Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán dao động và thực nghiệm cho hệ trục chính tàu thủy

Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

LÊ HOÀNG CHÂN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH
TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG VÀ THỰC NGHIỆM
CHO HỆ TRỤC CHÍNH TÀU THUỶ
Chuyên ngành : Chế Tạo Máy
Mã số ngành
: 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, Tháng 9 năm 2005


-2-

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. LÊ ĐÌNH TUÂN

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. NGUYỄN TUẤN KIỆT

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. NGUYỄN TẤN TIẾN

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ........... tháng 9 năm 2005


-3-

Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

LÊ HOÀNG CHÂN

Phái:

Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19 – 09 - 1977

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành:

Mã số:

Chế Tạo Máy

2.01.00

Tên đề tài:Nghiên Cứu Xây Dựng Mô Hình Tính Toán Dao Động và Thực Nghiệm
Hệ Trục Chính Tàu Thuỷ
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Nghiên cứu dao động hệ động lực tàu thủy.

-

Mô hình hoá hệ động lực tàu.

-

Ứng dụng phần mềm MATLAB để giải bài toán dao động hệ trục.

-

Đề xuất mô hình thực nghiệm đơn giản, giải bài toán dao động mô hình bằng
Matlab.

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

07-2004

IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

02-2005

V – HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ ĐÌNH TUÂN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

tháng năm 2005

KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


-4-

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc đến TS. LÊ ĐÌNH
TUÂN - người hướng dẫn, người thầy đã giúp đỡ và chỉ dẫn tôi hoàn
thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi xin cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy – Trường Đại học
Bách khoa TpHCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài
tốt nghiệp của mình.
Tôi xin cảm ơn TH.S LÊ HỒNG VIỆT – Trưởng phòng thiết
kế công ty Tư Vấn vàThiết kế Giao Thông Vận Tải đã cung cấp cho
tôi những số liệu cần thiết để thực hiện đề tài.
Tôi xin cảm ơn các thầy cô trong Khoa Cơ khí và Phòng Sau Đại
Học đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học cũng như làm đề tài.

Thực hiện
LÊ HOÀNG CHÂN


-5-

Tóm tắt:
Đề tài nghiên cứu về dao động của hệ thống động lực tàu thuỷ, bao gồm
dao động dọc, dao động ngang và dao động xoắn, theo mức độ quan trọng tăng
dần. Việc tính toán dao động hệ động lực tàu thuỷ được thực hiện nhờ vào các mô
hình qui đổi từ hệ động lực thực sang hệ tương đương. Ở đây, phương pháp phần

tử hữu hạn là phương pháp tính xuyên suốt được áp dụng cho tất cả các bài toán
đề cập trên. Các phần tử thanh kéo nén, phần tử dầm chịu uốn, chịu xoắn; các
mô-đun tính và hiển thị được xây dựng và áp dụng tính toán cho hệ thống động
lực tàu khách CN120 do Công ty Tư vấn Thiết kế Giao thông Vận tải (trước đây
là Phân Viện Thiết kế Tàu thuỷ phía Nam) cung cấp. Trong khuôn khổ trao đổi
nghiên cứu với Công ty cũng như việc triển khai đề tài nghiên cứu tại Bộ môn Kỹ
thuật Tàu thuỷ, một chương trình tính toán dao động hệ thống động lực trên nền
Matlab cũng được thực hiện. Bên cạnh đó, một mô hình thực nghiệm đơn giản
cũng được nghiên cứu nhằm có được một số đánh giá tối thiểu về dao động xoắn
trục.


-6-

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
Chương 1: Giới thiệu hệ trục tàu thủy ............................................................................13
1.1 Hệ trục tàu thủy ..........................................................................................................13
1.2 Các thành phần của hệ trục .......................................................................................15
1.3 Dao động hệ trục tàu thuỷ..........................................................................................19
1.4.1 Dao động dọc .....................................................................................................19
1.4.2 Dao động ngang .................................................................................................20
1.4.3 Dao động xoắn ...................................................................................................22
Chương 2: Mô hình hoá dao động hệ trục chính tàu thuỷ ........................................... 24
2.1 Dao động dọc của hệ trục tàu thuỷ ............................................................................24
2.1.1 Mô hình hoá .......................................................................................................24
2.1.2 Tính lực dọc trục ................................................................................................25
2.2 Dao động xoắn ............................................................................................................27
2.2.1 Mô hình hoá .......................................................................................................27
2.2.2 Xác định chiều dài tương đương........................................................................28

2.2.3 Xác định khối lượng tương đương......................................................................30
2.2.4 Xác định độ cứng xoắn ......................................................................................32
2.2.5 Xác định momen xoắn .......................................................................................33
2.2.6 Xác định lực cản.................................................................................................34
2.3 Dao động ngang ..........................................................................................................35
Chương 3: Cơ sở lý thuyết cho bài toán dao động hệ trục tàu thuỷ ........................... 36
3.1 Giải bài toán dao động bằng phương pháp giải tích..................................................36
3.1.1 Thành lập phương trình chuyển động ...............................................................36
3.1.2 Hệ một bậc tự do................................................................................................38
3.1.3 Hệ nhiều bậc tự do.............................................................................................44
3.2 Giải bài toán dao động bằng phương pháp PTHH.....................................................52
3.2.1 Các bước tiến hành bài toán PTHH ..................................................................54
3.2.2 Giải bài toán trị riêng và vectơ riêng................................................................54
3.2.3 Dao động cưỡng bức với lực cưỡng bức là lực điều hoà ..................................55
3.2.4 Dao động cưỡng bức với lực cưỡng bức là lực bất kỳ ......................................60
3.3 Thành lập ma trận độ cứng và ma trận khối lượng ...................................................64
3.3.1 Phần tử thanh......................................................................................................64
3.3.2 Phần tử dầm........................................................................................................67
3.3.3 Phần tử chịu xoắn ...............................................................................................71
3.3.4 Khung không gian ..............................................................................................71


-7-

Chương 4: Giải bài toán dao động hệ trục chính tàu chở khách CN120 ...................75
4.1 Hệ trục tàu khách và các thông số cơ bản .................................................................75
4.1.1 Thông số cơ bản của vỏ tàu ...............................................................................75
4.1.2 Thông số cơ bản của động cơ ............................................................................76
4.1.3 Thông số cơ bản của hệ trục..............................................................................76
4.2 Tính dao động xoắn ....................................................................................................77

4.2.1 Chiều dài tương đương.......................................................................................77
4.2.2 Momen quán tính tương đương ..........................................................................78
4.2.3 Độ cứng xoắn tương đương................................................................................79
4.2.4 Momen xoắn do trục khủyu...............................................................................80
4.2.5 Momen xoắn do chân vịt ...................................................................................81
4.2.6 Xác định giảm chấn cấu trúc .............................................................................83
4.2.7 Phương pháp tính................................................................................................85
4.2.8 Kết quả tính........................................................................................................87
4.3 Dao động dọc ..............................................................................................................90
4.3.1 Tính các thành phần tương đương......................................................................90
4.3.2 Lực đẩy chân vịt.................................................................................................91
4.3.3 Kết quả tính........................................................................................................92
4.4 Dao động ngang ..........................................................................................................94
4.4.1 Mô hình tương đương .........................................................................................94
4.4.2 Lực gây ra do động ngang .................................................................................95
4.4.3 Phương pháp tính................................................................................................96
4.4.4 Kết quả tính........................................................................................................98
Chương 5: Mô hình thực nghiệm cho đề tài .................................................................100
5.1 Thiết bị thí nghiệm ....................................................................................................100
5.1.1 Bộ điều khiển tốc độ quay ..............................................................................101
5.1.2 Bộ tạo momen điều hoà ..................................................................................101
5.1.3 Trục và đóa quán tính .......................................................................................103
5.1.4 Cảm biến vị trí LRW2......................................................................................105
5.2 Giải bài toán dao động xoắn cho mô hình bằng PPPTHH ......................................105
5.2.1 Mô hình thực nghiệm .......................................................................................105
5.2.2 Kết quả tính......................................................................................................106
5.3 Phương pháp thực nghiệm và kết quả......................................................................107
5.3.1 Mô tả quá trình thực nghiệm ...........................................................................107
5.3.2 Kết quả thực nghiệm........................................................................................108
5.3.3 Nhận xét kết quả ..............................................................................................109

Kết luận
Tài liệu tham khảo
Phụ lục


8

MỞ ĐẦU
I. GIỚI THIỆU CHUNG
Khi thiết kế hệ thống động lực tàu thuỷ, về mặt dao động, các đặc tính sau
cần được xem xét [15]:
- Các tính toán dao động xoắn, dao động ngang và dọc trục bao gồm việc
phân tích tải tác động (momen xoắn trục, lực cắt và lực dọc) và ứng suất cho
các hệ thống động lực gồm các động cơ dầu, tuabin, động cơ máy phát, ly
hợp mềm, bộ giảm tốc, trục và chân vịt, khi cần thiết , bao gồm tất cả các
phân nhánh, phải được kể đến nhằm có được sự phù hợp với các thiết kế
liên đới. Các ghi chú dẫn dắt cho vấn đề tính toán về các đặc tính của dao
động xoắn có thể tìm thấy trong [15].
- Các đặc tính của buồng máy căn cứ vào miền tốc độ, hoặc căn cứ vào các
tổ hợp vận hành trong hệ thống động lực máy dầu khi có trên một máy.
- Chỉ báo mọi yêu cầu tốc độ ngoại lệ cho chu kỳ làm việc kéo dài, ví dụ
miền số vòng kéo lưới trong 1 phút, miền số vòng vận hành trong 1 phút với
chân vịt biến bước, tốc độ rô đa (ralenti),…
- Các phương pháp tính dao động xoắn, các đặc tính của máy theo yêu cầu
cần được chú ý đến khi lắp đặt máy.
Có thể nói ngoài các yếu cầu chung của qui phạm về hệ thống động lực, việc tính
toán dao động chiếm một khối lượng đáng kể và giữ một vai trò quan trọng trong
thiết kế tàu. Nó không chỉ giúp người kỹ sư thiết kế đi theo đúng đường lối để có
được một hệ thống động lực thoả mãn các yêu cầu đăng kiểm mà còn, trong
nhiều trường hợp, cung cấp các giải pháp mới về bố trí hệ thống động lực. Chúng

ta nói đến việc tối ưu hoá hệ thống này.


9

Hệ trục chính tàu thuỷ được đặt trên các gối đỡ nối chân vịt với máy chính tạo
lực đẩy giúp tàu hoạt động. Khi tàu hoạt động, có nhiều nguồn sinh ra dao động
nhưng dao động có nguồn gốc từ hệ thống động lực là đáng kể nhất. Thật vậy,
dao động trong hệ trục chính làm ảnh hưởng đến rung động toàn tàu, giảm công
suất máy chính, thậm chí dẫn đến gẫy trục, rạn nứt vỏ tàu, giảm tuổi thọ của các
chi tiết liên quan,...Đó là chưa kể các tác hại trực tiếp đến người vận hành máy.
Mối quan tâm đến dao động hệ trục - chân vịt tàu thuỷ vì vậy được xem là quan
trọng nhất trong bài toán rung động tàu.
Tổng quát, khi nghiên cứu một hệ dao động, các bài toán sau đây cần được
xem xét:
• Bài toán trị riêng: xác định các tần số riêng ωp của hệ và các dạng dao
động tự do tương ứng với mỗi tần số riêng ωp.
• Dao động cưỡng bức: xác định biên độ dao động do các lực cưỡng bức
gây ra.
• Giải pháp khử rung, giảm chấn và xét độ bền của hệ trục trong miền tốc
độ khai thác [ωmin, ωmax]
Có hai lối tiếp cận các bài toán trên:
Thực nghiệm:
Các thiết bị để đo dao động trong hệ trục thực được sử dụng. Đo trên hệ thực
là phương pháp thực nghiệm không thể thiếu để kiểm nghiệm tính đúng đắn của
các phương pháp mô hình hoá hệ trục (ví dụ bằng phương pháp tính số). Ngoài ra
từ kết quả thu được dẫn ta tới các hiện tượng dao động mới mà lý thuyết chưa đề
cập đến. Kết hợp giữa mô hình hoá và thực nghiệm sẽ giải thích các hiện tượng
mới này. Kỹ thuật cập nhật mode (modal updating) là một trong các kỹ thuật tiêu
biểu. Điểm hạn chế của phương pháp này là không phải lúc nào ta cũng tổ chức

10

đo được thực nghiệm vì có những chế độ làm việc hoặc nhiều vị trí ta không thể
đo được trên hệ trục, đó là chưa kể đến chi phí đáng kể để tổ chức và tiến hành
đo thực nghiệm.
Mô hình hoá:
Để khắc phục các hạn chế của phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu dao
động hệ trục qua các mô hình tương đương là giải pháp hữu hiệu. Hệ trục được
mô phỏng thành hệ động học tương đương (mô hình vật lý), bước tiếp theo, nó
được biểu diễn bằng một hệ phương trình vi phân (mô hình toán học). Các kết
quả nhận được từ việc giải bài toán dao động cho hệ tương đương.
Một hướng mới đang được quan tâm và phát triển trong những năm gần đây là
dùng các tín hiệu dao động để xác định trạng thái kỹ thuật máy [18]. Khi những
chi tiết trong máy móc đang chuẩn bị bước sang giai đoạn hỏng hóc thì nền dao
động sẽõ thay đổi. Như vậy, nếu ta kịp thời phát hiện những khác biệt của dao
động sẽ chuẩn đoán được tình trạng máy, đưa ra những quyết định hợp lý. Đó là
các kỹ thuật chẩn đoán máy.
II. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN
Vì những yêu cầu thực tế nêu trên, luận văn sẽ xem xét các vấn đề sau:
• Tìm hiểu dao động hệ trục chính tàu thủy;
• Thiết lập mô hình toán học cho việc tính dao động;
• Xác định các lực gây ra dao động phù hợp với thực tế;
• Giải bài toán dao động bằng phương pháp phần tử hữu hạn;
• Thực nghiệm trên mô hình đơn giản để có thể đưa ra những kết luận cần
thiết.


11

III.

GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN

Phương pháp mô hình hoá bài toán dao động là phương pháp phổ biến, tuy
nhiên khi xem xét dao động của một hệ trục thực tế thì ta thường không có đủ
những thông số cần thiết để tính toán (thông số hình học của trục khuỷu động cơ,
các lực gây ra dao động, hệ số giảm chấn,…). Do đó kết quả tính toán không
được chính xác.
IV.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Hiện nay việc nghiên cứu dao động trong hệ thống động lực tàu thủy còn chưa
được quan tâm đúng mức. Việc tính toán để tìm đáp ứng của hệ dao động chỉ dựa
vào các công thức thực nghiệm và gần đúng hoặc mang tính cách kiểm nghiệm
chưa thật sự được đặt ra thành một đề tài nghiên cứu. Tại các cơ quan thiết kế tàu
hiện nay ở nước ta, việc tính dao động hệ trục tàu thuỷ được thực hiện theo các
bước chính sau:
- Qui đổi hệ trục thật sang hệ tương đương;
- Tính qui đổi hệ nhiều khối lượng sang hệ có (chỉ) 2 hoặc 3 khối lượng;
- Tính dao động cho hệ qui đổi giản đơn này, thông thường bằng phương
pháp giải tích;
- Hiệu chỉnh kết quả tính toán bằng cách nhân với các hệ số thực nghiệm;
Tính toán dao động hệ trục tàu thuỷ theo phương pháp trên cho ta kết quả không
được chính xác vì khi tính qui đổi như thế đã bỏ qua nhiều thành phần trong hệ
trục thật đồng thời khi hiệu chỉnh kết quả bằng các công thức, hệ số thực nghiệm
cũng không thể phù hợp cho tất cả các loại hệ động lực tàu. Chưa kể là cách làm
này phá vỡ tính xác thực của hệ cơ. Vì vậy việc qui đổi từ hệ trục thật sang hệ
tương đương được thực hiện càng xác thực sẽ cho kết quả tốt hơn rất nhiều. Tuy

12

nhiên việc giải bài toán dao động nhiều bậc tự do bằng phương pháp giải tích là
việc làm không thực tế do khối lượng tính toán quá lớn.
Lãnh vực dao động nói chung và dao động hệ trục chân vịt tàu thuỷ nói riêng
đã được nghiên cứu nhiều. Về dao động hệ trục chân vịt tàu thuỷ cũng đã có
những phần mềm chuyên dụng, tiêu biểu như phần mềm của đăng kiểm DNV
(Hình 1.1).

Hình 1.1 - Dao diện chương trình tính dao động hệ trục

Qua việc tham khảo phần mềm của DNV ta nhận thấy rằng việc tính dao động hệ
trục chân vịt cũng được thực hiện bằng cách qui đổi từ hệ thực sang hệ tương
đương và tính dao động cho hệ này. Đây cũng là hướng tính toán dao động hệ
trục chính tàu thuỷ được chọn trong đề taøi naøy.


13

Chương 1.

GIỚI THIỆU HỆ TRỤC CHÍNH TÀU THỦY

1.1. HỆ TRỤC TÀU THỦY
Hệ trục tàu thuỷ có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ động cơ đến chân vịt tàu
thuỷ (Hình 1.1) và nhận lực đẩy từ chân vịt truyền lại cho vỏ tàu làm cho tàu tiến
hoặc lùi.

Hình 1.1: Hệ trục - chân vịt
Hệ trục tàu thuỷ gồm nhiều đoạn trục nối liền nhau và được đặt trên một đường

thẳng. Tùy thuộc vào công dụng và tính năng của từng loại tàu mà tàu có thể có
một hoặc nhiều đường trục, ví dụ như ở các tàu quân sự cần tốc độ cao nên
thường được bố trí 4 đến 5 đường trục, ở các tàu trọng tải nhỏ thường chỉ được bố
trí một đường trục [3],[6].
Hệ trục làm việc trong điều kiện rất phức tạp, một đầu hệ trục nối liền với máy
chính, chịu tác động trực tiếp của momen xoắn từ máy chính, đầu kia mang chân
vịt, chịu tác động trực tiếp momen cản của chân vịt trong nước. Ngoài ra hệ trục
còn chịu tác động bởi lực đẩy của chân vịt, chịu tác dụng của trọng lượng bản
thân trục…Vì vậy việc xác định chế độ làm việc tối ưu của trục là việc làm quan
trọng và cần thiết .


14

Sau đây là sơ đồ hệ trục một đường trục (Hình 1.2):
11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1.Chân vịt

2.Giá treo chân vịt

3. Trục chân vịt

4. Vách đuôi

5.Ống bao

6. Bích nối trục

7. Ổ đỡ trục

8. Trục trung gian

9. Ổ lực đẩy

10. Trục đẩy

11.Máy chính

Hình 1.2 - Hệ trục tàu thủy

1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ TRỤC
Hệ trục tàu thủy sẽ có các thành phần chính sau:
a. Trục chân vịt
Trục chân vịt (hình 1.3) nằm về phiá đuôi tàu có gắn chân vịt và làm
việc trong điều kiện tiếp xúc với môi trường nước, do đó kết cấu của trục
chân vịt thường phức tạp hơn so với các đoạn trục khác.

Hình 1.3 - Trục chân vịt.


15

b. Trục trung gian
Là trục hoặc các đoạn trục nối từ trục đẩy đến trục chân vịt, có nhiệm vụ
truyền momen xoắn đến chân vịt. Tuỳ theo việc bố trí buồng máy mà hệ trục tàu
thủy có thể có hoặc không có trục trung gian, nếu hệ trục dài thì đường trục có
thể có một hay vài trục trung gian. Người ta thường dùng thép cacbon để chế tạo
trục trung gian. Kết cấu trục trung gian là một đoạn trục thẳng được nối với các
đoạn trục khác trong đường trục bằng bích rời hay liền.Vì điều kiện làm việc của
trục trung gian thường nhẹ nhàng nhất so với các trục khác do đó thường có
đường kính nhỏ nhất trong đường trục tàu thủy.
c. Trục đẩy
Trục đẩy có nhiệm vụ chặn lực đẩy từ trục chân vịt thông qua vành chặn
lực, trục được lắp trực tiếp vào ổ đỡ chặn, một đầu nối với trục trung gian
còn đầu kia nối với bộ giảm tốc hay máy chính. Chiều dài của trục đẩy phụ
thuộc vào từng loại tàu. Vật liệu chế tạo trục là dùng thép cabon có giới hạn
bền giống như trục trung gian.
d. Gối đỡ
Gồm có gối đỡ trục trung gian và gối lực đẩy. Gối lực đẩy có nhiệm vụ
truyền lực đẩy từ trục chân vịt xuống vỏ tàu. Trục chân vịt thường có từ 1 đến 4

gối đỡ. Vật liệu chế tạo gối trục thường bằng hợp kim, gỗ, chất dẻo, cao su.
Chất bôi trơn được dùng sẽ tuỳ thuộc vào vật liệu làm gối, chẳng hạn như ta có
thể dùng nước để bôi trơn và làm mát cho các gối làm bằng vật liệu: gỗ gaiắc,
chất dẻo, cao su. Còn nếu dùng hợp kim, bạc đồng hay ổ bi thì phải dùng dầu
nhờn để bôi trơn và làm mát.


16

e. Ống bao trục
Có nhiệm vụ đỡ trục, bảo vệ trục, ngăn cách trục với nước biển và với không
gian bên trong tàu. Các gối đỡ được lắp ngay trong ống bao, cụm kín ống bao
và các chi tiết khác để cố định thiết bị vào vỏ tàu
f. Cụm làm kín ống bao
Là bộ phận làm kín nước, không cho nước từ ống bao trục lọt vào tàu,
đối với các tàu nhỏ thì bộ phận kín nước này được gắn liền với đầu trục chân
vịt.
g. Phanh hệ trục
Có nhiệm vụ phanh, hãm hệ trục khi xảy ra sự cố hoặc khi cần giảm
quán tính quay của hệ trục, trường hợp tàu có nhiều hệ trục thì phanh có tác
dụng điều phối hoạt động của các hệ trục.
h. Thiết bị nối trục
Một đường trục có rất nhiều đoạn trục cấu thành do đó để nối các đoạn
trục tạo thành một đường trục người ta thường dùng các loại bích để nối chúng
lại, có các loại bích nối như sau:
¾ Bích rèn:
Bích có thể rèn liền hay hàn trực tiếp lên trục. Bích rèn liền có kết cấu
đơn giản, làm việc tin cậy, trọng lượng nhẹ, giá thành thấp. Bích hàn được
dùng trong hệ trục chủ yếu do kinh nghiệm sử dụng còn thiếu và chưa xác
định được chính xác độ bền mỏi.

Một chi tiết trong bích thường được lựa chọn cẩn thận đó là các bulông
nối bích. Có hai loại bulông nối bích đó là bulông trụ và bulông côn. Yêu
cầu chung cho tất cả các bulông nối bích là phải là bulông chính xác.


17

¾ Bích rời:
Thông thường thiết bị nối trục dùng bích liền. Nếu do kết cấu của nó hay
là vì nguyên nhân nào đó trục chân vịt khó lắp từ phía đuôi tàu hoặc các
gối đỡ là vòng bi thì cần phải dùng bích rời.
Đường kính bích rời lớn hơn bích liền do đó bích nối trục trung gian với
trục chân vịt phải tương ứng. Giữa trục trục và bích nối với nhau bằng then.
Sức chống xoắn của bích lớn hơn bản thân trục.
Mặt tiếp xúc giữa bích và đoạn côn của trục phải được gia công với độ
bóng cao và đòi hỏi phải kín khít.
¾ Ống kẹp trục:
Dùng để liên kết hệ trục trong trang bị động lực có công suất nhỏ và vừa.
Ống kẹp trục được kết cấu bởi hai ống nửa tròn, mặt phẳng của hai nửa
ống ôm chặt trục và được ghép bằng nhiều bulông. Ống kẹp trục dựa vào
ma sát để truyền môment nhưng do moment xoắn thường tương đối lớn nên
phải lắp thêm then và để cách nhau 1800. Lúc gia công cơ khí nửa trên và
dưới phải đặt đệm lót, khi lắp lên trục căn đệm được tháo bỏ ra, giữa hai
nửa trên và dưới tồn tại khe hở nhất định và tạo khả năng ôm chặt nhờ tạo
nên lực ma sát tương đối lớn.
Ống kẹp trục có kích thước tiết diện nhỏ hơn bích rời, khi tháo không cần
quay trục vì thế thuận tiện cho việc tháo lắp ở khu vực chật hẹp và khó
khăn. Nhưng so với bích liền, ống kẹp trục lớn hơn từ 1.5 đến 5 lần do đó
trong trường hợp thông thường không dùng ống kẹp trục.

18

1.3 DAO ĐỘNG HỆ TRỤC TÀU THUỶ
Các dạng dao động chính của hệ trục tàu thuỷ: dao động dọc, dao động ngang và
dao động xoắn. Ta lần lượt xét đến từng trường hợp dao động và ảnh hưởng của
nó đến hệ trục tàu thuỷ.
1.3.1 Dao động dọc
Chân vịt tàu quay trong nước tạo ra lực đẩy giúp tàu hoạt động, lực đẩy do chân
vịt tạo ra tác dụng lên trục làm cho hệ trục mất ổn định dọc. Khi lực dọc trục vượt
quá giới hạn cho phép (đạt trạng thái tới hạn) sẽ làm cho trục bị cong, do đó khi
thiết kế hệ trục tàu thuỷ người ta phải chú ý đến vấn đề này. Trong thực tế vấn
đề hư hỏng hệ trục do lực dọc trục rất ít khi xảy ra [3].
Khi tính toán lực tới hạn trong dao động dọc trục tàu thuỷ, hai giả thiết sau được
đề cập [3],[6]: lực hướng trục đi qua tâm trục, mặt cắt của trục không thay đổi.
L
PMAX

Hình vẽ 1.4 - Dao động dọc trục tàu thuỷ
Lực dọc trục tới hạn được tính theo công thức sau:
Pth =

π 2 EJ
L2

(1 −

2
nmax
)

nth

[kG ] ,

trong đó:
L - khoảng cách giữa hai gối đỡ trục [cm],
E - modun đàn hồi của vật liệu [kG/cm2],
J - momen quán tính tiết diện mặt cắt của trục [cm4],
nmax - vòng quay lớn nhất của trục [v/ph]
nth - vòng quay tới hạn của trục khi dao động ngang [v/ph]

(1.1)


19

1.3.2 Dao động ngang
Hệ trục tàu thuỷ có thể xem là một dầm liên tục có nhiều gối đỡ, với số vòng
quay nhất định nào đó trên trục xuất hiện hiện tượng nhảy không ổn định.
Nguyên nhân của hiện tượng trên là do trục di động trong phạm vi khe hở của gối
trục, và do trọng tâm của trục không trùng với tâm quay. Vận hành trục trong tình
hình đó sẽ làm cho trục bị hư hỏng sớm, gối trục bị mòn và gây ra rung động cho
vỏ tàu. Vòng quay làm cho trục bị hiện tượng trên gọi là vòng quay tới hạn. Để
hiểu rõ hơn, ta xét trường hợp cụ thể sau (Hình1.5):

B

O
O’

q

S
S’

A

yo

e
e

Hình vẽ1.5: Dao động ngang trục tàu thuỷ.
Xét đoạn trục AOB có chiều dài l, trọng lượng đơn vị theo chiều dài là q. Dưới
tác dụng của trọng lượng bản thân, trục sẽ bị võng xuống một đoạn y0=OO’,
đường tâm trục sẽ là AO’B. Nếu không có ngoại lực trục sẽ duy trì độ võng y0.
Mặt khác do sai số gia công, sai số khi lắp ghép, mật độ vật liệu trục không đồng
đều do đó trọng tâm thực tế của hệ trục không trùng với trọng tâm lý thuyết và
trọng tâm thực tế của hệ trục là S (hình vẽ), vì vậy khi trục làm việc, trọng tâm S
sẽ quay quanh O với bán kính SO’= e.


20

Khi trục quay trọng lượng bản thân trục tạo nên lực li tâm C và gây nên độ võng
y, vòng quay của trục càng cao thì lực li tâm càng lớn, độ võng càng tăng lên. Và
y sẽ đạt ymax khi lực li tâm bằng với phản lực đàn hồi của trục. Ta có thể tính
được độ võng của trục theo công thức sau [3]:
mω 2 e
y=

α − mω 2

(1.2)

trong đó:
m = G/g, G - trọng lượng trục [N],
g - gia tốc trọng trường,

ω - tốc độ góc của trục [rad/s],
e - khoảng lệch tâm [cm],

α - hệ số tỷ lệ đàn tính của vật liệu.
Hệ sốα được tính bằng công thức sau:
α=

EJ 4
π
l3

(1.3)

E - modun đàn hồi của vật liệu [kG/cm2],
J - momen quán tính của tiết diện mặt cắt ngang trục [cm4]
l - chiều dài trục [cm]
Công thức trên cho thấy tốc độ góc ω tăng thì độ võng y cũng tăng, nếu
ω = ωk =

α
m

thì y sẽ lớn vô tận. Vì vậy việc xác định ωK trong quá trình tính toán

thiết kế hệ trục tàu thuỷ là vô cùng quan trọng.


21

1.3.3 Dao động xoắn.
Dao động xoắn có ảnh hưởng đến hệ trục rõ rệt nhất. Đây cũng là dạng dao động
được chú ý nhất. Trong quá trình khai thác, hiện tượng gãy trục tàu thuỷ do dao
động xoắn không phải là ít, dao động xoắn làm cho trục chịu một ngoại lực rất
lớn có tính chu kỳ dẫn đến hiện tượng mỏi của vật liệu và trục bị phá hoại.
Momen gây nên dao động xoắn của hệ trục chân vịt tàu thuỷ gồm các momen
sau: momen do áp suất khí cháy trong động cơ, momen do lực quán tính tịnh tiến
của cơ cấu pittong-thanh truyền và momen do chân vịt tạo ra. Ta tìm hiểu qua các
thành phần momen trên.
a. Momen do áp suất khí cháy và do quán tính trục khuỷu-thanh truyền [2]

p1

Ptt

β
α

R

Tkh
ptt

Moment xoắn (kN.m)

Pkh

Moment khí thể:
Moment quán tính:
Tổng moment:

Góc quay trục khuỷu (0)
Pkh - lực khí cháy
Tkh - lực tiếp tuyến gây ra dao động
Hình 1.6. Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
trong động cơ đốt trong.

¾

Khi động cơ làm việc trên mỗi khuỷu trục đều có lực tiếp tuyến T (hoặc

moment xoắn M) và lực pháp tuyến Z tác dụng. Các lực này tác dụng có tính chất
chu kỳ và do hợp lực khí thể và lực quán tính sinh ra. Chu kỳ thay đổi của chúng


22

đối với động cơ 4 kỳ 1 xylanh là 4π, đối với động cơ 2 kỳ 1 xylanh là 2π. Các lực
tác dụng này gây nên phụ tải thay đổi theo chu kỳ, vì vậy gây ra dao động trong
hệ trục khuỷu động cơ đốt trong.
¾

Lực tiếp tuyến T và moment xoắn M gây ra dao động xoắn của trục khuỷu

cũng giống như trong bất kỳ cơ cấu đàn hồi nào có khối lượng.
¾

Thông thường tần số dao động dọc của hệ trục khuỷu rất cao, theo kết quả

thí nghiệm, tần số dao động của trục khuỷu của động cơ 6 xylanh thông thường là
110 ÷ 150 Hz, lớn hơn tốc độ quay thông thường của động cơ đốt trong rất nhiều
nên thường không xét đến dao động này. Trái lại, dao động xoắn của trục khuỷu
thường xuất hiện trong phạm vi tốc độ sử dụng của động cơ, vì thế nếu không tìm
cách loại trừ sẽ gây nên tác hại rất lớn.[2]
¾

Dao động xoắn sinh ra khi không có các lực hoặc các moment bên ngoài

gọi là dao động xoắn tự do. Tần số dao động xoắn tự do của hệ trục khuỷu quyết
định bởi hình dạng hình học, kích thước và độ đàn hồi của các bộ phận của hệ
trục khuỷu [2]. Nếu tần số dao động tự do của hệ trục khuỷu có quan hệ nhất
định đối với quy luật thay đổi của lực khí thể và lực quán tính, hệ trục khuỷu sẽ
phát sinh cộng hưởng. Tốc độ khi động cơ phát sinh cộng hưởng gọi là tốc độ giới
hạn. Trong trường hợp này biên độ dao động xoắn tăng lên rất lớn. Nếu biên độ
này vượt quá giới hạn cho phép, ứng suất do nó gây ra sẽ phá hủy trục khuỷu. Vì
vậy mục đích nghiên cứu dao động xoắn là tìm biện pháp tránh cộng hưởng, nếu
vì điều kiện không thể khử hoàn toàn dao động xoắn thì phải tìm biện pháp giảm
dao động đến mức độ nhỏ nhất.
¾

Do kết cấu của trục khuỷu rất phức tạp nên tính toán dao động xoắn gặp

khá nhiều khó khăn. Hơn nữa, hệ thống cơ cấu do động cơ dẫn động cũng khá

23

phức tạp và có ảnh hưởng tới dao động xoắn của trục khuỷu động cơ nên trong
quá trình tính toán dao động xoắn cần phải xét đến ảnh hưởng này.
¾

Đối với lực quán tính chỉ xét cho trường hợp động cơ 1 xylanh vì với động

cơ nhiều xylanh nói chung các momen quán tính đã tự cân bằng.
b. Momen do chân vịt
Qua thực tế cho thấy momen cản do chân vịt tạo ra không phải là hằng số, nó có
quan hệ với hình dáng phía đuôi tàu, phụ thuộc vào vị trí đặt chân vịt và khoảng
cách từ chân vịt đến vỏ tàu [7]. Thực nghiệm cho thấy biên độ momen cản của
chân vịt thường tương đối nhỏ. Do đó trong quá trình tính toán, người ta chỉ tính
đến momen cản của chân vịt khi trên hệ thống không còn momen cản nào lớn
hơn.


24

Chương 2:

MÔ HÌNH HOÁ DAO ĐỘNG HỆ TRỤC
CHÍNH TÀU THUỶ

2.1 MÔ HÌNH HOÁ DAO ĐỘNG DỌC CỦA HỆ TRỤC CHÍNH TÀU THUỶ
2.1.1 Mô hình hoá
Dao động dọc trục tàu thuỷ do lực đẩy chân vịt gây ra, để tính dao động dọc trục

ta phải qui đổi từ hệ trục thực sang mô hình động lực học tương ứng.
Hệ trục khuỷu-thanh truyền liên kết với trục chân vịt qua bích nối, ta có thể mô
hình hoá hệ trục thành hệ lò xo có độ cứng tương đương (ki) và các khối lượng tập
trung (mi) tại các vị trí tương ứng (Hình 2.1).

Hình 2.1 - Mô hình hệ động lực tàu thuỷ và mô hình tính dao động dọc


25

Việc tính dao động dọc cho mô hình trên đồng nghóa với việc xác định các khối
lượng, độ cứng tương đương và lực đẩy chân vịt.
Độ cứng tương đương các đoạn trục được tính như sau [12]:
ki =

π Ed i2
4 Li

(2.1)

[ N / m]

trong đó:
E - Modun đàn hồi của vật liệu

[N/m2]

di - đường kính

[m]

Li - chiều dài đoạn trục tương ứng

[m]

Độ cứng tương đương đoạn trục côn được tính nhö sau :
kt =

πEd1 d 2

(2.2)

[ N / m]

4 Lt

trong đó:
E: Modun đàn hồi của vật liệu

[N/m2]

d1: Đường kính mút nhỏ của trục côn

[m]

d2: Đường kính mút lớn của trục côn

[m]

Lt: Chiều dài đoạn trục côn

[m]

2.1.2 Xác định lực dọc trục do chân vịt gây ra
Chân vịt hoạt động trong nước, lực đẩy chân vịt trong nước phụ thuộc vào rất
nhiều thông số [7]:
Lực đẩy chân vịt có thể biểu diễn như sau:
⎛ V ⎞⎛ η ⎞
⎟
T = ρ .n .D ⎜ P ⎟⎜⎜
2 ⎟
⎝ nD ⎠⎝ ρnD ⎠
2

trong đó:

4

f

⎛ p0 − e ⎞
⎜⎜ 2 2 ⎟⎟
⎝ ρn D ⎠

g

(2.3)