169
Ch ¬ng 22
Chong chãng trong ®¹o l u
22.1. C¸c ®Æc tÝnh h×nh häc cña hÖ chong chãng - ®¹o lKu.
Nh»m n©ng cao hiÖu suÊt cña chong chãng khi nã lµm viÖc víi t¶i träng trung b×nh
vµ lín ng êi ta sö dông réng r·i hÖ chong chãng - ®¹o l u cè ®Þnh hoÆc xoay.
§¹o l u lµ mét c¸nh h×nh vßng bao lÊy
chong chãng vµ c¸c c¸nh dÉn h íng dßng ch¶y
(Xem H12.6).
MÆt c¾t däc ®¹o l u lµ mét pr«phin thuû
®éng (Xem H22.1), mÆt låi cña nã h íng vµo
phÝa trong ®¹o l u. C¸c yÕu tè h×nh häc chÝnh
cña ®¹o l u: ® êng kÝnh DD vµ b¸n kÝnh RD x¸c
®Þnh theo mÆt c¾t hÑp nhÊt cña nã; chiÒu dµi
®¹o l u lD
; ® êng kÝnh mÆt c¾t cöa vµo DDE vµ
cöa ra DDR; chiÒu dµy lín nhÊt cña pr«phin ®¹o
l u tDmax vµ gãc më cöa ra cña ®¹o l u g; kho¶ng c¸ch tõ mÐp cöa vµo cña pr«phin ®¹o
l u ®¹o l u tíi mÆt ®Üa cña chong chãng lDE; khe hë gi÷a ®Ønh c¸nh chong chãng vµ
thµnh trong ®¹o l u D = RD - R, (R – lµ b¸n kÝnh cña chong chãng).
§Ó ®¸nh gi¸ ¶nh h ëng cña c¸c yÕu tè h×nh häc cña ®¹o l u tíi c¸c ®Æc tÝnh thuû
®éng lùc cña c¶ hÖ ng êi ta sö dông c¸c th«ng sè kh«ng thø nguyªn: hÖ sè më vµo
(
)
2
DDE DD=
a
, hÖ sè më ra
(
)
2
DDR DD=
b
, chiÒu dµi t ¬ng ®èi cña ®¹o l u
DDD Dll =, chiÒu dµi t ¬ng ®èi cña ®Üa chong chãng víi mÐp vµo DDE ll , chiÒu dµy
t ¬ng ®èi lín nhÊt cña pr«phin DmaxDD lt=
d
, chiÒu dµi t ¬ng ®èi cña ®o¹n h×nh trô
trßn DDC ll .
C¸c ®Æc tÝnh h×nh häc kh«ng thø nguyªn cña ®¹o l u th êng thay ®æi trong c¸c giíi
h¹n sau ®©y:
8,06,0lD¸= ; 39,132,1
¸
=
a
; 15,112,1
¸
=
b
; 375,035,0ll DDE ¸= ; .l125,0t DmaxD =
Chong chãng n»m trong mÆt c¾t hÑp nhÊt cña ®¹o l u víi khe hë nhá, cô thÓ trÞ sè
trung b×nh cña D/R = 1,0 ¸ 1,4%.
§¹o l u th êng ngµm cøng vµo th©n tµu, trong tr êng hîp nµy gäi lµ ®¹o l u cè
®Þnh. §¹o l u quay còng ® îc ¸p dông réng r·i, nã lµm thiÕt bÞ ®Èy ®ång thêi thay thÕ
b¸nh l¸i cña tµu vµ lµ bé phËn ®iÒu khiÓn tµu.
ViÖc ¸p dông chong chãng ®Æt trong ®¹o l u dïng cho c¶ cho ®u«i vßm. §¹o l u
th êng ® îc chÕ t¹o b»ng thÐp tÊm ® îc hµn l¹i thµnh vá vµ cã c¸c khung x ¬ng
ngang däc cña ®¹o l u. §èi víi tµu nhá ®«i khi ®¹o l u ® îc lµm b»ng gç.
22.2. C¸c ®Æc tÝnh ®éng häc, ®éng lùc häc, c¬ thuû häc cña
hÖ chong chãng - ®¹o lKu.
Khi chong chãng lµm viÖc trong ®¹o l u ë giíi h¹n qui ®Þnh, hiÖu suÊt lµm viÖc cña
c¶ hÖ sÏ cao h¬n hiÖu suÊt lµm viÖc cña chong chãng ®¬n ®éc. Mçi phÇn tö cña ®¹o l u
H×nh 22.1.
Pr«fin vµ c¸c ®Æc tÝnh
h×nh häc c¬ b¶n cña ®¹o l u.
170
lµ phÇn tö c¸nh ® îc bao bëi dßng ch¶y ë gãc tíi a, do ®ã trªn pr«phin xuÊt hiÖn lùc
n©ng dY vµ lùc c¶n pr«phin dX (Xem H22.2). Tæng lùc thuû ®éng dR trªn pr«phin
b»ng tæng cña dY vµ dX; khi t¶i träng lín nã h íng theo chiÒu chuyÓn ®éng vµ cho
thµnh phÇn lùc ®Èy dTD, lùc nµy còng h íng vÒ phÝa chuyÓn ®éng do phÇn tö ®ang xÐt
t¹o ra. Lùc ®Èy cña hÖ chong chãng - ®¹o l u ® îc viÕt:
T
T
= T + TD (22.2.1)
Khi t¨ng t¶i träng ®é xiªn cña dßng ch¶y
t¨ng lªn ®ång thêi gãc tíi còng t¨ng, khiÕn lùc
®Èy cña ®¹o l u t¨ng thªm. §¹o l u t¹o lªn lùc
®Èy kho¶ng 40 ¸50% lùc ®Èy cña c¶ hÖ ë chÕ ®é
buéc vµ 30 ¸ 40% trªn c¸c tµu kÐo khi kÐo hµng,
khiÕn n©ng cao ®¸ng kÓ c¸c ®Æc tÝnh ®Èy cña c¶
hÖ.
TÝnh chÊt quan träng kh¸c lµ ®¹o l u lµm
thay ®æi tèc ®é trung b×nh cña dßng chÊt láng
ST
v qua mÆt c¾t thuû lùc cña thiÕt bÞ ®Èy ë n¬i
®Æt nã. §¹o l u cã thÓ t¹o ra dßng ch¶y t¨ng tèc, trung b×nh hoÆc gi¶m tèc. KiÓu ®¹o
l u vÒ c¬ b¶n ® îc x¸c ®Þnh b»ng hÖ sè më cöa ra, mµ ®èi víi ®¹o l u trung b×nh trÞ sè
cña nã phô thuéc vµo t¶i träng vµ thay ®æi tõ 85,0
@
b
cho CTTI = 1,0 ®Õn 88,0
@
b
cho
CTTI = 10. §èi víi ®¹o l u t¨ng tèc b>btrung b×nh, cßn ®èi víi ®¹o l u gi¶m tèc b<btrung b×nh.
HiÖu suÊt lµm viÖc c¶m øng cña c¶ hÖ cã thÓ biÓu diÔn qua tèc ®é trung b×nh ST
v theo
c«ng thøc cña B.M. Лаьреипеь (xem ch ¬ng 15).
( ) ( )
STDTTI
OI vvC411
1
+
=
h
(22.2.2)
Trong ®ã: C
TTI – hÖ sè t¶i träng cña c¶ hÖ theo lùc ®Èy,
vD – tèc ®é tÞnh tiÕn cña hÖ.
§èi víi chong chãng ®¬n ®éc tû sè AS vv chØ
phô thuéc vµo hÖ sè t¶i träng, cßn ®èi víi chong
chãng ®¹o l u tû sè ®ã cßn phô thuéc vµo hÖ sè
b. H×nh 22.3 tr×nh bµy ® êng cong hiÖu suÊt lµm
viÖc c¶m øng phô thuéc vµo hÖ sè t¶i träng ë c¸c
tû sè DST vv kh¸c nhau. Vïng g¹ch chÐo lµ vïng
biÕn ®æi b th êng gÆp trong thùc tÕ, b tõ 1,15
(®¹o l u t¨ng tèc) tíi 0,4 (gi¶m tèc). § êng gi¸n
®o¹n lµ hiÖu suÊt lµm viÖc phô thuéc vµ CTTI cho
®¹o l u trung b×nh. Tõ c¸c sè liÖu nµy cÇn thÊy
r»ng viÖc ¸p dông c¸c ®¹o l u t¨ng tèc cho phÐp
n©ng cao hiÖu suÊt lµm viÖc c¶m øng hOI so víi
lo¹i trung b×nh hI, trong ®ã cµng t¨ng hÖ sè t¶i
träng tû sè hOI/hI cµng t¨ng.
Cuèi cïng ta nhËn thÊy r»ng khi chong chãng
lµm viÖc trong ®¹o l u víi khe hë rÊt bÐ dßng
chÊt láng ch¶y qua ®Ønh c¸nh gi¶m ®¸ng kÓ vµ
hiÖu suÊt lµm viÖc c¶m øng t ¬ng øng t¨ng lªn.
C¸c thÝ nghiÖm cho biÕt r»ng l îng t¨ng hiÖu suÊt lµm viÖc thùc tÕ cña hÖ chong
chãng ®¬n ®éc x¶y ra khi CTT > 2. Cµng t¨ng CTT hiÖu qu¶ cña hÖ t¨ng lªn. VÝ dô khi
CTT = 6,0 hiÖu suÊt lµm viÖc c¶ hÖ cao h¬n hiÖu suÊt cña chong chãng ®¬n ®éc 15 ¸
H×nh 22.2.
S¬ ®å lùc t¸c dông
lªn phÇn tö cña ®¹o l u.
H×nh 22.3.
§uêng cong hiÖu
suÊt lµm viÖc cña chong chãng
lý t ëng vµ hÖ chong chãng-
®¹o l u phô thuéc vµo hÖ sè t¶i
vµ tØ sè
171
17%. ChÝnh nh÷ng ®iÒu ®ã mµ ®¹o l u kh«ng nh÷ng ® îc ¸p dông réng r·i trªn c¸c tµu
kÐo, ®¸nh c¸ mµ c¶ trªn c¸c tµu hµng cì lín.
Th«ng sè ®éng häc c¬ b¶n mµ chÕ ®é lµm viÖc cña hÖ phô thuéc vµo ®ã lµ b íc
tiÕn t ¬ng ®èi cña hÖ JD ® îc x¸c ®Þnh theo tèc ®é tÞnh tiÕn cña hÖ so víi chÊt láng:
(
)
W1v
v
JDD
D
-
== (22.2.3)
Trong ®ã: v – tèc ®é cña tµu; WD – hÖ sè dßng theo tÝnh to¸n x¸c ®Þnh b»ng thùc
nghiÖm.
§Æc tÝnh ®éng lùc cña hÖ gåm lùc ®Èy cña hÖ TT, lùc ®Èy cña chong chãng T vµ lùc
®Èy cña ®¹o l u TD.
T
T
= T + TD = T(1+tD) (22.2.4)
tD = TD/T – gäi lµ hÖ sè hót cña ®¹o l u.
Khi hÖ lµm viÖc sau th©n tµu lùc c¶n cña tµu t¨ng thªm mét l îng b»ng lùc hót DR,
thùc vËy
T
T
= TE + DR (22.2.5)
Trong ®ã: TE – lùc kÐo cã Ých.
Khi cã sù t ¬ng t¸c gi÷a hÖ víi th©n tµu, hÖ sè hót ® îc tÝnh nh sau:
D
E
T
E
T
TTT
T
1
T
TT
T
R
t+
-=
-
==
D
(22.2.6)
Tõ ®ã cã thÓ nhËn ® îc:
T
T
= TE/(1 - tT) (22.2.7)
T
E
= TT(1 - tT) = T(1 + tD)(1 - tT)
HiÖu qu¶ sö dông c«ng suÊt truyÒn vµo chong chãng ® îc x¸c ®Þnh b»ng hiÖu suÊt
lµm viÖc trong n íc tù do cña hÖ.
(
)
n2Q
vTT
Q
vT
T
DD
T
DT
OD
pW
h
+
== (22.2.8)
Trong ®ã: QT – m«men xo¾n trªn chong chãng khi lµm viÖc trong ®¹o l u.
HiÖu suÊt ®Èy cña hÖ chong chãng - ®¹o l u - th©n tµu ® îc tÝnh theo c«ng thøc:
(
)
Wh
TBED QvT= (22.2.9)
Trong ®ã: QTB – m«men xo¾n trªn chong chãng khi hÖ lµm viÖc sau th©n tµu.
Khi chó ý ®Õn mèi quan hÖ gi÷a v vµ vD, gi÷a TE vµ T ta nhËn ® îc:
ODHD
Q
OD
D
T
Q
Di
1
W1
t1
i
1
hhhh
=
-
-
= (22.2.10)
Trong ®ã:
(
)
(
)
DTHD W1t1 --=
h
- hiÖu suÊt ¶nh h ëng cña th©n tµu; iQ
– hÖ sè
¶nh h ëng cña tr êng tèc ®é kh«ng ®ång ®Òu tíi m«men cña chong chãng.
C¸c ®Æc tÝnh cña hÖ ® îc biÓu diÔn d íi d¹ng kh«ng thø nguyªn, b»ng c¸ch chia tÊt
c¶ c¸c lùc cho 42 Dn
r
víi m«men cho 52 Dn
r
, ta cã:
K
TT = KT + KTD = KT(1 + tD) (22.2.11)
Trong ®ã: KT – hÖ sè lùc ®Èy cña chong chãng; KTD – hÖ sè lùc ®Èy cña ®¹o l u.
HiÖu suÊt cña hÖ:
pp
h
2
J
K
KK
2
J
K
KD
Q
TDTD
Q
TT
OD
+
== (22.2.12)
C¸c c«ng thøc trªn ®Òu x¸c ®Þnh b»ng thÝ nghiÖm. H×nh 22.4 tr×nh bµy c¸c kÕt qu¶
thÓ hÖ ®éc lËp trong n íc tù do. Ng êi ta thö hai chong chãng víi Z = 4; AE/A0 = 0,55;
P/D = 0,8 vµ 1,2 trong ®¹o l u 6,0l
D
=; a = 1,32; b = 1,12.
172
H×nh 22.4. C¸c ® êng cong lµm viÖc
cña hÖ chong chãng- ®¹o l u trong n íc tù do
hÖ chong chãng- ®¹o l u
chong chãng ®¬n ®éc
22.3. §Æc ®iÓm thiÕt kÕ hÖ chong chãng - ®¹o lKu.
HiÖn nay ng êi ta ¸p dông ba ph ¬ng ph¸p thiÕt kÕ hÖ chong chãng ®¹o l u:
Theo kÕt qu¶ thö hµng lo¹t c¸c m« h×nh cña hÖ trong n íc tù do cã c¸c ®Æc ®iÓm
h×nh häc vµ kÕt cÊu kh¸c nhau.
Theo c¸c ®å thÞ thö hµng lo¹t m« h×nh chong chãng lµm viÖc ®éc lËp.
Theo lý thuyÕt xo¸y.
Trong môc nµy ta chØ xÐt ph ¬ng ph¸p thø nhÊt.
Ng êi ta ®· x©y dùng ® îc c¸c ®å thÞ dµnh cho viÖc thiÕt kÕ chong chãng - ®¹o l u
®Ó x¸c ®Þnh c¸c phÇn tö tèi u cña hÖ ®Èy, t ¬ng tù nh c¸c ®å thÞ cña chong chãng tù
do.
H×nh 22.5 tr×nh bµy theo kÕt qu¶ thö hÖ trong n íc tù do cã AE
/A0 = 0,58, tû sè
b íc thay ®æi tõ 0,7 ¸ 1,5, c¸nh chong chãng h×nh l ìi ®ao, khe hë t ¬ng ®èi b»ng
0,01; hÖ sè lùc ®Èy KTT = KT + KTD phô thuéc JD khi tû sè b íc P/D cè ®Þnh.
H×nh 22.5. §å thÞ ®Ó tÝnh c¸c ®Æc tÝnh thuû ®éng lùc cña hÖ chong chãng- ®¹o l u
Z = 4; AE
/Ao = 0,58; lD
= 0,60;
a
= 1,32;
b
= 1,12; lDE/lD = 0,35; lDC/lD
= 0,19;
d
D = 0,125
173
H×nh 22.6 tr×nh bµy cho ®¹o l u vµ nhãm chong chãng ®ã, trªn ®ã cã vÏ ® êng
cong hÖ sè hót tD cña ®¹o l u.
H×nh 22.5. §å thÞ ®Ó tÝnh hÖ sè hót tD cña hÖ chong chãng- ®¹o l u
Z = 4; AE
/Ao = 0,58; lD
= 0,60;
a
= 1,32;
b
= 1,12; lDE/lD = 0,35; lDC/lD
= 0,19;
d
D = 0,125
§Ó t×m ® êng kÝnh tèi u hoÆc vßng quay tèi u cña chong chãng trªn ®å thÞ cßn
cã c¸c ® êng Dopt vµ nopt.
C¸c trÞ sè tÝnh to¸n:
TTDTDDT KJTDvK ==
r
, (22.3.1)
®Ó tÝnh nopt
(
)
4TTD
4TDNT KJTnvK ==
r
, (22.3.2)
®Ó tÝnh Dopt.
C¸c hÖ sè t ¬ng t¸c cho kÕt qu¶ kh¸ chÝnh x¸c trong qu¸ tr×nh thö m« h×nh. Trong
c¸c giai ®o¹n thiÕt kÕ ban ®Çu ta cã thÓ sö dông:
§èi víi tµu mét trôc:
W
D
= 0,7WT; tT = 0,7t khi g ≤ 300; (22.3.3)
W
D
= 0,8WT; tT = t khi g > 300;
§èi víi tµu hai trôc:
WD = (1,1 ¸ 1,2)WT; tT = t khi j = 5 ¸ 100; (22.3.4)
WD = (1,1 ¸ 1,2)WT; tT = (1,1 ¸ 1,15)t khi j = 10 ¸ 150;
ë ®©y: g - gãc gi÷a tiÕp tuyÕn víi nh¸nh ® êng n íc ®u«i vµ mÆt ph¼ng ®èi xøng
cña tµu n¬i ®Æt ®¹o l u; j - gãc gi÷a trôc ®¹o l u vµ tiÕp tuyÕn víi ® êng c¾t däc t¹i
n¬i ®Æt ®¹o l u; hÖ sè iQ ® îc lÊy b»ng 30.
Lùc kÐo cã Ých TE vµ tèc ®é v cña tµu theo quan hÖ:
T
E
= TE/(1 – tT); vD = v(1 – WD); (22.3.5)
§èi víi hÖ chong chãng - ®¹o l u nªn lÊy Dopt nhá nhÊt nÕu ® îc, cßn nopt – lín
nhÊt.
Trªn ®å thÞ ta x¸c ®Þnh ® îc J; P/D vµ JOD ®Ó cã thÓ tÝnh:
D
opt = vD/(nJD) hoÆc nopt = vD/(DJD) (22.3.6)
vµ cuèi cïng tÝnh hiÖu suÊt ®Èy, còng nh c«ng suÊt tiªu thô:
(
)
(
)
[
]
ODDTD W1t1
hh
--= ; DED vTP
h
= (22.3.7)