tính dao động riêng hệ trục chân vịt tàu thủy theo phương pháp phần tử hữu hạn

MỤC LỤC Lời nói đầu Chương 1: Tổng quan về dao động hệ trục chân vịt 4 1.1. Kết cấu hệ trục chân vịt tàu thuỷ 4 1.2. Dao động của hệ trục chân vịt 11 1.3. Các phương pháp tính toán dao động riêng 18 1.4. Mục tiêu, phương pháp, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20 Chương 2: Cơ sở PPPTHH tính dao động hệ trục chân vịt 2.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn……………………….…21 2.2. Tính dao động dọc 24 2.3. Tính dao động ngang 28 2.4. Tính dao động xoắn 31 2.5. Ma trận hệ kết cấu và ma trận khối lượng tương thích 39 2.6. Phương pháp giải phương trình dao động riêng …………………………….40 2.7. Sơ đồ thuật toán …………………………………………………………… 42 Chương 3: Kết quả áp dụng tính dao động riêng hệ trục chân vịt 43 3.1. Tính dao động dọc trục tự do 43 3.2. Tính dao động ngang tự do 49 3.2. Tính dao động xoắn tự do 54 Chương 4: Kết luận và kiến nghị 63 Phụ lục 64 Tài liệu tham khảo 83 1 LỜI NÓI ĐẦU Để nâng cao hiệu quả sử dụng và tính an toàn cho tàu đi biển, trong quá trình tính toán và thiết kế các thiết bị động lực nói chung và hệ trục chân vịt tàu thuỷ nói riêng, ngoài việc phải đảm bảo về điều kiện bền, điều kiện cứng mà còn phải đảm bảo không rung động lớn. Trong thực tế khai thác chúng ta nhận thấy hệ trục chân vịt của nhiều tàu đã bị gẫy và phá hủy mà một trong những nguyên nhân là do không đảm bảo được các yêu cầu về dao động, trong đó đáng chú ý là dao động ngang và dao động xoắn. Chính vì vậy việc tính toán thiết kế và kiểm tra dao động hệ trục chân vịt chân vịt tàu thuỷ có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đảm bảo cho hệ thống động lực tàu hoạt động an toàn, tin cậy và kéo dài tuổi thọ. Mặt khác, việc tính toán các dao động của hệ trục còn là cơ sở để lựa chọn kích thước của hệ trục và bố trí các gối trục một cách hợp lý nhất. Rung động của hệ trục chân vịt gây ra những hệ quả không mong muốn như tiếng ồn; tăng ma sát với ổ trục điều đó làm tăng tiêu hao năng lượng; giảm hiệu suất đẩy của chân vịt; và có thể dẫn đến hư hỏng bản thân hệ trục do không đủ bền. Do sự rung động của hệ trục chân vịt là không thể tránh khỏi trên thực tế, để hạn chế các ảnh hưởng tiêu cực nêu trên, người ta thường dùng nhiều biện pháp để tránh cho hệ trục chân vịt cộng hưởng. Trong các phương pháp được sử dụng, phương pháp thông dụng và hiệu quả hơn cả là điều chỉnh cho các tần số dao động riêng của hệ trục nằm ngoài dải tần có thể bị kích thích bởi các lực từ bên ngoài. Theo hướng này, một vấn đề hiển nhiên được đặt ra là làm sao xác định chính xác các tần số dao động riêng thấp của hệ trục vì chỉ các tần số dao động riêng thấp mới có nhiều nguy cơ bị kích thích bởi các yếu tố bên ngoài. Đây là nội dung bài toán dao động riêng của hệ trục chân vịt. Mặc dù bài toán trên đã được quan tâm từ lâu và đã có nhiều mô hình, phương pháp tính được đề xuất. Tuy nhiên, theo các phương pháp này, các dao động thành phần như dao động dọc trục, dao động xoắn và dao động ngang thường được đưa về mô hình tính đơn giản. Chính vì sự đơn giản của mô hình, các phương pháp trên đem 2 lại kết quả có độ chính xác chưa cao. Mặt khác các thủ tục tính toán cũng khá phức tạp làm cho việc áp dụng trên thực tế gặp nhiều khó khăn vì đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về phương pháp tính. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của phương pháp tính mà nhất là phương pháp phần tử hữu hạn, bài toán dao động riêng của hệ trục chân vịt có thể được giải quyết trên một mô hình sát với thực tế hơn. Nội dung của đề tài bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về dao động hệ trục chân vịt Chương 2: Cơ sở PPPTHH tính dao động hệ trục chân vịt Chương 3: Kết quả áp dụng tính dao động riêng hệ trục chân vịt Chương 4: Kết luận và kiến nghị Do trình độ bản thân còn nhiều hạn chế nên chắc chắn còn nhiều khiếm khuyết, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các Quý Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp để nội dung của luận văn được hoàn thiện hơn. Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Hùng Thắng đã hướng dẫn thực hiện đề tài này. Xin cảm ơn các Thầy, Cô trong khoa Kỹ thuật tàu thuỷ và các bạn đồng nghiệp đã động viên, giúp tôi để hoàn thành nhiệm vụ. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH DAO ĐỘNG HỆ TRỤC CHÂN VỊT 1.1. Kết cấu hệ trục chân vịt tàu thuỷ Hệ động lực tàu bao gồm từ máy chính, trục khuỷu, trục trung gian, trục chân vịt, chân vịt và ổ đỡ trục, trong đó hệ trục chân vịt là bộ phận cơ bản quan trọng nhất đóng vai trò trung gian giữa máy chính và thiết bị đẩy trong toàn bộ hệ động lực. Hệ trục có chức năng truyền mômen xoắn từ máy chính đến thiết bị đẩy (chân vịt) và nhận lực đẩy của chân vịt truyền qua gối đỡ chặn đến kết cấu thân tàu để khắc phục sức cản của nước làm cho tàu chuyển động theo một hướng xác định. Hệ trục giống như xương sống của con tàu và có vai trò hết sức quan trọng quyết định đến năng lực hoạt động của tàu. Trong một chừng mực nhất định, độ tin cậy của hệ trục quyết định độ tin cậy của toàn bộ thiết bị năng lượng tàu vì vậy cần đặc biệt chú ý đến các vấn đề thiết kế, chế tạo, lắp ráp cũng như sử dụng hệ động lực tàu. Những trục trặc hư hỏng khi vận hành khai thác hệ trục thường liên quan đến các công việc sửa chữa rất phức tạp, nhất là các tàu cở lớn. Hư hỏng của hệ trục có liên quan đến tổn thất hành trình và đôi khi là nguyên nhân gây ra nạn đắm tàu. 1.1.1. Phân loại hệ trục chân vịt. Phân loại hệ trục chân vịt tàu thuỷ có thể dựa vào các tiêu chuẩn sau: Theo số lượng, hệ trục chân vịt gồm có: một hệ trục, hai hệ trục, ba hệ trục… Một hệ trục: Thông thường các loại tàu vận tải đơn thuần người ta lắp đặt hệ trục một chân vịt. Các tàu này có ưu điểm kết cấu đơn giản buồng máy rộng, dễ khai thác nhưng tính cơ động của tàu thấp, không có khả năng tự di chuyển khi hệ trục không hoạt động. Tàu có một hệ trục thì được bố trí ở mặt phẳng dọc giữa thân tàu. Các tàu chuyên dụng như tàu kéo, tàu công trình… thì số lượng hệ trục chân vịt 4 thường bố trí hai hay nhiều hơn, nhằm đảm bảo tính cơ động, nhanh hạ thấp mớn nước, độ tin cậy cao (nếu một hệ trục hỏng thì các hệ trục còn lại vẫn hoạt động đảm bảo tàu vẫn tự hành và thực hiện được nhiệm vụ đặt ra). Hình 1.1: Tàu có một hệ trục 1. Ổ đỡ trục; 2. Ổ chặn lực dọc trục; 3. Khớp nối mềm; 4. Động cơ; 5. hộp giảm tốc Hai hệ trục: thì lắp về hai phía đường tâm dọc tàu, gọi là trục mạn trái và phải. Nếu hai máy chính bố trí so le nhau thì hai hệ trục có chiều dài khác nhau, góc nghiêng dọc α và nghiêng ngang β của hai đường trục có thể sẽ khác nhau. Chiều quay của hai chân vịt phải ngược chiều nhau. Nếu nhìn từ lái về mũi thi hai chân vịt thường quay theo chiều từ ngoài mạn vào tim giữa tàu, cụ thể chân vịt bên trái quay theo chiều kim đồng hồ và chân vịt bên phải thì quay theo chiều ngược kim đồng hồ. Hình 1.2: Tàu có hai hệ trục 5 Hệ ba trục: Một nằm giữa và hai hệ trục kia nằm về hai mạn tàu. Chân vịt giữa thường nằm lùi về phía sau so với hai chân vịt hai mạn tàu. Hình 1.3: Tàu có ba hệ trục Theo kết cấu của chân vịt Hệ trục chia ra hệ trục chân vịt có bước cánh cố định và chân vịt có bước cánh thay đổi ( chân vịt biến bước). Chân vịt có bước cánh cố định thường được đúc nguyên từ hợp kim đồng hoặc thép không gỉ, thông dụng 3÷5 cánh. Chân vịt có bước cánh cố định đơn giản, dễ lắp ráp và sửa chữa, giá thành hạ nhưng tính kinh tế và cơ động kém hơn so với chân vịt có bước cánh thay đổi. Chân vịt biến bước là chân vịt được ráp từ nhiều chi tiết, cánh chân vịt xoay quanh tâm của mình để tạo bước cánh chân vịt thay đổi do cơ cấu thay đổi bước cánh điều khiển. Tàu có chân vịt biến bước đảm bảo độ tin cậy cao do không phải tắt máy chính khi chuyển chế độ công tác về “không” hay “lùi”, mà chỉ cần điều khiển bước cánh theo chế độ phù hợp trong khi chiều quay của chân vịt vẫn không đổi. Mặt khác sử dụng chân vịt biến bước khả năng phát huy chế độ tối ưu của máy chính đảm bảo tiết kiệm được nhiên liệu. Nhược điểm của hệ trục chân vịt biến bước là giá thành cao, đòi hỏi chế độ bảo dưỡng, khai thác và sửa chữa phước tạp. 6 Theo phương pháp làm mát ổ trục chân vịt Làm mát bằng nước và bằng nhớt. Đối với hệ trục làm mát và bôi trơn ổ đỡ ống bao bằng nước thì bạc đỡ trục chân vịt được chế tạo từ vật liệu phi kim loại như gỗ, cao su, nhựa textôlít,…còn làm mát và bôi trơn bằng nhớt thì bạc đỡ tráng ba bít và có thêm kết cấu đặc biệt làm kín ổ đỡ ống bao gọi là simplex. Theo chiều dài của hệ trục Gồm có hệ trục ngắn và hệ trục dài. Nếu gọi l là chiều dài tính từ ổ đỡ cuối cùng trục khuỷu máy chính (cổ chính trục khuỷu cuối phía lái); d là đường kính trục trung gian. Hệ trục dài: l > 30d Hệ trục ngắn: l < 22 d Việc phân chia dài, ngắn này có liên quan đến một số tiêu chuẩn kỹ thuật trong sửa chữa và đóng mới tàu thuỷ. Theo chiều quay Gồm có chân vịt quay phải và chân vịt quay trái. Chân vịt quay phải là chân vịt quay theo chiều kim đồng hồ khi tàu chạy tiến nếu nhìn từ đuôi tàu về mũi tàu. Chân vịt quay trái thì ngược lại. 1.1.2. Điều kiện làm việc của hệ trục chân vịt Hệ trục làm việc trong điều kiện rất phức tạp, một đầu nối liền với máy chính, chịu tác dụng trực tiếp của momen xoắn thay đổi có chu kỳ từ máy chính, đầu kia mang trục chân vịt làm việc trong môi trường nước. Ngoài ra, hệ trục chân vịt còn chịu lực đẩy của chân vịt, chịu tác động của trọng lượng bản thân và ứng suất phụ do dao động, do lắp ráp, uốn chung của vỏ tàu và biến dạng cục bộ của đáy tàu… Để tránh những ứng suất phụ, người ta cố gắng đảm bảo sự đồng tâm của các đoạn trục trong hệ trục, bố trí các gối đỡ và buồng máy tàu hợp lý, đồng thời phải đảm bảo độ chính xác trong gia công, lắp ráp. 7 1.1.3. Các thành phần cơ bản của hệ trục chân vịt Trong trường hợp chung, hệ trục bao gồm: Trục chân vịt, các trục trung gian, các gối đỡ và gối đỡ chặn, khớp nối và phanh. Đôi khi người ta trang bị thêm trên hệ trục thiết bị đo công suất. Hình 1.4: Kết cấu chung của hệ trục tàu 1- Chân vịt; 2- giá treo; 3- trục chân vịt; 4- gối đỡ ống bao trục;5- ống bao trục chân vịt; 6- bích kín nước; 7- gối đỡ chặn phụ; 8- trục trung gian; 9- gối đỡ phụ; 10-gối đỡ trục trung gian; 11- cụm vách ngăn; 12-gối đỡ chặn; 13- trục đẩy; 14- máy chính. Trục chân vịt Là phần trục mang chân vịt. Đây là trục làm việc nặng nề nhất so với các phần trục khác, vì phải chịu tải trọng trực tiếp của chân vịt, nhận lực đẩy do chân vịt tạo ra, chịu uốn, xoắn và làm việc trong môi trường dễ ăn mòn, đầu kia nối với trục ống bao (nếu có) hoặc trục trung gian bên trong tàu. Mặt khác nó chịu ứng suất bổ sung khi tàu lắc, khi làm việc trong dòng chảy xiên và không có độ cân bằng về cơ học và thuỷ động của chân vịt . a) b) Hình 1.5: Trục chân vịt a) Trục đặc, bích liền b) Trục đặc có bậc, bích rời 8 Trục trung gian Là trục hoặc các đoạn trục nối từ trục đẩy với trục chân vịt, nhiệm vụ chính là truyền mômen xoắn đến chân vịt. Nói chung trục trung gian chịu tải do mômen xoắn, trong lượng bản thân, lực đẩy và tải bổ sung do biến dạng cục bộ. Tuy nhiên trục điều kiện hoạt động của trục trung gian nhẹ nhàng nhất so với các trục khác cho nên đường kính trục trung gian nhỏ hơn các trục khác. a) b) c) Hình 1.6: Trục trung gian a) Trục đặc – bích liền; b) Trục rỗng – bích liền; c) Trục đặc – bích rời Ổ đỡ trung gian : Là ổ đỡ của các trục trung gian, có thể là ổ trượt hoặc ổ lăn Hình 1.7: Ổ đỡ trục trung gian a) Kết cấu ổ trượt; b) Kết cấu ổ bi lăn 9 Thiết bị ống bao Gồm ống bao trục, các gối đỡ được lắp ngay trong ống bao, cụm kín ống bao và các chi tiết khác để cố định thiết bị vào vỏ tàu. Thiết bị ống bao có nhiệm vụ đỡ trục chân vịt và chân vịt, đồng thời ngăn cách nước biển với không gian bên trong tàu… a) b) Hình 1.8: Kết cấu ống bao trục a) Ống bao trục bằng thép đúc liền b) Ống bao trục ghép ren kiểu Nhật Bản Ổ đỡ chặn Làm nhiệm vụ chính là truyền lực đẩy chân vịt thông qua vành trục đẩy vào vỏ tàu để bảo vệ máy chính. Hình 1.9: Ổ chặn lực đẩy 1. Nắp ổ đỡ; 2. Nắp chặn phớt kín; 3. Phớt kín; 4. Máng lót đỡ trục; 5. Trục chịu lực đẩy; 6. Thân ổ đỡ; 7. Tấm đệm; 8. Vòng chặn chịu lực đẩy; 9. Bạc chịu lực đẩy [...]... vi tính như phương pháp ma trận truyền (còn gọi là phương pháp ma trận chuyển – Tranfer Matrix), phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp độ cứng động lực … Trong đó phải kể đến phương pháp phần tử hữu hạn do tính đa năng và dễ lập trình trên máy tính Chính vì vậy chúng tôi thực hiện đề tài: Tính dao động riêng hệ trục chân vịt tàu thủy theo phương pháp phần tử hữu hạn ... và phương pháp tính được đề xuất Tuy nhiên, theo các phương pháp này, các dao động thành phần của hệ trục như dao động dọc trục, dao động xoắn và dao động ngang Sau đây ta xem xét cụ thể từng dạng dao động nêu trên 1.2.1 Dao động dọc trục 1.2.1.1 Khái niệm Dao động dọc trục là một dạng dao động đặc biệt mà ở đó các vật thể chuyển động qua lại theo phương dọc trục, ở đó lực kích động là lực dọc trục, ... phương trình dao động riêng dọc trục 1.3 Các phương pháp tính dao động riêng Với mỗi dao động thành phần kể trên, các phương pháp truyền thống sử dụng các mô hình tính đơn giản khác nhau Mặc dù hệ trục chân vịt là một hệ liên tục với vô số bậc tự do, các tính toán thường đưa về mô hình hữu hạn bậc tự do như mô hình hệ vật rắn hay mô hình các phần tử hữu hạn [3] Ví dụ như trong tính toán dao động xoắn,... quán tính tiết diện: I   y 2 dA (1.12) Khi dầm dao động riêng, phương trình dao động ngang tự do sẽ là EI 4 y 2 y  2 0 x 4 t (1.13) 1.2.3 Dao động xoắn 1.2.3.1 Khái niệm Dao động xoắn là dao động quay quanh đường trục Dao động xoắn diễn ra trên toàn bộ hệ trục kể từ trục khuỷu của máy chính đến trục chân vịt Đây là loại dao động nguy hiểm nhất trong các loại dao động của hệ trục tàu Dao động. .. chân vịt được xét đến vì nó tương đối độc lập với trục động cơ Trong khi đó, toàn bộ hệ trục xem xét đến khi tính dao động xoắn Ngoài ra, chỉ xét hệ trục chỉ có duy nhất 1 đường trục 22 Chương 2 CƠ SỞ TÍNH DAO ĐỘNG TỰ DO HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU THỦY THEO PPPTHH 2.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn Phương trình chuyển động hệ thống cơ học trong hệ tọa độ Descartes:  u ( x, y , z , t )  ... tiêu, phương pháp và đối tượng nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu cơ sở lý thuyết và phương pháp phần tử hữu hạn tính các dao động riêng của hệ trục chân vịt, trên cơ sở đó đánh giá kết quả tính theo mô hình được xây dựng với các mô hình tính truyền thống, đồng thời nghiên cứu khả năng thay đổi các mô hình tính truyền thống khi áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn 1.4.2 Phương pháp. .. lượng chân vịt) bằng cách cộng vào khối lượng chân vịt 26 Hình 2.1: Mô hình tính dao động dọc của hệ trục chân vịt 2.2.2 Phần tử thanh dao động dọc trục Xét phần tử thanh có tiết diện không đổi như trong hình 2.5 Với phần tử một chiều này, hai đầu hình thành nên hai điểm nút Khi phần tử chịu tác dụng của các lực dọc trục f1(t) và f2(t), chuyển vị dọc trục trong phần tử được giả định là tuyến tính theo. .. các dạng dao động riêng tương ứng Ta có thể giải (1.24) bằng các phương pháp có sẵn như các phương pháp trực tiếp hoặc các phương pháp lặp (Mises, Jacobi …) 1.4.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu tính dao động riêng của hệ trục chân vịt Tuy nhiên do hạn chế về thời gian, đề tài giới hạn phạm vi nghiên cứu cụ thể như sau: Khi tính dao động ngang và dao động dọc, chỉ phần chân vịt được... chân vịt đưa vào tính toán cần kể thêm khối lượng nước kèm Theo PPPTHH, hệ trục chân vịt được coi là tập hợp của các phần tử dầm có chiều dài hữu hạn với kích thước thực của nó Chi tiết về phần tử dầm được đề cập trong mục sau Hình 2.2: Mô hình tính dao động ngang của hệ trục chân vịt tàu thuỷ 2.3.2 Phần tử dầm Bây giờ ta hãy xét phần tử dầm theo lý thuyết của Euler – Bernoulli Hình 2.3 biểu diễn phần. .. 3, 4 (2.54) 0 2.4 Tính dao động xoắn 2.4.1 Mô hình tính dao động xoắn Chân vịt Bánh đà Bánh răng Hệ thống xylanh-piston Hình 2.4: Mô hình tính dao động xoắn của hệ trục chân vịt tàu thuỷ Theo truyền thống, để tính toán dao động xoắn tự do của hệ trục chân vịt, người ta hay sử dụng mô hình rời rạc dưới dạng một dãy đĩa bao gồm các đĩa với mômen quán tính nối với nhau bởi các đoạn trục đàn hồi (hình . về dao động hệ trục chân vịt 4 1.1. Kết cấu hệ trục chân vịt tàu thuỷ 4 1.2. Dao động của hệ trục chân vịt 11 1.3. Các phương pháp tính toán dao động riêng 18 1.4. Mục tiêu, phương pháp, . sở PPPTHH tính dao động hệ trục chân vịt 2.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn …………………….…21 2.2. Tính dao động dọc 24 2.3. Tính dao động ngang 28 2.4. Tính dao động xoắn. Phân loại hệ trục chân vịt. Phân loại hệ trục chân vịt tàu thuỷ có thể dựa vào các tiêu chuẩn sau: Theo số lượng, hệ trục chân vịt gồm có: một hệ trục, hai hệ trục, ba hệ trục Một hệ trục: Thông