Thạc Sĩ Tính dao động riêng hệ trục chân vịt tàu thủy theo phương pháp phần tử hữu hạn

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: Tính dao động riêng hệ trục chân vịt tàu thủy theo phương pháp phần tử hữu hạn

MỤC LỤC
Lời nói đầu
Chương 1: Tổng quan về dao động hệ trục chân vịt 4
1.1. Kết cấu hệ trục chân vịt tàu thuỷ 4
1.2. Dao động của hệ trục chân vịt 11
1.3. Các phương pháp tính toán dao động riêng . 18
1.4. Mục tiêu, phương pháp, đối tượngvà phạm vi nghiên cứu . 20
Chương 2: Cơ sở PPPTHH tính dao động hệ trục chân vịt
2.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn . 21
2.2. Tính dao động dọc 24
2.3. Tính daođộng ngang 28
2.4. Tính dao động xoắn 31
2.5. Ma trận hệ kết cấuvà ma trận khối lượng tương thích 39
2.6. Phương pháp giải phương trình dao động riêng .40
2.7. Sơ đồ thuật toán 42
Chương 3: Kết quả áp dụngtính dao động riênghệ trục chân vịt 43
3.1. Tính dao động dọc trụctự do 43
3.2. Tính dao động ngangtự do . 49
3.2. Tính dao động xoắntự do . 54
Chương 4: Kết luận và kiến nghị 63
Phụ lục 64
Tài liệu tham khảo . 83

LỜI NÓI ĐẦU
Để nâng cao hiệu quả sử dụng và tính an toàn cho tàu đi biển, trong quá trình
tính toán và thiết kế các thiết bị động lực nói chung và hệ trục chân vịt tàu thuỷ nói
riêng, ngoài việc phải đảm bảo về điều kiện bền, điều kiện cứng mà còn phải đảm bảo
không rung động lớn.Trong thực tế khai thác chúng ta nhận thấy hệ trục chân vịt của
nhiều tàu đã bị gẫy và phá hủy mà một trong những nguyên nhân là do không đảm bảo
được các y êu cầu về dao động, trong đó đáng chú ý là dao động ngang và dao động
xoắn.
Chính vì vậy việc tính toán thiết kế và kiểm tra dao động hệ trục chân vịt chân
vịt tàu thuỷ có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đảm bảo cho hệ thống động lực tàu
hoạt động an toàn, tin cậy và kéo dài tuổi thọ. Mặt khác, việc tính toán các dao động
của hệ trục còn là cơ sở để lựa chọn kích thước của hệ trục và bố trí các gối trục một
cách hợp lý nhất.
Rung động của hệ trục chân vịt gây ra những hệ quả không mong muốn như
tiếng ồn; tăng ma sát với ổ trục điều đó làm tăng tiêu hao năng lư ợng; giảm hiệu suất
đẩy của chân vịt; và có thể dẫn đến hư hỏng bản thân hệ trục do không đủ bền.
Do sự rung động của hệ trục chân vịt là không thể tránh khỏi trên thực tế, để
hạn chế các ảnh hưởng tiêu cực nêu trên, người ta thường dùng nhiều biện pháp để
tránh cho hệ trục chân vịt cộng hưởng. Trong các phương pháp được sử dụng, phương
pháp thông dụng và hiệu quả hơncả là điều chỉnh cho các tần số dao động riêng của hệ
trục nằm ngoài dải tần có thể bị kích thích bởi các lực từ bên ngoài. Theo hướng này,
một vấn đề hiển nhiên được đặt ra là làm sao xác định chính xác các tần số dao động
riêng thấp của hệ trục vì chỉ các tần số dao động riêng thấp mới có nhiều nguy cơ bị
kích thích bởi các yếu tố bên ngoài. Đây là nội dung bài toán dao động riêngcủa hệ
trục chân vịt.
Mặc dù bài toán trên đã được quan tâm từ lâu và đã có nhiều mô hình,phương
pháp tính được đề xuất. Tuy nhiên, theo các phương pháp này, các dao động thành
phần như dao động dọc trục, dao động xoắn và dao động ngang thường được đưa về
mô hình tính đơn giản. Chính vì sự đơn giản của mô hình, các phương pháp trên đem
2
lại kết quả có độ chính xác chưa cao. Mặt khác các thủ tục tính toán cũng khá phức tạp
làm cho việc áp dụng trên thực tế gặp nhiều khó khăn vì đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về
phương pháp tính. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của phương pháp tính mà nhất
là phương pháp ph ần tử hữu hạn,bài toán dao động riêngcủa hệ trục chân vịt có thể
được giải quyết trên một mô hình sát với thực tế hơn.
Nội dung của đề tài bao gồm 4chương:
Chương 1: Tổng quan về dao động hệ trục chân vịt
Chương 2: Cơ sở PPPTHH tính dao động hệ trục chân vịt
Chương 3: Kết quả áp dụng tính dao động riêng hệ trục chân vịt
Chương 4: Kết luậnvà kiến nghị

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ TÍNH
DAO ĐỘNG HỆ TRỤC CHÂN VỊT
1.1. Kết cấu hệ trục chân vịt tàu thuỷ
Hệ động lực tàu bao gồm từ máy chính, trục khuỷu, trục trung gian, trục chân
vịt, chân vịt và ổ đỡ trục, trong đó hệ trục chân vịt là bộ phận cơ bản quan trọng nhất
đóng vai trò trung gian giữa máy chính và thiết bị đẩy trong toàn bộ hệ động lực.
Hệ trục có chức năng truyền mômen xoắn từ máy chính đến thiết bị đẩy (chân
vịt) và nhận lực đẩy của chân vịt truyền qua gối đỡ chặn đến kết cấu thân tàu để khắc
phục sức cản của nước làm cho tàu chuy ển động theo một hướng xác định. Hệ trục
giống như xương sống của con tàu và có vai trò hết sức quan trọng quyết định đến
năng lực hoạt động của tàu.
Trong một chừng mực nhất định, độ tin cậy của hệ trục quyết định độ tin cậy
củatoàn bộ thiết bị năng lượng tàu vì vậy cần đặc biệt chú ý đến các vấn đề thiết kế,
chế tạo, lắp ráp cũng như sử dụng hệ động lực tàu. Những trục trặc hư hỏng khi vận
hành khai thác hệ trục thường liên quan đến các công việc sửa chữa rất phức tạp, nhất
là các tàu cở lớn. Hư hỏng của hệ trục có liên quan đến tổn thất hành trình và đôi khi là
nguyên nhân gây ra nạn đắm tàu.
1.1.1. Phân loại hệ trục chân vịt.
Phân loại hệ trục chân vịt tàu thuỷ có thể dựa vào các tiêu chuẩn sau:
Theo số lượng, hệ trục chân vịt gồm có: một hệ trục, hai hệ trục, ba hệ trục
Một hệ trục: Thông thường các loại tàu vận tải đơn thuần người ta lắp đặt hệ
trục một chân vịt. Các tàu này có ưu điểm kết cấu đơn giản buồng máy rộng, dễ khai
thác nhưng tính cơ động của tàu thấp, không có khả năng tự di chuyển khi hệ trục
không hoạt động. Tàu có một hệ trục thì được bố trí ở mặt phẳng dọc giữa thân tàu.
Các tàu chuyên dụng như tàu kéo, tàu công trình thì số lượng hệ trục chân vịt
4
thường bố trí hai hay nhiều hơn, nhằm đảm bảo tính cơ động, nhanh hạ thấp mớn
nước, độ tin cậy cao (nếu một hệ trục hỏng thì các hệ trục còn lại vẫn hoạt động đảm
bảo tàu vẫn tự hành và thực hiện được nhiệm vụ đặt ra).
Hình 1.1: Tàu có một hệ trục
1. Ổ đỡ trục; 2. Ổ chặn lực dọc trục; 3. Khớp nối mềm; 4. Động cơ; 5. hộp giảm tốc
Hai hệ trục: thì lắp về hai phía đường tâm dọc tàu, gọi là trục mạn trái và phải.
Nếu hai máy chính bố trí so le nhau thì hai hệ trục có chiều dài khác nhau, góc nghiêng
dọc α và nghiêng ngang β của hai đường trục có thể sẽ khác nhau. Chiều quay của hai
chân vịt phải ngược chiều nhau. Nếu nhìn từ lái về mũi thi hai chân vịt thường quay
theo chiều từ ngoài mạn vào tim giữa tàu, cụ thể chân vịt bên trái quay theo chiều kim
đồng hồ và chân vịt b ên phải thì quay theo chiều ngược kim đồng hồ.
Hình 1.2: Tàu có hai hệ trục
5
Hệ ba trục: Một nằm giữa và hai hệ trục kia nằm về hai mạn tàu. Chân vịt giữa
thường nằm lùi về phía sau so với hai chân vịt hai mạn tàu.
Hình1.3: Tàu có ba hệ trục
Theo kết cấu của chân vịt
Hệ trục chia ra hệ trục chân vịt có bước cánh cố định và chân vịt có bước cánh
thay đ ổi ( chân vịt biến bước). Chân vịt có bước cánh cố định thường được đúc nguy ên
từ hợp kim đồng hoặc thép không gỉ, thông dụng 3ư5 cánh.Chân vịt có bước cánh cố
định đơn giản, dễ lắp ráp và sửa chữa, giá thành hạ nhưng tính kinh tế và cơ động kém
hơn so với chân vịt có bước cánh thay đổi.
Chân vịt biến bước là chân vịt được ráp từ nhiều chi tiết, cánh chân vịt xoay
quanh tâm của mình để tạo bước cánh chân vịt thay đổi do cơ cấu thay đổi bước cánh
điều khiển. Tàu có chân vịt biến bước đảm bảo độ tin cậy cao do không phải tắt máy
chính khi chuy ển chế độ công tác về “không” hay “lùi”, mà chỉ cần điều khiển bước
cánh theo chế độ phù hợp trong khi chiều quay của chân vịt vẫn không đổi. Mặt khác
sử dụng chân vịt biến bước khả năng phát huy chế độ tối ưu của máy chính đảm bảo
tiết kiệm được nhiên liệu. Nhược điểm của hệ trục chân vịt biến bước là giá thành cao,
đòi hỏi chế độ bảo dưỡng, khai thác và sửa chữa phước tạp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến, Phạm Văn
Thể, Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong, Nxb Giáo dục, Hà Nội, 1996.
2. Phan Nguyên Di, Nguyễn Văn Khang, Tính toán dao động máy, Nxb Khoa học
Kỹ thuật, Hà Nội, 1991.
3. Đặng Hộ, Thiết kế trang trí động lực tàu thủy(Tập 1,2), Nxb Giao thông Vận tải,
Hà Nội, 1985.
4. Phạm Quốc Thường, Hệ trục chân vịt tàu thuỷ, Nxb Đại học quốc gia TP Hồ Chí
Minh, 2005
5. Nguyễn Văn Khang, Dao động kỹ thuật, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2001.
6. Trần Công Nghị, Ngô Kiều Nhi, Rung động tàu, Nxb Đại học Quốc gia Tp HCM,
2006.
7. Đặng Xuân Phương, Nghiên cứu phương pháp tính toán, kiểm tra dao động xoắn
hệ động lực tàu đánh cá cỡ nhỏ, Lu ận văn tốt nghiệp Cao học ngành Cơkhí Tàu
thuy ền, Trường ĐHThủy sản, Nha Trang, 2003.
8. Nguyễn Hoài Sơn, Vũ Như Phan Thiện, Đỗ Thanh Việt, Phương pháp phần tử
hữu hạn với Matlab, Nxb ĐH Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2001
9. Trần Gia Thái, Tính toán dao động ngang hệ trục chân vịt tàu thủy, Tiểu luận
môn họcCơ sở dao động trong kỹ thuật, 1997.
10. Chu Quốc Thắng, Phương pháp phần tử hữu hạn, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà
Nội, 1997.
11. Phạm Hùng Thắng, Cơ sở tính toán dao động trong kỹ thuật, Bài giảng cho sinh
viên và học viên cao học ngành cơ khí, Trường ĐHThuỷ sản, Nha Trang,1997
12. Harrington, R.L(Editor), Marine Engineering, SNAME, 1992.
13. Timoshenko S.P., Vibration Problems in Engineering, 3
rd
Ed., D.van Nostrand,
1955