bài tập lớn môn thiết bị và hệ thống tàu thủy thiết kế bánh lái tàu bách hóa trọng tải 4700t chạy tuyến đông nam á

btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :1
Bài tập lớn
Môn : thiết bị và hệ thống tàu thủy
o0o
Đè bài : Các thông số chính của tàu
Thiết kế bánh lái tàu bách hoá trọng tảI 4700t chạy tuyến Đông Nam á.Cho
kích thớc chủ yếu của tàu nh sau:
* Vận tốc tàu v
S
= 16 hl/h
* Chiều dàI tàu L = 45 m
* Chiều rộng tàu B = 10 m
* Chiều cao mạn H = 3,2 m
* Chiều chìm thiết kế T = 2,4 m
* Các hệ số béo
# Hệ số béo thể tích

= 0,82
# Hệ số béo sờn giữa

= 0,995
# Hệ số béo đờng nớc

= 0,88
Phần I :Tính toán sức cản và đờng kính chong chóng
Ta xét các đặc trng của tàu
*
1,4
4,2
10

==
T
B
*
567
1,17
97
==
B
L
* = 0,69
Vậy ta áp dụng phơng pháp Papmiel để tính sức cản tàu
Công suất kéo của tàu đợc xác định bằng công thức
EPS =
0
3
C
v
L
D
S
Trong đó
* D = LBT = 1,025.0,69.97.17,1.6,9 = 80944 ,tấn là trọng lợng tàu
* L = 97,0 ,m là chiều dài tàu
* C
0
là hệ số tính theo công thức
C
0
=

11
11


x
C
Trong đó
*
1
=

L
B
10
= 10
21,169,0.
0,97
1,17
=
là hệ số đặc trng về hình dáng thân tàu
*
1
= 1 vì L > 100 m
* x
1
= 1 là hệ số kể đến ảnh hởng của phần nhô thân tàu phụ thuộc vào số đ-
ờng trục

Sinh viên :
Lớp : ĐT

A-50-ĐHT1
1
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :2
* C
1
là hệ số phụ thuộc vào
1
và tốc độ tơng đối v
1
=
L
v
s
1

= 1,3v
s
Hệ số này đợc cho trong đồ thị
Thay số vào ta đợc công thức tính công suất kéo của tàu
EPS =
0
3
120
C
v
S
với C
0
= 0,905C

1
Các giá trị công suất và lực cản đợc tính theo bảng
Vận tốc
giả thiết
v
S
(hl/h)
Vận tốc
tơng đối
v
1
=0,098v
s
Hệ số C
1
(tra đồ thị)
Hệ số
C
0
=0,905C
1
Công suất
kéo EPS (Cv)
Lực cản
R (kG)
8 0.784 104 94.120 652.78 6119.85
10 0.980 101 91.405 1312.84 9846.29
12 1.176 94 85.070 2437.52 15234.51
13,5 1.274 91.5 82.808 3357.77 19367.90
14 1.372 90.5 81.903 4207.39 22537.80

16 1.568 87.5 79.188 6207.04 29095.50
Ta vẽ đợc đồ thị công suất kéo và lực cản
Đờng kính chong chóng

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
2
S
E
P
S

=

f
(
v

)
S
R

=

f
(
v

)

8 9 10 11 12 13 14 15 16
v (hl/h)
S
10000
14000
18000
22000
26000
30000
34000
R (kG)
1600
2400
3200
4000
4800
5600
6400
EPS (Cv)
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :3
Đờng kính chong chóng đợc xác định dựa vào tích số tối u giữa đờng kính
và vòng quay chong chóng

4
8,11 TnD
m
=
trong đó T =
t

R
1
Sơ bộ cho t = 0,21 là hệ số lực hút
T =
21,01
19368

= 24516 kG = 24516.9,8.10
-3
= 240 kN
Để tàu chạy với vận tốc 13 hl/h thì EPS = 3358 Cv = 3358.0,7355 = 2470 kW
Sơ bộ cho
D

S
= 0,55
Công suất máy
P
S
=
SD
EPS

=
55,0
2470
= 4491 kW
Từ công suất máy ta chọn vòng quay hợp lý của chong chóng là
n
m

= 160 vòng/phút
Thay số vào ta có đờng kính sơ bộ của chong chóng
D =
m
n
T
4
8,11
=
160
2258,11
4
= 3,6 m
Từ đờng kính chong chóng ta vẽ đợc sơ đồ khung giá lái
Phần ll .Lựa chọn dạng bánh lái
Ta lựa chọn dạng bánh lái cân bằng,đơn giản
* Bánh lái có dạng hình chữ nhật
* Profin bánh lái là profin NACA 0012
Phần lll .Các đặc trng hình học của bánh lái
1.Diện tích bánh lái
1.1.Theo công thức thống kê
Diện tích bánh lái đợc tính bằng công thức
F
P
= àLT ,m
2
trong đó
à = 0,018 ữ 0,027 là hệ số diện tích bánh lái cho tàu đi biển 1 bánh lái
L = 97 ,m là chiều dài giữa 2 trụ của tàu
T = 6,9 ,m là chiều chìm trung bình của tàu ở trạng thái toàn tải

Thay số vào ta có
F
P
= 17,2 ữ 25,9 ,m
2
Ta chọn diện tích bánh lái F
P
= 19,44 ,m
2
1.2.Kiểm tra theo điều kiện diện tích tối thiểu
Diện tích của bánh lái phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau
F
Pmin
=
)
75
150
75,0(
100 +
+
L
LT
pq
,m
2
trong đó
p = 1 vì bánh lái đặt trực tiếp sau chân vịt

Sinh viên :
Lớp : ĐT

A-50-ĐHT1
3
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :4
q = 1 đối với tàu hàng
L,T lần lợt là chiều dài và chiều chìm tàu
Thay số vào ta có
F
Pmin
=
8,10)
7597
150
75.0(
100
7.97
=
+
+
,m
2
Vậy diện tích bánh lái đã chọn F
P
= 22 m
2
thoả mãn không nhỏ hơn diện tích
tối thiểu F
Pmin
= 10,8 m
2

2.Kích thớc bánh lái
Các kích thớc đặc trng cho bánh lái hình chữ nhật gồm có chiều cao và
chiều rộng bánh lái
Dựa vào điều kiện bố trí trong khung giá lái mà ta chọn
# Chiều cao bánh lái h
P
= 5,4 ,m
# Chiều rộng bánh lái b
P
=
P
P
h
F
= 3,6 ,m
3.Độ dang bánh lái
Độ dang của bánh lái tính bằng công thức
=
P
P
b
h
=
6,3
4,5
= 1,5
4.Chiều dày lớn nhất của profin bánh lái
Với prôfin NACA 0012 thì chiều dày tơng đối

12,0=t

t
max
=
t
b
P
= 0,12.3,6 = 0,423 ,m
Vị trí chiều dày lớn nhất

x
= 0,3
Hoành độ chiều dày lớn nhất
x =
x
b
P
= 0,3.3,6 = 1,08 ,m
5.Vị trí đặt trục tối u
Vị trí đặt trục tối u đợc tính bằng công thức
a = a
opt
=
2
maxmin pp
xx +
Giá trị của x
pmin
và x
pmax
đợc tính theo bảng sau

p
(độ) C
x
C
y
C
m
C
n
=C
x
sin
p
+C
y
cos
p
C
d
=C
m
/C
n
x
p
=C
d
b
p

(m)
5 0.02 0.2 0.05 0.20 0.25
0.90
10 0.04 0.4 0.1 0.40 0.25
0.90
15 0.09 0.6 0.16 0.60 0.27
0.96
20 0.16 0.85 0.23 0.85 0.27
0.97
27 0.34 1.2 0.35 1.22 0.29
1.03
Để tìm x
Pmax
và x
Pmin
ta vẽ đồ thị x
P
= x
P
(
P
)

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
4
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :5
Dựa vào đồ thị ta có

x
Pmax
= 1,03 m tại
P
= 27 độ
x
Pmin
= 0,89 m tại
P
= 7,9 độ
Vị trí đặt trục tối u
a = a
opt
=
2
89,003,1 +
= 0,96 ,m
6.Hệ số cân đối của bánh lái
Hệ số cân đối của bánh lái đợc tính theo công thức
R =
P
P
F
F'

trong đó
F
P
= 0,96.5,4 = 5,184 m
2

là diện tích phần đối của bánh lái
F
P
= 19,44 m
2
là diện tích của toàn bộ bánh lái
R =
44,19
184,5
= 0,27 > 0,25
Vậy vị trí đặt trục tối u là
a = 0,25.3,6
a = 0,9 m
7.Xây dựng tuyến hình prôfin lý thuyết
Toạ độ thực của prôfin tính theo công thức

100
bx
x =

100
.
max
ty
y

=
Tra bảng 1-9 tr 24 sổ tay thiết bị tàu thuỷ ta lập bảng toạ độ prôfin

Sinh viên :

Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
5
0,89
0,9
5 107,9
x (m)
1,03
1,0
P

15 20 27 (độ)
0,9
P
1,0
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :6
x
(%)
y
(%)
x(mm) y(mm)
x
(%)
y
(%)
x(mm) y(mm)
0 0 0.00 0.00 17.5 46.3 630.00 195.85
0.25 7.2 9.00 30.46 20 47.78 720.00 202.11
0.5 10.28 18.00 43.48 25 49.5 900.00 209.39

0.75 12.45 27.00 52.66
30 50 1080.00 211.50
1 14.1 36.00 59.64 40 48.35 1440.00 204.52
1.25 15.8 45.00 66.83 50 44 1800.00 186.12
1.75 18.55 63.00 78.47 60 38.03 2160.00 160.87
2.5 21.8 90.00 92.21 70 30.5 2520.00 129.02
3.25 24.55 117.00 103.85 80 21.85 2880.00 92.43
5 29.6 180.00 125.21 85 17.08 3060.00 72.25
7.5 34.99 270.00 148.01 90 12.06 3240.00 51.01
10 39 360.00 164.97 95 6.7 3420.00 28.34
15 44.55 540.00 188.45 100 1.05 3600.00 4.44
Phần lV.Lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái
1.Tàu chạy tiến
Vận tốc dòng nớc chảy đến bánh lái
v
ep
= 0,515v
S
(1-
r
) ,m/s
Trong đó
v
S
= 13,5 ,hl/h là là vận tốc khai thác của tàu

r
là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái

r

= 0,8
0
với
0
là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đĩa chong
chóng
Theo Papmiel,với tàu biển ta có

0
=



B
x
D
V
x
3
165,0
trong đó
x = 1 là số chong chóng
= 0,7 là hệ số béo thể tích của tàu
V = LBT = 0,69.97.17,1.6,9 = 79646 ,m
3
là thể tích chiếm nớc của tàu
D
B
= 3,6 ,m là đờng kính chong chóng
là phần kể đến sự tạo sóng

Vì Fr = 0,19 < 0,2 nên = 0
Thay số vào ta có

0
= 0.165
20,0
6,3
79646
1
69,0
3
=

r
= 0,8.0,20 = 0,16
là hệ số hiệu chỉnh có kể đến ảnh hởng của dòng nớc do chong chóng
đẩy ra đập vào bánh lái
đợc tính bằng công thức

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
6
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :7
=
)1(
''
1 +
B

P
P
k
F
F
trong đó
F
P
= 3,6.3,6 = 12,96 ,m
2
là diện tích của bánh lái bị phủ bởi dòng nớc do
chong chóng đẩy ra
k
B
là hệ số kể đến sự gia tăng thêm của lực dạt do bánh lái đặt trực tiếp
trong dòng nớc của chong chóng
k
B
phụ thuộc vào
B
/2 và đợc tra đồ thị với
B
là hệ số tải của chong chóng

B
=
42
1
2
2

B
A
D
v
T



trong đó
T =
t
T
E
1
là lực đẩy của chong chóng
T
E
= R/x = 19368 kG là lực đẩy có ích của chong chóng
t là hệ số lực hút đợc tính bằng công thức
t = K
0
trong đó K = 0,5 ~ 0,7 cho tàu có bánh lái dạng thoát nớc
Chọn t = 0,7
t = 0,7.0,20 = 0,14
T =
24210
20,01
19368
=

kG = 237258 N
v
A
là tốc độ dòng nớc chảy đến chong chóng đợc tính bằng công thức
v
A
= 0,515v
S
(1-
0
)
= 0,515.13,5(1-0,20) = 5.56 ,m/s
= 1025 kg/m
3
là khối lợng riêng của nớc biển
Thay số vào ta có

B
=
47,1.
.14.3 1025.
8
1
237258
6.356.5
22
=

B
/2 = 0,74

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
7
3600
5
4
0
0
F''
P
D
B

=

3
6
0
0
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :8
Tra đồ thị ta có
k
B
= 2,3
là hệ số kể đến ảnh hởng toàn phần của tốc độ kích thích chiều trục đến
bánh lái và đợc xác định bởi công thức
=

2
12
2
2








+

+
B
kk

với k là hệ phụ thuộc vào tỉ số khoảng cách từ đĩa thiết bị đẩy đến mép trớc
của bánh lái chia cho đờng kính chong chóng
k =








B

D
z
f
Tra đồ thị với
6,3
5,1
=
B
D
z
= 0,42 ta có
k = 1,65
=








+

+
.47,112
65,12
2
65,1
= 1,2

= 1,2

Thay số vào ta có
= 1+
8,2)176,1.3,2(
44,19
96,12
=




= 2,8

Vận tốc dòng chảy đến chong chóng
v
ep
= 0,515.13.5(1-0,16).2,8 = 7,00,m/s
v
ep
= 7,00 ,m/s
Lực và mômen thuỷ động tác dụng lên bánh lái đợc thể hiện dới dạng
bảng sau
STT Đại lợng tính toán
Đơn
vị
Góc bẻ lái

P
(độ)
5 10 15 20 27
1 C
x
- 0.02 0.04 0.09 0.16 0.34
2 C
y
- 0.2 0.4 0.6 0.85 1.2
3 C
m
- 0.05 0.1 0.16 0.23 0.35
4 C
n
=C
x
sin
p
+C
y
cos
p
- 0.201 0.401 0.603 0.853 1.224
5 x
P
= (C
m
/C
n
)b

P
0.896 0.898 0.955 0.970 1.030
6 l = x
P
-a m -0.004 -0.002 0.055 0.070 0.130
7 P
n
= 1/2C
n
v
ep
2F
P
kG
14177.9 28278.5 42526.8 60205.8 86313.9
8 M

' = P
n
l kGm -62.3 -55.2 2358.7 4224.4 11201.7
9 M

= k
0
M

' kGm
-81.1 -71.7 3066.3 5491.7 14562.2
2.Tàu chạy lùi
Tốc độ tàu chạy lùi

v
l
= 0,75v
S
= 0,75.13,5 = 10 hl/h

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
8
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :9
Tốc độ dòng chảy đến bánh lái
v
epl
= 0,515v
l

l
,m/s
trong đó
l
= 1,05 ~ 1,1
Chọn
l
= 1,1 ta có
V
epl
= 0,515.10.1,1 = 5,66 ,m/s
v

epl
= 5,66 ,m/s
Quá trình tính toán làm theo bảng
STT Đại lợng tính toán
Đơn
vị
Góc bẻ lái
P
(độ)
5 10 15 20 23
1 C
x
- 0.02 0.06 0.13 0.24 0.3
2 C
y
- 0.16 0.35 0.48 0.65 0.55
3 C
m
- 0.04 0.06 0.11 0.21 0.19
4 C
n
=C
x
sin
p
+C
y
cos
p
- 0.161 0.355 0.497 0.693 0.623

5 x
P
= (C
m
/C
n
)b
P
m 0.894 0.608 0.796 1.091 1.097
6 l = x
P
-a m -0.006 -0.292 -0.104 0.191 0.197
7 P
n
= 1/2C
n
v
epl
2
F
P
kG
4996.34 11010.74 15419.65 21484.49 19332.96
8 M

' = P
n
l kGm -31.65 -3212.09 -1598.79 4105.47 3809.33
9 M

= k
0
M

' kGm
-41.15 -4175.72 -2078.43 5337.12 4952.13
Từ kết quả ta vẽ đồ thị lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái
So sánh 2 trờng hợp tàu chạy tiến và chạy lùi ta có kết luận
# P
nmax
= 86314 kG tại
P
= 27 độ
# M

max
= 14562 kGm tại
P
= 27 độ
Phần V: Kết cấu của bánh lái
1.Vật liệu chế tạo bánh lái
* Chọn vật liệu chế tạo là thép CT 3C có

ch
= 2400 kG/cm
2
* Vật liệu chế tạo trục là phôi rèn bằng thép hợp kim thấp nhóm 8 theo ĐKLX
có

ch

= 686 Mpa = 7000 kG/cm
2
2.Xơng gia cờng
Khoảng cách giữa các xơng gia cờng tính theo công thức
a
0
= 0,2
4,0
100
+






L
với L = 97,0 m là chiều dài tàu
a
0
=
4,0
100
0,97
2,0 +

= 0,594 m
Vì khoảng sờn vùng đuôi là 600 mm nên ta chọn khoảng cách giữa các x-
ơng gia cờng ngang là
a
n
= 0,6 m

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
9
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :10
Chọn khoảng cách giữa các xơng gia cờng đứng bằng khoảng cách giữa
các xơng gia cờng ngang
a
d
= 0,6 m
Chiều dày các xơng gia cờng đợc lấy theo chiều dày tôn bao(=0,8t
0
)
Vì a = 900 mm > t
max
= 423 mm nên ta phải có 2 xơng gia cờng đứng thay
thế cho trụ lái.Khoảng cách giữa chúng là 400 mm
Bố trí các xơng gia cờng nh hình vẽ
3.Chiều dày tôn bao
Chiều dày tôn bao bánh lái phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức

0
=
][
2
1

C
P
S
a
F
P
Tk








+
+1,5 ,mm
trong đó
k
S
là hệ số phụ thuộc vào tỉ số b
C
/a
C

= 1,167 và nội suy theo bảng
k
S
= 0,59
T là áp suất thuỷ tĩnh,về trị số bằng chiều chìm lớn nhất của tàu
T = 7.9,8/10,02 = 6,8 ,N/cm
2
a
C
= 60 cm là khoảng cách giữa các xơng gia cờng lấy trị số bé hơn
[] là ứng suất cho phép của vật liệu.Lấy hệ số an toàn bằng 2 ta có
[] = 2400.9,8/2 = 11760 N/cm
2
P
n
= 845877 N là áp lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái
F
P
= 194400 cm
2
là diện tích bánh lái
Thay số vào ta có

0
= 0,59
7,25,1
11760194400
845877
8,6
60

2
=+






+
mm

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
10
400
600
3600
5
4
0
0
700 600600
6
0
0
6
0
0
6

0
0
6
0
0
6
0
0
6
0
0
6
0
0
700
900
6
0
0
6
0
0
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :11
Trị số nhỏ nhất của tôn bao bánh lái tính theo công thức

0min
= 40ac.
2,11
240100

37100
.7,0.40
240
37
=
+
+
=
+
+
l
l
mm
Chọn chiều dày tôn bao


0
= 14 mm
Chiều dày tôn mặt trên và tôn mặt d ới
Đợc lấy không nhỏ hơn 1,2
0
= 1,2.14 = 16,8 mm
Chọn chiều dày tôn mặt trên và dới


t
=

d
= 18 mm

Trên tấm tôn mặt trên và mặt dới có khoét lỗ để thử áp lực,sau đó đợc làm
kín bằng vít đồng có đờng kính 50 mm,phía ngoài đợc hàn tấm ốp có đờng
kính 100 mm
Chiều dày tôn bao vùng thay thế cho trục lái
Không nhỏ hơn 1,2
0
= 16,8 mm
Chọn chiều dày tôn bao vùng thay thế


0
= 18 mm
Chiều rộng tôn bao vùng thay thế S không nhỏ hơn 1/6h
max
với h
max
= 6,5 m
là khoảng cách lớn nhất giữa 2 gối kề nhau của trục lái
Chọn S = 1,4 m
Chiều dày x ơng gia c ờng
Không nhỏ hơn 0,8
0
và không lớn hơn 1,2
0
Chọn chiều dày xơng gia cờng


x
= 15 mm
Chiều dày xơng gia cờng thay thế cho trục lái bằng (1,8~2)

0
= 25 ~ 28 mm
Chọn chiều dày xơng gia cờng thay thế cho trục lái


tt
= 28 mm
4.Lập là
* Chiều dày xơng lập là

= 15 mm
* Chiều rông lập là b = 100 mm
5.Kiểm tra bền trục lái
Bánh lái đợc coi là đủ bền nếu mômen chống uốn của xơng đúng thay thế
cho trục lái và mép kèm của nó lớn hơn mômen chống uốn cho phép
W [W] =
][


M
trong đó M

là mômen uốn nhịp đợc tính ở phần sau
[] =
ch
/3 = 800 kG/cm
2

Chiều rộng mép kèm
b

mk
= h/6 = 5400/6 = 900 mm
Việc tính mômen chống uốn thực hiện theo bảng
STT
Quy cách
(cm)
Diện tích
F
i
(cm
2
)
Z
i
(cm)
F
i
Z
i
2
(cm
4
)
i
0
(cm
4
)

Sinh viên :

Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
11
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :12
1 1,8x90 162 -30,2 147750,48 43,74
2 2x2,8x42,4 237,44 0 0 35571,7
3 1,8x90 162 30,2 147750,48 43,74
561,44
331160,12
Mô men quán tính
I = 331160,12 cm
4
Mômen chống uốn
W = I/Z
max
= 331160,12/23 = 14398 cm
3
Mômen chống uốn cho phép
[W] = M
tt
/[] = 113437.10
2
/800 = 14179 cm
3
Vậy bánh lái đủ bền.
6.Khối lợng & toạ độ trọng tâm bánh lái
Ta tính đợc toạ độ trọng tâm của profin bánh lái,cách mép trớc bánh lái
một khoảng là 155 cm
Diện tích prôfin bánh lái

S = 10333 cm
2
Việc tính toán trọng tâm của bánh lái đợc thực hiện theo bảng
(mốc tính trọng tâm là mép trớc của bánh lái)
STT Tên chi tiết
Kích thớc
Số lợng(cm)
Thể tích
V
i
(cm
3
)
X
i
(cm) V
i
X
i
(cm
4
)
1 Tôn bao 733x540x1,4 554148 155 85892940
2 Vách đứng 1 41,8x540x2,8 63201.6 70 4424112
3 Vách đứng 2 41,8x540x2,8 63201.6 110 6952176
4 Vách đứng 3 36x540x1,5
x0,9
26244 170 4461480
5 Vách đứng 4 26,2x540x1,5 19099.8 230 4392954
6 Vách đứng 5 13,7x540x1,5 9987.3 290 2896317

7 Vách ngang 10333x1,5x8 111596.4 155 17297442
8 Tôn đáy 10333x1,8x2 37198.8 155 5765814
9 Lập là 84480 155 13094400
S
969157.5 145177635
Chú ý: Hệ số 0,9 là hệ số kể đến việc chiếm diện tích của lỗ khoét trên vách
ngang và vách đứng
Từ bảng trên ta có khoảng cách từ trọng tâm bánh lái đến mép trớc

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
12
x
900
4
2
4
3
z
2
1
28
1
8
1
8
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :13
x

G
=


i
ii
V
xV
=
5,969157
145177635
= 150 cm
Khoảng cách từ trọng tâm bánh lái tới trục lái
r = x
G
-90 = 60 cm
r = 60 cm
Khối lợng bánh lái
G = V
i
= 7850.0,9692
G = 7608 kG
Phần VI : Kết cấu trục lái
Tải trọng tác dụng lên trục lái gồm có
# áp lực thuỷ động P
n
của nớc tác dụng vuông góc gây uốn trục
# Mômen thuỷ động M

gây xoắn trục

# Lực tác dụng lên đầu sectơ lái
P
C
= M
C
/R
C
với R
C
là bán kính sectơ lái
# Trọng lợng bánh lái G
m
và trọng lợng bản thân của trục lái
1.Tính toán lần gần đúng thứ nhất
Ta giả thiết P
C
= 0 và ta áp dụng nguyên lý độc lập tác dụng
1.1.Trục lái dới tác dụng của P
n
và M

Ta coi bánh lái và trục lái nh 1 dầm tựa trên các đế cứng.Phản lực tại các
đế là R
i
.Độ cứng của bánh lái là EI
1
,của trục là EI
2
.Ta giả thiết là
EI

1
= 2EI
2
Khi đó dầm là siêu tĩnh bậc nhất
Viết phơng trình góc xoay cho gối 1

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
13
M'' = -496 kGm
1
R''
a = 3 m L = 6,5 m
11
b = 3,5 m
1
L = 0,65 m
3
L = 1,9 m
2
M

M' = 81705 kGm
L LL
M = 139430 kGm

1
ba
1

1
0
G
M
1
2 3
R''
1
R''
2
R'
0 n
P R'
1
R'
2
M = 4565 kGm
G
Tác dụng của P
n
Tác dụng của M
G
1
M'
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :14

++
1
1
1
11
2
21
1
11
1
63
'
3
'
b
a
EI
baP
EI
LM
EI
LM
n
=0
suy ra M

1
=
21
11
1
1
2
1
2 LL
ba
b
a
P
n
+








+
=
9,1.25,6
5,3.3
5,3
3
1

2
86314
+






+
= 81705 (kGm)
Mômen nhịp:
M

=
1
11
L
baP
n
=
5,6
5,3.3.86314
= 139430 (kGm)
Mômen tính toán
M
tt
=
1
1

1
1
11
'M
L
a
L
baP
n

= 101720 (kGm)
Đờng kính trục tại gối 1:
D
1

[ ]
3
22
1
1.0
'


MM +
(cm)
Với
[ ]

= 0.4
T

= 0,4.7000 = 2800 (kG/cm
2
)
D
1

3
22
2800.1,0
14562008170500 +
= 30,9 (cm)
Đờng kính trục tại gối 2:
D
2

[ ]
3
1.0


M
= 17,3 (cm)
Phản lực tại các gối:
R
0
=
1
1
1

1
'
L
M
L
bP
n

=
5,6
81705
5,6
5,3.86314

= 33907 (kG)
R
1
=
( )
1
1
21
211
'
L
aP
LL
LLM
n
+

+
=
( )
5,6
3.86314
9,1.5,6
9,15,681705
+
+
= 95410 (kG)
R
2
= -
2
1
'
L
M
= -
9,1
81705
= -43003 (kG)
Đờng kính tại gối 0
D
0
10
4400
0
+
ch

R

=
44007000
33907
10
+
= 17,2 (cm)
D
0
2,76
[ ]

0
R
= 9,6 (cm)
Chọn D
0
= 24 (cm)
D
1
= 34 (cm)
D
2
= 30 (cm)
1.2.Trục lái chịu tác dụng của trọng lợng bánh lái G
m
M
G
= G

m
.r = 4565 kGm
với G
m
= 7608 kG
r = 0,6 m

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
14
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :15
Ta có phơng trình góc xoay:










2
1
2
1
1
1

3
1
6
L
a
EI
LM
G
= -
2
21
1
11
3
''
3
''
EI
LM
EI
LM

M
1
=-
21
1
2
2
1

1
2
31
2
1
LL
L
a
LM
G
+










M
1
= -496 (kGm)
Mômen tính toán :
M
tt
=
1
11

1
1
''
L
aM
L
bM
G

= 2687 (kGm)
Phản lực tại các gối :
R
0
=
1
1
1
''
L
M
L
M
G

= 778 (kG)
R
1
= -
2
1

1
1
1
''''
L
M
L
M
L
M
G
++
= -1040 (kG)
R
2
= -
2
1
''
L
M
= 261 (kG)
Khi đó trị số phản lực tổng cộng của các gối ở lần gần đúng thứ nhất là:
R
i
=
22
'''
ii
RR +

Vậy thay số ta có:
R
0
=
22
77833907 +
= 33916 (kG)
R
1
=
22
104095410 +
= 95416 (kG)
R
2
=
22
26143003 +
= 43004 (kG)
Trị số mômen ma sát tại các gối trong lần gần đúng thứ nhất :
M
msi
=
i
i
i
R
D
f
2

4

(kGm)
Vậy thay số ta có:
M
ms0
=
33916
2
24,0
1,0
4

= 518 (kGm)
M
ms1
=
95416
2
34,0
1,0
4

= 2065 (kGm)
M
ms2
=
43003
2
3,0

15,0
4

= 1232 (kGm)
Mômen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục lái ở lần gần đúng thứ nhất là:
M
tp
= M

+

=
`2
0i
msi
M
= 14562+(518+2056+1232) = 18377 (kGm) = 180,1 (kNm)
Chọn máy lái điện thuỷ lực có xylanh lắc,mômen xoắn đa ra đầu sectơ lái
thoả mãn: M
c
M
tp

Với Mc là mômen xoắn đầu ra của máy lái


Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
15

btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :16
Chọn máy lái điện thuỷ lực của Liên Xô có:
M
c
= 200 (kNm)
Lực tác dụng lên đầu secto lái :
P
c
=
c
c
R
M
=
45,0
200
= 444 (kN)
P
C
= 45351 kG
trong đó R
C
= 0,45 m là bán kính cần lái
2.Tính toán lần gần đúng thứ 2
2.1.Trục lái dới tác dụng của M

,P
n
và P

C
Phơng trình góc xoay viết cho gối 1:
-
2
22
2
21
1
11
1
1
1
11
6
'
3
'
3
'
1
6 EI
LM
EI
LM
EI
LM
L
a
EI
baP

n
=+








+
M
1
=
21
22
1
1
11
2
'1
2
1
LL
LM
L
a
baP
n
+

+

với M
2
= P
c
.L
3
= 45351.0,65 = 29478 (kGm)
Vậy M

1
= 56318 (kGm)
Mômen tính toán :
M
tt
= P
n
1
1
1

1
11
'
L
a
M
L
ba

= 113437 (kGm)
Vậy ta có biểu đồ mômen uốn nh hình vẽ
Phản lực tại các gối :
R
0
=
1
1
1
1
'
L
M
L
bP
n

= 37812 (kG)

Sinh viên :
Lớp : ĐT

A-50-ĐHT1
16
R''
a = 3 m L = 6,5 m
11
b = 3,5 m
1
L = 0,65 m
3
L = 1,9 m
2
M

L LL

1
ba
1
1
0
G
M
1
2 3
R''
1
R''
2
R'
0 n

P R'
1
R'
2
G
Tác dụng của P ,P
n
Tác dụng của M
G
1
M'
C
P
C
2
M = 139430 kGm
M' = 56318 kGm
M' = 29478 kGm
1
M'' = -496 kGmM = 4565 kGm
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :17
R
1
=
+
+
1
11
'

L
MaP
n
2
21
''
L
MM
= 62628 (kG)
R
2
= P
c
-
2
21
''
L
MM
= 31225 (kG)
Đờng kính trục trong lần tính thứ hai:
D
i

[ ]


4,0
22
MM

ui
+
(cm)
D
1

3
2
1
2
1120

MM
u
+
= 17 (cm)
D
2

3
2
2
2
1120

MM
u
+
= 14 (cm)
D

0
10
28007000
'
0
+
R
= 20 (cm)
D
0
2,76
[ ]

0
'R
= 10,1 (cm)
Từ các giá trị trên ta chọn :
D
0
= 24 (cm)
D
1
= 34 (cm)
D
2
= 30 (cm)
D
3
= 28 (cm)
2.2.Trục lái dới tác dụng của M

G
Ta tính tơng tự nh lần gần đúng thứ nhất
Tính phản lực tổng cộng :
R
0
=
22
77837812 +
= 37820 (kG)
R
1
=
22
104062628 +
= 62637 (kG)
R
2
=
22
26131225 +
= 31226 (kG)
Xác định mômen ma sát tại các gối :
M
msi
=
i
i
R
D
f

2
4

M
ms0
=
37820
2
24,0
1,0
4

= 578 (kGm)
M
ms1
=
62637
2
34,0
1,0
4

= 1356 (kGm)
M
ms2
=
31226
2
3,0
15,0

4

= 894 (kGm)
Mômen xoắn toàn phần :
M
tp
= M

+

=
n
i
msi
M
1
M
tp
= 14562+(578+1356+894) = 17390 (kGm)
M
tp
= 170 kNm

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
17
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :18
Vậy máy lái đã chọn ở lần gần đúng thứ nhất là thoả mãn.Ta không cần

chọn lại máy lái
3.Kiểm tra bền trục lái
Ta nên kiểm tra bền trục lái tại 3 tiết diện nguy hiểm
# Tiết diện 1-1 là tiết diện mà gót ki lái liên kết với trục lái
# Tiết diện 2-2 là tiết diện ổ trên trục lái
# Tiết diện 3-3 là là nới lắp vành chặn 2 nửa để đỡ toàn bộ trọng lợng của
bánh lái và trục lái
# Tại tiết diện 1-1 có mômen uốn tổng cộng :


M
1-1
=
2
1
2
1
''' MM +
trong đó :
M
1
là mômen uốn tại tiết diện 1-1 do P
n
và P
c
gây ra
M
1
= R
0

.L
1
= 0,2.37812 = 7562,4 (kGm)
M
1
là mômen uốn tại tiết diện 1-1 do trọng lợng bánh lái Gm gây ra
M
1
= R
0
.L
1
= 0,2.778 = 155,6 (kGm)
Suy ra
M
1-1
= 7564 (kGm)
# Tại tiết diện 2-2 có mômen uốn
M
2-2
= P
c
.L
3
= 45351.0,65 = 29478 (kGm)
# Tại tiết diện 3-3 có mômen uốn
M
3-3
= P
c

.L
3
= 45351.0,4 = 18140 (kGm)
Quá trình tính toán đợc thực hiện dới bảng sau:
STT Đại lợng tính Đơn vị
Kết quả
1 1 2 2 3 3
1 Đờng kính trục cm 24 30 28
2 Môđun chống uốn W
ui
cm
3
1382.4 2700 2195.2
3 Môđun chống xoắn W
xi
cm
3
2764.8 5400 4390.4
4 Mômen uốn M
ui
kGcm 756400 2947800 1814000
5
ứng suất uốn
ui
kG/cm
2
547.164 1091.7778 826.3484
6
ứng suất xoắn
i

kG/cm
2
526.693 269.66667 331.67821
7
ứng suất tổng
i
kG/cm
2
759.47 1124.5883 890.42805
8 Độ dự trữ bền n=
ch
/
i
> 2,5 9.21696 6.2245002 7.8613876

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
18
l = 6,5 m
l' = 0,2 m
1
1
1
1
l' = 0,4 m
l = 0,65 ml = 1,9 m
2
3
3

3
2
2
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :19
Phần VII : Mối nối
1.Trục lái và bánh lái
Chọn dạng mối nối là mặt bích hình chữ nhật nằm ngang có kích thớc nh
hình vẽ
1.1.Đờng kính bu lông
Phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau
d
B

Cch
u
rn
MM
)4400(
54,5
22
+
+


,cm
trong đó
M

= 1456200 kGcm là mômen xoắn thuỷ động

M
u
là mômen uốn tại vị trí đặt bích
Để thiên về an toàn ta lấy M
u
bằng mômen uốn tại gối 1
M
u
=
1
2
1
2
''' MM +
=
22
49656318 +
= 56320 kGm = 5632000 kGcm
n = 6 là số bulông
r
C
= 396 cm là khoảng cách trung bình của các tâm bulông đến tâm mặt
bích

ch
= 3000 kG/cm
2
là giới hạn chảy của vật liệu làm bulông
Thay số vào ta có
d

B

396)44003000(6
14562005632000
54,5
22
+
+
= 3,2 cm
Chọn đờng kính bulông
d
B
= 100 mm
1.2.Kích thớc mặt bích
Kích thớc mặt bích chọn nh hình vẽ
Chiều dày mặt bích không nhỏ hơn đờng kính bulông nối
Chọn chiều dày mặt bích
S = 100 mm
Bán kính lợn của cạnh mặt bích
R = 80 mm
1.3.Kiểm tra bền mối nối
Bulông trong mối nối gồm có 4 bulông thô và 2 bulông tinh
Bulông đợc chia thành 2 nhóm

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
19
3
5

0
3
5
0
700
9
5
0
460
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :20
* Nhóm bulông cách xa tâm là bulông ghép không khe hở
* Nhóm bulông gần tâm là bulông ghép có khe hở
a)Bulông d ới tác dụng của M

Lực siết trên mỗi bulông phải tạo ra đợc ma sát nhằm chống lại mômen
xoắn thuỷ động
Gọi phản lực tại các nhóm bulông là T
1
và T
2
.Chúng phải thoả mãn hệ ph-
ơng trình
4T
1
b
1
+2T
2
b

2
= M

T
1
/b
1
= T
2
/b
2
Thay số vào ta có
T
1
= 6434 kG
T
2
= 5362 kG
Ta xét bulông ghép có khe hở
Lực xiết cần thiết của bulông
N
2
=
f
kT
2
Trong đó
k = 2 là hệ số an toàn
f = 0,2 là hệ số ma sát
Thay số vào ta có

N
2
= 53620 kG
ứng suất kéo do N
2
gây ra (có kể đến ứng suất do xoắn)

k
= 1,3
4
2
2
B
d
N

= 1096 kG/cm
2
Độ dự trữ bền của bulông
k =
ch
/
k
= 3000/1096 = 2,74
Với nhóm bulông ghép không có khe hở thì ta kiểm tra bền theo điều kiện
bền cắt và bền dập
ứng suất cắt
=
4
2

1
B
d
T

= 81,9 kG/cm
2

Ta phải có

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
20

M
T
1
T
2
b
1
b
2
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :21
= 81,9 < [] = 0,6[
k
] = 1200.0,6 = 720 kG/cm
2

Vậy bulông thoả mãn điều kiện bền cắt
ứng suất dập trên thân bulông

d
=
B
hd
T
1
trong đó
h = 10 cm là chiều dày của mặt bích
Thay số vào ta có

d
= 6434/100 = 64,34 kG/cm
2
Ta có

d
= 64,34 < 0,4
ch
= 0,4.3000 = 1200 kG/cm
2
Vậy bulông thoả mãn điều kiện bền dập
b)Bulông d ới tác dụng của P
n
Dới tác dụng của P
n
thì mặt cắt ngang tại mối ghép bị uốn.Ta phải xác định
lực xiết N để mối ghép không bị tách hở

Khi cha có P
n
thì mối ghép đã chịu dập với ứng suất

d
=
F
nN
Trong đó
n = 6 là số bulông
N là lực xiết cần thiết
F = 6104 cm
2
là diện tích bề mặt ghép
Khi coi mặt bích là khá cứng thì biến dạng uốn theo mặt bích đợc xem là đ-
ờng thẳng có trị số lớn nhất

u
=
u
u
W
M
trong đó
W
u
= 105292 cm
3
là môđun chống uốn của mặt bích bỏ qua lỗ khoét
M

u
= 5631800 kGcm là mômen uốn do P
n
gây ra tại gối 1
ứng suất tổng

u
u
ud
W
M
F
nN
==

max
min
Điều kiện để mối ghép không bị tách hở là

0
min
>=
u
u
W
M
F
nN

hay N >

u
u
nW
FM
Để thiên về an toàn ta thêm hệ số an toàn k = 1,3
N >
u
u
nW
FM
k
=
105292.6
5631800.6104
3,1
N > 70739
ứng suất kéo dới tác dụng của lực xiết

K
= 70739/63,6 = 1112 kG/cm
2
< [] = 1200 kG/cm
2
Kết luận : Các bulông trong mối ghép đủ bền

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
21
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ

Trang :22
2.Trục lái với vỏ tàu
2.1.ổ đỡ gót ki lái
Đờng kính của chốt không kể lớp bọc
d
ch
= 3
[ ]

max
p
(cm)
trong đó
p
max
là phản lực lớn nhất trên chốt do uốn
p
max
= 37820 kG

[ ]

= 0,25
ch

= 0,25.3000 = 750 (kG/cm
2
)
Vậy d
ch

= 21,3 cm
Chọn
d
ch
= 24 cm
Chiều dài đoạn hình trụ của chốt không nhỏ hơn đờng kính chốt nhng cũng
không lớn hơn 1,3 đờng kính chốt để thuận tiện cho công nghệ
Chọn chiều dài đoạn hình trụ là
l = 30 cm
Chiều dài đoạn côn của chốt chọn
l
C
= 29 cm
Đờng kính nhỏ nhất của chốt:
k =
=

=
c
k
cch
d
l
dd
7
1
20 cm
Đờng kính đoạn ren của chốt không nhỏ hơn 0,8d
c
= 16 cm

Chọn đờng kính ren
d
g
= 18 cm
Đai ốc bắt chốt là M180
Chiều dày ống lót chốt lấy bằng 5% đờng kính chốt và bằng 12 mm,vật liệu
làm ống lót chốt là thép không gỉ
Chiều cao lỗ bản lề
d
ch
< l
bl
< 1,3d
ch
chọn l
bl
= 28 cm
Chọn vật liệu lót ổ là đồng thanh có chiều dày là 20 mm
Khe hở giữa hai ống lót = (0,5~1)%d
ch
.Chọn = 2 mm
Chiều dày moayơ chốt = 1/2d
ch
= 12 cm
Kiểm tra áp lực riêng của chốt
p =
chch
hd
p
.

max

[ ]
p
Trong đó P
max
= 37820 kG là phản lực tại ổ
d
ch
= 24 cm
h
ch
= 30 cm
Thay số vào ta có
p = 52,5 kG/cm
2
= 515 N/cm
2

Với vật liệu thép CT3C thì
[ ]
p
= 685 (N/cm
2
)
Vậy chốt đủ bền

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1

22
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :23
2.2.ổ đỡ ở sống đuôi
ổ là ổ đỡ trợt
Chiều cao bạc tính theo công thức
h = (1~1,2)d = 34 ~ 40,8 cm
trong đó d = 34 cm là đờng kính trục
Chọn chiều cao bạc
h = 40 cm
Chiều dày bạc tính bằng công thức
= (5~10)%d = 17 ~ 34 mm
Chọn chiều dày bạc


= 25 mm
Kiểm tra bạc theo điều kiện bền dập

d
=
hd
R
=
34.40
46640
= 34,32 kG/cm
2
= 3,36 Mpa < [P] = 4,9 MPa
Ta làm kín nớc bằng 5 vòng tết bằng sợi vải tẩm cao su
Cạnh vòng

b = 2
d
= 36,8 mm
Chon b = 35 mm
Chiều cao vòng
h = 0,9b = 30 mm
2.3.ổ đỡ chặn
Vì ổ phải chịu lực dọc trục nên ta chọn ổ đỡ chặn theo bảng 1-30 (sttbtt)
chọn ổ có số hiệu : 8156



Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
23