Tính toán lực siết cần thiết cho nhóm bulông lắp ghép cánh và bầu của chân vịt cánh rời

Bài viết đưa ra phương pháp xác định tải trọng tác dụng và tính toán lực siết cần thiết cho bulông ghép cánh chân vịt cánh rời. Áp dụng tính toán cho chân vịt lắp trên tàu có công suất máy chính 155CV với đường kính chân vịt 1m.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY TÍNH TỐN LỰC SIẾT CẦN THIẾT CHO NHĨM BULƠNG LẮP GHÉP CÁNH VÀ BẦU CỦA CHÂN VỊT CÁNH RỜI CALCULATING THE NECESSARY TIGHTENING FORCE FOR THE BOLTS OF THE BUILT-UP PROPELLER NGUYỄN MẠNH NÊN, PHẠM NGỌC ÁNH, HOÀNG VĂN NAM* Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: namhv.vck@vimaru.edu.vn Tóm tắt Với kết cấu cánh rời lắp với bầu mối ghép bulông (vít) nên bulơng lắp ghép cánh chân vịt biến bước chi tiết quan trọng Lực siết nhóm bulông lắp ghép ảnh hưởng trực tiếp tới độ bền, khả làm việc, độ tin cậy chân vịt Lực siết nói chung phụ thuộc vào tải trọng ngồi Tuy nhiên, tải trọng tác dụng lên nhóm bulông cánh lại vô phức tạp, chúng bao gồm lực mômen trường phân bố áp suất cánh chân vịt gây Trong báo này, nhóm tác giả đưa phương pháp xác định tải trọng tác dụng tính tốn lực siết cần thiết cho bulông ghép cánh chân vịt cánh rời Áp dụng tính tốn cho chân vịt lắp tàu có cơng suất máy 155CV với đường kính chân vịt 1m Từ khóa: Chân vịt biến bước, chân vịt cánh rời, bulơng, tính tốn độ bền Abstract With the structure of detachable blades fitted to the hub with bolts, the bolts of controllable pitch propeller are very important The tightening force of the bolt group directly affects the durability, working ability, and reliability of the propeller The tightening force generally depends on external loads However, the loads acting on the blade bolt group are extremely complex They include the forces and moments caused by the pressure distribution field on the propeller blade In this paper, the authors propose a method to determine the effective load and calculate the necessary tightening force for the bolts of a built-up propeller Applying for the calculation of the propeller of the ship with the main engine capacity of 155CV and the propeller diameter of meter Keywords: Controllable pitch propeller, built-up propeller, bolt, strength analysis SỐ 63 (8-2020) Đặt vấn đề Ngày nay, chân vịt biến bước sử dụng rộng rãi ngành kỹ thuật tàu thủy, đặc biệt tàu kĩ thuật cao tàu quân hay tàu quét ngư lôi Chân vịt biến bước sử dụng số tàu kĩ thuật thô sơ chẳng hạn tàu cá, tàu kéo, tàu phá băng, Về mặt cơng nghệ, chân vịt biến bước có nhiều lợi trình chế tạo, đặc biệt chân vịt có tỉ số mặt đĩa lớn, tức chân vịt có hình chiếu cánh xuống mặt phẳng vng góc với đường tâm hệ trục có phần giao Do độ phức tạp hình dáng kết cấu chân vịt có tỉ số mặt đĩa lớn, chân vịt cánh liền loại thường gia công máy CNC trục Q trình cơng nghệ chế tạo trở nên đơn giản dễ dàng nhiều chân vịt biến bước mà chi tiết cánh tháo rời Theo đó, đúc gia công phận máy CNC trục thông thường nhằm tăng suất sản xuất giảm giá thành chế tạo, sau tiến hành lắp ghép chi tiết lại với để có cụm chi tiết hồn chỉnh Mặc dù chân vịt biến bước có nhiều ưu điểm đề cập trên, việc lắp ghép cánh với bầu chân vịt để đảm bảo độ bền chân vịt có nhóm bulông lắp ghép làm việc vấn đề cần quan tâm Trên thực tế, thường có hai phương án lắp ghép cánh với bầu tương ứng với hai dạng cấu tạo chân vịt biến bước minh họa Hình Hình Phương án (Hình 1), bầu chân vịt chia làm hai nửa, cánh phận điều khiển bước làm liền khối Phương án (Hình 2), bầu chân vịt làm liền khối, cánh phận điều khiển bước tách rời ghép lại bulông Bài báo đề cập đến phương pháp tính tốn lực siết cần thiết cho nhóm bulơng lắp ghép cánh bầu phương án Hiện việc tính tốn thiết kế chân vịt biến bước nói chung nhóm bulơng lắp ghép cánh chân vịt nói riêng số hãng chuyên thiết kế TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY chế tạo chân vịt biến bước thực hiện, gần khơng cơng bố ngồi Ở Việt Nam, cơng thức tính đường kính bulơng ghép cánh chân vịt biến bước đề cập Quy chuẩn quốc gia phân cấp đóng tàu biển vỏ thép QCVN21:2015 [1], nhiên công thức không phân biệt đặc điểm lắp ghép (lắp có khe hở hay khơng có khe hở) đặc biệt không đề cập đến việc xác định lực siết cần thiết cho bulông Bài báo nhóm tác giả đề xuất phương pháp tính tốn lực siết cần thiết cho nhóm bulơng lắp ghép cánh chân vịt cánh rời nói chung chân vịt biến bước nói riêng để làm sở cho việc tính tốn kích thước hay nghiệm bền nhóm bulơng nói Cơ sở lý thuyết 2.1 Đường lối tính tốn chung Chúng ta xét cánh lắp ghép với bầu chân vịt biến bước Hình Khi đó, tải trọng tác dụng lên nhóm bulơng lắp ghép cánh bầu chân vịt áp suất thủy động chất lỏng tác dụng lên cánh chân vịt Trong thực tế, áp suất thủy động chất lỏng tác dụng lên cánh chân vịt phân bố phức tạp toàn bề mặt cánh Chúng ta chọn hệ quy chiếu gắn với cánh chân vịt cho gốc tọa độ đặt trọng tâm mối ghép bulông, trục Z X nằm mặt phẳng lắp ghép, trục Z phương với đường tâm hệ trục chân vịt, trục Y vng góc với bề mặt lắp ghép (Hình 3) Khi quy đổi trường áp suất phân bố mặt phẳng lắp ghép ta nhận lực tập trung theo phương Fx, Fy, Fz đặt trọng tâm mối ghép mômen tập trung Mx, My, Mz Cho tới nay, số phương pháp tính tốn thủy động học chân vịt đề xuất, bao gồm Hình Bầu chân vịt hai nửa Hình Bầu chân vịt liền khối Hình Hệ trục tọa độ tính tốn Hình Mơ tính tốn phần mềm Ansys SỐ 63 (8-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY phương pháp sau mà theo mức độ phức tạp tăng dần, chẳng hạn như: lý thuyết động lượng (momentum theory), phương pháp đường chịu tải (lifting-line method), phương pháp bề mặt nâng (lifting surface method), phương pháp phần tử biên (boundary element method), phương pháp trường (field method)…[4] Trong báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Ansys để mơ tính tốn áp suất bề mặt cánh chân vịt Từ xuất kết lực mômen trọng tâm mối ghép Chúng ta chia lực mơmen tác dụng lên nhóm bulơng ghép cánh bầu chân vịt thành hai nhóm Nhóm lực mơmen tác dụng mặt phẳng ghép bao gồm lực Fx, Fz mơmen My Các lực mơmen nhóm làm hai bề mặt lắp ghép có xu hướng trượt tương Nếu bulông lắp không khe hở thân bulơng trực tiếp tiếp nhận tải trọng ngăn không cho hai mặt phẳng ghép trượt tương Nếu bulơng lắp có khe hở cần tính lực siết Vtr để đảm bảo mối ghép khơng bị trượt Nhóm lực mơmen tác dụng mặt phẳng vng góc với mặt phẳng lắp ghép bao gồm lực Fy, mômen Mx, Mz lực qn tính ly tâm Fc Các lực mơmen nhóm có xu hướng làm tách hở hai bề mặt ghép Như ta cần xác định lực siết bulông để đảm bảo mối ghép không bị tách hở Tóm lại bulơng lắp khơng khe hở lực siết cần thiết lực siết để chống tách hở mối ghép: V = Vth (1a) Nếu bulơng lắp có khe hở tính tốn ta phải xác định lực siết bulông V cần thiết để vừa đảm bảo làm việc bề mặt ghép không bị xê dịch vừa đảm bảo mối ghép không bị tách hở Từ điều kiện chống xê dịch mối ghép ta xác định lực siết cần thiết Vtr, từ điều kiện chống tách hở mối ghép ta xác định lực siết cần thiết Vth Vậy lực siết cần thiết giá trị lớn hai giá trị lực siết nói [2]: V = Max{Vtr;Vth} (1b) Chân vịt nhóm tác giả áp dụng tính tốn cụ thể nghiên cứu sử dụng nhóm bulơng lắp ghép có khe hở 2.2 Tính tốn lực siết cần thiết theo điều kiện chống trượt Trong mặt phẳng ghép tổng hợp lực F XZ hai lực Fx Fz có xu hướng làm bề mặt ghép dịch SỐ 63 (8-2020) chuyển theo phương nó, mơmen My có xu hướng làm bề mặt ghép xoay tương Gọi số bulơng nhóm Z Lực F F Fxz tác dụng lên bulông phương ngược chiều với lực Fxz, có trị số sau: 𝐹𝐹 = 𝐹𝑋𝑍 𝑍 = +𝐹 √𝐹𝑋 𝑍 𝑍 (2) Do bulông lắp ghép bố trí theo đường trịn bán kính r nên lực FM mômen My tác dụng lên bulơng có phương vng góc với đường nối tâm bulơng tới tâm mối ghép, có chiều ngược với chiều mơ men My, có trị số tính theo cơng thức sau: 𝐹𝑀 = 𝑀𝑌 𝑟𝑍 (3) Lực tổng hợp tác dụng lên bulông mặt phẳng ghép là: ⃗⃗⃗ 𝐹𝑡 = ⃗⃗⃗⃗ 𝐹𝐹 + ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐹𝑀 Trị số Ft (4) tính theo cơng thức sau: Ft  FF2  FM2  FF FM cos( FF ; FM ) (5) Lực siết cần thiết theo điều kiện chống trượt Vtr tính theo Ft: Vtr  kFt f (6) Trong đó: k - hệ số an tồn chống trượt, k = 1,3÷2 [2]; f - hệ số ma sát cặp bề mặt lắp ghép 2.3 Xác định lực siết cần thiết theo điều kiện chống tách hở mối ghép Khi chưa có tác dụng ngoại lực, lực siết Vth tạo áp suất (ứng suất dập) bề mặt ghép Coi áp suất bề mặt ghép phân bố đều, trị số tính theo cơng thức sau: V  Vth Z A (7) Trong đó: A - diện tích bề mặt ghép Khi làm việc, lực Fy, FC mômen Mx, Mz làm giảm áp suất bề mặt ghép làm cho mối ghép có xu hướng bị tách hở Lực Fy FC làm áp suất bề mặt ghép giảm lượng: TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ F  JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY V  k ( F   M ) ( Fy  FC )(1   ) (8) A (13) Trong đó: k - hệ số an tồn chống tách hở, thơng thường k = 1,3 ÷2 [2] Trong đó: - ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI hệ số phân bố ngoại lực, phụ thuộc vào vật liệu kết cấu bulông chân vịt Hệ số thông thường nhỏ độ mềm bulơng lớn nhiều ghép Để an toàn thuận lợi cho việc tính tốn lực siết ta coi Từ ta tính lực siết Vth cần thiết để chống tách hở mối ghép: Vth  A V Z (14)  = 0; FC - lực quán tính ly tâm khối lượng cánh gây chuyển động, FC tính theo cơng thức sau: N  FC  mR    30  (9) Trong đó: m - khối lượng cánh; R - khoảng cách từ trọng tâm cánh đến tâm trục; N - số vòng quay chân vịt phút Áp suất bề mặt ghép mômen Mz Mx gây thay đổi theo biểu đồ tương tự ứng suất uốn [2] Tổng hợp hai mômen Mx Mz ta nhận mômen tổng Mt Mặt phẳng tác dụng mômen xác định dựa vào trị số chiều Mx Mz   Mz  (10)  Mz    arctan     arctan   Mx    Mx  Trong đó: α - góc mặt phẳng tác dụng Mx Mt; σMx σMz - áp suất lớn Mx Mz gây Bỏ qua trị số  , ta xác định trị số giới hạn áp suất bề mặt ghép Mt gây ra: M  M t (1   ) M t   Wu Wu M x2  M Z (11) Wu Trong đó: Wu - mômen cản uốn tiết diện bề mặt ghép Biểu đồ phân bố áp suất bề mặt ghép mặt phẳng tác dụng Mt có dạng Hình Áp suất nhỏ bề mặt ghép là: (12)   V   F   M Để đảm bảo mối ghép không bị tác hở   0, V   F   M Để an toàn ta lấy: Hình Biểu đồ phân bố áp suất bề mặt ghép 2.4 Tính tốn mơmen siết cần thiết Mơ men siết cần thiết tương ứng tính tốn theo cơng thức sau [6]: MA  V Pr 2 (15) Trong đó: MA - mơmen siết cần thiết; Pr - bước ren vít lắp ghép; η - hiệu suất kể đến ảnh hưởng ma sát siết bulơng Ví dụ tính tốn Trong phần này, chúng tơi tính tốn cho chân vịt biến bước lắp tàu có cơng suất máy H = 155 CV, số vòng quay phút chân vịt làm việc chế độ toàn tải N = 629 vòng/phút, vận tốc khai thác tàu v = 10 hải lý/giờ Chân vịt có đường kính DC = 1m, số cánh n = 3, cánh chân vịt thiết kế theo SeriB Cánh ghép với bầu chân vịt mối ghép bulơng có khe hở Sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để mô trường áp suất cánh từ xác định tải trọng tác dụng lên nhóm bulơng lắp ghép Kết tính tốn nhận sau: SỐ 63 (8-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Fx = 1134,89 N; Mx = 870,97 Nm; Fy = 194,97 N; My = 5,85 Nm; Fz = -2712,68 N; Mz = 374,75 Nm Hình Ví dụ tính tốn lực theo phương X Kết tính tốn thể Bảng 1: Bảng Kết tính toán Đơn vị 192 mm m 23,09 kg Khoảng cách trọng tâm cánh đường tâm trục R 23,308 cm 10 Lực li tâm FC 2.3421,943 N 11 Đường kính chân vịt DC m 15 mm 1,93.105 Mpa STT Thông số Ký hiệu Zv Số bulơng Đường kính bề mặt lắp ráp Vật liệu bulông SUSF 304 Khối lượng cánh 13 14 15 16 Vật liệu cánh đĩa chân vịt Đường kính lỗ ghép bulơng Vật liệu đĩa xoay cánh Mô đun đàn hồi vật liệu đĩa xoay cánh SỐ 63 (8-2020) Công thức D Kết Theo tiêu chuẩn đăng kiểm N  Fc  mR    30  CU1-4 dlo SUSF 304 Ed TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ STT 17 18 19 20 21 22 Chiều dày lắp ghép cánh Chiều dài phần ren bulông bắt vào đĩa Độ mềm bulông Đường kính đầu bulơng Đường kính tính tốn lỗ ghép Diện tích biến dạng bích đĩa cánh JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Ký hiệu Công thức Kết Đơn vị lC 13 mm ld 12 mm 6,3.107 mm/N 21 mm λb λb = lb/(Eb.Ab) Ddv D1 D1  Ddv   lc  ld  / Atg Atg    D2  dlo2  /  l l Atg    c  d E A  c tg Ed Atg 27,25 406,49    mm mm2 23 Độ mềm ghép λtg 24 Hệ số tải trọng  0,403 26 Áp suất Mx gây 𝜎𝑀𝑥 0,75 Mpa 27 Áp suất Mz gây 𝜎𝑀𝑧 0,54 Mpa 𝜎𝐹𝑐 0,81 Mpa 𝜎𝐹𝑦 0,007 Mpa 35,788 Độ  gMax 1,69 Mpa Kth 1,5 Vth 12.237,389 28 29 31 32 33 34 35 36 37 38 10 Thông số ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI Áp suất lực ly tâm gây Áp suất lực Fy gây Góc phương áp suất tổng lớn với trục X Áp suất lớn