Tính toán, thiết kế khối cơ khí cho hệ thống phao hoạt động độc lập quan trắc môi trường biển

Chương 1. Giới thiệu về phao quan trắc môi trường biển Chương 2. Tổng quan về hệ thống phao quan trắc môi trường biển Chương 3. Tính toán và thiết kế khối cơ khí của hệ thống phao Chương 4. Thiết kế quy trình công nghệ gia công thân nắp đậy Chương 5. Thiết kế quy trình công nghệ gia công nút đầu Chương 6. Thiết kế quy trình công nghệ gia công coi vít M5 Chương 7. Thiết kế trang bị công nghệ cho nguyên công khoan 2 lỗ ø20 của chi tiết thân nắp đậy

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ PHAO QUAN TRẮC 9

MÔI TRƯỜNG BIỂN 9

1.1 Giới thiệu về hệ thống phao quan trắc môi trường biển 9

1.2 Một số nét về lịch sử ban đầu và sự phát triển của hệ thống phao quan trắc môi trường biển 9

1.3 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu 11

1.3.1 Thảm họa hạt nhân Fukushima và vai trò của các hệ thống quan trắc, cảnh báo phóng xạ trên biển 11

1.3.2 Phân loại các phương pháp quan trắc phóng xạ, hạt nhân trên biển .14

1.3.3 Tính cấp thiết của nội dung nghiên cứu 16

1.4 Đối tượng, mục đích, phạm vi nghiên cứu 20

1.4.1 Đối tượng 20

1.4.2 Mục đích 20

1.4.3 Phạm vi nghiên cứu 20

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHAO QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG BIỂN 21

2.1 Tổng quan về hệ thống phao quan trắc môi trường biển 21

2.2 Một số hệ thống phao quan trắc môi trường biển trên thế giới 22

2.2.1 Hệ thống phao Data Bouy DB 4700 của hãng Aanderaa Data Instruments, Na Uy 22

2.2.2 Hệ thống phao Viking 23

2.2.3 Hình ảnh về một số loại phao khác 25

2.3 Cấu tạo của hệ thống phao quan trắc môi trường biển 25

2.3.1 Cấu tạo của hệ thống phao biển thông dụng 25

2.3.2 Cấu tạo của hệ thống phao nghiên cứu 27

2.4 Vai trò của khối cơ khí 29

2.5 Thông số kỹ thuật lựa chọn cho hệ thống phao quan trắc môi trường biển 30

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KHỐI CƠ KHÍ CỦA HỆ THỐNG PHAO 35

3.1 Tính toán độ nổi của phao 35

3.1.1 Tổng quan về lực nổi và sự nổi 35

3.1.2 Tính toán độ nổi của phao 36

3.2 Xác định khối lượng để phao ở trạng thái cân bằng 38

Chương 4 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG THÂN NẮP ĐẬY 40

4.1 Phân tích chi tiết 40

4.1.1 Kết cấu 40

4.1.2 Điều kiện kỹ thuật 40

4.1.3 Tính công nghệ 41

4.2 Xác định dạng sản xuất 41

4.2.1 Tính toán khối lượng chi tiết 41

4.2.2 Xác định dạng sản xuất 41

4.3 Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi 42

4.4 Thiết kế quy trình công nghệ 43

4.4.1 Phân tích chiến lược gia công 43

4.4.2 Phân tích chọn chuẩn 43

4.4.3 Tiến trình công nghệ 44

4.5 Thiết kế nguyên công 44

4.5.1 Nguyên công 1: Tiện thô và tinh mặt đầu và mặt trụ ∅224 44

4.5.2 Nguyên công 2: Tiện thô và tinh mặt trụ lớn mặt đáy trụ lớn ∅100 và vát mép 46

4.5.3 Nguyên công 3: Tiện thô và tinh mặt lỗ ∅174 và áy lỗ, cắt ứtđáy lỗ, cắt đứt đáy lỗ, cắt đứt .48

4.5.4 Nguyên công 4: Tiện thô và tinh mặt đáy ∅224 50

4.5.5 Nguyên công 5: Phay thô và tinh mặt A 52

4.5.6 Nguyên công 6: Phay thô và tinh mặt B và C 54

4.5.7 Nguyên công 7: Khoan 2 lỗ ∅20 56

4.5.8 Nguyên công 8: Khoan 4 lỗ ∅5,5 58

4.6 Xác định lượng dư gia công cho các bề mặt 60

4.6.1.Xác định lượng dư gia công cho một bề mặt đáy lỗ ∅174 60

4.6.2.Chọn lượng dư gia công 62

4.7 Xác định chế độ cắt 63

4.7.1 Tính chế độ cắt trong nguyên công 7: Khoan 2 lỗ 20 63

4.7.2 Tra chế độ cắt cho các nguyên công còn lại 66

Chương 5 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG NÚT ĐẦU .68 5.1 Phân tích chi tiết 68

5.1.1 Kết cấu 68

5.1.2 Điều kiện kỹ thuật 68

5.1.3 Tính công nghệ 68

5.2 Xác định dạng sản xuất 69

5.2.1 Tính toán khối lượng chi tiết 69

5.2.2 Xác định dạng sản xuất 69

5.3 Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi 70

5.4 Thiết kế quy trình công nghệ 70

5.4.1 Phân tích chiến lược gia công 70

5.4.2 Phân tích chọn chuẩn 71

5.4.3 Tiến trình công nghệ 71

5.5 Thiết kế nguyên công 72

5.5.1 Nguyên công 1: Tiện thô và tinh mặt đầu 72

5.5.2 Nguyên công 2: Tiện thô và tinh mặt trụ ∅47 74

5.5.3 Nguyên công 3: Cắt rãnh 76

5.5.4 Nguyên công 4: Tiện vát góc nghiêng 112° của rãnh và vát mép rãnh 78

5.5.5 Nguyên công 5: Tiện thô và tinh lỗ Ø30 80

5.5.6 Nguyên công 6: Cắt đứt 82

5.5.7 Nguyên công 7: Tiện thô và tinh mặt đáy 84

5.5.8 Nguyên công 8: Tiện thô và tinh mặt côn lỗ 86

5.5 Xác định lượng dư gia công cho các bề mặt 88

5.5.1.Xác định lượng dư gia công cho một bề mặt trụ ∅47 88

5.5.2.Chọn lượng dư gia công 90

5.6 Xác định chế độ cắt 91

5.6.1 Tính chế độ cắt trong nguyên công 2: Tiện thô và tinh mặt trụ Ø47 91

5.7.2 Tra chế độ cắt cho các nguyên công còn lại 94

Chương 6 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG COI VÍT M5

96

6.1 Phân tích chi tiết 96

6.1.1 Kết cấu 96

6.1.2 Điều kiện kỹ thuật 96

6.1.3 Tính công nghệ 96

6.2 Xác định dạng sản xuất 96

6.2.1 Tính toán khối lượng chi tiết 96

6.2.2 Xác định dạng sản xuất 97

6.3 Chọn phôi và phương pháp chế tạo phôi 98

6.4 Thiết kế quy trình công nghệ 98

6.4.1 Phân tích chiến lược gia công 98

6.4.2 Phân tích chọn chuẩn 99

6.4.3 Tiến trình công nghệ 99

6.5 Thiết kế nguyên công 99

6.5.1 Nguyên công 1: Tiện thô và tinh mặt đầu 99

6.5.2 Nguyên công 2: Tiện thô và tinh mặt trụ ngoài ∅8, vát mép 102

6.5.3 Nguyên công 3: Khoan lỗ ∅4,2 104

6.5.4 Nguyên công 4: Cắt đứt 106

6.5.5 Nguyên công 5: Tiện thô và tinh mặt đấy Ø8 108

6.5.6 Nguyên công 6: Taro ren M5 110

6.5 Xác định lượng dư gia công cho các bề mặt 112

6.5.1.Xác định lượng dư gia công cho một bề mặt trụ ∅8 112

6.5.2.Chọn lượng dư gia công 114

6.6 Xác định chế độ cắt 115

6.6.1 Tính chế độ cắt trong nguyên công 2: Tiện thô va tinh mặt trụ Ø47 .115

6.6.2 Tra chế độ cắt cho các nguyên công còn lại 118

Chương 7 THIẾT KẾ TRANG BỊ CÔNG NGHỆ CHO NGUYÊN CÔNG KHOAN 2 LỖ Ø20 CỦA CHI TIẾT THÂN NẮP ĐẬY 120

7.1 Xác định thông số máy gia công 120

7.2 Xác định phương pháp định vị kẹp chặt 120

7.3 Tính lực kẹp 122

7.4 Xác định sai số chế tạo cho phép của đồ gá 124

KẾT LUẬN 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

PHỤ LỤC 129

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại đất nước, các ngành kinh tếnói chung và ngành cơ khí nói riêng đòi hỏi các kỹ sư và các cán bộ kỹ thuật cókiến thức tương đối rộng và phải biết vận dụng sáng tạo những kiến thức đã học

để giải quyết những vấn đề thường gặp trong thực tế

Đồ án tốt nghiệp đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình đào tạo trởthành người kỹ sư Quá trình làm đồ án tốt nghiệp giúp cho sinh viên hiểu rõhơn về những kiến thức đã được tiếp thu trong quá trình học tập, đồng thời nângcao khả năng vận dụng sáng tạo những kiến thức này để làm đồ án cũng nhưcông tác sau này

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp em được giao nhiệm vụ: “Tính toán,thiết kế khối cơ khí cho hệ thống phao hoạt động độc lập quan trắc môi trườngbiển” Được sự chỉ bảo tận tình của hai thầy giáo hướng dẫn là thầy Lê VănLuận và thầy Nguyễn Văn Toàn, em đã hoàn thành được đồ án này

Nội dung của đồ án “Tính toán, thiết kế khối cơ khí cho hệ thống phao hoạtđộng độc lập quan trắc môi trường biển” gồm 7 chương:

Chương 1 Giới thiệu về phao quan trắc môi trường biển

Chương 2 Tổng quan về hệ thống phao quan trắc môi trường biển

Chương 3 Tính toán và thiết kế khối cơ khí của hệ thống phao

Chương 4 Thiết kế quy trình công nghệ gia công thân nắp đậy

Chương 5 Thiết kế quy trình công nghệ gia công nút đầu

Chương 6 Thiết kế quy trình công nghệ gia công coi vít M5

Chương 7 Thiết kế trang bị công nghệ cho nguyên công khoan 2 lỗ ø20của chi tiết thân nắp đậy

Mặc dù đã rất cố gắng để hoàn thành đồ án này, tuy nhiên, do kiến thức cònnon yếu nên đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em rấtmong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đồ án này được tốt hơn

Em xin bày trân thành cảm ơn đối với hai thầy giáo hướng dẫn cùng cácthầy trong bộ môn chế tạo máy và bộ môn vật lý Học Viện Kỹ Thuật Quân Sựđã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.

Hà Nội, ngày 25 tháng 07 năm 2020 Sinh viên

Nguyễn Văn Tuấn

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ PHAO QUAN TRẮC

MÔI TRƯỜNG BIỂN

1.1 Giới thiệu về hệ thống phao quan trắc môi trường biển

Hệ thống phao quan trắc môi trường biển cũng giống như các loại trạmquan trắc môi trường khác, được sử dụng để đo các thông số môi trường cơ bảnnhư: nhiệt độ không khí, tốc độ gió và hướng gió, áp suất khí quyển, ngoài racòn được sử dụng trong lĩnh vực an ninh phóng xạ như: đo liều lượng phóng xạ,định danh đồng vị phóng xạ Các thông tin thu thập từ các cảm biến gắn trênphao sau đó được xử lý rồi truyền về các trạm trung tâm qua hệ thống thông tin

vô tuyến, di động hoặc vệ tinh để sử dụng trong dự báo thời tiết, nghiên cứu khíhậu, đảm bảo anh ninh phóng xạ hạt nhân Hệ thống phao có thể là các phao neo

cố định hoặc phao trôi (trôi trong dòng hải lưu mở) Tùy vào mục đích sử dụng,đối tượng đo đạc mà các hệ thống phao được thiết kế phù hợp từ cấu hình tớikích thước, tính năng Ngày nay, thông tin từ các hệ thống phao quan trắc môitrường biển của các quốc gia trên thế giới nhìn chung đã hoàn thiện và ngàycàng phát triển Tại Việt Nam, hệ thống các phao quan trắc môi trường theo xuthế chung cũng đang được nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện từng bước

1.2 Một số nét về lịch sử ban đầu và sự phát triển của hệ thống phao quan trắc môi trường biển

Đề xuất đầu tiên được biết đến về quan sát thời tiết trên mặt biển khoảngnăm 1927, khi Grover Loening tuyên bố rằng "các trạm thời tiết dọc theo đạidương kết hợp với sự phát triển của thủy phi cơ có tầm bay xa như nhau, sẽ dẫnđến các chuyến bay thường xuyên trên đại dương trong vòng mười năm Bắt đầu

từ năm 1939, các tàu Cảnh sát biển Mỹ đã được sử dụng làm tàu thời tiết để bảo

vệ thương mại hàng không xuyên Đại Tây Dương

Trong Thế chiến II, Hải quân Đức đã triển khai các phao thời tiết(Wetterfunkgerät See - WFS) tại 15 vị trí cố định ở Bắc Đại Tây Dương và Biển

Barents Chúng được phóng từ những chiếc thuyền chữ U vào độ sâu tối đa củađại dương khoảng 1.800 m, giới hạn bởi chiều dài của cáp neo Chiều cao tổngthể của phao là 10,5 m (trong đó phần lớn bị chìm nước), vượt qua cột buồm và

có thể kéo dài 9 m Dữ liệu (nhiệt độ không khí và nước, áp suất khí quyển và

độ ẩm tương đối) được mã hóa và truyền với tần số bốn lần/ngày Khi nguồn pinđã cạn kiệt, sau khoảng tám đến mười tuần, thiết bị tự hủy

Thiết bị tự động Khí tượng Hải dương học (NOMAD) của tàu phao caokhoảng 6 m ban đầu được thiết kế vào những năm 1940 cho chương trình thuthập dữ liệu ngoài khơi của Hải quân Mỹ Hải quân Mỹ đã thử nghiệm các trạmthời tiết tự động hàng hải trong điều kiện bão từ năm 1956 đến 1958, mặc dùphạm vi truyền sóng vô tuyến và tuổi thọ pin bị hạn chế Từ năm 1951 đến

1970, tổng cộng 21 phao NOMAD đã được chế tạo và triển khai trên biển Kể từnhững năm 1970, việc sử dụng phao thời tiết đã thay thế vai trò của tàu thời tiết,

vì chúng rẻ hơn để vận hành và bảo trì Việc sử dụng phao trôi được báo cáosớm nhất là nghiên cứu hành vi của các dòng hải lưu trên biển Sargasso vào năm

1972 và 1973 Phao trôi đã được sử dụng ngày càng nhiều kể từ năm 1979 Đếnnăm 2005, 1250 phao trôi đã đi lang thang trên các đại dương của Trái đất

Từ năm 1985 đến năm 1994, một loạt các phao neo và trôi dạt đã đượctriển khai trên khắp Thái Bình Dương xích đạo để theo dõi và giúp dự đoán hiệntượng El Niño Bão Katrina đã lật úp một chiếc phao dài 10 m lần đầu tiên tronglịch sử của Trung tâm phao dữ liệu quốc gia (NDBC) vào ngày 28 tháng 8 năm

2005 Vào ngày 13 tháng 6 năm 2006, phao trôi 26028 đã kết thúc việc thu thập

dữ liệu dài hạn về nhiệt độ mặt nước biển sau 10 năm, 4 tháng và 16 ngày, đó làthời gian thu thập dữ liệu dài nhất được biết cho bất kỳ phao trôi nào Phao thờitiết đầu tiên ở Nam Đại Dương được Hệ thống quan sát biển tích hợp (IMOS)triển khai vào ngày 17 tháng 3 năm 2010

1.3 Sự cần thiết của đề tài nghiên cứu

Với sự thay đổi thời tiết và biến đổi khí hậu cùng với các ảnh hưởng của thiêntai như hiện nay việc đưa ra cảnh bảo sớm là điêu rất cần thiết nhất là đối vớingư dân và các tàu tuần tra trên biển cũng như khối dân cư ven biển Bên cạnh

đó, lĩnh vực quan trắc an toàn hạt nhân phóng xạ từ hướng biển hiện còn đểtrống, trong bối cảnh các nhà máy điện hạt nhân của Trung Quốc sử hoạt độngtrên nền công nghệ cũ và nhiều rủi ro xuất hiện sự cố hạt nhân Chính vì vậy,các hệ thống phao quan trắc môi trường biển tích hợp khả năng quan trắc phóngxạ với kích thước nhỏ gọn có tính di động cao, dễ dàng neo đậu cùng tàu thuyền

để đưa ra cảnh báo sớm là cấp bách và hết sức cần thiết Nhiệm vụ này đã đượcphê duyệt trong các hệ thống chương trình đảm bảo an toàn hạt nhân quốc gia.Lịch sử đã chứng minh tính cần thiết của các hệ thống này

1.3.1 Thảm họa hạt nhân Fukushima và vai trò của các hệ thống quan trắc, cảnh báo phóng xạ trên biển

Theo các số liệu thống kê, vụ rò rỉ phóng xạ tại nhà máy điện hạt nhânFukushima Daiichi, Nhật Bản xảy ra vào ngày 11/3/2011 do thảm họa kép độngđất và sóng thần là sự cố hạt nhân nghiêm trọng thứ hai trong lịch sử kể từ sauthảm họa Chernobyl Đây cũng là thảm họa hạt nhân thứ hai được xếp ở cấp độnguy hiểm cao nhất trong lịch sử (mức 7) theo thang xếp hạng quy mô các sựkiện hạt nhân Quốc tế (International Nuclear Event Scale) Hậu quả là mộtlượng rất lớn các đồng vị phóng xạ đã bị rò rỉ ra không khí và môi trường biển.Theo ước tính của cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế IAEA (InternationalAtomic Energy Agency), vụ tai nạn đã phát tán vào bầu khí quyển khoảng 100-

500 Petabecquerels (PBq) I-131, 6- 20 PBq đối với Cs-137 và Cs-134 Lượngphóng xạ thoát ra này ước tính bằng 10-20% lượng phóng xạ phát ra từ sự cốChernobyl và có ảnh hưởng trong một thời gian dài Bên cạnh đó, do vị trí củanhà máy nằm gần bờ biển và sự cố xảy ra do sóng thần nên một lượng rất lớncác hoạt chất phóng xạ (chủ yếu là I-131, Cs-134 và H-3 cùng một số đồng vịkhác) đã lan ra môi trường biển

Khảo sát đối với môi trường biển ngay sau sự cố thì nồng độ đồng vịphóng xạ trong đại dương đo được ở khoảng cách 30 km tính từ tâm nhà máycao hơn gấp 10 lần so với ở biển Baltic và biển Đen sau sự cố của nhà máy điệnhạt nhân Chernobyl Trong khoảng thời gian vài tuần sau thảm họa, các vật liệuphóng xạ xâm nhập vào môi trường biển trực tiếp bởi sự rò rỉ do hư hỏng củanhà máy và gián tiếp từ sự phân tán trong khí quyển và lắng đọng xuống đạidương Ước tính rằng có khoảng 3-6 PBq đồng vị Cs-137, 10-20 PBq đồng vị I-

131, và lên đến 1 PBq đồng vị Sr-90 đã lan ra đại dương Với chu kỳ bán rã là30,1 năm thì đồng vị Cs-137 tồn tại rất lâu và có khả năng trôi đi rất xa trong đạidương Hình 1 là kết quả mô phỏng sự lan truyền của nồng độ đồng vị phóng xạCs-137 (Bq/m3) trong biển Bắc Thái Bình Dương ở các thời điểm: (a) tháng 4năm 2012; (b) tháng 4 năm 2014; (c) tháng 4 năm 2016 và (d) tháng 4 năm2020

Hình 1.1: Mô phỏng nồng độ đồng vị phóng xạ Cs-137 (Bq/m 3 ) trong biển Bắc Thái Bình Dương ở các thời điểm: (a) tháng 4 năm 2012; (b) tháng 4 năm 2014; (c) tháng 4 năm

2016 và (d) tháng 4 năm 2020.

Sau khi xảy ra sự cố hạt nhân tại Fukushima, các hệ thống cảnh báo sớmphóng xạ hạt nhân đã đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa ra các giảipháp ứng phó với dòng phóng xạ bị phát tán, tìm ra hướng di tản nhằm giảmthiểu thiệt hại về người và môi trường Nhật Bản dựa vào mạng lưới quan trắc

liều phóng xạ quốc gia SPEEDI đã nhanh chóng di tản dân chúng trong bán kính

30 km tính từ nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi ngay sau khi xảy ra sự

đồ nguyên lý của hệ thống SPEEDI được mô tả trên hình 1.2 dưới đây

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống SPEEDI

Các dữ liệu phân tích từ mạng lưới SPEEDI còn được cung cấp cho Quânđội Mỹ để xây dựng các phương án cứu trợ sau thảm họa một cách hiệu quả,tránh thiệt hại về người Ngoài ra, các thông tin dự báo là công cụ đắc lực giúpchính quyền xác định được hướng lan truyền của dòng phóng xạ phát tán, từ đóvạch ra hướng di tản cho dân chúng, kiểm soát lương thực, thực phẩm, nướcsinh hoạt,…

Trên hình 1.3 là kết quả quan trắc liều chiếu ngoài dựa trên các thông tinthu được từ mạng lưới các hệ thống SPEEDI trong và sau sự cố nhà máy điệnhạt nhân Fukushima Daiichi

Hình 1.3: Bản đồ diện tích nhiễm xạ ngay sau sự cố đo được bằng hệ thống quan trắc online

và nội suy bằng mã code ArcGIS.

1.3.2 Phân loại các phương pháp quan trắc phóng xạ, hạt nhân trên biển

Việc quan trắc phóng xạ hạt nhân trên biển phức tạp hơn rất nhiều so vớitrên đất liền do đặc thù khắc nghiệt của môi trường biển như độ mặn, sóng, gió,bão ảnh hưởng tới hoạt động, sự bền vững của các hệ thống quan trắc cũng nhưviệc xây dựng các trạm quan trắc trên biển Thông thường, có 2 phương phápphổ biến để quan trắc phóng xạ trên biển là: (1) thực hiện lấy mẫu nước tại các

độ sâu khác nhau bằng các thiết bị chuyên dụng, sau đó chuyển về phân tích tại

các phòng thí nghiệm đa dụng và (2) xây dựng các hệ thống quan trắc trực tiếptại hiện trường

Với phương pháp đầu tiên thực hiện việc lấy mẫu (1) có những ưu điểm làthao tác thực hiện đơn giản, cho độ chính xác cao do việc phân tích sẽ được thựchiện trong các phòng thí nghiệm đa dụng với nhiều trang thiết bị hỗ trợ hiện đại.Việc lấy mẫu chỉ có thể được thực hiện bởi các thiết bị lấy mẫu chuyên dụngnhư mô tả trong hình 1.4 Đây là thiết bị mà Viện Hải dương học Nha Trang đãđược trang bị Tuy nhiên với cách làm này thì chi phí cho quá trình lấy mẫu tốnkém do giá thành cao của những thiết bị chuyên dụng Hơn thế nữa, để thực hiệnviệc lấy mẫu phân tích thì các thiết bị phải được vận chuyển tới những khu vựclấy mẫu bằng các tàu chuyên chở làm tăng chi phí do việc vận hành các chuyếntàu chuyên trở này Đặc biệt phương pháp này không thể quan trắc môi trườngbiển theo thời gian thực một cách liên tục Do đó, trong những tình trạng khẩncấp thì phương pháp này ít phát huy tác dụng trong việc ứng phó với các thảmhọa hay sự nhiễm xạ môi trường biển tại một vị trí nào đó

Hình 1.4: Thiết bị lấy mẫu nước biển đo phóng xạ Model SBE-32 của

hãng SeaBird, USA.

Ngược lại, phương pháp phân tích (2) có ưu điểm nổi bật đó là có thể quantrắc phóng xạ liên tục theo thời gian thực mọi khu vực biển Hơn thế nữa, các hệthống này sẽ góp phần làm giảm chi phí vận hành so với việc lấy mẫu thôngthường sử dụng trong phương pháp (1) Các trạm quan trắc trực tuyến trên biểnđược hình thành dựa trên việc tích hợp các đầu đo phóng xạ lên các hệ thốngphao nổi, tàu, thuyền Thông qua hệ thống truyền thông, tín hiệu thu được từ cáccảm biến sẽ được truyền về trung tâm chỉ huy một cách liên tục Tuy nhiên,những hệ thống này có giá thành nhập khẩu rất đắt

Trong trường hợp xảy ra sự cố hạt nhân trên biển thì các thuật toán môphỏng thường được sử dụng để dự đoán sự lan truyền của luồng phóng xạ nhằmđưa ra các giải pháp ứng phó kịp thời Tuy nhiên, các thuật toán này phải dựavào các thông số về nguồn phóng xạ, dòng chảy, … đo được từ các trạm quantrắc tại khu vực xảy ra sự cố như là các tham số đầu vào của quá trình tính toán,

mô phỏng sử dụng hệ thống máy tính hiệu năng cao Chính vì vậy các trạm quantrắc trên biển là thành phần không thể thiếu trong mạng lưới quan trắc và cảnhbáo phóng xạ hạt nhân

1.3.3 Tính cấp thiết của nội dung nghiên cứu

* Trên phương diện kinh tế:

Nội dung nghiên cứu nằm trong tổng thể xây dựng hệ thống phao quan trắcmôi trường biển có ý nghĩa to lớn trên phương diện kinh tế Các thiết bị phao nổichỉ dùng để quan trắc các tham số hải dương học và thời tiết nếu nhập khẩu đều

có giá thành rất cao tùy theo số lượng các cảm biến tích hợp Hơn nữa, nếu tíchhợp thêm các đầu đo phóng xạ hoặc các cảm biến đặc thù quân sự sẽ gặp khókhăn trong việc tìm kiếm các đối tác cung cấp Trong khi đó, ở trong nước chưa

có sản phẩm tương tự nào được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tiễn Cácphương pháp quan trắc phóng xạ trong môi trường biển đang được sử dụngthông qua việc lấy mẫu nước về phân tích ở các phòng thí nghiệm thường tốnkém do chi phí sử dụng các tàu chuyên dụng di chuyển tới những khu vực biển

khác nhau Đặc biệt với phương pháp lấy mẫu không thể quan trắc được theothời gian thực một khu vực biển nào đó Chính vì vậy, đề tài nếu thành công sẽtạo ra sản phẩm phù hợp trong việc quan trắc liên tục phóng xạ và các thông sốmôi trường biển có tính năng tương tự như các sản phẩm ngoại nhập.

* Trên phương diện an ninh hạt nhân quốc gia:

Nội dung nghiên cứu nằm trong tổng thể xây dụng hệ thống phao quan trắcmôi trường biển hướng tới hoàn thiện hệ thống cảnh báo phóng xạ hạt nhân trênđất liền, trên không và trên biển của Quân đội, sẵn sàng ứng phó với những nguy

cơ tiềm ẩn từ các nhà máy điện hạt nhân của Trung Quốc đối với toàn bộ miềnBắc và vùng Biển thuộc chủ quyền của Việt Nam Theo các số liệu của IAEA,Trung Quốc (TQ) hiện có 35 nhà máy điện hạt nhân (Nuclear Power Plant -NPP) đang hoạt động và dự kiến sẽ xây dựng khoảng 100 nhà máy điện hạt nhâncho đến năm 2030 Hiện nay, TQ có 3 NPP đã vận hành thương mại, được lắpđặt ở các vị trí rất gần biên giới phía Bắc của nước ta gồm: Phòng Thành (QuảngTây), Trường Giang (Quảng Đông) và Xương Giang (đảo Hải Nam) như mô tảtrong hình 1.5

Hình 1.5: Vị trí 3 nhà máy điện hạt nhân của Trung Quốc gần biên giới Việt Nam.

(nguồn: tuoitre.vn)

Có thể thấy rõ vị trí nhà máy điện hạt nhân Phòng Thành cách biên giớiViệt Nam chỗ gần nhất chỉ 50 km Theo khảo sát mới nhất của Tổ chức hạt nhânthế giới (World Nuclear Association) vào tháng 2 năm 2015 thì công nghệ CNP

sử dụng ở hai nhà máy Phòng Thành và Xương Giang là công nghệ cũ thuộc thế

hệ thứ hai (Second generation technology) Hiện nay, các nhà máy hiện đại đềudùng công nghệ thuộc thế hệ thứ ba AP-1000 được đánh giá là an toàn hơn.Chính vì việc sử dụng công nghệ lỗi thời nên xác suất mà nhà máy Phòng Thành

và Xương Giang gặp sự cố được đánh giá ở mức cao Ngoài ra, cả hai nhà máynày đều ở gần bờ biển nước ta, nên khi có sự cố toàn bộ vùng biển của Việt Nam

sẽ bị ảnh hưởng Đặc biệt, Trung Quốc hiện nay đang tập trung nghiên cứu vàphát triển các nhà máy điện hạt nhân nổi (Floating Nuclear Power Plant - FNPP)nhằm mục đích sử dụng cho các đảo đã chiếm đóng mà vị trí của các đảo nàyđều nằm trên Biển Đông, rất gần với biên giới đất liền của Việt Nam

Trong quá trình vận hành bình thường (không có sự cố) các NPP sẽ thải racác đồng vị phóng xạ độc hại vào môi trường Do đó, toàn bộ khu vực phía Bắccủa nước ta sẽ bị ảnh hưởng Đặc biệt, với việc phát triển ồ ạt các NPP, rất nhiềuvấn đề về quản lý chất thải, hoạt động dài hạn của các nhà máy chưa được quantâm đúng mức Theo tính toán của cơ quan dự báo khí tượng Mỹ (NOAA), toàn

bộ vịnh Bắc bộ và miền Bắc Việt Nam sẽ hứng chịu hầu hết dòng hải lưu và salắng phóng xạ khi các NPP này có sự cố Hình 1.6 mô phỏng các đường phát tánphóng xạ qua không khí từ NPP Phòng Thành vào Việt Nam khi xảy ra sự cố hạtnhân Có thể dễ dàng nhìn thấy, hầu như toàn bộ khu vực phía Bắc của ViệtNam sẽ bị ảnh hưởng bởi sự phát tán phóng xạ khi nhà máy này xảy ra tai nạn

Hình 1.6: Mô phỏng các đường phát tán phóng xạ qua không khí vào Việt Nam từ Nhà

máy điện hạt nhân Phòng Thành.

So với các NPP trên cạn, khi các nhà máy hạt nhân nổi (NFPP) được đưavào hoạt động sẽ chứa đựng những nguy cơ tiềm ẩn lớn hơn rất nhiều do khảnăng xảy ra sự cố sẽ cao hơn bởi các tác động của bão, sóng thần,… Các nhàmáy NFPP khi Trung Quốc đưa vào hoạt động tại các đảo đã chiếm đóng đềunằm trọn trong Biển Đông và rất gần với biên giới đất liền của Việt Nam Khihoạt động bình thường, các chất thải từ NFPP nếu không được kiểm soát chặtchẽ sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến toàn bộ khu vực biển xung quanh.Trong trường hợp xảy ra sự cố, một khu vực biển rộng lớn của Việt Nam sẽ bịnhiễm xạ nghiêm trọng, ảnh hưởng đến kinh tế biển và an ninh, an toàn hàng hải

và an ninh Quốc gia

Bên cạnh những nguy cơ tiềm ẩn từ các nhà máy điện hạt nhân của TrungQuốc tới an toàn hạt nhân của vùng biển Việt Nam thì nguy cơ xảy ra những tainạn do các tàu vận chuyển nhiên liệu hạt nhân hay các tàu ngầm sử dụng nănglượng nguyên tử Biển Đông là tuyến hàng hải quan trọng với mật độ tàu thuyềnlớn Hơn nữa, Biển Đông hiện đang là điểm nóng về tranh chấp giữa nhiều nước

sở hữu tàu ngầm như Trung Quốc, Việt Nam, Philippines trong đó Trung Quốc

có rất nhiều tàu ngầm sử dụng năng lượng hạt nhân Chính vì vậy, Việt Namphải xây dựng một hệ thống quan trắc cảnh báo sớm phóng xạ hạt nhân trên biển

để đảm bảo an ninh, an toàn hàng hải, bảo vệ lợi ích kinh tế biển, kịp thời đưa ranhững cảnh báo và các biện pháp ứng phó kịp thời nhằm giảm thiểu thiệt hại vềngười và tài sản trong trường hợp xảy ra sự cố hạt nhân trên biển

1.4 Đối tượng, mục đích, phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng

Khối cơ khí cho hệ thống phao quan trắc môi trường biển, và quan trắc cáctham số phóng xạ Khối cơ khí này có yêu cầu là làm việc ổn định với các điềukiện môi trường khắc nghiệt của biển

1.4.3 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Chỉ ra sự cần cần thiết của một thiết bị có thể quan trắc môi trường vàphóng xạ trên biển theo thời gian thực

+ Thiết kế chế tạo các chi tiết cơ khí trên hệ thống phao

+ Đảm bảo chất lượng trong quá trình chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh phao+ Tính toán khối lượng, thể tích bao ngoài và tải trọng của phao

+ Tính toán độ nổi của phao

+ Đảm bảo về quá trình sơn phủ của phao để nâng cao tính thẩm mỹ, nângcao khả năng quan sát của con người, tàu bè và đúng các quy chuẩn về thiết bịliên quan tới lĩnh vực an toàn phóng xạ

TRƯỜNG BIỂN

2.1 Tổng quan về hệ thống phao quan trắc môi trường biển

* Lợi ích của phao quan trắc môi trường biển:

Phao quan trắc môi trường biển được sử dụng để thu thập, phân tích và xử

lý các dữ liệu môi trường biển và quan trắc phóng xạ Các hệ thống phao này cóthể giám sát các thành phần môi trường, bao gồm thông tin thời tiết, chất lượngnước, các mức độ sóng và dòng chảy nước, an toàn phóng xạ,…

Phao dữ liệu môi trường được triển khai để theo dõi thời tiết thường đo một

số hoặc tất cả các thông số sau: nhiệt độ không khí; áp suất và xu hướng khíquyển; bức xạ hạ thấp và độ ẩm tương đối (liên quan đến neo); lượng mưa; độmặn và nhiệt độ mặt nước biển; hướng gió và tốc độ; và hóa sinh học khác nhưhuỳnh quang, nồng độ các khí quan trọng O2, CO và CO2 Hệ thống viễn thônghoặc từ xa cho các phao này hầu như luôn luôn có thể nhận được tất cả cácthông tin này trong thời gian thực Dữ liệu thời tiết từ phao giám sát môi trường

có thể bổ sung cho dữ liệu từ vệ tinh và các nguồn khác Dữ liệu này rất quantrọng vì những phao này thường được triển khai ở nơi không có nguồn dữ liệu

Giám sát các sự cố phóng xạ hướng biển là một vai trò quan trọng và chủđạo khác của các hệ thống phao quan trắc ở các nước khác trên thế giới Môitrường biển cũng tương tự như môi trường không khí có thể lan truyền rất nhanhcác hoạt chất phóng xạ Khi các sự cố phóng xạ xảy ra, hệ thống phao biển sẽ

thu thập dữ liệu kịp thời và cùng với các hệ thống tính toán được mô hình hóa,cung cấp các dự báo hiệu quả về đặc tính lan truyền của phóng xạ hạt nhân ramôi trường Từ các dữ kiện này, các cơ quan quản lý đưa ra kịp thời, nhanhchóng các biện pháp bảo đảm an toàn hạt nhân quốc gia.

2.2 Một số hệ thống phao quan trắc môi trường biển trên thế giới

2.2.1 Hệ thống phao Data Bouy DB 4700 của hãng Aanderaa Data

Instruments, Na Uy

Hệ thống phao Data Bouy DB 4700 có thể quan trắc hầu hết các thông sốcủa môi trường biển Sản phẩm có thể tích hợp tối đa hơn 10 loại cảm biến khácnhau để đo đạc các thông số trên và dưới mặt nước biển Các thông số dưới mặtbiển gồm có: chiều cao và chu kỳ sóng biển, tốc độ và hướng của dòng chảy,nhiệt độ, nồng độ Oxy, độ dẫn, và độ mặn Bên cạnh đó, các sensor tích hợp ởphía trên phao có thể đo các thông số khí hậu như: áp suất, nhiệt độ, độ ẩm củakhông khí và hướng, tốc độ gió

Với đặc điểm nổi bật là cấu trúc kiểu module, tích hợp các tấm pin nănglượng mặt trời và các hệ thống truyền thông hiện đại, hệ thống phao này phùhợp cho việc nghiên cứu và quan trắc các thông số của môi trường biển theo thờigian thực

Hình 2.1: Hệ thống phao Data Bouy DB 4700

* Các thông số kỹ thuật chính của hệ thống phao DB 4700 :

+ Tổng trọng lượng: 600 kg

+ Kích thước: 334×125×135cm (dài × rộng × cao)

+ Bộ nguồn gồm 9×5,5W tấm panel pin mặt trời với dung lượng 32Ah.+ Có thể tích hợp hơn 10 loại cảm biến khác nhau để đo các thông số trên

và dưới mặt nước biển

+ Truyền thông vệ tinh, UHF, VHF, GSM, định vị vị trí

+ Khu vực hoạt động: ở gần các cảng, vịnh hoặc khu vực gần bờ với sóng

và gió nhẹ

Với các đặc điểm nổi bật kể trên, hệ thống phao DB 4700 có thể được sửdụng cả cho mục đích nghiên cứu và quan trắc, cảnh báo môi trường

2.2.2 Hệ thống phao Viking

Hệ thống được phát triển bởi hãng SYGIF, Canada với sản phẩm có tên gọi

“Hệ thống phao quản lý thông tin đại dương - phao Viking” ( Oceanographic

Buoys Information Management System) Cấu tạo và các thành phần tích hợptrên hệ thống phao này được mô tả chi tiết trên hình dưới đây

Hình 2.2: Hệ thống phao Viking.

Về mặt cấu trúc thì hệ thống phao Viking tương tự như hệ thống phao DB

4700 được mô tả ở trên Hệ thống này có thể đo các thông số thời tiết và cácthông số hải dương học như: nhiệt độ, tốc độ và hướng gió, độ ẩm, hướng và tốc

+ Truyền thông vệ tinh, UHF, GPS.

+ Dải nhiệt độ hoạt động: từ -100C đến 600C

+ Dải tần hoạt động: 902 đến 928 MHz với UHF và 1616 đến 1626,5 MHzvới vệ tinh

2.2.3 Hình ảnh về một số loại phao khác

Hình 2.3 Một số loại phao biển thường dùng

2.3 Cấu tạo của hệ thống phao quan trắc môi trường biển

2.3.1 Cấu tạo của hệ thống phao biển thông dụng

Thông thường cấu trúc của phao biển gồm có:

1 Khối cơ khí của phao

7 Hệ thống neo, xích

Phần trên cùng của phao là tổ chức các tấm pin năng lượng mặt trời, đèn phát sáng và radar

Hình 2.4 Mô hình phao thông minh và các thiết bị linh kiện tích hợp.

Sơ đồ kết nối tổng thể điện và tín hiệu hệ thống phao:

Hình 2.5 Sơ đồ kết nối tổng thể điện và tín hiệu hệ thống phao

Một số mô hình về hệ thống phao quan trắc biển thông dụng:

Hình 2.6 Một số mô hình về hệ thống phao quan trắc biển thông dụng

2.3.2 Cấu tạo của hệ thống phao nghiên cứu

Hệ thống phao nhỏ neo đậu cùng tàu thuyền ,nhà giàn được nghiên cứu với mục đích quan trắc môi trường biển gồm có:

6 Module truyền thông

Đối với khối cơ khí gồm có:

1 Phần thân trên của phao

2 Ông nối

3 Ống chứa cảm biến

4 Hệ thống neo, xích

Hệ thống phao nhỏ không nhất thiết phải bao gồm hệ thống neo, xích vìđươc neo cạnh thuyền, nhà giàn

Một số hình ảnh thực tế về các chi tiết trên hệ thống phao nghiên cứu:

a Nắp đậy b Nắp bắt ống chứa cảm biến

c Ống nối d Cụm vòng khóa

e Phần thần trên của phao f Ống chứ cảm biến

Hình 2.7 Một số hình ảnh chi tiết thực tế của hệ thống phao nghiên cứu

2.4 Vai trò của khối cơ khí

- Cấu tạo của khối cơ khí trên hệ thống phao nhỏ neo đậu cùng tàu thuyền gồmcác bộ phần chính :

1.Vỏ phao

2.Ống nối

3.Ống chứa cảm biến, gá đặt pin mặt trời, neo,,…

- Chức năng của khối cơ khí trên hệ thống phao nhỏ neo đậu cùng tàu thuyền :+ Vỏ phao: có chức năng giữ cho phao nổi trên mặt nước, có những móc treođược hàn cứng để vận chuyển lắp đặt phao, và cung cấp nước cho hệ thống cảmbiến qua các ống dẫn nước nối vỏ ngoài và vỏ trongcủa phao để phân tích nguồnnước và các chất phóng xạ trong môi trường nước

+ Ống chứa cảm biến: dùng để chứa cảm biến,các module truyền thông, moduleđiện và pin của cả hệ thống phao để bảo vệ hệ thống này khỏi các tác nhân củamôi trường biển và các sinh vật trong môi trường nước biển.

+ Ống nối: để thay đổi độ sâu của ống chứa cảm biến so với mặt nước biểnthông qua các khớp nối và các vòng khóa

+ Hệ thống

2.5 Thông số kỹ thuật lựa chọn cho hệ thống phao quan trắc môi trường biển

Hình 2.8 Mô hình 3D của hệ thống phao thiết kế

Sử dụng phần mềm Siemens NX 11.0 ta đo được khối lượng , thể tích và trọng lượng của vật như sau:

* Trọng lương (P)

* Tải trọng: 6 - 12kg

* Độ nổi: Độ nổi của phao vào khoảng 30 - 50% thể tích của phao

* Vật liệu: nhôm 6061, inox 316

- Nhôm 6061:

+ Thành phần hoá học của nhôm hợp kim 6061:

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của nhôm hợp kim 6061

phần khác

0,0-0,4%

0,15-0,35

0,04-%

0,0 0,25

-%

0,0- 0,15

%

0,0- 0,15

%

0,0- 0,05

%

Còn lại

+ Tính chất vật lý của nhôm hợp kim 6061 :

Nhiệt độ sôi đạt khoảng 650 °C

Hệ số dãn nở nhiệt: 23,4 x10-6 /K

Có độ đàn hồi khoảng 70 GPa

Hệ số dẫn nhiệt: 166 W/m.K

Chỉ số điện trở khoảng 0,040 x10-6 Ω m

Áp suất để phá hủy thấp nhất vào khoảng 240 MPa

Độ bền kéo đứt nhỏ nhất đạt 260 MPa

Độ cứng: 95 HB

+ Thuộc tính quan trọng:

 Độ bền cao, dẻo dai tốt, chống mài mòn, có tính gia công cao, tính hàn tốt, khả năng định hình tốt

 Khả năng làm việc tốt

 Lớp vỏ bề mặt tốt

 Chống ăn mòn tuyệt vời với các điều kiện khí quyển

 Chống ăn mòn tốt với nước biển

 Có thể đem sơn tĩnh điện

 Độ phổ biến cao, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống

- Inox 316:

+ Thành phần hóa học của inox 316:

Bảng 2.2 Thành phần hóa học của inox 316

Elong(% in 50mm)min

HardnessRockwell B

(HR B) max

Brinell (HB)max

SpecificHeat 0-100°C(J/kg.K)

ElecResistivity(nΩ.m)

0-100°C 0-315°C 0-538°C At

100°C

At500°C

Inox 304 Ở nhiệt độ 60°C và trong môi trường Clorua, các vết nứt, rỗ bị ăn mònnhiều hơn tầm khoảng 1000mg/l clorua ở nhiệt độ môi trường xung quanh, giảmkhoảng 500mg/l ở nhiệt độ dưới 60°C.

Inox 316 thường được xem là tiêu chuẩn “Vật Liệu Ngoài Khơi”, nhưng nókhông có khả năng chống nước biển ấm như đã nói ở trên Trong nhiều môitrường biển Inox 316 thông thường có thể nhìn thấy vất nhuộm màu nâu Điềunày đặc biệt nổi bật tại đường nứt và bề mặt gồ ghề (vết rỗ)

- Chịu nhiệt tốt:

Chống oxy hóa tốt ở nhiệt độ không liên tục là 870°C và liên tục 925°C Sửdụng Inox 316 an toàn ở nhiệt độ từ 425-860°C ở nhiệt khô không được khuyếndùng trong môi trường dung dịch có nhiệt độ cao như vậy

- Xử lý nhiệt:

Nếu muốn gia công ở nhiệt độ cao thì hãy nung Inox 316 trong khoảng1010-1120°C gia công và làm nguội nhanh để giữ các thuộc tính cơ học LoạiInox 316 không thể làm cứng bằng xử lý nhiệt

- Khả năng hàn của Inox 316:

Khả năng hàn của Inox 316 là tuyệt với cho tất cả các loại và hình thứchàn, các mối hàn hàng nặng (công nghiệp nặng) cần được ủ sau khi hàn để duytrì khả năng chống ăn mòn tối đa tại các đường hàn

+ Các ứng dụng:

 Thiết bị ngành chế biến thực phẩm đặc biệt là trong môi trườngclorua

 Băng ghế trong phòng thí nghiệm và thiết bị

 Kiến trúc tấm, lan can

 Phụ kiện tàu biển, thuyền đi trên biển

 Thùng chứa hóa chất, bao gồm cả vận chuyển

 Trao đổi nhiệt

 Dệt, hàn, màn hình cho khai thác mỏ, khai thác đá và lọc nước

 Bước 2: Tiến hành sơn lớp lót đầu tiên

Hiện nay có nhiều loại sơn lót dành cho tàu biển khác nhau nên cần xem kỹ

tỉ lệ và hướng dẫn sử dụng để cho ra một lớp lót hoàn hảo Sau đó tiến hành sơnlớp thứ nhất bằng máy phun sơn áp lực cao ngay sau bước làm sạch Đặc biệtlớp sơn thứ nhất không được dùng cọ hoặc cây lăn để sơn Vì lớp sơn này yêucầu độ bám chắc vào bề mặt để các lớp sơn khác có nền tảng đẹp và bền hơn

 Bước 3: Tiến hành thi công các lớp sơn trung gian

Thông thường các bề mặt vỏ phao sẽ có một số yêu cầu đặc biệt như chống

rỉ, chống ẩm thấp, chống ăn mòn,… Điều này có thể đạt được bằng cách sơnthêm các lớp trung gian có công dụng bảo vệ phao Số lượng lớp tùy vào từngloại sơn và yêu cầu của người sử dụng Không nên sơn quá dày hoặc quá mỏng

sẽ ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt

 Bước 4: Tiến hành lớp sơn phủ cuối cùng

Sau khi đợi các lớp sơn lót và trung gian khô, chúng ta làm sạch lại một lầnnữa và tiến hành sơn phủ Lớp sơn phủ cũng cần pha trộn theo tỷ lệ nhà sản xuấtđưa ra Nên pha lượng sơn vừa đủ để tránh lãng phí vì sơn sau khi pha trộn sẽ rấtkhó bảo quản Lớp phủ này nên kết hợp thêm màu sơn vàng vì điều kiện làmviệc là để đo các thông số phóng xạ và làm phao nổi bật hơn so với màu nướcbiển giúp người và phương tiện di chuyển trên biển dễ phát hiện

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ KHỐI CƠ KHÍ CỦA HỆ

THỐNG PHAO

3.1 Tính toán độ nổi của phao

3.1.1 Tổng quan về lực nổi và sự nổi

Hình 3.1 Nhà bác học Ác-si-mét

Lực đẩy Archimedes (hay được viết lực đẩy Archimedes hay lực đẩy mét) là lực tác động bởi một chất lưu (chất lỏng hay chất khí) lên một vật thểnhúng trong nó, khi cả hệ thống nằm trong một trường lực của Vật lý học (trọngtrường hay lực quán tính) Lực vật lý học này có cùng độ lớn và ngược hướngcủa tổng lực mà trường lực tác dụng lên phần chất lưu có thể tích bằng thể tíchvật thể chiếm chỗ trong chất này Lực này được đặt tên theo Archimedes, nhàbác học người Hy Lạp đã khám phá ra nó Lực đẩy Archimedesgiúp thuyền và khí cầu nổi lên, là cơ chế hoạt động của sự chìm nổi của tàungầm hay cá, và đóng vai trò trong sự đối lưu của chất lưu

Ác-si-Lực nổi là một lực hướng lên tạo bởi chất lỏng, đối kháng lại trọnglực hướng xuống Trong một cột chất lỏng, áp suất tăng dần theo độ sâu bởi khốilượng của khối chất lỏng bên trên Do vậy, áp suất ở đáy cột lớn hơn áp suất ởđỉnh cột; tương tự như vậy, áp suất ở đáy của vật dìm trong chất lỏng thì lớn hơn

áp suất ở đỉnh của vật đó Sự chênh lệch áp suất dẫn đến một lực hướng lên,được gọi là lực nổi Độ lớn của lực nổi tỷ lệ thuận với chênh lệch áp suất, vàtheo như nguyên lý của Archimedes thì một vật thể bị nhúng trong một chấtlỏng sẽ bị một lực đẩy lên với độ lớn tương đương trọng lượng của phần chấtlỏng bị nó choán chỗ

Sự nổi

Nếu thả một vật ở trong lòng chất lỏng thì:

Vật chìm xuống khi lực đẩy Archimedes nhỏ hơn trọng lượng:

FA < P

Vật nổi khi: FA > P và dừng nổi khi FA = P

Vật lơ lửng trong chất lỏng (trong lòng chất lỏng hoặc trên mặt thoáng) khi:

FA = P

Dựa theo định luật này, nếu vật thể có khối lượng riêng trung bình lớn hơnkhối lượng riêng của chất lỏng mà nó chiếm chỗ thì nó sẽ có xu hướng chìmxuống, ngược lại thì nó sẽ nổi Điều này chỉ có thể xảy ra trong một hệ quychiếu phi quán tính, hoặc có trường hấp dẫn hoặc gia tốc do một lực không phảilực hấp dẫn xác định hướng "đi xuống"

3.1.2 Tính toán độ nổi của phao

Hình 3.2 Trạng thái của phao khi ở trong môi trường nước

dnuoc là khối lượng riêng của nước biển

s nuoc

* Tính trọng lượng riêng của phao:

Khi khối lượng nước bị chiếm chỗ bằng với khối lượng của phao thì trọnglượng của phao cũng bằng trọng lượng của nước, nên ta có:

nuoc nuoc

s

P.dP

G

Với G là trọng liệng riêng của nước

P là trọng lượng của phao

Vs là thể tích của phao chìm trong nước

* Giả sử phao cân bằng trong môi trường nước Khi đó, lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên phao là:

.101101672,2940.1014,9535

Suy ra: Phao nổi được trong môi trường nước

3.2 Xác định khối lượng để phao ở trạng thái cân bằng

Muốn phao ở trạng thái cân bằng tức là bề mặt chất lỏng chạm mặt thoángtrên cùng của phao Khi đó lực đẩy Ác-si-mét tác dụng lên phao phải bằng vớitrọng lượng của phao Với thể tích phao không đổi, ta có:

A max

Chương 4 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG THÂN

 Phần vai chi tiết: 4 mm

 Lỗ chính không thông, có đường: Ø174 mm

 Bề mặt rãnh A sâu 50 mm, rộng 20 mm, phần đầu bo góc R=4 mm

 Bề mặt rãnh B và C cắt sâu vào thành với bán kính R=94,1mm và góc 30°, phần đầu các rãnh bo góc R=4 mm

 2 lỗ lớn trên mặt đáy có đường kính Ø20 mm

 4 lỗ nhỏ trên mặt đáy có đường kính Ø5,5 mm cùng nằm trên đường tròn Ø214 ±0,2

* Độ nhám

 Độ nhám của mặt bích và mặt đáy là 2,5 (cấp 6)

 Các kích thước còn lại lấy theo Rz=20