btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :1
Bài tập lớn
Môn : thiết bị và hệ thống tàu thủy
o0o
Đè bài : Các thông số chính của tàu
Thiết kế bánh lái tàu bách hoá trọng tảI 4700t chạy tuyến Đông Nam á.Cho
kích thớc chủ yếu của tàu nh sau:
* Vận tốc tàu v
S
= 16 hl/h
* Chiều dàI tàu L = 45 m
* Chiều rộng tàu B = 10 m
* Chiều cao mạn H = 3,2 m
* Chiều chìm thiết kế T = 2,4 m
* Các hệ số béo
# Hệ số béo thể tích

= 0,82
# Hệ số béo sờn giữa

= 0,995
# Hệ số béo đờng nớc

= 0,88
Phần I :Tính toán sức cản và đờng kính chong chóng
Ta xét các đặc trng của tàu
*
1,4
4,2
10

11
11


x
C
Trong đó
*
1
=

L
B
10
= 10
21,169,0.
0,97
1,17
=
là hệ số đặc trng về hình dáng thân tàu
*
1
= 1 vì L > 100 m
* x
1
= 1 là hệ số kể đến ảnh hởng của phần nhô thân tàu phụ thuộc vào số đ-
ờng trục

Sinh viên :
Lớp : ĐT

1
Các giá trị công suất và lực cản đợc tính theo bảng
Vận tốc
giả thiết
v
S
(hl/h)
Vận tốc
tơng đối
v
1
=0,098v
s
Hệ số C
1
(tra đồ thị)
Hệ số
C
0
=0,905C
1
Công suất
kéo EPS (Cv)
Lực cản
R (kG)
8 0.784 104 94.120 652.78 6119.85
10 0.980 101 91.405 1312.84 9846.29
12 1.176 94 85.070 2437.52 15234.51
13,5 1.274 91.5 82.808 3357.77 19367.90
14 1.372 90.5 81.903 4207.39 22537.80

8 9 10 11 12 13 14 15 16
v (hl/h)
S
10000
14000
18000
22000
26000
30000
34000
R (kG)
1600
2400
3200
4000
4800
5600
6400
EPS (Cv)
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :3
Đờng kính chong chóng đợc xác định dựa vào tích số tối u giữa đờng kính
và vòng quay chong chóng

4
8,11 TnD
m
=
trong đó T =
t

= 160 vòng/phút
Thay số vào ta có đờng kính sơ bộ của chong chóng
D =
m
n
T
4
8,11
=
160
2258,11
4
= 3,6 m
Từ đờng kính chong chóng ta vẽ đợc sơ đồ khung giá lái
Phần ll .Lựa chọn dạng bánh lái
Ta lựa chọn dạng bánh lái cân bằng,đơn giản
* Bánh lái có dạng hình chữ nhật
* Profin bánh lái là profin NACA 0012
Phần lll .Các đặc trng hình học của bánh lái
1.Diện tích bánh lái
1.1.Theo công thức thống kê
Diện tích bánh lái đợc tính bằng công thức
F
P
= àLT ,m
2
trong đó
à = 0,018 ữ 0,027 là hệ số diện tích bánh lái cho tàu đi biển 1 bánh lái
L = 97 ,m là chiều dài giữa 2 trụ của tàu
T = 6,9 ,m là chiều chìm trung bình của tàu ở trạng thái toàn tải

A-50-ĐHT1
3
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :4
q = 1 đối với tàu hàng
L,T lần lợt là chiều dài và chiều chìm tàu
Thay số vào ta có
F
Pmin
=
8,10)
7597
150
75.0(
100
7.97
=
+
+
,m
2
Vậy diện tích bánh lái đã chọn F
P
= 22 m
2
thoả mãn không nhỏ hơn diện tích
tối thiểu F
Pmin
= 10,8 m
2

t
max
=
t
b
P
= 0,12.3,6 = 0,423 ,m
Vị trí chiều dày lớn nhất

x
= 0,3
Hoành độ chiều dày lớn nhất
x =
x
b
P
= 0,3.3,6 = 1,08 ,m
5.Vị trí đặt trục tối u
Vị trí đặt trục tối u đợc tính bằng công thức
a = a
opt
=
2
maxmin pp
xx +
Giá trị của x
pmin
và x
pmax
đợc tính theo bảng sau

(m)
5 0.02 0.2 0.05 0.20 0.25
0.90
10 0.04 0.4 0.1 0.40 0.25
0.90
15 0.09 0.6 0.16 0.60 0.27
0.96
20 0.16 0.85 0.23 0.85 0.27
0.97
27 0.34 1.2 0.35 1.22 0.29
1.03
Để tìm x
Pmax
và x
Pmin
ta vẽ đồ thị x
P
= x
P
(
P
)

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
4
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :5
Dựa vào đồ thị ta có

là diện tích phần đối của bánh lái
F
P
= 19,44 m
2
là diện tích của toàn bộ bánh lái
R =
44,19
184,5
= 0,27 > 0,25
Vậy vị trí đặt trục tối u là
a = 0,25.3,6
a = 0,9 m
7.Xây dựng tuyến hình prôfin lý thuyết
Toạ độ thực của prôfin tính theo công thức

100
bx
x =

100
.
max
ty
y

=
Tra bảng 1-9 tr 24 sổ tay thiết bị tàu thuỷ ta lập bảng toạ độ prôfin

Sinh viên :

0.75 12.45 27.00 52.66
30 50 1080.00 211.50
1 14.1 36.00 59.64 40 48.35 1440.00 204.52
1.25 15.8 45.00 66.83 50 44 1800.00 186.12
1.75 18.55 63.00 78.47 60 38.03 2160.00 160.87
2.5 21.8 90.00 92.21 70 30.5 2520.00 129.02
3.25 24.55 117.00 103.85 80 21.85 2880.00 92.43
5 29.6 180.00 125.21 85 17.08 3060.00 72.25
7.5 34.99 270.00 148.01 90 12.06 3240.00 51.01
10 39 360.00 164.97 95 6.7 3420.00 28.34
15 44.55 540.00 188.45 100 1.05 3600.00 4.44
Phần lV.Lực và mômen thủy động tác dụng lên bánh lái
1.Tàu chạy tiến
Vận tốc dòng nớc chảy đến bánh lái
v
ep
= 0,515v
S
(1-
r
) ,m/s
Trong đó
v
S
= 13,5 ,hl/h là là vận tốc khai thác của tàu

r
là giá trị trung bình của hệ số dòng theo tại vị trí đặt bánh lái

r

Vì Fr = 0,19 < 0,2 nên = 0
Thay số vào ta có

0
= 0.165
20,0
6,3
79646
1
69,0
3
=

r
= 0,8.0,20 = 0,16
là hệ số hiệu chỉnh có kể đến ảnh hởng của dòng nớc do chong chóng
đẩy ra đập vào bánh lái
đợc tính bằng công thức

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
6
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :7
=
)1(
''
1 +
B

B
A
D
v
T



trong đó
T =
t
T
E
1
là lực đẩy của chong chóng
T
E
= R/x = 19368 kG là lực đẩy có ích của chong chóng
t là hệ số lực hút đợc tính bằng công thức
t = K
0
trong đó K = 0,5 ~ 0,7 cho tàu có bánh lái dạng thoát nớc
Chọn t = 0,7
t = 0,7.0,20 = 0,14
T =
24210
20,01
19368
=



Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
7
3600
5
4
0
0
F''
P
D
B

=

3
6
0
0
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :8
Tra đồ thị ta có
k
B
= 2,3
là hệ số kể đến ảnh hởng toàn phần của tốc độ kích thích chiều trục đến
bánh lái và đợc xác định bởi công thức
=

D
z
f
Tra đồ thị với
6,3
5,1
=
B
D
z
= 0,42 ta có
k = 1,65
=








+

+
.47,112
65,12
2
65,1
= 1,2


P
(độ)
5 10 15 20 27
1 C
x
- 0.02 0.04 0.09 0.16 0.34
2 C
y
- 0.2 0.4 0.6 0.85 1.2
3 C
m
- 0.05 0.1 0.16 0.23 0.35
4 C
n
=C
x
sin
p
+C
y
cos
p
- 0.201 0.401 0.603 0.853 1.224
5 x
P
= (C
m
/C
n
)b

v
l
= 0,75v
S
= 0,75.13,5 = 10 hl/h

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
8
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :9
Tốc độ dòng chảy đến bánh lái
v
epl
= 0,515v
l

l
,m/s
trong đó
l
= 1,05 ~ 1,1
Chọn
l
= 1,1 ta có
V
epl
= 0,515.10.1,1 = 5,66 ,m/s
v

5 x
P
= (C
m
/C
n
)b
P
m 0.894 0.608 0.796 1.091 1.097
6 l = x
P
-a m -0.006 -0.292 -0.104 0.191 0.197
7 P
n
= 1/2C
n
v
epl
2
F
P
kG
4996.34 11010.74 15419.65 21484.49 19332.96
8 M

' = P
n
l kGm -31.65 -3212.09 -1598.79 4105.47 3809.33
9 M


= 686 Mpa = 7000 kG/cm
2
2.Xơng gia cờng
Khoảng cách giữa các xơng gia cờng tính theo công thức
a
0
= 0,2
4,0
100
+






L
với L = 97,0 m là chiều dài tàu
a
0
=
4,0
100
0,97
2,0 +






0
=
][
2
1

C
P
S
a
F
P
Tk








+
+1,5 ,mm
trong đó
k
S
là hệ số phụ thuộc vào tỉ số b
C
/a
C

2
=+






+
mm

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
10
400
600
3600
5
4
0
0
700 600600
6
0
0
6
0
0
6

37100
.7,0.40
240
37
=
+
+
=
+
+
l
l
mm
Chọn chiều dày tôn bao


0
= 14 mm
Chiều dày tôn mặt trên và tôn mặt d ới
Đợc lấy không nhỏ hơn 1,2
0
= 1,2.14 = 16,8 mm
Chọn chiều dày tôn mặt trên và dới


t
=

d
= 18 mm

0
= 25 ~ 28 mm
Chọn chiều dày xơng gia cờng thay thế cho trục lái


tt
= 28 mm
4.Lập là
* Chiều dày xơng lập là

= 15 mm
* Chiều rông lập là b = 100 mm
5.Kiểm tra bền trục lái
Bánh lái đợc coi là đủ bền nếu mômen chống uốn của xơng đúng thay thế
cho trục lái và mép kèm của nó lớn hơn mômen chống uốn cho phép
W [W] =
][


M
trong đó M

là mômen uốn nhịp đợc tính ở phần sau
[] =
ch
/3 = 800 kG/cm
2

Chiều rộng mép kèm
b

Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
11
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :12
1 1,8x90 162 -30,2 147750,48 43,74
2 2x2,8x42,4 237,44 0 0 35571,7
3 1,8x90 162 30,2 147750,48 43,74
561,44
331160,12
Mô men quán tính
I = 331160,12 cm
4
Mômen chống uốn
W = I/Z
max
= 331160,12/23 = 14398 cm
3
Mômen chống uốn cho phép
[W] = M
tt
/[] = 113437.10
2
/800 = 14179 cm
3
Vậy bánh lái đủ bền.
6.Khối lợng & toạ độ trọng tâm bánh lái
Ta tính đợc toạ độ trọng tâm của profin bánh lái,cách mép trớc bánh lái
một khoảng là 155 cm
Diện tích prôfin bánh lái

7 Vách ngang 10333x1,5x8 111596.4 155 17297442
8 Tôn đáy 10333x1,8x2 37198.8 155 5765814
9 Lập là 84480 155 13094400
S
969157.5 145177635
Chú ý: Hệ số 0,9 là hệ số kể đến việc chiếm diện tích của lỗ khoét trên vách
ngang và vách đứng
Từ bảng trên ta có khoảng cách từ trọng tâm bánh lái đến mép trớc

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
12
x
900
4
2
4
3
z
2
1
28
1
8
1
8
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :13
x

# Lực tác dụng lên đầu sectơ lái
P
C
= M
C
/R
C
với R
C
là bán kính sectơ lái
# Trọng lợng bánh lái G
m
và trọng lợng bản thân của trục lái
1.Tính toán lần gần đúng thứ nhất
Ta giả thiết P
C
= 0 và ta áp dụng nguyên lý độc lập tác dụng
1.1.Trục lái dới tác dụng của P
n
và M

Ta coi bánh lái và trục lái nh 1 dầm tựa trên các đế cứng.Phản lực tại các
đế là R
i
.Độ cứng của bánh lái là EI
1
,của trục là EI
2
.Ta giả thiết là
EI

1
0
G
M
1
2 3
R''
1
R''
2
R'
0 n
P R'
1
R'
2
M = 4565 kGm
G
Tác dụng của P
n
Tác dụng của M
G
1
M'
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :14





1
=
21
11
1
1
2
1
2 LL
ba
b
a
P
n
+








+
=
9,1.25,6
5,3.3
5,3
3
1

1
1
11
'M
L
a
L
baP
n

= 101720 (kGm)
Đờng kính trục tại gối 1:
D
1

[ ]
3
22
1
1.0
'


MM +
(cm)
Với
[ ]

= 0.4
T

1
'
L
M
L
bP
n

=
5,6
81705
5,6
5,3.86314

= 33907 (kG)
R
1
=
( )
1
1
21
211
'
L
aP
LL
LLM
n
+

R

=
44007000
33907
10
+
= 17,2 (cm)
D
0
2,76
[ ]

0
R
= 9,6 (cm)
Chọn D
0
= 24 (cm)
D
1
= 34 (cm)
D
2
= 30 (cm)
1.2.Trục lái chịu tác dụng của trọng lợng bánh lái G
m
M
G
= G

3
1
6
L
a
EI
LM
G
= -
2
21
1
11
3
''
3
''
EI
LM
EI
LM

M
1
=-
21
1
2
2
1

1
1
''
L
aM
L
bM
G

= 2687 (kGm)
Phản lực tại các gối :
R
0
=
1
1
1
''
L
M
L
M
G

= 778 (kG)
R
1
= -
2
1

Vậy thay số ta có:
R
0
=
22
77833907 +
= 33916 (kG)
R
1
=
22
104095410 +
= 95416 (kG)
R
2
=
22
26143003 +
= 43004 (kG)
Trị số mômen ma sát tại các gối trong lần gần đúng thứ nhất :
M
msi
=
i
i
i
R
D
f
2

15,0
4

= 1232 (kGm)
Mômen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục lái ở lần gần đúng thứ nhất là:
M
tp
= M

+

=
`2
0i
msi
M
= 14562+(518+2056+1232) = 18377 (kGm) = 180,1 (kNm)
Chọn máy lái điện thuỷ lực có xylanh lắc,mômen xoắn đa ra đầu sectơ lái
thoả mãn: M
c
M
tp

Với Mc là mômen xoắn đầu ra của máy lái Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
15

C
Phơng trình góc xoay viết cho gối 1:
-
2
22
2
21
1
11
1
1
1
11
6
'
3
'
3
'
1
6 EI
LM
EI
LM
EI
LM
L
a
EI
baP










+

với M
2
= P
c
.L
3
= 45351.0,65 = 29478 (kGm)
Vậy M

1
= 56318 (kGm)
Mômen tính toán :
M
tt
= P
n
1
1
1

A-50-ĐHT1
16
R''
a = 3 m L = 6,5 m
11
b = 3,5 m
1
L = 0,65 m
3
L = 1,9 m
2
M

L LL

1
ba
1
1
0
G
M
1
2 3
R''
1
R''
2
R'
0 n

L
MaP
n
2
21
''
L
MM
= 62628 (kG)
R
2
= P
c
-
2
21
''
L
MM
= 31225 (kG)
Đờng kính trục trong lần tính thứ hai:
D
i

[ ]


4,0
22
MM

0
10
28007000
'
0
+
R
= 20 (cm)
D
0
2,76
[ ]

0
'R
= 10,1 (cm)
Từ các giá trị trên ta chọn :
D
0
= 24 (cm)
D
1
= 34 (cm)
D
2
= 30 (cm)
D
3
= 28 (cm)
2.2.Trục lái dới tác dụng của M

2
4

M
ms0
=
37820
2
24,0
1,0
4

= 578 (kGm)
M
ms1
=
62637
2
34,0
1,0
4

= 1356 (kGm)
M
ms2
=
31226
2
3,0
15,0

chọn lại máy lái
3.Kiểm tra bền trục lái
Ta nên kiểm tra bền trục lái tại 3 tiết diện nguy hiểm
# Tiết diện 1-1 là tiết diện mà gót ki lái liên kết với trục lái
# Tiết diện 2-2 là tiết diện ổ trên trục lái
# Tiết diện 3-3 là là nới lắp vành chặn 2 nửa để đỡ toàn bộ trọng lợng của
bánh lái và trục lái
# Tại tiết diện 1-1 có mômen uốn tổng cộng :M
1-1
=
2
1
2
1
''' MM +
trong đó :
M
1
là mômen uốn tại tiết diện 1-1 do P
n
và P
c
gây ra
M
1
= R
0

.L
3
= 45351.0,4 = 18140 (kGm)
Quá trình tính toán đợc thực hiện dới bảng sau:
STT Đại lợng tính Đơn vị
Kết quả
1 1 2 2 3 3
1 Đờng kính trục cm 24 30 28
2 Môđun chống uốn W
ui
cm
3
1382.4 2700 2195.2
3 Môđun chống xoắn W
xi
cm
3
2764.8 5400 4390.4
4 Mômen uốn M
ui
kGcm 756400 2947800 1814000
5
ứng suất uốn
ui
kG/cm
2
547.164 1091.7778 826.3484
6
ứng suất xoắn
i

3
2
2
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :19
Phần VII : Mối nối
1.Trục lái và bánh lái
Chọn dạng mối nối là mặt bích hình chữ nhật nằm ngang có kích thớc nh
hình vẽ
1.1.Đờng kính bu lông
Phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau
d
B

Cch
u
rn
MM
)4400(
54,5
22
+
+


,cm
trong đó
M

= 1456200 kGcm là mômen xoắn thuỷ động

B

396)44003000(6
14562005632000
54,5
22
+
+
= 3,2 cm
Chọn đờng kính bulông
d
B
= 100 mm
1.2.Kích thớc mặt bích
Kích thớc mặt bích chọn nh hình vẽ
Chiều dày mặt bích không nhỏ hơn đờng kính bulông nối
Chọn chiều dày mặt bích
S = 100 mm
Bán kính lợn của cạnh mặt bích
R = 80 mm
1.3.Kiểm tra bền mối nối
Bulông trong mối nối gồm có 4 bulông thô và 2 bulông tinh
Bulông đợc chia thành 2 nhóm

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
19
3
5

2
= M

T
1
/b
1
= T
2
/b
2
Thay số vào ta có
T
1
= 6434 kG
T
2
= 5362 kG
Ta xét bulông ghép có khe hở
Lực xiết cần thiết của bulông
N
2
=
f
kT
2
Trong đó
k = 2 là hệ số an toàn
f = 0,2 là hệ số ma sát
Thay số vào ta có

1
B
d
T

= 81,9 kG/cm
2

Ta phải có

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
20

M
T
1
T
2
b
1
b
2
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ
Trang :21
= 81,9 < [] = 0,6[
k
] = 1200.0,6 = 720 kG/cm
2

Khi cha có P
n
thì mối ghép đã chịu dập với ứng suất

d
=
F
nN
Trong đó
n = 6 là số bulông
N là lực xiết cần thiết
F = 6104 cm
2
là diện tích bề mặt ghép
Khi coi mặt bích là khá cứng thì biến dạng uốn theo mặt bích đợc xem là đ-
ờng thẳng có trị số lớn nhất

u
=
u
u
W
M
trong đó
W
u
= 105292 cm
3
là môđun chống uốn của mặt bích bỏ qua lỗ khoét
M

u
u
nW
FM
Để thiên về an toàn ta thêm hệ số an toàn k = 1,3
N >
u
u
nW
FM
k
=
105292.6
5631800.6104
3,1
N > 70739
ứng suất kéo dới tác dụng của lực xiết

K
= 70739/63,6 = 1112 kG/cm
2
< [] = 1200 kG/cm
2
Kết luận : Các bulông trong mối ghép đủ bền

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
21
btl :thiết bị và hệ thống tàu thuỷ

= 21,3 cm
Chọn
d
ch
= 24 cm
Chiều dài đoạn hình trụ của chốt không nhỏ hơn đờng kính chốt nhng cũng
không lớn hơn 1,3 đờng kính chốt để thuận tiện cho công nghệ
Chọn chiều dài đoạn hình trụ là
l = 30 cm
Chiều dài đoạn côn của chốt chọn
l
C
= 29 cm
Đờng kính nhỏ nhất của chốt:
k =
=

=
c
k
cch
d
l
dd
7
1
20 cm
Đờng kính đoạn ren của chốt không nhỏ hơn 0,8d
c
= 16 cm

max

[ ]
p
Trong đó P
max
= 37820 kG là phản lực tại ổ
d
ch
= 24 cm
h
ch
= 30 cm
Thay số vào ta có
p = 52,5 kG/cm
2
= 515 N/cm
2

Với vật liệu thép CT3C thì
[ ]
p
= 685 (N/cm
2
)
Vậy chốt đủ bền

Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1

b = 2
d
= 36,8 mm
Chon b = 35 mm
Chiều cao vòng
h = 0,9b = 30 mm
2.3.ổ đỡ chặn
Vì ổ phải chịu lực dọc trục nên ta chọn ổ đỡ chặn theo bảng 1-30 (sttbtt)
chọn ổ có số hiệu : 8156
Sinh viên :
Lớp : ĐT
A-50-ĐHT1
23