Giáo trình Thiết bị tàu thủy - Chương 3: Thiết bị neo

Chương 3 Thiết bị neo 3.1. Khái niệm chung Khi đứng yên, tàu chịu tác dụng của gió, lực cản của dòng nước chảy, lực va đập của sóng và các ngoại lực ngẫu nhiên khác. Neo là một thiết bị dùng để giữ cho tàu đứng yên dưới tác dụng của các ngoại lực đó. Hay nói một cách khác: neo là một tổ hợp kết cấu dùng để neo tàu. Trên mỗi một con tàu thường được trang bị neo chính và neo phụ. Neo chính thường đặt ở mũi còn có tên gọi là neo dừng, vì rằng mũi tàu có dạng thoát nước nên làm giảm sức cản tốt hơn. Hơn nữa khoang mũi thường không được sử dụng, nên dùng làm hầm xích neo rất thuận tiện. Neo phụ được đặt ở phía đuôi tàu còn được gọi là neo hãm. Bởi vì việc bố trí neo ở đuôi tàu sẽ không thuận lợi cho sự va đập của dòng nước chảy vào chong chóng và bánh lái. Thông thường neo chính và neo phụ không được thả cùng một lúc. Hình 3. 1. Bố trí thiết bị neo 1 - neo; 2 - xích neo; 3 - hãm neo; 4 - tời neo; 5 - lỗ luồn dây neo; 6 - hầm xích neo; 7 - thiết bị nhả nhanh gốc xích neo; 8 - lỗ thả neo trên boong; 9 - lỗ thả neo mạn; 10 - ống chứa neo; 11 - hãm xích neo. 3.1.1. Lực bám của neo Lực bám của neo là khả năng bám vào nền đất của neo. Lực bám của neo phụ thuộc vào trọng lượng neo GN, kết cấu của từng loại neo và nền đất nơi thả neo. Trong đó trọng lượng neo là yếu tố quan trọng nhất, tức là khi trọng lượng neo GN càng lớn thì lực bám của neo càng tăng và ngược lại. Mặt khác, neo có cán càng dài thì lực bám càng tăng đồng thời càng làm tăng tính ổn định của neo trên nền đất. Vì vậy ở một số trường hợp người ta làm thanh ngang để tăng độ ổn định của neo. Nếu gọi lực bám của neo là: T , kG thì: T = k.GN trong đó: GN - trọng lượng của neo, kG. k - hệ số bám của neo, xác định nhờ thực nghiệm và tuỳ theo loại neo, tùy theo nền đất. 3.1.2. Chiều sâu thả neo Hình 3. 2. Chiều sâu thả neo Trong khai thác, ở điều kiện thuận lợi có thể đỗ tàu bằng neo thì chiều dài cáp neo (là chiều dài từ lỗ thả neo đến vị trí neo nằm ở nền đất l phụ thuộc vào chiều sâu nơi thả neo và tốt nhất là: l = 4.h0 nếu h0 Ê 25, m. l = 3.h0 nếu 25 Ê h0 Ê 50, m. l = 2,5.h0 nếu 50 < h0 Ê 150, m. l = (1,5 á 2).h0 nếu h0 ³ 150, m. 3.1.3. Phân loại thiết bị neo Tuỳ thuộc vào từng loại tàu, vào công dụng và đặc tính làm việc của tàu mà lựa chọn thiết bị neo theo loại thiết bị neo có hốc hay không có hốc, theo máy tời neo đưngd hay nằm, v.v. 3.2. Phân loại neo và các đặc trưng cơ bản của neo 3.2.1. Phân loại neo Tuỳ thuộc vào từng loại tàu, công dụng và đặc tính của nó người ta bố trí các loại neo khác nhau. Theo kết cấu người ta phân ra làm hai loại neo: neo có thanh ngang và neo không có thanh ngang. Neo có thanh ngang gồm neo: Matroxov, neo Hải quân, neo một lưỡi, neo nhiều lưỡi, neo chuyên dùng, v.v. Neo không có thanh ngang như: neo Hall, v.v. 3.2.2. Các đặc trưng cơ bản của neo Các đặc cơ bản của neo bao gồm các đặc trưng hình học, các đặc trưng về kết cấu của neo. Các đặc trưng hình học cơ bản của neo như: - trọng lượng neo: GN, kG. - góc gập lưỡi: b (góc nghiêng giữa lưỡi và trục cán neo), độ. - góc tấn: a - góc tạo bởi phương của lưỡi neo và nền bùn đất, độ. - chiều dài cán neo: AN, m. - chiều dài lưỡi neo, chiều dày cán neo, chiều dày lưỡi neo và các tỷ số kích thước của neo. 3.2.3. Các đặc điểm kết cấu của các loại neo 3.2.3.1. Neo Holl Neo Holl được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trên hầu hết các tàu cỡ lớn và nhỏ, tàu biển, tàu sông và tàu hồ, v.v. Bởi vì loại neo này có tính cơ giới hoá cao, không cần chuẩn bị thời gian thả neo, còn khi kéo neo, neo tỳ vào mạn bằng ba điểm (1 điểm ở đế, 2 điểm ở hai lưỡi), việc tháo lắp sửa chữa neo cũng dễ dàng. Mặt khác việc sử dụng loại neo này có xu hướng làm giảm chiều dài mỏ neo, đặc biệt ở tàu mạn thấp, neo Holl không được sử dụng hết phần lớn chiều dài cán neo. Đặc điểm kết cấu của loại neo này là, cán neo và đế neo được đúc rời nhau, lưỡi neo có thể quay so với cán neo một góc b = 450, hai lưỡi có thể đồng thời cùng bám vào nền đất. Trọng lượng neo thường là: GN = (100 á 8000) kG và lực bám: T = (3 á 6).GN, kG, tức k = 3 á 6. Hình 3. 3. Cấu tạo neo Holl. 1 - cán neo; 2 - lưỡi neo; 3 - đế neo; 4 - chốt; 5 - móc neo. Các thông số kích thước của neo Holl Trọng lượng neo: GN, kG. Chiều rộng của cán neo AN = 18,5 . , mm. Chiều dài cán neo AC = 9,6 AN, mm. B = 2,65.AN, mm. L = 6,4.AN, mm. H = 5,8.AN, mm. Góc tấn: a = 640 (là góc giữa tiếp tuyến phía ngoài của lưỡi với nền đất, còn gọi là góc đi vào nền đất của lưỡi). Góc uốn của lưỡi (góc gập): b = 450. Chú ý: Neo Holl làm việc ở mọi loại nền đất. 3.2.3.2. Neo Hải quân Hình 3. 4. Cấu tạo neo Hải quân 1- cán neo; 2 -lưỡi neo; 3 - đế neo; 4 - chốt hãm; 5 - thanh ngang; 6 - quai neo. Loại neo này khi thả chỉ bám vào nền đất bằng một lưỡi, còn một lưỡi quay ngược lên phía trên gây khó khăn cho sự đi lại của các tàu khác, nhất là ở vùng nước nông. Loại neo này không được cơ giới hóa khi thả và khi kéo (dùng cần cẩu để kéo neo). Hiện nay loại neo này chỉ dùng với các tàu nhỏ, thường dùng làm neo dừng đối với tàu biển chuyên dụng có độ sâu thả neo nhỏ, neo phụ đối với tàu sông hoặc biển, hoặc dùng đồng thời cả neo dừng, neo phụ đối với tàu hồ, hoặc tàu sông không tự hành, v.v. Các thông số cơ bản của neo Hải quân Kích thước neo được xác định theo chiều rộng cán neo:AN, mm. AN = (22,69 á 23). A = 11,4.AN Góc tấn a = 570 L = 7,35.AN Góc uốn a = 350 h = 2,75.AN Trọng lượng neo Gr = (10 á3000) kg B1 = 2,15.AN Lực bám của neo là T = (6á8).GN. B = (10,8 á 11,3).AN. Hệ số bám k = 6á 8. Đặc điểm kết cấu của loại neo này là, thông thường đế neo và lưỡi neo được đúc liền thành một khối, hoặc là kết cấu hàn, neo có thanh ngang làm tăng tính ổn định của nó trên nền đất. 