5. Ý nghĩa
2.3. Thí nghiệm thử kéo và uốn trên các mẫu vật liệu
2.3.1. Thí nghiệm kéo.
1. Tiến hành thí nghiệm
Lần lƣợt làm thí nghiệm thử kéo trên máy thử kéo model SM - 50 mẫu kéo sợi thẳng và sợi chéo, ta thu đƣợc biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lực và biến dạng của các mẫu vật liệu trên.
Hình 2.19. Máy thử độ bền kéo
Hình 2.21. Biểu đồ biểu diễn mối quan hệ giữa lực và biến dạng.
2. Xác định môdun đàn hồi E
a. Mẫu kéo sợi thẳng:
Mẫu 1: Kích thƣớc mẫu 250x25x2 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1093 40.86
Lần 2 1041 41.30
Lần 3 1051 41.63
Lần 4 1110 41.75
Giá trị trung bình Etb = 1098 Mpa б tb = 41.39 MPa Mẫu 2: Kích thƣớc mẫu 250x25x3 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1273 45.56
Lần 2 1264 42.06
Lần 3 1298 49.13
Lần 4 1291 41.36
Mẫu 3: Kích thƣớc mẫu 250x25x5 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1945 84.58
Lần 2 1973 83.10
Lần 3 1896 85.54
Lần 4 1932 87.96
Giá trị trung bình Etb = 1936.5 Mpa б tb = 85.23 MPa
b. Mẫu sợi chéo
Mẫu 1: Kích thƣớc mẫu 250x25x2 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 981 41.56
Lần 2 910 42.05
Lần 3 993 41.60
Lần 4 905 42.23
Giá trị trung bình Etb = 947.25 Mpa б tb = 41.86 MPa Mẫu 2: Kích thƣớc mẫu 250x25x3 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1145 46.10
Lần 2 1193 45.86
Lần 3 1167 45.03
Lần 4 1142 43.96
Mẫu 3: Kích thƣớc mẫu 250x25x5 mm
TT Môdun đàn hồi E
(MPa)
Ứng suất phá hủy kéo б (MPa)
Lần 1 1658 59.03
Lần 2 1606 58.96
Lần 3 1697 58.50
Lần 4 1623 59.23
Giá trị trung bình Etb = 1646 Mpa б tb = 58.93 Mpa
* Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, mẫu sợi thủy tinh sợi thẳng có độ bền kéo lớn hơn mẫu sợi chéo. Độ bền kéo tỷ lệ thuận với số lớp và khối lƣợng các vật liệu thành phần.
2.3.2. Thí nghiệm uốn.
1. Tiến hành thí nghiệm
Lần lƣợt làm thí nghiệm thử uốn mẫu kéo sợi thẳng và sợi chéo, ta xác định đƣợc lực tác dụng lớn nhất và độ võng lớn nhất trên các mẫu thử.
Hình 2.22. Sơ đồ thí nghiệm uốn
2. Xác định môđun đàn hồi E.
a. Mẫu sợi thẳng
Mẫu 1: Kích thƣớc mẫu 250x25x2 mm Khoảng cách hai gối đỡ: 150 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1125 42.00
Lần 2 1204 42.50
Lần 3 1178 41.25
Lần 4 1196 41.50
Giá trị trung bình Etb = 1175.75 Mpa б tb = 42.125 Mpa Mẫu 2: Kích thƣớc mẫu 250x25x3 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1297 43.60
Lần 2 1315 45.48
Lần 3 1368 45.50
Lần 4 1309 44.64
Giá trị trung bình Etb = 1322.25 Mpa б tb = 44.82 Mpa Mẫu 3: Kích thƣớc mẫu 250x25x5 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1923 87.28
Lần 2 1978 87.74
Lần 3 2066 89.00
Lần 4 2045 89.12
b. Mẫu sợi chéo
Mẫu 1: Kích thƣớc mẫu 250x25x2 mm Khoảng cách hai gối đỡ: 150 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1043 39.35
Lần 2 989 39.43
Lần 3 1124 40.12
Lần 4 1056 40.25
Giá trị trung bình Etb = 1053 Mpa б tb = 39.79 Mpa
Mẫu 2: Kích thƣớc mẫu 250x25x3 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1208 41.65
Lần 2 1267 41.67
Lần 3 1294 41.89
Lần 4 1243 41.
Giá trị trung bình Etb = 1253 Mpa б tb = 41.37 Mpa Mẫu 3: Kích thƣớc mẫu 250x25x5 mm
TT Môdun đàn hồi uốn E (MPa)
Ứng suất phá hủy uốn б (MPa)
Lần 1 1785 68.23
Lần 2 17 69.72
Lần 3 1791 68.45
Lần 4 1802 69.48
* Nhận xét: Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, mẫu sợi thủy tinh sợi thẳng có độ bền uốn lớn hơn mẫu sợi chéo. Độ bền uốn tỷ lệ thuận với số lớp và khối lƣợng các vật liệu thành phần.
Kết luận chƣơng 2
Trong chƣơng 2, đề tài đã nêu đƣợc quy trình công nghệ chế tạo và thử nghiệm các đặc tính cơ học của mẫu vật liệu composite. Qua thí nghiệm ta thấy mẫu sợi thẳng có độ bền kéo và uốn cao hơn mẫu sợi chéo. Do vậy, có thể chọn phƣơng án chế tạo cánh với sợi thẳng. Cánh turbine khi làm việc chịu lực tác dụng chủ yếu là lực cản của gió nên cánh cần có độ bền uốn cao. Độ bền của mẫu tỷ lệ với số lớp và khối lƣợng các vật liệu thành phần. Trong ba mẫu thí nghiệm trên, mẫu 3 có độ bền lớn nhất. Vì vậy, trong đề tài này, học viên chọn mẫu 3 làm căn cứ để chế tạo cánh turbine.
CHƢƠNG 3: CHẾ TẠO CÁNH TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG CÔNG SUẤT 5KW
3.1. Phân tích chi tiết và chọn phƣơng án gia công.
Bản vẽ cánh turbine:
Hình 3.1. Bản vẽ cánh turbine biên dạng NACA 0015.
Cánh turbine cần gia công có chiều dài 4000mm, biên dạng đối xứng và rỗng bên trong. Nhƣ vậy, nếu cánh turbine đƣợc chia làm hai nửa và ghép lại với nhau thì mỗi nửa cánh turbine có thể coi là một chi tiết dạng tấm, vỏ. Sau khi nghiên cứu ta có thể gia công cánh turbine theo hai phƣơng án sau đây:
- Phƣơng án 1: Gia công khuôn hở âm bản có chiều dài 4000mm. Sau đó chế tạo hai nửa cánh và ghép lại với nhau
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là quá trình chế tạo rất ít nguyên công. Tuy nhiên, phƣơng pháp này có nhƣơc điểm rất lớn là do chiều dài cánh lớn nên khi tháo khuôn không tránh khỏi cánh bị biến dạng, do đó khó đảm bảo đƣợc độ chính xác về hình dáng hình học.
- Phƣơng án 2: Cánh đƣợc chia thành ba đoạn nhƣ hình vẽ. Gia công khuôn hở âm bản có chiều dài 2000mm để chế tạo các nửa cánh có chiều dài 2000mm và 1000mm sau đó ghép các nửa và nối các đoạn lại với nhau.
Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là quá trình chế tạo cánh trải qua rất nhiều bƣớc, tuy nhiên, do chế tạo các đoạn cánh chỉ trên một khuôn và chiều dài các đoạn ngắn nên vẫn đảm bảo độ chính xác về kích thƣớc cũng nhƣ hình dánh hình học của cánh.
Phƣơng án 2 có nhiều ƣu điểm hơn phƣơng án 1. Vì vậy em lựa chọn phƣơng án 2 để chế tạo cánh.
3.2. Chế tạo khuôn.
Thông thƣờng, để chế tạo khuôn âm bản cần chế tạo mẫu trƣớc. Mẫu thƣờng đƣợc chế tạo bằng đất sét sao cho có hình dáng hình học và kích thƣớc của chi tiết cần gia công. Công đoạn tạo mẫu đòi hỏi tỷ mỷ và chính xác. Tuy nhiên, do cánh turbine cần chế tạo có biên dạng cánh đối xứng và có mặt cắt ngang không thay đổi nên ta có thể chế tạo khuôn bằng bêtông mà không cần chế tạo mẫu. Các bƣớc chế tạo khuôn nhƣ sau:
- Bƣớc 1: Vẽ biên dạng cánh trên phần mềm Auto Cad.
Hình 3.2. Biên dạng cánh NACA 0015
- Bƣớc 2: Xuất sang máy cắt dây CNC để cắt lấy một nửa biên dạng cánh sau khi cắt xong ta sẽ có phần dƣơng bản để làm dƣỡng chế tạo khuôn.
Hình 3.3. Dưỡng chế tạo khuôn.
- Bƣớc 3: Cắt hai đoạn hộp kẽm dài 2000mm để làm thành khuôn. Trải cát phẳng xuống phía dƣới làm nền, cách vị trí thấp nhất của dƣỡng 2 khoảng 5mm (khoảng cách càng lớn thì chiều dày của khuôn càng lớn).
- Bƣớc 4: Trộn hỗn hợp cát mịn, xi măng, nƣớc tạo thành vữa, đổ hỗn hợp vào khung sau đó dùng dƣỡng cán phẳng. Sau khi khuôn khô sau khoảng 1 ngày, tháo hai hộp kẽm ra khỏi khuôn.
Hình 3.5. Quá trình làm khuôn bêtông.
- Bƣớc 5: Cắt hai tấm tôn mỏng cố định hai đầu khuôn bằng bêtông. Nhƣ vậy, quá trình làm khuôn đã hoàn thành.
Hình 3.6. Khuôn cánh turbine.
3.3. Chế tạo cánh turbine.
Vật liệu và dụng cụ cần chuẩn bị để chế tạo một cánh turbine dài 4000mm có chiều dày 5mm nhƣ sau:
- Chất chống dính Wax 8: 01 hộp (01 hộp có thể dùng để chống dính nhiều cánh).
- Gel trắng: 3,2 kg
- Chất đóng rắn Butanox: 0,25 kg - Nhựa polyester: 18kg
- Vải sợi thủy tinh: 2kg - Chổi quét sơn: 05 chiếc. - Con lăn bằng sắt: 01 chiếc
Theo phân tích ở mục 1, cánh turbine đƣợc chia thành 3 đoạn, do đó, quá trình chế tạo cánh đƣợc chia làm 2 nguyên công: Chế tạo các đoạn cánh, sau đó ghép các nửa và nối các đoạn lại với nhau thành một cánh hoàn chỉnh.
3.3.1 Chế tạo các đoạn cánh turbine
1. Chế tạo đoạn cánh 2000mm.
- Bƣớc 1: Chống dính cho khuôn: Có thể dùng dầu ăn, mỡ xe đạp, dầu rửa bát... Thông thƣờng trong công nghiệp dùng chất chống dính là Wax 8. Bôi chất chống dính Wax 8 lên toàn bộ bề mặt khuôn. Sau khi bôi xong, để 5 – 10 phút tùy vào điều kiện thời tiết cho khô lớp chống dính.
Hình 3.7. Phủ chất chống dính Wax 8 lên khuôn
- Bƣớc 2: Gia công lớp thứ nhất: Phủ lớp tạo bề mặt sản phẩm. Dùng 0,8 kg gel trắng LB9777 trộn đều với chất đóng rắn Butanox theo tỷ lệ 1/100 phủ đều lên toàn bộ bề mặt khuôn.
Hình 3.10. Xác định khối lượng gel trắng
Hình 3.11. Xác định khối lượng butanox
Hình 3.13. Lớp phủ bề mặt gel trắng
- Bƣớc 3: Gia công lớp thứ hai: Sau khi gia công xong lớp thứ nhất, để khoảng 10 phút cho bề mặt lớp gel se lại, pha 0.7kg nhựa polyester với chất đóng rắn Butanox theo tỷ lệ 1/100, trộn đều và phủ 1/2 hỗn hợp đã trộn lên toàn bộ bề mặt lớp gel trắng (Khối lƣợng hỗn hợp đã pha dùng cho 2 lớp).
Hình 3.14. Xác định khối lượng nhựa Hình 3.15. Hỗn hợp nhựa – Butanox
Bƣớc 4: Gia công lớp thứ 3: Khi bề mặt lớp nhựa se lại sau khoảng 2 đến 3 phút, cắt tấm vải sợi thủy tinh kích thƣớc 2200x450mm trải lên bề mặt lớp nhựa. Dùng con lăn bằng sắt lăn phẳng để lớp vải liên kết với lớp nhựa.
- Các bƣớc tiếp theo: Làm tƣơng tự nhƣ trên, phủ lớp nhựa lên toàn bộ bề mặt và trải lớp vải sợi thủy tinh cho đến khi đạt 9 lớp vải và 10 lớp nhựa thì quá trình gia công hoàn thành. Bề mặt trong cùng của cánh sau khi gia công nhƣ hình vẽ.
Hình 3.17. Bề mặt trong của cánh sau khi gia công.
- Tạo gờ cho cánh: Để quá trình lắp ghép hai nửa cánh đƣợc chính xác và chắc chắn, cần phải gia công gờ cho cánh.
Dùng hai hộp nhựa (hoặc kẽm, gỗ… riêng với gỗ cần bôi chất chống dính vào gỗ) cố định lại tạo thành rãnh, cách mép cánh khoảng 25 – 30 mm. Trộn 0,8kg hỗn hợp nhựa với chất đóng rắn butanox theo tỷ lệ nhƣ trên, đổ hỗn hợp vào hai rãnh và dàn phẳng. Sau thời gian 6-8 giờ, hỗn hợp khô thì tháo hộp nhựa ra.
Hình 3.19. Đoạn cánh turbine sau khi gia công gờ.
- Dỡ khuôn lấy sản phẩm: Sau khi quá trình trải vật liệu gia cƣờng và thấm nhựa đã hoàn thành, sản phẩm đƣợc để đông kết tại nhiệt độ môi trƣờng. Quá trình gia công có sự tỏa nhiệt, vì vậy, để tránh biến dạng nên để khô rồi tháo sản phẩm ra. Thời gian này khoảng 20 - 22 giờ.
- Vệ sinh sản phẩm: Quá trình vệ sinh sản phẩm giúp loại bỏ hết bavia và bề mặt cánh đƣợc nhẵn và đẹp hơn, quá trình lắp ghép cũng dễ dàng và chính xác hơn. Dùng giấy giáp lắp vào máy mài và mài phẳng hết bavia.
Hình 3.20. Lắp giấy giáp vào máy mài
Quá trình gia công nửa đoạn cánh có chiều dài 2000 mm thứ hai và bốn đoạn có chiều dài 1000mm cũng làm tƣơng tự.
Hình 3.22. Đoạn cánh 2000mm Hình 3.23. Gia công đoạn cánh turbine 1000mm
3.3.2. Nối các đoạn cánh và ghép các nửa cánh.
Sau khi gia công các đoạn cánh, công việc còn lại là ghép và nối chúng lại với nhau.
1. Nối các đoạn cánh
Cánh đƣợc chia làm 3 đoạn 1000x2000x1000 mm, do đó, ta lần lƣợt nối hai đoạn một lại với nhau.
- Bƣớc 1: Đặt hai đoạn cánh vào khuôn để bề mặt ngoài hai đoạn cánh đƣợc phẳng, dùng mũi khoan Ø6 khoan 3 lỗ trên hai mặt đầu của hai đoạn.
- Bƣớc 2: Trộn 0,1 kg nhựa với chất đóng rắn theo tỷ lệ nhƣ trên, nhấc hai đoạn cánh vừa khoan ra khỏi khuôn và bôi hỗn hợp nhựa vừa pha lên toàn bộ mặt đầu hai đoạn cánh.
- Bƣớc 3: Ngay sau khi phủ hỗn hợp nhựa xong, đặt hai đoạn cánh trở lại khuôn, ép chặt hai mặt đầu của hai đoạn và tiến hành lắp bulông. Quá trình này cần đƣợc làm trƣớc khi nhựa đông đặc để đảm bảo có thể lắp đƣợc bulông vào lỗ đã khoan đồng thời nhựa đƣợc điền đầy vào khe hở của bulông. Nhựa sẽ khô trong khoảng 10 – 15 phút. Tuy nhiên, để mối ghép đƣợc chắc chắn, cần giữ nguyên hai đoạn cánh trong khuôn ít nhất 01/2 ngày thì mới tiến hành nhấc ra khỏi khuôn và nối đoạn tiếp theo.
Hình 3.24. Khoan lỗ và phủ nhựa lên hai mặt đầu của hai đoạn cánh
Hình 3.25. Lắp bulông nối hai đoạn cánh.
Hình 3.26. Bề mặt ngoài cánh turbine sau khi nối các đoạn cánh
2. Ghép các nửa cánh.
Trộn 0,4 kg nhựa với chất đóng rắn, phủ đều trên toàn bộ mặt gờ của cánh sau đó ghép các đoạn cánh tƣơng ứng lại với nhau. Để mối ghép đƣợc khít và không có khe hở, cần chèn cố định nửa trên của cánh bằng ghạch hoặc các vật nặng khác. Sau khi ghép để ít nhất 1 ngày để mối ghép đƣợc ổn định.
Hình 3.27. Quá trình ghép các nửa cánh lại với nhau
Hình 3.28. Cánh turbine gió sau khi ghép và cánh 4000mm đã hoàn thành.
Kết luận chƣơng 3
Trong chƣơng 3 học viên đã trình bày chi tiết về quy trình công nghệ chế tạo cánh turbine gió trục đứng biên dạng NACA 0015. Quy trình này đã đƣợc thử nghiệm và tạo ra sản phẩm. Do đó, có thể áp dụng quy trình công nghệ đã nêu ở trên vào chế tạo cánh turbine gió trục đứng trong sản xuất đơn chiếc.
CHƢƠNG IV: THỬ NGHIỆM ĐẶC TÍNH CÔNG NGHỆ CỦA CÁNH TURBINE GIÓ ĐÃ HOÀN THÀNH
4.1. Kiểm tra độ chính xác về kích thƣớc và hình dáng hình học của cánh chế tạo. chế tạo.
* Kiểm tra độ chính xác về kích thƣớc:
- Dụng cụ: Thƣớc cuộn
Hình 4.1. Kiểm tra kích thước cánh turbine gió đã chế tạo
- Kết quả: Cánh turbine gió đảm bảo độ chính xác và kích thƣớc.
* Kiểm tra độ chính xác về hình dáng hình học:
Cắt một đoạn cánh turbine đã chế tạo để đo độ chính xác hình dáng hình học trên máy đo tọa độ ba chiều CMM
Hình 4.3. Kết quả đo biên dạng cánh trên màn hình máy tính
- Kết quả:
Hình 4.4. Cánh turbine đã chế tạo và cánh NACA 0015
4.2. Kiểm tra độ cứng tế vi
Cắt một miếng nhỏ trên cánh đã gia công để đo độ cứng tế vi của sản phẩm.