3.1.1. Lựa chọn vật liệu chế tạo
Thực tế, một số loại thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời và chạy bằng buồm đã đƣợc chế tạo thành công thƣờng chế tạo thân thuyền và cánh thuyền bằng gỗ Balsa, loại gỗ có xuất xứ ở Nam Mỹ có đặc điểm rất nhẹ và dai, thƣờng đƣợc ngƣời cổ đại dùng làm các bè vƣợt biển đến châu Mỹ nhƣ mẫu bè Kontiki là một ví dụ điển hình. Một số mẫu thuyền cánh ngầm hiện nay lại sử dụng vật liệu composite sợi cácbon, một trong những loại vật liệu tiên tiến hiện nay để chế tạo phần thân thuyền và cánh ngầm, còn vật liệu dùng chế tạo hệ truyền động, vỏ hộp giảm tốc v...v… là hợp kim nhôm. Đây đều là các loại vật liệu có trọng lƣợng nhẹ, độ bền cao nên rất thích hợp cho việc chế tạo thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời nhƣng lại khá đắt tiền và khó chế tạo. Do điều kiện thực tế còn hạn chế nên chúng tôi đã bắt buộc phải lựa chọn các vật liệu có thể dễ mua đƣợc tại thị trƣờng Việt Nam hiện nay để thay thế các loại vật liệu trên. Trên cơ sở đó chúng tôi lựa chọn các vật liệu chế tạo nhƣ sau :
- Vỏ thuyền làm bằng vật liệu Composite sợi thuỷ tinh, bên trong có bơm foam để tăng độ cứng vững.
3.1.2. Lựa chọn công nghệ chế tạo vỏ thuyền
Đối với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời vỏ làm bằng vật liệu Composite, yếu tố khối lƣợng vỏ thuyền có vai trò rất quan trọng nên hầu hết đều đƣợc chế tạo theo công nghệ hút chân không nhằm đảm bảo khối lƣợng vỏ thuyền nhỏ nhất có thể. Tuy nhiên do điều kiện thực tế không thể sử dụng công nghệ này nên chúng tôi chọn công nghệ chế tạo vỏ thuyền Composite theo phƣơng pháp thủ công bằng cách dùng con lăn trát trực tiếp từng lớp vật liệu trên mặt khuôn. Thông thƣờng việc chế tạo một chiếc tàu bằng composite theo quy trình nhƣ trình bày trên hình 3.1
Hình 3.1 : Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo tàu bằng vật liệu Composite
Đánh bóng khuôn Phun gelcoat
Dát vỏ tàu
Gia công chi tiết Chế tạo các kết cấu
Sƣờn, đà,
nẹp … Vách ngăn, hầm Gắn các chi tiết vào vỏ tàu Chế tạo boong
Chế tạo nắp hầm Chế tạo cabin Lắp đặt máy Gắn kết kết cấu thƣợng tầng Hồ sơ thiết kế tàu
Chế tạo khuôn
Tách khuôn
Lắp đặt các trang thiết bị
Với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời có kết cấu thân thuyền dạng phao kín, quy trình công nghệ chế tạo thân thuyền đơn giản hơn, gồm các bƣớc cơ bản nhƣ sơ đồ ở hình 3.2:
Hình 3.2: Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo thân thuyền cánh ngầm dùng sức người bằng vật liệu Composite
Hồ sơ thiết kế
Chế tạo khuôn
Đánh bóng khuôn
Phun gelcoat
Dát Composite hai nữa vỏ thuyền
Tách khuôn
Gắn kết hai nữa vỏ thuyền
Bơm foam tăng cứng, chống chìm
Phun gelcoat vùng liên kết hai nữa vỏ thuyền
3.2. CHẾ TẠO VỎ THUYỀN 3.2.1. Chế tạo khuôn 3.2.1. Chế tạo khuôn
Để chế tạo phần vỏ thuyền bằng vật liệu composite trƣớc tiên phải tạo khuôn cái. Do thuộc loại boong kín, không thể chế tạo liền khối nên phân thân thuyền ra hai nửa, khuôn trên và khuôn dƣới, sau đó nối hai nửa lại với nhau để tạo thân thuyền liền khối. Khuôn đƣợc chế tạo bằng vật liệu gỗ theo trình tự:
1. Tạo đường sườn
- Chia thân thuyền thành hai nửa tại mặt đƣờng nƣớc cách điểm thấp nhất của đáy thuyền 140 mm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Dùng 12 tấm ván quy cách 20cm x 7cm x 2cm để tạo các đƣờng sƣờn (0 10) và đuôi thuyền của nửa dƣới bằng cách cắt các đƣờng cong đƣợc in với tỷ lệ phóng dạng 1:1 từ bản vẽ đƣờng hình vỏ thuyền (bản vẽ số 01).
- Bằng cách tƣơng tự, dùng 12 tấm ván quy cách 1,5cm x 70cm x 2cm để tạo các đƣờng sƣờn (0 10), mũi thuyền và đuôi thuyền của nửa trên (hình 3.3) - Dùng 4 thanh gỗ quy cách 3cm x 0,3cm x 400cm liên kết tấm ván đƣờng sƣờn
nửa dƣới và 4 thanh tƣơng tự để liên kết tấm ván các đƣờng sƣờn ở nửa trên
2. Tạo mặt cong thô vỏ khuôn
Dùng tấm ván ép dày 3 mm cắt thành các dải ván dài rộng 50 mm và 30 mm,. Sau đó dùng đinh chỉ, keo dán gỗ để gắn kết các tấm ván ép nói trên lại với nhau và gắn kết với các ván sƣờn để tạo ra bề mặt cong vỏ khuôn (hình 3.4)
Hình 3.4: Tạo khuôn mặt cong nửa dưới của vỏ thuyền 3. Làm trơn láng bề mặt cong của khuôn
Việc dùng các dải ván ép sẽ làm mặt khuôn không phẳng và bị góc cạnh cục bộ nên cần có công đoạn làm bóng bề mặt khuôn để đảm bảo bề mặt thuyền trơn nhẵn. Sử dụng hỗn hợp gồm bột đá, keo, chất đông cứng và xăng điền đầy các chỗ lồi lõm xuất hiện trên bề mặt khuôn hoặc tại giao tuyến của hai mặt phẳng dải ván ép liền kề. Sau đó sử dụng giấy nhám để chà mịn và làm mòn những chỗ lồi trên bề mặt khuôn.
4. Công đoạn làm cứng bề mặt và sơn bóng mặt khuôn sau khi xử lý thô
Sử dụng vòi phun bằng khí nén phun lên mặt khuôn lớp sơn PU nhằm làm cứng và sơn bóng bề mặt khuôn sau khi xử lý thô (hình 3.5, 3.6)
Hình 3.5 : Làm mịn mặt cong thân thuyền
3.2.2. Chế tạo vỏ thuyền
Quá trình chế tạo vỏ thuyền đƣợc thực hiện theo trình tự sau: - Quét vật liệu chống dính khuôn (sáp) (hình 3.6)
Hình 3.6: Quét lớp chống dính
- Trát lớp gelcoat có chiều dày 0,2 mm
- Trát lớp sợi thuỷ tinh CSM 501-225 (Chopep Strand Mat) là tấm sợi thuỷ tinh E vô hƣớng có trọng lƣợng 225 g/m2
cho đến khi đạt đủ chiều dày 0,29 mm
Hình 3.9: Trát lớp CSM 501-225
- Trát lớp vải sợi WR 300 (Woven Roving) là loại tấm vải sợi thuỷ tinh E có trọng lƣợng 300 g/m2
cho đến khi đạt đủ chiều dày 0,34 mm - Trát tiếp lớp CSM 501-225 (Chopep Strand Mat)
- Tách khuôn (hình 3.10) và lắp ráp hai nửa khuôn lại với nhau (hình 3.11)
- Cuối cùng là công đoạn bơm Foam vào vỏ thuyền (hình 3.12)
Hình 3.12: Bơm Foam vào vỏ thuyền
- Hoàn thiện thân thuyền (hình 3.13)
3.3. CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÁNH NGẦM
Hệ thống cánh của thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời bao gồm cánh trƣớc, cánh ngang sau, cánh nghiêng sau, cánh lái, cánh dọc sau và thanh đỡ của cánh sau. Cánh làm bằng gỗ thông (Pine) đã sấy khô, độ ẩm 14%, khối lƣợng riêng 550 kg/m3
.
3.3.1. Chế tạo cánh
Hệ thống cánh có vai trò rất quan trọng nên để đảm bảo độ chính xác cần thiết, trƣớc tiên chúng tôi thử chế tạo cánh có mặt cong theo biên dạng NACA 4412 và 0021 trên các loại máy CNC có trục dao vuông góc với phƣơng chuyển động của bàn gá, nghĩa là chạy dao theo các phƣơng trong hệ trục Đề-các vuông góc XYZ thông dụng. Tuy nhiên sau nhiều lần chế tạo thử nghiệm thất bại, chúng tôi nhận thấy không thể chế tạo các cánh theo biên dạng cánh NACA trên máy CNC thông thƣờng (hình 3.14), mà chỉ có thể chế tạo trên các máy CNC có trục dao chạy vuông góc bề mặt gia công. Khảo sát thực tế đƣợc biết, ở nƣớc ta hiện nay mới chỉ có duy nhất 1 máy loại này tại Thành phố Hồ Chí Minh nhƣng do không thể liên lạc đƣợc với cơ sở có máy này nên chúng tôi quyết định chế tạo cánh bằng phƣơng pháp thủ công.
Tuy nhiên, việc gia công thủ công các cánh thƣờng có độ chính xác không cao nên để giải quyết vấn đề này, chúng tôi chế tạo dƣỡng biên dạng cong từng loại cánh bằng tấm Mica có chiều dày 5 mm trên máy CNC để kiểm tra biên dạng mặt cong của các cánh ngầm sau khi gia công bằng phƣơng pháp thủ công (hình 3.15).
Hình 3.15: Dưỡng cánh lái Hình 3.16: Dưỡng cánh trước Dùng các dụng cụ mộc thông thƣờng nhƣ máy bào, máy mài, máy chà nhám để gia công chế tạo các cánh của thuyền có mặt cong đƣợc thiết kế bằng dƣỡng mica. Sau đó là công đoạn tạo hình và hoàn thiện cánh (hình 3.17) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.17: Cánh đã được gia công bề mặt cong bằng thủ công
1. Chế tạo cánh lái (bản vẽ số 04)
Cánh lái có biên dạng cánh NACA 0021, chiều rộng b = 80 mm, vừa làm nhiệm vụ đỡ và điều khiển góc tấn của cánh trƣớc, đã trình bày ở phần trên, vừa làm nhiệm vụ lái thuyền nên cánh có khoét một rãnh để chứa trục lái và một rãnh để chứa trục điều khiển góc tấn. Cánh lái đƣợc bọc thêm 01 lớp Composite để tăng độ cứng vững và để liên kết cánh với trục lái, ống dẫn hƣớng đũa đẩy (hình 3.18).
2. Cánh trước (bản vẽ số 02)
Cánh trƣớc có biên dạng NACA 4412, chiều rộng b = 80 mm đƣợc làm bằng gỗ thông. Cánh trƣớc đƣợc đỡ bằng cánh lái, có thể xoay quanh trục để thay đổi góc tấn so với phƣơng nằm ngang bỡi đũa đẩy (hình 3.19).
Hình 3.18: Cánh lái 1- Trục lái ; 2-Ống chứa đũa đẩy
Hình 3.19: Cánh lái và cánh trước đã hoàn thành
1 2
3. Cánh ngang sau, cánh nghiêng và thanh đỡ cánh (bản vẽ số 03, 05)
Cánh ngang sau và cánh nghiêng có biên dạng NACA 4412, chiều rộng b = 150 mm, đƣợc làm bằng gỗ thông, còn thanh đỡ cánh đƣợc làm bằng Composite sợi thủy tinh. Chế tạo từng cánh riêng lẻ, sau đó dùng thƣớc và đồ gá định vị hai cánh nghiêng và cánh ngang sau theo thiết kế bằng đinh vít và liên kết chúng bằng mối nối Composite. Cụm cánh nghiêng và cánh ngang sau liên kết với thanh đỡ bằng mối nối Composite nhƣ hình ảnh trên hình 3.20.
Hình 3.20: Cụm cánh sau (Cánh ngang sau, cánh nghiêng, thanh đỡ cánh)
Toàn bộ hệ thống cánh đều đƣợc sơn chống thấm và sơn một lớp màu vàng đậm bên ngoài để tăng tính thẩm mỹ.
4. Thanh đỡ chân vịt (bản vẽ số 06 )
Để tăng tính ổn định ngang và giảm bớt lực cản khi thuyền hoạt động, thanh đỡ của chân vịt cũng đƣợc bằng gỗ thông, biên dạng NACA 0021 (đối xứng), chiều rộng b = 120 mm. Trên thanh đỡ chân vịt có khoan một lỗ chạy suốt với đƣờng kính 14 mm và dài 1.200 mm để gắn trục truyền động từ bộ truyền bánh răng nón 900 đến bộ truyền bánh răng nón 1200
. Do việc khoan lỗ chạy dài nhƣ thế không thực hiện đƣợc bằng mũi khoan thông thƣờng nên thanh đỡ chân vịt đƣợc chế tạo thành hai nửa, trong đó mỗi nữa có phay một rãnh bán nguyệt đƣờng kính 14mm, sau đó ghép hai nửa thanh lại với nhau bằng keo và đinh vít. Thanh đỡ chân vịt cũng đƣợc sơn chống thấm và sơn màu vàng đậm nhƣ các cánh ngầm, đƣợc định vị bỡi một khe nghiêng góc 600
trên sống chính, cố định bỡi hệ thống cánh sau bằng bulông, liên kết với cụm chân vịt cũng bằng bulông (hình 3.21).
3.3.2. Chế tạo sống chính
Sống chính cũng đƣợc làm bằng gỗ thông (Pine) đã sấy khô, độ ẩm khoảng 14%, khối lƣợng riêng 550 kg/m3, chế tạo theo bản vẽ số 04 của phần phụ lục (hình 3.22) .
Hình 3.22: Sống chính
Phần đầu sống chính có khoan lỗ gắn trục lái và rãnh dẫn dây cáp lái (hình 3.23), phần giữa có khoan khe hở để lắp thanh dọc (hình 3.24)
Hình 3.23: Phần đầu sống chính có lỗ gắn trục lái
Hình 3.24: Phần giữa sống chính có khe lắp thanh đỡ chân vịt
3.3.3 Chế tạo chân vịt
Chân vịt thuyền cánh ngầm làm bằng inox, chế tạo theo mẫu B.2.30, có hai cánh, đƣờng kính cánh D = 0,40 m, tỷ số bƣớc xoắn H/D = 1,3 và tỷ số mặt đĩa a = 0,21. Do thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời chƣa xuất hiện trên thị trƣờng Việt Nam, nên loại chân vịt có tốc độ quay thấp, bƣớc xoắn lớn phù hợp với thuyền không có bán vì vậy nhóm thực hiện đề tài phải tự chế tạo chân vịt theo bản vẽ thiết kế (hình 3.25). Phần củ đƣợc gia công trên máy tiện, 02 cánh chân vịt làm bằng tấm Inox dày 2 mm đƣợc gia công thủ công theo kích thƣớc thiết kế và đƣợc hàn cứng vào củ chân vịt.
D=400mm ; H/D=1,6 ; Z=2 ; ae=0.201
1,4
3.3.4. Chế tạo hệ thống truyền động (bản vẽ số 10 )
Bộ truyền xích của thuyền là bộ truyền xích của xe đạp đua, bộ giò bằng nhôm, dĩa xích dẫn động bằng thép, dĩa lớn có 52 răng, dĩa nhỏ có 46 răng, dĩa xích bị dẫn bằng thép có 14 răng, tỷ số truyền lớn nhất của bộ truyền xích ix = 3,714 (hình 3.26).
Hình 3.26: Bộ truyền xích Bộ bánh răng nón 900
của thuyền chính là bộ bánh răng trong bộ vi sai xe ô tô, với bánh răng dẫn động có đƣờng kính d = 70 mm ; môđun m = 4,375 ; số răng z = 16, còn bánh răng bị dẫn có đƣờng kính d = 50 mm ; môđun m = 5 và số răng là z = 10. Các bánh răng đƣợc làm bằng thép với tỷ số truyền i90 = 1,6 (hình 3.27) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bộ bánh răng 1200 của thuyền đƣợc sử dụng là bộ bánh răng có trong máy cắt cỏ, với bánh răng dẫn động có đƣờng kính 18 mm ; môđun m = 1,135 ; số răng z = 13, còn bánh răng bị dẫn có đƣờng kính d = 30 mm ; môđun m = 3,000 ; số răng z = 10. Bộ bánh răng làm bằng thép, vỏ nhôm có tỷ số truyền i120 = 0,757 (hình 3.28)
Hình 3.29 là hình ảnh thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời sau khi hoàn thành
Hình 3.29: Thuyền đã hoàn thành
1- Cánh lái ; 2-Cánh trước ; 3- feeler ; 4-Phao ; 5-Trục lái ; 6-Đũa đẩy cánh trước; 7 – Sống chính ; 8-Vỏ thuyền ; 9-Bộ truyền xích ; 10-Pedal ; 11-Ghế ngồi ; 12-Tay lái
13-Thanh đỡ cánh ; 14-Cánh nghiêng ; 15-Cánh sau ; 16-Cánh dọc ; 17-Chân vịt
Trong thực tế chế tạo thuyền, do gặp nhiều khó khăn về các máy móc, thiết bị, đồng thời do phải sử dụng vật liệu Composite sợi thuỷ tinh, thép, Inox và gỗ thông để thay cho vật liệu Composite sợi cácbon, nhôm và gỗ Balsa nên trọng lƣợng của thuyền sau khi chế tạo xong là 40 kg, tăng thêm 10 kg so với khi tính toán, thiết kế (bảng 3.1).
Bảng 3.1 : Bảng tổng hợp khối lượng thuyền
TT Tên bộ phận, chi tiết Khối lƣợng
1 Sống chính, ghế, cơ cấu lái, bộ truyền xích 13,00 Kg 2 Hệ thống cánh trƣớc, feeler 1,40 Kg 3 Hệ thống cánh sau, thanh đỡ cánh 7.80 Kg
4 Vỏ thuyền 14.80 Kg
5 Thanh dọc sau, trục truyền động, chân vịt 3,00 Kg
Tổng cộng 40,00 Kg 1 3 4 16 17 14 10 13 15 2 9 11 12 8 6 7 5
Chƣơng 4
CHẠY THỬ NGHIỆM THUYỀN CÁNH NGẦM CHẠY BẰNG SỨC NGƢỜI
- Địa điểm thử nghiệm: Đầm Đống Đa, thành phố Quy Nhơn, Bình Định - Thời gian thử nghiệm: Từ ngày 11/11/2010 đến 30/11/2010
- Điều kiện thử nghiệm: Thử trong thời tiết đẹp, nƣớc tĩnh, gió nhẹ, không sóng và trong thời tiết xấu, trời mƣa, gió cấp 4.
4.1. THỬ NGHIỆM TÍNH NỔI CỦA THUYỀN
- Thuyền nổi đúng vị trí đƣờng nƣớc thiết kế là 0,13 m nhƣ trong tính toán, thiết kế với tổng trọng lƣợng của thuyền và ngƣời là 100 kg.
- Thuyền nổi ổn định, không chìm, không bị ngấm nƣớc và làm việc rất tốt ngay cả trong điều kiện thời tiết khá xấu, trời mƣa, gió cấp 4 và có sóng. Ngƣời điều khiển có thể đứng thẳng trên boong mà thuyền không bị lật. - Hệ thống điều khiển và hệ thống truyền động của thuyền hoạt động khá tốt.
Thuyền có tính cơ động và tính quay trở cao với bán kính quay vòng 3 m. - Thân thuyền và hệ thống cánh chịu lực tốt, cứng vững.
4.2. THỬ NGHIỆM TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA THUYỀN
Thuyền sau khi đƣợc chế tạo xong đƣợc đƣa ra chạy thử nghiệm thì nhận thấy tính ổn định của thuyền rất tốt kể cả ổn định ngang và ổn định dọc. Cụ thể: