BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
  

LÊ VĂN DUYÊN
ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG XOẮN CỦA HỆ TRỤC
CHÂN VỊT TÀU VẬN TẢI QUÂN SỰ TRƯỜNG SA
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN. LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGÀNH ĐÀO TẠO: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
MÃ SỐ : 60 52 01 16 LUẬN VĂN THẠC SĨ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. PHẠM HÙNG THẮNG

Khánh Hòa- 2014

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Lê Văn Duyên, học viên lớp Cao học Cơ Khí Động Lực 2012 xin
cam đoan:
Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là hợp lệ,
trung thực và chính xác, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp
luật Việt Nam.
Nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa
học của Thầy PGS. TS. Phạm Hùng Thắng.
Tác giả

MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÀU VẬN TẢI QUÂN SỰ TRƯỜNG SA…… 4
1.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU VTQSTS……………………………………… 4
1.1.1. Đặc điểm nhiệm vụ, điều kiện làm việc, phạm vi hoạt động của tàu
VTQSTS 4
1.1.2. Tính năng đặc thù của tàu VTQSTS………………………………………4
1.2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ HỆ ĐỘNG LỰC CỦA TÀU VTQSTS…………… 5
1.2.1. Các thông số kỹ thuật của tàu VTQSTS 5
1.2.2. Các thông số cơ bản của động cơ chính 6L350PN………………………5
1.2.3. Các chi tiết chủ yếu của động cơ 6L350 PN…………………………….8
1.2.4. Đặc tính của động cơ chính 6L350PN 10
1.2.5. Kết cấu của hệ trục chân vịt tàu VTQSTS 11
1.3. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH, KỂT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ DAO ĐỘNG XOẮN
HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU THỦY 17
1.3.1. Các nghiên cứu trên thế giới 17
1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam 21
1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 22
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC
CHÂN VỊT TÀU THỦY………………………………………………… 24
2.1. PHÂN LOẠI DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC TÀU THỦY 24
2.1.1. Dao động dọc trục 24
2.1.2. Dao động ngang 24
2.1.3. Dao động xoắn 27
2.2. LÝ THUYẾT VỀ DAO ĐỘNG XOẮN CỦA HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU
THỦY 29
2.3. CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU
THỦY. ………………………… 30
2.4. MÔ HÌNH TÍNH DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU THỦY 32
2.5. TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ DAO ĐỘNG VÀ QUY ĐỔI HỆ
THỐNG TƯƠNG ĐƯƠNG………………………………………………………… 34

PHỤ LỤC 1: BẢNG TỐC ĐỘ CỘNG HƯỞNG TƯƠNG ỨNG VỚI 8 TẦN SỐ
RIÊNG CỦA DAO ĐỘNG TỰ DO VÀ 24 CẤP ĐIỀU HÒA …………………… 108
PHỤ LỤC 2: DẠNG DAO ĐỘNG RIÊNG HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU VTQSTS
(4 DẠNG ĐẦU TIÊN)……… …………………………………………………….109
PHỤ LỤC 3: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN CƯỠNG BỨC
CỦA HỆ TRỤC CHÂN VỊT MẠN TÀU VTQSTS……………………………… 110

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Diễn giải Đơn vị
VTQSTS Vận tải quân sự Trường Sa
PTVP Phương trình vi phân
HTĐL Hệ động lực

c Độ cứng chống xoắn Nm/rad
G Mô đun đàn hồi trượt của vật liệu N/m
2

J
OA
Mô men quán tính của trục khuỷu đối với đường tâm trục kg.m
2

J
p
Mô men quán tính độc cực của tiết diện ngang trục m
4

J
tt
Mô men quán tính của thanh truyền đối với trọng tâm kg.m
2

l Chiều dài thanh truyền m
R Bán kính tay quay trục khuỷu m
T Chu kỳ của mô men kích thích s
v
pt
Vận tốc chuyển động của Piston m/s
v
tt
Vận tốc chuyển động của trọng tâm thanh truyền m/s
W
x
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tàu vận tải quân sự Trường Sa…………………………………………….4
Hình 1.2.Thanh truyền của động cơ.……………………………………………… 9
Hình 1.3. Các đường đặc tính ngoài của động cơ 6L350PN 10
Hình 1.4. Hệ thống động lực tàu VTQSTS 11
Hình 1.5. Sơ đồ bố trí hệ trục tàu VTQSTS…………………………………………12
Hình 1.6. Chân vịt tàu VTQSTS 13
Hình 1.7. Ống bao trục chân vịt tàu VTQSTS 14
Hình 1.8. Trục chân vịt tàu VTQSTS.………………………… 14
Hình 1.9. Trục trung gian I…………… 15
Hình 1.10. Trục trung gian II………………………………………………….15
Hình 1.11. Trục đẩy chân vịt………………………………………………… 15
Hình 1.12. Ổ đỡ trục trung gian 16
Hình 1.13. Kết cấu ổ đỡ trục đẩy chân vịt 17
Hình 1.14. Mô men quán tính thu gọn của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 18
Hình 2.1. Dao động ngang của một đoạn trục 25
Hình 2.2. Mô hình tính toán dao động ngang trục 26
Hình 2.3. Hiện tượng gãy trục do dao động xoắn gây ra 28
Hình 2.4. Mô hình thanh- khối lượng 31
Hình 2.5. Các dạng lược đồ của mô hình tính toán dao động xoắn hệ trục chân vịt tàu
thủy……………………………………………………………………………….31
Hình 2.6. Mô hình dao động xoắn của hệ thống tương đương ……….…………… 32

Hình 3.19. Phổ mô men kích thích tổng hợp xi lanh số 1 tại n=350v/ph…… 86
Hình 3.20. Biên độ mô men kích thích tổng hợp của động cơ tại n=350v/ph……… 87
Hình 3.21. Phổ mô men kích thích tổng hợp xi lanh số 1 tại n=386v/ph…… 87
Hình 3.22. Biên độ mô men kích thích tổng hợp của động cơ tại n=386v/ph……… 87
Hình 3.23. Mô hình tính dao động cưỡng bức bằng ANSYS 10.0……………… .88
Hình 3.24. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 1 tại n=230 v/ph. ……………….89
Hình 3.25. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 2 tại n=230 v/ph 89
Hình 3.26. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 3 tại n=230 v/ph 90
Hình 3.27. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 4 tại n=230v/ph 90
Hình 3.28. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 5 tại n=230 v/ph 90
Hình 3.29. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 6 tại n=230 v/ph 91
Hình 3.30. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 7 tại n=230 v/ph 91
Hình 3.31. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 8 tại n=230 v/ph 91
Hình 3.32. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 1 tại n=350 v/ph 92
Hình 3.33. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 2 tại n=350 v/ph……………… 92
Hình 3.34. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 3 tại n=350v/ph ……………… 93
Hình 3.35. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 4 tại n=350v/ph………………. 93
Hình 3.36. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 5 tại n=350vg/ph……………… 93
Hình 3.37. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 6 tại n=350vg/ph……………… 94
Hình 3.38. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 7 tại n=350vg/ph……………… 94
Hình 3.39. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 8 tại n=350vg/ph……………… 94
Hình 3.40. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 1 tại n=386 v/ph 95
Hình 3.41. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 2 tại n=386 v/ph…………………95
Hình 3.42. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 3 tại n=386v/ph……………… 95
Hình 3.43. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 4 tại n=386vg/ph……………… 96
Hình 3.44. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 5 tại n=386vg/ph……………… 96
Hình 3.45. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 6 tại n=386vg/ph……………… 96
Hình 3.46. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 7 tại n=386vg/ph……………… 97
Hình 3.47. Biên độ dao động tổng hợp khối lượng 8 tại n=350vg/ph……………… 97


(khớp nối mềm, bộ ly hợp), chiều dài đoạn trục lớn và hệ trục làm việc ở chế độ quá
tải lớn với cường độ cao. Điều này sẽ làm tăng nguy cơ xuất hiện dao động xoắn cộng
hưởng trong dải tốc độ làm việc của động cơ và dễ gây hư hỏng cho hệ trục. Đây cũng
chính là lý do buộc các nhà thiết kế phải hoàn thiện phương pháp tính, tăng độ chính
xác của các kết quả tính toán.
Trong những năm gần đây, ngành đóng tàu Việt Nam đã có những bước phát
triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, việc tính toán dao động xoắn hệ trục chân vịt tại các cơ sở
đóng tàu, các Viện thiết kế thường vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp giải tích
được đưa ra từ những năm 50 của thế kỷ trước. Các kết quả tính toán nhìn chung đã
đáp ứng được một số yêu cầu của việc tính toán thiết kế hệ trục chân vịt nhưng trong
một số trường hợp chưa được quan tâm với thực tế khai thác sử dụng 100- 110% công
suất của tàu vận tải quân sự. Mặt khác, do không được trang bị đầy đủ thiết bị đo kiểm
nên hầu hết các tàu thủy được thiết kế và đóng mới trong nước không được đo kiểm
dao động xoắn trước khi đưa vào sử dụng lâu dài. Điều này đặt ra yêu cầu cần phải xây
dựng một mô hình tính toán dao động xoắn hệ trục chính xác và sát với thực tế hơn
trên cơ sở sử dụng các phần mềm tính toán chuyên dụng và hiện đại.
2
Xuất phát từ thực tế trên, việc thực hiện đề tài: “ Đánh giá dao động xoắn của
hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa bằng phương pháp phần tử hữu
hạn” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng.
Mục đích nghiên cứu: Xây dựng phương pháp đánh giá tính toán dao động xoắn
của hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa trên cơ sở sử dụng các phần mềm
chuyên dụng nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả tính.
Đối tượng nghiên cứu: Hệ trục chân vịt của tàu vận tải quân sự Trường Sa
được đóng mới tại Việt Nam hoạt động trong điều kiện thực hiện các nhiệm vụ vận tải
hàng quân sự, tìm kiếm cứu nạn trên biển, bảo vệ quần đảo Trường Sa và khu vực dầu
khí của Tổ Quốc.
Phương pháp nghiên cứu: Xây dựng mô hình, tính toán dao động xoắn tự do
và cưỡng bức của hệ trục tàu vận tải quân sự Trường Sa, đánh giá tính toán dao động
xoắn của hệ trục khi làm việc ở chế độ tốc độ cộng hưởng và chế độ sử dụng thực tế
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÀU VẬN TẢI QUÂN SỰ TRƯỜNG SA
l.l. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU VTQSTS.
1.1.1. Đặc điểm nhiệm vụ, điều kiện làm việc, phạm vi hoạt động của tàu
VTQSTS.
Tàu vận tải Trường Sa là loại tàu vận tải quân sự do Việt Nam sản xuất vào đầu
thập kỷ 90 của thế kỷ XX, để thực hiện nhiệm vụ vận chuyển vật liệu xây dựng, vũ khí
trang bị kỹ thuật, hàng hóa phục vụ Hải quân xây dựng và bảo vệ quần đảo Trường Sa
và các đảo dọc theo bờ biển của đất nước. Ngoài nhiệm vụ chính trên, tàu VTQSTS
còn đảm nhiệm rất nhiều nhiệm vụ khác khi có lệnh của cấp trên như: tìm kiếm cứu
nạn trên biển, trực bảo vệ chủ quyền biển đảo, cảnh giới bảo vệ tàu thăm dò dầu khí,
chuyển quân ra đảo và về đất liền. Tàu vận tải quân sự Trường Sa là loại tàu vỏ thép
có trọng tải 1000 tấn, tầm hoạt động 4000 hải lý. Tàu hoạt động trong điệu kiện thời
tiết khắc nghiệt, chịu sóng tới sóng cấp 8. Các thiết bị trên tàu đã được tính toán phù
hợp với điều kiện khai thác và khí hậu của vùng biển Việt Nam. Hình 1.1: Tàu vận tải quân sự Trường Sa.

- Nước ngọt sinh hoạt ( tấn) 132, 5
10 Kiểu động cơ chính 6L350PN
11 Số động cơ chính trên tàu (chiếc) 02
12 Công suất máy chính (kW) 720
13 Số chân vịt trên một tàu (chiếc) 02

1.2.2. Các thông số cơ bản của động cơ chính 6L350PN[15].
Động cơ Diesel 6L350PN được sản xuất tại hãng SKODA (Cộng hòa Séc). Đây
là kiểu động cơ 4 kỳ phun nhiên liệu trực tiếp có tăng áp bằng tua bin khí xả. Động
cơ chính được bố trí hai bên gọi là máy phải và máy trái. Máy phải: hành trình tiến,
6
quay phải, hành trình lùi quay trái (hướng quay cùng chiều kim đồng hồ). Máy trái:
hành trình tiến, quay trái, hành trình lùi quay phải.
Động cơ có tính năng đảo được chiều (giúp tàu chạy tiến và chạy lùi), có các thông
số kỹ thuật cơ bản như sau:
- Công suất định mức: N
eH
= 720 kW;
- Tốc độ định mức: n
H
= 375 v/ph;
- Công suất quá tải 10% : N
emax
= 792 kW;
- Tốc độ tối thiểu: n
min
= 120 v/ph;
- Tốc độ tối đa: n
max
= 412 v/ph;

0
max
=460
0
C;
+ Nhiệt độ khí xả trước tua bin: t
0
max
=550
0
C;
+ Nhiệt độ khí xả trước tua bin ở 110% tải: t
0
max
= 580
0
C;
- Thời điểm đóng mở supap:
7
+ Nạp mở: 90
0
trước ĐCT;
+ Nạp đóng: 26
0
sau ĐCD;
+ Xả mở: 40
0
trước ĐCD;
+ Xả đóng: 56
0

= 20,84 KNmS
2

+ Đường kính cổ khuỷu trục: d
ck
= 240 mm
+ Đường kính cổ chốt khuỷu: d
ch
= 220 mm
+ Bán kính quay khuỷu trục: R = 250 mm
+ Chiều dài cổ khuỷu trục: l
ck
= 240mm
+ Chiều dài chốt khuỷu: l
ch
= 220 mm
+ Chiều dày má khuỷu: h= 120 mm
+ Chiều rộng má khuỷu: b= 390 mm
+ Chiều cao má khuỷu: D= 500 mm
+ Chiều dài thanh truyền : l
tt
= 1066 mm
+ Chiều dài piston : l
pt
= 640 mm
+ Trọng lượng thanh truyền : m
tt
= 60 kg
+ Trọng lượng nhóm piston: m
pt

phép, không tạo va đập mạnh, bị biến dạng trong quá trình làm việc.
- Thân thanh truyền chịu được nén và uốn dọc do hợp lực của khí thể và lực quán
tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến gây ra.
+ Chịu kéo do tác dụng của lực quán tính chuyển động tịnh tiến.
+ Chịu uốn ngang do tác dụng của lực quán tính chuyển động lắc thanh truyền
gây ra.
- Chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to, đầu nhỏ thanh truyền có góc lượn để giảm
ứng suất tập trung.
b) Kết cấu thanh truyền (Hình 1.2) .
Thanh truyền được làm bằng thép, có tiết diện hình chữ I với đầu to được chế
9
tạo rời. Kết cấu thanh truyền được chia làm 3 phần sau đây:
- Đầu nhỏ thanh truyền có hình trụ rỗng, được lắp ghép với chốt piston, phần tại
rỗng trong được ép ống lót (bạc lót), được làm từ hỗn hợp đồng thanh pha thiếc. Trên
bạc lót có rãnh chứa dầu, phần trên đầu nhỏ bố trí các lỗ phun dầu, dầu có áp lực sau
khi bôi trơn bạc và chốt sẽ phun vào mặt dưới đỉnh piston để làm mát đỉnh.
- Đầu to thanh truyền được chế tạo rời với thân thanh truyền, đầu to được lắp với
thân bằng các bulông chống xoay, giữa mối ghép nửa trên đầu to với thân có các
miếng đệm để điều chỉnh dung tích buồng cháy (hành trình piston). Nửa dưới đầu to
có các chốt định vị để khi lắp với thân và đầu to trên, bulông được lắp chính xác.
- Thân thanh truyền được nối giữa đầu to và đầu nhỏ, chiều dài của thân được
làm đồng đều trên suốt chiều dài, chiều rộng của thân tăng dần từ đầu nhỏ xuống đầu
to để phù hợp phân bố lực quán tính tác dụng lên thanh truyền trong mặt phẳng lắc.


Se
Gp
tv1
tv2
PJ
v/ph
100
200
300
400
500
tv
C
o
3922
5884
7845
218
231
245
258
272
286
299
312
426
340
354
367
380

xécmăng dầu được đặt ở rãnh cuối thứ 6 và tại rãnh có khoét lỗ để thoát dầu, dưới đỉnh
piston làm bán kính góc lượn và các gân tản nhiệt để chuyền nhiệt tốt và tăng độ cứng
vững cho bệ chốt khuỷu.
- Thân piston: tính từ chỗ thoát dầu ở xécmăng đầu tiên xuống hết phần dẫn,
hướng piston, gồm : bệ chốt và 1 rãnh lắp xécmăng dầu.
1.2.4. Đặc tính của động cơ chính 6L350PN [15].

e

Hình 1.3: Các đường đặc tính ngoài của động cơ 6L350PN .
11
Trong đó: P- Công suất động cơ (kW); M
k
- Momen xoắn (Nm); S
e
- Suất tiêu
hao nhiên liệu riêng (g/kWh); G- lượng tiêu hao nhiên liệu giờ (kg/h); t
ν1
Hình 1.4: Hệ thống động lực tàu VTQSTS.

Trong đó:1-1’- chân vịt; 2, 2’- Ổ đỡ trục chân vịt; 3, 3’- Trục chân vịt; 4, 4’- Ổ
kín nước đuôi tàu; 5, 5’- trục trung gian I; 6, 6’- Ổ đỡ trục trung gian I; 7, 7’- Trục
đẩy; 8, 8’- Ổ đỡ chặn; 9, 9’- Khớp nối; 10, 10’- Trục trung gian II; 11, 11’- Ổ đỡ trục
trung gian II; 12, 12’- Động cơ chính; 13, 13’- Các thiết bị phục vụ hệ thống động lực;
14. Thân vỏ tàu.

2

3
4

5

6

7

8

9

11


9
’

10
’

11
’

12
’

13
’

10

1

12


hỏng hóc như : ăn mòn, biến dạng, quăn mép, rỗ, nứt, mẻ, gẫy, Hiện tượng sủi bọt,
xâm thực, hư hỏng sự cố xảy ra thường xuyên trong quá trình khai thác nên dẫn đến
hiệu suất đẩy tàu của chân vịt giảm.
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

2

4

= 0,70
-Số cánh : Z = 4
-Hiệu suất chân vịt:

cv
= 0,63
-Khối lượng: G
cv
=631kG
-Vật liệu chế tạo: Đồng
- Góc nghiêng của cánh: 15
0

Hình 1.6: Chân vịt [1].
3) Ống bao trục chân vịt và ổ kín nước đuôi tàu.
Ống bao trục chân vịt và ổ kín nước đuôi tàu là tổ hợp thiết bị có nhiệm vụ dẫn
hướng chuyển động cho trục chân vịt và ngăn không cho nước tràn vào bên trong tàu,
được làm kín dầu và kín nước bằng các thiết bị chuyên dùng, có một phần tiếp xúc

bích lắp bằng 8 bulông M42 (Thép CT5).
Các thông số đặc trưng là: Chiều dài: 1650 mm; vật liệu: Thép CT45 đặc;
đường kính: 200mm; đặt trên một ổ đỡ Φ220 mm; có dầu bôi trơn ổ và dầu bôi trơn ổ
được làm mát bằng nước biển.