Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu một số thông số động học, động lực học của cưa đĩa trong quá trình cắt ngang tre

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

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng cơ sở khoa học để từ đó tính toán xác định được một số thông số động học, động lực học hợp lý của cưa đĩa trong quá trình cắt ngang tre nhằm nâng cao năng suất và chất lượng bề mặt cắt, là cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế chế tạo cưa đĩa cắt ngang một số loài tre ở Việt Nam. 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: Nghiên cứu một số thông số động học, động lực học của cưa đĩa trong quá trình cắt ngang tre

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HOÀNG HÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƯA ĐĨA TRONG QUÁ TRÌNH CẮT NGANG TRE LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà Nội, năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP HOÀNG HÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƯA ĐĨA TRONG QUÁ TRÌNH CẮT NGANG TRE Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học 1. PGS.TS. Dương Văn Tài 2. TS. Nguyễn Văn Bỉ Hà Nội, năm 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Dương Văn Tài và TS. Nguyễn Văn Bỉ. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố ở bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2021 Hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS. Dương Văn Tài TS. Nguyễn Văn Bỉ Hoàng Hà
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 bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Dương Văn Tài và TS. Nguyễn Văn Bỉ 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 kiến quý báu để tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 25 tháng 5 năm 2021 Tác giả luận án Hoàng Hà
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii MỤC LỤC ....................................................................................................... iii DANH MỤC BẢNG ...................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH ...................................................................................... viii CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN .......... xi MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu ....................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu của luận án ............................................................. 2 3. Những đóng góp mới của luận án ............................................................. 3 4. Ý nghiã khoa ho ̣c của những kế t quả nghiên cứu của đề tài luâ ̣n án ........ 3 5. Ý nghiã thực tiễn của đề tài luâ ̣n án .......................................................... 4 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................. 5 1.1. Tổng quan về tài nguyên tre ở Việt Nam ............................................... 5 1.1.1. Rừng tre nứa tự nhiên ..................................................................... 6 1.1.2. Rừng tre trồng tập trung ................................................................. 7 1.2. Tổng quan về công nghệ chế biến tre .................................................... 8 1.2.1. Đặc điểm cây tre ............................................................................. 8 1.2.2. Tổng quát về công nghệ chế biến tre .............................................. 8 1.2.3. Một số tồn tại của thiết bị cắt ngang tre ....................................... 12 1.2.4. Tổng quan về cưa đĩa cắt ngang tre ............................................. 12 1.2.5. Các loại đĩa cưa cắt ngang tre...................................................... 14 1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu về cưa đĩa cắt ngang tre ........... 15 1.3.1. Tổng quan các công trình nghiên cứu về cưa điã trên thế giới .... 15 1.3.2. Tổ ng quan về các công trình nghiên cứu về cưa điã ở Viê ̣t Nam . 18 1.4. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ......................................................... 19 1.5. Pha ̣m vi và giới ha ̣n nghiên cứu ........................................................... 20 1.6. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 20 1.6.1. Nghiên cứu lý thuyết...................................................................... 20 1.6.2. Nghiên cứu thực nghiệm ............................................................... 21 1.7. Đối tượng và thiết bị nghiên cứu ......................................................... 21 1.7.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................... 21 1.7.2. Thiết bị nghiên cứu........................................................................ 28 1.8. Phương pháp nghiên cứu...................................................................... 29 1.8.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ................................................ 29 1.8.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ......................................... 30
iv Chương 2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌ NH CẮT NGANG TRE BẰNG CƯA ĐĨA .................................................................. 32 2.1. Khái quát về quá trình cắt ngang tre .................................................... 32 2.1.1. Đặc điểm của quá trình cắt ngang tre .......................................... 32 2.1.2. Quá trình cơ học cắt ngang cây tre .............................................. 33 2.2. Xác định các lực tác dụng lên răng cắt của đĩa cưa khi cắt ngang tre . 36 2.2.1. Xây dựng mô hình lực tác dụng lên các phần tử cắt của răng cưa ................................................................................................................. 36 2.2.2. Xác định lực tác dụng lên răng cắt ............................................... 38 2.3. Động học của cưa đĩa cắt ngang tre ..................................................... 48 2.3.1. Quan hệ động học của vận tốc cắt, tốc độ đẩy của cưa đĩa cắt ngang tre ................................................................................................. 48 2.3.2. Xây dựng mô hình động học tính toán độ dài cung và diện tích tiếp xúc của đĩa cưa với tre trong quá trình đĩa cưa cắt ngang tre ............... 52 2.4. Đô ̣ng lực ho ̣c cưa điã cắ t ngang tre...................................................... 55 2.4.1. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động của cưa điã cắ t ngang tre ................................................................................................. 55 2.4.2. Phương trình vi phân chuyển động của điã cưa ........................... 57 2.5. Tính toán độ cứng của đĩa cưa cắt ngang tre ....................................... 63 2.5.1. Xây dựng mô hình tính toán độ cứng của đĩa cưa cắt ngang tre . 63 2.5.2. Tính độ cứng của đĩa cưa cắt ngang tre ....................................... 64 2.6. Dao đô ̣ng của đĩa cưa trong quá triǹ h hoa ̣t đô ̣ng ................................. 67 2.6.1. Các nguồn kích động gây rung ..................................................... 67 2.6.2. Rung động của đĩa cưa trong quá trình cắt ngang tre ................. 69 2.7. Khảo sát sự ảnh hưởng của một số thông số đến lực cắt của răng cắt khi cắt ngang tre .......................................................................................... 73 2.7.1. Thiết lập hàm khảo sát .................................................................. 74 2.7.2. Phân tích, lựa chọn các yếu số ảnh hưởng đến lực cản cắt riêng 74 2.7.3. Phương pháp khảo sát lực cản cắt riêng ...................................... 76 2.7.4. Kế t quả khảo sát một số thông số ảnh hưởng đế n lực cản cắt riêng ................................................................................................................. 77 2.8. Khảo sát đô ̣ng lực ho ̣c của điã cưa trong quá trình cắ t ngang tre ........ 79 2.8.1. Phần mềm để khảo sát động lực học của đĩa cưa......................... 79 2.8.2. Các thông số đầ u vào để khảo sát động lực học của đĩa cưa....... 80 2.8.3. Kế t quả khảo sát động lực học của cưa điã cưa cắ t ngang tre .... 81 2.8.4. Khảo sát mô men lực cắt của trục đĩa cưa ................................... 82 2.8.5. Khảo sát dao động của đĩa cưa .................................................... 83 2.9. Đề xuất giải pháp giảm biên độ dao động của đĩa cưa ........................ 86
v Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT ................................................................................................. 88 3.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của nghiên cứu thực nghiệm ............................ 88 3.2. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ..................................................... 90 3.3. Phương pháp xác định các đại lượng nghiên cứu ................................ 90 3.3.1. Phương pháp xác định hệ số ma sát giữa lưỡi cắt và tre ............. 90 3.3.2. Phương pháp xác định ứng suất nén của tre ................................ 91 3.3.3. Phương pháp xác định mô đun biến dạng đàn hồi của tre ........... 92 3.3.4. Phương pháp xác định hệ số đàn hồi ............................................ 92 3.3.5. Phương pháp xác định lực cản cắt riêng của điã cưa .................. 93 3.3.6. Phương pháp xác định biên độ rung ngang của đĩa cưa .............. 95 3.4. Phương pháp đo và dụng cụ đo ............................................................ 95 3.4.1. Đo mô men xoắn của trục lắp đĩa cưa .......................................... 95 3.4.2. Phương pháp đo biên độ dao động ngang của đĩa cưa ................ 96 3.4.3. Phương pháp và thiết bị đo lực nén trong thí nghiệm xác định ứng suất của tre .............................................................................................. 97 3.5. Chuẩn bị thí nghiệm ............................................................................. 97 3.6. Tổ chức và tiến hành thí nghiệm .......................................................... 98 3.6.1. Đo mô men xoắn trên trục lắ p điã cưa khi cắt ngang tre ............. 98 3.6.2. Đo biên độ dao động ngang cưa điã trong quá trình cắt ngang tre ................................................................................................................. 99 3.7. Xử lý kết quả thí nghiệm ...................................................................... 99 3.8. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ....................................................... 100 3.8.1. Xác định hệ số ma sát giữa lưỡi cắt và tre ................................. 100 3.8.2. Giới hạn nén dọc thớ, mô đun biến dạng đàn hồi nén dọc thớ, ngang thớ của một số loài tre ............................................................... 101 3.8.3. Hệ số đàn hồi của một số loài tre ............................................... 102 3.8.4. Kiểm chứng mô hình tính toán lực cắt của răng cưa khi cắt ngang tre .......................................................................................................... 102 3.8.5. Kiểm chứng dao động ngang của điã cưa khi cắt ngang tre ...... 104 Chương 4. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA CƯA ĐĨA CẮT NGANG TRE ..................................................................................... 107 4.1. Phương pháp xác định thông tối ưu của đĩa cưa ................................ 107 4.1.1. Chọn phương pháp nghiên cứu ................................................... 107 4.1.2. Chọn hàm mục tiêu nghiên cứu................................................... 108 4.1.3. Chọn tham số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu ............................... 109 4.2. Phương pháp xác định hàm mục tiêu ................................................. 110 4.2.1. Phương pháp xác đi ̣nh hàm lực cản cắt riêng ............................ 110
vi 4.2.2. Phương pháp xác định hàm độ mấp mô bề mặt cắt .................... 110 4.3. Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo ..................................................... 110 4.3.1. Thiết bị thí nghiệm ...................................................................... 110 4.3.2. Thiế t bi ̣ đo độ mấ p mô bề mặt cắ t ngang tre .............................. 111 4.4. Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm ............................................... 112 4.4.1. Kiểm tra số liệu thí nghiệm và xác định số lần lặp lại tối thiểu . 112 4.4.2. Xác định mô hình toán học ......................................................... 113 4.4.3. Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai .................................... 114 4.4.4. Kiểm tra giá trị có nghĩa của hệ số hồi qui ................................ 114 4.4.5. Kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi qui................... 114 4.4.6. Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình hồi qui ....................... 115 4.4.7. Chuyển phương trình hồi qui về dạng thực ................................ 115 4.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố .................................... 116 4.5.1. Ảnh hưởng của góc cắt  đến các hàm mục tiêu ........................ 117 4.5.2. Ảnh hưởng của góc mài  đến các hàm mục tiêu ..................... 118 4.5.3. Ảnh hưởng của vận tố c quay của đĩa cưa (v) đến các hàm mục tiêu ............................................................................................................... 120 4.6. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố .......................................................... 122 4.6.1. Chọn vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của thông số đầu vào ......................................................................................................... 122 4.6.2. Xây dựng ma trận thực nghiệm ................................................... 123 4.6.3. Kết quả thí nghiệm đa yếu tố ...................................................... 123 4.7. Xác định giá trị tối ưu của tham số ảnh hưởng .................................. 127 4.7.1. Phương pháp tìm giá trị tối ưu của thông số đầu vào ................ 136 4.7.2. Kết quả giải bài toán tối ưu theo phương pháp hàm tỷ lệ tối ưu tổng quát ................................................................................................ 137 4.7.3. Kết quả khảo nghiệm cắt ngang tre với các thông số tố i ưu ...... 138 4.8. Xác định công suất động cơ của cưa điã cắ t ngang tre ...................... 139 4.9. Xác định vâ ̣n tố c đẩ y hợp lý của tre vào cưa điã cắ t ngang tre ......... 140 4.10. So sánh chất lượng mạch cắt của cưa đĩa được nghiên cứu với cưa đĩa hiện đang sử dụng ..................................................................................... 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 144 1. Kết luận ................................................................................................. 144 2. Kiến nghị ............................................................................................... 145 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 146 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Trữ lượng rừng tre nứa trong toàn quốc ........................................... 7 Bảng 1.2. Thành phần hoá học của tre ở các tuổi khác nhau .......................... 25 Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của cưa điã cắ t ngang tre ............................ 80 Bảng 3.1. Hệ số ma sát giữa mặt cắt ngang của tre với lưỡi cắt (f ) ............. 101 Bảng 3.2. Giới hạn nén dọc thớ và mô đun biến dạng đàn hồi của các loài tre ở tuổi thứ 5, độ ẩm của mẫu thí nghiệm 70% ............................................... 101 Bảng 3.3. Hệ số đàn hồi nén dọc thớ Cd , nén ngang Cn của một số loài tre ở độ tuổi thứ 5, độ ẩm mẫu thí nghiệm w=70% .............................................. 102 Bảng 3.4. Lực cản cắt riêng của điã cưa cắ t ngang tre với các góc cắt  thay đổ i khác nhau ................................................................................................ 103 Bảng 3.5. Lực cản cắt riêng của điã cắ t ngang tre khi góc mài ca ̣nh cắ t chính  thay đổi khác nhau ....................................................................................... 103 Bảng 3.6. Biên độ dao động ngang cực đại của điã cưa ứng với vận tốc quay của đĩa cưa khác nhau ................................................................................... 104 Bảng 4.1. Mức thí nghiệm của các thông số đầu vào ................................... 123 Bảng 4.2: Bảng ma trận thí nghiệm Boks - Benken 3 thông số dầu vào........... 123 Bảng 4.3. So sánh lực cản cắt riêng và đô ̣ mấ p mô bề mă ̣t cắ t tính theo...... 139 công thức và kết quả thực nghiệm với các thông số tối ưu........................... 139
viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Hình dạng và kính thước nguyên liệu tre .......................................... 8 Hình 1.2: Cưa đĩa cắt ngang tre ........................................................................ 9 Hình 1.3: Máy chẻ nan tre ................................................................................. 9 Hình 1.4: Máy chuốt tre .................................................................................. 10 Hình 1.5: Cưa đĩa cắt ngắn sản phẩm ............................................................. 10 Hình 1.6: Sản phẩm được làm nhẵn ................................................................ 11 Hình 1.7: Sử dụng cưa đu để cắt ngang tre ..................................................... 13 Hình 1.8: Trục lắp đĩa cưa cắt ngang nan tre để tạo ra thành phẩm .............. 13 Hình 1.9: Các loại đĩa cưa cắt ngang tre ......................................................... 14 Hình 1.10: Cấu tạo của thân tre....................................................................... 22 Hình 1.11: Mặt cắt dọc của phần lóng và phần đốt tre: .................................. 24 Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo của cưa đĩa cắt ngang tre ........................................ 28 Hình 1.13: Thông số kỹ thuật của răng cưa đĩa cắt ngang tre ........................ 29 Hình 2.1: So đồ biến dạng của tre khi cắt ngang ............................................ 34 Hình 2.2: Sơ đồ tổng quát tổng các lực tác dụng lên các phần tử của răng cắt của đĩa cưa ....................................................................................................... 36 Hình 2.3: Sơ đồ tổng các lực tác dụng lên lưỡi cắt trong quá trình ................ 37 Hình 2.4: Sơ đồ tính toán lực tác dụng lên mũi lưỡi cắt khi giả thiết áp lực phân bố đề u ..................................................................................................... 39 Hình 2.5: Sơ đồ tính toán lực tác dụng lên mũi lưỡi cắt khi áp lực ................ 40 Hình 2.6: Sơ đồ tính toán tổng các lực tác dụng lên mặt trước của lưỡi cắt .. 42 Hình 2.7: Sơ đồ xác định lực tác dụng mặt sau lưỡi cắt ................................. 44 Hình 2.8: Sơ đồ tính lực tác dụng của tre lên mặt bên lưỡi cắt ...................... 45 Hình 2.9: Mô hình tính toán động học của cưa đĩa cắt ngang tre ................... 49 Hình 2.10: Sơ đồ tính toán chiều dài cung tiếp xúc của hai hình tròn O,O1... 52 Hình 2.11: Sơ đồ tính diện tích phần tiếp xúc của đĩa cưa với tre .................. 54 Hình 2.12: Sơ đồ đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t trang tre ................................ 55
ix Hình 2.13: Sơ đồ tính toán động học chuyển động của đĩa cưa cắt ngang tre 57 Hình 2.14: Sơ đồ tính toán thế năng của đĩa cưa ............................................ 59 Hình 2.15. Quá trình cắt ngang tre của đĩa cưa............................................... 61 Hình 2.16. Đồ thị lực cắt Fc ............................................................................ 61 Hình 2.17. Mô hình bản vành khăn bị ngàm tại r = b, chịu tải đều q0 tại r = a . 64 Hình 2.18: Đĩa vành khăn khi bị uốn - hình (b) ............................................. 66 Hình 2.19: Đồ thị biến động của lực cắt theo thời gian .................................. 68 Hình 2.20: Mô hình tính dao đô ̣ng của điã cưa khi hoa ̣t đô ̣ng ....................... 70 Hình 2.21: Hiện tượng dao động phách của đĩa cưa khi tần số lực kích động gần bằng tần số dao động riêng của đĩa cưa ................................................... 73 Hình 2.22: Ảnh hưởng của góc cắt () và chiều dầy phoi (h)........................ 77 đến lực cản cắt riêng K .................................................................................... 77 Hình 2.23: Ảnh hưởng của góc mài cạnh cắt chính  và góc cắt  ............... 78 đến lực cản cắt riêng........................................................................................ 78 Hình 2.24: Đồ thị mô men động lượng của điã cưa khi thay đổ i.................... 81 vâ ̣n tố c quay của đĩa cưa ................................................................................. 81 Hình 2.25: Ảnh hưởng vâ ̣n tố c quay của đĩa cưa đế n mô men động lượng ... 82 Hình 2.26: Đồ thị mô men lực cắt của trục đĩa cưa theo thời gian ................. 83 Hình 2.27: Đồ thi ̣biên độ rung ngang của đĩa cưa khi cắ t ngang ố ng tre ứng với số vòng quay khác nhau của đĩa cưa ......................................................... 85 Hình 3.1: Sơ đồ xác định hệ số ma sát giữa tre và lưỡi cắt ............................ 90 Hình 3.2: Kích thước mẫu và sơ đồ bố trí thí nghiệm .................................... 91 Hình 3.3: Sơ đồ xác định lượng đàn hồi của mẫu ........................................... 93 Hình 3.4: Sơ đồ bố trí thiết bị đo mô men ...................................................... 94 Hình 3.5: Sơ đồ cầu điện trở và đầu đo mô men T4 ........................................ 95 Hình 3.5b: Sơ đồ lắp ráp đầu đo mô mem T4 vào trục lắp đĩa cưa ................ 96 Hình 3.6: Cảm biến từ Autonis ....................................................................... 97 Hình 3.7: Biểu đồ mô men xoắn của trục đĩa cưa theo thời gian cắt .............. 98
x Hình 3.8: Biểu đồ biên độ dao động ngang của đĩa cưa khi cắt ngang tre ..... 99 theo thời gian ứng với vận tốc quay của đĩa cưa 4000 v/ph ........................... 99 Hình 4.1: Mô hình thiết bị thí nghiệm đo mô men và đo rung động ............ 111 Hình 4.2: Thiết bị đo mấ p mô bề mă ̣t cắ t ngang tre ..................................... 112 Hình 4.3: Quá trình thí nghiệm xác định một số chỉ tiêu cưa đĩa cắt ngang tre ....................................................................................................................... 116 Hình 4.4: Ảnh hưởng của góc cắt  đến lực cản cắt riêng ........................... 117 Hình 4.5: Ảnh hưởng của góc cắt  đến độ mấ p mô bề mă ̣t cắ t .................. 118 Hình 4.6: Ảnh hưởng của góc mài  đến lực cản cắt riêng .......................... 119 Hình 4.7: Ảnh hưởng của góc mài  đến đô ̣ mấ p mô bề mặt cắt ................. 119 Hình 4.8: Ảnh hưởng của vâ ̣n tố c quay của đĩa cưa đến lực cản cắt riêng ... 120 Hình 4.9: Ảnh hưởng của vâ ̣n tố c quay của đĩa cưa đến đô ̣ mấ p mô ........... 121 bề mặt cắt ...................................................................................................... 121 Hình 4.10: Chất lượng bề mặt cắt của ống tre trước khi nghiên cứu và sau khi tính toán tối ưu .............................................................................................. 142
xi CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa amax mm Biên độ rung ngang lớn nhất của đĩa cưa atb m/s2 Gia tốc rung trung bình của cưa đĩa [a] m/s2 Gia tốc rung cho phép của cưa đĩa b mm Chiều dầy lưỡi cắt b0 mm Bề dầy thành tre B mm Chiều rộng của mạch cắt B0 mm Chiều rộng của mẫu thí nghiệm C N/m Độ cứng của tre khi nén dọc thớ Độ cứng quy đổi của liên kết giữa khung cưa với tay người C1 N/m điều khiển Cd N/mm3 Hệ số đàn hồi nén dọc thớ Cn N/mm3 Hệ số đàn hồi nén ngang thớ d mm Đường kính trong cây tre D mm Đường kính ngoài cây tre Ed N/mm2 Mô đun đàn hồi nén dọc thớ En N/mm2 Mô đun đàn hồi nén ngang thớ F mm2 Diện tích tiếp xúc giữa mặt bên của răng cắt với thành mạch cưa Ej N/m Độ cứng của thớ tre chịu uốn Fk N Lực kéo f Hệ số ma sát giữa mặt cắt ngang của tre với lưỡi cắt Fms N Lực ma sát giữa tre với lưỡi cắt h mm Chiều dầy phoi Kd Hệ số quá tải K N/mm2 Tỷ suất lực cắt Kn N/m2 Hệ số nén đàn hồi có thứ nguyên K N/mm2 Tỷ suất lực cắt của răng cắt l mm Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa lưỡi cắt và tre
xii L mm Chiều dài phần tre bị nén m 1/m Hệ số đặc trưng cho dầm trên nền đàn hồi m1 kg Khối lượng qui đổi của khung cưa và động cơ m2 kg Khối lượng qui đổi Mc N.m Mô men cắt MT N.m Mô men có tải M0 N.m Mô men không tải n Số răng đồng thời cùng tham gia vào quá trình cắt Nb N Áp lực của lớp tre ở thành bên mạch cắt lên mặt bên của răng cắt N N Áp lực của phôi lên lưỡi cắt Ndc kw Công suất cần thiết của động cơ P N Lực cản cắt Pm N Lực tác dụng lên mũi lưỡi cắt Pt N Lực tác dụng lên mặt trước lưỡi cắt Ps N Lực tác dụng lên mặt sau lưỡi cắt P N Tổng lực tác dụng lên răng cắt Pb N Lực tác dụng lên mặt bên của lưỡi cắt P0 N Áp lực tại điểm B (điểm phá huỷ phôi) P1 N Áp lực phân bố đều trên cung AB (h.3.3A) P2 N Áp lực phân bố đều trên cung BC (h.3.3A) Pq % Lãi suất vay vốn hàng năm qt N Áp lực phân bố đều của tre tác dụng lên mặt trước của lưỡi cắt Q N Lực đẩy phoi Qm N Lực đẩy ở mũi lưỡi cắt Qt N Lực đẩy ở mặt trước lưỡi cắt Qs N Lực đẩy ở mặt sau lưỡi cắt Qb N Lực đẩy ở mặt bên của lưỡi cắt Q1 N Trọng lượng của lưỡi cắt
xiii R mm Bán kính điã cưa t s Thời gian cắt U m/s Tốc độ đẩy của cưa vào phôi V m/s Tốc độ của đĩa cưa W % Độ ẩm của tre  rad/s Tần số dao động riêng của máy  rad Góc ma sát giữa tre và dao cắt  rad/s Tần số kích động do lực cắt gây ra  Nhân tử Lagrănggiơ L mm Chiều dầy của lớp tre chịu nén t s Thời gian giãn cách giữa 2 răng cắt liên tiếp x Độ lún tương đối của phần tre chịu nén theo phương x y Biến dạng tương đối theo phương y  Hệ số Poát xông  độ Góc sau của lưỡi cắt  độ Góc mài của lưỡi cắt  độ Góc cắt của lưỡi cắt  độ Góc trước của lưỡi cắt  N/mm2 Ứng suất trượt dọc thớ của tre d N/mm2 Ứng suất nén dọc thớ của tre ng N/mm2 Ứng suất nén ngang thớ của tre cd N/mm2 Ứng suất chèn dập tre  độ Góc ôm của mũi cắt vào phôi  k Độ tù của mũi cắt ASTMD Tiêu chuẩn của Mỹ về thử tính chất cơ lý của tre FAO Tổ chức Nông nghiệp và Lương thực của Liên hợp quốc TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Ở Việt Nam diện tích rừng tre nứa có khoảng 1.100.000ha, chiếm 11.4% diện tích rừng toàn quốc, bao gồm 14 chi và 140 loài khác nhau, [1]. Trong đó một số loài có diện tích, trữ lượng lớn và có giá trị kinh tế cao như các loài tre thuộc chi Dendrocalamus. Từ bao đời nay, tre nứa gắn chặt với đời sống của người dân Việt Nam, tre nứa trở thành vũ khí chống giặc ngoại xâm, tre chống gió bão, chắn sóng, giữ đất, giữ nước, bảo vệ mùa màng, từ xa xưa nhân dân ta đã biết dùng tre để làm nhà cửa, làm các dụng cụ trong gia đình. Tre có đặc điểm là: sinh trưởng nhanh, dễ trồng, dễ chăm sóc, thân tre được sử dụng nhiều mục đích, các sản phẩm làm từ tre được các nước châu Âu ưa chuộng. Với đặc điểm trên việc gây trồng phát triển rừng tre được nhiều địa phương đầu tư phát triển, hiện nay tre được trồng thành rừng tập trung với diện tích lớn ở một số tỉnh Miền Bắc. Hàng năm, ở Việt Nam, khối lượng tre, nứa được khai thác khoảng 300 - 350 nghìn tấn, trong chiến lược phát triển giai đoạn 2010 - 2020 của bộ Nông nghiệp và phát triển Nông thôn dự kiến đến năm 2020 đưa sản lượng khai thác tre, nứa lên 500 - 550 nghìn tấn để phục vụ cho nhu cầu phát triển của nền kinh tế. Tre nứa ở Việt Nam trước đây được sử dụng trong sản xuất giấy và thủ công mỹ nghệ, ngày nay tre được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp sản xuất ván sàn, hàng thủ công mỹ nghệ và sản xuất đồ nội thất. Theo báo cáo của Cục chế biến nông lâm sản và thị trường thuộc Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, Việt Nam có khoảng 1000 doanh nghiệp chế biến tre và hàng trăm ngàn hộ gia đình sản xuất đồ thủ công mỹ nghệ từ tre, kim ngạch xuất khẩu các sản phẩm từ tre năm 2020 đạt khoảng 500 triệu USD, từ đó tạo ra nguồn thu nhập đáng kể cho doanh nghiệp và các hộ gia đình.
2 Hiện nay, trong quá trình gia công chế biến các sản phẩm tre đã được cơ giới hóa, từ đó năng suất và chất lượng sản phẩm đã được tang lên, đáp ứng được yêu cầu xuất khẩu. Tuy nhiên, các thiết bị sử dụng trong công nghệ chế biến tre còn một số tồn tại cần phải khắc phục để tạo ra chất lượng sản phẩm cao hơn, từ đó nâng cao giá trị gia tăng của sản phẩm. Kết quả điều tra khảo sát các nhà máy chế biến tre cho thấy các thiết bị cắt ngang tre chủ yếu là dùng cưa đĩa cắt ngang, trong quá trình cắt còn nhiều tồn tại đó là độ mấp mô bề mặt cắt lớn, khi cắt phần cuối thường bị xước không được nhẵn, để tạo ra mặt cắt nhẵn bóng thì phải qua thiết bị mài nhẵn, từ đó tăng chi phí sản xuất và giảm năng suất và hiệu quả kinh tế. Cưa đĩa sử dụng trong gia công chế biến tre là cưa đĩa sử dụng trong gia công chế biến gỗ, do cấu tạo tre có đặc điểm khác so với cấu tạo của gỗ nên khi sử dụng các thiết bị cắt gọt gỗ để cắt gọt tre cũng cần có nghiên cứu cho phù hợp. Hiện nay, các công trình nghiên cứu về các thiết bị trong gia công chế biến tre còn nhiều hạn chế, chưa có nghiên cứu sâu về động lực học của cưa đĩa cắt ngang tre. Để có cơ sở lý thuyết cho việc hoàn thiện cưa đĩa cắt ngang tre thì cần phải nghiên cứu động lực học để từ đó xác định các thông số tối ưu của cưa đĩa cắt ngang tre. Với lý do đã trình bày ở trên, luận án nhận thấy nghiên cứu quá trình gia công cắt gọt tre bằng cưa đĩa là rất cần thiết, đó là lý do tôi chọn và thực hiện đề tài: "Nghiên cứu một số thông số động học, động lực học của cưa đĩa trong quá trình cắt ngang tre ". 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Xây dựng cơ sở khoa học để từ đó tính toán xác đinh ̣ được mô ̣t số thông số động học, động lực học hơ ̣p lý của cưa điã trong quá trình cắ t ngang tre nhằ m nâng cao năng suấ t và chấ t lươ ̣ng bề mă ̣t cắ t, là cơ sở khoa ho ̣c cho viêc̣ tính toán thiế t kế chế ta ̣o cưa điã cắ t ngang mô ̣t số loài tre ở Viê ̣t Nam.
3 3. Những đóng góp mới của luận án 1. Đã xây dưṇ g đươ ̣c mô hình đô ̣ng lực ho ̣c, thiế t lâ ̣p đươ ̣c hê ̣ phương trình vi phân chuyể n đô ̣ng củ a điã cưa trong quá trình cắ t ngang tre, đã tính toán độ cứng của đĩa cưa, kế t quả khảo sát hê ̣ phương trình vi phân chuyể n đô ̣ng của lưỡi cưa cho thấ y ta ̣i vâ ̣n tố c quay của đĩa cưa trong khoảng v=3500-4500 vòng/phút thì mô men đô ̣ng lươ ̣ng của điã cưa là lớn nhấ t. 2. Đã xây dựng đươ ̣c mô hình tính toán rung động của điã cưa, đã thiết lập được phương trình vi phân dao động của hệ cùng với nghiệm của nó, đã tiế n hành khảo sát biên độ dao động ngang của điã cưa trên miề n thời gian bằ ng phầ n mề n Matlab-simulink, từ kết quả khảo sát đã đề xuấ t giải pháp giảm rung đô ̣ng của điã cưa. 3. Đã xây dựng đươ ̣c mô hình nghiên cứu thực nghiê ̣m đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t ngang tre, đã xác đinh ̣ đươ ̣c mô ̣t số thông số đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã phu ̣c vu ̣ cho bài toán khảo sát và kiể m chứng mô hình tiń h toán lý thuyế t đã lâ ̣p, mô hình thí nghiê ̣m có thể sử du ̣ng để nghiên cứu cắ t go ̣t tre nứa. 4. Đã xây dựng được công thức thực nghiệm xác định lực cản cắt riêng và đô ̣ mấ p mô bề mă ̣t ma ̣ch cắ t, đã xác định được các thông số hợp lý của cưa điã cắ t ngang tre đó là: góc cắ t δ = 48.50; góc mài cạnh cắt chính β = 29.50; vận tốc quay của đĩa cưa v = 4150.8 vòng /phút, tốc độ đẩy U=0,12m/s và công suấ t đô ̣ng cơ N=1,854 kw với các thông số hợp lý trên cho lực cản cắt riêng là nhỏ nhấ t, chấ t lượng bề mă ̣t cắ t là cao nhấ t. 4. Ý nghiã khoa ho ̣c của những kế t quả nghiên cứu của đề tài luâ ̣n án Kế t quả nghiên cứu của đề tài luâ ̣n án đã xây dựng đươ ̣c mô hình, thiế t lâ ̣p đươ ̣c phương trình tính toán lực tác du ̣ng lên các phầ n tử của răng cắ t, hê ̣ phương trin ̀ h vi phân chuyể n đô ̣ng của điã cưa, hê ̣ phương trình rung đô ̣ng của điã cưa, từ các phương trình lâ ̣p đươ ̣c, tiế n hành khảo sát ảnh hưởng của mô ̣t số thông số của răng cắ t, vâ ̣n tố c quay của đĩa cưa đế n các hàm mu ̣c tiêu đô ̣ng lực ho ̣c của cưa điã cắ t ngang tre. Kế t quả khảo sát lý thuyế t và kế t quả nghiên cứu thực nghiê ̣m đã xác đinh ̣ đươ ̣c mô ̣t số thông số hơ ̣p lý của cưa điã
4 cắ t ngang tre. Kế t quả nghiên cứu này là cơ sở khoa ho ̣c cho viêc̣ tiń h toán thiế t kế chế ta ̣o cưa điã cắ t ngang mô ̣t số loài tre ở Viê ̣t Nam. 5. Ý nghiã thực tiễn của đề tài luâ ̣n án Kết quả nghiên cứu của luận án có thể được sử dụng cho việc thiết kế chế tạo cưa điã cắ t ngang tre, ngoài ra còn sử du ̣ng để làm tài liêụ tham khảo cho các cơ sở sử du ̣ng cưa điã cắ t ngang tre và các cơ sở gia công chế biế n tre ở Viêṭ Nam.
5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về tài nguyên tre ở Việt Nam Ở Việt Nam tre nứa chiếm 11,4% diện tích rừng toàn quốc với diện tích khoảng 1.100.000 ha, bao gồm 14 chi và 140 loài khác nhau, trong đó có một số loài được trồng với diện tích lớn, có giá trị trong sử dụng đó là: - Tre gai (Bambusa stenostachya Hack): Được trồng rộng rãi ở Miền Bắc từ đồng bằng đến miền núi, hình ảnh lũy tre bao bọc xóm làng đã thân thuộc với mọi miền quê của Việt Nam. Tre gai có nhiều cành, nhiều gai, thân tre mọc quần tụ, chen kít thành từng cụm dưới 100 cây. Kích thước cây trung bình: Thân cao 14m, đường kính 8cm, lóng dài 26cm, thành tre dày 1,7cm, thân tre tươi nặng khoảng 28 kg. - Mai (Dendrocalamus giganteus Munro): Mai được trồng nhiều ở Miền Bắc Việt Nam. Mai là loài tre có thân mọc cụm dưới 100 cây, thân không gai, thẳng. Kích thước trung bình của cây: Đường kính 10-15 cm, chiều cao 15-20m, lóng dài 33 cm, thành tre dày hơn 1,5cm, thân tre tươi nặng khoảng 40 kg. - Luồng (Dendrocalamus membranaceus Munro): Luồng là loài cây bản địa được trồng rộng rãi ở các tỉnh Thanh Hoá, Hoà Bình, Nghệ An và đang được gây trồng ở vùng nguyên liệu giấy Phú Thọ. Luồng mọc theo cụm dưới 100 cây, thân thẳng không gai, sinh trưởng nhanh sau 2 năm có thể khai thác làm nguyên liệu giấy hoặc sử dụng cho mục đích khác. Kích thước trung bình của cây luồng: Chiều cao 18-20m, đường kính 10-12cm, lóng dài 30cm, thành tre dày hơn 1cm, thân tre tươi nặng khoảng 35 kg. - Diễn trứng (Dendrocalamus latiflorus Munro): Diễn trứng được trồng nhiều ở vùng trung tâm Bắc Bộ và Đông Nam Bộ, thân không gai, thẳng mọc quần tụ thành cụm dưới 100 cây. Kích thước trung bình: Thân cao