Giáo trình Thiết bị tàu thủy - Chương 6: Thiết bị kéo

Chương 6 Thiết bị kộo 6.1. Khỏi niệm chung 6.1.1. Tác dụng của thiết bị kéo Trong quá trình khai thác của tàu có thể xuất hiện các khả năng tàu phải kéo các tàu khác hoặc được các tàu khác kéo. Vì vậy trên tàu phải được trang bị các thiết bị kéo. Thiết bị kéo là tổng hợp các linh kiện và thiết bị nhằm đảm bảo chức năng kéo như: dây cáp kéo, móc kéo, pu-li định hướng kéo, cung kéo, vòng lăn dưới móc kéo, con lăn định hướng, các cột bích ở mũi, mạn, đuôi, lỗ dẫn cáp, xô-ma luồn dây, tời kéo, v.v. 6.1.2. Phân loại thiết bị kéo Thiết bị kéo trên tàu gồm 2 loại: Thiết bị kéo đơn giản: tời kéo, cáp kéo, cột bích, lỗ dẫn hướng, v.v. Thiết bị kéo phức tạp: móc kéo (dạng kín hoặc dạng hở) - cả hai loại này lại được phân ra làm hai loại khác nữa là: loại có lò xo giảm chấn và loại không có lò xo giảm chấn. 6.1.3. Phương pháp kéo Thông thường có ba phương pháp kéo: Hình 6.1. Các phương pháp kéo tàu. Đẩy tàu (hình 6.1 ,a): sử dụng phổ biến trên tuyến nội địa, dùng để thay đổi vị trí tàu lớn trong cảng. Kéo tàu (hình 6.1, b): sử dụng phổ biến trên tuyến giao thông nội địa, biển. Lai tàu (hình 6.1, c) : sử dụng trong vùng: vịnh, vũng, cảng, v.v. 6.1.4. Yêu cầu đối với thiết bị kéo Đảm bảo sức bền chắc trong quá trình khai thác của tàu. Bố trí thuận tiện cho khai thác. Phải có thiết bị tự động thay đổi chiều dài dây cho tàu hoạt động ở vùng bơi không hạn chế. Với tàu kéo dùng cáp kéo có đường kính cáp dC lớn, phải có máy tời quấn các chi tiết phải được bôi trơn dầu mỡ thường xuyên. Các chi tiết của thiết bị kéo tuyệt đối không được để cạnh sắc. Đường kính cáp: dC = m.n trong đó: m - số bó trong dây. n - số sợi trong mỗi bó. Nếu số sợi trong bó bị đứt từ (8 á 10)% thì phải thay cáp khác. Tàu dầu, tàu chở hoá chất dễ cháy, cáp kéo phải là cáp sợi thực vật hoặc cáp sợi tổng hợp. Cáp sợi thực vật mỗi năm phải ngâm hai lần trong nước muối với nồng độ (2 á 3) kg/m3. 6.2. Dây cáp kéo 6.2.1. Khái niệm chung Dây cáp kéo thường làm bằng dây cáp thép, cáp thực vật, hoặc cáp sợi nhân tạo. Với cáp chão, sợi thực vật chỉ dùng sợi dứa, gai dây, gai ma-ni-na, trong đó cáp chão ít được sử dụng còn các cáp sợi nhân tạo được sử dụng rộng rãi hơn bởi ưu điểm của nó là: nhẹ hơn cáp thép 2 lần, nhẹ hơn cáp thực vật (2 á 3) lần, có độ đàn hồi lớn. Do vậy khi sử dụng cáp sợi nhân tạo thì không cần phải có thiết bị giảm chấn. Cáp thép được sự dụng phổ biến nhất, vì nó có độ bền cao, để đảm bảo độ mềm dẻo của cáp theo thời gian, ứng lực đứt cáp tại mọi chỗ thường lấy RT Ê (120 á 140) kG/mm2. 6.2.2. Trang bị cáp thép Việc xác định kích thước cáp thép cho tàu biển dựa vào đặc trưng cung cấp của thiết bị: EN (hoặc NC), sau khi có giá trị của đặc trưng cung cấp của thiết bị, ta chọn chiều dài cáp thép theo dạng bảng của Qui phạm, trong đó các giá trị trung gian của EN (hoặc NC) được lấy theo phép nội suy tuyến tính. Trong mọi trường hợp chiều dài dây cáp kéo l ³ 150 m, thông thường l = (180 á300) m, nhưng không nên lấy l >300 m. 6.2.3. Tính toán dây cáp kéo trên các tàu kéo Để xác định đường kính, qui cách dây cáp kéo và chiều dài của nó, ta cần phải xác định được lực căng trên dây cáp kéo Z, kG. 6.2.3.1. Xác định lực căng trên móc kéo (dây cáp kéo) theo thực nghiệm Trong quá trình tính toán, ta bỏ qua trọng lượng bản thân của dây cáp kéo và xác định dây cáp kéo ở trạng thái toàn tải của tàu. 1 - Xác định Z cho các phương tiện được kéo có dạng thoát nước. Z = 0,00173.(1+d).vS7/ 3., T. trong đó: L, B, T - kích thước chủ yếu của tàu được kéo, m. vS - tốc độ của đoàn được kéo, hl/g. D - lượng chiếm nước của tàu, T. d - hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào chong chóng của tàu kéo. d = 0,10 - cho chong chóng có vòng quay chậm và vừa. d = 0,15 - cho tàu có hai chong chóng và một động cơ. d = 0,30 - cho tàu có hai chong chóng, hai động cơ. 2 - Xác định Z cho các phương tiện được kéo có dạng phao, ụ nổi. Z = (k.S + m.wM).vS2, T. Trong đó: S - diện tích mặt ướt của phao, hoặc ụ nổi, m2, S = (2T + B).L wM - diện tích phần ngâm nước sườn giữa của phao, ụ nổi, m2. k = 0,2 ; m = 50 - các hệ số. vS - tốc độ di chuyển của phao hoặc ụ nổi, hl/h, thường lấy : vS ằ 5 hl/g. 3 - Xác định Z khi kéo đoàn sà-lan. Z = (0,2.S + 4,5.wM)..vS2 , kG. trong đó: vS - tốc độ đoàn xà lan, vS = (2,5 á 3), m/s. S - diện tích ngâm nước của xà lan, m2. wM - diện tích ngâm nước sườn giữa của xà lan, m2. l0 - chiều dài đoạn thân ống, m. 4 - Tính theo công thức thực nghiệm: (theo công suất máy Ne) ứng lực đứt cáp được tính là: RD = 0,01.k.Ne = k.pH , T. trong đó: pH - ứng lực kéo định mức, T, pH = 0,01.Ne. Ne - công suất máy chính, cv. k -hệ số bền, phụ thuộc vào công suất kéo, k = 5 cho dây cáp có chiều dài l ³ 100 m. Chiều dài dây cáp kéo có thể lấy theo bảng hoặc công thức thực nghiệm sau: 2.l = , m. trong đó: RTP - sức cản toàn phần của tàu được kéo, kG. hS - chiều cao sóng, lấy theo bảng cấp sóng Beaufor, m. kU - hệ số "dơ" của cáp. Độ "dơ" của cáp là khả năng co giãn tàu trong đội hình khi được kéo, phụ thuộc vào sức cản toàn phần RTP, tra theo bảng 6.1. Bảng 6.1. Hệ số độ “dơ” của cáp RTP, kG. 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 2.500 kU 0,30 0,24 0,18 0,12 0,06 0,032 Chú ý: Đối với các giá trị RTP trung gian, kU được lấy theo phép nội suy bậc nhất. 6.2.3.2. Xác định lực căng trên dây cáp kéo Trong thực tế khai thác, ta phải tính tới sức cản toàn phần của đoàn xalan là: tổng sức cản riêng của đoàn xà lan và sức cản của dây cáp kéo tức là: RTP = R + RC , kG. trong đó: R - sức cản của đoàn sà-lan tính như phần Động học tàu thủy có để ý đến ảnh hưởng của các phần nhô, nhám, ảnh hưởng của sóng, gió và luồng lạch hạn chế, v.v., kG. RC - sức cản ma sát của dây cáp kéo khi chuyển động trong nước, kG. RC = RMS (c) = (1/2).(kM.c.Dc.2l.dC.r.v2), kG. trong đó: kM - hệ số nhám của dây cáp, với cáp thép: k = 1,25, cáp thực vật: k = 1,5. c =1,2 - hệ số lực cản của hình trụ đặt vuông góc với dòng chảy ở số Reynolds từ 104 á 2.105. Dc - hệ số tính đến sự giảm lực cản của dây cáp kéo do có độ nghiêng với mặt phẳng nằm ngang (góc a), tra bảng 6.2. 2.l - chiều dài toàn bộ của dây cáp kéo, m. dC - đường kính dây cáp kéo, m. r - mật độ của nước, kG.s2/m4. v - tốc độ của tàu kéo, m/s. Hình 6. 2. Sơ đồ tàu kéo với dây cáp nghiêng góc a. Bảng 6.2. Giá trị Dc phụ thuộc vào góc nghiêng a. a, độ. 10 20 30 40 50 60 70 80 tga 0,176 0,364 0,577 0,839 1,192 1,732 2,747 5,671 Dc 0,030 0,076 0,173 0,309 0,492 0,686 0,854 0,936 Ta có: tga = với: f = , m. trong đó: P - trọng lượng dây cáp kéo giữa tàu kéo và tàu được kéo, kG. l - nửa chiều dài dây cáp kéo, m. - sức cản toàn bộ của tàu được kéo, kG. Nếu gọi Z là sức cản toàn bộ của đoàn sà-lan được kéo và sức cản của dây cáp kéo trong nước, hay là lực căng trên dây cáp kéo, tức: Z = R + RC, do đó: RT = k.Z, kG. trong đó: k - hệ số an toàn, phụ thuộc vào lực căng dây, khi Z = (1,00 á 1,53) T thì chọn k =7. RT - ứng lực đứt cáp của dây, kG hoặc T. 6.3.Móc kéo, pu-li định hướng kéo 6.3.1. Móc kéo Trên tàu hiện nay người ta thường dùng móc kéo, mà các kích thước cơ bản của chúng được cho trong dạng bảng. Hình 6. 3. Sơ đồ kết cấu móc kéo a - móc kéo trơn; b - móc kéo có lò xo giảm chấn. 1 - móc kéo; 2 - tay gạt; 3 - má kẹp; 4 - tấm hãm; 5 - tấm nén; 6 - lò xo giảm chấn; 7 - cung kéo; 8 - má kẹp; 9 - con lăn. 6.3.2. Pu-li định hướng kéo Puli định hướng kéo được sử dụng trên một số tàu kéo sông, hồ và tàu biển có vùng bơi hạn chế. Tời kéo trên các tàu này được đặt ở đuôi, dây cáp kéo đi từ tang tời về pu-li định hướng kéo ở phía mũi, vòng qua puli đi về phía đuôi tàu. Sơ đồ kết cấu cho ở hình 6.4 Hình 6. 4. Sơ đồ pu-ly định hướng kéo. 6.4. Chi tiết cố định móc kéo và pu-li định hướng kéo Móc kéo được cố định với thân tàu bằng cung kéo, chốt hoặc thanh có giá trượt con lăn. Móc kéo cố định bằng thanh, dùng cho tàu kéo cảng để đảo vị trí tàu trong cảng. Trên tàu kéo sông, hồ, phần lớn móc kéo được cố định bằng chốt. 6.4.1. Cung kéo và chốt Cung kéo là một dầm thép tròn hoặc ôvan. Đường dọc trục của cung kéo được xây dựng hoặc như một cung tròn, hoặc như một cung tròn bán kính lớn kết hợp với hai cung tròn bán kính nhỏ. Cung kéo được liên kết với vỏ bao tàu bằng các chốt đi qua tai của cung kéo và các tấm nối cung kéo với vỏ bao tàu. Ngoài ra cung kéo có thể liên kết với vỏ bao tàu bằng hàn. Việc tính toán cung kéo thực hiện bằng phương pháp đúng dần, căn cứ theo ứng lực đứt cáp. Khi đó mô men chống uốn tiết diện ngang của cung kéo là: W ³ Wmin = 13,2., cm3. trong đó: RT - ứng lực đứt cáp, kG. sCH - ứng suất chảy của vật liệu làm cung kéo, kG/cm2. - khoảng cách đo theo phương ngang giữa các gối đỡ của thanh kéo, cm. Hình 6. 5. Cung kéo 1 - cung kéo; 2 - chốt; 3 - mã kẹp. 6.4.2. Vòng lăn của móc kéo Các móc kéo và pu-li định hướng kéo khi di chuyển từ mặt phẳng đối xứng của tàu sang bên mạn được dựa trên các vòng lăn. Vòng lăn là một hình thép góc hoặc hình hộp làm theo hình dạng cong của cung kéo, vòng lăn chỉ đỡ móc kéo và pu-li và chỉ đỡ một phần tải trọng của nó. Mô men chống uốn tiết diện ngang của vòng lăn ở giữa nhịp là: W, cm3. W ³ Wmin = 0,46., cm3. trong đó: RT - ứng lực đứt cáp của dây cáp kéo, kG. sCH - ứng suất chảy của vật liệu làm vòng lăn, kg/cm2. l - khoảng cách đo theo phương thẳng đứng giữa các đế đỡ của vòng lăn, m. Hình 6. 6. Vòng lăn dưới móc kéo. Các thanh chống đứng được kiểm tra theo điều kiện nén từ phần tác dụng thẳng đứng của lực căng trên dây cáp kéo. 6.5. Các chi tiết dùng để định hướng và giới hạn dây cáp kéo, buộc 6.5.1. Vòm cuốn kéo Vòm cuốn kéo có nhiệm vụ bảo vệ cho người và các trang thiết bị bố trí ở trên tàu - nhất là phần đuôi, đảm bảo sự di động nhịp nhàng của cáp kéo từ mạn này sang mạn kia dưới tác dụng của lực căng khi cáp kéo. Vòm cuốn kéo được đặt ở đuôi tàu kéo, đi ngang từ mạn này sang mạn kia. Chiều cao vòm cuốn kéo xác định theo đường cáp kéo đi trong mặt phẳng đối xứng của tàu từ điểm cố định cáp đến lan can, tấm chắn sóng phía đuôi tàu. Vòm cuốn kéo có dạng giống hình parabol vòm cuốn có đoạn nằm ngang, chiều dài đoạn nằm ngang tối thiểu là: lN ³ B1/6, trong đó: B1 - chiều rộng tàu tại vị trí đặt vòm cuốn kéo) và kể về mỗi mạn B1/6 từ mặt phẳng đối xứng của tàu. Vòm cuốn kéo được gia cường tạo hình dạng chữ L nhằm tăng độ ổn định và đứng vững của vòm cuốn, các cột chống gia cường này đặt tại mặt phẳng đối xứng hoặc đối xứng qua mặt phẳng này. Vòm cuốn và cột chống được làm từ thép ống tròn. Mô men chống uốn của vòm cuốn là: W ³ Wmin = 0,35., cm3. trong đó: dC - đường kính cáp kéo, mm. S - chiều dài cáp kéo, m. l - khoảng cách giữa các cột chống hoặc cột chống và lan can tàu, lấy giá trị lớn nhất, cm. sCH = min{sCH ; 0,7sB}- giới hạn chảy của vật liệu, kG/cm2. sB - giới hạn bền của vật liệu làm vòm cuốn, kG/cm2. Hình 6. 7. Vòm cuốn kéo. Diện tích tiết diện ngang của mỗi nhánh cột chống là: FC , cm2. FC ³ FC min = 0,03. , cm2. Các đại lượng lấy như công thức ở trên. 6.5.2. Cột kéo Cột kéo gồm: cột sử dụng cho mục đích kéo và cột sử dụng cho mục đích kéo buộc. Các cột bích kéo, buộc thường được đặt ở mũi, mạn, đuôi. 6.5.2.1. Cột bích mạn Đặt dọc theo mạn tàu, cách mép mạn từ (1,5 á 2,0).DB, với: DB - đường kính cột bích. Cột bích ở vùng có mạn giả, thì ở độ cao ngang với mạn giả người ta hàn các tai móc để ngăn dây cáp tụt xuống. Đường kính cột bích: DB ³ 10dC, với: dC - đường kính cáp. 6.5.2.2. Cột bích mũi Cột bích mũi được đặt riêng rẽ tạo thành từ một hoặc hai cột ngắn, cứng, đứng, được nối với các tấm đỡ và đặt trước mép sống mũi một khoảng từ (2 á3 ).DB. 6.5.2.3. Cột bích đuôi Cột kéo đuôi thường gồm hai cột đứng, thẳng, nối với nhau bằng thanh xà nằm ngang. Độ bền của cột phải được đảm bảo dưới tác dụng của ứng lực đứt cáp với ứng suất phát sinh là: s Ê 0,95.sCH. Với cột kéo đơn, mô men chống uốn cần thiết của cột là W: W ³ Wmin = , cm3. trong đó: l - chiều dài phần côngson của cột, cm. Sau khi có mô men chống uốn W, người ta dựa vào đồ thị hình 6. . để xác định chiều dày cần thiết d của thành ống và đường kính trung bình cho phép của cột: DCP = D - d , mm. trong đó: D, d - đường kính ngoài và chiều dày của ống làm cột, mm. Cột kéo đôi có thanh xà nằm ngang được tính toán với tải trọng tức thời, tức là với ứng lực đứt cáp T0 = RT ở tại mặt phẳng đối xứng của cột. Sau đó mỗi cột được kiểm tra như là một cột đứng riêng biệt. Các thanh xà có diện tích tiết diện ngang được tính theo công thức: F ³ Fmin = , cm2. Các đại lượng được giải thích như trên. Hình 6.8. Cột kéo b) c) Hình 6.8. Các cột kéo - buộc a - cột buộc mạn; b - cột buộc đuôi; c - cột buộc mũi Hình 6. 9. Đồ thị để xác định chiều dày thành ống.