3.2.3.3. Neo một lưỡi Neo một lưỡi hay gọi là neo Goseva. Neo một lưỡi thường được sử dụng trên đội tàu kỹ thuật như: tàu cuốc, tàu hút, vừa làm dừng tàu vừa làm thiết bị định vị để di chuyển phương tiện khi nó hoạt động, v.v. vì nó có lực bám khá lớn. T = (6 á 12).GN, kG. Trọng lượng và kích thước cơ bản của neo không theo tiêu chuẩn. Đặc điểm kết cấu của neo là: đế và cán neo được đúc liền một khối. Hình 3.5. Cấu tạo neo một lưỡi 1- cán neo; 2- lưỡi neo; 3- đế neo; 4 - móc neo; 5 - thanh ngang. Các thông số cơ bản của neo: AN = 22,7., mm. A = 11,5.AN B = 9,2.AN B1 = (2,8 á 3).AN L/2 = 4.AN h = (4,3 á 4,6).AN Góc tấn: a = 370, góc uốn: b = 110 3.2.3.4. Neo nhiều lưỡi Gồm có neo 4 lưỡi, neo 6 lưỡi, v.v. thường được dùng cho đội tàu kỹ thuật như: tàu cuốc, tàu hút, tàu công trình, v.v. Kết cấu chủ yếu là dạng có trọng lượng GN = (5 á700) kG; Góc tấn: a = 510, Góc uốn: b = 320. 3.2.3.5. Neo Matroxov Cấu tạo của neo: lưỡi neo và cán neo được đúc rời, lưỡi neo có thể quay với cán một góc: b = 280 á 370. Để tăng lực bám, người ta làm tăng chiều dày lưỡi neo, để tăng độ ổn định của neo, người ta làm thanh ngang trên lưỡi neo. Trọng lượng neo thường là GN = (25 á 1500) kG - với neo đúc và GN = (5 á 200) kG - với neo hàn. Lực bám của neo bằng: T = (6 á 11).GN. Góc tấn: a = 600, góc uốn:b = 320, kích thước của neo, tra bảng (2.10) , (2.11): STTBTTT1. Đặc điểm: loại neo này chỉ dùng trên đất mềm và thường dùng trên các tàu nội thuỷ. Hình 3. 6. Cấu tạo neo Matroxov 1- lưỡi neo; 2- cán neo; 3- quai neo (móc neo); 4- thanh ngang; 5- trục quay. 3.3. Xác định trọng lượng neo Trọng lượng của neo cũng như các thông số cơ bản của nó có thể được xác định theo Qui phạm cho những tàu được đóng dưới sự giám sát của Đăng kiểm thông qua đặc trưng cung cấp của thiết bị: EN (NC) hoặc được tính toán theo phương pháp lý thuyết cho những tàu được đóng ngoài Qui phạm. 3.3.1. Xác định trọng lượng neo theo Qui phạm 3.3.1.1. Đối với tàu biển hoạt động vùng không hạn chế Đặc trưng cung cấp: EN của thiết bị được tính như sau: EN = . trong đó: W - lượng chiếm nước toàn tải của tàu tính theo đường nước tải trọng chở hàng mùa hè KWL, Tấn. B - chiều rộng tàu, m. h - là trị số tính theo công thức: h = f + h’. trong đó: f - khoảng cách thẳng đứng tại giữa tàu từ đường nước chở hàng thiết kế lớn nhất đến mặt trên của xà boong liên tục trên cùng tại mạn, m. h’ - tổng chiều cao của thượng tầng và lầu có chiều rộng lớn hơn B/4, m. Khi xác định trị số h’ có thể bỏ qua độ cong dọc và độ chúi của tàu. Nếu lầu boong có chiều rộng lớn hơn B/4 đặt ở trên lầu boong có chiều rộng bằng hoặc nhỏ hơn B/4 thì lầu boong hẹp có thể bỏ qua. A là giá trị tính theo công thức sau: A = f.L + Sh’’l. trong đó: Sh’’l - tổng các tích số của chiều cao h’’, m, và chiều dài l, m, của kết cấu thượng tầng, lầu hoặc hầm nổi được đặt trên boong liên tục trên cùng trong