Xem mẫu

http://kimcokynhan.wordpress.com TÍNH DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC TÀU THỦY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CALCULATE TORSIONAL VIBRATION OF MARINE PROPULSION SYSTEM BY FINITE ELEMENT METHOD Ts. Lê Đình Tuân*, Ks. Nguyễn Trí Dũng†, Ths. Nguyễn Anh Quâna Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Bách khoa Tp.HCM, Việt Nam (a)C.ty tư vấn Tân Bách Khoa – TT ứng dụng công nghệ xây dựng REATEC, TP.HCM -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- TÓM TẮT Hệ thống động lực tàu thuỷ bao gồm máy chính – hệ trục – chân vịt, phát ra năng lượng vận hành tàu và các thiết bị trên tàu, làm việc trong điều kiện tải trọng cao và biến đổi theo thời gian. Từ đó sinh ra dao động dọc, dao động ngang và dao động xoắn. Trong đó dao động xoắn là nguy hiểm nhất. Các dao động này làm hư hỏng các chi tiết trong hệ trục thậm chí gãy trục, rung động tàu và gây thiệt hại về kinh tế trong đóng mới và vận tải. Bảng tính dao động xoắn là yêu cầu bắt buộc của các cơ quan đăng kiểm. Tại Việt Nam, các bảng tính thường được mua từ nước ngoài hoặc được thực hiện bằng phương pháp giải tích. Phương pháp giải tích bị hạn chế về số bậc tự do và sử dụng nhiều công thức kinh nghiệm. Do đó, việc xây dựng chương trình tính toán dao động hệ trục tàu thủy bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho các công ty thiết kế và đóng mới tại Việt Nam nhằm tránh các nguy hiểm nêu trên, giảm bớt chi phí mua thiết kế từ nước ngoài và dần làm chủ được các công việc thiết kế tàu là một nhu cầu cấp bách góp phần phát triển ngành công nghiệp đóng tàu của Việt Nam. Từ khóa: dao động xoắn, dao động hệ trục tàu thủy, rung động tàu ABSTRACT Marine propulsion system, including main machinery – shaft – propeller, creating power to operate the ship and equipments, works in high and variable load. Therefore, the lateral, axial and torsional vibrations occur. Among of them, torsional vibration is the most dangerous. That these kinds of vibration can result in damage to components in the shafting system, even fracture of shafts, cause ship vibration and make economic harm in ship building and transportation. Torsional vibration calculations are asked obligingly by registers. In Vietnam, the calculations are often bought from foreign countries or carried out by analysis method. This method has restriction of degree of freedom and uses many experimental formulars. Thus, establishing a calculating torsional vibration program of marine propulsion system by finite element method for design and shipbuilding companies to avoid above damage, reduce cost of buying foreign designs and master the design works is necessary requirement to contribute to development of Vietnam shipbuilding industry. Keywords: torsional vibration, vibration of marine propulsion system, ship vibration * E-mail liên lạc: Tuan-Ledinh@hcmut.edu.vn † Dung-nguyentri@hcmut.edu.vn 1. GIỚI THIỆU HỆ TRỤC TÀU THUỶ Hệ trục tàu thuỷ có nhiệm vụ truyền mômen xoắn từ động cơ đến chân vịt tàu thuỷ và nhận lực đẩy từ chân vịt truyền lại cho vỏ tàu làm cho tàu tiến hoặc lùi. Hệ trục tàu thuỷ gồm nhiều đoạn trục nối liền nhau và được đặt trên một đường thẳng. Tùy thuộc vào công dụng và tính năng của từng loại tàu mà tàu có thể có một hoặc nhiều đường trục. Hệ trục làm việc trong điều kiện rất phức tạp, một đầu hệ trục nối liền với máy chính, chịu tác động trực tiếp của momen xoắn từ máy chính, đầu kia mang chân vịt, chịu tác động trực tiếp momen cản của chân vịt trong nước. Ngoài ra hệ trục còn chịu tác động bởi lực đẩy 1 http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com của chân vịt, chịu tác dụng của trọng lượng bản thân trục…Vì vậy việc xác định chế độ làm việc tối ưu của trục là việc làm quan trọng và cần thiết . 1. Máy chính; 2. Trục động cơ và khớp nối đàn hồi; 3. Hộp số; 4. Máy phát điện; 5. Bạc trục và ổ đỡ; 6. Trục chân vịt; 7. Chân vịt Hình 1: Hệ trục tàu thủy 2. CÁC KIỂU DAO ĐỘNG HỆ TRỤC 2.1.Dao động ngang Trục được xem như một dầm liên tục có độ cứng và khối lượng phân bố không đối xứng, luôn luôn có sự mất cân bằng trong chuyển động quay. Khi trục quay các phần tử khối lượng mất cân bằng này sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm làm cho sự lệch tâm trở nên lớn hơn. Dao động ngang xảy ra khi phương dao động vuông góc với đường tâm trục, gây gia tăng ứng suất trên hệ trục, tăng độ lớn của phản lực trong các gối đỡ là nguyên nhân làm rung động kết cấu thân tàu, làm giảm chức năng của ống bao trục và gối đỡ do sự quá nhiệt và mài mòn. 2.2.Dao động dọc Dao động dọc hệ trục tàu thủy được kích thích bởi lực đẩy chân vịt và lực của các cơ cấu khuỷu động cơ. Các lực đẩy này làm cho hệ trục mất ổn định dọc dẫn đến hiện tượng đoạn trục bị cong. Dao động dọc rất ít khi gây ra các hư hỏng nghiêm trọng trên hệ trục. Chúng thường gây ra các rung động vỏ tàu do các lực hoạt động của động cơ truyền xuống bệ máy. 2.3.Dao động xoắn Dao động xoắn xảy ra khi có sự thay đổi vận tốc góc trục. Khi đó các thành phần có moment quán tính khối lượng dao động quanh đường tâm trục. Nguồn kích thích dao động xoắn bao gồm xung lực do sự cháy khí thể trong các xylanh động cơ, momen do lực quán tính tịnh tiến của cơ cấu piston-thanh truyền, moment tác động lên chân vịt. Tốc độ chạy tàu gần với tốc độ cộng hưởng làm cho ứng suất trên trục vượt quá giới hạn mỏi dẫn đến gãy trục, sự va đập mạnh giữa các răng của bánh răng dẫn đến gãy răng, giảm khả năng giảm chấn của các khớp nối đàn hồi và bộ giảm chấn do nhiệt độ cao từ sự tiêu tán năng lượng. 3. PHƯƠNG PHÁP PTHH TRONG TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG XOẮN 3.1. Moment quán tính khối lượng và độ cứng xoắn của đoạn trục chịu xoắn Chuyển vị của vật rắn trong chuyển động quay được đo bằng tọa độ góc quay. Momen phục hồi trong dao động xoắn là do sự đàn hồi của trục Mt = GJθ (1) G [N/m2]: modul đàn hồi trượt của vật liệu, l [m]: chiều dài trục, J [m4]: momen quán tính độc cực của mặt cắt ngang trên trục. πd 4 (2) 32 d [m]: đường kính trục bị xoắn Trục ứng xử như một lò xo xoắn có độ cứng xoắn phụ thuộc vào kích thước và vật liệu trục theo công thức sau: kt = θt = GJ = πGd4 (3) Momen quán tính khối lượng của đĩa được tính bằng công thức sau ρhπD4 WD2 o 32 8g ρ [kg/m3]: trọng lượng riêng, h [m]: chiều cao, D [m]: đường kính đĩa, W [N]: trọng lượng đĩa, 3.2.Thiết lập phương trình dao động Xét hệ có n phần tử trục có khối lượng (hình 2), momen quán tính khối lượng của 1 phần tử được phân ra tập trung tại hai đầu của phần tử đó. Khi đó ma trận độ cứng phần tử và ma trận khối lượng phần tử của phần tử chịu xoắn thứ i có dạng sau 2 http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com Ke = ⎡ ki i −ki ⎤ (5) ki ⎦ 4. MOMENT NGOẠI LỰC TÁC DỤNG LÊN HỆ DAO ĐỘNG XOẮN ki là độ cứng phần tử thứ i M = ⎡Ji 0 ⎤ (6) ⎣ i+1⎦ Ji + Ji+1 là momen quán tính khối lượng của phần tử trục thứ i 4.1. Moment kích thích dao động Moment xoắn phát ra tử trục khuỷu do lực khí thể của động cơ T = Prsinωt⎝1+ r cosωt⎞ (11) Hình 2: hệ dao động xoắn n bậc tự do Nếu tại đầu của các phần tử trục tập trung đĩa khối lượng thì momen quán tính khối lượng của đĩa đó được cộng vào ma trận momen quán tính khối lượng phần tử tương ứng. Ma trận độ cứng kết cấu và ma trận momen quán tính khối lượng kết cấu có dạng sau ⎡ k1 −k1 0 0 0 ⎤ K = ⎢−k1 k1 kk2 k2 k2 3 0 0 ⎥ (7) ⎢ 0 0 O O −kn ⎥ ⎣ 0 0 0 −kn kn ⎦ Hình 3: mô hình lực khí thể Moment xoắn trên trục khuỷu do lực quán tính Tqt = 2 r2ω2⎛ 2l sinωt −sin2ωt − 3r sin3ωt⎠k ⎡J1 0 0 L ⎢ 0 J2 0 O M = 0 0 J3 O M O O O ⎢ 0 L 0 0 0 ⎤ M ⎥ 0 ⎥ Jn ⎦ Hình 4: mô hình lực quán tính (8) Tổng moment xoắn do lực quán tính và lực khí thể là moment phát ra trên trục khuỷu động cơ, là nguồn lực làm quay chân vịt và tạo dao động xoắn trên hệ trục. Giảm chấn của hệ có thể xuất hiện ở phần tử trục hoăc tại khối lượng tập trung. Ta chọn ma trận giảm chấn có dạng C = αM + βK, với α = 10-7 và β = 10-5 Phương trình dao động tự do của hệ: Mq +Cq + Kq = 0 (9) Giải bài toán dao động tự do ta được tần số riêng và mode riêng của hệ Phương trình dao động cưỡng bức của hệ: Mq +Cq + Kq = p(t) (10) p(t) là vec tơ momen ngoại lực tác dụng lên hệ tại các nút Giải bài toán dao động cưỡng bức bằng phương pháp Newmark ta được góc quay của mỗi nút theo thời gian và ứng suất của phần tử trục theo thời gian 4.2. Moment cản của chân vịt Q = KQ ρn2 D5 (13) KQ : hệ số momen quay chân vịt, xác định bằng các đồ thị thực nghiệm ρ [kG.m-4.s2]: mật độ chất lỏng (nước sông hoặc nước biển) n [v/s]: số vòng quay chân vịt, n = ne/ i, với i là tỉ số truyền hộp số và ne là số vòng quay động cơ D [m]: đường kính chân vịt Hệ số KQ phụ thuộc vào hệ số tiến J của tàu. VP (14) nD 3 http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com 5.CHƯƠNG TRÌNH TÍNH DAO ĐỘNG XOẮN HỆ TRỤC TÀU THỦY 5.1 Giải thuật chương trình Döõ lieäu ñoäng cô Döõ lieäu heä truïc Döõ lieäu chaân vòt Löu Löu Löu d. Trục chân vịt Đường kính: Chiều dài: e. Chân vịt Đường kính: Tỉ số mặt đĩa: Tỉ số bước: Hệ số cấu tạo chân vịt: 195 mm. 2900 mm. 2060 mm. 0,55. 0,604. 9,1. Tính moment kích do ñoäng cô gaây ra Löu Choïn soá ñóa quy daãn, quy ñoåi heä truïc Löu Tính moment caûn do chaân vòt, moment quaùn tính chaân vòt Löu Toång hôïp thaønh heä dao ñoäng ñaày ñuû Löu Hình 6: Mô hình dao động hệ trục tàu 1250T Bảng 1: thông số sau mô hình hóa Keát quaû tính dao ñoäng töï do: mode rieâng, taàn soá rieâng Tính dao ñoäng töï do, dao ñoäng cöôõng böùc, tìm öùng suaát xoaén trong truïc Löu Keát quaû dao ñoäng cöôõng böùc: ñaùp öùng cöôõng böùc Keát quaû tính öùng suaát trong truïc, aùp duïng qui phaïm Stt Mass ID 1 Flange 2 Cylinder 3 Cylinder 4 Cylinder 5 Cylinder 6 Flywheel J (kgm2) 38.069 18.247 11.556 11.556 18.247 633.790 Ki (MNm/rad) Di (mm) 11.637 135 6.779 135 6.779 135 6.779 135 11.637 135 11.637 135 Hình 5: sơ đồ giải thuật của chương trình. 7 Gear 37.431 5.2 Kết quả tính dao động xoắn hệ trục tàu dầu 1250T Thông số hệ thống động lực tàu dầu 1250T a. Máy chính Model: 3508B. Nhà sản xuất: Caterpillar. Kiểu máy: V type 60 degree. Công suất: 735,40 kW (1000 HP). Số xi lanh: 8. Số thì động cơ: 4. Số vòng quay định mức:1800 v/ph. Số vòng quay nhỏ nhất: 600 v/ph. Số vòng quay lớn nhất: 1850 v/ph. Đường kính xi lanh: 170 mm. Hành trình piston: 190 mm. Đường kính trục khủyu: 135 mm. Thứ tự nổ của xi lanh: 1-2-7-3-4-5-6-8 b. Hộp số Loại: Nico MGN91BL. Tỉ số truyền: 5.04 c. Trục trung gian Đường kính: 160 mm. Chiều dài: 1350 mm. Các bước giải của chương trình Hình 7: Nhập dữ liệu máy chính Hình 8: moment kích thích 4 http://kimcokynhan.wordpress.com http://kimcokynhan.wordpress.com Hình 9: nhập dữ liệu hệ trục Hình 13: ứng suất của đoạn trục so với quy phạm Hình 10: Nhập dữ liệu chân vịt ... - tailieumienphi.vn