Thiết lập các biểu thức tính toán cho quá trình cắt thái của dao thái củ quả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ   CHUYÊN ĐỀ Môn: Công nghệ và thiết bị Bảo quản chế biến nông sản Tên chuyên đề: Thiết lập các biểu thức tính toán cho quá trình cắt thái của dao thái củ quả. GVHD: TS. Đinh Vương Hùng SVTH : Hoàng Thị Hương Giang Lớp : Công thôn 39A Huế, 01/2008 Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng ĐẶT VẤN ĐỀ: Trong chăn nuôi, máy thái thức ăn chăn nuôi có nhiệm vụ làm nhỏ rau cỏ tươi, khô thành những đoạn (dài, ngắn), hoặc củ quả thành những lát (dày, mỏng), với những kích thước đoạn thái hay lát thái điều chỉnh được theo quy định đối với các loại vật nuôi. Đôi khi yêu cầu thức ăn có những kích thước rất nhỏ, không cần điều chỉnh và xác định độ dài đoạn thái cụ thể. Đó là nhiệm vụ của những máy băm rau cỏ, củ quả. Thức ăn thô được thái, băm so với cách cho ăn cả cây, cả củ sẽ tốt hơn vì súc vật tận dụng được rau củ cả non lẫn già, dễ nhai, dễ tiêu hoá hoặc thái rồi phơi sấy sẽ chóng khô hơn, sấy rồi đem băm thái cũng là để nghiền bột dễ nhỏ hơn. Các loại thức ăn chăn nuôi thường được cắt thái bởi lưỡi dao có dạng nêm phẳng hoặc nêm không gian. Lực cắt của dao gây một áp suất riêng đáng kể vào nguyên liệu cắt dẫn đến sự phá huỷ mối liên kết giữa các phần tử và làm tách rời chúng ra. Quá trình cắt thái phụ thuộc nhiều yếu tố như dạng hình học của dao, đặc tính nguyên liệu cắt, chế độ động học và động lực của bộ phận cắt, thái Hiện nay máy thái được sử dụng nhiều trong công nghệ 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 đều phải trải qua công đoạn thái. Vì thế máy thái có ý nghĩa quan trọng trong dây chuyền chế biến thức ăn chăn nuôi. SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 2 Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 1. Cơ sở lý thuyết của quá trình cắt thái: a. Cơ sở lý thuyết của quá trình cắt thái bằng lưỡi dao: Các bộ phận làm việc của những máy cắt thái dùng trong chăn nuôi (rau, cỏ, rơm, củ quả) 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 vuông góc với cạnh đó (Hình1a) hoặc bằng cách di chuyển cạnh sắc AB đó 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 tiép tuyến), nghĩa là theo hướng chéo tổng hợp r (hướng cắt nghiêng) (Hình 1b) Hình 1: Tác dụng cắt thái của lưỡi dao Những thí nghiệm của Viện sĩ Goriatskin V.P đã chứng minh rằng nếu cắt thái theo hướng nghiêng sẽ giảm được lực cắt cần thiết và tăng chất lượng vật liệu thái so với cắt thái theo hướng pháp tuyến. Thí nghiệm đó được tiến hành như sau: Dùng 1 cân Rôbecval (hình 2a), trên đĩa A lần lượt đặt những quả cân N, g nặng khác nhau, bên kia đĩa 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 bằng tay kéo E dọc cạnh sắc lưỡi dao với những độ dịch chuyển S SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 3 p Vật thái B r q p a) b) A Dao p Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng (mm). Kết quả được trình bày ỏ bảng 2.1 và được biểu diễn bằng đồ thị ở hình 2b. Hình 2: Thí nghiệm về cắt thái của Goriatskin. a- Dụng cụ thí nghiệm; b- Đồ thị phụ thuộc của lực cắt N vào độ dịch chuyển S. Bảng 2.1. Sự liên hệ giữa N (lực cắt ) và S (độ dịch chuyển của dao) N 600 500 400 300 200 100 S 1,5 2 8 20 100 160 S = A.e -N hoặc N 3 .S = C te Goriatskin gọi trường hợp cắt pháp tuyến (theo thí nghiệm S=0) là quá trình chặt bổ, cắt thái không trượt; trường hợp cắt nghiêng (theo thí nghiệm S≠0) là quá trình cắt thái có trượt. Rõ ràng là khi cắt thái có trượt, lực cần thiết để cắt thái giảm so với khi cắt thái không trượt. Ta cũng có thể giải SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 4 B a) N,g E A S, mm b) N,g O Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng thích điều này bằng một số cơ sở vật lý của quá trình cắt thái bằng lưỡi dao như sau: Lưỡi dao dù rất sắc nhưng khi soi qua kính hiển vi , cũng thấy rõ những răng lồi lõm như lưỡi cưa. Do đó khi lưỡi dao di chuyển có thêm hướng tiếp tuyến, nghĩa là có trượt, thì lưỡi dao sẽ phát huy được tác dụng cưa đứt vật thái. Còn lưỡi dao chỉ cắt theo hướng pháp tuyến ( chặt bổ), đó là quá trình cắt thái bằng nêm, lực cắt thái phải khắc phục ứng suất nén để cắt đứt vật thể. Khi cắt có trượt thì một phần lực cắt thái sẽ chỉ khắc phục ứng suất kéo mà các nguyên liệu (nhất là các loại có sợi, đàn hồi như rau củ) thì ứng suất kéo luôn nhỏ hơn đáng kể so với ứng suất nén. Nhờ đó tổng hợp lực cắt thái sẽ nhỏ. Hình 3: Tác dụng cắt trượt giảm chiều rộng lát thái. Ví dụ đối với củ quả ứng suất nén sẽ là α n =86÷104 N/cm 2 còn ứng suất kéo là α k = 45÷85 N/cm 2 Mặt khác khi cắt thái có trượt lưỡi dao trượt theo phương P làm cho đoạn thái ΔS có bề rộng thái b p nhỏ hơn bề rộng b n ứng với trường hợp cắt thái không trượt có cùng đoạn thái ΔS. Diện tích lát cắt S cả 2 trường hợp trên là bằng nhau nhưng đường dịch chuyển của lưỡi dao ở trường hợp cắt thái có trượt dài hơn. nnp b A b A F b === p n p AA A A cosτ Vì vậy quá trình cắt thái dễ dàng hơn, lực cắt thái nhỏ hơn. SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 5 F P N b n A ΔS A p b p Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng Tuy nhiên, cũng cần thấy rằng các nguyên liệu 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 của vật thái. Nếu vật thái cứng rắn không đàn hồi, ít thớ thì cắt trượt bằng lưỡi dao sẽ không hợp lý. 2. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt thái bằng lưỡi dao: Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt thái bằng lưỡi dao, tuy nhiên chúng ta chỉ xét đến một số yếu tố chính thuộc phạm vi dao thái và vật thái:  Áp suất riêng q: Áp suất riêng q (N/cm) của cạnh sắc lưỡi dao trên vật thái là yếu tố chủ yếu trực tiếp đảm bảo quá trình cắt đứt vật thái. Nó liên quan đến các yếu tố khác thuộc phạm vi dao thái và vật thái. Nếu gọi lực cắt thái cần thiết là Q (N) và độ dài đoạn lưỡi dao là ΔS (cm) thì áp suất riêng q được tính theo công thức sau: S Q q ∆ = ; N/cm Nếu cắt thái bổ không trượt, đối với củ quả q=20 - 40N/cm Khi cắt thái các vật đàn hồi áp suất riêng gây ra 2 giai đoạn: đầu tiên là lưỡi dao nén ép vật thái 1 đoạn rồi đến cắt đứt vật thái. Trong quá trình lưỡi dao đi vào vật thái dao còn chịu sự tác động của lực ma sát T 1 do áp lực cản của vật thái tác động vào mặt bên của dao và lực T 2 do vật thái dịch chuyển bị nén ép tác động vào mặt vát của cạnh sắc lưỡi dao. Nếu gọi P t là lực cắt thái thì P t được tính theo công thức sau: Q = P t + T 1 + T 2 cosδ trong đó δ là góc mài lưỡi dao  Các yếu tố thuộc về dao thái:  Độ sắc s (mm): Độ sắc lưỡi dao chính là chiều dày s của nó. Thông thường độ sắc cực tiểu đạt tới 20 - 40 μm. Đối với các máy thái trong chăn nuôi s không vượt quá 100 μm, nếu s > 100 μm coi như lưỡi dao bắt đầu cùn và thái kém. Độ sắc s càng lớn thì áp suất riêng q càng tăng. Nếu gọi ứng suất cắt của vật thái là σ c thì: q = s.σ c  Góc cắt thái α: là góc hợp bởi góc đặt dao β và góc mài σ : α = β + σ SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 6 Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng Góc đặt dao β phải tính toán sao cho lớp rau củ khi được dao thái xong lại tiếp tục được cuốn vào sẽ không chạm vào mặt dao, tránh ma sát vô ích. Vấn đề tính toán góc đặt dao β sẽ phụ thuộc vào vận tốc quay của dao thái, vận tốc nguyên liệu đi vào, dạng cạnh sắc của lưỡi dao Góc mài σ đã được Rezik N.E nghiên cứu và đề xuất năm 1975 theo công thức thể hiện ảnh hưởng đến lực cắt thái như sau: Q th = P t + ctgσ, N Trong đó: c là hệ số thứ nguyên; (N/cm) Q th là lực cắt thái tới hạn cần thiết (N) P t là lực cản cắt thái (N)  Góc mài dao σ nói chung nhỏ, nhưng vì độ bền của vật liệu làm dao có hạn, cho nên góc mài của máy thái rau củ thường lớn hơn hay bằng 12 0 . Đối với máy thái củ quả σ = 18 - 25 0 .  Độ bền của vật liệu làm dao: Dao có chất liệu bền thì lâu cùn, thái tốt. Khi dao sắc 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.  Vận tốc của dao thái v(m/s): Vận tốc cắt thái ảnh hưởng đến quá trình cắt thái thể hiện cụ thể bằng những đồ thị thực nghiệm biểu diễn sự biến thiên của áp suất riêng q hoặc lực cắt thái P t và công cắt thái A ct với vận tốc của dao thái (Hình 4). SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 7 0 7 11 V, m/s Q, N/cm a) Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng Hình 4: Đồ thị phụ thuộc của q, A ct , P t với v Theo Reznik, ta có thể tính theo công thức thực nghiệm: P t = 75.10 -0,0019 .q.v 2,6 + 40 Vận tốc tối ưu bằng 35 ÷ 40m/s c. Điều kiện trượt của lưỡi dao trên vật thái: Như chúng ta đã thấy ở trên, đường trượt của lưỡi dao trên vật thái (hay của vật thái trên lưỡi dao theo quan hệ tương hỗ) càng dài thì lực cản cắt thái càng giảm. Để thể hiện hiện tượng trượt nói chung của lưỡi dao trên lớp vật thái, ta hãy vẽ và phân tích (Hình 5) vận tốc v của một điểm M ở lưỡi dao khi tác động vào lớp vật thái. Vận tốc v có thể phân tích làm hai thành phần: thành phần vận tốc pháp tuyến v n (vuông góc với lưỡi dao) và thành phần vận tốc tiếp tuyến v t (theo cạnh sắc lưỡi dao). Vận tốc pháp tuyến v n chính là vận tốc của dao thái ngập sâu vào vật thái. Vận tốc tiếp tuyến v t gây nên chuyển động trượt của điểm M thuộc dao tương đối với điểm M thuộc vật thái. Theo định nghĩa của Goriatskin, góc hợp bởi vận tốc v (vận tốc tuyệt đối) với thành phần pháp tuyến v n gọi là góc trượt τ, tỷ số SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 8 A ct P t 20 0 10 20 V, m/s 0,5 0,7 0,9 40 60 A ct , J P t , kN b) Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng giữa trị số vận tốc tiếp tuyến v t và vận tốc pháp tuyến v n gọi là hệ số trượt ε: τε tg v v n t == Nhưng theo thực nghiệm, Goriatskin đã chứng mỉnh rằng lực cắt thái bắt đầu giảm nhiều, đáng kể, không phải ứng với bất kỳ góc trượt τ của dao có trị số tương đối nhỏ nào đó, mà 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 τ ≥ 30 0 . Như vậy có nghĩa là hiện tượng 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. Hình 5: Phân tích vận tốc của các điểm M ở cạnh sắc lưỡi dao AB khi tác động vào vật thái. Phát triển các lí luận nghiên cứu về cắt thái của Goriatskin, Viện sĩ Giuligopski V.A đã phân tích nội dung vật lí của vấn đề này như sau: Chúng ta hãy xét các lực tác động giữa lưỡi dao với vật thái: Tất nhiên, trong trường hợp 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 với lưỡi dao. Trong trường hợp chúng ta cần xét là góc trượt τ ≠ 0, đối với một lưỡi dao thẳng là AB quay quanh một tâm quay O (Hình 6) và cách tâm quay một doạn p (lấy trường hợp đơn giản). Để dễ phân tích, chúng ra sẽ vẽ tách riêng và xét các lực do vật thái (cuộng rau SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 9 M A V t O B V V n Chuyên đề môn học: CN & TBBQCBNSTP GVHD:TS. Đinh Vương Hùng chẳng hạn) tác động vào dao thái (Hình 6a) và các lực do dao tác động vào vật thái (Hình 6b và c). SVTH:Hoàng Thị Hương Giang 10 N ' V F ' B M d T ' H A P O P ' a) b) A N V R P B T F M r O [...]... tốc cắt thái v để xét ảnh hưởng của vận tốc v tới lực cắt thái Pct cà công cắt thái Act 4) Tính toán quá trình cắt thái của dao thái củ quả: a 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. .. 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 vật thái trước (ở các máy thái rau cỏ rơm đều có các cặp trục cuốn) nên có thể bỏ qua phần 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. .. dày của lưỡi dao Tăng h và α thì l cũng tăng Hình 14: Sơ đồ quá trình tạo thành lát thái c Lực cản cắt thái: Ta có thể áp dụng công thức Goriatskin để tính lực cản cắt thái chung P: P = P0 + kbh + εbhv2 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. .. rộng lát thái b và cũng là đoạn lưỡi dao ΔS sẽ bằng: P = P/ΔS = P/b = B sm δ + kh + 0,025hv2 (N/cm) d Tính năng suất lý thuyết của máy thái củ quả: Công thức tính năng suất chung cho các máy thái củ quả như sau: Q = Vt n γ 60 , t/h Vt - thể tích của củ quả do các dao thái được ứng với 1 vòng quay của đĩa hay trống, m3 n - số vòng quay của đĩa hay trống trong 1 phút γ - khối lượng 1m3 củ quả đã thái ,... 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 khi tiếp xúc với nhau vẫn không trượt đi, không rời nhau Trái lại, trong quá trình thái, điểm Md của dao vẫn bám chặt lấy điểm Mr của rau mà nén xuống với lực tác động P cho đến khi cắt đứt (tuy lúc này ở Mr của rau có ba lực tác động... thể tính bằng tỷ số khối lượng thể tích γ của củ quả và khối lượng riêng γ' của nó: k1 = γ , thường γ' bằng 0,75 ÷ 0,85 Trường hợp dùng dao lưỡi răng lược thì cứ hai lưỡi dao mới thái hết một lớp củ dày là h, vì vậy trong các công thức trên phải thay Z bằng Z/2 e Công suất cần thiết: Công suất cần thiết cho máy thái củ quả dùng để: • Thái củ quả (N1) • Thắng được ma sát của củ quả với mặt đĩa dao (N2)... vận tốc cắt thái Công thức này tương tự với công thức tính lực cản cày đất Các số hạng của công thức đã được Novikov G.I nghiên cứu cụ thể hoá cho trường hợp dao 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) Để tính P0 ta có thể dùng công thức: P0 = B ΔS sm δ SVTH:Hoàng... nguyên lý của các dụng cụ thí nghiệm cắt thái bằng lưỡi dao a- dụng cụ đo lực cắt thái và áp suất riêng b- dụng cụ đo góc cắt trượt c- dụng cụ đo công cắt thái (kiểu con lắc) Thay đổi góc trượt τ từ 00 đến 900 sẽ đo được các trị số tương ứng của góc ma sát φ', tức là góc cắt trượt φ' (trong trường hợp thí nghiệm đo ma sát của cạnh sắc lưỡi dao với vật thái M) Từ đó ta sẽ vẽ được đồ thị phụ thuộc của φ'... Vương Hùng Như vậy công suất cắt thái cần thiết được xác định bằng áp suất riêng q trên mỗi đơn vị độ dài lưỡi dao đã thái, diện tích được thái trong mỗi đơn dF vị thời gian (có thể gọi là "vận tốc cắt thái" ) và hệ số đặc tính của dao dt 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: A = M ct ω.dt... 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 . tốc v tới lực cắt thái P ct cà công cắt thái A ct . 4) Tính toán quá trình cắt thái của dao thái củ quả: a. Tác dụng của dao thái củ quả: cũng coi như tác dụng của nêm sắc cắt vật thái. Ta cũng. sở lý thuyết của quá trình cắt thái: a. Cơ sở lý thuyết của quá trình cắt thái bằng lưỡi dao: Các bộ phận làm việc của những máy cắt thái dùng trong chăn nuôi (rau, cỏ, rơm, củ quả) thường dựa. CHUYÊN ĐỀ Môn: Công nghệ và thiết bị Bảo quản chế biến nông sản Tên chuyên đề: Thiết lập các biểu thức tính toán cho quá trình cắt thái của dao thái củ quả. GVHD: TS. Đinh Vương Hùng SVTH