Đề tài Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lái điện-Thuỷ lực có điều khiển bằng kỹ thuật số với giá rẻ

ơ 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, 2-2:Van phân phối điện 3/4 3-1, 3-2, 3-3, K : Khoá 4-1, 4-2: Cụm van hãm 5-1, 5-2 :Van chống quá tải 6-1, 6-2 : Xylanh thuỷ lực (tác dụng kép) 7- Bơm tay 8: Vô Lăng 9: Séctơ lái 2.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống thuỷ lực: Hệ thống được trang bị hai cụm nguồn thuỷ lực (1-1 và 1-2) (Thực chất là hai máy lái độc lập, 1 chính và 1 phụ có ) cung cấp dầu có áp suất cao cho hệ thống. Và một bơm tay (bơm sự cố) (7) được dẫn động trực tiếp bằng tay người thông qua vô lăng (8). Do vậy hệ thống có hai chế độ làm việc: chế độ làm việc bình thường và chế độ làm việc sự cố: - Chế độ làm việc bình thường được, các khoá 3-1 hoặc 3-2 mở còn 3-3 đóng. Cụm 1-1 (1-2) hoạt động. Cung cấp dầu cao áp cho hệ thống tới xylanh nhờ van phân phối 2-1 (2-2). Để điều khiển sự hoạt động của van phân phối này, người điều khiển chỉ cần đứng trên cabin nhấn nút để van phân phối làm việc. Thí dụ cụm nguồn 1-1 và van 2-1 làm việc, cuộn hút bên trái 2-1 làm việc=> của P - A thông và B - T thông, dầu từ nguồn thủy lực (áp suất cao) qua van 2-1 tới van 4-1 đi đến buồng dưới của xylanh 6-1 và buồng trên của xylanh 6-2, cũng nhờ có áp suất cao trên đường 3-1-> 4-1 nên van một chiều 4-2 mở nên dầu hồi từ buồng trên của xylanh 6-1 và buồng dưới của xylanh 6-2 qua 4-2 trở về bể, tạo nên ngẫu lực làm cho séctơ lái quay thuận chiều kim đồng hồ. Khi van 2-1 ngừng làm việc thì van 4-1 và 4-2 lại có tính chất là một van một chiều ngăn chặn dòng chảy từ xylanh ngược lại van 2-1 (tránh làm hỏng van khi có tải lớn), cũng trong trường hợp này chất lỏng không có áp không qua van 2-1 lên hệ thống mà của P – T thông nên dầu từ nguồn qua van 2-1 trở về bể dầu. Tương tự như vậy với hành trình ngược lại. - Khi làm việc ở chế độ lái tay (sự cố) – trong trường hợp máy lái chính và phụ bị hỏng : Các khoá 3-1 và 3-2 đóng lại, còn khoá 3-3 mở ra nối thẳng bơm tay tới van 4-1 và 4-2. Để tạo áp suất và lưu lượng cho hệ thống ta sử dụng vô lăng 8 quay dẫn động bơm tay 7 , qua các 3-3 dầu tới 4-1 hoặc 4-2 và tới xylanh, quá trình này cũng tương tự như quá trình dùng nguồn thuỷ lực 1-1 hoặc 1-2 chỉ khác ở đây nguồn thuỷ lực là một bơm tay. Trong sơ đồ (hình2.4) cặp van chống quá tải 5-1 và 5-2 làm việc như sau: Thực chất cặp van này là van an toàn (tác dụng trực tiếp). Van này có tác dụng khi tàu mắc cạn hoặc gặp sóng lớn bánh lái bị va đập gây ra mômen lớn trên trục bánh lái, do đó tạo nên áp suất cao đột ngột trên hệ thống từ van 4-1( 4-2) đến các xylanh. Do đó để giảm tải cho hiện tượng này, tránh gây ra gãy trục lái hoặc các sự cố khác khi áp suất bên trong hệ thống này đạt quá mức cho phép thì van 5-1 (5-2) sẽ mở ( tuỳ vào chiều tác dụng của lực) làm thông 2 buồng của xylanh=> chất lỏng áp cao đi sang phía áp thấp. Van hãm 4-1 và 4-2 làm việc như sau: Thực ra đây là một cụm van gồm hai van một chiều có điều khiển (Check valve-pilot). Sự có mặt của nó nhằm mục đích giữ tải khi máy lái làm việc ( bằng cách ngăn dòng dầu áp cao từ hệ thống phía trên ( xylanh tới 4-1 (4-2) ) và khi có va đập vào bánh lái nó hạn chế sự phá hỏng van 2-1 hoặc 2-2. 2.2.1. Bánh lái: b = 1.3 m h = 1 m c¸nh dÉn a = 0,65 m Hình 2.2 - KÝch th­íc cña c¸nh l¸i - TÝnh diÖn tÝch b¸nh l¸i: A = b.h = 1,3.1= 1,3 m2 - HÖ sè diÖn tÝch b¸nh l¸i: = = = 0,064 nh­ vËy n»m trong giíi h¹n cña lo¹i tµu ®Èy s«ng = ( 6,3 13,0 ) % [10]. - C¸c th«ng sè b¸nh l¸i: + ChiÒu cao b¸nh l¸i: h = 1,0 m + ChiÒu réng b¸nh l¸i: b = 1,3 m + ChiÒu réng phÇn bï: a = 0,65 m + HÖ sè phô thuéc cÊp tµu: K = 0,5 + DiÖn tÝch phÇn bï : A1 = 0,65 m2 + HÖ sè kÐo dµi : = h / b = 0,77 ChiÒu dÇy cña c¸nh l¸i S sÏ tÝnh ë phÇn sau. 2.2.2. Tính trục lái của bánh lái a, §­êng kÝnh trôc l¸i t¹i vïng æ ®ì d­íi. Theo quy ph¹m tµu s«ng [10] ®èi víi b¸nh l¸i cã æ ®ì d­íi n»m trªn th©n d­íi cña sèng ®u«i kh«ng ®­îc nhá h¬n: Trong ®ã: ReH( Mpa ) k C A ( m2 ) v ( km/h ) 240 2,5 5,4 1 1,3 11,12 K: HÖ sè dù tr÷ ®é bÒn cña vËt liÖu trôc l¸i ( phô thuéc vµo cÊp tµu ) ReH: Giíi h¹n ch¶y cña vËt liÖu trôc C: HÖ sè lÊy theo [19] : HÖ sè lÊy cho trôc l¸i ®Æt sau ch©n vÞt A: DiÖn tÝch b¸nh l¸i v : VËn tèc tÝnh to¸n cña tµu khi ®Çy t¶i (v = 11,12 km/h) r : Kho¶ng c¸ch tõ ®iÓm ®Æt cña t¶i träng tÝnh to¸n gi¶ ®Þnh ®Õn trôc quay cña b¸nh l¸i ë møc ngang víi träng t©m diÖn tÝch, ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: Thùc tÕ chän: do = 70 mm b, §­êng kÝnh trôc l¸i æ trªn d1 = 70 mm c, §­êng kÝnh chèt l¸i d2 = 40 mm d, ChiÒu dµy t«n b¸nh l¸i s kh«ng ®­îc nhá h¬n trÞ sè: s = k.d0 + 3 = 0,02.65 +3 = 4,3 mm [19] Chän s = 6 mm e, T«n mÆt ®Çu b¸nh l¸i: S1 = 1,4.s = 1,4.4,3 = 6,0 mm f, Liªn kÕt b¸nh l¸i víi trôc l¸i b»ng bÝch vµ bu l«ng. Tæng diÖn tÝch c¸c bu l«ng nèi: F= 0,3. d02 = 14,7 cm2 Sè bu l«ng dïng b¾t bÝch nèi : 6 Chän bu l«ng M20 cã F= 18,84 cm2 ChiÒu dÇy bÝch nèi t = 20 mm ( kh«ng nhá h¬n ®­êng kÝnh bu l«ng nèi ) Kho¶ng c¸ch gi÷a t©m trôc vµ t©m bu l«ng kh«ng nhá h¬n 0,7.d0 = 4,9 cm Ph¶n lùc tÝnh to¸n quy ­íc R = 5,39 x 10-3 x C x x x A x v2 = 4,68 KN (trong ®ã v = 11,1 km/h; C = 5,4; A = 1,3; x = 1,0 ) [19] - ChiÒu cao b¹c lãt cho phÐp : hbt = 10.( R/ p.d1 ) = 0,98 cm ( trong ®ã p = 6,85 Mpa ) 2.2.3. M ômen thủy động tác dụng lên trụ lái: - Tèc ®é dßng ch¶y ®Õn ch©n vÞt ( c«ng thøc 11- 34 .[10] ) vp = v.(1- w) = 3,08.( 1- 0,2 ) = 2,47 (m/s) - HÖ sè t¶i cña ch©n vÞt ( c«ng thøc 11-37 .[10] ) = = = 10,23 + Lùc ®Èy ch©n vÞt Ts ( KG ) + MËt ®é n­íc = 101,94 KG.m-4.s-2 + §­êng kÝnh ch©n vÞt Ds ( m ) - Theo c«ng thøc 11- 36 .[ 10] ta cã: va = vp. ( - 1 ) = 2,47. ( - 1 ) = 5,8 (m/s) Theo c«ng thøc 11- 38 .[ 1] ta cã: = == 0,84 Ds - ®­êng kÝnh ch©n vÞt s1 - kho¶ng c¸ch tõ mÆt ®Üa ch©n vÞt ®Õn t©m ¸p suÊt b¸nh l¸i Gi¸ trÞ t¨ng tèc trung b×nh do ch©n vÞt tÝnh ë t©m ¸p suÊt b¸nh l¸i ( theo c«ng thøc 11 - 35 .[10] ): va1 = . va = 0,84.5,8 = 4,87 (m/s) Do toµn bé b¸nh l¸i n»m sau ch©n vÞt. VËy nªn vËn tèc dßng ch¶y trªn b¸nh l¸i lµ: vs = vp + va1 = 2,47 + 4,87 = 7,34 (m/s) ¸p suÊt ®éng : q = = = 26937,8 N/m2 M«men trªn trô l¸i ( trang 718 .[10] ) lµ: Ms = ( cm.l - cn.a ) .S.q Ms = ( 0,45.1,3 - 0,38.0,65 ).1,3.26937,8 = 11838,46 N.m Trong ®ã cm = 0,45; cn = 0,38 tra ®å thÞ h×nh 1.16a øng víi gãc = 35o [10] Do trong qu¸ tr×nh lµm viÖc trô l¸i cßn chÞu t¸c dông cña lùc ma s¸t. VËy m«men thùc tÕ cña trô l¸i cÇn ph¶i nh©n víi hÖ sè K = 1,25 ( hÖ sè nµy theo kinh nghiÖm ) M = 1,25.11838,46 = 14798,0 Nm = 1,47 TÊn.m » 1,5T.m NhËn xÐt: Cã thÓ dÔ dµng t¨ng M b»ng c¸ch t¨ng ¸p suÊt vµ t¨ng b¸n kÝnh r sÏ lµm t¨ng thêi gian t vµ kh«ng thÓ t¨ng ¸p suÊt ®Õn v« cïng do h¹n chÕ bëi ¸p suÊt cña m¸y b¬m. 2.2.4. Tính toán lực tác dụng lên xylanh Hình 2.3 - Hình vẽ máy lái P1, P2- Lực tác dụng của mỗi xylanh lên séctơ lái. P1’, P2’ – hình chiếu của P1 và P2 theo phương vuông góc với séctơ lái. Hình 2.4 - Sơ đồ tính lực tác dụng lên xylanh T¹i vÞ trÝ b¸nh l¸i quay gãc 350 M« men l¸i lín nhÊt Mmax = 1500 KG.m Gãc l¸i lín nhÊt = 350 Sè l­îng xylanh i = 2 c¸i Chän ®­êng kÝnh xylanh D = 100 mm Chän ®­êng kÝnh c¸n piston d = 40 mm Chän b¸n kÝnh sÐct¬ l¸i R = 300 mm TiÕt diÖn lßng xylanh: F1 = D2/4 = 79 cm2 TiÕt diÖn c¸n píttông: F2 = d2/4 = 13 cm2 TiÕt diÖn c«ng t¸c cña xylanh: F = 2F1 - F2 = 2.79 - 13 = 145 cm2 Hµnh tr×nh píttông: H = 2.R.sin350 = 344,1 mm Kho¶ng c¸ch hai t©m xylanh: L = 2.R.cos350 = 491,4 mm HiÖu suÊt c¬ khÝ: = 0,95 M«men t¸c dông lªn b¸nh l¸i t¹i vÞ trÝ = 350 lµ: M = M1 + M2 Ta cã: M1 = N1.R.cos350 M2 = N2.R. cos350 N1 = p1. F1 - p2.(F1 - F2 ) = (p1 - p2 ). F1 + p2. F2 N2 = p1.(F1 - F2 ) - p2. F1 = (p1 - p2 ). F1 - p1.F2 VËy: M = R. cos350. (p1 - p2 ).( 2 F1 - F2 ) §é chªnh ¸p lín nhÊt gi÷a hai mÆt lµm viÖc cña píttông lµ: p = p1 - p2 = = = 42,1 KG/cm2 Søc c¶n cña ®­êng èng: Pc = 5 KG/cm2 ¸p suÊt lín nhÊt : Pmax = p + pc = 42,1 + 5 = 47,1 KG/cm2 ¸p suÊt më van an toµn: Pat = 1,25. Pmax = 1,25.47,1 = 58,87 KG/cm2 Dung tÝch cña dÇu trong mét hµnh tr×nh +350 -300 V650 = R.( sin350 + sin 300 ) .F = 30.( sin350 + sin 300 ).145 = 4,67 lÝt 2.2.5. Bể dầu §Ó thêi gian quay l¸i tõ 350 m¹n nµy sang 300 m¹n kia lµ 22s th× khi ®ã l­u l­îng cña b¬m lµ: Q = = = 12,73 lÝt/phót theo [10] Ta chän b¬m cã l­u l­îng 13 lÝt/ phót + Khi ®ã thêi gian quay l¸i tõ 350 m¹n nµy sang 300 m¹n kia lµ: t = = = 21,55 s + §éng c¬ ®iÖn lai b¬m cã c¸c th«ng sè: kÝ hiÖu 31M, cã c«ng suÊt 1,5 KW, sè vßng quay 1500 vßng/ phót + ThÓ tÝch bÓ dÇu : V (2,5 ¸ 4) Q = (2,5 ¸ 4) 13 l V = 29,5 ¸ 32 l Chän VdÇu = 50 dm3 chiÕm 0,8 thÓ tÝch bÓ. KÝch th­íc bÓ sÏ ®­îc x¸c ®Þnh ë phÇn 2.2. Để có thể quay lái được từ 350 mạn này sang 350 mạn kia trong thời gian 22s tức là trong thời gian 22s này lượng chất lỏng được cung cấp chảy vào xylanh là V. V được tính như sau: (2.1) thay số ta sẽ có: V = 40,2.206,85 = 8315,4 cm3 » 8,32 l Như vậy trong 22 s hệ thống cần cung cấp cho xylanh một thể tích chất lỏng là 8315,4 cm3 hay 8,32 lít chất lỏng. Ta có thể tính lưu lượng cần thiết cho xylanh như sau: (lít/phút ) (2.2) Trong đó: Q – Lưu lượng cần thiết (lít/phút) t – thời gian quay lái (s) thay số vào (2.2) ta có: (lít/phút) 2.2.6. Tính chọn đường kính ống: Ta tính toán cho đường ống có lưu lượng cao nhất (đường ống cao áp chính) có: theo kính nghiệm chọn vận tốc dòng chất lỏng chẩy trong đường ống đẩy: m/s . Theo công thức (10.6 tr 234 – [1]) ta có: (mm) (2.3) trong đó : Q- Lưu lượng dòng chảy (lít/phút) v- Vận tốc dòng chảy dt- đường kính trong ống (mm) Thay số ta có: hay => ta chọn dt =12 mm do đó vận tốc của dòng chảy trong ống : với Q= 22,7 l/ph d=12 mm 2.2.7. Tính toán tổn thất Tổn thất của hệ thống thuỷ lực bao gồm hai loại tổn thất: - Tổn thất dọc đường - theo chiều dài đường ống dấn dầu thuỷ lực. Tổn thất này phụ thuộc vào trạng thái chảy tầng hay chảy rối của chất lỏng. Trạng thái chảy của chất lỏng được xác định bằng hệ số reynon (Re). - Tổn thất áp lực cục bộ là phần năng lượng của chất lỏng dùng để thắng lực cản khi chảy qua các bị và cơ cấu thuỷ lực. Tổn thất này chủ yếu ở dạng thay đổi hướng, thay đổi vận tốc, rối loạn của dòng chảy và tạo thành vùng xoáy khi qua một số vị trí đặc biệt của thiết bị. (2.4) Sau đây ta đi lần lượt tính toán các tổn thất trên. (Theo bảng 2-2 –[10]) ta chọn dầu sử dụng trong hệ thống Bảng 2.1 - Thông số của dầu thuỷ lực sử dụng trong hệ thống Dầu Độ nhớt ở 500C, Cst Nhiệt độ bắt lửa, 0C Nhiệt độ đông đặc,0C Khối lượng riêng (kg/m3) Công nghiệp 20 20 170 -20 900 Trong hệ thống lái xylanh lắc như sơ đồ này, ta có thể thấy tính đối xứng của hệ thống nên tổn thất trong hệ thống đẩy cũng tương tự như trong hệ thống xả (xem hình 2.2). gọi :; : tổn thất dọc đường trong ống đẩy và trong cả hệ thống ;: tổn thất cục bộ trong ống đẩy và trong cả hệ thống và Tổn thất dọc đường Với chiều dài ống L = 3 m Vận tốc dòng chảy (lớn nhất) trong ống v = 3,34 m/s Trước hết ta tính hệ số Reynon (Re) Áp dụng công thức : (2.5) Trong đó: v: vận tốc dòng chảy d - Đường kính trong ống (d =12mm) - Hệ số nhớt động của chất lỏng (= 20Cst = 20.10-6 m2/s) v- Vận tốc dòng chảy trong ống (v = 3,34 m/s) thay số vào (2.4) ta có: = 2004 So sánh với số 2320 nhận thấy Re = 2004 < 2320 do đó dòng chảy trong ống là chảy tầng, nên áp dụng công thức (3-10 TL[10] ) (2.6) Trong đó: Khối lượng riêng của dầu (=900 kg/m3 = 0,9 g/cm3) v - Vận tốc của chất lỏng trong ống ( v= 3,34 m/s) - Độ nhớt động học () L- chiều dài ống ( L=3m ) d- Đường kính ống ( d= 12 mm = 0,012 m) - Hệ số cản masat được tính như sau: để tính đến những lực cản phụ khác như chỗ eo, chỗ không tròn của mặt cắt ống dẫn và sự làm nguội lớp tiếp xúc với thành ống, giá trị được tính theo công thức: (2.7.1) Thay số vào (2.5) ta có; (kG/m2) = 4,3 kG/cm2 => kG/cm2 (2.7.2) Tổn thất cục bộ Tổn thất cục bộ như đã phân tích ở trên, tổn thất bao gồm các tổn thất tại các vị trí : Van phân phối, van hãm kép, các khoá, qua các cút nối vuông góc tại xylanh. Áp dụng công thức: (2.8) => (2.9) Trong đó: - Trọng lượng riêng chất lỏng ( ) - Khối lượng riêng của chất lỏng ((Kg/m3) g - gia tốc trọng trường (9,81 m/s2) v - vận tốc dòng chảy ( v =3,34 m/s) - Hệ số tổn thất cục bộ (tuỳ thuộc vào thiết bị) Theo [10], giá trị có thể chọn sơ bộ như sau: Đối với van phân phối : = 2 – 4 ta chọn = 2 Đối với van hãm kép (van một chiều) : = 2 – 3 ta chọn =2 Đối với các khoá nối thẳng : = 0,1 – 0,15 ta chọn = 0,1 Đối với cút nối vuông góc : = 1,5 – 2 ta chọn = 1, 5 Do vậy thay vào công thức (2.8) ta có : (kG/m2) (kG/ cm2) => kG/cm2 Do vậy thay và vào công thức (2.4) ta có tổn thất áp suất của hệ thống thuỷ lực như sau: (kG/cm2) = 14,2 (Bar) 2.2.8. Tính áp suất và lưu lượng cần cung cấp cho hệ thống. Áp suất cần cung cấp cho hệ thống máy lái hoạt động với tải 8 Tm là. (2.10) Trong đó: p- áp suất cần thiết cung cấp cho xylanh ( ta có p= 142 kG/cm2 ) - Áp suất tổn thất trong hệ thống thuỷ lực ( theo (2.4) kG/cm2) do đó thay số vào (2.10) ta sẽ có áp suất cần thiết cho hệ thống: (kG/cm2) Để tính lưu lượng cần thiết cung cấp cho hệ thống, ta có thể tính đến cả sự rò rỉ chất lỏng trong hệ thống, được tính như sau: chọn (l/ph) (l/ph) Công suất cần thiết của động cơ lái: KW (2.11) Trong đó pct- áp suất cần thiết (kG/cm2) Q- lưu lượng cần thiết (l/ph) -Hiệu suất của bơm (chọn ) Thay số vào (2.11) ta có: (KW) 2.3. Chọn các phần tử trong hệ thống thuỷ lực. Từ những dữ kiện trên ta đi chọn các phần tử thuỷ lực trên thực tế có thông số kỹ thuật đạt yêu cầu những thông số trên ta đã tính toán. Chọn bơm nguồn (bơm bánh răng). Hệ thống thuỷ lực máy lái bao gồm hai nguồn cung cấp dầu thuỷ lực áp suất cao. Từ những dữ kiện Q= 25 (l/p) và p= 156,2 kG/cm2 nên ta có thể chọn loại bơm nguồn là kiểu bơm bánh răng. Vì nó có khả năng cung cấp thông số kỹ thuật trên, Đơn giản, giá thành rẻ, tuổi thọ cao, làm việc khá tin cậy. Ứng với số vòng quay của động cơ điện n =1440 v/ph ta có thể chọn bơm có lưu lượng riêng (lít/vòng) hay q =17,36 (cm3/vòng) Ta chọn bơm thuỷ lực cho hai nguồn chính: Bảng 2.2- Thông số kỹ thuật bơm bánh răng chọn trong hệ thống Số lượng 2 chiếc kiểu Bánh răng Mác jp20/18/f21/s1-r Lưu lượng riêng q = 18 cm3/vòng Áp suất làm việc tối đa pmax=250 kG/cm2 Số vòng quay làm việc tối đa nmax=3000 vg/ph Số vòng quay làm việc nhỏ nhất nmin =500 vg/ph Khối lượng 3,2 kg Xuất xứ (Joyang) - Hàn Quốc Chọn bơm tay (Bơm sự cố) Bảng 2.3- Thông số kỹ thuật bơm tay chọn trong hệ thống Số lượng 1 chiếc Mác TLG 21534 Kiểu Bơm bánh răng ăn khớp trong Lưu lượng riêng 80 cm3/vòng Xuất xứ (ORSTAR) – Đức Chọn van an toàn. Để chọn van an toàn, trước hết ta đi tính toán áp suất mở van an toàn (pat). Thông thường áp suất đặt tại van an toàn bằng khoảng 1,05 đến 1,1 áp suất hệ thống. Trong trường hợp này ta lấy áp suất đặt mở van an toàn bằng 1,2 áp suất hệ thống. Tức là: x pcl trong đó: pct - áp suất lớn nhất của hệ thống pct=156,2 kG/cm2 Như vậy áp suất đặt mở van an toàn là: (kG/cm2) » 165 (kG/cm2) Từ đó ta chọn van như sau: Bảng 2.4 –Thông số kỹ thuật của van an toàn chọn trong hệ thống Số lượng 2 chiếc Mác SP-CART M3/350/R/P Áp suất đặt tối đa 350 kG/cm2 Size 6 Khối lượng 1,5 kg Xuất xứ (ATOS) –ITALY Chọn van phân phối Van phân phối có ta dụng điều khiển dòng chảy, có kí hiệu trong hình vẽ ( 2-1 (2-2)). Van được chọn trong hệ thống là một van điện từ ( 2 cuộn hút), loại 3/4 và là loại P thông T, có lưu lượng chảy cho phép Q > 28,9 l/ph. Từ những dữ kiện trên ta chọn van: Bảng 2.5- Thông số kỹ thuật của van phân phối 3/4 Số lượng 2 chiếc Mác DHI-0 70/94/3 24DC Áp suất làm việc lớn nhất 315 kG/cm2 Lưu lượng lớn nhất (Qmax) 60 l/ph Điện áp làm việc Udm 12/24 VDC Size 6 Khối lượng 1,4 kg Xuất xứ (ATOS) – ITALY e- Van hãm tải (Khoá thuỷ lực) Van hãm tải có yêu cầu kỹ thuật: có lưu lượng chảy qua lớn hơn lưu lượng cần thiết của hệ thống ( Qvan > 25 l/p). Có khối lượng nhỏ, giá thành rẻ, có độ làm việc tin cậy cao. Bảng2.6 - Thông số kỹ thuật của van hãm tải chọn trong hệ thống Số lượng 1 Chiếc Mác DPOC-08-N-F-S-D60 Áp suất làm việc tối đa (pmax) 350 kG/cm2 Áp suất mở 1,5 kG/cm2 Lưu lượng lớn nhất (Qmax) 38 l/ph Khối lượng 0,7 kg Xuất xứ ATOS- ITALY f-Van chống quá tải Van chống quá tải được chọn phải đáp ứng yêu cầu về áp suất, lưu lượng cần thiết của hệ thống không những thế cần phải có giá thành rẻ và độ tin cậy cao. Do đó chọn van như sau: Bảng 2.7 - Thông số kỹ thuật của van chống quá tải trong hệ thống Số lượng 1 Mác VAU G1/2 1 Mức điều chỉnh 350 kG/cm2 Khối lượng 0,85 kg Xuất xứ Singapore g-Xylanh thuỷ lực Chọn xylanh có đường kính như tính toán D =125mm, d =70mm. Có độ tin cậy cao, hiệu suất nhỏm giá thành rẻ. Do đó ta chọn xylanh như sau: Bảng 2.8 - Thông số kỹ thuật của xylanh thuỷ lực trong hệ thống Số lượng 2 Mác PTE-34306 Áp suất làm việc max 350 kG/cm2 Hành trình 450mm Khối lượng 50 kg Xuất xứ O.E manufacturer PTE- Singapore h- động cơ điện (3 pha) Bảng 2.9 - Thông số kỹ thuật của động cơ điện chọn trong hệ thống Số lượng 2 Chiếc Mác Việt-Hung - MB132M4 Công suất 7,5 Kw Điện áp sủa dụng 220/380 V Số vòng quay 1440 v/p Khối lượng 70 kG Xuất xứ Việt-Hung (Việt Nam) i -Lọc dầu Công dụng của lọc dầu rất quan trọng trong hệ thống. Nó có nhiệm vụ giữ cho dầu trong hệ thống được sạch, không có cặn bẩn. Không những thế lọc cần phải có yêu cầu không có ảnh hưởng tới áp suất của hệ thống, giá thành rẻ, dễ lắp ráp, độ tin cậy và độ bền cao. Do quy mô của hệ thống nhỏ, nên ta chỉ cần lọc hồi cho hệ thống, chọn lọc dầu có thông số như sau: Bảng 2.10 - Thông số kỹ thuật của lọc hồi chọn trong hệ thống Số lượng 2 Mác TLG-21541 Lưu lượng làm việc max 40 l/p Áp suất làm việc qua lọc 1 kG/cm2 Khối lượng 0,7 kg Xuất xứ Orstart-Đức 2.4. Tính toán hệ thống thuỷ lực lái sự cố Hệ thống lái sự cố là hệ thống được dẫn động trực tiếp từ sức tay của người lái. Hệ thống được sử dụng khi: Hệ thống lái điện thuỷ lực 1-1 và 2-2 (hình 2.1) gặp hỏng hóc trong khi tàu đang hoạt động. Sửa chữa hệ thống điện thuỷ lực. Nguyên lý hoạt động của lái sự cố: Nhìn vào hình 2.1 ta có thể thấy nguyên lý hoạt động của hệ lái sự cố như sau: - Để hệ lái sự cố làm việc ta đóng các khoá 3-1 và 3-2 đồng thời mở khoá 3-3=> hệ lái sự cố được kết nối với hệ thống thuỷ lực máy lái. - Để tạo ra dòng dầu có áp suất, không giống như hệ thống điện thuỷ lực mà ở hệ lái sự cố, năng lượng được lấy trực tiếp từ tay người lái thông qua vôlăng (8) làm quay bơm (7), dầu được truyền qua hệ thống đường ống và tới cặp xylanh đẩy kéo 6-1 và 6-2 làm quay Séctơ lái (9). - Khi ta quay vôlăng theo chiều kim đồng hồ thì dòng dầu có áp từ bơm đi qua khoá 3-3 tới ống (10) qua van 4-1 tới buồng dưới của xylanh 6-1 và buồng trên của xylanh 6-2. Dòng dầu xả từ buồng trên của xylanh 6-1 và buồng dưới của xylanh 6-2 về qua van 4-2 ( van này được mở nhờ có dòng dầu có áp trên đường ống 10) và qua ống (11) về bơm (7) => Séctơ quay cùng chiều kim đồng hồ. Khi muốn Séctơ quay theo chiều ngược lại ta chỉ cần quay vôlăng ngược lại với chiều kim đồng hồ. Yêu cầu chung đối với lái sự cố: - Lực lái tay đặt lên người lái không quá 16 kG. - Góc lái từ -150 (-200) đến 150 (200) - Vận tốc dài cho phép của vôlăng là Vvl <2 m/s Từ những yêu cầu trên ta đi thiết kế hệ lái tay - Mômen lái ( tại vị trí ( Msc) = 2400 kG.m ( theo hình 1.6) - Góc quay lái -150 đến 150 - Thời gian quay lái với góc quay lái như trên t/300 = 60 s - Đường kính vôlăng lái Dvl = 700 mm. * Tính lực tác dụng lớn nhất lên cán xylanh: Hình 2.5 - Sơ đồ tính lực tác dụng lên xylanh Tại vị trí thì . Nhìn vào hình trên ta có thể tính lực tác dụng lớn nhất l