Bước đầu nghiên cứu tạo vật liệu Composite để chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU<br /> <br /> BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỂ CHẾ TẠO CHÂN VỊT<br /> TÀU CÁ CỠ NHỎ<br /> INITIAL STUDY ON COMPOSITE MATERIAL FOR MANUFACTURING MARINE PROPELLERS OF<br /> SMALL FISHERY SHIPS<br /> ThS. Trần An Xuân<br /> Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> Tóm tắt:<br /> Trên cơ sở xác định nhu cầu sử dụng, yêu cầu về cơ tính và tính công nghệ chế tạo của chân vịt<br /> tàu cá cỡ nhỏ nước ta đến 2010 và 2020, bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu bước đầu về khả<br /> năng tạo vật liệu Composite cốt sợi ngắn nền nhựa Polyeste không no để chế tạo chân vịt tàu cá cỡ<br /> nhỏ (công suất máy chính dưới 150CV) bằng phương pháp đúc áp lực trong khuôn kim loại ở nhiệt<br /> độ thường.<br /> Từ khóa: chân vị, composite, tàu cá cỡ nhỏ<br /> Abstract:<br /> Base on determining demands for using, the requirement of mechanical-ness and technologicalness in manufacturing marine propellers of small fishery ships in Vietnam from 2010 to 2020, this<br /> article presents the result of the first step in researching on manufacturing Composite material short<br /> fiber on unsatured polyester matrix for manufacturing marine propellers of small fishery ships (power<br /> engine under 150hp) by pressure molding metal mould method in normal temperature.<br /> Keywords: propeller, composite, small fishery ship.<br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Là quốc gia biển, Việt Nam hiện có hạm<br /> <br /> - Số lượng tàu có công suất máy từ 21 -<br /> <br /> đội tàu đánh cá khá lớn với gần 91.000 chiếc,<br /> đã và đang thực hiện khai thác gần 2 triệu tấn<br /> <br /> 45 CV: 20.000 chiếc;<br /> - Số lượng tàu có công suất máy từ 20<br /> <br /> hải sản/năm [4]. Đây là cơ sở vật chất kỹ thuật<br /> quan trọng góp phần đưa Việt Nam đứng vào<br /> <br /> CV trở xuống: 10.000 chiếc<br /> Định hướng đến 2020:<br /> <br /> hàng ngũ các cường quốc về kinh tế thủy sản<br /> <br /> 1. Tiếp tục phát huy lợi thế về tiềm năng,<br /> <br /> của thế giới.<br /> Theo "Quy ho
ch tng th phát trin<br /> <br /> trên cơ sở công nghiệp hoá, hiện đại hoá, phát<br /> triển các vùng sản xuất tập trung gắn với phát<br /> <br /> ngành thu sn đn năm 2010 và đ nh<br /> h<br /> ng đn năm 2020" đã được Thủ tướng<br /> <br /> triển công nghiệp chế biến và dịch vụ nghề cá,<br /> hình thành các trung tâm nghề cá lớn tại một<br /> <br /> chính phủ phê duyệt ngày 11 tháng 01 năm<br /> 2006, Số lượng tàu thuyền đánh cá của nước<br /> <br /> số trọng điểm ven biển và đồng bằng Nam Bộ.<br /> 2. Đa dạng cơ cấu sản phẩm thủy sản<br /> <br /> ta đến năm 2010 giữ ở mức 50.000 chiếc,<br /> <br /> chế biến, đồng thời phát triển sản xuất một số<br /> <br /> trong đó:<br /> - Số lượng tàu có công suất máy lớn hơn<br /> <br /> loại sản phẩm chủ lực mang tính đặc trưng<br /> của thuỷ sản Việt Nam, có giá trị và sức cạnh<br /> <br /> 75 CV: 6.000 chiếc;<br /> - Số lượng tàu có công suất máy từ 46 -<br /> <br /> tranh cao để chiếm lĩnh thị trường xuất khẩu,<br /> giữ vững là ngành có kim ngạch xuất khẩu cao.<br /> <br /> 75 CV: 14.000 chiếc;<br /> <br /> 66<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> 3. Đồng thời với phát triển khai thác xa bờ<br /> hợp lý, ổn định khai thác vùng ven bờ, phát<br /> <br /> II. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> <br /> triển mạnh nuôi trồng thuỷ sản, đa dạng hình<br /> <br /> chọn phương pháp nghiên cứu :<br /> <br /> thức nuôi và cơ cấu giống nuôi, nhất là nuôi<br /> trên biển, nhằm khai thác tiềm năng còn lớn,<br /> <br /> 1. Tính toán lý thuyết xác định yêu cầu cơ<br /> tính và công nghệ chế tạo chân vịt tàu cá cỡ<br /> <br /> giải quyết việc làm lao động nông thôn ven<br /> biển, có thu nhập ổn định, góp phần quan<br /> <br /> nhỏ từ vật liệu Composite<br /> 2. Thực nghiệm nghiên cứu thành phần<br /> <br /> trọng bảo vệ nguồn lợi thuỷ sản, bảo vệ môi<br /> trường sinh thái ven biển bền vững, đồng thời<br /> <br /> vật liệu Composite nhằm đáp ứng tốt các yêu<br /> cầu kỹ thuật và công nghệ nêu trên<br /> <br /> là nguồn cung cấp chủ yếu nguyên liệu cho<br /> <br /> Theo phương pháp nghiên cứu đã chọn,<br /> <br /> xuất khẩu.<br /> Theo thông tin và số liệu trên, thành phần<br /> <br /> Tác giả đã triển khai nghiên cứu theo các nội<br /> dung chính sau:<br /> <br /> tàu đánh cá của nước ta hiện nay và đến 2020<br /> về cơ bản vẫn là tàu cỡ nhỏ có công suất từ<br /> <br /> 1. Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản<br /> của chân vịt tàu cá cỡ nhỏ nước ta và ứng suất<br /> <br /> 20CV đến 150CV.<br /> Trong kết cấu tàu thủy nói chung và tàu<br /> <br /> lớn nhất sinh ra trên chân vịt trong sử dụng.<br /> 2. Lựa chọn và thử nghiệm bước đầu cấu<br /> <br /> cá nói riêng, chân vịt là một chi tiết đặc biệt<br /> <br /> trúc vật liệu Composite thỏa mãn các yêu cầu<br /> <br /> quan trọng. Cho đến nay chân vịt tàu cá nước<br /> ta vẫn được đúc thủ công từ hợp kim đồng<br /> <br /> kỹ thuật và công nghệ chế tạo chân vịt tàu cá<br /> cỡ nhỏ<br /> <br /> bằng khuôn cát nên độ chính xác hình học và<br /> tính cân bằng không cao. Với giá kim loại màu<br /> <br /> 3. Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu<br /> tiếp theo.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU<br /> <br /> Thực hiện định hướng trên, Tác giả đã<br /> <br /> đang tăng cao nên giá thành chân vịt đúc từ<br /> hợp kim đồng đã trở nên rất đắt và gây ảnh<br /> <br /> 1. Các thông s k<br /> thut cơ bn ca chân<br /> <br /> hưởng không nhỏ đến khả năng sản xuất của<br /> <br /> v t tàu cá c nh :<br /> <br /> tàu cá nói riêng và ngành thủy sản nói chung.<br /> Việc tìm ra một vật lịệu và công nghệ mới<br /> <br /> Theo số liệu thống kê năm 2000 [2]. Chân<br /> vịt tàu cá cỡ nhỏ của nước ta hiện được đúc<br /> <br /> để chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ có giá thành<br /> rẻ, tính công nghệ cao và làm việc tốt trong<br /> <br /> bằng hợp kim đồng trên khuôn cát với các<br /> thông số kỹ thuật cơ bản sau:<br /> <br /> môi trường biển là một giải pháp hữu hiệu để<br /> giải quyết khó khăn trên. Theo định hướng<br /> trên, vật liệu Composite là một lựa chọn khả<br /> thi cần được triển khai nghiên cứu.<br /> Bảng 1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của chân vịt tàu cá cỡ nhỏ của nước ta<br /> <br /> 1<br /> <br /> 33<br /> <br /> 0,710<br /> <br /> 580<br /> <br /> 8<br /> <br /> Góc<br /> nghiêng<br /> cánh<br /> γ<br /> 15<br /> <br /> 2<br /> <br /> 50<br /> <br /> 0,810<br /> <br /> 580<br /> <br /> 8<br /> <br /> 15<br /> <br /> 0,198<br /> <br /> 3,29<br /> <br /> 0,75<br /> <br /> 3<br /> <br /> 66<br /> <br /> 0,840<br /> <br /> 580<br /> <br /> 8<br /> <br /> 15<br /> <br /> 0,206<br /> <br /> 3,41<br /> <br /> 0,75<br /> <br /> 4<br /> <br /> 100<br /> <br /> 0,940<br /> <br /> 520<br /> <br /> 8<br /> <br /> 15<br /> <br /> 0,230<br /> <br /> 3,82<br /> <br /> 0,75<br /> <br /> 5<br /> <br /> 140<br /> <br /> 0,810<br /> <br /> 762<br /> <br /> 8<br /> <br /> 15<br /> <br /> 0,206<br /> <br /> 3,41<br /> <br /> 0,75<br /> <br /> Công<br /> TT suất máy<br /> PD (CV)<br /> <br /> Đường<br /> kính chân<br /> vịt D (m)<br /> <br /> Vòng quay<br /> chân vịt n<br /> (v/ph)<br /> <br /> Vận tốc<br /> tàu<br /> VT (Hl/h)<br /> <br /> Chiều<br /> rộng<br /> cánh<br /> b (m)<br /> 0,174<br /> <br /> Chiều<br /> dày<br /> cánh<br /> t (cm)<br /> 2,88<br /> <br /> 0,75<br /> <br /> H/D<br /> <br /> 67<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> Với số lượng hàng chục ngàn chiếc đang<br /> được sử dụng, đây là số tài sản lớn sẽ được<br /> <br /> do momen uốn σ1 và do lực ly tâm σ2 ; σ = σ1<br /> + σ2.<br /> <br /> tiết kiệm nếu chúng được chế tạo hàng loạt từ<br /> Composite rẻ tiền và làm việc tốt trong môi<br /> <br /> Đồng thời trên mỗi cánh chân vịt tại điểm<br /> có r = 0,2R có ứng suất lớn nhất [3, trang<br /> <br /> trường nước biển.<br /> <br /> 315].<br /> <br /> 2. Xác đ nh ng sut ln nht sinh ra trên<br /> cánh chân v t trong s dng:<br /> <br /> Sử dụng công thức Romson để tính ứng<br /> suất cho chân vịt tàu cá cỡ nhỏ tại r = 0.2R với<br /> <br /> Ứng suất lớn nhất phát sinh trên cánh<br /> chân vịt được xác định theo công thức<br /> <br /> các thông số của máy và chân vịt lấy theo<br /> bảng 1. Kết quả tính toán giá trị ứng suất lớn<br /> <br /> Romson [3]. Theo Romson ứng suất trong mỗi<br /> mặt cắt cánh được coi là tổng đại số ứng suất<br /> <br /> nhất phát sinh trên chân vịt trong sử dụng thể<br /> hiện trên bảng 2.<br /> <br /> Bảng 2. Kết quả tính ứng suất lớn nhất trên chân vịt tàu cá cỡ nhỏ<br /> PD<br /> <br /> STT<br /> <br /> σ1K<br /> <br /> σ1N<br /> 2<br /> <br /> σ2K<br /> 2<br /> <br /> σ2N<br /> 2<br /> <br /> σK<br /> 2<br /> <br /> σN<br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> (CV)<br /> <br /> (N/mm )<br /> <br /> (N/mm )<br /> <br /> (N/mm )<br /> <br /> (N/mm )<br /> <br /> (N/mm )<br /> <br /> (N/mm )<br /> <br /> 1<br /> <br /> 33<br /> <br /> 6,42<br /> <br /> 7,16<br /> <br /> 6,38<br /> <br /> 7,05<br /> <br /> 12,80<br /> <br /> 14,21<br /> <br /> 2<br /> <br /> 50<br /> <br /> 7,46<br /> <br /> 8,33<br /> <br /> 8,22<br /> <br /> 9,18<br /> <br /> 15,79<br /> <br /> 17,51<br /> <br /> 3<br /> <br /> 66<br /> <br /> 10,35<br /> <br /> 11,55<br /> <br /> 9,24<br /> <br /> 10,24<br /> <br /> 19,59<br /> <br /> 21,79<br /> <br /> 4<br /> <br /> 100<br /> <br /> 11,06<br /> <br /> 12,34<br /> <br /> 8,97<br /> <br /> 9,94<br /> <br /> 20,13<br /> <br /> 22,28<br /> <br /> 5<br /> <br /> 140<br /> <br /> 20,86<br /> <br /> 23,28<br /> <br /> 14,25<br /> <br /> 15,7<br /> <br /> 35,11<br /> <br /> 39,15<br /> <br /> Kết quả tính trên đây cho thấy ứng suất kéo và nén chân vịt khá thấp và nằm trong giới hạn cơ<br /> tính của vật liệu composite cốt sợi thủy tinh thông dụng hiện nay (bảng 3, [2]).<br /> Bảng 3. Đặc tính cơ học tổng quát của vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh [1, tr 200]<br /> Vật liệu<br /> <br /> Sức bền kéo σk<br /> 2<br /> (N/mm )<br /> <br /> Sức bền nén σn<br /> 2<br /> (N/mm )<br /> <br /> Sức bền uốn σu<br /> 2<br /> (N/mm )<br /> <br /> Sợi thủy tinh 1 chiều:<br /> Với Epoxy<br /> Polyeste<br /> <br /> 530-1730<br /> 410-1180<br /> <br /> 310-480<br /> 210-480<br /> <br /> 690-1860<br /> 690-1240<br /> <br /> 250-400<br /> 230-340<br /> <br /> 210-480<br /> 98-140<br /> <br /> 207-450<br /> 200-270<br /> <br /> 70-170<br /> 63-140<br /> <br /> 130-160<br /> 130-170<br /> <br /> 70-240<br /> 140-250<br /> <br /> - DMC Polyeste<br /> - SMC Polyeste<br /> <br /> 34-70<br /> 50-90<br /> <br /> 140-180<br /> 240-310<br /> <br /> 40-140<br /> 140-210<br /> <br /> - Thủy tinh bột nylon<br /> <br /> 120-200<br /> <br /> 110-170<br /> <br /> 140-210<br /> <br /> Sợi thủy tinh 2 chiều:<br /> - Satin dệt với polyester<br /> - Roving dệt với polyester<br /> Sợi thủy tinh ngẫu nhiên:<br /> - Tiền tạo dạng với polyester<br /> - Đúc tiếp xúc (tay và phun)<br /> Hợp chất đúc:<br /> <br /> 68<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008<br /> 3. La chn cu trúc vt liu Composite<br /> tha mãn các yêu cu k<br /> thut và công<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> dàng bằng công nghệ đúc áp lực trên khuôn<br /> kim loại.<br /> <br /> ngh ch t
o chân v t tàu cá c nh<br /> <br /> Tạo cấu trúc Composite với cốt sợi ngắn<br /> <br /> Lựa chọn cấu trúc vật liệu Composite với<br /> cốt sợi thủy tinh, nền Epoxy hoặc Polyeste đều<br /> <br /> từ sợi thuỷ tinh có độ dài 1 đến 3mm, thành<br /> phần mat/ nhựa nền thay đổi từ 20% đến 50%,<br /> <br /> có thể thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật và công<br /> nghệ chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ đã tính.<br /> <br /> chất phụ gia đông cứng (xt) thay đổi từ 1,2%<br /> đến 2,4% theo phương pháp trộn thủ công.<br /> <br /> Tuy nhiên cấu trúc vật liệu này cho tính công<br /> nghệ kém do chỉ có thể đúc chân vịt theo<br /> <br /> Mẫu thử được chế tạo theo TCVN. Các chỉ<br /> tiêu trên được xác định trên thiết bị kiểm tra cơ<br /> <br /> phương pháp thủ công và khó đạt độ bền đều<br /> <br /> tính vật liệu composite HTE- H50KS của Viện<br /> <br /> tại các điểm mép cánh. Khắc phục nhược<br /> điểm công nghệ này, tác giả đã chọn cấu trúc<br /> <br /> Nghiên cứu Chế tạo tàu thủy - Trường Đại học<br /> Nha Trang.<br /> <br /> Composite kiểu cốt sợi ngắn. Cấu trúc<br /> composit kiểu cốt sợi ngắn cho phép tạo được<br /> <br /> Các chỉ tiêu cơ tính của Composite cốt<br /> sợi ngắn nền Polyeste không no thể hiện trên<br /> <br /> cơ tính vật liệu khá đồng đều trên toàn bộ thể<br /> tích cánh chân vịt và giúp gia công chân vịt dễ<br /> <br /> bảng 4.<br /> <br /> Bảng 4: Ứng suất kéo và biến dạng của compozite khi % mat, xúc tác thay đổi<br /> Thành<br /> phần<br /> <br /> 20% Mat<br /> 2<br /> <br /> 30% Mat<br /> 2<br /> <br /> 40% Mat<br /> 2<br /> <br /> 50% Mat<br /> 2<br /> <br /> σk(N/mm )<br /> <br /> εbd<br /> (mm)<br /> <br /> σk(N/mm )<br /> <br /> εbd<br /> (mm)<br /> <br /> σk(N/mm )<br /> <br /> εbd<br /> (mm)<br /> <br /> σk(N/mm )<br /> <br /> εbd<br /> (mm)<br /> <br /> 1,2%xt<br /> <br /> 338,8<br /> <br /> 0,943<br /> <br /> 438,8<br /> <br /> 0,953<br /> <br /> 476,4<br /> <br /> 1,218<br /> <br /> 535,3<br /> <br /> 1,540<br /> <br /> 1,8%xt<br /> <br /> 335,3<br /> <br /> 0,940<br /> <br /> 444,2<br /> <br /> 0,973<br /> <br /> 47,84<br /> <br /> 1,145<br /> <br /> 588,7<br /> <br /> 1,712<br /> <br /> 2,4%xt<br /> <br /> 352,7<br /> <br /> 1,060<br /> <br /> 425,6<br /> <br /> 1,072<br /> <br /> 469,7<br /> <br /> 1,292<br /> <br /> 552,3<br /> <br /> 1,516<br /> <br /> IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT<br /> <br /> 50% và phụ gia đông cứng 1,8% cho vật liệu<br /> <br /> Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu bước<br /> đầu đã đạt được trên, có thể đi đến một số kết<br /> <br /> có cơ tính cao, ổn định và tính đúc cao nhất.<br /> Vật liệu với thành phần nêu trên dễ dàng đáp<br /> <br /> luận sau:<br /> 1. Khả năng chế tạo chân vịt tàu cá cỡ<br /> <br /> ứng các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ để chế<br /> tạo chân vịt tàu cá có công suất máy chính<br /> <br /> nhỏ bằng vật liệu Composite là hoàn toàn hiện<br /> thực, sẽ góp phần giảm giá thành chế tạo và<br /> <br /> dưới 150CV bằng đúc áp lực trong khuôn kim<br /> loại ở nhiệt độ thường.<br /> <br /> sử dụng chân vịt trên thực tế.<br /> <br /> 4. Nghiên cứu trên mới chỉ đánh giá khả<br /> <br /> 2. Vật liệu Composite có vật liệu nền<br /> Polyeste (hoặc Epoxy) và cốt sợi thủy tinh cắt<br /> <br /> năng chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ trên hai<br /> tiêu chí: độ bền và tính công nghệ. Các tiêu<br /> <br /> ngắn với chất phụ gia thích hợp sẽ giúp tạo<br /> được công nghệ đúc chân vịt trên khuôn kim<br /> <br /> chí quan trọng khác như độ bền mỏi, độ dai va<br /> đập, tính chống bọt khí và xâm thực... còn<br /> <br /> loại ở nhiệt độ thường đơn giản và có hiệu<br /> quả cao.<br /> <br /> chưa được đề cập đến.<br /> Trên đây chỉ là kết quả nghiên cứu bước<br /> <br /> 3. Vật liệu Composite cốt sợi thuỷ tinh<br /> <br /> đầu nhằm tạo được kết cấu vật liệu Composite<br /> <br /> ngắn với thành phần mat/nhựa đạt 40% đến<br /> <br /> đủ cơ tính và đặc điểm công nghệ để có thể<br /> <br /> 69<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008<br /> <br /> Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> chế tạo hàng loạt chân vịt tàu cá cỡ nhỏ với<br /> giá thành rẻ phục vụ nhu cầu tại chỗ và đa<br /> <br /> trong công nghệ tạo vật liệu phù hợp với khả<br /> năng đúc áp lực chân vịt từ Composite trong<br /> <br /> dạng của ngư dân. Để định hướng thiết thực<br /> <br /> khuôn kim loại ...<br /> <br /> trên sớm hoàn chỉnh phục vụ sản xuất đại trà,<br /> cần triển khai tiếp tục các nghiên cứu:<br /> <br /> 2. Cần nghiên cứu phối hợp giữa phương<br /> pháp tính toán thiết kế chân vịt với đặc tính cơ<br /> <br /> 1. Nghiên cứu thêm các tiêu chí quan<br /> trọng khác như độ bền mỏi, độ dai va đập, tính<br /> <br /> học của vật liệu composite cốt sợi ngắn để<br /> hoàn thiện vấn đề cấp thiết nêu trên.<br /> <br /> chống bọt khí và xâm thực, thời gian đông<br /> cứng và tính trương nở trong nước biển...<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Nguyễn Đăng Cường, Compozit Sợi thủy tinh và Ứng dụng, NXB Khoa học và kỹ thuật, năm<br /> 2006<br /> 2. Quách Đình Liên và CTV. Nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ Điesel tàu cá tỉnh Khánh Hòa,<br /> Báo cáo khoa học đề tài 04/KHCN/1998.<br /> 3. Trần Công Nghị, Sổ tay thiết kế tàu thủy, NXB Xây dựng, năm 2008<br /> 4. Thông tin KHCN thuỷ sản 2000 – 2007, Trung tâm thông tin - Bộ Thuỷ sản.<br /> <br /> 70<br /> <br />