2.4.1. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu
Các phƣơng pháp nghiên cứu chủ đạo đƣợc sử dụng để giải quyết các nội dung nghiên cứu của đề tài là:
- Phƣơng pháp kế thừa: Thông qua tổng quan nghiên cứu, tìm hiểu thu thập đƣợc những kết quả nghiên cứu về lĩnh vực quan tâm của đề tài ở trên thế giới và Việt Nam
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: Theo [6,7] nghiên cứu lý thuyết có mục đích thiết lập một hệ thống quan điểm nào đó thông qua việc đƣa ra
những qui luật mới, nghiên cứu lý thuyết thích hợp nhất khi nghiên cứu các đối tƣợng và hệ thống mà trong đó có thể phân chia rõ các hiện tƣợng và các quá trình có cùng bản chất vật lý. Nhƣ vậy, căn cứ vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy cƣa đĩa và quá trình cƣa ngang gỗ bằng cƣa đĩa các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng và hiệu quả sử dụng máy nhƣ chi phí năng lƣợng riêng và độ nhám bề mặt gia công có thể tính toán đƣợc nhờ công thức lý thuyết. Nghiên cứu lý thuyết đƣợc sử dụng trong phần cơ sở lý luận của đề tài. Kế thừa phƣơng pháp luận nghiên cứu của trƣờng phái toán cơ, chúng tôi xây dựng mô hình toán học của quá trình cƣa ngang gỗ keo lá tràm bằng cƣa đĩa với hàm mục tiêu là chi phí năng lƣợng riêng và độ nhám bề mặt gia công, phụ thuộc vào các thông số ảnh hƣởng đặc trƣng cho chế độ và điều kiện gia công. Dựa vào các mô hình toán học này, tiến hành phân loại đƣợc các yếu tố ảnh hƣởng, giải thích các hiện tƣợng xảy ra trong quá trình cƣa ngang gỗ một cách khoa học.
- Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Theo[7] với phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm cổ điển, muốn nghiên cứu sự ảnh hƣởng của một nhân tố nào đó thì ta phải cố định các nhân tố khác và nhƣ vậy số thí nghiệm rất nhiều, rất tốn kém. Phƣơng pháp cổ điển chỉ cho phép tìm kiếm các mối phụ thuộc đơn định giữa các chỉ tiêu đánh giá và các yếu tố ảnh hƣởng một cách riêng biệt. Mặc dù, có trong tay một tập hợp các phƣơng trình tƣơng quan nhƣng chúng chỉ là những trƣờng hợp riêng nên không cho kết quả chặt chẽ về mức độ ảnh hƣởng của từng yếu tố trong mối tác động qua lại giữa chúng, cũng nhƣ khó có thể tìm kiếm phƣơng án phối hợp tối ƣu các yếu tố ảnh hƣởng nhằm hƣớng tới tối ƣu hóa quá trình theo mục đích xác định.
Thấy rõ những nhƣợc điểm của phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm cổ điển, chúng tôi chọn phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm mà trong đó
tiến hành khảo nghiệm máy, thu thập số liệu một cách chủ động, theo một kế hoạch và chiến lƣợc xác định trƣớc, đó là phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm.
Đây là phƣơng pháp nghiên cứu mới, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực. Cơ sở toán học, nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phƣơng sai và phân tích hồi qui. Phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm có những ƣu điểm nổi bật so với phƣơng pháp cổ điển:
- Giảm đáng kể số lƣợng thí nghiệm cần thiết;
- Giảm thời gian tiến hành thí nghiệm và chi phí phƣơng tiện vật chất; - Hàm lƣợng thông tin nhiều hơn, rõ rệt hơn nhờ đánh giá đƣợc vai trò của tác động qua lại giữa các yếu tố và ảnh hƣởng của chúng đến hàm mục tiêu;
- Nhận đƣợc mô hình toán học thực nghiệm, đánh giá đƣợc sai số thí nghiệm, cho phép xét ảnh hƣởng của các thông số với mức độ tin cậy xác định;
- Cho phép xác định điều kiện tối ƣu đa yếu tố của điều kiện nghiên cứu một cách chính xác bằng công cụ toán học, thay cho cách giải gần đúng, tìm tối ƣu cục bộ ở các thí nghiệm thụ động.
Nội dung chủ yếu của phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm : - Chọn mục tiêu thực nghiệm;
- Chọn tham số điều khiển; - Chọn các thiết bị đo;
- Tiến hành công tác chuẩn bị; - Tiến hành các thí nghiệm thăm dò; - Tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố; - Tiến hành thực nghiệm đa yếu tố.
2.4.2. Chọn mục tiêu thực nghiệm
Hai đại lƣợng cần xác định theo mục đích nghiên cứu của đề tài là chi phí năng lƣợng riêng và độ nhám bề mặt gia công đƣợc chọn là mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm.
2.4.3. Chọn tham số điều khiển
Trong tổ hợp các yếu tố ảnh hƣởng tới quá trình cƣa ngang gỗ thì các yếu tố thuộc về gỗ nhƣ: loại gỗ, cơ lý tính của gỗ, độ ẩm của gỗ, hình dáng, kích thƣớc... đƣợc xem là các đại lƣợng ngẫu nhiên và ấn định trƣớc không thay đổi trong quá trình tiến hành thực nghiệm. Để hạn chế sự tác động của chúng đến độ chính xác của phép đo, khi làm thí nghiệm, chúng tôi chọn cây gỗ keo lá tràm có điều kiện sinh trƣởng giống nhau, cùng độ tuổi, đƣờng kính trung bình 20cm sau đó xẻ hộp dày 10cm, phơi gỗ để đạt độ ẩm bão hòa W= 30% . Nhƣ vậy, chỉ còn những yếu tố thuộc về máy và chế độ gia công, đây là những yếu tố điều khiển đƣợc tác động đến hai hàm mục tiêu đó là:
- Đƣờng kính của đĩa cƣa; - Tốc độ cắt;
- Tốc độ đẩy;
- Các thông số hình học của răng cƣa; - Độ tù của mũi cắt khi làm việc;
- Điện thế nguồn cho động cơ khi khảo nghiệm.
Đƣờng kính đĩa cƣa quyết định tốc độ cắt, chiều rộng mạch cƣa, ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng riêng và độ nhám bề mặt gia công, nó đƣợc chọn phụ thuộc vào chiều cao mạch cƣa. Trong đề tài, chiều cao mạch cƣa không thay đổi h= 10cm, cho nên đĩa cƣa đƣợc chọn có đƣờng kính cố định d = 35 cm Tốc độ cắt ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng riêng và nó chỉ ảnh hƣởng đến độ nhám bề mặt gia công khi nằm ở ngoài giới hạn 31,5m/s ÷ 95,5m/s [43]. Nhƣng do số vòng quay của động cơ không thay đổi, tỷ số
truyền của bộ truyền đai từ động cơ lên trục cƣa không thay đổi, đƣờng kính đĩa cƣa giữ nguyên. Độ tù của mũi cắt đƣợc đặc trƣng bằng bán kính ρ.
Theo tài liệu [9, 22], độ tù chỉ ảnh hƣởng đến lực cắt sau một giờ làm việc liên tục. Đây là đại lƣợng ngẫu nhiên, không điều khiển đƣợc cho nên để hạn chế sự ảnh hƣởng của nó, thí nghiệm tiến hành trong phạm vi 1giờ phải chuẩn bị lại đĩa cƣa.
Điện thế làm việc có ảnh hƣởng đến các thông số nghiên cứu và độ chính xác của kết quả thí nghiệm vì vậy, việc khảo nghiệm chỉ tiến hành khi điện thế ổn định theo yêu cầu của kỹ thuật vận hành máy cƣa.
Nhƣ vậy, chỉ còn 3 yếu tố cần tiến hành khảo nghiệm sự ảnh hƣởng của chúng đến 2 hàm mục tiêu là chi phí năng lƣợng riêng và độ nhám bề mặt gia công là:
- Góc mài cạnh cắt bên β1 đƣợc chọn trong giới hạn β1= 40÷60o,theo kết quả nghiên cứu của các công trình [23,25,30].
- Góc mài của cạnh cắt ngắn β2 chọn trong giới hạn β2 = 30÷50o, theo kết quả nghiên cứu của các công trình [23,25,30].
- Tốc độ đẩy đƣợc chọn trên cơ sở thỏa mãn yêu cầu động học của quá trình cƣa gỗ, khả năng làm việc của dụng cụ cắt và bộ phận động lực [9,10,13,23] chọn tốc độ đẩy U = 4÷ 12m/ph. Tốc độ đẩy thay đổi nhờ bộ phận biến tần.
2.4.4. Chọn thiết bị đo
- Đo công suất cắt chúng tôi sử dụng bộ
- Đo công suất tiêu hao sử dụng máy đo Fluke 41B. Máy có thể đo và ghi lại các thông số kỹ thuật đặc trƣng của dòng điện nhƣ: tần số, cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế, giá tri cosθ, công suất tiêu hao.
