Từ những kết quả nghiên cứu ở trên có thể đi đến một số kết luận sau:
- Việt Nam có nguồn tài nguyên nước phong phú, diện tích lớn. Khí hậu khu vùng đồng bằng sông Cửu Long mát mẽ, ấm áp thuận tiện cho du lịch nghỉ ngơi, thư giản trong những lúc làm việc mệt nhọc. Từ đó nghiên cứu hệ thống động lực khí nén cho xuồng du lịch là rất cần thiết. Vừa thư giản, vừa vận động, rất thân thiện với môi trường.
Hiện nay du lịch sinh thái chủ yếu là dùng tàu, xuồng thủy loại nhỏ, dùng động cơ thủy nên rất ô nhiễm môi trường. Do đó việc sử dụng các xuồng này chưa phù hợp.
- Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo và đưa vào xuồng du lịch sử dụng hệ thống động lực khí nén là rất hiệu quả và phù hợp với điều kiện vùng đồng bằng sông Cửu Long, cũng như các khu vực khác trong cả nước.
- Các công trình nghiên cứu về xuồng du lịch trong cả nước còn hạn chế, mới chủ yếu tập trung vào khâu thiết kế, chế tạo, chưa có nghiên cứu đầy đủ và toàn diện về thiết bị này.
Để có cơ sở lý thuyết cho quá trình hoàn thiện xuồng du lịch sử dụng hệ thống động khí nén cũng như xác định các thông số động lực học của thiết bị thì việc thực hiện đề tài:“Tính toán hệ động lực khí nén cho xuồng du lịch”, mà luận văn lựa chọn là cần thiết.
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ TÍNH TOÁN XUỒNG 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế xuồng
2.1.1. Phân tích điều kiện làm việc của xuồng
- Xuồng được thiết kế, chế tạo nhằm phục vụ cho khách du lịch, người dân đi lại, cũng như học sinh ở đồng bằng làm phương tiện đi học, với điều kiện, môi trường hoạt động có nhiều hạn chế.
- Điều kiện hoạt động của xuồng bị hạn chế trong kênh rạch, chiều rộng kênh thường từ 2 - 5 m chiều sâu tối thiểu 0.5m, rất hạn chế cho xuồng khi quay đầu trở lại, hạn chế chiều sâu của xuồng.
- Hệ thống kênh rạch không thông với nhau thường có những bờ đê ngăn lũ hay những đập ngăn nước để phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, nên xuồng thường xuyên phải vượt qua các bờ kênh rạch để sang kênh khác, làm hạn chế về độ bền kết cấu thân vỏ xuồng, tính ổn định của xuồng.
- Môi trường hoạt động của xuồng thường nằm trong những dòng sông kênh rạch mặt nước yên tĩnh không có lục bình trôi theo dòng nước, hay cập bên những bờ sông, phải thường xuyên di chuyển trên sông nhỏ nên không có sóng lớn và không có tạp chất sinh hoạt do con người vứt đi.
Trên đây là một số mô tả điều kiện làm việc của xuồng, những yếu tố này có ảnh hưởng rất lớn trong quá trình tính toán thiết kế xuồng.
2.1.2. Cơ sở lý thuyết thiết kế tính toán xuồng du lịch
- Tính toán thiết kế tàu thuyền, xuồng là một chuyên ngành chuyên nghiên cứu mối quan hệ giữa các thuộc tính, đặc trưng của tàu thuyền, xuồng đã được quy định trước trong nhiệm vụ thiết kế, trong tiêu chuẩn của các quy phạm với các kích thước, với các đặc trưng hình dáng tàu thuyền, xuồng và các vấn đề khác, do các đặc trưng kích thước và hình dáng tàu thuyền, xuồng có quan hệ với nhau nên để thiết kế xuồng trước hết cần căn cứ điều kiện hoạt động của xuồng và các yêu cầu đặt ra với xuồng cần thiết kế để xác định kích thước chủ yếu cho xuồng. Kích thước và các hệ số được lựa chọn ngoài việc thỏa mãn các yêu cầu chủ yếu đề ra trong
nhiệm vụ và điều kiện thiết kế, nó còn phải đáp ứng đầy đủ những chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật tiên tiến.
