a. Tính khối lƣợng chân vịt
- Khối lƣợng chân vịt có thể xác định chính xác bằng cách tính riêng khối lƣợng lõi và khối lƣợng cánh. Trong tính toán có thể xác định một cách nhanh chóng bằng công thức thực nghiệm.
- Để tính khối lƣợng cả chân vịt, dùng công thức Kopeetski:
[ ( 7 ) ] ( )
Trong đó:
+ = 8920 kg/m3: khối lƣợng riêng của đồng thau + Z = 4 : số cánh của chân vịt
+ D = 0.6 m: đƣờng kính chân vịt
+ b0.6= 0.278 m: chiều rộng cánh tại r = 0.6R
+ e0.6= 0.015 m: chiều dày lớn nhát của cánh tại r = 0.6R + dh= 0.1002 m: đƣờng kính củ chân vịt
+ lh= 0.12 m: chiều dài củ chân vịt
7 [ ( 7 ) ] ( ) b. Momen quán tính
Momen quán tính của chân vịt đƣợc tính theo công thức thực nghiệm, ta có công thức sau:
Trong đó: ̅̅̅̅̅̅ 7 7 7 7 + g = 9.81 m/s2 + AC/A0 = 0.7 + = 8920 Kg/m3 + D = 0.6 m: đƣờng kính chân vịt + C1= 1.025 : hệ số ảnh hƣởng của lõi + C2= 1 : hệ số ảnh hƣởng của prôfil + C3= 1 : hệ số ảnh hƣởng dạng cánh + C4= 0.15(e0+ ed)/e0-0.089 = 0.072 Trong đó: e0= 0.049D = 29.4 mm ed= 0.0035D = 2.1 mm 3.2.2.3. Xây dựng bảng vẽ chân vịt a. Kích thƣớc hình học của chân vịt: - Đường kính củ chân vịt. dh= 0.167D = 100.2 mm chọn 100 mm
- Đường kính đầu củ chân vịt.
d1= (0.18 –0.204)D.
Chọn d1= 0.19*D = 114 mm
- Đường kính phía nhỏ.
- Chiều dài củ
lh = (0.3 –0.27)*D
Chọn lh= 0.275*D = 165 mm
- Chiều dài mũ đầu củ.
l2 dh= 100 mm - Độ côn trong. 1:15 –1:10 Chọn 1:10 - Bán kính lượn cánh với củ. - Phía nhỏ: R = 0.03D = 18 mm - Phía lớn: R = 0.035D = 21 mm - Chiều dày mút cánh. ed = (0.0035 –0.004)D Chọn ed= 0.0035D = 2.1 mm chọn ed=2 mm
- Chiều dày giả định ở đường trục.
e0 = 0.049D = 29.4 mm
- Độ nghiêng cánh.
Độ nghiêng cánh đối với tàu 1 chân vịtnằm trong khoảng 60–100
Chọn độ nghiêng cánh của chân vịt thiết kế là 100
b. Đặc trƣng hình học của cánh chân vịt. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tọa độ đƣờng bao cánh và prôfil các mặt cắt cánh tính theo tiêu chuẩn của bể thử Wageningen. Kết quả đƣợc trình bày theo bảng dƣới đây
Bảng 3.14: Bảng đƣờng bao cánh chân vịt r/R b b1/b b1 b2/b b2 tmax/D tmax 0.2 1.662 174.5 0.617 107.673 0.35 61.079 0.0406 24.36 0.3 1.882 197.6 0.613 121.135 0.35 69.164 0.0359 21.54 0.4 2.05 215.3 0.601 129.365 0.35 75.338 0.0312 18.72 0.5 2.152 226 0.586 132.413 0.355 80.216 0.0265 15.9 0.6 2.187 229.6 0.561 128.825 0.389 89.328 0.0218 13.08 0.7 2.144 225.1 0.524 117.963 0.442 99.503 0.0171 10.26 0.8 1.97 206.9 0.463 95.7716 0.478 98.874 0.0124 7.44 0.9 1.582 166.1 0.351 58.3046 0.5 83.055 0.0077 4.62 1 - - - - 0.003 Chú thích: - b1: là khoảng cách từ trục đến mép dẫn
- b2: là khoảng cách từ chiều dày max đến mép dẫn - b: là khoảng cách từ mép dẫn đến mép thoát
Hình 3.6: Xác định các giá trị b1, b2, b
𝑏 𝑍 𝐷 𝜃
c. Tính chọn then. - Chiều rộng then: bt= (0.25 –0.3)db Chọn bt= 0.25.db = 30 mm Trong đó: √ Ne= 772 PS: công suất máy
n = 655.3v/p: số vòng quay chân vịt D = 0.6 m: đƣờng kính chân vịt
- Chiều cao then: ht= (0.5 –0.6)bt
Chọn ht= 0.5br= 15 mm - Chiều dài then:
