CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
2.1. Lý thuyết tính toán quá trình cắt thái
2.1.1. Cơ sở lý thuyết của quá tình cắt thái bằng lưỡi dao
Các bộ phận làm việc của máy cắt thái rau cỏ thường dựa theo nguyên lý cắt thái bằng cạnh sắc của lưỡi dao. Quá trình cắt thái thường được thực hiện bằng cách di chuyển cạnh góc nhị diện AB (cạnh sắc) hợp bởi hai mặt phẳng của lưỡi dao theo hướng p pháp tuyến với cạnh đó hoặc theo hai hướng vuông góc với cạnh đó: vừa theo hướng p (hướng cắt pháp tuyến), vừa theo hướng q vuông góc với hướng p (hướng cắt tiếp tuyến), nghĩa là theo hướng chéo tổng hợp.
Quá trình cắt thái có trượt là quá trình lưỡi dao cưa đứt vật thái vì lưỡi dao dù mài sắc đến đâu nhưng khi soi qua kính hiển vi vẫn có độ nhấp nhô như những răng cưa.
Nếu lưỡi dao chỉ cắt theo hướng pháp tuyến (chặt bổ), đó là quá trình cắt thái bằng nêm, lực cắt thái phải hoàn toàn khắc phục được ứng suất kéo, mà các vật liệu, nhất là các loại có sợi, đàn hồi như rau củ thì ứng suất kéo luôn nhỏ hơn ứng suất nén, nhờ đó tổng hợp lực cắt thái sẽ nhỏ. Ví dụ đối với củ quả ứng suất nén n = 86 104 /N cm2, ứng suất kéo k = 45 85 /N cm2.
Khi cắt thái có trượt bề rộng lát thái giảm, do đó quá trình cắt thái dễ dàng hơn.
Lát thái do đoạn S của lưỡi thái trượt theo phương P với diện tích F (cm2) sẽ có bề rộng bp nhỏ hơn bề rộng bn khi đoạn thái S thái không trượt (theo phương N) cùng với diện tích F đó.
bp =
p n n
p AA
b AA AA
F = = bncos (2-1)
h
Hình 2. 2: Tác dụng cắt trượt giảm chiều rộng lát thái.
Do tính chất đàn hồi của vật thái cũng làm giảm lực cắt thái. Các vật thái trong nông nghiêp thường có tính đàn hồi và nhiều thớ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lưỡi dao vừa nén vừa trượt tương đối với chỗ tiếp xúc với vật thái. Nếu vật cứng rắn không đàn hồi, ít thớ thì cắt trượt bằng lưỡi dao không có tác dụng.
2.1.2. Áp suất cắt thái riêng
Áp suất cắt thái riêng q là yếu tố chủ yếu trực tiếp đảm bảo quá trình cắt đứt vật liệu và liên quan đến các yếu tố khác thuộc phạm vi dao thái và vật liệu thái. Nếu gọi lực cắt thái cần thiết là Q(N) và độ dài đoạn lưỡi dao là S (cm) thì:
q Q
= S
(N/cm) (2-2)
Khi cắt thái các vật đàn hồi, áp suất riêng gây ra hai giai đoạn: đầu tiên là lưỡi dao nén ép vào vật thái một đoạn, rồi cắt đứt vật thái. Trong quá trình thái lưỡi dao đi vào vật thái còn phải khắc phục lực ma sát T1 do áp lực cản của vật thái tác dụng vào mặt bên của dao và T2 do vật thái dịch chuyển bị nén ép tác động vào mặt vát của cạnh sắc lưỡi dao.
Nếu gọi Pt là lực cản cắt thái thì:
Q = Pt + T1 + T2cos (2-3) Với : góc mài dao của lưỡi dao.
h
Hình 2. 3: Sơ đồ quá trình cắt thái bằng lưỡi dao.
a) Lưỡi dao nén ép và cắt đứt. b) Lưỡi dao có góc mài (ở 1 phía).
2.1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cắt thái 2.1.3.1. Độ sắc của lưỡi dao
Độ sắc của lưỡi dao chính là bề dày s (mm) của cạnh sắc lưỡi dao. Đối với các máy cắt thái s không vượt quá 100μ, nếu s quá 100μ lưỡi dao coi như bắt đầu cùn và thái kém. Rõ ràng là độ sắc s càng lớn thì áp suất riêng q càng tăng. Nếu gọi ứng suất cắt của vật liệu là c thì q =s.c
2.1.3.2. Góc cắt thái
Góc cắt thái α là góc hợp bởi góc đặt dao β và góc mài dao σ . Trị số góc cắt thái được xác định như sau: = + (2-4)
Góc đặt dao β phải tính toán thiết kế sao cho lớp rau củ khi được dao thái xong và tiếp tục được cuốn vào sẽ không chạm vào mặt dao, tránh ma sát vô ích. Vấn đề tính toán góc đặt dao β sẽ phụ thuộc vào vận tốc quay của dao thái, vận tốc cuốn rau vào bộ phận thái và dạng cạnh sắc của lưỡi dao...
Hình 2. 4: Góc cắt thái.
2.1.3.3. Độ bền của vật liệu làm dao
Dao có độ bền cao thì lâu cùn, thái tốt. Khi đó công nén lớp vật thái do lưỡi dao tác động lúc bắt đầu cắt sẽ tốn ít hơn và công cản cắt thái cũng nhỏ hơn. Các lực và công này thể hiện bằng đồ thị phụ thuộc vào độ thái sâu λ của lưỡi dao vào vật thái.
h
Hình 2. 6: Đồ thị phụ thuộc giữa áp suất cắt thái riêng và vận tốc dao thái.
Hình 2. 5: Đồ thị phụ thuộc của lực cắt với độ thái sâu.
2.1.3.4. Vận tốc của dao thái
Vận tốc dao thái ảnh hưởng quá trình cắt thái, thể hiện cụ thể bằng đồ thị thực nghiệm biểu diễn sự biến thiên của áp suất riêng q (hoặc lực cắt thái pt và công cắt thái Act) với vận tốc của dao thái vt.
2.1.3.5. Điều kiện trượt của lưỡi dao trên vật liệu
Khi đường trượt của lưỡi dao trên vật thái hay của vật thái trên lưỡi dao càng dài thì lực cản cắt càng giảm. Để thể hiện hiện tượng trượt nói chung của lưỡi dao trên lớp vật thái, ta hãy vẽ và phân tích vận tốc v của một điểm M ở trên cạnh sắc lưỡi dao cong AB khi tác động vào lớp vật thái.
h
Hình 2. 8: Đồ thị phụ thuộc của δ và N.
Vận tốc v có thể phân tích làm 2 thành phần: thành phần vận tốc pháp tuyến vn
(vuông góc với lưỡi dao) và thành phần vận tốc pháp tuyến vt (theo cạnh sắc lưỡi dao).
Vận tốc pháp tuyến vn chính là vận tốc của dao thái gập sâu vào vật thái gây nên tác động cắt thái. Vận tốc tiếp tuyến vt gây nên chuyển động trượt tương đối của lưỡi dao trên vật thái.
2.1.3.6. Quan hệ giữa lưỡi dao và tấm kê thái Khe hở giữa cạnh sắc của lưỡi dao và cạnh sắc của tấm kê
Thực nghiệm đã cho ta thấy ảnh hưởng thể hiện bằng sự phụ thuộc của công suất cắt N với khe hở δ. Trị số δ có một giới hạn thích hợp để đảm bảo cho N tương đối nhỏ.
Vật thái càng mảnh thì khe hở δ càng nhỏ, vì nếu không lưỡi dao có thể bẻ gập thân vật thái xuống lọt vào khe hở và kéo đứt nó, giảm chất lượng cắt. Nhưng δ cũng không thể nhỏ quá được, vì đĩa lắp dao và gối đỡ có độ dịch chuyển dọc trục cho phép, nếu độ dịch chuyển vượt quá giới hạn cho phép lưỡi dao có thể va vào tấm kê gây hư hỏng máy.
Hình 2. 7: Vận tốc của điểm M trên cạnh sắc lưỡi dao.
h
Ngoài ra, ở trống lắp dao quay với vòng lớn, do lực ly tâm, dao cũng có độ võng ra phía ngoài. Đối với máy thái rau cỏ δ không quá 0,5mm thì thái mới tốt. Trường hợp dao kiểu trống quay với vận tốc lớn thì δ = 1 ÷ 4mm.
Góc kẹp χ và điều kiện kẹp vật thái giữa cạnh sắc lưỡi dao và cạnh sắc tấm kê
Đây là một yếu tố ảnh hưởng trong trường hợp cắt thái kiểu “kéo cắt” , có một cạnh sắc lưỡi dao nữa (ở đây là cạnh sắc tấm kê) cùng phối hợp kẹp và cắt vật thái.
Khi góc mở lớn hai cạnh sắc không kẹp giữ yên được vật thái mà có tác động đẩy nó ra, khó cắt thái được. Với một trị số góc mở nhỏ hơn đủ để hai cạnh sắc kẹp giữ yên được vật thái để cắt được thì góc mở đó được gọi là góc kẹp χ. Giá trị góc kẹp phải được bảo đảm khi thiết kế bộ phận dao thái có tấm kê và là điều kiện để dao và tấm kê kẹp được vật thái.
2.1.3.7. Độ bền và chất lượng của vật thái
Đây là vấn đề lực cản cắt thái P của vật thái, độ ẩm W% của vật thái. Thực nghiệm cho ta đồ thị chỉ sự phụ thuộc của áp suất cắt thái riêng q (N/cm) với độ ẩm W% của vật thái. Khi độ ẩm còn thấp (8 ÷ 15%) áp suất cắt thái riêng tăng dần, nhưng W > 15% thì áp suất riêng lại giảm đi.
Hình 2. 9: Đồ thị phụ thuộc của q và W%