Tổng quan nghiên cứu

Ngành dệt may là một trong những ngành công nghiệp trọng điểm của Việt Nam, đứng thứ hai sau ngành dầu khí về quy mô và đóng góp kinh tế. Trong bối cảnh hội nhập kinh tế quốc tế và chuẩn bị gia nhập AFTA năm 2006, việc nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sợi xe trong quá trình xe sợi trở thành yêu cầu cấp thiết nhằm tăng sức cạnh tranh trên thị trường nội địa và xuất khẩu. Theo ước tính, chi phí đầu tư cho các thiết bị xe sợi hiện đại rất lớn, trong khi thời gian hoàn vốn lại kéo dài, gây áp lực lớn cho các doanh nghiệp dệt may trong nước.

Luận văn tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy xe sợi hai vòng xoắn (two-for-one twisting machine) tại TP. Hồ Chí Minh nhằm áp dụng công nghệ mới, nâng cao năng suất, đảm bảo chất lượng sợi xe, giảm giá thành và tiết kiệm năng lượng. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong quá trình xe sợi tổng hợp, với các số liệu thực nghiệm và phân tích kỹ thuật được thu thập tại các nhà máy dệt may và xưởng cơ khí trong thành phố. Mục tiêu cụ thể là chuyển đổi các máy xe sợi hiện có sang máy xe sợi hai vòng xoắn với năng suất cao hơn, đồng thời phát triển ngành cơ khí chế tạo máy trong nước.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy hiện đại hóa thiết bị ngành dệt may, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và tăng khả năng cạnh tranh của ngành trên thị trường quốc tế. Các chỉ số năng suất máy xe sợi được cải thiện gấp đôi so với máy xe sợi truyền thống, đồng thời chất lượng sợi xe được kiểm soát chặt chẽ qua các thông số kỹ thuật như độ xoắn, độ bền kéo và cấu trúc sợi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ bản trong công nghệ xe sợi, bao gồm:

  • Nguyên lý xe sợi truyền thống và xe sợi hai vòng xoắn (two-for-one twisting): Quá trình xe sợi truyền thống tạo ra một vòng xoắn trên mỗi vòng quay của trục chính, trong khi xe sợi hai vòng xoắn tạo ra hai vòng xoắn cùng hướng trong một vòng quay, giúp tăng năng suất gấp đôi.

  • Cấu trúc sợi xe và ảnh hưởng của độ xoắn: Độ xoắn trung bình trên một mét chiều dài sợi ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền kéo, độ bền mòn và tính thẩm mỹ của sợi. Độ xoắn được tính theo công thức $K = \frac{n_t}{v}$, trong đó $n_t$ là tốc độ quay của trục chính (vòng/phút), $v$ là vận tốc dọc sợi (m/phút).

  • Lực tác dụng lên sợi trong quá trình xe: Bao gồm lực ly tâm, lực ma sát giữa khuyên và ống sợi, lực căng sợi trong baloăng, ảnh hưởng đến độ bền và cấu trúc sợi. Mô hình lực được phân tích qua các phương trình cân bằng lực và mô hình hình học của baloăng sợi.

  • Ảnh hưởng của vật liệu và cấu trúc cơ khí máy: Vật liệu chế tạo các bộ phận như khuyên, ống sợi, puli, nam châm vĩnh cửu ảnh hưởng đến ma sát, độ bền và tuổi thọ máy.

Các khái niệm chính bao gồm: độ xoắn sợi ($K$), cấu trúc sợi (filament arrangement), lực căng sợi trong baloăng, hiệu suất xe sợi, và các thông số kỹ thuật của máy xe sợi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các nhà máy dệt may tại TP. Hồ Chí Minh, kết hợp với các phép đo thực nghiệm trên máy xe sợi hai vòng xoắn do tác giả thiết kế và chế tạo. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hơn 200 mẫu sợi tổng hợp với các thông số khác nhau về độ xoắn, độ bền kéo và cấu trúc sợi.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích kỹ thuật cấu trúc máy và tính toán cơ học các bộ phận như cọc xe, khuyên, puli, dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật và mô hình lực.

  • Thực nghiệm đo độ xoắn, độ bền kéo, độ co ngót và cấu trúc sợi bằng máy đo chuyên dụng (Asano machine, Stroboscope PS-240).

  • So sánh hiệu suất và chất lượng sợi giữa máy xe sợi truyền thống và máy xe sợi hai vòng xoắn.

  • Sử dụng mô hình toán học để tính toán lực tác dụng lên sợi trong quá trình xe, bao gồm lực ly tâm, lực ma sát và lực căng sợi trong baloăng.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, bao gồm giai đoạn khảo sát hiện trạng, thiết kế và chế tạo máy, thực nghiệm và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Năng suất máy xe sợi hai vòng xoắn tăng gấp đôi: So với máy xe sợi truyền thống, máy xe sợi hai vòng xoắn đạt tốc độ quay cọc xe lên đến 15.000 vòng/phút, tạo ra 2 vòng xoắn trên mỗi vòng quay, nâng năng suất lên khoảng 100% (từ 7,5 m/phút lên 15 m/phút).

  2. Độ xoắn sợi ổn định và phù hợp: Độ xoắn thực tế đo được trên sợi polyester 75D/36F và 150D/48F dao động trong khoảng 345-2805 vòng/mét, sai lệch giữa hướng xoắn S và Z rất nhỏ, dưới 1%, đảm bảo tính cân bằng và chất lượng sợi.

  3. Ảnh hưởng của độ xoắn đến độ bền kéo và cấu trúc sợi: Độ xoắn tối ưu giúp tăng độ bền kéo sợi lên đến 15,9% so với sợi chưa xe, đồng thời giảm hiện tượng xoắn kiến và sợi bọc ngoài bị lỏng, nâng cao tính thẩm mỹ và độ bền của sản phẩm.

  4. Cấu trúc máy và vật liệu chế tạo ảnh hưởng lớn đến hiệu suất: Việc sử dụng vật liệu chịu mài mòn cao như $\alpha$-Al$_2$O$_3$, ZrO$_2$ cho các bộ phận dẫn hướng sợi giúp giảm ma sát, tăng tuổi thọ máy và giảm tổn thất sợi trong quá trình xe.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng nguyên lý xe sợi hai vòng xoắn không chỉ nâng cao năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sợi xe, phù hợp với yêu cầu phát triển ngành dệt may hiện đại. So với các nghiên cứu trong khu vực ASEAN như Malaysia, Indonesia, và Trung Quốc, máy xe sợi do tác giả thiết kế có hiệu suất tương đương nhưng chi phí đầu tư thấp hơn, phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

Phân tích lực tác dụng lên sợi trong quá trình xe cho thấy sự cân bằng giữa lực ly tâm, lực ma sát và lực căng sợi là yếu tố quyết định đến độ bền và cấu trúc sợi. Việc thiết kế cọc xe, khuyên và puli hợp lý giúp giảm rung động, tăng độ ổn định của máy khi vận hành ở tốc độ cao.

Các biểu đồ phân tích độ xoắn theo chiều dài sợi và lực căng sợi trên baloăng minh họa rõ sự ổn định của quá trình xe sợi hai vòng xoắn so với máy truyền thống. Bảng so sánh hiệu suất và chất lượng sợi giữa hai loại máy thể hiện sự vượt trội về năng suất và độ đồng đều sợi.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất máy xe sợi hai vòng xoắn quy mô công nghiệp: Đẩy mạnh sản xuất và ứng dụng máy xe sợi hai vòng xoắn tại các nhà máy dệt may trong TP. Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận trong vòng 2 năm tới nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

  2. **Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo