thiết kế và lập quy trình chế tạo ống nối hướng dòng trong bơm nước chuyên dùng phục vụ nuôi trồng thủy sản bằng vật liệu composite

Trong đó việc sử dụng các trang thiết bị đảo nước sục khí đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực như: Bổ sung lượng thiếu hụt ôxy trong nước; góp phần làm tăng mật độ nuôi ít nhất từ 5á10

Mục lục

Lời nói đầu 5

Tổng quan về tình hình nuôi tôm và giới thiệu một số máy đảo nước sục khí 1.1 tình hình nuôi tôm trên thế giới và ở Việt Nam 7

1.1.1 Tình hình nuôi tôm trên thế giới 7

1.1.2 Tình hình nuôi tôm ở Việt Nam 7

1.2 Giới thiệu một số máy đảo nước sục khí 8

1.2.1 Lợi ích của việc sử dụng máy sục khí 8

1.2.2 Các thiết bị phục vụ đảo nước thông dụng 9

1.2.2.1 Bơm thay nước 9

1.2.2.2 Máy sục khí (Aerator) 9

1.2.2.3 Máy đảo nước kiểu cánh quạt 11

1.2.2.4 Máy đảo nước kiểu thổi 15

1.2.2.5 Đảo nước kiểu li tâm văng 16

1.2.2.6 Máy đảo nước dùng bơm 16

1.2.2.7 Thiết bị đảo nước kiểu bơm làm việc theo nguyên lý Becnuly 17

Thiết kế ống nối hướng dòng trong bơm đảo nước sục khí phục vụ nuôi tôm 22

2.1 thiết kế kết cấu 22

2.1.1 Nguyên tắc chung của thiết kế 22

2.1.2 Mục đích của việc thiết kế kết cấu 23

2.1.3 Thiết kế kết cấu 23

2.2 lựa chọn vật liệu 34

2.2.1 Gang xám 34

2.2.2 Thép không gỉ 35

2.2.3 Vật liệu polyme 35

2.2.4 Vật liệu composite 35

Vật liệu composite và công nghệ chế tạo 38

3.1 tổng quan về vật liệu composite 38

3.1.1 Khái niệm về composite 38

3.2 đặc điểm và phân loại 38

3.2.1 Đặc điểm 38

3.2.2 Phân loại 39

3.3 liên kết nền-cốt 40

3.3.1 Vật liệu cốt 41

3.3.1.1 Hạt 41

3.3.1.2 Sợi và vải 41

3.3.1.3 Các loại sợi chính 42

3.3.2 vật liệu nền 44

3.3.2.1 Nhựa nhiệt cứng 46

3.3.2.2 Nhựa nhiệt dẻo 44

3.3.2.3 Nhựa ổn định nhiệt 49

3.3.3 Chất phụ gia 50

3.3.4 Liên kết nền – cốt 50

3.4 cấu trúc của vật liệu composite 50

3.4.1 Cấu trúc dạng lớp 50

3.4.2 Composite cấu trúc dạng tấm ba lớp 51

3.4.3 Giới thiệu một số vật liệu composite và ứng dụng của chúng 52

3.5 công nghệ chế tạo vật liệu composite 53

3.5.1 Đúc không áp lực 53

3.5.1.1 Đúc tiếp xúc 53

3.5.1.2 Đúc bắn đồng thời 54

3.5.1.3 Đúc chân không 54

3.5.2 Đúc áp lực 55

3.5.2.1 Đúc phun nhựa 55

3.5.2.2 Đúc nguội nhờ áp lực 55

3.5.2.3 Đúc có nhiệt độ 55

3.5.2.4 Đúc phun 55

3.5.3 Đúc liên tục 56

3.5.4 Kéo định hình 56

3.5.5 Đúc ly tâm 56

3.5.6 Phương pháp quấn ống 57

3.5.6.1 Nguyên lý 57

3.5.6.2 Quấn tiếp tuyến 57

3.5.6.3 Quấn hêlicôit 57

3.5.6.4 Quấn liên tục 57

3.5.7 Gia công bán thành phẩm 58

Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo ống nối dẫn dòng cho bơm sục khí bằng vật liệu composite 59

4.1 Thiết kế quy trình chế tạo khuôn 59

4.1.1 Vật liệu làm khuôn 60

4.1.2 Thiết kế chế tạo khuôn cho phần ống cong 61

4.1.3 Thiết kế chế tạo khuôn cho phần thẳng của ống dòng 67

4.1.4 Thiết kế chế tạo khuôn 68

4.1.5 Khuôn làm phần nối ống dẫn khí 69

4.2 quy trình chế tạo ống nối dẫn dòng bằng vật

liệucomposite 69

4.2.1 Phân tích khả năng gia công 69

4.2.2 Quy trình công nghệ chế tạo ống nối dẫn dòng 70

4.2.2.1 Nguyên công1 71

4.2.2.2 Nguyên công 2 73

4.2.2.3 Nguyên công3 74

4.2.2.4 Nguyên công 4 75

4.2.2.5 Nguyên công 5 76

4.3 gia công cơ 77

4.3.1 Nguyên công 1 77

4.3.2 Nguyên công2 77

4.3.3 Nguyên công 3 78

4.3.4 Nguyên công 4 79

Lắp ráp ống nối dẫn dòng với láp bơm và thử nghiệm 81

5.1 lắp ráp ống nối dẫn dòng với láp bơm 81

5.2 thử nghiệm 82

kết luận và đề xuất ý kiến 84

tài liệu tham khảo 91

LờI NóI ĐầU

Ngành nuôi trồng thuỷ sản ở nước ta hiện nay đang giữ một vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Bên cạnh việc góp phần cải thiện, nâng cao đời sống của nhân dân, nuôi trồng thuỷ sản còn tạo được những sản phẩm xuất khẩu có giá trị kinh tế cao

Những năm gần đây, ngành nuôi tôm sú Việt Nam phát triển mạnh mẽ và rộng khắp Việc nghiên cứu chuyển giao kỹ thuật đến tận người nuôi càng trở nên cần thiết để ứng dụng vào sản xuất, nâng cao hiệu quả Từ việc sản xuất giống thành công đến việc nghiên cứu cải tiến kỹ thuật nuôi và việc sử dụng các trang thiết bị để cải thiện môi trường trong ao nuôi đã tạo nên những bước phát triển đột phá Trong

đó việc sử dụng các trang thiết bị đảo nước sục khí đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực như: Bổ sung lượng thiếu hụt ôxy trong nước; góp phần làm tăng mật độ nuôi ít nhất từ 5á10 lần; tạo dòng chảy lưu động trong ao thường xuyên để gom chất bẩn, thức ăn thừa; … duy trì điều kiện thích hợp nhất đối với tôm

Hiện nay, trên thị trường đã có một số loại bơm đảo nước sục khí phục vụ cho quá trình nuôi tôm Các loại bơm đảo nước sục khí này có những ưu điểm lớn như làm tăng hàm lượng ôxy đủ cho tôm sinh trưởng và phát triển; phá bỏ được lớp nhiệt phân tầng trong ao, giảm sự thay nước, loại bớt chất khí thặng dư; tăng mật độ nuôi,• song cũng còn tồn tại một số nhược điểm mà chúng ta cần phải nghiên cứu

để khắc phục Trên cơ sở của đề tài khoa học cấp bộ thiết kế một loại bơm hướng trục chuyên dụng phục vụ cho nuôi trồng thuỷ sản, nay tôi được Bộ môn Chế Tạo Máy khoa Cơ Khí trường Đại học Thuỷ Sản giao cho nhiệm vụ là: “

” Sau một thời gian nghiên cứu, tiến hành sản xuất và thử nghiệm dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy tôi đã hoàn thành đề tài với đầy

đủ nội dung sau:

Vì thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế và đây cũng là lần đầu tiên làm quen với công tác nghiên cứu khoa học nên tôi không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện đề tài Vì vậy, tôi rất mong được sự chỉ bảo của các thầy trong khoa và sự đóng góp ý kiến của những người quan tâm đến lĩnh vực này để vấn đề nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Nhân đây, Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy

đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này Cảm ơn các thầy trong khoa, các thầy trong xưởng thực tập cơ khí, các anh chị công nhân của trung tâm tàu cá, và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập tốt nghiệp

Nha Trang, ngày 16 tháng 6 năm 2006

CHƯƠNG 1

Tổng quan về tình hình nuôi tôm và giới thiệu

một số máy đảo nước sục khí 1.1 tình hình nuôi tôm trên thế giới và ở việt nam

Nghề nuôi tôm đã xuất hiện cách đây rất lâu, nhưng công nghiệp nuôi tôm thương mại mới được phát triển gần đây vào những năm 1964 nhờ sự hoàn chỉnh của quy trình sản xuất giống

Thập kỷ 90 sản lượng tôm nuôi trên thế giới tăng nhanh cùng với sự gia tăng của các quốc gia nuôi tôm (trên 50 nước) và phong phú hoá mô hình nuôi tôm: Thay nước thường xuyên, ít thay nước tái sử dụng nước, nuôi tôm trên cát, tôm lúa, tôm lúa xen canh Năm 2000 sản lượng nuôi trồng thuỷ sản toàn cầu đạt 45,7 triệu tấn [7, Tr 4] trong đó giáp xác chiếm 3,6% tương ứng 1,65 triệu tấn, nhưng chúng chiếm tới 16,6 tổng giá trị nuôi trồng thuỷ sản toàn cầu

Tổng sản lượng tôm nuôi luôn tăng từ năm 1994 đến năm 2001 Tính riêng tôm

sú sản lượng sụt giảm mạnh vào năm 1997 và 1998, sau đó tăng trở lại vào năm

1999 và đạt mức cao vào năm 2000 và 2001

Nghề nuôi tôm ở Việt Nam xuất hiện khoảng 100 năm nay Nhưng phong trào nuôi tôm mới chỉ phát triển mạnh mẽ từ những năm 1987, 1988 khi sản xuất tôm giống trong nước thành công Hiện nay Việt Nam trở thành một quốc gia có sản lượng tôm nuôi cao trong khu vực và trên thế giới Thể hiện qua bảng sau:

Bảng 1.1: Diện tích và sản lượng tôm nuôi tại Việt Nam thời kỳ 1988-2003 [7, Tr 5]

- Gia tăng được mật độ nuôi ít nhất 5-10 lần mật độ thông thường

- Lượng ôxy và nhiệt độ được phân bố điều hoà trong ao

- Tạo một dòng nước thường trực trong ao, một điều kiện mà tôm ưa thích Nhờ dòng nước này, ao có một đời sống sinh động hơn với các điều kiện thiên nhiên thích hợp được gia tăng

- Phá bỏ được lớp nhiệt phân tầng trong ao, giảm sự thay nước, loại bớt được chất khí thặng dư, nhiệt độ của nước và phân bố đều trong ao các hoá chất, phân bón, thuốc men khi được áp dụng

Năm Diện tích (ha) Sản lượng (tấn) Năng xuất (kg/ha/năm)

- Gia tăng sự xuất hiện của các chất dinh dưỡng trong nước ao và kích thích sự tăng trưởng của rong rêu cũng như các vi sinh vật trong nước

- Làm bền vững các điều kiện của môi trường bằng cách ôxy hoá tất cả các hoá chất

và chuyển đi những hợp chất hữu cơ hoà tan

- Kích thích tôm hoạt động mạnh hơn, tôm sẽ thèm ăn hơn và cải thiện tỷ lệ hoán chuyển thức ăn một cách có lợi về mặt kinh tế

- Di chuyển các chất phế thải về tập chung một chỗ trong ao nuôi nhờ vậy mà ao có vùng bẩn ,vùng sạch riêng biệt

