Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu của máy sàng dăm nguyên liệu giấy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm xác định được các thông số tối ưu của máy sàng dăm theo nguyên lý sàng chấn động lệch tâm làm cơ sở cho việc hoàn thiện thiết kế, chế tạo loại máy sàng này, nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí năng lượng và đảm bảo chất lượng dăm. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu của máy sàng dăm nguyên liệu giấy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP ----------------------- NGUYỄN TRỌNG TUÂN NGUYỄN TRỌNG TUÂN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY SÀNG DĂM NGUYÊN LIỆU GIẤY NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY SÀNG DĂM NGUYÊN LIỆU GIẤY Chuyên ngành: Máy và thiết bị cơ giới hoá nông - lâm nghiệp Mã số: 60 52 14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Nhật Chiêu Hà Nội, 2010 Hà Nội - 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP &PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP --------------------- NGUYỄN TRỌNG TUÂN NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY SÀNG DĂM NGUYÊN LIỆU GIẤY Chuyên ngành: Kỹ thuâ ̣t máy và thiết bị cơ giới hoá Nông - lâm nghiệp Mã số: 60.52.14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN NHẬT CHIÊU Hà Nội, 2010
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong dây chuyền sản xuất dăm làm nguyên liệu giấy, sàng dăm là một trong những khâu quan trọng, có nhiệm vụ chọn ra các loại sản phẩm đạt yêu cầu và loại bỏ các sản phẩm không đạt tiêu chuẩn. Hiện nay, thị trường nước ta có rất nhiều các loại máy sàng dăm với các nhiều nguyên lý sàng khác nhau như sàng chấn song, sàng theo nguyên lý vòng xoay, sàng lắc, sàng quán tính, sàng chấn động định tâm, sàng chấn động lệch tâm. Đặc biệt các cơ sở băm dăm gỗ ở Phú Thọ, Hòa Bình, Quảng Ninh, Thanh Hóa, Nghệ An, Quảng Bình…thường dùng loại má y sàng theo nguyên lý chấn động lệch tâm, có hai lớp sàng. Loại má y sàng này có những ưu điểm vượt trội như: Kết cấu gọn, dễ sử dụng, thay thế sửa chữa dễ dàng và sàng hiệu quả đạt được yêu cầu sản phẩm nguyên liệu. Loại máy sàng theo nguyên lý chấn động lệch tâm được thiết kế, chế tạo dựa trên kinh nghiệm thực tế, chưa có một tài liệu nào đề cập tới việc tối ưu các thông số kết cấu của máy sàng dăm này. Để đạt được năng suất cao, giảm chi phí năng lượng riêng, nâng cao chất lượng dăm cần phải nghiên cứu xác định các thông số kết cấu tối ưu của máy sàng dăm nguyên liệu giấy theo nguyên lý chấn động lệch tâm. Để giải quyết vấn đề trên tôi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu của máy sàng dăm nguyên liệu giấy” Ý nghĩa khoa học của đề tài là xác định được một số thông số kết cấu tối ưu của máy sàng dăm làm nguyên liệu giấy, theo nguyên lý sàng chấn động lệch tâm một cách có căn cứ khoa học, nhằm nâng cao năng suất, chất lượng dăm, giảm chi phí năng lượng. Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghiã thực tiễn cho việc hoàn thiện thiết kế, chế tạo máy sàng dăm nguyên liệu giấy phù hơ ̣p với điề u kiê ̣n sản xuấ t ta ̣i Viê ̣t Nam.
2 Chương 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về công nghệ và thiết bị sản xuất dăm nguyên liệu giấy 1.1.1. Công nghệ và thiết bị sản xuất dăm nguyên liệu giấy ở thế giới Hiê ̣n nay trên thế giới nguyên liê ̣u gỗ cung cấ p cho ngành giấ y ngày càng nhiề u. Vì vâ ̣y, mà viê ̣c tâ ̣n du ̣ng gỗ càng triê ̣t để , đi liề n với nó là sự phát triể n của công nghê ̣ và thiế t bi ̣sản xuấ t dăm gỗ ngày càng hiêṇ đa ̣i hơn. Tại Châu Âu các nhà máy sản xuất dăm gỗ được xây dựng trên quy mô lớn và tập trung ở các cửa rừng. Công nghệ sản xuất tiên tiến, gỗ được khai thác từ rừng được đưa về các nhà máy để bóc vỏ, cắt khúc với kích thước hợp lý rồi đưa và máy băm tạo thành dăm gỗ. Tại các nhà máy này các thiết bị tạo dăm hiện đại nhiều chủng loại như máy băm dăm kiểu đĩa, kiểu trống với công suất lên tới 20 - 30 tấn/giờ. Tại một số nước như Phần lan, Thụy Điển, Đức..., có địa hình rừng tương đối bằng phẳng thì công nghệ sản xuất dăm gỗ được bố trí cơ động trong rừng. Máy băm dăm được đặt trên rơmooc của máy kéo chuyên dùng có công suất lớn, đi vào trong rừng trực tiếp lấy gỗ băm thành dăm đưa thẳng lên xe chuyên chở về nhà máy. Ta ̣i đây dăm gỗ sẽ đươ ̣c phân loa ̣i bằ ng máy sàng. Điển hình như liên hơ ̣p máy băm dăm của hãng Woodsman do Đức sản xuất, thiết bị này làm viê ̣c hiệu quả, năng suất đạt tới 35 tấn/giờ (hình 1.1).
