nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy quấn bình composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM QUÂN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
MÔ HÌNH MÁY QUẤN BÌNH COMPOSITE

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S K C0 0 4 4 9 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SỸ
PHẠM QUÂN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
MÔ HÌNH MÁY QUẤN BÌNH COMPOSITE

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60520103

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/ 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SỸ
PHẠM QUÂN ANH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
MÔ HÌNH MÁY QUẤN BÌNH COMPOSITE

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. LÊ HIẾU GIANG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/ 2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Phạm Quân Anh

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1986

Nơi sinh: Lâm Đồng

Quê quán: Nam Định

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: An Hiệp- Đức Trọng- Lâm Đồng
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng:

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
Hệ đào tạo: Cao đẳng
Thời gian đào tạo từ : 2005 đến 2008
Nơi học: Cao đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng TP HCM
Ngành học: Kỹ thuật cơ khí
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo: từ 2009 đến 2011
Nơi học : Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM
Ngành học : Kỹ thuật cơ khí
Tên đồ án tốt nghiệp : Tính toán, thiết kế máy sấy, nghiền bột bơ
Bảo vệ đồ án tốt nghiệp : Năm 2011
Ngƣời hƣớng dẫn : TS. GVC Đặng Thiện Ngôn

ii

3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo: từ 2012 đến 2014
Nơi học : Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí
Tên luận văn: “Thiết kế, chế tạo mô hình máy quấn bình composite”.
Ngày bảo vệ luận văn:

18 / 04 /2015.

Trƣờng ĐHSPKT.TpHCM
Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS. Lê Hiếu Giang
4. Trình độ ngoại ngữ: Tiếng Anh, B1 (khung Châu Âu)
5. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
10/2011- nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM Giảng viên

IV. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ:

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC

Ngày 20 tháng 03 năm 2015
Ngƣời khai ký tên

Phạm Quân Anh

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2015
Học viên
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phạm Quân Anh

iv


LỜI CẢM TẠ
Qua quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tôi chân thành bày tỏ
lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:
 Thầy PGS.TS Lê Hiếu Giang- thầy hƣớng dẫn tận tình, chỉ dạy, tạo điều kiện
và động viên học trò trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
 Quý thầy, cô giáo đã tham gia công tác giảng dạy, hƣớng dẫn học trò trong toàn
khóa học.
 Thầy Ths. Nguyễn Việt Thắng cán bộ giảng dạy khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy,
trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh.

 Ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, bộ môn Thực Hành Nghề, khoa Cơ
Khí Chế Tạo Máy, trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đề tài.
 Kính gởi lời cảm tạ tới Ban giám hiệu trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.
Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiện cho tôi học tập, nghiên cứu.
Kính chúc Quý thầy, cô dồi dào sức khỏe.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2015

Phạm Quân Anh

v


TÓM TẮT
Bình áp lực đƣợc sử dụng khá rộng rãi và phổ biến, đa phần bình áp lực trên thị trƣờng
đều là bình vỏ thép, nguy cơ phát nổ cao khi xảy ra hỏa hoạn. Vì vậy bình composite dần
đƣợc thay thế đem vô sử dụng với những tính năng ƣu việt mà các vật liệu khác không có
đƣợc.
Đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY QUẤN BÌNH
COMPOSITE” đƣợc định hƣớng và tiến hành nghiên cứu, thực hiện trong thời gian cho
phép tại trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Đề tài đã đƣợc triển khai
và tập trung giải quyết một số các vấn đề sau:
 Nghiên cứu công nghệ quấn bình.
 Nghiên cứu, thiết kế mô hình máy quấn bình composite.
 Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy quấn bình composite.
 Thiết kế mạch điều khiển máy
 Viết chƣơng trình điều khiển máy
 Thực hiện quấn trên mẫu
Sau thời gian thực hiện, tác giả đã chế tạo đƣợc mô hình máy hoạt động khá ổn định
với kích thƣớc 1200 x 600 x 400 (mm). Đây là cơ sở tạo tiền đề chế tạo bình composite

bằng phƣơng pháp quấn.
Tác giả

Phạm Quân Anh

vi


SUMMARY
Pressure bottles are used widely and popular on the market nowaday. Most of them are
made of castings steel which are in high risk of explosion in case of fire. So they are
replaced with composite bottles with prominent features that other materials can not
have.
Thesis “ RESEARCH, DESIGN, MANUFACTURE MODELING THE COMPOSITE
WINDING MACHINE” has been oriented and researched at University Of Technical
Education Ho Chi Minh city . The thesis was deployed and focus on solving some of the
following issues:
 Research in polar winding technology
 Research, design modeling the composite winding machine.
 Research, manufacture modeling the composite winding machine.
 Design on the machine controller
 Write a program to control the machine
 Wind on model
After implementation, the author have manufactured a model machine that works quite
stably with size 1200 x 600 x 400 (mm). This is the basis for making composite bottle
with winding method
Author

Pham Quan Anh

vii


MỤC LỤC
TRANG TỰA
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH KHOA HỌC ........................................................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ iv
LỜI CẢM TẠ ....................................................................................................................... v
TÓM TẮT............................................................................................................................ vi
SUMMARY........................................................................................................................vii
MỤC LỤC ........................................................................................................................ viii
CHƢƠNG I . TỔNG QUAN ................................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1
1.1.1. Tình hình sử dụng vật liệu composite trên thế giới: ............................................ 1
1.1.2. Tình hình sử dụng vật liệu composite ở Việt Nam:............................................. 5
1.2. Tổng quan về hƣớng nghiên cứu................................................................................ 5
1.2.1. Các kết quả nghiên cứu trong nƣớc ..................................................................... 5
1.2.2. Các kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc ..................................................................... 6
1.4 Nội dung nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu và đối tƣợng nghiên cứu ................. 8
1.4.1 Nội dung nghiên cứu............................................................................................. 8
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..................................................................................... 9
1.5.1 Ý nghĩa khoa học .................................................................................................. 9
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn................................................................................................... 9
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 10
2.1 Vật liệu composite..................................................................................................... 10
2.1.1. Khái niệm........................................................................................................... 10
2.1.2. Cấu tạo vật liệu composite ................................................................................. 10
2.1.3. Tính chất vật liệu composite .............................................................................. 18
2.1.4. Phân loại vật liệu composite .............................................................................. 18

viii


2.1.5. Ƣu điểm của vật liệu composite ........................................................................ 19
2.1.6. Công nghệ chế tạo vật liệu composite ............................................................... 19
2.2 Các loại sợi gia cƣờng chất dẻo ................................................................................ 20
2.2.1 Sợi thủy tinh ........................................................................................................ 20
2.2.2 Sợi cacbon ........................................................................................................... 22
2.2.3 Các loại sợi hữu cơ ............................................................................................. 22
CHƢƠNG 3: ĐỀ XUẤT LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN QUẤN ......................................... 23
3.1. Tổng quan phƣơng pháp quấn .................................................................................. 23
3.1.1. Quấn khô: ........................................................................................................... 23
3.1.2. Quấn ƣớt: ........................................................................................................... 24
3.2. Các kiểu quấn bình thông dụng................................................................................ 26
3.3. Phân tích sản phẩm lựa chọn phƣơng án thiết kế..................................................... 27
3.3.1. Phƣơng án 1 ....................................................................................................... 27
3.3.2. Phƣơng án 2 ....................................................................................................... 28
3.3.3. Phƣơng án 3 ....................................................................................................... 29
3.4. Lựa chọn phƣơng án quấn ........................................................................................ 30
3.5. Biểu thức liên hệ tốc độ ........................................................................................... 32
3.6. Số lần quấn trên một lớp .......................................................................................... 35
CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ ............................................................. 36
4.1. Các thông số sử dụng tính toán ................................................................................ 36
4.2. Tính toán thiết kế trục .............................................................................................. 36
4.3. Chọn động cơ ........................................................................................................... 40
4.4. Tính toán kiểm nghiệm ổ lăn: .................................................................................. 40
4.5. Chọn vít me- đai ốc bi .............................................................................................. 41
CHƢƠNG 5: ĐIỆN- ĐIỀU KHIỂN ................................................................................... 44
5.1. Thiết kế mạch điện ................................................................................................... 44
5.2. Lƣu đồ điều khiển: ................................................................................................... 46

5.3. Thiết kế mạch điều khiển ......................................................................................... 47
5.3.1.Phần cứng ........................................................................................................... 48
ix


5.3.2.Phần mềm ........................................................................................................... 49
5.3.3. Giới thiệu về Arduino IDE và ngôn ngữ lập trình cho Arduino ........................ 51
5.3.4. Khối nguồn ........................................................................................................ 52
5.2.5. Mạch điều khiển động cơ (driver) .................................................................... 53
CHƢƠNG 6: SẢN PHẨM THIẾT KẾ .............................................................................. 54
6.1. Mô hình máy quấn ................................................................................................... 54
6.2. Quỹ đạo đầu rải sợi .................................................................................................. 55
6.3. Sản phẩm quấn thử nghiệm ...................................................................................... 56
CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 57
7.1. Kết luận .................................................................................................................... 57
7.2. Kiến nghị .................................................................................................................. 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 59
PHỤ LỤC 1: THỬ NỔ TRÊN BÌNH GAS MINI ............................................................. 61
PHỤ LỤC 2: SO SÁNH ĐỘNG CƠ BƢỚC VÀ ĐỘNG CƠ SERVO ............................. 64
PHỤ LỤC 3: CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 69

x


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Máy bay Boeing Dreamliner 787 ........................................................................ 2
Hinh 1.2 : Thuyền sử dụng vật liệu composite ..................................................................... 2
Hình 1.3: Xe sử dụng vật liệu composite ............................................................................. 3
Hình 1.4: Bồn chứa hóa chất composite ............................................................................... 3
Hình 1.5: Tranh sơn mài bằng vật liệu composite................................................................ 4

Hinh 1.6: Ống composite ...................................................................................................... 4
Hình 1.7: Bồn biogas composite .......................................................................................... 5
Hinh 1.8: Thùng rác composite ............................................................................................ 5
Hình 1.9: Các vụ nổ bình chịu áp lực ................................................................................... 7
Hình 1.10: Các loại bình chịu áp lực composite .................................................................. 8
Hình 2.1: Sơ đồ phân loại cốt theo hình dạng .................................................................... 11
Hình 2.2: Sơ đồ phân bố định hƣớng cốt sợi ...................................................................... 12
Hình 2.3: Các kiểu dệt bắt chéo của vải ............................................................................. 13
Hình 2.4: Công thức hóa học của một số loại epoxy thông dụng ...................................... 17
Hình 2.5: Hình dạng của các loại vật liệu composite ......................................................... 18
Hình 2.6: Sơ đồ quá trình sản xuất sợi thủy tinh ................................................................ 20
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý máy quấn bình sử dụng công nghệ quấn khô .......................... 23
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý máy quấn bình sử dụng sợi thủy tinh ...................................... 24
Hình 3.3: Một số hình ảnh của công nghệ quấn ................................................................. 25
Hình 3.4: Các kiểu quấn bình thông dụng .......................................................................... 26
Hình 3.5: Mô hình nguyên lý rải sợi composite hai trục .................................................... 27
Hình 3.6: Mô hình nguyên lý rải sợi composite bốn trục ................................................... 28
Hình 3.7: Mô hình nguyên lý rải sợi composite sáu trục ................................................... 29
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý rải sợi bốn trục ........................................................................ 30
Hình 3.9 .............................................................................................................................. 32
Hình 3.10 ............................................................................................................................ 32
Hình 3.12 ............................................................................................................................ 35
Hình 4.1: kích thƣớc chi tiết trên trục ................................................................................ 37
Hình 4.2: Biểu đồ nội lực ................................................................................................... 39
Hình 4.3: Bộ truyền vít me – đai ốc bi ............................................................................... 42
Hình 5.1: Mạch điều khiển động cơ ................................................................................... 44
Hình 5.6. Lƣu đồ điều khiển ............................................................................................... 46
Hình 5.2: Bo mạch Arduino Mega 2560. .......................................................................... 50
Hình 5.3: Giao diện phần mềm Arduino ............................................................................ 51
Hình 5.4: Khối nguồn ........................................................................................................ 52

Hình 5.5: Mạch điều khiển động cơ bƣớc .......................................................................... 53
xi


Hình 6.1: Máy quấn bình composite .................................................................................. 54
Hình 6.2: Cụm lắp khối 1 ................................................................................................... 54
Hình 6.3: Cụm lắp khối 2 ................................................................................................... 55
Hình 6.4: Kiểm tra quỹ đạo đầu rải sợi .............................................................................. 55
Hình 6.5: So sánh quỹ đạo đầu rải sợi và đƣờng tròn chuẩn .............................................. 56
Hình 6.4: Sợi rải trên phần hình trụ và chỏm cầu .............................................................. 56
Hình 6.3: Sản phẩm quấn hoàn tất...................................................................................... 56
Hình 1.1: Phiếu kết quả thử nổ (phụ lục 1) ........................................................................ 63
Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của động cơ bƣớc (phụ lục 2) .......................................... 65

xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1:Bảng so sánh ƣu nhƣợc điểm các phƣơng án quấn ............................................ 29
Bảng 3.2: Bảng tính S2, S3 theo góc θ ............................................................................... 34
Bảng 2.1: Bảng so sánh ƣu, nhƣợc điểm của động cơ bƣớc và động cơ servo (phụ lục 2)65
Bảng 2.2: Bảng các loại động cơ bƣớc của hãng NEMA (phụ lục 2) ............................... 66

xiii


CHƢƠNG I . TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Vật liệu composite đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Với những tính
năng ƣu việt mà vật liệu này đã đƣợc nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và phát

triển. Trong thế chiến thứ hai thì vật liệu composite chủ yếu đƣợc sử dụng để phục vụ cho
việc sản xuất chi tiết cho máy bay, tàu chiến và vũ khí. Cho đến nay thì vật liệu composite
đƣợc sử dụng để chế tạo nhiều chi tiết, linh kiện phục vụ trong ngành công nghiệp cũng
nhƣ trong dân dụng.
1.1.1. Tình hình sử dụng vật liệu composite trên thế giới:
- Trong ngành hàng không: Trong những năm gần đây, composite đƣợc sử dụng chế
tạo các bộ phận trên máy bay nhƣ kết cấu khung xƣơng, thân máy bay, cánh, bộ phận
dẫn hƣớng... Theo thống kê của hãng máy bay Boeing, chiếc Boeing Dreamliner 787
sử dụng đến 50% composite trên toàn bộ trọng lƣợng. Một trong những lý do quan
trọng nhất của việc ứng dụng rộng rãi loại vật liệu này trong ngành Hàng không là độ
bền và độ cứng tƣơng đối trên trọng lƣợng riêng của composite lớn. Điều này làm giảm
trọng lƣợng của máy bay, tiết kiệm nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trƣờng và tăng hiệu
quả kinh doanh. Composite còn đƣợc sử dụng để chế tạo các chi tiết hình dáng phức
tạp, góp phần làm giảm số lƣợng chi tiết trên máy bay, đồng thời giảm thời gian và chi
phí lắp đặt sản phẩm. Đặc biệt vật liệu composite cốt sợi thủy tinh có tính trong suốt
đối với sóng rada, đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng quân sự. Nó còn
đƣợc sử dụng nhiều trong công nghệ vũ trụ.

1


Hình 1.1: Máy bay Boeing Dreamliner 787
-

Trong hàng hải: Composite đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại tàu

thuyền, xuồng cỡ nhỏ, cano... do chi phí đầu tƣ chế tạo phƣơng tiện bằng vật liệu này
thấp mà lại cho độ chịu lực và độ bền cao hơn các sản phẩm cùng loại sử dụng chất
liệu bằng gỗ, nhôm hoặc thép. Bên cạnh đó, yêu cầu về tay nghề của công nhân cũng
đơn giản hơn. Vật liệu composite sử dụng cho đóng tàu, mang lại lợi ích cao bảo

dƣỡng rất ít, không bị ăn mòn, han rỉ hay ảnh hƣởng của môi trƣờng nƣớc biển.
Composite cũng đƣợc sử dụng trong các tàu quân sự do tính trong suốt với rada của
loại vật liệu này.

Hinh 1.2 : Thuyền sử dụng vật liệu composite
- Trong ngành vận tải: Ứng dụng của composite trong ngành vận tải là rất lớn. Loại
vật liệu mới này cho phép chế tạo các phƣơng tiện vận tải nhẹ hơn. Điều đó đồng nghĩa
với việc tiết kiệm nhiên liệu, tăng khả năng chuyên chở và giảm ô nhiễm môi trƣờng.
Composite đƣợc sử dụng chế tạo thân và các chi tiết yêu cầu tính năng kỹ thuật cao
2


trong các xe đua cũng nhƣ xe ô tô thƣơng mại. Ngày nay các toa xe tàu hỏa cũng đƣợc
chế tạo bằng vật liệu composite. Hiệu quả của nó làm giảm thiểu trọng lƣợng của các
toa xe và đoàn tàu, tăng lƣợng hàng chuyên chở, tăng hiệu suất vận tải đƣờng sắt. Đặc
biệt hơn, với yêu cầu ngày càng khắt khe về bảo vệ môi trƣờng, các dòng động cơ mới
nhƣ động cơ điện, fuel cell đƣợc đƣa vào ứng dụng trong thị trƣờng xe cơ giới. Hạn
chế của các loại động cơ mới này là dung tích acquy sử dụng cho xe không cao, hạn
chế tính cơ động của xe, trong khi giảm trọng lƣợng xe là rất cấp thiết cho các phƣơng
tiện sử dụng công nghệ xanh. Do đó, vật liệu composite đƣợc sử dụng tối đa trong chế
tạo thân vỏ và các chi tiết trong thế hệ xe sạch này.

Hình 1.3: Xe sử dụng vật liệu composite
-

Trong công nghiệp hóa chất: bồn chứa dung dịch axit, bồn chứa dung dịch kiềm…

Hình 1.4: Bồn chứa hóa chất composite
3

-

Trong dân dụng: sản phẩm sơn mài, sản phẩm trang trí nội thất…

Hình 1.5: Tranh sơn mài bằng vật liệu composite
-

Vật liệu composite sử dụng trong công nghệ quấn:

Hinh 1.6: Ống composite

4


1.1.2. Tình hình sử dụng vật liệu composite ở Việt Nam:

Hình 1.7: Bồn biogas composite

Hinh 1.8: Thùng rác composite

Hiện nay tại Việt Nam cũng đã và đang sử dụng các sản phẩm từ vật liệu composite
cho nhiều lĩnh vực nhƣng phần lớn đều là các sản phẩm đơn giản hoặc các loại sản
phẩm ngoại nhập. Bình áp lực composite cũng là một sản phẩm trong số đó.
1.2. Tổng quan về hƣớng nghiên cứu
1.2.1. Các kết quả nghiên cứu trong nƣớc
1. Đề tài: “Nghiên cứu công nghệ quấn ống sợi và chế tạo máy quấn ống sợi
composite” năm 2007 – ĐH SPKT TPHCM
-

Đề tài đƣợc thực hiện dƣới sự chủ trì của TS. Lê Hiếu Giang. Đề tài nghiên cứu
về vật liệu nền polymer nhiệt rắn, vật liệu nền polymer nhiệt dẻo. Quấn ống
composite bằng sợi vải và thử nghiệm trên ống composite sợi vải.

-

Đề tài cho biết về một số phƣơng pháp quấn ống composite trên thế giới

-

Đề tài đƣa ra đƣợc biểu thức liên hệ về tốc độ giữa hai động cơ để thực hiện
quá trình quấn ống và chế tạo đƣợc mô hình máy quấn ống composite hai trục
hoạt động trơn tru và cho ra đƣợc sản phẩm nhƣ ý muốn.

2. “Ứng dụng vật liệu composite” - Trần Hữu Vinh- Công ty cổ phần đầu tƣ chuyển
giao WORDTECH
- Bài viết giới thiệu tổng quan về các phƣơng pháp quấn sợi composite. Giới thiệu
về nguyên liệu sử dụng, quy trình sản xuất sản phẩm bằng phƣơng pháp quấn gồm
5


từ khâu chuẩn bị, các giai đoạn quấn đến các phƣơng pháp quấn. Giới thiệu các kiểu
quấn bình thông dụng: helical, hoop, polar .
1.2.2. Các kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc
1. Apparatus for winding filament about three axes of a mandrel- William D.
Goldsworthy, John A. Bummell- United States Patent- 1973: đề tài sáng chế máy
quấn sợi filament ba trục. Bài báo đã đƣa ra mô hình máy với một số phƣơng pháp
quấn cơ bản, quá trình quấn đƣợc thực hiện phối hợp với các chuyển động đơn giản
nhƣ xoay và lắc.
2. Influence of winding angle on the strength and deformation of filament-wound

composite tubes subjected to uniaxial and biaxial loads- Composites science and
technology, volume 46, issue 4, 1993, pages 363- 378: đề tài nghiên cứu ảnh hƣởng
của góc quấn về sự chịu lực và biến dạng của ống composite chịu lực dọc trục và
không dọc trục .
- Bài báo đƣa ra kết quả thử nghiệm trên các góc quấn thay đổi từ 150 đến 850.
- Đƣa ra kết quả độ chịu lực trên các phƣơng, tùy trƣờng hợp mà sử dụng các góc
quấn khác nhau
3. A computer controlled filament winding technique for manufacturing cement
based composite laminates- Andrew Pivacek- Arizona State University- 2001: đề
tài nghiên cứu về điều khiển kỹ thuật quấn sợi filament để sản xuất composite tấm
bằng máy tính. Đề tài cũng cho biết các thông số của quá trình ngâm, tẩm, ép, và các
chất phụ gia.
4. Finite element modeling of the filament winding process- Composite structures,
volume 52, issues 3- 4, May – June 2001, pages 499- 510 : đề tài nghiên cứu về quá
trình quấn bằng sợi filament.
Kết luận: Bình áp lực composite đƣợc sử dụng khá nhiều ở nƣớc ngoài, nhƣng với Việt
Nam còn khá xa lạ đặc biệt là công nghệ sản xuất vẫn phải nhập khẩu . Hiện tại trong
nƣớc chƣa có công trình nào thực hiện nghiên cứu chế tạo máy quấn bình composite này.

6


1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Bình chịu áp lực là một loại bình đƣợc thiết kế dùng để chứa chất khí hoặc chất lỏng
ở một áp suất lớn hơn áp suất môi trƣờng. Bình chịu áp lực đƣợc sử dụng cả trong công
nghiệp lẫn trong sinh hoạt nhƣ bình chứa khí nén, bình hơi, bình gas… Đa phần bình
chịu áp lực trên thị trƣờng đƣợc làm từ thép vì dễ chế tạo và giá thành rẻ. Để sản xuất
ra một bình áp lực bằng thép ngƣời ta sẽ rèn, dập các tấm thép rồi đem hàn chúng lại
với nhau, một vài đặc tính cơ học của thép đƣợc gia tăng từ việc rèn , dập nhƣng việc
hàn có thể làm giảm những đặc tính không mong muốn. Khi có cháy hoặc chập điện thì

các loại bình chịu áp lực dạng này khả năng chịu lực khi áp suất tăng cao thấp, sẽ rất
nguy hiểm và có khả năng phát sinh nổ.

Hình 1.9: Các vụ nổ bình chịu áp lực
Bình chịu áp lực composite đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới và đã có mặt ở Việt
Nam. Bình chịu áp lực loại này đƣợc gia cƣờng bởi sợi composite có sức chịu lực cao
và trọng lƣợng nhẹ, bên cạnh đó còn có một số đặc điểm nhƣ tính không dẫn điện, dẫn
nhiệt kém nên áp suất trong bình ổn định 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 truyền thống, ngay
cả khi trong đám cháy cũng không gây nổ bình. Từ những lý do trên thì bình composite

7


đang dần thay thế những loại bình thép truyền thống vì tính an toàn mà bình truyền
thống không có đƣợc.

Hình 1.10: Các loại bình chịu áp lực composite
Hiện tại các loại bình chịu áp lực composite đƣợc nhập khẩu từ nƣớc ngoài là chủ
yếu, gần đây công ty TTA , Nhị Xuân, Hóc Môn, TP HCM cũng đã đƣa ra sản phẩm
bình gas composite với thiết bị máy móc là công nghệ của tập đoàn Composite
Scandinavia (Thụy Điển).
Tính tới thời điểm hiện nay, trong nƣớc chƣa có một công trình nghiên cứu chế tạo
bình chịu áp lực composite này. Nhận thức đƣợc tầm quan trọng, đƣợc sự hƣớng dẫn
của PGS TS. Lê Hiếu Giang, học viên là Phạm Quân Anh tiến hành nghiên cứu đề tài :
“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy quấn bình composite”. Đây chính là
tiền đề để nghiên cứu, chế tạo bình áp lực composite.
1.4 Nội dung nghiên cứu, phƣơng pháp nghiên cứu và đối tƣợng nghiên cứu
1.4.1 Nội dung nghiên cứu
Do lĩnh vự nghiên cứu của đề tài khá rộng, khối lƣợng tƣơng đối lớn và liên quan

nhiều lĩnh vực không phải chuyên môn cũng nhƣ nguyên vật liệu để sản xuất bình
composite, nên luận văn chỉ giới hạn đến những phần sau.
- Nghiên cứu công nghệ quấn bình bằng công nghệ quấn ƣớt.
8


- Nghiên cứu, thiết kế mô hình máy quấn bình composite.
- Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy quấn bình composite.
- Thiết kế mạch điều khiển máy
- Viết chƣơng trình điều khiển máy
- Thực hiện quấn trên mô hình mẫu với phƣơng pháp quấn chéo
1.4.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phƣơng pháp phân tích tài liệu, xử lý thông tin: tham khảo từ sách báo, giáo trình, các
tạp chí, Internet và các bài báo liên quan. Dựa trên những tài liệu hiện có về lý thuyết
composite. Tập hợp và xử lý thông tin .
- Điều tra thực tế: tham quan tại công ty sản xuất bình gas composite, phỏng vấn các
công nhân, ban lãnh đạo để giúp lựa chọn ý tƣởng, đƣa ra phƣơng án thiết kế hợp lý.
- Tiến hành thử nổ trên bình gas mini để khảo sát thông số
- Phƣơng pháp tổng hợp: từ nguồn thông tin thu thập, tiến hành phân tích xử lý, đề xuất
phƣơng án, thực hiện tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình máy quấn bình. Phân tích và
xử lý những lỗi phát sinh trong quá trình thực hiện.
1.4.3 Đối tƣợng nghiên cứu
- Vật liệu composite: lý thuyết và ứng dụng
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.5.1 Ý nghĩa khoa học
Sản phẩm của đề tài sẽ đƣợc sử dụng để nghiên cứu chế tạo bình áp lực composite.
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả của công trình bƣớc đầu đã tạo ra mô hình máy quấn bình là bƣớc đầu cho
việc chế tạo bình áp lực mà hiện tại Việt Nam ta chƣa có.
- Kết quả của nghiên cứu sẽ đƣợc áp dụng vào nghiên cứu khoa học, đƣa vào nghiên

cứu sản xuất sản phẩm phục vụ nhu cầu trong nƣớc mà hiện tại vẫn phải nhập từ nƣớc
ngoài.

9


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Vật liệu composite
2.1.1. Khái niệm
Vật liệu composite là vật liệu đƣợc chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu
khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn hẳn vật
liệu ban đầu. Vật liệu composite đƣợc cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo
cho Composite có đƣợc các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho
các thành phần của composite liên kết, làm việc hài hòa với nhau.
2.1.2. Cấu tạo vật liệu composite
Mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn đƣợc phân bố trong
một pha liên tục duy nhất. (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc
của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thƣờng làm nhiệm
vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn đƣợc gọi là cốt hay vật liệu tăng
cƣờng (reinforcement) đƣợc trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống
mòn, chống xƣớc ...
Thành phần cấu thành gồm : cốt và nền
2.1.2.1. Cốt : đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì cốt thƣờng có cơ tính
cao hơn nhựa. Ngƣời ta đánh giá cốt dựa trên các đặc điểm sau:
- Tính gia cƣờng cơ học.
- Tính kháng hóa chất, môi trƣờng, nhiệt độ.
- Phân tán vào nhựa tốt.
- Truyền nhiệt và giải nhiệt tốt.
- Thuận lợi cho quá trình gia công.
- Trọng lƣợng nhẹ.

- Giá thành hạ.

10