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 QUÁ TRÌNH CẮT NGANG TRE LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, năm 2021 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 QUÁ TRÌNH CẮT NGANG TRE Ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Dương Văn Tài TS Nguyễn Văn Bỉ Hà Nội, năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, hướng dẫn khoa học PGS.TS Dương Văn Tài TS Nguyễn Văn Bỉ Các kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cảm ơn, thơng tin trích dẫn luận án rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2021 Hướng dẫn khoa học PGS.TS Dương Văn Tài TS Nguyễn Văn Bỉ Tác giả luận án Hoàng Hà MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Ở 11 Việt Nam diện tích rừng tre nứa có khoảng 1.100.000ha, chiếm 4% diện tích rừng toàn quốc, bao gồm 14 chi 140 loài khác , [1] Trong số lồi có diện tích, trữ lượng lớn có giá trị kinh tế cao loài tre thuộc chi Dendrocalamus Từ bao đời nay, tre nứa gắn chặt với đời sống người dân Việt Nam, tre nứa trở thành vũ khí chống giặc ngoại xâm, tre chống gió bão, chắn sóng, giữ đất, giữ nước, bảo vệ mùa màng, từ xa xưa nhân dân ta biết dùng tre để làm nhà cửa, làm dụng cụ gia đình Tre có đặc điểm là: sinh trưởng nhanh, dễ trồng, dễ chăm sóc, thân tre sử dụng nhiều mục đích, sản phẩm làm từ tre nước châu Âu ưa chuộng Với đặc điểm việc gây trồng phát triển rừng tre nhiều địa phương đầu tư phát triển, tre trồng thành rừng tập trung với diện tích lớn số tỉnh Miền Bắc Hàng năm, Việt Nam, khối lượng tre, nứa khai thác khoảng 300 - 350 nghìn tấn, chiến lược phát triển giai đoạn 2010 - 2020 Nông nghiệp phát triển Nông thôn dự kiến đến năm 2020 đưa sản lượng khai thác tre, nứa lên 500 - 550 nghìn để phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế Tre nứa Việt Nam trước sử dụng sản xuất giấy thủ công mỹ nghệ, ngày tre sử dụng chủ yếu công nghiệp sản xuất ván sàn, hàng thủ công mỹ nghệ sản xuất đồ nội thất Theo báo cáo Cục chế biến nông lâm sản thị trường thuộc Bộ Nông nghiệp phát triển nơng thơn, Việt Nam có khoảng 1000 doanh nghiệp chế biến tre hàng trăm ngàn hộ gia đình sản xuất đồ thủ cơng 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, 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 cơng nghệ chế biến tre cịn 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, q 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 công 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 hồn thiện cưa đĩa cắt ngang tre cần phải nghiên cứu động lực học để từ xác định thông số tối ưu cưa đĩa cắt ngang tre Với lý trình bày trên, luận án nhận thấy nghiên cứu trình gia công cắt gọt tre cưa đĩa cần thiết, lý tơi chọn thực đề tài: "Nghiên cứu số thông số đôngg̣ hoc,g̣ đơngg̣ lưcg̣ hocg̣ cưa đĩa q trình cắt ngang tre " Mục đích nghiên cứu luận án Xây dưngg̣ sở khoa học để từ ti ń h tốn xác đinḥ mơṭ số thơng sốđộng học, động lực học hơpg̣ lýcủa cưa điã trình cắt ngang tre nhằm nâng cao suất vàchất lươngg̣ bềmăṭcắt, làcơ sởkhoa hocg̣ cho viêcg̣ ti ń h tốn thiết kếchếtaọ cưa điã cắt ngang mơṭsốlồi tre ởViêṭNam 3 Những đóng góp luận án Đãxây dưngg̣ đươcg̣ mô hiǹ h đôngg̣ lực hoc,g̣ thiết lâpg̣ đươcg̣ g̣ phương triǹ h vi phân chuyển đôngg̣ điã cưa quátri ǹ h cắt ngang tre, tính tốn độ cứng đĩa cưa, kết quảkhảo sát g̣phương triǹ h vi phân chuyển đôngg̣ lưỡi cưa cho thấy taị vâṇ tốc quay đĩa cưa khoảng v=3500-4500 vòng/phút thim ̀ ô men đôngg̣ lươngg̣ điã cưa làlớn Đa ̃xây dưngg̣ đươcg̣ mơ hình tính tốn rung động điã cưa, thiết lập phương trình vi phân dao động hệ với nghiệm nó, đa ̃ tiến hành khảo sát biên độ dao động ngang đia ̃ cưa miền thời gian phần mền Matlab-simulink, từ kết khảo sát đềxuất giải pháp giảm rung đôngg̣ điã cưa Đa x ̃ ây dưngg̣ đươcg̣ mô hiǹ h nghiên cứu thưcg̣ nghiêṃ đôngg̣ lưcg̣ hocg̣ cưa điã cắt ngang tre, đa ̃ xác đinḥ đươcg̣ môṭsốthông sốđôngg̣ lưcg̣ hocg̣ cưa điã phucg̣ vu g̣cho toán khảo sát vàkiểm chứng mơ hi ǹ h tinh́ tốn lýthuyết đa ̃lâp,g̣ mơ hiǹ h thiń ghiêṃ cóthểsử dungg̣ đểnghiên cứu cắt goṭtre nứa Đã xây dựng công thức thực nghiệm xác định lực cản cắt riêng đô g̣mấp mô bềmăṭmacḥ cắt, xác định thông số hơpg̣ lýcủa cưa điã cắt ngang tređólà: góc cắtδ = 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 vàcông suất đôngg̣ N=1,854 kw với thông số hơpg̣ lýtrên cho lực cản cắt riêng lànhỏ nhất, chất lươngg̣ bềmăṭcắt làcao Ý nghiã khoa hocc̣ kết quảnghiên cứu đềtài luâṇ án Kết quảnghiên cứu đềtài luâṇ án đa ̃xây dưngg̣ đươcg̣ mô hiǹ h, thiết lâpg̣ đươcg̣ phương trinh̀ tinh́ toán lưcg̣ tác dungg̣ lên phần tử cắt, g̣ phương trinh̀ vi phân chuyển đôngg̣ điã cưa, g̣phương trình rung đôngg̣ điã cưa, từ phương triǹ h lâpg̣ đươcg̣, tiến hành khảo sát ảnh hưởng môṭsốthông sốcủa cắt,vâṇ tốc quay đĩa cưa đến hàm mucg̣ tiêu đôngg̣ lưcg̣ hocg̣ cưa điã cắt ngang tre Kết quảkhảo sát lýthuyết vàkết nghiên cứu thưcg̣ nghiêṃ đa ̃xác đinḥ đươcg̣ môṭsốthông sốhơpg̣ lýcủa cưa điã cắt ngang tre Kết quảnghiên cứu làcơ sởkhoa hocg̣ cho viêcg̣ tinh ́ toán thiết kếchếtaọ cưa điã cắt ngang mơṭsốlồi tre ởViêṭNam Ý nghiã thực tiễn đềtài luâṇ án Kết nghiên cứu luận án cóthểđược sử dụng cho việc thiết kế chế tạo cưa điã cắt ngang tre, ngồi cịn sử dungg̣ đểlàm tài liêụ tham khảo cho sởsử dungg̣ cưa điã cắt ngang tre vàcác sởgia công chếbiến tre ởViêṭNam Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tài nguyên tre Việt Nam Ở Việt Nam tre nứa chiếm 11,4% diện tích rừng tồn quốc với diện tích khoảng 1.100.000 ha, bao gồm 14 chi 140 loài khác nhau, có số lồi trồng với diện tích lớn, có giá trị sử dụng là: - Tre gai (Bambusa stenostachya Hack): Được trồng rộng rãi Miền Bắc từ đồng đến miền núi, hình ảnh lũy tre bao bọc xóm làng thân thuộc với miền quê Việt Nam Tre gai có nhiều cành, nhiều gai, thân tre mọc quần tụ, chen kít thành cụm 100 Kích thước trung bình: Thân cao 14m, đường kính 8cm, lóng dài 26cm, thành tre dày 1,7cm, thân tre tươi nặng khoảng 28 kg - Mai (Dendrocalamus giganteus Munro): Mai trồng nhiều Miền Bắc Việt Nam Mai lồi tre có thân mọc cụm 100 cây, thân không gai, thẳng Kích thước trung bình cây: Đường kính 10-15 cm, chiều cao 15-20m, lóng dài 33 cm, thành tre dày 1,5cm, thân tre tươi nặng khoảng 40 kg - Luồng (Dendrocalamus membranaceus Munro): Luồng loài địa trồng rộng rãi tỉnh Thanh Hố, Hồ Bình, Nghệ An gây trồng vùng nguyên liệu giấy Phú Thọ Luồng mọc theo cụm 100 cây, thân thẳng không gai, sinh trưởng nhanh sau năm khai thác làm nguyên liệu giấy sử dụng cho mục đích khác Kích thước trung bình luồng: Chiều cao 18-20m, đường kính 10-12cm, lóng dài 30cm, thành tre dày 1cm, thân tre tươi nặng khoảng 35 kg - Diễn trứng (Dendrocalamus latiflorus Munro): Diễn trứng trồng nhiều vùng trung tâm Bắc Bộ Đông Nam Bộ, thân không gai, thẳng mọc quần tụ thành cụm 100 Kích thước trung bình: Thân cao khoảng 14 m, đường kính 8-10 cm, thành tre dày 1,1cm, thân tre tươi nặng khoảng 22 kg - Mạy sang (Dendrocalamus sericeus Munro): Mạy sang mọc tự nhiên thành quần thể rộng lớn vùng Tây Bắc, lồi tre khơng gai, chúng mọc quần tụ thành cụm 100 mọc hỗn giao với gỗ Kích thước trung bình: thân cao 13 m, đường kính 7cm, lóng dài 21 cm, thành tre dày 1,3 cm, thân tre tươi nặng khoảng 20 kg - Lồ ô (Bambusa procera A Chev.et A Camus): Lồ lồi phong phú rừng tre nứa tự nhiên Miền Nam Việt Nam, chúng mọc lồi cịn khoảng 200.000 tập trung chủ yếu miền Nam Tây Ngun, Bình Phước, Đồng Nai Lồ lồi tre khơng gai, thân tre mọc quần tụ thành cụm 100 mọc hỗn giao với gỗ Kích thước trung bình: Đường kính khoảng cm, thân cao 15m, lóng dài 42cm, thành tre dày 1cm, thân tre tươi nặng khoảng 15 kg Vầu (Indosasa amabilis McClure): Vầu lồi tre có thân mọc phân tán, chủ yếu mọc rừng tự nhiên vùng Tây Bắc, thân thẳng khơng có gai Kích thước trung bình cây: Thân cao 12m, đường kính 6cm, lóng dài 25 cm, thành tre dày 0,8 cm, thân tre tươi nặng khoảng 12 kg Rừng tre nứa Việt Nam chia làm loại - 1.1.1 Rừng tre nứa tự nhiên Diện tích rừng tre tự nhiên Việt Nam chiếm khoảng 70% tổng diện tích rừng tre, với diện tích 789.221 tổng trữ lượng khoảng 8,3 tỷ Đối với rừng tre tự nhiên