Để cắt thái vật liệu thành đoạn thái bảo đảm chất l−ợng, giảm đ−ợc năng l−ợng cắt thái, cần xét đến số yếu tố thuộc phạm vi dao thái và vật thái ảnh h−ởng đến quá trình cắt thái.
3.2.1. áp suất riêng q (N/cm) của cạnh sắc l−ỡi dao trên vật thái:
Đây là yếu tố chủ yếu trực tiếp đảm bảo quá trình cắt đứt vật thái và liên quan đến các yếu tố khác thuộc phạm vi dao thái và vật thái, nếu gọi lực cắt cần thiết là Pct (N) và độ dài đoạn l−ỡi dao là ∆S (cm) thì:
39 q =
S Pct
∆ , ( N/cm ) (3.2)
Khi cắt thái các vật đàn hồi, áp suất cắt thái riêng gây ra hai giai đoạn: đầu tiên là l−ỡi dao nén ép vào vật thái một đoạn, rồi cắt đứt vật thái .
Nếu gọi Pt là lực cản cắt thái thì:
Pct =Pt+ T1 + T2cos σ (3.3)
σ- góc mài dao của l−ỡi dao.
3.2.2. Các yếu tố ảnh h−ởng chính của dao thái
a- Cạnh sắc của l−ỡi dao:
Chính là chiều dày s (mm) của nó (hình 3.3). Thông th−ờng chiều dày nhỏ nhất của cạnh sắc l−ỡi dao đạt tới 20440 àm. Đối với các máy thái trong chăn nuôi, s không v−ợt quá 100 àm, nếu s quá 100 àm l−ỡi dao thì l−ỡi dao xem nh− bắt đầu cùn và thái kém.
Hình 3.3. Cạnh sắc l−ỡi dao.
Rõ ràng là độ dày cạnh sắc s càng lớn thì áp suất cắt thái q càng tăng. Nếu gọi ứng suất cắt của vật thái là σc thì:
q= s.σc (3.4)
Hình 3.4. Góc cắt thái
b - Góc cắt thái α:
Trên (hình 3.4) là góc hợp bởi góc đặt dao β và góc mài σ: α = β + σ
Góc đặt dao β tính toán sao cho lớp rau củ khi đ−ợc dao thái xong phải tiếp tục đ−ợc tiến vào sẽ không chạm vào mặt dao, tránh ma sát vô ích. Vấn đề
40
tính toán góc đặt dao β sẽ phụ thuộc vào vận tốc quay của dao thái, vận tốc vật thái vào, dạng cạnh sắc của l−ỡi dao, v.v…
Góc mài dao σ đã đ−ợc Reznik N.E nghiên cứu và đề xuất (1975) [5] công thức thể hiện đến lực cắt thái:
Pth= Pt + c.tgσ (N) (3.5) c - hệ số có thứ nguyên, N/cm;
Pth - lực cắt thái tới hạn cần thiết,N; Pt - lực cản cắt thái, N.
Góc mài dao σ càng nhỏ càng tốt, nh−ng vì độ bền vật liệu làm dao có hạn, nên góc mài của máy thái rau, cỏ th−ờng lớn ≥ 120: đối với máy thái rau cỏ rơm, σ = 124150 (với tấm kê thái σ’ = 254300).
c - Độ bền của vật liệu làm dao:
Dao thái có chất l−ợng tốt thì lâu cùn, thái tốt. Khi đó, công nén lớp vật thái do l−ỡi dao tác động lúc bắt đầu cắt sẽ thấp hơn và lực cản cắt thái nhỏ hơn. Các công và lực này thể hiện bằng đồ thị sự phụ thuộc chiều sâu λ của l−ỡi dao vào vật thái (hình 3.5).
Hình 3.5. Đồ thị phụ thuộc của lực cắt với độ thái sâu λ.
d - Vận tốc của dao thái v (m/s):
Vận tốc dao thái ảnh h−ởng đến quá trình cắt thái, thể hiện cụ thể bằng đồ thị thực nghiệm biểu diễn sự biến thiên của áp suất cắt thái riêng q hoặc lực (cản cắt thái Pt và công cắt thái Act) với vận tốc của dao thái (hình 3.6).
41
Hình 3.6. Đồ thị phụ thuộc của áp suất cắt thái riêng và vận tốc dao thái
Theo Reznik, ta có thể tính theo công thức thực nghiệm:
Pt = 75.10-0,0019 . q . v2,6 + 40 (N) (3.6) Vận tốc bộ phận thái th−ờng lấy bằng 35440 m/s.
3.2.3. Điều kiện tr−ợt của l−ỡi dao trên vật thái
Khi đ−ờng tr−ợt của l−ỡi dao trên vật thái hay của vật thái trên l−ỡi dao càng dài thì lực cản cắt càng giảm. Để thể hiện hiện t−ợng tr−ợt nói chung của l−ỡi dao trên lớp vật thái, vẽ và phân tích vận tốc v của một điểm M ở trên cạnh sắc l−ỡi dao cong AB khi tác động vào lớp vật thái(hình 3.7)
Hình 3.7. Vận tốc của điểm M trên cạnh sắc l−ỡi dao AB
Vận tốc v có thể phân tích làm 2 thành phần: thành phần vận tốc pháp tuyến vn (vuông góc với l−ỡi dao) và thành phần vận tốc tiếp tuyến vt (theo cạnh sắc l−ỡi dao). Vận tốc pháp tuyến vn chính là vận tốc của dao thái gập sâu vào vật thái gây nên quá trình cắt thái. Vận tốc tiếp tuyến vt gây nên chuyển động tr−ợt t−ơng đối của l−ỡi dao trên vật thái.
Theo định nghĩa của Gơriatskin, góc hợp bởi vận tốc v với thành phần pháp tuyến vn gọi là góc tr−ợt τ, tỷ số giữa trị số vận tốc tiếp tuyến vt và vận tốc pháp tuyến vn gọi là hệ số tr−ợt ε:
42 ε = tgτ v v n t = (3.7)
Thực nghiệm cho thấy lực cắt thái sẽ giảm nhiều với góc tr−ợt τ ≥ 300. Hiện t−ợng cắt thái của dao đối với vật thái sẽ có một điều kiện chung để phát huy tác dụng cắt tr−ợt, giảm lực cắt thái đ−ợc nhiều hơn.
Xét các lực tác động giữa l−ỡi dao với vật thái (hình 3.8)
a, b, c,
Hình 3.8. Phân tích các lực tác động giữa l−ỡi dao và vật thái
a) Lực do vật thái tác động vào dao; b) Lực do dao tác động vào vật thái với góc τ≥ϕ’; c) Lực do dao tác động vào rau với góc τ > ϕ’
Tr−ờng hợp chúng ta cần nghiên cứu là góc tr−ợt τ ≠ 0. Để đơn giản ta xét một l−ỡi dao thẳng AB quay quanh một tâm quay O và cách tâm quay một đoạn r. Để phân tích, tách riêng và xét các lực do vật thái tác động vào dao thái (hình 3.8a) và các lực do dao tác động vào vật thái (hình 3.8b,c)
Trên hình vẽ góc tr−ợt τ càng lớn thì lực T (hay T’) càng tăng, đồng thời lực ma sát F (hay F’) vẫn có khả năng tăng theo, bằng T, khiến cho điểm Mr của vật thái không thể tr−ợt theo l−ỡi dao. Nghĩa là, mặc dù cắt thái với góc tr−ợt τ ≠ 0, nh−ng hai điểm Mr của vật thái và Md của dao vẫn không tách rời nhau. Ng−ợc lại, trong quá trình thái, điểm Md của dao vẫn cứ bám chặt lấy điểm Mr của vật thái mà nén xuống với lực tác động P cho đến khi cắt đứt (tuy lúc này ở Mr của vật thái có ba lực tác động P, T và F, nh−ng F = T và hợp lực của chúng là lực P).
Khi T tăng thì F sẽ tăng theo và chỉ đạt tới trị số lực ma sát cực đại Fmax (theo khái niệm về lực ma sát và góc ma sát).
43 Trị số Fmax = Ntgϕ’ = N.f’,
Trong đó ϕ’ là góc ma sát giữa l−ỡi dao và vật thái, f’ = tgϕ’ là hệ số ma sát.
Trong tr−ờng hợp ma sát giữa l−ỡi dao và vật thái (coi nh− ma sát giữa đ−ờng thẳng và bề mặt) thì trị số của góc ma sát ω’ (hay f’) không cố định nh− các tr−ờng ma sát thông th−ờng giữa bề mặt với bề mặt mà có thay đổi trị số ít nhiều. Vì vậy, để phân biệt hiện t−ợng ma sát của l−ỡi dao với vật thái, Gơriatkin đề nghị gọi góc ω’ là góc cắt tr−ợt, và hệ số f’ = tgω’ là hệ số cắt tr−ợt.
Vậy khi T và F tăng trong giới hạn T = F [ Fmax nghĩa là T = F = N.tgτ
hay τ[ω’ thì quá trình cắt thái ch−a có hiện t−ợng “tr−ợt t−ơng đối” giữa các điểm của l−ỡi dao tiếp xúc với vật thái vì bị ma sát chống lại.
Khi T tăng lên nữa, do góc tr−ợt τ tăng lên (hình 3.8), trong lúc lực ma sát không thể tăng lên mà chỉ ở trị số Fmax, nghĩa là T∃ Fmax hay τ∃ω’, thì hiệu số lực T - Fmax sẽ có xu h−ớng làm cho Mr của vật thái tr−ợt đi so với điểm Md của dao (lên phía trên, hay ng−ợc lại), có hiện t−ợng tr−ợt t−ơng đối giữa dao và vật thái. quá trình cắt thái có tr−ợt, và lực cắt thái giảm đi nhiều, quá trình cắt thái dễ dàng hơn. Lúc này hợp lực của ba lực P, T và Fmax do dao tác động vào rau, không phải là lực P mà luôn luôn là lực R, (hình 3.8.c).
Qua phân tích trên, quá trình cắt thái bằng l−ỡi dao xảy ra ba tr−ờng hợp - Tr−ờng hợp góc tr−ợt τ = 0, quá trình cắt thái chặt bổ không tr−ợt, chỉ có lực pháp tuyến, không có lực tiếp tuyến;
- Tr−ờng hợp góc tr−ợt τ [ ω’ quá trình cắt thái vẫn ch−a có tr−ợt, tuy nhiên có cả lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến (nh−ng lực tiếp tuyến này ch−a gây đ−ợc hiện t−ợng tr−ợt vì có ma sát).
- Tr−ờng hợp góc tr−ợt τ∃ω’ quá trình cắt thái có tr−ợt t−ơng đối giữa dao và vật thái, do tác dụng của lực tiếp tuyến đủ lớn thắng đ−ợc lực ma sát.
Điều kiện cắt thái có tr−ợt để giảm đ−ợc lực cắt thái là góc tr−ợt τ phải có trị số lớn hơn hay bằng góc cắt tr−ợt ω’
44
Góc cắt tr−ợt ω’ th−ờng có trị số = 254450.
3.2.4. Điều kiện kẹp vật thái giữa l−ỡi dao và tấm kê
a - Khe hở δ giữa cạnh sắc l−ỡi dao và cạnh sắc tấm kê
Thực nghiệm cho thấy ảnh h−ởng của khe hở δ giữa cạnh sắc l−ỡi dao và cạnh sắc tấm kê thể hiện bằng sự phụ thuộc của công suất cắt N với khe hở δ
(hình 3.9). Trị số δ có một giới hạn thích hợp để đảm bảo cho N t−ơng đối nhỏ.
Hình 3.9. Đồ thị phụ thuộc của δ với N
Vật thái càng mảnh thì khe hở δ càng nhỏ, vì nếu không, l−ỡi dao có thể bẻ gập thân vật thái xuống lọt vào khe hở và kéo đứt nó, giảm chất l−ợng cắt.
Nh−ng δ cũng không thể nhỏ quá đ−ợc, vì đĩa lắp dao và gối đỡ có độ dịch chuyển dọc trục cho phép.
Đối với máy thái rau cỏ rơm để đảm bảo chất l−ợng vật thái thì δ không quá 5 mm.
b - Góc kẹp χ và điều kiện kẹp của vật thái giữa cạnh sắc l−ỡi dao và cạnh sắc tấm kê.
Đây là một yếu tố ảnh h−ởng trong tr−ờng hợp cắt thái một cạnh sắc l−ỡi dao và cạnh sắc tấm kê cùng phối hợp kẹp và cắt vật thái. Góc BAC hợp bởi cạnh sắc l−ỡi dao AC và cạnh sắc tấm kê AB gọi chung là góc mở (hình 3.10).
45
Hình 3.10. Góc kẹp và điều kiện kẹp
Khi góc mở lớn hai cạnh sắc không kẹp giữ yên đ−ợc vật thái mà có tác động đẩy nó ra, khó cắt thái đ−ợc. Với một trị số góc mở nhỏ hơn đủ để hai cạnh sắc kẹp giữ yên đ−ợc vật thái để cắt đ−ợc thì góc mở đó đ−ợc gọi là góc kẹp χ. Giá trị góc kẹp χ phải đ−ợc bảo đảm khi thiết kế bộ phận dao thái có tấm kê và là điều kiện để dao và tấm kê kẹp đ−ợc vật thái.
Ta có thể xác định đ−ợc điều kiện kẹp nh− sau:
Xét vị trí cạnh sắc AC của l−ỡi dao và cạnh sắc AB của tấm kê (hình 3.10), với các lực tác động vào vật thái (đ−ợc mô phỏng có tiết diện tròn tâm O), do l−ỡi dao ở tiếp điểm M là lực pháp tuyến N và lực ma sát F; do tấm kê ở tiếp điểm M’, t−ơng ứng là lực N’ và F’.
Lực tổng hợp, do l−ỡi dao là R, do tấm kê là R’. Theo sơ đồ ta có:
Góc NMR = ϕ1’ và góc N’M’R’ = ϕ2’
ϕ1’ và ϕ2’ là góc ma sát giữa vật thái với cạnh sắc l−ỡi dao và tấm kê. T = Ntg 2 χ và T’ = N’tg 2 χ (3.8) F = Ntgϕ1’ và F’ = N’tgϕ2’ (3.9) Đó là các trị số ma sát cực đại,và ta biết:
Khi T > F và T’ > F’ (F và F’ đạt trị số cực đại), nghĩa là khi: Ntg 2 χ > Ntgϕ1’ 2 χ > ϕ1’ (3.10) N’tg 2 χ > N’tgϕ2’ 2 χ > ϕ2’ (3.11)
Điều kiện kẹp của vật thái giữa cạnh sắc l−ỡi dao và cạnh sắc tấm kê là
góc kẹp: χ [ω1’ + ω2’. (3.12)
Trong đó :
46
ω2’: góc ma sát tr−ợt của vật thái với tấm kê. Đối với máy thái kiểu đĩa dao góc kẹp χ = 404500,
Nếu một trong hai góc cắt tr−ợt (góc ma sát) ω1’ và ω2’có trị số nhỏ nhất, gọi là ω’min thì theo Viện sĩ Xablikôv, điều kiện kẹp hoàn toàn là:
χ[ 2ω’min
Trong tr−ờng hợp χ ∃ ω1’ + ω2’ thì vật thái bị đẩy ra ngoài cho tới khi góc mở giảm xuống tới trị số góc kẹp χ = ω1’ + ω2’ lại bảo đảm điều kiện kẹp.
3.2.5. Độ bền và chất l−ợng của vật thái
Thực nghiệm cho thấy sự phụ thuộc của áp suất cắt thái riêng q (N/cm) với độ ẩm W (%) của vật thái (hình 3.11).
Khi độ ẩm còn thấp (8415%) áp suất cắt thái riêng tăng dần. Khi W > 15% thì áp suất riêng lại giảm đi.
Hình 3.11. Đồ thị phụ thuộc của áp suất cắt thái q vào độ ẩm của cỏ W
Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu cơ sở lý thuyết quá trình cắt thái đề tài đã lựa chọn đ−ợc một số thông số làm cơ sở cho quá trình tính toán thiết kế mẫu máy thái TC.5 đ−ợc ghi trong bảng 3.1
Bảng 3.1
Thông số Kết quả lựa chọn
Góc mài dao; tấm kê σ = 150; σ’ = 250
Vận tốc dao thái v = 35 m/s
Góc cắt tr−ợt (góc ma sát) ω’ = 250
Khe hở giữa dao và tấm kê δ = 4 mm
47
Góc tr−ợt τ = 300
Ch−ơng 4
Cơ sở lý thuyết tính toán máy tháI cỏ TC.5,0
4.1. thiết kế sơ đồ dao thái
4.1.1. yêu cầu cơ bản đối với một sơ đồ dao thái
Một sơ đồ dao thái hợp lý ít nhất phải đáp ứng những nh− cầu sau đây: - Năng l−ợng tiêu thụ để thái tốn ít nhất.
- Tải trọng tác dụng lên trục máy phải t−ơng đối đều.
- Vật thái phải đ−ợc kẹp theo toàn bộ chiều dài làm việc của l−ỡi dao.
4.1.2. Sơ đồ và kích th−ớc cơ bản của dao thái
Sơ đồ và các kích th−ớc cơ bản của dao thái đ−ợc trình bày trên hình 4.1
Hình 4.1. Sơ đồ và kích th−ớc cơ bản của dao thái
Ký hiệu các kích th−ớc trên hình vẽ đ−ợc quy định chung nh− sau: a - chiều cao họng thái;
b - chiều rộng họng thái;
h - khoảng cách từ trục quay tới l−ỡi tấm kê thái theo đ−ờng thẳng đứng;
c - khoảng cách từ trục quay tới mép họng thái;
Ψ - góc quay của dao;
48
χ - góc kẹp.
θ- góc quay của bán kính véctơ (trong toạ độ cực);
u - khoảng cách từ trục quay của đ−ờng nằm ngang đến điểm dịch chuyển của l−ỡi dao theo cạnh sắc của họng thái;
ν - khoảng cách từ đ−ờng thẳng góc với l−ỡi dao (kẻ từ tâm quay tới điểm của l−ỡi dao mà ta xét;
Theo sơ đồ trên, góc kẹp hợp bởi l−ỡi dao và cạnh sắc tấm kê thái của họng thái, góc tr−ợt chính là góc hợp bởi l−ỡi dao và bán kính véctơ. Các kích th−ớc cơ bản của sơ đồ dao thái này liên hệ với nhau nh− sau:
r = u2 + h2 (4.1)
u = rcos(τ - χ) (4.2)
h = rsin(τ - χ) = utg(τ - χ) (4.3)
Từ các biểu thức trên ta rút ra:
χ = τ - arccos r u = τ - arcsin r h = τ - arctg u h (4.4) Theo những yêu cầu chung của sơ đồ dao thái trên, ta rút ra những yêu cầu cụ thể nh− sau:
- Góc tr−ợt τ của các điểm trên l−ỡi dao phải tăng dần cùng với bán kính vectơ r hay với u (u = r2-h2 );
- Góc χ phải nhỏ hơn hay bằng 2ϕ’;
- Độ dài của cung thái ∆S phải nhỏ dần khi bán kính r tăng lên; - Đại l−ợng
du dΨ
phải tăng lên theo u;
Hai yêu cầu cuối bảo đảm cho tải trọng tác động lên trục máy đ−ợc điều đặn, vì khi đó cùng một góc quay dΨ, độ ngậm sâu của l−ỡi dao cắt vào vật thái sẽ giảm đi, đồng thời ∆S cũng nhỏ dần, nhờ vậy lực cản cắt thái sẽ gây ra mômen cản cắt thái đều hơn.
49
Ta phân tích tính toán 4 yêu cầu cụ thể: góc tr−ợt τ, góc kẹp χ, đoạn dao thái ∆S và đại l−ợng
du dΨ
đối với sơ đồ dao thái (từ khi dao bắt đầu cắt vào họng thái đến khi dao cắt xong lớp vật thái ở họng thái). Hình 4.2 trình bày sơ đồ dao thái AB với tâm quay O, cách tâm quay O một đoạn p (với các ký hiệu đã nêu chung ở trên).
Hình 4.2. Sơ đồ tính toán dao thái
a - Góc tr−ợt τ :
Ta có thể viết ph−ơng trình cơ bản của đ−ờng thẳng AB cạnh sắc l−ỡi dao trong toạ độ cực (θ, r) nh− sau: