nghiên cứu xây dựng chương trình tính phục vụ thiêt kế định tâm hệ trục tàu hàng trọng tải lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG



TRẦN VĂN HƯNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG
CHƯƠNG TRÌNH TÍNH PHỤC VỤ THIẾT
KẾ ĐỊNH TÂM HỆ TRỤC TÀU HÀNG
TRỌNG TẢI LỚN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TẦU THỦY
MÃ SỐ: 60 52 32

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. QUÁCH HOÀI NAM

NHA TRANG - 7/2012


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là kết quả nghiên cứu của riêng tôi không sao chép kết quả
chính của người khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Tác giả

Trần Văn Hưng

MỤC LỤC
Trang phụ bìa..................................................................................................Trang
Lời cam đoan…………………………………………………………………………... 1
Mục lục… ………………………………………………………………………………2
Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt………………………………………………………… 5
Danh mục bảng………………………………………………………………………… 8
Danh mục hình vẽ, đồ thị ................................................................................................9
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................11

Chương 1. TỔNG QUAN ...................................................................................14
1.1. ĐẶC ĐIỂM VÀ ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA HỆ TRỤC TÀU HÀNG ...........14
TRỌNG TẢI LỚN
1.1.1. Đặc điểm .............................................................................................................14
1.1.2. Điều kiện làm việc của hệ trục tàu hàng trọng tải lớn ........................................14
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỊNH TÂM HỆ TRỤC................................................16
1.2.1. Các khái niệm ......................................................................................................16
1.2.2. Định tâm hệ trục theo tiêu chí lệch tâm gãy khúc ...............................................19
1.2.3. Định tâm hệ trục theo tiêu chí tải trọng gối đỡ....................................................20
1.2.3.1. Định tâm theo tiêu chí tải trọng gối đỡ "cổ điển".............................................21
1.2.3.2. Định tâm hệ trục theo tiêu chí tải trọng gối đỡ bằng việc sử dụng ..................25
các phần mềm tính tốn
1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...................................................................................26
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................................................................27

Chương 2. CƠ SỞ TÍNH ĐỊNH TÂM HỆ TRỤC TÀU HÀNG TRỌNG
TẢI LỚN ........................................................................................................... 28
2.1. MƠ HÌNH TÍNH ....................................................................................................28
2.1.1. Mơ hình tính kết cấu hệ trục................................................................................28
2.1.2. Đưa trục khuỷu về dầm tròn tương đương .........................................................28
2.1.2.1. Sự cần thiết phải đưa trục khuỷu về thanh tròn tương đương ..........................28

2.1.2.2. Phương pháp xác định đường kính dầm trịn tương đương..............................29


2.1.3.Mơ hình hóa hệ trục khi có hộp giảm tốc……………………………………...32
2.1.4. Mơ hình số lượng gối đỡ trong định tâm hệ trục.................................................32
2.1.4.1. Số ổ đỡ chính động cơ được đưa vào mơ hình .................................................32
2.1.4.2. Gối đỡ trên ống bao trục chân vịt .....................................................................34
2.1.5. Các điều kiện tải ..................................................................................................34
2.1.5.1. Điều kiện nhẹ tải (điều kiện lạnh) ....................................................................34
2.1.5.2. Điều kiện nhẹ tải (điều kiện nóng) ...................................................................35
2.1.5.3. Điều kiện đầy tải (điều kiện nóng) ...................................................................36
2.2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH .........................................................................................36
2.2.1. Rời rạc hóa kết cấu ...................................................................................................... 36
2.2.2. Tính ma trận độ cứng, lực nút phần tử thứ e ....................................................... 37
2.2.3. Xây dựng ma trận độ cứng, lực nút tổng thể............................................................ 38
2.2.4. Áp đặt các điều kiện biên ....................................................................................39
2.2.5. Xác định các thành phần chuyển vị, nội lực .......................................................39
2.2.5.1. Xác định độ võng và góc xoay tại nút .............................................................. 39
2.2.5.2. Xác định phản lực gối đỡ ................................................................................40
2.2.5.3. Xác định độ võng, mô men uốn và lực cắt .......................................................40
2.2.6. Xác định ma trận hệ số ảnh hưởng ......................................................................41
2.2.7. Xác định phản lực gối đỡ khi có chuyển vị cưỡng bức.......................................42

Chương 3.XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH PHỤC VỤ THIẾT KẾ
ĐỊNH TÂM HỆ TRỤC TÀU HÀNG TRỌNG TẢI LỚN..............................43
3.1. MƠ TẢ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH .........................................................................43
3.1.1. Các thơng số đầu vào...........................................................................................43
3.1.2. Sơ đồ thuật toán chung .......................................................................................44
3.1.3. Thuật toán xây dựng ma trận độ cứng, lực nút tổng thể......................................44
3.1.4. Thu nhận, xử lý tính tốn và biểu diễn kết quả ..................................................47

3.2. ỨNG DỤNG TÍNH TỐN HỆ TRỤC TÀU HÀNG CỤ THỂ.............................47
3.2.1. Đặc điểm tàu VLCC CRUDE OIL TANKER.....................................................47
3.2.2. Mơ hình hóa hệ trục và các dữ liệu hệ trục .........................................................48
3.2.3. Giao diện chương trình........................................................................................50
3.2.4. Kết quả tính tốn .................................................................................................51


3.3. KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ TÍNH BẰNG PHẦN MỀM RDM ............................53
3.3.1. Giới thiệu phần mềm tính tốn kết cấu RDM .....................................................53
3.3.2. Kết quả tính tốn .................................................................................................54
3.4. KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ TÍNH VỚI NK ..........................................................57
3.4.1. Biểu đồ nội lực ....................................................................................................57
3.4.2. Tải trọng gối đỡ ...................................................................................................57
3.4.3. Ma trận hệ số ảnh hưởng .....................................................................................58
3.5. SO SÁNH VÀ THẢO LUẬN ................................................................................58

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ....................................... 60
4.1. KẾT LUẬN ............................................................................................................60
4.2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN. ...............................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................61
PHỤ LỤC


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
δ: độ lệch tâm
ν: hệ số poisson của vật liệu trục khuỷu
ϕ: độ gãy khúc
θi: góc xoay nút phần tử thứ i
σ1: ứng suất bổ sung cho phép trên trục chân vịt, trục trung gian, trục hộp số máy
chính

σ2: ứng suất bổ sung cho phép trên trục máy chính tại mặt cắt ổ đỡ chính phía lái
∏e: thế năng tồn phần của phần tử theo chuyển vị nút
∏: thế năng toàn phần của hệ theo chuyển vị nút tổng thể
ABS: American Bureau of Shipping (Đăng kiểm Mỹ)
bcdof: vị trí nút có gối
B: bề rộng má khuỷu
DNV: Det Norske Veritas (Đăng kiểm Na Uy)
dj: đường kính cổ chính
Dn: đường kính ngồi của trục
Dt: đường kính trong của trục
dtd: dầm tương đương trục khuỷu
E : mô đun đàn hồi.
GAP: góc lệch giữa hai đường tâm (mm)
Ij: mơ men qn tính chính trung tâm của mặt cắt ngang cổ chính
Ijp: mơ men qn tính độc cực của mặt cắt ngang cổ chính
index: ma trận ghép nối phần tử
Iw: mơ men qn tính chính trung tâm của mặt cắt ngang má khuỷu
Iwp: mơ men qn tính độc cực của mặt cắt ngang má khuỷu
Ize: mơ men qn tính phần tử
l: khoảng cách giữa tâm hai má khuỷu
L: chiều dài một đoạn trục khuỷu
Le: chiều dài phần tử


Me: mô men trên phần tử
n: số lượng ổ đỡ trung gian
ndof: số bậc tự do của nút
ne: số bậc tự do của phần tử
nel: số phần tử của hệ trục
nnel: số nút phần tử

ntai: nút có tải tập trung
NKK: Nippon Kaiji Kyokal (Đăng kiểm Nhật Bản)
Nvi: hàm chuyển vị nút thứ i theo tọa độ nút
Nvj: hàm chuyển vị nút thứ j theo tọa độ nút
Nθi: hàm góc xoay nút thứ i theo tọa độ nút
Nθj: hàm góc xoay nút thứ j theo tọa độ nút
P: tải trọng kết cấu trung bình
q: tải phân bố trên hệ trục
Q: giá trị tải tập trung (do trọng lượng chân vịt)
Qe: lực cắt trên phần tử
r: khoảng cách giữa tâm cổ chính và cổ biên
R: số nút trên một phần tử
s: số bậc tự do của mỗi nút
SAG: khoảng cách giữa hai đường tâm của hai đoạn trục kế tiếp nhau
t: bề dày má khuỷu
x: tọa độ nút
valbcdof: các chuyển vị cưỡng bức tại các gối
vi: chuyển vị nút phần tử thứ i
v(x): hàm độ võng cho từng phần tử trong trường hợp chịu lực phân bố
[A]: ma trận hệ số ảnh hưởng
{d}: vectơ chuyển vị nút tổng thể
{de}: véc tơ chuyển vị nút phần tử
{dk}: véc tơ chứa các chuyển vị không liên kết


{dR}: véc tơ chuyển vị cưỡng bức
[fe] : tải phân bố đều quy đổi phần tử
[ff]: tổng tải quy đổi trên phần tử
[K]: ma trận độ cứng tổng thể
[KDR]: ma trận độ cứng tương ứng với các chuyển vị cưỡng bức do dịch chỉnh gối đỡ

[ke]: ma trận độ cứng phần tử dầm
[Kk]: ma trận độ cứng khơng có chuyển vị cưỡng bức
[KR]: ma trận độ cứng tương ứng với các chuyển vị cưỡng bức do các chuyển vị đơn vị
tại các điểm này gây nên
[KRD]: ma trận nghịch đảo của [KDR]
[Le]: ma trận định vị phần tử
[N]: ma trận hàng chứa các hàm dạng
[P]: véc tơ tải tổng thể
[pe]: tải tập trung phần tử
[Pe]: tổng tải trên phần tử
{Pk}: véc tơ tải trọng quy đổi tương ứng với các bậc tự do còn lại
{PR}: véc tơ tải trọng quy đổi ứng với các chuyển vị cưỡng bức
|R1|: tải trọng bổ sung trên ổ đỡ phía mũi tại ống bao trục
|R2|: tải trọng bổ sung trên ổ đỡ phía lái máy chính
|Rd|: Tải trọng bổ sung cho phép trên ổ đỡ trục trung gian trong mặt phẳng đứng đối
với ổ đỡ bất kỳ và mặt phẳng ngang đối với ổ lăn
|Rn|: Tải trọng bổ sung cho phép trên ổ đỡ trục trung gian trong mặt phẳng ngang đối
với ổ trượt
{R}: véc tơ chứa các phản lực gối theo hướng chuyển vị cưỡng bức
{R}*: véc tơ phản lực gối đỡ
{Rk}: véc tơ chứa các tải trọng tập trung tại nút
{RR}: véc tơ phản lực theo chuyển vị cưỡng bức


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các giá trị cho phép của áp suất tại bạc lót phía đi và góc nghiêng tương
đối của trục chân vịt và ống bao ...................................................................25
Bảng 3.1: Thơng số các kích thước của hệ trục.............................................................40
Bảng 3.2: Bảng giá trị áp lực gối đỡ .............................................................................49
Bảng 3.3: Bảng ma trận hệ số ảnh hưởng......................................................................50

Bảng 3.4: So sánh kết quả tính phản lực tại các ổ đỡ khi dịch chỉnh ổ đỡ 1 (mm).......50
Bảng 3.5: So sánh kết quả tính mô men uốn, lực cắt và độ võng lớn nhất ...................50


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Kết cấu hệ trục tàu hàng trọng tải lớn .............................................................4
Hình 1.2: Hệ trục tàu ở các chế độ nhẹ và nặng tải.........................................................5
Hình 1.3: Trục khuỷu hoạt động trong môi trường lạnh (a) và nóng (b) ........................6
Hình 1.4: Định tâm hệ trục theo δ,ϕ bằng thước thẳng và thước lá ................................7
Hình 1.5: Định tâm hệ trục theo tiêu chí SAP-GAP .......................................................8
Hình 1.6: Phương pháp Jack-up trên hệ trục ...................................................................8
Hình 1.7: Định tâm hệ trục bằng lực kế ........................................................................12
Hình 1.8: Sơ đồ tính tải trọng kết cấu trung bình của hệ trục .......................................13
Hình 1.9: Sơ đồ tính tải trọng bổ sung trên ổ đỡ phía lái ..............................................14
Hình 2.1: Mơ hình tính định tâm hệ trục tàu .................................................................18
Hình 2.2: Ảnh hưởng của đường kính thanh tương đương đến áp lực ổ đỡ .................19
Hình 2.3: Mơ hình xác định đường kính thanh trịn tương đương trục khuỷu..............20
Hình 2.4: Các kích thước để tính đường kính trục tương đương ..................................20
Hình 2.5: Số lượng ổ đỡ chính động cơ được kể đến trong tính tốn định tâm ............22
Hình 2.6: Ảnh hưởng của số ổ đỡ chính động cơ được xem xét đến áp lực ổ đỡ .........23
Hình 2.7: Số ổ đỡ chính động cơ được xem xét ............................................................24
Hình 2.8: Vị trí gối đỡ duy nhất cho ổ đỡ trục chân vịt ................................................24
Hình 2.9: Góc nghiêng tương đối và áp suất cực đại của bạc lót..................................25
Hình 2.10: Hướng của tải trọng ổ trục……...…………………………………………26
Hình 2.11: Sơ đồ rời rạc hóa ........................................................................................27
Hình 2.12: Sơ đồ chuyển vị nút phần tử.......................................................................27
Hình 2.13: Sơ đồ tải nút phần tử ...................................................................................28
Hình 3.1: Sơ đồ khối của việc nhập dữ liệu đầu vào.....................................................35
Hình 3.2: Sơ đồ khối của chương trình .........................................................................36
Hình 3.3: Sơ đồ thuật tốn ghép nối phần tử.................................................................37

Hình 3.4: Sơ đồ tính tốn hệ trục tàu.............................................................................39
Hình 3.5: Các kích thước của một đoạn trục khuỷu......................................................39
Hình 3.6: Giao diện của chương trình ...........................................................................41
Hình 3.7: Biểu đồ nội lực của hệ trục tính tốn trên Matlab .........................................42
Hình 3.8: Mơ hình tính trong mơ đun Flexion của RDM..............................................45
Hình 3.9: Biểu đồ nội lực của hệ trục tính bằng Flexion ..............................................47
Hình 3.10: Biểu đồ nội lực của hệ trục theo NK ...........................................................49


1

MỞ ĐẦU
Trên tàu hàng trọng tải lớn, buồng máy thường được bố trí phía đi tàu nên hệ
trục ngắn và thường chỉ có hai đoạn trục: trục trung gian và trục chân vịt, chúng
thường được liên kết với nhau bằng bích liền. Trên đoạn trục trung gian thường bố trí
một gối đỡ, cịn đoạn trục chân vịt bố trí hai gối đỡ đặt trong ống bao trục. Bạc được
bôi trơn bằng dầu nhờn áp lực.
Từ trước đến nay, phương pháp định tâm hệ trục tàu trong các nhà máy đóng
tàu ở nước ta chủ yếu dựa trên quan điểm độ lệch tâm (SAG) và gãy khúc (GAP), tức
là tại mặt bích nối giữa hai đoạn trục có giá trị càng bé càng tốt (có thể bằng khơng).
Quan điểm này xuất phát trên cơ sở sau:
- Đường tâm hệ trục, đường đi qua tâm của các gối đỡ trục, phải nằm trên một
đường thẳng từ đi tàu đến mặt bích ra của trục khuỷu động cơ và phải song song với
đường tâm lý thuyết được xác định trong quá trình căng tâm.
- Coi hai mặt bích của mối ghép là chuẩn lắp ráp, trên cơ sở đó điều chỉnh sao
cho độ lệch tâm và độ gãy khúc nằm trong giới hạn cho phép.
Khi áp dụng phương pháp định tâm hệ trục theo quan điểm truyền thống nêu
trên cho tàu hàng trọng tải lớn, không tránh khỏi những hạn chế. Ngày nay, việc định
tâm hệ trục theo quan điểm trên hầu như không được các cơ quan đăng kiểm lớn trên
thế giới chấp nhận khi đóng mới các tàu có trọng tải lớn có hệ trục lớn. Các cơ quan

trên yêu cầu các nhà thiết kế phải đưa ra phương pháp định tâm phù hợp đảm bảo thỏa
mãn các tiêu chí để đánh giá chất lượng là:
- Tất cả các gối đỡ hệ trục đều phải có tải trọng dương.
- Áp lực tác dụng lên gối đỡ trục phải nhỏ hơn giới hạn cho phép
- Ứng suất uốn trục tại các gối đỡ phải nhỏ hơn giới hạn cho phép
- Góc nghiêng của đường tâm hệ trục chân vịt tại gối sau phải nhỏ hơn giá trị
cho phép.
Ở Việt Nam, theo TCVN 6259 : 2003 sửa đổi năm 2006 (Quy định 6.2.13 Phần
3- Hệ thống máy tàu) quy định: “Đối với hệ lực đẩy chính có trục chân vịt bơi trơn
bằng dầu, có đường kính khơng nhỏ hơn 400 mm, việc tính tốn định tâm hệ trục phải
được thực hiện và trình duyệt bao gồm: mômen uốn, tải trọng ổ đỡ và đường cong độ
võng của trục”.


2

Ngoài ra, khi định tâm cần phải xem xét trong các điều kiện khác như: định tâm
trên đà hay dưới nước kèm theo trạng thái tải trọng tàu không, ballast một phần hay
toàn phần, điều kiện khi lắp ráp hệ trục đặc biệt là trạng thái nhiệt độ làm việc của máy
chính, hộp số, hệ trục nóng hay lạnh.
Định tâm theo tải trọng gối đỡ là phương pháp định tâm sao cho phụ tải tác
dụng lên các gối đỡ đồng đều nhau (độ chênh lệch nằm trong giới hạn cho phép)
Ngoài các yêu cầu về độ bền và dao động, các yêu cầu về định tâm cũng cần
được quan tâm. Các tiêu chí để đánh giá chất lượng định tâm thường được áp dụng là
- Tất cả các gối đỡ hệ trục đều phải có tải trọng dương.
- Áp lực tác dụng lên gối đỡ trục phải nhỏ hơn giới hạn cho phép.
- Ứng suất uốn trục tại các gối đỡ phải nhỏ hơn giới hạn cho phép.
- Góc nghiêng của đường tâm hệ trục chân vịt tại gối sau phải nhỏ hơn giá trị
cho phép.
Với tàu hàng trọng tải lớn thì việc định tâm theo tiêu chí trên rất khó khăn và

mất thời gian, đặc biệt là việc dịch chỉnh các gối đỡ với hệ trục tàu lớn. Do đó các cơ
quan đăng kiểm trên thế giới yêu cầu phải có bảng tính định tâm hệ trục trong khâu
thiết kế nhằm phục vụ cho việc định tâm..
Chính vì vậy việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết cũng như xây dựng chương trình
tính phục vụ định tâm hệ trục tàu đáp ứng các yêu cầu của các cơ quan đăng kiểm là
một vấn đề cấp thiết, đáp ứng nhu cầu tăng cường nội lực của ngành đóng tàu nước ta
trong thiết kế tàu hàng cỡ lớn. Vì các lí do trên, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng
chương trình tính phục vụ thiết kế định tâm hệ trục tàu hàng trọng tải lớn”.
Mục tiêu của đề tài là xác định rõ cơ sở lý thuyết và phương pháp tính định tâm
hệ trục đồng thời xác định các yếu tố chính cần xem xét trong tính tốn và xây dựng
chương trình tính tốn định tâm hệ trục cho phép xuất ra các kết quả một phần của
bảng tính định tâm hệ trục như sau: biểu đồ mômen uốn và lực cắt, đường cong độ
võng, tải trọng tại các gối đỡ và ma trận hệ số ảnh hưởng. Đề tài sử dụng phương pháp
nghiên cứu mơ hình hóa có kể đến đặc điểm hình học và điều kiện làm việc của hệ trục
và các trạng thái làm việc của tàu hệ trục tàu phục vụ tính tốn định tâm và lựa chọn
phương pháp giải phù hợp với mơ hình đã xây dựng có ưu tiên đến sự tiện lợi cho lập


3

trình. Từ đó, tính tốn kiểm chứng trên cơ sở so sánh kết quả tính cho một số hệ trục
thực tế với các chương trình tính hiện có hoặc các dữ liệu thực nghiệm.
Tuy chương trình cịn hạn chế, mới tạo ra một phần của bảng tính tốn định tâm
nhưng kết quả chương trình tính sẽ góp một phần vào việc tạo ra bảng tính định tâm
khi thiết kế do các cơ quan đăng kiểm yêu cầu và là công cụ tự động hóa tính tốn.
Đồng thời cũng tạo ra tiền đề trong việc nghiên cứu xây dựng chương trình tính phục
vụ thiết kế định tâm hệ trục tàu hàng trọng tải lớn ở Việt nam.
Nội dung chính của luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Cơ sở tính định tâm hệ trục tàu hàng trọng tải lớn.

Chương 3: Xây dựng chương trình tính phục vụ thiết kế định tâm hệ trục tàu
hàng trọng tải lớn.
Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến
Do thời gian thực hiện đề tài và trình độ bản thân cịn hạn chế nên chắc chắn
cịn khuyết điểm. Rất mong sự đóng góp ý kiến của Quý thầy cô, các bạn đọc để luận
văn được hồn thiện hơn.
Qua đây xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS. Quách Hoài Nam, người
hướng dẫn tôi thực hiện đề tài này. Xin cảm ơn TS. Đặng Xuân Phương đã có những
đóng góp và hướng dẫn quan trọng. Xin thành thật cảm ơn các Thầy cô trong Khoa Kỹ
thuật Giao thông và các bạn cùng lớp đã giúp tơi hồn thành đề tài này.
Nha Trang, tháng 7 năm 2012
Người thực hiện

Trần Văn Hưng


4

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶC ĐIỂM VÀ ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA HỆ TRỤC TÀU HÀNG

TRỌNG TẢI LỚN
1.1.1. Đặc điểm
Hệ trục tàu có chức năng truyền cơng suất và mơ men xoắn từ máy chính đến
thiết bị đẩy (chân vịt) và nhận lực đẩy của chân vịt, truyền qua gối đỡ chặn đến kết cấu
thân tàu để khắc phục sức cản của nước làm cho tàu chuyển động theo một hướng xác
định. Hệ trục là một cụm kết cấu quan trọng của thiết bị năng lượng tàu và có vai trị
quyết định đến năng lực hoạt động của cả con tàu. Hệ trục tàu bao gồm các thành phần

chính: trục chân vịt, ống bao trục, trục trung gian, khớp nối, ly hợp. Tùy theo tàu có
chiều dài khác nhau và việc bố trí hệ động lực trên tàu mà có một hay nhiều đoạn trục
trung gian, gối đỡ. Tàu hàng trọng tải lớn có chiều dài lớn nhưng buồng lái thường bố
trí ở phía đi nên kết cấu hệ trục ngắn so với chiều dài của tàu. Hệ trục thường gắn
nhiều đoạn trục trung gian ở giữa như trên hình 1.1.

Hình 1.1:
1. Chân vịt;

Kết cấu hệ trục tàu hàng trọng tải lớn

2. Ống bao trục;

3. Trục chân vịt;

4. Phanh

5. Gối đỡ trục trung gian phía lái; 6. Trục trung gian
7. Gối đỡ trục trung gian;

8. Cụm kín nước

9. Trục đẩy;

11. Thiết bị quay trục;

10. Gối đỡ phụ;

12. Gối đỡ chặn

1.1.2. Điều kiện làm việc của hệ trục tàu hàng trọng tải lớn
Hệ trục tàu là một hệ phức tạp hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu
ảnh hưởng của nhiều kiểu tải trọng khác nhau như tải trọng tĩnh và tải trọng động. Tải
trọng tĩnh là tải trọng do trọng lượng bản thân hệ trục và các thành phần hệ trục gây ra
bao gồm: trọng lượng trục, trọng lượng chân vịt, trọng lượng của các chi tiết, thiết bị
lắp trên trục như: bạc lót, bích nối…


5

Tải trọng động do lực đẩy của chân vịt, tải trọng do các phản lực của các ổ đỡ
khi tàu hoạt động, lực đẩy của động cơ, lực quán tính của trục khi quay. Khi môi
trường hoạt động của tàu hàng trọng tải lớn thay đổi, tải trọng tác dụng lên hệ trục
chân vịt cũng thay đổi đặc biệt đối với trục khuỷu. Sự biến dạng đường trục khuỷu
cũng như chế độ tải của tàu ảnh hưởng rất lớn đến đường trục chung của hệ trục tàu.
Do đó các điều kiện hoạt động của tàu cũng được xem xét trong q trình tính tốn
định tâm.
Khi tàu hoạt động ở chế độ nhẹ tải như hình 1.2a thay đổi sang chế độ nặng tải
thì bộ phận phía sau của đi tàu và hệ trục bị võng xuống như hình 1.2b.

a) Chế độ nhẹ tải

b) Chế độ nặng tải
Hình 1.2:

Hệ trục tàu ở các chế độ nhẹ và nặng tải

Khi tàu hoạt động ở chế độ nhẹ tải, đường cong hệ trục khơng có sự biến dạng
lớn, thì giá trị áp lực bạc lót sẽ được xác định là áp lực giới hạn cho phép của gối đỡ và
tỉ số độ nghiêng giữa trục chân vịt và bạc lót phía đi. Khi tàu chuyển sang hoạt động

trong chế độ nặng tải, cánh chân vịt chìm sâu trong nước, mơmen cản của nước lớn, hệ
trục làm việc trong chế độ nặng tải và đường trục bị cong với góc nghiêng lớn làm cho
áp lực gối đỡ phía đi lớn. Sự mài mịn diễn ra mạnh mẽ ở chế độ này trên bạc lót
trục chân vịt phía đi. Do đó trong q trính tính tốn và xây dựng mơ hình hệ trục ở
điều kiện nặng tải ta cần quan tâm đến trường hợp này để có hệ số dự trữ so với khi hệ
trục làm việc ở chế độ bình thường.


6

Trong môi trường lạnh, nhiệt độ bên trong động cơ không cao dẫn đến biến
dạng trục khuỷu không lớn nên đường trục có thể xem như đường thẳng như hình 1.3a.
Lúc đó độ cong trục khuỷu ảnh hưởng khơng lớn đến đường cong hệ trục tàu.

a)
Hình 1.3:

b)
Trục khuỷu hoạt động trong mơi trường lạnh (a) và nóng (b)

Khi tàu hoạt động trong điều kiện nhẹ tải mơi trường nóng, nhiệt độ trong động
cơ rất lớn làm cho trục khuỷu biến dạng lớn như hình 1.3b. Lúc đó đường cong hệ trục
có sự thay đổi lớn do tải trọng nhiệt, đây là dạng tải trọng cần xem xét trong quá trình
định tâm hệ trục tàu.
1.2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỊNH TÂM HỆ TRỤC

1.2.1. Các khái niệm
- Định tâm hệ trục là q trình thiết lập vị trí thực tế của hệ trục và động cơ. Có

hai phương pháp định tâm hệ trục cơ bản: định tâm theo tiêu chí lệch tâm – gãy khúc
và định tâm theo tiêu chí tải trọng gối đỡ.
- Đường tâm lý thuyết của hệ trục là đường tâm của hệ trục được xác định trong
thiết kế. Đó chính là đường thẳng xác định tâm ổ đỡ hệ trục và động cơ theo thiết kế
bố trí hệ trục và động cơ chính.
- Đường tâm thực tế của hệ trục là đường tâm của hệ trục sau khi đã lắp ráp
xong các chi tiết và thiết bị của hệ trục được xác định thông qua các thông số đánh giá
khác.
- Độ lệch tâm (δ) và độ gãy khúc (ϕ):


7

+ Độ lệch tâm của hệ trục tại mặt bích nối là khoảng cách sai lệch giữa hai
đường tâm của hai trục nối tiếp nhau đo tại vị trí liên kết theo mặt phẳng đứng và mặt
phẳng ngang được tính theo công thức [3]:
Theo mặt phẳng đứng:

δ =

a +b
2

(mm)

(1.1)

Theo mặt phẳng đứng:

δ =

c+d
2

(mm)

(1.2)

Trong đó a, b, c, d lần lược là các giá trị đo được ở mặt phẳng đứng và ngang
như trên hình 1.4.
+ Độ gãy khúc của đường tâm hệ trục là góc lệch giữa hai đường tâm của hai
đoạn trục tại vị trí liên kết theo mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang như trên hình 1.4,
được được tính theo cơng thức [3]:
Theo mặt phẳng đứng:

ϕ =

m − n
(mm/m)
Db

(1.3)

Theo mặt phẳng đứng:

ϕ =

v − r
Db

(1.4)

(mm/m)

Trong đó: m, n, v, r: lần lượt là các giá trị đo được ở mặt phẳng đứng và ngang,
Db: đường kính mặt bích (m).

Hình 1.4:

Định tâm hệ trục theo δ,ϕ bằng thước thẳng và thước lá

- SAG và GAP:
+ SAG là khoảng cách giữa hai đường tâm của hai đoạn trục kế tiếp nhau (mm).
+ GAP là “góc lệch” giữa hai đường tâm (mm).
Về bản chất, δ và SAG, ϕ và GAP là giống nhau. Nhưng GAP được chuyển về
thứ nguyên độ dài (mm), cịn ϕ có thứ ngun là chiều dài/chiều dài (mm/m). Điều
này có ý nghĩa trong q trình lắp ráp. Thực tế, giá trị SAG, GAP được định nghĩa và


8

tính tốn phụ thuộc vào nhà thiết kế. Tùy theo sơ đồ mà nhà thiết kế đưa ra, trong từng
tình huống cụ thể, với tàu và hệ động lực cụ thể, mục đích là dễ dàng trong q trình
đo đạc và lắp ráp nhưng về cơ bản, đều có thể tính tốn và quy về SAG, GAP.

Dịch chỉnh lực cần để ổn định trục chân vịt

Gối đỡ tạm thời

Hình 1.5:

Định tâm hệ trục theo tiêu chí SAP-GAP

- Khoảng dịch chỉnh offset là khoảng nâng, hạ các ổ đỡ và máy chính trong mặt
phẳng vng góc với đường tâm hệ trục so với đường tâm lý thuyết.
- Phương pháp Jack-up là phương pháp sử dụng kích nâng thuỷ lực để thực hiện
quá trình lắp đặt (trục trung gian) và đặc biệt là kiểm tra phản lực trên các ổ đỡ được
thể hiện trên hình 1.6.

Hình 1.6:

Phương pháp Jack-up trên hệ trục

Mục đích nhằm kiểm tra lại các thơng số phản lực trên các gối đỡ so với kết quả
tính tốn của bảng tính định tâm trong điều kiện lắp ráp. Nội dung cơ bản của phương
pháp Jack-up: đặt kích phía dưới trục tại vị trí tâm các ổ đỡ (trên lý thuyết tính tốn),
sau đó kiểm tra phản lực trên các ổ đỡ đó. Giá trị phản lực các gối đỡ đã được tính
tốn và chỉ rõ trong bảng tính định tâm của nhà thiết kế. Quy trình Jack-up được thiết


9

kế bởi nhà máy đóng tàu dựa trên các tính toán của nhà chế tạo và dưới sự giám sát và
yêu cầu của đăng kiểm. Jack-up là yêu cầu gần như bắt buộc đối với tất cả các hệ trục
dài được lắp ráp theo phương pháp tải trọng gối đỡ.
- Đường cong nâng là đường cong thể hiện mối quan hệ giữa áp suất khi nâng
(trong kích thủy lực) và khoảng dịch chuyển của trục trong hành trình nâng (bơm dầu
vào kích).
- Đường cong hạ là đường cong thể hiện mối quan hệ giữa áp suất khi hạ và
khoảng dịch chuyển của trục trong hành trình hạ (hồi dầu ra khỏi kích thủy lực). Sở dĩ

tồn tại đường cong nâng và đường cong hạ là do ma sát tồn tại trong kích thủy lực, nên
với cùng một giá trị dịch chuyển thì khi nâng và khi hạ kích, giá trị áp suất chỉ trên
đồng hồ sẽ khác nhau, và đường cong nâng ln nằm dưới đường cong hạ. Mục đích
cuối cùng của việc xây dựng đường cong nâng, hạ là xác định được đường tuyến tính
thể hiện mối quan hệ giữa áp lực kích và khoảng dịch chuyển. Từ đó có thể xác định
được tải trọng trên ổ đỡ.
- Nghiêng ổ đỡ và doa nghiêng bạc đỡ trục: Đây là hai phương pháp được nhà
chế tạo sử dụng để đảm bảo tiêu chí tải trọng tác dụng trên các ổ đỡ và đảm bảo độ
tiếp xúc giữa trục và bạc theo yêu cầu tải trọng phân bố đều trên diện tích tiếp xúc bạc
và tránh hiện tượng mịn mép bạc. Nghiêng ổ đỡ là điều chỉnh sao cho ổ đỡ trục
nghiêng đi một góc nào đó theo tính tốn của nhà chế tạo, để nghiêng ổ đỡ có thể được
thực hiện bằng cách doa (hoặc cạo bạc), nhưng chủ yếu được thực hiện bằng cách điều
chỉnh bulông tăng chỉnh và chế tạo hoặc đổ căn theo chiều dày điều chỉnh đó (chính là
thay đổi chiều dày lớp căn tại chân ổ đỡ). Với hầu hết hệ trục dài thì việc phải doa
nghiêng bạc là gần như không tránh khỏi. Lượng doa bao nhiêu, góc doa nghiêng bao
nhiêu đều được nhà chế tạo tính tốn cụ thể và chỉ rõ trong bảng tính định tâm hệ trục.
1.2.2. Định tâm hệ trục theo tiêu chí lệch tâm gãy khúc
Khi định tâm theo tiêu chí lệch tâm gãy khúc thì đường tâm của hệ trục (tâm
các gối trục) phải nằm trên một đường thẳng và trùng với tâm lý thuyết xác định được
trong q trình căng tâm và coi hai mặt bích của mối ghép là chuẩn lắp ráp, trên cơ sở
đó điều chỉnh sao cho độ lệch tâm và gãy khúc nằm trong giới hạn mong muốn. Theo
quan điểm này, hệ trục tàu thuỷ là một đường thẳng (hệ trục cứng tuyệt đối) và trùng
với đường tâm lý thuyết. Và tiêu chí của việc định tâm theo phương pháp lệch tâm gãy
khúc là chỉnh đường tâm thực tế của hệ trục trùng với đường tâm lý thuyết trên cơ sở


10

đạt được độ lêch tâm và độ gãy khúc. Giá trị của độ lệch tâm và độ gãy khúc thường
được lấy theo kinh nghiệm hoặc tính tốn, tuỳ theo kết cấu và cách bố trí hệ trục.

- Định tâm theo kinh nghiệm: các trị số của δ và ϕ thường được lấy theo tính
chất của các loại khớp nối và được thống kê và tập hợp thành bảng [3] (với tàu nhỏ giá
trị δ = +/-0,1 mm và ϕ = +/- 0,15 mm/m rất phổ biến và được sử dụng nhiều).
- Định tâm theo tính tốn: các trị số của δ và ϕ được tính tốn cụ thể tùy theo
tính chất của hệ trục, điều kiện định tâm người ta xây dựng bất phương trình thể hiện
mối quan hệ giữa δ và ϕ. Sau đó sẽ xây dựng được đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa δ
và ϕ (dạng tuyến tính). Từ đồ thị này, nếu biết được trị số của một trong hai đại lượng
δ và ϕ thì dễ dàng có được trị số cho phép của đại lượng kia. Do đó δ và ϕ ln ràng
buộc nhau.
Đặc trưng cơ bản của phương pháp định tâm hệ trục theo tiêu chí lệch tâm gãy
khúc là lấy tiêu chí lệch tâm và gãy khúc làm tiêu chuẩn của việc lắp ráp và các giá trị
này luôn đạt giá trị cực tiểu (tức hàm mục tiêu của nó là δ = 0 và ϕ = 0), nhưng không
quan tâm nhiều đến kết cấu của hệ trục, điều đó khơng đảm bảo tuổi thọ, độ bền của hệ
trục trong quá trình hoạt động. Nên phương pháp định tâm này chỉ còn sử dụng cho
các tàu đóng mới cỡ nhỏ trong nước hoặc trong sửa chữa bởi các hạn chế như sau:
- Xem hệ trục tàu thuỷ là hệ cứng tuyệt đối.
- Chưa để ý đến tự trọng bản thân của hệ trục.
- Chưa để ý đến phân bố tải trọng các gối, đặc biệt là gối sau của trục chân vịt.
- Chưa đánh giá đến các yếu tố ảnh hưởng tới hệ trục khi làm việc trong quá
trình định tâm như: ảnh hưởng của sự biến dạng vỏ tàu khi hạ thuỷ, ảnh hưởng của sự
điều chỉnh các khoảng dịch chỉnh của ổ đỡ, ảnh hưởng của trạng thái tàu khi định tâm,
ảnh hưởng của hệ trục, hộp số và máy chính trong các điều kiện làm việc thay đổi khác
nhau, từ “lạnh” sang “nóng” và ngược lại.
1.2.3. Định tâm hệ trục theo tiêu chí tải trọng gối đỡ
Định tâm theo tải trọng gối đỡ là phương pháp định tâm sao cho phụ tải tác
dụng lên các gối đỡ đồng đều nhau (độ chênh lệch nằm trong giới hạn cho phép).
Có tải trọng và ứng suất bổ sung trên là do:
- Sai lệch trong quá trình định tâm hệ trục,
- Do biến dạng vỏ tàu,