Thiết kế các phương tiện nâng, mở cho lưới kéo

Tỉ số hình dáng (λ)

Tỉ số hình dáng (λ) của ván lưới kéo là tỉ số của bình phương kích thước chiều dài ván với diện tích thật sự của ván lưới (H.1avà H.1b). Nghĩa là,

λ=L2S size 12{λ= { {L rSup { size 8{2} } } over {S} } } {} (6.45)

Trong đó:L - là kích thước chiều rộng (hoặc chiều cao) của ván lưới kéo; S - là diện tích thật sự của ván lưới kéo.

Thông thường, tỉ số hình dáng (λ) của ván lưới thường nhỏ hơn 1 (λ < 1).

• Đối với lưới kéo tầng đáy và tầng giữa thì λ = 0,5 ÷ 0,75.
• Tuy nhiên, có một số loại ván của lưới kéo tầng giữa có thể có λ = 2 ÷ 6.

Góc tống ván lưới

Góc tống ván lưới là góc hợp bởi phương di chuyển tới của ván với mặt phẳng ván lưới. Góc tống ván lưới sẽ quyết định độ mở ngang (hoặc mở cao) cho lưới kéo và độ ổn định của ván lưới. Tuy nhiên, để đánh giá khả năng làm việc của ván người ta quan tâm đến các đại lượng có tính quyết định, ảnh hưởng đến góc tống của ván là góc tống tới hạn (α) và góc xây dựng ván (θ).

Góc tống tới hạn (αgh),

Góc tống tới hạn (αgh), là góc tống của ván lưới mà ứng với góc tống đó thì độ mở ngang (hoặc độ nâng) của ván lưới đạt giá trị cực đại (H.2). Về phương diện vật lý, ở góc tống giới hạn sẽ có sự khác biệt giữa 2 loại dòng chảy dòng qua bề mặt của ván.

• Khi α<αgh thì dòng chảy vòng từ mặt trên xuố mặt dưới (hay từ mặt trong ra mặt ngoài) của ván áp sát vào ván lưới.

• Khi α>αgh thì dòng chảy vòng từ mặt trên qua mặt dưới (hay từ mặt trong ra mặt ngoài) của ván không thể áp sát vào ván lưới được và bị tách ra và vì thế mà làm cho hệ số lực cản Ksc của ván tăng lên.

Góc xây dựng của ván (θ)

Góc xây dựng của ván (θ) hay còn gọi là góc cấu tạo ván lưới, là góc hợp giữa trục dọc của ván lưới với phương đường thẳng nối giữa hai điểm đặt lực căng của dây đỏi và điểm đặt lực căng của dây cáp kéo (H.3).

Xác định góc xây dựng ván

Khi ván lưới kéo làm việc trong nước, ván phải chịu các lực tác dụng như sau:

• Lực căng của dây cáp kéo (R₁)
• Hợp lực của các lực thủy động (R₂)
• Lực căng của dây đỏi (R₃)
• Trọng lượng của ván trong nước (G)
• Lực ma sát của ván với nền đáy (R_ms)

Để tính toán được góc xây dựng ván, trước hết ta:

• Tịnh tiến R2 theo phương của nó đến điểm O₂.
• Tịnh tiến R3 theo phương của nó đến điểm O₂.

Một khi cân bằng cho các lực được tạo ra, khi đó ta có: R1 = R2 + R3 = R´1và góc tống làm việc của ván lưới khi đó sẽ là:

α = β + θ (6.48)

Thông thường góc tống dây đỏi là β = 13o ÷15o. Từ đây ta có thể xác định góc xây dựng ván lưới theo công thức (6.39).

Ví dụ: Trên cơ sở ta chọn β = 15o. Nếu ta muốn có góc tống tới hạn α = 35o, khi đó góc xây dựng ván θ sẽ là:

θ = α - β =35 o – 15 o = 20 o

Nghĩa là, để đảm bảo cho ván làm việc tốt nhất thì ta phải thiết kế ván lưới sao cho góc xây dựng ván θ làm việc ở góc là 20^o.

Một khi ván lưới kéo đã làm việc ổn định trong nước thì khi đó các tọa độ và các momen đều phải ở trạng thái ổn định và cân bằng, nghĩa là:

• Ba phương trình về hình chiếu của các tọa độ phải là:

ΣX = 0; ΣY = 0; ΣZ = 0

• Ba phương trình về các momen lực cũng phải là:

ΣM_X = 0; ΣM_Y = 0; ΣM_Z = 0

Để xét sự ổn định của ván, ta cần xác định chính xác tâm áp lực của ván.

Tâm áp lực của ván lưới kéo

Tâm áp lực của ván là vị trí của lực tổng hợp tác dụng lên ván (H.5). Tâm áp lực là một hàm phụ thuộc vào góc tống α, khi góc tống α thay đổi thì tâm áp lực sẽ di chuyển trên trục X. Cụ thể là:

• Khi ván làm việc với góc tống α = 90^o thì tâm áp lực vẫn nằm trên trục X, nhưng tại trung điểm của ván.
• Khi ván làm việc với góc tống α < 90^o thì tâm áp lực vẫn nằm trên trục X, nhưng dịch chuyển về phía trước của ván.

Để có thể biết được vị trí của tâm áp lực, ta có phương trình và đồ thị sau biểu thị vị trí tương đối của tâm áp lực (Cd) ứng với các góc tống α khác nhau.

Cd=xb=f(α) size 12{C rSub { size 8{d} } = { {x} over {b} } =f ( α ) } {} (6.49)

Sự làm việc ổn định của ván lưới kéo thì phụ thuộc vào sự ổn định của vị trí tương đối của tâm áp lực Cd.

Từ đồ thị H.6 ta thấy rằng trong khoảng α = 20^o ÷ 40^o thì Cd ít thay đổi. Vì vậy, ta nên chọn góc tống α ở khoảng này.

Khi tâm áp lực (O) tạo được sự ổn định cho ván lưới thì khi đó tất cả tổng momen các lực theo các phương x, y, z được xem như bằng không. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc của ván một khi có sự thay đổi trong cấu tạo lưới hoặc dây treo ván hoặc điều kiện nền đáy biển thì tâm áp lực sẽ thay đổi. Khi đó các momen lực sẽ gây cho ván làm việc không ổn định theo một chiều hướng ảnh hưởng nào đó. Cụ thể ta hãy:

Xét sự cân bằng đối với trục Z

Khi đó, điều kiện cân bằng là: ΣM_Z = 0 (trục Z hướng ra ngoài)

Momen R1xy và R3xy làm thay đổi góc tống

Ta thấy rằng momen đối với trục Z sẽ làm thay đổi góc tống α (H.7). Cụ thể là:

• Momen do R1xy gây ra sẽ làm tăng góc tống α.
• Momen do R3xy gây ra sẽ làm giảm góc tống α.

Xét sự cân bằng đối với truc X

Khi đó, điều kiện cân bằng là:

ΣM X = 0

Ta thấy rằng momen đối với trục X sẽ làm cho ván bị nghiêng (H.9). Cụ thể là:

• Momen do Rms gây ra sẽ làm cho ván nghiêng về phía trong.
• Momen do R1yz gây ra sẽ làm cho ván bị nghiêng ra phía ngoài.

Để cho ván luôn làm việc với vị trí thẳng đứng thì cần phải nâng cung ván lên trên sao cho hình chiếu của điểm liên kết khi được chiếu lên ván sẽ nằm ở phía trên.

Trong thực tế, đối với các lưới kéo cơ giới thì ván rất nặng, và trong khi làm việc nó hơi nghiêng vào tróng một chút.

Xét cân bằng đối với trục Y

Khi đó, điều kiện cân bằng là: ΣMY = 0. Momen của các lực đối với trục Y sẽ làm cho ván khi làm việc trong nước thường ngóc đầu lên hoặc chúi mũi xuống. Thông thường người ta thường thiết kế cho ván hơi ngóc đầu lên một chút để ván có thể lướt bùn.

