Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lái điện thuỷ lực điều khiển kỹ thuật số giá rẻ

Tìm hiểu hệ thống lái điện thủy lực kỹ thuật số giá rẻ, ưu điểm vượt trội, dễ dàng lắp đặt và bảo trì. Giải pháp lái xe hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

• Tác giả: Nguyễn Việt Hùng
• Người hướng dẫn: Ngô Sỹ Lộc
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Hệ Thống Lái Điện - Thuỷ Lực Có Điều Khiển Bằng Kỹ Thuật Số Với Giá Rẻ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LÁI TÀU THUỶ
• 1.1. Nguyên lý và cấu tạo
• 1.2. Các yêu cầu cơ bản đối với máy lái tàu thuỷ
• 2. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY LÁI 1,5 Tm
• 3. CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ THỐNG LÁI TÀU THỦY

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống lái điện thuỷ lực kỹ thuật số từ A Z

Trong ngành vận tải thủy, hệ thống lái ô tô và tàu thủy đóng vai trò sống còn, quyết định khả năng điều hướng và an toàn của phương tiện. Luận văn của Nguyễn Việt Hùng (2007) đã chỉ ra tầm quan trọng của việc hiện đại hóa các hệ thống lái cho tàu sông tại Việt Nam, nơi các phương tiện thường có vốn đầu tư hạn chế. Hệ thống lái điện thuỷ lực kỹ thuật số giá rẻ nổi lên như một giải pháp đột phá, kết hợp sức mạnh của truyền động thủy lực và sự chính xác của điều khiển điện tử. Hệ thống này, còn được biết đến với tên gọi hệ thống lái EHPS (Electro-Hydraulic Power Steering), mang lại mô-men lái lớn, hoạt động tin cậy và khả năng tự động hóa cao. Mục tiêu chính là tạo ra một hệ thống vừa đảm bảo các đặc tính kỹ thuật khắt khe như tính ổn định hướng và tính xoay trở, vừa có giá thành hợp lý. Không giống các hệ thống thuần cơ khí hay thuần điện, trợ lực lái điện thuỷ lực cung cấp cảm giác lái chân thực nhưng giảm đáng kể sức lao động cho người vận hành. Cấu tạo cơ bản của một hệ thống lái bao gồm bánh lái, trục lái, và máy lái, trong đó máy lái là trái tim tạo ra mômen quay. Việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật số cho phép điều khiển chính xác góc lái thông qua các tín hiệu điện tử, mở đường cho việc tích hợp với các hệ thống định vị vệ tinh và máy tính, hướng tới một mạng lưới vận tải thủy tự động và thông minh trong tương lai. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cấp hệ thống lái truyền thống.

1.1. Khái niệm và cấu tạo cơ bản của hệ thống lái EHPS

Một hệ thống lái EHPS (Electro-Hydraulic Power Steering) là sự kết hợp giữa hệ thống lái thủy lực truyền thống và hệ thống điều khiển điện tử. Thay vì dùng bơm thủy lực chạy liên tục bằng động cơ chính, hệ thống này sử dụng một bơm trợ lực lái điện độc lập. Bơm này chỉ hoạt động khi người lái quay vô lăng, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể. Cấu tạo cơ bản bao gồm: Bơm trợ lực lái điện, thước lái điện thuỷ lực, các xylanh, một hộp điều khiển ECU hệ thống lái, và các cảm biến góc lái cùng cảm biến tốc độ. Khi người lái tác động lên vô lăng, cảm biến góc lái sẽ gửi tín hiệu đến ECU. ECU sẽ tính toán và ra lệnh cho bơm điện hoạt động, tạo ra áp suất dầu cần thiết để hỗ trợ lực lái, giúp việc điều khiển trở nên nhẹ nhàng và chính xác.

1.2. Phân loại các hệ thống lái tàu thủy phổ biến hiện nay

Các hệ thống lái ô tô và tàu thủy có thể được phân loại dựa trên cơ cấu truyền động. Theo tài liệu nghiên cứu, có các loại chính như: hệ cơ khí (dây cáp, trục), hệ điện-cơ, và hệ điện-thủy lực. Hệ thống cơ khí tuy đơn giản và chi phí thấp nhưng có nhược điểm là lực lái nặng, độ chính xác không cao và nguy hiểm khi gặp sóng lớn. Hệ thống lái điện khắc phục được nhược điểm về lực lái nhưng động cơ phải khởi động liên tục, dễ quá tải và hỏng hóc. Nổi bật nhất là hệ thống lái điện thuỷ lực, tạo ra mô-men lớn, hoạt động êm ái, và có độ tin cậy cao. Trong đó, hệ thống dùng xylanh lắc được đánh giá là phù hợp với điều kiện chế tạo tại Việt Nam do cấu trúc đơn giản và chi phí hợp lý.

1.3. Ưu điểm vượt trội của trợ lực lái điện thuỷ lực EHPS

So với các hệ thống lái truyền thống, trợ lực lái điện thuỷ lực mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Thứ nhất, hệ thống tạo ra mô-men lái rất lớn, phù hợp cho các tàu có tải trọng từ vài chục đến hàng nghìn tấn. Thứ hai, khả năng điều chỉnh vận tốc và góc lái rất linh hoạt và chính xác. Thứ ba, nhờ cơ cấu hãm thủy lực, hệ thống loại bỏ hoàn toàn hiện tượng lực từ bánh lái tác động ngược lại vô lăng. Đặc biệt, theo nghiên cứu, việc sử dụng các phụ tùng trợ lực lái thông dụng và bơm điện chỉ hoạt động khi cần thiết giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí vận hành. Khả năng kết nối dễ dàng với các hệ thống điều khiển tự động là một lợi thế lớn cho việc nâng cấp hệ thống lái trong tương lai.

II. Giải mã bài toán chi phí của hệ thống lái điện thuỷ lực

Thách thức lớn nhất khi triển khai các hệ thống lái hiện đại chính là chi phí. Nghiên cứu của Nguyễn Việt Hùng (2007) chỉ rõ: "các hệ thống lái điện - thuỷ lực hiện đại sử dụng van xéc vô điện - thuỷ có giá thành rất cao mà trong nước lại chưa chế tạo được". Một van xéc vô có thể chiếm một phần đáng kể trong tổng báo giá hệ thống lái, khiến nhiều chủ tàu cá nhân hoặc hợp tác xã có vốn hạn chế phải chùn bước. Bài toán đặt ra là làm thế nào để xây dựng một hệ thống lái điện thuỷ lực kỹ thuật số giá rẻ nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy. Các hệ thống truyền thống như lái dây hay lái trục tuy rẻ nhưng tồn tại nhiều nhược điểm về an toàn và độ chính xác, không còn phù hợp với yêu cầu vận hành hiện đại. Do đó, việc tìm kiếm một giải pháp thay thế, tối ưu hóa giữa công nghệ và chi phí, là mục tiêu cấp thiết. Hướng đi này không chỉ giúp giảm giá thành ban đầu mà còn phải cân nhắc đến chi phí lắp đặt trợ lực lái và chi phí bảo dưỡng dài hạn, đảm bảo tính bền vững cho người sử dụng.

2.1. Phân tích giá thành van xéc vô điện thủy lực hiện đại

Van xéc vô điện-thủy lực là một thành phần công nghệ cao, cho phép điều khiển lưu lượng và áp suất dầu một cách cực kỳ chính xác. Tuy nhiên, giá thành của chúng rất đắt đỏ. Tài liệu gốc trích dẫn rằng "giá thành [van xéc vô] bằng 6÷10% giá thành van xéc vô điện thuỷ". Điều này có nghĩa là chi phí cho một van phân phối thông thường chỉ bằng một phần nhỏ so với van xéc vô. Sự chênh lệch khổng lồ này là rào cản chính khiến các công nghệ lái tiên tiến khó tiếp cận với phân khúc tàu sông và tàu cá cỡ nhỏ, nơi yếu tố giá rẻ được đặt lên hàng đầu.

2.2. So sánh trợ lực điện và điện thuỷ lực về mặt chi phí

Khi thực hiện so sánh trợ lực điện và điện thuỷ lực, chi phí là một yếu tố quan trọng. Hệ thống trợ lực điện hoàn toàn (EPS) thường có chi phí lắp đặt ban đầu thấp hơn cho các phương tiện nhỏ do cấu trúc gọn nhẹ, ít thành phần cơ khí phức tạp. Tuy nhiên, đối với các phương tiện lớn yêu cầu mô-men lái cao như tàu thủy, hệ thống EPS công suất lớn trở nên rất đắt đỏ và phức tạp. Ngược lại, hệ thống lái EHPS có khả năng tạo ra mô-men lớn một cách hiệu quả hơn. Bằng cách sử dụng các van phân phối thông thường thay vì van xéc vô, giải pháp hệ thống lái điện thuỷ lực giá rẻ có thể đạt được mức chi phí cạnh tranh hơn nhiều so với EPS công suất tương đương, trong khi vẫn giữ được cảm giác lái tốt và độ bền cao của hệ thủy lực.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống lái điện thuỷ lực giá rẻ

Để giải quyết bài toán chi phí, luận văn đề xuất một phương pháp thiết kế đột phá cho hệ thống lái điện thuỷ lực kỹ thuật số giá rẻ. Trọng tâm của giải pháp là thay thế van xéc vô đắt tiền bằng "loại van phân phối thông thường rẻ tiền" và thực hiện phản hồi ngược bằng cơ cấu cơ khí, cụ thể là "gắn cứng vỏ của van trượt với píttông của xylanh lái". Cách tiếp cận này giúp giảm giá thành thiết bị một cách đáng kể mà vẫn đảm bảo được chức năng điều khiển. Sơ đồ hệ thống được lựa chọn là loại xylanh lắc với hai xylanh tác động kép, một cấu hình được đánh giá là dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc hộp điều khiển ECU hệ thống lái nhận tín hiệu từ cảm biến góc lái và điều khiển van phân phối để cấp dầu áp suất cao từ bơm trợ lực lái điện đến các xylanh, tạo ra ngẫu lực làm quay bánh lái. Việc lựa chọn các phụ tùng trợ lực lái có sẵn trên thị trường cũng góp phần quan trọng vào việc tối ưu hóa chi phí. Đây là một phương pháp thiết kế thông minh, cân bằng giữa hiệu suất và giá thành, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi cho các tàu sông Việt Nam.

3.1. Lựa chọn sơ đồ nguyên lý xylanh lắc cho hệ thống lái

Sơ đồ hệ thống xylanh lắc với hai xylanh tác động kép được chọn làm nền tảng thiết kế. Ưu điểm của sơ đồ này là cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt, đặc biệt phù hợp với năng lực sản xuất trong nước. Hệ thống này sử dụng hai xylanh thủy lực gắn với một séctơ lái. Khi dầu được bơm vào, chuyển động tịnh tiến của piston được biến thành chuyển động quay của séctơ, từ đó làm quay trục bánh lái. Việc sử dụng khớp cầu tự lựa ở hai đầu xylanh và piston giúp khắc phục các sai số trong quá trình chế tạo và lắp đặt, tăng độ bền và độ tin cậy cho toàn bộ hệ thống lái ô tô và tàu thủy.

3.2. Sử dụng van phân phối thông thường thay thế van xéc vô

Đây là cải tiến cốt lõi giúp hệ thống đạt được tiêu chí giá rẻ. Thay vì van xéc vô phức tạp, hệ thống sử dụng van phân phối 3/4 điều khiển bằng điện từ. Loại van này có giá thành thấp, dễ tìm kiếm và thay thế. Tín hiệu điều khiển từ ECU sẽ kích hoạt cuộn hút của van, làm thay đổi hướng dòng dầu cao áp đến các xylanh. Khi không có tín hiệu, van sẽ ở vị trí trung gian, cho phép dầu hồi về bể, giúp giảm tải cho bơm. Giải pháp này chứng tỏ rằng có thể đạt được khả năng điều khiển kỹ thuật số mà không cần đến các linh kiện đắt đỏ, chỉ cần một thiết kế cơ-điện tử thông minh.

IV. Hướng dẫn tính toán các thông số kỹ thuật hệ thống lái

Việc tính toán chính xác các thông số kỹ thuật là yếu tố quyết định đến hiệu suất của hệ thống lái điện thuỷ lực kỹ thuật số giá rẻ. Nghiên cứu đã trình bày chi tiết quy trình tính toán cho một máy lái có mômen 1,5 Tm, áp dụng cho tàu sông có tải trọng dưới 1000 tấn. Các bước tính toán cốt lõi bao gồm: xác định mômen thủy động tác dụng lên trục lái dựa trên kích thước bánh lái và vận tốc tàu; tính toán lực tác dụng lên xylanh để chọn đường kính piston và áp suất làm việc; xác định lưu lượng cần thiết của bơm trợ lực lái điện để đảm bảo thời gian quay lái theo quy phạm (ví dụ, từ -35° đến +35° trong 20 giây). Ngoài ra, việc tính toán tổn thất áp suất trong hệ thống đường ống và lựa chọn dầu trợ lực lái điện phù hợp cũng rất quan trọng. Ví dụ, với mômen 1,5 Tm và bán kính séctơ 0,3m, áp suất làm việc cần thiết được tính toán vào khoảng 47,1 kg/cm². Các công thức và số liệu chi tiết trong tài liệu là cơ sở khoa học vững chắc cho việc thiết kế và sửa chữa hệ thống lái điện một cách hiệu quả.

4.1. Công thức tính mômen và lực tác dụng lên thước lái

Mômen thủy động tác dụng lên trục lái (Ms) được tính toán dựa trên các yếu tố như áp suất động của dòng chảy, diện tích bánh lái, và hệ số mômen. Công thức cơ bản là: Ms = Cm * q * A * b, trong đó Cm là hệ số mômen, q là áp suất động, A là diện tích và b là chiều rộng bánh lái. Từ mômen yêu cầu, lực tác dụng lên thước lái điện thuỷ lực (hay piston xylanh) được xác định. Áp suất làm việc (Δp) trong xylanh được tính bằng cách lấy mômen chia cho tích của bán kính séctơ và diện tích công tác của piston. Việc tính toán chính xác các lực này là nền tảng để lựa chọn kích thước xylanh và độ bền của các chi tiết cơ khí.

4.2. Xác định áp suất và lưu lượng cho bơm trợ lực lái điện

Sau khi xác định áp suất làm việc cần thiết trong xylanh, áp suất tổng của hệ thống phải tính thêm cả tổn thất áp suất trên đường ống (Δp tổn thất). Áp suất mà bơm trợ lực lái điện cần cung cấp là P_bơm = P_làm_việc + Δp_tổn_thất. Lưu lượng của bơm (Q) được quyết định bởi yêu cầu về thời gian quay lái. Theo quy phạm, thời gian quay hết góc lái (ví dụ 70°) không được quá 28 giây. Lưu lượng được tính bằng cách lấy tổng thể tích dầu cần dịch chuyển trong các xylanh chia cho thời gian quay lái yêu cầu. Ví dụ, để đạt thời gian 22 giây, lưu lượng bơm cần thiết được tính ra khoảng 25 lít/phút.

4.3. Lựa chọn dầu trợ lực lái điện và tính toán tổn thất

Việc lựa chọn dầu trợ lực lái điện phù hợp là rất quan trọng. Các thông số như độ nhớt, nhiệt độ bắt lửa, và khối lượng riêng ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất áp suất và hiệu suất hệ thống. Tài liệu đã chọn dầu công nghiệp 20 có độ nhớt 20 Cst ở 50°C. Tổn thất áp suất bao gồm tổn thất dọc đường (do ma sát với thành ống) và tổn thất cục bộ (khi dòng chảy qua van, cút nối). Các tổn thất này được tính toán dựa trên hệ số Reynon để xác định chế độ chảy (tầng hay rối) và các hệ số tổn thất cục bộ của từng thiết bị. Việc tính toán này giúp đảm bảo công suất động cơ lai bơm được chọn là đủ để hệ thống hoạt động ổn định ở tải tối đa.

V. Đánh giá đặc tính và ứng dụng hệ thống lái điện thuỷ lực

Để đánh giá tính khả thi, nghiên cứu đã tiến hành xây dựng mô hình và phân tích đặc tính động lực học của hệ thống lái điện thuỷ lực kỹ thuật số giá rẻ đã thiết kế. Thông qua việc xây dựng các hàm truyền và phân tích đặc tính quá độ, kết quả cho thấy hệ thống đáp ứng tốt các tiêu chuẩn về chất lượng điều khiển. Phân tích sự ảnh hưởng của các tham số như mômen quán tính (J), hệ số phản hồi (kph), và áp suất (p) đến độ vọt lố và thời gian quá độ đã chứng minh được sự ổn định và linh hoạt của hệ thống. Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng việc sử dụng van phân phối thông thường kết hợp với phản hồi cơ khí là một giải pháp hoàn toàn khả thi, có thể thay thế cho các hệ thống dùng van xéc vô đắt tiền. Ứng dụng thực tiễn của mô hình này rất lớn, đặc biệt là trong việc nâng cấp hệ thống lái cho đội tàu sông hiện có của Việt Nam. Giải pháp này không chỉ giúp hiện đại hóa phương tiện mà còn làm giảm cường độ lao động, tăng an toàn và hiệu quả khai thác với một chi phí lắp đặt trợ lực lái hợp lý.

5.1. Xây dựng mô hình và hàm truyền của hệ thống điều khiển

Chương III của tài liệu tập trung vào việc mô hình hóa hệ thống dưới dạng các sơ đồ khối và hàm truyền toán học. Hệ thống được chia thành các khâu như khâu khuếch đại, khâu van, khâu tích phân (xylanh), và khâu quán tính (bánh lái). Bằng cách tuyến tính hóa các phương trình mô tả động lực học của dòng chảy và cơ cấu chấp hành, một hàm truyền tổng thể của hệ thống được xây dựng. Mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng và phân tích hoạt động của hệ thống lái EHPS trên máy tính trước khi chế tạo thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

5.2. Phân tích ảnh hưởng của tham số đến chất lượng hệ thống

Nghiên cứu đã sử dụng các đồ thị đặc tính quá độ để đánh giá chất lượng hệ thống khi thay đổi các tham số đầu vào. Kết quả cho thấy, ví dụ, khi tăng mômen quán tính J của bánh lái, độ vọt lố và thời gian quá độ đều tăng, cho thấy hệ thống phản ứng chậm hơn. Ngược lại, việc tăng hệ số khuếch đại phản hồi (kph) giúp cải thiện tính ổn định của hệ thống. Những phân tích này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách tinh chỉnh hộp điều khiển ECU hệ thống lái và các thành phần cơ khí để đạt được hiệu suất tối ưu trong các điều kiện vận hành khác nhau.

VI. Bí quyết nâng cấp và tương lai hệ thống lái điện thuỷ lực

Nghiên cứu về hệ thống lái điện thuỷ lực kỹ thuật số giá rẻ không chỉ dừng lại ở một thiết kế cụ thể mà còn mở ra một hướng đi đầy tiềm năng cho tương lai. Bí quyết chính là khả năng nâng cấp và tích hợp. Việc điều khiển bằng tín hiệu số (liên tục hoặc gián đoạn) cho phép hệ thống dễ dàng kết nối với máy tính cá nhân. Điều này có nghĩa là có thể thực hiện lái tự động theo một hải trình đã được lập trình sẵn, một tính năng vô cùng hữu ích cho các chuyến đi dài. Hơn nữa, hệ thống có thể nhận tín hiệu từ các vệ tinh địa tĩnh (GPS) để tự động điều chỉnh hướng đi, tích hợp vào một mạng lưới vận tải thông minh cấp quốc gia. Tương lai của hệ thống lái trợ lực điện tử này là tự động hóa và thông minh hóa. Đối với người dùng cuối, việc nâng cấp hệ thống lái từ cơ khí lên điện-thủy lực kỹ thuật số không chỉ là một cải tiến về công nghệ mà còn là một khoản đầu tư thông minh, mang lại hiệu quả kinh tế và an toàn lâu dài. Khả năng sửa chữa hệ thống lái điện cũng trở nên dễ dàng hơn nhờ sử dụng các linh kiện phổ thông.

6.1. Khả năng kết nối máy tính và điều khiển tự động hóa

Một trong những ưu điểm lớn nhất của việc điều khiển bằng kỹ thuật số là khả năng giao tiếp với các thiết bị điện tử khác. Hệ thống có thể được lập trình để hoạt động ở chế độ lái tự động (Auto-pilot), duy trì hướng đi đã định sẵn mà không cần sự can thiệp liên tục của con người. Như luận văn đã đề cập, "có thể kết nối với máy tính cá nhân để thực hiện việc lái tự động theo chương trình cho trước". Điều này không chỉ giảm mệt mỏi cho người lái mà còn tối ưu hóa hành trình và tiết kiệm nhiên liệu.

6.2. Hướng phát triển và tích hợp với công nghệ định vị GPS

Tầm nhìn xa hơn là tích hợp hệ thống lái với công nghệ định vị toàn cầu (GPS) và la bàn con quay. Khi đó, tàu có thể tự động đi theo một tuyến đường được vạch sẵn trên bản đồ số, tự động điều chỉnh để bù lại ảnh hưởng của dòng chảy và gió. Hướng phát triển này mở ra khả năng điều khiển cả một mạng lưới vận tải đường thủy từ xa, nâng cao hiệu quả quản lý và khai thác. Đây là bước đi tiệm cận với công nghệ vận tải 4.0, áp dụng cho cả những phương tiện có chi phí đầu tư thấp, tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành vận tải thủy nội địa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LÁI TÀU THUỶ 1. Nguyên lý và cấu tạo. Để có thể điều khiển một con tàu chuyển động(chạy) được như mong muốn cần phải có một hệ thống các trang thiết bị chuyên dùng được gọi chung là hệ thống thiết bị lái. Để làm được điều đó thì yêu cầu của các hệ thống lái phải đáp ứng điều kiện sau: + Đảm bảo cho tàu có đặc tính ăn lái tốt, điều này có nghĩa là khi có tín hiệu điều khiển thì hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo chuyển hướng con tàu như mong muốn.

Về tính ăn lái của con tàu có thể hiểu đó là khả năng chuyển động của con tàu theo ý muốn của người lái. Điều đó có nghĩa là tàu phải có khả năng ổn định hướng đi cũng như thực hiện các xoay trở khi cần thiết. Do đó, tính ăn lái sẽ gồm hai lĩnh vực quan hệ mật thiết và đối lập nhau đó là tính ổn định hướng và tính xoay trở. Một con tàu có tính ổn định hướng tốt thì tính xoay trở sẽ kém và ngược lại.

Vì vậy khi thiết kế cần biết dung hoà các mâu thuẫn đó, phải nhấn mạnh những đặc tính nào cần thiết hơn cho từng loại tàu. Tính ăn lái phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dáng con tàu, số lượng chân vịt…Trong đó việc tính toán thiết kế xác định kích thước của, số lượng chân vịt cũng như mômen lái, tốc độ lái là vấn đề quan trọng nhất. + Hệ thống thiết bị lái ph¶i đảm bảo tù ổn định. Ở đây tính tù ổn định của quá trình lái được đặc trưng bởi khả năng chạy tàu và chuyển hướng (khi tàu đang chạy) tin cậy và không có dao động.

2 + Hệ thống thiết bị lái phải đảm bảo cho người lái thao tác thuận tiện, linh hoạt tin cậy và chính xác trong mọi tình huống. + Hệ thống thiết bị lái phải được trang bị đầy đủ các thiết bị đo báo, kiểm tra cảnh giới, an toàn và khiếm thiết, có thể nâng cấp lắp đặt thêm các hệ thống định vị và dẫn đường hiện đại nhất để đảm bảo tàu đi đúng hướng của hải trình. Ta hãy xem sơ đồ dưới đây để thấy được cấu tạo cơ bản của một hệ thống thiết bị lái: 1-Cánh bánh lái; 2-Ổ đỡ cánh bánh lái; 3-Ổ bi dưới; 4-Trục bánh lái; 5- Ổ bi trên của trục bánh lái; 6-Thiết bị lái ; 7-Hệ dẫn động lái; 8-Hệ dẫn động điều khiển ; 9-Cabin(đài) điều khiển.1 - Cấu tạo cơ bản của hệ thống lái 3 Các thành phần cấu tạo cơ bản của hệ thống thiết bị lái tàu, bao gồm: + Bánh lái-có kết cấu phẳng, khi quay chìm trong nước trong quá trình tàu chạy sẽ hình thành phản lực cần thiết để điều khiển tàu; + Trục bánh lái - được dùng để quay bánh lái; + Hệ dẫn động bánh lái: hệ thống truyền chuyển động từ phần tử điều khiển đến phần tử lái. + Phần tử lái: cơ cấu tạo ra mômen để dịch chuyển bánh lái; + Phẩn tử điều khiển: phần tử tạo ra tín hiệu điều khiển.

Trong thành phần hệ thống thiết bị lái còn có: Hệ dẫn động dự phòng và hệ dẫn động sự cố; Cơ cấu giới hạn góc quay của bánh lái; Các phần tử và cơ cấu phụ khác được sử dụng để đảm bảo cho hệ thống làm việc tin cậy và hiệu quả cao… Các thiết bị điều khiển tàu thường được phân thành hai nhóm chính, được đưa dưới hình 1. ThiÕt bÞ®iÒu khiÓn tµu Thô ®éng Chñ ®éng B¸ nh l¸ i § ¹ o luu B¸ nh l¸ i ThiÕt bÞ dÞch chuyÓn quay chñ ®éng l¸ i phun luång nuí c phôt ThiÕt bÞh· m C¬ cÊu ®/c DÞch chuyÓn Lo¹ i ®u êng cét ch©n vÞ kiÓu c¸ nh Cét quay C¬ cÊu ®/c B¸ nh l¸ i ch©n vÞt hÇm Hình 1.2- Sơ đồ phân loại các hệ thống thiết bị lái 4 1. Các yêu cầu cơ bản đối với máy lái tàu thuỷ: Khi tính toán thiết kế máy lái, người thiết kế phải nắm rõ được những quy định, yêu cầu đặt ra cho máy lái. Trong các quy phạm của đăng kiểm và công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển cã SOLAS (Safety of Life At Sea), đặc biệt là đối vối hệ thống điều khiển tàu (hệ thống lái) nhằm nâng cao tính an toàn cho con người cũng như hàng hoá trên biển.

Theo Đăng kiểm Việt Nam, công ước quốc tế SOLAS và quy phạm phân cấp đóng tàu biển vỏ thép Việt Nam là những cơ sở pháp lý cơ bản để người thiết kế, chế tạo và sử dụng, khi triển khai việc tính toán thiết kế, chế tạo và sử dụng các máy lái điện thuỷ lực xác định rõ những vấn đề kỹ thuật công nghệ, làm việc và an toàn … Về số lượng thiết bị lái, theo 20, quy định như sau: - Mỗi tàu phải được trang bị một máy lái chính và một máy lái phụ. Máy lái chính và máy lái phụ phải bố trí sao cho sự hư hỏng của một trong các máy đó không làm tê liệt hoạt động của máy lái kia. - Thiết bị lái chính có khả năng điều khiển hoạt động của bánh lái thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật khi các máy lái này làm việc. Cũng theo 20 các thiết bị lái chính và trục lái thì phải đảm bảo: - Có khả năng quay lái từ 350 mạn này sang 350 mạn kia khi tàu toàn tải và đang chạy tiến với vận tốc khai thác tối đa với thời gian không quá 28s - Trụ lái ở vùng séctơ phải có đường kính lớn hơn 120mm không kể phần kích thước gia cường.

- Được thiết kế sao cho không bị hỏng khi tàu chạy lùi với vận tốc tối đa. 5 Các thiết bị lái phụ phải đảm bảo: - Có đủ độ bền và khả năng điều khiển được tàu với vận tốc đảm bảo tính năng hàng hải của tàu và có khả năng hoạt động nhanh chóng khi máy lái chính gặp sự cố. - Có khả năng dịch chuyển bánh lái từ 150 mạn này sang 150 mạn kia trong vòng không quá 60s khi tàu toàn tải và đang chạy tiến với vận tốc bằng nửa vận tốc khai thác lớn nhất hoặc bằng 7 hải lý/h (lấy giá trị lớn hơn). - Lực quay vô lăng lái do người điều khiển không quá 160N (16kg).

Trong trường hợp bị mất nguồn bất kỳ trong các bộ động lực lái phải có tín hiệu bằng âm thanh và ánh sáng trên buồng lái. Các đường ống, két dầu theo 20 phải đảm bảo: - Hệ thống ống thuỷ lực phải được bố trí sao cho có thể sẵn sàng chuyển đổi được giữa các máy lái với nhau. - Có hệ thống xả khí ra khỏi hệ thống truyền động. - Áp lực thiết kế của ống phải chịu áp suất của chất lỏng ít nhất = 1,25 lần áp suất làm việc lớn nhất.

- Mỗi két chứa chất lỏng thuỷ lực phải có thiết bị báo động mức thấp của chất lỏng để chỉ báo sớm nhất sự rò rỉ chất lỏng. Tín hiệu này phải bằng âm thanh hoặc bằng ánh sáng tới buồng lái. Đề phòng xảy ra trường hợp khác thuỷ lực do một hư hỏng nào đó theo20 cũng quy định: - Hệ thống điều khiển thiết bị lái cho máy lái phụ ở buồng lái và buồng đặt máy lái. 6 - Hệ thống điều khiển thiết bị lái cho máy lái phụ ở buồng lái phải độc lập với hệ thống điều khiển máy lái chính.

- Ở khoang máy lái có thể ngắt hệ thống điều khiển từ cabin lái. - Phải có khả năng đưa hệ thống điều khiển hoạt động được từ mọi vị trí trên buồng lái. - Nếu mất nguồn điện cho hệ thống điều khiển, phải có tín hiệu bằng âm thanh và ánh sáng trên buồng lái. - Mạch điều khiển phải có thiết bị bảo vệ ngắt mạch.

- Có khả năng chuyển đổi nhanh chóng từ lái tự động sang lái trực tiếp. Đối với các hệ thống liên lạc và chỉ báo góc lái, quy định: - Có phương tiện liên lạc giữa buồng máy lái và buồng lái. - Vị trí của bánh lái tính bằng độ phải được chỉ báo trên buồng lái. Bộ chỉ báo góc lái phải độc lập với hệ thống điều khiển máy lái để nhận được một vị trí bánh lái trong buồng máy lái.

Thiết bị lái phải đặt trong một khoang kín nhưng cho phép tiếp cận dễ dàng, ngăn cách với buồng máy chính và được trang bị các phương tiện thích hợp, đảm bảo có thể tiếp cận với máy lái, hệ điều khiển nhanh chóng, an toàn. Các máy lái khác (trừ palăng lái) phải có khả năng tự hãm được; có bộ phận giới hạn góc quay lái bằng cơ khí về mỗi mạn cho phép, theo quy định là: ( max  10 )    ( max  1,50 ) 0 0 Trong đó: 7  max 0 : là góc quay lớn nhất của bánh lái theo sự điều khiển của hệ thống truyền động;  0 : Góc quay bánh lái sang một bên mạn. Góc  (góc bẻ lái) là góc mà từ đó cơ cấu hạn chế phải dừng chuyển động quay bánh lái phải ở góc  max  35,50. Đối vơi máy lái tay thì  max  350.

Các máy lái có động cơ chỉ được quay lái đến góc  max  35,50 , bánh lái ngừng quay trước khi chạm vào bộ giới hạn cơ khí. Phân loại các hệ thống máy lái tàu thuỷ thường gặp Trong hệ thống lái bất kỳ thì bộ phận tạo ra mômen và truyền tới trục bánh lái là máy lái. Nó có ảnh hưởng quan trọng tới khả năng cũng như sự ổn định trong quá trình làm việc của toàn bộ hệ thống lái. Đây là thiết bị chính và quan trọng nhất và cả hệ thống điều khiển của nó.

Các hệ truyền động lái có thể phân loại theo sơ đồ 1.3 HÖ truyÒn H? truy?n d?ng lái ®éng C¬ khÝ §iÖn c¬ §iÖn-Thuû lôc D©y Trôc Trôc B¸nh B¸nh Víi Víi Víi B¸nh c¸p vÝt r¨ng r¨ng xylanhpÝtt«ngm«t¬ r¨ng+ qu¹t qu¹t l¾c longzo thuû pÝtt«ng lùc longzo Hình 1.3 - Sơ đồ phân loại truyền động lái 8 Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu vài nét về các loại máy lái kể trên: Máy lái dây: Đây là loại máy lái dùng dây xích (cáp) để truyền động bằng tay. Thông qua vô lăng cỡ lớn được đặt trên đài lái. Loại này dùng cho các tàu cỡ nhỏ có mômen lái tới 0,4Tm. Nhược điểm của máy lái dây là có trọng lượng lớn, khi làm việc có tiêng ồn, thường bị kÑt ở vị trí chuyển hướng của các đầu nối, các chốt thường hay phải thay thế nhiều.