- Giữa các yếu tố chiều dài thân xuồng, chiều rộng, mớn nước, chiều cao mép boong và các hệ số béo có quan hệ khá biến động, thậm chí mâu thuẫn lẫn nhau. Do đó quá trình lựa chọn là cả một sự phân tích, so sánh những số liệu có được, đồng thời căn cứ vào điều kiện thực tế để đi đến một kết quả thỏa đáng. Trong thực tế thiết kế một con xuồng, thông thường thì bước đầu tiên là lựa chọn kích thước chính và các hệ số béo. Sau đó nghiệm lại khối lượng, ổn định, dung tích và các tính năng khác của xuồng để điều chỉnh và so sánh. Chỉ sau khi các yếu tố trên được đảm bảo thì các thông số lựa chọn mới phù hợp. Chỉ sau khi các yếu tố trên được đảm bảo thì các thông số lựa chọn mới phù hợp [1], [3], [14].
2.1.3. Tính toán kích thƣớc chủ yếu của xuồng
a) Xác định sơ bộ lượng chiếm nước của xuồng.
- Hệ số trọng tải: Ta có: 0, 25 0, 75
- Với các xuồng nhỏ: Trọng tải xuồng: = 0,12 T Trong đó: T- mớn nước
Chọn: 0,54 suy ra lượng chiếm nước sơ bộ : Dsb = 0,22 T
b) Xác định kích thước của xuồng.
- Kích thước chính: Lmaxlà khoảng cách đo được trong mặt đường nước thiết kế giữa hai đường thẳng đứng hạ từ các điểm ngoài cùng giữa (mũi và lái) của thân xuồng, không tính các phần nhô ra.
- Chiều dài đường nước thiết kế: Lkwl là khoảng cách giao điểm của đường nước thiết kế với sống mũi, sống lái.
- Chiều dài giữa hai trụ: Lppkhoảng cách đo được trong mặt đường nước thiết kế giữa trụ mũi và trụ lái.
sb w D D w D
- Chiều rộng lớn nhất Bmax khoảng cách đo theo phương vuông góc với mặt cắt dọc giữa xuồng tại khu vực rộng nhất mà không tính đến các phần nhô ra.
- Chiều rộng đường nước thiết kế Bkwl khoảng cách đo trên đường nước thiết kế tại chổ rộng nhất.
- Chiều cao mạn H khoảng cách theo phương thẳng đứng đo trên mặt cắt ngang giữa xuồng từ mặt cơ bản đến mép boong trên cùng.
- Mớn nước thiết kế: Tkwl khoảng cách theo phương thẳng đứng trên mặt cắt ngang giữa xuồng từ mặt cơ bản đến đường nước thiết kế.
Phương trình sức nổi: (2.1) Trong đó: K : hệ số kể đến độ ngập thân xuồng, lấy k=1. g= 1 (tấn/ ) : Trọng lượng riêng của nước
: hệ số béo thể tích chọn theo kinh nghiệm =0,45.
- Xác định các kích thước L, B, T, bằng phương trình (2.1) thông qua các tỷ số L/B; B/T; H/T.
- Tỷ số L/B: Tỷ số L/B biểu diễn bằng quan hệ B = f (L), ảnh hưởng đến sức cản toàn xuồng và là yếu tố quyết định đến tính quay trở, tính ổn định hướng đi của xuồng, ta có: L/B = 2,2 6,2 ; Chọn : = 2,5
- Tỷ số H/T: Tỷ số H/T ảnh hưởng đến khả năng chống chìm và chống hắt nước lên boong của xuồng, ta có: H/T = 1,15 1,75; Chọn: H/T =1,75
- Tỷ số B/T: Tỷ số B/T có quan hệ với tính ổn định và sức cản của thân xuồng, ta có: B/T = 2,25 3,75; Chọn: B/T = 3
Biến đổi phương trình (2.1) ta có:
3 2 . L L L B B L B B D L L B L B B B T B T LBT K D 3 m B L
Suy ra : 2 3 L B 1 L D B T 3 m B = 1,2 m T = 0,4 m H = 0,7 m Hoành độ tâm nổi theo chiều dài của xuồng được xác định :
= (-1,25 ÷ 1,48) m
Chọn: xc= -0,06 m.
c) Các hệ số hình dáng thân xuồng.
- Hệ số béo thể tích : =0.45
- Hệ số béo diện tích đường nước ; 0, 0250, 65
- Hệ số béo sườn giữa , vận tốc xuồng thiết kế: v = 5 km/h = 1,4(m/s)
Fr V 0,81 gL ; Chọn: = 0,85 - Hệ số béo dọc : 0,53
Như vậy các kích thước sơ bộ của xuồng được tính toán như sau: Bảng 2.1 Kích thước sơ bộ của xuồng.
L = 3 m =0.45 L/B = 2,5 B = 1,20 m = 0,85 B/T = 3 H = 0,70 m = 0,53 H/T = 1,75 T = 0,40 m 0, 65 L/H = 4,3 0,5 15 , 0 65 , 0 2 sin 022 , 0 L xc 0,5 15 , 0 65 , 0 2 sin 022 , 0 . L xc
2.1.4. Tính toán các thành phần trọng lƣợng của xuồng
- Trọng lượng xuồng gồm các thành phần: D = = P1 + P2 + P3 D = LBT = 0,22 Trọng lượng vỏ: P1 = p1. D, ta có:; p1 = 0,23 0,38, chọn; p1= 0,23 P1 = 0,051 (Tấn)
- Trọng lượng hệ thống thiết bị xuồng
P2 = p2. D2/3, ta có: p2 = 0,21 + 0,06, Chọn: p2 = 0,21, P2 = 0,031 (tấn) - Trọng lượng 1 người: 60 kg, xuồng biên chế 2 người.
P3 = 2. 60 = 120 (kg) = 0,120 (tấn) Tổng trọng lượng thành phần.
= P1 + P2 + P3 = 0,051 + 0,031+ 0,120 = 0,202 (tấn) + N: Tổng công suất của tổ hợp: N = (1,15 1,25) . Ne Chọn Ne: 0,5
Chọn N = 1,2 Ne = 0,6 kW = 0,80 (HP)
Tổng trọng lượng thành phần: = 0,202 (T)
= (0,22-0,202)100% = 8,18% Vậy kích thước của xuồng là phù hợp.
2.2. Tính toán các thông số của xuồng
2.2.1. Tính toán các thông số về hình dạng và bố trí hệ thống trên xuồng
a) Đặc điểm hình dáng và phương án thiết kế
Xây dựng tuyến hình xuồng là một khâu đặc biệt quan trọng trong quá trình thiết kế xuồng. Nó ảnh hưởng trực tiếp tới tính di động, cân bằng, ổn định và việc đảm bảo dung tích chở cho xuồng. Tuyến hình xuồng được xây dựng từ nhiều phương pháp khác nhau, cụ thể là: i P i P i P D P D D i %
- Thiết kế mới dựa trên tuyến hình xuồng mẫu hoặc từ các seri tuyến hình đã có sẵn.
- Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng, tuỳ thuộc vào kinh nghiệm chuyên môn và độ tin cậy của tài liệu sử dụng cũng như các số trên kỹ thuật sử dụng mà mỗi cá nhân, cơ quan thiết kế lựa chọn một phương án riêng. Ở đây chúng tôi sử dụng phương pháp thiết kế mới hoàn toàn, dựa trên cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế và các điều kiện thực tế hoạt động của xuồng để thiết kế trên.
- Đây là xuồng nhỏ, phục vụ trong công việc đi lại hằng ngày của người dân vùng sông nước, hoạt động trong khu vực có nhiều hạn chế như đã phân tích ở trên. Trọng tải của xuồng chủ yếu là thiết bị và con người. Từ những điều kiện thực tế trên và điều kiện sử dụng khai thác xuồng. Kết hợp với tài liệu hiện có trong và ngoài nước nghiên cứu về tính ưu việt của mỗi loại đường hình dáng xuồng. Chúng tôi đưa ra phương án tuyến hình xuồng như sau:
- Chọn dạng tuyến hình gẫy góc: Dạng hình dáng này rất dễ công nghệ, đáp ứng được khả năng ổn định khi vượt cạn dễ dàng, không yêu cầu tốc độ xuồng lớn.
- Đuôi xuồng có bố trí vòm chân vịt, bánh lái đặt sau. Có hệ ky đỡ và bảo vệ chân vịt, bánh lái khi xuồng vượt cạn.
- Mũi xuồng vát đảm bảo thuận lợi cho quá trình vượt bờ đất, tạo khả năng lướt cho xuồng.
b) Yêu cầu trong thiết kế bố trí chung
- Thiết kế bố trí chung toàn xuồng là khâu rất quan trọng trong quá trình thiết kế xuồng. Công việc bố trí chung ảnh hưởng trực tiếp đến yêu cầu sử dụng, khả năng khai thác và đặc biệt liên quan tới cân bằng ổn định của xuồng.
- Việc bố trí chung toàn xuồng đòi hỏi người thiết kế phải quan tâm tới các vấn đề liên quan tới hiệu quả sử dụng xuồng, sự tiện nghi sinh hoạt cho con người, khả năng bảo vệ hàng hoá. Đồng thời phải để ý tới quy phạm, những quy định chung về khả năng an toàn, chống ô nhiễm môi trường. Bố trí chung toàn xuồng nhằm đạt được các yêu cầu như:
- Việc bố trí các khoang đảm bảo tính chống chìm, đảm bảo cân bằng ngang, cân bằng dọc.
- Thỏa mãn các yêu cầu theo qui phạm trên tuyến hoạt động tương ứng và các quy định về xuồng.
c) Thiết kế bố trí chung cho xuồng
- Từ những yêu cầu đưa ra của xuồng, căn cứ theo quy phạm chúng tôi đưa ra phương án bố trí chung cho xuồng như sau:
- Khoang công tác có bố trí máy 01 bình tích trữ khí nén có công suất là 5HP, 2 piston bơm khí nén và cơ cấu bàn đạp. Trên xuồng có bố trí đủ chỗ ngồi cho 2 thành viên trên xuồng. Hệ thống dẫn hướng được bố trí đầy đủ đảm bảo xuồng hoạt động tốt. Sơ đồ bố trí chung của xuồng được thể hiện trên hình 2.1
Hình 2.1 Sơ đồ bố trí chung của xuồng.
Nguyên lý làm việc của hệ thống
- Sử dụng công có ích của người ngồi trên xuồng. Khi chân người đạp vào bàn đạp làm cơ cấu dẫn động quay, kéo theo bánh răng chủ động quay. Khi bánh răng chủ động quay dây xích quay theo làm cho bánh răng bị động quay cơ cấu cam quay, khi cơ cấu cam quay mấu cam tác động vào trục dẫn động của piston. Ở kỳ nạp chân không được tạo lập phía trên piston, do đó không khí được đẩy vào buồng nén thông qua van nạp. Van này mở tự động do sự chênh lệch áp suất gây ra bởi chân không ở trên bề mặt piston. Khi piston đi xuống tới “ điểm chết dưới” và bắt đầu đi lên, không khí đi vào buồng nén do sự mất cân bằng áp suất phía trên và dưới nên van nạp đóng lại và quá trình nén khí bắt đầu xảy ra. Khi áp suất trong buồng nén tăng tới một mức nào đó sẽ làm cho van thoát mở ra, khí nén sẽ thoát qua van thoát để đi vào bình tích trữ khí nén. Cả hai van nạp và thoát thường có lò xo và các van đóng mở tự động. Sao khi piston lên đến “điểm chết trên” và bắt đầu đi xuống trở lại, van thoát đóng và một chu trình nén khí mới bắt đầu (khí có thể hút được lượng đến 10 3
m /phút và áp suất nén được 6 bar). Từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới làm cho piston di chuyển động tới tạo ra một áp lực, áp lực này sẽ được nạp vào bình tích trữ áp suất. Lúc này trong bình tích áp nhận được một lượng áp suất, áp suất này sẽ tích tụ vào bình chứa. Khi khí nén tích tụ đủ áp suất thắng lò xo tích áp thì van điều áp mở ra làm cho khí nén trong bình sẽ qua van điều áp và đến tuabin khí, làm tuabin quay kéo theo trục dẫn động quay. Khi trục dẫn động quay làm chân vịt quay, đẩy xuồng di chuyển tới.
- Khi chân người đạp một vòng thì piston di chuyển tới lui được bốn lần. Do tỉ số truyền của cơ cấu, khi ta đạp được hai lần thì piston di chuyển được tám lần. khi ta đạp được 60l/p thì piston di chuyển được 240 lần, với số lần đạp trung bình như thế thì áp suất luôn tạo ra ổn định và cao hơn nhiều so với áp suất cần thiết để đẩy xuồng di chuyển.
2.2.2. Tính toán các yếu tố tính năng của xuồng
a) Tính toán các đặc trưng thủy lực của xuồng
Ý nghĩa và phương pháp tính: xây dựng đồ thị thủy lực và các yếu tố thuỷ lực nhằm để tính toán xác định tính nổi và tính ổn định cho xuồng.
- Phương pháp xây dựng: dựa vào phương pháp tính tích phân gần đúng của Simpson, phương pháp hình thang để tính các yếu tố thủy lực, [2], [3], [4]: