Cơ sở tính toán

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.2. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ

3.2.1. Cơ sở tính toán

3.2.1.1. Chọn năng suất cho máy

Một trong những cơ sở quan trọng để chọn năng suất cho máy thái rau cỏ là ta phải căn cứ vào qui mô của trang trại chăn nuôi đó. Như vậy, chúng ta phải đi tìm hiểu thực tế số lượng gia súc trong một trang trại chăn nuôi điển hình vừa và nhỏ trên địa bàn TX An Nhơn - Bình Định, để định ra khối lượng thức ăn cần thiết, từ đó xác định chính xác năng suất cho máy.

Theo tìm hiểu, trong một trang trại vừa và nhỏ điển hình:

Bảng 3.1. Khẩu phần ăn của gia súc.

Gia súc Số lượng (con)

Khẩu phần ăn rau cỏ tươi (kg/ngày)

Khối lượng rau cỏ tươi trong ngày (kg)

Bò 20 20 400

Lợn 100 5 500

Tổng cộng 150 900

Từ bảng số liệu trên, làm một phép tính đơn giản ta xác định được tổng khối lượng thức ăn tươi trong 1 ngày ở một trại chăn nuôi nhỏ là 900kg cho bình quân 45 con bò ăn hết trong một ngày. Như vậy ta xác định năng suất của máy dự tính khoảng 300kg/h. Lượng thức ăn cần thiết thì máy phải hoạt động 03 giờ cho ba lần cho ăn trong ngày. Với thời gian hoạt động như vậy máy có thể đáp ứng được năng suất và hiệu quả kinh tế.

3.2.1.2. Chọn chiều dài sản phẩm cắt thái

Cơ sở để chọn chiều dài của sản phẩm cắt thái là kích thước trung bình của thức ăn xanh cho gia súc. Để có thể thoả mãn với tất cả các loại gia súc khác nhau trong trang trại thì ta phải chọn kích thước nhỏ nhất ứng với một loại gia súc nào đó. Để xác định được kích thước nhỏ nhất thì ta phải làm một mẫu điều tra thực tế của một trang trại vừa và nhỏ như sau:

Bảng 3.2. Chiều dài của đoạn cắt đối với từng loại gia súc

Loại gia súc Chiều dài trung bình của thức ăn xanh (mm) Trâu, bò

Lợn Cừu, dê

40 – 60 10 – 20 20 – 30

Dựa vào bảng 3.2 trên, ta chọn máy có hai chế độ cắt thái với chiều dài cắt l1=40mm và l2=60mm. Để tăng chiều dài sản phẩm cắt thì ta chọn phương pháp:

Thay đổi tốc độ quay của trục cuốn cấp liệu trong khi tốc độ trống dao cắt vẫn không đổi (phương án này dễ chế tạo, điều chỉnh, không ảnh hưởng đến chất lượng cắt thái).

3.2.1.3. Chọn số lượng dao cắt

Năng suất và chất lượng cắt thái là hai yếu tố quan trọng trong thiết kế máy cắt thái cỏ; tùy theo đối tượng vật nuôi để lựa chọn chiều dài đoạn thái; năng suất cắt thái phụ thuộc vào số lượng dao thái, tốc độ quay của dao và chiều dài đoạn thái, những thông số này có liên quan đến nhau. Để cắt được một lát cắt đúng độ dài thì thời gian vật liệu di chuyển trên mặt nghiêng đi được một quãng đường từ mặt lưỡi cắt đến đĩa cắt phải nhỏ hơn thời gian lưỡi cắt chuyền động của lưỡi cắt đến vị trí cắt.

Thời gian chuyển động của hai lưỡi cắt kế tiếp nhau phụ thuộc vào tốc độ quay và số lượng lưỡi cắt bố trí trên trục. Còn thời gian di chuyển của vật liệu phụ thuộc Ru lô cuốn liệu cuốn đưa vào họng cắt.

Từ những phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến bề dày của đoạn thái nên ta chọn số lượng dao bố trí trên trục là 02 dao.

Hình 3.6: Sơ đồ cấu tạo dao thái

1. Lưỡi dao 2. Trục dao 3. Đai ốc định vị

3.2.1.4. Chọn kích thước họng thái

Để phù hợp với tình hình sản xuất và quy mô hộ gia đình, tôi chọn năng suất của máy Qn = 300 kg/h.

Kích thước họng thái là một thông số ảnh hưởng đến năng suất làm việc của máy. Vì vậy ta phải chọn thích hợp và cụ thể để làm cơ sở tính toán động lực học, lực cản cắt thái. Để có thể tính toán kích thước họng thái một cách chính xác, thì đầu tiên ta chọn kích thước sơ bộ như sau: a = 60mm, b =300mm (a là chiều cao họng thái và b là bề rộng họng thái. Sau đó điều chỉnh cho phù hợp với năng suất đã chọn.

3.2.1.5. Chọn chiều dài đoạn sắc của dao

Để xác định đường kính dao thái dựa trên cơ sở có bề rộng họng thái b = 300mm thì chiều dài làm việc của lưỡi dao phải lớn hơn bề rộng cần thiết của họng thái. Từ đó dựa vào hình vẽ 3.7 ta chọn kích thước dao L= 300 mm

Hình 3.7. Kích thước lưỡi dao

3.2.2. Tính toán động học thiết bị

Sơ đồ truyền động của bộ phận cắt như hình 3.8.

Hình 3.8. Sơ đồ truyền động của bộ phận cắt

Động cơ điện truyền động cho trục dao qua bộ truyền động đai; cặp bánh răng côn bố trí cùng với trục dao để truyền động cho trục cuốn. Muốn thay đổi tốc độ trục dao bằng cách thay đổi đường kính puly bị động; thay đổi tốc độ trục cuốn để thay đổi chiều dài đoạn thái bằng cách thay đổi tỷ số truyền của cặp bánh răng côn.

3.2.2.1. Tính chọn tốc độ quay của dao cắt

Căn cứ lý thuyết cắt thái (chương 2), để quá trình cắt thái rau, cỏ không bị nát, ít bị trượt thì tốc độ cắt tối ưu của dao Vd:

Vd = 35÷40 m/s (3.1)

Từ công thức 3.1 ta chọn Vd = 35m/s Mà

.

.30 35.30

1045 / . 0, 32.3,14

d d

d

n V v p

R 

   (3.2)

Vậy nd = 1045 (v/p) (nd là tốc độ trục dao) Nên ta chọn : nd = 1045 (v/p)

3.2.2.2. Tính lực cắt thái

Trên thực tế không có một tài liệu nào đưa ra công thức tính lực cắt thái, hay một số liệu cụ thể để cắt đứt một khối vật liệu thức ăn rơm, rau, cỏ với một thiết diện cho trước.

Vì vậy để tìm ra được số liệu cụ thể về lực cắt thái ta tiến hành một thí nghiệm thực tế như sau:

*Chuẩn bị thí nghiệm:

- Vật liệu và thiết bị: các vật nặng có khối lượng khác nhau (0,5kg; 0,75kg; 1kg;

1,5kg; 2kg; 2,5kg,…)

+ 01 lưỡi dao có góc sắc 20 độ, vật liệu thép gió + 01 tấm kê

+ 01 cây thước thẳng dài 1 mét - Nguyên liệu:

Trong thí nghiệm này, chọn nguyện liệu cần cắt thái là cỏ voi. Nguyên liệu được nén lại với độ nén theo yêu cầu cần thiết kế, có kích thước bằng thiết diện của họng thái như đã chọn sơ bộ, chiều cao a = 60mm, chiều rộng b=300mm.

*Tiến hành thí nghiệm

Ta đặt khối nguyên liệu lên tấm kê thái và đặt con dao cắt lên trên khối nguyên liệu. (Hình 3.9). Đưa vật thử lên độ cao h =1m và thả xuống va chạm vào con dao. Thí nghiệm được thực hiện liên tục bằng cách lần lượt thay thế từng vật nặng có khối lượng từ nhỏ đến lớn. Thí nghiệm dừng lại đến khi nào con dao cắt đôi hoàn toàn khối nguyên liệu. Từ đó ta xác định khối lượng vật thử, cuối cùng. Sau khi tiến hành thí nghiệm, ta xác định được khối lượng vật thử là m = 5kg.

Mô hình thí nghiệm:

Hình 3.9. Sơ đồ thí nghiệm cắt cỏ voi

*Tính toán lực cắt thí nghiệm:

Như ta đã biết, ta tính công thức tính công:

A=P.s (3.3)

Áp dụng công thức (3.3) vào thí nghiệm ta có:

A – Công cắt đứt khối nguyên liệu (J) P – Lực cắt đứt khối nguyên liệu (N)

s – Là quãng đường mà con dao đã di chuyển khối nguyên liệu (m)

- Lấy điểm mốc là sống dao, khi vật thử có khối lượng m=5kg ở độ cao h=1m so với sống dao, thì:

+ Thế năng: Wto=m.g.h (J) (3.4)

+ Động năng: Wđo=0 (J)

- Sau khi rơi tự do, chạm vào sống dao thì:

+ Thế năng: Wt1=0 (J)

+ Động năng: Wđ1=Wto=m.g.h (J) - Trước va chạm:

+ Con dao:W’đ1=0 (J) + Vật thử: Wđ1=m.g.h (J) - Sau va chạm:

+ Vật thử: Wđ2=0 + Con dao: W’đ2

Theo định luật bảo toàn động năng:

W’đ1+Wđ1=W’đ2+Wđ2

=> W’đ2=Wđ1=m.g.h (J)

Động năng Wđ2 làm dao chuyển động trong khối nguyên liệu và khi đó nó trở thành công cắt đứt hoàn toàn khối nguyên liệu:

Acắt=W’đ2= m.g.h (J)

Theo công thức (3.4): A cắt=Pcắt.s= m.g.h (J)

(3.5) Trong đó:

s = a = 60 (mm) = 0,06 (m) m = 5 (kg)

h = 1 (m)

g = 9,81 (m/s2) Thay công thức 3.5

5.9,8.1 815 0, 06

Pc   N

Tuy nhiên thực tế thì dao cắt chuyển động cắt đứt nguyên liệu sau một thời gian thì sẽ bị mòn làm cho lực cắt tăng lên. Mặt khác, khi cắt thái gặp nhiều loại nguyên liệu khác nhau, có độ sơ cứng khác nhau, đôi khi nguyên liệu cắt quá sơ cứng không nằm trong độ sơ cứng dự tính, nên làm cho lực cắt cũng tăng lên. Như vậy, trong thực tế lực cắt thái nguyên liệu sẽ lớn hơn nhiều so với lực cắt lý thuyết.

Nên khi tính toán thực tế ta phải nhân lực cắt lý thuyết với hệ số làm tăng lực:

Ptt = K.Pc (3.6)

Trong đó:

K=K1.K2 -Hệ số tăng lực

Với: K1- Hệ số tăng lực khi dao bị mòn (K1=1,2 – 1,4)

K2- Hệ số tăng lực khi gặp vật liệu cắt có độ sơ cứng bất thường (K2=1,1 – 1,4) Ta chọn: K1=1,2; K2=1,1

Thay vào (3.6) ta được:Ptt=1,4.1,1.815 = 1255 (N) 3.2.2.3. Phần cuốn nạp liệu

a. Phân tích lực cho phần trục cuốn

Để giải thích điều kiện đẩy lớp thức ăn cho các trục cuốn. Chúng ta hãy phân chia áp lực q của trục cuốn lên vật liệu thành 2 thành phần:

N - Hướng theo bán kính của trục cuốn nghiêng một góc α theo góc áp lực tổng hợp.

H - Nằm ngang ép trục cuốn sang bên.

Dưới tác dụng của lực N tạo thành lực tiếp tuyến f.N (hình 3.10). Qua phân tích lực cho thấy thành phần thẳng đứng sẽ nén lớp thức ăn, thành phần nằm ngang f.N.Cosα kéo lớp thức ăn, còn lực N.sinα chống lại lực kéo này.

Hình 3.10. Sơ đồ trục cuốn Ru lô

Để đảm bảo kéo được lớp thức ăn trong các trục cuốn phải thoả mãn điều kiện:

fN Cos α ≥ Nsin α f ≥ tg α

 tg ≥ tg α  ≥ α       

Trong đó  là góc ma sát giữa vật liệu chế tạo trục cuốn và thức ăn, hệ số ma sát f=tg

Với rơm  =17- 270; với rau, cỏ xanh  =18 – 300 [11]

b. Tính chọn đường kính của trục cuốn

Giả sử biết trước bề dày lớp cỏ voi A trước khi thái và bề dày lớp cỏ voi a Sau khi nén thì có thể tính được bán kính cần thiết của các trục cuốn theo công thức:

2 1( )

a os R A

c 



  (3.8)

Giả sử ta muốn thái một khối nguyên liệu là cỏ xanh, có bề dày ban đầu (chưa nén) là A = 80mm và sau khi nén là a = 60mm. Vì nguyên liệu thái cỏ xanh nên

 =18 -300, ta chọn =300. Theo điều kiện (3.7) ta chọn=300làm cơ sở để tính bán kính trục cuốn. Thế các số liệu trên vào công thức (3.8) ta được:

0

80 60

71, 4

( ) 2(

2 1 cos 1 co 30 )

A m

s

R a m



 

  

 

Chọn R=72 (mm)

 Đường kính trục cuốn: D=2.R=2.72=144 (mm) Chọn D = 150mm

3.2.2.4. Tính công suất cần thiết cho máy.[5]

Công suất cần thiết cho máy thái cỏ được tính theo công thức:

Nct=Ntd+Ntc (3.9)

a. Công suất của trục dao

Nlv ( )

N W

c t

d   k (3.10)

N lv: Công suất làm việc tại trục dao cắt ƞt Hiệu suất của hệ thống

Tính công suất làm việc tại trục dao được xác định theo công thức:

. . . ( )

1000 q L k v

Nlv kW (3.11)

Trong đó:

q : Lực cản cắt thái riêng (N/mm) L: Chiều dài đoạn thái (mm) V :Vận tốc dài của dao cắt (m/s)

K: Hệ số tăng lực khi dao bị mòn: K = 1,1 2 . .

. ( / )

60 n Rd

V R  m s



  (3.12)

Trong đó: R - Bán kính quay của dao cắt (m) R=320 (mm)=0,32(m)

2.3.14.1045.0, 32

. 35( / )

V R 60  m s Công suất làm việc của dao cắt:

25.1.1,1.35

0, 99( )

LV 1000

N   kW (3.13)

Công suất thực tế cần thiết của động cơ được tính theo công thức sau

lv đctt

N 0,99

N 1, 04kW

  0,95

 (3.14)

Trong đó ƞ là hiệu suất truyền động: ƞ= ƞ đỡ . ƞ đai ƞ đỡ – hiệu suất làm việc của ổ bi đỡ, ƞ đỡ = 0,96