Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ kỹ thuật mang tên “Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động”, là công trình nghiên cứu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

NGUY ỄN THỊ LỤC

Ngành: K ỹ thuật cơ khí

Mã s ố: 9.52.01.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS DƯƠNG VĂN TÀI

Hà N ội, 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ kỹ thuật mang tên “Nghiên cứu xác định

một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động”,

là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình thức

Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sĩ về lời cam đoan của mình

Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp, Phòng Đào

tạo Sau đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án

Trân trọng cảm ơn Khoa Cơ điện và Công trình, Bộ môn Công nghệ và máy chuyên dùng Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu

Trân trọng cảm ơn các nhà khoa học của Trường Đại học Lâm nghiệp, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Học viện Kỹ thuật quân sự đã đóng góp ý kiếm quý báu để tôi hoàn thành luận án này

Hà N ội, ngày… tháng……năm 2021

Tác gi ả luận án

Nguy ễn Thị Lục

MỤC LỤC

L ỜI CAM ĐOAN i

L ỜI CẢM ƠN ii

M ỤC LỤC iii

DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH M ỤC CÁC BẢNG xii

DANH M ỤC CÁC HÌNH xiii

M Ở ĐẦU 1

Chương 1:TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về cưa vòng xẻ gỗ ở trên thế giới 4

1.2 Tổng quan về cưa vòng xẻ gỗ ở Việt Nam 7

1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về rung động của lưỡi cưa vòng đứng xẻ gỗ trên thế giới 10

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu tối ưu các thông số cưa vòng đứng 13

1.4.1 Các công trình nghiên c ứu tối ưu về cưa vòng đứng xẻ gỗ trên thế giới 13 1.4.2 Các công trình nghiên c ứu tối ưu trong công nghệ chế biến gỗ ở Việt Nam 16

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 18

1.6 Đối tượng nghiên cứu 18

1.6.1 Thi ết bị nghiên cứu 18

1.6.2 Nguyên li ệu đưa vào xẻ 23

1.7 Pha ̣m vi nghiên cứu 24

1.8 Nội dung nghiên cứu 25

1.9 Phương pháp nghiên cứu 26

K ết luận chương 1 27

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH, KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG L ỰC HỌC VÀ RUNG ĐỘNG CỦA LƯỠI CƯA VÒNG ĐỨNG 28

2.1 Các thông số của cưa vòng đứng 28

2.1.1.Thông s ố hình học 28

2.1.2 Các thông s ố động học 29

2.1.3 Các thông s ố động lực học 30

2.2 Mô hình động lực học của cưa vòng đứng 30

2.2.1 Quan h ệ động học 30

2.2.2 Xác định sức căng ban đầu của lưỡi cưa 31

2.2.3 Xác định công suất động cơ của cưa vòng đứng Ɲ đc 36

2.2.4 L ập phương trình vi phân chuyển động 37

2.2.5 Xác định các tham số đầu vào khi giải phương trình vi phân 42

2.3 Khảo sát thông số động lực học trong quá trình xẻ 48

2.3.1 N ội dung khảo sát 48

2.3.2 K ết quả khảo sát phương trình động lực học 50

2.3.3 Chuy ển đồ thị nghiệm của phương trình vi phân về dạng bậc 52

2.4 Xác định tải trọng động trong giai đoạn chuyển tiếp của cưa vòng đứng 52

2.4.1 Xác định lực và mômen cắt M cắt trong giai đoạn chuyển tiếp 53

2.4.2 Kh ảo sát thông số động lực học trong giai đoạn chuyển tiếp 53

2.4.3 K ết quả khảo sát quá trình chuyển tiếp của cưa vòng đứng 54

2.5 Khảo sát ảnh hưởng của mô men quán tính bánh đà đến hệ số không đồng đều vận tốc góc ψ và hệ số động lực học kđ 56

2.5.1 Ảnh hưởng của mô men quán tính đến hệ số không đồng đều vận tốc góc ψ 56

2.5.2 Ảnh hưởng của mô men quán tính đến hệ số động lực học k đ 58

2.6 Ảnh hưởng của mô men quán tính bánh đà đến khả năng cắt 58

2.7 Ảnh hưởng của mômen quán tính bánh đà đến chi phí năng lượng 59

2.8 Ảnh hưởng của sức căng ban đầu của lưỡi cưa S0 đến tiêu hao công cắt 61

2.9 Rung động của lưỡi cưa theo phương ngang 62

2.9.1 L ực kích động gây rung ngang của lưỡi cưa 62

2.9.2 Mô hình rung động theo phương ngang của lưỡi cưa vòng đứng 63

2.9.3 Thi ết lập phương trình rung động của lưỡi cưa vòng trong quá trình xẻ 66

2.9.4 Kh ảo sát và kiểm tra ổn định rung ngang của lưỡi cưa vòng 69

2.9.5 Ảnh hưởng độ rung ngang của lưỡi cưa đến chất lượng sản phẩm xẻ 74

K ết luận chương 2 75

Chương 3: XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA CƯA VÒNG ĐỨNG 77

3.1 Lập mô hình bài toán tối ưu cho cưa vòng đứng 77

3.1.1 L ựa chọn chỉ tiêu tối ưu 77

3.1.2 L ựa chọn tham số điều khiển và miền xác định 81

3.2 Lập hàm tương quan giữa các chỉ tiêu và tham số ảnh hưởng 83

3.3 Thực nghiệm thăm dò 88

3.4 Thực nghiệm đơn yếu tố 89

3.5 Thực nghiệm đa yếu tố 93

3.5.1 L ập kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo các đại lượng không thứ nguyên 93 3.5.2 Kh ảo sát cực trị các hàm tương quan 96

3.5.3 Gi ải bài toán tối ưu đa mục tiêu 97

K ết luận chương 3 98

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 100

4.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm 100

4.1.1 M ục tiêu nghiên cứu 100

4.1.2 N ội dung nghiên cứu 101

4.2 Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm 101

4.3 Phương pháp và thiết bị xác định các đại lượng nghiên cứu 102

4.3.1 Phương pháp xác định mô men quá tính của bánh đà và của các trục, 102

4.3.2 Phương pháp xác định vận tốc góc quay của trục chủ động (ω 2 ), v ận tốc cắt (v) và v ận tốc đẩy (u c ) 102

4.3.3 Phương pháp và thiết bị xác định mô men cản cắt trên trục bánh đà chủ động M c 103

4.3.4 Phương pháp và thiết bị xác định biên độ rung ngang của lưỡi cưa vòng

đứng a(mm) 106

4.3.5 Phương pháp và thiết bị xác định độ mấp mô bề mặt ván xẻ Ra (mm) 107

4.3.6 Phương pháp và thiết bị xác định năng suất xẻ П S (m 2 /s) 108

4.3.7 Phương pháp và thiết bị xác định chi phí năng lượng riêng A r 109

4.3.8 Phương pháp xác định lực căng lưỡi cưa 109

4.4 Tổ chức và tiến hành thí nghiệm 110

4.5 Kết quả thực nghiệm kiểm chứng mô hình lý thuyết 113

4.5.1 Ki ểm chứng mô hình động lực học 113

4.5.2 Ki ểm chứng mô hình rung ngang của lưỡi cưa 115

4.6 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số tối ưu 117

4.6.1 Th ực nghiệm thăm dò lập mô hình tương quan 117

4.6.2 K ết quả thực nghiệm đơn yếu tố 120

4.6.3 K ết quả thực nghiệm đa yếu tố 126

4.7 Vận hành máy với các giá trị tối ưu của các thông số ảnh hưởng 134

K ết luận chương 4 134

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136

1 Kết luận 136

2 Kiến nghị 137

DANH M ỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 138 TÀI LI ỆU THAM KHẢO 139

