www.hanghaikythuat.tk MÁY LÁI TỰ ðỘNG
Xu hướng phát triển tất yếu của kỹ thuật hàng hải, dẫn tàu an toàn là việc thiết lập nên hệ thống tự ñộng ñiều khiển tàu , trong ñó tau biển chính là ñối tượng ñược ñiều chỉnh, còn nguồn phát các tín hiệu cần thiết ñể ñiều khiển là những thiết bị dẫn tàu khác như tín hiệu từ la bàn con quay..Quá trình ñiều khiển gốm những tác ñộng lên các cơ cấu ñiều khiển tàu như bánh lái và máy lái ñảm bảo cho tàu chuyển ñộng theo tuyến ñường và tốc ñộ như ta mong muốn. Máy lái tự ñộng chính là thiết bị ñã ñược ra ñời thoả mãn các yêu cầu nhằm dẫn tàu ñạt hiệu quả kinh tế cao, tiết kiệm nhân lực và vật lực.
CƠ SỞ MÁY LÁI TỰ ðỘNG 1. Tổng quát về hệ thống máy lái tự ñộng trên tàu biển
1.1. Trạm ñiều khiển: Trạm ñiều khiển là một khối hình trụ ñược lắp ñặt ngay trong buồng lái, nằm trên mặt phẳng trục dọc của tàu, tại vị trí thuận tiện cho việc quan sát phía trước và hai bên mạn khi ñứng ñiều khiển trạm. Chức năng của trạm là ñiều khiển hướng ñi của tàu thông qua các chế ñộ lái sau:
- Lái tay ( Hand ) - Lái tự ñộng (Auto)
- Lái cần - Không truy theo ( Lever/ Non-follow up) - Lái từ xa (Remote)
Trên trạm ñiều khiển ta có thể dùng công tắc chức năng ( Function switch) ñể chuyển ñổi các chế ñộ lái khác nhau. Thông thường chế ñộ lái tay ñược sử dụng khi tàu ñi vào luồng, cập, rời cầu, thả, kéo neo, tránh va.. hoặc khi tàu hành trình trong khu vực có nhiều chướng ngại vật hàng hải. Chế ñộ lái tự ñộng ñược sử dụng khi tàu hành trình ở các khu vực ít trướng ngại vật hàng hải. ðối với chế ñộ lái từ xa thì người sĩ quan trực ca ñứng ở ngoài cánh gà buồng lái có thể trực tiếp ñiều khiển tàu mà không cần vào buồng lái. Chế ñộ lái cần ñược dùng trong trong trường hợp khi các chế ñộ lái tay và lái tự ñộng bị sự cố, ta chuyển công tắc chức năng sang vị trí LEVER hoặc NON - FOLLOW UP và dùng cần ñể ñiều khiển tàu.
Bên trong trạm ñiều khiển có nhiều bộ phận quan trọng của hệ thống la bàn con quay và hệ thống ñiều khiển tự ñộng lái, thiết bị phát ñịnh hướng cho các la bàn phản ảnh và tín hiệu phát xuống buồng máy lái ñều ñược lắp ở ñây. Trên trạm ñiều khiển còn bố trí các núm, nút như:
công tắc nguồn, công tắc chức năng, núm ñặt hướng, núm ñiều chỉnh thời tiết, núm ñiều chỉnh tốc ñộ bẻ lái, núm ñiều chỉnh góc bẻ lái, ñèn chiếu sáng, ñèn báo ñộng, còi báo ñộng..
1.2. Thiết bị lái (Steering gear): Gồm hai mô tơ ñiện lai bơm thuỷ lực, hệ thống ống dẫn dầu thuỷ lực, các van chuyển hướng thay ñổi chế ñộ lái, hai piton ñiều khiển trục bánh lái. Ngoài ra ở ñây còn gắn vô lăng hoặc cần lái ñể ñiều khiển lái trực tiếp khi trạm ñiều khiển bị sự cố.
Hộp ñấu dây Thiết bị bẻ
lái
Bánh lái Két dầu
thuỷ lực Bộ cấp
nguồn cho mô tơ lái
www.hanghaikythuat.tk
Thiết bị lái ñược ñặt trong một buồng riêng ở phía cuối tàu gần bánh lái. Thiết bị lái này do thuyền phó hai quản lý, ñược bảo quản và sửa chữa bởi ngành máy, ñược kiểm tra hàng ngày, tra dầu mỡ, vệ sinh bởi thuỷ thủ ñi ca 0 - 4, có nhật ký ghi chép riêng.
1.3. Két dầu thuỷ lực: cung cấp dầu thuỷ lực cho bơm ñẩy trục bánh lái.
1.4. Bộ cấp nguồn cho mô tơ lái: thông thường là biến áp ba pha.
1.5. Bánh lái (Rudder): là thiết bị dùng ñể giữ cho tàu chuyển ñộng trên hướng cố ñịnh hoặc thay ñổi hướng ñi của tàu. Bánh lái có nhiều loại: loại thường, loại bù trừ, bán bù trừ..Diện tích của bánh lái phụ thuộc vào trọng tải của tàu.
2. Cơ sở lý thuyết máy lái tự ñộng
Phương trình nguyên lí của máy lái tự ñộng có nhiều dạng khác nhau, xuất phát từ yêu cầu ñộ chính xác mà ta chọn các giả thiết gần ñúng ở mức ñộ khác nhau. Khi thiết lập phương trình của máy lái tự ñộng trong phương sẽ xuất hiện những ñại lượng tuyến tính và phi tuyến tính. ðể ñơn giản, trong một số trường hợp người ta cho phép bỏ qua ñại lượng vô cùng bé bậc cao nhưng ñộ chính xác vẫn ñảm bảo trong công việc lái tàu.
2.1. Phương trình vi phân chuyển ñộng của tàu
Giả sử tàu chạy theo hướng HT, do ngoại cảnh làm tàu bị lệch ñi một góc α. Muốn ñi về hướng ban ñầu tàu phải bẻ góc lái β ngược lại, sinh ra một lực gọi là mômen lái L ngược với mômen ngoại lực q.
Theo cơ học, tàu chuyển ñộng ổn ñịnh trên hướng ñi ban ñầu sẽ tham gia hai chuyển ñộng - Chuyển ñộng theo hướng HT (Chuyển ñộng trên mặt nước)
→
→ →
= dt mdv
F (Khi tàu có gia tốc)
Khi chuyển ñộng ñều thì ñại lượng → =0
→
dt
dv nên F→ =0 Z
H
HT α
β
q
L Hình vẽ 3.2 Hình vẽ 3.1
www.hanghaikythuat.tk
- Chuyển ñộng quay quanh trục ñứng Z với gia tốc góc lệch hướng α = α′′
= . 2 .
2 c
c J
t d J d
q (1)
Trong ñó:
J : Mômen quán tính tĩnh của tàu. c
α: Góc lệch hướng ñi của tàu.
α′′: Gia tốc góc lệch của tàu.
q: Mômen ngoại lực tác dụng làm tàu quay lệch khỏi hướng ñi ban ñầu.
ðể tàu quay trở về hướng cũ (HT) cần phải có mômen phản lực của bánh lái.
L = S.β (2) Trong ñó:
S: Thông số của bánh lái (Diện tích, kiểu bánh lái)
β: Góc bẻ của bánh lái (so với mặt phẳng trục dọc của tàu)
Qua thực nghiệm ta thấy góc bẻ của bánh lái β phụ thuộc vào góc lệch α và các hệ số của máy lái tự ñộng D và P theo biểu thức:
β = D. α + P.α’ (3)
Trong thực tế người ta có thể chọn D và P sao cho góc bẻ lái ñủ ñưa tàu về hướng ñi ban ñầu.
Chiếu các mômen lên trục Z ta có phương trình chuyển ñộng của con tàu:
q + L = 0 (4) Thay ñẳng thức (1), (2) và (3) vào (4) ta có phương trình:
0 . . . .
.α′′+SPα′+S Dα =
Jc (5)
Chia hai vế của phương trình (5) cho Jc
0 . .
. ′+ =
′′+ α α
α
c
c J
D S J
P S
ðặt: h
J P S
c
. =2 và 02
. =ω Jc
D S
Ta có phương trình : α′′+2h.α′+ω02.α =0 (6)
Khi ñó: ωq = ω02−h2 gọi là tần số góc dao ñộng tắt dần.
Ta có kết quả: α =e−ht.(A1.sinωq .t+A2.cosωq.t)=α0.e−ht cos(ωqt+ϕ)
α0
HT αt
www.hanghaikythuat.tk Trong ñó: A1và A2 là hệ số tích phân
φ hệ số lệch pha, ñược xác ñịnh qua A1và A2
2.2. Nhận xét.
ðồ thị hàm e−ht.(A1.sinωq .t+A2.cosωq.t) có dạng hình cos và giảm dần về 0 theo thời gian.
Kết luận: Khi tàu lệch khỏi hướng ñi ñã ñịnh một góc α thì máy lái tự ñộng sẽ bẻ một góc β, dưới tác dụng của góc bẻ lái β tàu dần trở về hướng ñi ban ñầu (α giảm dần về 0 theo thời gian).
Nếu tính ñến góc dạt nước, dạt gió thì góc lệch của tàu sẽ tăng thêm một góc là ∆α, ∆α phụ thuộc vào cấp gió, dòng chảy và ñược tính theo công thức sau:
∫
=
∆ t dt
0
α. α
Phương trình khi xét ñến ảnh hưởng của gió nước:
∫
=+
′+
′′+ t
c c
J dt D S J
P S
0
0 . .
. α α α
α (7)
ðạo hàm phương trình (7) ta có: . . 0
=
′+
′′+
′′′+ α α α
α
c
c J
D S J
P S
ðây là phương trình vi phân bậc ba, giải phương trình ta có nghiệm:
) cos . sin
. .(
1.e e M t N t
C mt ht ωq ωq
α = − + − + =C1.e−mt +α0.e−ht cos(ωqt+ϕ) Trong ñó: C1, M, N là hệ số tích phân ñược xác ñịnh bởi ñiều kiện ñầu.
N
tgϕ = M suy ra
N arctgM
ϕ = ; m và h là hệ số tắt dần của máy lái, còn gọi là hằng số thời gian.
3. Nguyên lý hoạt ñộng theo sơ ñồ khối
Khi ta bật sang chế ñộ tự ñộng, công tắc kép chuyển sang vị trí G (Gyro compass). Giả sử khi tàu (1) lệch khỏi hướng ñi ñã ñịnh, xen xin phát trong la bàn con quay (2) truyền ñến xen xin lặp lại trong lòng máy lái tự ñộng (8), qua khớp nối cơ khí (9), qua bộ cảm biến góc lệch (10) sinh ra một ñiện áp U1 = K1. α (α là góc lệch hướng, K1 là hệ số cảm biến). Sau ñó ñưa qua bộ phận khuếch ñại (11), ñưa qua Rơ le ñiều khiển (12) ñến ñiều khiển mô tơ (13) làm cho thiết bị bẻ lái (14) thực hiện quay bánh lái (15) một góc về phía ngược lại với góc lệch của tàu ñể ñièu khiển tàu về hướng ñi ñã ñịnh. ðồng thời lúc ñó ñầu ra của khối (13) nối cơ khí với bộ phận cảm biến góc lái (20) tạo ra một ñiện áp U2 = K2. β (β là góc bẻ lái, K2 là hệ số phản hồi) sau ñó ñiện áp này ñược ñưa vào bộ phận ñiều chỉnh góc lái (19) và ñiều chỉnh tốc ñộ bẻ lái (18) và ñưa về bộ khuếch ñại (11), lúc này tín hiệu ñiều khiển vào mạch khuếch ñại là ∆U = U1 - U2. Bánh lái ngừng quay khi ∆U = 0, dưới tác dụng của dòng nước vào mặt trước của bánh lái làm cho tàu dần chuyển ñộng về hướng ñi ban ñầu, lúc ñó góc lệch α giảm dẫn ñến U1 giảm nên ñại lượng
∆U âm, bánh lái tiếp tục chuyển ñộng về phía ngược lại ñể ñiều khiển con tàu. Quá trình cứ xảy ra liên tiếp như vậy ñể tự ñộng ñiều khiển tàu.
www.hanghaikythuat.tk
Ở chế ñộ tự ñộng ta muốn ñưa tàu ñi theo một hướng mới thì ta ấn núm ñặt hướng (3) quay kim chỉ thị ñến một hướng ñã ñịnh với ñiều kiện hướng mới so với hướng cũ không quá 50 chờ cho bánh lái về vị trí 0 ta mới tiếp tục ấn núm ñặt hướng tiếp theo nếu ñặt hướng quá lớn thì dẫn ñến máylái quá tải.
Ở chế ñộ tự ñộng thì núm ñiều chỉnh thời tiết (5) và núm ñiều chỉnh (18) và (19) ta phải cài ñặt theo ñiều kiện tải trọng, ñiều kiện thời tiết cho phù hợp. (Thời tiết tốt ñể ở vị trí nhỏ).
Chế ñộ lái tay (Hand): Khi ta bật sang chế ñộ lái tay, công tắc kép chuyển sang vị trí H (Hand), dùng tay vô lăng (16) qua bộ cảm biến góc bẻ lái của vô lăng (17) ñưa ra tín hiệu ñiện áp U1 = K1. θ (θ là góc quay của vô lăng theo khẩu hiệu - nằm trong giới hạn 3705 về mỗi bên mạn), ñiện áp này ñược vào bộ khuếch ñại (11) qua rơ le (12) ñến ñiều khiển mô tơ (13) làm cho thiết bị bẻ lái (14) thực hiện quay bánh lái ñi một góc β, ñồng thời xuất hiện tín hiệu phản hồi ở ñầu ra khối (20):U2 = K2. β ñi ñến bộ khuếch ñại (11) theo ñường kín mạch (bỏ qua khối 19, 18).
