Các loại rung động trên tàu – Rung máy móc

Các loại rung động trên tàu – Phần 1 – Rung máy móc

Một trong những vấn đề phổ biến và đáng sợ nhất trên tàu là mức độ rung cao. Hai tác động đáng chú ý nhất của sự rung động này đối với con tàu là sự mệt mỏi về cấu trúc và sự khó chịu của phi hành đoàn / hành khách.

Trong quá khứ, đã có những con tàu bị loại bỏ trong nhiều năm do mức độ rung động không thể chấp nhận được, khiến chúng không an toàn khi hoạt động. Vì vậy, trong những năm qua, với nghiên cứu của các xã hội phân loại, rất nhiều cải tiến đã đạt được về các rung động tàu biển. Các kỹ thuật thiết kế tàu đã trải qua những thay đổi để kết hợp các yếu tố liên quan đến việc giảm mức độ rung trong toàn bộ tuổi thọ của một con tàu.

Bài viết này không phải là về những điều cơ bản của cơ học rung động. Nó là về các loại rung động trên tàu, cơ sở phân loại của chúng, một cái nhìn sâu sắc về nguồn gốc của từng loại rung động, và các kỹ thuật thiết kế được áp dụng để ngăn chặn chúng. Do đó giả định rằng các nguyên tắc cơ rất cơ bản của rung động đã được người đọc biết đến.

Để bắt đầu, tàu rung chủ yếu được phân thành hai loại, tùy thuộc vào các thành phần của tàu, độ rung chủ yếu liên quan đến. Đó là:

  • Loại một- Rung máy móc
  • Loại Hai- Rung thân tàu

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ chỉ nói về ‘Loại một – Rung động máy móc’ và trong phần tiếp theo, ‘Loại hai – Rung động thân tàu’.

Máy tàu rung

Các rung động bắt nguồn do hoạt động của máy móc có thể được liệt kê trong phần Rung máy móc. Bất kỳ máy móc có bộ phận chuyển động ở một tần số nhất định gây ra rung động. Vì vậy, động cơ chính , trục đẩy , hộp số, cánh quạt, máy bơm, máy phát điện diesel – tất cả các máy móc đều truyền rung động.

Vai trò của một nhà thiết kế tàu là trước tiên phải hiểu làm thế nào mỗi máy móc này gây ra rung động, và sau đó là phương pháp thiết bị để giữ chúng trong mức an toàn. Rung động máy móc một lần nữa có thể được phân loại thành ba loại, tùy thuộc vào bản chất của rung động:

  • Rung xoắn.
  • Rung dọc hoặc dọc.
  • Rung bên.

Rung xoắn:

Hệ thống đẩy chính của tàu bao gồm động cơ chính, được nối với chân vịt bằng trục . Trục là một lần nữa, không phải là một thành phần duy nhất. Thông thường, một trục tàu bao gồm một trục trung gian và trục chân vịt, được kết nối bằng các mặt bích khớp nối. Sự hiện diện của các kết nối, như mặt bích khớp nối, khối lực đẩy, mặt bích kết nối động cơ và hệ thống piston xi lanh trong động cơ diesel chính tạo ra sự xoắn trong hệ thống trục quay. Nói cách khác, chuyển động quay của động cơ diesel tạo ra một ‘sự kích thích’. Vì vậy, toàn bộ hệ thống động lực có thể được đơn giản hóa, để phân tích rung động thành một chuỗi kết hợp của trục và đĩa, như trong hình dưới đây:

Hình 1: Hệ thống đẩy chính là sự kết hợp của trục và đĩa.

Hệ thống trục và đĩa trên được suy ra từ hệ thống đẩy đề xuất của một con tàu được thiết kế, được sử dụng để tính tần số xoắn tự nhiên của hệ thống đẩy. Nhiệm vụ của một nhà thiết kế là chọn một động cơ chính sao cho tần số tự nhiên của động cơ chính tại MCR của nó không nằm trong 5% tần số xoắn tự nhiên của toàn bộ hệ thống đẩy. Hay nói cách khác, cách tiếp cận có thể được khái quát một cách hợp lý rằng, các kích thích nên được giảm thiểu để tránh sự cộng hưởng . Theo phạm vi tốc độ mà tại đó cộng hưởng xoắn xảy ra, phạm vi tốc độ bị chặn được đặt, để phạm vi tốc độ này được tránh trong hành trình. Nếu điều đó không được quan tâm, nó sẽ dẫn đến hỏng trục.

Rung dọc hoặc dọc:

Một trong những trường hợp thú vị nhất của rung động máy móc, và có lẽ là trường hợp dễ gây rung động cưỡng bức nhất, là rung động trục của hệ thống đẩy. Như chúng ta đã thấy trước đó, để phân tích một trường hợp rung động, điều quan trọng là xác định sự kích thích của một loại rung động cụ thể. Chế độ rung dọc trục làm cho hệ thống đẩy hoạt động giống như một hệ thống lò xo tự do đa cấp nằm ngang. Vì vậy, hệ thống đẩy trong hình một, có thể được giảm xuống thành một hệ thống như dưới đây trong Hình 2.

Hình 2: Hệ thống rung nhiều DOF của hệ thống động lực

Hiện nay, trong một thời gian, chúng ta chú ý từ hệ thống này và tập trung vào hoạt động của cánh quạt. Lực đẩy do chân vịt quay cánh quạt tạo ra những con sóng lan ra (gọi là đường rẽ nước). Bây giờ, do độ cong của thân tàu ở phía sau, sự đẩy luồng nước trên chân vịt không đồng nhất trong tự nhiên. Cụ thể, sức đẩy luồng nước ở đầu đĩa chân vịt khác với sức đẩy luồng nước ở dưới cùng của đĩa. Để có được ý tưởng tốt hơn về sự biến đổi của đường rẽ nước, hãy làm theo Hình 3. Nó cho thấy sự biến đổi của đường rẽ nước ở các góc khác nhau xung quanh đĩa chân vịt. Sơ đồ này chỉ dành cho một khoảng cách cụ thể từ trung tâm của đĩa chân vịt (hiển thị màu xanh lam). Vì vậy, cần phải hiểu rõ rằng, các đường rẽ nước cho mỗi khoảng cách từ trung tâm của chân vịt sẽ thể hiện có các biểu đồ khác nhau.

Hình 3: Sự biến đổi của thức dậy trên một chân vịt

Do đó, điều chúng tôi ngụ ý từ sơ đồ trên là, khi một lưỡi cánh quạt cụ thể của chân vịt quay ở vị trí 0 độ, vận tốc của nước lên khác với vận tốc của nước lên cùng một lưỡi cánh quạt khi nó quay đến vị trí 90 độ. Và sự thay đổi này là liên tục trên một nửa vòng quay chân vịt. Do đó, lực đẩy được tạo ra bởi lưỡi cánh quạt ở vị trí 0 độ sẽ khác với lực đẩy được tạo ra bởi cùng một lưỡi cánh quạt ở 90 độ và 180 độ. Và điều này được lặp lại với mỗi cuộc vòng quay, điều đó có nghĩa là lực đẩy do chân vịt tạo ra có tính chất định kỳ, mà chúng ta thường gọi là lực đẩy xen kẽ. Và một lực đẩy định kỳ trở thành lực hấp dẫn cho sự rung động dọc trục của hệ thống đẩy.

Tần số kích thích chân vịt là (Cánh quạt RPM x Số lượng cánh quạt). Để tránh cộng hưởng, nhà thiết kế phải đảm bảo rằng một vài tần số rung động tự nhiên đầu tiên của hệ thống đẩy chính (thể hiện trong hình 2) cách xa tần số kích thích chân vịt ít nhất 5%.

Câu hỏi nhanh: Nhà thiết kế phải thực hiện những bước nào nếu tần số kích thích chân vịt nằm trong một vài tần số tự nhiên đầu tiên của dao động dọc của hệ thống đẩy chính?

Trong trường hợp như vậy, có hai lựa chọn chính. Một, hoặc tần số kích thích chân vịt cần phải được thay đổi, hoặc tần số tự nhiên của hệ thống đẩy chính phải được thay đổi. Trước khi đi vào quy trình thực hiện điều đó, trước tiên chúng ta hãy xem xét tính khả thi của từng tùy chọn.

Tùy chọn Một- Thay đổi tần số kích thích chân vịt :

Để thay đổi tần số kích thích chân vịt, số lượng cánh quạt phải được thay đổi, hoặc RPM định mức của chân vịt phải được thay đổi.

Thay đổi số lượng cánh quạt không phải là một lựa chọn khả thi vì số lượng cánh quạt có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của cánh quạt.

Ở giai đoạn thiết kế này, RPM định mức của cánh quạt đã được quyết định dựa trên mô-men xoắn và lực đẩy cần thiết để cung cấp năng lượng hiệu quả theo yêu cầu của tàu. Vì vậy, thay đổi RPM được xếp hạng cũng không phải là một lựa chọn khả thi. Rõ ràng, Phương án Một không thể được thực hiện.

Tùy chọn hai: Thay đổi tần số tự nhiên của Hệ thống đẩy chính:

Tùy chọn này là khả thi, vì thực hiện bước này sẽ không ảnh hưởng đến các yếu tố khác của con tàu. Nhưng làm thế nào để đi về quá trình này?

Tần số tự nhiên của bất kỳ hệ thống nào phụ thuộc vào độ cứng và khối lượng của hệ thống. Thay đổi khối lượng của hệ thống đẩy không phải là một cách tiếp cận thông minh. Thay vào đó, các nhà thiết kế tàu tập trung vào việc thay đổi với độ cứng của hệ thống. Làm sao? Vâng, trọng tâm chính là lực đẩy và nền tảng của nó. Nền tảng của ổ đỡ lực đẩy là thành phần làm chệch hướng để đáp ứng với lực đẩy được truyền bởi ổ đỡ lực đẩy. Nói cách khác, nó hoạt động như một spring. Vì vậy, nền tảng cấu trúc của ổ đỡ lực đẩy phải được thiết kế lại để có được độ cứng có thể thay đổi tần số tự nhiên của hệ thống đẩy đến giá trị mong muốn.

Rung bên hoặc rung ngang:

Chế độ rung này xảy ra theo hướng vuông góc với trục quay của trục. Các trục trung gian và đuôi có thể được coi là dầm, với ổ trục là điểm hỗ trợ.

Do sự uốn cong của trục, trọng tâm của trục không trùng với đường tâm lý tưởng của trục, do đó khi trục quay, lực ly tâm trên tâm trọng lực sẽ khiến nó dịch chuyển ra xa khỏi đường tâm lý tưởng , dẫn đến một chuyển động rung gọi là xoáy của trục . Số lượng vòng bi trục và khoảng cách giữa chúng là yếu tố quyết định sự xuất hiện của chế độ rung này, trong giai đoạn thiết kế.

Hình 4: Ảnh hưởng của uốn đối với chuyển động của trục

Nhà thiết kế cần chú ý rằng tần số tự nhiên của chế độ rung bên của trục không trùng với tần số tự nhiên của động cơ. Trong trường hợp như vậy, cộng hưởng sẽ dẫn đến trường hợp cực kỳ xoáy, dẫn đến trục bị gãy và gây ra thiệt hại hoặc tai nạn.

Ngoài ra, khi động cơ của một con tàu được khởi động và tốc độ của nó tăng dần, sẽ có lúc người ta cảm thấy rung động tối đa trên con tàu trong một vài khoảnh khắc. Đó là bởi vì, trong quá trình tăng tốc, có một điểm mà tại đó RPM của động cơ trùng với tần số xoáy tự nhiên của trục. Tốc độ / RPM như vậy là phải tránh cẩn thận. Tốc độ này được gọi là Tốc độ quan trọng, hoặc Phạm vi tốc độ bị chặn. Một con tàu không bao giờ được vận hành ở phạm vi tốc độ này và trong khi tăng tốc, phạm vi tốc độ này phải được thông qua càng nhanh càng tốt để tránh rung động trục kéo dài.

Bây giờ, để hình dung nguồn xoáy có thêm độ rõ, chúng ta hãy liên hệ với Hình 4 và 5. Hình 5 cho thấy mặt cắt ngang của trục ở giữa chiều dài sau khi uốn cong xảy ra.

Hình 5: Độ lệch tâm giữa CG và CL của trục trong quá trình quay.

Bây giờ, khi trục quay, trọng tâm sẽ không trùng với đường tâm của trục, dẫn đến các quỹ đạo khác nhau của trọng tâm của trục như trong Hình 6.

Hình 6: Các quỹ đạo CG của trục cho các chế độ quay khác nhau (Nguồn: ShaftDesigner)

Một nhà thiết kế tàu phải biết rất rõ các nguồn rung động xoáy để có biện pháp chủ động. Chúng tôi sẽ thảo luận về chúng ngắn gọn dưới đây:

Tải trọng cánh quạt:

Như chúng ta đã thấy trước đó, sự phân luồng nước khác nhau trên chân vịt, lực đẩy hiệu quả do chân vịt cung cấp không phải lúc nào cũng dọc theo đường trục trục, mà ở một góc nào đó với đường tâm của trục. Điều này gây ra một ứng suất uốn lên trục, dẫn đến xoáy. Ngoài ra, khi góc giữa lực đẩy và đường trục trục thay đổi theo định kỳ, các chế độ xoáy khác nhau được quan sát.

Để khắc phục vấn đề này, trục được căn chỉnh trước sao cho trong điều kiện vận hành, hiệu ứng này được giảm thiểu.

Động cơ Diesel kích thích:

Các bộ phận chuyển động của động cơ diesel hoạt động như một nguồn kích thích chính cho sự quay cuồng. Các áp lực cỏ trong động cơ hoạt động như các lực lượng thú vị. Các thành phần xuyên tâm của áp suất khí chịu trách nhiệm cho các rung động xoáy, trong khi đó, các thành phần tiếp tuyến chịu trách nhiệm cho rung động xoắn.

Dữ liệu về áp suất khí trong động cơ được cung cấp bởi các nhà sản xuất động cơ và hệ thống trục được thiết kế với dữ liệu được xem xét.

Lỗi căn chỉnh trục:

Nếu các tâm của các mặt bích khớp trục không trùng khớp cẩn thận trong quá trình căn chỉnh trục tại xưởng đóng tàu, thì sẽ dẫn đến mất tính liên tục của trục quay của trục.

Một khiếm khuyết khớp nối khác có thể dẫn đến xoáy là khi tất cả các bu lông khớp nối qua các mặt bích khớp nối không được siết chặt như nhau đến cùng mức độ, gây ra sự lệch góc giữa các mặt bích khớp nối. Loại lỗi như vậy sẽ kích thích chế độ đầu tiên của sự kích thích xoáy, và phải tránh với các thực hành đóng tàu thích hợp.

Khiếm khuyết sản xuất trong hệ thống bánh răng:

Bất cứ khi nào thiết bị bánh răng đang được cài đặt, việc lắp và ghép đúng cách là cần thiết để tránh xoáy gây ra từ thiết bị không phù hợp. Các khuyết tật như vậy thường làm phát sinh các chế độ xoáy tần số cao. Nhưng đây là điều cần được quan tâm trong giai đoạn xây dựng, và không thể xem xét trong phân tích rung động trong giai đoạn thiết kế.

Vì vậy, trong bài viết này, chúng tôi đã xem xét các rung động máy móc và thảo luận về cách từng loại rung động được kích thích và có thể được ngăn chặn. Tuy nhiên, điều mà chúng tôi chưa xem xét là có một số trong số đó, một số kích thích, không chỉ gây rung trong hệ thống đẩy, mà còn gây ra rung động cưỡng bức trong dầm thân, thậm chí còn nguy hiểm hơn, và sẽ được thảo luận trong chi tiết trong bài viết tiếp theo.

Theo Marineinsight

This post is also available in: enEnglish

Chia sẻ bài đăng này
  , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *