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

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:188

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu của luận án đã xây dựng được mô hình động lực học của cưa vòng đứng, thiết lập và khảo sát được hê ̣phương trình vi phân chuyển động của cưa vòng và phương trình rung động của lưỡi cưa; xây dựng được mô hình nghiên cứu thực nghiệm động lực học, đã xác định được một số thông số động lực học của cưa vòng đứng phục vụ cho bài toán khảo sát và kiểm chứng mô hình tính toán lý thuyết. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật cơ khí: Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN THỊ LỤC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA CƯA VÒNG ĐỨNG TRONG DÂY CHUYỀN XẺ GỖ TỰ ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. DƯƠNG VĂN TÀI Hà Nội, 2021
i 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. Hà Nội, ngày…..tháng……năm 2021 Hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS. Dương Văn Tài Nguyễn Thị Lục
ii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các cơ quan đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận án khoa học này. Trước hết xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Dương Văn Tài với những ý kiến đóng góp quan trọng và chỉ dẫn khoa học quý giá trong quá trình thực hiện công trình nghiên cứu. 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 Nội, ngày…..tháng……năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Thị Lục
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................xii DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... xiii MỞ 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 cứu tối ưu về cưa vòng đứng xẻ gỗ trên thế giới . 13 1.4.2. Các công trình nghiên cứu 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. Thiết bị nghiên cứu..................................................................................... 18 1.6.2. Nguyên liệu 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 Kết luận chương 1 ................................................................................................... 27 Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH, KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ RUNG ĐỘNG CỦA LƯỠI CƯA VÒNG ĐỨNG ...................... 28 2.1. Các thông số của cưa vòng đứng .................................................................... 28 2.1.1.Thông số hình học ........................................................................................ 28
iv 2.1.2. Các thông số động học ................................................................................ 29 2.1.3. Các thông số động lực học ........................................................................... 30 2.2. Mô hình động lực học của cưa vòng đứng ..................................................... 30 2.2.1. Quan hệ 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 Ɲđc.................................. 36 2.2.4. Lập 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. Nội dung khảo sát ......................................................................................... 48 2.3.2. Kết quả khảo sát phương trình động lực học .............................................. 50 2.3.3 Chuyển 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 Mcắt trong giai đoạn chuyển tiếp .................... 53 2.4.2. Khảo sát thông số động lực học trong giai đoạn chuyển tiếp. ................... 53 2.4.3. Kết 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 kđ .................... 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. Lực 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
v 2.9.3. Thiết lập phương trình rung động của lưỡi cưa vòng trong quá trình xẻ .. 66 2.9.4. Khảo 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 Kết 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. Lựa chọn chỉ tiêu tối ưu ............................................................................... 77 3.1.2. Lựa 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. Lập kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo các đại lượng không thứ nguyên . 93 3.5.2. Khảo sát cực trị các hàm tương quan......................................................... 96 3.5.3. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu .................................................................. 97 Kết 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. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 100 4.1.2. Nội 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 (ω2 ), vận tốc cắt (v) và vận tốc đẩy (uc)........................................................................................... 102 4.3.3. Phương pháp và thiết bị xác định mô men cản cắt trên trục bánh đà chủ động Mc ................................................................................................................. 103
vi 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 ПS (m2/s) ........................ 108 4.3.7. Phương pháp và thiết bị xác định chi phí năng lượng riêng Ar ............... 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. Kiểm chứng mô hình động lực học ............................................................ 113 4.5.2. Kiểm 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. Thực nghiệm thăm dò lập mô hình tương quan ........................................ 117 4.6.2. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố ................................................................ 120 4.6.3. Kết 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 Kết luận chương 4 ................................................................................................. 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 136 1. Kết luận ............................................................................................................ 136 2. Kiến nghị .......................................................................................................... 137 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 139 PHỤ LỤC
vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị Ɲđc Công suất động cơ điện kW n Số vòng quay của động cơ điện Vòng/ phút Ɲc Công suất cắt gỗ kW Ɲxg Công suất đẩy xe goòng kW 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 B1 Bề rộng bánh đà của đai m B2 Bề rộng bánh đà của cưa m b Bề rộng lưỡi cưa m B Chiều rộng mạch xẻ mm s Bề dày lưỡi cưa mm
viii Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị ƭ Chiều dày vành bánh đà mm a1 Khoảng cách hai trục gắn bánh đà của đai m a2 Khoảng cách hai trục gắn bánh đà của cưa m Llc Chiều dài lưỡi cưa m Lđ Chiều dài dây đai m Lđr Chiều dài đường ray m A1 Tiết diện dây đai m2 A2 Tiết diện lưỡi cưa m2 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 E2 Mô đun đàn hồi của thép làm lưỡi cưa kN/cm2 t Bước răng cưa mm hr Chiều cao của răng cưa mm λ Lượng bóp me mỗi bên của răng cưa mm γ Góc trước của răng cưa độ α Góc sau của răng cưa độ β Góc mài của răng cưa độ δ Góc cắt của răng cưa độ L1 Khoảng cách giữa lưỡi cưa và xe goòng m L2 Bề rộng đường ray m L3 Chiều cao của xe goòng với đường ray 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 I1 Mô men quán tính của trục I kg.m2 I2 Mô men quán tính của trục II kg.m2 I3 Mô men quán tính của trục III kg.m2 Ibđ Mô men quán tính bánh đà kg.m2
ix Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị v Vận tốc cắt của lưỡi cưa m/s 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 S0 Sức căng ban đầu của lưỡi cưa kN Pc Lực cản cắt kN Qy Lực cắt kN Fms Lực ma sát kN Fk Lực đẩy của cơ cấu đẩy xe goòng (lực kéo xe goòng) kN Fc Lực cản lăn của bánh xe trên đường ray kN G1 Trọng lượng của trục I và các puli đai KG G2 Trọng lượng của trục II và puli đai, bánh đà KG G3 Trọng lượng của trục II và bánh đà KG Gxg Áp lực từ xe gòng lên đường ray, gồm trọng lượng của xe và gỗ KG Nri Các tải trọng hướng kính lên ổ đỡ N H Chiều cao mạch xẻ mm h Chiều dày phoi mm 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 Mđc Mô men trên trục động cơ điện kN.m MT1 Mô nen ma sát trên trục I kN.m MT2 Mô men ma sát trên trục II kN.m MT3 Mô nen ma sát trên trục III kN.m Mcắt Mô men cản cắt kN.m i Số răng của lưỡi cưa i12 Tỷ số truyền của bộ truyền đai i23 Tỷ số truyền của cưa
x 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 φ1 Góc quay trục I rad φ2 Góc quay trục II rad φ3 Góc quay trục III rad ω1 = 𝜑̇ 1 Vận tốc góc của trục I rad/s ω2 = 𝜑̇ 2 Vận tốc góc của trục II rad/s ω3 = 𝜑̇ 3 Vận tốc góc của trục III rad/s 𝜀1 = 𝜑̈ 1 Gia tốc góc của trục I rad/s2 𝜀2 = 𝜑̈ 2 Gia tốc góc của trục II rad/s2 𝜀3 = 𝜑̈ 3 Gia tốc góc của trục III rad/s2 y Độ dịch chuyển tịnh tiến của xe goòng m 𝑢 = 𝑦̇ Vận tốc đẩy của xe goòng m/s 𝑦̈ Gia tốc chuyển động của xe goòng m/s2 c1 Độ cứng chống kéo nén của dây đai kN/mm c2 Độ cứng chống kéo nén của lưỡi cưa kN/mm k1 Hệ số cản của dây đai Ns/mm k2 Hệ số cản của lưỡi cưa Ns/mm k Tỷ suất lực cắt (lực cản cắt riêng) Kc Lực cản cắt của gỗ N/mm2 kđ Hệ số động lực học f* Hệ số ma sát cản lăn fxg Hệ số ma sát cản lăn xe goòng lên đường ray μ Hệ số ma sát trượt ψ Hệ số không đồng đều của vận tốc góc
xi Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị σth Ứng suất tới hạn kN/cm2 Πs Năng suất xẻ m2/h Cr Chi phí sản xuất riêng kWh/m2 Ar Chi phí năng lượng riêng kWh/m2 Ra Độ mấp mô bề mặt ván mm q Tần số rung 1/s x Độ rung ngang của lưỡi cưa mm Δ Sai số chiều dày ván mm d Đường kính khúc gỗ đưa vào xẻ m 𝛾g Khối lượng riêng của gỗ g/m3
xii DANH MỤC 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 .......................................49 Bảng 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 kđ đối với từng loại gỗ .................55 Bảng 3. 1: Bảng miền biến thiên của các tham số ....................................................83 Bảng 3. 2: Thứ nguyên của các đại lượng trong bài toán xác định chi phí năng lượng riêng Ar .....................................................................................................................84 Bảng 3. 3: Thứ nguyên của các đai lượng trong bài toán xác định độ mấp mô bề mặt ván xẻ Ra ..................................................................................................................85 Bảng 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 ......................................115 Bảng 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...................................................................................116 Bảng 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 ....................................120 Bảng 4. 5: Miền biến thiên của các tham số ảnh hưởng và các đại lượng mã hóa πi .127 Bảng 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 .............................................132 Bảng 4. 8: Năng suất xẻ tính theo chiều dày ván ....................................................133 Bảng 4. 9: Bảng giá trị tối ưu một số thông số của cưa vòng và thông số công nghệ khi xẻ gỗ Tần bì.......................................................................................................133 Bảng 4. 10: Kết quả thực nghiệm theo thông số tối ưu ..........................................134
xiii DANH MỤC 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
xiv 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 mấ p 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 cắt đến 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 đẩy đến chi phí năng lượng riêng Ar ...............124 Hình 4. 21: Ảnh hưởng của tốc độ đẩy đến 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
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp 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 m3/h gỗ thành phẩm ” mã số ĐTĐL.CN-10/16. Đề tài đã thiết kế chế tạo ra dây chuyền xẻ gỗ tự
2 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. Những đóng góp mới của luận án - Đã xây dựng đươ ̣c mô hin ̀ h động lực học của cưa vòng đứng, thiế t lâ ̣p và khảo sát đươ ̣c 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 đươ ̣c mô hin ̀ h nghiên cứu thực nghiê ̣m đô ̣ng lực ho ̣c, đã xác đinh ̣ đươ ̣c mô ̣t số thông số đô ̣ng lực ho ̣c của cưa vòng đứng phu ̣c vu ̣ cho bài toán khảo sát và kiể m chứng mô hin ̀ h tin ́ h toán lý thuyế t 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
3 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 nghiã khoa ho ̣c của những kế t quả nghiên cứu của đề tài luâ ̣n án - Từ hệ phương trình động lực học lâ ̣p đươ ̣c, tiế n 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 nghiã 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.
4 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 Hình 1. 1: Hình ảnh cưa vòng do được bon mê và kỹ thuật nối hai đầu William Newberry phát minh, 1809 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
5 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.