Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu một số thông số động học, động lực học của cưa đĩa trong quá trình cắt ngang tre

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HOÀNG HÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƯA ĐĨA TRONG Q TRÌNH CẮT NGANG TRE TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, năm 2021 Luận án hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dương Văn Tài TS Nguyễn Văn Bỉ Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp trường họp Trường Đại học Lâm nghiệp Vào hội: phút, ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Quốc gia thư viện trường Đại học Lâm nghiệp Hà Nội, năm 2021 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Theo báo cáo Cục chế biến nông lâm sản thị trường thuộc Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn, Việt Nam có khoảng 1000 doanh nghiệp chế biến tre hàng trăm ngàn hộ gia đình sản xuất đồ thủ công mỹ nghệ từ tre, kim ngạch xuất sản phẩm từ tre năm 2020 đạt khoảng 500 triệu USD, từ tạo nguồn thu nhập đáng kể cho doanh nghiệp hộ gia đình Hiện nay, q trình gia cơng chế biến sản phẩm tre giới hóa, từ suất chất lượng sản phẩm tang lên, đáp ứng yêu cầu xuất Tuy nhiên, thiết bị sử dụng công nghệ chế biến tre số tồn cần phải khắc phục để tạo chất lượng sản phẩm cao hơn, từ nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm Kết điều tra khảo sát nhà máy chế biến tre cho thấy thiết bị cắt ngang tre chủ yếu dùng cưa đĩa cắt ngang, trình cắt cịn nhiều tồn độ mấp mơ bề mặt cắt lớn, cắt phần cuối thường bị xước không nhẵn, để tạo mặt cắt nhẵn bóng phải qua thiết bị mài nhẵn, từ tăng chi phí sản xuất giảm suất hiệu kinh tế Cưa đĩa sử dụng gia công chế biến tre cưa đĩa sử dụng gia cơng chế biến gỗ, cấu tạo tre có đặc điểm khác so với cấu tạo gỗ nên sử dụng thiết bị cắt gọt gỗ để cắt gọt tre cần có nghiên cứu cho phù hợp Hiện nay, cơng trình nghiên cứu thiết bị gia cơng chế biến tre cịn nhiều hạn chế, chưa có nghiên cứu sâu động lực học cưa đĩa cắt ngang tre Để có sở lý thuyết cho việc hoàn thiện cưa đĩa cắt ngang tre cần phải nghiên cứu động lực học để từ xác định thơng số tối ưu cưa đĩa cắt ngang tre Với lý trình bày trên, luận án nhận thấy nghiên cứu q trình gia cơng cắt gọt tre cưa đĩa cần thiết, lý tơi chọn thực đề tài: "Nghiên cứu số thông số động học, động lực học cưa đĩa trình cắt ngang tre " Mục tiêu nghiên cứu luận án Xây dựng mô hình, thiế t lâ ̣p hệ phương trình đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t ngang tre, khảo sát phương trình động lực học để từ tính toán xác đinh ̣ mô ̣t số thông số động học, động lực học hơ ̣p lý của cưa điã cắ t ngang tre nhằ m nâng cao suấ t và chấ t lươ ̣ng bề mă ̣t cắ t Những đóng góp luận án Đã xây dưṇ g đươc̣ mô hình đô ̣ng lực ho ̣c, thiế t lâ ̣p đươc̣ ̣ phương trình vi phân chuyể n đô ̣ng củ a ã cưa quá trình cắ t ngang tre, tính tốn độ cứng đĩa cưa, kế t quả khảo sát ̣ phương trình vi phân chuyể n đô ̣ng của lưỡi cưa cho thấ y ta ̣i vâ ̣n tố c quay đĩa cưa khoảng v=3500-4500 vòng/phút thì mô men đô ̣ng lươ ̣ng của ã cưa là lớn nhấ t 2 Đã xây dựng đươ ̣c mơ hình tính tốn rung động điã cưa, thiết lập phương trình vi phân dao động hệ với nghiệm nó, đã tiế n hành khảo sát biên độ dao động ngang của điã cưa miề n thời gian bằ ng phầ n mề n Matlabsimulink, từ kết khảo sát đề xuấ t giải pháp giảm rung đô ̣ng của điã cưa Đã xây dựng đươ ̣c mô hình nghiên cứu thực nghiê ̣m đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t ngang tre, đã xác đinh ̣ đươ ̣c mô ̣t số thông số đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã phu ̣c vu ̣ cho bài toán khảo sát và kiể m chứng mô hình tính toán lý thuyế t đã lâ ̣p, mô hình thí nghiê ̣m có thể sử du ̣ng để nghiên cứu cắ t go ̣t tre nứa Đã xây dựng công thức thực nghiệm xác định lực cản cắt riêng đô ̣ mấ p mô bề mă ̣t ma ̣ch cắ t, xác định thông số hợp lý cưa điã cắ t ngang tre đó là: góc cắ t δ = 48.50; góc mài cạnh cắt β = 29.50; vận tốc quay đĩa cưa v = 4150.8 vòng /phút, tốc độ đẩy U=0,12m/s và công suấ t đô ̣ng N=1,854 kw với thông số hợp lý cho lực cản cắt riêng là nhỏ nhấ t, chấ t lượng bề mă ̣t cắ t là cao nhấ t Ý nghiã khoa ho ̣c của những kế t quả nghiên cứu của đề tài luâ ̣n án Kế t quả nghiên cứu của đề tài luâ ̣n án đã xây dựng đươ ̣c mô hình, thiế t lâ ̣p đươ ̣c phương trình tính toán lực tác du ̣ng lên các phầ n tử của cắ t, ̣ phương trình vi phân chuyể n đô ̣ng của điã cưa, ̣phương trình rung đô ̣ng của điã cưa, từ các phương trình lâ ̣p đươ ̣c, tiế n hành khảo sát ảnh hưởng của mô ̣t số thông số của cắ t, vâ ̣n tố c quay đĩa cưa đế n các hàm mu ̣c tiêu đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t ngang tre Kế t quả khảo sát lý thuyế t và kế t quả nghiên cứu thực nghiê ̣m đã xác đinh ̣ đươ ̣c mô ̣t số thông số hơ ̣p lý của cưa điã cắ t ngang tre Kế t quả nghiên cứu này là sở khoa ho ̣c cho viê ̣c tính toán thiế t kế chế ta ̣o cưa điã cắ t ngang mô ̣t số loài tre ở Viê ̣t Nam Ý nghiã thực tiễn của đề tài luâ ̣n án Kết nghiên cứu luận án có thể sử dụng cho việc thiết kế chế tạo cưa điã cắ t ngang tre, ngoài còn sử du ̣ng để làm tài liê ̣u tham khảo cho các sở sử du ̣ng cưa điã cắ t ngang tre và các sở gia công chế biế n tre ở Viê ̣t Nam Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan cơng trình nghiên cứu cưa đĩa cắt ngang tre 1.1.1 Tổng quan cơng trình nghiên cứu cưa điã thế giới Trên thế giới có nhiề u công trình nghiên cứu về cưa điã , chỉ tâ ̣p trung nghiên cứu về rung đô ̣ng của điã cưa, tố c đô ̣ cắ t của điã cưa, có mô ̣t số công trình nghiên cứu về đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã , song các công trình này chủ yế u nghiên cứu về cưa điã xẻ ̣c, cắt ngang gỗ, chưa có công trình nghiên cứu về cưa điã cắ t ngang tre 1.1.2 Tổ ng quan về các công trình nghiên cứu về cưa điã ở Viê ̣t Nam Cắt gọt gỗ nhiều nhà khoa học nghiên cứu từ lâu tương đối hoàn thiện, nghiên cứu cắt gọt tre cịn nhiều hạn chế, nghiên cứu cắt ngang tre cưa đĩa chưa có cơng trình cơng bố Song tre có cấu tạo bó mạch gỗ nên nguyên lý cắt gọt tre dựa vào nguyên lý cắt gọt gỗ Các công trình nghiên cứu cắt ngang tre cưa đĩa Việt Nam hạn chế 1.2 Nội dung nghiên cứu Để đa ̣t đươ ̣c mu ̣c tiêu nghiên cứu đã nêu ở trên, đồ ng thời cứ vào giới ̣n và pha ̣m vi nghiên cứu, đề tài đă ̣t nô ̣i dung nghiên cứu sau: 1.2.1 Nghiên cứu lý thuyết Nội dung nghiên cứu lý thuyết cần giải vấn đề sau: - Xây dựng mơ hình tính tốn lực tác dụng lên phần tử lưỡi cắt trình cắt ngang tre; - Lập cơng thức tính tốn lực tác dụng lên phần tử cắt trình cắt ngang tre; - Xác định lực cản cắt riêng, khảo sát thông số ảnh hưởng đến tỷ suất lực cắt để làm sở tính tốn thiết kế phần tử cắt; - Xây dựng mô hình đô ̣ng lực ho ̣c chuyể n đô ̣ng của điã cưa, thiế t lâ ̣p phương trình vi phân chuyể n đô ̣ng của điã cưa, khảo sát ̣ phương trình vi phân đô ̣ng lực ho ̣c đã lâ ̣p đươ ̣c để rút các kế t luâ ̣n cầ n thiế t; - Xây dựng mô hình, thiế t lâ ̣p phương trình dao đô ̣ng của điã cưa, khảo sát ̣ phương trình đã lâ ̣p để đề xuấ t giải pháp chố ng rung đô ̣ng của điã cưa để nâng cao chất lượng bề mặt cắt 1.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm kết tính theo lý thuyết xác định lực cắt, lực cản cắt riêng trình cắt ngang tre Từ kết quả thực nghiê ̣m xác định số thông số tối ưu cắt, nội dung nghiên cứu thực nghiệm bao gồm vấn đề sau: - Đo lực tác dụng lên cắt cắt ngang tre để kiểm nghiệm kết tính theo lý thuyết; - Đo dao ̣ng của lưỡi cưa cắ t ngang để kiể m chứng mô hình tính toán lý thuyế t; - Xác định lực cản cắt riêng để làm sở tính tốn xác định thơng số tối ưu lưỡi cắ t; - Xác định vận tốc đẩy, vận tốc cắt và công suấ t đô ̣ng hợp lý cho cưa đĩa cắt ngang tre Chương ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌ NH CẮT NGANG TRE BẰNG CƯA ĐĨA 2.1 Xác định lực tác dụng lên cắt đĩa cưa cắt ngang tre 2.1.1 Xây dựng mơ hình lực tác dụng lên phần tử cắt của cưa Sơ đồ lực tác dụng lên phần tử cắ t thể hình 2.1 Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát tổng lực tác dụng lên phần tử cắt đĩa cưa Tổng lực tác dụng lên phần tử cắt xác định theo công thức sau:    P  Pm1  Pt1  Ps1  Pb  Pm  Pt  Ps h )   Q  Qm1  Qt1  Qs1  Qm  Qt  Qs h )   (2.6) Trong đó: Pm1; Qm1 - Lực cắ t và lực đẩ y tác dụng lên mũi cắt; Pt1; Qt1 - Lực cắ t và lực đẩ y tác dụng lên mặt trước cắt; Ps1; Qs1 - Lực cắ t và lực đẩ y tác dụng lên mặt sau cắt; Pb - lực tác dụng thành mạch cưa mặt bên lưỡi cắt;  - góc cắt cạnh cắt độ; , - góc sau cạnh cắt chính, độ;  - góc mài cạnh cắt chính, độ γ - Góc trước cạnh cắt chính, độ 2.1.2 Sơ đồ tổng lực tác dụng lên cắt Sơ đồ tổng lực tác dụng lên cắt, dạng cắt không phoi thể hình 2.2 Hình 2.2: Sơ đồ tổng lực tác dụng lên lưỡi cắt trình cắt ngang tre 2.1.3 Các thành phầ n lực tác dụng lên cắ t Theo nguyên lý cắt gọt gỗ [21] có thành phần lực tác dụng lên cắt là: a) Lực tác dụng lên mũi lưỡi cắt Tại điểm B biến dạng lớn nên ứng suất lớn làm cho tế bào sợi tre bị phá hủy đó, điểm N M biến dạng nhỏ nên ứng suất nhỏ áp lực phân bố lưỡi cắt khơng Để thuận lợi cho q trình tính tốn luận án chia áp lực thành hai phần: + Phần phân bố cung AB BC với áp lực P1 P2 hình (2.3); + Phần phân bố theo qui luật cosin cung NI IM, với áp lực (Po - P1) (Po - P2) b) Lực tác dung lên mặt trước lưỡi cắt Theo nguyên lý cắt gọt gỗ, lực tác dung lên mặt trước phân bố theo hình đa giác AGHN, để thuận lợi cho tính tốn chia làm hai phần: - Phần phân bố theo hình bình hành AGZN với áp lực P1' , (hình 2.3); - Phần phân bố theo hình tam giác NZH c) Lực tác dụng lên mặt sau lưỡi cắt Theo nguyên lý cắt gọt gỗ, lực tác dụng lên mặt sau lưỡi cắt phân bố theo hình tam giác CC1d với áp lực lớn C P2 2.1.4 Xác định tổng lực tác dụng lên cắt Sau xác định lực tác đụng lên mũi, mặt trước, mặt sau, mặt bên lưỡi cắt, thay công thức (vào công thức (2.6), sau tính tốn biến đổi rút gọn, ta công thức tổng lực cắ t P và lực đẩ y Q tác dụng lên cắt cắ t ngang tre sau:     P  h n (sin(90   )  sin(   ))  f (2  cos(90   )  cos(   ))    ng flb2 sin 1  2    h( p0  p1 )(90  (   )   cos(90  (   )  f ( sin(90  (   )  2 )    2  2h ( p0  p2 )(   )        (   ) cos(   )  f  sin(   )    2    2     4(   ) tg  f l2 EB  hE sin 2   cos 1.cot g1.tg (  1 )   f  tg (  1 ) L h.E   sin (90   ) cos(90   ) L  B( P0  P2 )(   )      Q  sin(   )  (    )  f (   )(  cos(   )    2    4(   )  hE EB   sin 2  l   cos  cot g  Cd  B cos  cot g  f   4L 4 2 f F l1 cot g   cd  B sin   cos   2  f cos   sin     t h B   (2.32) (2.33) Nhận xét: Từ công thức (2.32), (2.33), có nhận xét sau: Trong q trình cắt ngang tre, lưỡi cắt thực trình cắt phức tạp, nhiều góc cắt, cạnh cắt đồng thời tham gia vào để tạo thành phoi cắt Công thức tổng lực tác dụng lên lưỡi cắt (2.32) thiết lập có kể đến hầu hết yếu tố tham gia vào q trình cắt Trong cơng thức tổng lực tác dụng lên cắt (2.32) có nhiều yếu tố ảnh hưởng, yếu tố ảnh hưởng khác đến lực cắt Qui luật ảnh hưởng yếu tố đến lực cắt thể cơng thức (2.32), để tìm qui luật ảnh hưởng tham số đến lực cắt cần phải khảo sát công thức (2.32), kết khảo sát để tính tốn thơng số tối ưu lưỡi cắt công suất cắt 2.2 Động học cưa đĩa cắt ngang tre 2.2.1 Quan hệ động học tốc độ cắt đĩa cưa tốc độ đẩy tre a) Mơ hình tính tốn động học cưa đĩa cắt ngang tre Mơ hình tính tốn quan hệ động học vận tốc cắt tốc độ đẩy thể hình 2.3 Hình 2.3: Mơ hình tính tốn động học cưa đĩa cắt ngang tre b) Quan hệ động học tốc độ cắt đĩa cưa tốc độ đẩy tre Giả sử ta có: Véc tơ tốc độ cắt V có phương trùng với phương đường thẳng nối đỉnh răng, véc tơ → 𝒖 lập với véc tơ V góc  Trong q trình cắt với khoảng thời gian t0, điểm A chuyển động đến B với quãng đường di chuyển t (bước răng), đồng thời điểm B chuyển động đến điểm D, quãng đường dịch chuyển BD=C gọi độ dịch chuyển hay lượng ăn phoi 𝐶 𝑡 𝑢 𝐶 𝑢 Ta có: t0= t0= Suy =  C = t (2.34) 𝑢 𝑉 𝑉 𝑡 𝑉 Chiều dày phoi khoảng cách hai quỹ đạo cưa Trên hình 2.9, khoảng cách MB = h (chiều dầy phoi cắt) h=C.sin1 Trong đó: 1- Góc hợp quỹ đạo đỉnh với phương véc tơ → 𝒖 Vì u nhỏ v nhiều 1= Do đó: 𝑢⋅𝑠𝑖𝑛 𝜑 ℎ = 𝐶 𝑠𝑖𝑛 𝜑 = 𝑡 𝑉 Quan hệ tốc độ đẩy bước răng: 𝑢= 𝑉⋅ℎ 𝑡⋅𝑠𝑖𝑛 𝜑 (2.35) Từ quan hệ động học q trình cắt ngang tre có nhận xét sau: - Tốc độ đẩy tre vào cưa tỷ lệ thuận với vận tốc cắt, tỷ lệ nghich với bước răng, tốc độ cắt lớn, tốc độ đẩy cao, từ tăng suất cắt, bước t lớn chiều dầy phoi cắt lớn, tốc độ đẩy nhỏ 2.2.2 Xây dựng mô hình động học tính tốn độ dài cung diện tích tiếp xúc đĩa cưa Bài toán thức nhất: Cho hai hình trịn tâm O O1 có bán kính tương ứng R d (R > d) Gọi L khoảng cách OO1 (hình 2.4) Hãy tính theo độ dài L: Hình 2.4: Sơ đồ tính tốn chiều dài cung tiếp xúc đĩa cưa với tre Vậy trường hợp có S = α.R2 + β.d2- R.L.sinα (2.44) Bài tốn thứ hai: Đĩa cưa hình trịn tâm O bán kính R Hình vành khăn giới hạn hai đường tròn tre tâm O1 có bán kính d1 d2 ( với d2 < d1 < R ) Hình vành khăn di chuyển đường thẳng  cách O khoảng h với vận tốc v khơng đổi, cần phải tính độ dài đoạn chu vi hình trịn tâm O nằm hình vành khăn phần diện tích hình vành khăn nằm hình trịn tâm O theo thời gian t v ≤ Hình 2.5: Sơ đồ tính diện tích phần tiếp xúc đĩa cưa với tre Ta xét thời gian mà hình vành khăn vị trí bắt đầu (a) bắt đầu q trình cắt cuối (b) Như hình vành khăn quãng đường: d  R  d1  h  d1 2   R  d1  h  d1 2 Do thời gian xét khoảng :  t  Vd  T Tại thời điểm t có x = V.t Khi khoảng cách OI   R  d12  h  d12  V t Nên OO1  L  2V t  R  d1    R  d1  h  d1 2   ( R  d  Vt )2  (2.47) (2.48) 2.3 Đô ̣ng lực ho ̣c cưa điã cắ t ngang tre 2.3.1 Xây dựng mô hình động lực học chuyển động của cưa điã cắ t ngang tre Hê ̣ có liên kế t đó có khớp quay và mô ̣t tịnh tiế n, mô hình đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t ngang tre đươ ̣c thể hiê ̣n hình 2.6 Hin ̀ h 2.6: Mơ hình đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t trang tre Các ký hiệu hình 2.6: M - Mô men chủ động trục I (trục động cơ); M - Mô men chủ động trục II M  M1 ,  -hiệu suất truyền đai; M c - Mô men cản cắt lực cắt tre gây M c  Fc R với R bán kính đĩa cưa; Fd - Lực đẩy của tre vào cưa; Fms - Lực ma sát bàn đẩy tre vào cưa ( Fms  m3 gf3 ); f -hệ số ma sát bàn đẩy tre vào cưa); Fc - Lực cản cắt của tre (có giá trị phụ thuộc vào loại tre) 2.3.2 Phương trình vi phân chuyể n động của điã cưa Động truyền lực cho đĩa cưa có công suất W0 truyền qua đai tạo mô men quay M cho đĩa cưa vận tốc góc tối đa cho đĩa ɷ0 (vịng/phút) 10 Hình 2.8: Sơ đồ tính tốn đĩa cưa Thành phần vng góc với mặt đĩa véc tơ lực ly tâm dN dN có độ lớn dN  dN.sin   dN. , thành phần lực gây nên mô men là: dM LT  ( r  R1 ).dN. (2.55) Thay (2.54) vào (2.55) lấy tích phân hai vế (2.55) phần thể tích V thỏa mãn R1 ≤ r ≤ R2 Do đĩa cưa có độ dầy khoảng R1 ≤ r ≤ R2 nên dm   r.dr.d Kết được: 1      1  1   M LT     d  r 2( r  R1 )dr  2 2 R24    4J     12  12    R1 2 R2 hay với M LT  CLT  (2.56) 1  1   CLT  4J    , 12   Dẫn đến MLT : (N.m/rad)  LT  CLT  2 (2.57) (2.58) Kết hệ :    c   LT  C   CLT  2 2 (2.59) c) Công lực ngồi - Cơng sinh lực cản cắt tre lực ma sát mặt đĩa cưa tre: Ac Nếu tỷ suất lực cắt ngang tre K (N/mm2), lực cắt tre lúc là: Fc  K.hc hcua nrc , (N) (2.61) Với: hcưa - độ dầy mạch đĩa cưa, (mm) Lực Fc tương đương mô men Mc Mc = R2 Fc (2.63) Với R2 - bán kính đĩa cưa, (m) 11 Hình 2.10 Đồ thị lực cắt Fc Hình 2.9 Quá trình cắt ngang đĩa cưa tre đĩa cưa d) Phương trình vi phân chuyển động đĩa cưa Sử dụng phương trình Lagrang II, có: 2 2 L T    J  J    C   CLT   (2.70) 2 2    Công   A  Ac  Add  An   ( M c  M ms ).  M dd   M  0 (2.71) Dẫn đến  d  L  L       dt      d  L   L  dt     Hay Trong đó:  A  A      J   M  M  ( M c  M ms ) 0  J   (C  C ).  M LT dd  M2  M dm   dm 0 (2.72) (2.73) , N.m Nhận xét: Công thức (2.73) phương trình vi phân chuyển động đĩa cưa, Các đại lượng phương trình (2.73) phụ thuộc vào thơng số hình học, học đĩa cưa, lý tính tre Ngồi cịn có: Mc , Mms , Mdđ hàm thời gian t , (do phụ thuộc v(t)) CLT , Mc phụ thuộc vào  Để xác định qui luật ảnh hưởng vận tốc đĩa cưa đến đặc trưng động lực học đĩa cưa trình cắt ngang tre phải khảo sát hệ phương trình vi phân (2.73) 2.4 Tính tốn độ cứng đĩa cưa cắt ngang tre 2.4.1 Xây dựng mơ hình tính tốn độ cứng đĩa cưa cắt ngang tre Đĩa vành khăn bị ngàm vành trong, vành chịu lực cắt q0 phân bố đều, mơ hình tính tốn độ cứng của đĩa cưa điã cắ t ngang tre được thể hiê ̣n hình 2.11 12 Hình 2.11 Mơ hình vành khăn bị ngàm r = b, chịu tải q0 r = a 2.4.2 Tính độ cứng đĩa cưa cắt ngang tre Kết tính tốn ta cơng thức tính độ cứng đãi cưa sau: Với C ( a  b )2  a  b2 A1 2  A2 a  ln a   ( a  b )      8 D 4   8 D  b   , (Nm/rad) (2.94) Như vậy, theo định nghĩa độ cứng vật thể đàn hồi C độ cứng đĩa vành khăn chịu ngàm biên r = b, chịu tải phân bố vng góc với mặt đĩa đường biên r = a có cường độ q0 2.5 Dao ̣ng của đĩa cưa quá trin ̀ h hoa ̣t đô ̣ng 2.5.1 Các nguồn kích động gây rung Để xác định qui luật lực cản cắt gây rung động cho đĩa cưa, luận án tiến hành thí nghiệm xác định cường độ, qui luật lực cản cắt Kết xác định lực cản cắt tác dụng lên điã cưa biến đổi theo chu kì có dạng hình 2.12 100 Lực cắt (N) 80 60 40 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 Thời gian (s) Hình 2.12: Đồ thị biến động lực cắt theo thời gian 2.5.2 Rung động của đĩa cưa quá trình cắt ngang tre Mô hình rung đô ̣ng của lưỡi cưa được thể hiê ̣n hình 2.13 sau: 13 Hin ̀ h 2.13: Mơ hin ̀ h tính dao ̣ng của điã cưa hoa ̣t đô ̣ng 1- Giá bắ t động cơ; 2- Động điê ̣n; 3- Trục đỡ lưỡi cưa ; 4- Điã cưa ; 5- Điã ố p giữ điã cưa ɷ - Vận tốc góc đĩa cưa ; θ – Góc lắc đĩa cưa so mặt phẳng đĩa cưa Khi không tải, đĩa cưa quay với tớ c góc ɷ cao, đĩa cưa quay rung tự với góc lệnh so với phương mặt phẳng đĩa cưa góc θ xác định theo hệ phương trình sau: J   M   M  ( M c  M ms )  0  J 0  ( C  CLT ).  Trong đó: (2.102) J - mơ men qn tính độc cực đĩa cưa tâm O; k - hệ số truyền mô men lực từ động sang đĩa cưa Hệ số k có đơn vị N.m, (1   ) (   ) J 3   RR1 ; J2 - mơ men qn tính tâm đĩa có độ dầy đều, bán kính R2, mật độ khối lượng  (kg/m2); C – độ cứng đĩa cưa theo (2.94); CLT – độ cứng ly tâm đĩa cưa lực ly tâm đĩa đĩa cưa quay tính theo cơng thức (2.57) J0  Tần số dao động tự không tải   C  CLT Chú ý rằng, thành phần J0 độ cứng đĩa cưa lực ly tâm tạo CLT phụ thuộc vào vận tốc quay  đĩa cưa Khi có tải, đĩa cưa chịu lực mơ men cản cắt Mc tính theo (2.48), lực cản ma sát Mms lực kích động tác du ̣ng vng góc mặt lưỡi cưa là P(t) Lực P(t) phân bố đề u lưỡi cưa sinh mô men uốn Mdđ làm đĩa cưa rung động (được thể phương trình thứ (2.103)) ; 14     M  ( M c  M ms ) J   M 0   J 0  ( C  CLT ).  M dd (a) (2.103) (b ) Trong đó: M dđ = R2 P(t) với R bán kính lưỡi cưa P(t) có dạng  P( t )  a0   a j cos( j j 1 2 t ) T 2.6 Khảo sát ảnh hưởng số thông số đến lực cản cắt riêng cắt cắt ngang tre 2.6.1.Ảnh hưởng góc cắt  chiều dầy phoi h đến lực cản cắt riêng Kết khảo sát ảnh hưởng góc cắt chiều dầy phoi cắt đến lực cản cắt riêng thể hình 2.14 Hình 2.14: Ảnh hưởng góc cắt () chiều dầy phoi (h) đến lực cản cắt riêng K Từ kết khảo sát nhận có số nhận xét sau: - Qui luật ảnh hưởng góc cắt  chiều dầy phoi đến lực cản cắt riêng hàm phi tuyến, góc cắt tăng từ 300500 lực cản cắt riêng giảm, góc cắt tăng từ 500  700 lực cản cắt riêng tăng lên, qui luật phù hợp với lý thuyết cắt gọt gỗ Từ kết khảo sát nhận thấy lực cản cắt riêng có lợi góc cắt nằm khoảng 450 đến 550 6.2 Ảnh hưởng góc mài cạnh cắt  góc cắt  đến lực cản cắt riêng Kết khảo sát ảnh hưởng góc mài cạnh cắt chính, góc cắt đến lực cản cắt riêng thể hình 2.15 15 Hình 2.15: Ảnh hưởng góc mài cạnh cắt  góc cắt  đến lực cản cắt riêng Nhận xét: - Khi góc mài nhỏ lực cản cắt riêng nhỏ, góc mài lớn lực cản cắt riêng lớn Lực cản cắt riêng đồng biến với góc mài cạnh cắt chính, góc mài nhỏ lực cản cắt riêng nhỏ, góc mài giảm từ 300 xuống 200 lực cản cắt riêng giảm chậm, góc mài tăng từ 300 đến 400 lực cản cắt riêng tăng nhanh 2.7 Khảo sát đô ̣ng lực ho ̣c của điã cưa quá trin ̀ h cắ t ngang tre 2.7.1 Kế t quả khảo sát động lực học của cưa điã cưa cắ t ngang tre Luâ ̣n án tiến hành khảo sát ảnh hưởng vận tốc quay đĩa cưa đế n mô men động lượng tru ̣c lắ p điã cưa, đề tài tiến hành khảo sát với tốc độ quay đĩa cưa v=2500vòng/phút; v=3000vòng/phút; v=3500vòng/phút; v=4000vòng/phút;và v=4500 vòng/ph Kết khảo sát theo lý thuyết thể hình 2.16 Hình 2.16: Đồ thị mơ men động lượng của điã cưa thay đổ i vâ ̣n tố c quay đĩa cưa Nhận xét: Qua khảo ta thấy vận tốc tăng từ 2500 vòng/phút lên 4000 vòng/ phút lên xung lực tăng lên, vâ ̣n tớ c tăng 4000 vòng/phút lên 4500 vòng/ phút thì xung lực giảm Khi vâ ̣n tố c quay đĩa cưa là 4000 vòng/ phút thì mô men lớn nhất, từ kế t quả khảo sát ta vẽ đươ ̣c đồ thi ̣ quan ̣ giữa vâ ̣n tố c quay đĩa cưa và mô men tru ̣c lắ p điã cưa hình 2.16 2.7.2 Khảo sát dao động của đĩa cưa Luận án tiến hành khảo sát bốn trường hợp với vận tốc quay đĩa cưa là: v1=2000v/ph; v2= 3000 v/ph; v3= 4000v/ph; v4= 5500v/ph 16 Kế t quả khảo sát dao đô ̣ng của đĩa cưa đươ ̣c thể hiê ̣n hình 2.17 v= 2000v/ph amax= 1,7mm v=4000v/ph amax=0,43mm v= 3000v/ph amax= 0,9mm v=5000v/ph amax=0,26mm Hin độ rung ngang của đĩa cưa cắ t ngang ố ng tre ứng ̣ ̀ h 2.17: Đồ thi biên với số vòng quay khác đĩa cưa Nhâ ̣n xét: Nếu xét ảnh hưởng số vòng quay đĩa cưa, số vòng quay đĩa cưa tăng lên biên độ dao động đĩa cưa giảm (thay đổi nghịch biến với tốc độ quay đĩa cưa), số vòng quay đĩa cưa tăng 4000 v/ph biên độ dao động giảm chậm Khi số vịng quay lưỡi cưa tăng lên tần số dao động tăng lên Biên độ dao động lớn ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt cắt Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG MƠ HÌNH LÝ THUYẾT 3.1 Tổ chức tiến hành thí nghiệm 3.1.1 Đo mô men xoắn trục lắ p điã cưa cắt ngang tre Kết thí nghiệm đo mơ men thể hình 3.1 17 Hình 3.1: Biểu đồ mô men xoắn trục đĩa cưa theo thời gian cắt 3.1.2 Đo biên độ dao động ngang cưa điã trình cắt ngang tre Kết đo dao động thể hình 3.2 Hình 3.2: Biểu đồ biên độ dao động ngang đĩa cưa cắt ngang tre theo thời gian ứng với vận tốc quay đĩa cưa 4000 v/ph 3.2 Kiểm chứng mơ hình tính tốn lực cắt cưa cắt ngang tre Kết kiểm chứng mơ tình tính toán lực cắt bảng 3.1 Bảng 3.1 Lực cản cắt riêng với góc cắt  thay đở i khác Lực cản cắt riêng K (N/mm2) Góc cắt ( ) Lý thuyết Thực nghiệm Sai số (%) 30 13,32 15,23 11,1 40 11,72 13,17 11,1 50 10,37 12,37 13,9 60 12,61 14,24 11,4 70 16,54 18,52 8,1 Nhận xét: Từ kết thực nghiệm nhận có nhận xét sau: 18 Sai lệch kết xác định lực cản cắt riêng thực nghiệm so với tính theo lý thuyết nằm phạm vi cho phép chấp nhận được, mơ hình tính tốn lực cắt theo lý thuyết tin cậy 3.3 Kiểm chứng dao động ngang điã cưa cắt ngang tre Kết kiểm chứng thể bảng 3.2 Bảng 3.2 Biên độ dao động ngang cực đại với vận tốc quay đĩa cưa khác Tốc độ Biên độ dao động Biên độ dao động Sai số quay ngang cực đại tính ngang cực đại xác (%) đĩa cưa theo mơ phỏng lý đinh ̣ bằ ng thực (vịng/phút thú t (mm) nghiê ̣m (mm) ) 2000 1,7 1,9 11,0 3000 0,9 1,01 10,9 4000 0,43 0,46 6,5 5000 0,26 0,28 7,1 Nhận xét: Từ kết bảng 3.2 có nhận xét sau: - Đồ thị dao động ngang đĩa cưa lý thuyết thực nghiệm tương tự nhau, phù hợp với qui luật thay đổi lực kích động lực cản cắt gây - Biên độ dao động ngang cực đại đĩa cưa nghịch biến với số vòng quay đĩa cưa, tốc độ vịng quay đĩa cưa nhỏ biên độ dao động lớn, từ ảnh hưởng đến độ mấp mơ bề mặt cắt, tốc độ vịng quay đĩa cưa lớn biên độ dao động ngang giảm - Sai số giữa biên độ dao động ngang đĩa cưa tính theo kế t quả mô phỏng lý thuyế t với kế t quả xác đinh ̣ bằ ng thực nghiê ̣m nằ m pha ̣m vi cho phép, vâ ̣y mô hình tính toán dao đô ̣ng của đĩa cưa đã lâ ̣p ở chương là tin câ ̣y được Kết luận chương Bằng phương pháp đo tenzô thông qua đầu đo mô men T4, xác định lực cản cắt riêng cắ t cưa điã cắ t ngang, sai lệch lớn kết tính theo lý thuyết với kết tính theo thực nghiệm 12,4%, nghiên cứu lực cắt gọt sai lệch nằm giới hạn chấp nhận được, mơ hình tính tốn lực cắt lập chương đáng tin cậy Bằng thực nghiệm bước đầu xác định biên độ dao động ngang điã cưa theo phương vuông góc với lực cắt P, sai lệch lớn kết tính theo lý thuyết với kết tính theo thực nghiệm 9.09%, sai lệch nằm giới hạn chấp nhận được, mơ hình tính tốn dao ̣ng của điã cưa lập chương đáng tin cậy 19 Chương XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA CƯA ĐĨA CẮT NGANG TRE 4.1 Chọn hàm mục tiêu nghiên cứu Từ phân tích luận án chọn hai hàm mục tiêu để nghiên cứu là: Hàm độ mấp mô bề mặt cắt ký hiệu ∆ đơn vị tính mm hàm lực cản cắt riêng ký hiệu K đơn vị tính N/mm2 4.2 Chọn tham số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu Từ phân tích trên, theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm, đề tài luận án chọn ba yếu tố ảnh hưởng lớn đến hàm mục tiêu để tiến hành nghiên cứu là: góc cắt ký hiệu ; góc mài ca ̣nh cắ t chính ký hiệu , vâ ̣n tố c quay của điã cưa ký hiê ̣u là v để nghiên cứu, miền biến thiên yếu tố xác định từ điều kiện kỹ thuật kết khảo sát chương và kế t quả nghiên cứu thực nghiê ̣m chương 4.3 Kết nghiên cứu thực nghiệm Q trình thí nghiệm thể hình 4.2 Hình 4.2: Q trình thí nghiệm xác định số tiêu cưa đĩa cắt ngang tre 4.4.1 Chọn vùng nghiên cứu giá trị biến thiên thông số đầu vào Vùng nghiên cứu giá trị biến thiên đầu vào cho thực nghiệm đa yếu tố thể bảng 4.1 Bảng 4.1 Mức thí nghiệm thơng số đầu vào Các thơng số vào Các mức Giá trị X1 X2 X3 mã v (v/ph)  (độ)  ( độ) Mức 60 35 4500 Mức sở 50 30 4000 Mức -1 40 25 3500 Khoảng biến thiên 10 500 20 4.4.3 Kết thí nghiệm đa yếu tố Kết thí nghiệm ghi phần phục lục 05 và 06, sử dụng phần mềm chương trình xử lý số liệu thực nghiệm, sau tính tốn kết sau: a) Hàm lực cản cắt riêng - Mơ hình hồi qui da ̣ng ma:̃ YK = 11,51556 – 0,67679X1 + 1,04875X2 – 1,69595X3 – 1,52917X1 X2 + 1,64643X1 X3 – 0,26833X2 X3 + 1,9121X12+ 4,85151X22 + 2,6646X32 (4.21) b) Hàm độ mấp mô bề mặt cắt - Mơ hình hồi qui da ̣ng ma:̃ Y∆=0,22889 + 0,0306X1 + 0,05458X2 – 0,1019X3 – 0,0375X1X2 – 0,00048X1 X3 – 0,04667X2 X3 + 0,21782X12 + 0,30246X22 + 0,17532X32 (4.23) 4.4.4 Chuyển phương trình hồi qui dạng thực a) Hàm tỷ lực cản cắt riêng YK = 422,26821 – 2,37942 - 9,47537 - 0,1019v – 0,03058 + 0,00033v – 0,00011v + 0,019122 + 0,194062 + 0,00001v (4.25) b) Hàm độ mấp mô bề mặt cắ t Y = 24,73393 – 0,19188 - 0,60282 - 0,00525v – 0,00075 - 9,10-8 v – 0,00002v + 0,002182 + 0,01212 + 7,10-7v2 (4.26) 4.4.5 Xác định giá trị tối ưu tham số ảnh hưởng - Lập hàm tỷ lệ tối ưu lực cản cắt riêng : 1 1 = 24,74628 - 0,14324.δ + 0,00115 δ2- 0,57041.β - 0,00184.β δ + 0,01168 β2 – 0,00613.v + 0,00002.v δ - 0,000006.v β + 0,000001.v2 (4.27) - Lập hàm tỷ lệ tối ưu đô ̣ mấ p mô bề mă ̣t cắ t:   =26,57691-0,20795.δ + 0,00236.δ2- 0,65332.β – 0,00081βδ + 0,01311.β2 - 0,00569.v - 0,0000001.v.δ – 0,00002.V.β + 0,000001.v2 (4.28) - Lập hàm tối ưu tổng quát:   1     51,32319–0,35119.δ + 0,00351.δ2–1,22374.β - 0,.00265.β.δ + 0,02479.β2 – 0,01182.v + 0,00002.v δ – 0,000027.v.β + 0,000001.v2 (4.29) Khảo sát hàm  miền (Ω) mục 4.7.1 ta tìm hàm  đạt giá trị nhỏ điểm M(δ, β , v) = (49,519 , 29,562 , 4150,85) hàm min = 0,000833 Thay giá trị δ = 48,519; β = 29,562 ; v = 4150,85 vào hàm YK Y theo công thức (4.25) (4.26) ta được: YK-min = 11,206 Ymin  0,212 Vậy giá trị tối ưu thực tham số ảnh hưởng góc cắ t δ = 48,50 ; góc mài cạnh cắt β = 29,50; vận tốc quay đĩa cưa v = 4150,8 vịng/phút 4.5 Xác định cơng suất động của cưa điã cắ t ngang tre Công suất động xác định theo công thức sau: Ndc = kd P1 z.u 1000 (4.31) 21 Trong đó: Ndc - công suất động cơ, kw; kd - hệ số tải, kd=1.5;  - hiệu suất truyền động, =0,75; u - tố c đô ̣ đẩ y của tre vào cưa, u= 0,1- 0,2m/s; z - số đồ ng thời tham gia vào quá trình cắ t Thay giá trị xác định vào công thức (4.30) và (4.31), ta có cơng suất cần thiết động là: Ndc = 1,854 (kw) 4.6 Xác định vâ ̣n tố c đẩ y hợp lý tre vào cưa điã cắ t ngang tre - Vận tốc đẩy xác định theo vận tốc cắt (V), bước (t) chiều dầy phoi (h), theo tài liệu [21], [61], quan hệ vận tốc cắt, vận tốc đẩy, bước chiều dầy phoi sau: U h hay U  V  h (4.32)  V t0 t0 Thay số vào công thức (4.32) xác định vận tốc đẩy U= 0,125 m/s - Vận tốc đẩy xác định theo công suất động cơ: Từ công thức (4.31) vận tốc đẩy xác định sau: U  1000 N đc kd P1 z (4.33) Thay số vào công thức (4.33) vận tốc đẩy U= 0,151 m/s Kết luận chương Từ kết nghiên cứu đạt chương 4, luận án rút số kết luận sau: Đã xây dựng mơ hình hồi qui thực nghiệm đa yếu tố hàm mục tiêu với tham số ảnh hưởng dạng mã (4.21); (4.23) dạng thực (4.25); (4.26), áp dụng phương pháp giải bài toán tố i ưu đa mu ̣c tiêu bằ ng phương pháp lập hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát xác định thông số tối ưu cưa điã cắ t ngang tre điều kiện nghiên cứu là: góc cắ t  = 48,50; góc mài cạnh cắt  = 29,50 và vâ ̣n tớ c quay đĩa cưa v=4150,8 vòng/phút với thông số tối ưu lực cản cắt riêng K = 11,206 N/mm2 đô ̣ mấ p mô bề mă ̣t cắ t ngang tre:  = 0,212 mm Bằ ng nghiên cứu thực nghiê ̣m tính tốn công suất động cưa điã cắ t ngang tre Ndc = 1,854 kw, và tố c đô ̣ đẩ y hơ ̣p lý U= 0,12 m/s Kết dùng làm sở cho việc tính tốn thiết kế cưa điã cắ t ngang tre 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trên sở nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t ngang tre, luận án đạt số kết sau: Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyế t cắt gọt gỗ, phân tích tượng học xảy trình cắt ngang tre, xây dựng sơ đồ lực tác dụng lên phần tử cắt, từ xác định cơng thức tính lực cắt (2.32), và lực đẩ y (2.33) cưa điã cắt ngang tre Đã tiế n hành khảo sát phụ thuộc yếu tố đến lực cản cắt riêng Kết khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến lực cản cắt riêng cho thấy giá trị:  = 450-550;  = 250-350; h =0,4-0,5mm, lực cản cắt riêng đạt giá trị cực tiểu miền khảo sát Những kết nghiên cứu lý thuyết áp dụng tính tốn thiết kế công cụ thiết bị cắt gọt tre Đã xây dựng được mô hình đô ̣ng lực ho ̣c, thiế t lâ ̣p được ̣ phương trình vi phân chuyể n đô ̣ng của điã cưa quá trình cắ t ngang tre (2.73), tính tốn độ cứng đĩa cưa, đã tiế n hành khảo sát ̣phương trình vi phân chuyể n đô ̣ng của điã cưa, kế t quả khảo sát đã xác đinh ̣ được quan ̣ giữa vâ ̣n tố c chuyể n đô ̣ng của điã cưa với mô men đô ̣ng lượng của điã cưa, kế t quả khảo sát cho thấ y ta ̣i vâ ̣n tố c quay đĩa cưa khoảng v=3500-4500 vòng/phút thì mô men đô ̣ng lượng của điã cưa là lớn nhấ t Đã xây dựng được mơ hình tính tốn rung động điã cưa trình cắ t ngang tre, lực kích động sinh lực cắt (P) xác định hàm tuần hoàn Đã thiết lập phương trình vi phân dao động hệ với nghiệm Đã tiế n hành khảo sát rung đô ̣ng của điã cưa miề n thời gian bằ ng phầ n mề n Matlab-simulink, kết khảo sát đề xuất số giải pháp giảm rung động đĩa cưa Luâ ̣n án đã xây dựng đươ ̣c mô hình nghiên cứu thực nghiê ̣m đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t ngang tre, đã xác đinh ̣ đươ ̣c mô ̣t số thông số phu ̣c vu ̣ cho bài toán khảo sát lý thuyế t, bằ ng nghiên cứu thực nghiê ̣m đã xác đinh ̣ đươ ̣c lực cắ t, lực cản cắt riêng, biên độ dao động ngang của điã cưa cắ t ngang tre Kế t quả nghiên cứu thực nghiê ̣m đã so sánh với kế t quả tính toán theo mô hình lý thuyế t, sai lê ̣nh nằ m giới hạn chấp nhận được, mơ hình lý thuyết tính lực cắt và dao động ngang đĩa cưa tin cậy Đã xác định phương trình hồi qui thực nghiệm hàm lực cản cắt riêng đô ̣ mấ p mô bề mă ̣t ma ̣ch cắ t sử dụng cưa đĩa cắt ngang tre công thức (4.25); (4.26), xác định thông số tối ưu cưa đĩa điều kiện nghiên cứu là: góc cắ t cưa  = 48,50; góc mài cạnh cắt  = 29,50 và vâ ̣n tố c quay đĩa cưa v = 4150,8 vòng/phút, với thông số tối ưu lực cản cắt riêng K =11,206 N/mm2 đô ̣ mấ p mô bề mă ̣t cắ t ngang tre:  = 0,212 mm, mặt khác kết thực nghiệm với thông số tối ưu cho thấy phương pháp tính toán xác định thông số tố i ưu của cưa điã cắ t ngang tre tin cậy Đã tính tốn cơng suất động cưa điã để cắ t ngang tre là: N=1,854 kw, đã xác định vận tốc đẩy hợp lý: U= 0,12 m/s, các thông số tính 23 toán đươ ̣c ở là sở khoa ho ̣c cho viê ̣c tính toán thiế t kế chế ta ̣o hoàn thiện cưa điã cắ t ngang tre Kiến nghị Trong thành phần hoá học tre có xít silic (Si02) ảnh hưởng lớn đến q trình mài mịn lưỡi cắt, cần tiếp tục nghiên cứu sâu ảnh hưởng xít silic đến phần tử lưỡi cắt Trong công nghê ̣ gia công chế biế n tre có trường hơ ̣p cắ t chéo thớ tre, xẻ ̣c thớ, vâ ̣y cầ n có nghiên cứu trường hơ ̣p cắ t chéo thớ, xẻ ̣c thớ tre 24 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ThS Hoàng Hà, TS Trần Văn Tưởng, Động lực học cưa điã cắt ngang tre, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 10/2018 trang 281-286 ThS Hoàng Hà, PGS.TS Dương Văn Tài, TS Trần Văn Tưởng, Xác định số thông số tối ưu cưa đĩa cắt ngang tre, Tạp chí Cơ khí Việt Nam số 10/2018 trang 229-234 Hoàng Hà, Trần Văn Tưởng, Dương Văn Tài, Xác định độ cứng mô men lực cắt trục đĩa cưa trình cắt ngang tre, Tạp chí Cơng nghiệp nơng thơn số 31/2018 trang 39-46