Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh sức căng tời dây tàu thủy

Khi thiết kế các hệ thống thủy lực tời quấn dây thêm một hệ thống thủy lực phụ song song thì khi tàu làm hàng trong cảng hệ thống phụ này sẽ tự động điều chỉnh sức căng cho các dây buộc[r]

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017

[14] Xing, C H., Wen, X H., Qian, Y., Tardieu, E., “Microfiltration-Membrane-Coupled Bioreactor for Urban Wastewater Reclamation”, Desalination., 141(1):63-73, 2001

[15] Water Enviroment Federation, Membrane systems for wastewater treatment, Press McGraw-Hill, New York, 2006

Ngày nhận bài: 06/01/2017 Ngày phản biện: 15/02/2017 Ngày duyệt đăng: 21/02/2017

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH SỨC CĂNG TỜI DÂY TÀU THỦY

RESEARCH TO DESIGN A TENSION AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR SHIP MOORING WINCHES

PHẠM HỮU TÂN, NGUYỄN TRÍ MINH Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt

Bài báo đưa phương pháp tự động điều chỉnh sức căng cho dây buộc tàu tàu vào cảng xếp, dỡ hàng hóa Phương pháp áp dụng cho loại tời quấn dây thủy lực với dây trống tời Để tự động điều chỉnh sức căng cho dây hệ thống thủy lực phụ bố trí song song với hệ thống thủy lực tời quấn dây Hệ thống hoạt động tự động độc lập với hệ thống thủy lực Khi tàu cập cầu rời cầu hệ thống thủy lực làm việc hệ thống phụ dừng, cịn tàu làm hàng đưa hệ thống thủy lực phụ vào hoạt động tự động hệ thống dừng làm việc, hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu

Từ khóa: Tàu thủy, trống tời quấn dây, động thủy lực, sức căng dây, giá trị đặt. Abstract

This paper presents a method to automatically control the tension of the ship wire ropes when the ship is loading or discharging cargo in ports This method is applied to hydraulic mooring winches with wire ropes on the winch drums To automatically control the tension of wire ropes, a auxiliary hydraulic system are arranged parallel to the main hydraulic mooring winches This auxiliary hydraulic system works automatically and independently of the main hydraulic mooring winch When the ship goes to ports or leaves the ports, the main hydraulic mooring winches go to work and the auxiliary hydraulic system stops working When the ship is loading or discharging cargo, the auxilary hydraulic system goes to works automatically and the main hydraulic system stops working The auxiliary hydraulic system will automatically control the tension of wire ropes

Keywords: Ships, mooring winch, hydraulic motor, tension of wire rope, set value 1 Giới thiệu chung

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017 2 Nguyên lý hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu

Khi tàu vào xếp, dỡ hàng hóa cảng tàu cố định vào cầu cảng dây buộc tàu Để cố định tàu vào cầu cảng dây buộc tàu, thủy thủ thường sử dụng tời quấn dây bố trí sẵn mũi sau lái tàu để làm dây buộc tàu Hiện tời quấn dây tàu thủy thường lai động thủy lực tạo công suất lớn Một hệ thống thủy lực tời quấn dây tàu thủy mô tả hình [1]

Hình Hệ thống thủy lực tời quấn dây buộc tàu

Khi cần làm dây buộc tàu bơm đưa vào hoạt động Khi muốn thu dây xông dây ta cần điều khiển tay điểu khiển sang phải sang trái động thủy lực quay phải quay trái để thu dây xông dây Hiện để giảm sức lao động thủy thủ tàu đa số tời dây bố trí nhiều trống dây lai động thủy lực hình [1] Mỗi tời dây lai trục động thủy lực thơng qua ly hợp khí Khi cần làm dây ta vào ly hợp cho trống tời để làm dây buộc tàu

Hình Tời dây tàu thủy với động lai nhiều trống tời

Trong trình tàu xếp, dỡ hàng hóa cảng, tải trọng tàu ln thay đổi làm thay đổi mớn nước tàu Ngoài tàu nằm cảng chịu ảng hưởng lớn thủy triều Chính mà thủy thủ phải điều chỉnh lại sức căng dây buộc tàu tời để trì sức căng dây không đổi Để thủy thủ quan tâm đến dây buộc tàu trình tàu xếp dỡ hàng hóa cảng, tời quấn dây phải hốn cải để tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu tàu làm hàng thủy triều thay đổi cảng Các hệ thống thiết kế cho hoán cải hệ thống tại, hệ thống vận hành đơn giản, dễ dàng tin cậy, chịu điều kiện khắc nghiệt môi trường tàu thủy

Để thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu, ta nghiên cứu nguyên lý tự động điều chỉnh sức căng rulô quấn dây đặt hai bệ đỡ, hai bên có bố trí lị xo chịu xoắn Các lị xo đầu cố định vào rulô, đầu cố định vào bệ đỡ trục rulô Trên rulô quấn với nhiều vòng dây đầu dây cố định vào rulơ, cịn đầu dây thị để kéo dây hình [2]

Hình Mô nguyên lý tự động điều chỉnh sức căng dây

T

Tời quấn dây

Động thủy lực Tay điều khiển tời

Bầu làm mát

Bơm

Cột trọng lực

Két chứa dầu Bơm tay

Kính nhìn

Bệ đỡ trục

Lò xo chịu xoắn

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017

Khi ta kéo đầu dây với lực kéo định làm cho dây rulô xông bớt lò xo bị nén lại Nếu ta giữ đầu dây với sức kéo TD định, lực kéo TD tạo mômen xoắn

trên rulô MT sau :

2

RL D T

D T

M  (1) Mômen xoắn MT làm cho rulơ quay lị xo bị xoắn lại với lực xoắn định

Lực xoắn F lị xo xác định cơng thức sau :



.

k

F (2) Và lò xo tạo mômen xoắn MLX:

2 . 2

LX LX

LX

D k FD

M    (3) Trong k độ cứng lị xo (N/m); là góc xoắn lị xo (rad); F lực xoắn lị xo (N); DLX

đường kính lò xo (m); TD sức căng dây (N); DRL đường kính rulơ (m)

Khi mơmen xoắn lị xo MLX cân với mơmen MT lực TD tạo trục rulô (MLX = MT)

thì rulơ dừng quay Nếu ta tăng lực kéo dây MT > MLX rulơ tiếp tục quay lò xo

tiếp tục bị nén lại Nếu ta giảm bớt lực kéo dây mơmen lực xoắn lị xo MLX > MT

nên lị xo quay rulơ theo chiều ngược lại dây bị kéo căng lên

Từ nguyên lý tự động căng dây rulô hình 4, ta thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh sức căng cho tời quấn dây buộc tàu sau: Với hệ thống thủy lực tời quấn dây nguyên hình ta thiết kế thêm hệ thống thủy lực phụ có cơng suất nhỏ song song với hệ thống Hai hệ thống có chung động thủy lực chúng hoạt động độc lập với van chặn Khi tàu cập cầu rời cảng hệ thống thủy lực làm việc hệ thống thủy lực phụ dừng làm việc Ở trạng thái van chặn hệ thống phụ đóng lại, cịn van chặn hệ thống mở hình

Hình Hệ thống thủy lực tời quấn dây có bố trí hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu hệ thống hoạt động

Khi tàu xếp dỡ hàng cảng hệ thống thủy lực dừng hoạt động hệ thống thủy lực phụ đưa vào hoạt động để tự động điều chỉnh sức căng cho dây buộc tàu Khi van chặn hệ thống đóng lại, van chặn hệ thống phụ mở ra, tay điều khiển động thủy lực đặt vị trí thu dây (cần điều khiển gạt sang phải) hình

Nguyên lý hoạt động tự động hệ thống thủy lực phụ sau: Ta khởi động bơm dầu điều khiển hệ thống phụ, dầu thủy lực từ bơm dầu điều khiển cấp tới động theo chiều thu dây Động thủy lực lai trống tời có xu hướng quay tang trống tời để thu dây phanh trống tời nhả áp suất dầu thủy lực phần cao áp hệ thống thực Tuy nhiên động có quay hay khơng phụ thuộc vào áp suất dầu thủy lực cấp vào động (do bơm dầu điều khiển tạo ra) sức căng dây buộc tàu Nếu áp suất dầu cấp vào động tạo mômen xoắn MX trục động cân với mômen tải MT sức căng dây buộc tàu

tạo động không quay trống tời được, thông số coi thông số định mức ký hiệu MXn, MTn Khi sức căng dây buộc tàu lý tăng lên (khi tàu lên) làm mômen

T

Tời quấn dây

Động thủy lực Tay điều khiển tời

Bầu làm mát

Bơm

Bơm dầu điều khiển

Van an toàn Cột trọng lực

Két chứa dầu Bơm tay

Kính nhìn

Van đóng

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017

tải MT > Mxn dây buộc tàu bị kéo căng tang trống tời bị quay theo chiều xông dây, động

cơ thủy lực bị cưỡng quay theo chiều ngược với chiều quay áp suất dầu thủy lực tạo ra, dầu động thủy lực phần cao áp hồi ngược thấp áp qua van an toàn Khi trống tời bị kéo quay ngược lại dây xông bớt MT giảm xuống MT = Mxn trống tời

sẽ khơng quay Nếu lý mà sức căng dây buộc tàu giảm xuống (tàu chìm xuống xếp hàng) làm MT giảm xuống, MT<Mxn, động thủy lực quay trống tời theo chiều

thu dây để thu bớt dây lại làm sức căng dây tăng lên, MTtăng lên MT = Mxn động

cơ dừng quay tang trống tời

Hình Hệ thống thủy lực tời quấn dây có bố trí hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu hệ thống phụ đưa vào hoạt động tự động

Như vậy, hệ thống thủy lực phụ đưa vào hoạt động tự động trì cho dây buộc tàu ln có sức căng ổn định thủy thủ không cần phải quan tâm đến sức căng dây buộc tàu Để thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh sức căng cho tời quấn dây ta tính tốn thiết kế theo thứ tự sau

3 Tính tốn thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu thủy 3.1 Xác định áp suất làm việc bơm phụ

Để tính tốn áp suất làm việc bơm phụ ta dựa vào phương trình cân mơmen trục trống tời Phương trình cân mơmen trục trống tời biểu diễn dạng [3]:

0

  

 f T qt X M M M

M (4) Trong đó: Mx mômen xoắn trục động (Nm), Mf mômen cản ma sát ổ

đỡ (Nm), Mqt mơmen qn tính khối lượng tang trống tời quay có gia tốc sinh (Nm)

Khi trạng thái cân bằng, mômen xoắn định mức trục động MXn cân với

mômen tải định mức trống dây MTn sức căng dây tạo trống tời quấn dây khơng

quay, phương trình (4) có dạng sau:

0

  Tn Xn M

M (5) Sau ta xác định giá trị mômen MXn trục động MTn trục trống tời

Mômen xoắn định mức trục động

Mômen xoắn trục động xác định theo công thức sau [3]:

n Xn V p

M  , (Nm); (6) Trong V lưu lượng riêng động thủy lực (m3/vòng quay); pn áp suất định mức

của dầu thủy lực động (Mpa)

Mômen tải định mức sức căng dây tạo trục trống tời

Mômen tải định mức sức căng dây tạo xác định theo công thức sau:

T n Tn T r

M  (Nm) (7) Trong Tn sức căng định mức dây tác dụng lên trống tời (N); rT bán kính trống tời

dây (m)

Như phương trình cân mơmen trục trống tời có dạng sau:

T

Tời quấn dây

Động thủy lực Tay điều khiển tời

Bầu làm mát

Bơm

Bơm dầu điều khiển

Van an toàn Cột trọng lực

Két chứa dầu Bơm tay

Kính nhìn

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017

VpnTn.rT 0 (8)

Và áp suất làm việc bơm phụ là:

V r T

p n T

n

 (Mpa) (9) Từ công thức (9) ta xác định áp suất làm việc bơm phụ áp suất đặt van an toàn hệ thống phụ

3.2 Xác định lưu lượng bơm phụ

Để xác định lưu lượng bơm phụ ta dựa vào phương trình liên tục dịng chảy hệ thống phụ Phương trình liên tục dòng dầu chảy hệ thống phụ xác định sau [3]:

Q

B = Qv + QA (10)

Trong QB là lưu lượng bơm thuỷ lực phụ, lit/phút; Qv là lưu lượng dầu rò lọt bơm phụ động thủy lực, lít/phút; Q

A lưu lượng dầu làm việc cần thiết động thủy lực, lít/phút

Xác định lưu lượng dầu rò lọt bơm phụ động thủy lực

Lưu lượng dầu rò lọt bơm phụ động thủy lực xác định theo công thức sau [3]:

0

B A

V B A

Q Q r Q r (lit/phut); (11) Hệ số rò lọt bơm phụ B

r0 xác định theo công thức sau:

0 (1 0)

B B

r   ; (12) Hệ số rò lọt động thủy lực A

r0 xác định theo công thức sau:

0 (1 0)

A A

r   ; (13) Như vậy: ) 1 ( ) 1

( 0B A 0A

B

V Q Q

Q     (14) Trong B

0

 : hiệu suất thể tích bơm phụ; A

0

 : hiệu suất thể tích động thủy lực Hiệu suất thể tích bơm phụ động thủy lực thường lấy khoảng 0,6-0,8

Xác định lưu lượng dầu cần thiết điều khiển động thủy lực QA

Lưu lượng dầu cần thiết điều khiển động thủy lực xác định theo công thức sau:

3 10 10 30 A A

A Vn

V

Q  

 

(lít/phút); (15) Với: 30 A A n   

Trong Alà tốc độ góc trục động thủy lực điều khiển sức căng dây hệ thống thủy lực phụ (rad/giây); tốc độ góc trục động A iT Với i tỷ số truyền trục động thủy lực trục trống tời Tlà tốc độ góc trục trống tời quấn dây điều khiển tời hệ thống phụ (rad/giây) nA vòng quay trục động thủy lực điều khiển

bằng hệ thống phụ (vịng/phút)

Như phương trình liên tục dòng dầu chảy mạch cao áp viết dạng:

3

0 .10

. . 30 ) 1 ( ) 1 (   

 A A

A B B B V Q Q

Q      (16) Hay:          3 10 . . . 30 ) 1 .( 10 . . . 30 1       A A A B B V V

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017

Hay:

   

 

  1 30. . .103.(2 0 )

0

A A

B B

V

Q 

 

 , (lít/phút) (18)

Hay

 . .10.(2 )

1

0

A A

B

B V n

Q 

 

 , (lít/phút) (19) Từ cơng thức (18) hay (19) ta xác định lưu lượng bơm phụ loại van an toàn hệ thống phụ

3.3 Xác định kích thước đường ống hệ thống thủy lực phụ

Từ lưu lượng bơm phụ, ta chọn tốc độ lưu động chất lỏng ống đẩy vđ (m/giây),

tốc độ lưu động dầu ống hút vh (m/giây), ta xác định đường kính ống đẩy

dđ (m) ống hút dh (m) bơm phụ sau:

2 2

2

10 24 10

. 24

h h đ

đ B

d v d

v

Q     , (lít/phút)

Suy ra:

2 10 . 24

đ B đ

v Q d



 (m);

2 10 . 24

h B h

v Q d



 (m) (20) Từ thông số áp suất làm việc pn, lưu lượng bơm QB, đường kính đường ống hút dh

và đường ống đẩy dđ bơm ta thiết kế hệ thống thủy lực tự động điều chỉnh sức

căng trống tời quấn dây, chiều dài ống hệ thống phụ tùy thuộc vào vị trí bố trí bơm phụ ống ngắn nên bỏ qua tổn thất ống

4 Kết luận

Khi thiết kế hệ thống thủy lực tời quấn dây thêm hệ thống thủy lực phụ song song tàu làm hàng cảng hệ thống phụ tự động điều chỉnh sức căng cho dây buộc tàu mà khơng cần đến bơm Điều trì dây buộc tàu ln có sức căng định, đảm bảo an toàn cho tàu trình làm hàng cảng, giảm sức lao động cho thuyền viên tàu thủy

Hệ thống thủy lực phụ có kết cấu đơn giản, vận hành đơn giản, an toàn tin cậy với giá thành chi phí tương đối thấp Hệ thống hoạt động điều kiện thời tiết, khí hậu khắc nghiệt tàu Chính mà hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu hồn tồn áp dụng vào thực tế để trang bị cho tàu thủy

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TS Phạm Hưu Tân “Máy phụ tàu thủy tập 2”, NXB Giao thông Vận tải, Hà Nội 2012 [2] TS Trần Minh Tú “Sức bền vật liệu”, NXB Đại học Xây dựng, Hà Nội 2012

[3] PGS.TS Trần Xuân Tùy “Truyền động thủy lực khí nén”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2007 Ngày nhận bài: 13/3/2017