tải trọng gây Hệ số an toàn chống tách hở Lực siết chống tách hở mối ghép Hệ số an toàn chống trượt  Kt Lực ngang tổng Fn Lực Fn tạo với trục X góc Lực Fn gây β 39 Lực My gây 40 Góc nhỏ lực thành phần 41 Tổng hợp lực lớn 42 Hệ số ma sát   Mz     Mx    arctan  Chọn   arctan FMy  MZ F  arctan Z MX FX 2M y DZV Xác định phương pháp vẽ sơ đồ Fnv f mm/N N 1,5 FF FMy 4,3.107 2.940,51 N 67,30 Độ 490,09 N 10,16 N 9,24 Độ 500,11 N 0,22 SỐ 63 (8-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY STT 43 44 Thơng số Hệ số an tồn chống trượt Lực siết cần thiết chống trượt Ký hiệu Công thức Kt Chọn Vtr V V = Max(Vtr;Vth) Đơn vị Kết 1,5 K th Fnv f 3.409,857 N 12.237,389 N mm 45 Lực siết cần thiết V 46 Bước ren Pr Hiệu suất siết bulông [6] Mômen siết cần thiết tương ứng [6] η 0,15 47 48 MA 24,969 Nm Kết luận Bài báo đề xuất phương pháp chung tính tốn lực siết cần thiết cho bulông lắp ghép cánh bầu chân vịt cánh rời nói chung chân vịt biến bước nói riêng Kết tính tốn cho chân vịt tàu có công suất 155 CV cho thấy lực siết cần thiết tối thiểu V = 12237,3989 N, mômen siết tương ứng MA = 24,969 Nm Chọn mômen siết theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1916:1995 Bulơng, vít, vít cấy đai ốc - Yêu cầu kỹ thuật ta có MA = 25,35 Nm Dùng kết để tiến hành tính tốn kích thước bulơng theo độ bền thu đường kính bulơng theo tiêu chuẩn M14 hồn tồn phù hợp với đường kính bulơng tính theo cơng thức Quy chuẩn quốc gia phân cấp đóng tàu biển vỏ thép QCVN21:2015 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Quy chuẩn quốc gia phân cấp đóng tàu biển vỏ thép QCVN21:2015 [2] Đào Ngọc Biên, Bài tập sở thiết kế máy chi tiết máy, NXB Giao thông vận tải, 2011 [3] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy tập 2, NXB Giáo dục, 2004 [4] Đặng Xuân Phương, Đánh giá độ bền chân vịt tàu thủy chế tạo phương pháp ghép cánh, Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản, số tháng - 2016 [5] Nguyễn Đăng Cường, Thiết kế lắp ráp thiết bị tàu thủy, NXB Khoa học kỹ thuật, 2010 [6] Jürgen Burmester, Josef Dillinger, Walter Escherich, Eckhard Ignatowitz, Stefan Oesterle, Fachkunde Metall, Taschenbuch, 2017 Lời cảm ơn Bài báo sản phẩm đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường năm học 2019 - 2020: “Nghiên cứu xác định tải trọng tác dụng tính bền bu lơng (vít) ghép cánh chân vịt cánh rời” hỗ trợ kinh phí Trường Đại học Hàng hải Việt Nam SỐ 63 (8-2020) Ngày nhận bài: 23/3/2020 Ngày nhận sửa: 16/4/2020 Ngày duyệt đăng: 20/4/2020 11 ... Mômen siết cần thiết tương ứng [6] η 0,15 47 48 MA 24,969 Nm Kết luận Bài báo đề xuất phương pháp chung tính tốn lực siết cần thiết cho bulông lắp ghép cánh bầu chân vịt cánh rời nói chung chân vịt. .. Chúng ta xét cánh lắp ghép với bầu chân vịt biến bước Hình Khi đó, tải trọng tác dụng lên nhóm bulơng lắp ghép cánh bầu chân vịt áp suất thủy động chất lỏng tác dụng lên cánh chân vịt Trong thực... điểm lắp ghép (lắp có khe hở hay khơng có khe hở) đặc biệt khơng đề cập đến việc xác định lực siết cần thiết cho bulơng Bài báo nhóm tác giả đề xuất phương pháp tính tốn lực siết cần thiết cho nhóm