Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn gỗ phục vụ đóng mới và sửa chữa tàu cá ngày càng cạn kiệt do khai thác bừa bãi và thu hẹp diện tích rừng, việc tìm kiếm vật liệu thay thế là cấp thiết. Vật liệu composite, đặc biệt là loại GRP (Glassfiber Reinforced Plastic), đã được ứng dụng rộng rãi trong đóng tàu cá và tàu du lịch nhỏ tại Việt Nam. Tuy nhiên, nhược điểm lớn của tàu làm từ vật liệu composite là mức độ rung động và tiếng ồn cao hơn nhiều so với tàu cùng loại làm bằng gỗ hoặc thép.

Luận văn tập trung đo đạc và phân tích rung động của tàu Cồn Cỏ 01 – một tàu làm bằng vật liệu composite, nhằm đánh giá thực trạng rung động khi vận hành thực tế. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm tàu cá, Đại học Nha Trang, trong khoảng thời gian cụ thể với các thiết bị đo hiện đại, bao gồm máy đo DEWE-BOOK DEWETRON 16 kênh và phần mềm phân tích DASYLAB 7.0. Mục tiêu chính là xác định mức độ rung động của tàu so với các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 6954, ISO 4867 và ISO 10816, từ đó làm cơ sở cho các giải pháp giảm rung ồn hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng đóng mới và sửa chữa tàu cá bằng vật liệu composite, góp phần bảo vệ môi trường sinh thái và cải thiện điều kiện làm việc, sinh hoạt trên tàu. Các chỉ số rung động được đo đạc và phân tích chi tiết theo các vị trí khác nhau trên tàu, giúp đánh giá toàn diện về trạng thái rung động của tàu trong các điều kiện vận hành thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình rung động cơ học, đặc biệt tập trung vào:

  • Lý thuyết dao động điều hòa: Mô tả các đại lượng chuyển vị, vận tốc, gia tốc và quan hệ pha giữa chúng. Các đại lượng đặc trưng như giá trị đỉnh (peak), trung bình (TB), và RMS được sử dụng để phân tích rung động.
  • Phân tích Fourier: Phân tích phổ biên độ/tần số giúp tách các thành phần dao động điều hòa trong tín hiệu rung động phức tạp.
  • Cơ lý tính vật liệu composite GRP: Bao gồm thành phần nhựa nền (Polyester không no, Epoxy, Vinylester...) và cốt sợi thủy tinh (sợi đồng phương, vải thủy tinh, mat). Vật liệu composite có tính chất phi đẳng hướng, mô đun đàn hồi thay đổi theo không gian, ảnh hưởng đến đặc tính rung động của tàu.
  • Các tiêu chuẩn đánh giá rung động: ISO 6954 (rung động ảnh hưởng đến con người trên tàu), ISO 4867 (rung động kết cấu thân tàu), ISO 10816 (rung động máy móc thiết bị trên tàu).
  • Nguồn rung động và khả năng rung động của tàu: Bao gồm rung động khung thân tàu do lực chân vịt, mất cân bằng động cơ, rung động các cụm kết cấu chính, phần tử kết cấu cục bộ, thiết bị chủ động và bị động, cũng như các dạng rung động dọc trục, xoắn và xung quanh cơ cấu đẩy chính.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ đo đạc thực nghiệm trên tàu Cồn Cỏ 01, một tàu composite dài 18,5m, rộng 4,2m, cao 2,4m, động cơ diesel YANMAR 210HP, chân vịt 3 cánh đường kính 0,9m.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn 9 vị trí đo trên tàu, bao gồm mũi tàu, đuôi tàu, bệ máy, buồng lái và khoang khách, với các hướng đo thẳng đứng và ngang nhằm bao quát toàn bộ trạng thái rung động.
  • Thiết bị đo: Máy đo DEWE-BOOK DEWETRON 16 kênh, đầu đo gia tốc B&K 5958 và Model 750, phần mềm phân tích DASYLAB 7.0.
  • Phương pháp phân tích: Tín hiệu gia tốc được thu thập trong miền thời gian, sau đó xử lý bằng các module lọc, tích phân (để chuyển đổi sang vận tốc và chuyển vị), phân tích phổ FFT để xác định các thành phần tần số nổi bật. Các giá trị RMS, peak được tính toán để so sánh với tiêu chuẩn.
  • Timeline nghiên cứu: Đo đạc được thực hiện trong điều kiện vận hành bình thường, với tốc độ động cơ thay đổi từ 600 đến 2600 vòng/phút, bao gồm cả chế độ tăng tốc và giảm tốc trong khoảng 50 giây để xác định các tần số cộng hưởng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mức rung động ảnh hưởng đến thân thể con người:

    • Giá trị gia tốc RMS theo tiêu chuẩn ISO 6954 tại các vị trí đo thẳng đứng dao động từ 149.1 mm/s² (mũi tàu) đến vượt mức cho phép 286 mm/s² tại đuôi tàu và khoang khách.
    • Phòng lái đạt tiêu chuẩn 100%, trong khi khoang khách có mức rung vượt ngưỡng cho phép, gây khó chịu cho hành khách.

  2. Rung động kết cấu thân tàu:

    • Giá trị vận tốc RMS đo được tại các vị trí thân tàu dao động từ 9.45 mm/s đến dưới mức giới hạn 30 mm/s theo ISO 4867, cho thấy kết cấu thân tàu có mức rung động thấp, đảm bảo an toàn kết cấu.

  3. Rung động máy móc thiết bị:

    • Ở tốc độ động cơ từ 600 đến 1200 vòng/phút, gia tốc đỉnh tại bệ máy nằm trong giới hạn 7000 mm/s² theo ISO 10816.
    • Khi tốc độ vượt 1300 vòng/phút, gia tốc đỉnh tăng vượt mức cho phép, lên đến hơn 30.000 mm/s², tiềm ẩn nguy cơ hư hỏng máy móc.

  4. Phân tích phổ tần số:

    • Các thành phần rung động nổi bật có tần số biến đổi từ 30 Hz đến 130 Hz, tương ứng bội 3 của tốc độ quay động cơ.
    • Bệ máy rung mạnh nhất ở tần số 65 Hz và 75 Hz, mũi tàu và đuôi tàu có các tần số nổi bật khác nhau, phản ánh sự phức tạp của nguồn rung động.
    • Khoang khách phía sau có nhiều tần số rung động mạnh, bao gồm 50, 60, 75 và 95 Hz, làm tăng mức độ rung động tổng thể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của rung động vượt mức tại các vị trí như đuôi tàu và khoang khách là do đặc tính vật liệu composite có mô đun đàn hồi thấp và hệ số giảm chấn kém hơn so với gỗ hoặc thép, dẫn đến khả năng hấp thụ và truyền rung động kém. Rung động máy móc vượt mức cho phép ở tốc độ cao có thể do mất cân bằng động cơ, lệch trục hoặc các lỗi trong hệ thống truyền động, gây ra các lực kích động mạnh tại các tần số bội của tốc độ quay.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với thực tế rằng tàu composite thường gặp vấn đề rung động và ồn cao hơn, đặc biệt khi vận hành ở tốc độ lớn. Việc phân tích phổ tần số giúp xác định rõ các nguồn rung động chủ yếu, từ đó có thể tập trung xử lý hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phổ tần số tại các vị trí đo, biểu đồ so sánh giá trị RMS và peak với tiêu chuẩn, cũng như đồ thị gia tốc theo thời gian trong quá trình tăng tốc để minh họa trạng thái rung động quá độ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu thiết kế và vật liệu vỏ tàu

    • Áp dụng các lớp vật liệu composite có tính năng giảm chấn cao hơn hoặc kết hợp vật liệu để tăng mô đun đàn hồi, giảm rung động truyền qua thân tàu.
    • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng.
    • Chủ thể: Nhà sản xuất tàu, viện nghiên cứu vật liệu.

  2. Cải tiến hệ thống truyền động và cân bằng động cơ

    • Kiểm tra, hiệu chỉnh cân bằng động cơ và trục quay, bảo dưỡng định kỳ để giảm rung động máy móc vượt mức.
    • Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành.
    • Chủ thể: Chủ tàu, kỹ thuật viên bảo trì.

  3. Lắp đặt hệ thống giảm rung và cách âm

    • Sử dụng đế đàn hồi, vật liệu cách âm tại các vị trí bệ máy và khoang khách để giảm truyền rung động và tiếng ồn.
    • Thời gian thực hiện: 3-6 tháng.
    • Chủ thể: Nhà đóng tàu, đơn vị thi công.

  4. Theo dõi và đo đạc định kỳ rung động

    • Thiết lập quy trình đo đạc rung động định kỳ theo tiêu chuẩn ISO để phát hiện sớm các vấn đề và điều chỉnh kịp thời.
    • Thời gian thực hiện: hàng năm hoặc theo chu kỳ vận hành.
    • Chủ thể: Chủ tàu, cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà sản xuất tàu và vật liệu composite

    • Lợi ích: Nắm bắt đặc tính rung động của vật liệu composite trong thực tế, từ đó cải tiến thiết kế và vật liệu.
    • Use case: Phát triển tàu composite có độ rung thấp hơn, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  2. Chủ tàu và đơn vị vận hành

    • Lợi ích: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến rung động, áp dụng các biện pháp bảo trì và vận hành phù hợp.
    • Use case: Giảm thiểu hư hỏng máy móc, nâng cao sự thoải mái cho thủy thủ và hành khách.

  3. Chuyên gia kỹ thuật và bảo trì tàu

    • Lợi ích: Có cơ sở khoa học để phân tích, chẩn đoán và xử lý các vấn đề rung động trên tàu composite.
    • Use case: Thiết kế kế hoạch bảo trì, sửa chữa hiệu quả.

  4. Cơ quan quản lý và nghiên cứu khoa học

    • Lợi ích: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích để xây dựng tiêu chuẩn, quy định về rung động tàu composite.
    • Use case: Đề xuất chính sách, hướng dẫn kỹ thuật cho ngành đóng tàu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tàu làm bằng vật liệu composite lại có rung động cao hơn tàu gỗ hoặc thép?
    Vật liệu composite có mô đun đàn hồi thấp và hệ số giảm chấn kém hơn so với gỗ và thép, dẫn đến khả năng hấp thụ rung động kém, làm tăng biên độ rung động truyền qua thân tàu.

  2. Các tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá rung động trên tàu?
    Các tiêu chuẩn chính gồm ISO 6954 (ảnh hưởng rung động đến con người), ISO 4867 (rung động kết cấu thân tàu) và ISO 10816 (rung động máy móc thiết bị trên tàu), giúp đánh giá mức độ rung động và đưa ra giới hạn an toàn.

  3. Làm thế nào để đo đạc rung động trên tàu composite?
    Sử dụng các đầu đo gia tốc áp điện, máy đo đa kênh và phần mềm phân tích tín hiệu để thu thập và xử lý dữ liệu gia tốc, vận tốc, chuyển vị tại các vị trí trọng yếu trên tàu trong các điều kiện vận hành thực tế.

  4. Nguyên nhân chính gây rung động vượt mức trên tàu Cồn Cỏ 01 là gì?
    Nguyên nhân chủ yếu là do rung động máy móc vượt mức khi động cơ hoạt động ở tốc độ cao, mất cân bằng động cơ, cùng với đặc tính vật liệu composite làm tăng biên độ rung động thân tàu.

  5. Giải pháp nào hiệu quả để giảm rung động trên tàu composite?
    Các giải pháp bao gồm cải tiến vật liệu composite, cân bằng động cơ và hệ truyền động, lắp đặt hệ thống giảm rung và cách âm, cùng với theo dõi và bảo trì định kỳ để kiểm soát rung động.

Kết luận

  • Luận văn đã thực hiện đo đạc và phân tích chi tiết rung động trên tàu composite Cồn Cỏ 01, cung cấp dữ liệu thực nghiệm quan trọng về mức độ rung động trong các điều kiện vận hành thực tế.
  • Kết quả cho thấy rung động thân tàu và máy móc có những vị trí vượt mức tiêu chuẩn, đặc biệt ở tốc độ động cơ cao và các khoang khách, ảnh hưởng đến an toàn và sự thoải mái.
  • Nghiên cứu áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế ISO 6954, ISO 4867 và ISO 10816 để đánh giá toàn diện các khía cạnh rung động.
  • Đề xuất các giải pháp cải tiến vật liệu, cân bằng động cơ, lắp đặt hệ thống giảm rung và theo dõi định kỳ nhằm giảm thiểu rung động và tiếng ồn.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu trên các loại tàu composite khác và phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp cho ngành đóng tàu composite tại Việt Nam.

Các nhà nghiên cứu, kỹ sư đóng tàu và chủ tàu nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng và hiệu quả vận hành tàu composite, đồng thời tiếp tục theo dõi và cải tiến nhằm phát triển ngành đóng tàu bền vững.