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

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008 Trường Đại học Nha Trang 66 BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠO VẬT LIỆU COMPOSITE ĐỂ CHẾ TẠO CHÂN VỊT TÀU CÁ CỠ NHỎ INITIAL STUDY ON COMPOSITE MATERIAL FOR MANUFACTURING MARINE PROPELLERS OF SMALL FISHERY SHIPS ThS. Trần An Xuân Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang Tóm tắt: Trên cơ sở xác định nhu cầu sử dụng, yêu cầu về cơ tính và tính công nghệ chế tạo của chân vịt tàu cá cỡ nhỏ nước ta đến 2010 và 2020, bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu bước đầu về khả năng tạo vật liệu Composite cốt sợi ngắn nền nhựa Polyeste không no để chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ (công suất máy chính dưới 150CV) bằng phương pháp đúc áp lực trong khuôn kim loại ở nhiệt độ thường. Từ khóa: chân vị, composite, tàu cá cỡ nhỏ Abstract: Base on determining demands for using, the requirement of mechanical-ness and technological- ness in manufacturing marine propellers of small fishery ships in Vietnam from 2010 to 2020, this article presents the result of the first step in researching on manufacturing Composite material short fiber on unsatured polyester matrix for manufacturing marine propellers of small fishery ships (power engine under 150hp) by pressure molding metal mould method in normal temperature. Keywords: propeller, composite, small fishery ship. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Là quốc gia biển, Việt Nam hiện có hạm đội tàu đánh cá khá lớn với gần 91.000 chiếc, đã và đang thực hiện khai thác gần 2 triệu tấn hải sản/năm [4]. Đây là cơ sở vật chất kỹ thuật quan trọng góp phần đưa Việt Nam đứng vào hàng ngũ các cường quốc về kinh tế thủy sản của thế giới. Theo "Quy ho
ch tng th phát trin ngành thu sn đn năm 2010 và đ nh h ng đn năm 2020" đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt ngày 11 tháng 01 năm 2006, Số lượng tàu thuyền đánh cá của nước ta đến năm 2010 giữ ở mức 50.000 chiếc, trong đó: - Số lượng tàu có công suất máy lớn hơn 75 CV: 6.000 chiếc; - Số lượng tàu có công suất máy từ 46 - 75 CV: 14.000 chiếc; - Số lượng tàu có công suất máy từ 21 - 45 CV: 20.000 chiếc; - Số lượng tàu có công suất máy từ 20 CV trở xuống: 10.000 chiếc Định hướng đến 2020: 1. Tiếp tục phát huy lợi thế về tiềm năng, trên cơ sở công nghiệp hoá, hiện đại hoá, phát triển các vùng sản xuất tập trung gắn với phát triển công nghiệp chế biến và dịch vụ nghề cá, hình thành các trung tâm nghề cá lớn tại một số trọng điểm ven biển và đồng bằng Nam Bộ. 2. Đa dạng cơ cấu sản phẩm thủy sản chế biến, đồng thời phát triển sản xuất một số loại sản phẩm chủ lực mang tính đặc trưng của thuỷ sản Việt Nam, có giá trị và sức cạnh tranh cao để chiếm lĩnh thị trường xuất khẩu, giữ vững là ngành có kim ngạch xuất khẩu cao. VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008 Trường Đại học Nha Trang 67 3. Đồng thời với phát triển khai thác xa bờ hợp lý, ổn định khai thác vùng ven bờ, phát triển mạnh nuôi trồng thuỷ sản, đa dạng hình thức nuôi và cơ cấu giống nuôi, nhất là nuôi trên biển, nhằm khai thác tiềm năng còn lớn, giải quyết việc làm lao động nông thôn ven biển, có thu nhập ổn định, góp phần quan trọng bảo vệ nguồn lợi thuỷ sản, bảo vệ môi trường sinh thái ven biển bền vững, đồng thời là nguồn cung cấp chủ yếu nguyên liệu cho xuất khẩu. Theo thông tin và số liệu trên, thành phần tàu đánh cá của nước ta hiện nay và đến 2020 về cơ bản vẫn là tàu cỡ nhỏ có công suất từ 20CV đến 150CV. Trong kết cấu tàu thủy nói chung và tàu cá nói riêng, chân vịt là một chi tiết đặc biệt quan trọng. Cho đến nay chân vịt tàu cá nước ta vẫn được đúc thủ công từ hợp kim đồng bằng khuôn cát nên độ chính xác hình học và tính cân bằng không cao. Với giá kim loại màu đang tăng cao nên giá thành chân vịt đúc từ hợp kim đồng đã trở nên rất đắt và gây ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng sản xuất của tàu cá nói riêng và ngành thủy sản nói chung. Việc tìm ra một vật lịệu và công nghệ mới để chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ có giá thành rẻ, tính công nghệ cao và làm việc tốt trong môi trường biển là một giải pháp hữu hiệu để giải quyết khó khăn trên. Theo định hướng trên, vật liệu Composite là một lựa chọn khả thi cần được triển khai nghiên cứu. II. PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Thực hiện định hướng trên, Tác giả đã chọn phương pháp nghiên cứu : 1. Tính toán lý thuyết xác định yêu cầu cơ tính và công nghệ chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ từ vật liệu Composite 2. Thực nghiệm nghiên cứu thành phần vật liệu Composite nhằm đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ nêu trên Theo phương pháp nghiên cứu đã chọn, Tác giả đã triển khai nghiên cứu theo các nội dung chính sau: 1. Xác định các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của chân vịt tàu cá cỡ nhỏ nước ta và ứng suất lớn nhất sinh ra trên chân vịt trong sử dụng. 2. Lựa chọn và thử nghiệm bước đầu cấu trúc vật liệu Composite thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ 3. Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Các thông s k thut cơ bn ca chân v t tàu cá c nh : Theo số liệu thống kê năm 2000 [2]. Chân vịt tàu cá cỡ nhỏ của nước ta hiện được đúc bằng hợp kim đồng trên khuôn cát với các thông số kỹ thuật cơ bản sau: Bảng 1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của chân vịt tàu cá cỡ nhỏ của nước ta TT Công suất máy PD (CV) Đường kính chân vịt D (m) Vòng quay chân vịt n (v/ph) Vận tốc tàu VT (Hl/h) Góc nghiêng cánh γ Chiều rộng cánh b (m) Chiều dày cánh t (cm) H/D 1 33 0,710 580 8 15 0,174 2,88 0,75 2 50 0,810 580 8 15 0,198 3,29 0,75 3 66 0,840 580 8 15 0,206 3,41 0,75 4 100 0,940 520 8 15 0,230 3,82 0,75 5 140 0,810 762 8 15 0,206 3,41 0,75 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008 Trường Đại học Nha Trang 68 Với số lượng hàng chục ngàn chiếc đang được sử dụng, đây là số tài sản lớn sẽ được tiết kiệm nếu chúng được chế tạo hàng loạt từ Composite rẻ tiền và làm việc tốt trong môi trường nước biển. 2. Xác đ nh ng sut ln nht sinh ra trên cánh chân v t trong s dng: Ứng suất lớn nhất phát sinh trên cánh chân vịt được xác định theo công thức Romson [3]. Theo Romson ứng suất trong mỗi mặt cắt cánh được coi là tổng đại số ứng suất do momen uốn σ1 và do lực ly tâm σ2 ; σ = σ1 + σ2. Đồng thời trên mỗi cánh chân vịt tại điểm có r = 0,2R có ứng suất lớn nhất [3, trang 315]. Sử dụng công thức Romson để tính ứng suất cho chân vịt tàu cá cỡ nhỏ tại r = 0.2R với các thông số của máy và chân vịt lấy theo bảng 1. Kết quả tính toán giá trị ứng suất lớn nhất phát sinh trên chân vịt trong sử dụng thể hiện trên bảng 2. Bảng 2. Kết quả tính ứng suất lớn nhất trên chân vịt tàu cá cỡ nhỏ STT PD (CV) σ1K (N/mm2) σ1N (N/mm2) σ2K (N/mm2) σ2N (N/mm2) σK (N/mm2) σN (N/mm2) 1 33 6,42 7,16 6,38 7,05 12,80 14,21 2 50 7,46 8,33 8,22 9,18 15,79 17,51 3 66 10,35 11,55 9,24 10,24 19,59 21,79 4 100 11,06 12,34 8,97 9,94 20,13 22,28 5 140 20,86 23,28 14,25 15,7 35,11 39,15 Kết quả tính trên đây cho thấy ứng suất kéo và nén chân vịt khá thấp và nằm trong giới hạn cơ tính của vật liệu composite cốt sợi thủy tinh thông dụng hiện nay (bảng 3, [2]). Bảng 3. Đặc tính cơ học tổng quát của vật liệu Composite cốt sợi thủy tinh [1, tr 200] Vật liệu Sức bền kéo σk (N/mm2) Sức bền nén σn (N/mm2) Sức bền uốn σu (N/mm2) Sợi thủy tinh 1 chiều: Với Epoxy Polyeste 530-1730 410-1180 310-480 210-480 690-1860 690-1240 Sợi thủy tinh 2 chiều: - Satin dệt với polyester - Roving dệt với polyester 250-400 230-340 210-480 98-140 207-450 200-270 Sợi thủy tinh ngẫu nhiên: - Tiền tạo dạng với polyester - Đúc tiếp xúc (tay và phun) 70-170 63-140 130-160 130-170 70-240 140-250 Hợp chất đúc: - DMC Polyeste - SMC Polyeste - Thủy tinh bột nylon 34-70 50-90 120-200 140-180 240-310 110-170 40-140 140-210 140-210 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008 Trường Đại học Nha Trang 69 3. La chn cu trúc vt liu Composite tha mãn các yêu cu k thut và công ngh ch t
o chân v t tàu cá c nh Lựa chọn cấu trúc vật liệu Composite với cốt sợi thủy tinh, nền Epoxy hoặc Polyeste đều có thể thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ đã tính. Tuy nhiên cấu trúc vật liệu này cho tính công nghệ kém do chỉ có thể đúc chân vịt theo phương pháp thủ công và khó đạt độ bền đều tại các điểm mép cánh. Khắc phục nhược điểm công nghệ này, tác giả đã chọn cấu trúc Composite kiểu cốt sợi ngắn. Cấu trúc composit kiểu cốt sợi ngắn cho phép tạo được cơ tính vật liệu khá đồng đều trên toàn bộ thể tích cánh chân vịt và giúp gia công chân vịt dễ dàng bằng công nghệ đúc áp lực trên khuôn kim loại. Tạo cấu trúc Composite với cốt sợi ngắn từ sợi thuỷ tinh có độ dài 1 đến 3mm, thành phần mat/ nhựa nền thay đổi từ 20% đến 50%, chất phụ gia đông cứng (xt) thay đổi từ 1,2% đến 2,4% theo phương pháp trộn thủ công. Mẫu thử được chế tạo theo TCVN. Các chỉ tiêu trên được xác định trên thiết bị kiểm tra cơ tính vật liệu composite HTE- H50KS của Viện Nghiên cứu Chế tạo tàu thủy - Trường Đại học Nha Trang. Các chỉ tiêu cơ tính của Composite cốt sợi ngắn nền Polyeste không no thể hiện trên bảng 4. Bảng 4: Ứng suất kéo và biến dạng của compozite khi % mat, xúc tác thay đổi 20% Mat 30% Mat 40% Mat 50% Mat Thành phần σk(N/mm2) εbd (mm) σk(N/mm2) εbd (mm) σk(N/mm2) εbd (mm) σk(N/mm2) εbd (mm) 1,2%xt 338,8 0,943 438,8 0,953 476,4 1,218 535,3 1,540 1,8%xt 335,3 0,940 444,2 0,973 47,84 1,145 588,7 1,712 2,4%xt 352,7 1,060 425,6 1,072 469,7 1,292 552,3 1,516 IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu bước đầu đã đạt được trên, có thể đi đến một số kết luận sau: 1. Khả năng chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ bằng vật liệu Composite là hoàn toàn hiện thực, sẽ góp phần giảm giá thành chế tạo và sử dụng chân vịt trên thực tế. 2. Vật liệu Composite có vật liệu nền Polyeste (hoặc Epoxy) và cốt sợi thủy tinh cắt ngắn với chất phụ gia thích hợp sẽ giúp tạo được công nghệ đúc chân vịt trên khuôn kim loại ở nhiệt độ thường đơn giản và có hiệu quả cao. 3. Vật liệu Composite cốt sợi thuỷ tinh ngắn với thành phần mat/nhựa đạt 40% đến 50% và phụ gia đông cứng 1,8% cho vật liệu có cơ tính cao, ổn định và tính đúc cao nhất. Vật liệu với thành phần nêu trên dễ dàng đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ để chế tạo chân vịt tàu cá có công suất máy chính dưới 150CV bằng đúc áp lực trong khuôn kim loại ở nhiệt độ thường. 4. Nghiên cứu trên mới chỉ đánh giá khả năng chế tạo chân vịt tàu cá cỡ nhỏ trên hai tiêu chí: độ bền và tính công nghệ. Các tiêu chí quan trọng khác như độ bền mỏi, độ dai va đập, tính chống bọt khí và xâm thực... còn chưa được đề cập đến. Trên đây chỉ là kết quả nghiên cứu bước đầu nhằm tạo được kết cấu vật liệu Composite đủ cơ tính và đặc điểm công nghệ để có thể Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản - số 02/2008 Trường Đại học Nha Trang 70 chế tạo hàng loạt chân vịt tàu cá cỡ nhỏ với giá thành rẻ phục vụ nhu cầu tại chỗ và đa dạng của ngư dân. Để định hướng thiết thực trên sớm hoàn chỉnh phục vụ sản xuất đại trà, cần triển khai tiếp tục các nghiên cứu: 1. Nghiên cứu thêm các tiêu chí quan trọng khác như độ bền mỏi, độ dai va đập, tính chống bọt khí và xâm thực, thời gian đông cứng và tính trương nở trong nước biển... trong công nghệ tạo vật liệu phù hợp với khả năng đúc áp lực chân vịt từ Composite trong khuôn kim loại ... 2. Cần nghiên cứu phối hợp giữa phương pháp tính toán thiết kế chân vịt với đặc tính cơ học của vật liệu composite cốt sợi ngắn để hoàn thiện vấn đề cấp thiết nêu trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Đăng Cường, Compozit Sợi thủy tinh và Ứng dụng, NXB Khoa học và kỹ thuật, năm 2006 2. Quách Đình Liên và CTV. Nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ Điesel tàu cá tỉnh Khánh Hòa, Báo cáo khoa học đề tài 04/KHCN/1998. 3. Trần Công Nghị, Sổ tay thiết kế tàu thủy, NXB Xây dựng, năm 2008 4. Thông tin KHCN thuỷ sản 2000 – 2007, Trung tâm thông tin - Bộ Thuỷ sản.