Các thiết bị này có rất nhiều loại và nhiều cách bố trí khác nhau trong ao nuôi

Do đó khi sử dụng phải biết cách lựa chọn loại thiết bị và cách bố trí cho phù hợp hoặc có thể cải tiến chúng theo phương án tối ưu nhất

Trong ao hồ nuôi tôm bán công nghiệp, bơm rất cần cho việc cung cấp nước vào ao khi cần thay nước mới, bổ sung nước vào những lúc chiều thấp đồng thời còn dùng để bơm nước ra khỏi ao khi thu hoạch nhằm rút ngắn thời gian tháo nước Một

số bơm còn dùng để đảo nước sục khí và tạo dòng chảy trong ao

Bơm bố trí một miệng hút và một miệng đẩy trong ao Khi bơm hoạt động, nước được hút và xả lại trong ao để tăng lượng oxy hoà tan vào trong nước nhờ thay

đổi tốc độ dòng nước sau khi ra khỏi ống xả

Hiện nay người nuôi tôm thường sử dụng ngay bơm này để thay nước hoặc cấp thêm nước cho ao Các loại bơm đang được sử dụng là bơm ly tâm và bơm hướng trục do động cơ diesel dẫn động

Máy này do Đài Loan sản xuất Loại này đảo nước bằng chân vịt đặt trong ống bao dẫn khí và

được nhúng sâu dưới nước Chân vịt dược dẫn động bằng động cơ

điện Toàn bộ hệ thống được đặt trên khung phao nổi

Khi động cơ điện hoạt động làm quay chân vịt, nhờ biên dạng xoắn của cánh chân vịt và ống bao dẫn khí tạo ra dòng chảy và khuyếch tán ôxy vào trong nước

- phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện

- Giá thành của máy cao

Hình 1.1: Máy thổi khí Ven turi

- Không tạo được khả năng gom chất bẩn ở đáy ao

- Gây xáo trộn lớn vùng nước tại khu vực hoạt động của máy, gây hiện tượng xói đáy ao

Máy này do người nuôi tôm tự lắp ráp Máy có cấu tạo giống máy thổi khí Venturi nhưng không có bao dẫn khí Khi động cơ điện hoạt động làm quay cánh chân vịt, do biên dạng xoắn của cánh chân vịt nên tạo được lực đẩy đẩy nước, đồng thời khuấy động vùng nước tại mặt đạp của chân vịt làm khuếch tán ôxy vào trong nước

+ Ưu điểm của máy:

- Kết cấu đơn giản, sử dụng thuận tiện, bảo quản dễ dàng

- Có khả năng khuyếch tán ôxy vào trong nước và giải phóng khí độc ra ngoài

ao tương đối nhanh

+ Nhược điểm:

- Lượng ôxy khuếch tán vào nước không nhiều do chân vịt ngập sâu trong nước

- Gây nguy hiểm cho tôm nuôi do hoạt động của chân vịt

- Phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện

- Không có khả năng gom chất thải ở đáy ao

- Chỉ thích hợp cho những mô hình ao nuôi nhỏ còn những mô hình ao nuôi lớn thì phải bố trí rất nhiều máy nên rất tốn kém

Là loại đảo nước được dùng tương đối rộng rãi ở các ao nuôi trên toàn quốc

Nó làm việc theo nguyên lý cánh guồng quay hất nước lên thành những hạt nhỏ, tiếp xúc và thẩm thấu không khí ( có ôxy) làm giàu hàm lượng không khí (ôxy) hòa tan trong nước Cánh guồng làm bằng vật liệu nhựa hoặc kim loại, ưu điểm của thiết bị

đảo nước kiểu cánh guồng là đơn giản dễ chế tạo do đó công nghiệp địa phương hoặc các cơ sở cơ khí nhỏ cũng có thể sản xuất được

Máy đảo nước trục ngắn có hai loại do Đài Loan và do Thái Lan sản xuất, nhưng có cấu tạo tương tự nhau Tuy nhiên chúng khác nhau về kích thước bề mặt cánh, số lượng cánh và số lượng guồng,…

+ Máy đảo nước trục ngắn do Đài Loan sản xuất: Mỗi máy chỉ có hai guồng làm bằng thép không rỉ, bố trí hai bên do động cơ điện dẫn động qua bộ chuyền giảm tốc trục vít- bánh vít Cả hệ thống được đặt trên khung và được làm nổi bằng các phao ( là các ống nhựa bịt kín hai đầu), khung cố định bằng bốn cọc cắm thẳng

đứng và có thể điều chỉnh chiều sâu gập của cánh quạt

+ Máy đảo nước do Thái Lan sản xuất: Có cấu tạo tương tự như máy của Đài

Loan sản xuất nhưng có bốn guồng (mỗi bên hai guồng), guồng được làm bằng nhựa PVC có 8 cánh Cách bố trí trong ao cũng giống như loại máy trên nhưng số lượng máy ít hơn ( trong cùng một ao)

Hình 1.4: Máy đảo nước trục ngắn do Đài Loan sản xuất

(loại cụm)

+ Máy này do các cơ sở tư nhân sản xuất: Nó dựa trên cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hai loại máy trục ngắn trên nhưng có giá thành tương đối thấp ( sử dụng cho cùng một ao)

Máy gồm động cơ Diezel dẫn động, truyền qua hộp giảm tốc đến trục các đăng

và dẫn đến trục guồng, trên trục guồng có lắp các guồng

Hình 1.5: Máy đảo nước trục dài

Hình 1.5: Máy đảo nước trục ngắn do Thái Lan sản xuất

Tùy theo diện tích và hình dạng của ao nuôi tôm, kinh tế của người nuôi tôm,

đặc điểm của cơ sở chế tạo máy đảo nước trục dài có công suất và số vòng quay •,

mà có phương án truyền động giảm tốc và số lượng guồng, số lượng cánh và kích thước bề mặt cánh khác nhau Trên thực tế hiện nay có các kiểu truyền động giảm tốc như sau: Đai- đai, đai- bánh răng, đai-hộp số, đai xích

Các loại máy đảo nước trên có cấu tạo tương tự nhau, chỉ cải tiến thêm một số

bộ phận do đó chúng có một số ưu điểm chung sau:

+ Làm việc ổn định

- Tuy nhiên chúng vẫn còn tồn tại những nhược điểm sau:

- Với loại máy trục ngắn:

1 Tính cơ động thấp do hoàn toàn phụ thuộc vào nguồn điện

2 Chi phí cho toàn bộ hệ thống khá cao

3 Lượng ôxy khuếch tán không đều và dòng chảy không rộng

4 Chưa tập chung chất thải vào một nơi nhất định để xử lý

- Với loại máy trục dài:

1 Công xuất tiêu hao cho ma sát và bộ truyền lớn

2 Bộ truyền đai thường mau hỏng

3 Do số lượng guồng nhiều, trục dài nên bố trí, lắp đặt trong ao thì việc đảm bảo độ cứng vững là rất khó

4 Chỉ tạo được dòng chảy một chiều nên khả năng luân chuyển dòng nước rất thấp, khó tập chung chất thải, thức ăn thừa về một nơi cố định để sử lý

+ Loại thứ nhất hoạt động như máy nén vô cấp, máy để trên bờ và theo hệ thống ống có khoan lỗ đặt dưới đáy ao sục khí cho các ao nuôi Máy sục khí kiểu khí nén được dẫn động từ động cơ Diezel hoạt động cung cấp không khí có áp xuất cao vào bình chứa ( áp suất không khí thường từ 5-8kg/cm3) Từ bình chứa dẫn theo ống xuống đáy ao và tỏa ra khắp ao như hình vẽ

+ Loại thứ hai hoạt động như một cánh quạt thổi không khí vào nước qua ống thổi Các loại đảo nước-sục khí kiểu này sử dụng không phổ biến trong các ao nuôi

ở Việt Nam

Hoùng xaừ khớ

Ao nuoõi toõm Bỡnh chửựa khớ

Maựy neựn khớ

Hình 1.6: Máy đảo nước sục khí kiểu thổi

Thiết bị này có ưu điểm cho năng suất hòa tan ôxy cao và giải phóng khí độc lớn Nhưng không tạo được dòng chảy hợp lý và không gom được chất bẩn trong ao nuôi để tạo vùng sạch cho tôm phát triển Đây là một trong những nguyên nhân tạo ra dịch bệnh ở tôm

Sử dụng chủ yếu trong các ao nuôi nước ngọt, chúng hoạt động theo nguyên lý:

Đĩa công tác quay hút ở giữa văng nước ra xung quanh tạo nên các tia nhỏ trước khi rơi xuống sẽ được thẩm thấu ôxy trong không khí ở Việt Nam loại này hầu như chưa được sử dụng

- Hiện nay thiết bị đảo nước này được dùng chủ yếu ở Philippin Với phương pháp này nước trong ao được bơm hút và qua đường ống phun trên đầu ao phía kia

Được bố trí như hình vẽ:

Hình1.7: Máy thổi khí (VIKYNO)

Phương pháp sục khí dùng bơm này có ưu điểm là đơn giản, hiệu quả và làm việc tin cậy và tạo nồng độ ôxy đồng đều theo tầng nước Tuy nhiên phương pháp này cũng còn nhiều nhược điểm là năng suất khuếch tán ôxy thấp và khó gom chất thải trong ao

Dòng nước do cánh bơm quay sẽ hút nước từ trên tầng mặt ao nuôi đưa xuống

tầng dưới của ao cùng một lượng không khí hòa tan và lan tỏa vào các vùng khác trong ao nuôi tôm làm cho nước trong ao nuôi được đảo lên và làm tăng hàm lượng không khí (ôxy) hòa tan trong nước

Thời gian sử dụng máy và cách bố trí máy sục khí trong ao nuôi

Tuỳ theo mật độ nuôi trong ao và căn cứ vào dụng cụ đo ôxy mà ta xác định thời gian sử dụng máy sục khí trong ngày Căn cứ vào kinh nghiệm nuôi tôm ta có thể tham khảo những con số sau đây:[14, Tr 98]

- Tháng đầu tiên: 4 á 8 giờ trong một ngày

- Tháng thứ 2: 8 á 12 giờ trong một ngày

- Tháng thứ 3: 12 á 18 giờ trong một ngày

- Tháng thứ 4: 18 á 24 giờ trong một ngày

Để ấn định số máy sục khí cần thiết trong ao nuôi, ta dựa vào nhiều yếu tố như diện tích ao, độ sâu đáy ao, mật độ nuôi tôm trong ao,… Kinh nghiệm của những nhà nuôi tôm cao sản ở Indonesia cho chúng ta một số kinh nghiệm sau Với một hectare ao đất, sâu 1,2m nuôi tôm sú với mật độ 20 con/m2, ta cần10 á 12 máy sục khí, mỗi cái một mã lực

Tuỳ theo diện tích và hình dạng của ao cũng như số lượng máy sụ khí sẽ sử dụng mà ta sắp đặt vị trí của máy trong ao: Ao vuông, chữ nhật hoặc hình dạng không rõ rệt Dưới đây là là một số cách bố trí máy trong ao nuôi:

- Ao hình vuông, rộng 1/2 ha

1 máy sục khí 2 máy sục khí 3 máy sục khí

- Ao hình chữ nhật, rộng 1/2 ha

- Ao hình vuông, rộng 1 ha

- Ao hình chữ nhật, rộng 1 ha

2 máy sục khí 3 máy sục khí 4 máy sục khí

2 máy sục khí 3 máy sục khí 4 máy sục khí

6 máy sục khí 7 máy sục khí 8 máy sục khí Hình 1.9: Sơ đồ bố trí số lượng máy trong ao