có chủ yếu rừng thứ sinh nghèo kiệt, hỗn loài Những năm trước việc khai thác chủ yếu tập trung lợi dụng tài nguyên sẵn có mà chưa ý đến quản lý, nuôi dưỡng tái sinh, dẫn đến chất lượng sản lượng rừng tre ngày suy giảm Loài chủ yếu loại rừng tự nhiên giang, nứa, vầu Với đặc tính sinh trưởng nhanh, với việc thực nhiều biện pháp kỹ thuật khoanh nuôi bảo vệ, xúc tiến tái sinh, vài năm gần diện tích chất lượng rừng tre nứa tự nhiên phục hồi 1.1.2 Rừng tre trồng tập trung Trong năm gần nhận thức giá trị rừng tre, nhiều địa phương, đơn vị tích cực trồng hàng trăm nghìn rừng Địa phương có nhiều rừng tre trồng là: Thanh Hố với diện tích khoảng 47.038 ha; Phú Thọ khoảng 27.000 ha; Nghệ An khoảng 17.000 ha; Hoà Bình khoảng 12.000 ha; Sơn La khoảng 8.000 ha; Yên Bái khoảng 7.000 ha; … Rừng trồng có diện tích so với rừng tự nhiên lại nơi cung cấp sản lượng tre chủ yếu cho xây dựng thủ công mỹ nghệ, sản xuất công nghiệp Rừng trồng có điều kiện áp dụng kỹ thuật chăm bón, thâm canh, nên suất chất lượng tre tốt nhiều so với rừng tre nứa tự nhiên 1.1.3 Tre trồng phân tán Tre loài gần gũi với đời sống nhân dân ta, với đặc điểm dễ trồng, sinh trưởng nhanh, đa mục đích nên nhân dân trồng nhiều quanh nhà, quanh làng, ven đê, có trữ lượng hàng triệu Theo kết kiểm kê rừng năm 2018 [1], trữ lượng tre nứa vùng toàn quốc ghi bảng 1.1 Bảng 1.1 Trữ lượng rừng tre nứa toàn quốc Tên vùng Trung du miền núi phía Bắc 1.1 Tiểu vùng Tây Bắc 1.2 Tiểu vùng Đông Bắc Đồng sông Hồng Bắc Trung Bộ Duyên hải Miền Trung Tây Ngun Đơng Nam Bộ Tổng tồn quốc PHỤ LỤC 07 Ứng suất nén dọc thớ tre : Diễn trứng độ tuổi thứ 5, độ ẩm mẫu thí nghiệm: w=70% Số TN 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 TB B (mm) PHỤ LỤC 08 Mô đun đàn hồi hệ số đàn hồi nén dọc thớ tre luồng độ tuổi thứ 5, độ ẩm mẫu thí nghiệm: w=70% Số TN Lo(mm) 20 20 20 20 20 20 20 20 20 10 20 11 20 12 20 13 20 14 20 15 20 16 20 17 20 18 20 19 20 20 20 21 20 22 20 23 20 24 20 25 20 26 27 20 28 20 TB 20 PHỤ LỤC 09 Mô đun đàn hồi hệ số đàn hồi nén dọc thớ tre Mai độ tuổi thứ 5, độ ẩm mẫu thí nghiệm: w=70% Số TN Lo(mm) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 TB PHỤ LỤC 10 Mô đun đàn hồi hệ số đàn hồi nén dọc thớ tre Diễn trứng độ tuổi thứ 5, độ ẩm mẫu thí nghiệm: w=70% Số TN 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 PHỤ LỤC 11 Mô đun đàn hồi hệ số đàn hồi nén ngang thớ tre Luồng độ tuổi thứ 5, độ ẩm mẫu thí nghiệm: w=70% Số TN 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 PHỤ LỤC 12 Mô đun đàn hồi hệ số đàn hồi nén ngang thớ tre Mai độ tuổi thứ 5, độ ẩm mẫu thí nghiệm: w=70% Số TN 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 TB PHỤ LỤC 13 Mô đun đàn hồi hệ số đàn hồi nén ngang thớ tre Diễn trứng độ tuổi thứ 5, độ ẩm mẫu thí nghiệm: w=70% Số TN 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 TB PHỤ LỤC 14 Q trình thí nghiệm đo mơ men soắn trục lắp đĩa cưa rung động đĩa cưa PHỤ LỤC 15 Q trình thí nghiệm đo mô men soắn trục lắp đĩa cưa rung động đĩa cưa PHỤ LỤC 16 Q trình thí nghiệm đo mô men soắn trục lắp đĩa cưa rung động đĩa cưa PHỤ LỤC 17 Các đĩa cưa thí nghiệm PHỤ LỤC 17 Các đoạn tre sau thí nghiệm cắt để xác định lực cắt rung động PHỤ LỤC 18 COD CHƯƠNG TRÌNH TÍNH DAO ĐỘNG LƯỠI CƯA ĐĨA KHI CẮT NGANG TRE function Dao_dong_luoi_Cua clc; OMega = 3000; N =2 % Luoi dia cua: R1= 0.04; R2=0.25 ; h = 0.05 ; % mat bàn cat h_cua = 0.0025; % m ; n_r = 60 ; % so rang cua f_ms K= 18*1000^2 ; Ro = E = nhiu = 0.3 ; % he so Poisson %Tre V_tre = 0.04 ; d1 = ; % so so m ; = 0.35; 18.5 ; % 2.1*10^11 cat : 0.05 ; d2 P = 2000; d = sqrt((R2+d1)^2 -(h+d1)^2) -sqrt((R2-d1)^2 -(h+d1) Gama J = (Ro*pi/2)* J2 = J0= J2*(1-Gama)^3*(3+Gama)/3; = R1/R2; (Ro*pi/2)* R2^4; % Mô men QT cua phan rong luoi c C_LT0 = 4*J2*((1-Gama)/3-(1-Gama^4)/12); % C_LT = C_LT0 * Phi1^2 D = E*h_cua^3/(12*(1-nhiu^2)); a= R2 ; b =R1; A1 = (1/(8*pi*D))*( b*(1-nhiu)/a^2 -(2/b)*log(a/b)*(1+nhiu)- (1nhiu)/b); A2 = (1/(8*pi*D))*(b*log(a/b)*(1+nhiu)+b); Del = (b^2*(nhiu-1) - a^2*(nhiu+1))/(2*a^2*b); tg2= (a^2-b^2)*(1/(8*pi*D) + (0.25*A1/Del)) + ((A2/Del)(a^2/(8*pi*D)))*log(a/b); C = (a-b)^2/tg2; %$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ cla; MM= zeros(); duong=['R -' 'R -.' 'R ']; OMe_0 = OMega /60 ; % vong/s OMe_1 = OMe_0 *2*pi % rad /s phi1_0 = OMe_1; k_t = P/(OMe_1) ; % N.m T = 2*pi/OMe_1; T_gian = d/V_tre; t =0:0.001:T_gian; [t,z]=ode45(@rhs1,t,[0 phi1_0 0 ]); BD_Max= max(z(:,3)*10^3*R2) plot(t(:),z(:,3)*10^3*R2,'R-'); %,'linewidth',1); hold on xlabel("Thoi gian (s)") ylabel("Bien dao dong luoi cua (mm) ") grid on %******************************************** * function xdot=rhs1(t,z) phi1= z(2); dxdt_1 = z(2); dxdt_3 = z(4); L = sqrt(2*V_tre*t*((R2+d1) - sqrt((R2+d1)^2 -(h+d1)^2)) + (R2 +d1 -V_tre*t)^2); Lc = Cung(L,R2,d1) - Cung(L,R2,d2); D_tich= Dtich(L,R2,d1)- Dtich(L,R2,d2); n_rc = n_r *Lc /(2*pi*R2); h_c = V_tre /(OMe_0*n_r); Fc = K*h_c*h_cua *n_rc; Mc = R2*Fc; M_dd = 0; ts = Lc/(OMe_1*R2); M_dd = R2 *L_ngoai(Fc,t); M_ms = f _ms * M_dd C_Lt= 0; %*Luc_ngoai(Fc,ts,t ) * D_tich ; C_Lt = C_LT0 *phi1^2 ; %+++++++++++++++++++++++++++++++++++ dxdt_2 = -k_t*phi1/(J*OMe_1) + (k_t - ( Mc + M_ms))/J; dxdt_4 = (-(C +C_Lt)* z(3) + M_dd)/J0 ; xdot=[dxdt_1 ; dxdt_2 ; dxdt_3 ; dxdt_4 end %************************************** function fc=Cung(L,R2,d) % Tinh dài cung cat tg=0; if (L > R2+d) | ((0