Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế tàu hút bùn
CHƯƠNG 5:TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHAO5.1. NHIỆM VỤ, YÊU CẦU ĐỐI VỚI VIỆC CHẾ TẠO PHAO:- Phao là một bộ phận quan trọng đối với tàu hút bùn, nó là “nền tảng” là “mặt bằng” để bố trí tất cả các thiết bò khác: cụm bơm, cụm phay… của tàu hút bùn.- Phao được chế tạo phải thõa mãn các yêu cầu sau:+ Đảm bảo tính nổi, tính ổn đònh trong các tính huống bất lợi nhất của thiết bò.+ Đảm bảo độ bền.+ Đảm bảo kết cấu nhỏ gọn, dễ tháo lắp, tạo điều kiện dễ dàng khi vận chuyển từ xưởng tới nơi làm việc hay từ nơi làm việc này tới nơi làm việc khác.5.2. ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC PHAO:Ta chọn kết cấu phao gồm 1 phao chính và 2 phao phụ:+ Phao chính có chiều dài 1,8m; chiều rộng 2m.+ Phao phụ: ta nhận thấy tiết diện phao hình tròn sẽ chòu lực tốt hơn là tiết diện phao hình chữ nhật, tuy nhiên tiết diện hình chữ nhật đơn giản trong việc chế tạo nhưng ở luận văn này em nhận thấy rằng toàn bộ thiết bò đều đặt trên phao chính còn 2 phao phụ chỉ có tác dụng trong việc đảm bảo tính nổi, tính ổn đònh của phao. Nếu phao chính cần có tiết diện hình chữ nhật để dễ chế tạo và nhất là tạo nên bề mặt bằng phẳng nhằm bố trí, lắp đặt thiết bò thì ở 2 phao phụ em chọn tiết diện hình tròn. Tuy nhiên nếu dùng thép tấm để cuộn lại thành hình tròn sẽ đưa đến chi phí nguyên vật liệu, công sức khá cao nên em dùng các thùng phi ghép lại để tạo nên 2 phao phụ tròn. Với giá cả hiện nay thì việc dùng thùng phi ghép lại tạo 2 phao phụ sẽ rẽ hơn rất nhiều so với việc dùng thép tấm để tạo nên phao có tiết điện hình chữ nhật hay tròn. 66 5.2.1. Thùng phi có kích thước và khối lượng như sau:Hình 5.1 – Kích thước thùng phi.- Khối lượng 1 thùng phi: kgG 25=- Bề dày tấm tôn làm thùng phi: mm7,1=δ5.2.2. Kích thước phao được chọn như sau:- Phao chính hình chữ nhật.- Phao phụ do 3 thùng phi ghép lại tạo thành.Hình 5.2 – Kích thước phao.5.3. TÍNH TOÁN SỰ NỔI VÀ ỔN ĐỊNH CỦA PHAO:5.3.1. Các đònh nghóa cơ bản:- Mớn nước: là giao tuyến giữa mặt nước và phao.- Mặt nổi: là mặt phẳng có chu vi là đường mớn nước. 67 - Trục nổi z-z: là trục thẳng góc mặt nổi và đi qua trọng tâm phao.- Trục nghiêng ngang y-y: là trục dọc phao đi qua trọng tâm phao.- Trục nghiêng dọc x-x: là trục ngang đi qua trọng tâm phao.Hình 5.35.3.2. Tính ổn đònh của phao:Tính ổn đònh của phao là khả năng phao quay về vò trí ban đầu khi lực tác dụng (ngoại lực) làm cho phao bò nghiêng không còn nữa.- Tính ổn đònh của phao khi bò nghiêng ngang (quanh trục y-y) một góc θ gọi là tính ổn đònh ngang.- Tính ổn đònh của phao khi bò chúi dọc (quanh trục x-x) một góc ϕ gọi là tính ổn đònh dọc.Rõ ràng khi thay đổi vò trí của thiết bò so với vò trí cân bằng ban đầu làm nảy sinh 2 momen có xu hướng chống đối nhau.Momen ổn đònh hình dáng 1M có khuynh hướng đưa thiết bò về vò trí cân bằng ban đầu, có thể tính như sau:Khi phao nghiêng (hay chúi) thì có một khối nước hình nêm thoát ra và có một khối nước hình nêm khác thay vào (phần gạch chéo hình 5.5)Lực đẩy nguyên tố của cột nước nhỏ cách trục phao 1 đoạn x:θγθγγ . xdFtgxdFdv== (5.1)(vì θ nhỏ nên θθ≈tg) 68 Lực đẩy nguyên tố này gây nên momen nguyên tố đối với tâm quay O một lượng:θγγ .21dFxxdvdM== (5.2) IdFxdFxMFF 00221θγθγθγ===⇒∫∫ (5.3)Với ∫=0.2FdFxI: momen quán tính của mặt nổi đối với trục y-y.- Momen 2M:θθ sin 2aGaGM== (5.4) (vì θ nhỏ nên θθ≈sin)Trong đó:G: trọng lượng thiết bò, VG .γ= (V là thể tích phần nước do phao chiếm chỗ)a: khoảng cách giữa hai điểm đặt lực G và Dθγ .2aVM=⇒Gọi M là momen ngoại lực tác dụng làm phao bò lệch một góc θ. Điều kiện cân bằng là:θγθγ .21aVIMMM−=−=(5.5)−=−=⇒IaVIMaVIM.1 γγγθ(5.6)Khi ở trạng thái cân bằng thì trọng tâm G của thiết bò và tâm đẩy D (điểm đặt của lực đẩy Acsimet tác dụng lên phao) cùng nằm trên trục nổi z-z. Khi có tác dụng của ngoại lực làm cho thiết bò bò nghiêng (hay bò chúi) thì tâm đẩy D sẽ dời sang vò trí D’ và cắt trục nổi tại M.Hình 5.4 69 Hình 5.5Hay:αγθ IM=Với IaV.1−=αĐộ chìm phao cách trục phao y-y một đoạn x là:αγθγ IxMxM==(5.7)Ta nhận thấy rằng: đối với việc tính toán ổn đònh ngang (nghiêng quanh trục y-y) ta cho phao cân bằng ở trạng thái không làm việc bằng cách bố trí các cụm thiết bò đối xứng qua đường tâm y-y, sau đó khi làm việc do có sự di chuyển vò trí của 2 công nhân sẽ gây nên momen ngoại lực làm cho phao bò nghiêng một góc θ. Ta tính toán kiểm tra góc θ và xem mức nước ngập phao hay không.Đối với việc tính toán ổn đònh dọc thì ngược lại ta tính toán thêm đối trọng để phao cân bằng ở vò trí làm việc, khi không làm việc do: '22BByy >(5.8)Với: By2: lực tác dụng của dàn phay lên trục T khi phao không làm việc, kGyB8,6232,473,288.22=+=. '2By: lực tác dụng của dàn phay lên trục T khi phao làm việc, kGyB6,5763,288.22'==. 70 Đồng thời lúc bấy giờ xảy ra trường hợp 2 công nhân rời vò trí làm việc đi về phía sau nơi 2 cọc neo do đó cũng gây nên 1 momen ngoại lực ngược hướng với momen do )22('BByy− gây nên.Ta tính toán xem góc chúi ϕ có nhỏ hơn góc chúi cho phép [ ]ϕ không? xem mớn nước có ngập phao không?Tóm lại: việc tính toán ổn đònh ngang và dọc theo 2 trạng thái:- Tính toán ổn đònh dọc theo trạng thái không làm việc- Tính toán ổn đònh ngang theo trạng thái làm việc.a. Tính toán ổn đònh dọc theo trang thái không làm việc:- Tính toán khối lượng tải trọng đặt sau phao để cân bằng phao ở trạng thái làm việc:+ Xác đònh trọng tâm của phao:Ta giả thiết khối lượng phao phân bố đều trên chiều dài mỗi phao, do đó trọng tâm mỗi phao nằm tại điểm giữa chiều dài mỗi phao như hình vẽ:Hình 5.6ppG: trọng lượng phao phụ, sơ bộ lấy kGGpp165=pcG: trọng lượng phao chính, sơ bộ lấy kGGpc400=pG: trọng lượng toàn bộ phao, kGGGGpcppp730400165.2.2=+=+=Gọi y là khoảng cách từ trọng tâm của phao đến đường A-A, ta có: 71 mGGGyppppc1,17307,2.1659,0.4002.27,2.28,1.=+=+=Vậy trọng tâm của phao nằm trên đường thẳng y-y và cách đường A-A một đoạn là 1,1m+ Xác đònh đối trọng cân bằng:Các tải trọng tác động lên phao và khoảng cách từ điểm đặt các lực đến trọng tâm phao (hay đến trục x-x).Hình 5.7Tải trọng dàn phay tác dụng lên phao:kGyB6,5762'=myBy7,0'2=Tải trọng của phao:kGGp730=0=pGyTải trọng của cụm bơm:kGGcb158=mycbG6,0=Tải trọng hai công nhân:kGGcn120=0=cnGyTải trọng hai cọc neo:kGGc160= 72 mycG1,1=Tải trọng hai cụm nâng cọc:kGGnc50=myncG1,1=Đối trọng cân bằng tGđ đặt cách trọng tâm phao một đoạn my 1,1= (đặt ở sau cùng của phao).Lập phương trình cân bằng momen đối với trục x-x, ta có:∑=−0xxM0 .2'2'=+++++=⇒pcncbđtnccBGpGcnGcbGtGncGcyByGyGyGyGyGyGyđtpcncbnccBGGpGcnGcbGncGcyBđtyyGyGyGyGyGyyG 2'2'−−−−−=⇒ kG711,10.7300.1206,0.15831,1.501,1.1607,0.6,576=−−−−−=+ Tính toán sức nổi của phao:Khối lượng toàn bộ thiết bò ở trạng thái không làm việc là:cnncctBcbptbGGGGyGGG++++++=đ2 kG191312050160718,623158730=++++++=Hình 5.7Giả thiết lúc không làm việc và phao ở vò trí cân bằng thì đường mớn nước đi qua tâm O của phao phụ, ta cần xác đònh xem ch (chiều cao từ đáy phao chính đến đường mớn nước) là bao nhiêu khi đảm bảo được sức nổi ở mức đó. 73 Diện tích vùng gạch chéo A (diện thích cắt ngang của phao phụ phần ngập nước):2.2RAπ= (5.9)R: bán kính thùng phi, mR 29,0258,0==22132,0229,0.14,3mA ==⇒Như vậy phần hai phao phụ chìm trong nước (hai vùng gạch chéo A) sẽ tạo nên một sức nổi phG:pphLAG .2γ= (5.10)Trong đó:γ: khối lượng riêng của nước, 33/10 mkg=γA: diện tích vùng gạch chéo, 2132,0 mA=pL: chiều dài phao phụ, mLp7,2=kGGph7137,2.132,0.10.23==⇒Vậy phần phao chính ngập trong nước phải tạo nên được một sức nổi là chG sao cho:tbphchGGG=+ (5.12)kGGGGphtbch12007131913=−=−=⇒Từ giá trò chG tính được, ta xác đònh chiều cao phao chính ngập trong nước ch:BLGhcchc γ= (5.13)Trong đó:cL: chiều dài phao chính, mLc8,1=B: chiều rộng phao chính, mB 2=mhc33,02.8,1.1012003== 74 Do ta cố tình bố trí các điểm cao nhất của phao phụ C, D nằm trên mặt phẳng của phao chính (mặt trên của phao), do đó chiều cao phao chính :mRhHc62,029,033,0 =+=+=b. Tính toán ổn đònh dọc của phao: Khi không làm việc, do '22BByy > nên gây ra một momen 1M quanh trục x-x, đồng thời khi hai công nhân ra phía sau phao tạo nên một momen 2M quanh trục x-x. Tổng hợp hai momen này tạo thành momen dM làm cho phao chúi về phía sau một góc ϕ được tính theo công thức:αγϕ xxdIM−= (5.14)Trong đó:21MMMd+= ( )1,1.7,0.22'cnBBGyy+−−= ( )NmmkG 990.991,1.1207,0.8,5768,623==+−−=xxI−: momen quán tính của mặt nổi đối với trục chúi dọc x-x:( ) ( )BIAIIxxxxxx −−−+= .2 (5.15)A,B: là các diện tích gạch chéo trên hình 5.8.Hình 5.8 75 [...]... q cb : 85 q cb = Gcb z (5. 23) Trong đó: Gcb = 158 kG = 158 0 N z: số mối nối, z = 6 ⇒ q cb = 158 0 = 263 N 6 - Sơ đồ chòu lực của thanh ngang: Hình 5. 24 - Sơ đồ chòu lực của thanh dọc: Hình 5. 25 So sánh sơ đồ chòu lực của thanh ngang và than dọc ta nhận thấy: - Thanh dọc có tiết diện ngang lớn hơn thanh ngang (thanh dọc là [ N 0 8 còn thanh ngang là L N 0 6 ) - Thanh dọc ngắn hơn thanh ngang - Thanh dọc... Vậy: I x = 276904 + 27280 = 304184mm 88 ng suất pháp cực đại: σ = M max Y Ix (5. 26) Trong đó: M max = 57 3 Nm = 57 3.10 3 Nmm Y = 56 − 15, 7 + 14,7 = 55 mm 57 3.10 3 .55 ⇒σ = = 103,6 N / mm 2 304184 Ta lại có ứng suất cho phép: [σ ] = σ ch n (5. 27) 2 Với: σ ch = 400 N / mm n = 2 ,5 : hệ số an toàn ⇒ [σ ] = 400 = 160 N / mm 2 2 ,5 2 2 Vì vậy: σ = 103,6 N / mm < [σ ] = 160 N / mm Thõa mãn điều kiện bền e Kiểm... cách tính gần đúng nhưng nó thõa mãn cho thiết bò củ ta vì thiết bò chòu tải nhẹ, các kết cấu bộ phận đều quá thừa bền c Sơ đồ chòu lực của phao: Hình 5. 23 + Tải trọng của các cụm tác dụng lên phao gồm: - Tải trọng dàn phay: 2 y B = 623,8kG - Tải trọng cụm nâng cọc: G nc = 50 kG 84 - Tải trọng 2 cọc neo: Gc = 160kG - Tải trọng cụm bơm: Gcb = 158 kG - Tải trọng của đối trọng: Gđt = 71kG + Các tải trọng tác... với trục x-x 2 1 2,7 I x − x ( A) = 2,7 3.0 ,58 + − 1,1 0 ,58 .2,7 = 1,05m 4 12 2 I x− x ( B ) : momen quán tính tại tiết diện B đối với trục x-x: 2 1 1,8 I x − x ( B ) = 1,8 3.2 + − 1,1 1,8.2 = 1,1m 4 12 2 ⇒ I x − x = 2.1, 05 + 1,1 = 3,2m 4 α = 1− V a I x− x (5. 16) Với: a = z G − z D z G : tọa độ trọng tâm của thiết bò khi không làm việc theo trục z-z: zG = ∑ P z ∑p i Pi (5. 17) i Với:... tâm O, 4 = 17,7 mm 2 54 1.0 + 2640.17,7 ⇒ OC = = 14,7 mm 54 1 + 2640 y = 15, 7 + Momen quán tính của mặt cắt đối với trục trung tâm x-x: I x = I 1 + I x2 x (5. 25) Trong đó: I 1 : momen quán tính của mặt cắt (1) đối với trục trung tâm x-x của mặt cắt: x I 1 = I 11 + OC 2 S1 = 16.10 4 + 14,7 2 .54 1 = 276904mm 2 x x 2 I =I 2 x 2 x2 4 + 15, 7 + − 14,7 S 2 2 2 660.4 3 4 = + 15, 7 + − 14,7 2640... y − y α = 1200 = 0,02rad 10000.6 ,5. 0,898 ⇒ θ = 0,02rad = 1, 15 0 < [θ ] = 10 0 Độ chìm thêm của mép phao: b' ∆h = tgθ 2 ' ' Với: b = b + 2.R = 2 + 2.0,29 = 2 ,58 ⇒ ∆h ' = 2 ,58 tg1, 15 = 0,026m 2 Độ chìm lớn nhất ở mép phao là: ' hmac = hc' + ∆h ' = 0,33 + 0,026 = 0, 356 m ' ⇒ hmax < φ phao = 0 ,58 m Vậy thiết bò đạt được độ nổi và độ ổn đònh 5. 4 TÍNH TOÁN SỨC BỀN CỦA PHAO: 5. 4.1 Tính toán sức bền phao phụ:... 1000.9,8.0 ,58 = 56 84kG / m 2 = 0, 056 84 N / mm 2 Hình 5. 14 Để cho việc tính toán dễ dàng ta cho toàn bộ bề mặt ngoài thùng phi chòu tác dụng đều đặn của áp suất Pmax Như vậy bài toán tính bền ở đây là bài toán về bình chòu áp suất thủy tónh, bề dày thành bình tính theo công thức: P.φ δ≥ (5. 21) 2.[σ ] Trong đó: P = Pmax = 0, 056 84 N / mm 2 φ = 58 0mm [σ ] : ứng suất cho phép của vật liệu thùng phi, [σ ] = 50 ... tra có hình dạng và kích thước như sau: Hình 5. 27 87 Gọi: - C: là trọng tâm mặt cắt - Trục x − x : là trục đi qua trọng tâm của mặt cắt trên - Trục x1 − x1 : là trục đi qua trọng tâm mặt cắt (1) - Trục x 2 − x 2 : là trục đi qua trọng tâm mặt cắt (2) Khoảng cách OC: OC = S1 y1 + S 2 y 2 S1 + S 2 (5. 24) Trong đó: S1 : diện tích mặt cắt (1), S1 = 5, 41cm 2 = 54 1mm 2 S 2 : diện tích mặt cắt (2), S 2 =... như sau: Hình 5. 28 Ta tính các tải trọng phân bố: q1' = q1 b ' (5. 30) Trong đó: q1 = 700 N / m 2 b ' = b + 2φ = 2 + 2.0 ,58 = 3,16m ⇒ q1' = 700.3,16 = 2212 N / m ' q 2 = q 2 b ' = 4000.3,16 = 12640 N / m Nhìn vào sơ đồ chòu lực của phao, kết cấu phao ta nhận thấy tiết diện nguy hiểm nhất là tiết diện A-A vì: - Các tiết diện từ mặt A-A về phí bên phải nhỏ hơn nhiều so với tiết diện từ mặt A-A về phía bên... trọng tâm thiết bò lúc làm việc z G ' tính như lúc không làm việc ' nhưng thay 2 y B = 628,3kG thành 2 y B = 57 6,6kG , ta được: ' z G = −0,088 Do đó: ' ' a = z G − z D = − 0,088 + 0,442 = 0, 354 Tính I y − y : momen quán tính đối với trục nghiêng y-y của mặt nổi ' Do ta xem gần đúng hc = hc nên có thể tính gần đúng I y − y theo hình vẽ sau: Hình 5. 13 81 I y− y 0 ,58 3.2,7 1 = 2. + 1,29 2.0 ,58 .2,7 . CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHAO5.1. NHIỆM VỤ, YÊU CẦU ĐỐI VỚI VIỆC CHẾ TẠO PHAO :- Phao là một bộ phận quan trọng đối với tàu hút bùn, nó là. thức:[ ]σφδ.2.P≥ (5. 21)Trong đó:2max/ 056 84,0 mmNPP==mm580=φ[ ]σ: ứng suất cho phép của vật liệu thùng phi, [ ]2 /50 mmN=σmm33, 050 . 258 0. 056 84,0=≥⇒δMà ở đây