phạm vi chiều dài tàu và có chiều rộng lớn hơn B/4 và chiều cao lớn hơn 1,5 mét. Khi tính h và A, mạn chắn sóng và mạn chắn cao hơn 1,5 mét phải được coi là một phần của thượng tầng, lầu. Đối với tàu kéo, đặc trưng cung cấp phải được xác định bằng công thức sau: trong đó: Sh’’b - tổng các tích số chiều cao h’’ với chiều rộng b của từng thượng tầng và lầu rộng nhất có chiều rộng lớn hơn B/4 và được đặt trên boong liên tục cao nhất. Khi đó trọng lượng neo được tra dưới dạng bảng trong Qui phạm. 3.3.1.2. Đối với tàu sông Đặc trưng cung cấp của thiết bị là: NC = L (B + D) + k.Slh trong đó: L, B, D - kích thước chính của tàu, m. k = 1 - hệ số cho các tàu có tổng chiều dài thượng tầng và lầu bố trí trên tất cả các boong lớn hơn 0,5 chiều dài tàu. k = 0,5 - hệ số cho các tàu có tổng chiều dài thượng tầng và lầu bố trí trên tất cả các boong nhỏ hơn hoặc bằng 0,5 chiều dài tàu. l - chiều dài của thượng tầng và lầu riêng biệt, m. h - chiều cao trung bình của thượng tầng và lầu, m. Đối với tàu chở hàng trên boong, tàu hai thân có những qui định riêng. Trọng lượng neo GN được tra dưới dạng bảng của Qui phạm. 3.3.2. Xác định trọng lượng neo theo lý thuyết Phương pháp này dùng để tính toán thiết bị cho các tàu không nằm dưới sự giám sát của Đăng kiểm, hoặc những tàu có chiều sâu thả neo h ³ 150 m. Khi tính toán trọng lượng neo theo lý thuyết, người ta coi tàu như một bức tường chắn sóng: chịu tác dụng của sóng, gió, dòng nước chảy đến thành tàu mà vẫn giữ cho tàu đứng yên bởi các neo. Khi tàu được neo bằng một neo, dưới tác dụng của ngoại lực, tàu sẽ tự quay sao cho tổng mô men của những ngoại lực đó với điểm O (hình 3.7) bằng không và thành phần hợp lực của chúng trong mặt phẳng nằm ngang trùng với thành phần T0 của lực căng cáp neo tàu, phương của hợp lực này tạo với mặt phẳng đối xứng tàu một góc g. Hình 3. 7. Sơ đồ tính neo bằng lý thuyết. Nếu gọi lực bám của neo là T0, thì điều kiện để tàu đứng yên khi chỉ có một neo là: T0 ³ R, kG. trong đó: R - ngoại lực tác động lên thân tàu. R = Rgió + Rsóng + Rd.nước, kG. T0 = k.GN + a.f.q, kG. với: k - hệ số bám của neo. a - đoạn xích neo nằm trên mặt bùn ở đáy nền. f - hệ số ma sát của xích neo với mặt bùn. q - tải trọng rải (phân bố) của xích neo. Để xác định từng thành phần ngoại lực này người ta cần phải biết hướng của gió và dòng chảy so vơí mặt phẳng đối xứng của tàu, tức cần biết các góc: a , Y. 3.3.2.1. Sức cản gió RGIó Giả sử hướng gió tác dụng hợp với mặt phẳng dọc tâm tàu góc a. Khi đó lực cản gió tính theo công thức: Rgió = q.( S1.sina + S2.cosa).CK , kG. trong đó: CK = 0,8 - hệ số hứng gió. S1, S2 - tương ứng là diện tích hình chiếu phần khô của vỏ tàu lên mặt phẳng đối xứng và mặt phẳng sườn giữa của tàu, m2. q - áp lực gió tính toán trung bình tác dụng lên phần khô của thân tàu xác định theo bảng cấp gió Beaufor, kG/m2. 3.3.2.2. Sức cản nước Rnước Khi tàu đứng yên, dòng nước do thuỷ triều lên xuống cũng như dòng nước chảy đến từ thượng nguồn bao quanh thân tàu, ta coi như dòng nước đứng yên và tàu chuyển động với vận tốc bằng vận tốc dòng nước chảy đến đó. Như vậy sức cản của nước tính theo công thức: Rnước = R1 + R2 , kG. trong đó: R1 - sức cản của nước được tính như phần Động học tàu thuỷ. R1 = Rms + Rd, kG. RMS, RD - là sức cản ma sát và sức cản dư của tàu, kG. R2- sức cản của các phần nhô, kG, tính theo công thức: R2 = 50.q.DB2.vP trong đó: q = z.FZ /(p.DB2/4) - tỷ số đĩa của chong chóng. DB - đường kính của chong chóng, m. vP - tốc độ dòng nước chảy đến chong chóng, vP = 0,515.vN (1-w), m/s. 3.3.2.3. Sức cản của sóng Rsóng Sức cản của sóng được tính theo công thức: Rsóng = k.m.PN.cosY, kG. trong đó: k = 0,25 - hệ số giảm chấn động dây neo. m - số thân tàu. PN - lực va đập của sóng, kG. Y - góc giữa phương truyền sóng và mặt phẳng dọc tâm tàu, độ. Lực va đập của sóng được xác định theo công thức: Pn = PZtb.Sn.sin2b.sin2d, kG. trong đó: Sn - diện tích phần mũi tàu bị sóng phủ, m2. b - góc nghiêng của sống mũi so với mặt phẳng nằm ngang. d - góc giữa phương truyền sóng và hướng diện tích vùng mũi bị phủ sóng (b, d - xác định như hình 3.7). PZtb- lực va đập sóng trung bình phụ thuộc vào chiều sóng (hS), bước sóng (l), chiều sâu lớp nước quan sát được (h0) và xác định theo bảng sau: Bảng 3. 1. Xác định lực va đập trung bình của sóng. TT Công thức tính Đơn vị Bước sóng l, m. Chiều cao sóng hS, m. Chiều sâu lớp nước quan sát được h0, m. 1 2 3 4 5 1 r0 = hS/2 - bán kính sóng m 2 2p/l - 3 h1 = (2p/l).h0 m 4 e-h1 - 5 rZ = r0.e-h1 m 6 PZ = (2p/l).rZ2 T/m2 7 PZtb = n = 1, 2,..., 5,... T/m2 Chú ý: h0 - được xác định khi lớp nước lặng, m. Từ điều kiện đứng yên: To ³ R với: T0 = (k.GN + a.f.q).n, ta có: (k.GN + a.f.q). n ³ R trong đó: n - là số neo tàu. q - trọng lượng đơn vị của xích neo được biểu diễn qua trọng lượng neo: q = GN/k1 = 49 á 50 cho tàu cấp C, D. 35 á 44 cho tàu cấp A, B. 40 á 48 cho tàu biển có GN Ê 2000 kg. 48 á 50 cho tàu biển có Gr > 2000 kg. Từ trên ta có: (k.GN + a.f.Gr/k1) ³ R/ n hay GN = (k1. R)/ n.(k.k1 + a.f) Vậy trọng lượng neo GN, kg xác định theo lí thuyết được tính theo công thức. 3.4. XICH NEO Dây neo dùng để nối neo với tàu (khi thả neo, kéo neo, đảm bảo truyền lực bám của neo để giữ tàu đứng yên). Dây neo có thể là cáp hoặc xích (có thanh ngáng hoặc hoặc không có thanh ngáng). Nhưng trên tàu, thông thường người ta dùng dây neo bằng xích bởi nó có độ bền cao, không hay bị rối khi thả và kéo neo, có khả năng tự dải đều trong hầm xích neo, chịu mài mòn cao, có khả năng tăng ổn định và tăng lực bám cho neo. 3.4.1. Phân loại xích neo Có nhiều cách phân loại xích neo, ta xét chủ yếu hai cách phân loại sau: (cỡ xích gọi theo đường kính sợi dây xích). 3.4.1.1. Phân loại theo phương pháp chế tạo Xích neo hàn áp lực không có thanh ngáng cỡ (7 á 37) mm. Xích neo hàn áp lực có thanh ngáng cỡ (13 á 100) mm. Xích neo hàn điện không có thanh ngáng cỡ (5 á 37) mm. Xích neo hàn điện có thanh ngáng cỡ (15 á 62) mm. Xích neo đúc có thanh ngáng cỡ (34 á 100) mm. 3.4.1.2. Phân loại theo vật liệu chế tạo Xích neo có độ bền thông thường. Xích neo có độ bền cao. Xích neo có độ bền đặc biệt cao. 3.4.2. Cấu tạo dây neo Xích neo được tạo thành từ một chuỗi các mắt xích được nối ghép lại với nhau gồm: mắt cuối, mắt xoay, mắt nối, mắt thường, mắt ba chạc, v.v. Mắt cuối: dùng để nối giữa mắt neo với xích neo. Mắt xoay: để tránh rối khi sử dụng neo. Mắt nối: dùng để thay đổi chiều dài xích neo. Mắt thường: chiếm hầu hết chiều dài dây neo, là loại mắt thông dụng nhất. Mắt ba chạc: dùng để thay đổi phương của xích neo. Thiết bị nhả nhanh gốc xích neo. Hình 3.8. Cấu tạo của xích neo 3.4.3. Tính toán chiều dài xích neo 3.4.3.1. Tính toán theo Qui phạm Xem Qui phạm phần 2A,B - Trang thiết bị. 3.4.3.2. Tính theo lý thuyết Chương 3, mục 3.1 Trang 177, STTBTTT1 1987. Chiều dài cáp neo được xác định theo công thức: l = , m. trong đó: k1 - hệ số bám của neo. q = GN/k1 - trọng lượng đơn vị của xích neo. H - chiều sâu thả neo, m. Chiều dài toàn bộ xích neo cần thiết là: lN = l + l0+ a, m. trong đó: l0 - chiều dài xích neo từ ống dẫn xích neo đến thiết bị hãm nhả khâu cuối cùng của xích neo, m. a - chiều dài đoạn xích neo nằm trong nền, m. 3.5. ống chứa neo 3.5.1. Yêu cầu Trên tàu thường dùng hơn cả là lỗ thả neo thông thường. Những yêu cầu cơ bản của lỗ thả neo này là: 1. Khi nhổ neo, neo không đi lệch sang mạn kia (khỏi sống tàu) lúc tàu chòng chành 50. 2. Neo cần đi lọt hẳn vào lỗ thả neo ở bất kỳ vị trí nào của lưỡi. 3. Khi thân neo nằm lọt vào lỗ thả neo, lưỡi neo phải tựa chắc vào vỏ mạn tàu hoặc vào hốc (nếu có), còn đế neo tựa vào gia cường mép của lỗ. 4. Neo dễ dàng thả khỏi hốc dưới tác dụng của tự trọng. 5. Khi đã nằm lọt vào lỗ, neo không được chạm xuống mặt nước hoặc gây cản khi tàu chuyển động. 6. Chiều dài lỗ thả neo phải vừa đủ để thân neo nằm lọt vào nó. 7. Trên tàu có nhiều boong phần lỗ khoét ở mạn phải bố trí sao cho ống dẫn không chạm vào boong dưới. 8. Lỗ thả neo ở phần boong, mạn và ống dẫn phải bố trí sao cho độ gãy khúc của xích neo là nhỏ nhất. 3.5.2. Các đặc trưng bố trí lỗ thả neo Tham khảo chương 9 trang 217. STTBTT-T1. Chú ý: Tàu có vùng hoạt động hạn chế cấp I, II, III đối với tàu biển được qui định như sau: 1. Vùng hoạt động hạn chế cấp I: tàu hoạt động trên mặt biển cách nơi có thể trú ngụ 200 hải lý hoặc hoạt động tại vùng biển ở khoảng cách 2 nơi trú ẩn là 400 hải lý. 2. Vùng hoạt động hạn chế cấp II: tàu hoạt động trên mặt biển cách nơi trú ẩn là 50 hải lý hoặc trên khoảng cách giữa hai nơi trú ẩn 100 hải lý. 3. Vùng hoạt động hạn chế cấp III: tàu hoạt động ven bờ hoặc theo tuyến qui định của Đăng kiểm.