lập chương trình tính toán thủy động học bánh lái

CHƯƠNG 1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI. - Thiết bị lái tàu thủy là bộ phận quan trọng trong hệ thống thiết bị tàu thủy, đảm bảo tính năng hàng hải cho một con tàu. - Trong thực tế, việc giải quyết bài toán thiết kế thiết bị lái tàu thủy qua đó tính bền cho thiết bị lái là nhu cầu cấp thiết mà ngành tàu thuyền nói chung và bộ môn tàu thuyền nói riêng đặt ra. - Tính toán thủy động học bánh lái là một bộ phận cấu thành trong quá trình tính toán thiết bị lái, sử dụng các công thức gần đúng từ thực nghiệm. - Việc tính toán thủy động học bánh lái sử dụng các công thức gần đúng với thời gian dài cộng với việc tra đồ thị phức tạp nên ảnh hưởng không nhỏ đến độ chính xác của bài toán. - Vì những lý do trên nên đề tài này sẽ thực hiện công việc “Lập chương trình tính toán thủy động học bánh lái”, giải quyết vấn đề thời gian cũng như độ chính xác khi tính toán thủy động học bánh lái, phục vụ cho việc thiết kế thiết bị lái tàu thủy. 1.2. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI. - Đề tài “Lập chương trình tính toán thủy động học bánh lái” sử dụng phần mềm Visual Basic 6.0, sau khi đi số hoá đồ thị các hệ số đặc tính thuỷ động đưa kết quả về dạng bảng phục vụ cho việc tính lực và mômen thuỷ động tác dụng lên bánh lái trên cơ sở lý thuyết đã được hướng dẫn và nghiên cứu. - Đề tài không đi sâu vào đánh giá độ chính xác của các công thức tính toán mà chỉ tập trung vào giải quyết bài toán rút ngắn thời gian tính toán thủy động học bánh lái với độ chính xác cao phục vụ nhu cầu thiết kế thiết bị lái tàu thủy. - Bố cục của đề tài bao gồm: 1 Chương 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3. LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY ĐỘNG HỌC BÁNH LÁI SỬ DỤNG PHẦN MỀM VISUAL BASIC (VB) 6.0 Chương 4. THẢO LUẬN KẾT QUẢ 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG LÁI. 2.1.1. Một số khái niệm cơ bản và thuật ngữ chính. 2.1.1.1. Tính ăn lái của tàu và nhiệm vụ của thiết bị lái. - Tính ăn lái của tàu thuỷ là khả năng giữ nguyên hoặc thay đổi hướng đi của tàu theo ý người lái. Tính ăn lái bao gồm hai lĩnh vực chính liên hệ mật thiết với nhau là tính ổn định hướng và tính quay trở. + Tính ổn định hướng là khả năng giữ hướng đi của tàu mà không có sự tham gia giữ hướng của người lái hoặc chỉ với góc nghiêng bánh lái rất nhỏ. + Tính quay trở là khả năng thay đổi hướng đi về một phía bất kỳ của tàu. Qua đó ta thấy, tính ổn định hướng và tính quay trở là hai khái niệm tương phản nhau, một con tàu có tính ổn định hướng tốt thì sẽ có tính quay trở kém và ngược lại. Tính ăn lái của tàu phụ thuộc rất nhiều vào kích thước (L, B) và hình dáng thân tàu, nhất là phần đuôi. Không những thế, tính ăn lái còn phụ thuộc rất nhiều vào những bộ phận ổn định cố định như ky hông, ky đuôi…vào độ lớn và số lượng chân vịt cũng như vị trí đặt chúng trên tàu. - Thiết bị lái có nhiệm vụ đảm bảo tính ăn lái của tàu, bằng cách tạo ra mô men quay làm quay tàu quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm tàu. 2.1.1.2. Quá trình quay vòng của tàu. - Định nghĩa: Quá trình quay vòng của tàu là quỹ đạo chuyển động của trọng tâm tàu khi quay bánh lái đi một góc α và giữ nguyên bánh lái ở vị trí đó. - Các giai đoạn của quá trình quay vòng tàu: gồm 3 giai đoạn: 3 + Giai đoạn 1: Là giai đoạn quay lái. Bánh lái từ vị trí nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu được quay đi một góc α (gọi là góc quay lái). Áp lực thuỷ động P tác động lên bánh lái tăng dần thành phần P 2 của P ngược với chiều quay lái và làm tàu dạt sang ngang. Thành phần P 1 của P hướng ngược chiều tiến của tàu sẽ làm giảm vận tốc của tàu. Mômen M t = P* l bắt đầu làm quay mũi tàu theo chiều quay lái. Lực đẩy chân vịt P cv bị đổi hướng, đẩy tàu đi lệch khỏi hướng đi lúc quay lái. + Giai đoạn 2: Là giai đoạn chuyển động quá độ. Bánh lái được giữ cố định ở góc α. Tàu quay dần quanh trục thẳng đứng đi qua trọng tâm tàu. Góc giữa mặt phẳng đối xứng của tàu và hướng vận tốc chuyển động của trọng tâm tàu gọi là góc lệch hướng β. Góc β tăng đến β max còn đường kính quay vòng quá độ D giảm đến giá trị D min . + Giai đoạn 3: Là giai đoạn chuyển động xác lập, bắt đầu từ lúc góc lệch hướng β và đường kính quay vòng D đạt được giá trị cố định kéo dài đến khi bánh lái còn giữ được ở góc quay lái α. Trọng tâm tàu chuyển động trên một đường tròn gọi là đường kính quay vòng xác lập với đường kính D min = D 0 . Giá trị đường kính đó có thể được thống kê như sau: Với tàu cá thì D = ( 4÷ 6)* L Với tàu vận tải và các tàu khác thì D = ( 6÷ 8)* L Quá trình quay vòng tàu được thể hiện bằng hình vẽ dưới đây: 4 2.1.2. C ác loại thiết bị lái và các bộ phận chính của thiết bị lái. 2.1.2.1. Các loại thiết bị lái. 5 Hình 2.1. Quá trình quay vòng của tàu P cv β . α ϕ α r 0 l P 1 R 0 P 2 K 2 P cv V R V P M P cv R 2 P R RR . . . R min =const R A β = β max =const β max III I II v v α α . . . . β . v α . Dmin D - Thiết bị lái dùng bánh lái là loại thiết bị lái đơn giản và phổ biến nhất. Bánh lái có dạng tấm phẳng hoặc tấm có prôfin lưu tuyến. Khi tàu chạy thẳng bánh lái nằm trong mặt phẳng đối xứng của tàu hoặc song song với mặt phẳng đó. - Thiết bị lái dùng bánh lái chủ động để tăng tính quay trở của tàu, nhất là khi tàu chạy ở tốc độ thấp. Với loại bánh lái này người ta lắp thêm vào nó một chân vịt phụ. - Thiết bị lái dùng đạo lưu quay: Đạo lưu quay là một ống có profin lưu tuyến đặt bao quanh chân vịt. Ngoài tác dụng lái tàu, đạo lưu còn là một bộ phận của thiết bị đẩy, có tác dụng cải thiện chất lượng đẩy của chân vịt - Ngoài các thiết bị lái kể trên còn có thiết bị lái kiểu phụt nước. Trong giới hạn của đề tài, tôi không đi sâu nghiên cứu đến đặc điểm, phân loại, ưu nhược điểm của bộ phận thiết bị lái này mà chỉ đi sâu nghiên cứu về thiết bị lái dùng bánh lái. 2.1.2.2. Các bộ phận chính của thiết bị lái. - Bánh lái (hoặc đạo lưu quay): trực tiếp chịu áp lực thuỷ động để lái tàu. - Trụ lái: là phần của sống đuôi tàu, có các bản lề để lắp bánh lái. - Trục lái: truyền mômen lái từ máy lái tới làm quay bánh lái hoặc đạo lưu. 6 Hình 2.2. Bánh lái chủ động với chân vịt lái phụ. Gối đỡ dưới Bánh lái Ống đạo lưu Đường trục Trục lái Động cơ điện quay chân vịt Máy lái Mấu lắp ráp Ổ đỡ chịu lực Mấu lắp ráp - Bộ phận tạo lực lái gồm nguồn động lực, hệ truyền động, hệ điều khiển. - Các thiết bị an toàn tín hiệu: thiết bị chỉ góc quay lái, thiết bị giới hạn góc quay lái, thiết bị hãm… 2.1.3. Phân loại bánh lái và yêu cầu bố trí bánh lái trên tàu thuỷ. 2.1.3.1. Phân loại bánh lái. - Theo cách liên kết giữa bánh lái và vỏ tàu: + Bánh lái đơn giản (kiểu 1, 3): là bánh lái có ít nhất một gối đỡ ở phía trên và một gối đỡ ở phía dưới bánh lái. Ngoài ra có thể thêm các gối đỡ trung gian. 7 Hình 2.3. Bánh lái đơn giản + Bánh lái nửa treo (kiểu 2): là bánh lái có nửa phần dưới làm việc như một đoạn công xôn. + Bánh lái treo (kiểu 4): là bánh lái liên kết với vỏ tàu qua các gối của trục lái. - Theo vị trí bánh lái so với đường tâm quay: + Bánh lái cân bằng: là bánh lái có đường tâm quay chia bánh lái thành hai phần. Mômen do áp lực thủy động tác dụng lên phần sau sẽ được cân bằng bởi áp lực tác dụng lên phần trước. + Bánh lái không cân bằng: là bánh lái có đường tâm quay nằm sát cạnh trước của bánh lái. Mômen do áp lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái sẽ truyền hoàn toàn lên trục lái. + Bánh lái bán cân bằng: là bánh lái có phần dưới nhô ra phía trước trục lái gây ra đối trọng. - Theo số chốt liên kết: gồm bánh lái một chốt và bánh lái nhiều chốt. Các bánh lái đơn giản và bánh lái nửa treo có thể liên kết với sống đuôi tàu bằng một hay nhiều chốt bản lề. Có thể tóm tắt việc phân loại bánh lái qua sơ đồ dưới đây: 8 Một chốt Bánh lái Bánh lái nửa treoBánh lái đơn giản Bánh lái treo Cân bằngKhông cân bằng Cân bằngCân bằng Một chốt Hai chốt Trụ lái rời Hai chốt Một chốt Nhiều chốt Hai chốt Hình 2.6. Phân loại bánh lái Hình 2.4. Bánh lái nửa treoHình 2.5. Bánh lái treo 2.1.3.2. Bố trí bánh lái và yêu cầu đối với vị trí bánh lái. - Các kiểu bố trí bánh lái trên tàu: Tàu một chân vịt có các kiểu bố trí sau: + Kiểu 1: Bánh lái đặt sau chân vịt trong mặt phẳng đối xứng của tàu (được sử dụng phổ biến). + Kiểu 2: Bánh lái đặt sau đạo lưu cố định trong mặt phẳng đối xứng của tàu. Tàu hai chân vịt có các kiểu bố trí sau: + Kiểu 1: Mỗi bánh lái đặt trong mặt phẳng đối xứng (không phổ biến). + Kiểu 2: Mỗi chân vịt một bánh lái (kiểu này được dùng cả ở tàu biển và tàu nội thuỷ). + Kiểu 3: Hai bánh lái tiến đặt sau hai bánh lái lùi đặt trước từng chân vịt (ít dùng). + Kiểu 4: Mỗi chân vịt có một đạo lưu cố định và một bánh lái đặt sau đạo lưu. + Kiểu 5: Mỗi chân vịt có một đạo lưu cố định và chung một bánh lái đặt trong mặt phẳng đối xứng. - Các yêu cầu đối với vị trí bánh lái trên tàu. 9 + Bánh lái phải nằm trong dòng đẩy của chân vịt. Khoảng cách a giữa mép trước của bánh lái và mép cánh chân vịt không nhỏ hơn 0.3 m (a≥ 0.3 m) khi chiều dài tàu bằng 120 m (đo cách trục chân vịt một khoảng 0.7* R cv – R cv là bán kính chân vịt. Nếu chiều dài tàu lớn hơn 120 m thì khoảng cách a tương ứng tăng hoặc giảm 0.025 m ứng với một đoạn 15 m thay đổi chiều dài. Trị số a càng nhỏ thì dao động của vùng đuôi tàu càng tăng. + Khi tàu toàn tải, bánh lái phải ngập hoàn toàn trong nước. Khoảng cách lớp nước phía trên bánh lái b không nhỏ hơn 0.25* h bl (tàu sông- biển) và 0.125* h bl (tàu chạy trong hồ), với h bl là chiều cao bánh lái. Tàu sông cấp “C” và “D” mặt trên bánh lái có thể cao hơn đường nước chở hàng khoảng (0.05 ÷ 0.1)* h bl nhưng không quá 350 mm. + Mặt dưới bánh lái cân bằng và nửa cân bằng không được thấp hơn mép dưới cánh chân vịt (c>0). + Ở tàu có tốc độ trung bình, trục quay của bánh lái phải vuông góc với mặt phẳng cơ bản của tàu và nằm trong mặt chứa đường tâm quay của chân vịt. + Ở tàu cao tốc hai chân vịt, bánh lái nên đặt dịch sang phía mạn nếu chân vịt có hướng quay ra ngoài và đặt dịch vào giữa nếu chân vịt có hướng quay vào trong. Khi đó bánh lái sẽ không rơi vào vùng xoáy. + Khi quay hết lái sang một bên mạn, mép sau bánh lái không được vượt ra ngoài giới hạn chiều rộng tàu. 10 hbl a c b Hình 2.7. Yêu cầu đối với vị trí bánh lái [...]... định diện tích bánh lái Sbl và các thơng số hình học của bánh lái b Tính tốn thuỷ động học bánh lái c Tính tốn cụm bánh lái + Tính tốn trục lái: trục cong, trục thẳng + Tính tốn trụ lái 13 + Tính chọn các ổ đỡ, chốt trên, dưới, áp lực + Tính tốn trục lái + bánh lái d Tính tốn truyền động lái (máy lái) Từ trình tự tính tốn như trên ta nhận thấy cơng việc tính tốn thuỷ động học bánh lái chiếm một vị...11 + Nếu bánh lái treo cân bằng được hàn với trục lái thì chiều cao bánh lái phải chọn sao cho có thể tháo được bánh lái khi sửa chữa 2.2 LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THUỶ ĐỘNG HỌC BÁNH LÁI 2.2.1 Lý thuyết tính tốn thuỷ động học bánh lái 2.2.1.1 Đặt vấn đề - Việc tính tốn thuỷ động học bánh lái là cơ sở quan trọng cho việc tính tốn, thiết kế thiết bị lái tàu thuỷ - Thiết bị lái là thiết bị... rộng bánh lái tại mặt cắt đó Hệ số cân bằng k ảnh hưởng khơng đáng kể đến đặc tính thuỷ động bánh lái cũng như đến q trình tính tốn thuỷ động học bánh lái trong đề tài nên giá trị mặc định tơi chọn là k= 0.25 Sau khi xác định được các thơng số hình học của bánh lái thì ta tiến hành tính tốn các đặc tính thuỷ động của bánh lái 2.2.2.2 Đặc tính thuỷ động của bánh lái 1 Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính. .. suất) đến cạnh dẫn Mtd 2 Đặc tính thuỷ động của bánh lái: Việc tính tốn thuỷ động học bánh lái, tức là đi xác định 2 thơng số lực thuỷ động R và mơmen thuỷ động Mtđ thơng qua các đặc tính thuỷ động của bánh lái Khi quay bánh lái một góc α so với phương dòng chảy, trên bánh lái xuất hiện hợp lực thuỷ động R đặt tại một điểm gọi là tâm áp lực của bánh lái Để tiện tính tốn, R thường được phân thành các... biệt quan trọng trong việc xác định các giá trị lực (R) và mơmen thuỷ động (Mtd) của chương trình Q trình lập trình tính tốn các lực và mơmen tác dụng lên bánh lái sử dụng các hệ số đặc tính thuỷ động C L, CD, CM được thực hiện ở phần lập trình dưới đây ta sẽ đi nghiên cứu 32 Chương 3 LẬP CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THUỶ ĐỘNG HỌC BÁNH LÁI SỬ DỤNG PHẦN MỀM VISUABASIC 6.0 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Phần lớn các... tính tốn thiết kế thiết bị lái nói riêng và đảm bảo an tồn cho tàu nói chung Vấn đề đặt ra là nghiên cứu q trình tính tốn thiết bị lái để làm bàn đạp cho phương pháp tính tốn thuỷ động học bánh lái sau này 2.2.1.2 Những yếu tố cần xét đến khi tính tốn thuỷ động thiết bị lái 1 Chế độ tính tốn Mục đích của việc tính tốn thuỷ động thiết bị lái là xác định các trị số của lực thuỷ động R và mơmen thuỷ động. .. lên bánh lái: R= L2 + D 2 , kG (2-39) - Mơmen thuỷ động: Mtd = CM* kv* kcv* ρ *v2 * S* b, kG.m 2 (2-40) - Mơmen lái trên trục lái được xác định: M1 = k0* Mtd + Mms, kG.m (2-41) Trong phạm vi đề tài đi lập chương trình tính tốn thuỷ động học bánh lái, ta khơng đi xác định giá trị mơmen lái trên trục lái mà chỉ đi xác định giá trị mơmen thuỷ động tính từ tâm áp lực (tâm áp suất) đến cạnh dẫn Mtd 2 Đặc tính. .. hơn thì chính xác hơn 2.2.2 Phương pháp tính tốn thuỷ động học bánh lái 2.2.2.1 Xác định các thơng số hình học của bánh lái 1 Chiều cao bánh lái h: 16 Việc tính chọn tuỳ thuộc tuyến hình phần đi tàu Ở đây tơi chọn giá trị chiều cao bánh lái nằm trong khoảng 0.6* T≤ h ≥ 0.9*T, giá trị mặc định chọn là h= 0.8* T 2 Diện tích bánh lái S: - Chọn theo tàu mẫu có tính ăn lái tốt - Chọn theo cơng thức số liệu... L(m), B(m), T(m), v(Hl/h) Tính hiệu chỉnh Chọn hệ số ảnh hưởng đến diện tích bánh lái a*102, h Nhập lại Khơng thoả mãn S≥ 0.8*Smin Tính hệ số lực, Tính các thơng số lực, mơmen hình học bánh lái b, S, λ, t, k Thoả mãn KẾT QUẢ Tính tốn thuỷ động KẾT THÚC Nhập các thơng Chọn hệ số lực Hình số phụ D ,thuật tốn chương trình tính tốn thuỷ động bánh lái 3.1 Sơ đồ z đẩy chân vịt v cv Tính hệ số ảnh hưởng kv... đến đặc tính thuỷ động của bánh lái, trong tính tốn có thể bỏ qua vd làm tăng vận tốc dòng chảy qua bánh lái theo hướng dọc trục chân vịt v’ bl: v’bl = vcv + vd (2-26) vt làm thay đổi góc tấn của dòng chảy qua bánh lái α: − v +v α = arctg t t v 'bl (2-27) Trong đó: − vt : vận tốc tiếp của dòng chảy qua bánh lái khi khơng có chân vịt, m/s Trong tính tốn thực tế thiết bị lái, vận tốc dọc của bánh lái qua . Tính toán trục lái: trục cong, trục thẳng. + Tính toán trụ lái. 12 + Tính chọn các ổ đỡ, chốt trên, dưới, áp lực. + Tính toán trục lái + bánh lái. d. Tính toán truyền động lái (máy lái) . Từ trình. tính toán thiết bị lái được thực hiện theo các bước sau: a. Xác định diện tích bánh lái S bl và các thông số hình học của bánh lái. b. Tính toán thuỷ động học bánh lái. c. Tính toán cụm bánh lái. +. HỌC BÁNH LÁI. 2.2.1. Lý thuyết tính toán thuỷ động học bánh lái. 2.2.1.1. Đặt vấn đề. - Việc tính toán thuỷ động học bánh lái là cơ sở quan trọng cho việc tính toán, thiết kế thiết bị lái tàu