Thiết kế bánh lái tàu hàng 13000 tấn chạy tuyến HảI Phòng –Nhật Bản vận tốc 12hlg( bản vẽ cực chuẩn)

Các thông số chính của tàu Thiết kế bánh lái tàu hàng 13000 tấn chạy tuyến HảI Phòng –Nhật Bản với các thông số chính sau : Vận tốc tàu v = 12 hlh Chiều dàI tàu L = 126 m Chiều rộng tàu B = 22 m Chiều cao mạn H = 11.3 m Chiều chìm thiết kế T = 8.2 m Các hệ số béo H ệ số béo chung = 0,72 Hệ số béo sườn giữa = 0,98 Hệ số béo đường nước = 0,825

ThiÕt kÕ m«n häc m«n

thiÕt bÞ tµu

-

-o0o -I.C¸c th«ng sè chÝnh cña tµu

ThiÕt kÕ b¸nh l¸i tµu hµng 13000 tÊn ch¹y tuyÕn H¶I Phßng –NhËt B¶n víi c¸c th«ng sè chÝnh sau :

C Các đại lợng tính đơn vị Các giá trị tính toán

6 PE kW 981.68 1137.77 1307.43 1492.68 1709.121

Từ bảng trên ta vẽ đợc đồ thị lực cản và công suất kéo

2 Tính toán đờng kính chong chóng :

2.1 Chọn số cánh chong chóng : ZP = 1

2 2 Tính hệ số dòng theo tính toán WT và hệ số hút t theo công thức Taylor cho tàu 1 chong chóng :

δ _ hệ số béo thể tích của tàu δ = 0.72 ;

kt _ hệ số phụ thuộc vào hình dáng bánh láI ;

kt = 0.5ữ0.7 cho tàu 1 chong chóng Chọn kt = 0.6 ;

48

n

2.3 Chọn sơ bộ đờng kính chong chóng :Trong đó:

D _ Đờng kính chong chóng , m ;

nm _ Vòng quay của chong chóng , v / ph ;

T _ lực đẩy của chong chóng , kN ;

T=TE / ( 1 - t ) ,

TE = R / ZP

vs _ tốc độ của tàu , hảI lý / giờ , vs = 12 h l / h

Tra đồ thị lực cản và công suất kéo của tàu ta có : R = 211673 N

Công suất kéo của tàu PE = 1307.43 KW = 1778.09 CV

Chọn số vòng quay sơ bộ nm = 200 v / ph = 3.333 v / s

m n

T D

m

35.38

2.4 Chọn số cánh chong chóng :

Dựa vào hệ số lực đẩy theo vòng quay

4

T n

ρ_ khôí lợng riêng của nớc biển , ρ = 1025 kg / m3

T _ lực đẩy của chong chóng , T = 260040.54 N ;

o

E o

E o

E

A

A A

Tỉ số đĩa theo điều kiện xâm thực ;

Chọn tỉ số đĩa theo điều kiện bền : min

E

A

A A

A

3 5 3 / 2 max

')

(375,0

A E

δ

=

C’ _ hệ số phụ thuộc vào vật liệu , C’ = 0.055 _ hơp kim đồng ;

dmax _ chiều dày tơng đối profin tiết diện cánh chong chóng ;

d max = 0.08ữ0.1 Chọn dmax = 0.09 ;

m’ _ hệ số phụ thuộc vào kiểu tàu ; m’ = 1.15 _ tàu hàng ;

438.0

2.6 Tính toán đờng kính tối u và tỉ số bớc của chong chóng :

T vD

E s

v T P

Ta phải dự trữ công suất để khi tàu gặp sóng gió phát huy hết công suất

động cơ thì taù vẫn đảm bảo vận tốc Vs = 12 hl/h Do đó ở đây ta chỉ tính cho chong chóng sử dụng 85% công suất

Các thông số của chong chóng : D = 3.4 m

nm = 200 v / ph

P / D = 0.695

ηD = 0.5932.7 Kiểm tra tỉ số đĩa theo điều kiện xâm thực :

2 1

1 min

0

) ( 130

)"

P

K A

E

A

A A

Tỉ số bớc =0.695

D P

Tỉ số đĩa

55.0

=

O

E

A A

L = 126 m là chiều dài giữa 2 trụ của tàu

T = 8.2 m là chiều chìm trung bình của tàu ở trạng thái toàn tải

Thay số vào ta có

ΣFP = 19.5 ữ 27.9 m2

Ta chọn diện tích bánh lái F P =24 m 2

1.2.Kiểm tra theo điều kiện diện tích tối thiểu

Diện tích của bánh lái phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau

ΣFPmin = 75)

15075

,0(

100 + L+

LT pq

m2

trong đó

p = 1 vì bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt

q = 1 đối với tàu hàng

L,T lần lợt là chiều dài và chiều chìm tàu

Thay số vào ta có

ΣFPmin = 126 75)

15075

,0(100

2.8.126

Dựa vào điều kiện bố trí trong khung giá lái mà ta chọn

# Chiều cao bánh lái hP = 6 m

4.Chiều dày lớn nhất của profin bánh lái

Với prôfin NACA 0012 thì chiều dày tơng đối

Giá trị của xpmin và xpmax đợc tính theo bảng sau

1 +

= 1.08 m

6.Hệ số cân đối của bánh lái

Hệ số cân đối của bánh lái đợc tính theo công thức

FP’ = 1.08.6 = 6.47 m2 là diện tích phần đối của bánh lái

FP = 24 m2 là diện tích của toàn bộ bánh lái

7.Xây dựng tuyến hình prôfin lý thuyết

Toạ độ thực của prôfin tính theo công thức

1 14.1 40.00 67.68 40 48.35 1600.00 232.081.25 15.8 50.00 75.84 50 44 2000.00 211.201.75 18.55 70.00 89.04 60 38.03 2400.00 182.54

2.5 21.8 100.00 104.64 70 30.5 2800.00 146.403.25 24.55 130.00 117.84 80 21.85 3200.00 104.88

5 29.6 200.00 142.08 85 17.08 3400.00 81.987.5 34.99 300.00 167.95 90 12.06 3600.00 57.89

10 39 400.00 187.20 95 6.7 3800.00 32.16

15 44.55 600.00 213.84 100 1.05 4000.00 5.04

V.Lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái

1.Tàu chạy tiến

Vận tốc dòng nớc chảy đến bánh lái

vep = 0,515vS(1-ωr)χ ,m/s

Trong đó

vS = 12 ,hl/h là là vận tốc khai thác của tàu

ωr là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái

ωr = 0,8ω0 với ω0 là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đĩa

δ = 0,72 là hệ số béo thể tích của tàu

V = δLBT = 0,72.126.22.8.2 = 16365.88 ,m3 là thể tích chiếm nớc của tàu

7,0

χ là hệ số hiệu chỉnh có kể đến ảnh hởng của dòng nớc do chong chóng

đẩy ra đập vào bánh lái

χ đợc tính bằng công thức

χ =

)1(

πρ

trong đó

T = t

T E

−

1 là lực đẩy của chong chóng

TE = R/x = 21167,kG là lực đẩy có ích của chong chóng

.4.1025

B

k k

σvới k là hệ phụ thuộc vào tỉ số khoảng cách từ đĩa thiết bị đẩy đến mép tr-

ớc của bánh lái chia cho đờng kính chong chóng

37.122

= 0,99 ∆ =0,99 Thay số vào ta có

2.Tàu chạy lùi

Tốc độ tàu chạy lùi

vl = 0,75vS = 0,75.12 = 9,hl/h

Tốc độ dòng chảy đến bánh lái

vepl = 0,515vlξl ,m/s trong đó ξl = 1,05 ~ 1,1

Chọn ξl = 1,1 ta có

Vepl = 0,515.9.1,1 = 5,1 ,m/s

v epl = 5,1 ,m/s

Quá trình tính toán làm theo bảng

STT Đại lợng tính toán Đơn vị Góc bẻ lái αP(độ)

Từ kết quả ta vẽ đồ thị lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái

So sánh 2 trờng hợp tàu chạy tiến và chạy lùi ta có kết luận

# Pnmax = 58937kG tại αP = 27 độ

# Mσmax = 11033 kGm tại αP = 27 độ

VI.Kết cấu của bánh lái

1.Vật liệu chế tạo bánh lái

a n = 0,6 m

Chọn khoảng cách giữa các xơng gia cờng đứng bằng khoảng cách

giữa các xơng gia cờng ngang

a d = 0,6 m

Chiều dày các xơng gia cờng đợc lấy theo chiều dày tôn bao(=0,8t0)

Vì a = 1000 mm > tmax = 480 mm nên ta phải có 2 xơng gia cờng đứng

thay thế cho trụ lái.Khoảng cách giữa chúng là 400 mm

3.Chiều dày tôn bao

Chiều dày tôn bao bánh lái phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức

δ0 = [ ]

2

σ

C P

n S

a F

P T

58319802

kS là hệ số phụ thuộc vào tỉ số bC/aC và tra theo bảng

kS = 0,554

T là áp suất thuỷ tĩnh,về trị số bằng chiều chìm lớn nhất của tàu

T = 8.2.9,8/10= 8.02 ,N/cm2

aC = 60 cm là khoảng cách giữa các xơng gia cờng

[σ] là ứng suất cho phép của vật liệu.Lấy hệ số an toàn bằng 2 ta có

Chiều rộng tôn bao vùng thay thế S không nhỏ hơn 1/6hmax với hmax = 7 m

là khoảng cách lớn nhất giữa 2 gối kề nhau của trục lái

5.Kiểm tra bền trục lái

Bánh lái đợc coi là đủ bền nếu mômen chống uốn của xơng đúng thay thế cho trục lái và mép kèm của nó lớn hơn mômen chống uốn cho phép

6.Khối lợng & toạ độ trọng tâm bánh lái

Ta tính diện tích prôfin và toạ độ trọng tâm Xc của prôfin Diện tíchprôfin

i Xi Yi Xi-Xi-1 Yi+Yi-1 2Yi+Yi-1 Si Xci Si.Xci

VII.Kết cấu trục lái

Tải trọng tác dụng lên trục lái gồm có

# áp lực thuỷ động Pn của nớc tác dụng vuông góc gây uốn trục

# Mômen thuỷ động Mσ gây xoắn trục

# Lực tác dụng lên đầu sectơ lái

PC = MC/RC với RC là bán kính sectơ lái

# Trọng lợng bánh lái Gm và trọng lợng bản thân của trục lái

1.1.Trục lái dới tác dụng của P n và Mσ

Ta coi bánh lái và trục lái nh 1 dầm tựa trên các đế cứng.Phản lực tại các

đế là Ri.Độ cứng của bánh lái là EI1 ,của trục là EI2.Ta giả thiết là

EI1 = 2EI2

Khi đó dầm là siêu tĩnh bậc nhất

Viết phơng trình góc xoay cho gối 1

1 1

1 1 2

2 1 1

1

63

'3

'

b

a EI

b a P EI

L M

3.312

= 102803 (kGm) Mômen tính toán

Mtt = 1 1

1 1

1

L

a L

D1 ≥ 3 [ ]

2 2 1

1.0

→ D1 ≥

3

2 2

1120.1,0

11033

63030 +

= 8,7 (cm) §êng kÝnh trôc t¹i gèi 2:

R’0 = 1

1 1

L

M L

7.3.58937

−

= 22148 (kG) R’1 =

( )

1

1 2

1

2 1 1

'

L

a P L

L

L L

,1.7

9.17

63030 + +

= 69963 (kG) R’2 = - 2

1

a EI

L

M G

2 1 1

1 1

3

''3

''

EI

L M EI

L M

−

→ M’’1 =- 1 2

1

2 1 1

2

312

1

L L

L

a L

1

2 2

+ − 

=-659(kGm) M«men tÝnh to¸n :

M’’tt = 1

1 1 1

1 ''

L

a M L

7.3

5823 −−

=3389 (kGm) Phản lực tại các gối :

R’’0 = 1

1 1

''

L

M L

M G

−

6597

5823−−

= 926 (kG) R’’1 = 2

1 1

1 1

''''

L

M L

M L

M G

++

−

6597

6597

5823 +− +−

−

=-1273 (kG) R’’2 = - 2

0

i msi

M

= 11033+(310+1247+760) = 13350 (kGm) = 130.8 (kNm) Chọn máy lái điện thuỷ lực có xylanh lắc,mômen xoắn đa ra đầu sectơ lái thoả mãn: Mc≥ Mtp

với Mc là mômen xoắn đầu ra của máy lái

Chọn máy lái điện thuỷ lực có:

P C = 35882 kG

trong đó RC = 0,455 m là bán kính sectơ lái

2.Tính toán lần gần đúng thứ 2

400

2 2 2

2 1 1

1 1 1

1 1

1

1

6

'3

'3

'1

L M EI

L M EI

L M L

a EI

1 1 1

2

'1

2

1

L L

L M L

a b a

= 7 2.1.9

9.1.305007

3.317.3.3.3.5893721

1

L

a M L

7.3.3

L

M L

7.3

58937 −

= 24916 (kG) R’1 = + +

P n

2

2

1 ''

.3.58937

9.1

30500

43656−

= 40945 (kG) R’2 = Pc - 2

2

1 ''

Di≥ [ ]σ

σ

4,0

2

M ui +

(cm)

D1≥

3

2 1 2

3.KiÓm tra bÒn trôc l¸i

Ta nªn kiÓm tra bÒn trôc l¸i t¹i 3 tiÕt diÖn nguy hiÓm

# TiÕt diÖn 1-1 lµ tiÕt diÖn mµ gãt ki l¸i liªn kÕt víi trôc l¸i

# TiÕt diÖn 2-2 lµ tiÕt diÖn æ trªn trôc l¸i

l = 7

M M

)4400(

54

,

5

2 2

+

+σ

σ

,cmtrong đó

Mσ = 1103300 kGcm là mômen xoắn thuỷ động

Mu là mômen uốn tại vị trí đặt bích

Để thiên về an toàn ta lấy Mu bằng mômen uốn tại gối 1

54

,

5

2 2

+

+

= 2,88 cm Chọn đờng kính bulông

1.3.Kiểm tra bền mối nối

Bulông trong mối nối gồm có 4 bulông thô và 2 bulông tinh

a)Bulông d ới tác dụng của Mσ

Lực siết trên mỗi bulông phải tạo ra đợc ma sát nhằm chống lại mômen xoắn thuỷ động

Gọi phản lực tại các nhóm bulông là T1 và T2.Chúng phải thoả mãn hệ phơng trình

40030

2

π = 663 kG/cm2

4792

2

π

= 61 kG/cm2

VËy bul«ng tho¶ m·n ®iÒu kiÖn bÒn dËp

b)Bul«ng d íi t¸c dông cña P n

Díi t¸c dông cña Pn th× mÆt c¾t ngang t¹i mèi ghÐp bÞ uèn.Ta ph¶i x¸c

Wu = 105292 cm3 lµ m«®un chèng uèn cña mÆt bÝch bá qua lç khoÐt

Mu = 4366097 kGcm lµ m«men uèn do Pn g©y ra t¹i gèi 1

øng suÊt tæng

u u

d

W

M F

§Ó thiªn vÒ an toµn ta thªm hÖ sè an toµn k = 1,3

66503,1

59746

2

π

= 760 kG/cm2 < [σ] = 1120 kG/cm2

Kết luận : Các bulông trong mối ghép đủ bền

2.Trục lái với vỏ tàu

pmax là phản lực lớn nhất trên chốt do uốn

Chọn vật liệu lót ổ là đồng thanh có chiều dày là 20 mm

Khe hở giữa hai ống lót = (0,5~1)%dch Chọn = 2 mm

Chiều dày moayơ chốt = 1/2dch = 12 cm

Kiểm tra áp lực riêng của chốt

Ta lµm kÝn níc b»ng 5 vßng tÕt b»ng sîi v¶i tÈm cao su

# M«men ®Çu ra cña m¸y Mc = 160 kNm

# §êng kÝnh ®Çu trôc l¸i d = 300 mm

# Thêi gian quay cña b¸nh l¸i,trôc l¸i t = 28 s

= 34033 kGmPh¶n lùc t¹i c¸c gèi :

R’0 = − =

1

1 1

1

l

M l

b

P n

=

−7

208677

7.3.19512

7332kG R’1 =

( )

1

1 1

2 1

1

l

a P l

l l

9.17

20867 + −

=17332 kG R’2 = - 2

Chän m¸y l¸i dù tr÷ lµ m¸y l¸i qu¹t cã ký hiÖu P11 , Mc = 63 kNm

§êng kÝnh ®Çu trôc l¸i 220 mm

a)Ph¶n lùc do P n g©y ra

M1 = 1 2

1 1 1

= 7 2.1.9

7.3.3.37.3

3.312

l

b a

P n

= 7

7.3.3.3.9752

=15753 kGmPh¶n lùc t¹i c¸c gèi :

R’0 = − =

1

1 1

1

l

M l

b

P n

=

−7

92317

7.3.9752

3836 kG R’1 =

( )

1

1 1

2 1 1

l

a P l

l l

9.179231

−

+

= 7385 kG R’2 = - 2

Ri = R'i2+R''i2

R0 = 38362 +9262 = 3946kG

R1 = 73852 +12732 = 7494 kG

R2 = 48582 +3472 = 4870 kG M«men ma s¸t sinh ra t¹i c¸c gèi :

Mmsi = i

i R

D f

2

4π

Mms0 = 2 3946

24,01,0

4

Mms1 = 2 7494

34,01,0

4

Mms2 = 2 4870

3,015,0

4

VËy m«men xo¾n tæng céng

Mtp = Mσ+∑M msi = 1826+(59+163+139) = 2187 kGm = 21.43 kNmChän m¸y l¸i dù tr÷ lµ m¸y l¸i qu¹t cã ký hiÖu P07 , Mc = 25 kNm §êng kÝnh ®Çu trôc l¸i 160 mm

5400

700