3 . Hình 1.1: Liên hợp máy băm dăm Woodsman 337-FC băm dăm gỗ lưu động Trung Quốc, Nhật Bản là những nước có ngành công nghiệp sản xuất giấy rất phát triển. Sản xuất dăm được quan tâm hàng đầu trong dây chuyề n sản xuấ t. Tại đây phổ biển sử dụng công nghệ sản xuất dăm theo cách lưu động. Thiế t bi ̣ cho sản xuấ t chủ yế u sử du ̣ng liên hợp máy băm dăm Bandit Beast đặt trên máy kéo xích có trang bị bô ̣ phâ ̣n ngoạm gỗ dẫn đô ̣ng bằng thủy lực bốc gỗ cho vào máng nạp để băm thành dăm gỗ (hình 1.2). Liên hợp máy làm việc trên địa hình dốc lớn trong rừng, sau đó đưa lên xe chuyên chở về nhà máy sàng lọc trên máy sàng nhằ m loa ̣i bỏ những dăm không phù hơ ̣p.
4 Hình 1.2 Liên hợp máy băm dăm gõ Bandit Beast trên máy kéo xích Tại Mỹ và Canada công nghiệp sản xuất dăm rất hiện đại. Gỗ sau khi khai thác được tập trung tại bãi gỗ nơi được trang bị toàn bộ hê ̣ thố ng thiết bị sản xuất dăm như: má y băm dăm, sàng dăm và hê ̣ thố ng băng tải vận chuyển gỗ , dăm Thiế t bi ̣băm dăm đươ ̣c sử du ̣ng trong dây chuyề n là loa ̣i máy băm dăm lưu động Morbark 2348 (hình 1.3) có công suất lớn dẫn động bằng thủy lực. Tại đây gỗ được càng ngoạm của máy băm đưa vào máng nạp để băm thành dăm. Máng nạp nguyên liệu của máy lớn, có thể na ̣p đồ ng thời được từ 5 - 10 cây gỗ có đường kính nhỏ hơn 20 cm và dài tới 4m. Máy làm viê ̣c đạt năng suất tới 60 tấn/giờ. Mô hình sản xuất này được sử dụng rất phổ biến cho các nước có vùng nguyên liệu tập trung, quy mô sản xuất lớn
5 Hình 1.3: Liên hợp máy băm dăm Morbark 2348 khi băm gỗ dài Tóm lại mô ̣t số nước trên thế giới có nền công nghiệp phát triển với công nghệ và thiết bị hiện đại, các khâu sản xuất đều được trang bị cơ giới hóa, tự động hóa phù hợp, hiệu quả, năng suất cao. Một số nước đang phát triển như các nước Đông Nam Á, Nam Mỹ... thiết bị sản xuất chủ yếu là nhập ngoại, chưa được đầu tư đồng bộ dẫn đến năng suất không cao, không tận dụng được nhiề u sản phẩm từ rừng. 1.1.2. Công nghệ và thiết bị sản xuất dăm nguyên liệu giấy ở Việt Nam Hiện nay nước ta đang trong đà phát triển kinh tế về mọi mặt, nhu cầu về lâm sản rất lớn. Những năm qua khai thác rừng có vai trò quan trọng trong việc cung cấp gỗ nguyên liệu cho sản xuấ t giấy, chế tạo ván dăm, công nghiệp ván lạng, công nghiệp khai mỏ và xuất khẩu... Trong tương lai để đáp ứng nhu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hóa đất nước, các dự án khai thác nguyên liệu sẽ ngày càng được thực hiện nhiều hơn. Cụ thể tiến tới năm 2010 đẩy mạnh lượng khai thác lên 24,5 triệu m3 gỗ [12]. Vì vậy, ngành công nghiệp khai thác lâm sản chiếm một vị trí tương đối quan trọng trong sản xuất lâm nghiệp.
6 Công nghệ khai thác rừng với sản phẩm là dăm gỗ đươ ̣c áp dụng ở những khu rừng chặt tỉa thưa, gỗ nhỏ. Gỗ sau khi chă ̣t hạ được cho vào băm thành dăm ta ̣i hiêṇ trường khai thác và đươ ̣c đưa ra bãi. Ưu điể m của công nghê ̣ này là nâng cao khả năng tận dụng gỗ, giảm chi phí vâ ̣n chuyể n. Ở nước ta các dây chuyề n sản xuấ t dăm gỗ làm nguyên liêụ giấ y có rấ t ít và không đầ y đủ. Các dây chuyề n này đươ ̣c thiế t kế lắ p đă ̣t theo yêu cầ u của các nhà máy theo mô ̣t số sơ đồ phổ biế n sau: - Dây chuyề n băm dăm gỗ ta ̣i các nhà máy sản xuấ t giấ y Máy Volvo Băng tải Băng tải Đố ng Máng Máy bóc Máy gỗ na ̣p gỗ vỏ băm dăm vỏ Baĩ chứa Băng tải Dăm gỗ Máy sàng dăm Hình 1.4: Sơ đồ dây chuyề n băm dăm gỗ sản xuấ t giấ y - Dây chuyề n băm dăm gỗ của các nhà máy sản xuấ t ván MDF Xe cải tiế n, người vác gỗ Băng tải Đố ng gỗ Máy Máy sàng đã bóc vỏ băm dăm Hình 1.5: Sơ đồ dây chuyề n băm dăm gỗ sản xuấ t ván MDF - Dây chuyề n băm dăm gỗ xuấ t khẩ u có 2 sơ đồ chính Sơ đồ 1: Ống dẫn Băng tải lên xi lô Băng tải Đố ng gỗ Máy Máy sàng Baĩ chứa đã bóc vỏ băm dăm dăm Sơ đồ 2: Băng tải Băng tải Gỗ trên ô Máy Máy sàng Baĩ chứa tô băm dăm dăm Hình 1.6: Sơ đồ dây chuyề n băm dăm gỗ xuất khẩu
7 - Dây chuyề n băm dăm gỗ của các công ty vê ̣ tinh cho nhà máy giấ y, ván MDF, công ty băm dăm xuấ t khẩ u. Sơ đồ 1: cho máy băm dăm cố đinh ̣ Xe cải tiế n Băng tải Băng tải Đố ng gỗ Máy Máy sàng Baĩ chứa đã bóc vỏ băm dăm dăm Sơ đồ 2: cho máy băm dăm di đô ̣ng Ống dẫn Xe cải tiế n lên xi lô Đố ng gỗ Máy Xe ô tô vâ ̣n chuyể n đã bóc vỏ băm dăm đế n các nhà máy Hình 1.7: Sơ đồ dây chuyề n băm dăm gỗ quy mô nhỏ Trong dây chuyền băm dăm gỗ làm nguyên liê ̣u giấ y gồm có các máy như sau: Máy mài dao băm, băng tải đưa gỗ vào máy băm, mày băm dăm gỗ, máy sàng dăm, băng tải đưa dăm nên ô tô hay ra bãi dăm theo quy trình sau: Chuẩn bị gỗ → Băng tải nạp liệu → Máy băm dăm → máy Sàng dăm → Băng tải dăm → Ô tô, bãi dăm. Sau khi gỗ được bóc vỏ sạch có kích thước phù hợp sẽ được đưa vào máy băm, máy băm sẽ băm gỗ thành dăm và phun lên sàng dăm (hình 1.8), dăm sẽ được sàng loại bỏ các dăm không phù hơ ̣p, sau đó dăm được đi theo băng tải lên ô tô hay ra bãi dăm (hình 1.9).
8 Hình 1.8: Gỗ được băm thành dăm và theo ống lên máy sàng Hình 1.9: Dăm gỗ từ máy sàng ra bãi dăm qua hệ thống băng tải 1.2.Tổng quan về máy sàng dăm hiện đang sử dụng trong sản xuất Sàng dăm là một trong những công đoạn quan trọng trong quá trình sản xuất dăm NLG từ các loại gỗ như bạch đàn, keo, bồ đề…Gỗ NLG được băm nhỏ ra thành dăm, sau đó được đưa vào máy sàng để tạo ra dăm NLG chính
9 phẩm. Trên thị trường hiện nay có các loại máy sàng của Đài Loan, Trung Quốc và Nhật Bản…tất cả các loại máy sàng đang có trên thị trường đều hoạt động theo các nguyên lý: sàng lắc, sàng chấn động lệch tâm, sàng quán tính, sàng chấn động tự định tâm, sàng chấn động với cơ cấu chấn động tự cân bằng. Sàng lắc: Cấu tạo từ một hoặc hai hộp sàng hình chữ nhật dài, trên có lắp các lưới sàng. Hộp sàng tựa trên ổ đỡ hoặc treo trên khung và được thực hiện chuyển động tịnh tiến, vòng tròn hoặc lắc phức tạp (hiǹ h 1.10). a. Sàng theo nguyên lý chuyể n đô ̣ng tinh ̣ tiế n b. Sàng theo kiểu vòng xoay Hình 1.10: Máy sàng hoạt động theo nguyên lý lắ c Hộp sàng được nối với cơ cấu truyền động lệch tâm. Dăm gỗ được cấp vào đầu cao và chuyển động dần xuống dưới do tác động lắc và độ nghiêng của sàng. Dăm gỗ được trải rất nhanh trên bề mặt lưới và các bụi bẩn được lọt qua lưới sàng. Theo đặc tính lắc, người ta phân sàng lắc thành sàng lắc thẳng, lắc tròn và lắc phức tạp. Đặc điểm chuyển động của vật liệu trên sàng lắc phụ thuộc vào tần số quay của trục lệch tâm, thường nằm trong giới hạn 60 - 800 lầ n/phút. Sàng lắc thường làm việc theo chế độ vật liệu nẩy trên sàng. Khi khung sàng dao động, các lực quán tính rất lớn được truyền tới bộ phận giá đỡ. Do vậy, để làm cân bằng lực quán tính, thường phải sử dụng sàng hộp kép.
10 Sàng chấn động lệch tâm: còn được gọi là sàng bán chấn động cấu tạo từ hộp sàng với một, hai hoặc ba lưới sàng. Hộp sàng thực hiện chuyển động theo quỹ đạo hình tròn theo mặt phẳng thẳng đứng nhờ truyền động của trục lệch tâm chuyển động nhanh. Trong qua trình hoạt động, lưới sàng luôn giữ song song với bản thân nó (hình 1.11). a. Gố i đỡ hộp sàng da ̣ng cao su b. Gố i đỡ hộp sàng da ̣ng lò xo Hình 1.11: Máy sàng dăm theo nguyên lý chấn động lệch tâm Sơ đồ cấu tạo của sàng chấn động lệch tâm được trình bày ở (hình 1.12). Sàng gồm một trục lệch tâm, được đỡ trên hai ổ đỡ gắn chặt vào một giá sàng cố định. Trên trục có hai khuỷu lệch tâm và độ lệch tâm e quyết định đến biên độ dao động của sàng. Hộp sàng được gắn vào trục quay tại hai khuỷu lệch tâm trên có ổ đỡ. Hộp sàng cùng lưới sàng được đặt với góc nghiêng 10 đô ̣ – 20 đô ̣ so với phương ngang và được giữ nguyên như vậy bằng hai lò xo nối với giá sàng ở hai đầu sàng. Trục lệch tâm được truyền động từ động cơ thông qua dây đai và bánh đà. Khi đó, phần giữa sàng sẽ chuyển động theo quỹ đạo tròn với bán kính là độ lệch tâm e, còn hai điểm đầu và cuối sàng tương ứng với đầu cấp liệu và đầu tháo tải thì sẽ chuyển động theo qũy đạo khép kín hình ôval ngược chiều nhau, hình dạng cụ thể phụ thuộc vào độ cứng và vị trí đặt lò xo. Chính nhờ tác động này mà cấp liệu
11 được trải nhanh trên toàn bộ chiều rộng của lưới và chuyển động chậm lại ở cuối lưới, góp phần nâng cao hiệu suất sàng chung. 1 6 5 4 7 3 2 8 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý sàng chấn động lệch tâm 1- hộp sàng; 2- lò xo; 3- động cơ; 4- đai truyề n; 5- bánh đà; 6,8- mặt lưới; 7- trục lệch tâm Khi hộp chuyển động theo quỹ đạo tròn, sinh ra lực ly tâm tỉ lệ thuận với khối lượng toàn bộ của hộp sàng và vật liệu sàng, với độ lệch tâm e và với bình phương tần số dao động. Lực này thay đổi theo hướng, truyền qua ổ đỡ tới khung cố định và có thể gây ra chấn động của kết cấu. Do vậy để cân bằng lực quán tính này và giảm chấn động kết cấu thì trên trục quay người ta lắp các bánh đà có gắn các đối trọng. Sàng chấn động lệch tâm được lắp đặt ở rất nhiều các cơ sở sản xuất dăm gỗ. Sàng chấn động lệch tâm được chế tạo với kết cấu và kích thước khác nhau để sàng dăm theo yêu cầu sản phẩm. Độ lệch tâm sàng từ 1,5 đến 6 mm. tần số quay trục 750 -1000 vòng/phút. Ưu điểm của loại sàng này là chúng có biên độ dao động cố định không phụ thuộc vào tải trọng vật liệu và có thể làm việc trong những điều kiện rất nặng nhọc. Sàng quán tính: Còn được gọi là sàng với cơ cấu chấn động không cân bằng. Dao động của hộp sàng do lực ly tâm sinh ra khi quay các đối trọng không cân bằng (hình 1.13).
12 1 5 6 4 7 3 2 8 Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý sàng chấn động quán tính 1- Hộp sàng; 2- Lò xo; 3- Động cơ; 4- Dây đai; 5- Bánh đà; 6- Trục quay; 7,8- Lưới sàng Hộp sàng chứa lưới sàng được treo hoặc đặt trên các lò xo nghiêng 15 đô ̣ – 30 đô ̣ so với phương ngang. Một trục quay được lắp vào hộp sàng trên hai ổ đỡ, trên trục có gắn các bánh đà với đối trọng không cân bằng. Trục quay được truyền động từ động cơ thông qua truyền động đai hình nêm. Các đối trọng không cân bằng khi quay sẽ sinh ra lực quán tính ly tâm có hướng bán kính. Toàn bộ cơ cấu truyền động cùng tham gia dao động cùng hộp sàng, do đó biên độ dao động phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng của hộp sàng và khối lượng của đối trọng. Biên độ dao động của hộp sàng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi khối lượng đối trọng hoặc bán kính chuyển động quay của chúng. Về kết cấu, sàng quán tính chỉ khác sàng chấn động lệch tâm ở chỗ có mặt của hai ổ đỡ trên hộp sàng. Tần số dao động của sàng khoảng từ 750- 1000 vòng/phút, góc nghiêng sàng thường khoảng 15 đô ̣ – 20 đô ̣. Sàng chấn động tự định tâm: So với sàng chấn động lệch tâm, sàng chấn động tự định tâm chỉ khác ở chỗ không có hai ổ đỡ ngoài và không có khung sàng. Hộp sàng được treo nghiêng vào một kết cấu khung cố định nhờ các lò xo. Một trục lệch tâm được lắp vào hộp sàng thông qua hai ổ đỡ trên
13 hai thành bên của sàng. Trên hai đầu trục có lắp các bánh đà cùng với các đối trọng gắ n ngược theo hướng đường kính so với khuỷu lệch tâm. Trên trục này cũng lắp bánh đai để nhận truyền động cơ, đặt trên bệ cố định thông qua đai truyền động hình nêm. Chuyển động tròn của hộp sàng là kết quả của tác dụng tương hỗ của hai khối chuyển động, một là hộp sàng treo trên các lò xo và khối kia là các đối trọng lắp trên trục quay nối với hộp sàng thông qua các ổ đỡ. Vì trục quay trên các ổ đỡ lắp trên hộp, còn hộp lại nối với thanh treo đàn hồi nên áp lực của trục lệch tâm lên hộp sàng là nội lực của hệ thống. Khi không có ngoại lực thì trọng tâm của hệ thống phải cố định, vì vậy khi trục quay thì sàng sẽ chuyển động theo quỹ đạo tròn với một bán kính nhất định trong mặt phẳng thẳng đứng xoay xung quanh trọng tâm cố định đó. Khối lượng các đối trọng được chọn sao cho lực quán tính ly tâm do chúng sinh ra phải được cân bằng bởi lực ly tâm sinh ra bởi hộp sàng khi chuyển động quay tròn với bán kính bằng độ lệch tâm e. Trong trường hợp đó, hộp sàng sẽ chuyển động quay tròn xung quanh đường tâm 0-0, còn đường tâm của trục quay sẽ cố định trong không gian. Do đó sàng này gọi là sàng tự định tâm, sàng chấn động tự định tâm không cần thiết phải lựa chọn một cách chính xác khối lượng đối trọng và đây là ưu điểm chính của loại sàng này so với sàng chấn động lệch tâm. Sàng chấn động với cơ cấu chấn động tự cân bằng: Gồm một hộp sàng với một hoặc hai lớp lưới sàng. Sàng được đặt trên các lò xo đỡ hay treo vào khung đỡ bằng lò xo. Cơ cấu tạo chấn động dạng tự cân bằng được lắp liền vào hộp sàng (hiǹ h 1.14).
14 1 1 2 2 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý sàng chấn động tự cân bằng 1- Đố i trọng; 2- Hộp sàng 1.3. Tổng quan về phương pháp quy hoạch thực nghiệm 1.3.1. Những khái niệm cơ bản của quy hoạch thực nghiệm Quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m là cơ sở phương pháp luâ ̣n của nghiên cứu thực nghiê ̣m hiêṇ đa ̣i. Đó là phương pháp nghiên cứu mới, trong đó công cu ̣ toán ho ̣c giữ vai trò tích cực. Cơ sở toán ho ̣c nề n tảng của lý thuyế t quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m là toán ho ̣c thố ng kê với hai liñ h vực quan tro ̣ng là phân tích phương sai và phân tić h hồ i quy [7]. Theo nghiã rô ̣ng, quy hoa ̣ch thưc̣ nghiê ̣m là tâ ̣p hơ ̣p các tác đô ̣ng nhằ m đưa ra chiế n thuâ ̣t làm thưc̣ nghiê ̣m từ giai đoa ̣n đầ u đế n giai đoạn kế t thúc của quá trình nghiên cứu đố i tươ ̣ng (từ nhâ ̣n thông tin mô phỏng đế n viê ̣c ta ̣o ra mô hình toán, xác đinh ̣ các điề u kiê ̣n tố i ưu), trong điề u kiện đã hoă ̣c chưa hiể u biế t đầ y đủ về cơ chế của đố i tươ ̣ng. Đố i tươ ̣ng nghiên cứ u của quy hoa ̣ch thưc̣ nghiê ̣m trong cá c ngành kỹ thuâ ̣t thường là mô ̣t quá trình, mô ̣t cơ cấ u hoă ̣c hiê ̣n tươ ̣ng nào đó có những tính chấ t, đă ̣c điể m chưa biế t cầ n nghiên cứu. Người nghiên cứu có thể chưa hiể u biế t đầ y đủ về đố i tươ ̣ng nhưng đã có mô ̣t số thông tin tiên nghiê ̣m dù chỉ là sư ̣ liê ̣t kê khái lươ c̣ nhữ ng thông số biế n đổ i, ảnh hưởng đế n tính chấ t đố i tươ ̣ng.
15 Trong các ngành kỹ thuâ ̣t cơ khí, đố i tươ ̣ng nghiên cứu thường là các thiế t bi ,̣ má y mó c hoă ̣c cơ cấ u mà chúng thưc̣ hiê ̣n mô ̣t khâu hoă ̣c mô ̣t quá trình công nghê ̣. 1.3.2.Các nguyên tắ c cơ bản của quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m Các nguyên tắ c cơ bản của quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m đươ ̣c thiế t lâ ̣p nhằ m nâng cao tiń h hiêụ quả của nghiên cứu thực nghiê ̣m, nhâ ̣n tố i đa thông tin với các thí nghiê ̣m tố i thiể u [7]. Nguyên tắ c không lấ y toàn bô ̣ các tra ̣ng thái đầ u vào: Để có thông tin ́ h chấ t của hàm chỉ tiêu, về nguyên tắ c cầ n tiế n hành vô số toàn diêṇ về các tin các thí nghiê ̣m ở toàn bô ̣ các điể m trong miề n quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m. Giả sử với hai thông số x1và x2 có thể biể u diễn miề n quy hoa ̣ch trên mă ̣t phẳ ng x10x2. Nế u cho giới ha ̣n mỗi thông số biế n đổ i liên tu ̣c từ -1 đế n +1, miề n quy hoa ̣ch sẽ là hình vuông (hình 1.15). Trong miề n này chứa vô số điể m M(x1 , x2) đă ̣c trưng cho tra ̣ng thái đầ u vào của hê ̣. X2 1 -1 0 1 X1 M -1 Hình 1.15. Miề n quy hoạch thực nghiê ̣m với hai thông số vào Về lý thuyế t , nế u không tiế n hành thí nghiê ̣m ở vô số điể m M thì có thể bỏ sót đă ̣c điể m nào đó của hàm chỉ tiêu y =  (x1 , x2) ,thực nghiê ̣m đáp ứng yêu cầ u này go ̣i là thực nghiê ̣m với toàn bô ̣ các tra ̣ng thái đầ u vào.
16 Rõ ràng, điề u đó chỉ mang tính duy lý, giả luâ ̣n và không thể thực hiêṇ đươ ̣c trong thực tế ngay cả khi chỉ có mô ̣t thông số ảnh hưởng. Người nghiên cứu đương nhiên phải lấ y các giá tri ̣ rời ra ̣c theo mắ t lưới của các thông số , cho ̣n số mức biế n đổ i nào đó cho chúng, để cho ̣n số mức sao cho bảo đảm “ đô ̣ nhẵn” nhấ t đinh ̣ của bề mă ̣t. Nguyên tắ c phức ta ̣p dầ n mô hình toán ho ̣c: Mô ̣t khi chưa có thông tin ban đầ u về các tính chấ t của hàm chỉ tiêu, thi không lên xây dựng mô hiǹ h phức ta ̣p của đố i tươ ̣ng. Bởi để có đươ ̣c mô hình phức ta ̣p cầ n thực hiê ̣n mô ̣t số lớn các thí nghiê ̣m. Những chi phí vô ích về thời gian, phương tiêṇ vâ ̣t chấ t sẽ không hoàn la ̣i đươ ̣c nế u không dùng đế n mô hình đó. Vì thế lý thuyế t quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m hướng dẫn nên bắ t đầ u từ những mô hiǹ h đơn giản nhấ t. Lôgic tiế n hành thực nghiê ̣m ở đây là nên làm ít thí nghiê ̣m để có mô hiǹ h đơn giản, kiể m tra tính hữu du ̣ng của nó. Nế u mô hình tương thích , đa ̣t yêu cầ u thì dừng la ̣i, nế u không, tiế n hành giai đoa ̣n tiế p theo của thực nghiê ̣m, làm những thí nghiê ̣m mới, bổ sung để nhâ ̣n đươ ̣c mô hiǹ h phức ta ̣p hơn ( phi tuyế n), kiể m tra mô hình mới,v.v…cho đế n khi mô hình mới đươ ̣c thừa nhâ ̣n là tố t. Nguyên tắ c đố i chứng nhiễu: Đô ̣ chiń h xác của mô hình phải tương xứng với cường đô ̣ nhiễu ngẫu nhiên mà chúng tác đô ̣ng lên kế t quả. Trong cùng mô ̣t điề u kiêṇ như nhau, mức nhiễu càng nhỏ thi mô hình càng phải chiń h xác, thường là càng phức ta ̣p hơn. Ngươ ̣c la ̣i, mức đô ̣ nhiễu càng lớn, thì mô hình đơn giản hơn, sẽ có khả năng làm viê ̣c tố t hơn. Nguyên tắ c ngẫu nhiên hóa: Nguyên tắ c này thể hiê ̣n ở cách tổ chức thưc̣ nghiê ̣m, cho phép ngẫu nhiên hóa các biế n mà chúng tác đô ̣ng lên đố i tươ ̣ng nghiên cứu mô ̣t cách có hê ̣ thố ng, nhưng không thể , hoă ̣c có thể , nhưng rấ t khó kiể m tra đươ ̣c, để từ đó coi chúng như những đa ̣i lươ ̣ng ngẫu nhiên và xử lý theo phương pháp thố ng kê.
17 Nguyên tắ c tố i ưu của quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m: Đây là nguyên tắ c trung tâm trong lý thuyế t quy hoa ̣ch thư ̣c nghiê ̣m. Theo nguyên tắ c này, kế hoa ̣ch thư ̣c nghiê ̣m cầ n phải có những tính chấ t tố i ưu nào đó theo quan điể m của mô ̣t hay mô ̣t nhóm các tiêu chuẩ n tố i ưu đã xác đinh ̣ trước của loa ̣i kế hoa ̣ch này. Các tiêu chuẩ n tố i ưu của kế hoa ̣ch thường đươ ̣c xây dưṇ g mô ̣t cách khác nhau. Các tiêu chuẩ n này, với ngôn ngữ toán ho ̣c chă ̣t che,̃ thưc̣ chất là để thể hiê ̣n, hữu hình hóa những tư duy linh cảm về những thưc̣ nghiệm có chấ t lươ ̣ng tố t của các chuyên gia thưc̣ nghiê ̣m. Trong các tiêu chuẩ n đó người ta luôn theo đuổ i xu hướng chung: ít thí nghiê ̣m hơn – nhiề u thông tin hơn – chấ t lươ ̣ng kế t quả cao hơn. 1.3.3. Các bước ứng dụng cơ bản của phương pháp quy hoac̣ h thực nghiê ̣m cực tri ̣ Phương pháp quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m là công cu ̣ đắ c lực, nhiề u khi là duy nhấ t, để nghiên cứu những đố i tươ ̣ng phức ta ̣p mà sự hiể u biế t còn hạn chế . Tuy nhiên, công du ̣ng của phương pháp còn phu ̣ thuô ̣c vào chủ quan người sử du ̣ng, vào sự hiể u biế t, kinh nghiê ̣m vâ ̣n du ̣ng sáng ta ̣o của ho ̣ trong các tình huố ng khác nhau, có thể liê ̣t kê trình tự ứng du ̣ng phương pháp quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m theo các bước sau [7] Xác đi ̣nh thông số nghiên cứu trong quy hoạch thực nghiê ̣m Các đố i tươ ̣ng nghiên cứu thực nghiê ̣m bao giờ cũng lê ̣ thuô ̣c vào mô ̣t số lớn các yế u tố ảnh hưởng, mà chúng thuô ̣c các nhóm X ( biế n kiể m tra đươ ̣c, điề u khiể n đươ ̣c), Z (biế n kiể m tra đươ ̣c, không điề u khiể n đươ ̣c) và E ( nhiễu ngẫu nhiên). Trong phương pháp quy hoa ̣ch thực nghiêm, ̣ chỉ xét đến các thực nghiê ̣m chủ đô ̣ng với các yế u tố ảnh hưởng (thông số đầ u vào) là những biế n thuô ̣c X. Vì thế , bước đầ u tiên là phải tách các yế u tố thuộc Z, E để cô lâ ̣p và ha ̣n chế tác đô ̣ng của chúng.
18 Lập kế hoạch thực nghiê ̣m Yêu cầ u cơ bản của giai đoa ̣n này là cho ̣n đươ ̣c da ̣ng kế hoa ̣ch thực nghiê ̣m phù hơ ̣p với điề u kiê ̣n tiế n hành thí nghiê ̣m và với đă ̣c điể m các thông số của đố i tươ ̣ng. Mỗi da ̣ng kế hoa ̣ch đă ̣c trưng bởi các chuẩ n tố i ưu và tính chấ t khác nhau, mà không phải bao giờ cũng có thể phân tích, đố i chứng một cách ra ̣ch ròi. Vì thế ở đây nên quan tâm nhiề u đế n điề u kiê ̣n thí nghiê ̣m và đă ̣c điể m đo đa ̣c, nhâ ̣n giá tri ̣của đố i số . Tiế n hành thí nghiê ̣m nhận thông tin Sau khi lâ ̣p đươ ̣c kế hoa ̣ch thực nghiê ̣m thích hơ ̣p và xác đinh ̣ được miề n quy hoa ̣ch cùng các mức biế n đổ i của các yế u tố ảnh hưởng, người nghiên cứu phải tiế n hành thực nghiê ̣m để lấ y số liê ̣u. Giai đoa ̣n này hế t sức quan tro ̣ng, bởi nó tái hiê ̣n la ̣i các tiń h chấ t cầ n nghiên cứu dưới ảnh hưởng của các yế u tố trong hê ̣ thố ng hô ̣p đen mà trước đó chúng ta mới phỏng đoán. Vì vâ ̣y cầ n phải sử du ̣ng các phương pháp sử lý số liêu, ̣ kiể m tra một số giả thiế t thố ng kê. Viêc̣ xử lý nhanh các thông tin ngay trong quá triǹ h nhận chúng có tác du ̣ng tić h cực, giúp xác minh đươ ̣c kip̣ thời những thí nghiệm cầ n bổ sung khi điề u kiêṇ thực nghiê ̣m còn đang cho phép, các phép kiểm tra đồ ng nhấ t phương sai, tính liên thuô ̣c của số liêụ bi ̣ nghi ngờ, mức độ ảnh hưởng thực su ̣ của các yế u tố ,v.v… Xây dựng và kiể m tra mô hình hồ i quy thực nghiê ̣m Ở bước này sử du ̣ng phương pháp bình phương nhỏ nhấ t và các nô ̣i dung phân tích hồ i quy, phân tích phương sai để xác đinh ̣ giá tri ̣ cu ̣ thể của các hê ̣ số trong mô hiǹ h hòi quy đa thức, kiể m tra mô hình theo đô ̣ tương thích và khả năng làm viê ̣c. Tùy theo loa ̣i thực nghiê ̣m tuyế n tiń h hay bâ ̣c 2, mà mô hình hồ i quy là tuyế n tính [7] y =  (x1,x2, …, xn) = b0 + b1x1 + b2x2 + …+ bnxn hay bâ ̣c 2: n n n y = b0 +  biXi   bijXiXj i 1 i 1 j 1