Thiết kế tàu hút bùn - Chương 5

CHƯƠNG 5:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHAO
5.1. NHIỆM VỤ, YÊU CẦU ĐỐI VỚI VIỆC CHẾ TẠO PHAO:
- Phao là một bộ phận quan trọng đối với tàu hút bùn, nó là “nền tảng” là
“mặt bằng” để bố trí tất cả các thiết bò khác: cụm bơm, cụm phay… của tàu hút bùn.
- Phao được chế tạo phải thõa mãn các yêu cầu sau:
+ Đảm bảo tính nổi, tính ổn đònh trong các tính huống bất lợi nhất của
thiết bò.
+ Đảm bảo độ bền.
+ Đảm bảo kết cấu nhỏ gọn, dễ tháo lắp, tạo điều kiện dễ dàng khi
vận chuyển từ xưởng tới nơi làm việc hay từ nơi làm việc này tới nơi làm việc
khác.
5.2. ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC PHAO:
Ta chọn kết cấu phao gồm 1 phao chính và 2 phao phụ:
+ Phao chính có chiều dài 1,8m; chiều rộng 2m.
+ Phao phụ: ta nhận thấy tiết diện phao hình tròn sẽ chòu lực tốt hơn là
tiết diện phao hình chữ nhật, tuy nhiên tiết diện hình chữ nhật đơn giản trong việc
chế tạo nhưng ở luận văn này em nhận thấy rằng toàn bộ thiết bò đều đặt trên phao
chính còn 2 phao phụ chỉ có tác dụng trong việc đảm bảo tính nổi, tính ổn đònh của
phao. Nếu phao chính cần có tiết diện hình chữ nhật để dễ chế tạo và nhất là tạo
nên bề mặt bằng phẳng nhằm bố trí, lắp đặt thiết bò thì ở 2 phao phụ em chọn tiết
diện hình tròn. Tuy nhiên nếu dùng thép tấm để cuộn lại thành hình tròn sẽ đưa
đến chi phí nguyên vật liệu, công sức khá cao nên em dùng các thùng phi ghép lại
để tạo nên 2 phao phụ tròn. Với giá cả hiện nay thì việc dùng thùng phi ghép lại
tạo 2 phao phụ sẽ rẽ hơn rất nhiều so với việc dùng thép tấm để tạo nên phao có
tiết điện hình chữ nhật hay tròn.
66
5.2.1. Thùng phi có kích thước và khối lượng như sau:
Hình 5.1 – Kích thước thùng phi.
- Khối lượng 1 thùng phi:
kgG 25=

- Bề dày tấm tôn làm thùng phi:
mm7,1
=
δ
5.2.2. Kích thước phao được chọn như sau:
- Phao chính hình chữ nhật.
- Phao phụ do 3 thùng phi ghép lại tạo thành.
Hình 5.2 – Kích thước phao.
5.3. TÍNH TOÁN SỰ NỔI VÀ ỔN ĐỊNH CỦA PHAO:
5.3.1. Các đònh nghóa cơ bản:
- Mớn nước: là giao tuyến giữa mặt nước và phao.
- Mặt nổi: là mặt phẳng có chu vi là đường mớn nước.
67
- Trục nổi z-z: là trục thẳng góc mặt nổi và đi qua trọng tâm phao.
- Trục nghiêng ngang y-y: là trục dọc phao đi qua trọng tâm phao.
- Trục nghiêng dọc x-x: là trục ngang đi qua trọng tâm phao.
Hình 5.3
5.3.2. Tính ổn đònh của phao:
Tính ổn đònh của phao là khả năng phao quay về vò trí ban đầu khi lực tác
dụng (ngoại lực) làm cho phao bò nghiêng không còn nữa.
- Tính ổn đònh của phao khi bò nghiêng ngang (quanh trục y-y) một góc
θ

gọi là tính ổn đònh ngang.
- Tính ổn đònh của phao khi bò chúi dọc (quanh trục x-x) một góc
ϕ
gọi là
tính ổn đònh dọc.
Rõ ràng khi thay đổi vò trí của thiết bò so với vò trí cân bằng ban đầu làm nảy
sinh 2 momen có xu hướng chống đối nhau.

Momen ổn đònh hình dáng
1
M
có khuynh hướng đưa thiết bò về vò trí cân
bằng ban đầu, có thể tính như sau:
Khi phao nghiêng (hay chúi) thì có một khối nước hình nêm thoát ra và có
một khối nước hình nêm khác thay vào (phần gạch chéo hình 5.5)
Lực đẩy nguyên tố của cột nước nhỏ cách trục phao 1 đoạn x:
θγθγγ
....... xdFtgxdFdv
==
(5.1)
(vì
θ
nhỏ nên
θθ
≈
tg
)
68
Lực đẩy nguyên tố này gây nên momen nguyên tố đối với tâm quay O một
lượng:
θγγ
.....
2
1
dFxxdvdM
==
(5.2)

IdFxdFxM
FF
........
00
22
1
θγθγθγ
===⇒
∫∫
(5.3)
Với
∫
=
0
.
2
F
dFxI
: momen quán tính của mặt nổi đối với trục y-y.
- Momen
2
M
:
θθ
..sin..
2
aGaGM
==
(5.4)
(vì

θ
nhỏ nên
θθ
≈
sin
)
Trong đó:
G: trọng lượng thiết bò,
VG .
γ
=
(V là thể tích phần nước do phao chiếm chỗ)
a: khoảng cách giữa hai điểm đặt lực
G
và
D
θγ
...
2
aVM
=⇒
Gọi M là momen ngoại lực tác dụng làm phao bò lệch một góc
θ
. Điều kiện
cân bằng là:
θγθγ
.....
21
aVIMMM
−=−=

(5.5)






−
=
−
=⇒
I
aV
I
M
aVI
M
.
1.
...
γ
γγ
θ
(5.6)
Khi ở trạng thái cân bằng thì trọng tâm G của thiết bò và tâm đẩy D (điểm
đặt của lực đẩy Acsimet tác dụng lên phao) cùng nằm trên trục nổi z-z. Khi có tác
dụng của ngoại lực làm cho thiết bò bò nghiêng (hay bò chúi) thì tâm đẩy D sẽ dời
sang vò trí D’ và cắt trục nổi tại M.
Hình 5.4
69

Hình 5.5
Hay:
αγ
θ
..I
M
=
Với
I
aV.
1−=
α
Độ chìm phao cách trục phao y-y một đoạn x là:
αγ
θγ
..
.
.
I
xM
x
M
==
(5.7)
Ta nhận thấy rằng: đối với việc tính toán ổn đònh ngang (nghiêng quanh trục
y-y) ta cho phao cân bằng ở trạng thái không làm việc bằng cách bố trí các cụm
thiết bò đối xứng qua đường tâm y-y, sau đó khi làm việc do có sự di chuyển vò trí
của 2 công nhân sẽ gây nên momen ngoại lực làm cho phao bò nghiêng một góc
θ
.

Ta tính toán kiểm tra góc
θ
và xem mức nước ngập phao hay không.
Đối với việc tính toán ổn đònh dọc thì ngược lại ta tính toán thêm đối trọng
để phao cân bằng ở vò trí làm việc, khi không làm việc do:

'
22
BB
yy >
(5.8)
Với:
B
y2
: lực tác dụng của dàn phay lên trục T khi phao không làm việc,
kGy
B
8,6232,473,288.22
=+=
.

'
2
B
y
: lực tác dụng của dàn phay lên trục T khi phao làm việc,
kGy
B
6,5763,288.22
'

==
.
70
Đồng thời lúc bấy giờ xảy ra trường hợp 2 công nhân rời vò trí làm việc đi về
phía sau nơi 2 cọc neo do đó cũng gây nên 1 momen ngoại lực ngược hướng với
momen do
)22(
'
BB
yy
−
gây nên.
Ta tính toán xem góc chúi
ϕ
có nhỏ hơn góc chúi cho phép
[ ]
ϕ
không? xem
mớn nước có ngập phao không?
Tóm lại: việc tính toán ổn đònh ngang và dọc theo 2 trạng thái:
- Tính toán ổn đònh dọc theo trạng thái không làm việc
- Tính toán ổn đònh ngang theo trạng thái làm việc.
a. Tính toán ổn đònh dọc theo trang thái không làm việc:
- Tính toán khối lượng tải trọng đặt sau phao để cân bằng phao ở trạng thái
làm việc:
+ Xác đònh trọng tâm của phao:
Ta giả thiết khối lượng phao phân bố đều trên chiều dài mỗi phao, do đó
trọng tâm mỗi phao nằm tại điểm giữa chiều dài mỗi phao như hình vẽ:
Hình 5.6
pp

G
: trọng lượng phao phụ, sơ bộ lấy
kGG
pp
165
=
pc
G
: trọng lượng phao chính, sơ bộ lấy
kGG
pc
400
=
p
G
: trọng lượng toàn bộ phao,
kGGGG
pcppp
730400165.2.2
=+=+=
Gọi y là khoảng cách từ trọng tâm của phao đến đường A-A, ta có:
71
m
G
GG
y
p
pppc
1,1
730

7,2.1659,0.400
2.
2
7,2
.
2
8,1
.
=
+
=
+
=
Vậy trọng tâm của phao nằm trên đường thẳng y-y và cách đường A-A một
đoạn là 1,1m
+ Xác đònh đối trọng cân bằng:
Các tải trọng tác động lên phao và khoảng cách từ điểm đặt các lực đến
trọng tâm phao (hay đến trục x-x).
Hình 5.7
Tải trọng dàn phay tác dụng lên phao:
kGy
B
6,5762
'
=
my
B
y
7,0
'

2
=
Tải trọng của phao:
kGG
p
730
=
0
=
p
G
y
Tải trọng của cụm bơm:
kGG
cb
158
=
my
cb
G
6,0
=
Tải trọng hai công nhân:
kGG
cn
120=
0
=
cn
G

y
Tải trọng hai cọc neo:
kGG
c
160=
72
my
c
G
1,1
=
Tải trọng hai cụm nâng cọc:
kGG
nc
50
=
my
nc
G
1,1
=
Đối trọng cân bằng
t
G
đ
đặt cách trọng tâm phao một đoạn
my 1,1
=
(đặt ở
sau cùng của phao).

Lập phương trình cân bằng momen đối với trục x-x, ta có:
∑
=
−
0
xx
M
0.......2
'
2
'
=+++++=⇒
pcncbđtncc
B
GpGcnGcbGtGncGc
y
B
yGyGyGyGyGyGyy
đ
đt
pcncbncc
B
G
GpGcnGcbGncGc
y
B
đt
y
yGyGyGyGyGyy
G

......2
'
2
'
−−−−−
=⇒

kG71
1,1
0.7300.1206,0.15831,1.501,1.1607,0.6,576
=
−−−−−
=
+ Tính toán sức nổi của phao:
Khối lượng toàn bộ thiết bò ở trạng thái không làm việc là:
cnncctBcbptb
GGGGyGGG
++++++=
đ
2

kG1913
12050160718,623158730
=
++++++=
Hình 5.7
Giả thiết lúc không làm việc và phao ở vò trí cân bằng thì đường mớn nước đi
qua tâm O của phao phụ, ta cần xác đònh xem
c
h

(chiều cao từ đáy phao chính đến
đường mớn nước) là bao nhiêu khi đảm bảo được sức nổi ở mức đó.
73
Diện tích vùng gạch chéo A (diện thích cắt ngang của phao phụ phần ngập
nước):
2
.
2
R
A
π
=
(5.9)
R
: bán kính thùng phi,
mR 29,0
2
58,0
==
2
2
132,0
2
29,0.14,3
mA ==⇒
Như vậy phần hai phao phụ chìm trong nước (hai vùng gạch chéo A) sẽ tạo
nên một sức nổi
ph
G
:

pph
LAG ...2
γ
=
(5.10)
Trong đó:
γ
: khối lượng riêng của nước,
33
/10 mkg=
γ
A
: diện tích vùng gạch chéo,
2
132,0 mA
=
p
L
: chiều dài phao phụ,
mL
p
7,2
=
kGG
ph
7137,2.132,0.10.2
3
==⇒
Vậy phần phao chính ngập trong nước phải tạo nên được một sức nổi là
ch

G

sao cho:
tbphch
GGG
=+
(5.12)
kGGGG
phtbch
12007131913
=−=−=⇒
Từ giá trò
ch
G
tính được, ta xác đònh chiều cao phao chính ngập trong nước
c
h
:
BL
G
h
c
ch
c
..
γ
=
(5.13)
Trong đó:
c

L
: chiều dài phao chính,
mL
c
8,1=
B: chiều rộng phao chính,
mB 2
=
mh
c
33,0
2.8,1.10
1200
3
==
74
Do ta cố tình bố trí các điểm cao nhất của phao phụ C, D nằm trên mặt phẳng
của phao chính (mặt trên của phao), do đó chiều cao phao chính :
mRhH
c
62,029,033,0 =+=+=
b. Tính toán ổn đònh dọc của phao:
Khi không làm việc, do
'
22
BB
yy >
nên gây ra một momen
1
M

quanh trục x-
x, đồng thời khi hai công nhân ra phía sau phao tạo nên một momen
2
M
quanh trục
x-x. Tổng hợp hai momen này tạo thành momen
d
M
làm cho phao chúi về phía sau
một góc
ϕ
được tính theo công thức:
αγ
ϕ
..
xx
d
I
M
−
=
(5.14)
Trong đó:
21
MMM
d
+=

( )
1,1.7,0.22

'
cnBB
Gyy
+−−=

( )
NmmkG 990.99
1,1.1207,0.8,5768,623
==
+−−=
xx
I
−
: momen quán tính của mặt nổi đối với trục chúi dọc x-x:
( ) ( )
BIAII
xxxxxx −−−
+= .2
(5.15)
A,B: là các diện tích gạch chéo trên hình 5.8.
Hình 5.8
75
( )
AI
xx−
: momen quán tính tại tiết diện A đối với trục x-x
( )
4
2
3

05,17,2.58,0.1,1
2
7,2
58,0.7,2.
12
1
mAI
xx
=






−+=
−
( )
BI
xx−
: momen quán tính tại tiết diện B đối với trục x-x:
( )
4
2
3
1,12.8,1.1,1
2
8,1
2.8,1.
12

1
mBI
xx
=






−+=
−

4
2,31,105,1.2 mI
xx
=+=⇒
−
xx
I
aV
−
−=
.
1
α
(5.16)
Với:
DG
zza −=

G
z
: tọa độ trọng tâm của thiết bò khi không làm việc theo trục z-z:
∑
∑
=
i
Pi
G
p
zP
z
i
.
(5.17)
Với:
i
P
: các tải trọng tác dụng lên thiết bò.
i
P
z
: khoảng cách từ mặt trên của phao đến các điểm đặt lực
i
P
theo
phương z-z.
Hình 5.9
Tải trọng dàn phay tác dụng lên phao:
kGy

B
8,6232
=
76