Nghiên cứu thiết kế sơ bộ một mẫu tàu xử lý rác ven biển

Cũng do ngậm nước nên trọng lượng riêng của rác lớn, hạn chế khả năng thu gom, vớt và vận chuyển của các thiết bị trên mặt nước.. 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT R

LỜI NÓI ĐẦU

Ô nhiễm môi trường biển đang ngày càng trầm trọng và bức thiết Nguyên nhân chính của sự ô nhiễm trên là do rác và các vật nổi gần mặt nước gây nên Việc vớt sạch rác và các vật nổi trên biển hiện đang là một công việc khó khăn và nặng nhọc với những người làm công tác môi trường, đặc biệt là những công nhân trực tiếp làm nhiệm vụ vớt rác

Trước những yêu cầu cấp thiết đó, để tạo điều kiện tiếp cận với thực tế, làm quen với việc giải quyết những vấn đề cụ thể, sau thời gian học tập em đã được nhà

trường giao cho thực hiện đề tài với nội dung: “Nghiên cứu thiết kế sơ bộ một mẫu tàu xử lý rác ven biển”

Qua thời gian tìm hiểu, được sự hướng dẫn tận tình của thầy TS.Trần Gia Thái, cùng với sự động viên giúp đỡ của các thầy và các bạn, em đã hoàn thành nội dung đề tài

Nội dung đề tài gồm bốn phần:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Giải pháp xử lý rác ven biển

Chương 3: Thiết kế sơ bộ tàu sử lý rác ven biển

Chương 4: Thảo luận kết quả và đề xuất ý kiến

Song với thời gian thực hiện không nhiều cùng với trình độ còn hạn chế nên

đề tài của em không tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy và các bạn đã động viên giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài, đặc biệt em xin cảm ơn thầy TS.Trần Gia Thái đã hướng dẫn em rất tận tình trong thời gian thực hiện đề tài

Nha Trang, ngày 26 tháng 10 năm 2007

Sinh viên thực hiện

Trần Công Trịnh

Chương 1:

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, ngành du lịch ở nước ta phát triển khá mạnh, đặc biệt là du lịch biển Bên cạnh những lợi ích kinh tế mà ngành này đem lại, các hoạt động của con người đã làm môi trường biển ô nhiễm hết sức trầm trọng Nguyên nhân chính của sự ô nhiễm trên là do rác và các vật nổi gần mặt nước gây nên Các vật thải trên mặt nước hầu như phân tán và liên tục di chuyển theo dòng chảy của nước, ngay cả khi mật độ phân bố lớn Cũng do ngậm nước nên trọng lượng riêng của rác lớn, hạn chế khả năng thu gom, vớt và vận chuyển của các thiết

bị trên mặt nước Vì vậy, việc vớt sạch rác và các vật nổi trên biển hiện đang là một công việc khó khăn và nặng nhọc với những người làm công tác môi trường, đặc biệt là những công nhân trực tiếp làm nhiệm vụ vớt rác

Do đó bài toán nghiên cứu thiết kế sơ bộ một mẫu tàu vớt rác ven biển phù hợp

là vấn đề có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA

Hiện nay, tàu vớt rác đã được đưa vào sử dụng và cũng đã chứng tỏ được hiệu quả hoạt động trên các sông, kênh, rạch ở nước ta Tiêu biểu nhất là tàu vớt rác tự động trên sông do xí nghiệp cơ khí ô tô An Lạc- SAMCO-Tp.Hồ Chí Minh sản xuất Được thiết kế với bề ngoài gọn, nhẹ và đơn giản, song tàu vớt rác lại tỏ ra rất hữu dụng khi hoạt động ở dưới nước Tàu có hai thân riêng biệt, dạng phao nổi, liên kết với nhau bởi phần khung sàn tàu cao hơn mặt nước, đầu thân tàu gắn với cánh tay gom rác Sử dụng tốc độ của tàu để tạo ra dòng chảy đưa rác vào trong khoang

và dùng một thiết bị chặn lại là ưu điểm đầu tiên của loại tàu này Sau khi được khoanh vùng, rác sẽ được đưa vào thùng chứa đặt trên sàn tàu (7 đến 12 thùng loại

240 lít) Với trọng lượng nhẹ, kích thước sàn tàu rộng (5.500 mm x 2.400 mm) và

đặc biệt là công suất máy mạnh, tàu có thể đạt năng suất từ 16.000 đến 24.000 m2/giờ, rác nổi hoặc rác lơ lửng trên sông nước được thu gom khá dễ dàng Được lắp đặt động cơ đẩy thiết bị, bơm thủy lực, động cơ dẫn, động cơ vớt rác và hộp số thủy lực nên tàu có thể hoạt động nhịp nhàng bất kể điều kiện thời tiết Ưu điểm nổi bật khác là tiết kiệm tối đa nhân công, chỉ 2 người/tàu Với những tính năng nổi trội này, tàu vớt rác được các địa phương lớn trong cả nước như Huế, Đà Nẵng, Hà Nội đặt hàng và sử dụng có hiệu quả, góp phần cải tạo môi trường sống và tôn tạo

vẽ mỹ quan cho các TP Chỉ cần một khoản đầu tư nhỏ, từ 500 đến 700 triệu đồng là các địa phương có thể sở hữu một chiếc tàu vớt rác đa năng, giải được bài toán thu gom rác thải trên sông, kênh, rạch

Đội ngũ kỹ sư Công ty cấp thoát nước và công trình đô thị Cà Mau cũng đã chế tạo thành công tàu vớt rác trên sông, tăng hiệu quả công việc thu gom rác thải trôi nổi và giảm bớt sức lao động cho công nhân vệ sinh

Tàu vớt rác với công suất thiết kế 1.600 m2/giờ, vớt khoảng (70 – 80)% lượng rác trên sông rạch và có thể hoạt động liên tục mỗi ngày

Tàu có hệ thống bơm thủy lực, rổ lưới chắn rác và toàn bộ quy trình vận hành, điều khiển hoạt động khép kín, gọn nhẹ, hợp vệ sinh Khi tàu hoạt động, bơm được

di chuyển đến khu vực có mật độ rác cao rồi khởi động bơm Hỗn hợp rác – nước được bơm vận chuyển lên khu vực đặt rổ lưới chắn rác, tại đây rác được tách ra và được công nhân cào vào hầm chứa Ưu thế của tàu này là ngoài việc vớt rác trôi nổi trên mặt nước còn thu gom được lượng rác chìm dưới sông rạch mà trước đây không thể vớt bằng phương tiện xuồng chèo hay sử dụng vợt, lưới Mặt khác, tàu giúp công nhân vệ sinh tránh tiếp xúc thường xuyên với nước, rác thải, giảm bớt độ độc hại, tạo mỹ quan cho đô thị trong công tác vệ sinh môi trường

Ngoài ra, cùng một công suất vớt rác, hiệu quả hoạt động như nhau nhưng giá thành tàu tự chế của Công ty cấp thoát nước và công trình đô thị Cà Mau khoảng

140 triệu đồng so với giá bán một số loại tàu khác trên thị trường hiện nay là hơn

• Thiết kế một mẫu tàu xử lý rác hoạt động ven biển

Đề tài được xây dựng trên cơ sở khoa học, lý luận chặt chẽ Đảm bảo tàu thiết kế

ra có tính thực tế, hiệu quả kinh tế cao

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Trong phạm vi đề tài, chúng tôi chọn phương pháp nghiên cứu thực tế kết hợp với lý thuyết Từ thực tế kiểm nghiệm, chọn giải pháp phù hợp, dựa vào lý thuyết để tính toán thiết kế mẫu tàu phù hợp

1.3.3 Giới hạn nội dung

Với đề tài “Nghiên cứu thiết kế sơ bộ một mẫu tàu xử lý rác ven biển” phạm vi nghiên cứu rất rộng, bao gồm những con tàu có bố trí thiết bị xử lý rác Rác ven biển gồm có rác nổi, rác lơ lửng và rác chìm Xử lý rác bao gồm các công đoạn: thu gom, vớt rác đến vị trí tập kết, phân loại thành rác vô cơ, rác hữu cơ và chất dẻo thải, cuối cùng tìm cách phân hủy, tái tạo rác Tuy nhiên, do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên tôi chọn thiết kế một con tàu mang tính chất điển hình hiện nay, trên tàu có bố trí thiết bị vớt rác (rác nổi và rác lơ lửng cách mặt nước khoảng 30÷40 cm) tàu được chế tạo bằng vật liệu composite - một loại vật liệu sử dụng phổ biến hiện nay,

Lĩnh vực nghiên cứu của đề tài được gói gọn ở một số nội dung sau:

Nghiên cứu, phân tích tìm ra giải pháp vớt rác hợp lý

Thiết kế sơ bộ thiết bị vớt rác

Thiết kế sơ bộ tàu vớt rác vỏ composite hoạt động ở vùng Vịnh Nha Trang

Kết luận và đề xuất ý kiến

Chương 2:

GIẢI PHÁP XỬ LÝ RÁC VEN BIỂN 2.1 ĐẶC ĐIỂM RÁC NỔI VEN BIỂN

2.1.1 Thành phần và tính chất của rác và các vật nổi gần mặt nước

Tuỳ theo từng vùng, chủ yếu do

nguồn thải, nên thành phần và tính

chất của chúng cũng khác nhau Là

khu du lịch lớn, mật độ dân cư khá

đông nên rác thải trên biển Nha

Trang rất đa dạng về thành phần và

tính chất Có các loại rác như rác

nổi, rác chìm và rác đáy, nhưng quá

trình nghiên cứu bằng thực nghiệm

thì rác thải ven biển đa số là rác nổi

và rác chìm (lơ lửng, cách mặt nước khoảng 30 ÷40 cm) Rác theo dòng chảy của các con sông đổ ra biển, rác do người dân địa phương và khách du lịch thiếu ý thức

đã thải ra, đủ các loại rác thải từ rác thải sinh hoạt, rác thải công nghiệp, nông nghiệp đến cả rác bệnh viện Trong các loại chất thải đó có nhiều loại rất khó phân hủy như: bao ni-lông, cao-su, chai nhựa, vỏ hộp cơm, bao nilon, yên xe, gỗ, vỏ dừa, bao tải trôi nổi trên biển Thậm chí có cả bàn ghế, giường chiếu, tủ gỗ hỏng, xác động vật, rác y tế… Với các kích thước khác nhau, nhỏ có, cồng kềnh có, nặng có,

nhẹ có, rác ven biển gây khó khăn cho các thiết bị gom và vớt rác

2.1.2 Qui luật phân tán và chuyển động của rác và các vật nổi gần mặt nước

Có nghiên cứu và xác định được quy luật phân tán và chuyển động của rác và các vật nổi gần mặt nước mới đề ra được giải pháp hợp lý để thu gom và vớt rác

H 2-1: Các loại rác nổi

Quá trình nghiên cứu cho thấy: Rác và các vật nổi gần mặt nước bị dòng chảy của nước tác động Do vậy, muốn biết được quy luật phân tán và chuyển động của rác

và các vật nổi gần mặt nước ta phải nghiên cứu dòng chảy của chất lỏng Chất lỏng

sẽ xảy ra hiện tượng lưu tuyến khi tàu chuyển động, hiện tượng lưu tuyến là hiện tượng phân bố lại áp lực và tốc độ dòng chảy quanh bề mặt vỏ tàu Tốc độ dòng chảy tại phần giữa tàu đạt giá trị lớn nhất do các dòng chất lỏng bị ép lên nhau làm giảm tiết diện ngang Ngoài ra khi chuyển động, tàu còn gây ra các hệ thống sóng xung quanh tàu Như vậy là khi tàu di chuyển, chúng tạo ra dòng chảy đẩy rác ra xa, gây khó khăn cho việc thao tác, bố trí thiết bị vớt rác trên tàu

2.1.3 Mức thải rác

Mức thải rác là khối lượng rác phát sinh hàng ngày tính trên đầu người, được tính toán dựa trên nghiên cứu, tính toán thực tế theo từng vùng

Mức thải rác trung bình ở các nước công nghiệp phát triển: > 0,8 Kg/người.ngày

Ở các nước đang phát triển khoảng (0,3 ÷ 0,6) Kg/người.ngày

Mức rác thải trung bình của các đô thị nước ta hiện nay khoảng (0,4 ÷ 0,5)

Kg/người.ngày

2.1.4 Tỷ trọng

Tỷ trọng của rác ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương thức thu gom và vận chuyển Ở các nước công nghiệp phát triển rác thải có tỷ trọng thấp là do các thành phần giấy, bao bì, vỏ hộp chiếm tỷ lệ lớn, ở các nước đang phát triển tỷ trọng rác thải cao hơn

Rác nổi do ngậm nước nên trọng lượng riêng của rác lớn, rất khó xác định được

tỷ trọng

Tỷ trọng rác nổi ở các đô thị của nước ta hiện nay ước tính là 0,42 tấn/m3

H 2-3: Sơ đồ bố trí cơ cấu gom rác trên tàu hai thân

(1 Cánh tay gom rác; 2 Miệng hứng; 3 Thân tàu)

2.2 CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ TÀU VỚT RÁC NỔI HIỆN NAY

Thực tế hiện nay thường áp dụng các giải pháp vớt rác sau:

2.2.1 Giải pháp gom rác nổi

Tàu vớt rác được thiết kế dạng 2 thân riêng biệt dạng phao nổi liên kết với nhau bởi sàn tàu cao hơn mặt nước Phía đầu mỗi thân gắn 1 cánh tay gom rác, cánh tay gom rác có dạng hình chữ nhật được tạo thành bởi các thanh liên kết với nhau, khoảng cách giữa các thanh khoảng (50 ÷ 60) mm

Tác dụng của cánh tay gom rác là tập trung và hướng rác nổi vào luồng chảy giữa hai thân tàu Cánh tay gom rác có thể điều chỉnh được bằng cơ cấu thủy lực, độ

mở của cánh tay gom rác phụ thuộc vào mật độ rác nổi Nếu mật độ rác nhiều, độ

H 2-2: Cánh tay gom rác

mở sẽ thu hẹp lại để lượng rác di chuyển vào giữa hai thân tàu luôn ổn định, không làm rác nổi đè lên nhau gây chìm rác

Với giải pháp trên khi tàu chuyển động sẽ tạo một dòng chảy từ miệng phễu tạo bởi 2 cánh tay gom rác về phía giữa thân tàu và xuôi về thân tàu Dòng chảy này đẩy rác và các vật nổi gần mặt nước chuyển động và gom vào miệng hứng Miệng hứng nằm giữa hai thân tàu, nơi tập trung rác nổi Tại đây sẽ được bố trí các thiết bị vớt rác

2.2.2 Giải pháp vớt rác

2.2.2.1 Sử dụng túi lưới

Tại miệng hứng được đặt một túi lưới dùng để chứa rác, miệng của túi lưới mở

rộng nhờ có khung thép hình chữ nhật, khung này đặt ngay tại mặt thoáng của nước

H 2-4: Tàu hai thân bố trí cơ cấu túi lưới vớt rác

( 1 Cánh tay gom rác; 2 Túi rác; 3 Dây cáp )

Giải pháp này đem lại hiệu quả thu gom rác cao, nhờ chuyển động của tàu, rác sẽ qua miệng hứng và tập trung ở túi lưới Khi túi rác đầy, cửa miệng hứng đóng lại, túi rác được chuyển lên boong nhờ thiết bị nâng hạ

Nhược điểm của giải pháp là khi gặp rác cồng kềnh nổi trên mặt nước sẽ cản trở dòng rác vào túi lưới, việc di chuyển túi rác khi đã đầy lên boong là hết sức khó khăn và mất nhiều thời gian

2.2.2.2 Sử dụng bơm hút

Dùng bơm hút để đưa rác lên tàu Bơm hút ở đây có thể dùng bơm ly tâm để hút hỗn hợp rác và nước Bơm ly tâm làm việc nhờ tác dụng của lực ly tâm hình thành nhờ sự quay của cánh bánh xe công tác Khi cánh bánh xe công tác quay, hỗn hợp rác – nước sẽ quay theo cánh và chuyển động dịch chuyển tương đối so với cánh

Khi rác đã được tập trung ở miệng hứng với mật độ cao, miệng hút cùng với hệ thống đường ống của bơm hút được thả xuống nước tới vị trí thích hợp rồi khởi động bơm Hỗn hợp rác - nước được bơm vận chuyển lên tàu sẽ đi qua bộ tách nước, tại đây rác được tách ra và chuyển xuống hầm chứa rác

Giải pháp này phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm của rác Với rác đa dạng về thành phần và tính chất như khu vực ven biển Nha Trang thì giải pháp dùng bơm hút là không hợp lý

2.2.2.3 Sử dụng gầu tải

Dùng gầu tải đứng để vớt rác tự động Gầu tải hai xích với các gầu rộng, được đặt cách nhau Cơ cấu gầu tải được đặt ngay tai miệng hứng- nơi mật độ rác dầy đặc, hỗn hợp rác và nước được gầu múc lên Vì cấu tạo của gầu cho phép nước có thể chảy xuống chỉ còn rác ở lại Dưới tác dụng của lực ly tâm khi gầu đi qua đĩa xích, rác được đổ xuống máng dẫn hướng và tập trung ở hầm chứa rác

Ưu điểm của giải pháp này có thể vớt rác liên tục, năng suất vớt rác khá cao Áp dụng được với những khu vực có mật độ rác cao

Nhược điểm chủ yếu của giải pháp này là không cho phép quá tải, nếu bị quá tải thì gầu tải sẽ rất dễ bị hư hỏng Vì rác không thể cung cấp một cách điều hòa được nên việc quá tải rất dễ xảy ra, việc tính toán sẽ rất phức tạp

2.2.2.4 Sử dụng gầu múc

Cơ cấu vớt rác gồm có hai gầu và hệ thống thủy lực Gầu động (2) được đặt ngay tại miệng hứng, và được đục lỗ để dễ dàng cho việc thoát nước Nhờ chuyển động của tàu, rác theo dòng nước chuyển động theo dòng qua miệng hứng và được tập trung

ở gầu động Khi đầy rác, miệng hứng đóng lại, gầu được điều khiển bằng thủy lực

để đưa rác từ miệng hứng lên đổ qua gầu dẫn hướng (3) tới thùng đựng rác (4) đặt trên sàn tàu Phương án này đơn giản, hiệu quả đạt được cũng khá tốt Có thể vớt được rác nổi hoặc rác chìm (lơ lửng cách mặt nước khoảng 30 ÷40 cm), năng suất vớt rác rất cao, hoạt động nhịp nhàng, tiết kiệm tối đa nhân công Thích hợp trong việc bố trí trên tàu vớt rác ven biển

H 2-5: Tàu hai thân bố trí cơ cấu gầu tải vớt rác

(1.Cánh tay gom rác; 2.Cơ cấu gầu tải; 3.Máng dẫn hướng; 4 Hầm chứa

rác; 5.Miệng hứng)

2.2.2.5 Sử dụng hệ thống băng tải

Nhờ khoảng trống dọc theo theo hai phía bên ở mặt dưới của thân tàu hai thân và

hệ thống băng tải có các răng cào và máng hứng, nên ở trạng thái hoạt động, tàu sẽ

dịch chuyển về phía trước và vật nổi (rác) được lùa một cách tự động qua khoảng trống này để gom vào một chỗ trong thân của thiết bị (miệng hứng) và được hệ thống băng tải và máng hứng đưa tới thùng chứa Nhờ vậy, vật nổi (rác) được thu

H 2-6: Tàu hai thân bố trí cơ cấu gàu vớt rác

(1.Cánh tay gom rác; 2.Gầu động; 3.Gầu dẫn hướng;

4.Thùng đựng rác)

H 2-7: Tàu hai thân bố trí cơ cấu băng tải vớt rác

(1.Cánh tay gom rác; 2.Hệ thống băng tải; 3.Máng hứng;

4.Thùng đựng rác; 5.Miệng hứng)

gom một cách dễ dàng và chỉ cần rất ít người để vận hành thiết bị trong quá trình thu gom

Nhược điểm của giải pháp là tính toán phức tạp, quá tải trên răng cào và băng truyền rất dễ xảy ra Hiệu suất thu rác không cao, rác có thể bị răng cào tác động và làm chìm, không vớt được

2.2.2.6 Sử dụng tàu kéo

Một tàu kéo (5), hai cơ cấu thu gom được gắn vào hai bên sườn của tàu kéo, mỗi cơ cấu thu gom bao gồm một thùng vớt có dạng hình hộp (2) có mũi lệch về phía thuyền kéo, một túi lưới (1) được gắn vào đuôi thùng vớt, một cánh tay gom rác được nối bản lề vào thùng vớt và có thể quay được để mở rộng và thu hẹp khẩu

độ thu gom nhờ tời kéo (6) và cáp kéo Một thanh đẩy có một đầu được đặt tự do trên thuyền kéo và đầu kia được nối bản lề vào giữa cánh tay thu gom Khi thuyền kéo chuyển động rác sẽ được cánh tay thu gom, nhờ dòng chảy của nước xung quanh thuyền, rác sẽ trôi dạt theo dòng qua thùng vớt và được tập trung ở túi lưới Khi túi lưới đầy, thùng vớt đóng cửa lại, túi rác được chuyển lên sàn tàu Giải pháp

H 2-8: Tàu kéo bố trí cơ cấu vớt

(1.Túi lưới; 2.Thùng vớt; 3.Cánh tay gom rác; 4.Thanh đẩy;

5 Tàu kéo; 6.Tời kéo; 7.Dây cáp kéo

đem lại hiệu quả không cao khi hoạt động ở vùng ven biển, những vùng có mật độ rác cao Khi tàu chuyển động, với mật độ cao rác sẽ bị tàu đè lên trên và đẩy ra phía sau Với những vật nổi cồng kềnh rất khó thu gom

2.3 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÙ HỢP

Yêu cầu giải pháp thiết kế

• Hoạt động tốt khu vực ven biển

• Không bị ảnh hưởng nhiều của môi trường đến quá trình thu gom

• Năng suất vớt rác cao

• Đem lại hiệu quả kinh tế và tiết kiệm nhân công

• Vận hành đơn giản

Qua việc nghiên cứu và lựa chọn các giải pháp, tàu vớt rác ven biển được thiết

kế trên cơ sở các quá trình cơ bản sau:

2.3.1 Quá trình gom rác

Tàu vớt rác được thiết kế là tàu hai thân Phía đầu mỗi thân gắn 1 cánh tay gom rác, cánh tay gom rác có cấu tạo dạng mắt lưới Tác dụng của cánh tay gom rác là tập trung và hướng rác nổi vào luồng chảy giữa hai thân tàu Cánh tay gom rác có thể điều chỉnh được bằng cơ cấu thủy lực, độ mở của cánh tay gom rác phụ thuộc vào mật độ rác nổi Nếu mật độ rác nhiều, độ mở sẽ thu hẹp lại để lượng rác di chuyển vào giữa hai thân tàu luôn ổn định, không làm rác nổi đè lên nhau gây chìm rác Tổ hợp giải pháp có dạng như hình sau:

Với giải pháp trên, khi tàu chuyển động với Vtàu (hoặc dòng nước chuyển động với Vd), tổ hợp trên tạo một dòng chảy từ miệng phễu tạo bởi 2 cánh tay gom rác về phía giữa thân tàu và xuôi về thân tàu Dòng chảy này đẩy rác và các vật nổi gần mặt nước chuyển động và gom vào miệng hứng

Như vậy, chỉ bằng chuyển động của

tàu vớt rác trong một đơn vị thời gian

rác đã được tự động gom trên một diện

tích rộng (S

g = B

g.V

tàu) về một vị trí là miệng hứng

2.3.2 Quá trình vớt rác tự động

Dùng gầu để vớt rác tự động

Có hai gầu: gầu dẫn hướng và gầu

động Gầu động được đặt ngay tại miệng

hứng Nhờ chuyển động của tàu, rác

theo dòng nước chuyển động theo dòng

qua miệng hứng và được tập trung ở gầu

động Khi đầy rác, gầu động được điều

khiển bằng thủy lực để đưa rác từ miệng

H 2-9: Sơ đồ giải pháp tự động gom rác

1 Cánh tay gom rác

2 Mi ệng hứng rác

3 Thân tàu

H 2-10: Cơ cấu vớt rác

hứng lên đổ qua gầu dẫn hướng tới thùng rác đặt trên sàn tàu

2.4 THIẾT KẾ SƠ BỘ CƠ CẤU VỚT RÁC

2.4.1 Những thông số cơ bản

2.4.1.1 Năng suất vớt rác

Năng suất vớt rác của thiết bị vớt rác phụ thuộc vào:

• Khối lượng rác cần vớt

• Thời gian làm việc

Theo nghiên cứu và điều tra thực tế, rác nổi ven biển Nha Trang có mật độ cao vào thời điểm tập trung đông khách du lịch và khi mưa lớn Ước tính lượng rác thải nổi trên mặt biển vào thời kỳ cao điểm lên tới 9 m3/ngày Vì vậy khối lượng rác cần phải vớt không nhỏ hơn 9 m3/ngày

Vậy năng suất vớt rác của thiết bị là:

nε

= (2.2) Trong đó:

• N: năng suất vớt rác của thiết bị

• n: số chu kỳ làm việc trong 1h

• ε: hệ số đầy của gầu múc; ε = 0,6

Số chu kỳ làm việc trong 1h phụ thuộc vào mật độ rác và diện tích làm việc của thiết bị trong chu kỳ đó Số chu kỳ làm việc trong 1h được tính trung bình là 2 chu

Q V

γ

= = = (m3) (2.3)

2.4.2 Chọn sơ bộ kích thước gầu múc

Gầu múc được thiết kế phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

2.4.3 Chọn sơ bộ kích thước cơ cấu cần nâng hạ

Cơ cấu cần có tác dụng nâng hạ gầu múc, kích thước của cần thiết kế sao cho:

• Tầm với của cần phải đủ để đưa gầu từ miệng hứng lên vị trí đổ rác

• Khả năng nâng, hạ gầu tốt

Ta chọn sơ bộ kích thước cơ cấu cần như hình 2.12

2.4.4 Tải trọng tác dụng lên cơ cấu

Tải trọng nâng danh nghĩa của cơ cấu được tính theo công thức:

Qdn = Qv + Qmt (2.4) Trong đó :

• Qr là trọng lượng rác trong gầu; Qv = 5250 N

• Qgm là trọng lượng gầu múc; Qgm = 10% Qv = 525 N Suy ra Qdn = 5250 + 525 = 5775 N

Tải trọng tác dụng lên cơ cấu:

Q = Qdn k (2.5)

Trong đó k = 1,1 là hệ số tải trọng không đều

Vậy tải trọng tác dụng lên cơ cấu là Q = 5775 1,1 = 6352,5 N

Ta tính toán với tải trọng tác dụng Q = 6400 N

2.4.5 Tính toán lực học tại

các vị trí

Vì gầu có kích thước lớn,

để tính toán lực học ta đặt tải

trọng tác dụng lên cơ cấu tại

vị trí trọng tâm của gầu

- T : Lực kéo của piston thứ nhất

- l11 : Cánh tay đòn của T

- Q : Tải trọng của cơ cấu

- l12 : Cánh tay đòn của Q ⇒

11 12

l

l Q

+ Tính lực của piston thứ hai

Lấy mô men đối với điểm O

∑Mo=F.l21−Q.l22 (2.8) Trong đó :

- F : Lực kéo của piston thứ hai

- l21 : Cánh tay đòn của T

- Q : Tải trọng của cơ cấu

- l22 : Cánh tay đòn của Q ⇒

21 22

l

l Q

Vậy lực piston thứ nhất là T = TMAX = 14757 N; piston thứ hai là F = FMAX =

28537 N Dựa vào lực này để ta chọn được hệ xilanh thủy lực phù hợp

Mặt sàn là composite phẳng có gân chống trượt

Lan can Inox có thể gấp mở được, tạo mặt thoáng khi cần

Trần sàn tàu bố trí một bàn điều khiển, lái,ghế ngồi

Có chỗ để treo phương tiện cứu sinh

3.1.7 Yêu cầu về giá thành, thời gian và trang thiết bị khác

Tàu được sản xuất với giá thấp nhất có thể, thời gian đóng tàu ngắn.Trang bị cho tàu phương tiện tín hiệu, trang thiết bị hàng hải, vô tuyến điện, trang thiết bị cứu hỏa, cứu đắm đầy đủ …

3.2 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC VÀ CÁC YẾU TỐ CỦA TÀU THIẾT

Trước hết cần tiến hành lựa chọn một số thông số cơ bản của tàu, việc lựa chọn này sẽ dựa vào tàu mẫu và đồng thời kết hợp với những lý luận mang tính chất lý thuyết

3.2.1 Thống kê một số tàu hai thân cỡ nhỏ

Dựa vào các thông số của các mẫu tàu trong các tài liệu về tàu hai thân kết hợp với việc thông kê các mẫu tàu hai thân được đóng mới và đang hoạt động có hiệu quả trong những năm gần đây, ta có thể thống kê được một số tàu hai thân cỡ nhỏ theo bảng 3.1:

Bảng 3.1: Bảng thống kê một số tàu hai thân

V (hl/ h)

Lựa chọn chiều dài L cho tàu thiết kế là vấn đề quan trọng nhất, theo đó toàn

bộ công việc bố trí tàu, trang trí phương tiện chịu ảnh hưởng trực tiếp Chiều dài tàu

L ảnh hưởng quyết định đến trọng lượng vỏ tàu được thiết kế

Căn cứ vào nhiệm vụ thư là tàu thiết kế chở được 4 tấn rác, rác được chứa trong các thùng rác loại 880 lít Thùng rác 880 lít có kích thước dài 1350 mm, rộng

880 mm, cao 1100 mm, khối lượng định mức của thùng khi đầy tải là 370 kg Để chứa được 4 tấn rác, số thùng cần sử dụng là 10 thùng, và kết hợp với 4 thùng loại

240 lít kích thước dài 600 mm, rộng 520 mm, cao 935 mm, khối lượng định mức của thùng khi đầy tải là 100 kg Bố trí các thùng rác trên boong như hình 3.1:

Vì vậy chiều dài cần thiết để có thể bố trí 10 thùng rác là 7,64 m, ngoài ra trên tàu còn bố trí cơ cấu vớt rác và lầu lái chiều dài khoảng 3,5 m Ta chọn sơ bộ chiều dài tàu thiết kế là L = 11,5 m

L/B ảnh hưởng đến sức cản, độ bền dọc tàu Trị số L/B quá bé sức cản hình dáng

và sức cản sóng của thân tàu sẽ tăng nhanh, tính ổn định hướng kém L/B lớn sức cản hình dáng nhỏ, ổn định dọc, ổn định hướng tốt, giảm lắc dọc tàu nhưng độ bền dọc kém

Loại tàu hai thân ở Việt Nam vẫn còn tương đối mới lạ Trên quy mô cấp nhà nước loại tàu này vẫn còn dừng lại ở góc độ hội thảo để tìm hiểu, có rất ít tài liệu về tàu hai thân Việc chọn tỷ lệ L/B ở đây theo phương pháp thống kê một số tàu hai thân được đóng mới và hoạt động hiệu quả trong những năm gần đây

Ta có đồ thị thống kê tỷ lệ L/B

H 3-1: Bố trí các thùng rác

Mớn nước T là một trong những kích thước hình học cơ bản của tàu

Mớn nước T phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó điều kiện tự nhiên mà nơi tàu sẽ hoạt động là yếu tố quan trọng nhất Ta chọn mớn nước cho tàu thiết kế là

T = 0,9 m

H/T là thước đo mạn khô của tàu, nó ảnh hưởng đến ổn định và sức cản của tàu Để xác định chiều chìm lớn nhất của tàu cần dựa vào mối quan hệ giữa mạn khô của tàu, kiểu tàu, kiểu bố trí thượng tầng và đủ lực nổi dự trữ cho tàu Tàu thiết

kế để chở rác và thiết bị vớt rác nên xu hướng thiết kế ta lựa chọn H/T vừa phải

Tỷ lệ H/T : 1,6 ≤ H/T ≤ 1,7

Hệ số được xác định: α = S/LB

Trong đó:

• S: Diện tích mặt đường nước (m2)

• L: Chiều dài tàu (m)

• B: Chiều rộng tàu (m)

Hệ số α có quan hệ đến tính ổn định, tính chạy nhanh và tính hàng hải của tàu Nếu α lớn, bán kính ổn định ngang ban đầu r0 lớn, tính ổn định của tàu sẽ được tăng lên Đồng thời α lớn diện tích mặt đường nước sẽ lớn, mặt boong sẽ được mở rộng thuận lợi cho thao tác và đi lại trên boong tàu Nếu α quá bé tính ổn định của tàu sẽ giảm, đây là điều tệ hại α nhỏ diện tích mặt boong thu nhỏ lại đôi chút nhưng ổn định của tàu vẫn được đảm bảo Vì tàu thiết kế là tàu hai thân, có tính ổn định rất cao và diện tích mặt boong lớn nên ta có thể chọn α vừa phải, có thể dựa vào thống

kê một số mẫu tàu hai thân đang hoạt động

Hệ số α của tàu mẫu nằm trong khoảng: 0,30 ≤ α ≤ 0,59

Ta chọn hệ số diện tích mặt đường nước α = 0,4

Hệ số δ được xác định: δ = V/LBT

Trong đó:

• V: Thể tích chiếm nước của tàu (m3)

• L, B, T: Chiều dài, chiều rộng, mớn nước của tàu (m)

Hệ số δ có ảnh hưởng nhiều đến sức cản tàu, đặc biệt là khi tàu đạt tốc độ cao, ảnh hưởng đến dung tích chở hàng, ảnh hưởng đến việc bố trí các khoang, đặc biệt đối với tàu bố trí máy ở phần đuôi Nếu hệ số δ lớn, sức cản của nước tác dụng vào tàu sẽ lớn, công suất có ích của máy đẩy tàu sẽ giảm, nhưng bù lại sức chở của tàu tương đối lớn, hệ số δ lớn cũng làm giảm bán kính ổn định ngang, đồng thời làm giảm độ cao tâm nổi ban đầu Zc0 Điều này làm cho chiều cao tâm ổn định ban đầu

h0 giảm dẫn đến tính ổn định của tàu bị giảm Ngược lại, nếu δ nhỏ tính ổn định của tàu sẽ được tăng lên, sức cản giảm nên tốc độ của tàu được cải thiện

Tàu hai thân vốn dĩ đã có tính ổn định ngang rất tốt, sức cản nhỏ nên xu hướng thiết kế ta lựa chọn hệ số δ cho mỗi thân con của tàu vừa phải

Hệ số δ của tàu mẫu nằm trong khoảng: 0,30 ≤ δ ≤ 0,60

Ta chọn hệ số thể tích chiếm nước δ = 0,38

Hệ số diện tích mặt cắt ngang β được xác định: β = ω/BT

Trong đó:

• ω: Diện tích mặt cắt ngang (m2)

• B, T: Chiều rộng, mớn nước của tàu (m)

Hệ số β ít ảnh hưởng đến tính ổn định cũng như tính lắc của tàu, vì vậy ở đây

hệ số β sẽ được chọn dựa trên tàu mẫu

Hệ số β có giá trị trong khoảng: 0,2 ≤ β ≤ 0,4 Chọn β = 0,3

Từ các công thức thống kê nêu trên cùng với chiều dài L = 11,5 m, ta tiến hành tính chọn các thông số kích thước cho tàu thiết kế như sau:

Vậy ta xác định được sơ bộ các thông số cơ bản cho tàu thiết kế là:

Chiều dài lớn nhất: Lmax = 11,5 m Chiều rộng lớn nhất: Bmax = 4,8 m

Chiều cao mạn: H = 1,5 m Mớn nước: T = 0,90 m

Hệ số diện tích mặt đường nước: α = 0,4

Do mối liên quan trên nên việc vẽ đường hình tàu phải phù hợp với đặc điểm hình học Ngoài ra đường hình dáng thân tàu phải đúng, đẹp, chính xác và phù hợp

Do chức năng hoạt động mà tàu có hình dáng hình học phức tạp Đã từ rất sớm, người ta có ý tưởng biểu diễn đường hình tàu bằng một hàm toán học, nhiều công trình nghiên cứu đã đề cập đến vấn đề này Kết quả của các công trình nghiên cứu kiên trì đó hết sức khả quan

Việc thiết kế đường hình tàu thường dựa vào hai phương pháp chính: phương pháp dựa vào tàu mẫu và phương pháp đường hình dáng tự thiết kế Phương pháp

vẽ đường hình dáng tự thiết kế (chỉ tham khảo khái quát tàu mẫu) khoa học hơn phương pháp dựa vào tàu mẫu Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi người thiết kế phải có những am hiểu sâu sắc và kinh nghiệm trong thực tế Với lý do trên, phương pháp thiết kế đường hình của tàu này là dựa vào tàu mẫu

3.3.3 Trình tự vẽ đường hình tàu:

Chọn tàu mẫu: Tàu mẫu là tàu du lịch câu cá hai thân Vì đây là mẫu tàu có dạng đường hình rất thuận lợi trong chế tạo vỏ tàu, đồng thời công suất máy yêu cầu cho dạng đường hình này cũng nhỏ hơn các tàu có dạng đường hình khác Tàu không có đuôi transom nên đường hình đơn giản, phù hợp với việc lắp máy ở giữa hai thân con

Phương pháp xây dựng đường hình tàu

Từ kết quả phân tích tàu mẫu, ta lựa chọn ra tàu mẫu và tiến hành vẽ đường hình cho tàu thiết kế theo các bước sau:

Bước 1: chia tỷ lệ bản vẽ

Bước 2: lựa chọn số sườn, số đường nước, khoảng cách sườn lý thuyết, khoảng cách giữa các đường nước và vẽ các ô lưới theo khoảng cách sườn, khoảng cách các mặt cắt dọc và khoảng cách các mặt đường nước

Bước 3: vẽ biên dạng mặt cắt dọc giữa tàu trên hình chiếu đứng và biên dạng mép boong trên hình chiếu bằng

Bước 4: vẽ các sườn trên hình chiếu cạnh dựa vào mặt cắt dọc giữa tàu, biên dạng mép boong

Bước 5: từ toạ độ các sườn, mặt cắt dọc, mặt đường nước trên hình chiếu cạnh lần lượt vẽ các đường trên hình chiếu đứng, hình chiếu cạnh

Bước 6: kiểm tra sự phù hợp giữa ba hình chiếu và điều chỉnh lại các đường trên toàn bộ bản vẽ cho đúng quy cách

Bước 7: lặp lại bước 6 đến khi tạo thành bản vẽ đường hình hoàn chỉnh

Bước 8: lập bảng toạ độ đường hình tàu thiết kế

− Xc: hoành độ tâm nổi

− Xf: hoành độ trọng tâm mặt đường nước

− Zc: cao độ tâm nổi

− R0: bán kính ổn định dọc

− r0: bán kính ổn định ngang

3.4.1 Diện tích mặt đường nước (S (m))

Diện tính mặt đường nước được tính theo công thức:

S = 2 ∫

−

2 /

2 /

∆L = 1 (m) là khoảng cách sườn lý thuyết

yn: nửa chiều rộng tại vị trí sườn thứ n, tại mặt đường nước đang tính n: số mặt cắt ngang lý thuyết

∆S: hiệu đính diện tích ở hai đầu lái và mũi

Để tính phần hiệu đính ∆S ta áp dụng công thức hình thang để tính S ở trên bằng cách chia nhỏ phần diện tích hiệu đính thành nhiều phần bởi các đường song song với trục oy cách đều nhau, sao cho đường đầu tiên và cuối cùng trùng với điểm

đầu và cuối của diện tích hiệu đính (ở đây ta chia ∆S thành 10 phần) Khi đó phải

đo lại giá trị ∆L

Diện tích S tính theo công thức trên chỉ là diện tích một thân con của tàu Kết quả S có được được nhân với 2 để cho ra diện tích mặt đường nước toàn tàu và ta có kết quả tính diện tích S cho toàn tàu thể hiện ở bảng 3.3

Thể tích chiếm nước (V) được tính theo công thức:

n: số mặt đường nước

Sn: diện tích mặt đường nước tương ứng thứ n

Kết quả tính thể tích chiếm nước (V) được thể hiện ở bảng 3.3

Diện tích mặt cắt ngang giữa tàu được tính theo công thức:

y y y y

y T ydz

0

0 1

0

2

2 2

3.4.4 Các hệ số hình dạng vỏ tàu

- Hệ số béo thể tính:δ =

i i i

i T B L

V

(3.4)

- Hệ số diện tích mặt đường nước:

i i

i B L

i T B

Kết quả tính các hệ số hình dạng vỏ tàu được thể hiện ở bảng 3.3

Hoành độ trọng tâm mặt đường nước được tính theo công thức:

Xf =

i

Sioy S

M

(3.7) Với MSioy là momen tĩnh của diện tích mặt đường nước (S) đối với trục oy

MSioy = 2 ∫

−

2 /

2 /

L

L xydx= (∆L)2 [5(y10-y0) + 8(y9-y1) + 6(y8-y2) + 4(y7-y3) + 2(y6-y4)] + ∆MSioy (3.8) Với ∆MSioy là momen tĩnh hiệu đính

Để tính phần momen tĩnh hiệu đính ∆MSioy ta đi tìm trọng tâm của phần diện tích hiệu đính bằng cách chia nhỏ diện tích này thành các hình tam giác và hình chữ nhật để tìm trọng tâm Sau khi tìm được trọng tâm của các hình đơn vị ta tổ hợp trọng tâm của các hình này theo phương pháp cơ học để có được trọng tâm của phần diện tích hiệu đính Momen hiệu đính có được là kết quả của tích giữa khoảng cách

từ trọng tâm diện tích hiệu đính tới trục oy và diện tích hiệu đính tính được từ phần tính diện tích mặt đường nước

Kết quả tính Xf được thể hiện ở bảng 3.3

3.4.6 Tọa độ tâm nổi (z c , x c (m))

Chiều cao tâm nổi được xác định theo công thức :

i

ixoy ci

V

M

Z = (3.9) Trong đó : MVixoy là momen tĩnh của thể tích Vi đối với mặt phẳng toạ độ xoy

và được tính theo công thức :

M

(3.11) Trong đó: MViyoz là momen của thể tích Vi đối với mặt phẳng toạ độ yoz và được tính theo công thức:

và được tính theo công thức:

3 10

3 0 3 10

3 1

y y

+ + + + + ∆Ix (3.14)

Với ∆Ix là phần hiệu đính ở

đầu mũi và lái

Để tính ∆Ix ta chia diện tích

hiệu đính thành 10 khoảng như đối

với một đường nước sao cho điểm

đầu và cuối của phần hiệu đính đều

có đường thẳng qua như mô tả ở

hình 3.1 Sau đó áp dụng công thức

tính Ix ở trên để tính

Cần chú ý rằng chiều rộng

tính toán của tàu hai thân là khoảng

cách từ mép ngoài của mạn đến trục ox giữa tàu nên tung độ yêu cầu đo được trên mỗi thân con của tàu được cộng thêm 1,8 m – là khoảng cách từ cắt dọc giữa của mỗi thân con đến mặt phẳng đối xứng của tàu chính

I

R0= (3.15) Trong đó: Iy là momen quán tính dọc của diện tích mặt đường nước đối với trục oy và được tính theo công thức:

( )

y I y y y y y y y y y y L L

2 3 2 2

Với ∆Iy là phần hiệu đính ở đầu mũi và lái

Để tính ∆Iy ta cũng chia phần hiệu đính thành các phần như tính ∆Ix Sau đó áp dụng công thức tính Iy để tính Kết quả thu được phải cộng thêm với tích của kết quả đó với 1,8 m để thu được momen đối với trục ox của tàu chính

H 3-3: Hiệu đính mô men quán tính

Cần chú ý rằng chiều dài tính toán của mỗi thân con cũng là chiều dài tính toán của tàu chính nên giá trị tung độ y đo được trên mỗi thân con dùng tính toán cũng là tung độ y của tàu chính

Kết quả tính bán kính ổn định dọc (R0) được thể hiện ở bảng 3.3

Từ các công thức tính toán ở trên ta có bảng kết quả tính toán các yếu tố tĩnh thuỷ lực như bảng 3.3

3.4.9 Tính và vẽ đồ thị Bonjean

Với mỗi sườn tàu, từ kết quả tính diện tích phần chìm và momen tĩnh phần chìm so với đáy, có thể vẽ hai đường cong miêu tả biến thiên của hai giá trị trên theo chiều chìm T Tập hợp toàn bộ các đường cong kiểu này, lập cho tất cả các sườn tính toán có tên là đồ thị Bonjean

Họ đường cong trên đồ thị Bonjean là cơ sở tính thể tích phần chìm giả định, tâm nổi theo chiều dọc, chiều cao trước khi hạ thuỷ tàu, đồng thời là cơ sở tính chống chìm, phân khoang tàu

Diện tích mặt cắt ngang tàu được tính theo công thức:

Kết quả tính toán theo công thức trên cho ra diện tích mặt cắt ngang của một thân con của tàu Để có được diện tích mặt cắt ngang toàn tàu thì kết quả trên được nhân 2

Từ công thức tính được giá trị của ω ở bảng 3.4

Bảng 3.4: Diện tích mặt cắt ngang tàu

y n y y i T yzdz T

M

0 2

2

.

2 2

y n y y i T yzdz T

M

0 2

2

.

4 4

Bảng 3.5: Mômen tĩnh của diện tích mặt cắt ngang tàu

ĐN Sườn

3.5 THIẾT KẾ KẾT CẤU THEO QUY PHẠM

Trong quá trình thiết kế mọi tính chọn căn cứ vào quy phạm kiểm tra và kết cấu tàu vỏ FRP theo quy phạm:

- Quy phạm phân cấp và đóng tàu sông,TCVN 5801: 2001 [1]

- Quy phạm kiểm tra và chế tạo các tàu làm bằng chất dẻo cốt sợi thủy tinh TCVN 6282 – 2003 [2]

3.5.1 Tính toán các chi tiết kết cấu

Tính toán các chi tiết kết cấu thân tàu là phần việc rất quan trọng trong quá trình thiết kế tàu Các kết cấu được tính toán sao cho vừa đảm bảo bền theo qui

phạm, vừa dễ thi công chế tạo lại có tính thẩm mỹ cao

Vị trí và kích thước của các chi tiết kết cấu quyết định đến toạ độ trọng tâm của toàn tàu, nó có ảnh hưởng trực tiếp đến tính ổn định của con tàu Vì vậy, các chi tiết kết cấu phải được tính toán và kiểm tra theo các yêu cầu của qui phạm

Hình dáng các chi tiết kết cấu có ảnh hưởng lớn đến quá trình thi công chế tạo cũng như giá thành của con tàu

Tàu thiết kế gồm hầu hết các chi tiết kết cấu bằng vật liệu FRP Các chi tiết lan can, cột chống, mái che được chế tạo bằng Inox để tạo tính thẩm mỹ và dáng vẻ sang trọng cho tàu

3.5.2 Vật liệu

Vỏ tàu được chế tạo từ vật liệu FRP (Fiberglass Reinforced Plastic), trong đó:

- Vật liệu cốt là sợi thủy tinh dạng Matting và Roving sắp xếp xen kẽ nhau

- Vật liệu nền là nhựa polyester không no, loại được Đăng kiểm Lloyd cho phép sử dụng

Độ bền của vật liệu được xác định tại Phòng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu chế tạo tàu cá và thiết bị - VR LAB 02, trên máy kiểm nghiệm vật liệu loại Hounsfield của Anh quốc, có các giá trị cơ bản sau: