CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ CẤU
2.1. Lựa chọn phương án thiết kế
2.1.1. Các phương án thiết kế chuyển động lặn nổi cho ROV a) Cơ sở lý thuyết
Như chúng ta đã biết lực đẩy Ác-si-mét là lực tác động bởi một chất lưu (chất lỏng hay không khí) lên một vật đặt chất lưu đó. Lực đẩy Ác-si-mét cùng phương, ngược hướng với trọng lực, có độ lớn bằng trọng lực của phần chất lưu bị chiếm chỗ.
Hình 2.1 Nguyên lý Ác-si-mét Vậy một vật dưới nước sẽ có lực nổi:
𝐹𝑛 = 𝐹𝐴 − 𝑃
𝐹𝑛 = 𝐷. 𝑉. 𝑔 − 𝑚. 𝑔
𝐹𝑛: Lực nổi
𝐹𝐴: Lực đẩy Ác-si-mét P: Trọng lực
D: Khối lượng riêng của chất lỏng V: Thể tích của vật
m: Khối lượng của vật g: Gia tốc rơi tự do Khi 𝐹𝑛 > 0 khi vật nổi lên
Khi 𝐹𝑛 < 0 khi vật chìm xuống
Vậy để một vật có thể nổi lên hoặc chìm xuống theo ý muốn thì có các phương pháp chủ yếu sau:
o Thay đổi khối lượng của vật mà thể tích không đổi hay thay đổi khối lượng riêng làm thay đổi P mà 𝐹𝐴 không nổi dẫn đến 𝐹𝑛 thay đổi. Phương pháp này thường được áp dụng trong các tàu ngầm, thiết bị lặn lớn.
o Sử dụng một lực đẩy cùng phương với 𝐹𝑛 để thay đổi 𝐹𝑛 𝐹𝑛 = 𝐹𝐴 – P – 𝐹𝑑𝑐;
𝐹𝑑𝑐: Lực đẩy từ động cơ
Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế, chế tạo ROV, AUV.
o Kết hợp hai phương pháp trên
b) Phương án 1: Lặn bằng nguyên lý tăng giảm khối lượng
Tàu lặn nổi lên và chìm xuống nhờ thay đổi khối lượng riêng của tàu so với khối lượng riêng của nước. Phương án này thường được sử dụng trong các tàu ngầm.
Tàu thay đổi khối lượng bằng cách hút nước vào và đẩy nước ra khỏi tàu.
Hình 2.2 Cơ chế lặn của tàu ngầm Ưu điểm: Tiết kiệm năng lượng khi tàu lặn dưới nước Nhược điểm: Khả năng linh động kém, tốc độ lặn chậm c) Phương án 2: Lặn bằng nguyên lý sử dụng động cơ tạo lực đẩy
Tàu lặn nhờ vào lực đẩy tạo từ động cơ cánh quạt lớn hơn lực đẩy Ác-si-mét, giúp tàu chìm xuống dưới nước.
Tàu được thiết kế sao cho gần bằng nhưng phải nhỏ hơn khối lượng riêng của nước để giảm lực đẩy Ác-si-mét, giúp tiếp kiệm công suất động cơ.
Khi có sự cố xảy ra, chỉ cần tắt nguồn điện tàu có thể tự nổi lên.
Hình 2.3 Cơ chế dùng động cơ đẩy
Ưu điểm: Robot linh hoạt, tốc độ lặn nhanh, an toàn hơn khi có sự cố.
Nhược điểm: Tốn nhiều năng lượng.
2.1.2. Các phương án bố trí động cơ
a) Phương án 1: Phương án sử dụng nhiều động cơ đẩy tạo thành robot 6 bậc tự do Ưu điểm: Robot rất linh hoạt di chuyển được mọi hướng, khả năng ổn định cao.
Nhược điểm: Chi phí rất lớn, khó điều khiển, robot cồng kềnh.
Hình 2.4 Bố trí động cơ robot b) Phương án 2: Phương án sử dụng ít động cơ
Ưu điểm: Chi phí thấp, gọn gàng.
Nhược điểm: Di chuyển không được linh hoạt.
Hình 2.5 Bố trí ít động cơ robot 2.1.3. Các phương án chọn động cơ đẩy
a) Phương án 1: Động cơ đẩy sử dung phớt để cách ly nước
Ưu điểm: Bảo vệ động cơ khỏi các tác nhân gây hại từ môi trường nước.
Nhược điểm: Khó chế tạo, khó tản nhiệt, vẫn có rủi ro rò rỉ nước.
b) Phương án 2: Động cơ đẩy sử dụng nam châm truyền động gián tiếp Ưu điểm: Cách ly hoàn toàn động cơ điện khỏi môi trường nước.
Nhược điểm: Khó chế tạo, cồng kềnh, khó tản nhiệt, chi phí cao.
Hinh 2.6 Cấu tạo động cơ đẩy sử dụng truyền động nam châm
c) Phương án 3: Động cơ đẩy sử dụng động cơ không chổi than (BLDC) để trực tiếp trong môi trường nước
Ưu điểm: Chi phí thấp, dễ chế tạo, nhỏ gọn.
Nhược điểm: Rủi ro cao.
Hình 2.7 Động cơ không chổi than sử dụng trong OpenROV 2.1.4. Các phương án thiết kế thân tàu
a) Phương án 1: Thiết kế nguyên khối
Robot được thiết kế sao cho các bộ phân liên kết với nhau thành một khối tổng thể duy nhất.
Hình 2.8 Robot Observer thiết kế thân nguyên khối Ưu điểm: Dễ chống nước.
Nhược điểm: Khó sửa chữa thay thế.
b) Phương án 2: Thiết kế thành các module
Robot được thiết kế phân chia các bộ phần thành các module rời nhau, lắp ghép lại nhờ vào các jack cắm.
Hình 2.9 ROVBUILDER theo kiểu module
Ưu điểm: Sửa chữa, thay thế linh hoạt, khả năng nâng cấp dễ dàng.
Nhược điểm: Phải chống nước nhiều vị trí nối khó, chống nước cho từng bộ phận dẫn đến chi phí cao hơn và độ khó chế tạo lớn hơn.