Chương Thiết bị lái 1.1 Khái niệm chung thiết bị lái tàu thuỷ Một tính tàu thuỷ tính ăn lái Tính ăn lái tàu thuỷ khả giữ nguyên thay đổi hướng theo ý muốn người lái tàu 1.1.1 Khái niệm Trên tàu tự hành (ngay số tàu không tự hành) người ta thường trang bị thiết bị lái để đảm bảo tính ăn lái cho tàu trạng thái suốt trình hành hải Tính ăn lái tàu gồm hai tính chất: tính ổn định hướng tính quay vòng Tính ổn định hướng khả tàu giữ nguyên thay đổi hướng chuyển động Tính quay vòng khả thay đổi hướng chuyển động mô tả quỹ đạo cong bẻ lái Hai tính chất mâu thuẫn với nhau, tàu có tính ổn định hướng tốt có tính quay vòng tồi ngược lại Vì phải tuỳ thuộc vào loại tàu (công dụng chức năng), vùng hoạt động mà người ta ưu tiên cho tính chất thiết kế Ví dụ, tàu chạy vùng hoạt động không hạn chế (tàu biển) điều kiện không gian hoạt động không hạn chế, để đảm bảo cho thời gian hành trình phải ưu tiên cho tính ổn định hướng tàu có vùng hoạt động hạn chế (tàu sông) ngược lại Tính ăn lái phụ thuộc vào phận cố định, ổn định khác như: ki hông, ki đuôi, giá chữ nhân (X) chữ Y, số lượng chiều dài chong chóng, đoạn trục chóng chóng, số bánh lái thiết bị khác Trên tàu để đảm bảo tính ăn lái, người ta bố trí nhiều loại thiết bị lái hoạt động độc lập phối hợp như: bánh lái, đạo lưu định hướng xoay, chóng chóng (tàu lắp nhiều chong chóng), thiết bị nước, chân vịt, v.v phổ biến bánh lái đạo lưu định hướng xoay thiết bị dễ chế tạo, giá thành rẻ, làm việc tin cậy hiệu cao Bánh lái vật thể dạng cánh phẳng dạng có prôfin thoát nước nhúng chìm nước, đạo lưu định hướng xoay vật thể hình trụ tròn xoay có dạng prôfin thoát nước theo chiỊu däc trơc cđa nã, bao quanh chong chãng phía sau thân tàu 1.1.2 Phân loại bánh lái 1.1.2.1 Phân loại theo hình dạng prôfin có Bánh lái Bánh lái thoát nước 1.1.2.2 Phân loại theo vị trí đặt trục lái Bánh lái cân bánh lái mà trục lái chia bánh lái phần Bánh lái không cân bánh lái nằm phía trục lái Bánh lái bán cân Hình 1.1 Sơ đồ phân loại bánh lái 1.1.2.3 Phân loại theo số gối đỡ trục lái Sơ đồ 1, bánh lái có ổ đỡ bánh lái trở lên Sơ đồ 2, bánh lái có ổ đỡ bánh lái Sơ đồ 3, bánh lái ổ đỡ bánh lái Trong sơ đồ bổ sung dạng đạo lưu xoay 1.1.2 Vị trí đặt trục lái Nếu tàu có bố trí chong chóng tốt nên đặt bánh lái phía sau luồng nước chong chóng đẩy để làm tăng hiệu làm việc bánh lái Với đuôi tàu có lắp chong chóng bánh lái, sống lái, ki đỡ lái tạo thành khung giá lái:là khoảng không gian để lắp chong chóng vừa đủ, trị số khe hở khung giá lái chọn theo bảng sau: Trong b¶ng 1.1, KT - hƯ sè t¶i cđa chong chãng; D - đường kính chong chóng; tmax- chiều dày lớn frôfin bánh lái; bP - chiều rộng bánh lái; - nửa góc tiếp tuyến sống đuôi với mặt phẳng đối xứng tàu Các giá trị bảng 1.1 giá trị nhỏ Trong thực tế sử dụng, để giảm chấn động vùng đuôi, giá trị (a, b, c, d) lấy tăng lên Tuy nhiên khe hở a không nên lấy lớn, không làm giảm hiệu suất làm việc bánh lái Bảng 1.1 Kích thước khung giá lái tàu chong chóng T.T Tên tác giả đề nghị Bể thử Hà Lan Waningen L Lloyds Cơ quan phân cấp tàu Na-uy a b c d (0,08 - 0,12).D (0,15- 0,2).D (0,1- 0,12)D 0,03.D (0,08 - 0,15).D 0,085.D 0,73 t max D bP ViƯn nghiªn (0,08 - 0,15).D cøu VËt lý Anh 0,15.D (1+ ).kT/D 0,2.D 0,08.D 0,09.D (0,08 -0,1)D (0,02 -0,03)D Hình 1.2 Sơ đồ khung giá lái tàu chong chóng Trong trường hợp bánh lái phải bố trí chìm nước, mép bánh lái đặt sâu nước tốt Nếu gọi khoảng cách từ mép bánh lái đến mép nước tự tp lấy sau - để đảm bảo diện tích bánh lái FP) Tàu biển: 0,25.hp (1.1) Tàu hồ (hoặc pha sông biển): 0,125.hp Tàu sông: = (0 - 0,1).hp với hp- chiều cao bánh lái Khoảng cách từ mép bánh lái đến vỏ bao tàu nhỏ tốt song phỉa thoả mãn không bị kẹt bẻ lái góc bẻ lái hình chiếu bánh lái phải nằm phạm vi hình chiếu đưòng nước chở hàng mùa hè KWL Với bánh lái cân bán cân ,mép dưói bánh lái phải đặt cao đường không thấp mép cđa chong chãng Víi b¸nh l¸i treo, viƯc nèi bánh lái trục lái kết cấu hàn, phải lưu ý đến chiều cao để sửa chữa, lắp ráp, tháo bánh lái ụ cắt trục lái 1.2 Tác dụng bánh lái 1.2.1 Cơ chế lượn vòng tàu bẻ lái Giả sử tàu chạy theo hướng thẳng với vận tốc v (hình 1.3.a) điều kiện mặt nước yên lặng (tức tác dụng sóng, gió, dòng chảy ngoại lực ngẫu nhiên khác), bánh lái nằm mặt phẳng đối xứng tàu song song với Khi lực tác dụng lên tàu bao gồm: Lực cản nước đến chuyển động tàu R nằm mặt phẳng đối xứng tàu, có chiều ngược với vận tốc tàu Lực đẩy chong chóng T nằm mặt phẳng đối xứng tàu, chiều với vận tốc tàu, cân với lực cản tàu lực cản thân Giả sử ta đổi hướng chuyển động tàu cách bẻ lái góc p sang mạn, xuất áp lực thuỷ động nước tác dụng lên bánh lái P bổ sung vào hệ lực trên, lực P có điểm đặt K - gọi tâm áp lực bánh lái Nếu giữ nguyên góc bẻ lái p lực P làm thay đổi quĩ đạo chuyển động tàu làm xuất hiện, biến đổi thành phần lực khác Quĩ đạo chuyển động tàu gọi quĩ đạo lượn vòng tàu Để xét biết tác dụng bánh lái bẻ lái ta xét tác dụng lực P, cách đặt trọng tâm tàu G cặp lực trực đối (bằng trị số, phương, ngược chiều) P P phương, trị số với lực P Lực P P tạo thành ngẫu lực có mô men M1 = P.lp, (lp tay đòn mô men M1; lp (L/2).cos p) có chiều phía bẻ lái) Lực P phân tích thành hai lực P1 P2, lực P1 có phương mặt phẳng đối xứng tàu, chiều với lực cản R gọi lực cản bổ sung, với R làm tăng lực cản, giảm tốc độ chuyển động tàu, lực cản tổng cộng tác dụng lên tàu RT = R + P1 Lực P2 có phương vuông góc với mặt phẳng đối xứng tàu, làm dạt tàu hướng ngược với hướng bẻ lái gọi lực dạt Do tàu chuyển động dạt, nên xuất lực cản theo phương ngang R0 phương, ngược chiều với P2 Nếu giữ nguyên góc bẻ lái p thời điểm đó, giá trị R0 tăng giá trị P2 chuyển động dạt kết thúc mô men M1 đủ lớn để làm quay tàu hướng bẻ lái Dưới tác dụng mô men M1, tàu quay quanh trục thẳng đứng qua trọng tâm tàu G hướng bẻ lái Đồng thời quay vòng làm đổi phương lực đẩy T mà nhờ tàu đổi hướng chuyển động Khi tàu chuyển động quĩ đạo cong (hình 1.3.b), lực cản tổng cộng RT có điểm đặt KT mặt phẳng đối xứng tàu, gọi tâm áp lực tàu, (với tàu, thông thường KT nằm khoảng trọng tâm tàu G đường vuông góc mũi) Phân tích RT thành Rx Ry, Rx nằm mặt phẳng đối xứng tàu lực cản tàu, Ry có phương vuông góc với mặt phẳng đối xứng tàu nói chung không qua trọng tâm tàu G Thành phần phát sinh mô men phụ M2 = Ry.lp, (lp tay đòn mô men M2 khoảng cách KTG) chiều với mô men M1 làm tăng chuyển động quay tàu hướng bẻ lái Khi KT nằm khoảng trọng tâm tàu G đường vuông góc đuôi mô men M2 ngược chiều với mô men M1, cản trở lại quay tàu theo hướng bẻ lái Khi tàu chuyển động theo hướng thẳng, vận tốc tàu v có phương mặt phẳng đối xứng, tàu chuyển động quĩ đạo cong, mặt phẳng đối xứng tàu không tiếp tuyến 10 với quĩ đạo lượn vòng mà tạo với tiếp tuyến góc có giá trị tăng dần, gọi góc lệch hướng tàu Tốc độ vi góc lệch hướng i điểm i nằm mặt phẳng đối xứng tàu thay đổi theo chiều dài tàu Tại thời điểm chuyển động, tốc độ vi không giảm, góc lệch hướng i không tăng đạt đến giá trị không đổi quĩ đạo tàu lúc ổn định Khi coi tàu quay quanh trục thẳng đứng tưởng tượng qua điểm O kh«ng gian víi vËn tèc gãc = const Gäi khoảng cách từ O đến điểm xác định tàu bán kính Ri , quĩ đạo lượn vòng ổn định Ri = const v v + + + R M2=Ry.l'p M1 M1=P.lp Ry KT  Ro=f(vn)P2 G l'p v lp P' + + + Rx RT G P'' P1 T P P + + + K T P a) - K P Quỹ đạo trọng tâm G b) Hình 1.2 Các trạng thái chuyển động tàu quỹ đạo quay vòng a- Khi bắt đầu bẻ lái b- Khi chuyển động quỹ đạo cong Khi tàu chuyển động trên quĩ đạo ổn định (hình 1.4), ta xét số điểm đặc biệt tàu Tại điểm C (CO vuông góc với mặt phẳng đối xứng tàu), tốc độ tiếp tuyến vC tàu nhỏ nhất, tốc độ tăng dần phía mũi phía đuôi tàu, đạt giá trị lớn mút đuôi (điểm A) mút mũi (điểm B) tàu Góc lệch hướng C C = 0, góc có giá trị tăng dần từ điểm C đến điểm phía mũi phía đuôi đạt giá trị lớn A B có chiều ngược nhau,(góc lệch hướng góc tạo phương mặt phẳng đối xứng tàu với phương tốc độ tiếp tuyến với quĩ đạo, góc có chiều với chiều kim đồng hồ cho điểm nằm C mút mũi, ngược chiều kim đồng hồ cho điểm nằm C mút đuôi) Do đó, tàu chuyển động quĩ đạo ổn định, từ mặt phẳng đối xứng tàu, C ta xét, tàu gồm hai chuyển động : chuyển động quay quanh C chuyển động tịnh tiến theo mặt phẳng đối xứng tàu Thật vậy, phân tích vận tốc vi theo phương mặt phẳng đối xứng tàu vuông góc với ta vxi vyi tương ứng Khi ta có: vxA = vA cos A = RA cos A = RC (1.2) 11 vxB = vB cos B = RB cos B = RC vxi = vi cos i = Ri cos i = RC vxC = vC = RC Suy ra: vxA = vxB = vxi = vxC = RC, điều chứng tỏ tàu chuyển động tịnh tiến theo mặt phẳng đối xứng tàu Tương tự ta có: vyA = vA sin A = RA sin A = AC (1.3) vyB = vB sin B = RB sin B = BC vyi = vi sin i = Ri sin i = iC vyC = Điều chứng tỏ điểm A, B, i, v.v quay quanh C với vận tốc góc Điểm C gọi tâm quay tương đối tàu vy A A vA vy G A G vx A RA vG i C v = v  vx G C xC G  C    B vy B B vX B vB R G  Rc G RB   O  H ×n h : K h i c h u y Ĩ n ® é n g t r ê n q u ỹ đ o q u a y v ò n g ổ n đ ịn h 1.2.2 Các giai đoạn chuyển động tàu trình lượn vòng Giả sử ban đầu tàu chạy theo hướng thẳng với vận tốc v mặt nước yên lặng, bắt đầu bẻ lái góc p giữ nguyên vị trí bánh lái góc bẻ lái toàn thời gian sau trình chuyển động tàu quĩ đạo chuyển động tàu nhận lúc gọi quĩ đạo lượn vòng tàu Từ sơ đồ quĩ đạo từ xuất hiện, biến đổi thành phần lực phân tích ta thấy, bắt đầu lượn vòng tàu chuyển động chậm lại bị dạt hướng ngược với hướng bẻ lái Sau tàu bắt đầu chuyển động hướng bẻ lái theo quĩ đạo cong có bán kính cong giảm dần Mặt phẳng đối xứng tàu lúc đầu có phương vận tốc tịnh tiến v sau nghiêng dần tâm O quĩ đạo, góc lệch hướng có giá trị tăng dần Quĩ đạo lượn vòng tàu xem ổn định đại lượng đặc trưng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi, Vận tốc vi = vmin = const, Gãc lƯch h­íng = max = const, Bán kính quĩ đạo R = Rmin = const Người ta chia toàn trình chuyển động tàu thời gian lượn vòng làm ba giai đoạn, hình dạng quĩ đạo mà xuất biến đổi lực tác dụng lên tàu (hình 1.4) 12 Giai đoạn 1: gọi giai đoạn triển khai , tính từ thời điểm bắt đầu bẻ lái đến kết thúc bẻ lái, tức góc bẻ lái đạt đến giá trị p, giai đoạn xảy khoảng thời gian 10 15s Đặc điểm chuyển động giai đoạn là, tàu chuyển động chậm lại lực cản bổ sung P1, đồng thời tàu bị dạt hướng ngược với hướng bẻ lái lực dạt P2 Quĩ đạo chuyển động có dạng chữ S, mũi tàu dần quay hướng bẻ lái nhờ mô men M1, mặt phẳng đối xứng tàu tạo với tiếp tuyến quĩ đạo lượn vòng trọng tâm tàu G v¹ch mét gãc lƯch h­íng l3 p l2 G  vmin= const  G p Rm in= co ns t v  =const  p max G O  l1 vmin D= Rm in max vo G p DT Hình 1.4 : Quỹ đạo luợn vòng tàu Giai đoạn 2: gọi giai đoạn lượn vòng tính từ thời điểm kết thúc giai đoạn đại lượng đặc trưng cho chuyển động đạt đến giá trị không đổi ( vi = vmin = const, = max = const, R = Rmin = const.), thông thường thời điểm đạt tàu quay góc 900 1000 so với hướng ban đầu Đặc điểm chuyển động giai đoạn là, vận tốc tàu tiếp tục giảm, góc lệch hướng tàu tiếp tục tăng, tàu chuyển động quĩ đạo cong có bán kính cong giảm dần Lực tác dụng lên tàu là: lực thuỷ động P, lực cản RT lực đẩy T, thời điểm chuyển động, chúng cân với lực quán tính khối lượng tàu (định luật dAlambert) 13 Giai đoạn 3: gọi giai đoạn lượn vòng ổn định tính từ thời điểm kết thúc giai đoạn toàn thời gian sau trình lượn vòng, giữ nguyên góc bẻ lái p Đặc điểm chuyển động giai đoạn là, tàu chuyển động ổn định quĩ đạo đường tròn có bán kính không ®ỉi R = Rmin = const, víi vËn tèc kh«ng ®ỉi vi = vmin = const vµ gãc lƯch h­íng không đổi = max = const Lực đẩy T chong chóng thực tế có giá trị không đổi trình lượn vòng, lực cản Rx tăng từ thời điểm bắt đầu lượn vòng, gây giảm dần tốc độ tàu, đến lúc mà lực cân với lực đẩy T thời điểm đó, điểm KT dịch phía sau trọng tâm tàu G, mô men M2 ngược chiều với mô men M1 Khi trị số hai mô men điểm KT ngừng dịch chuyển đuôi đồng thời xác lập góc lệch hướng Góc thường có giá trị từ 50 đến 100 Như ta khảo sát trình lượn vòng tàu bẻ lái, quĩ đạo lượn vòng xác lập với thông số đặc trưng sau: Đường kính quĩ đạo lượn vòng ổn định: D = 2.Rmin Đường kính lượn vòng ổn định tĩnh ( đường kính xác lập quay vòng ): DT khoảng cách hai mặt phẳng đối xứng tàu trước sau quay góc 1800 Đoạn dịch chuyển tịnh tiến: l1- khoảng cách trọng tâm tàu bắt đầu bẻ lái đến tàu quay góc 900, đo theo hướng ban đầu Đoạn dịch chuyển ngang: l2 - khoảng cách từ trọng tâm tàu quay góc 900 đến hướng ban đầu Đoạn chuyển động dạt: l3 - khoảng cách từ trọng tâm tàu vị trí dạt xa đến hướng ban đầu Các đại lượng xác định tính toán thử nghiệm tàu mẫu, tính quay trở tàu (vận tải) xem đảm bảo chúng thoả mãn liên hÖ sau: DT = ( 0,9 1,2 ).D l2 = ( 0,5 0,6 ).D (1.4) l1 = ( 0,6 1,2 ).D l3 = ( 0,1 ) 1.2.3 TÝnh æn định hướng tàu R H uớng T U G  B chu A n ®éng  K W M =(R sin  U K R sin  B H ng  U G chun A ®éng W sin  R sin  K T-(W cos  Rcos W sin H ình 1.5 : S đồ phân bố lục tác dụng lên tàu chạy nguợc sóng gió 14 Tàu chạy mặt nước chịu tác dụng ngoại lực sóng, gió, dòng chảy, v.v thời tiết xấu lực tăng nhanh, làm lệch hướng tàu Đặc tính chống lại ngoại lực, giữ hướng ban đầu gọi tính ổn định hướng tàu Những nguyên nhân làm tàu lệch hướng thời gian sóng, gió lớn là: áp lực gió lên phần đường nước vận hành, đặc biệt phần thượng tầng lầu áp lực nước lên mạn tàu có chất chu kỳ sóng dòng chảy áp lực không nước qua chong chóng tàu chòng chành ngang dọc Sau ta khảo sát hệ lực tác dụng lên tàu gió thổi vào mũi tàu, tàu chạy chệch hướng với góc Bánh lái đặt mặt phẳng đối xứng tàu, tàu chịu tác dụng lực (hình 1.6) Lực cản gió W, có điểm đặt U tạo với mặt phẳng đối xứng tàu góc Lực cản nước R, có điểm đặt K tạo với mặt phẳng đối xứng tàu góc Lực đẩy T chong chóng nằm mặt phẳng đối xứng tàu Phân tích lực nói thành lực thành phần theo phương mặt phẳng đối xứng vuông góc với ta có: Mô men làm lệch hướng tàu chọn M = R.sin UK (1.5) Lực tác dụng theo hướng chuyển động làm tàu dịch chuyển Px =T - (W.cos + R.cos ) (1.6) Lực ngang làm dạt tàu Py = W.sin - R.sin (1.7) So với mặt phẳng đối xứng góc tg p = (W.sin - R.sin ) / [T - (W.cos + R.cos )] (1.8) Để cân mô men M, bánh lái cần phải tạo nên mô men ngược lại Khi tâm gió U tâm lực cản ngang K trùng mô men M = 0, tàu không lệch hướng; điểm K trước điểm U (về phía mũi) tàu có khuynh hướng quay theo gió bánh lái phải bẻ phía ngược gió Nếu điểm K sau điểm U (về phía đuôi) tàu có khuynh hướng quay xẻ gió bánh lái phải bẻ phía gió Tâm gió U thường di chun vỊ phÝa l¸i, h­íng giã thỉi tõ mòi thay đổi không lớn Tâm lực cản ngang K thay đổi giới hạn rộng phụ thuộc vào góc dạt tàu Hình dáng phần ngâm nước có ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định hướng phần đường nước Để làm tốt tính ổn định hướng đi, tâm gió U tâm lực cản ngang K gần tốt 1.2.4 Các thông số xác định đặc trưng tính quay trở tàu Tuỳ thuộc vào loại tàu, vùng hoạt động công dụng người ta định tiêu chuẩn đánh giá tính ăn lái tàu.Ví dụ, tàu biển, việc quay trở 1800 không khó khăn, người ta ưu tiên cho tính ổn định hướng chủ yếu, ngược lại tàu sông phải ưu tiên cho tính quay trở nhiều Hơn việc đánh giá tính ăn lái tàu có xét đến tất yếu tố ảnh hưởng khó khăn, để đánh giá tính ăn lái tàu, người ta thường dựa vào số tiêu chuẩn sau: 15 Hình 1.16 ảnh hưởng mặt thoáng 1.5.4 ảnh hưởng trụ lái 1.5.4.1 Các kích thước hệ bánh lái, trụ lái Diện tích trụ lái: FP diện tích mặt phẳng hình chiếu giới hạn đường bao trụ lái mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng trụ lái, m2 Diện tích hệ bánh lái-trụ lái: FK phần diện tích mặt phẳng hình chiếu hệ mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng hệ giới hạn mép trước trụ lái, mép sau, mép mép bánh lái, m2 Chiều rộng trụ lái: bP khảng cách đo theo phương vuông góc với trục lái mép trước mép sau trụ lái, m Hình 1.17 Các kích thước hệ bánh lái - trụ lái 26 1.5.4.2 ảnh hưởng trụ lái Hình 1.18 ảnh hưởng trụ lái đến chất lượng thủy động bánh lái Chiều rộng toàn hệ bánh lái-trụ lái: bK khoảng cách đo theo phương vuông góc với trục lái mép trước trụ lái mép sau bánh lái tiết diện đó, m Độ dang hệ bánh lái-trụ lái: K tỉ số chiều cao bánh lái chiều rộng trung bình hệ bánh lái-trụ lái hP h 2P Ký hiÖu:  K   b K CP FK (1.25) Bánh lái có đặt trụ lái, sau bẻ lái góc P, người ta coi hệ bánh lái - trụ lái bánh lái có prôfin không đối xứng Nếu gọi hệ số lực dạt hệ bánh lái-trụ lái CYp+p ta có quan hệ CYp+p < CYp, đó: CYp- hệ số lực dạt bánh lái (nhưng không đặt sau trụ lái) có kích thước tương tự hệ bánh lái-trụ lái Để đặc trưng cho khác sai này, ng­êi ta ®­a hƯ sè hiƯu chØnh rP = CYp+p /CYp Hệ số rP cho dạng đồ thị, A = (16 - 20)% diƯn tÝch cđa hƯ b¸nh lái để đưa vào trụ lái Có thể tính rP theo c«ng thøc thùc nghiƯm nh­ sau : rP = 1,872.A - 0,39.A2 - 0,281.A3 F ®ã: A  P FP P 27 (1.26) 1.6 Xác định lực thuỷ động bánh lái mô men thuỷ động trục lái 1.6.1 Xác định lực thuỷ động bánh lái mô men thuỷ động trục lái bánh lái đặt mặt phẳng dọc tâm tàu không tự hành Các số liệu chủ yếu sử dụng để tính toán: Các thông số chủ yếu tµu (L, B, H, T, , , , v.v.) FP - diƯn tÝch b¸nh l¸i, m2 hP - chiỊu cao bánh lái, m = h2p/FP - độ dang bánh lái Kiểu prôfin bánh lái (NASA, N.E.J, ) t P - chiều dày tương đối prôfin bánh lái a - vị trí đặt trục, m R - hệ số cân đối vS - tốc độ tiến tàu, hl/g Tốc độ dòng nước chảy đến bánh lái : vCP = 0,515.vS.(1- R) , m/s (1.27) ®ã: vS - tốc độ tàu chạy tiến, hl/g R - giá trị trung bình hệ số dòng theo vị trí đặt bánh lái, tính theo công thøc Papmiel:  R  0,165. z V hP (1.27.1) với: z - số lượng bánh lái - hƯ sè bÐo thĨ tÝch cđa tµu V = L.B.T - lượng chiếm nước thể tích tàu, m3 hP - chiều cao bánh lái, m Công thức Papmiel tính cho prôfin bánh lái dạng thoát nước, prôfin dạng tấm, R tính theo công thức sau: (1.27.2) R = 0,5 - 0,18 Quá trình tính lực mômen thuỷ động thực dạng bảng 1.3 Bảng 1.3 Tính lực mô men thủy động tác dụng lên bánh lái tàu không tự hành TT Đơn vị Các đại lượng cần tính CX (Đồ thị) CY (Đồ thị) CD (Đồ thị) CY.cos P CX.sin P CN = (4) + (5) - 28 Giá trị tính theo góc bẻ lái P, độ 10 15 35 xP = CD.bCP l = xP - a Pn = 1/2.PN .CN.v2CP.FP 10 11 M’ = PN.l M = k0.M’ m m kG kG.m kG.m Trong b¶ng 1.2, có: k0 = (1,2 -1,3) - hệ số tăng thêm để thắng mô men cản quán tính ban đầu Nếu M < không cần nhân với k0 l - tay đòn áp lực thủy động, m 1.6.2 Xác định lực thuỷ động bánh lái mô men thuỷ động trục lái tàu tự hành bánh lái đặt trực tiếp sau chong chóng 1.6.2.1 Tàu chạy tiến Tốc độ trung bình dòng nước chảy đến bánh lái là: vCP = 0,515.(1- r ) .vS, m/s (1.28) với: vS - tốc độ chạy tiến tàu, hl/g R = 0,8 - gía trị trung bình hệ số dòng theo vị trí đặt bánh lái - giá trị trung bình hệ số dòng theo vị trí đặt chong chóng, tính theo Papmiel: Tàu sông: 0,11 0,16 z  z Tµu biĨn:   0,165. z 3 V   D V   D (1.28.1) (1.28.2) ®ã: D - đường kính chong chóng, m V - Lượng chiếm n­íc thĨ tÝch tµu, m3 - hƯ sè bÐo thĨ tích tàu z - số lượng chong chóng : Giá trị hiệu chỉnh kể đến tạo sóng, phụ thuộc vào tốc độ tương đối: Fr = v gL Nếu Fr 0,2 = 0, Fr > 0,2 th× = 0,3 .(Fr-0,2) - hƯ sè hiƯu chỉnh tính đến ảnh hưởng dòng nước chảy rừ chong chóng đến bánh lái, tính theo công thøc N.A Petrov:   1 FP" k B  FP (1.28.3) đó: FP phần diện tích bánh lái bị bao phủ dòng nước chong chóng đạp ra, m2 FP - diện tích bánh lái, m2 29 Hình 1.19 Vị trí bánh lái so với chong chóng kB - hệ số kể đến gia tăng thêm lực dạt cánh chong chóng đặt trực tiếp dòng nước chong chóng Hình 1.20 Để xác định hệ số kB 30 B ) - tra đồ thị PB - hƯ sè t¶i cđa chong chãng B = .v p FB víi: kB = f( PB - lùc ®Èy cđa chong chãng, kG R P PB = e  z 1 t 1 t vP - vận tốc dòng nước chảy đến chong chóng, m/s vP = 0,515.vS.(1- 0) FB = D2/4 - diÖn tÝch thủ lùc cđa chong chãng, m2 - hƯ sè dòng theo vị trí đặt chong chóng Hình 1.21 Để xác định hệ số K - hệ số tính đến ảnh hưởng toàn phần tốc độ kích thích chiều trục đến bánh lái tính theo công thøc sau: k 2k (  ) 2  B (1.28.4) ®ã: k - hƯ sè phụ thuộc vào khảng cách tương đối từ đĩa thiết bị đẩy đến mép trước bánh lái đường kính chong chóng D, tra theo đồ thị Sau tính lực mô men thuỷ động theo dạng b¶ng 1.4 (víi: k0 = 1,2 -1,3) TT Bảng 1.4 Tính lực mô men thủy động tác dụng lên bánh lái trục lái Các đại lượng cần tính Đơn Kết tính theo P, độ vị 10 15 30 35 CX (Đồ thị) CY (Đồ thị) CD (Đồ thị) - 31 10 11 12 13 CY.cos P CX.sin P CN = (6)+(7) C = C 2X  C 2Y xP = CD.bCP l = xP -a PN = 1/2 .CN.v2cp.FP P = 1/2 .C.v2cp.FP M’ = PN.l M = k0.M’ m m kG kG kG.m kG.m 1.6.2.2 Tàu chạy lùi Quá trình tính toán lực mômen thuỷ động cho tàu chạy lùi tương tự tàu chạy tiến , khác tất thông số đưa vào tính cho tàu chạy lùi: Tốc độ tàu chạy lùi: vSl = (0,7- 0,75).vS, hl/g (1.29) với: vS - tốc độ tàu chạy tiến, hl/g Tốc độ dòng nước chảy đến bánh lái lïi lµ: vcpl = 0,515.vsl , m/s (1.30) ®ã: = (1,05 - 1,1) - hƯ sè kĨ ®Õn ảnh hưởng thân tàu dến bánh lái Hệ số trung bình dòng theo tàu chạy lùi: l t Các hệ số không thứ nguyên lực mô men, tính cho trường hợp tàu chạy lùi như: CXl, CYl, CDl, M l = M’ l (k0 = 1) Quá trình tính toán thể dạng bảng gồm mục bảng 1.4 1.6.3 Tính lực thuỷ động bánh lái mô men thuỷ động trục lái bánh lái đặt mặt phẳng đối xứng sau trụ lái đặt trực tiếp sau chong chóng 1.6.3.1 Xây dựng prôfin bánh lái sau trụ lái Prôfin tiêu chuẩn bánh lái có trụ lái chưa hoàn thiện Vì với bánh lái có trụ lái, người ta thường sử dụng prôfin đối xứng thông thường làm biến thể chúng, có ý đến đặc điểm bánh lái loại Trụ lái thường có hai dạng : Dạng : trụ lái có prôfin đồng (cùng chiều dày) với bánh lái Dạng : prôfin trụ lái không đồng với prôfin bánh lái Nếu chiều dày prôfin trụ lái với chiều dày bánh lái, ta làm biến thể chúng sau: Sử dụng sơ đồ biến dạng bánh lái NASA00 Làm dày mép sau bánh lái cân dạng NASA cách thêm giá trị i, đường tâm lùi xuống khoảng i/2 Tại tung độ có tmax ta đặt tâm O người ta coi tiết diện bánh lái phần từ tâm O mép sau, phần lại phía mũi prôfin tiết diện trụ lái Khi tung độ prôfin (y) tính % t’max, víi t’max = tmax - i, cßn phÝa mòi cã b¸n kÝnh cong: rH = r’H + i/2 Từ tâm O thiết kế phần mũi sau, lấy b¸n kÝnh: r1 = tmax/ 2, r2 = (tmax/ 2) + víi: - gäi lµ khe hë kÕt cÊu, nhằm để tránh kẹt bẻ lái, bán kính r3 - định theo kết cấu hợp lý Đưa phần mũi prôfin ban đầu xuống trụ lái Các thông số kích thước sau: 32 Chiều rộng tính toán prôfin ban đầu: bppa bppa = b p  r1 b XB  b p  r1 (1.31) 1 x víi: b XB - chiỊu réng tương đối phần đuôi prôfin ban đầu, b XB = bXB/b Chiều dày lớn prôfin ban ®Çu: t’max = tmax - i Tõ ®iĨm O ®Õn mép trước trụ lái người ta xây dựng phần mũi prôfin có chiều dày tmax chiều rộng tính toán là: bpHpa bPHpa = b K b P  r1 b , víi: b H  H bH b (1.32) Hình 1.22 Cách xây dựng trụ lái 1.6.3.2 Các số liệu đưa vào sơ đồ tính toán lực mô men thuỷ động Đường kính chong chóng: DB ,m DiƯn tÝch b¸nh l¸i: FP, m2 DiƯn tÝch cđa hƯ b¸nh l¸i - trơ l¸i: FK ,m2 TÝnh FK theo thống kê theo công thức thực nghiệm: FK = L.T  .L.T , m2 A (1.32) ChiỊu cao cđa b¸nh l¸i: hP, m2 ChiỊu réng cđa bánh lái chiều rộng trụ lái: bp, bph , m ChiỊu réng cđa hƯ b¸nh l¸i - trơ l¸i: bK , m Độ dang hệ bánh lái - trụ lái: K Độ dang bánh lái P cđa trơ l¸i PH Tû sè: FPH/FK = (0,16 - 0,20) 1.6.3.3 Tính lực mô men thuỷ động cho tàu chạy tiến Vận tốc dòng chảy đến bánh lái: vCP = 0,515.vS.(1- 33 R ) , m/s (1.33) HÖ số tải chong chóng: EB PB = B (1.34) .v 2P FB Chiều rộng tương đối cđa tÊm b¸nh l¸i: bp  b Pcp (1.35) b Kcp với: bpep bkep - chiều rộng trung bình bánh lái hệ bánh lái - trụ lái, m Độ dang hệ bánh lái-trụ lái: K = h 2p  FK hp (1.36) b Kcp HÖ sè lực dạt CYp bánh lái góc bẻ lái P tính theo công thức: CYp = P P, ( P tÝnh b»ng radian), (1.37) ®ã: P - hệ số lực dạt đơn vị tác dụng lên bánh lái theo góc bẻ lái P tính sau: = K.(1,69 - 0,89 bP ) K - hÖ sè lực dạt tác dụng lên hệ bánh lái-trụ lái theo góc bẻ lái (1.38) P K 2 K = b P  1,4 P :   B   0,47 K (1.39) K Tõ ®ã, xác định hệ số lực dạt CYp theo bảng 1.5 Bảng1.5 Xác định hệ số lực dạt T T Góc bẻ lái , rad Cyp = P P , ®é 1 2 3 P P Xác định hệ số tâm áp: CDp = 0,18 + 0,23 P - 0,012 B (1.40) ®ã: P - tÝnh b»ng radian Nếu coi hệ số lực dạt CYp hệ số lực pháp tuyến CNp gần Khi hệ số mô men theo góc bẻ lái p tính sau: CMp = CYp CDp (1.41) Quá trình tính toán CDp tiến hành theo bảng 1.6 Bảng 1.6 Xác định hệ số tâm áp lực CDp TT Góc bẻ lái , rad 0,23 P, rad 0,012 B CDp = 0,18 + 0,23 CYp (bảng 1.5) CNp CYp P , độ 10 P P - 0,012 B 34 15 20 … 30 35 CMp = CYp CDp Lùc d¹t mô men thuỷ động tác dụng lên bánh lái trục lái, xác định sau: .C Yp v 2CP FP , kG YP  MP  (1.42) .C Mp v 2CP FP b P , kG.m Trong hệ số lực cản CXp xác ®Þnh theo ®å thÞ CXp = f( P); øng víi chiều rộng bP độ dang P xác định Bảng1.7 Tính lực dạt mô men thủy động bánh lái TT Góc bẻ lái CYp (bảng 1.5) CMp (b¶ng 1.6) P , ®é 10 15 20 35 YP  .C Yp v CP FP , kG M P  .C Mp v 2CP FP b P , kG.m Hệ số áp lực thuỷ động toàn phần: C C 2XP  C 2YP (1.43) Lùc thuỷ động toàn phần: P .C.v 2CP Fp , kG (1.44) Lực dạt tác dụng lên hệ bánh lái - trụ lái tính sau: YK  K .C.v 2CP FK  p , kG, víi P tÝnh b»ng radian (1.45) Ta cã lùc d¹t tác dụng lên bánh lái là: YP , kG, lực tác dụng lên trụ lái là: YPH = YK - YP , kG tính theo dạng bảng1.9 (1.46) Bảng1.8 Xác định lực thuỷ động toàn phần P, kG TT Gãc bẻ lái Cyp (bảng 1.5) Cxp (đồ thị ) CYp2 CXp2 P , ®é 10 15 20 C  C 2Xp  C 2Yp P .C.v 2CP FP , kG Bảng 1.9 Xác định lực dạt trơ l¸i 35 35 TT Góc bẻ lái P , rad K, (bảng ) YK  P , ®é 10 15 20 35  K .v 2CP FK  P , kG YP , kG, (b¶ng 1.7) YPH = YK - YP , kG 1.6.3.4 Tính lực mô men thuỷ động tàu chạy lùi Bằng việc thử nghiệm mô hình b¸nh l¸i-trơ l¸i, ng­êi ta thÊy r»ng b¸nh l¸i làm việc trường hợp tàu chạy lùi trụ lái ảnh hưởng không đáng kể đến giá trị mômen trục lái Vì với tàu có đặt bánh lái sau trụ lái tính giá trị mômen trục lái, người ta giả thiết trụ lái Khi tàu chạy lùi, vận tốc tµu lµ: vSl = (0,7 - 0,75).Vs, hl/g (1.47) VËn tốc dòng nước chảy đến bánh lái là: vCPl = 0,515 l.vSl, m/s (1.48) víi: l = (1,05 - 1,10) - hệ số kể đến ảnh hưởng thân tàu Việc tính lực mô men thuỷ động tuân theo c«ng thøc sau: YPl  .C YPl v 2CPl FP , kG X Pl  .C XPl v 2CPl FP , kG M l  .C MPl v 2CPl FP b P , kG.m (1.49) 1.6.4 Tính lực thuỷ động tác dụng lên bánh lái mô men thuỷ động tác dụng lên trục lái tàu chong chóng, bánh lái đặt mặt phẳng đối xứng tàu Ta tính toán cho bánh lái làm việc chéo dòng (bánh lái nằm dòng nước chong chóng đạp ra), nghĩa lực mô men thủy động tác dụng lên bánh lái, trục lái gồm: lực, mô men thủy động dòng nước chảy qua thân tàu tạo (như tàu không tự hành) lực, mô men thủy động phụ thêm chong chóng bên mạn chảy tới 1.6.4.1 Tính lực mô men thủy động dòng nước bao quanh thân tàu tạo Tốc độ dòng chảy sau vỏ bao tàu: vCP = 0,515.vS.(1 - r), m/s (1.50) Các hÖ sè CXp; CYp; CMp; CDp = f( P, P, ) - tìm thấy cách tra đồ thị hay tính chuyển từ bánh lái chuẩn hay tính công thức thực nghiệm Quá trình tính lực mô men thủy động thể dang bảng 1.10 1.6.4.2 Tính áp lực mô men xoắn phụ thêm áp lực phụ thêm dòng nước chong chóng mạn gây bánh lái đặt mặt phẳng đối xứng tàu bẻ bánh lái góc p tÝnh theo c«ng thøc cđa N.A Petrovic PNB = k .S.(vE' + vA)2.sin( p + ), kG (1.51) 36 đó: k - hệ số, biểu thị % diện tÝch tiÕt diƯn ngang lng n­íc chong chãng tõ tàu đạp đập vào bánh lái so với toàn bé diƯn tÝch tiÕt diƯn ngang cđa lng n­íc, k = 0,6 0,7 S - diÖn tÝch tiÕt diÖn ngang luồng nước chảy từ chong chóng bị chắn bánh lái bẻ lái góc P, m2, tính theo công thức sau: S R [arcsin (2  h ).h  (1  h) (2  h).h ] , m2 (1.51.1) DB b A h - độ lớn tương đối, xác định theo c«ng thøc sau: h  KP sin( P   ) R víi: R - b¸n kÝnh lng n­íc ch¶y tõ chong chãng, m, R  bKP - chiều rộng phần sau bánh lái, khoảng cách từ trục lái đến mép sau bánh lái, m A - khoảng cách tính toán theo: A OB  b1  l tg , m cos P tg sin P b1- khoảng cách lớn từ mép đuôi cánh chong chóng đến mặt phẳng dọc tâm tàu, m l1- khoảng cách từ mặt phẳng đĩa chong chóng đến trục quay bánh lái, m vE' - tốc độ dòng nước b¸nh l¸i, m/s, v 'E  ( v CP  v P ) (1.51.2) vP - tèc ®é trung bình dòng nước chảy đến chong chóng, m/s vP = 0,515.vS.(1 - 0) vA - tèc ®é kÝch thÝch chiều trục, m/s, tính theo công thức: vA vP víi: B K1  B  (1.51.3) - hệ số tải toàn phần chong chãng,  B  PB .FP v 2P K1 - hệ số tính đến tốc độ dòng chảy khoảng cách tương đối bánh lái chong chãng, K  víi ( x x )  , hc K  f ( ) tra theo đồ thị DB DB - góc bẻ lái, độ (1.51.4) - góc nghiêng dòng chảy từ chong chong bên mạn, độ, xác định theo c«ng thøc: P  v 'E  v 'E v A (1.51.5) đó: 1- góc nghiêng dòng nước sau chong chóng bao quanh đuôi tàu, độ, (hình 1.20) Các kích thước: R, b1, l1, bPK - lấy theo vẽ bố trí chong chóng bánh lái sau đuôi tàu Tay đòn lực thuỷ động gây nên mô men xoắn thuỷ động trục lái là: lp = A + 0,58.(bKP - A), m (1.52) Quá trình tính lực mô men thuỷ động, tuân theo dạng bảng 1.11 TT Bảng 1.10 Xác định lực mô men thủy động tác dụng lên bánh lái dòng chảy qua thân tàu tạo nên Các đại lượng cần Đơn Kết tính theo tính toán vị góc bẻ lái P , độ 10 15 35 37 CXp’ (®å thị) CYp (đồ thị) CN = CXp.sin CDp (đồ thị ) xP’ = CDp’.bCP P + CYp’.cos m P lP’= xP’ - a m kG PN'  .C 'N v 2CP Fp M '  PN' l 'P kG.m Trong bảng 1.10, hệ số: Cx'p, Cy'p, Cn'- tra đồ thị cho tàu chạy lùi Lực mô men thủy động toàn phần tác dụng lên bánh lái trục lái tổng lực mô men thủy động dòng nước chảy qua thân tàu dòng chéo từ chong chóng mạn tạo ra, kÕt qu¶ tÝnh thĨ hiƯn ë b¶ng 1.12 Sau tính xong bảng trên, ta vẽ đồ thÞ PN = f( P), M = f( P) cã dạng hình 1.21 (cho tàu chạy tiến lùi) Chú ý: Nhóm (I): tàu chạy tiến, PN M nhận giá trị dương Nhóm (II): tàu chạy lùi, PN nhận giá trị dương, M nhận giá trị âm Bảng 1.11 Tính áp lực phụ thêm mô men xoắn phụ thêm TT Các đại lượng cần tÝnh ,®é 35 m R m - sin  P    2  h .h arcsin 2  h .h 1  h  2  h h S  R 6   7 P  k.v '  v NB P cos  P tg  sin  P (bPK - A) b PK  A h C¸c giá trị tính theo 10 15 20 25 - sin( P+ ) b  l tg A Đơn vị E - sin A 10 lP = A + 0,58.(bPK - A) 11 M B = PNB.lP P   m2 kG m kGm Bảng 1.12 Tính lực, mô men thuỷ động tàu tiến TT Các đại lượng cần tính toán Đ.vị Các giá trị tính theo 10 15 20 25 30 ’ PN (b¶ng 1.10) kG PNB (bảng 1.11) kG 38 P độ 35 M ’ (b¶ng 1.10) M B (b¶ng 1.11) PN = PN' + PNB M"=M'+MB M = k0.M " (k0=1,2 ~1,3) kGm kGm kG kGm kGm B¶ng 1.13 Tính lực thuỷ động bánh lái mô men thuỷ động trục lái cho bánh lái đặt dòng nước chong chóng đạp ra, tàu chạy lùi TT Các đại lượng tính toán Đơn Các giá trị tính theo P , độ vị 10 15 20 25 30 35 CYpl’ (tra ®å thÞ) CX'pl (tra ®å thÞ) CNl' = CY'pl cos p+CX'pl sin p CDl' (tra đồ thị) ’ ' xPl =CDl bCP m lPl = xPl’ - a m ' kG ' PNl  .C Nl v CPL FP M = PNl'.l2 kGm Trôc chong chãng R V2 O - tâm quay trục lái OK - hình chiếu mặt phẳng đối xứng bánh lái K A h V1 B bpk  p ( p +) o  1 V e' l1 b1 Д OB = A Sơ đồ: biểu diễn bánh lái không nằm dòng nước chong chóng đạp 39 M p) f( = P (I) n ) f(p = M Pn= f(p)  o (h.2) p (®é) 10 15 20 25 30 35 (II) M = f (p ) M Hình 1.24 Đồ thị biểu diễn PN = f( P ) vµ M = f( P ) 1.6.4.3 TÝnh lực mô men thủy động bánh lái trục lái tàu chạy lùi Quá trình tính toán thể bảng 1.13 1.6.5 Tính lực mô men thuỷ động tác dụng lên hệ bánh lái - trụ lái 1.6.6 Tính lực mô men thuỷ động bánh lái mũi Tham khảo SGK trang (88-90) s¸ch "Рулеъы устрйстьа суgоb" 40 ... Sơ đồ phân loại bánh lái 1.1.2.3 Phân loại theo số gối đỡ trục lái Sơ đồ 1, bánh lái có ổ đỡ bánh lái trở lên Sơ đồ 2, bánh lái có ổ đỡ bánh lái Sơ đồ 3, bánh lái ổ đỡ bánh lái Trong sơ đồ bổ sung... trục lái Nếu tàu có bố trí chong chóng tốt nên đặt bánh lái phía sau luồng nước chong chóng đẩy để làm tăng hiệu làm việc bánh lái Với đuôi tàu có lắp chong chóng bánh lái, sống lái, ki đỡ lái. .. bánh lái treo, việc nối bánh lái trục lái kết cấu hàn, phải l­u ý ®Õn chiỊu cao cđa nã ®Ĩ sưa chữa, lắp ráp, tháo bánh lái ụ cắt trục lái 1.2 Tác dụng bánh lái 1.2.1 Cơ chế lượn vòng tàu bẻ lái