lt= 0.9(lh–7) = 142 mm
Trong đó: lh= 165 mm: chiều dài củ
3.2.3. Thiết kế hệ trục
3.2.3.1. Công dụng của hệ trục tàu và yêu cầu khi thiết kế hệ trục tàu.
- Hệ trục là thiết bị dùng để nối động cơ chính trực tiếp hoặc gián tiếp qua bộ truyền với thiết bị đẩy. Hệ trục dùng để truyền công suất và mô men quay từ động cơ chính đến thiết bị đẩy và nhận lực đẩy từ chân vịt đến kết cấu thân tàu.
- Hệ trục tàu làm việc trong môi trƣờng rất phức tạp, chịu sự ăn mòn và tải trọng thay đổi,… nên yêu cầu khi thiết kế hệ trục phải đảm bảo : độ tin cậy, đủ bền, chế tạo đơn giản và dễ kiểm tra, lắp ráp, sữa chữa.
3.2.3.2. Phƣơng án bố trí hệ trục.
- Chiều dài của hệ trục phụ thuộc vào việc bố trí buồng máy và đƣợc tính từ mút của chân vịt đến mặt bích của hộp số máy chính.
- Ta chọn hệ trục tàu chỉ có một trục với chiều dài 5,5 m. Trục chân vịt đƣợc nối với trục ra của hộp số máy chính bằng khớp nối bích, thông qua trục đẩy.
Vật liệu chế tạo trục là thép không gỉ Austenit loại 316 có:
( )
( ) 7 ( )
- Kết cấu ống bao trục chân vịt gồm hai phần: phần thân ống bao và hai bích ống bao. Hai bích này đƣợc nối vào hai đầu thân ống bao bằng mối ghép ren và cũng là nơi đặt hai bạc lót trục chân vịt.
- Bạc lót trục trung gian tại giá đỡ trục trung gian và bạc lót chân vịt tại ống bao trục làm bằng hợp kim babit bôi trơn bằng dầu, bạc lót ở giá treo gối đỡ bằng gỗ gaiac (hay còn gọi là gỗ bacot) đƣợc bôi trơn bằng nƣớc biển.
Hình 3.7: Phương án bố trí hệ trục
3.2.3.3. Xác định kích thƣớc hệ trục.
a. Bố trí đƣờng tâm trục
Hệ trục có đƣờng tâm nghiêng 5 độ với mặt phẳng cơ bản
b. Các kích thƣớc chính của hệ trục
- Theo qui phạm phân cấp và đóng tàu cá biển cỡ nhỏ thì đƣờng kính trục chân vịt đƣợc xác định theo công thức:
√ (mm) Trong đó: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
H _ Công suất liên tục lớn nhất của động cơ. (kW)
H = ηhs.ηtr.ηmt.Ne = 0,97 . 0,98 . 0,98 . 772 = 719,2 kW ~ 977,84 HP Tốc độ quay chân vịt : ncv = 2300 / 3,51 = 655,3 vòng/phút
K = 104 (đối với thép không gỉ Austenit loại 316)
c. Xác định các kích thƣớc khác
- Khe hở nhỏ nhất giữa chân vịt với kết cấu thân tàu : + a = 0,1. D = 0,1. 600 = 60 mm
+ b = 0,15.D = 0,15 . 600 = 90 mm + c = 0,1.D = 0,1. 600 = 60 mm + d = 0,04. D = 0,04 . 600 = 24 mm
- Xác định l0: Chiều dài đoạn côngxôn tính từ trọng tâm gối đỡ phía lái ngoài cùng đến mút nắp xuyên dòng hay mặt đầu ren đuôi.
mm Trong đó:
+ dcv _ Đƣờng kính trục chân vịt, dcv = 110 (mm). + D _ Đƣờng kính chân vịt, D = 600 (mm).
+ e_ Khoảng cách từ chân vịt đến gối đỡ phía lái, e = (200 ÷ 250), mm. Chọn e = 200 (mm).
+ L2 = 440 Chiều dài gối đỡ phía lái, mm.
= 595 (mm)
- Xác định lp: Khoảng cách từ trọng tâm chân vịt đến trọng tâm gối đỡ trục chân vịt phía lái ngoài cùng.
mm
= 465 (mm)
- Xác định l2: Ta có khoảng cách tốt nhất từ tâm gối đỡ phía mũi đến mút trục chân vịt (phía mũi).
l2 = 0,2.Lcv , mm
=> l2 = 0,2.4488 = 897,6 (mm). - Độ côn trục tại vị trí lắp chân vịt: 1:10
3.2.3.4. Phƣơng án bôi trơn, kết cấu.
a. Phƣơng pháp bôi trơn
Bôi trơn bằng dầu đối với các bạc lót bằng babit; đối với bạc lót bằng gỗ gaiac ở giá treo và cao su thì đƣợc bôi trơn bằng nƣớc.
b. Phƣơng án kết cấu
- Trục : do trục đƣợc làm từ thép không rỉ nên không cần có áo trục
- Bạc trục chân vịt : làm bằng cao su và bôi trơn bằng nƣớc.
+ Cao su chịu ma sát trong môi trƣờng nƣớc biển tốt, ít gây hao mòn cho trục nhờ đặt tính đàn hồi.
+ Có tính đàn hồi tốt, khi làm việc trong nƣớc biển có nhiều bùn cát ít bị mài mòn, tuổi thọ tƣơng đối cao.
+ Làm việc ổn định, không gây ồn, trục quay có thể tự động điều chỉnh vị trí và có khả năng chịu đƣợc dao động ngang.
+ Cao su làm việc tốt với đồng thanh khi dùng nƣớc bôi trơn. Hệ số ma sát không quan hệ với phụ tải.
+ Giá thành thấp. - Làm kín - Ống trục chân vịt: Đƣợc làm bằng thép đúc Theo [ ] - c = 0,6.( +12,7) = 0,6.( +12,7) = 13,12 mm. Chọn c = 15mm - a = (1,5 ÷ 1,8 )c = (1,5 ÷ 1,8 ).15 = 22,5 ÷ 27mm. Chọn a= 25 mm - b = (1,2 ÷ 1,5) c = (1,2 ÷ 1,5 ).23 = 18 ÷ 22,5 mm. Chọn b=20 mm
- Kích thƣớc bích nối: [ ] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đƣờng kính ngoài của mặt bích nối: D1 = 2.d = 2.110 = 220 mm
Đƣờng kính vòng chia bulông: D2 = (1,65 ÷ 1,75).d = (181,5 ÷ 192,5) mm. chọn D2 = 190 mm. Chiều dày mặt bích: [ ] b > 0,27dtg = 0,27.95 = 25,65 => chọn b = 30 mm Bán kính góc lƣợn ở chân mặt bích: R > 0,08 dcv = 0,08.110 = 8,8 => chọn R = 10
Đƣờng kính bulong tại khớp nối bích:
√ ( ) Trong đó: + db : đƣờng kính bulong + n: số bulong (n = 12) + D : đƣờng kính vòng chia, D = 190 + dtg : đƣờng kính trục trung gian
+ : ứng suất bền của vật liệu làm trục + : ứng suất bền của vật liệu làm bulong
√ ( ) = 11,87 (mm) Chọn theo tiêu chuẩn bulong M12
Hình 3.8: Sơ đồ bố trí hệ trục
3.2.3.5. Kiểm tra sức bền tĩnh hệ trục.
Trọng lƣợng chân vịt theo Mkasman:
( ) ( ) (kG) Trong đó:
+ D – đƣờng kính chân vịt, D = 0,611 m + θ- tỷ số mặt đĩa , θ = 0,7
+ γ cv – trọng lƣợng riêng của vật liệu chế tạo chân vịt, γcv = 8,6 (T/m3). + d0 – đƣờng kính trung bình củ chân vịt, d0 = 0,18.0,611 = 0,18.1 = 0,11(m). + dk – đƣờng kính trung bình lỗ khoét, dk = 0 (m).
