Hệ thống lái tàu thủy

NguyÔn viÖt hïng ngµnh: c¬ khÝ khãa 2005 - 2007 Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o Tr­êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi ------------------------------------------ NguyÔn ViÖt Hïng Nghiªn cøu øng dông hÖ thèng l¸I ®iÖn-thuû lùc cã ®iÒu khiÓn b»ng kü thuËt sè víi gi¸ rÎ luËn v¨n th¹c sü ngµnh c¬ khÝ Hµ néi - 2007 DANH MỤC CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ STT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị Trang 01 a Góc quay bánh lái 0 16 02 M Mômen lái Tm 24 03 p Áp suất Kg/cm2 24 04 D Đường kính mm 24 05 R Bán kính séctơ mm 24 06 t Thời gian s 24 07 N Công suất động cơ điện KW 24 08 n Số vòng quay làm việc Vòng/phút 24 09 Q Lưu lượng lít/phút 24 10 Hệ số diện tích bánh lái 35 11 K Hệ số phụ thuộc cấp tàu 35 12 A Diện tích bánh lái m2 35 13 Hệ số kéo dài 35 14 ReH Giới hạn chảy của vật liệu trục Mpa 36 15 C Hệ số 36 16 Hệ số lấy cho trục lái sau chân vịt 36 17 v Vận tốc của tàu Km/h 36 18 r Khoảng cách m 36 19 F Tổng diện tích các bu lông nối cm2 37 20 Ts Lùc ®Èy ch©n vÞt Kg 38 21 F Tiết diện cm2 41 22 L Khoảng cách hai tâm xylanh mm 41 23 Hiệu suất cơ khí 41 24 H Hành trình píttông 41 25 Pc Sức cản của đường ống Kg/cm2 42 26 V Dung tích lít 42 27 Hệ số nhớt động của chất lỏng Cst 46 28 Khối lượng riêng Kg/m3 46 29 Trọng lượng riêng của chất lỏng N/m3 47 30 g Gia tốc trọng trường m/s2 48 31 Hiệu suất của máy bơm 49 32 q Lưu lượng riêng cm3/vòng 50 33 Udm Điện áp làm việc VDC 52 34 w Vận tốc góc rad/s 60 35 i Tín hiệu điều khiển 74 36 δ Góc lệch cánh lái hướng rad 74 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Sè H×nh Tªn h×nh vÏ Trang 01 Hình 1.1- Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái 12 02 Hình 1.2- Sơ đồ phân loại các hệ thống thiết bị lái 13 03 Hình 1.3- Sơ đồ phân loại truyền động lái 17 04 Hình 1.4- Sơ đồ hệ thống thuỷ lực đơn giản 22 05 Hình 1.5- Sơ đồ hệ thống thuỷ lực của máy lái KE-W40 25 06 Hình 1.6- Sơ đồ hệ thống thuỷ lực máy lái W130 28 07 Hình 2.1- Sơ đồ hệ thống thuỷ lực chọn thiết kế 32 08 Hình 2.2- KÝch th­íc cña c¸nh l¸i 35 09 Hình 2.3- Hình vẽ máy lái 40 10 Hình 2.4- Sơ đồ tính lực tác dụng lên xylanh 40 11 Hình 2.5 - Sơ đồ tính lực tác dụng lên xylanh 58 12 Hình 2.6- Hình vẽ tính toán thùng dầu 64 13 Hình 2.7- Hình dáng bể dầu và cụm nguồn 66 14 Hình 3.1-Sơ đồ khối phương pháp điều khiển bằng tay 70 15 Hình 3.2- Sơ đồ khối phương pháp điều khiển bán tự động 70 16 Hình 3.3- Sơ đồ nguyên lý điều khiển và lái tàu (tự động) sử dụng Xenxin 71 17 Hình 3.4 - Sơ đồ hệ thống lõi máy lái tàu thuỷ 74 18 Hình 3.5- Sơ đồ khối điều khiển cánh lái hướng 74 19 Hình 3.6- Đặc tính hàm truyền khi J thay đổi 78 20 Hình 3.7: Đồ thị mô tả sự ảnh hưởng của J đến các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống 79 21 Hình 3.8. Đặc tính hàm truyền khi lc thay đổi 81 22 Hình 3.9: Đồ thị mô tả sự ảnh hưởng của lc đến các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống 82 23 Hình 3.10: Đặc tính hàm truyền khi kph thay đổi 84 24 Hình 3.11: Đồ thị mô tả sự ảnh hưởng của kph đến các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống 85 25 Hình 3.12. Đặc tính hàm truyền khi δ thay đổi 87 26 Hình 3.13: Đồ thị mô tả sự ảnh hưởng của δ đến các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống 88 27 Hình 3.14: Đặc tính hàm truyền khi p thay đổi 90 28 Hình 3.15: Đồ thị mô tả sự ảnh hưởng của p đến các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống 91 DANH MỤC CÁC BẢNG Sè B¶ng Tªn B¶ng Trang 01 Bảng 2.1- Thông số của dầu thuỷ lực sử dụng trong hệ thống 45 02 Bảng 2.2- Thông số kỹ thuật bơm bánh răng chọn trong hệ thống 50 03 Bảng 2.3– Thông số kỹ thuật bơm tay chọn trong hệ thống 51 04 Bảng 2.4- Thông số kỹ thuật của van an toàn chọn trong hệ thống 52 05 Bảng 2.5 - Thông số kỹ thuật của van phân phối ¾ 52, 53 06 Bảng 2.6- Thông số kỹ thuật của van hãm tải chọn trong hệ thống 53 07 Bảng 2.7- Thông số kỹ thuật của van chống quá tải trong hệ thống 54 08 Bảng 2.8- Thông số kỹ thuật của xylanh thuỷ lực trong hệ thống 54 09 Bảng 2.9-Thông số kỹ thuật của động cơ điện chọn trong hệ thống 55 10 Bảng 2.10 - Thông số kỹ thuật của lọc hồi chọn trong hệ thống 56 11 Bảng 3.1 - Kết quả thu được khi J thay đổi 78 12 Bảng 3.2. Kết quả thu được khi lc thay đổi 80 13 Bảng 3.3 - Kết quả thu được khi kph thay đổi 83 14 Bảng 3.4. Kết quả thu được khi δ thay đổi 86 15 Bảng 3.5 - Kết quả thu được khi p thay đổi 89 ĐẶT VẤN ĐỀ Tàu thuỷ là một trong những phương tiện giao thông được dùng rộng rãi và có lịch sử lâu đời nhất. Tàu thuỷ có khả năng chở hàng hoá, chở hành khách (tàu du lịch) với khối lượng lớn và độ tin cậy cao. So với vận tải đường dài bằng các phương tiện giao thông khác như ô tô, máy bay thì tàu thuỷ có ưu điểm nổi bật đó là khả năng vận chuyển đường dài với độ tin cậy cao và với giá thành thấp hơn so với các loại phương tiện kh¸c. V©n t¶i ®­êng thñy chia ra lµm 2 lo¹i: vËn t¶i ®­êng biÓn vµ vËn t¶i ®­êng s«ng. VËn t¶i ®­êng biÓn dïng tµu lín ch¹y trong vïng n­íc s©u, cã giã to sãng lín, ®Æc tÝnh l¸i, tÝnh quay trë vµ kÕt cÊu cña tµu nãi chung rÊt hiÖn ®¹i. Trong khi ®ã, vËn t¶i ®­êng s«ng dïng c¸c lo¹i tµu nhá tõ vµi chôc tÊn ®Õn vµi ngh×n tÊn. C¸c tµu ch¹y trong vïng n­íc n«ng cã ®Þa h×nh ®¸y s«ng vµ bê s«ng lu«n thay ®æi. N­íc ta n»m ë vïng §«ng nam ch©u ¸ cã khÝ hËu nhiÖt ®íi, m­a nhiÒu, diÖn tÝch tuy nhá nh­ng cã tæng sè ®­êng s«ng dµi 17.702 km, ®øng thø 7 trªn thÕ giíi. Trong ®ã cã 5.149 km ®­êng s«ng cã ®é s©u nhá nhÊt lµ 1,8m cã nghÜa lµ cã thÓ dïng tµu cã søc chë tíi 1000 tÊn ®Ó vËn t¶i hµnh kh¸ch vµ hµng hãa. C¸c tµu s«ng cña ta tr­íc kia chñ yÕu lµ tµu gç vµ mét sè Ýt lµ tµu vá bª t«ng l­íi thÐp, cã søc chë d­íi 1000 tÊn. HiÖn nay ®éi tµu s«ng ®· vµ ®ang ®­îc hiÖn ®¹i hãa: c¸c tµu ®­îc ®ãng b»ng thÐp vµ c¸c hÖ thèng l¸i ®­îc c¬ khÝ hãa vµ tù ®éng hãa ®Ó t¨ng ®Æc tÝnh l¸i cña tµu vµ lµm gi¶m c­êng ®é lao ®éng cho c«ng nh©n. ViÖc nghiªn cøu c¸c hÖ thèng l¸i ¸p dông cho tµu ®­êng s«ng ®· trë nªn cÊp b¸ch v× chñ tµu ®­êng s«ng th­êng lµ c¸c c¸ nh©n hoÆc hîp t¸c x· cã sè vèn ®Çu t­ h¹n chÕ. ViÖc nghiªn cøu t×m kiÕm gi¶i ph¸p tÝnh to¸n thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng l¸i ®iÖn-thñy lùc cã gi¸ thµnh thÊp nh­ng vÉn ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu vÒ ®¶m b¶o ®Æc tÝnh quay, trë vµ l¸i cña tµu lµ môc tiªu nghiªn cøu cña luËn ¸n nµy. §Ó thùc hiÖn trong tÝnh to¸n, m«men l¸i 1,5 Tm ®­îc chän lµm th«ng sè chÝnh. Trong tr­êng hîp cô thÓ, phô thuéc vµo t¶i träng tµu cã thÓ më réng tõ 0,5 Tm ®Õn 10 Tm ¸p dông cho tµu s«ng tõ vµi chôc ®Õn 1-2 ngh×n tÊn. Việc tăng mômen lái được thực hiện dễ dàng bởi mômen tăng tỷ lệ với áp suất làm việc của hệ thống. Vì các hệ thống lái điện - thuỷ lực hiện đại để sử dụng van xéc vô điện - thuỷ có giá thành rất cao mà trong nước lại chưa chế tạo được [2]; trong luận án này chúng tôi sử dụng loại van phân phối thông thường rẻ tiền (thường giá thành bằng 6÷10% giá thành van xéc vô điện thuỷ) và phản hồi ngược được thực hiện nhờ gắn cứng vỏ của van trượt với píttông của xylanh lái . Để đánh giá tính thực thi của đề xuất này, trong phần cuối, đã xây dựng mô hình hệ thống lái đề xuất và đánh giá đặc tính động lực học của hệ thống thông qua đặc tính quá độ. Việc đề xuất van điều khiển dạng con trượt thông dụng tín hiệu điều khiển là tín hiệu liên tục hoặc gián đoạn mô khả năng, áp dụng kỹ thuật số để điều khiển và như vậy có thể kết nối với máy tính cá nhân để thực hiện việc lái tự động theo chương trình cho trước được cài đặt vào máy tính . Cũng đồng thời có nghĩa là nếu có nhu cầu, có thể sử dụng tín hiệu vệ tinh từ các vệ tinh đặc tĩnh để thực hiện việc điều khiển cả mạng lưới vận tải