để cải tiến trang thiết bị hiện có Từ đó nâng cao chất lượng và hiệu quả sử dụng, giảm chi phí đầu tư nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu như: Tạo dòng chảy thích hợp phân bố đồng đều, tạo được vùng sạch vùng bẩn riêng biệt trong ao và làm tăng hàm lượng ôxy đủ để tôm khỏe mạnh, tăng trưởng nhanh; không gây xói lớp đáy ao, làm việc tin cậy, bố trí, lắp đặt đơn giản; phù hợp với mô hình nuôi tôm cỡ vừa và nhỏ ở Việt Nam

7m 7m

7m

7m Máy sục khí

- Xuất phát từ trang thiết bị hiện có là bơm hướng trục đứng chuyên dụng phục

vụ cho quá trình nuôi tôm nhưng còn một số kết cấu chưa hợp lý nên hiệu quả sử dụng bơm không cao Điển hình là ống nối hướng dòng Vì vậy cần nghiên cứu cải tiến để đem lại kết cấu tối ưu nhất

Chương 2 Thiết kế ống nối hướng dòng trong bơm đảo

nước sục khí phục vụ nuôi tôm 2.1 thiết kế kết cấu

2.1.1.

Giải pháp thiết kế công nghệ là sự tổng hoà các yếu tố: Vật liệu hiện có, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm, thực trạng các trang thiết bị kỹ thuật, các thủ pháp công nghệ, công suất chế tạo, giá thành,… để chọn ra phương án tối ưu khi sản xuất các kết cấu chi tiết mà yêu cầu kỹ thuật đặt ra

Việc thiết kế kết cấu chi tiết bắt đầu từ việc đánh giá phân tích hình dáng của sản phẩm, mục đích sử dụng, và những tải cơ lý hoá tác động trong và ngoài mà chi tiết phải chịu đựng Chính việc phân tích những yếu tố này sẽ giúp người thiết kế

đưa ra những giải pháp thiết kế hợp lý

Để hình thành công nghệ sản xuất chi tiết, trước hết phải hiểu rõ những điều kiện làm việc của chúng, của những kết cấu mà chi tiết này sẽ tham gia, hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật về cơ học, vật lý, hoá học,… và những đặc điểm của công nghệ sản xuất vật liệu, mà từ đó có được sản phẩm như mong muốn Ngoài ra cũng phải hiểu

rõ sản phẩm được thiết kế nhằm sản xuất hàng loạt hay sản xuất lẻ cho các ngành chuyên dụng Khi thiết kế hàng loạt, có thể thiết kế chế tạo hoặc mua sắm các trang thiết bị máy móc mới Khi sản xuất đơn lẻ sẽ hiệu quả hơn nếu tận dụng được những máy móc thiết bị đã có với việc ứng dụng tối đa các thủ pháp công nghệ quen thuộc,

đơn giản

Tối ưu hoá kết cấu của thiết bị hiện có để phù hợp với điều kiện làm việc và nâng cao hiệu quả của việc sử dụng bơm đảo nước sục khí trong nuôi trồng thuỷ sản

Xuất phát từ bơm nổi (bơm hướng trục đứng) hiện có, qua nghiên cứu bước đầu của đề tài khoa học cấp bộ B 2005-33-47 “Thiết kế-chế tạo bơm đảo nước chuyên dụng dùng trong nuôi trồng thuỷ sản bằng vật liệu phi kim loại và sau một thời gian

sử dụng nhận thấy chúng còn tồn tại một số ưu nhược điểm lớn sau:

+ Ưu điểm:

- Có khả năng tạo dòng chảy đều và rộng

- Làm tăng hàm lượng ôxy đủ để tôm khoẻ mạnh, sinh trưởng nhanh

- Có khả năng gom được chất thải dưới đáy ao vào một vùng để sử lý khi được

bố trí hợp lý

- Không gây xói mòn lớp đáy ao

- Dễ chọn động cơ điện tiêu chuẩn có sẵn

+ Nhược điểm:

- Do làm việc trong môi trường nhiều hơi nước, sóng nước (nước mặn) tạt vào thân động cơ nên chỉ sau một thời gian ngắn thân động cơ bị gỉ sét, hơi nước vào dẫn đến cháy động cơ

- Kết cấu phức tạp cồng kềnh

- Dễ bị hà bám vào phao, đường ống

- Khó chế tạo lắp ráp, yêu cầu độ chính xác chế tạo và độ đồng trục cao

Hình 2.1: Bơm đảo nước sục khí hướng trục đứng (bơm nổi)

1-Động cơ điện; 2-ống dẫn khí;

3-Phao; 4-ống dẫn dòng;

5-Cánh bơm; 6-Gối đỡ;

7- ống trục;

Chính nhược điểm lớn này đòi hỏi phải cải tiến kết cấu của thân bơm để nâng cao hiệu quả sử dụng và tăng tuổi thọ của thiết bị Vì vậy đã cải tiến thiết bị từ bơm nổi sang bơm chìm

Tức là thay đổi động cơ điện thông thường làm việc trên khô bằng động cơ kín nước làm việc dưới nước Lúc đó, trục của động cơ được đặt nằm ngang đã loại bỏ

được sự đổi hướng 900 của dòng nước sau cánh bơm so với bơm hướng trục đứng Mặc dù khi sản xuất loại động cơ này thì khâu làm kín nước đòi hỏi rất khắt khe, vỏ bơm bằng vật liệu thép không gỉ nhưng bù lại ta có thể đặt trục nằm ngang nên đơn giản hoá được kết cấu rất nhiều

động cơ; khó đảm bảo được độ chính xác và độ đồng trục theo yêu cầu; kết cấu phức tạp cồng kềnh; dễ bị hà bám vào phao và đường ống Và phát huy tốt những ưu điểm của bơm cũ như: Có khả năng tạo dòng chảy đều và rộng; làm tăng hàm lượng ôxy

đủ để tôm khoẻ mạnh, sinh trưởng nhanh; có khả năng gom được chất thải dưới đáy

ao vào một vùng để sử lý khi được bố trí hợp lý; không gây xói mòn lớp đáy ao; phù hợp với mô hình nuôi tôm cỡ vừa và nhỏ ở Việt Nam

Như vậy, khi đã chuyển từ bơm hướng trục đứng sang bơm hướng trục ngang,

để chế tạo bơm hướng trục ngang phù hợp với động cơ nên khi lựa chọn kết cấu và vật liệu, có hai phương án:

1 Phương án 1:

Sử dụng các ống nhựa PVC và các phụ tùng đường ống tiêu chuẩn để ghép nối nhằm tạo ra hệ thống dẫn dòng và phần vỏ liên kết với động cơ điện như hình vẽ dưới đây

2 Phương án 2:

Chế tạo phần dẫn dòng bằng vật liệu composite phù hợp nhất theo ý muốn cũng như theo kết quả tính toán về kích thước của đường ống tại cánh bơm và kích thước thực tế tại thân động cơ điện

Hình 2.3: Bơm chìm có ống dẫn dòng bằng vật liệu composite

Vì giới hạn của đề tài nên tôi không đi sâu vào kết cấu của bơm và các chi tiết khác hay công nghệ chế tạo chúng mà chỉ đề cập đến vấn đề thiết kế kết cấu và lập qui trình chế tạo ống nối hướng dòng

Theo phương án 1 thì loại ống dẫn dòng này là khớp nối chữ T, là ống nhựa Bình Minh Nó có những điểm cần chú ý sau đây:

Hình 2.3: Kết cấu của ống dẫn dòng (cút nối chữ T)

bằng nhựa PVC

+ Ưu điểm:

- Có sẵn trên thị trường

- Giá thành rẻ

Hình 2.4: Hình dáng bên ngoài của ống dẫn dòng bằng nhựa PVC

1- ống nối hút; 2-Khớp nối (cút nối) chữ T;

3- ống nối xả; 4- Lót bơm;

5- Xẻ rãnh;

+ Nhược điểm:

- Vì ống nối có góc cua là 900 nên khi bơm làm việc dòng chảy đột ngột bị đổi hướng Tại đây, dòng chảy bị sáo trộn mạnh tạo thành vùng xoáy gây nên hiện tượng chảy rối làm tổn thất năng lượng của bơm

- Kích thước của ống nối dẫn dòng không phù hợp với tính toán kích thước

đường ống làm việc là f114mm (kích thước của ống nối dẫn dòng lớn hơn kích thước đường ống làm việc) và không phù hợp với kích thước của bơm (kích thước của ống nối dẫn dòng là lớn hơn kích thước tính toán thiết kế Kích thước của động cơ điện là f125mm còn kích thước của ống là

f140mm) Vì vậy khi lắp ráp phải lót vào phía trong của ống rất phức tạp

Điều này cũng gây nên hiện tượng chảy rối làm tổn thất năng lượng dẫn đến dòng chảy của bơm không ổn định

Để khắc phục những nhược điểm trên ta phải thiết kế kết cấu của ống dòng sao cho phù hợp với các yêu cầu đặt ra Vì vậy chọn phương án 2 tức là chế tạo ống dẫn dòng bằng vật liệu composite

Theo cơ học chất lỏng thì phương trình viết cho toàn dòng chất lỏng chảy ổn

22

2 2 2

2 2

2 1 1

1 1

J a g

J a g

u

: Động năng của một đơn vị trọng lượng chất lỏng, gọi là tỷ động năng

+ Số hạng hw là tổn thất năng lượng trung bình của một đơn vị trọng lượng chất lỏng để khắc phục các trở lực khi nó chuyển động Các trở lực này có thể do ma sát nhớt gây ra trong nội bộ dòng chảy, do sự chuyển động hỗn loạn của các phần tử chất lỏng va trạm với nhau, hoặc giữa các phần tử chất lỏng với thành dẫn, hoặc những nơi dòng chảy bị thay đổi đột ngột,… Các trở lực trên dòng chảy có thể chia thành hai loại:

- Tổn thất năng lượng dọc theo chiều dài dòng chảy - gọi là tổn thất dọc đường

ký hiệu là hd

- Tổn thất năng lượng tại những nơi dòng chảy biến đổi đột ngột như tại chỗ cong của ống, tại nơi ống bị đột ngột thu hẹp hoặc mở rộng,… gọi là tổn thất cục bộ, ký hiệu là hc

h

1

là tổng các tổn thất cục bộ trên đoạn dòng đang xét

ở đây ta không xét đén thành phần tổn thất dọc đường vì đoạn ống dòng là ngắn nên có thể bỏ qua, mà chỉ xét đến thành phần tổn thất cục bộ

+ Tổn thất năng lượng cục bộ:

- Tại những nơi dòng chảy có sự thay đổi đột ngột về diện tích mặt cắt ướt cũng như về phương hướng của dòng (như những nơi nối tiếp giữa ống lớn và ống nhỏ, tại các ngã ba, ngã tư, tại các khuỷu cong của ống, tại các van,…) ở những nơi này dòng chảy thường bị xáo trộn, có nơi dòng chảy bị tách khỏi thành rắn và và tạo thành các khu vực xoáy cuộn mạnh, làm gia tăng hiện tượng về mạch động về lưu tốc và áp lực, vì vậy ứng xuất tiếp Trối cũng đột

ồ

ồ

=

= +

i ci n

i di

h

1 1

ngột tăng nhanh gây tổn thất năng lượng cục bộ Trong cơ học chất lỏng, tổn thất cục bộ thường được biểu thị theo cột nước lưu tốc

- Hệ số x c được xác định bằng thực nghiệm: [2, Phụ lục 7-1, hệ số tổn thất cục

bộ ]

Như vậy, để giảm tổn thất cục bộ trong ống dòng đến mức tối thiểu thì ta phải lựa chọn kết cấu của ống giống như hình 2.5 a Tuy nhiên để dễ lắp ráp với ống nối (ống hút hoặc xả vì đây là bơm đa năng cánh bơm có thể quay theo cả hai chiều) và phù hợp với kết cấu của toàn hệ thống thì phần cong của ống dòng phải lựa chọn bán kính cong sao cho phù hợp Trong trường hợp này tôi chọn bán kính cong là R=200mm bởi hai lý do sau đây:

- Nếu chọn R > 200mm thì phải tăng chiều dài của trục bơm điều này là không cần thiết vì nó sẽ làm cho trục bơm bị yếu đi

- Nếu chọn R < 200mm thì dòng chảy không ổn định do vẫn không hạn chế

được hệ số cản cục bộ đến mức tối thiểu

Theo thiết kế của bơm chìm thì động cơ điện có kích thước là f125mm, cánh bơm có kích thước là f114mm, như vậy phần thẳng của ống nối dẫn dòng cần đảm bảo yêu cầu sau:

- Phần tiếp xúc với động cơ điện cần phải bó sát vào động cơ để tạo độ cứng vững

- Phần tạo không gian làm việc của cánh bơm cần đảm bảo khe hở giữa cánh bơm và ống dòng là từ 0.2á0.5 mm

- Mặt khác, để tiện cho việc tháo lắp nhanh và do kích thước của thân bơm khác với kích

thước ống ra nên phần giữa của ống dòng ta làm côn

- Để tăng diện tích làm mát của động cơ nên phần tiếp xúc với động cơ ta

xẻ 4 rãnh có kích thước 30x100 mm

- Để tiện cho việc tháo lắp thì chỗ lắp ống dẫn khí cần làm dầy hơn

để tạo ren

Hình 2.6: Hình dáng của sản phẩm

Tính toán thiết kế:

- Do đặc điểm của chi tiết là làm việc trong môi trường không chịu tác dụng của các lực động Lực tác dụng là áp suất và động lượng của dòng chảy, các lực này không lớn nên việc tính toán chính xác là phức tạp và không thực sự cần thiết Vì vậy khi thiết kế ta có thể bỏ qua chỉ tiêu tính bền và dựa theo kinh nghiệm

lựa chọn vật liệu

Lựa chọn vật liệu là một việc làm đặc biệt quan trọng vì vật liệu giữ vai trò quyết định đến phương án thiết kế, tính toán kết cấu cho đến gia công, chế tạo, lắp ráp vận hành và sự ổn định của chi tiết trong quá trình làm việc Bởi vậy khi lựa chọn vật liệu cần phải nắm vững cơ tính và tính công nghệ của các vật liệu để có thể lựa chọn và sử dụng chúng tốt và hợp lý nhất, đạt các yêu cầu cơ tính đề ra với chi phí ít nhất, giá thành rẻ có thể chấp nhận được

Theo như kết cấu của ống nối dẫn dòng đã lựa chọn ở trên, ta có thể chế tạo chi tiết theo phương pháp đúc hoặc hàn Vì vậy vật liệu được lựa chọn có thể là: Gang xám, thép không gỉ, polyme (nhựa) hay vật liệu composite

- Bị ăn mòn mạnh trong môi trường nước mặn

- Tuy nhiên Gang xám có một số tính chất quí như: nhiệt độ nóng chảy thấp,

dễ nấu luyện, tính đúc tốt và dễ gia công cắt gọt

- Rẻ

- Rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ

- Nhược điểm lớn của vật liệu polyme là các tính chất sử dụng của chúng nhanh chóng bị xấu đi mà điển hình là ngày một giòn lên, tiến tới gãy vụn,

đó là hiện tượng xuất phát từ nguyên nhân lão hoá hay hoá già

+ Đặc điểm:

- Có khả năng kết hợp với các vật liệu khác như: Gỗ,thép để tạo ra các kết cấu mới, vừa đảm bảo chất lượng kỹ thuật vừa có giá thành thấp

- Rất bền với môi trường ẩm, mặn, ít bị ăn mòn và điện phân

- Phương pháp gia công đơn giản, đa dạng và rất dễ tạo dáng sản phẩm

- Có độ bóng bề mặt cao

- Độ kín nước là tuyệt đối

- Dễ thi công và sửa chữa

- Độ bền cơ học tương đối cao

- Tốn rất ít chi phí cho bảo dưỡng

- Nhẹ

- Mặc dù vậy vật liệu composite còn tồn tại một số nhược điểm như: Tính toán rất phức tạp, môi trường làm việc khắc nghiệt, chất thải chưa có cách sử lý hợp lý, vật liệu phải nhập ngoại, chất lượng phụ thuộc nhiều vào trình độ của công nhân

Như vậy, căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật và điều kiện làm việc của chi tiết ta có thể thấy rằng:

- Nếu chọn vật liệu là gang xám thì sẽ không hợp lý, nguyên nhân là gang xám không có tính chống ăn mòn trong môi trường nước mặn Hơn nữa, việc chế tạo khuôn, lõi để đúc ra chi tiết gặp rất nhiều khó khăn và phức tạp, giá thành của sản phẩm sẽ tăng cao Vì vậy, không chọn vật liệu này

- Nếu chọn vật liệu là thép không gỉ thì vật liệu này có thể đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đề ra cũng như điều kiện làm việc của chi tiết nhưng giá thành của chi tiết là rất cao và công nghệ để chế tạo ra chi tiết cũng gặp nhiều khó khăn , phức tạp Vì vậy, không chọn vật liệu này

- Nếu chọn vật liệu là polyme thì loại vật liệu này đáp ứng đầy đủ các yêu cầu

về kỹ thuật cũng như điều kiện làm việc của sản phẩm song thời gian sử dụng

là ngắn Mặt khác, để chế tạo ra chi tiết này đòi hỏi phải thiết kế khuôn, máy nên sẽ rất khó, nếu đặt mua thì các cơ sở sản xuất không đáp ứng vì số lượng sản phẩm là ít Vì vậy cũng không chọn vật liệu này

- Đối với vật liệu composite, mặc dù còn tồn tại một số nhược điểm song vật liệu này mang tính khả thi nhất Bởi nó không những đáp ứng tốt các yêu cầu

kỹ thuật đề ra cũng như điều kiện làm việc của chi tiết mà còn thoả mãn cả về công nghệ chế tạo khuôn, lõi, dạng sản xuất và việc áp dụng các thủ pháp công nghệ đơn giản để sản xuất ra chi tiết nên giá thành của sản phẩm là rẻ Việc chế tạo ống dòng từ vật liệu composite bằng các phương pháp thủ công

là có thể thực hiện được Vì vậy, chọn vật liệu này

Điều đáng chú ý là: Khi thiết kế kết cấu từ vật liệu composite, nhất thiết phải

có sự lựa chọn đúng đắn các vật liệu thành phần, hiểu rõ tính năng, đặc điểm, ứng

xử của nó khi khai thác và phải đánh giá được khả năng làm việc của vật liệu trong những điều kiện khác nhau Bên cạnh đó, bản thiết kế phải phù hợp và cho phép triển khai nhanh, chính xác trên các trang bị hiện có, với phương án hiệu quả và tiết kiệm nhất

Điểm đặc biệt trong quá trình sản xuất composite là vật liệu và kết cấu được chế tạo đồng thời Qúa trình đó cho phép tiết kiệm được công đoạn, chi phí và thời gian so với vật liệu truyền thống, đồng thời công nghệ chế tạo các kết cấu không thể tách rời riêng biệt với công nghệ chế tạo vật liệu Để có thể ứng dụng rộng rãi vật liệu mới vào đời sống, hạ giá thành sản phẩm, công nghệ sản xuất chúng phải đảm bảo được những yếu tố kỹ thuật mới, chất lượng cao, quá trình thi công càng ít phức tạp càng tốt

Vật liệu composite chúng ta sẽ nghiên cứu rõ sau nhưng điều cần quan tâm ở

đây là: Vì vật liệu composite được chế tạo từ hai hay nhiều thành phần khác nhau nên quá trình chế tạo chúng và các kết cấu từ composite là sự tổng hoà của rất nhiều quá trình và thao tác công nghệ khác nhau Đặc trưng chung của công nghệ chế tạo các kết cấu sản phẩm composite polyme gồm những thao tác cơ bản sau: Chuẩn bị vật liệu nền-cốt (bao gồm cả việc kiểm tra chất lượng và tính chất của chúng xem có phù hợp với yêu cầu kỹ thuật không, xử lý bề mặt các cốt sợi để tăng độ kết dính, loại bỏ các chất bẩn và tạp chất, sấy khô,…), kết dính nền và cốt, tạo dáng kết cấu, làm đông rắn nhựa nền, xử lý cơ học và cuối cùng là thử nghiệm và kiểm tra chất lượng sản phẩm

Sau khi chọn vật liệu là composite, qua tham khảo kinh nghiệm của các nhà sản xuất, để ống đủ bền, chọn chiều dày của thành ống là 4mm

Để tìm hiểu rõ về vật liệu composite và công nghệ chế tạo vật liệu này, đề tài dành riêng chương 3 để nói về nội dung này

CHươNG 3 VậT LIệU COMPOSITE Và CôNG NGHệ CHế TạO 3.1.TổNG QUAN Về VậT LIệU COMPOSITe

Sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hiện đại dẫn tới các nhu cầu về loại vật liệu đồng thời có nhiều tính chất mà các vật liệu như : Kim loại, ceramic, polyme khi đứng riêng rẽ không có được mà nổi bật là loại vừa bền lại vừa nhẹ, rẻ lại có tính chống ăn mòn cao Composite (hay còn gọi là vật liệu kết hợp) ra đời trong mấy chục năm gần đây đáp ứng được các yêu cầu đó, đã ứng dụng và phát triển tới trình

độ cao quy luật kết hợp-một quy luật phổ biến trong tự nhiên Nghành khoa học và công nghệ về composite đã có nhiều sản phẩm dùng trong mọi lĩnh vực: ôtô, máy bay, tàu thuyền… cho đến vật liệu chỉnh hình và hiện đang phát triển rất mạnh mẽ

3.1.1 KHáI NIệM Về COMPOSITE

Vật liệu composite hay còn gọi là vật liệu

tổ hợp từ hai vật liệu có bản chất khác nhau Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu thành phần khi xét riêng rẽ

3.2 ĐặC ĐIểM Và PHâN LOại

3.2.1 Đ

Vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn, ta gọi đó là composite hỗn tạp Pha gián đoạn thường có cơ tính trội hơn pha liên tục

Hình 3.1: Vật liệu composite

- Pha liên tục gọi là nền (matrice)

- Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (renfort)

Composite có những đặc điểm chính sau:

- Là vật liệu nhiều pha mà chúng thường rất khác nhau về bản chất, không hoà tan lẫn vào nhau và phân cách nhau bằng ranh giới pha Trong thực tế, phần lớn composite là loại hai pha gồm nền là pha liên tục trong toàn khối, cốt là pha phân bố gián đoạn

- Nền và cốt có tỷ lệ, hình dáng, kích thước và sự phân bố theo thiết kế đã định trước

- Tính chất của các pha thành phần được kết hợp lại để tạo nên tính chất chung của composite Tuy nhiên đó không phải là sự cộng đơn thuần tất cả các tính chất của các pha thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà chỉ lựa chọn trong

- Composite nền hỗn hợp nhiều pha

Phân loại theo cấu trúc của cốt có:

Composite

Loại cốt hạt và loại cốt sợi khác nhau ở kích thước hình học của cốt: Cốt sợi có

tỷ lệ chiều dài trên đường kính khá lớn, còn cốt hạt là các phần tử đẳng trục Khái niệm về composite cấu trúc là để chỉ các bán thành phẩm dạng tấm, lớp là vật liệu

sự phân bố của cốt có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính của composite

Cốt hạt Cốt sợi Composite cấu trúc

Hạt mịn

Liên tục

Tổ ong

Gián

đoạn

Tấm ba lớp

Có hướng

Lớp

Ngẫu nhiên

Hạt thô

Hình 3.2: Sơ đồ phân loại vật liệu composite