+ l – chiều dài của chân vịt, l = 0,25.0,611 = 0,25.0,611 = 0,15(m).
( ) 7 ( ) (kG) Cƣờng độ phụ tải do trọng lƣợng bản thân trục: ( ) 7 7 (KG/m) Khối lƣợng trục chân vịt Ptrục = Vtrục.γ = 3,14.552.4602.7,85.10-6 = 343,14 (kG)
Độ bền của trục đƣợc kiểm tra nhờ việc tính ứng suất tƣơng đƣơng.
√ (kG/mm2)
Trong đó: σp _ Ứng suất pháp lớn nhất, kG/mm2. _ Ứng suất cắt do lực xoắn, kG/mm2. Ngoài ra: σp = σn + σu + σbs
σn _ Ứng suất nén do lực đẩy của chân vịt, kG/mm2. σu _ Ứng suất tính toán lớn nhất khi uốn, kG/mm2.
σbs _ Ứng suất bổ sung do lắp ráp không chính xác, kG/mm2. nhận σbs = 3
(kG/mm2 )
Trục chân vịt đƣợc kiểm tra cho phần giữa các gối đỡ trong ống bao trục và phần côngxôn gắn chân vịt.
Ta có sơ đồ kiểm tra sức bền tĩnh của hệ trục chân vịt nhƣ sau:
Hình 3.9: Sơ đồ kiểm tra sức bền tĩnh của hệ trục
Ngƣời ta coi trọng lƣợng chân vịt Pcv tác dụng lên trục chân vịt nhƣ một lực tập trung đặt ở tâm phần côngxôn.
- Ứng suất xoắn: = .10 6 (kG/mm2) .10 6 = 4,09 (kG/mm2)
Vì trục chân vịt có phần côngxôn và có tải trọng tập trung trên đó nên mặt cắt nguy hiểm do uốn là tại gối đỡ phía lái, do đó ứng suất uốn lớn nhất.
(kG/mm2)
Trong đó: M0 _ Mômen uốn, kGmm.
Wu _ Mômen chống uốn tại mặt cắt tính toán của trục chân vịt, mm3. = 7 mm3
Theo Mkasman thì trọng lƣợng của chân vịt Gcv đƣợc xác định theo công thức sau: Gcv = 104,1 (KG) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(kG/mm) Cƣờng độ phụ tải do trọng lƣợng bản thân trục. Với: = 7,85.10-6 (kG/mm3)_trọng lƣợng đơn vị thể tích của vật liệu trục.
7 7 (kG/mm) => M0 =104,1. 520 + 0,5 . 0,075 . 650 2 = 69975,75 (kG.mm) => = 0,5 (kG/mm2) - Ứng suất nén: (kG/mm2)
Với: P _ Lực đẩy chân vịt, P = 4171,1 (kG).
= 0,44 (kG/mm2) Ứng suất pháp lớn nhất:
p = σu + σn +σ bs = 0,5 + 0,44 + 3 = 3,94 (kG/mm2). Ứng suất tƣơng đƣơng:
√ = √ (kG/mm2)
Điều kiện bền dự trữ so với giới hạn chảy của vật liệu chế tạo trục chân vịt:
Với: σc = 30 (kG/mm2) _ Giới hạn chảy của vật liệu trục. nb _ Hệ số dự trữ bền, thƣờng lấy nb = (2,8 ÷ 5,8)
(kG/mm2)
So sánh với ứng suất tƣơng đƣơng đã tính: σtd = 8,1 (kG/mm2) < 10 (kG/mm2) Vậy trục chân vịt đủ bền (dƣ bền).
3.2.3.6. Xác định phản lực trên các gối đỡ. Tính áp lực riêng cho phép trên các gối đỡ.
- Thực tế sử dụng hệ trục cho thấy rằng phụ tải do trọng lƣợng bản thân trục và các phần tử khác gắn trên trục phân bố không đều, gối đỡ trục chân vịt chịu tác dụng của phụ tải lớn nhất do có phần côngxôn.
- Muốn tính áp lực riêng trên các gối đỡ, trƣớc hết cần tính phản lực trên các gối đỡ. Để giải bài toán này ngƣời ta coi hệ trục nhƣ một dầm liên tục đƣợc đặt trên các gối đỡ, một đầu là đoạn côngxôn (đoạn lắp chân vịt) và đầu kia có liên kết ngàm.
- Để giải bài toán này ta dùng phần mềm RDM6 để có đƣợc kết quả nhanh và chính xác. Phần mềm RDM6 còn cho kết quả của chuyển vị, momen, ứng suất. Các thông số đầu vào :
Chia trục ra làm 5 điểm nút 1,2,3,4,5. Khoảng cách giữa các nút theo các giá trị nhƣ sau:
l1 = 0 l2 = 897
l3 = 2450 l4 = 4215 l5 = 4602
Trọng lƣợng chân vịt Gcv = 104,1 kG = 1041 N Đƣờng kính trục chân vịt: D = 110 mm
Vật liệu chế tạo trục là thép không gỉ, khối lƣợng riêng 7,85 tấn/m3 Cƣờng độ tải trọng do trọng lƣợng của trục q1 = 7,46.10-4 (kN/mm) Cƣờng độ tải trọng phụ của trục: q2 = 0,713 . 10-5 (kN/mm)
Cƣờng độ tải trọng của trục: q = q1 + q2 = 7,53.10-4 (kN/mm)
Nhập các thông số vào phần mềm và chạy chƣơng trình RDM6 cho ta các kết quả nhƣ sau:
| Nodes [ mm ] | +---+ Node 1 : X = 0.000 Node 2 : X = 897.000 Node 3 : X = 2450.000 Node 4 : X = 4215.000 Node 5 : X = 4602.000 +---+ | Internal forces [ kN kN.mm N/m2 ] | +---+
TY = Shear Force MfZ = Bending Moment SXX = Normal stress Node TY MfZ SXX 1 -0.19 -7.81 -5.980E+04 2 0.48 -135.84 -1.039E+06 2 -0.60 -135.84 -1.039E+06 3 0.57 -108.39 -8.295E+05 3 -0.47 -108.39 -8.295E+05 4 0.86 -458.87 -3.512E+06 4 -1.33 -458.87 -3.512E+06 5 -1.04 0.00 6.525E-10
Maximum bending moment = 105.10 kN.mm at 1696.795 mm Minimum bending moment = -458.87 kN.mm at 4215.000 mm Maximum normal stress = 3.512E+06 N/m2 at 4215.000 mm Minimum normal stress = -3.512E+06 N/m2 at 4215.000 mm +---+ | Support reaction(s) [ kN kN.mm ] | +---+ Node 1 RY = 0.19 MZ = 7.81 Node 2 RY = 1.08 Node 3 RY = 1.03 Node 4 RY = 2.19
Kiểm tra áp lực riêng trung bình trên gối đỡ kG/cm2
Trong đó: S _ Diện tích qui ƣớc của gối đỡ; S = dcv .L , cm2. L _ Chiều dài bạc lót gối đỡ, cm.
dcv _ Đƣờng kính trục chân vịt, cm. Vật liệu chế tạo bạc là gỗ S = (0,9 ÷ 0,95).dcv.L.
+ Yêu cầu áp lực riêng phải thỏa mãn điều kiện: p [p]. [p] _ Áp lực riêng cho phép trên gối đỡ, kG/cm2. Đối với bạc bằng gỗ thì [p] = (2,5 ÷ 3,6), kG/cm2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
.
Đối với bạc bằng babit : [p] = 5÷15 MPa. = 50 150 kG/cm2 - Tại gối đỡ phía lái:
S4 = 0,95.dcv.L2 = 0,95.11.35,4 = 369,93 (cm2).
=> = 0,006 (kG/cm2) [p] = (2,5 ÷ 3,6) - Tại gối đỡ 2 tính từ lái:
S3 = dcv.L1 = 11.44 = 484 (cm2).