Bánh lái ngừng quay khi ∆U = U1 - U2 =0, ta có θ = β (khi K1= K2) và cứ như thế ta có thể ñiều khiển tàu theo ý muốn.
Chế ñộ lái Lever: Bật công tắc chức năng sang vị trí L (Lever), dùng tay gạt cần Lever ñưa tín hiệu ñiều khiển ñến mô tơ (13) ñiều khiển thiết bị bẻ lái làm quay bánh lái, chế ñộ này không có mạch phản hồi.
www.hanghaikythuat.tk
GYRO COMPASS (2)
COURSE SETING KNOB (3)
LEVER STEERIN G (6) STEERING REPEATER (8)
OSCILLATOR (4) MAGNETO METER (10)
STANSFORMER BOX (7) FRICTION CLUTCH (9)
AMPLIFIER (11) CONTROL RELAY (12)
WEATHER ADJUSTMEN T (5) SERVO MOTOR (13) POTENTI OMETER (20)
STEERING GEAR (14) HAND STEERING (16)
POTENTI OMETER (17)
RATE ADJ. (18)
RUDDER ADJ. (19)
G H L G H L
G H L
SHIP (1) RUDDER (15) S¥ §å KhèI M¸Y L¸I Tù §éng gylot 107S¥ §å KhèI M¸Y L¸I Tù §éng gylot 107S¥ §å KhèI M¸Y L¸I Tù §éng gylot 107S¥ §å KhèI M¸Y L¸I Tù §éng gylot 107
www.hanghaikythuat.tk 4. Công tác chuẩn bị máy lái trước khi tàu rời bến
Bước 1: Kiểm tra máy lái ở buồng máy lái: (thuyền phó 2)
- Hệ thống thuỷ lực: kiểm tra rò rỉ dầu thuỷ lực, mức dầu thuỷ lực trong két - Kiểm tra các khớp truyền ñộng, vệ sinh, tra mỡ
- Thử hệ thống liên lạc trực tiếp từ buồng máy lái với buồng lái - Kiểm tra la bàn lái sự cố và nguồn chiếu sáng la bàn sự cố.
- Báo với buồng máy kiểm tra và cấp ñiện cho hệ thống máy lái - Khẳng ñịnh không có chướng ngại vật cản trở khi máy lái hoạt ñộng.
Bước 2: Kiểm tra trạm ñiều khiển trên buồng lái: (thuyền phó 3)
- ðặt các vị trí công tắc, núm nút ở vị trí chuẩn bị khởi ñộng máy lái: máy ñể ở chế ñộ lái tay, vô lăng ở vị trí 0...
- Kiểm tra chỉ số, sự hoạt ñộng của mặt phản ảnh la bàn lái.
Bước 3: Thử máy lái: (Phó 3 ở buồng lái, phó 2 ở buồng máy lái ) - Kiểm tra bánh lái có vướng mắc gì không
- Bật 02 mô tơ lai bơm thuỷ lực (công tắc ở trên buồng lái) - Bật công tắc cấp nguồn cho trạm ñiều khiển.
- Dùng vô lăng bẻ sang phải, trái, hết lái phải, hết lái trái.. ñồng thời báo cho phó 2 ở buồng máy lái biết các góc bẻ lái. Thuyền phó 2 theo dõi sự hoạt ñộng của máy lái và báo cho phó 3 biết các góc quay thực tế của bánh lái, ñể phó 3 so sánh với góc bẻ lái của vô lăng và ñồng hồ chỉ báo góc bẻ của bánh lái.
- Kiểm tra thời gian bánh lái quay từ hết lái mạn này sang hết lái mạn ñối diện và ngược lại (khoảng 25 giây).
- Thử các chế ñộ lái Lever, Remote.
- Thử chế ñộ lái sự cố ở buồng máy lái.
- Nếu có hư hỏng gì phải báo cáo cho thuyền trưởng và khắc phục ngay.
- Sau khi thử xong các chế ñộ lái chuyển trạm ñiều khiển về chế ñộ lái tay.
Bước 4: Báo cho thuyền trưởng máy lái ñã chuẩn bị xong và ghi công việc kiểm tra, chuẩn bị máy lái vào nhật ký tầu.
