đánh giá dao động xoắn của hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự trường sa bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.44 MB, 127 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
LÊ VĂN DUYÊN
ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG XOẮN CỦA HỆ TRỤC
CHÂN VỊT TÀU VẬN TẢI QUÂN SỰ TRƯỜNG SA
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN.
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Khánh Hòa- 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
LÊ VĂN DUYÊN
ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG XOẮN CỦA HỆ TRỤC
CHÂN VỊT TÀU VẬN TẢI QUÂN SỰ TRƯỜNG SA
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN.
NGÀNH ĐÀO TẠO: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ : 60 52 01 16
LUẬN VĂN THẠC SĨ
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. PHẠM HÙNG THẮNG
Khánh Hòa- 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Lê Văn Duyên, học viên lớp Cao học Cơ Khí Động Lực 2012 xin
cam đoan:
Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là hợp lệ,
trung thực và chính xác, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp
luật Việt Nam.
Nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa
học của Thầy PGS. TS. Phạm Hùng Thắng.
Tác giả
Lê Văn Duyên
MỤC LỤC
Trang phụ bìa……………………………………………………………………….
Lời cam đoan……………………………………………………………………….
MỤC LỤC………………………………………………………………………….
DANH MỤC CÁC CHỮ VÀ KÍ HIỆU VIẾT TẮT……………………………….
DANH MỤC CÁC BẢNG…………………………………………………………
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ……………………………………….
MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÀU VẬN TẢI QUÂN SỰ TRƯỜNG SA…… 4
1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU VTQSTS……………………………………… 4
1.1.1. Đặc điểm nhiệm vụ, điều kiện làm việc, phạm vi hoạt động của tàu
VTQSTS 4
1.1.2. Tính năng đặc thù của tàu VTQSTS………………………………………4
1.2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ HỆ ĐỘNG LỰC CỦA TÀU VTQSTS…………… 5
1.2.1. Các thông số kỹ thuật của tàu VTQSTS 5
1.2.2. Các thông số cơ bản của động cơ chính 6L350PN………………………5
1.2.3. Các chi tiết chủ yếu của động cơ 6L350 PN…………………………….8
1.2.4. Đặc tính của động cơ chính 6L350PN 10
1.2.5. Kết cấu của hệ trục chân vịt tàu VTQSTS 11
1.3. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH, KỂT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ DAO ĐỘNG XOẮN
HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU THỦY 17
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới 17
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam 21
1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 22
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC
CHÂN VỊT TÀU THỦY………………………………………………… 24
2.1. PHÂN LOẠI DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC TÀU THỦY 24
2.1.1. Dao động dọc trục 24
2.1.2. Dao động ngang 24
2.1.3. Dao động xoắn 27
2.2. LÝ THUYẾT VỀ DAO ĐỘNG XOẮN CỦA HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU
THỦY 29
2.3. CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU
THỦY. ………………………… 30
2.4. MÔ HÌNH TÍNH DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU THỦY 32
2.5. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ DAO ĐỘNG VÀ QUY ĐỔI HỆ
THỐNG TƯƠNG ĐƯƠNG………………………………………………………… 34
2.5.1. Tính toán chiều dài tương đương…………………………………………34
2.5.2. Tính toán quy đổi mô men quán tính khối lượng…………………………36
2.5.3. Tính toán các mô men kích thích gây nên dao động tác động lên hệ trục 40
2.5.4. Xác định các hệ số cản xoắn ………………………… …………………51
2.6. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN DAO ĐỘNG TỰ DO………………… 57
2.6.1. Phương pháp giải bài toán dao động xoắn tự do có các khối lượng thu
gọn là hằng số…………………………………………………………………………57
2.6.2. Biểu đồ cộng hưỏng…………………………………………………….59
2.7. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC………… 60
2.7.1. Xác định biên độ và pha dao động…………………………………… 61
2.7.2. Xác định ứng suất khi cộng hưởng……………………………… 62
2.8. GIỚI THIỆU CHUNG PHẦN MỀM ANSYS………………………………… 63
CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU
VTQSTS…………………………………………………………………………… 65
3.1. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU
VTQSTS …………………………………………………………………………… 65
3.2. HỆ THỐNG TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA TOÀN BỘ HỆ ĐỘNG LỰC…………….66
3.3. THIẾT LẬP HỆ THỐNG TƯƠNG ĐƯƠNG………………………………… 67
3.3.1. Hệ thống tương đương của phần máy chính……………………………67
3.3.2. Hệ thống tương đương của hệ trục và chân vịt………………… 71
3.4. TÍNH TOÁN TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ DO……………………………………74
3.5. TÍNH TOÁN MÔ MEN KÍCH THÍCH……………………………… 75
3.5.1. Xây dựng đồ thị pha các cấp của mô men điều hòa…………………….75
3.5.2. Xác định mô men kích thích…………………………………………….78
3.5.3. Phân tích Fourier mô men kích thích………………………………… 82
3.5.4. Hệ số cản của cơ cấu khuỷu trục, thanh truyền và chân vịt ………… .92
3.5.5. Xác định biên độ cộng hưởng………………………………………… 92
3.5.6. Kiểm nghiệm ứng suất……………………………………………… 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………………….104
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………… 106
PHỤ LỤC 1: BẢNG TỐC ĐỘ CỘNG HƯỞNG TƯƠNG ỨNG VỚI 8 TẦN SỐ
RIÊNG CỦA DAO ĐỘNG TỰ DO VÀ 24 CẤP ĐIỀU HÒA …………………… 108
PHỤ LỤC 2: DẠNG DAO ĐỘNG RIÊNG HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU VTQSTS
(4 DẠNG ĐẦU TIÊN)……… …………………………………………………….109
PHỤ LỤC 3: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN CƯỠNG BỨC
CỦA HỆ TRỤC CHÂN VỊT MẠN TÀU VTQSTS……………………………… 110
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải Đơn vị
VTQSTS Vận tải quân sự Trường Sa
PTVP Phương trình vi phân
HTĐL Hệ động lực
ĐCT Điểm chết trên
ĐCD Điểm chết dưới
PTHH Phần tử hữu hạn
α Góc quay trục khuỷu Độ
β Góc lắc của thanh truyền Độ
λ Hệ số kết cấu
Ω Tốc độ góc trung bình của hệ trục rad/s
φ,θ Góc xoắn Độ
ω
i
Tần số dao động riêng rad/s
δ
i
Góc lệch pha công tác của xi lanh
τ
x
ứng suất do dao động xoắn gây ra MN/m
2
a
k
, b
k
Các hệ số Fourier
b
i
Hệ số cản tương đối Nms/rad
b
ri
Hệ số cản tuyệt đối Nms/rad
c Độ cứng chống xoắn Nm/rad
G Mô đun đàn hồi trượt của vật liệu N/m
2
J
OA
Mô men quán tính của trục khuỷu đối với đường tâm trục kg.m
2
J
p
Mô men quán tính độc cực của tiết diện ngang trục m
4
J
tt
Mô men quán tính của thanh truyền đối với trọng tâm kg.m
2
l Chiều dài thanh truyền m
R Bán kính tay quay trục khuỷu m
T Chu kỳ của mô men kích thích s
v
pt
Vận tốc chuyển động của Piston m/s
v
tt
Vận tốc chuyển động của trọng tâm thanh truyền m/s
W
x
Mô đun chống xoắn m
3
γ Trọng lượng riêng của vật liệu làm trục chân vịt Kg/cm
3
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Các thông số kỹ thuật của tàu VTQSTS………………………………… 5
Bảng 1.2. Các thông số của hệ trục chân vịt tàu VTQSTS………………………… 16
Bảng 3.1. Các thông số mô men quán tính khối lượng của động cơ 6L350PN……….69
Bảng 3.2. Các thông số độ cứng chống xoắn của động cơ 6L350PN.……… 70
Bảng 3.3. Các thông số hệ thống tương đương của động cơ chính ………………… 71
Bảng 3.4. Các thông số mô men quán tính khối lượng và độ cứng chống xoắn của hệ
động lực tàu VTQSTS………………………………………………… 74
Bảng 3.5. Các thông số tần số dao động riêng của hệ động lực tàu VTQSTS….…… 75
Bảng 3.6. Các tốc độ cộng hưởng của hệ động lực.………………………… 76
Bảng 3.7. Hệ số Fourier của các xi lanh thứ 1,5,3 tại tốc độ 230 v/ph……………… 84
Bảng 3.8. Hệ số Fourier của các xi lanh thứ 6,2,4 tại tốc độ 230 v/ph 85
Bảng 3.9. Hệ số Fourier của các xi lanh thứ 1,5,3 tại tốc độ 350 v/ph……………… . 86
Bảng 3.10. Hệ số Fourier của các xi lanh thứ 6,2,4 tại tốc độ 350 v/ph………… 87
Bảng 3.11. Hệ số Fourier của các xi lanh thứ 1,5,3 tại tốc độ 386 v/ph…………… …88
Bảng 3.12. Hệ số Fourier của các xi lanh thứ 6,2,4 tại tốc độ 386 v/ph………… 89
Bảng 3.13. Giá trị hệ số cản chân vịt và hệ số cản động cơ tại các chế độ tính toán.… 92
Bảng 3.14. Ứng suất xoắn của các khối lượng tại n = 230 v/ph, ……………………102
Bảng 3.15. Ứng suất xoắn của các khối lượng tại n = 350 v/ph, ……………………102
Bảng 3.16. Ứng suất xoắn của các khối lượng tại n = 386 v/ph, ……………………103
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tàu vận tải quân sự Trường Sa…………………………………………….4
Hình 1.2.Thanh truyền của động cơ.……………………………………………… 9
Hình 1.3. Các đường đặc tính ngoài của động cơ 6L350PN 10
Hình 1.4. Hệ thống động lực tàu VTQSTS 11
Hình 1.5. Sơ đồ bố trí hệ trục tàu VTQSTS…………………………………………12
Hình 1.6. Chân vịt tàu VTQSTS 13
Hình 1.7. Ống bao trục chân vịt tàu VTQSTS 14
Hình 1.8. Trục chân vịt tàu VTQSTS.………………………… 14
Hình 1.9. Trục trung gian I…………… 15
Hình 1.10. Trục trung gian II………………………………………………….15
Hình 1.11. Trục đẩy chân vịt………………………………………………… 15
Hình 1.12. Ổ đỡ trục trung gian 16
Hình 1.13. Kết cấu ổ đỡ trục đẩy chân vịt 17
Hình 1.14. Mô men quán tính thu gọn của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 18
Hình 2.1. Dao động ngang của một đoạn trục 25
Hình 2.2. Mô hình tính toán dao động ngang trục 26
Hình 2.3. Hiện tượng gãy trục do dao động xoắn gây ra 28
Hình 2.4. Mô hình thanh- khối lượng 31
Hình 2.5. Các dạng lược đồ của mô hình tính toán dao động xoắn hệ trục chân vịt tàu
thủy……………………………………………………………………………….31
Hình 2.6. Mô hình dao động xoắn của hệ thống tương đương ……….…………… 32
Hình 2.7. Trục có khớp nối bích…………………………………………………….35
Hình 2.8. Khuỷu trục…………………………………………………………… 36
Hình 2.9. Má khuỷu ……………………………………………………………….37
Hình 2.10. Phân tích lực cơ cấu Khuỷu trục thanh truyền………………………… 41
Hình 2.11. Thứ tự nổ của động cơ 4 kỳ 6 xilanh…………………………………… 42
Hình 2.12. Lực khí thể và lực quán tính trong động cơ 4 kỳ 1 xilanh……………… 45
Hình 2.13. Tổng hợp hai thành phần điều hòa … …………………………… … 48
Hình 2.14. Đồ thị pha của động cơ 4 kỳ 6 xilanh ……………………………………50
Hình 2.15. Quy dẫn cản của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền……………………… 52
Hình 2.16. Đường cong trễ của vật liệu…………………………………………… 56
Hình 2.17. Biểu đồ xác định chế độ cộng hưởng khi dao động xoắn…… 60
Hình 3.1. Mô hình hệ động lực tàu VTQSTS 66
Hình 3.2. Sơ đồ hệ thống tương đương của hệ động lực tàu VTQSTS 66
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống tương đương của động cơ 6L350PN 71
Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống tương đương của hệ trục và chân vịt.…………………… 73
Hình 3.5. Mô hình tính dao động tự do bằng phần mền ANSYS 10.0.……………….74
Hình 3.6. Các dạng dao động riêng 1, 2, 3, 4 điểm nút…………………… ……… 75
Hình 3.7. Biểu đồ cộng hưởng của hệ động lực tàu VTQSTS.…………………… 76
Hình 3.8. Đồ thị pha của các thành phần điều hòa động cơ 6L350PN……………… 77
Hình 3.9. Mô hình tính toán chu trình công tác động cơ bằng phần mềm GT-
POWER……………………………………… 79
Hình 3.10. Áp suất khí thể động cơ 6L350PN tại chế độ tốc độ 230 v/ph … 80
Hình 3.11. Áp suất khí thể động cơ 6L350PN tại chế độ tốc độ 350 v/ph………… 80
Hình 3.12. Áp suất khí thể động cơ 6L350PN tại chế độ tốc độ 386 v/ph………… 81
Hình 3.13. Đồ thị lực khí thể , lực quán tính, lực tổng hợp tại chế độ tốc độ 350 v/ph 77
Hình 3.14. Mô men xoắn của một xi lanh tại chế độ tốc độ 350 vg/ph.………………78
Hình 3.15. Đồ thị lực khí thể , lực quán tính, lực tổng hợp tại chế độ tốc độ 386 v/ph 78
Hình 3.16. Mô men xoắn của một xi lanh tại chế độ tốc độ 386 vg/ph.………………79
Hình 3.17. Phổ mô men kích thích tổng hợp xi lanh số 1 tại n=230 v/ph…………… 86
Hình 3.18. Phổ mô men kích thích tổng hợp của động cơ tại n=230v/ph…………… 86
Hình 3.19. Phổ mô men kích thích tổng hợp xi lanh số 1 tại n=350v/ph…… 86
Hình 3.20. Biên độ mô men kích thích tổng hợp của động cơ tại n=350v/ph……… 87
Hình 3.21. Phổ mô men kích thích tổng hợp xi lanh số 1 tại n=386v/ph…… 87
Hình 3.22. Biên độ mô men kích thích tổng hợp của động cơ tại n=386v/ph……… 87
Hình 3.23. Mô hình tính dao động cưỡng bức bằng ANSYS 10.0……………… .88
Hình 3.24. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 1 tại n=230 v/ph. ……………….89
Hình 3.25. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 2 tại n=230 v/ph 89
Hình 3.26. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 3 tại n=230 v/ph 90
Hình 3.27. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 4 tại n=230v/ph 90
Hình 3.28. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 5 tại n=230 v/ph 90
Hình 3.29. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 6 tại n=230 v/ph 91
Hình 3.30. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 7 tại n=230 v/ph 91
Hình 3.31. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 8 tại n=230 v/ph 91
Hình 3.32. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 1 tại n=350 v/ph 92
Hình 3.33. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 2 tại n=350 v/ph……………… 92
Hình 3.34. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 3 tại n=350v/ph ……………… 93
Hình 3.35. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 4 tại n=350v/ph………………. 93
Hình 3.36. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 5 tại n=350vg/ph……………… 93
Hình 3.37. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 6 tại n=350vg/ph……………… 94
Hình 3.38. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 7 tại n=350vg/ph……………… 94
Hình 3.39. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 8 tại n=350vg/ph……………… 94
Hình 3.40. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 1 tại n=386 v/ph 95
Hình 3.41. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 2 tại n=386 v/ph…………………95
Hình 3.42. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 3 tại n=386v/ph……………… 95
Hình 3.43. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 4 tại n=386vg/ph……………… 96
Hình 3.44. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 5 tại n=386vg/ph……………… 96
Hình 3.45. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 6 tại n=386vg/ph……………… 96
Hình 3.46. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 7 tại n=386vg/ph……………… 97
Hình 3.47. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 8 tại n=350vg/ph……………… 97
1
MỞ ĐẦU
Dao động xoắn hệ trục chân vịt tàu thuỷ là một trong những vấn đề được quan
tâm từ rất sớm. Từ những năm đầu của thế kỷ 20, các nhà khoa học châu Âu đã xác
định được một trong những nguyên nhân gây ra hư hỏng và gãy hệ trục chân vịt là do
hiện tượng dao động xoắn gây ra. Sau đó, lý thuyết về tính toán dao động xoắn của hệ
trục chân vịt tàu thủy đã được hình thành và ngày càng hoàn thiện. Ngày nay, việc tính
toán dao động xoắn của hệ trục chân vịt là một nội dung quan trọng trong tính toán
thiết kế tàu thủy và được đưa vào trong số các yêu cầu bắt buộc của Đăng kiểm các
nước.
Độ chính xác của các kết quả tính dao động xoắn của hệ trục chân vịt phụ thuộc
vào nhiều yếu tố, trong đó việc xây dựng mô hình tương đương nhằm mô tả cấu trúc
vật lý của hệ có ý nghĩa rất quan trọng. Về mặt kết cấu nói chung, các hệ trục chân vịt
tàu dân sự thường đơn giản hơn so với tàu Quân Sự. Do yêu cầu về đảm bảo độ tin
cậy, tính cơ động và sức sống cao nên hệ trục chân vịt tàu quân sự thường có kết cấu
phức tạp: bao gồm nhiều đoạn trục, trên mỗi đoạn trục có nhiều thiết bị trung gian
(khớp nối mềm, bộ ly hợp), chiều dài đoạn trục lớn và hệ trục làm việc ở chế độ quá
tải lớn với cường độ cao. Điều này sẽ làm tăng nguy cơ xuất hiện dao động xoắn cộng
hưởng trong dải tốc độ làm việc của động cơ và dễ gây hư hỏng cho hệ trục. Đây cũng
chính là lý do buộc các nhà thiết kế phải hoàn thiện phương pháp tính, tăng độ chính
xác của các kết quả tính toán.
Trong những năm gần đây, ngành đóng tàu Việt Nam đã có những bước phát
triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, việc tính toán dao động xoắn hệ trục chân vịt tại các cơ sở
đóng tàu, các Viện thiết kế thường vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp giải tích
được đưa ra từ những năm 50 của thế kỷ trước. Các kết quả tính toán nhìn chung đã
đáp ứng được một số yêu cầu của việc tính toán thiết kế hệ trục chân vịt nhưng trong
một số trường hợp chưa được quan tâm với thực tế khai thác sử dụng 100- 110% công
suất của tàu vận tải quân sự. Mặt khác, do không được trang bị đầy đủ thiết bị đo kiểm
nên hầu hết các tàu thủy được thiết kế và đóng mới trong nước không được đo kiểm
dao động xoắn trước khi đưa vào sử dụng lâu dài. Điều này đặt ra yêu cầu cần phải xây
dựng một mô hình tính toán dao động xoắn hệ trục chính xác và sát với thực tế hơn
trên cơ sở sử dụng các phần mềm tính toán chuyên dụng và hiện đại.
2
Xuất phát từ thực tế trên, việc thực hiện đề tài: “ Đánh giá dao động xoắn của
hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa bằng phương pháp phần tử hữu
hạn” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng.
Mục đích nghiên cứu: Xây dựng phương pháp đánh giá tính toán dao động xoắn
của hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa trên cơ sở sử dụng các phần mềm
chuyên dụng nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả tính.
Đối tượng nghiên cứu: Hệ trục chân vịt của tàu vận tải quân sự Trường Sa
được đóng mới tại Việt Nam hoạt động trong điều kiện thực hiện các nhiệm vụ vận tải
hàng quân sự, tìm kiếm cứu nạn trên biển, bảo vệ quần đảo Trường Sa và khu vực dầu
khí của Tổ Quốc.
Phương pháp nghiên cứu: Xây dựng mô hình, tính toán dao động xoắn tự do
và cưỡng bức của hệ trục tàu vận tải quân sự Trường Sa, đánh giá tính toán dao động
xoắn của hệ trục khi làm việc ở chế độ tốc độ cộng hưởng và chế độ sử dụng thực tế
110% công suất định mức trên cơ sở ứng dụng phần mềm ANSYS.
Ý nghĩa khoa học:
Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm hiện đại để giải bài toán
dao động xoắn hệ trục chân vịt nhằm nâng cao độ chính xác cũng như giảm thời gian
tính toán.
Ý nghĩa thực tiễn: Xác định ứng suất do dao động xoắn gây ra trên toàn bộ hệ
trục làm cơ sở để đánh giá độ làm việc tin cậy của hệ trục cũng như xác định được các
vùng vòng quay cấm trong quá trình khai thác sử dụng. Trên cơ sở kết quả tính toán
dao động xoắn của hệ trục có thể đưa ra những thay đổi kết cấu phù hợp ngay từ giai
đoạn thiết kế góp phần giảm thời gian và chi phí thiết kế.
Bố cục luận văn:
Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ động lực của tàu vận tải quân sự Trường Sa
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán dao động xoắn của hệ trục chân vịt tàu thủy.
Chương 3: Đánh giá tính toán dao động xoắn của hệ trục chân vịt tàu vận tải
quân sự Trường Sa. Công cụ được sử dụng chính cho tính toán là phần mềm ANSYS.
Phần cuối của luận văn trình bày những kết luận rút ra trong lĩnh vực chuyên
ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
3
Do trình độ nghiên cứu của cá nhân còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong sự góp ý của các thầy giáo và đồng nghiệp.
Qua đây xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Phạm Hùng Thắng,
người đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần
Gia Thái đã có những góp ý chuyên môn và động viên thiết thực. Xin thành thật cảm
ơn các thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật Giao Thông và các bạn đồng nghiệp đã giúp tôi
hoàn thành đề tài này.
Nha Trang, tháng 01 năm 2014
Người thực hiện
Lê Văn Duyên
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÀU VẬN TẢI QUÂN SỰ TRƯỜNG SA
l.l. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU VTQSTS.
1.1.1. Đặc điểm nhiệm vụ, điều kiện làm việc, phạm vi hoạt động của tàu
VTQSTS.
Tàu vận tải Trường Sa là loại tàu vận tải quân sự do Việt Nam sản xuất vào đầu
thập kỷ 90 của thế kỷ XX, để thực hiện nhiệm vụ vận chuyển vật liệu xây dựng, vũ khí
trang bị kỹ thuật, hàng hóa phục vụ Hải quân xây dựng và bảo vệ quần đảo Trường Sa
và các đảo dọc theo bờ biển của đất nước. Ngoài nhiệm vụ chính trên, tàu VTQSTS
còn đảm nhiệm rất nhiều nhiệm vụ khác khi có lệnh của cấp trên như: tìm kiếm cứu
nạn trên biển, trực bảo vệ chủ quyền biển đảo, cảnh giới bảo vệ tàu thăm dò dầu khí,
chuyển quân ra đảo và về đất liền. Tàu vận tải quân sự Trường Sa là loại tàu vỏ thép
có trọng tải 1000 tấn, tầm hoạt động 4000 hải lý. Tàu hoạt động trong điệu kiện thời
tiết khắc nghiệt, chịu sóng tới sóng cấp 8. Các thiết bị trên tàu đã được tính toán phù
hợp với điều kiện khai thác và khí hậu của vùng biển Việt Nam.
Hình 1.1: Tàu vận tải quân sự Trường Sa.
1.1.2. Tính năng đặc thù của tàu VTQSTS.
Tàu VTQSTS hoạt động trong mọi điều kiện hàng hải trên vùng biển rộng, nên
hệ động lực của tàu thường xuyên phải làm việc ở các chế độ quá tải. Vì vậy, tàu
VTQSTS có tính năng đặc biệt hơn các loại tàu vận tải thông thường khác.
5
- Tàu được trang bị hệ động lực có công suất lớn gồm 2 máy chính với 2 hệ trục
chân vịt và 3 tổ hợp Diesel- máy phát điện.
- Tàu được trang bị 2 hệ trục chân vịt nên cơ động cao nhằm mục đích bảo đảm
hoàn thành tốt các nhiệm vụ phức tạp được giao.
1.2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ HỆ ĐỘNG LỰC CỦA TÀU VTQSTS.
1.2.1. Các thông số chính của tàu VTQSTS[16].
Bảng 1.1: Các thông số kỹ thuật của tàu VTQSTS.
TT Các đặc tính kỹ thuật
01 Chiều dài lớn nhất (m) 70,75
02 Chiều dài mớn nước (m) 60,65
03 Chiều dài giữa 2 trụ (m) 63,00
04 Chiều rộng (m) 11,80
05 Chiều cao mạn (m) 4,82
06 Mớn nước trung bình (m) 3,70
07 Lượng chiếm nước (m
3)
2082
08 Vận tốc tàu (trong đk bình thường) (hl/h) 12
09 Năng lực lớn nhất khi chở hàng:
- Hàng khô (tấn) 860
- Hàng nước (tấn) 111,91
- Dầu hàng (tấn) 42,034
- Dầu máy (tấn) 166,494
- Nước ngọt sinh hoạt ( tấn) 132, 5
10 Kiểu động cơ chính 6L350PN
11 Số động cơ chính trên tàu (chiếc) 02
12 Công suất máy chính (kW) 720
13 Số chân vịt trên một tàu (chiếc) 02
1.2.2. Các thông số cơ bản của động cơ chính 6L350PN[15].
Động cơ Diesel 6L350PN được sản xuất tại hãng SKODA (Cộng hòa Séc). Đây
là kiểu động cơ 4 kỳ phun nhiên liệu trực tiếp có tăng áp bằng tua bin khí xả. Động
cơ chính được bố trí hai bên gọi là máy phải và máy trái. Máy phải: hành trình tiến,
6
quay phải, hành trình lùi quay trái (hướng quay cùng chiều kim đồng hồ). Máy trái:
hành trình tiến, quay trái, hành trình lùi quay phải.
Động cơ có tính năng đảo được chiều (giúp tàu chạy tiến và chạy lùi), có các thông
số kỹ thuật cơ bản như sau:
- Công suất định mức: N
eH
= 720 kW;
- Tốc độ định mức: n
H
= 375 v/ph;
- Công suất quá tải 10% : N
emax
= 792 kW;
- Tốc độ tối thiểu: n
min
= 120 v/ph;
- Tốc độ tối đa: n
max
= 412 v/ph;
- Tốc độ vượt tải 10%: 386 v/ph;
- Tốc độ không tải: 394 v/ph;
- Tốc độ chạy trơn: 120± 5 v/ph;
- Khối lượng khô toàn bộ: 22.700 kg;
- Lượng nước trong máy: 600 kg;
- Lượng dầu bôi trơn trong máy: 80 kg;
- Đặc tính thiết kế:
+ Hành trình Piston: S =500 mm;
+ Đường kính xylanh: D = 350mm;
+ Số xylanh: 06 thẳng hàng.
+ Dung tích một xylanh: V= 48,2 dm
3
;
+ Tỷ số nén: ε =13,8;
+ Thứ tự nổ:
* Máy quay phải: Chiều tiến (ngược chiều kim đồng hồ) 1-3-5-6-2-4;
Chiều lùi (cùng chiều kim đồng hồ) 1-4-2-6-3-5;
* Máy quay trái: Chiều tiến (theo chiều kim đồng hồ) 1-4-2-6-3-5;
Chiều lùi (ngược chiều kim đồng hồ) 1-3-5-6-2-4;
+ Tốc độ trung bình của piston: C
m
=6,25 m/s;
+ Nhiệt độ khí xả ra khỏi xylanh: t
0
max
=430
0
C;
+ Nhiệt độ khí xả ở 110% của tải: t
0
max
=460
0
C;
+ Nhiệt độ khí xả trước tua bin: t
0
max
=550
0
C;
+ Nhiệt độ khí xả trước tua bin ở 110% tải: t
0
max
= 580
0
C;
- Thời điểm đóng mở supap:
7
+ Nạp mở: 90
0
trước ĐCT;
+ Nạp đóng: 26
0
sau ĐCD;
+ Xả mở: 40
0
trước ĐCD;
+ Xả đóng: 56
0
sau ĐCT;
- Góc phun sớm nhiên liệu: 16
0
trước ĐCT;
+ Độ nâng của bơm cao áp: 5,5 ± 0,1;
+ Tuổi thọ danh định: 20.000 giờ;
+ Số giờ thay dầu bôi trơn: 500 giờ.
- Thông số áp suất:
+ Áp suất hữu ích trung bình trên piston: 8kG/cm
2
+ Áp suất cháy max: 58,8kG/cm
2
+ Áp suất nén ở 75% N
en
: 35,3 ÷ 39,2kG/cm
2
+ Áp suất khí cháy ở 110% N
en
: 61,8kG/cm
2
+ Áp suất dầu nhờn bôi trơn: 1 ÷ 39,2kG/ cm
2
+ Áp suất khí xả sau tuabin : 2940Pa
- Các thông số của khuỷu trục, piston, thanh truyền:
+ Khối lượng bánh đà: m
bđ
=1680 Kg
+ Mô men quan tính khối lượng bánh đà: J
bđ
= 20,84 KNmS
2
+ Đường kính cổ khuỷu trục: d
ck
= 240 mm
+ Đường kính cổ chốt khuỷu: d
ch
= 220 mm
+ Bán kính quay khuỷu trục: R = 250 mm
+ Chiều dài cổ khuỷu trục: l
ck
= 240mm
+ Chiều dài chốt khuỷu: l
ch
= 220 mm
+ Chiều dày má khuỷu: h= 120 mm
+ Chiều rộng má khuỷu: b= 390 mm
+ Chiều cao má khuỷu: D= 500 mm
+ Chiều dài thanh truyền : l
tt
= 1066 mm
+ Chiều dài piston : l
pt
= 640 mm
+ Trọng lượng thanh truyền : m
tt
= 60 kg
+ Trọng lượng nhóm piston: m
pt
= 67 Kg
+ Khoảng cách giữa 2 tâm xi lanh liên tiếp: H= 700 mm
+ Khoảng cách từ tâm xylanh cuối đến bánh đà: H
c
= 990 mm
8
+ Chiều dài trục khuỷu: L
kh
=4200 mm
1.2.3. Các chi tiết cơ bản của động cơ 6L350 PN.
1) Trục khuỷu.
Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng nhất của động cơ, trục khuỷu
tiếp nhận lực tác dụng lên piston chuyền qua thanh truyền, biến chuyển động tịnh tiến
của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu để đưa công suất ra ngoài cùng hệ
trục chân vịt làm động lực đẩy tàu .
Trong quá trình làm việc trục khuỷu luôn chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán
tính (quán tính chuyển động tịnh tiến và quán tính chuyển động quay) những lực có trị
số lớn và thay đổi theo chu kỳ nhất định, nên có tính va đập mạnh. Các lực tác dụng
gây ra ứng suất uốn, xoắn, đồng thời còn gây hiện tượng dao động dọc trục hoặc dao
động xoắn, làm động cơ rung động mất thăng bằng. Ngoài ra, các lực tác dụng trên
còn gây ra hao mòn lớn trên các bề mặt ma sát của cổ trục và chốt khuỷu.
2) Thanh truyền.
Thanh truyền là chi tiết quan trọng nối giữa piston với trục khuỷu, có tác dụng
truyền lực tác dụng trên chốt piston xuống trục để làm quay trục khuỷu.
a) Đặc điểm làm việc của thanh truyền :
- Chịu lực khí thể trong xylanh
- Chịu lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston.
- Chịu lực quán tính của thanh truyền.
Cho nên kết cấu của thanh truyền phải đảm bảo được các yêu cầu sau:
- Khe hở làm việc của đầu to và đầu nhỏ thanh truyền nằm trong phạm vi cho
phép, không tạo va đập mạnh, bị biến dạng trong quá trình làm việc.
- Thân thanh truyền chịu được nén và uốn dọc do hợp lực của khí thể và lực quán
tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến gây ra.
+ Chịu kéo do tác dụng của lực quán tính chuyển động tịnh tiến.
+ Chịu uốn ngang do tác dụng của lực quán tính chuyển động lắc thanh truyền
gây ra.
- Chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to, đầu nhỏ thanh truyền có góc lượn để giảm
ứng suất tập trung.
b) Kết cấu thanh truyền (Hình 1.2) .
Thanh truyền được làm bằng thép, có tiết diện hình chữ I với đầu to được chế
9
tạo rời. Kết cấu thanh truyền được chia làm 3 phần sau đây:
- Đầu nhỏ thanh truyền có hình trụ rỗng, được lắp ghép với chốt piston, phần tại
rỗng trong được ép ống lót (bạc lót), được làm từ hỗn hợp đồng thanh pha thiếc. Trên
bạc lót có rãnh chứa dầu, phần trên đầu nhỏ bố trí các lỗ phun dầu, dầu có áp lực sau
khi bôi trơn bạc và chốt sẽ phun vào mặt dưới đỉnh piston để làm mát đỉnh.
- Đầu to thanh truyền được chế tạo rời với thân thanh truyền, đầu to được lắp với
thân bằng các bulông chống xoay, giữa mối ghép nửa trên đầu to với thân có các
miếng đệm để điều chỉnh dung tích buồng cháy (hành trình piston). Nửa dưới đầu to
có các chốt định vị để khi lắp với thân và đầu to trên, bulông được lắp chính xác.
- Thân thanh truyền được nối giữa đầu to và đầu nhỏ, chiều dài của thân được
làm đồng đều trên suốt chiều dài, chiều rộng của thân tăng dần từ đầu nhỏ xuống đầu
to để phù hợp phân bố lực quán tính tác dụng lên thanh truyền trong mặt phẳng lắc.
Hình 1.2: Thanh truyền của động cơ [6].
10
0
20
40
60
80
100
120
140
160
(kg/h)
204
100 200 300 400
S
P Mk
P
Mk
Se
Gp
tv1
tv2
PJ
v/ph
100
200
300
400
500
tv
C
o
3922
5884
7845
218
231
245
258
272
286
299
312
426
340
354
367
380
394
75% 25% 50% 75% 100%110%
9804
11765
13729
15690
17652
19613
735
588
441
294
231
0
(g/kwh)
(kw) (Nm)
G
3) Piston:
Piston là chi tiết quan trọng của máy, nhiệm vụ bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ
không cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống cácte và ngăn không cho dầu nhờn từ
hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy. Mặt khác piston tiếp nhận lực khí thể và truyền
lực đẩy cho thanh truyền và làm quay trục khuỷu, nén khí trong quá trình nén, đẩy khí
thải ra khỏi xylanh trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá
trình nạp. Piston được chế tạo bằng phương pháp đúc từ nhôm hợp kim.
Piston được chia làm 3 phần:
- Đỉnh có dạng hình
để tạo xoáy lốc trong buồng cháy. Chỗ đối diện với supap
hút và xả lõm xuống để trong quá trình làm việc tránh va chạm giữa piston và xupap.
- Đầu piston có 6 rãnh xécmăng để lắp 5 xécmăng khí và 1 xécmăng dầu,
xécmăng dầu được đặt ở rãnh cuối thứ 6 và tại rãnh có khoét lỗ để thoát dầu, dưới đỉnh
piston làm bán kính góc lượn và các gân tản nhiệt để chuyền nhiệt tốt và tăng độ cứng
vững cho bệ chốt khuỷu.
- Thân piston: tính từ chỗ thoát dầu ở xécmăng đầu tiên xuống hết phần dẫn,
hướng piston, gồm : bệ chốt và 1 rãnh lắp xécmăng dầu.
1.2.4. Đặc tính của động cơ chính 6L350PN [15].
e
Hình 1.3: Các đường đặc tính ngoài của động cơ 6L350PN .
11
Trong đó: P- Công suất động cơ (kW); M
k
- Momen xoắn (Nm); S
e
- Suất tiêu
hao nhiên liệu riêng (g/kWh); G- lượng tiêu hao nhiên liệu giờ (kg/h); t
ν1
- Nhiệt độ khí
xả tại cửa thoát của mỗi xilanh (
0
C); t
ν2
- Nhiệt độ khí xả trước tăng áp (
0
C).
1.2.5 Kết cấu của hệ trục chân vịt tàu VTQSTS.
1) Đặc điểm kỹ thuật hệ trục chân vịt
Tàu VTQSTS được bố trí 02 hệ trục chân vịt. Mỗi hệ trục do một máy chính
dẫn động trực tiếp. Sơ đồ nguyên lý các phần tử chính của hệ trục chân vịt tàu
VTQSTS (Hình 1.4 và Hình 1.5) [16]:
Hình 1.4: Hệ thống động lực tàu VTQSTS.
Trong đó:1-1’- chân vịt; 2, 2’- Ổ đỡ trục chân vịt; 3, 3’- Trục chân vịt; 4, 4’- Ổ
kín nước đuôi tàu; 5, 5’- trục trung gian I; 6, 6’- Ổ đỡ trục trung gian I; 7, 7’- Trục
đẩy; 8, 8’- Ổ đỡ chặn; 9, 9’- Khớp nối; 10, 10’- Trục trung gian II; 11, 11’- Ổ đỡ trục
trung gian II; 12, 12’- Động cơ chính; 13, 13’- Các thiết bị phục vụ hệ thống động lực;
14. Thân vỏ tàu.
2
3
4
5
6
7
8
9
11
12
13
14
1
’
2
’
3
’
4
’
5
’
6
’
7
’
8
’
9
’
10
’
11
’
12
’
13
’
10
1
12
Hình 1.5: Sơ đồ bố trí hệ trục tàu VTQSTS.
Trong đó: 1- Trục chân vịt; 2- Khớp nối trục trung gian I; 3- Ổ đỡ trục trung
gian I; 4- Khớp nối trục đẩy; 5- Ổ đỡ chặn; 6- Ổ đỡ trục trung gian II.
2) Thiết bị đẩy tàu (Chân vịt).
- Nhiệm vụ của chân vịt: Sau khi nhận được công suất N
p
từ mặt bích của động
cơ chính thông qua hệ trục tạo ra một động lực dọc trục (lực đẩy chân vịt P) để thắng
được lực cản chuyển động R của tàu và đẩy tàu chuyển động với vận tốc V
s
nào đó.
- Điều kiện làm việc của chân vịt hết sức phức tạp, tiếp xúc trực tiếp với môi
trường nước biển, chịu tác động của các yếu tố ngoại cảnh nên thường xuyên bị một số
hỏng hóc như : ăn mòn, biến dạng, quăn mép, rỗ, nứt, mẻ, gẫy, Hiện tượng sủi bọt,
xâm thực, hư hỏng sự cố xảy ra thường xuyên trong quá trình khai thác nên dẫn đến
hiệu suất đẩy tàu của chân vịt giảm.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1
2
6 3 4 5
13
- Chân vịt sử dụng dưới tàu VTQSTS là loại chân vịt cố định bước, được cố định
vào trục nhờ mặt côn và các then.
Các thông số kỹ thuật chủ yếu của chân vịt:
- Đường kính chân vịt: D
cv
= 1700mm
-Tỷ số bước : H/D= 0,865
-Tỷ số mặt đĩa : A/A
d
= 0,70
-Số cánh : Z = 4
-Hiệu suất chân vịt:
cv
= 0,63
-Khối lượng: G
cv
=631kG
-Vật liệu chế tạo: Đồng
- Góc nghiêng của cánh: 15
0
Hình 1.6: Chân vịt [1].
3) Ống bao trục chân vịt và ổ kín nước đuôi tàu.
Ống bao trục chân vịt và ổ kín nước đuôi tàu là tổ hợp thiết bị có nhiệm vụ dẫn
hướng chuyển động cho trục chân vịt và ngăn không cho nước tràn vào bên trong tàu,
được làm kín dầu và kín nước bằng các thiết bị chuyên dùng, có một phần tiếp xúc
trực tiếp với nước biển.
Các thông số đặc trưng: Chiều dài lắp trên trục mạn phải: 4641 mm; trên trục
mạn trái: 4711 mm; vật liệu chế tạo: Thép CT3
14
Hình 1.7: Ống bao trục chân vịt tàu VTQSTS [16].
4) Trục chân vịt (Hình 1.8).
Trục chân vịt là đoạn cuối cùng và dài nhất của hệ trục chân vịt, được nối với
trục trung gian I và được gối trên hai ổ đỡ bằng babit đặt trong ống bao trục, bôi trơn
cổ trục bằng nhớt. Trục chân vịt nối trực tiếp với chân vịt, tiếp xúc với nước biển, chịu
tải trọng động và tải trọng công xôn.
Các thông số đặc trưng là: Chiều dài: 6020 mm; vật liệu: Thép CT45 đặc;
đường kính: 200 mm; được đặt trên 2 ổ đỡ là ổ kín nước đuôi tàu và ổ đỡ ngoài tàu.
Hình 1.8: Trục chân vịt tàu VTQSTS [16].
5) Trục trung gian I (Hình 1.9).
Trục trung gian I là đoạn trục của trục chân vịt dùng để nối trục chân vịt với
trục đẩy. Nhiệm vụ truyền mômen xoắn mà trục đẩy nhận được từ động cơ đến trục
chân vịt đồng thời nó truyền lực đẩy tàu từ trục chân vịt đến trục đẩy.
Trục trung gian I là trục đặc làm bằng thép CT45, hai đầu nối bằng khớp kiểu
bích lắp bằng 8 bulông M42 (Thép CT5).
Các thông số đặc trưng là: Chiều dài: 1650 mm; vật liệu: Thép CT45 đặc;
đường kính: 200mm; đặt trên một ổ đỡ Φ220 mm; có dầu bôi trơn ổ và dầu bôi trơn ổ
được làm mát bằng nước biển.
