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

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


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.

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


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

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

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


-

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
-


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

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

- Giá thành hạ.

10