Xác định áp suất cần thiết cho mối ghép độ dôi giữa áo trục và trục chân vịt tàu thủy

Bài báo này trình bày việc tính toán áp suất cần thiết cho mối ghép độ dôi giữa áo trục và trục chân vịt tàu thủy dựa trên tải trọng tác dụng lên mối ghép, từ đó lựa chọn lắp ghép tiêu chuẩn tương ứng đảm bảo độ đôi này.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY XÁC ĐỊNH ÁP SUẤT CẦN THIẾT CHO MỐI GHÉP ĐỘ DÔI GIỮA ÁO TRỤC VÀ TRỤC CHÂN VỊT TÀU THỦY DETERMINATION OF REQUIRED PRESSURE FOR INTERFERENCE FIT BETWEEN SHIP PROPELLER SHAFT AND ITS SLEEVE ĐÀO NGỌC BIÊN Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: biendn@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày việc tính tốn áp suất cần thiết cho mối ghép độ dôi áo trục trục chân vịt tàu thủy dựa tải trọng tác dụng lên mối ghép, từ lựa chọn lắp ghép tiêu chuẩn tương ứng đảm bảo độ dơi Từ khóa: Áo trục, trục chân vịt, lắp ghép độ dôi Abstract Ship propeller shafts are covered by shaft sleeves to protect from wear and corrosion These mating parts are normally interference-fitted and determined almost by experience The aim of this study is to establish a general procedure to estimate necessary interference-fit for propeller shaft-sleeve mating parts based on working load Keywords: Shaft interference fit sleeve, propeller shaft, Đặt vấn đề Để bảo vệ trục chân vịt hoạt động môi trường nước biển hay dầu nhờn áp lực đặc biệt làm giảm ma sát đoạn trục tiếp xúc với bạc đỡ trục, nâng cao tuổi thọ trục chân vịt, người ta thường bọc phần trục làm việc trực tiếp với gối đỡ ống kim loại mỏng gọi áo trục (Hình 1) ghép cho mối ghép khơng đảm bảo khả chịu tải cho mối ghép, đảm bảo độ bền áo trục, mà yếu tố định đến tuổi thọ hệ trục, chu kỳ lên đà hiệu khai thác tàu nói chung Hiện nay, việc tính tốn, lựa chọn lắp ghép cho mối ghép áo trục trục chân vịt tàu thủy tiến hành theo kinh nghiệm đóng tàu Việt Nam Nga (Liên xơ cũ), chưa có sở lý thuyết tính tốn khoa học, rõ ràng [3, 4, 6] Bài báo trình bày việc xác định áp suất cần thiết cho mối ghép độ dôi áo trục trục chân vịt tàu thủy, làm sở cho việc tính tốn lựa chọn (gọi tắt tính chọn) lắp ghép tiêu chuẩn cho mối ghép Trước tiên, cần xác định tải trọng tác dụng lên mối ghép, sau xác định áp suất độ dôi cần thiết để chịu tải trọng cuối cùng, từ độ đôi cần thiết, lựa chọn lắp ghép tiêu chuẩn, đảm bảo điều kiện làm việc bình thường mối ghép Cơ sở lý thuyết tính tốn lựa chọn lắp ghép cho mối ghép có độ dơi Độ dơi N hiệu dương đường kính trục B đường kính lỗ A: N = B - A (Hình 2) Sau lắp, nhờ biến dạng đàn hồi biến dạng dẻo, đường kính d bề mặt lắp ghép chung cho tiết máy ghép Khi đó, bề mặt lắp ghép xuất áp suất p lực ma sát tương ứng Lực ma sát đảm bảo trục áo trục không dịch chuyển tương cho phép mối ghép chịu mô men xoắn T, lực dọc trục Fa mô men uốn M Hình Trục chân vịt bọc áo trục Áo trục chân vịt tiết máy bảo vệ trục điều kiện ổ trục bôi trơn nước biển hay dầu nhờn áp lực Mối ghép áo trục trục chân vịt mối ghép có độ dơi Việc chọn chế độ lắp SỐ 64 (11-2020) Hình Mối ghép độ dơi Lắp ghép tiêu chuẩn chọn theo điều kiện đảm bảo trục moay không dịch chuyển tương 19 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY mà không cần sử dụng thêm tiết máy phụ Tuy nhiên, có trường hợp, lắp ghép chọn không thỏa mãn điều kiện bền trục moay độ dơi làm chúng bị phá hỏng biến dạng lớn Vì tính tốn cần đảm bảo điều kiện bền mối ghép (đảm bảo trục moay không dịch chuyển tương nhau) điều kiện bền trục moay (trục moay khơng bị biến dạng q lớn) Tính tốn độ bền biến dạng trục moay tính tốn kiểm nghiệm tính khả dụng lắp ghép chọn [10] Dựa theo tải trọng tác dụng lên mối ghép, cần tính áp suất bề mặt tiếp xúc hai tiết máy, sau theo lý thuyết tính tốn ống dày [5], tính độ dơi tính tốn tương ứng N Vì lắp ghép, đỉnh nhấp nhô bị san phẳng phần, nên độ dôi tính tốn (độ dơi làm việc) nhỏ độ dơi cần thiết ban đầu (độ dôi cho phép nhỏ nhất) Vì độ dơi cần thiết phải độ dơi tính tốn bù thêm lượng phần bị san phẳng: NC  N  1,2(R Z1  R Z2 ), (1) RZ1, RZ2 - chiều cao mấp mô tế vi bề mặt trục lỗ Dựa theo NC, tra bảng tiêu chuẩn dung sai lắp ghép để chọn lắp ghép cần thiết có độ dôi nhỏ Nmin không nhỏ Nc: Nmin ≥ NC (2) Mặt khác, độ dôi lớn lắp ghép chọn Nmax phải không vượt độ dôi cho phép [Nmax] để không gây biến dạng dẻo cho chi tiết lắp ghép Như vậy, lắp ghép chọn phải có độ dơi nhỏ Nmin độ dôi lớn Nmax thoả mãn điều kiện: Nmin  NC; Nmax  [Nmax] ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI (3) (4) - Chịu ăn mòn tác dụng nước biển Ngồi ra, áo trục cịn chịu tác dụng lực ly tâm; chịu áp lực thuỷ động từ dòng nước; chịu tải trọng bổ sung biến dạng vỏ tàu, sóng gió, dao động va đập,…[1, 2, 3, 4] Giả thiết gần áo trục chịu thành phần nội lực chủ yếu mô men xoắn mô men uốn Khi đó: a) Mơ men xoắn ứng suất xoắn Mô men xoắn Nếu tiết diện cứng chuyển vị tương đối (Hình 3):  d  M x ( Z)  const,    dz   GJ p (5) Trong đó: MZ - tổng mô men xoắn tiết diện z; G - mô đun đàn hồi trượt; Jp - mơ men qn tính độc cực tiết diện: J Ptruc     d 42  d d ; J Pao  , 32 32 (6) Trong đó: d - đường kính trục, đường kính áo trục; d2 - đường kính ngồi áo trục Ta có: vậy:  GJ p  GJ p ao  GJ p truc, M xao MZ   GJ p (GJ p ) ao Do thành phần mơ men áo gánh là: M xao  GJ p ao M Z  GJ p (7) Xây dựng sở lý thuyết tính chọn lắp ghép tiêu chuẩn áo trục trục chân vịt tàu thủy 3.1 Tải trọng tác dụng lên mối ghép Áo trục lắp có độ dôi với trục Khi làm việc, áo trục chịu tác dụng tải trọng sau: - Chịu ứng suất ban đầu độ dôi Ứng suất giảm áo trục bị mịn; - Chịu xoắn mơ men xoắn trục; - Chịu uốn với trục trọng lượng chân vịt trọng lượng thân trục; - Chịu kéo, nén với trục lực đẩy từ chân vịt; - Chịu ma sát làm việc với ổ đỡ, với đệm kín nước; 20 Hình Biến dạng xoắn áo trục Ứng suất xoắn Mô men xoắn gây ứng suất tiếp mặt cắt ngang, xác định theo công thức: SỐ 64 (11-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY x  Jx - mơ men qn tính mặt cắt, M xao , J pao (8) J xao  Trong đó: Mxao - mơ men xoắn áo trục; 16 M xao d  d 42  d    y - tung độ điểm cần tính ứng suất,  - bán kính điểm tính ứng suất, max  d /  x    d 42  d ; 64 ymax  d /   u  (9) b) Mô men uốn ứng suất uốn Mômen uốn Tại tiết diện lắp ghép (Hình 4) ta có: 32 M uaod  d 42  d   (13) c) Xác định áp suất cần thiết bề mặt tiếp xúc áo trục trục Để xác định độ dôi cần thiết cần xác định áp suất cần thiết bề mặt lắp ghép áo trục trục Theo [10], trường hợp mối ghép chịu tác dụng đồng thời mô men xoắn mơ men uốn áp suất cần thiết trị số lớn hai trị số mô men gây nên - Áp suất cần thiết để chống trượt mô men xoắn Xét từ đầu mút tự áo trục (Hình 3) rõ ràng M x dz mô men lực ma thành phần z sát bề mặt lắp ghép ms  tạo đoạn dz Ta có: Hình Mối ghép độ dôi chịu mô men uốn Mu(x) M uao   ,  EJ x  EJ x ao dMx  (10) Trong đó: vậy: Mxao  2rtrucpfz, E - mô đun đàn hồi; Jx - mô men quán tính mặt cắt ngang,  EJ x  EJ x ao  EJ x truc Ta có: Vậy mô men uốn áo trục: M uao  EJ x ao  EJ x M u (z) M u ( ao ) Jx y, Trong đó: Muao - mô men uốn áo trục; SỐ 64 (11-2020) M xao  GJ p ao Mx ,  GJ p z = L0, từ công thức (15) (11) Ứng suất uốn Mô men uốn gây ứng suất pháp mặt cắt ngang, xác định theo công thức: u  (15) Trong đó: p - áp suất bề mặt lắp ghép; f - hệ số ma sát; z - tọa độ tính mơ men Muao - mô men uốn áo trục; d ; 64 (14) đó: Mxao  2rtrucms z; ms  pf , M u ( x ) - mô men uốn tiết diện; J xtruc  M xao dz  2rtrucms dz, z (12)  2rtrucpfL0  GJ p ao M  GJ p x Vậy điều kiện chống trượt xoắn là: p GJ p ao M x ,  GJ p 2rtrucfL (16) Trong đó: L0 - chiều dài tính tốn áo trục - Áp suất cần thiết để chống trượt mô men uốn Nếu bỏ qua trọng lượng thân áo áp lực 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (không độ dôi) trục áo ngoại lực (đối với áo) ma sát trục áo Xét cân phân tố dz (Hình 4): M ( z )  dM ms u  M z M z dz  M ( z )  dM ms dz; u  z z  ms  Q ao y dz  M u   2 ms rtrucd.dz.rtruc sin  dz  (17) 2  4 ms rtruc dz;  Q ao y  4 ms r   ms  Q ao y 4rtruc , Trong đó: M ms u - mơ men uốn ma sát phân tố dz; Q ao y - lực cắt áo, theo trục y, tiết diện z Thay ms  p.f vào công thức trên, ta tìm giá trị áp suất p đảm bảo điều kiện chống trượt uốn: pf  Q ao y 4rtruc p Q ao y 4frtruc Kết luận 4.1 Bài báo xác định tải trọng tác dụng lên mối ghép áo trục trục chân vịt tàu thủy Tải trọng cho phép xác định áp suất cần thiết bề mặt tiếp xúc chúng, từ xác định độ dơi cần thiết, đảm bảo áo trục không dịch chuyển tương trục làm việc Đồng thời độ dôi cần đảm bảo độ bền tiết máy ghép, nghĩa áo trục trục không bị biến dạng mức cho phép 4.2 Bài báo xây dựng sở lý thuyết tính chọn lắp ghép tiêu chuẩn áo trục trục chân vịt tàu thủy Xuất phát từ độ dôi cần thiết độ dôi lớn cho phép, người thiết kế tra bảng tiêu chuẩn dung sai lắp ghép để tìm lắp ghép yêu cầu Nếu có nhiều lắp ghép thỏa mãn nên chọn lắp ghép có độ dơi Nmax nhỏ để nâng cao độ bền áo trục Nếu khơng có lắp ghép thỏa mãn cần thay đổi số liệu ban đầu (kích thước mối ghép, vật liệu áo trục, ) tiến hành tính toán chọn lại lắp ghép TÀI LIỆU THAM KHẢO (18) Như vậy, áp suất dùng để tính tốn độ dôi nhỏ áo trục trục trị số lớn hai trị số xác định theo cơng thức (16) (18) 3.2 Tính chọn lắp ghép tiêu chuẩn áo trục trục chân vịt tàu thủy Sau xác định áp suất tính tốn, trình tự tính chọn lắp ghép tiêu chuẩn cho mối ghép áo trục trục chân vịt sau: - Từ áp suất tính tốn p, tính độ dơi tính tốn N theo cơng thức La mê; - Xác định áp suất lớn không gây biến dạng dẻo bề mặt áo trục; - Xác định độ dôi cho phép [Nmax]; - Tính tốn độ dơi cần thiết NC có kể đến ảnh hưởng nhám bề mặt theo công thức (1); - Tra bảng tiêu chuẩn dung sai lắp ghép để tìm lắp ghép có độ dôi nhỏ Nmin không nhỏ NC độ dôi lớn không lớn [Nmax] theo (3) (4):  N  N C ;   N max  N max ; Khi chọn lắp ghép tiêu chuẩn theo điều kiện (3) (4), có nhiều lắp ghép thỏa mãn nên chọn lắp ghép có độ dơi Nmax nhỏ để nâng cao độ bền áo trục Nếu không chọn lắp ghép tiêu chuẩn thỏa mãn cần thay đổi số liệu ban đầu (kích thước mối ghép, vật liệu áo trục, ) tiến hành tính tốn chọn lại lắp ghép 22 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI [1] Nguyễn Đăng Cường, Thiết kế lắp ráp thiết bị tàu thủy, NXB Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội, 2000 [2] Nguyễn Đăng Cường, Hà Tôn, Lắp ráp sửa chữa thiết bị tàu thủy, NXB Nông Nghiệp, Hà Nội, 1983 [3] Đặng Hộ, Thiết kế trang trí động lực tàu thủy, tập 1, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội, 1985 [4] Đặng Hộ, Thiết kế trang trí động lực tàu thủy, tập 2, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội, 1986 [5] Bùi Trọng Lựu, Nguyễn Văn Vượng, Bài tập Sức bền Vật liệu, NXB Giáo dục, Hà Nội, 1998 [6] Nguyễn Huy Tiến, Xây dựng tiêu chuẩn mối ghép hệ trục tàu thủy, Đề tài NCKH cấp Trường, Trường Đại học Hàng hải, 2004 [7] Ninh Đức Tốn, Dung sai Lắp ghép, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2007 [8] Vũ Anh Tuấn, Nghiên cứu xác định chiều dày hợp lý áo bọc trục chong chóng phương pháp lắp áo bọc trục, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Hàng hải, 2009 [9] Vũ Văn Vân, Nghiên cứu tính tốn ứng suất độ dơi mối ghép áo trục trục chong chóng, Đồ án tốt nghiệp đại học, Trường Đại học Hàng hải, 2007 [10] Ряховский О Ф., Детали Машин, Изд МГТУ имени Н Э Баумана, Мoсква, 2007 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: 10/10/2020 21/10/2020 30/10/2020 SỐ 64 (11-2020) ... ghép (Hình 4) ta có: 32 M uaod  d 42  d   (13) c) Xác định áp suất cần thiết bề mặt tiếp xúc áo trục trục Để xác định độ dôi cần thiết cần xác định áp suất cần thiết bề mặt lắp ghép áo trục. .. dụng lên mối ghép áo trục trục chân vịt tàu thủy Tải trọng cho phép xác định áp suất cần thiết bề mặt tiếp xúc chúng, từ xác định độ dơi cần thiết, đảm bảo áo trục không dịch chuyển tương trục làm... vậy, áp suất dùng để tính tốn độ dôi nhỏ áo trục trục trị số lớn hai trị số xác định theo cơng thức (16) (18) 3.2 Tính chọn lắp ghép tiêu chuẩn áo trục trục chân vịt tàu thủy Sau xác định áp suất