- Đo tốc độ quay của trục cƣa, tốc độ đẩy bằng đồng hồ đo mã hiệu HT- 3100 của hãng Ono sokki Nhật Bản có các thông số kỹ thuật chính (biểu 2.3)
Bảng 2.3. Thông số kỹ thuật của đồng hồ đo HT- 3100
Tên gọi Thông số
Khoảng đo Mức thấp Mức cao 1,5 ÷2000v/ph 15÷ 10000v/ph
Độ chính xác Mức thấp ±0,01v/ph (1,5÷ 1249,9 v/ph) Mức cao ±0,1v/ph (15÷ 10000v/ph) - Xác định độ ẩm của gỗ theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8029-12009 với các thiết bị sử dụng để cân sấy mẫu: Cân điện tử, tủ sấy..
- Đo độ nhám bề mặt gia công bằng máy đo TR-300 sản xuất tại Trung Quốc có độ chính xác 5%;
- Đo góc mài bằng đồng hồ đo mã hiệu TY-2-034-666-82 sản xuất tại Liên bang Nga.
2.4.5. Tiến hành công tác chuẩn bị
2.4.5.1. Chế tạo thiết bị khảo nghiệm
Để tạo điều kiện thuận lợi cho công tác khảo nghiệm, chúng tôi chế tạo khung máy cƣa đĩa, nó có thể điều chỉnh chế độ cắt nhƣ khi cắt ngang gỗ trên máy cƣa Ц- 6 ( hình 2.1).
Hình 2.1. Khung máy cƣa đĩa để khảo nghiệm
1-Khung máy; 2. Trục vít ; 3- Giá kẹp phôi gỗ; 4-Đĩa cƣa và trục cƣa; 5. Bộ truyền đai; 6- Động cơ chính; 7- Xe goòng;
Cấu tạo gồm một khung máy (1) làm bằng thép góc, trên khung lắp 2 đƣờng ray để dẫn hƣớng cho bánh xe của xe goòng (7) di chuyển. Trên xe goòng lắp giá đỡ động cơ chính (6) và giá đỡ đĩa cƣa. Động cơ chính đƣợc lắp trên giá đỡ nhờ 4 con ốc, đầu ra của động cơ chính lắp puli chủ động. Phía dƣới giá đỡ động cơ chính lắp trục trung gian, một đầu trục trung gian (9) lắp puli bị động, nhận chuyển động từ puli chủ động nhờ bộ truyền đai. Đầu còn lại của trục trung gian lắp puli để truyền chuyển động cho trục của đĩa cƣa nhờ bộ truyền đai(5).Trên trục trung gian có thể lắp đầu đo để đo momen xoắn từ đó xác định đƣơc công suất của động cơ khi chạy không tải và khi cắt gỗ. Trên khung máy còn lắp hệ thống đẩy cƣa vào gỗ gồm trục vít (2) có ren hình thang với bƣớc ren bằng 6mm. Trục vít đƣợc lắp trên hai ổ bi, một đầu trục vít lắp puli bị động nhận chuyển động từ puli chủ dộng lắp trên trục của động cơ phụ (8) nhờ bộ truyền đai. Ở giữa trục vít lắp đai ốc có bƣớc ren trùng với bƣớc ren của trục vit. Do đai ốc đƣợc hàn chặt vào xe goòng cho nên khi trục vít quay, đai ốc di chuyển làm cho xe goòng di chuyển theo. Xe goòng di chuyển đƣa đĩa cƣa tiến vào phôi gỗ khi cắt và lùi ra khỏi gỗ khi cắt xong. Trên khung còn lắp giá kẹp phôi gỗ(3) và hai công tắc hạn chế hành trình. Để điều khiển cho các động cơ điện hoạt động lắp hệ thống điện điều khiển gồm: khởi động từ, các công tắc và bộ biến tần để thay đổi tốc độ đẩy cƣa.
Nguyên lý hoạt động của bộ khung máy cƣa đĩa để khảo nghiệm nhƣ sau: Sau khi kiểm tra an toàn của toàn bộ các bộ phận của khung thí nghiệm, đóng cầu dao và khởi động cho động cơ chính quay, qua hệ thống puli dây đai và trục trung gian chuyển động quay đƣợc truyền lên trục cƣa và đĩa cƣa quay.
Để tiến hành cƣa ngang, thanh gỗ làm phôi thí nghiệm đƣợc đƣa lên giá kẹp phôi, một đầu tựa vào giá kẹp, một đầu ngƣời giữ, khởi động cho động cơ phụ hoạt động, chuyển động quay đƣợc truyền từ động cơ phụ lên
trục vít nhờ bộ truyền đai. Trục vít quay, đai ốc di chuyển làm cho xe goòng cùng đĩa cƣa tiến vào phôi gỗ. Khi cƣa xong một mạch, đĩa cƣa ló ra khỏi mạch cƣa cho cƣa quay lại bằng cách đảo chiều quay của động cơ phụ.
2.4.5.2. Lắp đặt các thiết bị đo lường vào khung thí nghiệm, kiểm tra, hiệu chỉnh bộ khung thí nghiệm
- Lắp máy đo công suất Fluke-41B với nguồn điện vào của động cơ chính, kết nối máy đo với máy tính có cài đặt phần mềm Flukeview.
- Lắp đặt bộ biến tần vào mạch điện của động cơ phụ. - Lắp đầu đo mô men
Để đảm bảo chất lƣợng của các số liệu thí nghiệm thu thập trong quá trình khảo nghiệm, sau khi lắp đặt các thiết bị đo cần thiết phải tiến hành kiểm tra, hiệu chỉnh bộ khung khảo nghiệm theo trình tự sau:
- Khởi động động cơ chính, dùng đồng hồ đo HT-3100 đo kiểm tra tốc độ quay của động cơ chính.
- Xác định công suất không tải No của động cơ chính theo chỉ số của máy đo Fluke-41B. Kiểm tra các chỉ số trên máy: Hiệu điện thế, dòng điện không tải, cosθ, Công suất không tảivà lƣu vào máy tính.
- Sử dụng bộ thiết bị đo và lƣu trữ số liệu Dewetron Dewe 3020với đầu đo momen T4A 1kN để đo mô men xoắn của trục trung gian khi không tải kiểm tra tình trạng làm việc của các thiết bị
- Khởi động động cơ phụ cho xe goòng chạy về phía giá kẹp gỗ, điều chỉnh tốc độ di chuyển của xe goòng nhờ bộ biến tần dùng đồng hồ đo HT- 3100 đo kiểm tra tốc độ di chuyển của xe goòng.
- Cho xe goòng trở về vị trí ban đầu và tắt máy.
- So sánh công suất không tải N0 của toàn bộ hệ thống nhờ chỉ số của máy đo Fluke-41B và thông qua mô men xoắn đo đƣợc nhờ bộ Dewetron Dewe 3020. Nếu hai chỉ số sai lệch không lớn thì tiến hành bƣớc tiếp theo.
- Đặt phôi gỗ lên giá kẹp phôi, cho xe goòng chạy về phía giá kẹp gỗ. Quan sát, đo và lƣu công suất chạy không tải N0, công suất có tảiNt vào bộ nhớ của máy đo Fluke-41B và mo men xoắn khi không tải Mo, mô men xoắn khi có tải Mt toàn bộ quá trình cƣa đƣợc lƣu trong bộ thiết bị Dewetron Dewe 3020
- Công suất cắt khi cƣa ngang gỗ đƣợc xác định bằng công thức:
Nc = Nt - N0 (2.1) Các số liệu thu đƣợc so sánh, đánh giá chỉ khi đảm bảo yêu cầu về độ chính xác và ổn định thì mới tiến hành thí nghiệm để thu thập số liệu
2.4.6. Tiến hành thí nghiệm thăm dò
Trƣớc khi tiến hành thực nghiệm, chúng tôi thực hiện các thí nghiệm thăm dò ở mức cơ sở với số lƣợng thí nghiệm: n = 50÷ 140.
Tiến hành thí nghiệm thăm dò để kiểm tra qui luật phân bố chuẩn của đại lƣợng đầu ra, xác định sai số tiêu chuẩn thực nghiệm mà phƣơng sai của các giá trị đo phản ánh độ chính xác của dụng cụ đo, xác định số lần lập lại của các thí nghiệm.
Theo [7, 33] kết quả các số đo trong khi làm thí nghiệm mặc dù có chính xác đến mấy cũng tồn tại sự sai lệch. Sự sai lệch tồn tại ở ba dạng.
- Sai số thô là sai số đo đƣợc trong một thí nghiệm nào đó khác xa với những số đo đƣợc ở các thí nghiệm trƣớc đó. Nguyên nhân sai số thô là do thiết bị thí nghiệm bị hỏng, điều kiện thí nghiệm bị thay đổi khác thƣờng. Sai số thô dễ phát hiện, khắc phục bằng cách làm lại ngay thí nghiệm đó.
- Sai số hệ thống gây ra do độ nhạy và độ chính xác của dụng cụ đo bị thay đổi, khắc phục sai số này bằng cách hiệu chỉnh lại dụng cụ.
- Sai số ngẫu nhiên là những sai lệch không lớn, nó đƣợc tạo bởi những yếu tố khác nhau, khó phát hiện để xử lí, do vậy, luôn luôn tồn tại sai số phép đo một cách ngẫu nhiên.
Theo lý thuyết quan trắc thì trong khi đo, nếu không có sai số hệ thống mà chỉ có sai số ngẫu nhiên, thì các số đo này tuân theo qui luật chuẩn.
Để kiểm tra số liệu đo đƣợc có tuân theo qui luật chuẩn hay không có thể sử dụng nhiều cách khác nhau nhƣng trong đó phƣơng pháp sử dụng chỉ