Momen lực R1XZ sẽ làm cho ván làm cho ván ngóc lên hay chúi mũi xuống tùy thuộc vào vị trí hình chiếu điểm liên kết với dây kéo là ở trên hay dưới trục X. Thường để cho ván làm việc trong nước người ta thường nâng hình chiếu của điểm liên kết lên trên trục X một ít. Ngoài ra để có thể điều chỉnh ván chênh lên hay chênh xuống người ta có thể điều chỉnh dây so ván (H.9).

Tính lực mở và lực cản của ván lưới

Như đã được giới thiệu trong phần lý thuyết về ngư cụ, ta có thể tính lực mở và lực cản của ván bởi hai phương trình cơ bản sau:

Lực mở (hoặc lực bổng): Ry=Cy(λ,α,Re).ρ.V22.F size 12{R rSub { size 8{y} } =C rSub { size 8{y} } ( λ,α",Re" ) "." { {ρ "." V rSup { size 8{2} } } over {2} } "." F} {}

và Lực cản : Rx=Cx(λ,α,Re).ρ.V22.F size 12{R rSub { size 8{x} } =C rSub { size 8{x} } ( λ,α",Re" ) "." { {ρ "." V rSup { size 8{2} } } over {2} } "." F} {}

Trong đó: Cy và Cx, tương ứng, là hệ số lực mở (hoặc lực bổng) và hệ số lực cản của ván lưới. Chúng là một hàm của các đại lượng λ, α và hệ số Re.

Dù ta hoàn toàn có thể tính các hệ số Cy và Cx bằng phương pháp toán học, nhưng sẽ có sai số lớn do bởi thực tế các giá trị này chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố ngẫu nhiên khác trong quá trình hoạt động dưới biển. Vì thế, thường người ta thích chọn giá trị của nó qua thực nghiệm.

Từ thực nghiệm người ta đã vẽ được các đường cong C_y = f(α) (H.10) và C_x = f(α) (H.11) mà không cần xét Cy và Cx phụ thuộc vào λ và Re, bởi nếu ta cho ván lưới làm việc trong khu vực mô hình tự động thì chúng sẽ không phụ thuộc vào số Re. Còn đối với λ thì mỗi ván tự thân chúng đã có một giá trị xác định.

Ta có các đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Cy và Cx vào α đối với một số loại ván có λ khác nhau như sau:

Hệ số lực mở phụ thuộc vào góc tống α

Chất lượng thủy động lực của ván (K)

Chất lượng thủy động lực (K) của ván nói lên chất lượng làm việc của ván, có quan hệ đến tính ổn định và cân đối của ván, nó tỉ lệ giữa lực mở và lực ma sát của ván và liên quan đến góc tống α như sau:

K=RyRx=CyCx=f(α) size 12{K= { {R rSub { size 8{y} } } over {R rSub { size 8{x} } } } = { {C rSub { size 8{y} } } over {C rSub { size 8{x} } } } =f ( α ) } {} (6.50)

ở đây: Ry và Cy, tương ứng, là lực mở và hệ số lực mở của ván; Rx và Cx, tương ứng, là lực cản và hệ số lực cản của ván.

Trong cùng một ván thì chất lượng thủy động thường đạt cực đại ở góc tống α nhỏ, trong khi đó góc tống tới hạn αgh lại có giá trị lớn, nên người ta vẫn buộc phải sử dụng hệ số α nhỏ để đạt chất lượng thủy động là tốt nhất (H.12). Chẳng hạn, thông thường góc tống tới hạn α_gh = (35÷ 40)^o, nhưng Kmax chỉ ứng với α = (10÷15)^o

Sự phụ thuộc của K và Cy vào α

Lực cản ma sát của ván

Trong quá trình làm việc trong nước ván phải chịu lực cản ma sát do bản thân trọng lượng ván gây ra. Lực cản ma sát của ván được xác định như sau:

R ms = f . G

ở đây: f là hệ số ma sát, f = (0,35 ÷ 0,50); G là trọng lượng của ván trong nước.

Trọng lượng của ván trong nước G có thể được xác định theo công thức sau:

G = 0,87.M kl – (0,3÷0,4).M g

Trong đó: Mkl - là trọng lượng phần kim loại trong không khí; Mg - là trọng lượng phần gỗ trong không khí.

Hiện nay người ta thường thế phao thủy tĩnh bằng phao thủy động, một dạng phao thủy động là ván nâng miệng lưới (diều). Ván nâng miệng lưới được lắp tại trung điểm của miệng lưới kéo. Thông thường ván nâng miệng lưới là những mạnh gỗ ghép lại có λ = 0,5 và được tính toán tương tự như ván mở.

Tính lực nổi của phao thủy tĩnh

Trong lưới kéo, phao thủy tĩnh có dạng hình cầu bằng kim loại, hoặc thủy tinh tổng hợp, hoặc nhựa,... Nếu gọi Q là lực nổi trong nước của phao, khi đó:

Q = D – P

Trong đó:D - là lực nổi của phao; và P là trọng lực của phao trong nước.

Lực nổi (D) và trọng lượng (P) của phao được xác định như sau:

D = γn . V1và P = γ . V2

ở đây: V1 - là thể tích bên ngoài của phao; V2 - là thể tích của vật liệu phao; γn - là trong lượng riêng của nước; và γ - là trọng lượng riêng của vật liệu phao.

Tính lực nổi của phao thủy động

Lực nổi của phao thủy động bao gồm hai thành phần là: lực nổi thủy tĩnh q và lực nổi thủy động Ry. Nghĩa là:

Q = q + R y

Khi vận tốc dắt lưới Vdl = 0 thì lực nổi của phao thủy động sẽ là: Q = q; còn khi Vdl ≠ 0 thì lực nổi của phao thủy động sẽ là: Q = q + Ry.

Tuỷ dạng phao thủy động và vận tốc dắt lưới mà thành phần lực nổi thủy động sẽ lớn hơn rất nhiều lần so với thành phần lực nổi thủy tĩnh. Bảng 1 dưới đây giới thiệu lực nổi thủy tĩnh và lực nổi thủy động của phao cầu được dùng trong lưới kéo.

• Sức cản của phao thủy động được tính theo công thức:

ở đây: Cx phụ thuộc vào hệ số Reynolds (H 6.24),

C x = f(Re)

Có một khoảng của hệ số Re nơi đó sẽ cho lực cản là ổn định nhất (khu vực mô hình tự động)

• Sức nổi thủy động của phao thủy động, cũng được xác định theo công thức:

ở đây: Cy phụ thuộc vào góc tống α, Cy = f(α).

• Còn chất lượng thủy động của phao thủy động cũng được đánh giá là:

ở đây: d - là đường kính của hình cầu.

Đối với phao hình cầu (thủy động hoặc thủy tĩnh), chất lượng thủy động K thì tỉ lệ với đường kính phao (d). Nghĩa là, nếu phao hình cầu có đường kính lớn hơn sẽ có lực nổi lớn hơn nhiều lần so với phao có đường kính nhỏ hơn. Trong thực tế, người ta thường dùng phao hình cầu có đường kính từ d = 200–400 mm.

• Độ dầy cần thiết của phao cầu (δ) có thể được tính theo công thức sau:

δ=P.d2.σ size 12{δ= { {P "." d} over {2 "." σ} } } {} (mm) (6.51)

ở đây: P - là áp lực nước tác dụng lên phao cầu thủy tĩnh (Kg/cm²); d - là đường kính của phao cầu (mm); σ - là ứng suất nén cho phép của vật liệu làm phao cầu (kg/cm²)

• Từ đây, nếu như ta biết được σ, δ, d ta có thể tính được độ sâu làm việc cực đại cho phép (H) của phao cầu theo công thức thực nghiệm sau: