Chương 5 : Thiết Bị Làm Nhỏ

Thiết bị làm nhỏ trong bảo quản và chế biến nông sản

Chương 5 THIẾT BỊ LÀM NHỎ

b) Yêu cầu kỹ thuật

- Có tính vạn năng, nghĩa là có thể thái được nhiều loại vật liệu khác nhau

- Có thể điều chỉnh để thái được nhiều kích thước khác nhau phù hợp với từng loại gia súc gia cầm

- Khi thái củ quả ít bị gẫy vụn, rau cỏ tươi tránh bị ép mất nước Với những thân cây cứng máy có khả năng làm mềm ra

- Có khả năng cơ khí hoá việc cung cấp nguyên liệu vào máy và thu sản phẩm thái ra

mà không cần nhiều người phục vụ đẻ đảm bảo công việc liên tục điều hoà

- Năng suất cao

- Mức tiêu thụ năng lượng riêng thấp

- Cấu tạo đơn giản, sử dụng thuận tiện, dễ chăm sóc điều chỉnh, dễ tháo lắp để mài dao

c) Phân loại

- Theo nhiệm vụ: máy cắt thái rau cỏ, máy cắt thái củ quả, máy cắt thái thịt cá

- Theo loại cấu tạo của bộ phận làm việc: máy thái kiểu đĩa, máy thái kiểu trống, máy

thái kiểu li tâm

- Theo vị trí của bộ phận làm việc: máy có bộ phận làm việc đặt thẳng đứng, máy có bộ phận làm việc đặt nằm ngang

- Theo cách truyền động: máy thái tay quay, máy thái đạp chân, máy thái dùng động cơ

- Theo nguyên tắc sử dụng: máy thái tĩnh tại, máy thái di động

5.1.2 Nguyên lý làm việc và nguyên lý cấu tạo

a) Máy thái rau cỏ

Máy thái rau cỏ thướng có nguyên lý làm việc của “dao cầu thái thuốc”, nghĩa là quá trình cắt thái được thực hiện bằng một lưỡi dao chuyển động quay và một lưỡi dao cố định (tấm kê) đồng thời vật thái được đưa vào cho dao thái (hình 5.1a) Như vậy, về nguyên lý cấu tạo, máy thái rau cỏ gồm:

- Bộ phận cung cấp gồm cặp trục cuốn 4 kết hợp với băng chuyền 5 để nén và đưa rau

cỏ vào bộ phận thái

- Bộ phận thái gồm một số dao thái 1 (thường chuyển động quay) và một tấm kê 2 Dao thái được lắp vào đĩa hay cánh lắp dao 3 đối với dao thẳng và dao cong (hình 5.1b) hoặc lắp vào trống lắp dao 6 với dao dạng xoắn (hình 5.1c)

Hình 5.1 Sơ đồ các bộ phận thái rau cỏ

a) sơ đồ máy; b) bộ phận thái kiểu đĩa, c) bộ phận thái kiểu trống 1- băng chuyền; 2- trục cuốn; 3- tấm kê; 4- dao thái

Ngoài ra máy có trang bị dây chuyền thu sản phẩm thái, bộ phận động lực, bộ phận truyền động và khung Việc điều chỉnh độ dài đoạn thái được thực hiện bằng hai cách: hoặc thay đổi số dao lắp trên đĩa hay trống hoặc thay đổi vận tốc đưa rau cỏ vào bộ phận thái Muốn có độ dài đoạn thái ngắn ta có thể giảm vận tốc đưa rau hoặc lắp tăng thêm số dao, muốn có độ dài đoạn thái dài hơn thì làm ngược lại Ngoài ra cần phải giải quyết vấn

đề điều chỉnh khe hở giữa lưỡi dao và tấm kê khoảng 0,5÷1mm để thái được gọn và dễ Dao thái rau cỏ có cạnh sắc dạng lưỡi thẳng, lưỡi cong

b) Máy thái củ quả

Các máy thái củ quả thường theo nguyên lý làm việc của dao “bào gỗ” nghĩa là lưỡi dao được lắp ở khe thủng của thân đĩa hay trống lắp dao sẽ cắt nạo vật thái đang tựa vào mặt thân đĩa hay trống lắp dao đó thành những lát thái (dày mỏng tuỳ theo độ nhô của lưỡi dao so với mặt đĩa hay trống lắp dao) Lát thái sẽ trượt trên mặt dao chui qua khe thủng mà thoát ra phía mặt kia của thân đĩa hay trống lắp dao (hình 5.2) Như vậy, về nguyên lý cấu tạo, máy thái củ quả thường có các bộ phận chính như sau:

Bộ phận thái gồm một số lưỡi dao 1 được lắp trên đĩa 2 hay trống 4 ở những khe thủng (để lát thái chui qua) Muốn có lát thái có độ dày mỏng khác nhau người ta có thể điều chỉnh độ nhô của dao so với mặt điã hay trống Để thái thành những lát rộng bản dao tháI

có dạng lưỡi thẳng liền Để thái thành những lát thái hẹp dao thái có dạng lưỡi răng lược Hai lưỡi dao răng lược liên tiếp nhau được bố trí xen kẽ nhau sao cho phần có cạnh sắc của lưỡi dao này trùng với phần không có cạnh sắc của lưỡi dao kia Như vậy, sau một vòng quay của đĩa cứ hai dao mới cắt hết một lớp vật thái, do đó số dao lắp trên điã phải chẵn

Bộ phận cấp liệu là một thùng đựng củ quả 3, thành thùng có độ nghiêng nhất định để

củ quả tự cung cấp vào bộ phận thái nhờ trọng lượng bản thân Thành tiếp giáp với đĩa hay trống có một khoảng diện tích hở để củ quả tiếp xúc với mặt đĩa và được lưỡi dao nạo thành lát

Bộ phận động lực có thể là động cơ hoặc quay tay, đạp chân, bộ phận truyền động có thể là truyền động đai hoặc bánh răng

a) b) Hình 5.2 Sơ đồ cấu tạo bộ phận thái củ quả

a) bộ phận thái kiểu đĩa; b) bộ phận thái kiểu trống

Ưu điểm: làm việc bền vững, năng suất cao, cấu tạo đơn giản dễ sử dụng, điều chỉnh bề dày lát thái thuận tiện

Nhược điểm: lát thái còn bị vụn do củ quả bị xoay khi thái độ tự ép của lớp củ quả chưa đủ giữ chặt cho củ quả khỏi bị xoay trượt đi Trường hợp dao lưỡi răng lược thì thái

ra nhiều mảnh vụn gây tăng chi phí năng lượng giảm năng suất so với thái bằng lưỡi dao thẳng liền

Máy thái củ quả kiểu li tâm theo nguyên lý là củ quả xoay theo mâm 1, do lực ly tâm văng ra tựa sát vào thành thùng chứa củ quả 3 gặp lưỡi dao 2 lắp ở khe thủng của thành thùng sẽ được nạo thành lát lọt ra ngoài thành thùng (hình 5.3) Kiểu ly tâm này nói chung

có nhược điểm lát thái kém đều, mức tiêu thụ năng lượng riêng cao

Hình 5.3 Sơ đồ bộ phận thái củ quả kiểu ly tâm

có chất lượng lát cắt tốt, vật liệu ít biến dạng thì tỷ số vận tốc vòng của dao vt và vận tốc của vật liệu vn thường lấy bằng 20 ÷30

Trên hình 5.4b là sơ đồ máy cắt nhiều dao Cấu tạo gồm trục 1 trên đó có lắp bộ dao đĩa 2 quay với vận tốc vòng vt Rulo 4 lắp trên trục 3 có nhiệm vụ cung cấp vật liệu vào cho dao cắt với tốc độ cấp liệu vn tỷ lệ vt : vn = 3÷5 Trên bề mặt rulô có những rãnh vòng tương ứng với mỗi rãng vòng có một lưỡi dao đi qua, khoảng cách giữa các rãnh vòng qui

định bề rộng lát cắt.

Hình 5.4 Sơ đồ cấu tạo máy cắt thịt cá

Trên hình 5.4c là sơ đồ cơ cấu làm việc của dao đĩa lắp trên một trục, nguyên liệu tự ăn dao qua vùng làm việc do ma sát sinh ra giữa vật liệu cắt và dao Ở đây mô men lực cản cắt phải nhỏ hơn mô men lực ma sát xuất hiện trên bề mặt tiếp xúc của dao với vật liệu cắt.Trên hình 5.4e là sơ đồ cấu tạo của cơ cấu làm việc có dao đĩa lắp trên 2 trục song song

và vật liệu cắt tự ăn dao qua vùng làm việc Tự ăn dao được thực hiện nhờ ma sát sinh ra giữa vật liệu và dao Tốc độ cho vật liệu ăn dao sẽ nhỏ nhất ở thời điểm ăn dao trung bình khi ngập hết nửa thứ nhất của đĩa suốt hành trình chuyển động và lớn nhất khi vật liệu cắt chứa đầy hoàn toàn tiết diện của rãnh đặt đĩa

Trên hình 5.4f là sơ đồ các bộ phận làm việc của máy cắt có dạng băng lưỡi cưa Ở đây băng lưỡi cưa chuyển động với vận tốc vt, băng tải cấp vật liệu chuyển động với vận tốc là

vn Tỷ lệ giữa các tốc độ từ 50 ÷ 5.000, trong đó tốc độ chuyển động của băng tải thường lấy trong phạm vi từ 10 ÷ 50m/s Bánh đai chủ động đặt phía dưới còn bánh đai kéo căng thì ở phía trên Trên máy có thể lắp một hay một số lưỡi cưa làm việc đồng thời hoặc liên tiếp nhau

Như vậy, về nguyên lý cấu tạo máy cắt thịt cá gồm có các bộ phận chính như sau:

- Bộ phận cấp liệu: Việc cấp liệu vào bộ phận cắt có thể là cưỡng bức hoặc tự kéo

Cung cấp cưỡng bức được thực hiện chủ yếu nhờ băng tải, khi đó vật liệu được nạp lên băng và băng sẽ vận chuyển đến bộ phận cắt (hình 5.4a,b,e,f) Cung cấp kiểu tự kéo được thực hiện do ma sát của dao với vật liệu, khi đó vật liệu tự di chuyển vào bộ phận cắt Trong một số trường hợp, vật liệu tự cung cấp nhờ trọng lượng của bản thân và lực ma sát xuất hiện khi nó tiếp xúc với bộ phận cắt có ở những máy cắt có sử dụng phểu cấp liệu dạng hình chóp hoặc hình nón (hình 5.4c)

- Bộ phận cắt: Để cắt thịt, cá người ta thường dùng các loại dao như trên hình 5.5 Tuỳ

thuộc vào loại nguyên liệu, tính chất cơ lý và cấu trúc của chúng, chất lượng cắt và hình dạng sản phẩm nhận được sau khi cắt mà lựa chọn dạng dao, góc mài dao, độ sắc, độ dày của dao cho thích hợp

Để phân chia vật liệu theo mặt phẳng thành những mẩu miếng có kích thước xác định

được lắp trên trục quay, người ta cũng có thể lắp nhiều đĩa dao song song, khi đó với cùng một lần cắt nguyên liệu được phân chia thành nhiều phần Dao lưỡi cưa thường được liên kết với cơ cấu truyền động tay quay-thanh truyền hoặc bánh lệch tâm để thực hiện chuyển động tịnh tiến qua lại.

Để băm nhuyễn thịt cá người ta thường dùng các loại dao cong (hình 5.5c,d) Các loại dao này được lắp thành hàng trên trục quay

Hình 5.5 Các loại dao cắt

a) dao đĩa răng; b) dao đĩa trơn; c, d) dao cong; e,f) dao lưỡi cưa

- Bộ phận truyền động: Để thực hiện quá trình cắt, dao có thể thực hiện chuyển động

quay, tịnh tiến hay chuyển động phức tạp nhờ cơ cấu dẫn động tay quay- thanh truyền, bánh lệch tâm hay dẫn động bằng thuỷ lực và khí nén (hình 5.6)

Hình 5.6 Cơ cấu truyền động cho dao

a) cơ cấu thay quay - thanh truyền; b) thanh trượt; c) dẫn động bằng khí nén hay thuỷ lực; d) một cánh tay đòn; e) hai cánh tay đòn; f) cơ cấu lệch tâm.

5.1.3 Cấu tạo và cách sử dụng của một số máy thái

a) Máy thái rau cỏ PCC-6.

Là máy thái kiểu đĩa, di động được, chuyển và thu vật thái đều được cơ khí hoá do Liên

Xô (cũ) chế tạo (hình 5.7)

Hình 5.7 Máy thái rau cỏ PCC-6

1- khung máy; 2- băng chuyền cung cấp vật thái; 3 – vít điều chỉnh độ căng băng

chuyền; 4- trục cuốn dưới; 5- trục cuốn trên; 6- lò xo điều chỉnh độ nén; 7- tấm kê

thái; 8- cánh lắp dao; 9- cánh quạt; 10- bu lông lắp dao; 11- vít điều chỉnh khe hở

giữa dao và tấm kê; 12- ống dẫn không khí; 13- động cơ đIửn; 14- bánh đai; 15-

bộ li hợp; 16- các cặp bắnh răng điều chỉnh độ dài đoạn thái.

Theo kiểu chuyền bằng không khí gồm có 2 cánh quạt 3 được lắp vào mặt bên của thân cánh lắp dao 24 dùng để tạo nên luồng gió đẩy thức ăn vào ống dẫn của bộ phận thu thức

ăn và ra ngoài

Bộ phận truyền động: truyền động từ động cơ điện 1,6kW tới trục chính lắp dao 25 nhờ đai chuyền 2 Truyền động quay của trục chính được truyền qua 3 cặp bánh răng trụ 8-9, 14-15, 16-17 một cặp bánh xích 18- 19 để truyền chuyển động cho hai trục cuốn và băng truyền cung cấp Để đóng mở bộ phận truyền động tới trục cuốn nhờ một khớp li hợp 13 bằng cách thay đổi cặp bánh răng 14- 15 ta có thể được 6 độ dài đoạn thái khác nhau 6, 15,

b) Máy thái củ quả PKP-2,0

Máy tháI PKP-2,0 là loại máy thái kiểu đĩa, đặt thẳng đứng có thể quay tay hoặc dùng động cơ (hình 5.8) Máy gồm có thùng đựng củ quả 1 có dạng nón cụt, phần dưới lắp về một bên trục máy, cửa cấp liệu kề sát với vùng quay của dao Củ quả chất vào thùng, do trọng lượng bản thân sẽ ép sát vào mặt đĩa lắp dao Đĩa dao 2 bằng gang, đường kính 600mm, trên đó có lắp 4 dao lưỡi thẳng ở 4 khe thoát lát thái Dao thái có 2 lưỡi: lưỡi thẳng liền dùng để thái thành lát rộng, lưỡi răng lược dùng để thái thành lát hẹp (bề rộng

4 đặt phía dưới đĩa dao gắn liền với vỏ bao đĩa Trục quay 5 có hai gối đỡ bi Tay quay 6 lắp với bánh đai 7.

Hình 5.8 Máy thái củ quả PKP-2,0

1- thùng đựng củ quả; 2- đĩa lắp dao; 3- dao thái; 4- máng thoát sản

phẩm thái; 5- trục quay; 6- tay quay; 7- bánh đai.

Để điều chỉnh chiều dày lát thái, trên dao có các lỗ dài vặn bu lông để có thể dịch vị trí dao so với mặt đĩa Khi sử dụng có thể cho máy chạy bằng động cơ hoặc quay tay Đổ đầy

củ quả vào thùng chứa Củ quả sẽ dồn vào cửa cấp liệu, ép vào mặt đĩa, được các dao nạo thành lát Các lát thái chui qua khe hở, thoát ra ngoài qua máng thoát 4 Khi cần thái lát hẹp thì thao lắp dao cho các lưỡi răng lược làm việc Chú ý trong trường hợp này, cứ hai dao răng lược mới cắt hết một lớp vật thái, nghĩa là phải lắp số dao chẵn Máy thái PKP-2,0 có khả năng thái tốt đối với nhiều loại củ quả Tuy nhiên khi thái lát hẹp thì bị gãy vụn nhiều

c) Máy cắt nghiền thịt kiểu vít xoắn

Máy cắt nghiền thịt kiểu vít xoắn là loại máy này làm việc liên tục dùng để cắt nghiền nhỏ thịt và đùn thành sợi (hình 5.9)

Hình 5.9 Máy nghiền thịt kiểu vít xoắn

1- vít xoắn; 2- vỏ máy; 3- bộ lưỡi dao; 4- lưới sàng; 5- vòng ép; 6- đai ốc điều chỉnh.

Bộ phận cung cấp là vít xoắn 1 có bước xoắn giảm dần theo hướng chuyển động để vừa

nạp liệu tốt ở phía phễu cấp liệu vừa tăng khả năng nén ép ở phía sản phẩm đi ra

Vít xoắn quay trong vỏ máy 2 đảm bảo việc đẩy vật liệu di chuyển theo chiều dọc trục, tạo ra lực ép cần thiết để đùn sản phẩm qua bộ phận cắt và lưới sàng ra ngoài Bộ phận nghiền gồm các lưỡi dao quay 3 lắp từng cặp với các lưới sàng kim loại 4 có kích thước lỗ sàng giảm dần theo hướng chuyển động của sản phẩm

Ở cửa ra có đặt vòng ép 5, khi vặn đai ốc 6 vào thì sẽ xiết chặt dao trên lưới sàng đảm bảo cắt tốt hơn và có thể cắt được cả các màng mỏng của thịt

5.1.4 Lý thuyết tính toán quá trình cắt thái

5.1.4.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình cắt thái bằng lưỡi dao

Các bộ phận làm việc của những máy cắt thái rau cỏ thường dựa theo nguyên lý cắt thái bằng cạnh sắc của lưỡi dao Quá trình cắt thái thường được thực hiện bằng cách di chuyển cạnh góc nhị diện AB (cạnh sắc) hợp bởi hai mặt phẳng của lưỡi dao theo hướng p pháp tuyến với cạnh đó (hình 5.10a) hoặc theo hai hướng vuông góc với nhau: vừa theo hướng p (hướng cắt pháp tuyến), vừa theo hướng q vuông góc với p (hướng cắt tiếp tuyến), nghĩa là theo hướng chéo tổng hợp r (hình 5.10b)

Hình 5.10 Tác dụng cắt thái của lưỡi dao.

Những thí nghiệm của Viện sĩ Gơriatskin V.P đã chứng minh rằng nếu cắt thái theo hướng nghiêng sẽ giảm được lực cắt thái và tăng chất lượng thái so với cắt thái theo hướng pháp tuyến

Dùng một cân Rôbécval (hình 5.11a), trên đĩa A lần lượt đặt những quả cân N, (g) nặng khác nhau, bên đĩa kia thay bằng lưỡi dao B, lắp lưỡi quay lên trên Thí nghiệm cắt những cọng rơm C có bộ phận D giữ và đè cọng rơm vào lưỡi dao, đồng thời di chuyển được cùng với cọng rơm theo tay kéo E dọc theo cạnh sắc lưỡi dao với những độ dịch chuyển S mm Kết quả thí nghiệm được ghi trong bảng 5.1

Hình 5.11 Thí nghiệm cắt thái của Gơriatskin VP.

Bảng 1.1 Mối quan hệ giữa lực cắt N và độ dịch chuyển của dao S

Từ số liệu thí nghiệm trong bảng 1.1, có thể xây dựng được mối quan hệ giữa lực cắt N

và độ dịch chuyển S theo phương trình:

- Quá trình cắt thái có trượt là quá trình lưỡi dao cưa đứt vật thái vì lưỡi dao dù màI sắc đến đâu nhưng khi soi qua kính hiển vi vẫn có độ nhấp nhô như những răng cưa

Nếu lưỡi dao chỉ cắt theo hướng pháp tuyến (chặt bổ), đó là quá trình cắt thái bằng nêm, lực cắt thái phải hoàn toàn khắc phục ứng suất nén để cắt đứt vật thể Còn khi cắt thái

có trượt thì một phần lực cắt thái sẽ chỉ khắc phục ứng suất kéo, mà các vật liệu, nhất là các loại có sợi, đàn hồi như rau củ thì ứng suất kéo luôn luôn nhỏ hơn ứng suất nén, nhờ

đó, tổng hợp lực cắt thái sẽ nhỏ Ví dụ, đối với củ quả ứng suất nén σn = 86÷104N/cm2, ứng suất kéo σk = 45÷85 N/cm2

- Khi cắt thái có trượt bề rộng lát thái giảm, do đó quá trình cắt thái dễ dàng hơn Lát thái do đoạn ∆S của lưỡi dao thái trượt theo phương P với diện tích F (cm2) sẽ có bề rộng

bp nhỏ hơn bề rộng bn khi đoạn thái ∆S thái không trượt (theo phương N) cùng với diện tích F đó Trên hình hình 5.12 ta có:

bp =

p

n n

AAbAA

Hình 5.12 Tác dụng cắt trượt giảm chiều rộng lát thái

- Do tính chất đàn hồi của vật thái cũng làm giảm lực cắt thái Các vật thái trong nông nghiệp thường có tính đàn hồi và nhiều thớ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lưỡi dao vừa nén vừa trượt tương đối với chỗ tiếp xúc với vật thái Nếu vật cứng rắn không đàn hồi,

ít thớ thì cắt trượt bằng lưỡi dao không phát huy được tác dụng

5.1.4.2 Áp suất cắt thái riêng

Áp suất cắt thái riêng q là yếu tố chủ yếu trực tiếp đảm bảo quá trình cắt đứt vật liệu và liên quan đến các yếu tố khác thuộc phạm vi dao thái và vật liệu thái Nếu gọi lực cắt thái cần thiết là Q(N) và độ dài đoạn lưỡi dao là ∆S (cm) thì :

q = Q

S

∆ , N/cm (5.3)Nếu thái chặt bổ (không trượt):

- Đối với rơm q = 50÷120 N/cm

- Đối với rau cỏ q = 40÷80 N/cm

- Đối với củ quả q = 20÷40 N/cm

Khi cắt thái các vật đàn hồi, áp suất riêng gây ra hai giai đoạn: đầu tiên là lưỡi dao nén

ép vào vật thái một đoạn, rồi cắt đứt vật thái (hình 5.13) Trong quá trình lưỡi dao đi vào vật thái còn phải khắc phục các lực ma sát T1 do áp lực cản của vật thái tác động vào mặt bên của dao và T2 do vật thái dịch chuyển bị nén ép tác động vào mặt vát của cạnh sắc lưỡi dao

Nếu gọi Pt là lực cản cắt thái thì:

Q = Pt + T1 + T2cos σ (5.4)

σ- góc mài dao của lưỡi dao

Hình 5.13 Sơ đồ quá trình cắt thái bằng lưỡi dao.

a- lưỡi dao nén ép và cắt đứt; b- lưỡi dao có góc mài σ (ở một phía)

5.1.4.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt thái

a) Độ sắc của lưỡi dao

Độ sắc của lưỡi dao chính là bề dày s (mm) của cạnh sắc lưỡi dao Đối với các máy cắt thái s không vượt quá 100µm, nếu s quá 100µm lưỡi dao coi như bắt đầu cùn và thái kém

Rõ ràng là độ sắc s càng lớn thì áp suất riêng q càng tăng Nếu gọi ứng suất cắt của vật liệu

Hình 5.14 Góc cắt thái

c) Độ bền của vật liệu làm dao

Dao có độ bền cao thì lâu cùn, thái tốt Khi đó, công nén lớp vật thái do lưỡi dao tác động lúc bắt đầu cắt sẽ tốn ít hơn và công cản cắt thái cũng nhỏ hơn Các lực và công này thể hiện bằng đồ thị phụ thuộc vào độ thái sâu λ của lưỡi dao vào vật thái (hình 5.15)

Hình 5.15 Đồ thị phụ thuộc của lực cắt với độ thái sâuλ.

d) Vận tốc của dao thái

Vận tốc dao thái ảnh hưởng quá trình cắt thái, thể hiện cụ thể bằng đồ thị thực nghiệm biểu diễn sự biến thiên của áp suất riêng q (hoặc lực cắt thái Pt và công cắt thái Act) với vận tốc của dao thái vt (hình 5.16) Vận tốc tối ưu vt = 35÷40m/s

Hình 5.16 Đồ thị phụ thuộc giữa áp suất cắt thái riêng và vận tốc dao thái

e) Điều kiện trượt của lưỡi dao trên vật liệu

Khi đường trượt của lưỡi dao trên vật thái hay của vật thái trên lưỡi dao càng dài thì lực cản cắt càng giảm Để thể hiện hiện tượng trượt nói chung của lưỡi dao trên lớp vật thái, ta hãy vẽ và phân tích vận tốc v của một điểm M ở trên cạnh sắc lưỡi dao cong AB khi tác động vào lớp vật thái (hình 5.17)

Hình 5.17 Vận tốc của điểm M trên cạnh sắc lưỡi dao

Vận tốc v có thể phân tích làm 2 thành phần: thành phần vận tốc pháp tuyến vn (vuông góc với lưỡi dao) và thành phần vận tốc tiếp tuyến vt (theo cạnh sắc lưỡi dao) Vận tốc pháp tuyến vn chính là vận tốc của dao thái gập sâu vào vật thái gây nên tác động cắt thái Vận tốc tiếp tuyến vt gây nên chuyển động trượt tương đối của lưỡi dao trên vật thái

Theo định nghĩa của Gơriatskin, góc hợp bởi vận tốc v với thành phần pháp tuyến vn gọi là góc trượt τ, tỷ số giữa trị số vận tốc tiếp tuyến vt và vận tốc pháp tuyến vn gọi là hệ

Theo thực nghiệm, Gơriatskin đã chứng minh rằng lực cắt thái bắt đầu giảm nhiều ứng với trị số góc trượt nhất định của dao Theo thí nghiệm của Viện sĩ Ziablov V.A, lực cắt thái sẽ giảm nhiều với góc trượt τ ≥ 300 Như vậy có nghĩa là hiện cắt của dao đối với vật thái sẽ có một điều kiện chung để phát huy thật sự mạnh mẽ tác dụng cắt trượt, để giảm lực cắt thái được nhiều hơn

Phát triển các lý luận nghiên cứu về cắt thái của Gơriatskin V.P, viện sĩ Giưligốpski V.A đã phân tích bản chất vật lý và đi đến xác định điều kiện trượt của lưỡi dao trên vật thái như sau:

Xét các lực tác động giữa lưỡi dao với vật thái (hình 5.18)

Hình 5.18 Phân tích các lực tác động giữa lưỡi dao và vật thái

a) các lực do rau tác động vào dao; b) các lực do dao tác động vào rau với

góc τ < ϕ’; c) các lực do dao tác động vào rau với góc τ > ϕ’

Khi cắt thái chặt bổ, góc trượt τ = 0 thì lực tác động giữa lưỡi dao với vật thái chỉ có một lực pháp tuyến cắt thái (thẳng góc với lưỡi dao) theo phương vận tốc của lưỡi dao Trường hợp chúng ta cần nghiên cứu là góc trượt τ ≠ 0 Để đơn giản ta xét một lưỡi dao thẳng AB quay quanh một tâm quay O và cách tâm quay một đoạn r Để dễ phân tích, chúng ta sẽ vẽ tách riêng và xét các lực do vật thái (cuộng rau chẳng hạn) tác động vào dao thái (hình 5.18a) và các lực do dao tác động vào vật thái (hình 5.183b,c)

Trước hết, khi lưỡi dao tác động vào cuộng rau thì ở chỗ tiếp xúc M sẽ sinh ra lực pháp tuyến chống đỡ ngược chiều theo nguyên lý “lực và phản lực” Ở hình 5.18a, cuộng rau tác động vào lưỡi dao ở điểm Md với lực pháp tuyến N, còn ở hình 5.18b,c thì lưỡi dao tác động vào cuộng rau ở điểm Mr với lực pháp tuyến N = N’ nhưng ngược chiều Vì phương chuyển động của điểm Md ở lưỡi dao (theo véc tơ vận tốc v) không trùng với phương pháp tuyến (vì τ ≠ 0), cho nên lực pháp tuyến N’ có thể phân tích thành hai thành phần: lực P’ theo phương vận tốc chuyển động v, và T’ theo phương của lưỡi dao AB Ở đây, ta thấy rằng lực T’ này có xu hướng làm cho điểm Md của lưỡi dao trượt trên cuộng rau xuống phía dưới, khi đó sẽ xuất hiện lực ma sát F’ giữa lưỡi dao và cuộng rau hướng lên phía trên cản lại hiện tương đó, với trị số F’ = T’ Cũng xét như vậy theo hình 3b và 3c thì lực pháp tuyến N do lưỡi dao tác động vào điểm Mr của cuộng rau cũng có thể phân tích thành hai thành phần: lực P theo phương vận tốc v và lực T theo phương của lưỡi dao AB Ở đây, đối với cuộng rau, lực T có xu hướng làm cho điểm Mr của cuộng rau trượt theo lưỡi dao lên phía trên và cũng xuất hiện lực ma sát F giữa lưỡi dao và cuộng rau hướng xuống phía dưới, cản lại hiện tượng trượt đó với trị số F = T

Trên hình vẽ chúng ta thấy rằng góc trượt τ càng lớn thì lực T (hay T’) càng tăng, đồng thời lực ma sát F (hay F’) cũng vẫn có khả năng tăng theo, bằng T, khiến cho điểm Mr của cuộng rau không thể trượt theo lưỡi dao được Nghĩa là, mặc dù cắt thái với góc trượt τ ≠

0, nhưng hai điểm Mr của rau và Md của dao vẫn không tách rời nhau Trái lại, trong quá trình thái, điểm Md của dao vẫn cứ bám chặt lấy điểm Mr của rau mà nén xuống với lực tác

động P cho đến khi cắt đứt (tuy lúc nàyở Mr của rau có ba lực tác động P, T và F, nhưng F

= T và hợp lực của chúng là lực P)

Khi T tăng thì F sẽ tăng theo nhưng F chỉ tăng tới trị số lực ma sát cực đại Fmax (theo khái niệm về lực ma sát và góc ma sát) Trị số Fmax = Ntgϕ’ = N.f’, trong đó ϕ’ là góc ma sát giữa lưỡi dao và vật thái, f’ = tgϕ’ là hệ số ma sát Điều đặc biệt chú ý là trong trường hợp ma sát giữa lưỡi dao và vật thái này (coi như ma sát giữa đường thẳng và bề mặt) thì ϕ’ (hay f’) không cố định như các trường hợp ma sát thông thường giữa bề mặt với bề mặt

mà có thay đổi trị số ít nhiều Vì vậy, để phân biệt hiện tượng ma sát của lưỡi dao với vật thái, Gơriatskin gọi góc ϕ’ là góc cắt trượt và f’ là hệ số cắt trượt

Vậy khi τ tăng thì T và F tăng lên trong giới hạn T = F < Fmax nghĩa là khi τ < ϕ’ thì quá trình cắt thái chưa có hiện tượng “trượt tương đối” giữa các điểm của lưỡi dao tiếp xúc với các của cuộng rau (vì bị hiện tượng ma sát chống lại)

Nhưng khi τ tăng lên nữa (hình 4c) thì T tiếp tục tăng, trong lúc đó lực ma sát chỉ tăng tới trị số Fmax là không tăng được nữa, nghĩa là T> Fmax (hay τ > ϕ’), thì hiệu số lực T - Fmax

sẽ có xu hướng làm cho Mr của rau trượt đi, rời điểm Md của dao lên phía trên, ngược lại, điểm Md của dao trượt đi, rời điểm Mr của rau xuống phía dưới, bây giờ mới bắt đầu có hiện tượng “trượt tương đối” giữa dao và rau Khi đó quá trình cắt thái mới thực sự có trượt, dao mới phát huy được khả năng “cưa” cuộng rau bằng những lưỡi răng cưa rất nhỏ

và lực cắt thái mới giảm được nhiều Lúc này hợp lực của ba lực P, T và Fmax do dao tác động vào rau, không phải là lực P mà luôn luôn là lực R, nghĩa là dù τ lớn bao nhiêu đi nữa, dao cũng tác động vào rau bằng lực tổng hợp R mà thôi

Tóm lại, qua việc phân tích trên, Giưligốpski đã đề xuất ra ba trường hợp của quá trình cắt thái bằng lưỡi dao như sau:

- Trường hợp góc trượt τ = 0, quá trình cắt thái chặt bổ, chỉ có lực pháp tuyến và không

có lực tiếp tuyến

- Trường hợp góc trượt τ < ϕ’ quá trình cắt thái vẫn chưa có trượt, tuy nhiên có cả lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến (nhưng lực tiếp tuyến này chưa gây được hiện tượng trượt vì

ma sát)

- Trường hợp góc trượt τ > ϕ’ quá trình cắt thái có trượt tương đối giữa dao và vật thái,

do tác dụng của lực tiếp tuyến đủ lớn thắng được hiện tượng ma sát

e) Quan hệ giữa dao thái tấm kê thái

- Khe hở δ giữa cạnh sắc của lưỡi dao và cạnh sắc của tấm kê

Thực nghiệm đã cho ta thấy ảnh hưởng thể hiện bằng sự phụ thuộc của công suất cắt N với khe hở δ (hình 5.19) Trị số δ có một giới hạn thích hợp để đảm bảo cho N tương đối nhỏ

Hình 5.19 Đồ thị phụ thuộc của δ với N

Vật thái càng mảnh thì khe hở δ càng nhỏ, vì nếu không, lưỡi dao có thể bẻ gập thân vật thái xuống lọt vào khe hở và kéo đứt nó, giảm chất lượng cắt Nhưng δ cũng không thể nhỏ quá được, vì đĩa lắp dao và gối đỡ đều có độ dịch chuyển dọc trục cho phép, nếu độ dịch chuyển vượt quá giới hạn lưỡi dao có thể va vào tấm kê gây hư hỏng máy.

Ngoài ra, ở trống lắp dao quay với số vòng lớn, do lực ly tâm, dao cũng có độ võng ra phia ngoài Đối với máy thái rau cỏ, δ không quá 0,5 mm thì thái mới tốt Trường hợp dao kiểu trống quay với vận tốc lớn thì δ = 1÷4 mm

- Góc kẹp χ và điều kiện kẹp vật thái giữa cạnh sắc lưỡi dao và cạnh sắc tấm kê

Đây là một yếu tố ảnh hưởng trong trường hợp cắt thái kiểu “kéo cắt”, có một cạnh sắc lưỡi dao nữa (ở đây là cạnh sắc tấm kê) cùng phối hợp kẹp và cắt vật thái Góc BAC hợp bởi cạnh sắc lưỡi dao AC và cạnh sắc tấm kê AB nói chung là góc mở χ

Khi góc mở lớn hai cạnh sắc không kẹp giữ yên được vật thái mà có tác động đẩy nó

ra, khó cắt thái được Với một trị số góc mở nhỏ hơn đủ để hai cạnh sắc kẹp giỡ yên được vật thái để cắt được nó thì góc mở đó được gọi là góc kẹp χ Giá trị góc kẹp χ phải được bảo đảm khi thiết kế bộ phận dao thái có tấm kê và là điều kiện để dao và tấm kê kẹp được vật thái

Ta có thể xác định được điều kiện kẹp như sau: Xét vị trí cạnh sắc AC của lưỡi dao và cạnh sắc AB của tấm kê đang kẹp vật thái với giả thiết vật thái là hình tròn tâm O (hình 5.20)

Hình 5.20 Góc kẹp và điều kiện kẹp

Góc BAC là góc kẹp, ký hiệu là χ Lực N được phân tích thành hai thành phần: S theo hướng vuông góc với đường phân giác AO của góc kẹp χ và T theo hướng cạnh sắc AC Lực N’ cũng được phân tích tương tự thành S’ theo hướng vuông góc với phân giác AO và T’ theo hướng cạnh sắc AB Các thành phần S, S’ không làm cho vật thái chuyển động nhưng T và T’ thì có xu hướng đẩy vật thái ra ngoài Đồng thời các lực N và N’ gây ra các lực ma sát F và F’ tại các tiếp điểm M và M’ để chống lại các thành phần lực T và T’ Lực tổng hợp, do lưỡi dao tác động vào vật thái là R, do tấm kê tác động vào vật thái là R’ Theo sơ đồ ta có:

Khi T > F và T’ > F’ (F và F’ đạt trị số cực đại), nghĩa là khi:

Ntg2

Khi T = F và T’ = F’ nghĩa là χ = ϕ1’ + ϕ2’ thì các lực ma sát F và F’ đủ cản các lực T

và T’ và vật thái được kẹp yên

Khi T < F và T’ < F’ nghĩa là χ < ϕ1’ + ϕ2’ thì các lực ma sát thực tế không đạt được trị

số cực đại F và F’ nữa, mà chỉ đạt tới trị số cân bằng với các lực T và T’ đủ để chống lại hiện tượng đẩy vật thái ra ngoài Như vậy, vật thái càng được kẹp chặt hơn

Tóm lại điều kiện kẹp vật thái giữa cạnh sắc lưỡi dao và cạnh sắc tấm kê là góc kẹp χ <

ϕ1’ + ϕ2’ Đối với kiểu dao đĩa χ = 40÷450, dao trống χ = 20÷300

Nếu một trong hai góc cắt trượt ϕ1’ và ϕ2’có trị số nhỏ nhất, gọi là ϕ’min thì theo Viện sĩ Xablikôv, điều kiện kẹp hoàn toàn là χ<2ϕ’min., nếu ϕ1’=ϕ2’=ϕ’ thì điều kiện kẹp là χ<2ϕ’, nếu ϕ1’<

e) Độ bền và chất lượng của vật thái

Cụ thể ở đây là vấn đề lực cản cắt thái P của vật thái, độ ẩm W% của vật thái Thực nghiệm cho ta đồ thị chỉ sự phụ thuộc của áp suất cắt thái riêng q N/cm ới độ ẩm W% của vật tháI (hình 5.21).Khi độ ẩm còn thấp (8÷15%) áp suất cắt thái riêng tăng dần, nhưng khi

W > 15% thì áp suất riêng lại giảm đi

Hình 5.21 Đồ thị phụ thuộc của q với W%.

5.1.4.4 Năng lượng cắt thái và công cắt thái riêng

Năng lượng cắt thái và đặc biệt công cắt thái riêng Ar là thông số quan trọng nhất của quá trình cắt thái

a) Năng lượng cắt thái

Để xác định năng lượng cắt thái trước hết ta cần giả thiết rằng nhờ có các trục cuốn ép

năng lượng nén ép do lưỡi dao tác động vào vật thái trước khi cắt đứt Ngoài ra, ta cũng chỉ xét và tính toán trường hợp cắt thái có trượt (τ > ϕ’).

Để tính toán trong điều kiện đơn giản nhất, ta xét dao AB cách tâm 0 một đoạn p (hình 5.22) Mô men cắt thái được tính theo công thức:

τ - góc trượt hợp bởi hai vận tốc v và vn, đồng thời τ cũng bằng góc 0CA;

rcosτ và rsinτ - hai cánh đòn của hai lực N và F’

Hình 5.22 Sơ đồ tính năng lượng cắt thái.

Ta lại có:

N

F' = tgϕ’ = f’ là hệ số cắt trượt Do đó, đặt Nrcosτ làm thừa số chung, đồng thời thay thế trị số F’ = N tgϕ’ = Nf’ và sinτ/cosτ = tgτ, phương trình (5.10) sẽ thành:

Mct = Nrcosτ (1 + f’tgτ) (5.11)Ngoài ra, ở trên ta đã biết: N = q∆ S

Thay vào phương trình (5.11) ta sẽ được công thức chung tính mô men cản cắt thái:

Mct = q∆ Srcosτ (1 + f’tgτ) (5.12)Công suất cắt thái có thể tính bằng tích Mctϖ, trong đó ω là vận tốc góc, tức là ω =

dt

dθ

(θ - góc quay của dao; t - thời gian quay) Vậy công suất cắt thái bằng:

Mct.ω = q∆S rωcosτ (1 + f’tgτ) = q∆Sr

Hình 5.23 Xét đoạn dao thái ∆S với góc quay dθ.

Như vậy công suất cắt thái cần thiết được xác định bằng áp suất riêng q trên mỗi đơn vị

độ dài của lưỡi dao đã thái, diện tích được thái trong mỗi đơn vị thời gian

dt

dF

(có thể gọi

là “vận tốc cắt thái”) và hệ số đặc tính của dao

b) Công cắt thái riêng

Công cắt thái riêng là năng lượng cần tiêu thụ để cắt thái một đơn vị diện tích vật thái,

sẽ được suy từ công thức tính công suất:

Ar nhỏ nhất đối với các loại dao thái hoặc Ar tương đối nhỏ Các trị số q, f’ và τ có những mối liên hệ phụ thuộc lẫn nhau (hình 5.24) Các trị số đó có thể xác định bằng thực nghiệm

a) b)

c)

Hình 5.24 Các đồ thị phụ thuộc

a) q = f(τ); b) f’ = f(tgτ); c) A r = f(τ)

5.1.5 Lý thuyết tính toán máy cắt thái

5.1.5.1 Máy thái rau cỏ

a) Phân tích tổng quát sơ đồ dao thái

Một sơ đồ dao thái hợp lý ít nhất phải đáp ứng những như cầu sau đây:

- Năng lượng tiêu thụ để thái tốn ít nhất

- Tải trọng tác dụng lên trục máy phải tương đối đều đặn

- Vật thái phải được kẹp theo toàn bộ chiều dài làm việc của lưỡi dao

Gơriatskin đã nghiên cứu sơ đồ dao thái theo 9 đường cong toán học: đường xoắn hypécbôn, đường xoắn lôgarit, đường xoắn ácsimet, đường tròn lệch tâm, đường tròn khai triển, đường khai triển nghịch đảo của đường tròn, đường thẳng, đường ξ = Cte, đường r.cos(τ - ϕ) = Cte

Trong phạm vi giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu hai dạng đường thông dụng nhất của lưỡi dao ở các máy thái rau cỏ: đường thẳng và đường tròn lệch tâm

Sơ đồ và các kích thước cơ bản của hai loại dao thẳng và dao cong của hai đường lệch tâm này được trình bày trên hình 5.25

Ký hiệu các kích thước trên hình vẽ được quy định chung như sau:

a - chiều cao họng thái;

b - chiều rộnghọng thái;

h - khoảng cách từ trục quay tới lưỡi tấm kê thái theo đường thẳng đứng;

Hình 5.25 Sơ đồ tổng quát của dao thái lưỡi thẳng và cong

c - khoảng cách từ trục quay tới mép họng thái;

Ψ - góc quay của dao;

θ- góc quay của bán kính véctơ (trong toạ độ cực);

u - khoảng cách từ trục quay của đường nằm ngang đến điểm dịch chuyển của lưỡi dao theo cạnh sắc của họng thái;

ν - khoảng cách từ đường thẳng góc với lưỡi dao (kẻ từ tâm quay tới điểm của lưỡi dao mà ta xét;

τ - góc trượt;

χ - góc kẹp

Theo các sơ đồ trên, ta thấy ở dao thẳng, góc kẹp hợp bởi lưỡi dao và cạnh tấm kê thái của họng thái và ghóc trượt chínha là bằng góc hợp bởi lưỡi dao và bán kính véctơ ở dao cong, các góc này xác định bằng đường tiếp tuyến ở điểm của lưỡi dao mà ta xét Các kích thước cơ bản của sơ đồ dao thái này liên hệ với nhau theo các hệ thức chung như sau:

r

h = τ - arctg

uh

(5.19)

Theo những yêu cầu chung của sơ đồ dao thái nói trên, chúng ta có thể rút ra những yêu cầu cụ thể như sau:

- Góc trượt τ của các điểm trên lưỡi dao phải tăng dần cùng với bán kính vectơ r hay với u (u = r2-h2 ).

- Góc χ phải nhỏ hơn hay bằng 2ϕ’

- Độ dài của cung thái ∆S phải nhỏ (và nhỏ dần khi bán kính r tăng lên thì càng hay)

- Đại lượng

du

dΨ phải tăng lên theo u

Hai yêu cầu cuối bảo đảm cho tải trọng tác động lên trục máy được điều đặn, vì khi đó cùng một góc quay dΨ, độ ngậm sâu của lưỡi dao cắt vào vật thái sẽ giảm đi, đồng thời ∆S cũng nhỏ dần, nhờ vậy lực cản cắt thái sẽ gây ra những mômen cản cắt thái đều đặn hơn.Đối với mỗi sơ đồ dao thái cụ thể muốn chọn, ta cần phân tích 4 yêu cầu nói trên để xem loại dao đó thiết kế có hợp lý không

Trong sơ đồ tổng quát, chúng ta cần xét một vấn đề nữa là vị trí đặt họng thái so với tâm quay, tức là độ cao h đặt họng thái

Độ cao h là khoảng cách từ tâm quay theo đường thẳng đứng tới cạnh tấm kê thái của hang thái, đều có ảnh hưởng đến các đại lượng τ, χ và Ψ Vì vậy có thể coi nó là một đại lượng cơ bản để tính toán thiết kế

Thường cạnh đáy của họng thái đặt thấp hơn tâm quay, vì nếu ngược lại ta sẽ có góc kẹp bằng:

χ = τ - arctg

u

h

(5.20)Nghĩa là góc kẹp χ sẽ lớn quá, khó đảm bảo điều kiện kẹp (vì điều kiện này đòi hỏi χ< ϕ’)

Ngoài ra, nếu họng thái đặt thấp hơn tâm quay thì khi tăng h, trị só góc trượt cực đại τmax cũng sẽ tăng và thuận lợi hơn cho điều kiện thái hơn vì:

τmax ≤ χkẹp + arctg

maxuh

Do đó:

maxu

h = cb

h+ ≥ tg(τmax - χkẹp) (5.21)Tuy nhiên, h cũng không thể vượt quá một giới hạn nào đó, vì góc kẹp χ không thể bằng hoặc bé hơn không được, lưỡi dao sẽ có thể bị chạm vào cạnh sắc của tấm kê thái là điều cần tránh, khi khe hở lưỡi dao và tấm kê thái quá nhỏ

Từ phương trình:

χ = τ - arctg

uh

τhtgu

h-utg

Với điều kiện tgχ > 0 ta sẽ được tgτ >

u

h Trong dao thái, thường tgτmin < 1, và vì umin =

c cho nên theo hình 5.26 ta sẽ được:

Kích thước c cũng đóng vai trò quan trọng khi thiết kế dao thái Không được lấy c quá nhỏ vì phải chú ý khoảng lắp trục, gối đỡ,… Thường c = 75÷100 mm

Hình 5.26 Tính chiều cao đặt họng thái.

b) Phân tích tính toán sơ đồ dao thái lưỡi thẳng

Ta sẽ phân tích tính toán 4 yêu cầu cụ thể về tính chất biến thiên của góc trượt τ, góc kẹp χ, đoạn dao thái ∆S và đại lượng

du

dΨ đối với sơ đồ dao lưỡi thẳng (từ lúc dao bắt đầu cắt vào họng thái đến lúc dao cắt xong lớp vật thái ở họng thái) Hình 5.27 trình bày sơ đồ dao lưỡi thẳng AB với tâm quay O, cách tâm quay O một đoạn p (với các ký hiệu đã nêu chung ở trên)

- Góc trượt τ : Ta có thể viết phương trình cơ bản của đường thẳng AB cạnh sắc lưỡi

dao trong toạ độ cực (θ, r) như sau:

OA ='

' Như vậy, suốt quá trình thái, trong khi ν tăng thì vì p = Cte nên tgτ giảm và đường biểu diễn của tgτ =

Hình 5.27 Sơ đồ dao thái lưỡi thẳng

- Góc kẹp χ : Từ công thức chung (5.19), ta có:

tgχ = τ

τ

htg u

h utg

+

−

Ở lưỡi dao thẳng, tgτ thường nhỏ hơn 1, cho nên xét hệ số của biến u trên tử số thường

bé hơn hệ số của biến u dưới mẫu số của hàm Vì vậy, khi u tăng thì tgχ giảm, nghĩa là góc kẹp χ giảm: càng về cuối quá trình cắt thái, điều kiện kẹp càng đảm bảo Về mặt hình học, xét hình 5.27, ta cũng thấy ngay rằng góc kẹp χ = góc A’OH và khi lưỡi dao AB càng quay xuống để thái tiếp thì góc A’OH càng giảm Như vậy chỉ cần chú ý đảm bảo sao cho lúc bắt đầu dao cắt vào vật thái, tức là góc kẹp χ cực đại, thì phải có χmax ≤ 2ϕ’ là đảm bảo được đIều kiện kẹp

- Độ dài đoạn dao ∆S: Trên hình 5.28, ta có thể tính ∆S ở ba vị trí:

Vị trí I từ lúc dao bắt đầu cắt đến điểm A (từ u = u1 đến u = c), ta có:

a − −

(5.28)

Hình 5.28 Tính các độ dài đoạn thái ∆S.

Vị trí II từ điểm A đến điểm C (từ u = c đến u = u2), ta có:

∆S2 =

2sinχ

u c

b+ −

(5.30)

Ta thấy rằng ∆S thay đổi nhiều do dạng đường thẳng của lưỡi dao, nếu muốn giảm độ lớn của ∆S cho đều hơn mà không thay đổi dạng lưỡi dao hay dạng họng thái thì không thể đạt được

h u h

r

dr p r

dr

tg =Ngoài ra, do r2 = u2 + h2 nên r.dr = u.du

Thay các trị số liên quan vào phương trình dΨ và đơn giản ta được:

2

2 u h

u p h

+

−ν

Tóm lại, qua những phân tích tính toán trên, ta có thể rút ra những kết luận về sơ đồ dao lưỡi thẳng như sau:

- Hiện tượng cắt thái trượt kém, càng về cuối quá trình cắt thái càng bất lợi

- Mômen cản cắt thái thay đổi đột ngột quá lớn, tải trọng tác động lên trục không đều

- Dao lưỡi thẳng có một số ưu điểm như: càng về cuối quá trình thái, hiện tượng kẹp càng tốt; dao có hình dạng đơn giản, dễ chế tạo, dễ lắp, mài và điều chỉnh, bền; khi máy thái làm việc với số vòng quay lớn, dao đỡ phải nén ép vật thái trước khi cắt đứt, nhờ đó thái rau cỏ tươi đỡ bị ép mất nhiều nước

- Khi thiết kế dao cần chú ý khoảng cách p từ lưỡi dao đến tâm quay được coi là một đại lượng cơ bản của sơ đồ dao thái và dựa vào dó mà tính toán một số kích thước khác

- Kích thước c phải lớn hơn p, thường lấy c = 1,2p

- Độ cao h phải nhỏ hơn p, vì nếu ngược lại thì độ dài đoạn dao thái ∆S sẽ tăng lớn, có

trọng Thường h =

2

p

nhưng cũng không nên lấy nhỏ hơn nữa, nếu không sẽ tăng góc kẹp

χ, bất lợi cho hiện tượng kẹp

c) Tính toán sơ đồ dao thái lưỡi cong

Trong các loại dao thái lưỡi cong, đơn giản và phổ biến hơn cả là loại lưỡi cong theo đường tròng lệch tâm (hình 5.29)

Hình 5.29 Sơ đồ dao lưỡi cong theo vòng tròn lệch tâm.

- Góc trượt τ: Phương trình cơ bản của đường tròn O1 có bán kính R và tâm quay O với

độ lệch tâm e =OO1 trong toạ độ cực (θ, r) là:

R2 = e2 + r2+ 2.e.rcosθ (5.36)(Suy từ tam giác OMO1 với OO1 = e; OM = r; O1 = R và góc (e,r) = góc O1OM = π - θ);

θ là góc cực của điểm M, tức là góc hợp bởi bán kính vectơ OM với đường chuẩn OO1 kéo dài xuống phía dưới

Ta cũng suy từ tam giác OMO1 (hay từ tam giác OKO’1 cũng vậy, khi tâm O1 quay tới O’1, M tới K) với góc OMO1 =

sin)sin(

r e

R

(5.37)

Hay:

)cos(

cossinθ = τ = θ +τ

r e

π → τ = τmin = arccos

R e

Rõ ràng là nếu trên đường tròn lệch tâm (hình 2.29), ta lấy cung từ điểm C (có θ =

900 được vì khi đó sẽ không đảm bảo được điều kiện kẹp

- Góc kẹp χ: Theo hình 5.31, từ tam giác OHK, ta có:

Ngoài ra, từ các tam giác HFO, HDK và OGK ta suy ra:

rsin(π -θ) = hsinΨ - ucosΨsinθ =

Ψ

−cos

sin

e h

e u

(5.42)Theo công thức này, ta thấy khi u tăng thì tgχ cũng tăng dần, nghĩa là góc kẹp χ tăng lên từ trị số cực tiểu χmin (vào lúc bắt đầu thái) tới trị số cực đại χmax (vào cuối quá trình thái) Hoặc từ công thức (5.19) tính χ = τ - arctg

u

h, ta cũng có thể thấy rằng trong quá trình cắt thái τ tăng dần, u tăng thì số hạng arctg

u

h giảm, như vậy góc kẹp χ rõ ràng là tăng dần Vấn đề cần chú ý là phải bố trí thiết kế sao cho góc kẹp χmax ≤ 2ϕ’ ở cuối quá trình cắt tháI thì mới bảo đảm được điều kiện kẹp

Hình 5.31 Tính đoạn dao thái ∆S đối với dao lưỡi cong.

- Độ dài của đoạn dao thái ∆S: Trên hình 5.32, đoạn ∆S chính là cung chắn bởi góc

∆ϖ, nghĩa là ∆S = R ∆ω Mặt khác, theo hình vẽ ta có góc AOC = arccos

e h

R arccos 1 .cos arccos 2 .cos

(5.43)

Độ dài ∆S lớn nhất nằm trong khoảng AA’ và DD’ của họng thái và thay đổi ít đột ngột hơn, nhất là khi họng thái có chiều cao a nhỏ ∆S biến đổi đều lớn hơn so với lưỡi dao thẳng

Ψ = θ - arctg

u

h

(5.45)Lấy vi phân hai vế biểu thức (5.45), cho ta:

dΨ = dθ - 2 2

h u

du

dΨ

= 2 2

h u

h utg

+

−τ

(

sin

Ψ+

Ψ

Ψ

−

h u

e

e u

(5.47)

Do đó, khi u tăng thì

du

dΨ

cũng tăng (ngược lại với trường hợp lưỡi dao thẳng), nghĩa

là thuận lợi cho việc tác động đều đặn tải trọng lên trục máy

Tóm lại, ta có thể rút ra một số kết luận về sơ đồ dao lưỡi cong (theo vòng tròn lệch tâm) như sau:

- Hiện tượng cắt trượt thuận lợi (τ tăng dần trong quá trình thái)

- Tải trọng tác động lên trục máy tương đối đều đặn hơn dao thẳng

- Hiện tượng kẹp vật thái hơi kém ở cuối quá trình thái

- Về mặt chế tạo, sau lưỡi dao thẳng thì dao lưỡi cong theo vòng tròn lệch tâm là đơn giản hơn các đường cong khác, dễ chế tạo, khi mòn dễ phục hồi dạng lưỡi dao ban đầu bằng cách mài Khi cắt thép làm dao cũng tiết kiệm nhất (vì khi làm dao, nếu bán kính ngoài của dao này bằng bán kính trong của dao khác thì cắt thép rất tiện)

- Khi thiết kế dao cần chú ý đến tỷ số

R

e

= 0,8÷0,9, chọn lớn thì góc kẹp χ sẽ giảm

- Khi đặt họng thái cần xét đến miền giới hạn tác dụng của dao hợp bởi hai vòng tròn

có bán kính bằng R - e và R + e (hình 5.32), đó là hình vành khăn rộng 2c Họng thái phải đặt trong vành khăn đó

Như vậy phải có: c > R - e, hay:

(5.49)

Hình 5.32 Miền giới hạn tác dụng của dao

d) Tính toán sơ đồ dao thái lưỡi xoắn

Trong một số máy thái rau cỏ và máy liên hợp thu hoạch thức ăn ủ xanh trong chế biến thức ăn chăn nuôi thường dùng kiểu trống dao thái lắp các dao lưỡi xoắn Loại dao này thực tế có thể coi là loại dao lưỡi thẳng chuyển động tịnh tiến đối với cạnh sắc tấm kê thái của họng thái Tất nhiên, nếu coi chuyển động quay của dao lắp trên trống là tịnh tiến trong giới hạn họng thái, thì chỉ có thể là chiều cao của họng thái (tức là của lớp thức ăn) phải tương đối nhỏ so với chu vi của trống thái

Trên hình 5.33 trình bày sơ đồ khai triển của trống dao xoắn Dạng lưỡi dao khi làm việc là đường xoắn và khi ở thế khai triển là đường thẳng

Vận tốc tịnh tiến v của dao có thể phân tích làm hai thành phần: pháp tuyến vn và tiếp tuyến vt với lưỡi dao Góc hợp bởi thành phần pháp tuyến vn với vận tốc v là góc trượt τ Góc hợp bởi lưỡi dao (đã khai triển) với cạnh của tấm kê thái (song song với đường sinh của trống) chính là góc kẹp χ

a) b) Hình 5.33 Sơ đồ khai triển và đồ thị tính toán trống lắp dao xoắn

a) Sơ đồ khai triển trống lắp dao; b) Đồ thị biểu diễn sự biến thiên một số động lực học của dao xoắn.

Trên sơ đồ hình 5.33a, ta thấy ngay một đặc điểm của dao xoắn là:

Nghĩa là trong suốt quá trình cắt thái, góc trượt và góc kẹp đều bằng nhau và không đổi

Đoạn lưỡi dao ∆S: kết hợp với hình 5.33b ta thấy đoạn lưỡi dao chịu tải trọng từ điểm

1 tới điểm 2 tăng dần từ 0 đến trị số cực đại bằng:

∆Smax =

τsin

a

(5.52)

Từ điểm 2 đến điểm 3, ∆S vẫn giữ trị số cực đại đó, nhưng từ điểm 3 đến điểm 4 lại giảm từ trị số cực đại đến 0 Đồ thị biến thiên của ∆S trong một lần cắt thái theo góc quay của dao là một hình thang cân

Có thể coi là lực cắt thái P tác dụng tỷ lệ thuận với ∆S, do đó ta sẽ kết luận được là lực cắt thái P, mômen cắt thái Mct và công cắt thái Nct đều biến thiên theo quy luật hình thang cân như ∆S

Để cho tải trọng tác dụng lên trục trống được điều hoà và mômen cản cắt thái được cố định, ta phải bố trí sao cho khi các lưỡi dao lắp trên trống thái liên tiếp nhau, thì bất cứ ở góc quay Ψ nào (hay ΨR), toàn bộ đoạn dao thái ∆S phải không đổi Muốn vậy, khi thiết phải bố trí lắp các lưỡi dao sao cho đầu lưỡi dao này ngang hàng với cuối lưỡi dao liên tiếp

nó theo đường sinh của mặt trống Như vậy, trên đồ thị biểu diễn ở hình 2-48, các hình thang cân có chỗ trùng lên nhau một khoảng ứng với đoạn hoành độ ΨR = a Cũng từ lý luận trên, ta có thể tìm ra điều kiện bố trí lặp dao sao cho điều hoà được mômen và công suất cắt thái Mct, Nct, theo đẳng thức sau đây:

btgτ =

k

R

π2 (5.53)

Ψ1R =

k

ka

R+π2

(5.54)

R - bán kính của trống dao;

a - chiều cao của họng thái;

.btg k

arcsin

h R R

h tg

e) Động lực học của máy thái kiểu đĩa

Xét đồ thị mômen cắt thái (hình 5.35a) được xây dựng bằng cách tính toán mômen cắt thái theo công thức:

Mct = q∆Srcosτ (1 + f’tgτ) Ứng với từng trị số góc quay Ψ của dao trên cơ sở sơ đồ thiết kế cụ thể của bộ phận thái Các đại lượng ∆S, r, góc trượt τ, áp suất riêng q, hệ số cắt trượt f’ được đo và tính với từng vị trí của dao ứng với các góc quay Ψ

Tương ứng với đồ thị mômen cắt thái và từng trị số của góc quay Ψ của dao, ta có thể xác định được các vận tốc góc và vẽ đồ biến thiên của vận tốc góc (hình 5.35b) Từ đồ thị mômen có thể thể tính được trị số mônmen cắt thái trung bình Mcttb

Mcttb = k ∫2 /kΜct dΨ

02

Do đó, dùng diện tích kế đo diện tích này và với tỷ lệ xích xác định, ta sẽ tính được

Mcttb.Đó là mô men mà động cơ cung cấp cho máy thái mômen của động cơ bằng:

Mđc = Mcttb + Mck + Mcc (5.59)

Mck - mômen chay không của máy thái;

Mcc - mômen cung cấp vật thái vào máy

Có thể tính gần đúng các mômen Mck và Mcc theo tỷ lệ Mcttb: Mck : Mcc = 3 : 1 : 1.Khi đó:

Mđc ≈ 3

5

Mcttb (5.60)

Hình 5.35 Đồ thị mômen cắt thái (a) và đồ thị biến thiên vận tốc góc (b)

Về sự biến thiên vận tốc góc ϖ (hình 2-50b), ta có thể thấy rằng khi Mct > Mctcb thì vận tốc góc giảm, còn khi Mct < Mctcb thì vận tốc góc tăng Điều này có liên quan đến vai trò của bánh đà: khi mômen quay của Mđc lớn hơn mômen cản (lúc Mctcb >Mct) là lúc dao thái

ít hoặc không cắt thái, thì bánh đà phải tích luỹ động năng dự trữ Đến khi mômen Mđc nhỏ hơn mômen cản (Mctcb < Mct) là lúc dao cắt thái nhiều, quá tải, bánh đà sẽ cấp phát động năng dự trữ đủ để khắc phục được mômen cản Lượng động năng dự trữ này phải bằng công dư Adư, thể hiện bằng phần diện tích nằm trên đường Mcttb và giới hạn bởi đồ thị Mct.Các trị số vận tốc góc tăng giảm từ ϖmax đến ϖmin sẽ được xác định trên cơ sở vận tốc góc trung bình ϖtb và đọ quay không đều cho phép δω của các bộ phận quay theo các công thức:

2

min max ωω

min

2 max

tb J J

ωtb

d A

(5.64)

Để đảm bảo điều kiện làm việc bền vững của máy, phải giới hạn gia tốc góc ở trị số cực đại dϖ/dt < 10÷30 s-2 Như vậy:

J >

dt d

d

ω =

Tuy nhiên, công suất động cơ còn tiêu thụ để cung cấp vật thái cho máy và chạy không,

vì vậy còn cần phải tính theo mômen động cơ Mdc:

Ndc = Mdcωtb =

30

M dc n

π

n - số vòng quay trong một phút của máy thái, vg/ph

Các thành phần thẳng đứng của lực N và fN sẽ nén ép lớp rau cỏ xuống Còn để cuốn được rau cỏ vào họng thái thì điều kiện cần thiết là thành phần chiếu nằm ngang của lực

ma sát fN phải lớn hơn thành phần chiếu nằm ngang của lực N, tức là lớn hơn thành phần lực hướng ngược chiều cuốn và cản trở tác dụng cuốn, nghĩa là:

fN.cosα1 > N.sinα1 hay f > tgα1 (5.67)Góc ma sát ϕ của các trục cuốn với lớp rau cỏ phải lớn hơn góc α1: ϕ > α1

Nếu gọi chiều dày ban đầu của lớp rau cỏ là A và chiều dày cuối cùng là a, thì:

Do đó, đường kính của các trục cuốn sẽ bằng:

d =

1 2

1

1

11

cos1

α

α

tg

a a

+

−

−Α

=

−

−Α

(5.69)Nghĩa là d phải có điều kiện:

d >

2

f 1

11+

−

−a A

Độ nén rau cỏ của trục cuốn có thể tính như sau:

K =

d a

2

2

f1

11

f1

11

Hình 5.36 Tính các trục cuốn của rau cỏ rơm.

Thực nghiệm chứng tỏ rằng công mà các trục cuốn tiêu thụ để nén lớp vật thái và cuốn vào hộng thái khá lớn, đối với máy thái rau cỏ rơm chiếm tới 30-45% toàn bộ công của máy thái

f) Tính toán sử dụng

- Năng suất của máy thái rau cỏ rơm

Năng suất lý thuyết được tính như sau:

atb - chiều cao trung bình của họng thái, atb =

2

max min a

a +

, m;

b - chiều rộng của họng thái, m;

l - độ dài đoạn thái, m;

k - số dao;

γ - khối lượng thể tích của lớp rau cỏ được trục cuốn nén, kg/m3;

n - số vòng quay của máy, vg/ph

Năng suất thuần tuý và năng suất thực tế được xác định bằng đo cụ thể khi cho máy làm việc

- Độ dài đoạn thái

Độ dài đoạn thái l tính theo lý thuyết bằng công thức sau đây:

l =

k i

r c

)1(

2π −ε

rc - bán kính của trục cuốn, mm;

ε - độ trượt của trục cuốn trên lớp rau cỏ (ε ≈ 0,05);

i - tỷ số truyền từ trục máy tới trục cuốn

Đo thực tế: xác định bằng trị số độ dài trung bình ltb của các đoạn thái được phân loại theo các trị số li (ví dụ, phân loại theo l0 = 0, l1 = 10mm, l2 = 20mm,…), rồi tính theo công thức:

ltb =

P

l l P

n

i i i

∑ + + 0

1

P - khối lượng mẫu rau cỏ đã thái, P = ΣPi (có thể lấy P = 100g);

Pi - khối lượng các đoạn thái có độ dài từ li đến li+1 (ví dụ, P0 gồm các đoạn

ωc = c(1−ε)

c r

2πr c −ε

kl

(6.80)

5.1.5.2 Tính toán quá trình cắt thái của dao thái củ quả

a) Tác dụng của dao thái củ quả

Tác dụng của dao thái củ quả cũng coi như tác dụng của nêm sắc cắt vật thái Ta cũng phân biệt hai trường hợp cắt thái: cắt thái chặt bổ (không trượt) và cắt thái có trượt

Ở trường hợp cắt thái chặt bổ, lưỡi dao lắp thẳng hàng theo đường bán kính của đĩa lắp dao (hay lắp song song theo đường sinh của trống lắp dao) Trong trường hợp cắt thái có trượt, lưỡi dao đặt cách tâm quay của đĩa một đoạn p (hay đặt nghiêng một góc với đường sinh của trống, hoặc dùng loại dao lưỡi cong nào khác) Trong các máy thái củ quả thường gặp chủ yếu là áp dụng trường hợp cắt thái chặt bổ Nhất là khi dùng kiểu lưỡi dao răng lược thì phải áp dụng nguyên lý cắt thái không trượt mới có thể thái thành nhiều lát hẹp được

Nếu có hiện tượng thái trượt thì các răng lưỡi dao sẽ cùng bóc thành cả một lát rộng, gần như khi dùng lưỡi dao thẳng liền, không đạt yêu cầu thái thành những lát sợi hẹp

b) Sơ đồ quá trình cắt thành lát thái

Dao thái củ quả có lưỡi cắt thể hiện là một nêm có góc mài a (hình 5.37) Ban đầu, dưới tác động của lực thái P, dao ngập vào vật thái, ép lát thái vào một đoạn a Sau đó, khi lực P đã đạt trị số cần thiết sẽ tách được một phần lát thái dài l, lớn hơn đoạn ép a, sau đó quá trình được lặp lại

Hình 5.37 Sơ đồ quá trình tạo thành lát thái.

Đường cắt để bóc lát thái ra thường chưa tới mặt ngoài của lát thái, nhờ đó lát thái vẫn liền Độ dài l của mỗi phần lát thái, theo thực nghiệm, phụ thuộc vào chiều dày lát thái h và góc mài α, còn hầu như không phụ thuộc vào vận tộc cắt thái và chiều dày của lưỡi dao Tăng h và α thì l cũng tăng

c) Lực cản cắt thái

Ta có thể áp dụng công thức Gơriatskin V.P để tính lực cản cắt thái chung P:

P0 - lực cản cố định;

k - hệ số biến dạng, tính cho mỗi đơn vị diện tích mặt cắt ngang của lát thái;

b và h - chiều rộng và chiều dày của lát thái;

ε - hệ số ảnh hưởng của vận tốc;

v - vận tốc cắt thái

Công thức này tương tự với công thức tính lực cẳn cày đất

Các số hạng của công thức đã được Nôvikôv G.I nghiên cứu cụ thể hoá cho trường hợp dao cắt thái củ quả

Số hạng thứ nhất P0 là lực cản cố định phụ thuộc chủ yếu vào độ bền cơ học của vật thái, bề dày của lưỡi dao s (độ sắc), bề dày của lát thái h và góc mài α (phụ thuộc rất ít) Trị sô P0 được tính theo công thức:

B - hệ số phụ thuộc vào độ bền cơ học của củ quả (đối với khoai tây B = 6,5; củ cải

B = 10,4…)

∆S - chiều dài đoạn dao thái

m - hệ số mũ (đối với khoai tây m = 0,55, củ cải m = 0,53…)

2coscos5,0

3 ϕ αα

αϕϕ

h l

a

(5.109)

ω - góc ma sát của vật thái với cạnh dao

Số hạng thứ hai Pbd = kbh là lực cản biến dạng của lát thái và ma sát ở mặt trước mặt sau của lưỡi dao, có thể tính theo công thức thực nghiệm như sau: