Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh sức căng tời dây tàu thủy

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017<br /> <br /> <br /> [14]. Xing, C. H., Wen, X. H., Qian, Y., Tardieu, E., “Microfiltration-Membrane-Coupled Bioreactor for<br /> Urban Wastewater Reclamation”, Desalination., 141(1):63-73, 2001.<br /> [15]. Water Enviroment Federation, Membrane systems for wastewater treatment, Press McGraw-<br /> Hill, New York, 2006.<br /> <br /> Ngày nhận bài: 06/01/2017<br /> Ngày phản biện: 15/02/2017<br /> Ngày duyệt đăng: 21/02/2017<br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH SỨC CĂNG TỜI<br /> DÂY TÀU THỦY<br /> RESEARCH TO DESIGN A TENSION AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR<br /> SHIP MOORING WINCHES<br /> PHẠM HỮU TÂN, NGUYỄN TRÍ MINH<br /> Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam<br /> <br /> Tóm tắt<br /> Bài báo đưa ra một phương pháp tự động điều chỉnh sức căng cho dây buộc tàu khi tàu<br /> vào cảng xếp, dỡ hàng hóa. Phương pháp này áp dụng cho loại tời quấn dây bằng thủy<br /> lực với dây trên trống tời. Để tự động điều chỉnh sức căng cho dây thì một hệ thống thủy<br /> lực phụ được bố trí song song với hệ thống thủy lực tời quấn dây chính. Hệ thống này hoạt<br /> động tự động và độc lập với hệ thống thủy lực chính. Khi tàu cập cầu hoặc rời cầu thì hệ<br /> thống thủy lực chính làm việc và hệ thống phụ dừng, còn khi tàu làm hàng thì đưa hệ thống<br /> thủy lực phụ vào hoạt động tự động và hệ thống chính dừng làm việc, hệ thống sẽ tự động<br /> điều chỉnh sức căng của dây buộc tàu.<br /> Từ khóa: Tàu thủy, trống tời quấn dây, động cơ thủy lực, sức căng của dây, giá trị đặt.<br /> Abstract<br /> This paper presents a method to automatically control the tension of the ship wire ropes<br /> when the ship is loading or discharging cargo in ports. This method is applied to hydraulic<br /> mooring winches with wire ropes on the winch drums. To automatically control the tension<br /> of wire ropes, a auxiliary hydraulic system are arranged parallel to the main hydraulic<br /> mooring winches. This auxiliary hydraulic system works automatically and independently<br /> of the main hydraulic mooring winch. When the ship goes to ports or leaves the ports, the<br /> main hydraulic mooring winches go to work and the auxiliary hydraulic system stops<br /> working. When the ship is loading or discharging cargo, the auxilary hydraulic system goes<br /> to works automatically and the main hydraulic system stops working. The auxiliary hydraulic<br /> system will automatically control the tension of wire ropes.<br /> Keywords: Ships, mooring winch, hydraulic motor, tension of wire rope, set value.<br /> 1. Giới thiệu chung<br /> Khi tàu thủy cập cảng để xếp hoặc dỡ hàng hóa, tàu phải được cố định vào cầu cảng bằng<br /> các dây buộc tàu. Các dây buộc tàu này một đầu được cố định vào các cọc bích trên cầu cảng, một<br /> đầu được cố định vào các cọc bích trên tàu hoặc được cố định trên các tang trống tời quấn dây (đối<br /> với loại tời quấn dây bố trí dây trên trống tời). Để thực hiện việc xông, thu hoặc điều chỉnh sức căng<br /> của dây buộc tàu khi tàu cập cầu hoặc dời cầu cảng thì trên tàu có bố trí các tời quấn dây ở phía<br /> mũi và sau lái của tàu. Các tời này được lai bởi các động cơ điện hay thủy lực. Đa số các tời quấn<br /> dây trên tàu biển hiện nay thường được lai bởi các động cơ thủy lực. Khi tàu xếp hoặc dỡ hàng hóa<br /> tại các cảng thì mớn nước của tàu luôn thay đổi, ngoài ra tàu còn chịu ảnh hưởng của thủy triều lên,<br /> xuống. Điều này dẫn tới sức căng của dây buộc tàu thay đổi liên tục. Chính vì vậy mà các thủy thủ<br /> trên tàu phải thường xuyên kiểm tra và điều chỉnh lại sức căng của dây buộc tàu bằng tay. Bài báo<br /> này giới thiệu một hệ thống tự động điều chỉnh sức căng của dây buộc tàu bằng thủy lực. Nguyên<br /> lý điều khiển tời dây và hệ thống tự động điều chỉnh sức căng của dây buộc tàu được trình bày dưới<br /> đây.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 84<br />  CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017<br /> <br /> <br /> 2. Nguyên lý của hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu<br /> Khi tàu vào xếp, dỡ hàng hóa trong các cảng thì tàu sẽ được cố định vào cầu cảng bằng các<br /> dây buộc tàu. Để cố định tàu vào cầu cảng bằng các dây buộc tàu, các thủy thủ thường sử dụng<br /> các tời quấn dây bố trí sẵn ở trên mũi hoặc sau lái tàu để làm dây buộc tàu. Hiện nay các tời quấn<br /> dây trên tàu thủy thường được lai bởi các động cơ thủy lực có thể tạo ra được công suất lớn. Một<br /> hệ thống thủy lực tời quấn dây trên tàu thủy được mô tả như hình 1 dưới đây [1].<br /> <br /> Tời quấn dây<br /> Tay điều khiển tời<br /> Động cơ thủy lực Cột trọng lực<br /> <br /> <br /> Bầu làm mát<br /> <br /> T<br /> <br /> <br /> Kính nhìn<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Bơm chính<br /> <br /> <br /> Bơm tay<br /> <br /> <br /> Két chứa dầu<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Hệ thống thủy lực tời quấn dây buộc tàu<br /> Khi cần làm dây buộc tàu thì bơm chính được đưa vào hoạt động. Khi muốn thu dây hoặc<br /> xông dây ta chỉ cần điều khiển tay điểu khiển sang phải hoặc sang trái thì động cơ thủy lực sẽ quay<br /> phải hoặc quay trái để thu dây về hoặc xông dây ra. Hiện nay để giảm sức lao động của các thủy<br /> thủ trên tàu thì đa số các tời dây được bố trí nhiều trống dây lai bởi một động cơ thủy lực như hình<br /> 2 [1]. Mỗi tời dây được lai bởi trục của động cơ thủy lực thông qua các ly hợp cơ khí. Khi cần làm<br /> dây nào thì ta vào ly hợp cho trống tời đó để làm dây buộc tàu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Tời dây tàu thủy với một động cơ lai nhiều trống tời<br /> Trong quá trình tàu xếp, dỡ hàng hóa trong cảng, tải trọng của tàu luôn thay đổi làm thay đổi<br /> mớn nước của tàu. Ngoài ra khi tàu nằm trong cảng còn chịu ảng hưởng rất lớn của thủy triều. Chính<br /> vì vậy mà các thủy thủ luôn phải điều chỉnh lại sức căng của dây buộc tàu bằng tời để duy trì sức<br /> căng của dây không đổi. Để các thủy thủ không phải quan tâm đến dây buộc tàu trong quá trình tàu<br /> xếp hoặc dỡ hàng hóa trong các cảng, các tời quấn dây này phải được hoán cải để có thể tự động<br /> điều chỉnh sức căng của dây buộc tàu khi tàu làm hàng hoặc khi thủy triều thay đổi tại các cảng. Các<br /> hệ thống này thiết kế sao cho không phải hoán cải hệ thống hiện tại, hệ thống vận hành đơn giản,<br /> dễ dàng và tin cậy, chịu được điều kiện khắc nghiệt của môi trường trên tàu thủy.<br /> Để thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây buộc tàu, ta nghiên cứu nguyên lý tự<br /> động điều chỉnh sức căng của một rulô quấn dây đặt trên hai bệ đỡ, hai bên có bố trí lò xo chịu xoắn.<br /> Các lò xo này một đầu cố định vào rulô, một đầu cố định vào bệ đỡ trục rulô. Trên rulô được quấn<br /> với nhiều vòng dây và một đầu dây được cố định vào rulô, còn một đầu dây thò ra để có thể kéo<br /> được dây như hình 3 [2].<br /> Bệ đỡ trục<br /> <br /> <br /> Lò xo chịu xoắn<br /> Rulô quấn dây<br /> Dây chịu kéo<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mô phỏng nguyên lý tự động điều chỉnh sức căng dây<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 85<br />  CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017<br /> <br /> <br /> Khi ta kéo đầu dây với một lực kéo nhất định làm cho dây trên rulô được xông bớt ra và các lò<br /> xo bị nén lại. Nếu ta giữ đầu dây với một sức kéo TD nhất định, lực kéo TD tạo ra một mômen xoắn<br /> trên rulô MT như sau :<br /> TD DRL<br /> MT  (1)<br /> 2<br /> Mômen xoắn MT làm cho các rulô quay và lò xo khi này bị xoắn lại với một lực xoắn nhất định.<br /> Lực xoắn F của lò xo được xác định bằng công thức sau :<br /> F  k . (2)<br /> Và lò xo sẽ tạo ra một mômen xoắn MLX:<br /> FDLX k .DLX<br /> M LX   (3)<br /> 2 2<br /> Trong đó k là độ cứng lò xo (N/m);  là góc xoắn lò xo (rad); F là lực xoắn lò xo (N); DLX là<br /> đường kính lò xo (m); TD là sức căng của dây (N); DRL là đường kính rulô (m).<br /> Khi mômen xoắn lò xo MLX cân bằng với mômen MT do lực TD tạo ra trên trục rulô (MLX = MT)<br /> thì rulô dừng quay. Nếu ta tăng lực kéo của dây và khi này MT > MLX thì rulô tiếp tục quay và lò xo<br /> tiếp tục bị nén lại. Nếu ta giảm bớt lực kéo của dây thì khi này mômen do lực xoắn lò xo M LX > MT<br /> nên lò xo sẽ quay rulô theo chiều ngược lại và dây sẽ bị kéo căng lên.<br /> Từ nguyên lý tự động căng dây của rulô như hình 4, ta đi thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh<br /> sức căng cho tời quấn dây buộc tàu như sau: Với hệ thống thủy lực tời quấn dây nguyên bản như<br /> trên hình 1 ta thiết kế thêm một hệ thống thủy lực phụ có công suất nhỏ song song với hệ thống này.<br /> Hai hệ thống này có chung một động cơ thủy lực và chúng hoạt động độc lập với nhau bởi các van<br /> chặn. Khi tàu cập cầu hoặc rời cảng thì hệ thống thủy lực chính làm việc và hệ thống thủy lực phụ<br /> dừng làm việc. Ở trạng thái này van chặn của hệ thống phụ đóng lại, còn van chặn của hệ thống<br /> chính mở ra như hình 4.<br /> <br /> Tời quấn dây<br /> Tay điều khiển tời<br /> Động cơ thủy lực Cột trọng lực<br /> <br /> <br /> Bầu làm mát<br /> <br /> T<br /> <br /> <br /> Kính nhìn<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Van mở<br /> Bơm chính Van an toàn<br /> Van đóng<br /> <br /> <br /> Bơm tay<br /> <br /> <br /> Két chứa dầu<br /> Bơm dầu điều khiển<br /> <br /> <br /> Hình 4. Hệ thống thủy lực tời quấn dây có bố trí hệ thống tự động điều chỉnh sức căng dây<br /> buộc tàu khi hệ thống chính hoạt động<br /> Khi tàu xếp hoặc dỡ hàng trong cảng thì hệ thống thủy lực chính dừng hoạt động và hệ thống<br /> thủy lực phụ được đưa vào hoạt động để tự động điều chỉnh sức căng cho dây buộc tàu. Khi này<br /> van chặn trên hệ thống chính đóng lại, van chặn trên hệ thống phụ mở ra, tay điều khiển của động<br /> cơ thủy lực đặt ở vị trí thu dây (cần điều khiển gạt sang phải) như hình 5.<br /> Nguyên lý hoạt động tự động của hệ thống thủy lực phụ như sau: Ta khởi động bơm dầu điều<br /> khiển của hệ thống phụ, khi này dầu thủy lực từ bơm dầu điều khiển sẽ cấp tới động cơ theo chiều<br /> thu dây. Động cơ thủy lực lai trống tời sẽ có xu hướng quay tang trống tời để thu dây và các phanh<br /> của trống tời luôn được nhả ra do áp suất dầu thủy lực của phần cao áp trong hệ thống thực hiện.<br /> Tuy nhiên động cơ có quay được hay không phụ thuộc vào áp suất dầu thủy lực cấp vào động cơ<br /> (do bơm dầu điều khiển tạo ra) và sức căng của dây buộc tàu. Nếu áp suất dầu cấp vào động cơ<br /> tạo ra mômen xoắn MX trên trục động cơ cân bằng với mômen tải MT do sức căng của dây buộc tàu<br /> tạo ra thì động cơ sẽ không quay trống tời được, các thông số này coi là thông số định mức và ký<br /> hiệu là MXn, MTn. Khi sức căng của dây buộc tàu vì lý do nào đó tăng lên (khi tàu nổi lên) làm mômen<br /> <br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 50 - 4/2017 86<br />  CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2017<br /> <br /> <br /> tải MT > Mxn thì dây buộc tàu sẽ bị kéo căng ra và tang trống tời bị quay theo chiều xông dây, động<br /> cơ thủy lực bị cưỡng bức quay theo chiều ngược với chiều quay do áp suất của dầu thủy lực tạo ra,<br /> dầu trong động cơ thủy lực phần cao áp sẽ được hồi ngược về thấp áp qua van an toàn. Khi trống<br /> tời bị kéo quay ngược lại là dây xông bớt ra và MT sẽ giảm xuống cho đến khi MT = Mxn thì trống tời<br /> sẽ không quay nữa. Nếu vì lý do nào đó mà sức căng của dây buộc tàu giảm xuống (tàu chìm xuống<br /> do xếp hàng) làm MT giảm xuống, khi này MT