Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảnh báo và điều khiển cân bằng tàu khi có sự cố bất ổn định

Hệ thống nước dằn bao gồm một mô tơ điện, bơm kết nối với bộ kiểm soát các van điều khiển từ xa là một trong những giải pháp phù hợp để cân bằng ổn định ngang sử dụng trên các phương tiệ

TÓM TẮT

Trạng thái tàu do gió tác động, xếp dỡ hoặc dịch chuyển hàng hóa là một trong những mối quan tâm hàng đầu gây mất ổn định ngang Giải pháp ổn định ngang tàu đóng vai trò hết sức quan trọng nhằm bảo đảm an toàn đối với con tàu, hàng hóa, và tính mạng con người Hệ thống nước dằn bao gồm một mô tơ điện, bơm kết nối với bộ kiểm soát các van điều khiển từ xa là một trong những giải pháp phù hợp để cân bằng

ổn định ngang sử dụng trên các phương tiện thủy cỡ lớn hiện nay Ngoài ra, giải pháp

dự báo mất ổn định dựa trên trạng thái nghiêng ngang tàu cũng được nghiên cứu và đề xuất

ABSTRACT

An heeling angle due to any winds, loading conditions and shifted cargoes is one of factor to effect a tranvese stability of ship A solution of ship stability has an important role in order to ensure safety of ship, cargoes and human life Anti-heeling system includes electrical motor, pumps and controlled valves is a suitable solution to balance a tranverse stability of large vessel Also, our research is to explain a solution for prediction of status of transverse stability as fast as possible

MỤC LỤC

TÓM TẮT 2

ABSTRACT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 12

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HÌNH DÁNG TÀU MẪU 14

2.1 Giới thiệu trình tự thiết kế sơ bộ 14 2.2 Tỉ số kích thước hình học tàu 14 2.3 Số liệu khảo sát tàu mẫu 15 2.4 Thông số hình học mẫu tàu khảo sát có liên quan đến đặc trưng ổn định ngang 17 CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH NGANG VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THU NHỎ TÀU 21

3.1 Ảnh hưởng của chuyển dịch hàng hóa đến ổn định ngang 21

3.2 Kiểm tra ổn định và xây dựng mô hình đồng dạng 22

3.3 Phương án thi công mô hình tàu đồng dạng 25

3.3.1 Tâm ổn dịnh ngang tàu mô hình 26

3.3.2 Xây dựng mô hình thử nghiêng lệch tàu 27

3.3.3 Tiến hành thử nghiêng lệch mô hình 30

CHƯƠNG 4.THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM 32

4.1 Mô hình tàu 32

4.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống 33

4.2.1 Khối xử lý trung tâm 33

4.2.2 Khối điều khiển tại chỗ 35

4.2.3 Khối hiển thị 36

4.2.4 Driver động cơ bơm 37

4.2.6 Cảm biến đo góc 38

4.2.7 Khối giao tiếp dữ liệu 39

4.2.8 Hộp điều khiển 40

4.2.9 Bơm nước 41

4.2.10 Van 41

4.3 Hoạt động của hệ thống 42

4.3.1 Chế độ điều khiển tự động 42

4.3.2 Chế độ điều khiển bằng tay 42

4.4 Giải thuật điều khiển 42

4.4.1 Chương trình chính 42

4.4.2 Chương trình điều khiển tự động 45

4.4.3 Chương trình trên vi điều khiển slave 45

CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU - PHẦN MỀM CẢNH BÁO TRÊN MÁY TÍNH 47

5.1 Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu 47

5.2 Phần mềm cảnh báo trên máy tính 49

CHƯƠNG 6.THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỬ NGHIÊNG 51

6.1 Phương án bố trí và thông số thiết kế két nước dằn tàu 51

6.2 Phương án thay đổi tải trọng 53

CHƯƠNG 7 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 55

7.1 Thí nghiệm đặt vật nặng bên mạn phải tàu 57

7.1.1 Tải trọng trường hợp 1 57

7.1.2 Tải trọng trường hợp 2 59

7.2 Thí nghiệm đặt vật nặng bên mạn trái tàu: 60

7.2.1 Trạng thái 1 60

7.2.2 Trạng thái 2 61

7.3 Lưu trữ và tải lại dữ liệu vào matlab 62

7.4 Đánh giá ổn định trên mẫu tàu khảo sát 63

CHƯƠNG 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

8.1 Kết luận 66

8.2 Thống kê kết quả thực hiện đề tài 67

8.3 Kiến nghị 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

B tâm nổi - centre of buoyancy

BM chiều cao tâm ổn định - metacentre above centre of buoyancy

G trọng tâm tàu - centre of gravity

GM chiều cao tâm nghiêng - metacentre above centre of gravity

GZ cánh tay đòn ổn định - stability lever

H chiều cao tàu – height of ship

KB chiều cao tâm nổi - center of buoyancy above keel

KM chiều cao tâm ổn định trên đáy - metacentre above keel Mph momen phục hồi - restoring moment

Mng momen nghiêng - heeling moment

U vận tốc tàu -ship velocity

Vw vận tốc gió - wind speed

D lượng chiếm nước – displacement

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Tham khảo hình dáng tàu mẫu 15

Bảng 2: Số liệu trọng tải theo thống kê tàu mẫu 17

Bảng 3: Chiều cao ổn định tại các trạng thái 23

Bảng 4: Hệ số an toàn tại 2 trạng thái khi tàu chịu tác động của gió 24

Bảng 5: Bảng ghi độ nghiêng ngang 54

Bảng 6: Các trạng thái tính toán 64

Bảng 7: Hệ số an toàn tại 2 trạng thái khi tàu chịu tác động của gió 64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1: Tàu mất ổn định ngang trong quá trình khai thác 12

Hình 2: Hệ thống xử lý nghiêng ngang bằng két dằn tàu 12

Hình 3: Sơ bộ thiết kế hình dáng tàu 14

Hình 4: Trạng thái momen nghiêng ngang 18

Hình 5: Thông số hình học tâm nghiêng ngang 19

Hình 6: Dịch chuyển hàng hóa 21

Hình 7: Sự thay đổi G1G2 khi có chuyển dịch trọng tâm theo phương ngang 22

Hình 8: Tuyến hình 3D tàu mẫu 23

Hình 9: Tuyến hình 3D tàu mẫu 25

Hình 10: Phân vùng thi công 25

Hình 11: Phân vùng thi công 26

Hình 12: Kiểm tra biên dạng vỏ tàu 26

Hình 13: Sơ đồ bố trí dịch chuyển vật đo 28

Hình 14: 1, 2, 3 – vị trí đặt cảm biến góc nghiêng– vị trí trọng lượng thử làm nghiêng tàu 28

Hình 15: Dịch chuyển trọng lượng 29

Hình 16: Tàu khi cân bằng trong bể thử 30

Hình 17: Dựng mô hìnhtàu trong Maxsurf 31

Hình 18: Mô hình tàu và bố trí thiết bị 32

Hình 19: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống 33

Hình 20: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm Master 34

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm Slave 34

Hình 22: Mạch xử lý trung tâm master 35

Hình 23: Mạch xử lý trung tâm slave 35

Hình 24: Khối điều khiển tại chỗ 36

Hình 25: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 36

Hình 26: Sơ đồ nguyên lý Driver động cơ bơm 37

Hình 27: Driver động cơ bơm 37

Hình 28: Module HC-SR04 38

Hình 29: Cảm biến đo mức nước đã lắp vào hộp 38

Hình 30: Module cảm biến đo góc nghiêng MMA7361 39

Hình 31: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp dữ liệu (kết nối với máy tính) 39

Hình 32: Module RF APC-220 40

Hình 33: Thiết bị giao tiếp không dây nối với máy tính 40

Hình 34: Hộp điều khiển 41

Hình 35: Động cơ bơm 41

Hình 36: Van 42

Hình 37: Giải thuật chương trình chính trên master 43

Hình 38: Giải thuật chương trình điều khiển bằng tay (master) 44

Hình 39: Giải thuật chương trình điều khiển tự động (master) 45

Hình 40: Giải thuật chương trình trên slave 46

Hình 41: Giao diện điều khiển trên máy tính 47

Hình 42: Giải thuật điều khiển trên máy tính 48

Hình 43: Màn hình điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu 49

Hình 44: Giải thuật chương trình cảnh báo (master) 50

Hình 45: Mối liên hệ giữa kích thước két nước dằn và trọng lượng tàu [Krata, 2012] 51

Hình 46: Ảnh hưởng mặt thoáng đến ổn định ngang tàu 52 Hình 47: Phương án bố trí két dằn trên tiết diện mặt cắt ngang tàu tránh hiệu ứng mặt

Hình 48: Giải thuật chọn lựa kích thước két dằn 53

Hình 49: Vật nặng thử nghiêng 53

Hình 50: Hệ thống điều khiển bơm két dằn (Hope Marine) 55

Hình 51: Mô hình điều khiển bơm két dằn của Tanktech (Korea) 56

Hình 52: Trạng thái cân bằng lúc đầu 57

Hình 53: Góc nghiêng ngang tàu được hiển thị ở trạng thái tải trọng 1 58

Hình 54: Trạng thái sau khi cân bằng 58

Hình 55: Góc nghiêng ngang tàu được hiển thị ở trạng thái tải trọng 2 59

Hình 56: Trạng thái sau khi cân bằng 59

Hình 57: Góc nghiêng của tàu khi chưa bật hệ thống cân bằng 60

Hình 58: Góc nghiêng của tàu khi bật hệ thống cân bằng 60

Hình 59: Góc nghiêng của tàu khi chưa bật hệ thống cân bằng 61

Hình 60: Trạng thái sau khi cân bằng 61

Hình 61: Hộp thoại thông tin và hiển thị kết quả cảnh báo 62

Hình 62: Nạp dữ liệu vào Matlab và vẽ đồ thị góc nghiêng 63

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Nguyên nhân mất ổn định tàu trong quá trình sử dụng là do gió tác động mạnh, đổi hướng, tình trạng xếp dỡ hàng hoặc dịch chuyển hàng hóa là một trong những mối quan tâm hàng đầu tại các đơn vị khai thác Điển hình là một số tai nạn gần đây như tàu chở thép cuộn Bright Rubby của Hàn Quốc, Costa Condordia của Ý, Vinalines Queen của Việt Nam,… Điều này không chỉ gây gây thiệt hại về người và vật chất mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường biển Ổn định góc nghiêng tàu là một trong những công tác hết sức quan trọng nhằm bảo đảm an toàn đối với con tàu, hàng hóa, và tính mạng con người (hình 1) Két dằn tàu (két chủ động và bị động) là một trong những giải pháp phổ biến để khắc phục được hiện tượng mất ổn định ngang và dọc Trong hệ thống này, các két nước dằn được nối với nhau bởi các đường ống, van tự động và các hệ thống kiểm soát (hình 2)

Hình 1: Tàu mất ổn định ngang trong quá trình khai thác

Khi tàu bị nghiêng về bất cứ mạn nào, cảm biến nghiêng sẽ gửi tín hiệu về sự biến đổi đó cho hệ thống kiểm soát để nó cân chỉnh tàu về vị trí thẳng đứng Trong chế độ tự động, các nhà điều hành hệ thống có thể lập trình giới hạn góc nghiêng ngang để hệ thống tự động nhận biết và khắc phục Góc nghiêng ngang được hiển thị trên bảng điều khiển Tuy nhiên, khi góc nghiêng vượt quá giới hạn, hoặc khi một trong những cảm biến giới hạn mực nước trong các két nước báo hiệu mực nước trong két thấp hoặc cao hơn mức cho phép thì hệ thống sẽ báo động cho người điều hành biết sự cố Hầu hết AHS hoạt động thông qua một cặp (hoặc nhiều cặp) két nước dằn (mạn trái và mạn phải) được kết nối thông qua cross-đường ống Tốc độ dịch chuyển của nước phụ thuộc vào đường kính ống nối, chiều cao két nước (vị trí giới hạn mực nước trên) và công suất của máy bơm Ngoài ra, khi tính toán tốc độ dịch chuyển nước cần chú ý đến chu kì lắc của con tàu

Hiện nay có hai loại hệ thống chống nghiêng được sử dụng rộng rãi trên tàu:

1 Hệ thống chạy bằng khí (Pneumatic system): hệ thống này bao gồm hệ thống hút khí và hệ thống van tác dụng lên phía trên của két ballast Khí được bơm vào một két và hút ra ở két khác, tạo ra sự chênh lệch áp suất, do đó lượng nước được

di chuyển từ két này qua két khác

2 Hệ thống bơm nước: hệ thống bơm nước bao gồm một động cơ điện để chạy bơm, bơm này là loại có thể đảo chu trình, kết nối với bộ kiểm soát các van điều khiển để chuyển ballast qua lại các két Đây là hệ thống được sử dụng nhiều trên các loại tàu vận tải sử dụng Trong phạm vi đề tài, nhóm tập trung nghiên cứu hệ thống loại này

Thông thường, hệ thống cân bằng nước dằn gồm hệ thống ballast thông thường, hệ thống giảm lắc ngang trên sóng và hệ thống giảm nghiêng ngang bằng nước (antiheeling system) Với những loại tàu hàng, tàu container chỉ một thay đổi về khối lượng và vị trí hàng hóa có thể tạo ra góc nghiêng gây mất ổn định cho bản thân con tàu Vì vậy trong đề tài này, khuyến cáo tàu nên bố trí hệ thống cảnh báo và chống nghiêng ngang tự động (cân bằng tàu) và dự báo ổn định nhằm hỗ trợ giải pháp cân bằng tàu

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HÌNH DÁNG TÀU MẪU

Phần lớn tàu hoạt động theo nguyên lý Archimedes về tính nổi, lực đẩy nổi của tàu luôn cân bằng với trọng lượng toàn tàu tại trạng thái thiết kế Các loại tàu tuân thủ nguyên lý này gồm tàu vận tải sông, biển, và các phương tiện đò ven sông…

2.1 Giới thiệu trình tự thiết kế sơ bộ

Phương pháp thiết kế theo tàu mẫu phụ thuộc vào sự có mặt các số liệu thống kê, khả năng tiến hành các thí nghiệm cần thiết Giai đoạn này sẽ giải quyết các vấn đề có tính chất nguyên tắc của việc lựa chọn các thông số chủ yếu cho tàu thiết kế Trình tự xác định các thông số chính cho tàu cần được xây dựng để với số lần gần đúng tối thiểu người thiết kế có thể đã nhận được những kết quả khả quan thoả mãn các yêu cầu cơ bản của người đặt hàng Quá trình thiết kế hình dáng tàu như trên có thể hình dung qua biểu đồ xoắn ốc, trong đó nhà thiết kế thực hiện các bước thiết kế và quay trở về điểm suất phát để bắt đầu một “vòng” tính toán mới [4,5]

Hình 3: Sơ bộ thiết kế hình dáng tàu

2.2 Tỉ số kích thước hình học tàu

Các kích thước chủ yếu của tàu cũng cần xem xét giới hạn của các tỷ số giữa chúng nhằm đảm bảo các chỉ tiêu hàng hải và khai thác

Tỷ số chiều dài và chiều rộng L/B về mặt lý thuyết, giảm chiều rộng quá mức cũng

có thể làm ảnh hưởng xấu đến ổn định ban đầu và ổn định ngang động Tuy nhiên trong trường hợp này lại cải thiện được tính ổn định dọc và nâng cao được chất lượng hành hải nhờ giảm được một phần tải trọng va đập của thân tàu vào sóng

Tỷ số chiều rộng và chiều chìm B/T càng lớn thì tàu càng nhanh chóng đạt đến chế

độ lướt do lực nâng tăng nhanh theo bề rộng tàu Tuy nhiên, trong trường hợp này sẽ dẫn đến việc gia tăng sức cản ma sát vì tăng bề rộng tàu Trong các tàu hàng thông thường, việc đạt chế độ lướt có thể không phải ưu tiên hàng đầu

Tỷ số chiều dài và chiều cao mạn L/H giảm sẽ làm giảm dự trữ lực nổi, tăng sự hắt nước lên tàu khi có gió ngược, giảm dung tích Tuy nhiên, trong trường hợp này cao độ trọng tâm của tàu, khối lượng tàu và diện tích mặt hứng gió sẽ được giảm Tăng chiều cao mạn (giảm tỷ số L/H), ngược lại sẽ làm tăng dự trữ lực nổi, dung tích và độ bền chung cho tàu nhưng lại làm xấu đi tính quay trở và tốc độ

2.3 Số liệu khảo sát tàu mẫu

Để phục vụ cho công tác triển khai hệ thống két dằn, nhóm tiến hành khảo sát một

số mẫu tàu phổ biến đang hoạt động Các mẫu tàu này đều đã được các cơ quan thiết kế

có thẩm quyền phê duyệt nên độ tin cậy về các tỷ số hình học, đặc trưng hàng hải sẽ đảm bảo yêu cầu tính toán thử nghiệm của nhóm sau này

Bảng 1: Tham khảo hình dáng tàu mẫu

CSCL VENUS (Container Ship) Năm hoạt động: 2011

Dài x rộng: 352 x 51 m Tấn đăng ký: 150853 t

VERO I (Bulk Carrier) Năm hoạt động: 2010 Dài x rộng: 140 x 40 m Tấn đăng ký: 35000 t

E.R INDIA (Container Ship) Năm hoạt động: 2002

Dài x rộng: 263 x 40 m Tấn đăng ký: 65792 t

CASPIAN GALAXY (Crude Oil Tanker)

Năm hoạt động: 2009 Dài x rộng: 234 x 42 m Tấn đăng ký: 59408 t

OLYMPIC LOYALTY II (Crude Oil Tanker)

Năm hoạt động: 2005 Dài x rộng: 318 x 58 m Tấn đăng ký: 160046 t

Ngoài các hình dáng tàu mẫu tham khảo như trên, các thông số về trọng tải tàu (DWT) còn có thể tham khảo dựa trên cơ sở thống kê dữ liệu của hiệp hội IHS World Shipping

Bảng 2: Số liệu trọng tải theo thống kê tàu mẫu

IHS Fairplay World Shipping Encyclopedia, v 12.01, 2011

Ngoài các phương tiện vận tải thủy cỡ lớn, hệ thống cân bằng tàu bằng nước dằn vẫn được áp dụng phổ biến và hiệu quả cho phương tiện thủy nội địa cỡ nhỏ ở Việt Nam Cụ thể hệ thống cân bằng nước dằn có tác dụng đảm bảo các yếu tố an toàn sau:

 Tính năng ổn định (hạ thấp trọng tâm toàn tàu, hiệu chỉnh góc nghiêng ngang, dọc khi có sự cố; hiệu suất đẩy chân vịt)

 Độ bền kết cấu (do phân bố tải trọng không đồng đều, xếp dỡ hàng hóa tại cảng)

 Hàng hải (di chuyển tại những khu vực có tĩnh không cầu thấp tại các tuyến đường thủy nội địa)

2.4 Thông số hình học mẫu tàu khảo sát có liên quan đến đặc trưng ổn định ngang

Tàu đạt vị trí cân bằng khi lực đẩy nổi Archimech cân bằng trọng lực tàu, khi đó tâm nổi cùng nằm trên đường thẳng đứng vuông góc với mặt thoáng, đi qua trọng tâm tàu Có thể hình dung được rằng khi hàng hóa, vật tư thiết bị trên tàu được giữ chặt tại các vị trí cố định trong những trường hợp khai thác cụ thể, trọng tâm G của tàu hầu như không đổi khi tàu nghiêng, còn tâm nổi B thuộc phần chìm tàu thay đổi vị trí tùy thuộc

hình dáng hình học phần chìm Trong trường hợp chung nhất, tâm nổi nhất thời B’ không còn nằm trên cùng đường vuông góc với mặt thoáng đi qua G; khoảng cách cánh tay đòn giữa hướng lực của trọng lực W với hướng lực của lực nổi F thay đổi từ 0 cho

vị trí cân bằng đến giá trị L khác 0 Mômen này có thể cùng dấu với mômen nghiêng đã quay tàu khỏi vị trí cân bằng ban đầu, nhưng cũng có thể ngược dấu với mômen trên Trường hợp đầu, mômen ngẫu lực chống lại mômen nghiêng, còn trường hợp sau làm cho tàu nghiêng đến góc lớn hơn (hình 4)

Hình 4: Trạng thái momen nghiêng ngang

Số đo của ổn định là giá trị mômen phục hồi xuất hiện khi nghiêng tàu Mômen phục hồi chống lại mômen gây nghiêng tàu, và khi mômen nghiêng không còn tác động mômen phục hồi đưa tàu về vị trí cân bằng ban đầu Tuy nhiên, trong trường hợp hàng hóa dịch chuyển, momen nghiêng sẽ giữ nguyên tác động và do vậy tàu sẽ duy trì góc nghiêng ngang nào đó trong suốt quá trình khai thác sau đó Chính việc này làm thay đổi các phân tích ổn định ban đầu và tàu sẽ gặp rủi ro cao hơn

Ở giai đoạn đầu của quá trình nghiêng tàu, với tàu có lượng chiếm nước không đổi

D, tại góc nghiêng nhỏ, điểm M giao nhau giữa đường lực qua tâm nổi tức thời B’ và tâm đối xứng mặt cắt ngang thân tàu, chưa thay đổi vị trí Có thể coi M đóng vai trò tâm quay cho tâm nổi B, còn bán kính cung quay là r = BM

Hình 5: Thông số hình học tâm nghiêng ngang Trong giai đoạn này giá trị BM phụ thuộc vào mômen quán tính đường nước Chừng nào giá trị chiều dài và chiều rộng đường nước thay đổi trong giới hạn hẹp, mômen It của đường nước chưa thay đổi đáng kể, BM tính theo công thức:

t I

BM 

Chiều cao của điểm M so với mặt chuẩn qua đáy tính theo công thức:

KM = KB + BM

Chiều cao tâm nghiêng ban đầu được tính như sau:

GM = KM + KG

trong đó KG là chiều cao trọng tâm so với mặt chuẩn qua đáy tàu

Khi bị nghiêng trong phạm vi góc nhỏ tâm nổi B di chuyển trên cung gần như cung tròn, bán kính r = BM, tâm tại M Khoảng cách giữa đường tác động của lực F và W từ hình 5 có thể xác định như sau:

Mômen M có tên gọi theo chức năng của nó là mômen phục hồi, ký hiệu Mph:

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH NGANG VÀ THI CÔNG MÔ

HÌNH THU NHỎ TÀU

3.1 Ảnh hưởng của chuyển dịch hàng hóa đến ổn định ngang

Khi dịch chuyển hàng trên tàu, trọng tâm tàu thay đổi kéo theo sự thay đổi chiều cao tâm nghiêng, tay đòn ổn định và góc nghiêng ban đầu (hình 6) Giả sử một trọng vật

w được chuyển từ vị trí ban đầu A (x1, y1, z1) đến vị trí B (x2, y2, z2) Độ chuyển dịch

vị trí của vật w được tính là: x = x2 – x1 ; y = y2 – y1 ; z = z2 – z1

Hình 6: Dịch chuyển hàng hóa Trọng tâm tàu bị thay đổi theo chiều thẳng đứng một giá trị:

Hình 7: Sự thay đổi G1G2 khi có chuyển dịch trọng tâm theo phương ngang

3.2 Kiểm tra ổn định và xây dựng mô hình đồng dạng

Nhằm tập trung vào mục đích của đề tài là tối ưu kích thước ky đáy xoay và thiết lập hệ thống dự báo nghiêng ngang tàu hơn là nghiên cứu thiết kế một hình dáng tàu mới nên nhóm nghiên cứu sử dụng tuyến hình của tàu mẫuvà kiểm tra lại các thông số

ổn định dựa trên bộ phần mềm thiết kế MAXSURF (hình 8) Các công thức tính toán

được tham khảo theo qui chuẩn phương tiện thủy nội địa SI để có thể đánh giá tính hiệu quả của hệ thống cân bằng két dằn trên các phương tiện vận tải thủy nội địa cỡ nhỏ [6]

Hình 8: Tuyến hình 3D tàu mẫu Chiều cao tâm nghiêng ban đầu được tính ho=KM – KG

Bảng 3: Chiều cao ổn định tại các trạng thái

15 Góc chúi ψ = δT/L 0.0 0.0

23 Moment chúi tàu 10 M1=D.GM / 57,30 Tm 2143621.3 1622322.5 Sức gió được xác định theo cấp hoạt động của tàu (cấp SI), tương đương gió cấp 8 với áp lực gió là 16kG/m2

Bảng 4: Hệ số an toàn tại 2 trạng thái khi tàu chịu tác động của gió

Trong các trạng thái tính toán 1&2, hệ số an toàn cao cho thấy tàu đảm bảo khả năng ổn định ngang khi có ngoại lực tác dụng.Cụ thể, trạng thái 1&2 chỉ ra tàu đang ở trạng thái 100% và 10% tải trọng (trước khi có chuyển dịch 5% hàng hóa) Tuy vậytheo trạng thái 3&4, dựa vào bảng kiểm tra ổn định tàu khi gió tác dụng động sẽ thấy hệ số

an toàn bị sụt giảm khá lớn khi có 5% hàng hóa dịch chuyển (cũng phân tích khi tàu ở trạng thái 100% và 10% tải trọng sau khi có chuyển dịch 5% hàng hóa) Trong nghiên cứu này, lượng hang hóa dịch chuyển giả sử là 5% tải trọng tàu, và sẽ đưa ra cảnh báo sụt giảm hệ số an toàn này tương ứng với góc nghiêng ngang của tàu

3.3 Phương án thi công mô hình tàu đồng dạng

Sử dụng các phép đồng dạng cho tuyến hình của tàu mô hình thu nhỏ tỉ lệ 1:300

Hình 9: Tuyến hình 3D tàu mẫu

Hình 10: Phân vùng thi công

a Khung phần mũi b Ốp ván vỏ mô hình

c Chống thấm cho phần mũi d Hoàn thiện vùng mũi

Hình 11: Phân vùng thi công

Hình 12: Kiểm tra biên dạng vỏ tàu

3.3.1 Tâm ổn dịnh ngang tàu mô hình

Chiều cao ổn định ban đầu được xác định theo công thức:

3.3.2 Xây dựng mô hình thử nghiêng lệch tàu

Mục đích của thử nghiệm nghiêng lệch (hay còn gọi là thử nghiêng ngang hoặc thử nghiệm ổn định) là xác định chiều cao trọng tâm ZG của tàu không (tàu chưa có hàng hóa, dự trữ, tức là tàu chưa có trọng tải) bằng việc đo đạc trên con tàu thực tế

Những nội dung chính của việc thử nghiệm gồm:

 Xác định chiều cao trọng tâm của tàu không ZG;

 Xác định trọng lượng tàu không P0

Tất cả các bộ phận có thể chuyển động trong quá trình thử nghiêng đều phải được

cố định Đưa tàu về trạng thái thử với độ nghiêng ngang nhỏ hơn 0.50 Tàu mô hình thử nghiệm cần thăng bằng, không chúi mũi hoặc chúi lái quá nhiều, độ nghiêng ngang và nghiêng dọc ban đầu tối đa là 20 Các vật thử (trọng lượng làm nghiêng tàu) cần để vào khoảng giữa tàu

Thiết bị đo: cảm biến gia tốc gắn trên mô hình

Trọng lượng vật thử nghiệm tàu gồm 4 trọng vật có khối lượng tương đương nhau, hình dạng tương đồng nhau được thiết lập tại các vị trí trên hai mạn thuyền.Toàn bộ trọng lượng vật dằn để làm nghiêng ngang tàu là khoảng 1% trọng lượng tàu không Thường cho tàu lớn từ 0.5 đến 1%, cho tàu nhỏ ~1.5 đến 2% Tuy vậy trong từng trường hợp cụ thể cần sơ bộ tính toán để độ nghiêng của dây dọi đọc được kết quả tương đối dễ dàng và chính xác, trong đó có chiều dài dây dọi, độ lệch của dây dọi Thông thường góc nghiêng ngang ở mức 20 đến 30

Thông thường vật thử được sắp xếp 2 bên mạn tàu và được tiến hành dịch chuyển

từ mạn này sang mạn kia Mỗi lần dịch chuyển tàu lại nghiêng và ta lại tiến hành đo góc nghiêng Trên sơ đồ dưới đây ta có 9 vị trí nhưng thực tế đo được chỉ có 8 lần đo đọc kết quả Lần đầu tiên coi như không có nghiêng lệch gì

Hình 13: Sơ đồ bố trí dịch chuyển vật đo Trên hình, ta thấy sự bố trí vật thử ở hai bên mạn tàu Giả thiết mỗi bên mạn tàu có

2 nhóm trọng lượng, nếu ta chuyển trọng lượng từ mạn này sang mạn kia sẽ gây ra cho tàu nghiêng một góc φ (hình 13)

Hình 14: 1, 2, 3 – vị trí đặt cảm biến góc nghiêng– vị trí trọng lượng thử làm nghiêng

Hình 15: Dịch chuyển trọng lượng tanφ = GG1/MG

GG1/l = P/P0 Trong đó:

l : Cánh tay đòn chuyển dịch trọng lượng

P : Khối lượng một vật thử, P0 Trọng lượng tàu không

Từ các công thức trên, ta có

Tanφ = l.P / P0

GM = h0 = l.P / (P0.tanφ) Trong đó: h0 là chiều cao ổn tâm

Như vậy: KG = KM – GM = KB + BM – GM

Từ đó ta có:

Trong đó :

KG – Chiều cao trọng tâm tàu đang thử nghiệm

KB – Chiều cao tâm nổi cho trạng thái tàu không

BM – Bán kính ổn tâm cho trạng thái tàu không

P – Trọng lượng của vật dịch chuyển trong trạng thái do góc nghiêng φ P0 – Trọng lượng tàu đang thử nghiệm

Sau khi có kết quả h0 qua các lần thử ta tính được giá trị trung bình của h0 qua công thức :

0 0

1

1.7

Có được ta tính được ZG trong điều kiện thử tàu

Các giá trị cuối cùng của tàu không được tính theo công thức sau :

Trong đó :

P0 – Trọng lượng tàu không

P0t – Trọng lượng tàu không trong điều kiện thử

KG – Chiều cao trọng tâm tàu không

ZG – Chiều cao trọng tâm trong điều kiện thử

XG0 – Hoành độ trọng tâm tàu không

XG – Hoành độ trọng tâm tàu không trong điều kiện thử

3.3.3 Tiến hành thử nghiêng lệch mô hình

Hình 16: Tàu khi cân bằng trong bể thử Mớn nước của tàu khi ở điều kiện cân bằng trong bể thử là 55 mm, trọng

Hình 17: Dựng mô hìnhtàu trong Maxsurf

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

4.1 Mô hình tàu

Mô hình tàu có kích thước 160 x 41 x 26 cm, gồm 3 phần: phần đầu dài 46cm và đuôi dài 41cm, phần thân giữa dài 70 cm chứa hai két nước, mỗi két nước chứa được 8 lít nước Các thiết bị trên tàu được bố trí như hình 18

Hình 18: Mô hình tàu và bố trí thiết bị

4.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

Hình 19: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

4.2.1 Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm điều khiển mọi hoạt động của hệ thống: đọc thông số góc nghiêng, đọc mức nước hai bồn, xử lý, gửi tín hiệu điều khiển động cơ và van, hiển thị trên khối hiển thị và gửi số liệu lên máy tính

Mạch xử lý trung tâm gồm 2 vi điều khiển: mạch master sử dụng vi điều khiển dsPIC33FJ64MC804 (hình 20) và mạch slave sử dụng vi điều khiển PIC16F877A (hình 21)

Giao tiếp

dữ liệu

Bộ xử lý trung

Giao tiếp

dữ liệuMáy tính

Bơm trái

Van 1

Cảm biến mức

2

Hình 20: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm Master Master thực hiện việc điều hành hệ thống đọc thông số góc nghiêng, đọc mức nước hai bồn, giao tiếp với máy tính, xuất dữ liệu ra LCD và gửi tín hiệu điều khiển cho slave điều khiển động cơ và van Master và slave giao tiếp với nhau bằng giao tiếp UART

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm Slave

Slave thực hiện nhận lệnh từ master để chỉ báo LED trên hộp điều khiển, điều khiển hai bơm và hai van

Hình 22: Mạch xử lý trung tâm master

Hình 23: Mạch xử lý trung tâm slave

4.2.2 Khối điều khiển tại chỗ

Khối điều khiển tại chỗ lắp trên tàu giúp người dùng điều khiển hệ thống tại hộp điều khiển Tại hộp điều khiển có 4 nút nhấn: “Bơm trái”- Điều khiển bơm đưa nước qua bồn nước bên trái, “Tự động”- chọn chế độ tự động, “Dừng”- Dừng hệ thống,

“Bơm phải”- Điều khiển bơm đưa nước qua bồn nước bên phải

Hình 24: Khối điều khiển tại chỗ