Mô hình máy quấn bình composite

Nội dung text: Mô hình máy quấn bình composite

1. MÔ HÌNH MÁY QUẤN BÌNH COMPOSITE MODELING THE COMPOSITE WINDING MACHINE PGS.TS. Lê Hiếu Giang Phạm Quân Anh Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM TÓM TẮT Bình áp lực được sử dụng khá rộng rãi và phổ biến. Đa phần bình áp lực trên thị trường đều là bình vỏ thép nên có nguy cơ phát nổ cao do hay bị rò rỉ. Các bình áp lực composite giúp nâng cao tính an toàn là cần thiết. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu mô hình máy quấn ống sợi composite với hai đầu là chỏm cầu. ABSTRACT Pressure bottles are used widely and popular, most pressure bottles on the market are made by steel so high risk of explosion may occurs because of rust. The safety can be increased on using composite pressure bottles. The paper presents the research result on composite hemisphere cap tube winding machine. I. GIỚI THIỆU Bình chịu áp lực composite đƣợc ứng II. NGUYÊN LÝ MÁY QUẤN BÌNH dụng rộng rãi trên thế giới và đã có mặt ở 1. Yêu cầu của bình quấn Việt Nam. Bình chịu áp lực loại này đƣợc - Sợi phải đƣợc rải đều cả trên phần trụ gia cƣờng bởi sợi composite có sức chịu lực cao và trọng lƣợng nhẹ, bên cạnh đó còn có và phần chỏm cầu một số đặc điểm nhƣ tính không dẫn điện, - Máy dễ vận hành dẫn nhiệt kém nên áp suất trong bình ổn định - An toàn khi sử dụng không xảy ra trƣờng hợp tăng áp đột ngột có thể gây nổ, hoặc sự cố chạm điện, chập điện gây cháy nhƣ loại bình vỏ thép, ngay cả khi trong đám cháy cũng không gây nổ bình. Từ những lý do trên thì bình composite đang dần thay thế những loại bình thép truyền thống vì tính an toàn mà bình truyền thống không có đƣợc. Hiện tại trong nƣớc chƣa có máy móc để chế tạo các loại bình này mà chủ yếu đƣợc khẩu từ nƣớc ngoài với giá thành rất cao. Vì vậy việc nghiên cứu, chế tạo một mô hình máy quấn bình sử dụng sợi composite là rất cần thiết. Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu và đƣa ra mô hình máy quấn với kích thƣớc bình ∅66 x 180 (mm).
2. 2. Nguyên lý máy quấn bình Phƣơng án này có ƣu điểm là cơ cấu đơn giản, viết chƣơng trình điều khiển đơn giản với hai chuyển động. Tuy nhiên ở phƣơng án này quấn không đều ở hai đầu chỏm cầu và xảy ra hiện tƣợng bản sợi bị xoắn. 2. Phƣơng án rải sợi bốn trục Ở phƣơng án này, khuôn quay tròn với tốc độ n1(vòng/phút) , đầu rải sợi thực hiện chuyển động tịnh tiến dọc trục khuôn S1( mm/phút) khi rải trên phần trụ , khi máy thực hiện rải sợi ở đầu chỏm cầu thì cơ cấu thực hiện phối hợp đồng thời bốn chuyển động (chuyển động quay tròn của khuôn n1 , chuyển động tịnh tiến dọc trục S1, chuyển động hƣớng tâm S2, chuyển động hƣớng tâm S2, chuyển động xoay θ1 của đầu rải sợi). Hình 1: Sơ đồ nguyên lý máy III. LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ 1. Phƣơng án rải sợi hai trục Ở phƣơng án này, khuôn quay tròn với tốc Hình 3: Nguyên lý rải sợi bốn trục độ n1(vòng/phút) , đầu rải sợi thực hiện chuyển động tịnh tiến dọc trục khuôn S( Phƣơng án này có ƣu điểm là sợi đƣợc rải mm/phút) đều cả trên phần hình trụ và phần chỏm cầu 3. Phƣơng án rải sợi sáu trục Ở phƣơng án này, khuôn quay tròn với tốc độ n1 (vòng/ phút), đầu rải sợi thực hiện chuyển động dọc trục theo phƣơng ngang S1 (mm/phút) khi rải sợi trên phần hình trụ, khi máy thực hiện rải sợi ở đâu chỏm cầu thì cơ cấu thực hiện phối hợp đồng thời sáu chuyển Hình 2: Nguyên lý rải sợi hai trục động ( chuyển động xoay tròn của khuôn n1,
3. chuyển động tịnh tiến dọc trục S1, chuyển Ƣu điểm của phƣơng án này là rải sợi đều cả động hƣớng tâm S2, chuyển động lắc của trên phần hình trụ và chỏm cầu nhờ vào khả năng linh hoạt cao khi có sự phối hợp nhịp đầu rải sợi θ1, chuyển động xoay của đầu rải nhàng của cả sáu trục. Nhƣng nhƣợc điểm là sợi θ2). cơ cấu rải sợi phức tạp, chi phí chế tạo tốn kém, lập trình điều khiển phức tạp, khó kiểm soát trong quá trình hoạt động. Kết luận: sau khi phân tích ƣu nhƣợc điểm ba phƣơng án dựa trên yêu cầu sản phẩm và điều kiện thực tế, ta quyết định chọn phƣơng án hai với mô hình máy rải sợi bốn trục để tính toán, thiết kế chế tạo. Hình 4: Nguyên lý rải sợi sáu trục IV. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 1. Lƣu đồ điều khiển quá trình rải sợi Hình 5: Lƣu đồ điều khiển
4. 2. Biểu thức liên hệ tốc độ Hình 6: Sơ đồ nguyên lý máy quấn sợi bốn trục 2 2 2 Rải sợi trên đoạn hình trụ: S2 + S3 = R Để thực hiện điều này, ta rời rạc hóa cung tròn thành các điểm cách đều nhau và phối hợp hai động cơ 2 và 3 để thực hiện việc di chuyển tuần tự đến các điểm này. Từ phƣơng trình đƣờng tròn ở trên, chuyển qua hệ tọa độ trụ ta có: S2= R- Rcosα S3= Rsinα ( α: 0 π/2 ) Hình 7 - Trƣờng hợp động cơ 1 quay với tốc độ 1 (v/p), với góc quấn sợi α ta có : tgα = = 퐿 푛2×푡2 푛2 = (v/p) t2x tgα với D là đƣờng kính khuôn L là chiều dài đầu rải sợi di chuyển Hình 8 n2 là tốc độ động cơ 2 Với S2= n2x t2 t2 là bƣớc vít me gắn với động cơ 2 - Trƣờng hợp tổng quát động cơ 1 quay với S3= n3 x t3 Tốc độ quay của động cơ 2 và 3 lần lƣợt tốc độ n1 là: 푛 = n1 (v/p) 2 t x tgα 푅−푅 표푠훼 2 n2= 푡2 푅푠푖푛훼 n3= Rải sợi trên đoạn chỏm cầu 푡3 Để di chuyển theo cung tròn của chỏm cầu, (t2, t3 là bƣớc vitme gắn với động cơ 2, 3 ) ta cần thiết kế quỹ đạo di chuyển của đầu rải sợi gắn với trục động cơ 2 và 3 sao cho:
5. Góc lệch Số lần quấn trên một lớp Ta có biểu thức liên hệ: 푛 ×푆 sinα = 퐿 푠푖푛훼 tgα = = 퐿 표푠훼 푠푖푛훼 1 푛 ×푆 => = = 퐿 표푠훼 표푠훼 퐿 => n = 표푠훼 푆 Hình 9 Vậy n là số lần quấn để quấn hết diện tích S : bề rộng bản sợi bình: n = 표푠훼 푆 D: đƣờng kính ống α: góc xoắn 3. Mạch điều khiển động cơ L : bƣớc xoắn Góc lệch δ: với bề rộng bản sợi là S, để quấn hết diện tích bình thì sau một lần quấn, bình phải đánh lệch một góc. Chu vi đường tròn πD góc 2π => Chiều dài a góc δ 2 2 => δ= = Mà a = S/ cosα Hình 10: Mạch điều khiển động cơ 2푆 Vậy góc lệch δ= 표푠훼
6. V. MÔ HÌNH MÁY QUẤN BÌNH Hình 2: Máy quấn bình composite Hình 6.4: Sợi rải trên phần hình trụ và chỏm cầu Hình 6.3: Sản phẩm quấn hoàn tất
7. Hình 6.4: Kiểm tra quỹ đạo đầu rải sợi Hình 6.5: So sánh quỹ đạo đầu rải sợi và đƣờng tròn chuẩn IV. KẾT LUẬN Bài báo đã đƣa ra đƣợc mô hình máy quấn bình composite với kích thƣớc tổng thể là 1200 x 600 x 300, điều khiển bằng phần mềm Ardruino. Bƣớc đầu máy đã hoạt động tƣơng đối ổn định và quấn thử nghiệm trên khuôn nhựa bằng sợi chỉ. Góc sợi lý thuyết đúng với thực tế, sợi đƣợc rải đều trên cả phần trụ và phần chỏm cầu. Đây là cơ sở chế tạo bình áp lực composite.
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. COMPOSITE SỢI THỦY TINH VÀ ỨNG DỤNG- Nguyễn Đăng Cƣờng- NXB Khoa học và kỹ thuật, tp Hồ Chí Minh 2011. 2. VẬT LIỆU COMPOSITE CƠ HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Khoa Thịnh – Nguyễn Đình Đức _ NXB KH&KT Hà Nội 3. VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI- PGS.TS Hoàng Trọng Bá- NXB Khoa học và kỹ thuật, tp Hồ Chí Minh 2007. 4. ANALYSIS AND PERFORMANCE OF FIBER COMPOSITES - Bhagwan D. Agarwal _ Indian Institute of Technology Kanpur. U. P. India. 5. THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY- Nguyễn Văn Lãm- Nguyễn Trọng Hiệp_ NXB GIÁO DỤC-1993 6. HÓA LÝ POLYME- Bùi Chƣơng- NXB Bách Khoa, Hà Nội 2006. 7. ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM VÀ GÓC ĐỘ SỢI ĐẾN TÍNH CHẤT VA ĐẬP CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE- Luận án tiến sĩ : Lê Hiếu Giang - 2003 8. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ TẠO MÁY QUẤN ỐNG SỢI COMPOSITE- Luận văn thạc sĩ: Lê Linh- 2005
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.