PH Ụ LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

phút

D1,R1 Đường kính, bán kính bánh đai nhỏ (bánh đai chủ động) m

D2, R2 Đường kính, bán kính bánh đai lớn (bánh đai bị động) m

D3, R3 Đường kính, bán kính bánh đà bị động và chủ động của cưa m

d10, r10 Đường kính, bán kính ổ đỡ trục lắp bánh đai chủ động m

d21,r21 Đường kính, bán kính ổ đỡ trục lắp bánh đai bị động m

d22, r22 Đường kính , bán kính ổ đỡ trục lắp bánh đà cưa chủ động m

d31, r31 Đường kính, bán kính ổ đỡ trục lắp bánh đà cưa bị động m

m10 Khối lượng trục gắn bánh đai chủ động kg

m11 Khối lượng bánh đai chủ động (puly đai) kg

m21 Khối lượng trục gắn bánh đai bị động kg

m22 Khối lượng bánh đai bị động của đai (puly đai) kg

m23 Khối lượng trục gắn bánh đà chủ động (puly cưa) kg

m31 Khối lượng của trục gắn bánh đà bị động kg

m33 Khối lượng của bánh đà bị động của cưa (puly cưa) kg

mxg Khối lượng của xe goòng và khúc gỗ xẻ kg

γg Khối lượng riêng của gang đúc làm bánh đà g/cm3

Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị

a1 Khoảng cách hai trục gắn bánh đà của đai m

a2 Khoảng cách hai trục gắn bánh đà của cưa m

E Khoảng cách theo chiều gang của ngàm di chuyển gỗ m

E1 Mô đun đàn hồi của vật liệu làm dây đai kN/cm2

L1 Khoảng cách giữa lưỡi cưa và xe goòng m

L4 Khoảng cách giữa hai cơ cấu ổn định lưỡi cưa m

L5 Khoảng cách theo chiều gang của ngàm di chuyển gỗ m

L6 Khoảng cách lớn nhất theo chiều gang của ngàm di chuyển gỗ m

Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị

uc Vận tốc đẩy của xe goòng trong quá trình xẻ m/s

u0 Vận tốc đẩy của xe goòng trong quá chạy không m/s

Fk Lực đẩy của cơ cấu đẩy xe goòng (lực kéo xe goòng) kN

F c Lực cản lăn của bánh xe trên đường ray kN

G2 Trọng lượng của trục II và puli đai, bánh đà KG

Gxg Áp lực từ xe gòng lên đường ray, gồm trọng lượng của xe và gỗ KG

Qm Các thành phần lực tác dụng lên mũi lưỡi cắt kN

Qt Các thành phần lực tác dụng lên mặt trước lưỡi cắt kN

Qs Các thành phần lực tác dụng lên mặt sau lưỡi cắt kN

Qb Các lực ma sát giữa mặt bên và thành mạch cưa kN

i Số răng của lưỡi cưa

i12 Tỷ số truyền của bộ truyền đai

i23 Tỷ số truyền của cưa

Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị

𝑖𝑚𝑖𝑛 Mô men quán tính nhỏ nhất

η1 Hệ số hiệu suất của bộ truyền đai

η2 Hệ số hiệu dụng của cưa

υ Hệ số thu gọn chiều dài phụ thuộc vào dạng gối tựa

φ Hệ số giảm ứng suất của thanh chịu ổn định

Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị

DANH M ỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1: Bảng tổng hợp tính chất cơ học của gỗ Tần bì 24 Bảng 2 1: Bảng số liệu tính toán sức căng và công suất động cơ ứng với từng loại gỗ 36

Bảng 2 2: Bảng thông số đầu vào của phương trình ĐLH 49Bảng 2 3: Kết quả tính toán hệ số không đồng đều vận tốc góc quay của trục I đối với từng loại gỗ 51

Bảng 2 4: Kết quả tính toán hệ số động lực học kđđối với từng loại gỗ 55 Bảng 3 1: Bảng miền biến thiên của các tham số 83Bảng 3 2: Thứ nguyên của các đại lượng trong bài toán xác định chi phí năng lượng riêng Ar 84Bảng 3 3: Thứ nguyên của các đai lượng trong bài toán xác định độ mấp mô bề mặt ván xẻ Ra 85Bảng 3 4: Thứ nguyên của các đại lượng trong bài toán xác định năng suất xẻ ΠS 86 Bảng 4 1: Hệ số không đồng đều vận tốc góc của trục II 115Bảng 4 2: Sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm về biên độ rung ngang lớn nhất với sức căng ban đầu S0 thay đổi 116Bảng 4 3: Tổng hợp kết quả xử lý 30 thí nghiệm thăm dò 119

Bảng 4 4: Tổng hợp kết quả xử lý 30 thí nghiệm thăm dò 120Bảng 4 5: Miền biến thiên của các tham số ảnh hưởng và các đại lượng mã hóa πi 127Bảng 4 6: Giá trị định thức H(Y) tai điểm dừng 131

Bảng 4 7: Giá trị tối ưu của các thông số ảnh hưởng 132Bảng 4 8: Năng suất xẻ tính theo chiều dày ván 133Bảng 4 9: Bảng giá trị tối ưu một số thông số của cưa vòng và thông số công nghệ khi xẻ gỗ Tần bì 133Bảng 4 10: Kết quả thực nghiệm theo thông số tối ưu 134

DANH M ỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1: Hình ảnh cưa vòng do William Newberry phát minh, 1809 4

Hình 1 2: Dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động do Italia chế tạo 6

Hình 1 3: Cưa vòng nằm thiết bị xẻ gỗ lớn phổ biến hiện nay ở Việt Nam 8

Hình 1 4: Cưa vòng đứng sử dụng phổ biến hiện nay ở Việt Nam 9

Hình 1.5: Sản phẩm của đề tài cấp nhà nước mã số ĐTĐL-10.16 10

Hình 1 6: Sơ đồ hệ thống dây chuyền xẻ gỗ tự động 19

Hình 1 7: Mô hình dây chuyền xẻ gỗ tự động 19

Hình 1 8: Sơ đồ cấu tạo của cưa vòng đứng 20

Hình 2 1: Sơ đồ quan hệ động học của hệ thống cưa vòng đứng 29

Hình 2 2: Sơ đồ nội lực trong các nhánh cưa vòng 31

Hình 2.3: Nội lực trong các nhánh lưỡi cưa khi thực hiện chu kỳ cắt 34

Hình 2 4: Sơ đồ động lực học của cưa vòng đứng 38

Hình 2 5: Đặc tính của động cơ điện không đồng bộ 3 pha 44

Hình 2 6: Xác định hàm đặc tính cơ của động cơ điện 44

Hình 2 7: Đồ thị mô men cản tác dụng lên trục II 47

Hình 2 8: Đồ thị thể hiện vận tốc góc và gia tốc góc của trục I và II trong 50

Hình 2 9: Đồ thị vận tốc góc trục I dạng bậc tương ứng với dạng lượng giác 52

Hình 2 10: Biểu đồ hàm (1-e-115t) 53

Hình 2 11: Đồ thị động lực học của trục I trong giai đoạn chuyển tiếp 54

Hình 2.12: Đồ thị tương quan ψ (I2) khi xẻ một số loại gỗ 57

Hình 2 13: Lực tác dụng lên mũi cắt 63

Hình 2 14: Sơ đồ dịch chuyển ngang của nhánh cắt lưỡi cưa vòng đứng 64

Hình 2 15: Sơ đồ tính độ võng tĩnh của dầm chịu uốn 72

Hình 2 16: Đồ thị rung ngang của lưỡi cưa theo thời gian t(s) 73

Hình 2 17: Biểu đồ tương quan S0(x,q) 74

Hình 2 18: Dạng quỹ đạo của một răng cắt khi xẻ (a,b) 75

Hình 4 1: Đầu đo vận tốc góc Encoder 102

Hình 4 2: Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo vận tốc góc trên trục chủ động 103

Hình 4 3: Các tenzo điện trở và bộ thu phát không dây 104

Hình 4 4: Sơ đồ nguyên lý đo mô men xoắn trục II 105

Hình 4 5: Sơ đồ thực nghiệm đo mô men xoắn của trục II của cưa vòng đứng 106

Hình 4 6: Sơ đồ bố trí cảm biến từ đo biên độ rung ngang lưỡi cưa 107

Hình 4 7: Thiết bị đo mấp mô bề mă ̣t của ván xẻ 108

Hình 4 8: Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm đo sức căng ban đầu của lưỡi cưa 110

Hình 4 9: Thiết bị đo đa kênh Spider 8 111

Hình 4.10: Quá trình thực nghiệm cưa vòng đứng 112

Hình 4 11: Máy mài chuyên dùng MF-1107P 113

Hình 4 12: Kết quả đo thực nghiệm vận tốc góc trên trục II 114

Hình 4 13: Kết quả đo biên độ rung ngang của lưỡi cưa vòng 116

Hình 4 14: Kết quả đo Mô men xoắn trên trục chủ động 118

Hình 4 15: Kết quả đo độ mấp mô bề mặt ván xẻ 118

Hình 4 16: Ảnh hưởng của góc cắt đến chi phí năng lượng riêng Ar 121

Hình 4 17: Ảnh hưởng của góc cắtđến đến độ mấp mô bề mặt ván 121

Hình 4 18: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí năng lượng riêng Ar 122

Hình 4 19: Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến mấp mô bề mặt gia công 123

Hình 4 20: Ảnh hưởng của tốc độ đẩyđến chi phí năng lượng riêng Ar 124

Hình 4 21: Ảnh hưởng của tốc độ đẩyđến đến độ mấp mô bề mặt ván 124

Hình 4 22: Ảnh hưởng của chiều cao mạch xẻ đến chi phí năng lượng riêng Ar 125

Hình 4 23: Ảnh hưởng của chiều cao mạch xẻ đến độ mấp mô bề mặt ván 126

MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Ngành cưa xẻ gỗ ra đời gắn liền với sự phát triển của xã hội loài người Đầu tiên con người chỉ mới biết đẽo, gọt những sản phẩm đồ gỗ thô sơ Dần dần do sự phát triển tiến lên không ngừng của xã hội, công cụ lao động ngày càng được đổi mới

sự phát minh của lưỡi cưa ra đời, từ đó sản phẩm gỗ xẻ chiếm một vị trí thích đáng trong đời sống hằng ngày Nhất là những năm cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20, nhờ phát minh ra máy móc hiện đại, đã thúc đẩy mạnh bước tiến của ngành chế biến gỗ, từ thủ công chuyển sang sản xuất cơ giới hóa tự, động hóa Sự tiến bộ kỹ thuật trong những năm gần đây đã cho ra đời những thiết bị cưa xẻ có năng suất cao như: Cưa sọc, máy liên hợp phay xẻ, cưa vòng kiểu ghép bộ , đặc biệt trong số đó là dây chuyền xẻ gỗ

có lập trình và điều khiển tự động, nhằm nâng cao năng suất, tăng tỷ lệ lợi dụng và tạo ra ván xẻ có chất lượng tốt hơn

Ở Việt Nam các thiết bị xẻ gỗ còn lạc hậu, có nhiều nhược điểm, đa số là làm thủ công và bán tự động từ đó năng suất lao động, chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế thấp Trong khi đó Việt Nam đang thực hiện hội nhập cộng đồng kinh tế Asean, hiệp định TPP, hiệp định FTA, nếu các doanh nghiệp Việt Nam không đổi mới công nghệ và thiết bị trong chế biến gỗ thì sản phẩm của doanh nghiệp Việt Nam khó khăn cho hội nhập và phát triển, lúc đó nhiều doanh nghiệp Việt Nam không cạnh tranh được

Trên thế giới có nhiều nước đã nghiên cứu, chế tạo ra dây chuyền xẻ gỗ tự động

và đã đưa vào sử dụng trong sản xuất chế biến gỗ như Cộng hòa Liên bang Đức, Italia, Nhật Bản Nhưng do bản quyền nên các công trình nghiên cứu chế tạo hệ thống dây chuyền sản xuất gỗ tự động chưa được công bố rộng rãi Riêng ở Việt Nam các công trình nghiên cứu về thiết bị cưa xẻ gỗ tự động rất hạn chế và chưa được công bố

Từ những vấn đề còn tồn tại nêu trên, năm 2016 Bộ Khoa học và Công nghệ

đã giao cho Trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì đề tài cấp nhà nước về “ Nghiên cứu,

thiết kế, chế tạo dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động năng suất 3 -4 m 3 /h gỗ thành phẩm ” mã số ĐTĐL.CN-10/16 Đề tài đã thiết kế chế tạo ra dây chuyền xẻ gỗ tự

động, song đề tài chỉ mới dừng lại ở phần thiết kế chế tạo chế tạo, thử nghiệm một

mô hình dây chuyền xẻ gỗ tự động, chưa có nghiên cứu về động lực học quá trình xẻ của cưa và tối ưu các thông số của các thiết bị trong hệ thống

Trong dây chuyền xẻ gỗ tự động thì cưa vòng đứng là thiết bị quan trọng ảnh hưởng lớn đến khả năng và hiệu quả làm việc của dây chuyền, việc nghiên cứu tính toán tối ưu các thông số kỹ thuật của cưa vòng đứng nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là rất cần thiết

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, tôi chọn và thực hiện đề tài luận án:

“Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền

xẻ gỗ tự động”

2 Nh ững đóng góp mới của luận án

- Đã xây dựng được mô hình động lực học của cưa vòng đứng, thiết lâ ̣p và khảo sát được hê ̣ phương trình vi phân chuyển động của cưa vòng và phương trình rung động của lưỡi cưa Kết quả khảo sát đã xác định được giá trị một số thông số hình học, động học và động lực học làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo cưa vòng đứng

- Đã xây dựng được cơ sở lý luận về việc thiết lập và giải bài toán tối ưu đa mục tiêu với nhiều tham số ảnh hưởng, có thể sử dụng cho các bài toán tương tự Đối với cưa vòng đứng đã chọn được 6 tham số điều khiển của bài toán tối ưu có 2 mục tiêu, trong đó sử dụng phương pháp đồng dạng và thứ nguyên để xây dựng hàm tương quan Theo phương pháp này đã giảm được hơn 4 lần số thí nghiệm cơ bản, do đó giảm chi phí thực nghiệm để có thể thực hiện được, mà vẫn đảm bảo cả 6 tham số biến đổi ở các mức cần thiết

- Đã xây dựng được mô hình nghiên cứu thực nghiê ̣m động lực học, đã xác

đi ̣nh được mô ̣t số thông số đô ̣ng lực ho ̣c của cưa vòng đứng phục vụ cho bài toán khảo sát và kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết đã lâ ̣p

- Bằng nghiên cứu thực nghiệm đề tài luận án đã xác định được giá trị của các thông số khi xẻ cho gỗ Tần bì là: Sức căng ban đầu S0 = 1867 (N), vận tốc cắt v = 55 (m/s), vận tốc đẩy uc = 0,123(m/s), góc cắt δ = 58 (độ), chiều cao mạch xẻ H = 44 (cm) tương ứng với đường kính gỗ d = 62 (cm) Với các thông số trên thì chi phí năng

lượng riêng Ar min = 1,72kWh/m2 và độ mấp mô bề mặt ván xẻ Ramin = 0,173mm, năng suất trung bình cần xẻ Πv= 3,12 (m3/h) ˃ [Πv] = 3(m3/h), thỏa mãn yêu cầu của

đề tài

3 Ý nghĩa khoa học của những kết quả nghiên cứu của đề tài luận án

- Từ hệ phương trình động lực học lâ ̣p được, tiến hành khảo sát ra được đồ thị vận tốc và gia tốc, xác định được hệ số không đồng đều (ψ) của vận tốc góc, hệ số động lực học (kđ) Khảo sát ảnh hưởng của mô men quán tính bánh đà (Ibđ) đến hệ số không đồng đều, hệ số động lực học Khảo sát ảnh hưởng của lực căng lưỡi cưa (S0) đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng mạch xẻ Kết quả khảo sát đã xây dựng được biểu đồ tương quan giữa Ibđ với ψ, và bảng S0 với lực cản cắt riêng của từng loại

gỗ (Kc) Đó là cơ sở khoa học cho việc xác định giá trị hợp lý một số tham số của cưa vòng đứng

- Từ phương trình rung động của lưỡi cưa, tiến hành khảo sát ra được đồ thị, xác định được biên độ rung động ngang của lưỡi làm cơ sở đánh giá chất lượng bề mặt ván xẻ

- Vận dụng lý thuyết đồng dạng và thứ nguyên trong nghiên cứu thực nghiệm

đã xây dựng được phương pháp tổng quát để lập và giải bài toán tối ưu hóa các thông

số của cưa vòng đứng Phương pháp này có thể sử dụng cho các bài toán có nhiều tham số ảnh hưởng tương tự trong kỹ thuật

4 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài luâ ̣n án

- Kết quả nghiên cứu của luận án được sử dụng cho việc thiết kế, chế tạo và hoàn thiện cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động do đề tài cấp nhà nước mã

số ĐTĐL.CN-10/16 thiết kế chế tạo

- Những kết quả của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đơn

vị nghiên cứu, những đơn vị chế tạo cưa vòng đứng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về cưa vòng xẻ gỗ ở trên thế giới

Sản xuất gỗ xẻ bằng cơ giới

được bắt đầu từ đầu thế kỷ XIV ở Châu

Âu, cụ thể như cưa sọc đầu tiên được

sử dụng từ những năm 1348, sau đó

đến những năm 1777 các máy cưa đĩa

được suất hiện và sử dụng Các máy

cưa vòng đứng phát minh đầu tiên vào

năm 1809 do William Newberry người

Anh theo tài liệu [40], [52], [55] như

hình 1.1 Tuy nhiên, trong quá trình

làm việc của cưa bề mặt bánh đà không

được bon mê và kỹ thuật nối hai đầu

lưỡi cưa thành một vòng khép kín chưa

được hợp lý dẫn đến lưỡi cưa bị đứt và

tuột liên tục trong quá trình hoạt động

Đến năm 1846, một nữ kỹ sư người Pháp Anne Paulin Crepin đã phát minh

ra phương pháp hàn cho lưỡi cưa, do vậy về cơ bản đã khắc phục được hiện tượng đứt lưỡi cưa trong quá trình làm việc

Theo Roland Johnson đề cập trong tài liệu [55], không lâu sau đó một nhà sản xuất cưa A Perin người Pháp đã mua bản quyền phương pháp hàn lưỡi cưa trên của Crepin Ông đã kết hợp phương pháp hàn này với vật liệu hợp kim thép và kỹ thuật gia nhiệt trước để tạo ra lưỡi cưa vòng hiện đại đầu tiên Từ đó cưa vòng được dùng ngày càng phổ biến và trở thành thiết bị không thể thiếu trong các xưởng chế biến gỗ được trang bị cơ giới hóa để thay thế dần cưa đĩa và cưa sọc

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các thiết bị chế biến cũng được nghiên cứu cải tiến, trong những năm 1970- 1990 thiết bị xẻ gỗ đã được nghiên

Hình 1 1: Hình ảnh cưa vòng do William Newberry phát minh, 1809

cứu cải tiến để tăng tỷ lệ cơ giới hóa lên, khâu đẩy gỗ đã được cơ giới hóa, một số loại cưa sọc đã có hệ thống rulô để đẩy gỗ tự động, một số loại cưa vòng đứng có hệ thống đẩy gỗ bằng cáp kéo Giai đoạn này thiết bị xẻ gỗ đã được bán tự động Tuy nhiên, một số khâu công việc trong công nghệ xẻ gỗ vẫn chưa được giải quyết như quá trình xoay gỗ, tính toán lập bản đồ xẻ tối ưu, vam kẹp gỗ [40]

Những năm đầu thế kỷ 21 thiết bị cưa xẻ gỗ đã được tự động hóa các khâu từ khâu đưa gỗ lên bằng tải đến khâu vam kẹp gỗ, lập bản đồ xẻ tối ưu, quá trình xẻ và lấy gỗ ra đều được tính toán lập trình tự động hóa theo chương trình Ưu điểm nổi bật của thiết bị xẻ gỗ tự động là: Năng suất xẻ cao, chất lượng sản phẩm cao, giảm công lao động, tỷ lệ thành phẩm cao

Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, những tiến bộ trong cơ giới hóa và tự động hóa đã từng bước được các nhà sản xuất tích hợp vào trong thiết

bị cưa vòng, đặc biệt là hệ thống cưa vòng đứng như sử dụng hệ thống thủy lực và động cơ servo trong các cơ cấu chuyển động, ứng dụng công nghệ laser, lập trình và điều khiển tự động, nhằm nâng cao năng suất, tăng tỷ lệ lợi dụng và tạo ra ván xẻ có chất lượng tốt hơn theo Andreas Malmer, 2011 [35]

Theo các tài liệu [35]; [43], hiện nay tại các nhà máy chế biến gỗ ở một số nước phát triển như Đức, Italia, Nhật Bản đều sử dụng dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động, trên thực tế có nhiều công ty, hãng chế tạo dây chuyền xẻ gỗ tự động, điển hình

là dây chuyền xẻ gỗ tự động nhãn hiệu Bongioanmi do Italia sản xuất Hệ thống xẻ là cưa vòng đứng có bộ phận định hướng để hạn chế dao động của lưỡi, có hệ thống quét tia laser xác định kích thước cây gỗ để phần mềm tự động tính toán lập bản đồ xẻ tối ưu,

hệ thống tự động xoay khúc gỗ để đạt được vị trí xẻ tối ưu, hệ thống xẻ và lấy ván xẻ hoàn toàn tự động Đây là dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động hiện đại cho năng suất, chất lượng sản phẩm và tỷ lệ gỗ thành phẩm cao

Italia là quốc gia có ngành công nghiệp chế tạo hệ thống cưa xẻ tự động rất phát triển Hiện nay có nhiều dây chuyền xẻ gỗ được chế tạo ở Italia như hãng cưa Bongioanmi, đây là hãng chế tạo hệ thống dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động nổi tiếng hiện nay, dây chuyền thiết bị này chưa có hệ thống quét tia laser (scans 3D) để tự động xoay trở gỗ theo vị trí tối ưu, dây chuyền này cho chất lượng và tỷ lệ thành phẩm rất cao, vốn đầu tư dây chuyền khá đắt

Cộng hòa Liên bang Đức là nước chế tạo ra nhiều dây chuyền thiết bị xẻ gỗ

tự động với công nghệ hiện đại, sử dụng tay robot để xoay trở gỗ, sử dụng tia laser quét hình dạng và kích thước cây gỗ sau đó phầm mềm tự động tính toán lập bản đồ

xẻ tối ưu điều khiển hệ thống xoay trở gỗ và xẻ theo chương trình đã được thiết lập

Hãng cưa được sử dụng rộng rãi đó là Moehringer - Canali, đây là hãng cưa đã ứng dụng công nghệ quét tia laser (scans 3D) vào hệ thống tính toán lập bản đồ xẻ tối ưu, chất lượng ván xẻ của dây chuyền thiết bị này rất cao, tuy nhiên hệ thống dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động này có vốn đầu tư rất đắt khoảng 1 triệu USD

Một số công ty của Pháp cũng đã chế tạo và đưa ra thị trường dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động, dây chuyền thiết bị được sử dụng nhiều là hãng cưa LBL Brenta, dây chuyền này không có hệ thống rọc rìa và xẻ lại, không có hệ thống quét tia laser (scans 3D) để tự động xoay trở gỗ tìn vị trí xẻ tối ưu

Trên hình 1.2 là dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động nhãn hiệu Bongioanmi do Italia chế tạo hiện được sử dụng rộng rãi ở Châu Âu và Nam Mỹ

Như vậy việc nghiên cứu công nghệ và thiết kế chế tạo dây chuyền thiết bị

xẻ gỗ tự động trên thế giới đã đạt được thành tựu to lớn, đã góp phần nâng cao năng

suất chất lượng và tỷ lệ thành phẩm Song dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động có vốn đầu tư lớn, kỹ thuật sử dụng phức tạp và phụ thuộc vào đối tượng gỗ của mỗi nước,

mỗi quốc gia, khi áp dụng vào mỗi nước cần có nghiên cứu cho phù hợp với đối tượng

gỗ cần xẻ và vốn đầu tư cũng như trình độ của công nhân vận hành dây chuyền thiết

bị

1.2 Tổng quan về cưa vòng xẻ gỗ ở Việt Nam

Theo số liệu của hiệp hội chế biến gỗ, hiện nay ở Việt Nam có khoảng 3900 nhà máy chế biến gỗ và có hàng vạn xưởng chế biến gỗ của các công ty, doanh nghiệp

và hộ gia đình Các đơn vị chế biến này đã tạo công việc ổn định cho hàng triệu lao động, kim ngạch xuất đồ gỗ và các sản phẩm từ gỗ Tính đến hết năm 2020, kim ngạch xuất khẩu gỗ và các sản phẩm gỗ của Việt Nam đạt 12,3 tỷ USD, tăng 16,2%

so với năm 2019, giá trị lâm sản xuất siêu đạt trên 10 tỷ USD - cao nhất từ trước đến nay, tiếp tục đứng trong 10 nhóm sản phẩm xuất khẩu chủ lực của Việt Nam [33]

Việt Nam hàng năm khai thác khoảng 10 triệu m3 gỗ từ rừng trồng để phục vụ cho nhu cầu của nền kinh tế quốc dân, trong đó 0,5 triệu m3 gỗ nhỏ phục vụ cho sản xuất bột giấy, 6,5 triệu m3 gỗ nhỏ sử dụng để băm dăm gỗ xuất khẩu, số còn lại khoảng 3 triệu m3 gỗ lớn đưa vào chế biến tạo ra các sản phẩm phục vụ trong xây dựng và đồ gỗ xuất khẩu Ngoài ra hàng năm Việt Nam còn nhập khẩu khoảng 4,5-5 triệu m3 gỗ từ các nước phục vụ cho sản xuất đồ gỗ xuất khẩu Như vậy khối lượng

gỗ tròn cần xẻ là rất lớn khoảng 7,5- 8 triệu m3 gỗ (bao gồm gỗ rừng trồng trong nước

và gỗ nhập khẩu)[34]

Trong công nghệ chế biến gỗ, khâu sản xuất gỗ xẻ (từ gỗ tròn ra gỗ ván và gỗ thanh) là khâu đầu và rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến năng suất chất lượng và tỷ lệ lợi dụng gỗ, từ đó ảnh hưởng lớn đến giá thành sản phẩm và hiệu quả kinh tế Hiện nay ở Việt Nam, 95% quá trình xẻ gỗ tròn ra gỗ ván được thực hiện bằng cưa vòng nằm và cưa vòng đứng

Loại cưa vòng nằm (hình 1.3) hiện đang được sử dụng ở Việt Nam đa phần vẫn đẩy máy cưa và vam kẹp gỗ đều bằng thủ công, nó có ưu điểm là đơn giản, vốn đầu tư thấp, song loại cưa này có nhiều nhược điểm là lao động nặng nhọc, năng suất

xẻ thấp: Nếu xẻ gỗ nhỏ rừng trồng đạt khoảng 2-2,5m3/ca gỗ thành phẩm, nếu xẻ gỗ nhập khẩu đạt 3-4 m3/ca ván thành phẩm Một tồn tại nữa của xẻ gỗ bằng cưa vòng

nằm là độ mấp mô bề mặt tấm ván xẻ lớn, độ lượn sóng của tấm ván xẻ cao, từ đó tỷ

lệ lợi dụng gỗ thấp (độ dư gia công lớn), chiều rộng mạch xẻ lớn (gỗ biến thành mùn cưa nhiều)

Hiện nay ở Việt Nam, một số công ty cơ khí đã cải tiến cưa vanh thành cưa vòng đứng (hình 1.4) để xẻ gỗ nhỏ rừng trồng, thiết bị có vốn đầu tư thấp khoảng 40 triệu đồng/máy Hoạt động của loại cưa vòng đứng này là gỗ tròn phải cắt thành khúc ngắn từ 0,5- 1,2m, sau đó người công nhân phải đưa khúc gỗ lên mặt bàn xẻ, sau đó dùng tay đẩy khúc gỗ vào lưỡi cưa, người thứ 2 bên đối diện kéo khúc gỗ, như vậy

để xẻ được thì phải có 2 công nhân Loại cưa cải tiến này phù hợp với xẻ từ gỗ ván

ra gỗ thanh Nếu xẻ từ gỗ tròn ra gỗ thanh thì năng suất đạt khoảng 0,1m3/h gỗ thanh

và sử dụng 3 lao động Tồn lại lớn nhất của loại thiết bị này là công nhân lao động rất nặng nhọc, hay xẩy ra tai nạn lao động, tuy nhiên loại cưa vòng đứng cải tiến này khi xẻ gỗ nhỏ cho năng suất và tỷ lệ thành khí cao hơn cưa vòng nằm

Hình 1 4 : Cưa vòng đứng sử dụng phổ biến hiện nay ở Việt Nam

Với cưa vòng nằm và cưa vanh cải tiến thành cưa vòng đứng ở trên ta thấy ở Việt Nam vẫn được sử dụng là đa số, tuy nhiên chất lượng và năng suất thấp và không

an toàn trong quá trình hoạt động, do đó các phân xưởng sản xuất những năm gần đây

đã sử dụng dây chuyền xẻ tự động, tất cả các khâu từ vam kẹp, xoay lật gỗ đều được

tự động sẽ làm tăng năng suất và chất lượng, đồng thời đảm bảo an toàn khi vận hành

Cưa vòng xẻ gỗ ở Việt Nam hiện nay còn rất nhiều tồn tại như đã phân tích ở trên, loại thiết bị này chỉ phù hợp với điều kiện sản xuất nhất định, đó là sản xuất nhỏ lẻ sản phẩm tự cung tự cấp Chúng ta đang hội nhập ngày càng sâu rộng với khu vực và thế giới thì các thiết bị xẻ gỗ cần phải có đổi mới để hội nhập và phát triển Việc đổi mới công nghệ

và thiết bị trong chế biến các sản phẩm nông lâm sản nói chung và trong công nghệ chế biến gỗ nói riêng được Chính phủ rất quan tâm ưu tiên phát triển để các doanh nghiệp chế biến gỗ Việt Nam hội nhập khu vực Asean và hiệp định TPP vào năm 2016

Để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm gỗ, giảm chi phí năng lượng, đặc biệt

là phù hợp với cơ sở sản xuất và loại gỗ ở nước ta, cần phải nghiên cứu chế tạo ra một

hệ thống dây chuyền tự động đưa vào dùng trong quá trình sản xuất ở nước ta đó là việc rất cấp thiết

Do đó việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo dây chuyền thiết bị

x ẻ gỗ tự động năng suất 3-4 m 3 /h g ỗ thành phẩm" được đặt ra nhằm đáp ứng được yêu

cầu cấp bách về dây chuyền thiết bị xẻ gỗ hiện nay ở Việt Nam như hình 1.5, theo tài liệu [21]

Hệ thống xẻ gỗ tự động do đề tài chế tạo mặc dù đã hoàn thành, nhưng để áp dụng rộng rãi trong thực tế thì cần nghiên cứu tối ưu để phù hợp hơn với thực tế sản xuất

Trong quá trình tính toán, thiết kế cưa vòng đứng xẻ gỗ tự động, đề tài cấp quốc gia [29] mới chỉ tính toán giá trị các thông số cơ bản của cưa dựa trên điều kiện làm việc và điều kiện bền, chưa xét đến hiệu quả làm việc của máy do đó cần tiến hành tính toán, bổ sung để đưa ra được các giá trị tối ưu nhất đáp ứng yêu cầu tăng năng suất xẻ, giảm chi phí năng lượng, nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm và

an toàn trong những giới hạn cho phép Đó là vấn đề cần được nghiên cứu trong luận

Rung động của lưỡi cưa thuộc về một loại rung động đặc biệt, được gọi là rung động lưỡi cưa di chuyển theo trục, lần đầu tiên được Rudolf Skutch đề cập đến vào

năm [1897] Từ đó đã có nhiều nghiên cứu rộng hơn về rung động, tác giả A G Ulsoy và cộng sự [36], [37] cũng đã chỉ ra các thành phần lực (Ft – lực cắt tiếp tuyến,

Fn - lực pháp tuyến, Fb – lực theo phương ngang) tác dụng lên răng cắt và sức căng ban đầu của lưỡi cưa có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình gây ra rung động, đó là rung động xoắn Rung động xoắn này làm cho lưỡi bị vặn, gãy, đứt Những vấn đề

bẻ gãy và rung động này chưa được nghiên cứu sâu và không có thử nghiệm xác minh

vì trong quá trình xẻ có sự tương tác giữa bề mặt cưa và phôi (gỗ) là một khu vực khó gắn thiết bị để đo các thông số do đó khó thực hiện

Cần phải nghiên cứu các lĩnh vực này để xác định các tiêu chí ổn định với các thông số thiết kế và quy trình cụ thể, để tối ưu hóa thiết kế cưa và quá trình xẻ

Nghiên cứu sâu về rung động của cưa vòng ta phải kể đến luận án tiến sỹ của Lan LeNgoc năm 1990 [48] Mục đích của luận án là điều tra phân tích các đặc tính rung động của cưa bản rộng Cơ chế cắt gỗ và giá trị lực cắt (ứng suất) sẽ là điều kiện tiên quyết để điều tra sự mất ổn định này Phương pháp nghiên cứu được luận án đưa

về nghiên cứu dạng tấm và sử dụng phương pháp Galerkin, nguyên lý Hamilton để thiết lập phương trình chuyển động và sử dụng tất cả các điều kiện biên của bài toán tấm Sau đó, phương trình chuyển động và các điều kiện biên được biến đổi thành phương trình bậc hai đại số tuyến tính (hay gọi là rung động tuyến tính) Quy tắc Gaussian được sử dụng để thực hiện việc giải, trong luận án sử dụng phần mềm Matlab tìm các giá trị riêng và các điểm riêng của phương trình rung động Trong luận án cũng khẳng định các ứng suất trong máy đóng vai trò quan trọng trong sự ổn định của lưỡi cưa, trong đó sự căng tĩnh cung cấp mức căng cao nhất Thiết bị căng

là một phần rất quan trọng của dây đai và lưỡi cưa Lưỡi cưa hiện đại đã sử dụng cơ chế khí nén hoặc thủy lực để căng, thay vì cơ chế đối trọng Có thể, kiểm soát hoạt động của rung động của lưỡi cưa thông qua các thiết bị căng này

Công trình của Darrell.C Wong năm 1996 [41] đã nghiên cứu chủ yếu về tính

ổn định của lưỡi cưa Tác giả tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm kiểm tra, theo dõi tính ổn định của lưỡi cưa Theo dõi mô tả chuyển động "mặt trước-phía sau" của lưỡi cưa vòng khi nó chuyển động trên bánh đà Để kiểm tra độ ổn định của lưỡi cưa vòng, tác giả tiến hành kiểm tra lực căng trong lưỡi trước khi cưa và bắt đầu

cho đến khi kết thúc một chu kỳ cắt Để theo dõi sự ổn định của lưỡi cưa được xác

định bởi thông số hình học của cưa và các bánh đà, tác giả cho rằng có các yếu tố ảnh hưởng đến thông số hình học này gồm lực cắt, mặt nghiêng bánh đà, độ nghiêng, đường chéo, hệ số ma sát, lực cưa cắt, độ nhô ra của răng cưa, sức căng ban đầu, sức căng trong khi xẻ, chiều rộng, chiều dày của lưỡi cưa, hệ thống dẫn hướng, tốc độ quay và phân bố nhiệt độ Trên thực tế, nhiều yếu tố trên có tác dụng cùng lúc Trong nghiên cứu tác giả đã xây dựng mô hình lý thuyết và kiểm nghiệm bằng thí nghiệm cho thấy độ nhô ra của lưỡi cưa và của vành bánh đà là những yếu tố chính gây ra mất ổn định Nghiên cứu cũng cho thấy rằng cấu tạo chi tiết của bánh đà có ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định, đặc biệt là vành bánh đà cần được cải thiện để giảm sự mất

ổn định để tăng hiệu suất cắt của cưa

Trong công trình của K Ukvalbergienė và cộng sự [45], đã nghiên cứu độ cứng của lưỡi cưa khi xẻ gỗ, đưa ra khẳng định độ cứng của lưỡi cưa là yếu tố quan trọng trước tiên để cưa đạt hiệu quả, nó ảnh hưởng đến năng suất và độ chính xác của mạch xẻ Độ cứng phụ thuộc vào độ dài tự do, các thông số chiều rộng cắt, chiều dày cắt và sức căng của lưỡi sau khi cắt (lưỡi cưa đã nghiên cứu có độ dày từ 0,5 đến 1,0

mm, chiều rộng từ 16 đến 108 mm và chiều dài từ 600-1200 mm) Để tăng độ chính xác cưa, lưỡi cưa thường được căng bằng những lực quá lớn (100 - 150 MPa), điều này làm cho lưỡi cưa quá áp làm cho biến dạng vĩnh cửu xuất hiện trên lưỡi dao, dẫn đến sự mỏi kim loại và tuổi thọ của dụng cụ giảm đi rất nhiều

Nghiên cứu của tác giả Lidiya Dzyuba [47] đã cho thấy, rung động xảy ra trong quá trình chuyển đổi từ chế độ chưa cắt sang giai đoạn cắt (giai đoạn chuyển tiếp) Đặc biệt, các rung động uốn ngang của lưỡi cưa vòng, những rung động này nguy hiểm khi biên độ của chúng tăng lên đáng kể và sự cộng hưởng xảy ra Ảnh hưởng bất lợi đến độ bền của cưa vòng và chất lượng sản phẩm gỗ

Độ rung uốn ngang cộng hưởng của lưỡi cưa đã được nghiên cứu thông qua biên độ dao động cộng hưởng của dải lưỡi cưa.Vì vậy, nên nghiên cứu rung động ngang của lưỡi cưa băng, có tính đến tốc độ vận chuyển theo chiều dọc của nó (tốc

độ cắt) và sự thay đổi lực căng Độ rung uốn ngang được xác định bởi phương pháp Bubnov-Galerkin và dựa trên ý tưởng của lý thuyết nhiễu loạn Nghiên cứu đã lập ra

được phương trình vi phân của dao động ngang, kết quả nghiên cứu kết luận rằng lưỡi cưa có sức căng ban đầu lớn thì biên độ rung ngang bé

Nghiên cứu về động lực học và ứng suất trong cưa cũng được nhiều nhà khoa học thực hiện điển hình là của các tác giả John Taylor (1986) [46], James Jianlong Zhan (1990) [44] và Rodrigo Echeverri (2003) của trường Đại học British Columbia [54]

Mục đích chính của các nghiên cứu này là cải thiện hiệu suất cắt của cưa vòng đứng Nghiên cứu gồm các động lực cấu trúc đai, động lực bánh đà, hoạt động của lưỡi cưa và vấn đề vệ sinh máy khi cắt Trong nghiên cứu này nhấn mạnh vai trò của

cơ cấu di chuyển bánh đà trên, sự dịch bánh đà trên trong quá trình cắt và ảnh hưởng của nó đối với hiệu suất của cưa cũng được nghiên cứu Nguyên nhân của sự dịch chuyển trên là sự thay đổi tốc độ cắt và sự gia tăng nhiệt độ của cưa (lưỡi cưa giãn

ra) Kết quả của nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng cho người sử dụng nâng cao hiểu

biết của họ về các hoạt động của cưa vòng và cũng để cải thiện hiệu suất của máy,

cải tiến máy

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu tối ưu các thông số cưa vòng đứng

1.4.1 Các công trình nghiên cứu tối ưu về cưa vòng đứng xẻ gỗ trên thế giới

Trước sự ra đời và phát triển của cưa vòng xẻ gỗ thì việc nghiên cứu chế tạo

và cải tiến cũng đã có rất nhiều công trình Đặc biệt trong những năm gần đây, việc nghiên cứu để dần hoàn thiện máy móc đảm bảo tăng năng suất, giảm chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng sẩn phẩm rất được quan tâm, nắm bắt kịp với công nghệ mới, công nghệ tự động hóa trong quá trình sản xuất

Tác giả M.Bariska [50] đã tìm ra tốc đẩy gỗ tối ưu khi cắt cho ba loại gỗ: Gỗ

Dẻ gai (Beech) gỗ Sồi (Oak) và gỗ Thông (Pine) với mục tiêu nghiên cứu là tiêu hao năng lượng tối thiểu và chất lượng sản phẩm mong muốn Với tốc độ đẩy đã được chọn cho thí nghiệm khoảng 20, 30, 40, 50 m / phút Sau khi làm thí nghiệm thì tốc

độ tối ưu cho gỗ Dẻ gai (Beech) là 40 m /ph, gỗ Sồi (Oak) là 47,5 m/ph và gỗ Thông (Pine) là 34 m/ ph

Tác giả Daniel Gligoras [42] đã nghiên cứu khi xẻ 5 loại gỗ, kết luận tốc độ đẩy gỗ phụ thuộc vào độ ẩm, đường kính gỗ, và chiều cao mạch xẻ Nghiên cứu này

có hữu ích trong các ứng dụng khác nhau như lập kế hoạch hoạt động và chi phí, cải tiến công nghệ

Tác giả Josip Iṧtvaniḉ [45] đã nghiên cứu phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến công suất của cưa vòng khi xẻ gỗ, đưa ra kết luận rằng thời gian xẻ ảnh hưởng rất lớn đến năng suất của cưa, đặc biệt là thời gian đưa gỗ lên xe goòng, thời gian thiết lập mạch xẻ và thời gian xe goòng quay lại sau mỗi một mạch xẻ mà càng lớn thì năng suất xẻ càng giảm Do đó, để tăng năng suất thì yêu cầu cần phải lập ra một bản đồ

xẻ cho từng loại gỗ đưa vào, về công nghệ có thể lắp lưỡi cưa 2 chiều để xẻ cả lượt tiến và lùi của xe goòng

Tác giả Octavia Zeleniuc [51] đã nghiên cứu công suất cắt của cưa vòng liên quan đến đường kính gỗ Sồi khác nhau và thời gian cưa Nghiên cứu này dựa trên cây sồi thông thường thu hoạch ở Romania, với đường kính từ 30 cm đến 60 cm với giá trị trung bình là 43 cm Kết quả cho thấy đó là sự phụ thuộc tuyến tính giữa công

suất của cưa và đường kính khúc gỗ xẻ Công suất của cưa trong một giới hạn nào đó chịu ảnh hưởng bởi các quyết định của xẻ trong thời gian cưa Do đó, bằng cách cải thiện tỷ lệ sử dụng máy cưa vòng và giảm thời gian các thao tác đưa khúc gỗ lên xe goòng, thời gian xoay lật và thời gian chạy không, năng suất máy có thể tăng từ 2% đến 19%

Tác giả Bruce Fredrik Lehmann (1993) [39], tập trung nghiên cứu chủ yếu về lưỡi cưa trong quá trình xẻ, đặc biệt là vùng nghiên cứu trong đoạn giới hạn bởi hai

hệ thống ổn định lưỡi cưa Nghiên cứu rất kỹ về các rung động, ứng suất trong lưỡi cưa, mô tả quá trình cắt của từng răng cưa bằng hình ảnh quang phổ, cọ sát với gỗ từ

đó có thể đánh giá được chất lượng mạch xẻ và bề mặt sản phẩm sau khi xẻ

Qua các công trình nghiên cứu ở trên ta có nhận xét là hầu hết các công trình

chỉ nghiên cứu về một hoặc hai tham số theo một mục tiêu đưa ra như nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày, chiều rộng đến độ cứng vững, nghiên cứu tốc độ đẩy đến chi phí năng lượng vận chuyển mùn cưa hay nghiên cứu thời gian xẻ đến công suất xẻ

Khi nghiên cứu về những bài toán có nhiều chỉ tiêu cần tối ưu hóa trong chế biến gỗ, phải nói đến nghiên cứu của A.A Пижурин [58] Trong nghiên cứu xác định giá trị tối ưu cưa vòng đứng, nêu ra ba hướng nghiên cứu là: Nghiên cứu thiết kế; nghiên cứu thiết kế - sản xuất; nghiên cứu về sản xuất

Khi giải bài toán theo phương án sản xuất cần phải tìm chế độ tối ưu cho các thiết bị và công cụ đã biết để đảm bảo các chỉ tiêu của quá trình sản xuất, do đó tham

số điều khiển là ứng suất kéo của lưỡi cưa, khoảng cách giữa các puly chuyển hướng,

tốc độ cắt, tốc độ đẩy

Theo hướng thiết kế cưa cần xác định các tham số của thiết bị theo các yêu cầu của quá trình xẻ hay chế độ xẻ tương ứng Các tham số điều khiển ở đây là đường kính bánh đà, khoảng cách giữa tâm các bánh đà, công suất của nguồn động lực của

cơ cấu cắt và cơ cấu đẩy Còn hàm mục tiêu là các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật theo yêu cầu của công nghệ xẻ

Theo hướng thiết kế, sản xuất thì bài toán nghiên cứu với mục đích tìm các tham số tối ưu của thiết bị và chế độ cưa của thiết bị đó Các tham số điều khiển của phương án này là chiều dày và chiều rộng của bản cưa, bước răng của nó và các tham

số điều khiển của sản xuất như ứng suất kéo của lưỡi cưa, vận tốc cắt, vận tốc đẩy

Trong ba phương án các tham số không điều khiển là loại gỗ và độ ẩm của

gỗ, tổng chiều dài các mạch cưa Ba chỉ tiêu tối ưu cơ bản được chọn là cực đại năng suất xẻ ( Π), cực tiểu chi phí sản xuất (C) và cực tiểu độ lệch ngang của lưỡi cưa (χ), chỉ tiêu này có ý nghĩa đảm bảo chính xác kích thước gỗ thành khí Nội dung trên cũng đã được tóm tắt trong giáo trình ở bậc đại học của Liên xô cũ, giáo trình Chế biến gỗ (Moscow -1988) - Là tài liệu giảng dạy và nghiên cứu khoa học trong ngành chế biến gỗ

Phương pháp giải mô hình toán học của các bài toán này được tiến hành theo phương pháp lập bảng tập hợp các tham số có thể chấp nhận được tập hợp Pareto (Vil Pedo Pareto - nhà kinh tế học Italia, người đầu tiên đưa ra phương pháp đúng dần giải bài toán tối ưu đa mục tiêu) Thuật toán tìm lời giải theo tập hợp Pareto khá phức tạp

phải áp dụng chương trình tính toán nhờ sự trợ giúp của máy tính mới nhận được những kết quả mong muốn

Tóm l ại: Các công trình trên là những nghiên cứu theo một mục tiêu và chỉ

có một hay hai tham số ảnh hưởng, với bài toán nhiều mục tiêu mới chỉ đưa ra phương pháp tìm nghiệm chung trong tập hợp Pareto với thuật toán khá phức tạp, nghiệm nhận được có tính ước định, nên mức độ chính xác còn phụ thuộc vào ý kiến chủ quan của người giải, do đó cũng ít được sử dụng Cho đến nay chưa có công trình nào nghiên cứu đầy đủ toàn diện về bài toán tối ưu đa mục tiêu đối với cưa vòng đứng xẻ

gỗ

1.4.2 Các công trình nghiên cứu tối ưu trong công nghệ chế biến gỗ ở Việt Nam

Trong công nghệ xẻ gỗ bằng cưa đã có một số nghiên cứu, trong đó đáng chú

ý nhất là luận án tiến sỹ của PGS.TS Hoàng Nguyên “Nghiên cứu quá trình xẻ gỗ

c ứng của Việt nam bằng cưa sọc” [18] Nội dung luận án đã đưa ra phương pháp xác

định ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật và công nghệ của cưa sọc đến các thông số lực (lực cắt, lực đẩy) khi xẻ loại gỗ cứng của Việt Nam (gỗ Lim) Kết quả đã đưa ra một số kết luận về giá trị các góc của răng cưa sọc (α = 140 ,β =610 ,δ =750); các vận tốc cắt và vận tốc đẩy ảnh hưởng trực tiếp đến lực cản cắt và lực đẩy gỗ Trong đó sự không đồng đều của tốc độ đẩy và tốc độ cắt gỗ trong quá trình xẻ dẫn đến sự quay

có chu kỳ của trục động cơ ảnh hưởng đến độ bền của động cơ, nên trong sản xuất sự quay không đồng đều này cần phải được quan tâm và điều chỉnh cho hợp lý Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số đến lực cắt được tiến hành theo đồ thị các hàm lực Pc = f(α,β,δ,u,v…), khi cho một trong những tham số trên thay đổi sẽ tìm

ra được giá trị hợp lý của tham số đó để Pc nhỏ nhất

Bằng phương pháp tương tự trong giáo trình “Máy và thiết bị chế biến gỗ” PGS.TS.Hoàng Nguyên [17], cũng nêu ra phương pháp xác định các chỉ tiêu cơ bản cho bài toán tối ưu trong quá trình xẻ bằng các loại cưa là: Tiêu hao năng lượng ít, năng suất xẻ cao nhất và chất lượng gia công theo yêu cầu Từ đó đề xuất các thông

số về công cụ, về đối tượng gia công như: Xác định công suất cắt tối ưu theo lực cắt

và tốc độ cắt đã định trước; xác định tốc độ đẩy tối ưu U theo công suất động cơ, theo chất lượng bề mặt ván xẻ, theo độ cứng vững và khả năng làm việc của công cụ

Thực chất phương pháp này là tính giá trị của một thông số theo từng chỉ tiêu đơn, do đó chưa chỉ ra được một giá trị chung của tham số ảnh hưởng cho tất cả các tiêu chí cần lựa chọn Phương pháp này chỉ phù hợp khi đã biết được giá trị cụ thể của tiêu chí cần xác định

Trong tài liệu [30], PGS.TS Hoàng Việt nghiên cứu một số thông số cưa vòng nằm chế tạo trong nước và hiện đang sử dụng ở các cơ sở chế biến vừa và nhỏ, để lựa chọn một loại máy tối ưu phù hợp với cơ sở chế biến gỗ ở La Xuyên, Nam Định khi

xẻ, năng suất máy, lợi nhuận cả đời máy, hiệu quả vốn đầu tư Kết quả giải bài toán tối ưu đã đề xuất máy cưa vòng nằm CD8 của Đồng Tháp là thiết bị phù hợp với các

cơ sở chế biến gỗ ở La Xuyên, Nam Định

Trong tài liệu [31], PGS.TS Hoàng Việt “Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình phay

bào g ỗ”, trình bày kết quả nghiên cứu thiết lập mô hình toán học tối ưu hóa quá trình

gia công các chi tiết trên máy bào bốn mặt cỡ trung hiện đang được sử dụng phổ biến tại các cơ sở sản xuất chế biến gỗ ở nước ta Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã xác định các tương quan biểu thị ảnh hưởng của hai thông số cơ bản thuộc chế độ cắt là vận tốc đẩy U, chiều sâu cắt H đến các hàm mục tiêu là chi phí năng lượng điện riêng (Nr), độ nhám bề mặt (Rz), sai số gia công theo bề rộng (Δb) là phi tuyến với quy luật hàm bậc 2 Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra được thông số tối

ưu với vận tốc đẩy uc = 28m/ph, chiều sâu cắt H = 1,46 mm đưa ra được các chỉ tiêu tối ưu Nr = 22,796 W.h/m; Δb = 0,102mm; Rz = 84,667 μm; Δh = 0,225 mm Đây là các thông số chế độ cắt tối ưu cho các máy bào SK 230, FE-620 khi gia công các chi

tiết thanh theo mục tiêu tối giảm chi phí năng lượng riêng và sai số gia công theo bề rộng

Từ đó làm cơ sở xác lập mô hình toán học phục vụ tính toán các chế độ tối ưu cho quá trình phay bào gỗ trên các nhóm máy này

Trong nghiên cứu trên cũng mới chỉ nghiên cứu 2 yếu tố ảnh hưởng đến 04 chỉ tiêu tối ưu, vẫn chưa kể đến các thông số của máy phay và của gỗ gia công

Tóm l ại: Việc nghiên cứu về máy cưa vòng đứng ở việt Nam còn rất ít, đặc

biệt là các vấn đề về tối ưu, hầu như chưa có công trình nào xét đầy đủ các mục tiêu với nhiều thông số ảnh hưởng, cho đối tượng xẻ là gỗ của Việt Nam

Từ các tư liệu được thống kê và phân tích trên đây ta thấy rằng, để sử dụng cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ tự động có hiệu quả nhất, cần phải lập và giải bài toán xác định giá trị tối ưu cho một số thông số cơ bản của nó khi xẻ một số loại gỗ của Việt Nam Trong đó cần chọn phương pháp thích hợp nhất là xét bài toán với đầy

đủ các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật với các yếu tố ảnh hưởng là những thông số của cưa vòng đứng và công nghệ vận hành nó

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng mô hình, thiết lập phương trình động lực học, phương trình rung động của lưỡi cưa vòng đứng, khảo sát phương trình động lực học, xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động, để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

1.6 Đối tượng nghiên cứu

1.6 1 Thiết bị nghiên cứu

1.6.1.1.Tổng quan về dây chuyền xẻ gỗ tự động

Để tạo ra dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động đạt năng suất và chất lượng cao,

đề tài cấp nhà nước mã số ĐTĐL -10/16 đề xuất thiết kế dây chuyền với các hệ thống máy móc, thiết bị như trong hình 1.6 và hình 1.7:

Hình 1 7: Mô hình dây chuy ền xẻ gỗ tự động

1- Đống gỗ tròn; 2- Hệ thống cấp liệu tự động ; 3- Hệ thống quét tia laser (scans3D) 4- H ệ thống xoay gỗ, vam kẹp gỗ; 5- Hệ thống cưa xẻ (cưa vòng đứng); 6- Hệ thống

gỗ và vam kẹp điều khiển

tự động bằng quét tia laser

(scans3D)

Hệ thống cưa

xẻ tự động ứng dụng Scans 3D ( cưa vòng đứng)

Cabin điều khiển

Hệ thống băng tải

di chuyển ván xẻ

Hệ thống

tự động rọc rìa, xẻ thanh

Hệ thống tự động xếp đống thành phẩm

Hệ thống tự động thu gom phế liệu và xử lý môi trường

Hệ thống chương trình điều khiển

tự động dây chuyền

Hệ thống quét tia

laser

)

Hình 1 6: Sơ đồ hệ thống dây chuyền xẻ gỗ tự động

cưa rọc rìa, xẻ thanh; 7- Đống ván xẻ thành phẩm; 8 - Hệ thống tự động xếp đống, phân

lo ại; 9 - Hệ thống tự động thu gom phế liệu, xử lý môi trường; 10- Cabin điều khiển dây chuy ền

Trong đó, hệ thống xẻ gỗ (5) được đề tài thiết kế chế tạo là cưa vòng đứng, được lắp cố định, có hệ thống cân bằng và giảm rung động Hệ thống cưa xẻ bao gồm các bộ phận sau: Khung cưa, bánh đà, lưỡi cưa, cơ cấu căng lưỡi cưa tự động, cơ cấu dẫn hướng lưỡi cưa để chống dao động của lưỡi cưa khi cắt

Trong dây chuyền này, cưa vòng đứng được thiết kế với các thông số kỹ thuật và công nghệ tính theo điều kiện làm việc được tác giả PGS.TS Hoàng Việt tính toán đề cập trong tài liệu [29] Cụ thể giá trị các thông số cơ bản như đường kính bánh đà, khoảng cách giữa trục các bánh đà, vận tốc cắt vận tốc đẩy…, được xác định theo loại gỗ có đường kính lớn nhất và lực cắt lớn nhất (loại gỗ cứng nhất) trong các nguyên liệu được đưa vào xẻ Theo các số liệu thiết kế thì cưa vòng đứng đảm bảo điều kiện xẻ cho tất cả các loại gỗ nhưng chưa xét đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác xem chúng có đạt được những yêu cầu của thực tế hay không

1.6.1.2 C ấu tạo cưa vòng đứng

Sơ đồ cấu tạo của cưa vòng đứng được thể hiện trên hình 1.8

Hình 1 8 : Sơ đồ cấu tạo của cưa vòng đứng

1- Lưỡi cưa;

2- Bánh đà chủ động;

3- Báng đà bị động;

4- Cơ cấu căng lưỡi cưa bằng thủy lực;

5- Cơ cấu ổn định lưỡi cưa;

6- Cơ cấu ổn định lưỡi cưa;

7- Cơ cấu ổn định lưỡi cưa;

8- Cơ cấu làm sạch bánh đà; 9- Xe goòng vam k ẹp gỗ;

Bánh đà bị động (3) quay trơn không ma sát phụ thuộc vào chuyển động của bánh đà chủ động (2) do lưỡi cưa vòng chuyển động ăn khớp ma sát và có thể dịch chuyển theo phương thẳng đứng nhờ ổ trượt trên giá cố định

Cơ cấu căng lưỡi cưa (4) là hệ thống thủy lực, liên kết với trục của bánh đà

bị động (3), có chức năng căng lưỡi cưa với sức căng ban đầu S0 để lưỡi cưa không

bị trượt trên các bánh đà trong quá trình làm việc

Các cơ cấu ổn định lưỡi cưa (5),(6),(7) được bố trí tại những vị trí cố định để đảm bảo chiều dài làm việc của lưỡi cưa ổn định, không bị rung lắc và xẻ được toàn

bộ đường kính cây gỗ, do vậy trong quá trình tính toán thiết kế cũng cần xác định vị trí lắp đặt của chúng hợp lý xẽ được trình bày ở phần sau

Hệ thống làm sạch bánh đà (8) có cấu tạo lớp đệm mềm dùng để gạt các bụi phoi, phôi trên mặt của bánh đà nhằm đảm bảo ma sát giữa lưỡi và bánh đà ổn định

và trong quá trình tính toán thiết kế ta cũng cần xác định hệ số ma sát này

1.6.1.3 Nguyên lý làm vi ệc của cưa vòng đứng

* Nguyên lý chung:

Cưa vòng là loại cắt gọt chuyên dùng, để xẻ dọc gỗ, góc lượn các chi tiết cong Cưa vòng là dạng cắt kín, mà công cụ cắt là bản thép mỏng, vòng tròn, có dạng đai, một cạnh là những lưỡi cắt cơ bản, các lưỡi cắt này chuyển động vòng, lúc cắt gọt có chuyển động thẳng Các lưỡi cắt này chuyển động liên tiếp như không bao giờ

hết, vì vậy người ta gọi lưỡi cắt cưa vòng có chuyển động vô tận Gỗ chuyển động đều theo hướng vuông góc với tốc độ cắt, song song với bản cưa, mỗi răng cưa cắt một phần vật chất của phôi và chia phôi thành hai phần, các phần này thường ít bị biến dạng lớn trong quá trình cắt gọt Đặc biệt hoạt động của cưa vòng đứng là làm

việc theo chu kỳ

Khi động cơ (10) hoạt động trục động cơ quay, truyền lực cho bánh đà chủ động (2) làm cho bánh đà chủ động quay Do sức căng của lưỡi cưa, và lực ma sát của lưỡi cưa (1) làm cho bánh đà bị động (3) quay theo, lưỡi cưa (1) chuyển động vô tận Xe goòng (9) đưa gỗ di chuyển vào lưỡi cưa và tạo ra quá trình xẻ gỗ thành tấm

+ Chu k ỳ không cắt: Xe goòng chuyển động tịnh tiến, toàn bộ lưỡi cưa và

bánh đà làm việc không tải, lúc này sức căng hai nhánh lưỡi cưa là S1 và S2 được xác định theo S0 và mô men M1 từ động cơ điện truyền đến Giá trị cụ thể của S1 và

S2 được trình bày trong mục sau

bằng với chiều dày ván cần xẻ, quá trình được điều khiển nhờ hệ thống tự động và được lập trình theo sơ đồ xẻ

* Đặc điểm của quá trình xẻ gỗ bằng cưa vòng đứng

Trong hệ thống xẻ gỗ bằng cưa vòng đứng, lưỡi cưa vòng có chuyển động liên tục theo chu trình khép kín quanh các bánh đà, quá trình xẻ gỗ gián đoạn theo chu kỳ

có một nửa chu kỳ thực hiện cắt còn lại một nửa chu kỳ chạy không nên trong quá trình xẻ gỗ có những đặc điểm sau:

- Toàn bộ hệ thống chuyển động có chu kỳ nên các lực tác dụng lên từng bộ phận cũng thay đổi theo chu kỳ, ở giai đoạn không xẻ thường các lực đó nhỏ hơn ở giai đoạn xẻ (cắt), vì vậy dễ gây ra hiện tượng như sự trượt của lưỡi trên các bánh đà

- Lực tác dụng lên các lưỡi cưa phân bố không đều theo chiều rộng, đặc biệt

là với lưỡi cưa được bẻ cong về hai phía, nên hợp lực bao giờ cũng nằm lệch về một phía mạch xẻ, chúng tạo thành mô men uốn cong bản cưa, dễ làm cưa dao động trong

mạch xẻ Hiện tượng này làm lưỡi cưa cọ sát lên thành bên, ma sát và nhiệt độ tăng lên, tổn hao năng lượng và giảm độ chính xác của mạch xẻ [7][16]

- Do chuyển động có chu kỳ nên các ứng lực trong lưỡi cưa cũng thay đổi do

đó có tác động lớn đến độ bền mỏi

- Do sức căng (ứng lực) trong các nhánh của lưỡi cưa trên các bánh đà có giá trị khác nhau nên sinh ra sự trượt tương đối của lưỡi cưa với bề mặt các bánh đà Hiện tượng trượt đó còn tăng theo vận tốc góc quay của bánh đà do lực quán tính ly tâm của đoạn lưỡi cưa vắt trên bánh đà, làm giảm áp lực với bề mặt tiếp xúc Do đó cần

có những giải pháp tăng hệ số ma sát giữa lưỡi cưa và bánh đà để giảm hiện tượng trượt Mặt khác nếu tăng hệ số ma sát, sẽ tăng hiệu số sức căng S1-S2, lại phát sinh sự trượt đàn hồi của lưỡi cưa trong đoạn tiếp xúc với bánh đà mà sự trượt đàn hồi này nói chung là có biến dạng dư nên sẽ làm thay đổi chiều dài của lưỡi cưa, do đó làm thay đổi lực căng ban đầu, vì thế cần chú ý điều chỉnh sức căng ban đầu sau một thời gian làm việc

Tất cả những đặc điểm trên của cưa vòng cần được nghiên cứu một cách kỹ càng, làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và hiệu quả sử dụng cưa vòng đứng trong dây chuyền

xẻ gỗ tự động

Vì cưa vòng đứng là một thiết bị chính trong dây chuyền xẻ gỗ tự động có tác dụng xẻ phá, quá trình xẻ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và năng suất của sản phẩm, nên việc thực hiện đề tài “Nghiên cứu xác định giá trị tối ưu một số thông số của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động” là một vấn đề rất cần thiết cho việc hoàn

thiện các thông số kỹ thuật khi chế tạo cũng như sử dụng nó một cách hợp lý nhất

1.6.2 Nguyên liệu đưa vào xẻ

Theo thiết kế nguyên liệu của dây chuyền xẻ gỗ tự động do đề tài cấp nhà nước thiết

kế chế tạo là các loại gỗ rừng trồng nhập khẩu hoặc gỗ trong nước có đường kính từ 30cm đến 80 cm, chiều dài khúc gỗ ≤ 4m, nhóm gỗ từ nhóm 2 đến nhóm 6

Căn cứ kết quả khảo nghiệm và nhu cầu sử dụng, loại gỗ phù hợp nhất cho dây chuyền xẻ gỗ tự động đó là gỗ Tần bì (Fraxinus) nhập khẩu từ Châu Âu có đường kính 30÷80cm, đây là loại gỗ có độ cứng trung bình

- Phân tích và đánh giá về cấu tạo của gỗ Tần bì (Fraxinus)

Qua kết quả nghiên cứu cấu tạo cho thấy gỗ Tần bì là loại gỗ có độ cứng trung bình, gỗ giác lõi không phân biệt, mạch phân bố phân tán vì vậy quá trình gia công cắt gọt lực đi qua các phần gỗ này đồng đều, làm cho chất lượng gia công bề mặt tốt

Về màu sắc tương đối đồng đều có thể sử dụng làm đồ mộc thông dụng Mạch gỗ có kích thước bé, số lượng mạch trung bình, sợi gỗ bé vách dày nên khả năng hút nước

và thấm thuốc bảo quản kém (ít) nhưng nó thuận lợi là gỗ ít bị cong vênh nứt nẻ

- Phân tích đánh giá tính chất vật lý

Khối lượng thể tích của gỗ 0 = 0,77 g/cm3,12 = 0,80g/cm3, đối chiếu với bảng bảng phân nhóm theo khối lượng thể tích TCVN 1072-71 thì gỗ Tần bì được xếp nhóm V

- Phân tích đánh giá tính chất cơ học

Qua kết quả xác định tính chất cơ học của gỗ Tần bì ở trên ta có thể tổng kết

6 Trượt dọc thớ tiếp tuyến 13,4 N/mm2

Thông qua việc phân tích và đánh giá tính chất cơ học của gỗ Tần bì ta thấy đây là loài gỗ có cường độ chịu lực trung bình thích hợp cho các công trình chịu lực nhỏ Tần bì là loài gỗ độ cứng trung bình nên thuận lợi cho gia công cắt gọt Khi gia công cắt gọt loại gỗ này phải nghiên cứu lưỡi cắt cho hợp lý để lực cắt nhỏ, tiêu hao công suất nhỏ

1.7 Pha ̣m vi nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận án được giới hạn trong phạm vi như sau:

- V ề đại lượng nghiên cứu

Để đảm bảo sự làm việc an toàn cho cưa, điều kiện không trượt của lưỡi cưa trên các bánh đà, ổn định kéo và ổn định ngang của lưỡi cưa thì cần nghiên cứu các thông số: Kích thước hình học của máy, mô men quán tính các bánh đà, khoảng cách giữa các bánh đà, sức căng ban đầu của lưỡi cưa, vị trí đặt cơ cấu ổn định ngang của lưỡi cưa, công suất động cơ, hệ số quay không đều của trục động cơ … Đó là những thông số cơ bản, cần được chọn khi thiết kế và chế tạo cưa vòng

Để đánh giá hiệu quả sử dụng của cưa vòng sau khi đã thiết kế, chế tạo cần phải căn cứ vào nhiều chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, nhưng trong phạm vi luận án chỉ tập trung nghiên cứu về năng suất xẻ (П), chi phí năng lượng riêng (Ar) hay công suất riêng (Nr) khi xẻ và độ mấp mô bề mặt ván (Ra)

- Về thông số ảnh hưởng của thiết bị và chế độ cắt

Luận án không nghiên cứu phần tính toán thiết kế cưa vòng, mà chỉ tập trung nghiên cứu xác định giá trị một số thông số về chế độ cắt có ảnh hưởng nhiều nhất đến các chỉ tiêu nêu trên như: Tham số về góc cắt của lưỡi cưa (δ), vâ ̣n tốc cắt (v), vâ ̣n tốc đẩy (uc) Chúng là những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạch xẻ và hiê ̣u quả xẻ

- V ề đối tượng của quá trình cắt gọt

Luận án chỉ tập trung nghiên cứu cho một số loại gỗ rừng trồng và nhập khẩu được sử dụng phổ biến nhất hiện nay tại Việt Nam (gỗ có độ cứng khác nhau (Kc – lực cản cắt) thuộc các nhóm gỗ từ nhóm 2 đến nhóm 6) Các thông số về chiều dài, đường kính, tính chất cơ lý đã được thống kê trong tài liệu [21] và [28]

Phần nghiên cứu thực nghiệm, do thời gian và kinh phí có hạn, đề tài chỉ chọn một loại gỗ đại diện là gỗ Tần bì để kiểm chứng cơ sở lý thuyết và xác định các thông

số tối ưu tương ứng Do đó kết quả nghiên cứu thực nghiệm được xem là một minh

chứng và ví dụ áp dụng với một loại gỗ cụ thể

1.8 Nội dung nghiên cứu

Để thực hiện được mục tiêu đặt ra luận án đề ra các nội dung nghiên cứu sau:

1.8.1 Xác định các thông số cơ bản của cưa vòng đứng theo điều kiện làm việc

- Xây dựng và khảo sát mô hình động lực học của cưa vòng đứng Căn cứ vào điều kiện an toàn và ổn định để xác định một số thông số về kết cấu và kỹ thuật;