán, N.mm

dy 3 s ` ƒ 2 x

8= ite : đường kính trong của trục rong

[o] : ứng suất cho phép, N/mm?

+ Kiểm nghiệm trục theo hệ số an toàn :

Hệ số an toàn được tính theo công thức :

K,,K, :hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn và khi xoắn

n_ : hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất tiếp

oi

7 (2.32)

Tạ + WT,

€o

Trong các công thức trên :

o_, Và 7; : giới hạn mỏi uôn và xoăn ứng với chu kỳ đôi xứng

t= max min (2.36)

o,, Và r„ : trị số trung bình của ứng suất pháp và tiếp, là thành phan không đổi

trong chu kỳ ứng suất

Czy FC,

o.-= max min 2 ‘ 3 7

m Bì ( )

TH ưa (2.38)Nếu ứng suất thay đồi theo chu kỳ đối xứng thì :

2.9 Lý thuyết tính toán, thiết kế chân vịt day nước

2.9.1 Thiết kế chân vịt theo chế độ chạy tự do, đường kính chân vịt bị hạnchế

Chuẩn bị dữ liệu về vỏ tàu và máy tau

- Cần thiết có đường cong sức can của vỏ tàu R = f(V›) tính theo các phương

pháp đủ độ tin cậy.

- Thông tin cần thiết về máy chính : công suất định mức BHP, tần suất quay

ứng với trường hợp công suất liên tục, lớn nhất của máy

- Thông tin về hệ trục tàu : kiểu hộp số, ti sd truyén.

- Các hệ số liên quan tới tac động qua lại giữa vỏ tau va chân vịt

- Đường kính chân vịt hạn chế Dinax

Dựa vào đồ thị Taylor | Don | Dựa vào đồ thị Taylor | Don

2.10.1 Kiểm tra độ bền theo công thức Romson

Phương pháp Romson ra đời sau khi cơ sở lý thuyết dòng xoáy được áp dụng

vào thiết kế chân vịt và theo đó tính độ bền chân vịt Phương pháp Romson cho

phép chọn mô hình gần đúng với thực tế hơn

Phương pháp Romson tính đến ảnh hưởng công suất máy chính, tần suất quay

chân vịt trong nước, hiệu suất chân vịt và tốc độ tiến của chân vịt trong môi trườngthực tế Ứng suất trong mỗi mặt cắt cánh được coi là tổng đại số ứng suất do momen

uôn gây ra nên o, và ứng suât ø;, do lực ly tam: o=0,+0,

Công thức tinh ứng suất ơ, do momen uốn gây :

NÑ: vòng quay chân vit trong một phút

7;, : hiệu suất chân vịt

J=v,(nD) : hệ số tiền của chân vịt (2.48)

D: đường kính chan vit, m

Z : sô cánh chân vit

Bang 2 — Giá tri các hệ số dùng trong công thức Romson

Các hệ số Ca, Cp, X mô tả phân bồ lực day, lực vòng trên cánh trình bày tại đồ

1 1 1 1 1

H/D

Hinh vé 6

2.11 Thiét ké truc chan vit

Đường kính cho phép của trục chân vit của tau lắp máy diesel tính như sau :

d,,>d,

cp — “np

Va không được nhỏ hon giá trị : d,, =d,,, +KD,

np

Trong đó :

dap: đường kính nhỏ nhất cho phép của trục chân vịt, cm

dep : Đường kính cho phép của trục chân vit, cm

K =0,007 khi trục được bao bọc liên tục

K =0,010 khi trục chân vịt dé trần

Dạ : đường kính chân vit, mm

Đôi với các thuyên ghe thuộc loại tàu thuyên cở nhỏ, vì hệ trục chân vịt chỉ có độc nhât trục chân vit, cho nên căn cứ vào tri sô lớn nhât của momen xoăn ở dau ra

động cơ mà tính đường kính trục chân vịt, có thê theo các công thức gần đúng như

sau :

Theo momen xoắn :

d,, =BYM (cm) (2.49)

Trong đó :

dạp : đường kính trục chân vịt nhỏ nhất cho phép, cm

B : hệ số ; lay B = 0,42 nếu trục lam bằng thép hợp kim

B =0,5 nếu trục làm bằng thép cacbon

M: momen xoắn tại trục chân vịt, N.m

Theo công suất động cơ và số vòng quay trục chân vịt :

thức tinh dnp nêu trên với điêu kiện sô vòng quay n của trục phải nhỏ hơn sô vòng

quay tới han nm cho bởi công thức :

n, = 12, Lộ 3 (vg/phit) (2.51)

Trong đó :

d: đường kính truc,,cm

L : khoảng cách lớn nhất giữa hai 6 trục (cm), thường khoảng cách này được

tiêu chuẩn hóa tùy theo điều kiện làm việc và theo từng loại động cơ

- Tính toán bích nối trục

Chọn vật liệu : Trục chân vịt được chế tạo bằng thép có giới hạn mỏi lớn, ứng

suất giới hạn chảy và giới hạn cực đại lớn, có độ dẽo tốt.

Các tàu thương mại thường dùng thép cacbon làm trục chân vịt, tàu lướt nhanh

dùng thép hợp kim có độ bền cao nhằm giảm trọng lượng của trục chân vịt

Mác thép cacbon thường dùng để chế tạo chân vịt

Chiều dày của bích (e) không được nhỏ hơn đường kính bu lông trên mặt tháo

bích, và phải lớn hơn 1⁄4 dup (dnp : đường kính bulông nhỏ nhất cho phép của di)

d>0,535| “7”, — (mm) (2.52)

nh

Trong đó :

dị : đường kính bulông mặt bích, mm

dnp : đường kính trục trung gian, mm

ni : số lượng bulông trên mặt bích nối trục

r¡ : khoảng cách từ tâm bulông tới tâm trục, mm Thông thường :

CHUONG III : PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIEN

ĐỀ thực hiện nội dung đề tài đạt được mục đích, ý nghĩa và mang tính khoa

học, chúng tôi căn cứ vào :

3.1 Các đại lượng cần tính toán, thiết kế

- Lực day của guéng

- Bán kính quay của guồng

- Diện tích phần ngập nước của cánh guồng khi làm việc

- Công suất làm việc của guồng

- Đường kính chan vit

- Công suât làm việc của chân vịt

3.2 Cơ sở tính toán thiết kế

- Lý thuyết động lực hoạt động chân vit

- Lý thuyết tính toán sức cản tác động lên vỏ tàu

- Ly thuyết tính toán chân vịt theo chế độ chạy tự do, đường kính hạn chế

- Các công thức tính toán phụ trợ liên quan

3.3 Phương pháp tính toán

3.3.1 Phương pháp tính toán guồng máy

- Lực đây :

T =pA(V,) (l+a)b, (N) (2.7)