BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP ----------------------
ĐỖ TUẤN ANH
XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA XÍCH CƢA KHI CƢA GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus camaldulensis) LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Hà Nội, 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP ----------------------
ĐỖ TUẤN ANH
XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA XÍCH CƢA KHI CƢA GỖ BẠCH ĐÀN (Eucalyptus camaldulensis) Chuyên ngành : Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hoá NLN Mã số : 60.52.14
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH HỮU TRỌNG
Hà Nội, 2011
i
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được bản luận án này, trong suốt thời gian vừa qua tôi
đã nhận được nhiều sự quan tâm giúp đỡ, chỉ dẫn của nhiều tập thể, cá nhân.
Nhân dịp này cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới:
Thầy giáo hướng dẫn khoa học TS Trịnh Hữu Trọng, ThS Phạm Văn Lý
đã dành nhiều thời gian chỉ bảo tận tình và cung cấp nhiều tài liệu có giá trị.
Tập thể cán bộ, giáo viên Khoa Sau đại học, Trung tâm thí nghiệm thực
hành Khoa Cơ điện và Công trình trường Đại học Lâm nghiệp đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện đề tài.
Xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ tôi trong quá
trình thực hiện đề tài
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc vì những giúp đỡ quý báu đó.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết
quả trong luận văn này được tính toán chính xác, trung thực và chưa có tác
giả nào công bố. Những nội dung tham khảo, trích dẫn trong luận văn đều
được chỉ dẫn nguồn gốc.
Hà Nội, tháng 10 năm 2011
Tác giả
Đỗ Tuấn Anh
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i MỤC LỤC ......................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ iv DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................ vi ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................................................... 3 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ......................................................... 3 1.1.1. Tình hình nghiên cứu áp dụng cƣa xích .......................................... 3 1.1.2. Tình hình nghiên cứu quá trình cắt gọt gỗ bằng cƣa xích .............. 6 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ........................................................... 9 1.2.1. Tình hình nghiên cứu áp dụng cƣa xích .......................................... 9 1.2.2. Tình hình nghiên cứu quá trình cắt gọt gỗ bằng cƣa xích ............ 11
Chƣơng 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 12 2.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................. 12 2.2. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ........................................................... 12 2.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 15 2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................... 15
Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI ................................................................... 17 3.1. Phân loại, cấu tạo và một số thông số kỹ thuật của cƣa xích ............... 17 3.1.1. Cấu tạo .......................................................................................... 18 3.1.2. Bộ phận công tác ........................................................................... 19 3.2. Động học quá trình cắt gỗ của xích cƣa ............................................... 23 3.3. Lực cắt và công suất cắt của xích cƣa .................................................. 24 3.4. Chi phí năng lƣợng riêng và năng suất cắt khi cƣa gỗ bằng cƣa xích . 37 3.4.1. Chi phí năng lƣợng riêng khi cƣa gỗ bằng cƣa xích ..................... 37 3.4.2. Năng suất cắt khi cƣa gỗ bằng cƣa xích ........................................ 38
Chƣơng 4
iii
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................................. 40 4.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm ............................................................. 40 4.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ..................................................................... 42 4.2.1. Chuẩn bị gỗ ................................................................................... 42 4.2.2. Xác định độ ẩm của gỗ .................................................................. 42 4.2.3. Kết quả tính toán độ ẩm của gỗ làm thí nghiệm ........................... 43 4.3. Đo và thu thập số liệu ........................................................................... 44 4.3.1. Xác định công suất cắt .................................................................. 44 4.3.2. Xác định chi phí năng lƣợng riêng ................................................ 44 4.3.3. Xác định năng suất thuần tuý ........................................................ 44 4.4. Kết quả thí nghiệm thăm dò ................................................................. 45 4.5. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố .......................................................... 49 4.5.1. Tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố ............................................... 49 4.5.2. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố ................................................... 53 4.6. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố ............................................................ 60 4.6.1. Tiến hành thí nghiệm đa yếu tố ..................................................... 60 4.6.2. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố ..................................................... 66 4.6.3. Xác định phƣơng trình hồi qui hàm chi phí năng lƣợng riêng ..... 68 4.6.4. Xác định các thông số hợp lý ........................................................ 69 4.6.5. Vận hành máy với các thông số hợp lý ......................................... 69 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ................................................................. 70 KẾT LUẬN ................................................................................................. 70 KHUYẾN NGHỊ ......................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 72 PHỤ LỤC
iv
DANH MỤC CÁC HÌNH
TT Tên hình Trang
3.1 Cƣa xăng Husqvarna 365 17
3.2 Sơ đồ cấu tạo của cƣa xăng 19
3.3 Bản cƣa 20
3.4 Cấu tạo xích cƣa 21
3.5 Cấu tạo của mắt xích cắt 21
3.6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của các loại răng cắt 23
3.7 Sơ đồ động học của quá trình cƣa gỗ bằng cƣa xích 24
3.8 Quá trình tạo phoi khi cƣa gỗ 24
3.9 Lực tác dụng lên mũi cắt AB 28
3.10 Lực tác dụng lên mặt trƣớc của cạnh cắt AB 30
3.11 Lực tác dụng lên mặt sau cạnh cắt AB 31
3.12 Lực tác dụng lên mặt sau dao cắt 32
4.1 Bộ thí nghiệm xác định tỷ suất lực cắt 40
4.2 Ảnh hƣởng của góc mài cạnh bên đến chi phí năng 55
lƣợng riêng
4.3 Ảnh hƣởng của góc mài cạnh đáy đến chi phí năng 57
lƣợng riêng
4.4 Ảnh hƣởng của gờ giới hạn đến chi phí năng lƣợng riêng 59
v
DANH MỤC CÁC BẢNG
TT Tên hình Trang
2.1 Đặc tính cơ lý của Bạch Đàn 14
3.1 Thông số kỹ thuật của cƣa xăng Husqvarna 365 17
3.2 Lựa chọn bƣớc xích cƣa 22
4.1 Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm 48
4.2 Các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm 48
4.3 Ảnh hƣởng của góc mài cạnh bên đến chi phí năng lƣợng 53
riêng
4.4 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng 54
lƣợng riêng khi góc mài cạnh bên thay đổi
4.5 Ảnh hƣởng của góc mài cạnh đáy đến chi phí năng lƣợng 56
riêng
4.6 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng 56
lƣợng riêng khi góc mài cạnh bên thay đổi
4.7 Ảnh hƣởng của gờ giới hạn đến chi phí năng lƣợng riêng 58
4.8 Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng 59
lƣợng riêng khi gờ giới hạn thay đổi
4.9 Mã hoá các yếu tố ảnh hƣởng 62
4.10 Mã hoá các thông số đầu vào 67
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu Tên 1 2 1 2 1 2 1 2 Δ t u v c P K B H Pm Pt Ps Pp Pb ρ f Q CH y fg θ ξH μ χ y ξ// Nr Nt Not Nc F Góc mài cạnh cắt đáy Góc mài cạnh cắt bên Góc trƣớc cạnh cắt đáy Góc trƣớc cạnh cắt bên Góc sau cạnh cắt đáy Góc sau cạnh cắt bên Góc cắt của cạnh cắt đáy Góc cắt của cạnh cắt bên Chiều cao gờ giới hạn Bƣớc răng Tốc độ đẩy Vận tốc cắt Lƣợng ăn dao Lực cắt Lực cản cắt riêng, Công cắt riêng Bề rộng mạch cƣa Chiều cao mạch cƣa Lực tác dụng lên mũi cắt của dao Lực tác dụng lên mặt trƣớc của dao Lực tác dụng lên mặt sau của dao Lực ma sát giữa phoi với thành mạch cƣa Lực ma sát giữa bản cƣa và phoi Bán kính mũi cắt Hệ số ma sát giữa gỗ và răng cƣa Lực cắt theo phƣơng pháp tuyến Hệ số đàn hồi Lƣợng nén của gỗ Hệ số ma sát giữa phoi và thành bên Hệ số chất tải của hầu cƣa Hệ số co gót của phoi theo chiều dầy Hệ số Poatx ng Hệ số hao hụt phoi do bị cọ sát với thành bên Hệ số đặc trƣng cho sự tăng áp lực Hệ số co của phoi theo chiều dài Chi phí năng lƣợng riêng Công suất tiêu thu Công suất không tải Công suất cắt Diện tích mặt cắt ngang Đơn vị o (Độ) o (Độ) o (Độ) o (Độ) o (Độ) o (Độ) o (Độ) o (Độ) mm mm m/s m/s mm N N/m2; N/m3 m m N N N N N mm N N/cm2 cm Wh/m2 W W W m2
vii
max
m2/s % g g Ntt W m mo Cd Đc Ct a n k xmax, min
Năng suất thuần túy Độ ẩm Khối lƣợng mấu gỗ trƣớc khi sấy Khối lƣợng mẫu gỗ ở trạng thái khô kiệt Cầu dao Động cơ Công tắc hành trình Số tổ đƣợc chia Số lần thí nghiệm Cự ly tổ Trị số thu thập lớn nhất, bé nhất của đại lƣợng nghiên cứu Sai tiêu chuẩn Hệ số biến động Phạm vi biến động Độ lệch Độ nhọn Số tổ hợp Số lần lặp Sai số tƣơng đối Giá trị trung bình của đại lƣợng nghiên cứu Tính đồng nhất theo tiêu chuẩn Kohren Phƣơng sai lớn nhất trong N thí nghiệm Giá trị tính toán theo tiêu chuẩn Fisher Tổng số thí nghiệm Khoảng biến thiên Hệ số đơn định Giá trị chuẩn Student S S% R Sk Ex l m ∆% Gtt S2 F N e R T
1
ĐẶT VẤN ĐỀ
Cùng với sự tăng trƣởng kinh tế của cả nƣớc nói chung, ngành lâm
nghiệp cũng có những thay đổi cơ bản. Tài nguyên rừng của Việt Nam sau
một thời gian suy giảm đang đƣợc phục hồi. Theo số liệu về diện tích rừng tự
nhiên và đất lâm nghiệp năm 2010 của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông
thôn, tổng diện tích đất có rừng toàn quốc là 13.797.000 ha trong đó, diện tích
rừng tự nhiên là 10.285.000 ha giảm 54.305 ha so với năm 2009, diện tích
rừng trồng là 3.512.000 ha tăng 592.462 ha so với năm 2009.
Hiện nay, tình hình diễn biến tài nguyên rừng ngày càng xấu đi, nhƣng
không vì thế mà nhu cầu về sử dụng gỗ giảm đi mà ngƣợc lại nó ngày càng
tăng cao. Theo tính toán của các chuyên gia trong cuốn "Dự thảo chiến lược
phát triển lâm nghiệp quốc gia năm 2006-2010" tổng nhu cầu nguyên liệu gỗ gần 22 triệu m3 trong đó cần 12 triệu m3 gỗ lớn. Bên cạnh đó, việc cung cấp
nguyên liệu cho ngành chế biến cũng là vấn đề thời sự. Hiện nay, cả nƣớc có
hơn 2000 doanh nghiệp chế biến gỗ, trong đó có hơn 300 doanh nghiệp chế
biến, xuất khẩu trực tiếp, sử dụng 170.000 lao động và có năng lực xuất khẩu
tăng gấp 4 lần so với năm 2003. Gỗ nguyên liệu để làm hàng xuất khẩu của
nƣớc ta từ năm 2000 trở lại đây phần lớn phải nhập khẩu. Theo thống kê của
tổng cục Hải quan, kim ngạch nhập khẩu gỗ nguyên liệu năm 2008 đạt trên 1
tỷ USD, tăng 6,3% so với năm 2007, dự báo năm 2009 lƣợng gỗ trong nƣớc
chỉ đáp ứng 20% nhu cầu. Những năm tới và trong tƣơng lai lâu dài, các nƣớc
có tài nguyên rừng giàu có trên thế giới đều có chính sách chung là bảo đảm
sự cân bằng giữa bảo vệ m i trƣờng và phát triển thƣơng mại. Vì vậy, việc
nhập khẩu gỗ nguyên liệu để phát triển và tăng trƣởng kim ngạch xuất khẩu
của Việt Nam trong những năm tới sẽ gặp kh ng ít khó khăn.
Với sự phát triển nhanh của nền kinh tế, đời sống của nhân dân tăng
nhanh làm cho nhu cầu về gỗ ngày càng cao. Diện tích rừng trồng đang phát
triển mạnh chủ yếu phục vụ cho nhu cầu về gỗ nguyên liệu giấy và ván nhân
2
tạo, một phần làm gỗ nguyên liệu để làm hàng xuất khẩu. Gỗ nguyên liệu để
làm hàng xuất khẩu của nƣớc ta, từ năm 2000 trở lại đây phần lớn phải nhập
khẩu từ nƣớc ngoài. Năm 2003 đã nhập trên 250 triệu USD gỗ và phụ liệu gỗ, năm 2004 nhập 700 triệu USD tƣơng đƣơng 2,5 triệu m3 gỗ tròn, gỗ xẻ, ván
nhân tạo từ 20 nƣớc trên thế giới.
Nhu cầu tăng cao, đòi hỏi quy mô sản xuất phải hiện đại, các khâu công
việc phải đƣợc cơ giới hóa. Ngành khai thác gỗ nguyên liệu giấy và ván nhân
tạo đang từng bƣớc thay đổi và thiết bị sử dụng khá phổ biến hiện nay là loại
cƣa xích có động cơ chạy bằng xăng.
Cƣa xích là một trong những thiết bị chủ yếu dùng trong chặt hạ gỗ. Kể
từ khi chiếc máy cƣa xích đầu tiên trên thế giới đƣợc chế tạo vào đầu thế kỷ
XX, cho đến nay đã có hàng triệu máy cƣa xích ra đời và đƣợc sử dụng rộng
rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới để chặt hạ, cắt khúc gỗ. Ở nƣớc ta, cƣa xích
(chủ yếu là cƣa xăng) là thiết bị chặt hạ gỗ quen thuộc, chúng đƣợc nhập khẩu
từ nhiều nƣớc khác nhau trên thế giới nhƣ Thụy Điển, Mỹ, Đức, Nhật,….
Tuy nhiên, chƣa có những nghiên cứu, đánh giá để kiểm tra chế độ và
các th ng số làm việc tối ƣu khi sử dụng cƣa xích ở nƣớc ta. Để cƣa xích làm
việc tốt với từng loại gỗ, trong từng điều kiện cụ thể của nƣớc ta đảm bảo
năng suất cao, chi phí năng lƣợng thấp thì việc nghiên cứu cụ thể và chi tiết
hơn về các th ng số tối ƣu của cƣa xích khi hoạt đ ng là cần thiết.
Chính vì vậy, đƣợc sự đồng ý của Ban Chủ nhiệm khoa sau đại học, tôi
thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “ ác định một số thông số hợp lý
của x ch cưa hi cưa gỗ Bạch đàn Eucalyptus camaldulensis”.
3
Chƣơng 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.1.1. Tình hình nghiên cứu áp dụng cưa xích
Trên thế giới, cƣa xích là một thiết bị chặt hạ cầm tay đƣợc sử dụng
rộng rãi trong công nghệ khai thác gỗ. Căn cứ vào nguồn động lực, cƣa xích
đƣợc chia làm hai loại là cƣa xích có nguồn động lực là động cơ điện gọi là
cƣa điện và cƣa xích sử dụng động cơ xăng gọi là cƣa xăng. C ng dụng chủ
yếu của cƣa xăng là chặt hạ gỗ, cắt cành, cắt khúc ở trong khu khai thác.
Theo kết quả nghiên cứu của tổ chức N ng Lƣơng Liên hiệp quốc FAO
[26] [27], từ các nƣớc phát triển nhƣ Phần Lan, Thụy Điển đến các nƣớc đang
phát triển nhƣ Malaysia, Indonesia... đều sử dụng cƣa cƣa xăng là thiết bị
chính trong khai thác. Cƣa xăng có nhiều ƣu điểm nhƣ kích thƣớc gọn nhẹ, dễ
sử dụng, vốn đầu tƣ ít, tính cơ động cao. Theo [34], tỷ lệ chặt hạ gỗ bằng cơ
giới ở Phần Lan là 98% trong đó tỷ lệ chặt hạ gỗ bằng cƣa xăng là 70% còn
28% là sử dụng máy chặt hạ liên hợp. Đối với Brazil tỷ lệ chặt hạ gỗ bằng cơ
giới là 80% trong đó 90% chặt hạ bằng cƣa xăng còn 10% sử dụng máy chặt
hạ liên hợp. Theo tài liệu [29], [30] "Sổ tay về công nghệ thích hợp trong các
hoạt động Lâm nghiệp ở các nƣớc đang phát triển", đối với Malaysia,
Phillipin, Thái Lan tỷ lệ chặt hạ gỗ bằng cƣa xăng là 90%, còn 10% là chặt hạ
thủ công.
Một số nƣớc đang phát triển ở Châu Phi nhƣ Etiopia, Tazania,
Zimbabwe [35] tỷ lệ chặt hạ gỗ bằng cƣa xăng là 70% còn 30% là chặt hạ
bằng thủ công. Có rất nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã chứng
minh rằng chặt hạ gỗ bằng cƣa xăng thì giảm thiểu tác động xấu đến môi
trƣờng sinh thái hơn là chặt hạ bằng máy chặt hạ liên hợp. Kết quả nghiên cứu
so sánh giữa chặt hạ bằng thủ công, chặt hạ bằng cƣa xăng và bằng máy chặt
hạ liên hợp trong việc khai thác rừng trồng ở Phần Lan [29], đã khẳng định
4
rằng chặt hạ gỗ bằng cƣa xăng thì chi phí nhỏ nhất, ít ảnh hƣởng đến môi
trƣờng nhất.
Trong quá trình nghiên cứu hoàn thiện, cƣa xích một số nƣớc phát triển
nhƣ: Thụy Điển, Đức, Mỹ... đã thu đƣợc những thành tựu to lớn và đã đƣợc
công bố trong nhiều công trình [29], [30]. Hiện nay, nhiều hãng cƣa nổi tiếng
sản xuất cƣa có chất lƣợng cao với số lƣợng hàng triệu chiếc mỗi năm, nhƣ
hãng Husqvarna của Thụy Điển, Stilh của Đức, Mc Culloch và Homelite của
Mỹ, Echo của Nhật Bản,... Từ những năm 1980, các nhà chế tạo đã ứng dụng
nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật để chế tạo ra các loại cƣa có tính năng ƣu
việt hơn nhƣ hệ thống điện đã chuyển từ đánh lửa má vít sang đánh lửa bán
dẫn, một số chi tiết làm bằng thép đƣợc thay bằng hợp kim hoặc nhựa tổng
hợp nên trọng lƣợng cƣa giảm xuống còn 6-7 kg, rung động và tiếng ồn cũng
đƣợc nghiên cứu giảm xuống.
Khi sử dụng cƣa xăng vào một điều kiện làm việc cụ thể cần thiết phải
có những nghiên cứu để đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đồng thời đem lại hiệu
quả kinh tế cao. Tác giả Cunha - Ia trong công trình [24], đã nghiên cứu ảnh
hƣởng của rung động và tiếng ồn đến năng suất lao động, kết quả nghiên cứu
cho thấy tiếng ồn và rung động của cƣa xăng càng nhỏ năng suất lao động
càng tăng lên, đối với loại có tiếng ồn lớn hơn 140dba và rung động lớn hơn 12m/s2 thì năng suất giảm 20% so với cƣa cùng loại có rung động và tiếng ồn
cho phép.
Năm 1998, FAO đƣợc giúp đỡ của Chính phủ Phần Lan đã thực hiện đề
tài: "Đánh giá hiệu quả sử dụng cƣa xăng chặt hạ gỗ rừng trồng tại
Zimbabwe" [34], kết quả nghiên cứu xác định đƣợc năng suất và giá thành
chặt hạ của một số loại cƣa xăng dùng để chặt hạ gỗ rừng trồng và khẳng định
sử dụng Husqvarna 362 cho hiệu quả nhất.
Tác giả Suwala - M trong công trình [37], đã nghiên cứu giá thành chặt
hạ gỗ ở Ba Lan, kết quả cho thấy giá thành chặt hạ gỗ bằng cƣa xăng thấp hơn
chặt hạ gỗ bằng máy chặt hạ liên hợp và thủ công.
5
Công trình nghiên cứu: "Năng suất của cƣa xăng khi chặt hạ gỗ rừng
trồng ở một số lâm phần của Nhật Bản" [32], tác giả cho thấy thời gian làm
việc trong ngày là 366 phút, thời gian di chuyển là 26%, lƣợng oxy lớn nhất cần thiết là 2,42 lít/phút, năng suất trung bình khoảng 15-18 m3/ca. Trong quá
trình nghiên cứu tác giả chƣa đề cập đến một số yếu tố ảnh hƣởng đến năng
suất nhƣ xích cƣa, rung động và trọng lƣợng cƣa.
Đánh giá ảnh hƣởng của cƣa xăng chặt hạ gỗ đến m i trƣờng sinh thái
có công trình [31], kết quả nghiên cứu cho thấy chặt hạ gỗ bằng cƣa xăng
giảm thiểu tác động đến m i trƣờng sinh thái hơn so với chặt hạ bằng máy
chặt hạ liên hợp và thủ công.
Tác giả Sulman trong công trình nghiên cứu của mình [36] đã nghiên
cứu sử dụng cƣa xăng để sản xuất gỗ xẻ tại Guyana, tác giả đã nghiên cứu
phƣơng pháp xẻ, năng suất và chất lƣợng mạch xẻ, tính toán công suất của
động cơ. Tác giả đã đề xuất một số giải pháp nhƣ thay đổi một số thông số
của phần tử cắt của xích cƣa để chuyển từ dạng cắt ngang sang cắt dọc để
nâng cao năng suất lao động.
Nghiên cứu sử dụng hiệu quả cƣa xăng để chặt hạ gỗ đƣợc quan tâm
nghiên cứu ở Nga: trong số các công trình nghiên cứu và lĩnh vực này phải kể
đến kết quả nghiên cứu của một số công trình sau:
Trong công trình [41] tác giả Kretov. B.C đã nghiên cứu phân bố thời
gian của ca làm việc khi sử dụng cƣa xăng loại nhẹ có khối lƣợng từ 6,5-8kg
của các hãng Partner (Thuỵ Điển), Stilh (Liên bang Đức), Mak-6 (Mĩ), MP5-
Yrak 2(Nga) để chặt hạ gỗ. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng thời gian động
cơ làm việc trong một ca đối với cƣa xăng của Nga 121 phút chiếm 41%, thời
gian di chuyển là 22phút chiếm 8%, thời gian nạp xăng, dầu, b i trơn cho xích
cƣa 19 phút chiếm 7%; Thời gian dũa cƣa 8 phút chiếm 3%, thời gian khởi
động động cơ 16 phút chiếm 5%; thời gian lắp cƣa 4 phút chiếm 1%. Tổng
thời gian làm việc trong 1 ca 265 phút chiếm 91% tổng thời gian 1 ca theo qui
định (8 giờ làm việc)...
6
Tác giả đã đề xuất các biện pháp nâng cao năng suất lao động.
Trong công trình nghiên cứu [45] cho thấy rằng khi sử dụng cƣa xăng
để chặt hạ gỗ ở vùng núi chi phí lao động tăng 20-30% so với làm việc ở điều
kiện địa hình bằng phẳng.
Trong công trình [46] tác giả Polisuk. A. P đã đề xuất phƣơng pháp tối
ƣu hoặc các thông số cơ bản của cƣa xăng. Bằng nghiên cứu thực nghiệm, tác
giả đã xây dựng đƣợc mô hình toán học miêu tả sự phụ thuộc của năng suất ca
vào các thông số kỹ thuật của cƣa xăng. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng
ảnh hƣởng lớn nhất đến năng suất ca là công suất của động cơ và c ng suất
của động cơ cƣa xăng từ 4,2-4,9 HP cho năng suất ca cao nhất và chi phí sử
dụng là nhỏ nhất.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu quá trình cắt gọt gỗ bằng cưa xích
Quá trình cƣa gỗ là quá trình gia công gỗ bằng cơ học. Cùng với sự
phát triển của gia công gỗ bằng cơ học, lý thuyết cắt gọt gỗ đã ra đời và phát
triển không ngừng. Những ngƣời có công trong việc xây dựng và phát triển lý
thuyết cắt gọt gỗ phải kể đến các nhà bác học Xô Viết nhƣ giáo sƣ I.A. Time,
giáo sƣ P.A. Aphanaxiev, kĩ sƣ Denpher, giáo sƣ M.A. Đêsev i, giáo sƣ
C.A.Voskrexenski, giáo sƣ A.L. Bersatski,... Tổng hợp các công trình nghiên
cứu của các nhà khoa học nêu trên cho thấy rằng các học thuyết hiện đại về
cắt gọt gỗ đi theo ba hƣớng sau:
- Hƣớng thứ nhất: Là dùng phƣơng pháp toán cơ để phân tích, nghiên
cứu các hiện tƣợng xảy ra trong quá trình cắt gọt gỗ. Giải các bài toán thuận
và bài toán nghịch trong công nghệ gia công gỗ trên cơ sở này. Đây là một
hƣớng đi khá khó, đòi hỏi kiến thức rộng, nhiều lĩnh vực rộng, nhƣng phù hợp
với quá trình gia công gỗ.
- Hƣớng nghiên cứu thứ hai: Là xây dựng học thuyết cắt gọt trên cơ sở
phân tích các giá trị của các hiện tƣợng lý hoá xảy ra trong quá trình và trên
cơ sở đó xây dựng các công thức thực nghiệm, áp dụng trong các bài toán
7
thuận và nghịch. Trong cắt gọt gỗ, hƣớng này đòi hỏi hệ thống thiết bị đo rất
tinh vi, hiện đại và tốn kém, bởi vì trong cắt gọt gỗ tốc độ cắt thƣờng rất cao.
- Hƣớng thứ ba: Là xây dựng lý thuyết cắt gọt gỗ bằng thực nghiệm,
nói cách khác là trên cơ sở các số liệu thu đƣợc trong quá trình nghiên cứu,
phân tích các cơ sở dữ liệu thu đƣợc trong quá tình nghiên cứu, phân tích các
hiện tƣợng xảy ra trong quá trình cắt gọt, dùng toán xác suất thống kê để xây
dựng các công thức thực nghiệm, áp dụng trong việc giải các bài toán công
nghệ và thiết kế. Hƣớng này đơn giản, dễ tiến hành, song thụ động, nhất là
trong gia công gỗ nhiều trƣờng hợp phoi là thành phẩm, cần có cơ sở lý
thuyết để giải quyết bài toán công nghệ của chúng.
Mặc dù các nhà khoa học đi theo ba hƣớng khác nhau nhƣng tất cả đều
nhằm một mục đích là khám phá bức tranh trung thực nhất của quá trình cắt
gọt gỗ, đƣa ra những kết luận và công thức chính xác, phù hợp với qui luật
khách quan nhất để phục vụ cho việc thực hiện tốt các bƣớc công nghệ, thiết
kế dao cụ, máy trong việc cơ giới hoá và tự động hoá công nghệ gia công gỗ.
Lý thuyết cắt gọt gỗ đi sâu nghiên cứu lực phát sinh trong quá trình gia
công gỗ bằng cơ học, công suất của thiết bị chi phí cho việc cắt. Những đại
lƣợng này cần thiết làm cơ sở cho việc lựa chọn hình dáng, tính toán kích
thƣớc, xác định các thông số kỹ thuật của các công cụ cắt trong việc thiết kế
và cải tiến dao cụ và máy gia công gỗ hoặc xác định các chế độ gia công hợp
lý trong sử dụng các thiết bị đã có nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí
nguyên, nhiên vật liệu giảm giá thành sản xuất của sản phẩm.
Xích cƣa là một bộ phận quan trọng trong cơ cấu cắt của cƣa xích, các
thông số kỹ thuật của xích cƣa nhƣ góc cắt trƣớc, góc cắt sau, bƣớc xích, gờ
giới hạn có ảnh hƣởng rất lớn đến năng suất và chất lƣợng mạch cắt, do vậy
cùng với việc hoàn thiện cƣa xăng thì xích cƣa cũng ngày càng đƣợc nghiên
cứu và hoàn thiện hơn.
Ở Liên X cũ, việc tính toán hoàn thiện hệ thống cắt của cƣa xăng đã
đƣợc các tác giả công bố trong các c ng trình [42], [43]. Năm 1950, tại đây
8
ngƣời ta chủ yếu sử dụng loại xích cƣa có răng cắt thẳng 4 phần tử sau đó cải
tiến thành loại xích cƣa 8 phần tử (loại xích PC-15M). Đặc điểm của loại xích
này là không có gờ giới hạn ăn gỗ, công dụng chủ yếu là dùng để cắt ngang
cây gỗ, khi sử dụng để cắt chéo thân cây thì cho năng suất thấp. Xích cƣa
PC-15M tiếp tục đƣợc cải tiến thành xích cƣa "vạn năng" có dạng cắt hình
chữ (Г) và phủ Crom để tăng độ cứng bền vững, chịu mài mòn, loại xích này
làm việc tốt trong quá trình cắt gỗ dƣới bất kỳ góc độ nào đối với thớ gỗ.
Nghiên cứu để xác định các thông số hình học hợp lý của xích cƣa
đƣợc thể hiện trong các công trình nghiên cứu của các nhà bác học nhƣ:
C.A.Brukhov (1955); C.A. Voskrexengki (1967), A.I. Oxipov (1955), V.V.
Kouxman (1959), U.N. Vensenoxev (1956), V.A. Uxpenxki (1967). Kết quả
nghiên cứu của các công trình này cho thấy rằng: đối với xích cƣa răng thẳng
thông số quan trọng nhất là góc mài và góc trƣớc của cạnh cắt ngắn. Nếu giảm ε từ 80o xuống 40o giảm tỷ suất lực cắt xuống 10-15%. Góc trƣớc γ có giá trị từ 0-10o nếu tăng góc trƣớc thì chất lƣợng mặt cắt giảm.
Đối với xích cƣa vạn năng: Góc mài cạnh cắt bên khi cƣa gỗ mềm β2=50-55o, góc sau cạnh cắt đáy α2=2-3o; góc mài cạnh cắt đáy β1=40-45o, góc sau cạnh cắt đáy α1=5-9o. Nếu thì tỷ suất lực cắt giảm dẫn đến giảm công suất cắt nhƣng giảm góc mài β1, β2
xích cƣa chóng mòn. Góc nghiêng của cạnh cắt bên ε nằm trong khoảng 30- 350 nếu lớn quá làm cho xích cƣa kh ng ổn định ngang dẫn tới tăng tỷ suất
lực cắt.
Trong công trình [43] các tác giả Kouxman V.V và Belozorov L.N đã
nghiên cứu xác định chế độ làm việc hợp lý của xích cƣa vạn năng có bƣớc
xích 15mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng độ cao gờ hạn chế ăn sâu ảnh
hƣởng rất lớn đến lực đẩy cƣa và c ng suất cắt để xích cƣa PCU15 Δh=0,8-
1,0 mm cho tỷ suất lực cắt nhỏ nhất. Tốc độ cắt có vai trò rất quan trọng trong
sử dụng cƣa và tốc độ cắt tăng cho phép tăng năng suất nhƣng tăng tốc độ cắt
làm công suất cắt tăng, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ cắt hợp lý của
9
các loại cƣa có c ng suất N=1,5-1,7 kW là v=7-8 m/s, loại 2,0-2,2 kW là v=9-
10 m/s, loại có công suất 2,8-3 kW là v=12-13 m/s.
Các nƣớc phát triển nhƣ Thụy Điển, Canada, Mỹ, Đức đã sản xuất ra
loại xích cƣa cắt đa năng (cắt ngang, cắt chéo), răng cắt có dạng hình (7)
chuyên dùng để chặt hạ gỗ. Trƣớc đây xích cƣa có bƣớc xích và chiều rộng
của xích lớn, độ cứng của lƣỡi cắt thấp nên tiêu hao công suất lớn, năng suất
thấp, tuổi thọ xích giảm.
Năm 1980, xích cƣa đã đƣợc nghiên cứu hoàn thiện về bƣớc xích, chiều
dày xích, các góc cắt của phần tử cắt. Hiện nay, tất cả các loại xích cƣa chặt
hạ gỗ đều có dạng hình số (7). Để hoàn thiện xích cƣa, các nhà khoa học đã
sử dụng phƣơng pháp phân tích quá trình cắt và dùng phƣơng pháp thực
nghiệm để xác định các thông số hình học của các phần tử cắt.
Tác giả Wang - Jing Xin, Greene - WD trong công trình của mình đã
nghiên cứu hệ thống mô phỏng bằng máy tính sự ảnh hƣởng lẫn nhau của các
bộ phận khi cƣa xăng chặt hạ gỗ, nghiên cứu đã tìm ra đƣợc mối quan hệ
giữa yếu tố lƣỡi cắt đến công suất động cơ. Tác giả sử dụng phƣơng pháp
thực nghiệm để xác định các thông số của lƣỡi cắt, đƣờng kính bánh sao chủ
động và đã chỉ ra nguyên lý thiết kế bánh sao chủ động hiện thời là không phù
hợp có nhiều hạn chế, từ đó đƣa ra nguyên lý mới cho việc cải tiến thiết kế
bánh sao chủ động. Kết luận đã chỉ rõ thông số của lƣỡi cắt chỉ phù hợp với
một số loại gỗ.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
1.2.1. Tình hình nghiên cứu áp dụng cưa xích
Ở Việt Nam, từ những năm 1956 đã nhập một số cƣa xăng của Liên Xô
cũ nhƣ Hữu Nghị - 55, sau đó nhập một số cƣa xăng của Cộng hòa Dân chủ
Đức nhằm nâng cao năng suất lao động trong chặt hạ gỗ. Năm 1979 nƣớc ta
nhập một số loại cƣa Uran 2T, và Uran 2TE của Liên X cũ. Trong quá trình
sử dụng còn nhiều hạn chế do đặc điểm kỹ thuật của máy không phù hợp với
10
điều kiện địa hình và sức khỏe của ngƣời Việt Nam. Những năm gần đây,
nƣớc ta đã nhập nhiều loại cƣa xăng có chất lƣợng tốt nhƣ Cƣa Husqvarna,
Stilh, Dolmar,... các loại này có trọng lƣợng nhỏ, độ rung và tiếng ồn thấp phù
hợp với điều kiện địa hình và sức khỏe của ngƣời Việt Nam. Cƣa xăng trở
thành thiết bị chặt hạ gỗ phổ biến ở Việt Nam, song việc nghiên cứu để sử
dụng và hoàn thiện cƣa xăng ở Việt Nam còn hạn chế.
Tác giả Nguyễn Trọng Hùng (1985) cùng với Viện Khoa học Lâm
nghiệp đã tiến hành nghiên cứu khảo nghiệm ba loại cƣa xăng: Uran 2 của
Nga, cƣa Husqvarna và Partner của Thụy Điển. Nghiên cứu này đã đƣa ra các
kết luận: Cƣa xăng của Thụy Điển có tốc độ cắt nhanh hơn, mang vác nhẹ
hơn; Một đời cƣa của Thụy Điển có thể chặt hạ đƣợc khối lƣợng lớn gấp đ i
và tiêu thụ nhiên liệu bằng một nửa so với cƣa Uran - 2 [12]. Nghiên cứu chỉ
tập trung vào đối tƣợng là rừng tự nhiên gỗ lớn, còn các đối tƣợng khác thì
chƣa đề cập đến.
Năm 1993, Viện Khoa học Lâm nghiệp đã tiến hành khảo nghiệm cƣa
Partner P-70 và tời hai trống trong chặt hạ và vận xuất gỗ Đƣớc [8], kết quả
nghiên cứu cho thấy có thể áp dụng cƣa xăng và tời hai trống để khai thác gỗ
Đƣớc rừng ngập mặn.
Trong tài liệu [19], tác giả Dƣơng Văn Tài đã nghiên cứu tuyển chọn
một số loại cƣa xăng để chặt hạ gỗ rừng trồng ở Việt Nam, kết quả công trình
nghiên cứu đã xây dựng đƣợc phƣơng pháp tuyển chọn thiết bị chặt hạ, tiến
hành khảo nghiệm một số loại cƣa xăng chặt hạ gỗ rừng trồng và lựa chọn ra
đƣợc một số loại cƣa phù hợp.
Năm 2005, luận án tiến sỹ Dƣơng Văn Tài nghiên cứu và sử dụng cƣa
xăng để chặt hạ một số loài Tre ở miền Bắc Việt Nam [19], kết quả nghiên
cứu đã tính toán đƣợc dạng xích cƣa kiểu mới phù hợp với quá trình chặt hạ
một số loài tre, xác định đƣợc một số thông số tối ƣu của răng cắt, đã xác định
đƣợc công suất động cơ,... Tuy nhiên, đề tài chỉ nghiên cứu trên đối tƣợng là
một số loại tre ở miền Bắc Việt Nam, còn đối với các đối tƣợng khác nhƣ:
11
Các loại gỗ rừng trồng phổ biến làm nguyên liệu giấy (Keo, Bạch đàn...) thì
chƣa đề cập đến.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu quá trình cắt gọt gỗ bằng cưa xích
Ở nƣớc ta, do nhiều nguyên nhân khác nhau, nên nhƣng những nghiên
cứu cơ bản về gia c ng gỗ bằng cơ học nói chung và cắt gỗ bằng cƣa xích nói
riêng ở trong nƣớc còn hạn chế, tiêu biểu là một số c ng trình nghiên cứu của
các tác giả:
- Hoàng Nguyên (1968), “Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số yếu tố đến
lực và độ tù của răng khi xẻ gỗ Việt Nam bằng cƣa sọc”;
- Nguyễn Văn Minh (1956), “Gia c ng gỗ Việt Nam”;
- Hoàng Việt (2003), “Máy và thiết bị chế biến gỗ” NXB N ng nghiệp,
Hà Nội;
- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trƣờng năm 2010: " ác định tỷ suất
lực cắt hi cưa gỗ keo lá tràm (Acacia Auriculiformics Cunn) bằng cưa x ch"
của ThS Phạm Văn Lý đã xác định đƣợc tỷ suất lực cắt khi cƣa gỗ keo lá tràm
bằng cƣa xích, trên cơ sở đó xây dựng đƣợc phƣơng trình dạng mũ để tính lực
cắt và công suất cắt.
- Thạc sỹ Nguyễn Nhƣ Tùng, năm 2010, luận văn tốt nghiệp: "Xác định
một số thông số tối ƣu của xích cƣa xăng khi cƣa gỗ keo lá tràm", đã xác
định đƣợc các giá trị tối ƣu của các thông số ảnh hƣởng đén chi phí năng
lƣợng riêng của xích cƣa xăng khi cƣa gỗ Keo lá tràm.
Tóm lại: Cƣa xích đƣợc sử dụng khá phổ biến trên thế giới và đƣợc rất
nhiều các nhà khoa học và các hãng sản xuất nghiên cứu. Đến nay Cƣa xích
đã đƣợc các nƣớc phát triển trên thế giới nghiên cứu tƣơng đối hoàn thiện. Ở
Việt Nam hiện nay, cƣa xích cũng đƣợc sử dụng rộng rãi trên khắp cả nƣớc.
Tuy nhiên, do điều kiện về tự nhiên và kinh tế xã hội mà việc nghiên cứu sử
dụng vẫn còn hạn chế. Cần có những nghiên cứu với nhiều đối tƣợng khác
nhau để có thể đánh giá đƣợc khả năng áp dụng của cƣa xích tại Việt Nam.
12
Chƣơng 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định giá trị một số thông số cơ bản của xích cƣa để sử dụng hiệu
quả khi cƣa gỗ Bạch Đàn.
2.2. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
+ Xích cƣa đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay đó là loại xích cƣa của hãng Oregon có bƣớc xích 10,26mm (0,404") với các thông số góc β1=500, β2=550, α1=90, α2=30, chiều cao gờ hạn chế 0,65mm.
+ Gỗ Bạch đàn tƣơi có độ tuổi khai thác là 10 năm tuổi.
Khái quát tính chất gỗ Bạch đàn (Eucalyptus camaldulensis) [5][22]
a. Đặc điểm sinh thái
Theo W.F.Blalen, Bạch đàn là một chi thực vật lớn trên thế giới có
khoảng 500 loài và 138 thứ. Đƣợc trồng trên 90 nƣớc, với vùng phân bố rộng,
phân bố tập trung ở Australia, Malaysia, Đ ng Âu. Bạch đàn đƣợc trồng phổ
biến ở nơi có khí hậu nhiệt đới, đây là loài cây thích nghi với điều kiện nóng
ẩm, mƣa nhiều, có khả năng tăng trƣởng nhanh, tuy nhiên chịu hạn, chịu rét
kém. Theo thống kê năm 90 trên thế giới có 4 triệu ha rừng trồng Bạch đàn
với sản lƣợng khai thác trung bình hàng năm khoảng 60 triệu m3 gỗ. Gỗ Bạch
đàn đã đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới sử dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau.
Ở các nƣớc nhƣ Australia, Brazin, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha và Nam Phi,
Bạch đàn là nguồn nguyên liệu cho công nghệ sản xuất bột giấy, sợi Visco. Ở
nhiều nƣớc khác đã sử dụng gỗ Bạch đàn trong xây dựng gỗ trụ mỏ, đồ mộc
thông dụng.
Gỗ Bạch đàn thuộc họ sim [2][3], là loài cây bản địa ở Australia, ngày
nay nó đƣợc trồng phổ biến tại các nƣớc có khí hậu nhiệt đới và du nhập vào
13
Việt Nam từ những năm 70, đây là loài cây trồng thích nghi với điều kiện
nóng ẩm mƣa nhiều, có khả năng chịu hạn, chịu rét, có tốc độ tăng trƣởng
nhanh, sống trong điều kiện nhiệt độ từ ẩm đến nóng, nhiệt độ tháng nóng
nhất 27-40oC, tháng lạnh nhất 3-15oC, lƣợng mƣa bình quân từ 250-600mm,
rất phù hợp với điều kiện khí hậu ở nƣớc ta. Bạch đàn trắng dễ sinh trƣởng
trên các điều kiện đất đai nghèo kiệt, nên đƣợc coi là cây gỗ rừng trồng mọc
nhanh để cải tạo đất, chống xói mòn, phủ xanh đất trống đồi núi trọc.
Bạch đàn là loài cây gỗ lớn, thân thẳng, tán thƣa phân cành cao, vỏ
nhẵn mày tro sau bong ra thành từng mảng, lớp vỏ mới lộ ra có màu xám
xanh hoặc xám hồng có ánh bạc. Cành non màu tím hồng mảnh và hơi rủ. Lá
đơn mọc cách hình ngọn giáo dài, đầu nhọn dần, đu i nêm rộng. Hoa tự hình
tán ở nách lá, nụ hình cầu hoặc trứng tròn, quả hình bán cầu, hạt nhỏ nhẵn,
màu nâu vàng.
b. Đặc điểm cấu tạo
Gỗ Bạch đàn trắng có màu trắng vàng, thân tròn thẳng, độ thon nhỏ, vỏ
cây màu xám. Ở độ tuổi 8-9 vỏ có chiều dầy trung bình từ 1-1,6 cm. Loại gỗ
giác, lõi phân biệt, gỗ lõi có màu nâu hồng, gỗ giác có màu trắng xám, thớ gỗ
tƣơng đối mịn, thớ gỗ nghiêng và chéo, ở phần giác có chứa nhiều chất bột.
Vòng năm rộng (0,9-1,6 cm), tia gỗ có kích thƣớc trung bình. Gỗ sớm
gỗ muộn ít phân biệt, lỗ mạch trung bình xếp phân tán, tụ hợp đơn với số
lƣợng lớn. Tế bào nhu mô vây quanh mạch, không có cấu tạo lớp, không có
ống nhựa, trong gỗ chứa nhiều tinh dầu gỗ.
Đây là loài cây tỉa cành tự nhiên ở gốc và thân, tỷ lệ mắt ít nhƣng có
nhiều mắt chìm, ở ngọn có nhiều mắt với kích thƣớc lớn. Với đặc điểm nhƣ
vậy, gỗ Bạch đàn trắng ít đƣợc sử dụng trong công nghệ gia c ng đồ mộc,
trang trí nội thất, các kết cấu chịu lực.
c. Đặc điểm cơ lý tính của Bạch đàn
14
Bảng 2.1. Đặc tính cơ lý tính của Bạch đàn
Tên gọi Độ ẩm tƣơng đối Khối lƣợng thể tích gỗ lõi cơ bản Khối lƣợng thể tích gỗ giác cơ bản Tỷ lệ co rút dọc thớ Tỷ lệ co rút xuyên tâm Tỷ lệ co rút tiếp tuyến Hệ số co rút dọc thớ Hệ số co rút xuyên tâm Hệ số co rút tiếp tuyến Tỷ lệ giãn nở dọc thớ Tỷ lệ giãn nở xuyên tâm Tỷ lệ giãn nở tiếp tuyến Hệ số giãn nở dọc thớ Hệ số giãn nở xuyên tâm Hệ số giãn nở tiếp tuyến Hệ số co rút thể tích Độ ẩm tuyệt đối Ứng suất ép dọc thớ Ứng suất ép ngang thớ toàn bộ xuyên tâm Ứng suất ép ngang thớ toàn bộ tiếp tuyến Ứng suất ép ngang thớ cục bộ xuyên tâm Ứng suất ép ngang thớ cục bộ tiếp tuyến Ứng suất kéo dọc thớ Ứng suất kéo ngang thớ xuyên tâm Ứng suất kéo ngang thớ tiếp tuyến Ứng suất trƣợt dọc thớ xuyên tâm Ứng suất trƣợt dọc thớ tiếp tuyến Ứng suất trƣợt ngang thớ xuyên tâm Ứng suất trƣợt ngang thớ tiếp tuyến Ứng suất uốn tĩnh M đun đàn hồi uốn tĩnh Độ cững tĩnh bề mặt cắt ngang Độ cứng tĩnh bề mặt cắt xuyên tâm Độ cứng tĩnh bề mặt cắt tiếp tuyến Sức chịu tách xuyên tâm Sức chịu tách tiếp tuyến Giá trị 35,16% 0,52 (g/cm3) 0,56 (g/cm3) 0,49 % 4,62 % 10,51 % 0,016 0,154 0,35 0,38 % 4,16 % 10,27 % 0,012 0,138 0,342 0,56 54,39% 686,14 (105 N/m2) 97,36 (105 N/m2) 81,32 (105 N/m2) 163, 13 (105 N/m2) 131,18 (105 N/m2) 1401,67 (105 N/m2) 64,36 (105 N/m2) 57,08 (105 N/m2) 169,36 (105 N/m2) 194,01 (105 N/m2) 120,3 (105 N/m2) 153,93 (105 N/m2) 1094,47 (105 N/m2) 71,53 (105 N/m2) 788,39 (105 N/m2) 617,53 (105 N/m2) 686,24 (105 N/m2) 20,95 (105 N/m2) 24,33 (105 N/m2)
15
Nhận xét:
Với kết quả về ứng suất ép dọc, kéo dọc, uốn tính trên thì gỗ Bạch đàn
trắng đƣợc xếp vào nhóm IV trong bảng phân loại 6 nhóm gỗ theo tính chất
cơ lý và phù hợp với khi sử dụng nó trong xây dựng, giao thông vận tải, làm
giàn giáo, cột nhà kèo nhà.
Với các hệ số co rút lớn nhƣ vậy là nguyên nhân dẫn đến gỗ Bạch đàn
dễ bị cong vênh, biến dạng trong quá trình sấy, hong phơi, cho nên nó ít đƣợc
dùng trong đồ mộc cao cấp mà chỉ nên sử dụng trong đồ mộc thông dụng.
Với sức chịu tách thấp là nguyên nhân cho gỗ Bạch đàn dễ bị nứt nẻ vì
thế khi sử dụng gỗ Bạch đàn ở dạng gỗ tròn trong các c ng trình nhƣ cầu
cống, trụ mỏ, cột kèo nhà, sản xuất bột giấy. Không nên sử dụng chúng trong
các sản phẩm gỗ xẻ, ván ghép thanh, gỗ bóc làm ván dán.
2.3. Nội dung nghiên cứu
- Xác định chỉ tiêu đánh giá hiệu quả sử dụng xích cƣa khi cƣa gỗ.
- Xác định các thông số ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng riêng và
năng suất.
- Xác định giá trị hợp lý một số thông số cơ bản của xích cƣa khi cƣa
gỗ Bạch Đàn.
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Để đạt đƣợc mục tiêu nghiên cứu, đề tài đã sử dụng một số phƣơng
pháp nghiên cứu nhƣ sau:
+ Phƣơng pháp kế thừa tƣ liệu: Sử dụng các kết quả nghiên cứu trên thế
giới và trong nƣớc để có cái nhìn tổng quan về vấn đề nghiên cứu và định
hƣớng cho vấn đề nghiên cứu cho đề tài ở phần cơ sơ lý luận.
+ Phƣơng pháp nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm: Đây là phƣơng
pháp nghiên cứu mới, trong đó c ng cụ toán học giữ vai trò tích cực. Cơ sở
toán học, nền tảng của lý thuyết qui hoạch thực nghiệm là toán học thống kê
với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phƣơng sai và phân tích hồi qui.
16
Theo nghĩa rộng, qui hoạch thực nghiệm là tập hợp các tác động nhằm
đƣa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc
của quá trình nghiên cứu đối tƣợng (từ nhận thông tin mô phỏng đến việc tạo
ra mô hình toán, xác định các điều kiện tối ƣu). Trong điều kiện đã hoặc chƣa
hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tƣợng.
Ƣu điểm của qui hoạch thực nghiệm là:
- Giảm đáng kể số lƣợng thí nghiệm cần thiết.
- Giảm thời gian tiến hành thí nghiệm và chi phí phƣơng tiện, vật chất.
- Hàm lƣợng thông tin nhiều hơn, rõ ràng hơn nhờ đánh giá đƣợc vai
trò của sự tác động qua lại giữa các yếu tố và ảnh hƣởng của chúng đến hàm
mục tiêu.
- Nhận đƣợc mô hình toán học thực nghiệm, đánh giá đƣợc sai số thí
nghiệm, cho phép ảnh hƣởng của các thông số thí nghiệm với mức tin cậy xác
định.
- Xác định đƣợc điều kiện tối ƣu đa yếu tố của quá trình nghiên cứu
một cách khá chính xác bằng các hàm toán học, hay cho cách giải gần đúng,
tìm tối ƣu cục bộ nhƣ trong các thực nghiệm thụ động.
17
Chƣơng 3
CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
3.1. Phân loại, cấu tạo và một số thông số kỹ thuật của cƣa xích
Hiện nay, cƣa xích đƣợc sử dụng phổ biến trong chặt hạ gỗ, đặc biệt là
là loại cƣa có nguồn động lực chạy bằng xăng. Cƣa xăng có rất nhiều loại đã
đƣợc nhập và sử dụng phổ biến nhƣ Husqvarna (Thuỵ Điển) 317, 340, 350,
365, 385XP, 390XP, 395XP; Echo (Nhật Bản) CS-300, CS-400, CS-330T,
CS-3450, CS-4400, CS-370-16C, CS-306-14, CS-450-16; Stilh (Đức)
MS170, MS180, MS220, MS360, MS381, MS660; McCulloch (Mỹ)
MAC320, MAC418, MAC438, M738, MAC842, MS1636, MS1630NT,
MAC7-38, MAC2200E; Dolmar (Đức) PS400, PS420, PS5000, PS5100,
PS5100S, PS7335, PS7900.
Hình 3.1. Cƣa xăng Husqvarna 365
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của cƣa xăng Husqvarna 365
Đặc điểm động cơ
Dung tích xi lanh 65,1 cm³
Công suất 3,4 kW
Tốc độ chạy không tải 2700 rpm
Công suất tối đa 9000 rpm
18
Đƣờng kính xylanh 48 mm
Hành trình xylanh 36 mm
Hệ thống đánh lửa SEM AM50
Khe hở bộ điện 0,3 mm
Bugi NGK BPMR7A
Khoảng cách đánh lửa 0,5 mm
Loại chế hòa khí C3M-EL2B
Thể tích bình xăng 0,77 lit
Thể tích bình dầu 0,4 lit
Loại bơm dầu Điều chỉnh lƣu lƣợng
Công suất bơm dầu 4-20 ml/min
Thiết bị cắt
Bƣớc răng 3/8"
Chiều dài lƣỡi cƣa đƣợc khuyên dùng, tối thiểu-tối đa 38-70 cm
Tốc độ xích ở công suất tối đa 20,7 m/s
Thông tin về độ ồn, độ rung và khói xả
Mức rung tác động lên (ahv, eq) tay cầm trƣớc/sau 3,6/3,5 m/s²
Cƣờng độ ồn tác động vào tai ngƣời sử dụng 102,5 dB(A)
Mức độ tiếng ồn cho phép, LWA 114 dB(A)
Các kích cỡ tổng thể
Khối lƣợng (không bao gồm lƣỡi cắt) 6 kg
3.1.1. Cấu tạo
Cấu tạo chung của cƣa xăng (hình 3.2) gồm có các bộ phận chính sau:
- Động cơ;
- Cơ cấu truyền động;
- Bộ phận công tác;
- Khung tay cầm;
19
- Hệ thống an toàn.
1- Cacbuarato; 2- Cửa nạp; 3- Piston; 4- Bugi; 5- Cánh tản nhiệt; 6- Cửa xả;
7- Ống xả; 8- Cửa thổi; 9- Cánh quạt và v lăng từ; 10- Tay biên; 11- Đĩa c n chủ
động; 12- Đĩa c n bị động; 13- Bánh sao chủ động; 14- Bản cƣa; 15- Bánh sao bị
động.
Hình 3.2. Sơ đồ cấu tạo của cƣa xăng
3.1.2. Bộ phận công tác
Bộ phận công tác của cƣa xăng gồm bánh sao chủ động, bản cƣa và
xích cƣa.
- Bánh sao chủ động: Bánh sao chủ động có tác dụng truyền chuyển
động từ đĩa c n bị động đến xích cƣa. Bánh sao chủ động đƣợc lắp trên trục
cơ nhờ can đuyn hoặc làm liền với đĩa c n bị động. Để tăng độ bền cho bánh
sao chủ động thì ngƣời ta thƣờng tôi và thẩm thấu cacbon (xementit) với
chiều sâu từ 0,7-1,0mm. Sau khi nhiệt luyện, độ cứng của bánh sao đạt từ 46-
52RC.
20
- Bản cưa: Đặc điểm chung của các loại bản cƣa là chúng có cấu tạo
đối xứng, nhờ đó có thể thay đổi mặt tiếp xúc khi cắt gỗ, làm cho tuổi thọ của
bản cƣa tăng lên từ 1,2-2 lần. Có hai loại bản cƣa là loại đặc và loại có khoét
lỗ để giảm trọng lƣợng. Ngoài ra, còn có loại bản cƣa có lắp bánh sao bị động
ở phần cuối của bản cƣa, loại này có ƣu điểm là kéo dài tuổi thọ và giảm lực
cản khi cắt, nhƣng chế tạo phức tạp và thay thế bánh sao bị động nhiều lần do
b i trơn cho bánh sao bị động kém. Bản cƣa đƣợc làm bằng thép 45XHMΦ
tôi cao tần, độ cứng đạt 45-50 HRC.
Hình 3.3. Bản cƣa
- ch cưa: Xích cƣa sử dụng trong chặt hạ gỗ đƣợc nhập khẩu từ các
hãng nổi tiếng nhƣ Omark (Mỹ), Husqvarna (Thuỵ Điển), Stihl (Đức). Đây là
loại xích cƣa vạn năng thuộc 2 loại răng cắt có cạnh bên dạng cong và răng
cắt bên thẳng với các bƣớc xích khác nhau 9,07mm (0,357″), 9,53mm (3/8″),
10,26mm (0,404″), 11,11mm (7/16″), 12,7mm (1/2″) và 14,29mm (9/16″).
Tuỳ theo công suất động cơ lớn hay nhỏ ngƣời ta chọn xích cƣa với bƣớc xích
21
hợp lý. Công suất động cơ 3-3,5HP chọn xích có bƣớc 9,58mm, công suất
3÷6 Hp chọn bƣớc xích 10,26mm, công suất 5-8 Hp dùng xích có bƣớc xích
12,7mm … Loại xích cƣa có bƣớc xích 10,26 mm (0,404″) đƣợc sử dụng
rộng rãi nhất ở nƣớc ta. Trong các loại cƣa xăng hiện đại, loại xích cƣa đƣợc
dùng phổ biến hiện nay là xích cƣa vạn năng. Trong một dải xích có 3 loại
mắt xích là mắt xích cắt, mắt xích đẩy và mắt xích nối. Chúng đƣợc nối lại
với nhau thành vòng kín nhờ các chốt xích (Hình 3.4).
Hình 3.4. Cấu tạo xích cƣa
Hình 3.5. Cấu tạo của mắt xích cắt
Các thông số kỹ thuật cơ bản của xích cƣa:
22
- Bước xích: Là khoảng cách trung bình giữa 3 chốt xích liền kề. Hiện
nay, đa số cƣa xăng có tốc độ quay khá lớn 7.000-10.000 v/phút, tốc độ cắt đạt
16-20m/s. Để hạn chế sự va đập của mắt xích đẩy với răng của bánh sao chủ
động nhằm giảm sự mài mòn và tăng tuổi thọ cho bánh chủ động và xích cƣa,
ngƣời ta làm khoảng cách giữa 2 chốt xích của mắt xích cắt và mắt xích đẩy
kh ng đều nhau. Bƣớc xích cƣa phụ thuộc vào công suất của động cơ (Bảng 3.2)
Bảng 3.2. Lựa chọn bƣớc xích cƣa
Bƣớc xích Loại cƣa
Cƣa siêu nhẹ Ndc< 3,5Hp Loại nhẹ Ndc < 6Hp
Loại trung 6 Loại nặng Ndc> 8Hp (Inch)
3/8
0,404
7/16
1/2
9/16
3/4 (mm)
9,53
10,26
11,11
12,70
14,29
19,05 - Các thông số góc đƣợc lựa chọn phụ thuộc vào loại gỗ:
1 = 40-450 đối với gỗ mềm; 1=45-500 đối với gỗ cứng; 2 = 50-550 đối với gỗ mềm; 1=55-600 đối với gỗ cứng; 1 = 5-90 kh ng thay đổi; 2 = 2-30 kh ng thay đổi. - Hạn chế độ ăn sâu: = 0,6-1,1mm Căn cứ vào hình dạng của răng cắt, có hai loại răng là răng cắt hình chữ C và răng cắt hình số 7 (Hình 3.6): a b 23 d c a- Răng cắt hình chữ C; b- Răng cắt hình số 7; c- Các thông số góc của cạnh cắt BC; d- Các thông số cắt của cạnh cắt AB; Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý làm việc của các loại răng cắt 1, 1, 1, 1 là góc trƣớc, góc sau, góc mài, góc cắt của cạnh cắt đáy BC; 2, 2, 2, 2 là góc trƣớc, góc sau, góc mài, góc cắt của cạnh cắt bên AB. Trong quá trình làm việc cạnh AB thực hiện dạng cắt chéo (ngang thớ + dọc thớ) còn cạnh BC thực hiện dạng cắt chéo (cắt bên + cắt dọc). So sánh giữa 2 dạng răng thì dạng răng cong (hình C) tốn năng lƣợng hơn dạng răng hình số 7 vì cạnh cắt đứng AB lớn hơn. Tuy nhiên dạng răng hình số 7 mài dũa khó hơn. 3.2. Động học quá trình cắt gỗ của xích cƣa Muốn cƣa đƣợc gỗ phải có hai chuyển động là chuyển động cắt và chuyển động đẩy. Quan hệ giữa hai chuyển động này phụ thuộc vào kích thƣớc của cây gỗ và bƣớc răng. Mối quan hệ này đƣợc gọi là quan hệ động học khi cƣa gỗ. Giả sử ta có hộp gỗ nhƣ hình 3.7. Cùng một thời gian theo hƣớng vận tốc v, răng cắt A chuyển động đƣợc một khoảng bằng bƣớc răng t; theo hƣớng vận tốc u, nó chuyển động đƣợc quãng đƣờng bằng c. 24 Hình 3.7. Sơ đồ động học của quá trình cƣa gỗ bằng cƣa xích u- Tốc độ đẩy; v- Tốc độ cắt; c- Lƣợng ăn gỗ của một răng; H- chiều cao mạch cƣa; t- Bƣớc răng và (3.1) Ta có: (3.2) Nhƣ vậy, muốn tăng tốc độ đẩy u để tăng năng suất thì cần phải tăng tốc độ cắt v, tăng c và giảm t. 3.3. Lực cắt và công suất cắt của xích cƣa Hình 3.8. Quá trình tạo phoi khi cƣa gỗ 25 Quan sát 3 răng cắt 1,2,3 trong quá trình làm việc ta thấy rằng răng số 2 của cạnh cắt AB thực hiện dạng cắt ngang thớ tạo ra thành mạch cƣa a b. Còn cạnh cắt đáy BC thực hiện dạng cắt bên đoạn bc và tạo ra một đoạn nứt cg. Gờ hạn chế của răng số 3 có tác dụng hạn chế độ ăn sâu và đẩy mùn cƣa do răng số 1 tạo ra. Răng số 3 nằm cùng phía răng số 1 tiếp tục ăn sâu vào gỗ đoạn hgi do cạnh cắt bên AB thực hiện và đoạn ik do cạnh cắt đáy BC thực hiện đồng thời nó tách đƣợc lớp phoi ehgcba ở phía trên với chiều dày h. Trong quá trình cắt gỗ mỗi răng cƣa cùng một lúc thực hiện hai dạng cắt là cắt ngang và cắt bên. Lực cắt và công suất khi cƣa gỗ bằng cƣa xích đƣợc xác định bằng công thức: P=K.B.H. (N) (3.3) N=K.B.H.u (kW) (3.4) Và
Trong đó: K- Lực cản cắt riêng, công cắt riêng (N/m2)(Nm/m3); B- Bề rộng mạch cƣa, (m); H- Chiều cao mạch cƣa, (m); u- Tốc độ đẩy cƣa, (m/s); v- Vận tốc cắt, (m/s). Nhƣ trên đã phân tích trong mỗi mắt xích có hai cạnh cắt AB và BC cùng một lúc các cạnh cắt này tham gia vào quá trình cắt, mỗi cạnh cắt đều có các thông số gốc riêng biệt và chúng thực hiện các dạng cắt gọt khác nhau. Mỗi cạnh cắt của mắt xích cắt thực chất là mũi dao của các con dao cắt. Theo nguyên lý cắt gọt khi thực hiện quá trình cắt gỗ chúng sẽ chịu các lực tác dụng lên mũi cắt mặt trƣớc, mặt sau và các lực ma sát tác dụng lên răng cắt. Lực cắt đƣợc xác định bằng công thức: (3.5) Trong đó: 26 - Lực tác dụng lên mũi cắt, mặt trƣớc, mặt sau của dao cắt có của cạnh AB; - Lực tác dụng lên mũi cắt, mặt trƣớc, mặt sau của dao cắt có của cạnh BC; - Lực ma sát giữa thớ gỗ và mặt sau của các con dao cắt có cạnh AB và BC; - Lực ma sát giữa phoi đƣợc tạo thành nằm giữa hai mắt xích với thành mạch cƣa; - Lực ma sát giữa bản cƣa, xích cƣa và lớp phoi đƣợc tạo thành nằm giữa bản cƣa và thành cƣa. Phân tích lực tác dụng lên răng cắt trong quá trình cắt gọt gỗ Tại ph n răng cắt AB Theo nguyên lý cắt gọt, cạnh cắt AB thực hiện quá trình cắt ngang: + Lực tác dụng lên mũi cắt thể hiện ở hình 3.9. Ta biết rằng mũi cƣa có tác dụng phân tách phoi ra khỏi phôi theo ranh giới là mặt cắt, cạnh cắt không phải là một đƣờng thẳng mà nó là một mặt cong có bán kính ρ. Từ hình vẽ ta thấy cung bnc của mũi cắt chịu áp lực p nhƣ nhau, chia cung bc thành hai phần, bn nằm trên mặt cắt và nc nằm dƣới mặt cắt (n là điểm nằm xa nhất của bán kính ρ). Trên cung nc lấy một góc vi phân dβ1, chúng ta có cung vi phân ρ.dβ1, tổng áp lực p.ρ.dβ1. Ở đây, chúng ta xét trên một đơn vị bề rộng của cạnh cắt B=1. Khi răng cƣa chuyển động, dƣới tác dụng của tổng áp lực ρ.dβ1, xuất hiện lực ma sát f.ρ.dβ1, (f là hệ số ma sát giữa gỗ và răng cƣa, p là ứng suất của gỗ), chiếu hai thành phần lực đó theo hai phƣơng: - Theo chiều ngang, theo phƣơng tốc độ v: (3.6) dP1=p.ρ.cosβ1.dβ1+f.p.ρ.sinβ1.dβ1 - Theo phƣơng vu ng góc với phƣơng vận tốc v: (3.7) dQ1=p.ρ.sinβ1.dβ1-f.p.ρ.cosβ1.dβ1 Cũng làm tƣơng tự với cung bn ta có: 27 (3.8) dP2=p.ρ.cosβ2.dβ2+f.p.ρ.sinβ2.dβ2 (3.9) dQ2=p.ρ.sinβ2.dβ2-f.p.ρ.cosβ2.dβ2 Tổng hợp các thành phần lực trên theo hai chiều chúng ta đƣợc: dPm=dP1+dP2=p.ρ.cosβ1.dβ1+f.p.ρ.sinβ1.dβ1+ (3.10) p.ρ.cosβ2.dβ2+f.p.ρ.sinβ2.dβ2 dQm=dQ1+dQ2=p.ρ.sinβ1.dβ1-f.p.ρ.cosβ1.dβ1+ (3.11) p.ρ.sinβ2.dβ2- f.p.ρ.cosβ2.dβ2 Lực tác dụng lên mũi cắt theo hai chiều sẽ là tích phân của lực dPm và
dQm, trong đó đối với dP1 và dQ1 giới hạn từ 0o đến 90o+α, còn đối với dP2 và
dQ2 giới hạn từ 0o đến γ. Sau khi tích phân và biến đổi toán học, chúng ta có lực Pm, Qm ở mũi cắt là: Pm=p.ρ.[(cosα+sinγ)+f.(sinα-cosγ+2)] (3.12) Qm=p.ρ.[(sinα-cosγ+2)-f.(cosα-sinγ)] Trong đó: p- Áp lực của gỗ lên cạnh cắt bên; ρ1- Bán kính của cạnh cắt bên; α1- Góc sau của cạnh cắt bên; γ1- Góc trƣớc của cạnh cắt bên; f- Hệ số ma sát giữa thép và gỗ; Từ công thức (3.12) ta thấy lực tác dụng lên mũi dao cắt phụ thuộc vào ứng suất gỗ, hệ số ma sát giữa gỗ và răng cƣa, mà ứng suất của gỗ và hệ số ma sát f lại phụ thuộc vào loại gỗ, khuyết tật của gỗ, độ ẩm... Vì vậy, lực tác dụng lên mũi cắt cũng phụ thuộc vào các yếu tố đó. Lực Pm và Qm phụ thuộc vào độ tù của ρ. Độ tù ρ càng lớn thì lực tác dụng lên mũi cắt càng lớn. Nếu độ tù ρ tiến tới 0 thì lực tác dụng lên mũi cắt sẽ triệt tiêu. 28 Hình 3.9. Lực tác dụng lên mũi cắt AB + Lực tác dụng lên mặt trƣớc cạnh cắt AB thể hiện ở hình 3.10. Lực tác dụng lên mặt trƣớc của dao cắt là một thành phần rất quan trọng, nó chiếm tỷ lệ khá lớn trong tổng lực cản chuyển động của cƣa và có tác dụng quyết định đến quá trình tạo phoi và đào thải phoi. Các dao cụ gia công gỗ, tùy từng trƣờng hợp mà mặt trƣớc của dao cắt là mặt phẳng hay mặt cong. Đặc trƣng cho sự tiếp xúc giữa gỗ (phoi và mặt trƣớc) với dao là áp lực và độ nhẵn bề mặt ở mặt trƣớc dao cụ thông qua hệ số ma sát f. Để đảm bảo cho quá trình cắt gọt đƣợc dễ dàng, điều quan trọng là phải có góc cắt thích hợp. Lực đƣợc hình thành theo hai giai đoạn. Giai đoạn một là khi dao mới bắt đầu tiếp xúc với gỗ cho đến lúc tạo ra lớp phoi đầu tiên. Trong giai đoạn này lực ở mặt trƣớc của dao lớn dần từ 0 đến một giá trị cố định nào đó, áp lực tác dụng lên mặt trƣớc kh ng đồng đều. Tại điểm a có giá trị nhỏ nhất, vì tại đây áp suất chƣa kịp tăng lên đến giá trị cố định. Trên mặt cắt trƣớc a1b1 của răng cƣa chúng ta có tổng áp lực là N1, lực ma sát là F1. Chiếu chúng theo hai chiều: Chiều chuyển động của cƣa và chiều vuông góc với chiều chuyển động của cƣa. Khi đó, chúng ta đƣợc lực cắt và lực đẩy phoi mặt trƣớc của răng. 29 Giai đoạn hai là khi dao đi đƣợc quãng đƣờng x2, tƣơng ứng với tổng lực tác dụng lên mặt trƣớc kh ng đổi, ứng suất ζ cố định. Trong giai đoạn này áp lực trải đều. Vì tại a đã đảm bảo thời gian tiếp xúc giữa gỗ và răng đủ đạt đến giá trị áp suất cố định. Ở đây, hai thành phần lực: Pt theo phƣơng ngang, có tác dụng nén phoi, lực theo chiều đứng Qt theo phƣơng đứng có xu hƣớng bẻ phoi và uốn phoi. Dạng tổng quát của lực tác dụng lên mặt trƣớc của răng cƣa: Dựa vào lý thuyết nén gỗ, áp suất trên đoạn ab là cố định. Vậy tổng áp lực ở mặt trƣớc khi ứng suất đạt giá trị ổn định (xét trên một đơn vị bề rộng của cạnh cắt B=1) sẽ là: (3.13) N=ab.ζc hay (3.14) N=ζc. Lực ma sát (3.15) F=N.f=ζc.f. Chiếu lực đó theo phƣơng v, ta đƣợc lực cắt ở mặt trƣớc: (3.16) Pt=ζc.x(1-f.tgδ)≈ζc.h.tgδ.(tgδ+f) Theo phƣơng vu ng góc với v: '=ζc.x(1-f.tgδ)≈ζc.h.tgδ(1-f.tgδ) (3.17) Qt Tỷ lệ giữa hai thành phần lực đó: (3.18) Trong đó: ζc- Ứng suất chèn dập; x- Quãng đƣờng đi. Dƣới tác dụng của lực Pt phoi bị nén. Các phần tử vật chất gỗ của phoi có xu hƣớng phình ra các phía, vuông góc với chiều lực Pt, kết quả làm phoi
', còn có một thành phần lực phụ, hệ quả bị nở ngang. Vì vậy, theo chiều lực Qt quá trình nén của lực Pt, còn mặt dƣới của phoi đã bị giới hạn. Lực phụ đó là: "=μ.Pt (3.19) Qt 30 ' và Qt " tác dụng đồng thời. Vì vậy, lực Qt thực sẽ bằng tổng Thực tế Qt hợp của hai lực đó: '+Qt "= Pt.tgθo+μ.Pt (3.20) Qt=Qt Vậy tỷ số giữa hai lực đứng và lực nằm ngang ở mặt trƣớc lúc này sẽ là: (3.21) Từ công thức (3.20) và (3.21) ta thấy, lực tác dụng lên mặt trƣớc của dao phụ thuộc vào góc cắt, hệ số ma sát, tức là phụ thuộc vào độ ẩm, chất lƣợng bề mặt trƣớc của dao, phụ thuộc vào ứng suất δc, tức là tính chất của gỗ, loại gỗ...cuối cùng phụ thuộc vào quãng đƣờng đi, trong giai đoạn đầu dƣới dạng phƣơng trình bậc nhất. Kết quả nghiên cứu của A.E.Dolatarep và nhiều tác giả khác kết luận, lực tác dụng lên mặt trƣớc của dao cắt phụ thuộc vào chiều dày phoi htb, tức là lúc ứng suất ổn định. Lực tác dụng lên mặt trƣớc của dao, không phụ thuộc vào độ tù ρ. Hình 3.10. Lực tác dụng lên mặt trƣớc của cạnh cắt AB + Lực tác dụng lên mặt sau của cạnh cắt AB thể hiện ở hình 3.11 và đƣợc xác định băng c ng thức: 31 (3.22) Ps1= Trong đó: m, n – Là các hệ số liên hệ. Hình 3.11. Lực tác dụng lên mặt sau cạnh cắt AB Tại ph n lƣỡi cắt BC Trong quá trình cƣa, răng cắt BC thực hiện dạng cắt bên (tiếp tuyến, xuyên tâm). + Lực tác dụng lên mũi dao dạng cắt bên thể hiện ở hình 3.9 và đƣợc xác định bằng công thức: (3.23) Pm2=p.ρ2.[(cos2+sin2)+f.(sin2-cos2+2)] Trong đó: p- Là áp lực của gỗ lên cạnh cắt; ρ2- Bán kính của cạnh cắt; 2- Góc sau của cạnh cắt; 2- Góc trƣớc của cạnh cắt; f- Hệ số ma sát giữa thép và gỗ. + Lực tác dụng lên mặt trƣớc cạnh cắt BC thể hiện ở hình 3.10 và xác định bằng công thức: (3.24) Pt2=ζc.b.tgδ2.(tgδ2+f) 32 Trong đó: ζc- Ứng suất chèn dập; δ2- Góc cắt cạnh cắt BC; b - Bề dầy cạnh cắt BC; f - Hệ số ma sát giữa mặt trƣớc với phoi. + Lực tác dụng lên mặt sau của cạnh cắt BC thể hiện ở hình 3.12. Lực tác dụng lên mặt sau của răng cƣa. Trong quá trình cắt gọt, mặt sau của răng cƣa chịu áp lực Ps của lớp gỗ đàn hồi. Dƣới tác dụng của áp lực Ps sẽ gây ra lực ma sát ở mặt sau. Do cấu tạo của gỗ, mà các hiện tƣợng xảy ra trong các trƣờng hợp cắt gọt khác nhau là không giống nhau. Ở mặt sau, chúng ta chỉ xét trƣờng hợp cắt dọc và cắt bên còn trƣờng hợp cắt ngang thì chúng ta không xét. Lực tác dụng lên mặt sau của dao cắt khi cắt dọc và cắt bên Hình 3.12. Lực tác dụng lên mặt sau dao cắt Hình 3.12, trƣờng hợp này, khi phoi đã đƣợc tạo thành, các phần tử gỗ ở dƣới đƣờng thẳng dnf bị nén xuống, từ vị trí cao nhất, tại điểm n cho đến vị trí thấp nhất tại điểm i, sau đó theo từng bƣớc chuyển động của lƣỡi cắt A mà các phần tử gỗ bị nén bắt đầu trỗi dậy và có xu hƣớng trở lại vị trí cũ. Hiện tƣợng rõ nhất là lƣợng gỗ bị nén lớn nhất tại điểm i, càng về sau thì mức độ nén càng giảm dần. Do tính đàn hồi của gỗ không tuyệt đối, cho nên các phần 33 tử gỗ không hoàn toàn trở về vị trí cũ, mà chỉ đạt đến mức nd. Tuy vậy, lƣợng dƣ a ở trƣờng hợp này không lớn lắm, thực tế có thể xem nhƣ mặt phẳng n'd trùng với mặt phẳng cắt dnf. Ở mặt sau, trong đoạn cd của dao cắt chịu áp lực không bằng nhau, vì lƣợng gỗ nén không giống nhau. Giá trị nén lớn nhất tại điểm c, giá trị nhỏ nhất bằng 0 tại điểm d. Từ đó ta có lực tác dụng lên mặt sau: Lực tác dụng lên mặt sau của dao cắt: Lấy một điểm m bất kỳ trên đoạn cd, theo định luật đàn hồi, chúng ta có thể tính áp lực tại điểm m bằng công thức: (N/cm2) (3.25) N0=CH.y Trong đó: CH- Hệ số đàn hồi (N/cm2); y- Lƣợng nén của gỗ (cm). Tại điểm m có lƣợng đàn hồi là mK'=y. Tại điểm c có lƣợng đàn hồi là CC1, sơ đồ lực có dạng hình tam giác vuông. Tổng áp lực lên mặt sau cd là diện tích của tam giác vuông có chiều cao là CC1 và cạnh còn lại là cd. Ở đây, chúng ta xét trên một đơn vị bề rộng của cạnh cắt B=1. N= (3.26) Ở đây: CC1=CH.ρ.cosα; cd= Vậy: N= (3.27) Khi dao chuyển động, lực N tạo ra lực ma sát N.f có giá trị F=N.f= (3.28) Chiếu hai thành phần lực N và F theo phƣơng ngang, chiều của tốc độ v ta đƣợc: 34 (3.29) Ps= Theo phƣơng thẳng đứng, chiều vuông góc với v: (3.30) Qs= Từ hai công thức (3.29) và (3.30) chúng ta thấy lực tác dụng lên mặt sau của dao cắt phụ thuộc vào hệ số đàn hồi CH, mà hệ số đàn hồi CH phụ thuộc vào loại gỗ, độ ẩm, cấu tạo gỗ... Vì vậy, Ps và Qs cũng phụ thuộc vòa các yếu tố này. Lực Ps và Qs phụ thuộc vào độ tù của ρ, với số mũ bậc 2, phụ thuộc vào hệ số ma sát và góc α, điều đáng chú ý là lực tác dụng lên mặt sau của dao cắt không phụ thuộc vào chiều dày của phoi htb. Trong trƣờng hợp này, áp lực của phoi ở mặt sau có xu hƣớng nén các phần tử gỗ ở mặt cắt, làm cho các vật chất gỗ sít lại với nhau. Nếu ứng suất nén do ngoại lực gây ra, ζn<[ζn], áp lực đó làm cho bề mặt gia công nhẵn hơn còn nếu trên giới hạn đó thì làm thớ gỗ bị nứt, xơ, từng phần tử bị nhăn hoặc bong lên, chất lƣợng gia công kém. + Lực ma sát giữa thớ gỗ và mặt sau của các con dao cắt có cạnh AB và BC: (3.31) + Lực ma sát giữa phoi đƣợc tạo thành nằm giữa hai mắt xích với thành mạch cƣa: 35 (3.32) Trong đó: a1=θ.t2-y.ξH.h.χ(hr-2r) a2=y.ξH.h.χ (3.33)
(3.34) fg- Hệ số ma sát giữa phoi và thành bên; P0- Áp lực ban đầu; θ- Hệ số chất tải của hầu cƣa; t- Bƣớc răng cƣa; ξH- Hệ số co gót của phoi theo chiều dầy; h- Chiều dầy phoi; μ- Hệ số Poatxông; χ- Hệ số hao hụt phoi do bị cọ sát với thành bên; H- Chiều cao mạch cƣa; r- Bán kính hầu cƣa; y- Hệ số đặc trƣng cho sự tăng áp lực. + Lực ma sát giữa bản cƣa, xích cƣa và lớp phoi đƣợc tạo thành nằm giữa bản cƣa và thành cƣa Phoi không những chỉ đào thải ở thời điểm hầu cƣa thoát ra khỏi mạch xẻ mà còn đào thải ở mặt bên thành ván xẻ, tức là khoảng không gian vô cùng chật hẹp giữa bản cƣa và thành mạch xẻ. Vì vậy các phần tử phoi này chịu áp lực của thành bên, do đó tạo ra lực ma sát Pb. 36 Nếu xét các phần tử phoi trên bề mặt ván xẻ, chúng ta thấy kích thƣớc của nó có phần khác kích thƣớc của phoi. Thƣờng chúng bị phá hủy theo dọc thớ, tức là theo bề dày của mạch xẻ, còn theo chiều dày phoi khó phá vỡ, điiều này hoàn toàn hợp lý. Mặt khác trong quá trình vận chuyển phoi càng ngày càng có nhiều phoi rơi vào khe hở giữa bản cƣa và thành bên mạch xẻ, tức là đồng biến với chiều cao mạch xẻ H. Nếu xét một phần tử phoi nào đó trong khe hở giữa bản cƣa và thành bên, chúng ta có lực ma sát nhƣ: χ (3.35) dPb=f.pb.h.dB. Trong đó: pb- Áp lực phần tử phoi lên bề mặt bản cƣa; χ- Hệ số chỉ lƣợng phoi ở trong khe hở; l- Chiều dài phần tử phoi. Tổng Pb lực ma sát sẽ là tích phân phƣơng trình 3.35 với giới hạn 0 đến B, chúng ta có: (N) (3.36) Pb=f.pb.h.B.H.χ. Trong đó: ξ//- Hệ số co của phoi theo chiều dài. Từ các công thức trên cho thấy rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến lực cắt P và công suất cắt, có thể chia chúng thành các nhóm yếu tố sau: + Nhóm yếu tố thuộc về gỗ - Độ ẩm của gỗ: khi thay đổi độ ẩm thì trị số các loại ứng suất đều thay đổi, kéo theo lực cắt. Mặt khác hệ số ma sát giữa gỗ với dao cắt thay đổi làm thay đổi lực cắt. - Loại gỗ: loại gỗ khác nhau, tính cơ lý của chúng khác nhau, khối lƣợng một đơn vị thể tích khác nhau, lực cắt khác nhau. - Tính chất cơ lý gỗ: đặc trƣng tính cơ lý của gỗ đó là các dạng ứng suất, m đun đàn hồi E và hệ số đàn hồi C khi thay đổi các dạng ứng suất, các hệ số E và C… Lực cắt thay đổi và K thay đổi. 37 + Nhóm yếu tố thuộc về dao cắt: - Góc mài β, góc trƣớc α và góc cắt δ. Do cấu tạo của mắt xích cắt (hình 3.6) góc sau α1 và α2 cố định trong quá trình sử dụng chỉ thay đổi đƣợc góc mài β và góc trƣớc γ dẫn đến thay đổi góc cắt δ vì δ=α+β. Khi thay đổi góc trƣớc lực tác dụng lên mặt trƣớc Pt của mũi cắt thay đổi dẫn đến lực cắt P thay đổi. - Độ tù của mũi đao cắt thay đổi lực tác dụng lên mũi cắt Pm và lên mặt sau Ps thay đổi làm cho P thay đổi. + Nhóm yếu tố thuộc về chế độ gia công - Chiều dày phoi h: Chiều dày phoi thay đổi lực tác dụng lên mắt trƣớc dao cắt Pt thay đổi dẫn đến lực cắt P thay đổi. - Vận tốc cắt V: khi thay đổi vận tốc cắt lực cắt thay đổi - Tốc độ đẩy: khi thay đổi tốc độ đẩy lực cắt thay đổi. 3.4. Chi phí năng lƣợng riêng và năng suất cắt khi cƣa gỗ bằng cƣa xích 3.4.1. Chi phí năng lượng riêng khi cưa gỗ bằng cưa xích Chi phí năng lƣợng riêng đƣợc tính theo c ng thức: (Wh/m2) (3.37) Trong đó: Nr – Là chi phí năng lƣợng riêng. Nc – Là c ng suất cắt (W). (3.38) Nc = Nt – N0t Nt – C ng suất tiêu thụ (W). N0t – C ng suất kh ng tải (W). 38 F– Diện tích mặt cắt khi cắt ngang thân cây (khi sử dụng hộp gỗ), (m2): F = B.H (m2) (3.39) t – Là thời gian cắt xong một mạch cắt (h), Nc = Pc.v=K.B.H. v=K.B.H.u (Wh/m2) (3.40) Căn cứ theo các c ng thức trên ta thấy rằng chi phí năng lƣợng phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ: - Độ ẩm của gỗ, loại gỗ, tính chất cơ lý của gỗ; - Góc mài β, góc sau α, góc trƣớc γ, độ tù ρ; - Chiều dày phoi h, tốc độ cắt v, tốc độ đẩy u. 3.4.2. Năng suất cắt khi cưa gỗ bằng cưa xích Năng suất là diện tích gỗ mà cƣa cắt đƣợc trong một đơn vị thời gian. (3.41) Trong đó: F- Diện tích mặt cắt (m2); t- Thời gian cắt (s). Căn cứ vào công thức trên ta thấy năng suất thuần túy phụ thuộc vào các yếu tố chính là diện tích mặt cắt, thời gian cắt. Nhận xét: Chi phí năng lƣợng riêng và năng suất là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng đánh giá chất lƣợng và khả năng làm việc của máy và thiết bị hay một quá trình công nghệ chúng thực hiện. Qua phân tích đánh giá ở trên, có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng riêng, và năng suất. Để tính toán cụ thể nhằm tìm ra các giá trị hợp lý để đạt đƣợc chi phí năng lƣợng 39 riêng thấp nhất bằng công thức lý thuyết là bài toán hết sức phức tạp và khối lƣợng công việc rất lớn. Vì vậy, cần thiết phải chọn đƣợc phƣơng pháp nghiên cứu phù hợp mà vẫn đảm bảo đƣợc độ tin cậy của kết quả. 40 Chƣơng 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm - Bộ thiết bị thí nghiệm: Bộ thiết bị thí nghiệm đƣợc thiết kế và chế tạo tại Trung tâm thí nghiệm thực hành Khoa Cơ điện và c ng trình trƣờng Đại học Lâm nghiệp. cd1, cd2 - Cầu dao 1 và 2; đc 1, đc 2- Động cơ 1 và 2; ct- Công tắc hành trình 1. Bộ khung đỡ, 2. Giá giữ lƣỡi cƣa; 3. Lƣỡi cƣa; 4. Bộ truyền trục vít bánh vít; 5. Giá giữ gỗ Hình 4.1. Bộ thí nghiệm xác định tỷ suất lực cắt Cấu tạo chung: 41 + Bộ khung đỡ có kích thƣớc 1400x700x800 đƣợc làm từ những thanh thép chứ V hàn lại với nhau; + Giá giữ lƣỡi cƣa đƣợc làm từ các thanh thép hàn lại với nhau, để giữ lƣỡi cƣa và động cơ truyền chuyển động cho lƣỡi cƣa, nó có thể di chuyển trên bộ khung đỡ nhờ 4 bánh xe; + Hai động cơ điện truyền động cho lƣỡi cắt và bộ phận di chuyển giá giữ lƣỡi cƣa nhờ hai bộ truyền đai; + Bộ truyền ren vít giúp cho giá giữ lam chuyển động tịnh tiến, gồm một thanh ren chiều dài 1600mm và bánh vít đƣợc gắn trên giá giữ lƣỡi cƣa; + Giá giữ gỗ đƣợc gắn vào bộ khung đỡ để giữ gỗ cố định trong quá trình cắt; + Hệ thống công tắc hành trình để điều khiển hành trình di chuyển của lƣỡi cƣa, bao gồm hai công tắc hành trình gắn trên bộ khung đỡ, khởi động từ và các nút bấm. + Bánh sao truyền động cho lƣỡi cƣa xích đƣợc gắn trên giá giữ lƣỡi cƣa, đƣợc truyền động nhờ bộ truyền puly dây đai từ động cơ điện. Nguyên lý hoạt động: Đóng cầu dao 1(cd1), khởi động động cơ 1 (đc1), chuyển động quay của trục động cơ th ng qua bộ truyền đai có tỷ số truyền i=2 làm xích cƣa quay. Khi đó ta đo các th ng số của dòng điện khi lƣỡi cƣa chƣa cắt gỗ. Hành trình cắt bắt đầu khi ta tiến hành di chuyển lƣỡi cƣa vào gỗ. Đóng cầu dao 2 (cd2), động cơ 2 (đc2) hoạt động, trục động cơ quay, qua bộ truyền đai và trục vít bánh vít làm cho giá giữ lƣỡi cƣa chuyển động tịnh tiến, lƣỡi cƣa đi vào gỗ. Quá trình cắt gỗ đƣợc thực hiện. Trong quá trình hoạt động để tránh cho giá giữ lƣỡi cƣa đi ra ngoài bộ khung đỡ, ta sử dụng hai công tắc hành trình (ct) gắn trên bộ khung đỡ. Khi 42 bánh xe trên giá giữ lƣỡi cƣa chạm vào các công tắc này thì động cơ 2 sẽ tự động ngắt. - Lựa chọn thiết bị đo: + Đo tốc độ: sử dụng đồng hồ đo mã hiệu HT-3100 (Onosokki) sản xuất tại Nhật Bản + Đo c ng suất tiêu thụ điện bằng Fluke 41B sản xuất tại Mỹ. + Đo độ ẩm: bằng phƣơng pháp cân sấy. + Thiết bị mài xích cƣa: Máy mài chuyên dùng Oregon 510 A sản xuất tại Mỹ. 4.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 4.2.1. Chuẩn bị gỗ Gỗ Bạch đàn có chiều cao trung bình 10m, đƣờng kính gỗ trunh bình 13-18 cm, có cùng độ tuổi, có cùng điều kiện sinh trƣởng. Sau khi đã chặt hạ cây, ta tiến hành cắt khúc. Những khúc gỗ đƣợc chọn làm thí nghiệm đƣợc đánh số để phân biệt. Chúng đƣợc xếp đống, phủ bạt nilon để tránh thoát ẩm. Sau đó tiến hành xác định độ ẩm. 4.2.2. Xác định độ ẩm của gỗ Hiện nay, có rất nhiều cách xác định độ ẩm: sử dụng máy đo điện trở, xác định bằng phƣơng pháp chƣng, phƣơng pháp cân sấy...cùng nhiều loại thiết bị đo hiện đại. Tuy vậy, với điều kiện sẵn có tại trung tâm TNTH khoa CĐ&CT đề tài đã lựa chọn phƣơng pháp đơn giản, ít tốn kém và độ chính xác cao là cân sấy. Các bƣớc tiến hành đƣợc thực hiện theo [TCVN358-1970] a. Chuẩn bị thiết bị - Cân điện tử: khối lƣợng tối đa 6kg, độ chính xác 0,01g; - Máy sấy XMT-142 sản xuất tại Trung Quốc, sử dụng điện áp 220V, công suất 1,8kW, nhiệt độ sấy tối đa 300oC. 43 b. Chuẩn bị mẫu [TCVN356-1970] - Mẫu gỗ xác định độ ẩm đƣợc thực hiện theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 356-1970; - Mẫu gỗ đƣợc làm sạch bụi, mùn cƣa và đƣợc gọt sạch các sơ gỗ; - Lấy mỗi cây 30 mẫu, các mẫu đƣợc đánh ký hiệu theo số thứ tự cây gỗ và số thứ tự mẫu gỗ. c. Tiến hành - Cân các mẫu gỗ bằng cân điện tử độ chính xác 0,01g và ghi lại kết quả; - Đặt các mẫu lên khay trong máy sấy và tiến hành sấy. Ban đầu, giữ nhiệt độ ở 50-60oC trong vòng 3 giờ, sau đó tăng nhiệt độ lên 103oC 2 và giữ ở nhiệt độ đó cho đến khi khối lƣợng mẫu kh ng đổi. Ta giữ nhiệt độ này trong 6 giờ, sau đó kiểm tra khối lƣợng của mẫu. Ghi lại kết quả, tiếp tục sấy. Sau mỗi lần sấy tiếp theo, ta đo khối lƣợng của mẫu một lần, ghi lại kết quả. So sánh các kết quả đo, nếu giá trị khối lƣợng giữa hai lần cân liên tiếp không chênh lệch quá 0,002 (g) thì mẫu sấy đã kh kiệt, nếu có sai khác quá lớn ta cần tiếp tục sấy. Thời gian giữa các lần đo trị số khối lƣợng kh ng đổi của mẫu là khoảng 2 giờ. d. Tính độ ẩm Độ ẩm của gỗ đƣợc tính bằng %, chính xác đến 0,1%, và đƣợc tính theo công thức sau: W = .100 (%) (4.1) Trong đó: m- Khối lƣợng mẫu trƣớc khi sấy (g); m0- Khối lƣợng mẫu ở trạng thái khô kiệt (g). 4.2.3. Kết quả tính toán độ ẩm của gỗ làm thí nghiệm Sau khi tiến hành làm các bƣớc nhƣ trên, kết quả thu đƣợc thể hiện ở phụ biểu 4 phần phụ lục. Các cây Bạch đàn làm thí nghiệm đều có độ ẩm >70%. 44 4.3. Đo và thu thập số liệu 4.3.1. Xác định công suất cắt Cơ sở của phƣơng pháp đo là đo tiêu hao năng lƣợng điện của động cơ trong quá trình cắt của lƣỡi cƣa. Ta thấy để cƣa thực hiện quá trình cắt gọt thì năng lƣợng mà cƣa tiêu thụ từ lƣới điện đƣợc dùng cho việc cƣa gỗ gồm: Năng lƣợng cho việc chạy không tải của cƣa và năng lƣợng dùng cho việc cắt gỗ (có tải). Có thể tính năng lƣợng tiêu thụ bằng các công thức: Công suất tiêu thụ điện khi không tải: (4.2) Not= Uot.Iot.cosθot (W) Trong đó: Uo- Điện áp dây khi chạy không tải (V); Io- Cƣờng độ dòng điện dây khi chạy không tải (A); Cosθo- Hệ số công suất không tải. Công suất tiêu thụ điện khi có tải: (4.3) Nt= Ut.It.cosθt (W) Trong đó: Ut- Điện áp dây khi có tải (V); It- Cƣờng độ dòng điện dây khi có tải (A); Cosθt- Hệ số công suất khi có tải. Vậy, công suất cắt đƣợc xác định bằng công thức (4.4) ∆N=Nt-No 4.3.2. Xác định chi phí năng lượng riêng (Wh/m2) (4.5) Nr= Trong đó: t- Thời gian cắt xong một mạch cƣa, (giờ)
F- Diện tích của một mặt cắt, (m2). F= (4.6) Trong đó: D- Đƣờng kính gỗ, (m); 4.3.3. Xác định năng suất thuần tuý Năng suất thuần tuý đƣợc xác định bằng công thức: 45 (m2/h) (4.7) Ns= 4.4. Kết quả thí nghiệm thăm dò Tiến hành thí nghiệm thăm dò để xác định qui luật phân bố của đại lƣợng cần nghiên cứu. Quy luật phân bố của đại lƣợng nghiên cứu có thể khái quát hoá thành phân bố lý thuyết gọi là phân bố thực nghiệm. Xây dựng các phân bố thực nghiệm để khái quát hoá thành các phân bố lý thuyết là một trong những nhiệm vụ quan trọng. Để có thể phát hiện ra qui luật phân bố khách quan trọng tổng thể dựa vào những tài liệu thu thập đƣợc ở đại lƣợng nghiên cứu, trƣớc hết ta cần sắp xếp các trị số quan sát đƣợc của đại lƣợng theo một trật tự nhất định, rồi thống kê các phần tử nằm trong những khoảng xác định. Để lập đƣợc phân bố thực nghiệm phải tiến hành chia tổ ghép nhóm các trị số thu thập đƣợc theo công thức kinh nghiệm của Brooks và Carruther [15]: a=5.lgn (4.8) k= (4.9) Trong đó: n- Số lần thí nghiệm; a- Số tổ đƣợc chia; k- Cự ly tổ; xmax, xmin- trị số thu thập lớn nhất, bé nhất của đại lƣợng nghiên cứu. Xác định các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm: Sai số trung bình mẫu: (4.10) Sai tiêu chuẩn: trƣờng hợp mẫu lớn (n>30): 46 S= (4.11) Trong đó: (4.12) Qx= Phƣơng sai mẫu là bình phƣơng sai tiêu chuẩn: S2 Hệ số biến động: S%= (4.13) (4.14) Phạm vi biến động: R= xmax-xmin (4.15) Độ lệch: Sk= Nếu Sk=0, thì phân bố là đối xứng; Sk>0 thì đỉnh đƣờng cong lệch trái so với số trung bình; Sk<0 thì đỉnh đƣờng cong lệch phải so với số trung bình. Độ nhọn phân bố: (4.16) Ex= Nếu: Ex=0 thì đƣờng cong thực nghiệm tiệm cận chuẩn; Ex>0 thì đỉnh đƣờng cong nhọn so với phân bố chuẩn Ex<0 thì đỉnh đƣờng cong bẹt hơn so vơi phân bố chuẩn 2= Xác định luật phân bố: (4.17) χn l- Số tổ hợp sau khi đã gộp những tổ hợp có tần số lý luận fi. 2
2 > χα (k) thì luật phân bố của đại lƣợng nghiên cứu là phân bố 2
chuẩn. χα (k) đƣợc xác định bằng cách tra bảng phụ lục [15], với k=n-1 là bậc Nếu χn tự do và mức ý nghĩa α=0,05. 47 Xác định số lần lặp cho các thí nghiệm: Việc xác định số lần lặp cho các thí nghiệm có ý nghĩa rất quan trọng, nó phải đủ lớn để đảm bảo mức độ chính xác của luật phân bố chuẩn, nhƣng lại phải tối thiểu để giảm bớt khối lƣợng thực nghiệm. Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm đƣợc tính theo kết quả của thí nghiệm thăm dò và theo c ng thức: m= (4.18) Trong đó: m- Số lần lặp; η- Tiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa θ=0,05; ∆%- Sai số tƣơng đối, ≤5%; - Giá trị trung bình của đại lƣợng nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm thăm dò đƣợc trình bày ở phụ biểu 1 phần phụ lục. Đề tài tiến hành 50 thí nghiệm thăm dò để xác định qui luật phân bố của các hàm năng suất và chi phí năng lƣợng riêng. Từ những số liệu thăm dò thu thập đƣợc ta có: Số lƣợng nhóm các giá trị thu thập: c=5.lgn=5.lg50=8 nhóm Xét hàm chi phí năng lƣợng riêng: Khoảng chia nhóm: k= =18,79 = 48 Bảng 4.1. Tổng hợp kết quả phân bố thực nghiệm STT Nrtb fi.Nrtb fi 1 4 122.925 15110.56 491.70 60442.25 2 5 140.672 19788.57 703.36 98942.86 3 159.924 12 25575.71 1919.09 306908.5 4 7 179.745 32308.13 1258.21 226156.9 5 9 196.731 38703.15 1770.58 348328.3 6 7 219.398 48135.27 1535.78 336946.9 7 3 232.105 53872.54 696.31 161617.6 8 Nr
113.36-
132.15
132.15-
150.94
150.94-
169.73
169.73-
188.52
188.52-
207.31
207.31-
226.10
226.10-
244.89
244.89-
263.68 3
254.636
1506.14 50 64839.63
298333.56 194518.9
763.91
9138.95 1733862.3 Tổng Xác định các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm: (bảng 4.2) 2 Bảng 4.2. Các đặc trƣng của phân bố thực nghiệm 113.36
263.68
9138.95
182.78
186.31
8.05
4.40
150.32
16.7
460.4
11.75 Min
Max
Tổng
Trung bình
Số trung bình toàn phƣơng z
Sai tiêu chuẩn S
Hệ số biến động S%
Phạm vi biến động R
Độ lệch Sk
Độ nhọn phân bố Ex
Tiêu chuẩn χtt 0,5;k=67,5 Tra bảng phụ lục 5[15] ta đƣợc: χ2 b, số liệu đo đƣợc trong thí nghiệm tuân theo luật phân Trong đó bậc tự do k=n-1=49
tt<χ2
Nhƣ vậy χ2 bố chuẩn. 49 Số lần lặp của mối thí nghiệm: m= (4.19) Trong đó: η- Chỉ tiêu Student tra bảng khi hệ số tin cậy θ=0,05, η=1,96 → m= =2,978. Lấy m=3. Vậy lƣợng nghiên cứu đểu tuân theo qui luật phân bố chuẩn và số lần lặp của mỗi thí nghiệm là 3. 4.5. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố 4.5.1. Tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố Thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số ảnh hƣởng, xác định mức độ và quy luật ảnh hƣởng của chúng đến các hàm chỉ tiêu. Thực nghiệm đơn yếu tố đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau: 1. Thực hiện thí nghiệm với từng thông số thay đổi với số mức thay đổi không nhỏ hơn 4, khoảng thay đổi lớn hơn 2 lần sai số bình phƣơng trung bình của phép đo giá trị thông số đó. Số thí nghiệm lặp lại đƣợc tính ở phần trên m=3. 2. Xác định độ tin cậy về ảnh hƣởng của mỗi yếu tố tới các hàm mục tiêu. Đánh giá tính thuần nhất của phƣơng sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hƣởng khác đối với thông số cần xét là không có hoặc không đáng kể. a. Đánh giá t nh đồng nhất của phương sai Kiểm tra tính đồng nhất của phƣơng sai theo tiêu chuẩn Kohren. (4.20) Trong đó: - Phƣơng sai lớn nhất trong N thí nghiệm 50 = (4.21) Trong đó: - Số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm; - Giá trị của thông số tại điểm u. - Giá trị trung bình của thông số ra tại điểm u. u=1, 2, 3,…N (4.22) Ứng với N điểm thí nghiệm trong kế hoạch thực nghiệm ta có N phƣơng sai . Trong đó lu n có giá trị Gtt- Chuẩn Kohren tính toán theo thực nghiệm; Trong đó bậc tự do ở tử số và ở mẫu số K=N (m-1). m- Số lần lặp lại ở thí nghiệm mà ở đó có phƣơng sai cực đại m = mu Giá trị thống kê chuẩn Kohren đƣợc tính sẵn theo mức ý nghĩa α, hoặc tự do và ký hiệu Gb. Nếu < thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm. b. Kiểm tra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố Phƣơng pháp đánh giá này dùng chuẩn Fisher. Thực chất là so sánh phƣơng sai thành phần do thay đổi thông số nào gây nên và phƣơng sai do nhiễu gây ra. Nếu tỷ số giữa hai phƣơng sai này lớn hơn giá trị lý thuyết tra bảng của tiêu chuẩn F thì sự khác biệt giữa các giá trị trung bình là đáng kể và các thông số vào có ảnh hƣởng thực sự đến thông số ra, trội hẳn so với ảnh hƣởng ngẫu nhiên. Giá trị tính toán của tiêu chuẩn F là tỷ số: F= (4.23) Trong đó: - Phƣơng sai do sự thay đổi thông số vào X gây nên. 51 = (4.24) - Ƣớc lƣợng phƣơng sai do nhiễu thực nghiệm gây ra. (4.25) - Giá trị trung bình chung của thông số đầu ra tính cho toàn bộ thực nghiệm. = (4.26) Bậc tự do của là =N-1; của là =N(m-1) Giá trị thống kê của chuẩn F đƣợc tính sẵn theo mức ý nghĩa α=0,005, bậc tự do γ1, γ2. Nếu giá trị tính toán F đáng kể trong khuôn khổ ảnh hƣởng của các biến ngẫu nhiên. Nguyên nhân gây nên trƣờng hợp này là đƣa vào thí nghiệm những thông số không có ảnh hƣởng đáng kể hoặc bƣớc biến đổi của thông số quá bé, dẫn đến hiệu ứng ảnh hƣởng của thông số nhỏ so với nhiễu. Nếu F>Fb thì ảnh hƣởng của các thông số vào là đáng kể. c. ác định mô hình thực nghiệm đơn yếu tố để tiến hành các phân tích và dự báo cần thiết. Nhờ sự trợ giúp của máy tính với số liệu thu thập đƣợc, ta có thể lập đƣợc phƣơng trình tƣơng quan giữa các thông số đầu ra và thông số đầu vào. d. Kiểm tra t nh tương th ch của mô hình hồi quy. Phép kiểm tra này thực chất là so sánh phƣơng sai tuyển chọn S2 tạo nên do sự chênh lệch giữa các giá trị hàm tính theo mô hình và giá trị thực nghiệm của nó với phƣơng sai do nhiễu tạo nên theo tiêu chuẩn Fisher. 52 Nếu tỷ số hai phƣơng sai này càng nhỏ tính thích ứng của mô hình càng mạnh. Ngƣợc lại nếu nó càng lớn thì tính thích ứng càng yếu. Khi vƣợt khỏi ngƣỡng của giá trị thống kê Fb thì mô hành bị coi là kh ng tƣơng thích. Phƣơng sai do nhiễu tạo nên là giá trị trung bình của các bình phƣơng độ lệch nhiễu của các điểm thí nghiệm . (4.27) Phƣơng sai tuyển chọn S2 đƣợc tính theo công thức: = (4.28) Trong đó: K* - Hệ số hồi quy có nghĩa Y- Giá trị của đối số Y=F(X1, X2, ...,Xn) tính theo mô hình hồi quy thay các bộ giá trị các thông số vào (X1, X2, ...,Xn) ứng với mỗi điểm thí nghiệm U giá trị tính toán của chuẩn Fisher. (4.29) = Bậc tự do: (4.30) γ1=N- K*.γ2= N(m -1). So sánh với giá trị lý thuyết tra bảng theo bậc tự do γ1, γ2 nêu < m hình là tƣơng thích. Nếu > chứng tỏ sự vƣợt trội một cách có hệ thống của thống kê tập hợp đƣợc ƣớc lƣợng bởi S2 so với tham số tƣơng ứng đƣợc ƣớc lƣợng bởi . Sự khác biệt không còn trong phạm vi sai số ngẫu nhiên nữa, vì thế ngoài sai số theo nhiễu, nguyên nhân khiến sai số thống kê đó vƣợt trội số hệ thống sai lệch bổ sung do sự sai lệch kh ng tƣơng thích của mô hình so với đối tƣợng nghiên cứu. 53 Trong trƣờng hợp này để có m hình tƣơng thích có thể chọn các giải pháp sau: + Phức tạp hóa mô hình bằng cách nâng bậc cao hơn. + Lập lại thực nghiệm với khoảng và mức biến thiên của thông số vào nhỏ hơn e. Xây dựng đồ thị ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến thông số đầu ra Từ kết quả thu đƣợc sau khi thí nghiệm, xây dựng đồ thị của các thông số ảnh hƣởng đến các chỉ tiêu chi phí năng lƣợng riêng. 4.5.2. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố 4.5.2.1. Ảnh hưởng của góc mài cạnh cắt bên đến chi ph năng lượng riêng Thay đổi giá trị góc mài cạnh bên β2 (độ) với 5 mức khác nhau: 40, 45, 50, 55, 60 độ. Giữ nguyên các giá trị gờ giới hạn ∆=0,85mm, góc mài cạnh đáy β1=45 độ. Kết quả thu đƣợc thể hiện ở bảng 4.3. Bảng 4.3. Ảnh hƣởng của góc mài cạnh cắt bên đến chi phí năng lƣợng riêng d (cm) T (giây) STT β2
(độ) 40 1 45 2 50 3 55 4 60 5 N (kW)
3ф
1171.10
1054.94
1143.02
1092.60
1253.40
869.45
708.97
875.51
877.83
888.54
997.30
885.87
1124.91
1165.27
1292.86 F
(cm2)
54.08
57.92
56.18
64.15
66.01
65.01
56.45
56.18
56.05
65.15
64.15
62.74
63.16
65.01
67.17 8.30
8.59
8.46
9.04
9.17
9.10
8.48
8.46
8.45
9.11
9.04
8.94
8.97
9.10
9.25 Nr
(Wh/m2)
259.27
215.01
237.92
202.49
224.16
159.76
156.99
183.97
188.80
168.59
190.01
168.26
204.32
210.63
227.24 4.31
4.25
4.21
4.28
4.25
4.30
4.50
4.25
4.34
4.45
4.40
4.29
4.13
4.23
4.25 54 + Kiểm tra tính đồng nhất của phƣơng sai theo tiêu chuẩn Kohren - Giá trị tính toán Gtt=0,4987 - Giá trị thống kê chuẩn Kohren tra bảng Gb=0,7885 Gtt nhận được. + Đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố - Giá trị Ftt=7,21 - Giá trị Fb=4,10 Ftt>Fb, vậy ảnh hưởng của X hay góc mài cạnh cắt bên đến chi phí năng lượng riêng là đáng ể. Bảng 4.4. Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lƣợng riêng khi góc mài cạnh cắt bên thay đổi Y1
259.27
202.49
156.99
168.59
204.32
991.65 Y2
215.01
224.16
183.97
190.01
210.63
1023.77 Y3
237.92
159.76
188.80
168.26
227.24
981.98 (Y0-Ytb)^2
1411.51
18.99
540.09
586.05
202.66
2759.30 Si^2
326.56
716.00
195.90
103.53
93.45
1435.44 Ytb
237.40
195.47
176.59
175.62
214.06
999.13
199.83
0.50
2069.47
287.09
7.21 STT
1
2
3
4
5
Tổng
Y0
Gtt
Sy^2
Sc^2
Ftt + Xác định mô hình thực nghiệm đơn yếu tố bằng phần mềm qui hoạch thực nghiệm. Phƣơng trình tƣơng quan: (4.31) Nr = 1516,99 – 52,38.β2 + 0,51.β2 + Kiểm tra tính tƣơng thích của mô hình hồi qui theo tiêu chuẩn Fisher - Giá trị tính toán chuẩn Fisher: F=0,0428 - Giá trị tra bảng chuẩn Fisher: Fb=4,10 55 F - Đồ thị tƣơng quan giữa góc mài cạnh cắt bên tới chi phí năng lƣợng riêng: Hình 4.2. Ảnh hƣởng của góc mài cạnh cắt bên đến chi phí năng lƣợng riêng 4.5.2.2. Ảnh hưởng của góc mài cạnh cắt đáy đến chi ph năng lượng riêng Thay đổi giá trị góc mài cạnh đáy β1 (độ) với 5 mức khác nhau: 35, 40, 45, 50, 55 độ. Giữ nguyên các giá trị gờ giới hạn ∆=0,85mm, góc mài cạnh bên β2=50 độ. Kết quả thu đƣợc thể hiện ở bảng 4.5. + Kiểm tra tính đồng nhất của phƣơng sai theo tiêu chuẩn Kohren - Giá trị tính toán Gtt=0,6341 - Giá trị thống kê chuẩn Kohren tra bảng Gb=0,7885 Gtt nhận được. + Đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố - Giá trị Ftt=4,78 - Giá trị Fb=4,10 56 Ftt>Fb, vậy ảnh hưởng của X hay góc mài cạnh cắt đáy đến chi phí năng lượng riêng là đáng ể. Bảng 4.5. Ảnh hƣởng của góc mài cạnh cắt đáy đến chi phí năng lƣợng riêng STT d (cm) T (giây) β1
(độ) 1 35 2 40 3 45 4 50 5 55 N (kW)
3ф
849.10
763.36
1071.96
863.42
863.27
801.35
708.97
875.51
877.83
800.48
712.93
803.50
857.81
893.27
978.04 F
(cm2)
56.18
56.45
56.72
58.06
57.52
55.65
56.45
56.18
56.05
49.12
49.24
48.99
50.24
50.11
50.74 8.46
8.48
8.50
8.60
8.56
8.42
8.48
8.46
8.45
7.91
7.92
7.90
8.00
7.99
8.04 Nr
(Wh/m2)
180.52
161.90
226.80
177.63
178.85
171.19
156.99
183.97
188.80
193.76
172.94
194.53
203.94
213.89
230.75 4.30
4.31
4.32
4.30
4.29
4.28
4.50
4.25
4.34
4.28
4.30
4.27
4.30
4.32
4.31 Bảng 4.6. Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lƣợng riêng khi góc mài cạnh cắt đáy thay đổi Y1 Y2 Y3 Ytb STT Si^2 180.52
177.63
156.99
193.76
203.94
912.84 161.90
178.85
183.97
172.94
213.89
911.54 226.80
171.19
188.80
194.53
230.75
1012.08 (Y0-
Ytb)^2
0.41
174.49
156.52
4.08
734.39
1069.89 744.66
11.30
195.90
100.04
122.46
1174.37 189.74
175.89
176.59
187.08
216.20
945.49
189.10
0.63
802.42
167.77
4.78 1
2
3
4
5
Tổng
Y0
Gtt
Sy^2
Sc^2
Ftt 57 + Xác định mô hình thực nghiệm đơn yếu tố bằng phần mềm qui hoạch thực nghiệm. Phƣơng trình tƣơng quan: (4.32) + Kiểm tra tính tƣơng thích của mô hình hồi qui theo tiêu chuẩn Fisher - Giá trị tính toán chuẩn Fisher: F=0,0061 - Giá trị tra bảng chuẩn Fisher: Fb=4,10 F - Đồ thị tƣơng quan giữa góc mài cạnh cắt đáy tới chi phí năng lƣợng riêng: Hình 4.3 Ảnh hƣởng của góc mài cạnh cắt đáy đến chi phí năng lƣợng riêng 4.5.2.3. Ảnh hưởng của gờ giới hạn đến chi ph năng lượng riêng Thay đổi giá trị gờ giới hạn Δ (mm) với 5 mức khác nhau: 0,65, 0,75, 0,85, 0,95, 1,05 mm. Giữ nguyên các giá trị góc mài cạnh bên và cạnh đáy β2=50; β2=45 độ. Kết quả thu đƣợc thể hiện ở bảng 4.7. 58 Bảng 4.7. Ảnh hƣởng của gờ giới hạn đến chi phí năng lƣợng riêng d (cm) T (giây) STT Δ
(mm) 1 0.65 2 0.75 3 0.85 4 0.95 1.05 5 N (kW)
3ф
1054.40
1051.56
1194.39
741.84
760.04
819.47
708.97
875.51
877.83
1135.39
1115.09
1406.01
1819.38
1705.47
1873.22 F
(cm2)
56.45
56.18
56.05
44.75
45.82
44.75
56.45
56.18
56.05
64.01
64.29
63.73
64.72
65.29
66.15 8.48
8.46
8.45
7.55
7.64
7.55
8.48
8.46
8.45
9.03
9.05
9.01
9.08
9.12
9.18 Nr
(Wh/m2)
233.48
220.96
256.89
197.56
197.21
216.20
156.99
183.97
188.80
212.36
207.64
266.60
335.77
312.72
336.65 4.50
4.25
4.34
4.29
4.28
4.25
4.50
4.25
4.34
4.31
4.31
4.35
4.30
4.31
4.28 + Kiểm tra tính đồng nhất của phƣơng sai theo tiêu chuẩn Kohren - Giá trị tính toán Gtt=0,5362 - Giá trị thống kê chuẩn Kohren tra bảng Gb=0,7885 Gtt nhận được. + Đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các yếu tố - Giá trị Ftt=36,97 - Giá trị Fb=4,10 Ftt>Fb, vậy ảnh hưởng của X hay gờ giới hạn đến chi ph năng lượng riêng là đáng kể. + Xác định mô hình thực nghiệm đơn yếu tố bằng phần mềm qui hoạch thực nghiệm. Phƣơng trình tƣơng quan: (4.33) Nr = 1790,91 - 3984,98.Δ + 2466,31.Δ2 59 Bảng 4.8. Tổng hợp các giá trị tính toán của hàm chi phí năng lƣợng riêng khi gờ giới hạn thay đổi STT Y1 Y2 Y3 Ytb Si^2 1
2
3
4
5 233.482 220.96
197.562 197.21
156.991 183.97
212.361 207.64
335.774 312.72
Tổng 1136.17 1122.5 256.89
216.2
188.8
266.6
336.65
1265.1 (Y0-
Ytb)^2
221.785
4.80
237.11
78.684
977.47
203.66
195.904
3402.81
176.59
715.519
36.65
228.87
328.38
122.731
8734.96
1174.60 13156.69 1334.62
234.92
0.54
9867.51
266.92
36.97 Y0
Gtt
Sy^2
Sc^2
Ftt + Kiểm tra tính tƣơng thích của mô hình hồi qui theo tiêu chuẩn Fisher - Giá trị tính toán chuẩn Fisher: F=0,4054 - Giá trị tra bảng chuẩn Fisher: Fb=4,10 F - Đồ thị tƣơng quan giữa gờ giới hạn tới chi phí năng lƣợng riêng: Hình 4.4 Ảnh hƣởng của gờ giới hạn đến chi phí năng lƣợng riêng 60 Nhận xét: Từ những kết quả thu đƣợc ở trên cho thấy ảnh hƣởng của các yếu tố gờ giới hạn, góc mài cạnh đáy và góc mài cạnh bên đến chi phí năng lƣợng riêng đều tuân theo hàm bậc hai. 4.6. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố 4.6.1. Tiến hành thí nghiệm đa yếu tố Để sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm đa yếu tố cần có các điều kiện [16]. + Kết quả thông số ra phải tập trung cao, nghĩa là khi lập lại nhiều lần cùng một thí nghiệm thì giá trị thu đƣợc không sai lệch quá lớn. + Các yếu tố ảnh hƣởng phải điều khiển đƣợc và chúng phải độc lập với nhau. + Mối liên hệ giữa các thông số tối ƣu và các yếu tố ảnh hƣởng đƣợc thể hiện bởi các phƣơng trình và đáp ứng các điều kiện: - Phải là hàm khả vi. - Chỉ có một cực trị trong khoảng các yếu tố biến thiên. Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố đƣợc thực hiện theo các bƣớc sau: - Chuẩn bị dụng cụ đo, máy móc thiết bị thí nghiệm. - Chọn phƣơng án thích hợp cho thí nghiệm. - Tổ chức thí nghiệm. - Gia công số liệu thí nghiệm. Phân tích và giải thích kết quả nhận đƣợc bằng thuật ngữ của các lĩnh vực khoa học tƣơng ứng. a. Chọn phương án quy hoạch thực nghiệm và lập ma trận thí nghiệm Qua tham khảo ý kiến của các chuyên gia và các tài liệu. Hàm mục tiêu là chi phí năng lƣợng riêng có nhiều khả năng là hàm phi tuyến. 61 Để có kết luận chính xác, ta còn phải căn cứ vào kết quả thực nghiệm đơn yếu tố. Nếu kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho ta quy luật tƣơng quan phí tuyến thì có thể bỏ qua việc tiến hành thực nghiệm bậc 1 và thực nghiệm theo phƣơng án quy hoạch bậc 2. Trong số các kế hoạch thực nghiệm thì kế hoạch trung tâm hợp thành là kế hoạch xuất hiện sớm nhất, nhƣng hiện nay vẫn đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu. Tổng số các thí nghiệm cần thực hiện: (4.34) N=2k+Nα+N0 Trong đó: 2k - Các thí nghiệm phần hạt nhân; k – Các thông số ảnh hƣởng; Nα- Các thí nghiệm ở mức sao; No- Các thí nghiệm ở trung tâm. Trong các mức khác nhau của yếu tố Xi quan trọng nhất là mức cơ sở Xio đƣợc xác định theo công thức. (4.35) Xio=(Ximin+Ximax)/2 Sau cùng là khoảng biến thiên của các yếu tố X. 0 = Xi 0 - Ximin (4.36) ei = Ximax - Xi Để chuyển từ giá trị tự nhiên sang dạng tọa độ. (4.37) xi=(Xi -Xio)/ei Trong đó: xi- Giá trị mã; Xi- Giá trị thực của yếu tố thứ i. Ở dạng mã mức dƣới của mỗi yếu tố có giá trị (-1) mức cơ sở có giá trị 0, còn mức trên cơ sở có giá trị (+1). Để làm cơ sở cho khâu tổ chức thí nghiệm và xử lý số liệu sau này ta lập bảng đối chiếu giữa các giá trị thực và dạng mã cho từng yếu tố (bảng 2.1) 62 và xây dựng ma trận thí nghiệm (bảng 4.9) theo nguyên tắc các thí nghiêm hoàn toàn độc lập. Bảng 4.9. Mã hoá các yếu tố ảnh hƣởng Các yếu tố Mã hóa X3 X2 X1 +1
0
-1
0
1 Mức
biến thiên
Mức trên
Mức cơ sở
Mức dƣới
Khoảng biến thiên
Tay đòn
Sau khí thành lập ma trận thực nghiệm chúng tôi tiến hành tổ chức thí nghiệm. b. Tiến hành thí nghiệm Tiến hành các thí nghiệm theo ma trận đã lập. Sau khi thực hiện các thí nghiệm theo ma trận với số lần lặp lại của từng thí nghiệm m =3, chúng tôi sử dụng chƣơng trình xử lý số liệu đa yếu tố OPT của Mỹ đã đƣợc chép bản quyền và lƣu hành tại Viện cơ điện nông nghiệp Việt Nam trên máy vi tính để kiểm tra. c. ác định mô hình toán học Hàm mục tiêu đƣợc biểu thị bằng các m hình toán là phƣơng trình hồi quy bậc 2 với dạng chung là [14]: + + (4.38) Y =b0 + Trong đó: k – Yếu tố ảnh hƣởng. Các hệ số: = a + (4.39) = e (4.40) 63 = g (4.41) = c + + p (4.42) Trong chƣơng trình máy tính các hệ số: a, b, c, d, e, p đã đƣợc tính sẵn nhờ xác định bo, bi, bii, bij và mô hình toán học đƣợc xác định. d. Kiểm tra t nh đồng nhất của phương sai Kiểm tra tính đồng nhất của phƣơng sai theo tiêu chuẩn Kohren, nếu Gtt các thí nghiệm đƣợc coi là đồng nhất. Điều này cho phép coi cƣờng độ nhiễu là ổn định khi thay đổi các thông số trong thí nghiệm. e. Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi qui Các hệ số hồi qui bo, bi, bii, bij của phƣơng trình sẽ đƣợc kiểm tra mức ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student, trƣớc khi tính phƣơng sai của các hệ số hồi qui [14]. = a (4.43) = (c+d) (4.44) = e (4.45) = g (4.46) 2 - Phƣơng sai thực nghiệm. Trong đó: Sy = (4.47) Hệ số hồi qui có nghĩa khi: (4.48) |b0| > ± t (4.49) |bi| > ± t 64 (4.50) |bij| > ± t (4.51) |bii| > ± t T- Giá trị chuẩn Student tra bảng thống kê với mức ý nghĩa = 0,05 và bậc tự do = N(m-1). Nếu hệ số bi nào đó đƣợc tính theo công thức (4.39÷4.42) mà các giá trị thỏa mãn các điều kiện (4.48 ÷ 4.51) thì có thể bỏ qua trong phƣơng trình hồi quy. g. Kiểm tra t nh tương th ch của phương trình hồi quy Sau khi đã loại bỏ một số hệ số bi không có ý nghĩa khỏi mô hình (4.38) ta đƣợc phƣơng trình hồi qui thực nghiệm. Chúng ta cần phải kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher. Nếu Ftt hình kh ng tƣơng thích. Trong trƣờng hợp này để có m hình tƣơng thích có thể chọn các giả pháp sau: + Phức tạp hóa mô hình bằng cách nâng bậc cao hơn. + Lặp lại thực nghiệm bậc hai với mức biến thiên của các thông số đầu vào nỏ hơn. h. Tính lại các hệ số hồi qui Nếu trong mô hình có một số hệ số v nghĩa, chúng bị loại bỏ khỏi mô hình. Các hệ số còn lại liên quan phụ thuộc với chúng cần tính lại. Đối với kế *. hoạch Hartly: + Khi loại bỏ bậc tự do b0 thì hệ số bii mới ký hiệu bii = + (4.52) Một số hằng số bổ trợ cũng thay đổi theo cần tính lại sau đó kiểm tra lại các hệ số mới. (4.53) a*=p*= 0 65 d*= d - (4.54) c*= c (4.55) + Khi bỏ một số m hệ số bii, 1≤m Các hệ số: bi, bij, bj.... không phải tính lại vì không liên quan phụ thuộc với bii. Chỉ tính các hệ số bii còn lại và b0. - = (4.56) = + - (4.57) Trong đó: = 0 (4.58) (4.59) = ( - m ) (4.60) c*=c; d*= Sau khi loại bỏ các hệ số v nghĩa và tính lại các hệ số khác không cần tính mức ý nghĩa của các hệ số mới theo đúng qui trình. i. Kiểm tra khả năng làm việc của phương trình hồi qui Mô hình hồi qui đƣợc xác định nhằm mục đích dự báo gía trị hàm Y tại các tọa độ đƣợc quan tâm, giải bài toán tối ƣu. Ý nghĩa của phép kiểm tra cho phép khẳng ảnh mô hình có thực sự phản ánh, ảnh hƣởng của các yếu tố đến hàm chỉ tiêu hay không. Nếu mô hình có khả năng làm việc thì giá trị dự báo Y ở tọa độ nào đó là chính xác, có sai số nhỏ hơn ít nhất 2 lần so với việc gán cho tọa độ đó là giá trị trung bình tính theo toàn bộ số thí nghiệm. = = (4.61) 66 Nếu m hình đƣợc coi là có khả năng làm việc (là hữu ích) trong sử dụng để dự báo hệ số đơn định ≥0,75. R2 = 1- (4.62) k. Chuyển phương trình hồi quy về dạng thực Để mô tả sự ảnh hƣởng của các thông số nghiên cứu đến các chỉ tiêu quan tâm cần đƣa phƣơng trình hồi quy về dạng thực với các biến là các thông số tự nhiên có thứ nguyên. Thay công thức (4.37) vào phƣơng trình hồi quy dạng mã ta đƣợc (4.63) Y =a0 + Các hệ số a0, ai, aij có thể xác định theo hệ số hồi quy dạng mã: (4.64) = - (4.65) = - - i≠j (4.66) = (4.67) = ε- Hệ số chuyển đổi; Xi- Giá trị tự nhiên của các thông số. 4.6.2. Kết quả thực nghiệm đa yếu tố Từ kết quả thực nghiệm đơn yếu tố ở trên cho thấy qui luật tƣơng quan của hàm mục tiêu là hàm phi tuyến vì vậy ta tiến hành ngay kế hoạch thực nghiệm bậc hai. 67 4.6.2.1. Chọn vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của các thông số đầu vào Trong quá trình thực nghiệm đơn yếu tố, ta đã xác định đƣợc mức biến thiên của các yếu tố ảnh hƣởng. Dựa vào các công thức 4.35-4.37 ta có bảng sau: Bảng 4.10. Mã hoá các thông số đ u vào Các yếu tố Mã hóa X1 Δ
(mm) X2
β1 (độ) X3
β2 (độ) Mức
biến thiên
Mức trên
Mức cơ sở
Mức dƣới
Khoảng biến thiên
Tay đòn +1
0
-1
1
±α 1,05
0,85
0,65
0,2
0,65; 1,05 55
45
35
10
35; 55 60
50
40
10
40, 60 Ta có: =5.Δ - 4,25 X1= (4.68) =0,1.β1 - 4,5 X2= X3= =0,1.β2 - 5 4.6.2.2. Thành lập ma trận th nghiệm Bảng 4.11. Ma trận thí nghiệm kế hoạch trung tâm hợp thành STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 X1
-1
1
-1
1
-1
1
-1
1
1
-1
0 X2
-1
-1
1
1
-1
-1
1
1
0
0
1 X3
-1
-1
-1
-1
1
1
1
1
0
0
0 68 -1
0
0
0
0
0 0
1
-1
0
0
0 12
13
14
15
16
17 0
0
0
0
0
0 4.6.3. Xác định phương trình hồi qui hàm chi phí năng lượng riêng Kiểm tra t nh đồng nhất của phương sai Giá trị chuẩn Kohren tính toán đƣợc là: Gtt=0,2139 Giá trị thống kê tra bảng là: Gb=0,3760 Ta thấy Gtt ác định mô hình thực nghiệm Sử dụng phần mềm qui hoạch thực nghiệm OPT ta có thể tính đƣợc các hệ số và phƣơng trình dạng mã của hàm chi phí năng lƣợng nhƣ sau: Y = 212,033 + 21,024.X1 + 44,16.X1 (4.69) 35,684.X2 Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi qui bi tính đƣợc nhƣ sau: Các giá trị S2 Tiêu chuản Student cho các hệ số là: T0,0 = 8.3062 T1,0 = 3.8116 T1,1 = 4.1466 T2,0 = 5.8457 T2,1 = 2.9535 T2,2 = -3.3274 T3,0 = -2.5982 T3,1 = -0.2064 T3,2 = 1.1921 69 T3,3 = -2.2046 Sử dụng tiêu chuẩn Student, những hệ số có nghĩa khi Ttt| > Tb. Giá trị: Tb với α =0.05; θ=N(m-1)=34 tra bảng là: Tb=1,70. Trong phƣơng trình trên có hai hệ số kh ng có ý nghĩa là b31 và b32. Ta loại hai hệ số này và phƣơng trình (4.69) có dạng sau: Y = 212,033 + 21,024.X1 + 44,16.X1 (4.70) 35,684.X2 Chuyển phương trình hồi qui của hàm mục tiêu về dạng thực Ta đƣợc: Nr = 1104.Δ2 -2181,02.Δ + 9,1.Δ.β1 + 0,36.β1 (4.71) 12,59.β2 + 1538,65 4.6.4. Xác định các thông số hợp lý Sử dụng một số phƣơng pháp toán học, đề tài xác định đƣợc thông số hợp lý: Δ=0,8mm; β1=40,5o; β2=60o
Chi phí năng lƣợng riêng Nr=190,42 (Wh/m2) 4.6.5. Vận hành máy với các thông số hợp lý Trên cơ sở kết quả tính toán các thông số hợp lý ở trên ta tiến hành vận hành máy với các thông số đó. Kết quả thí nghiệm đƣợc trình bày ở phụ biểu:
Ta có: Nr=203,43 (Wh/m2) Sai số: =6,4% Sự sai khác kh ng đáng kể, giá trị các thông số hợp lý có thể chấp nhận đƣợc. 70 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ KẾT LUẬN Sau một thời gian làm việc khẩn trƣơng, cùng sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo TS. Trịnh Hữu Trọng và Th.S Phạm Văn Lý, đến nay t i đã hoàn thành xong đề tài: " ác định một số thông số hợp lý của x ch cưa hi cưa gỗ Bạch đàn Eucalyptus camaldulensis". Đề tài đã thu đƣợc một số kết quả sau: 1. Bằng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố, đã xây dựng đƣợc phƣơng trình và đồ thị tƣơng quan giữa chi phí năng lƣợng riêng và các yếu tố ảnh hƣởng: gờ giới hạn, góc mài cạnh cắt bên, và góc mài cạnh cắt đáy: - Ảnh hƣởng của góc mài cạnh cắt bên đến chi phí năng lƣợng riêng: - Ảnh hƣởng của góc mài cạnh cắt đáy đến chi phí năng lƣợng riêng: Nr = 671,59 - 23,33.β1 + 0,27.β1 - Ảnh hƣởng của gờ giới hạn đến chi phí năng lƣợng riêng:
Nr = 1790,91 - 3984,98.Δ + 2466,31.Δ2 2. Đề tài đã xác định đƣợc độ ẩm, kích thƣớc gỗ Bạch đàn sử dụng làm thí nghiệm. 3. Đề tài đã xây dựng đƣợc ma trận thực nghiệm và xác định đƣợc giá trị hợp lý của một số thông số ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng riêng: - Gờ giới hạn: Δ=0,8 (mm); - Góc mài cạnh cắt đáy: β1=40,5 (độ) - Góc mài cạnh cắt bên: β2=60 (độ) 4. Đề tài đã vận hành máy với các thông số hợp lý của xích cƣa, kết quả thu đƣợc sai khác so với kết quả tính toán kh ng đáng kể. KHUYẾN NGHỊ Từ những kết quả thu đƣợc của đề tài, tôi xin có một số kiến nghị: 71 - Nên cƣa gỗ Bạch đàn với những thông số hợp lý của cƣa để giảm chi phí năng lƣợng. Nên lựa chọn góc cắt hợp lý và cũng cần đảm bảo thời gian làm việc quá lâu. - Kết quả đề tài này có thể phục vụ cho công tác tra cứu và phục vụ cho công tác thiết kế, cải tiến, sử dụng cƣa xích trong quá trình gia c ng gỗ. 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT 1. Bộ NN&PTNT (2009), Báo cáo tóm tắt kết quả thực hiện dự án trồng 5 triệu ha rừng năm 1998-2010, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. 2. Bộ NN&PTNT (2000), Tên cây rừng Việt Nam : The names of forest plants in Vietnam, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. 3. Từ điển bách khoa Việt Nam (2005), Nxb Từ điển Bách Khoa, Hà Nội. 4. Bộ NN&PTNT (2001), Chiến lược phát triển Lâm nghiệp giai đoạn (2001- 2010), Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. 5. Bộ môn công nghệ chế biến gỗ (1976), Giáo trình gỗ, Trƣờng Đại học Lâm nghiệp, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. 6. Đỗ Văn Bản (2010), "Hiện tƣợng nứt vỡ gỗ tròn và gỗ xẻ cây Bạch đàn trắng Eucalytus camaldulensis Dehnh", Tạp chí Khoa học Lâm nghiệp 4, pp. 1656-1661. 7. Đoàn Tử Bình (1995), Bài giảng xác suất thống kê. Đại học Lâm nghiệp. 8. Đỗ Đình Bình (1993), Khảo nghiệm cưa xăng P-70 và tời hai trống chặt hạ và vận xuất gỗ Đước ở rừng ngập mặn, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Hà Nội. 9. Nguyễn Văn Bỉ (2004), "Về việc giải bài toán tối ƣu trong c ng nghiệp rừng", Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông thôn 2, pp. 266-268. 10. Nguyễn Văn Bỉ, Lê Văn Thái (1997), Cơ học kỹ thuật, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. 11. Trần Chí Đức (1981), Thống kê toán học, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội 12. Nguyễn Trọng Hùng (1985), Khảo nghiệm một số loại cưa xăng trong dây chuyền khai thác gỗ tại Tây nguyên, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Hà Nội. 13. Đặng Thế Huy (1995), Phương pháp nghiên cứu khoa học cơ h Nông nghiệp, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội 73 14. Lê Công Huỳnh (1995), Phương pháp nghiên cứu khoa học, Nxb Nông nghiệp, Hà nội. 15. Ngô Kim Khôi (1998), Thống kê toán học trong Lâm nghiệp, Nxb Nông nghiệp Hà Nội. 16. Phạm Văn Lang, Bạch Quốc Khang (1998), Cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật nông nghiệp, Nxb Nông Nghiệp. 17. Lê Nhƣ Long (1995), Máy nông nghiệp dùng trong hộ gia đình và trang trại nhỏ, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. 18. Hoàng Nguyên (2005), Máy và thiết bị gia công gỗ, Nxb N ng nghiệp, Hà Nội. 19. Dƣơng Văn Tài (2005), Nghiên cứu sử dụng cưa xăng để chặt hạ một số loài tre thuộc chi Dendrocalmus ở Miền Bắc Việt Nam, Luận án Tiến sỹ kĩ thuật, Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam, Hà Nội. 20. Nguyễn Đình Thành (1999), Dự đoán sản lượng rừng trồng Bạch Đàn Trắng (Eucalyptus camaldulensis) tại Bình Định, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, trƣờng Đại học Lâm nghiệp. 21. Lê Xuân Tình, (1992), Lâm sản và bảo quản Lâm sản, Trƣờng Đại học Lâm nghiệp. 22. Trịnh Hữu Trọng, Nguyễn Kim, Ng Văn Chỉnh, Trần Mỹ Thắng, Nguyễn Văn Quân, Dƣơng Văn Tài (2000), Khai thác vận chuyển lâm sản, Nxb Nông nghiệp, Hà Nội. 23. Nguyễn Nhƣ Tùng, (2010), ác định một số thông số tối ưu của x ch cưa xăng hi cưa gỗ keo lá tràm, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, trƣờng Đại học Lâm nghiệp. 24. Hoàng Việt, Hoàng Thị Thuý Nga (2010), Cơ sở tính toán thiết kế máy và thiết bị gia công gỗ, Nxb Nông Nghiệp, Hà Nội. 74 TIẾNG ANH 25. Cunha IA da; Yamashita - Ry, Corea - IM; Mziero - JVC; Maciel (1998), Evaluation of noise and vibration and noise emitted by a chaisaw preliminary results, Bragantia, Brazil. 26. FAO (1990), Case study on Integrated small-scale fores harvesting and wood processing operations, Rome. 27. FAO (1998), The procedings of the seminar on small-scale logging operation and machine held at Gapenberg 6/1987, Rome. 28. Finaland country of forests (1984), Finnish forestry association, Helsinki. 29. Kantola. M and K.Virtanen (1996), Handbook on appropriate Technology for forestry operations in developing country, Part I, Helsinki. 30. Kantola. M and K.Virtanen (1996), Handbook on appropriate Technology for forestry operations in developing country, Part I, Helsinki. 31. Knepr-J (1999), Simultanecus research on the performance of motor trimmer and chainsaws, Sumarski - list, Croatia. 32. Lee Joon Woo; Park Bumjin; Kim jae won (1998), Work load of felling work using chainsaw on a Japanese larch plantation site, Journal of Korean forestry society. 33. Liu - Yishan, Zhang - Lan (1998), A study on chainsaw sproket design and caculations, Seientina silvae sinicae, Heilongjiang. 34. Machado-cc (1998), Mechanisation in forest operations in Brazil in caparison with Finland finnish forest institute, Brazil. 35. Profitable Harvesting (1990), Finnish Foreign trade association, Helsinki. 36. Sullman-MJM (1998), The production of lumber using chainsaws in Guyana, World - Ecology, Guyana. 37. Suwala- M (1998), Cost of work of selected means for havesting timber, Poland. 75 TIẾNG NGA 38. Алябbe.ВИ. (1997), Оптимизация производственных процессов на Лесозаготовках, Москва. Леспром. 39. Высотин. НЕ (1981), Научные исследования при изучении курса "Teехнология и машина лесосечных работ", гослебумиздат. М. 40. Гороховский К.Ф.(1991), Мaшины и оборудовани лeсосечных рaбот, Экология. М. 41. Kретов.вс (1975), анализ трудозатрат при эксплуатации лёгких бензиномоторных пил универсального типа. Труды цниимэ вып 142. 42. Кочeгaров. В.г (1990), Технология и Машины лесосечных работ, Десная. пром.М. 43. Kоусман.В.В,Белозоров.Л.Н (1964) Исследование процесса пиления древесины цепными режушими аппаратами моторных пил.Труды цниимэ вып 49. 44. Миронов. Е. И.(1990), Машины и оборудование лесозАготовок, Лесная пром. М. 45. Можаев. Д.В (1987), Механизация и лесозаготовок зарубежом, Лесная пром. М. 46. Пижурин. А.В (1984), Исследования процессов дерево-обработки, Лесная пром. М. 47. Полищук.А.П (1975) Методы оптимизации основных параметров бензиномоторных пил.Труды цниимэ вып 142 48. Полищук.А.П (1972) Валка леса .ЛЕСПРОМ.Москва.2
Nrtb
2
fi.Nrtb
2
2
Nr = 671,59 - 23,33.β1 + 0,27.β1
2 + 32,404.X2 + 18,193.X2.X1 -
2
2 - 3,316.X3 – 1,272.X3.X1 + 7,389.X3.X2 – 12,919.X3
2 + 32,404.X2 + 18,193.X2.X1 -
2
2 - 3,316.X3 – 12,919.X3
2 +
2 – 36,61.β1 – 0,13.β2
2
Nr = 1516,99 - 52,38.β2 + 0,51.β2
2
PHỤ LỤC