đường thuỷ của quốc gia. Đây cũng là một hướng đi hiện đại được các nước trên thế giới quan tâm . Nội dung luận án gồm các phần chính sau: Chương I: Giới thiệu chung về hệ thống lái tàu thuỷ. Chương II: Tính toán thiết kế máy lái 1,5 Tm. Chương III: Nghiên cứu đặc tính động lực học của hệ thống lái tàu thủy. Chương IV: Kết luận và kiến nghị. CHƯƠNG I - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LÁI TÀU THUỶ Nguyên lý và cấu tạo. Để có thể điều khiển một con tàu chuyển động(chạy) được như mong muốn cần phải có một hệ thống các trang thiết bị chuyên dùng được gọi chung là hệ thống thiết bị lái. Để làm được điều đó thì yêu cầu của các hệ thống lái phải đáp ứng điều kiện sau: + Đảm bảo cho tàu có đặc tính ăn lái tốt, điều này có nghĩa là khi có tín hiệu điều khiển thì hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo chuyển hướng con tàu như mong muốn. Về tính ăn lái của con tàu có thể hiểu đó là khả năng chuyển động của con tàu theo ý muốn của người lái. Điều đó có nghĩa là tàu phải có khả năng ổn định hướng đi cũng như thực hiện các xoay trở khi cần thiết. Do đó, tính ăn lái sẽ gồm hai lĩnh vực quan hệ mật thiết và đối lập nhau đó là tính ổn định hướng và tính xoay trở. Một con tàu có tính ổn định hướng tốt thì tính xoay trở sẽ kém và ngược lại. Vì vậy khi thiết kế cần biết dung hoà các mâu thuẫn đó, phải nhấn mạnh những đặc tính nào cần thiết hơn cho từng loại tàu. Tính ăn lái phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dáng con tàu, số lượng chân vịt…Trong đó việc tính toán thiết kế xác định kích thước của, số lượng chân vịt cũng như mômen lái, tốc độ lái là vấn đề quan trọng nhất. + Hệ thống thiết bị lái ph¶i đảm bảo tù ổn định. Ở đây tính tù ổn định của quá trình lái được đặc trưng bởi khả năng chạy tàu và chuyển hướng (khi tàu đang chạy) tin cậy và không có dao động. + Hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo cho người lái thao tác thuận tiện, linh hoạt tin cậy và chính xác trong mọi tình huống. + Hệ thống thiết bị lái phải được trang bị đầy đủ các thiết bị đo báo, kiểm tra cảnh giới, an toàn và khiÕm thiÕt, cã thÓ n©ng cÊp l¾p ®Æt thªm c¸c hệ thống định vị và dẫn đường hiện đại nhất để đảm bảo tàu đi đúng hướng của hải trình. Ta hãy xem sơ đồ dưới đây để thấy được cấu tạo cơ bản của một hệ thống thiết bị lái: 1-Cánh bánh lái; 2-Ổ đỡ cánh bánh lái; 3-Ổ bi dưới; 4-Trục bánh lái; 5-Ổ bi trên của trục bánh lái; 6-Thiết bị lái ; 7-Hệ dẫn động lái; 8-Hệ dẫn động điều khiển ; 9-Cabin(đài) điều khiển. Hình 1.1 - Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái Các thành phần cấu tạo cơ bản của hệ thống thiết bị lái tàu, bao gồm: + Bánh lái-có kết cấu phẳng, khi quay chìm trong nước trong quá trình tàu chạy sẽ hình thành phản lực cần thiết để điều khiển tàu; + Trục bánh lái - được dùng để quay bánh lái; + Hệ dẫn động bánh lái: hệ thống truyền chuyển động từ phần tử điều khiển đến phần tử lái. + Phần tử lái: cơ cấu tạo ra mômen để dịch chuyển bánh lái; + Phẩn tử điều khiển: phần tử tạo ra tín hiệu điều khiển. Trong thành phần hệ thống thiết bị lái còn có: Hệ dẫn động dự phòng và hệ dẫn động sự cố; Cơ cấu giới hạn góc quay của bánh lái; Các phần tử và cơ cấu phụ khác được sử dụng để đảm bảo cho hệ thống làm việc tin cậy và hiệu quả cao… Các thiết bị điều khiển tàu thường được phân thành hai nhóm chính, được đưa dưới hình 1.2. Hình 1.2- Sơ đồ phân loại các hệ thống thiết bị lái Các yêu cầu cơ bản đối với máy lái tàu thuỷ: Khi tính toán thiết kế máy lái, người thiết kế phải nắm rõ được những quy định, yêu cầu đặt ra cho máy lái. Trong các quy phạm của đăng kiểm và công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển cã SOLAS (Safety of Life At Sea), đặc biệt là đối vối hệ thống điều khiển tàu (hệ thống lái) nhằm nâng cao tính an toàn cho con người cũng như hàng hoá trên biển. Theo Đăng kiểm Việt Nam, công ước quốc tế SOLAS và quy phạm phân cấp đóng tàu biển vỏ thép Việt Nam là những cơ sở pháp lý cơ bản để người thiết kế, chế tạo và sử dụng, khi triển khai việc tính toán thiết kế, chế tạo và sử dụng các máy lái điện thuỷ lực xác định rõ những vấn đề kỹ thuật công nghệ, làm việc và an toàn … Về số lượng thiết bị lái, theo [20], quy định như sau: Mỗi tàu phải được trang bị một máy lái chính và một máy lái phụ. Máy lái chính và máy lái phụ phải bố trí sao cho sự hư hỏng của một trong các máy đó không làm tê liệt hoạt động của máy lái kia. Thiết bị lái chính có khả năng điều khiển hoạt động của bánh lái thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật khi các máy lái này làm việc. Cũng theo [20] các thiết bị lái chính và trục lái thì phải đảm bảo: Có khả năng quay lái từ 350 mạn này sang 300 mạn kia khi tàu toàn tải và đang chạy tiến với vận tốc khai thác tối đa với thời gian không quá 28s Trụ lái ở vùng séctơ phải có đường kính lớn hơn 120mm không kể phần kích thước gia cường. Được thiết kế sao cho không bị hỏng khi tàu chạy lùi với vận tốc tối đa. Các thiết bị lái phụ phải đảm bảo: Có đủ độ bền và khả năng điều khiển được tàu với vận tốc đảm bảo tính năng hàng hải của tàu và có khả năng hoạt động nhanh chóng khi máy lái chính gặp sự cố. Có khả năng dịch chuyển bánh lái từ 150 mạn này sang 150 mạn kia trong vòng không quá 60s khi tàu toàn tải và đang chạy tiến với vận tốc bằng nửa vận tốc khai thác lớn nhất hoặc bằng 7 hải lý/h (lấy giá trị lớn hơn). Lực quay vô lăng lái do người điều khiển không quá 160N (16kg). Trong trường hợp bị mất nguồn bất kỳ trong các bộ động lực lái phải có tín hiệu bằng âm thanh và ánh sáng trên buồng lái. Các đường ống, két dầu theo [20] phải đảm bảo: Hệ thống ống thuỷ lực phải được bố trí sao cho có thể sẵn sàng chuyển đổi được giữa các máy lái với nhau. Có hệ thống xả khí ra khỏi hệ thống truyền động. Áp lực thiết kế của ống phải chịu áp suất của chất lỏng ít nhất = 1,25 lần áp suất làm việc lớn nhất. Mỗi két chứa chất lỏng thuỷ lực phải có thiết bị báo động mức thấp của chất lỏng để chỉ báo sớm nhất sự rò rỉ chất lỏng. Tín hiệu này phải bằng âm thanh hoặc bằng ánh sáng tới buồng lái. Đề phòng xảy ra trường hợp khác thuỷ lực do một hư hỏng nào đó theo [20] cũng quy định: Hệ thống điều khiển thiết bị lái cho máy lái phụ ở buồng lái và buồng đặt máy lái. Hệ thống điều khiển thiết bị lái cho máy lái phụ ở buồng lái phải độc lập với hệ thống điều khiển máy lái chính. Ở khoang máy lái có thể ngắt hệ thống điều khiển từ cabin lái. Phải có khả năng đưa hệ thống điều khiển hoạt động được từ mọi vị trí trên buồng lái . Nếu mất nguồn điện cho hệ thống điều khiển, phải có tín hiệu bằng âm thanh và ánh sáng trên buồng lái. Mạch điều khiển phải có thiết bị bảo vệ ngắt mạch. Có khả năng chuyển đổi nhanh chóng từ lái tự động sang lái trực tiếp. Đối với các hệ thống liên lạc và chỉ báo góc lái, quy định: Có phương tiện liên lạc giữa buồng máy lái và buồng lái. Vị trí của bánh lái tính bằng độ phải được chỉ báo trên buồng lái. Bộ chỉ báo góc lái phải độc lập với hệ thống điều khiển máy lái để nhận được một vị trí bánh lái trong buồng máy lái. Thiết bị lái phải đặt trong một khoang kín nhưng cho phép tiếp cận dễ dàng, ngăn cách với buồng máy chính và được trang bị các phương tiện thích hợp, đảm bảo có thể tiếp cận với máy lái, hệ điều khiển nhanh chóng, an toàn. Các máy lái khác (trừ palăng lái) phải có khả năng tự hãm được; có bộ phận giới hạn góc quay lái bằng cơ khí về mỗi mạn cho phép, theo quy định là: Trong đó: : là góc quay lớn nhất của bánh lái theo sự điều khiển của hệ thống truyền động; : Góc quay bánh lái sang một bên mạn. Góc (góc bẻ lái) là góc mà từ đó cơ cấu hạn chế phải dừng chuyển động quay bánh lái phải ở góc . Đối vơi máy lái tay thì . Các máy lái có động cơ chỉ được quay lái đến góc , bánh lái ngừng quay trước khi chạm vào bộ giới hạn cơ khí. Phân loại các hệ thống máy lái tàu thuỷ thường gặp Trong hệ thống lái bất kỳ thì bộ phận tạo ra mômen và truyền tới trục bánh lái là máy lái. Nó có ảnh hưởng quan trọng tới khả năng cũng như sự ổn định trong quá trình làm việc của toàn bộ hệ thống lái. Đây là thiết bị chính và quan trọng nhất và cả hệ thống điều khiển của nó. Các hệ truyền động lái có thể phân loại theo sơ đồ 1.3 H? truy?n d?ng lái HÖ truyÒn ®éng C¬ khÝ §iÖn c¬ §iÖn-Thuû lôc D©y c¸p Trôc Trôc vÝt B¸nh r¨ng qu¹t B¸nh r¨ng qu¹t Víi xylanh l¾c Víi pÝtt«ng longzo Víi m«t¬ thuû lùc B¸nh r¨ng+ pÝtt«ng longzo Hình 1.3 - Sơ đồ phân loại truyền động lái Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu vài nét về các loại máy lái kể trên: Máy lái dây: Đây là loại máy lái dùng dây xích (cáp) để truyền động bằng tay. Thông qua vô lăng cỡ lớn được đặt trên đài lái. Loại này dùng cho các tàu cỡ nhỏ có mômen lái tới 0,4Tm. Nhược điểm của máy lái dây là có trọng lượng lớn, khi làm việc có tiêng ồn, thường bị kÑt ở vị trí chuyển hướng của các đầu nối, các chốt thường hay phải thay thế nhiều. Hơn nữa do không có thiết bị hãm nên toàn bộ mômen thuỷ động từ bánh lái tác động ngược lại về tay người lái (khi có sóng gió), nhiều khi gây nguy hiểm, hơn nữa do cáp có sự co dãn trong quá trình làm việc nên độ quay lái không chính xác. Nhưng lại có ưu điểm là đơn giản giá thành thấp . Máy lái trục: Đây là loại máy lái truyền lực lái từ vô lăng tới bánh lái thông qua hệ thống trục các đăng nối tiếp nhau thông qua các khớp chữ thập. Máy lái trục làm việc êm, tin cậy hơn máy lái dây thông thường, máy lái trục dùng cho các tàu nhỏ, có mômen lái không quá 0,5Tm và đường kính trục lái chữ thập nghiêng với nhau một góc 900. Nhược điểm của hệ thống lái này là do độ nghiêng của các khớp các đăng lớn nên hay bị kẹt, các đầu nối của trục dễ bị gẫy, dễ hỏng khớp và lực điều khiển lớn; hơn nữa cũng như máy lái dây do không có thiết bị hãm nên toàn bộ mômen thuỷ động từ bánh lái sẽ tác động ngược trở lại khi có sóng gió, nhiều khi gây nguy hiểm cho người điều khiển. Tuy nhiên ở loại máy lái này có ưu điểm hơn máy láy dây là do không bị dãn dài (như cáp) trong quá trình làm việc cho nên đạt được độ quay lái chính xác từ vị trí điều khiển. Loại máy này dẫn được thay thế bằng máy lái điện thuỷ lực. Máy lái trục vít-đai ốc: Là loại máy lái dùng lực từ vòng quay tay kiểu truyền động này có hiệu suất thấp nên chỉ còn áp dụng cho các máy lái phụ của tàu nhỏ. Ưu điểm của loại máy lái này là kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và hạn chế được sự tác động ngược của mômen. Hiện nay loại máy lái này hầu như kh«ng còn được sử dụng nữa. Máy lái điện: Loại máy lái này có bộ phận chủ yếu là động cơ điện, thông qua hộp giảm tốc để phát động lực lái. Ưu điểm của loại máy lái này là: làm việc êm, người điều khiển chỉ cần ấn nút cho động cơ chạy do vậy lực tác dụng lên tay điều khiển là rất nhỏ, không có sự tác động ngược từ mômen thuỷ động của bánh lái lên tay người điều khiển, truyền động được đi xa bằng các đường dây. Tuy nhiên nhược điểm của loại máy lái này: do lực lái có nguồn dẫn động từ động cơ, trong quá trình làm việc thay đổi góc lái làm cho động cơ phải khởi động liên tục có khi phải đổi chiều quay liên tục với mômen khởi động lớn do vậy gây nên dễ hỏng động cơ hoặc giảm tuổi thọ của động cơ, hơn nữa nó cũng ảnh hưởng tới lưới điện của tàu vì tiêu tốn công suất lớn cho máy lái. Máy lái thuỷ lực: Máy lái thuỷ lực là các hệ dẫn động và điều khiển trục lái của tàu bằng các hệ thống truyền động thuỷ lực. Các máy lái thuỷ lực có một số ưu điểm chính sau: Tạo được m«men lái lớn. Khả năng điều chỉnh vận tốc rộng và dễ dàng. Làm việc tin cậy, êm và chính xác. Kích thước nhỏ gọn. Lực tác động cần thiết để lái nhỏ, không có sự tác động ngược lại của m«men thuỷ động từ bánh lái do có cơ cấu hãm. Dễ dàng kết nối với hệ thống điều khiển tự động Tuy nhiên máy lái thuỷ lực có một số nhược điểm cần lưu ý như sau: Công nghệ chế tạo, sửa chữa bảo dưỡng có những yêu cầu cao và rất nghiêm ngặt; Chất lỏng sử dụng là dầu dưới áp suất cao nên rất dễ mất an toàn; Giá thành thiết bị cao. Ở trên là một số nét có bản của một số hệ thống lái thường gặp cũng như những ưu khuyết điểm và ứng dụng của nó. Hệ thống lái tàu thuỷ điện - thuỷ lực. Ở phần trên ta đã biết được những ưu khuyết điểm và phạm vi sử dụng của máy lái thuỷ lực. Phần này ta sẽ tìm hiểu thêm về máy lái thuỷ lực. Máy lái thuỷ lực được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu ngày nay khi công nghệ ngày càng phát triển. Nó được ứng dụng đặc biệt cho các tàu trọng tải lớn, di chuyển dài ngày trên biển do có độ tin cậy và mômen lái lớn (có thể tới 40Tm). Máy lái thuỷ lực được phân loại theo nhiều kiểu hệ truyền động thuỷ lực được sử dụng. Với loại hệ truyền động dùng xylanh thuỷ lực có thể sử dụng 1, 2 hoặc 4 xylanh thuỷ lực bắt vào bệ máy, kết hợp với bộ lái ( séctơ lái) được lắp với trục bánh lái để điều khiển bánh lái, máy lái dùng xylanh thuỷ lực được chia ra thành hai nhóm: với các xylanh cố định và với các xylanh lắc được khi làm việc: + Hệ xylanh thuỷ lực cố định: là hệ dùng 2 hoặc 4 xylanh thuỷ lực một chiều lắp cố định vào bệ máy trong đó hướng của các pÝtt«ng không đổi. Nhược điểm của hệ xylanh này là kích thước lớn, khó điều khiển chính xác khi lắp đặt máy lái, do xylanh phải chịu lực uốn lớn, khả năng làm kín của xylanh đòi hỏi độ bền và độ chính xác rất cao. Hơn nữa khi lắp đạt máy lái loại này, đòi hỏi phải chế tạo được bộ khớp giữa đầu píttông và séctơ lái rất phức tạp cần độ chính xác cao, không khả thi khi chế tạo tại nước ta. + Hệ xylanh thuỷ lực lắc được: là hệ truyền động lái dùng 1 hoặc 2 xylanh tác dụng kép (2 mặt tác dụng) nối với séctơ lái tạo thành cơ cấu quay trượt, biến chuyển động tịnh tiến của píttông thành chuyển động quay của séctơ lái (séctơ gắn cứng với trục lái). Trong hệ truyền động này, xylanh thuỷ lực cũng là một thành phần của cơ cấu. Do đó khi hệ thống hoạt động, xylanh cũng bị chuyển vị một góc quanh chốt ở bệ xylanh. Ta thường dùng khớp cầu tự lựa ở hai đầu xylanh và píttông, mục đích của việc dùng khớp cầu thay cho lại dùng xylanh có khớp bạc là các sai số khi chế tạo và lắp đặt được khắc phục một cách dễ dàng. Với xylanh có khớp cầu tự lựa sẽ khắc phục được những nhược điểm cơ bản trên và làm giảm khả năng gây hư hỏng bộ phận truyền động lái. Với loại hệ truyền động dùng xylanh quay (môtơ thuỷ lực) thực chất là một xylanh lực tịnh tiến khi píttông được thay thế bằng các cánh gạt. Chuyển động tịnh tiến của píttông trong xylanh được thay thế bằng chuyển động quay của cánh gạt quanh tâm. Loại máy lái dùng xylanh quay khi lắp trên các tàu có yêu cầu mômen lái lớn (M1 > 10Tm). Ưu điểm của loại xylanh quay là không tạo lực ngang tác dụng vào trục lái, kích thước nhỏ gọn. Song cũng có nhược điểm là do kết cấu vách ngăn phức tạp nên khó chế tạo sửa chữa và bảo dưỡng. Mặt khác áp suất dầu ở động cơ thấp phải dùng bơm lưu lượng lớn nên phải dùng ống dẫn và thùng dầu to lên. Vì vậy dạng xylanh quay nên cho đến nay vẫn chữa được chế tạo trong nước do chưa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật. Nói chung máy lái thuỷ lực có ưu điểm: Có khả năng tạo ra mômen quay lớn, mômen quay tỷ lệ thuận với áp suất làm việc nếu một hệ thống có thể ứng dụng cho các loại tàu với tải trọng khác nhau. Kích thước gọn nhẹ, dễ lắp đặt. Có tính năng tự động hóa cao và dễ nâng cấp: từ chế độ điều khiển bằng tay sang bán tự động hoặc tự động hoàn toàn hoặc điều khiển bằng kỹ thuật điều khiển số tương đối dễ và vẫn vận dụng được cấu hình cơ bản của hệ thống. Nhược điểm chính của hệ thống lái thủy lực là giá đầu tư ban đầu cao và khả năng bị cháy, nổ cũng như gây ô nhiễm môi trường là hiện hữu. Hình 1.4 - Sơ đồ hệ thống thuỷ lực đơn giản 1-Bơm thuỷ lực; 2-Van an toàn; 3-Áp kế; 4-Bộ lọc 5,6-Van phân phối 7,8-Van chống quá tải; 9-Xylanh thuỷ lực (xylanh lái) 10-Bánh lái; 11-Trục bánh lái 12-Bể dầu 13-Séctơ lái 1.4. Tổng quan về các hệ thống lái tàu thuỷ điện - thuỷ lực Trong phần này sẽ giới thiệu một số máy lái tàu thuỷ điện thuỷ lực đang được sử dụng trong thực tế của một số hãng trên thế giới. 1.4.1 Máy lái thuỷ lực KE-W40 [21] Đây là loại máy điện – thuỷ lực có công suất (mômen lái) tới M=4T.m được chấp nhận và lắp cho một loạt các tàu có trọng tải tới 1000T được đóng tại nhà máy đóng tàu Bạch Đằng trong khoảng thời gian những năm 90 (ví dụ các tàu Trường Sa 01, 02, 04… cho Hải Qu©n Việt Nam). Sơ đồ nguyên lý thuỷ lực của máy lái KE-W40 được trình bày trên hình 1.4. Máy lái KE=W40 dùng 2 xylanh thuỷ lực kiểu tác động hai phía, 2 đầu bắt xylanh và đầu cán píttông đều có khớp cầu tự lựa. Máy lái có 1 nguồn lái chính chạy điện và một nguồn lái phụ dùng tay. Bơm tay được dùng là kiểu píttông lắc tay. Đảo chiều phân phối dầu quay lái bằng van phân phối ¾ điều khiển tay gạt. Bơm thuỷ lực của lái chính là kiểu bánh răng. Đảo chiều phân phối dầu quay lái bằng một van phân phối ¾ điều khiển điện từ hai phía. Van phân phối được sử dụng là kiểu P thông T ở vị trí trung gian , cho phép xả tải cho bơm ở vị trí ban đầu khi máy lái chưa làm việc. Tín hiệu điều khiển từ cabin lái tới van phân phối điện sẽ đảo chiều van phân phối và thay đổi chiều cấp dầu tới các xylanh nhiên liệu quay lái theo ý muốn. Khi mất tín hiệu điều khiển séctơ lái sẽ dừng lại và được giữ ở một góc nhất định theo giá trị đặt của người lái. Đề phòng van có thể bị kẹt khi tàu đang hoạt động, trong hệ thuỷ lực của lái chính lắp 2 van phân phối điện từ dự trữ cho nhau. Một số các thống số kỹ thuật cơ bản cả máy lái KE-W40: M«men lái M=4Tm Áp suất làm việc lớn nhất plvmax=200KG/cm2 Áp suất mở van an toàn pat=205 KG/cm2 Đường kính xylanh D=90mm Đường kính cần pitt«ng d=50mm Bán kính séctơ R=260mm Góc quay lái Hành trình pÝtt«ng H/700=298mm Thời gian quay lái t/650=23s Công suất động cơ điện N=2,2KW Số vòng quay làm việc n=1420 vg/ph Lưu lượng của bơm Q=8,6 l/ph Hình 1.5 - Sơ đồ hệ thống thuỷ lực của máy lái KE-W40 1- Bể dầu của hệ thống thuỷ lực của máy lái chính 2- Bộ lọc hút 3- Bơm của lái chính 4- Động cơ lai bơm 5-Van an toàn 6- Khoá 7- Áp kế 8-1; 8-2 - Van phânphối 3/4-điều khiển điện từ 2 phía 9-1,-2- Van một chiều có điều khiển tác động tròn 10-1; 10-2- Van chống quá tải 11-1; 11-2- Xylanh lái; 13- Bơm thuỷ lực lắc tay 14- BÓ dÇu dù phßng sù cè 1.4.2. Máy lái W-130 [22] Đây là loại máy lái thuỷ lực được thiết kế và chế tạo để trang bị cho tàu trung bình với m«men lái tới 13Tm. Năm 2001 nhà máy đóng tàu Bạch Đằng đã nhập loại máy lái W-130 này để lắp cho tàu Vĩnh Thuận có trọng tải tới 6300T lầm đầu tiên được đóng mới tại Việt Nam theo thiết kế và đăng kiểm của Nhật. Sau đó các máy lái W-130 này tiếp tục được nhập và lắp ráp cho loại tàu 6300-6500T được đóng sau đó cho tới nay. Trên hình 1.6 lµ sơ đồ nguyên lý thuỷ lực của máy lái W-130. Máy lái W130 dùng 2 xylanh dẫn động lái kiểu tác động 2 phía các đầu xylanh và đầu cần píttông đều có khớp cầu tự lựa. Máy lái có một nguồn lái chính chạy điện và một nguồn lái phụ sự cố dùng điện. Bơm chính và bơm phụ đều là các loại bơm bánh răng. Trong hệ thống thuỷ lực dùng van phân phối loại 3/4 điều khiển từ hai phía có vị trí trung gian P thông T để giảm tải cho bơm khi hệ thống chưa hoạt động. Máy lái có thể điều khiển trực tiếp từ nút ấn từ cabin lái và điều khiển gián tiếp kiểu tuỳ động (phát lệnh bằng cách quay vô lăng lái để đặt góc lái cho trước). Khi séctơ lái quay đến góc lái đã định, tín hiệu sai số điều khiển sẽ triệt tiêu, van phân phối séctơ ngừng làm việc và dừng lại. Máy lái cho phép kết nối làm việc với la bàn,con quay và hệ định vị GMS để thực hiện chế độ lái tự động (Auto pilot) hoàn toàn. Các thông số kỹ thuật của máy lái W130 M«men lái : M=13Tm Áp suất làm việc plv max=180KG/cm2 Áp suất mở van an toàn pat=225KG/cm2 Đường kính xylanh D=125 mm Đường kính cần xylanh d=70mm Bán kính Séctơ lái R=470mm Hành trình pÝtt«ng H/700 =540mm Góc quay lái tối đa Thời gian quay lái t/700 =23s Thời gian lái sự cố: t/300 = 60s Công suất động cơ điện N=5,5 KW Số vòng quay làm việc n=1430 vg/ph Kiểu bơm bánh răng GFFp-AOS22AR-AO; Lưu lượng của bơm Q=29.5 l/ph Hình 1.6 - Sơ đồ hệ thống thuỷ lực máy lái W130 1-Bể dầu (2-1),(2-2)-Bộ lọc hút (3-1),(3-2)-Báo mức+thoát khí (4-1),(4-2)-Bơm thuỷ lực (5-1),(5-2)- Động cơ lái bơm (6-1)(6-2)-Van an toàn (7-1),(7-2)-Khoá thuỷ lực (8-1),(8-2)- Áp kế (9-1),(9-2) Van phân phối (10-1),(10-2)-Van một chiều điều khiển tác động đơn (11-1),(11-2)-Van chống quá 12-Khoá thuỷ lực; (13-1),(13-2)-Xylanh lái 14-Séctơ lái Ngoài các máy lái do các nước có nền công nghiệp cao như Nhật và các nước EU chế tạo, thì tại Việt Nam cũng đã bước đầu thiết kế chế tạo những máy lái thuỷ lực đầu tiên. Ví dụ như năm 1992 Trung tâm thuỷ lực cơ khí (Thuộc Viện NCTK cơ khí-nay là Viện KHCN tàu thuỷ-Bộ GTVT) đã triển khai tính toán thiết kế và chế tạo một máy lái thuỷ lực có mômen lái 5Tm để lắp trên tàu thuỷ chở hàng Lê Lợi có trọng tải 1000 tấn do nhà máy đóng tàu Bến Kiền đóng. 1.5. Một số nhận xét về máy lái thuỷ lực Từ phần trình bày ở trên có thể thấy các hệ thống lái thuỷ lực rất phù hợp với đa số tàu thuỷ khai thác ở vùng biển và sông của Việt Nam. Các máy lái thuỷ lực mà các tàu sử dụng chủ yếu là loại dùng xylanh lực, được dùng phổ biến là loại 2 xylanh lái mắc theo kiểu đẩy kéo làm quay séctơ lái. Các hệ thống thuỷ lực của máy lái của tàu vừa và nhỏ đều là loại hệ thống cơ bản, đơn giản, dễ lắp đặt, dễ chế tạo và dễ sửa chữa. Các hệ thống đều có hai chế độ làm việc: Bằng tay hoặc bằng điện-bán tự động. Bơm thuỷ lực của hệ thống thường là các loại bơm không điều chỉnh được. Áp suất làm việc của hệ thống khoảng 16 Mpa, không quá lớn nên có thể sử dụng bơm bánh răng làm giảm chi phí thiết bị. Đa số các hệ thống sử dụng van phân phối kiểu P thông T để giảm tải cho bơm và hệ thống. Thường để đảm bảo an toàn khi bị kẹt van phân phối các máy lái thường trang bị hai van phân phối. Tµu s«ng lµ lo¹i tµu cã t¶i träng d­íi 1000 T mµ hÖ thèng l¸i cã thÓ ¸p dông theo s¬ ®å ®¬n gi¶n trong ®ã sö dông c¸c phÇn tö chÕ t¹o trong n­íc ®Ó ®¶m b¶o gi¸ thµnh rÎ. Ch­¬ng II sau ®©y tr×nh bµy tÝnh to¸n thiÕt kÕ m¸y l¸i thñy lùc 1,5 Tm ¸p dông cho tµu s«ng cña ViÖt Nam. CHƯƠNG II- TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY LÁI THUỶ LỰC 1,5 TM Đối với tàu biển và sông có lượng tải dưới 1000 tấn, máy lái phải có khả năng sinh ra mômen từ 0,8Tm đến 1,5Tm. [10] để các kết quả tính toán có ý nghĩa với người sử dụng, trong phần này chọn 1,5Tm là mômen yêu cầu. Tuy nhiên, như đã trình bày ở phần trên, khi tăng áp suất làm việc , mômen quay của máy sẽ tăng lên. 2.1. Chọn sơ đồ nguyên lý hệ thống lái Để phù hợp với điều kiện chế tạo và khả năng đáp ứng được khả năng kỹ thuật ở Việt Nam, ta chọn sơ đồ hệ thống xylanh lắc với hai xylanh tác động kép. (sơ đồ hình 2.1). Hệ sơ đồ máy lái theo kiểu xylanh lắc như vậy có ưu điểm : Dễ chế tạo, phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Chi phí chế tạo thấp, các chi tiết dễ tìm kiếm và chế tạo. Kích thước nhỏ gọn hơn so với các sơ đồ khác. Sơ đồ hệ thống thuỷ lực Máy lái 1,5 T.m được thiết kế với những thông số cơ bản sau: Góc quay lái: 700 ( từ -350 đến +350) Thời gian quay lái từ -350 -> + 350: t = 20s Bán kính Séctơ lái: r = 50cm Mômen quay lái lớn nhất : Tmax = 11 10 11 10 Hình 2.1 - Sơ đồ hệ thống thuỷ lực chọn thiết kế 1-1, 1-2 : Cụm nguồn thuỷ lực 2-1,._.