3.3.1. Mục đích
Cánh phụ tàu đệm khí động có nhiệm vụ mang hai động cơ chính, tạo thêm lực nâng cho tàu. Theo thiết kế, cánh phụ luôn phải đảm bảo sao cho trục cánh quạt nghiêng một góc 30
nhằm đảm bảo cánh quạt luôn tạo ra lực nâng cho tàu. Trong quá trình làm việc, cánh phụ luôn chịu tải trọng động ( lực mất cân bằng do động cơ piston, mất cân bằng cánh quạt, lực khí động, v..v…) có thể ảnh hƣởng đến kết cấu làm việc của cánh phụ. Việc thử nghiệm tĩnh động nhằm kiểm tra kết cấu cánh phụ có đủ bền, đảm bảo cho tàu đệm hoạt động là cần thiết.
3.3.2. Địa điểm và thời gian thực hiện
- Viện Nghiên cứu chế tạo tàu thủy, Đại học Nha Trang 44 Hòn Rớ, Phƣớc Đồng, Tp. Nha Trang, Tỉnh Khánh Hòa. - Thời gian thực hiện: tháng 3/2008.
Bảng 1. Thiết bị và phần mềm phân tích. TT Tên thiết bị Số lƣợng Đặc tính kỹ thuật Hãng sản xuất 1
Máy đo dao động 16 kênh DEWE-
BOOK 16
01
Thu thập tín hiệu 16 kênh. Chuyển đổi A/D 12 bit. Giao tiếp và truyền số liệu với máy tính thông qua truyền thông serial và USB.
Có thể cấu hình phần cứng tƣơng thích để đo: dao động, biến dạng, nhiệt độ, điện áp,v..v…. DEWETRON - ÁO 2 Phần mềm thu thập và phân tích tín hiệu DASYLAB 7.0 01
Đọc và lƣu trữ tín hiệu đo từ máy đo dao động DEWE-BOOK 16.
Phân tích và xử lí tín hiệu đo đạc.
GmbH - CHLB ĐỨC
3 Đầu đo gia tốc B&K 4371 02 Độ nhạy: 1pC/m/s2 . Dải tần số làm việc: 0,1Hz đến 12.600 Hz B&K - ĐAN MẠCH 4
Đầu đo gia tốc tiền khuếch đại Model 750 03 Độ nhạy: 10mV/m/s2 . Dải tần số làm việc: 0,5 đến 10.000 Hz. ENDEVCO – MỸ
3.3.4. Sơ đồ bố trí điểm đo
Hình 50. Sơ đồ vị trí gắn đầu đo gia tốc trên cánh phụ.
Sơ đồ bố trí các điểm đo nhƣ trong hình trên. Do số lƣợng đầu đo gia tốc có hạn (05 đầu đo) nên mỗi lần chỉ có thể đo đƣợc tối đa 05 điểm.
Hình 51. Ảnh chụp vị trí gắn đầu đo trong một lần đo thực tế tại hiện trường.
3.3.5. Quy trình đo, phân tích và xử lý tín hiệu đo 3.3.5.1. Quy trình 3.3.5.1. Quy trình
- Tần số lấy mẫu tín hiệu: 50Hz.
- Số lƣợng mẫu cho một bản ghi tín hiệu: 512.
- Gắn đầu đo gia tốc, đo tín hiệu gia tốc cánh phụ tại các điểm theo sơ đồ trên, đo làm nhiều lần, tại nhiều vị trí khác nhau.
- Tác động lực lên cánh phụ tại các vị trí đầu cánh, vị trí gắn động cơ, đo xác định tần số riêng, dạng dao động của cánh phụ trong các trƣờng hợp có gắn và không gắn động cơ. Có và không có gắn càng chống.
3.3.5.2. Phân tích và xử lý tín hiệu đo
- Phân tích tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số, tìm tần số dao động riêng của cánh phụ.
- Tích phân tín hiệu đo đạc để đƣợc tín hiệu chuyển vị, tìm dạng dao động riêng của cánh phụ ứng với tần số dao động riêng.
- Đánh giá kết quả thực nghiệm.
3.3.6. Kết quả đo đạc
3.3.6.1. Lần đo 1
Các đầu đo gia tốc gắn tại các điểm đo F1, F2, F3, F4, F5 tƣơng ứng với các kênh đo lần lƣợt từ 0 đến 4. Tác động lực vào phần giữa điểm F1 và F2 nhằm tìm dao động uốn của cánh.
Bảng 2. Giá trị dao động tại các điểm ở lần đo 1
Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2
) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) F1 7,586 10,361 5,38 F2 5,641 7,528 3,987 F3 8,451 11,370 5,754 F4 3,812 4,648 2,484 F5 2,566 3,729 1,938
Hình 52. Đồ thị tín hiệu gia tốc trong miền thời gian tại các điểm đo F1 đến F5.
Hình 53. Đồ thị tần số đo được tại các điểm đo F1 đến F5.
Đồ thị chuyển vị thu đƣợc bằng cách tích phân giá trị vận tốc hai lần, sử dung bộ lọc thông cao Butterworth bậc 10 có tần số cắt để lọc các thành phần DC.
Hình 54. Chuyển vị tại các điểm đo F1 đến F5.
Hình 55. Phóng to biểu đồ chuyển vị các điểm từ F1 đến F5.
Hình 55 biểu diễn chi tiết dạng chuyển động của các điểm đo F1, F2,..,F5. Trong đồ thị trên, điểm đo F2 chậm pha hơn điểm F1 3,9o. Điểm F3 nhanh pha hơn F1 3,9o. Điểm F4 và F5 đều sớm pha hơn F1 3,9o. Biên độ dao động của điểm F3 cũng là lớn nhất bằng 8,451 mm. Do đó có thể phần bên phải cánh phụ không chỉ chịu dao động uốn mà còn có thành phần dao động xoắn tham gia.
Từ số liệu đo này, ta có thể vẽ dạng chuyển động của phần bên phải cánh phụ theo phƣơng pháp sau.
Trên kênh 0 của tín hiệu chuyển vị, lấy 1 điểm bất kỳ có tọa độ y0 trên đồ thị làm chuẩn. Sau đó lấy lần lƣợt các giá trị y1,…, y4. Lấy giá trị tọa độ này trừ đi y0. Vẽ dạng cánh phụ với chiều cao z tại các điểm đó lần lƣợt bằng các yi. ta đƣợc dạng chuyển động của lần đo thứ nhất nhƣ sau: y1 = 1,05, y2 = -7.841,
y3 = -4,841, y4 = -4.14. Ta vẽ dạng chuyển động gần đúng của cánh phụ phía bên phải nhƣ sau.
Hình 56. Dạng dao động của cánh phụ, lần đo 1.
3.3.6.2. Lần đo 2
Đầu đo gia tốc vẫn gắn ở các vị trí F1, F2,…, F5. Tác động lực vào vị trí sát điểm F3 nhằm kích động dao động xoắn lớn nhất trên phần cánh bên phải.
Bảng 3 Giá trị đo được tại các điểm trong lần đo 2
Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) F1 5,874 6,476 3,259 F2 2,910 4,078 2,017 F3 8,269 8,910 4,420 F4 1,857 2,685 1,311 F5 2,066 2,503 1,270
s 2 . 5 5 . 0 7 . 5 1 0 . 0 Y / t C h a r t 0 Y / t C h a r t 1 Y / t C h a r t 2 Y / t C h a r t 3 Y / t C h a r t 4 7 . 5 0 . 0 - 7 . 5 3 - 4 1 0 . 0 - 7 . 5 2 . 0 0 . 0 - 2 . 0 2 . 5 - 2 . 0
Hình 57. Đồ thị gia tốc các điểm đo lần đo 2.
Hình 58. Đồ thị gia tốc trong miền tần số, lần đo 2.
Hình 60. Biểu diễn chi tiết đồ thị dao động lần đo 2.
Trong lần đo này, ở biểu đồ gia tốc trong miền tần số. Tại các kênh đo 0, 2 và 4 ứng với các điểm đo F1, F3 và F5 ngoài tần số f1 = 3,2 Hz còn có một tần số f2 = 3,8 Hz có đỉnh tƣơng đối nhọn và cao. Biên độ của tần số này rất bé ở lần đo 1(tác động vào điểm đầu cánh giữa F1 và F2 nhằm kích thích tần số dao động uốn của cánh phụ).
Từ hình 60 biểu diễn chi tiết dạng chuyển động của các điểm đo F1, F2,..,F5. Trong đồ thị trên, điểm đo F2 chậm pha hơn điểm F1 3,9o. Điểm F3 nhanh pha hơn F1 3,9o. Điểm F4 và sớm pha hơn F1 3,9o, điểm F5 đồng pha với F1. Biên độ dao động của điểm F3 cũng là lớn nhất bằng 8,279 mm. Ta có thể kết luận kết cấu hệ cánh phụ, động cơ không chỉ dao động với dạng dao động uốn mà còn dao động xoắn với tần số f2 = 3,8 Hz. Dạng dao động của cánh phụ trong lần đo này cũng đƣợc vẽ nhƣ sau.
3.3.6.3. Lần đo 3
Đầu đo gia tốc gắn tại các điểm đo T1, T2, T3, T4, T5 tƣơng ứng với các kênh đo lần lƣợt từ 0 đến 4. Tác động lực vào phần giữa điểm T1 và T2 nhằm tìm dao động uốn của cánh.
Bảng 4. Giá trị dao động tại các điểm đo lần 3.
Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) T1 7,064 9,141 4,734 T2 4,593 6,371 3,432 T3 8,460 9,791 4,919 T4 2,819 3,946 2,129 T5 2,164 2,827 1,463
Hình 63. Đồ thị gia tốc các điểm đo lần 3 trong miền tần số.
Hình 64. Đồ thị chuyển vị tại các điểm trong lần đo 3.
Hình 65 biểu diễn chi tiết dạng chuyển động của các điểm đo T1, T2,..,T5. Trong đồ thị trên, điểm đo T2 chậm pha hơn điểm T1 3,9o. Điểm T3 đồng pha với T1. Điểm T4 sớm pha hơn T1 7,8o, điểm T5 đồng pha với T1. Biên độ dao động của điểm T3 cũng là lớn nhất bằng 4,919 mm.
Hình 66. Dạng dao động của phần cánh phụ bên trái, lần đo 3.
3.3.6.4. Lần đo 4
Đầu đo gia tốc gắn tại các điểm đo T1, T2, T3, T4, T5 tƣơng ứng với các kênh đo lần lƣợt từ 0 đến 4. Tác động lực gần điểm T3 nhằm kích thích dao động xoắn của cánh phụ.
Bảng 5. Các giá trị đo được trong lần đo 4.
Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) T1 6,136 6,800 3,364 T2 3,049 3,821 1,893 T3 8,221 9,281 4,487 T4 1,973 2,424 1,185 T5 2,126 2,324 1,151
Hình 67. Biểu đồ gia tốc trong miền thời gian lần đo 4.
Hình 68. Gia tốc trong miền tần số lần đo 4.
Hình 70. Chi tiết chuyển vị của điểm đo lần đo 4.
Hình 70 biểu diễn chi tiết dạng chuyển động của các điểm đo T1, T2,..,T5. Trong đồ thị trên, điểm đo T2 nhanh pha hơn T1 7,8o. Điểm T3 chậm pha 3,9o với T1. Điểm T4 sớm pha hơn T1 7,8o, điểm T5 đồng pha với T1. Biên độ dao động của điểm T3 cũng là lớn nhất bằng 4,919 mm.
Hình 71. Dạng chuyển động của phần cánh phụ phía trái, lần đo 4.
3.3.6.5. Lần đo 5
Đầu đo gia tốc gắn tại các điểm đo F1, T1, F3, F5, T3 tƣơng ứng với các kênh đo lần lƣợt từ 0 đến 4. Tác động lực gần điểm F1.
Bảng 6. Giá trị chuyển động đo được trong lần đo 5. Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) F1 19,856 23,418 12,580 T1 17,691 21,901 11,255 F3 22,928 26,247 13,734 F5 7,101 8,409 4,469 T3 20,202 24,554 12,296
Hình 72. Gia tốc chuyển động trong miền thời gian.
Hình 74. Chuyển vị của các điểm.
Hình 75. Một đoạn tín hiệu chuyển vị được cắt ra.
Trên hình 75, lấy kênh 1 làm chuẩn. Tín hiệu kênh 2 sớm pha hơn kênh 1 góc 151,3440
.
Kênh 3 sớm pha hơn kênh 1 góc 23,1840, kênh 4 sớm pha hơn kênh 1 góc 23,1840, kênh 5 sớm pha hơn kênh 1 góc 162,2880
.
3.3.6.6. Lần đo 6
Đầu đo gia tốc gắn tại các điểm đo F1, T1, F3, F5, T3 tƣơng ứng với các kênh đo lần lƣợt từ 0 đến 4. Tác động lực gần điểm T1 nhằm kích thích dao động xoắn của cánh phụ.
Bảng 7. Giá trị dao động tại các điểm đo lần đo 6. Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) F1 14,201 17,613 8,903 T1 16,075 19,057 10,016 F3 16,912 20,892 10,277 F5 5,287 6,303 3,311 T3 19,172 21,295 10,815
Hình 76. Biểu đồ gia tốc lần đo 6.
Hình 78. Biểu đồ chuyển vị trong miền thời gian.
Hình 79. Phóng to chuyển vị.
3.3.6.7 . Lần đo 7
Trong lần đo này, Đầu đo gia tốc gắn tại các điểm đo F1, T1, F3, F5, T3 tƣơng ứng với các kênh đo lần lƣợt từ 0 đến 4. Gắn hai càng chống từ thân thuyền vào cánh phụ.
Bảng 8 Các giá trị dao động đo được, lần đo 7.
Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) F1 1,0278 1,1293 0,5739 T1 1,4499 1,2378 0,6153 F3 0,6512 0,7724 0,3850
F5 0,6688 0,7254 0,4020
T3 0,6484 0,8223 0,4272
Hình 80. Biểu đồ gia tốc trong lần đo 7.
Hình 82. Biểu đồ chuyển vị biểu diễn trong miền tần số, lần đo 7.
3.3.6.8 . Lần đo 8
Trong lần đo này, Đầu đo gia tốc gắn tại các điểm đo F1, T1, F3, T5, T3 tƣơng ứng với các kênh đo lần lƣợt từ 0 đến 4. Hai càng chống tăng cứng cho cánh phụ đƣợc lắp vào.
Bảng 9. Các giá trị dao động đo được, lần đo 8.
Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2
) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) F1 0,654 1,4313 0,8383 T1 0,2982 0,5329 0,2894 F3 0,4447 0,8142 0,4697 T5 0,3430 0,5799 0,3525 T3 0,4191 0,8085 0,4516
Hình 83. Biểu đồ gia tốc trong miền thời gian, lần đo 8.
Hình 84. Biểu đồ gia tốc trong miền tần số, lần đo 8.
3.4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO 3.4.1. Tiêu chuẩn đánh giá 3.4.1. Tiêu chuẩn đánh giá
Dựa vào biểu đồ sau để đánh giá mức độ rung động của cánh phụ tàu đệm khí động.
Hình 86. Biểu đồ đánh giá mức rung động của kết cấu.
Biểu đồ trên đƣa ra 2 đƣờng giới hạn (đƣợc xây dựng qua nhiều lần thực nghiệm) đƣợc dùng để đánh giá khả năng xảy ra rạn nứt các kết cấu cục bộ do quá trình rung động (các giá trị biên độ ở trên là các giá trị đỉnh).
Trục hoành của biểu đồ là giá trị tần số rung động chia theo dải loga cơ số 10, trục tung với 3 giá trị: chuyển vị, vận tốc và gia tốc.
Đƣờng cong giới hạn đƣợc chia ra đánh giá theo 2 mức tần số: mức tần số thấp (<5Hz) và mức tần số cao (>5Hz). Với mức tần số thấp thì đánh giá theo các giá trị chuyển vị (tính theo mm, đỉnh), với mức tần số cao thì đánh giá theo các giá trị vận tốc (tính theo mm/s, đỉnh), còn giá trị gia tốc là tham khảo tƣơng ứng với các giá trị đánh giá.
3.4.2. Đánh giá
Qua đo đạc thực tế, cánh phụ có hai tần số dao động chính, tần số dao động uốn fuốn = 3,2 Hz và tần số dao động xoắn fxoắn = 3,8 Hz. Do đó có thể nói rằng dạng dao động của cánh phụ là khá phức tạp. Yêu cầu thiết kế của cánh phụ là phải đảm bảo đƣợc góc nghiêng của trục động cơ so với phƣơng ngang là 30, dạng dao động xoắn xuất hiện trên cánh phụ sẽ làm cho việc đảm bảo góc nghiêng này không còn ý nghĩa.
Cánh phụ mang hai động cơ chính làm việc với số vòng quay trung bình khoảng 6000 vòng/phút tƣơng ứng với tần số fđộng cơ = 100Hz, tần số này cao hơn hai tần số dao động riêng của cánh phụ rất nhiều, do vậy khó xảy ra đƣợc hiện tƣợng cộng hƣởng mặc dù hai dạng dao động riêng của cánh phụ đều xảy ra đồng thời.
Các giá trị chuyển vị đo đƣợc ở các lần đo là khá cao so với tiêu chuẩn đánh giá trên. Trong tiêu chuẩn đánh giá trên, chuyển vị lớn nhất chấp nhận đƣợc đối với những tần số dƣới 5 Hz là 2mm. Trong các lần đo, giá trị chuyển vị thƣờng là lớn hơn giá trị này. Do đó có thể đánh giá kết cấu cánh phụ là yếu. Cần chú ý đối với dạng dao động xoắn của cánh phụ, biên độ dao động xoắn tại vị trí gắn động cơ là khá lớn, điều này sẽ làm ảnh hƣởng đến việc đảm bảo góc nghiêg 30
của trục động cơ. Do đó cần có biện pháp gia cố tăng thêm độ cứng cho cánh phụ. Sau khi có kết luận từ việc thử nghiệm động cùng với các kết quả thử nghiệm tĩnh cánh phụ cũng đã đƣợc gia cố thêm hai càng chống hai bên giữa thân thuyền và điểm đặt động cơ. Việc này đã làm tăng độ cứng cánh phụ, tăng độ ổn định của động cơ, đảm bảo đƣợc góc nghiêng 30của trục động cơ theo thiết kế ban đầu. Tuy nhiên, ban đầu cánh phụ còn đƣợc thiết kế làm việc nhƣ một hệ làm giảm dao động giữa hai động cơ và thân thuyền. Việc gắn càng chống vào tuy có làm tăng sức chịu tải của cánh phụ nhƣng cũng cần xem xét
