Tài liệu Tính dao động xoắn hệ trục tàu thủy bằng phương pháp phần tử hữu hạn doc

    

TÍNH DAO NG XON H TRC TÀU THY
BNG PHNG PHÁP PHN T HU HN

CALCULATE TORSIONAL VIBRATION OF MARINE
PROPULSION SYSTEM BY FINITE ELEMENT METHOD

Ts. Lê ình Tuân
*
, Ks. Nguyn Trí Dng
†
, Ths. Nguyn Anh Quân
a


Khoa K thut Giao thông, i hc Bách khoa Tp.HCM, Vit Nam
(a)
C.ty t vn Tân Bách Khoa – TT ng dng công ngh xây dng REATEC, TP.HCM
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

TÓM TT

H thng đng lc tàu thu bao gm máy chính – h trc – chân vt, phát ra nng lng vn
hành tàu và các thit b trên tàu, làm vic trong điu kin ti trng cao và bin đi theo thi gian. T
đó sinh ra dao đng dc, dao đng ngang và dao đng xon. Trong đó dao đng xon là nguy him
nht. Các dao đng này làm h hng các chi tit trong h trc thm
chí gãy trc, rung đng tàu và gây
thit hi v kinh t trong đóng mi và vn ti. Bng tính dao đng xon là yêu cu bt buc ca các c
quan đng kim. Ti Vit Nam, các bng tính thng đc mua t nc ngoài hoc đc thc hin
bng phng pháp gii tích. Phng pháp gii tích b hn ch v s bc t do và s dng nhiu công

thc ki
nh nghim. Do đó, vic xây dng chng trình tính toán dao đng h trc tàu thy bng
phng pháp phn t hu hn cho các công ty thit k và đóng mi ti Vit Nam nhm tránh các nguy
him nêu trên, gim bt chi phí mua thit k t nc ngoài và dn làm ch đc các công vic thit k
tàu là mt nhu cu cp bách góp phn phát trin ngành công nghip đóng tàu ca Vit Nam.
T khóa: dao đng xon, dao đng h trc tàu thy,
rung đng tàu

ABSTRACT

Marine propulsion system, including main machinery – shaft – propeller, creating power to
operate the ship and equipments, works in high and variable load. Therefore, the lateral, axial and
torsional vibrations occur. Among of them, torsional vibration is the most dangerous. That these kinds
of vibration can result in damage to components in the shafting system, even fracture of shafts, cause
ship vibration and make economic harm in ship building and transportation. Torsional vibration
calculations are asked obligingly by registers. In Vietnam, the calculations are often bought from
foreign countries or carried out by analysis method. This method has restriction of degree of freedom
and uses many experimental formulars. Thus, establishing a calculating torsional vibration program of
marine propulsion system by finite element method for design and shipbuilding companies to avoid
above damage, reduce cost of buying foreign designs and master the design works is necessary
requirement to contribute to development of Vietnam shipbuilding industry.
Keywords: torsional vibration, vibration of marine propulsion system, ship vibration


*
E-mail liên lc:
†

1. GII THIU H TRC TÀU THU

H trc tàu thu có nhim v truyn mômen
xon t đng c đn chân vt tàu thu và nhn
lc đy t chân vt truyn li cho v tàu làm
cho tàu tin hoc lùi. H trc tàu thu gm
nhiu đon trc ni lin nhau và đc đt trên
mt đng thng. Tùy thuc vào công dng và
tính nng
ca tng loi tàu mà tàu có th có
mt hoc nhiu đng trc.
H trc làm vic trong điu kin rt phc tp,
mt đu h trc ni lin vi máy chính, chu
tác đng trc tip ca momen xon t máy
chính, đu kia mang chân vt, chu tác đng
trc tip momen cn ca chân vt trong nc.
Ngoài ra h trc còn chu tác đng bi lc đy


    

ca chân vt, chu tác dng ca trng lng
bn thân trc…Vì vy vic xác đnh ch đ
làm vic ti u ca trc là vic làm quan trng
và cn thit .

1. Máy chính; 2. Trc đng c và khp ni đàn
hi; 3. Hp s; 4. Máy phát đin; 5. Bc trc
và  đ; 6. Trc chân vt; 7. Chân vt
Hình 1: H trc tàu thy

2. C
ÁC KIU DAO NG H TRC

2.1. Dao đng ngang

Trc đc xem nh mt dm liên tc có đ
cng và khi lng phân b không đi xng,
luôn luôn có s mt cân bng trong chuyn
đng quay. Khi trc quay các phn t khi
lng mt cân bng này s chu tác dng ca
lc ly tâm làm cho s lch tâm tr nên ln
hn. Dao đng ngang xy ra khi phng d
ao
đng vuông góc vi đng tâm trc, gây gia
tng ng sut trên h trc, tng đ ln ca
phn lc trong các gi đ là nguyên nhân làm
rung đng kt cu thân tàu, làm gim chc
nng ca ng bao trc và gi đ do s quá
nhit và mài mòn.

2.2. Dao đng dc

Dao đng dc h trc tàu thy đc kích thích
bi lc đy chân vt và lc ca cá
c c cu
khuu đng c. Các lc đy này làm cho h
trc mt n đnh dc dn đn hin tng đon
trc b cong. Dao đng dc rt ít khi gây ra các
h hng nghiêm trng trên h trc. Chúng
thng gây ra các rung đng v tàu do các lc
hot đng ca đng c truyn xung b máy.


2.3. Dao đng xon

Dao đng xon xy ra khi có s thay đi vn
tc góc trc. Khi đó các thành phn có moment
quán tính khi lng dao đng quanh đng
tâm trc. Ngun kích thích dao đng xon bao
gm xung lc do s cháy khí th trong các
xylanh đng c, momen do lc quán tính tnh
tin ca c cu piston-thanh truyn, moment
tác đng lên chân vt.
Tc đ chy tàu gn vi
tc đ cng hng làm cho ng sut trên trc
vt quá gii hn mi dn đn gãy trc, s va
đp mnh gia các rng ca bánh rng dn đn
gãy rng, gim kh nng gim chn ca các
khp ni đàn hi và b gim chn do nhit đ
cao t s tiêu tán nng lng.

3. PHNG PHÁP PT
HH TRONG TÍNH
TOÁN DAO NG XON

3.1. Moment quán tính khi lng và đ
cng xon ca đon trc chu xon

Chuyn v ca vt rn trong chuyn đng quay
đc đo bng ta đ góc quay. Momen phc
hi trong dao đng xon là do s đàn hi ca
trc

l
GJ
M
t
θ
=
(1)
G [N/m
2
]: modul đàn hi trt ca vt liu,
l [m]: chiu dài trc,
J [m
4
]: momen quán tính đc cc ca mt ct
ngang trên trc.

32
4

d
J
π
=
(2)
d [m]: đng kính trc b xon
Trc ng x nh mt lò xo xon có đ cng
xon ph thuc vào kích thc và vt liu trc
theo công thc sau:
l
Gd
l
GJ
M
k
t
t
32
4
π
θ
=== (3)
Momen quán tính khi lng ca đa đc tính
bng công thc sau

g
WDDh
J
o
832

24
==
πρ
(4)
ρ [kg/m
3
]: trng lng riêng,
h [m]: chiu cao,
D [m]: đng kính đa,
W [N]: trng lng đa,

3.2. Thit lp phng trình dao đng
Xét h có n phn t trc có khi lng (hình
2), momen quán tính khi lng ca 1 phn t
đc phân ra tp trung ti hai đu ca phn t
đó. Khi đó ma trn đ cng phn t và ma trn
khi lng phn t ca phn t chu xon th i
có dng sau


    


⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−

−
=
ii
ii
e
kk
kk
K
(5)
k
i
là đ cng phn t th i
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
+1
0
0
i
i
e
J
J
M
(6)
J

i
+ J
i+1
là momen quán tính khi lng ca
phn t trc th i

Hình 2: h dao đng xon n bc t do

Nu ti đu ca các phn t trc tp trung đa
khi lng thì momen quán tính khi lng
ca đa đó đc cng vào ma trn momen
quán tính khi lng phn t tng ng.
Ma trn đ cng kt cu và ma trn momen
quán tính khi lng kt cu có dng sau
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡

−
−
+−
−+−
−
=
nn
n
kk
k
kkk
kkkk
kk
K
000
00
00
00
000
322
2211
11
OO
O
(7)
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥

⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
n
J
J
J
J
M
000
0
000
00
000
3
2
1
L
OOOM
O
MO

L
(8)
Gim chn ca h có th xut hin  phn t
trc hoc ti khi lng tp trung. Ta chn ma
trn gim chn có dng C =
αM + βK, vi α =
10
-7
và β = 10
-5

Phng trình dao đng t do ca h:

0=++
KqqCqM
&&&
(9)
Gii bài toán dao đng t do ta đc tn s
riêng và mode riêng ca h
Phng trình dao đng cng bc ca h:

)(tpKqqCqM =++
&&&
(10)
p(t) là vec t momen ngoi lc tác dng lên h
ti các nút
Gii bài toán dao đng cng bc bng
phng pháp Newmark ta đc góc quay ca
mi nút theo thi gian và ng sut ca phn t
trc theo thi gian

4. MOMENT NGOI LC TÁC DNG
LÊN H DAO NG XON

4.1. Moment kích thích dao đng

Moment xon phát ra t trc khuu do lc khí
th ca đng c


⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+= t
l
r
trPT
ωω
cos1sin (11)


Hình 3: mô hình lc khí th

Moment xon trên trc khuu do lc quán tính

kt

l
r
tt
l
r
r
m
T
B
qt
ˆ
3sin
2
3
2sinsin
22
22
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−−=
ωωωω


Hình 4: mô hình lc quán tính

Tng moment xon do lc quán tính và lc khí

th là moment phát ra trên trc khuu đng c,
là ngun lc làm quay chân vt và to dao
đng xon trên h trc.

4.2. Moment cn ca chân vt


52
DnKQ
Q
ρ
=
(13)
K
Q
: h s momen quay chân vt, xác đnh
bng các đ th thc nghim
ρ [kG.m
-4
.s
2
]: mt đ cht lng (nc sông
hoc nc bin)
n [v/s]: s vòng quay chân vt,
n = n
e
/ i, vi i là t s truyn hp s và n
e
là s
vòng quay đng c

D [m]: đng kính chân vt
H s K
Q
ph thuc vào h s tin J ca tàu.
nD
V
J
P
=
(14)



    

5. CHNG TRÌNH TÍNH DAO NG
XON H TRC TÀU THY

5.1 Gii thut chng trình

Hình 5: s đ gii thut ca chng trình.

5.2 Kt qu tính dao đng xon h trc tàu
du 1250T

Thơng s h thng đng lc tàu du 1250T
a. Máy chính
Model: 3508B.
Nhà sn xut: Caterpillar.
Kiu máy: V type 60 degree.
Cơng sut: 735,40 kW (1000 HP).
S xi lanh: 8.
S thì đng c: 4.
S vòng quay đnh mc:1800 v/ph.
S vòng quay nh nht: 600 v/ph.
S vòng quay ln nht: 1850 v/ph.

ng kính xi lanh: 170 mm.
Hành trình piston: 190 mm.
ng kính trc khyu: 135 mm.
Th t n ca xi lanh: 1-2-7-3-4-5-6-8
b. Hp s
Loi: Nico MGN91BL.
T s truyn: 5.04
c. Trc trung gian
ng kính: 160 mm.
Chiu dài: 1350 mm.
d. Trc chân vt
ng kính: 195 mm.
Chiu dài: 2900 mm.
e. Chân vt
ng kính: 2060 mm.
T s mt đa: 0,55.
T s bc: 0,604.
H s cu to chân vt: 9,1.







Hình 6: Mơ hình dao đng h trc tàu 1250T

Bng 1: thơng s sau mơ hình hóa

Các bc gii ca chng trình













Hình 7: Nhp d liu máy chính

Hình 8: moment kích thích
Dữ liệu động cơ Dữ liệu hệ trục Dữ liệu chân vòt
Tính moment kích
do động cơ gây ra
Chọn số đóa quy dẫn,
quy đổi hệ trục
Tính moment cản do
chân vòt, moment
quán tính chân vòt
Lưu
Lưu Lưu
Tổng hợp thành hệ
dao động đầy đủ
Lưu Lưu Lưu
Tính dao động tự do,
dao động cưỡng bức,
tìm ứng suất xoắn
trong trục
Lưu
Lưu
Kết quả tính dao
động tự do: mode
riên
g, tần số riêng
Kết quả dao động
cưỡng bức: đáp
ứn
g cưỡng bức

Kết quả tính ứng
suất trong trục, áp
dụn
g qui phạm
Stt
Mass ID J (kgm
2
) K
i
(MNm/rad)
D
i
(mm)
1
Flange 38.069 11.637
135
2
Cylinder 18.247 6.779
135
3
Cylinder 11.556 6.779
135
4
Cylinder 11.556 6.779
135
5
Cylinder 18.247 11.637
135
6
Flywheel 633.790 11.637

135
7
Gear 37.431



    









Hình 9: nhp d liu h trc








Hình 10: Nhp d liu chân vt

Hình 11: dao đng t do và cng bc





















Hình 12: tn s riêng và mode ca h

Hình 13: ng sut ca đon trc so vi quy
phm

5.2 Kt qu tính dao đng xon h trc tàu
du 104000T

Machinery Data:
Engine : H.CEGIELSKI-MAN B&W
Type : 6S60 MC-C
Max continuous power (CMCR) : 13560 kW
Max continuous speed (CMCR) : 105 rpm
Minimum speed: 26 rpm
Stroke number: 2
Number of cylinders: 6
Sroke: 2400 mm
Cylinder bore diameter: 600 mm
Mean indicated pressure MIP

CMCR
: 20.03 bar
Oscillating mass per cylinder (m
0
): 5003 kg
Connecting rod ratio (
λ) : 0.488
Flywheel (Turning wheel): J=4982 kgm
2
Tuning wheel: J=20000 kgm
2
Crankshaft journal diameter: 720/150
Crankshaft pin diameter : 720
Cylinder damping coefficient (Rho=
ρ): 0.0085
Shafting:
Intermediate shafts diameter: 515 mm
Propeller shaft diameter: 615 mm.
Tensile strength of shaft material (steel):
Intermediate shafts…… …R
m
≥570 N/mm
2
.
Propeller shaft… ……….R
m
≥515 N/mm
2

Propeller:

Propeller diameter ……7200 mm
Number of blades ..…..5
Pitch ratio (mean) ………..0.6339
Blade area ratio…………..0.609
Moment of inertia in air ..70900 kgm
2
.
Amount of entrained water….18.34%.
Mass………...…………….28400 kg.
Propeller damping factor
(Rho=
ρ)….0.055x0.8=0.044.