phân tích, tính toán sơ đồ dao thái lưỡi cong, từ đó đưa ra ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

Cơ sở lý thuyết của quá trình cắt thái bằng lưỡi dao Các bộ phân làm việc của những máy cắt thái dùng trong chăn nuôi rau, cỏ, rơm, củ, quả thường được dựa theo nguyên tắc thái bằng cạnh

1 Đặt vấn đề

Một đất nước phát triển nhanh phải có tầm nhìn xa về tương lai và có những dự đoán về nhưng biến động.Hiện nay trên thế giới nhu cầu vê ngũ cốc và các sản phẩm nông nghiệp ngày càng tăng nhanh trong khi lượng dữ trữ giảm mạnh.Trên thế giới, số các quốc gia đang thúc đẩy sản xuất năng lượng sinh học từ ngô, lúa mỳ và các sản phẩm nông nghiệp khác ngày càng tăng Thứ nhất: Sử dụng năng lượng sinh học thường được trợ cấp lớn

để tạo sự cạnh tranh với xăng và dầu diezel; Thứ hai: các thành phần tái sinh trong nhiên liệu sinh học hiện nay đang được tăng lên Cộng đồ

Nhưng vấn đề mà các nước gặp phải là:

Thứ nhất: trên thực tế việc sản xuất cả nhiên liệu và thức ăn đều cạnh tranh vì nguồn đất có thể sử dụng là hữu hạn;

Thứ hai: khi cầu ngũ cốc tăng không chỉ làm giá ngũ cốc tăng lên mà còn làm cho giá các lương thực khác cũng tăng lên: ví dụ: giá các sản phẩm thịt cũng tăng bởi vì chi phí thức ăn cho vật nuôi cao hơn;

Thứ ba: thêm đất dành cho sản xuất nhiên liệu thì sẽ ít đất hơn cho các cây trồng trọt

Đất nước ta là một đất nước nông nghiệp và việc phát triển nền nông nghiệp là một ưu tiên hàng đầu.với điều kiện khí hậu và đất đai thuân lợi ta phải tăng tốc độ phát triển bằng cách hiện đại hóa trong nông nghiệp

Chế biến nông sản phẩm là ngành kỹ thuật mà hầu hết các nước trên thế giới càng ngày càng quan tâm phát triển để nâng cao số lượng và chất lượng nông sản hàng hoá, đáp ứng như cầu tiêu thụ ngày càng tăng của con người và vật nuôi Việc cung cấp thức ăn chăn nuôi có ý nghĩa rất quan trọng có tính chất quyết định đến sốa lượng, chất lượng chăn nuôi Trong việc cung cấp thức ăn, ngoài vấn đề sản xuất thức ăn, thì vẫn đề chế biến có

ý nghĩa quan trọng: tăng khả năng tiêu hoá thức ăn, tăng chất lượng thức

ăn, súc vật đở tốn sức nhai thức ăn, ngăn ngừa bệnh tật cho vật nuôi, tận

nuôi, bổ sung cho cơ sở thức ăn, nhát là trong tình hình thiếu cân đối giữa đàn vật nuôi và thức ăn hiện nay Một trong những máy chế biến thức ăn thì máy thái thức ăn có nhiệm vụ làm nhỏ rau,c ỏ tươi, khô thành những đoạn (dài, ngắn) hoặc củ quả thành những lát (dày, mỏng) với những đoạn thái hay lát thái điều chỉnh được theo quy định đối với từng vật nuôi Các

bộ phận làm việc cuả những máy cắt thái dùng trong chăn nuôi (ra, cỏ, rơm, củ, quả) thường dựa theo nguyên lý cắt thái bằng cạnh sắc của lưỡi dao Do vậy mà tôi chọn chuyên đề “Phân tích, tính toán sơ đồ cho dao thái lưỡi cong, từ đó đưa ra ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng”

2 nội dung nghiên cứu

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

Các bộ phân làm việc của những máy cắt thái dùng trong chăn nuôi (rau, cỏ, rơm, củ, quả) thường được dựa theo nguyên tắc 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 với 2 mặt phẳng của lưỡi dao theo hướng P vuông góc với cạnh đó (hình 1.a) hoặc bằng cách di chuyển cạnh sắc AB đó theo hướng vuông góc với nhau Vừa theo phương P (hướng cắt pháp tuyến) vừa theo hướng q vuông góc với P (hướng cắt tiếp tuyến), nghĩa là theo hướng chéo hợp r (hướng cắt nghiêng) (hình 1.b)

A B q

Vật thái P p r p

Hình 1: Tác dụng cắt thái của lưỡi dao

Những thí nghiệm của Goriatskin V.P đã chứng minh rằng nếu cắt thái theo hướng nghiên sẽ tạo được lực cần thiết và tăng chất lượng thái so với cắt thái theo hướng pháp tuyến: Dùng Rôbécval (hình 2.a) trên đĩa A

Dao

lần lượt đặt những quả cân N, trọng lượng nặng khác nhau, bên kia đĩa thay bằng lưỡi cho B, lắp đĩa quay lên trên

D

a) b) S, mm

Hình 2: thí nghiệm về cắt thái của Gơriatskin

Thí nghiệm cắt những cọng rơm C có bộ phận giữ và để cọng rơm vào lưỡi dao, dồng thời di chuyển được cùng với cọng rơm bằng tay kéo E dọc cạnh sắc lưỡi dao với đọi dịc chuyển S mm Kết quả được trình bày ở bảng sau:

S=A.e-N hoặc N3S = C te Gơriatskin gọi trường hợp cắt pháp tuyến (theo thí nghiệm S=0) là quá trình chặt bổ, cắt thái không trượt, trường hợp cắt nghiên (theo thí nghiệm

S khác 0) là quá trình cắt thái trượt Rõ ràng khi cắt thái trượt, lực cần thiết

để cắt thái giảm so với khi cắt thái không trượt

2.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình cắt thái bằng lưỡi dao

a) Áp suất riêng q(N/cm) của cạnh sắc lưỡi dao trên vật khác: đây là yếu tố chủ yếu trực tiếp bảo đảm quá trình cắt đứt vật thái và liên quan đến các yếu tố khác thuộc phạm vi dao thái và vật thái

b) Các yếu tố chính về dao

+ Độ sắc S (mm) của cạnh sắc lưỡi dao: chính là chiều dày s của nó (hình 3) Thông thường độ sắc cự tiểu đạt tới 20-40 µm Đối với các máy thái trong chăn nuôi, S không vượt quá 100 µm, nếu S quá 100 µm lưỡi

dao coi như bắt đầu cùn và thái kém Rõ ràng độ sắc S càng lớn thì áp suất mất riêng q càng tăng

S

Hình 3: Cạnh sắc của lưỡi dao

+ Góc cắt thái  (hình 4)

+ Độ bền của các vật liệu làm dao

+ Vận tốc của lưỡi dao V

c) Điều kiện trượt của lưỡi dao trên vật thái: Như chúng ta đã biết đường trượt của lưỡi dao trên vật thái (hay của vật thái trên lưỡi dao quan

hệ tương hỗ) càng dài thì lực cắt thái càng giảm

d) Quan hệ giữa dao thái và tấm kê thái

+) Khe hở ô giữa cánh sắc của lưỡi dao và cạnh sắc của tấm kê +) Góc kép  và điều kiện kẹp vật thái giữa cạnh sắc lưỡi dao và cạnh sắc tấm kê

Với một trị số góc mở nhỏ hơn đủ để hai cạnh sắc kẹp giữa yên được vật thái để cắt được nó thì góc mở đó được gọi là góc kẹp  Giá trị góc kẹp

 phải được đảm bảo khi thiết kế bộ phận dao thái có tấm kê và là điều kiện

để dao và tấm kê kẹp được vật thái 

  1’ + 2’ Với 1’: góc trượt (tương tự góc ma sát) của cạnh lưỡi dao với vật thái

2’: góc cắt trượt (tương tự góc ma sát) của cạnh sắc tấm

kê với vật thái

e) Độ liền và chất lượng của vật thái





Hình 4: góc cắt thái

2.3 Mục đích của chuyên đề

- Phân tích, tính toán sơ đồ của dao lưỡi cong

- Nêu ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

2.4 Một số nội dung chính của đề tài

- Phân tích tổng quát

- Tính toán sơ đồ dao lưỡi cong

- Ưu nhược điểm của nó

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Dao lưỡi cong

3.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập số liệu

- Phương phá tính toán

4 Nội dung và kết quả nghiên cứu

4.1 Phân tích tổng quát

Một sơ đồ dao thái hợp lý nhất phải đáp ứng những nhu cầu sau: + Năng lượng tiêu thụ để thái tốn ít nhất

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

+ Vật thải phải được kẹp theo toàn bộ chiều dai làm việc của lưỡi dao Gơriatskin đã nghiên cứu sơ đồ dao thái theo 9 đường cong toán học: đường xoắn hypecpol, đường xoắn logarit, đường xoắn acsimet, đường tròn

lệch tâm, đường tròn khai triển, đường khai triển nghịch đảo của vòng tròn, đường thẳng, đường =Ct.e, đường r.cos(-4)=Ct.e Tuy nhiên, hai đường thông dụng nhất của lưỡi dao ở các máy thái rau cỏ rơm: đường thẳng, đường tròn lệch tâm

Sơ đồ cơ bản và các kích thước cơ bản của hai loại dao thẳng và cong theođường tròn lệch tâm này được trình bày ở hình 5

Hình 5: Sơ đồ tổng quát của dao thái

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

a- Chiều cao họng thái

b- Chiều rộng họng thái

h- Khoảng cách từ trục quay đến lưỡi tấm kê thái theo đường thẳng đứng

c- Khoảng cách từ trục quay tới mép họng thái theo đường nằm ngang

- góc quay của dao

- góc quay của bán kính vectơ (trong toạ độ cực)

u- Khoảng cách từ trục quay của đường nằm ngang tới điểm dich chuyển của lưỡi dao theo cạnh sắc của họng thái

v- Khoảng cách từ đường thẳng góc với lưỡi dao (kẻ từ tâm quay) tới điểm của lưỡi dao mà ta xét

- góc trược

- góc kẹp

Theo sơ đồ trên, ta thấy rằng ở dao cong q các góc này xác định rằng 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

r2 = u2 + h2

u = r.cos ( - )

h = r.sin ( - ) = u.tg ( - ) Hay  =  - arccos

r

u

=  - arcsin

r

h

=  - arctg

u

h

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

a) Góc trượt  của các điểm trên lưỡi dao phải tăng dần cùng bán kính vectơ r hay ứng với u (w= r 2 h2 )

b) góc  phải nhỏ hơn hay bằng 2’

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

d) Đại lượng d du phải tăng lên theo u

Hai yêu cầu cuối bảo đảm cho tải trọng tác dụng lên trục lên máy được đều đặn, vì khi đó cùng 1 góc quay d, đọ ngập dâu của lưỡi dao cắt

và vật thái dẽ giảm đi, đồng thời S cũng nhỏ dần, nhờ vậy lực cản cắt sẽ gây ra những mô men cản cắt thái đều 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 có thiết kế 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 của họng thái, đều có ảnh hưởng đến các đại lượng , , và  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:

=+arctgu h Nghĩa là góc kẹp  sẽ lớn quá, khó bảo đảm điều kiện kẹp (vì điều kiện này đòi hỏi 2’)

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

max  kẹp + arctg

max

u h

Do đó:

) ( max

max

kep

tg c b

h u

h



 





 Tuy nhiên, h cũng không thể vượt quá một giới hạn nào đó, vì góc kẹp  không thể bằng hoặc bé hơn không được, lưỡi dao sẽ có thể bị chạm (tiếp tuyến) vào cạnh sắc của tấm kê thái là điêu cần tránh, khi khe hở giữa lưỡi dao và tấm kê thái quá hẹp

Từ phương trình =+arctgu h

Ta có: tg = u utghtg h (2)

Với điều kiện tg>o ta sẽ được tgo ta sẽ được tg >o ta sẽ được tgu h Trong dao thái, thường tgmin <1 và vì umin = C cho nên ta sẽ được (hình 6)

h = cotg (min - min) Nhưng 1>o ta sẽ được tgtg(min - min) >o ta sẽ được tg 0, do đó h < c

Cuối cùng ta có điều kiện:

c >o ta sẽ được tg h  (b+c) tg (min - kẹp) 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 cách lắp trục, gối đỡ,

Thường c = 75 - 100 mm

Hình 6: tính chiều cao đặt họng thái

4.2 Tính toán sơ đồ dao thái lưỡi cong

Trong các loại dao thái lưỡi cong, đơn giản và phô biến cả là loại lưỡi dao cong đường tròn lệch tâm (hình 7)

Hình 7: sơ đồ dao lưỡi cong theo vòng tròn lệch tâm

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 (, r) là:

R2 = e2 + r2 + 2.e.r.cos

(Suy từ tam giác OMO1 với OO1 = e; OM = r; O1 = R và góc (e, r) = góc O1O =  - );  là góc cực của điểm M, tức là góc hợp bởi bán kính vectơ OM với chuẩn OO1 kéo dài xuống phía dưới

Ta cũng suy từ tam giác OMO1 (hay từ tam giác OKO1’ cũng vậy, khi tâm O1 quay tới O1’ , M tới K) với góc OMO1 = 2 - , góc

OO1M =  - (

2



- ) ta có hệ thức:

)]

2 ( sin[

) 2 sin(









r e

R

hay:

) cos(

cos sin       

r e

R

(3)

và rút ra:

cos = sin 

R

e

hay  = arccos( sin 

R

e

) Như vậy, ta sẽ vẽ được đường biểu diễn sự phụ thuộc của góc trượt  với góc cực  (hình 8) và thấy rằng :

Hình 8 : Đồ thị  phụ thuộc 

0  2 =>o ta sẽ được tg min

2  







 = 2 =>o ta sẽ được tg = min = arc cos R e 2





 =>o ta sẽ được tg min <  

2



Rõ ràng là nếu trên đường trong lệch tâm (hình 7) ta thấy cung từ điểm O (có  = 2 và = min) trở lên làm lưỡi dao, nghĩa là các điểm M của dao đều có góc trượt  tăng ( từ min đến 2 ) , tương ứng với đoạn CB của đồ thị ()), thì lưỡi dao cong theo vòng tròn lệch tâm sẽ có góc  biến thiên hợp lý (tăng dần càng về cuối quá trình cắt thái)

Cần chú ý rằng góc  chỉ nên lấy trong khoảng min và max sao cho công thức cắt thái riêng A2 đạt trị số tương đối nhỏ

Như vậy, min = arccos R e ở hình 8, phải lấy bằng trị số ở hình 9 Còn max ở điểm uốn của lưỡi dao sẽ chỉ lấy bằng trị số 2 ở hình 9 (max =

50 - 600, không thể lấy tới 900 được)

Hình 9 : Sự phụ thuộc của công riêng Ar với góc trượt 

Bây giờ ta xét đến góc kẹp 

Theo hình 7, tam giác OHK cho ta :

h = r(cos - ) và u = r

Do đó:

r.cos = h cos - u.sin  hay

cos = h.cosr u.sin Ngoài ra, từ các tam giác HIO, HDK và OGK ta suy ra

r.sin ( - ) = h.sin + u.cos

hay

in =

r

 cos sin

h 

Từ công thức (2) tính tg, ở đây tg có thể >o ta sẽ được tg1 và suy ra từ công thức

(3) ta được tg =





sin

cos

e

r

, thay các trị số vào công thức tính tg, sau khi đơn giản, sẽ được:

tg = h u e e..cossin Theo công thức này, ta thấy khi u tăng thì tg cũng tăng dần, nghĩa

là góc kẹp  tăng lên từ trị số cực tiểu min (vào lúc bắt đầu thái) tới trị số cực đại max (vào cuối quá trình thái) Hoặc từ công thức (1) tính  = -arctagu h , ta cũng có thể thấy ngay rằng trong quá trình cắt thái  tăng dần,

u tăng thì số hạng arctag u h giảm, như vậy góc kẹp  rõ ràng tăng dần Vấn

đề cần chú ý là phải phân bố từ thiết kế sao cho góc kẹp max  2’ (ở cuối lúc cắt thái) mới đảm bảo điều kiện kẹp

Hình 10::Tính đoạn dao thái S đối với dao lưỡi cong

Về độ dài đoạn dao thái S được tính theo hình 10 như sau:

Đoạn S chính là cung chắn bởi góc w, nghĩa là S = R w

Mặt khác, theo hình vẽ ta có góc AOC = arc cos k1 R và góc BOC = arc cosk 2 R

Đồng thời k1 = h1 + e.cos và k2 = h2 + e.cos

Do đó:

S = R (arc cos

R

e cos 

h1 

- arc cos

R

e cos 

h2 

)

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

Cuối cùng, ta xét đến tỷ số d du Hình sau ta cho ta

Hình 11:Tính các độ dài đoạn S

u = h.tg( - ) hay

( - ) = arctagu h Vậy:  =  - arctagh u

Lấy vi phân hai về ta được: d = d - 2 2

.

h u

du h



Ngoài ra, ta lại có udu = rdr và tg = r dr.d , từ đó thay thế các trị số vào phương trình của d sẽ rút ra :

2

u

h utg du

d







và d du e(wcosue.sinhsin)

Do đó, khi tăng thì d du cũng tăng, nghĩa là thuận lợi cho việc tác động đều đặn tải trọng lên trục máy

4.3 Ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng

4.3.1 Ưu điểm

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

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

- Dễ chế tạo, khi mòn dễ phục hồi dạng lưỡi dao ban dầu bằng cách mài Khi cắt để làm dao cũng tiết kiệm nhất (vì khi làm dao, nếu bán kính ngoài của dao này bằng bán kính trong của dao thì cắt rất tiện)

4.3.2 Nhược điểm

Hiện tượng kẹp vật thái hơi kém ở cuối qúa trình thái

4.3.3 Phạm vi ứng dụng

Hiện nay máy thái được sử dụng nhiều trong công nghiệp chế biến thức ăn gia súc Phần lớn các nguyên liệu sử dụng làm thức ăn gia súc, nhất

là các thức ăn tươi, như các loại rau, củ, quả điều phải trải qua công đoạn thái Riêng đối với dao lưỡi cong thì thường được sử dụng để thái rau, cỏ, rơm

Khi thiết kế dao cần chú ý đến tỷ số R e , một đại lượng được coi là thông số cơ bản của sơ đồ dao thái lưỡi cong, từ đó suy ra nhiều kích thước khác

Hình 12: Miền giới hạn tác dụng của dao

Như ta đã biết cos min F = R e , với min = 25 - 350 thì phải chọn R e = 0,8-0,9, chọn R e lớn thì góc kẹp  sẽ giảm