Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động

Chia sẻ: Minh Tú | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình, thiết lập phương trình động lực học, phương trình rung động của lưỡi cưa vòng đứng, khảo sát phương trình động lực học, xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động, để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT uu TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN THỊ LỤC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA CƯA VÒNG ĐỨNG TRONG DÂY CHUYỀN XẺ GỖ TỰ ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
Luận án được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP Người Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dương Văn Tài Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Lâm Nghiệp Vào hồi ……giờ............ngày............tháng............năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia Thư viện trường Đại học Lâm nghiệp
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Năm 2016 Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Trường Đại học Lâm nghiệp chủ trì đề tài cấp nhà nước về “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động năng suất 3 -4 m3/h gỗ thành phẩm ” mã số ĐTĐL.CN-10/16. Đề tài đã thiết kế chế tạo ra dây chuyền xẻ gỗ tự động, song đề tài chỉ mới dừng lại ở phần thiết kế chế tạo chế tạo, thử nghiệm một mô hình dây chuyền xẻ gỗ tự động, chưa có nghiên cứu về động lực học quá trình xẻ của cưa và tối ưu các thông số của các thiết bị trong hệ thống. Trong dây chuyền xẻ gỗ tự động thì cưa vòng đứng là thiết bị quan trọng ảnh hưởng lớn đến khả năng và hiệu quả làm việc của dây chuyền, việc nghiên cứu tính toán tối ưu các thông số kỹ thuật của cưa vòng đứng nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là rất cần thiết. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, tôi chọn và thực hiện đề tài luận án: “Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động” . 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng mô hình, thiết lập phương trình động lực học, phương trình rung động của lưỡi cưa vòng đứng, khảo sát phương trình động lực học, xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động, để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. 3. Những đóng góp mới của luận án - Đã xây dựng đươ ̣c mô hình động lực học của cưa vòng đứng, thiế t lâ ̣p và khảo sát đươ ̣c hê ̣ phương trình vi phân chuyển động của cưa vòng và phương trình rung động của lưỡi cưa. Kết quả khảo sát đã xác định được giá trị một số thông số hình học, động học và động lực học làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo cưa vòng đứng. - Đã xây dựng được cơ sở lý luận về việc thiết lập và giải bài toán tối ưu đa mục tiêu với nhiều tham số ảnh hưởng, có thể sử dụng cho các bài toán tương tự. Đối với cưa vòng đứng đã chọn được 6 tham số điều khiển của bài toán tối ưu có 2 mục tiêu, trong đó sử dụng phương pháp đồng dạng và thứ nguyên để xây dựng hàm tương quan. Theo phương pháp này đã giảm được hơn 4 lần số thí nghiệm cơ bản, do đó giảm chi phí thực nghiệm để có thể thực hiện được, mà vẫn đảm bảo cả 6 tham số biến đổi ở các mức cần thiết.
2 - Đã xây dựng đươ ̣c mô hin ̀ h nghiên cứu thực nghiê ̣m đô ̣ng lực ho ̣c, đã xác đinh ̣ đươ ̣c mô ̣t số thông số đô ̣ng lực ho ̣c của cưa vòng đứng phu ̣c vu ̣ cho bài toán khảo sát và kiể m chứng mô hiǹ h tiń h toán lý thuyế t đã lâ ̣p. - Bằng nghiên cứu thực nghiệm đề tài luận án đã xác định được giá trị của các thông số khi xẻ cho gỗ Tần bì là: Sức căng ban đầu S0 = 1867 (N), vận tốc cắt v = 55 (m/s), vận tốc đẩy uc = 0,123(m/s), góc cắt δ = 58 (độ), chiều cao mạch xẻ H = 44 (cm) tương ứng với đường kính gỗ d = 62 (cm). Với các thông số trên thì chi phí năng lượng riêng Ar min = 1,72kWh/m2 và độ mấp mô bề mặt ván xẻ Ramin = 0,173mm, năng suất trung bình cần xẻ Πv= 3,12 (m3/h) ˃ [Πv] = 3(m3/h), thỏa mãn yêu cầu của đề tài. 4. Ý nghiã khoa ho ̣c của những kế t quả nghiên cứu của đề tài luâ ̣n án - Từ hệ phương trình động lực học lâ ̣p đươ ̣c, tiế n hành khảo sát ra được đồ thị vận tốc và gia tốc, xác định được hệ số không đồng đều (ψ) của vận tốc góc, hệ số động lực học (kđ). Khảo sát ảnh hưởng của mô men quán tính bánh đà (Ibđ) đến hệ số không đồng đều, hệ số động lực học. Khảo sát ảnh hưởng của lực căng lưỡi cưa (S0) đến chi phí năng lượng riêng và chất lượng mạch xẻ. Kết quả khảo sát đã xây dựng được biểu đồ tương quan giữa Ibđ với ψ, và bảng S0 với lực cản cắt riêng của từng loại gỗ (kc). Đó là cơ sở khoa học cho việc xác định giá trị hợp lý một số tham số của cưa vòng đứng . - Từ phương trình rung động của lưỡi cưa, tiến hành khảo sát ra được đồ thị, xác định được biên độ rung động ngang của lưỡi làm cơ sở đánh giá chất lượng bề mặt ván xẻ. - Vận dụng lý thuyết đồng dạng và thứ nguyên trong nghiên cứu thực nghiệm đã xây dựng được phương pháp tổng quát để lập và giải bài toán tối ưu hóa các thông số của cưa vòng đứng. Phương pháp này có thể sử dụng cho các bài toán có nhiều tham số ảnh hưởng tương tự trong kỹ thuật. 5. Ý nghiã thực tiễn của đề tài luâ ̣n án - Kết quả nghiên cứu của luận án được sử dụng cho việc thiết kế, chế tạo và hoàn thiện cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động do đề tài cấp nhà nước mã số ĐTĐL.CN-10/16 thiết kế chế tạo. - Những kết quả của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị nghiên cứu, những đơn vị chế tạo cưa vòng đứng.
3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về các công trình nghiên cứu tối ưu cưa vòng đứng ở Việt Nam va trên thế giới Việc nghiên cứu về máy cưa vòng đứng ở việt Nam còn rất ít, đặc biệt là các vấn đề về tối ưu, hầu như chưa có công trình nào xét đầy đủ các mục tiêu với nhiều thông số ảnh hưởng, cho đối tượng xẻ là gỗ của Việt Nam. Trên thế giới có nhiều loại cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động đã được áp dụng vào thực tế, song các công bố về kết quả tính toán tối ưu của cưa vòng đứng còn hạn chế. 1.2. Đối tượng nghiên cứu 1.2.1. Thiết bị nghiên cứu Cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động do đề tài cấp nhà nước mã số ĐTĐL.CN-10/16 thiết kế chế tạo. Sơ đồ cấu tạo của cưa vòng đứng được thể hiện trên hình 1.1. 1- Lưỡi cưa; 2- Bánh đà chủ động; 3- Báng đà bị động; 4- Cơ cấu căng lưỡi cưa bằng thủy lực; 5- Cơ cấu ổn định lưỡi cưa; 6- Cơ cấu ổn định lưỡi cưa; 7- Cơ cấu ổn định lưỡi cưa; 8- Cơ cấu làm sạch bánh đà; 9- Xe goòng vam kẹp gỗ; Hình 1. 1: Sơ đồ cấu tạo của cưa 10 - Động cơ điện; vòng đứng 11- Hệ thống chân đế; 12 - Bánh đai bị động; 13 - Bánh đai chủ động. 1.2.2. Nguyên liệu đưa vào xẻ Theo thiết kế nguyên liệu của dây chuyền xẻ gỗ tự động do đề tài cấp nhà nước thiết kế chế tạo là các loại gỗ rừng trồng nhập khẩu hoặc gỗ trong nước có đường kính từ 30cm đến 80 cm, chiều dài khúc gỗ ≤ 4m, nhóm gỗ từ nhóm 2 đến nhóm 6.
4 Căn cứ kết quả khảo nghiệm và nhu cầu sử dụng, loại gỗ phù hợp nhất cho dây chuyền xẻ gỗ tự động đó là gỗ Tần bì (Fraxinus) nhập khẩu từ Châu Âu có đường kính 30÷80cm, đây là loại gỗ có độ cứng trung bình. 1.3. Nội dung nghiên cứu Để thực hiện được mục tiêu đặt ra luận án đề ra các nội dung nghiên cứu sau: 1.3.1. Xác định các thông số cơ bản của cưa vòng đứng theo điều kiện làm việc - Xây dựng và khảo sát mô hình động lực học của cưa vòng đứng. Căn cứ vào điều kiện an toàn và ổn định để xác định một số thông số về kết cấu và kỹ thuật; - Xây dựng và khảo sát mô hình rung ngang của lưỡi cưa để tìm ra nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt ván xẻ. Từ đó đưa ra giải pháp giảm rung ngang của lưỡi cưa. 1.3.2. Xác định giá trị tối ưu của một số thông số theo các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả và chất lượng của quá trình xẻ - Phân tích và lựa chọn chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để đánh giá hiệu quả sử dụng cưa vòng đứng trong quá trình xẻ gỗ; - Xác định các tham số ảnh hưởng và lựa chọn tham số điều khiển của bài toán tối ưu; - Lập mô hình tính toán của các chỉ tiêu theo tham số điều khiển, bằng thực nghiệm đa yếu tố. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu có điều kiện. 1.4. Phương pháp nghiên cứu 1.4.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cưa vòng đứng, sử dụng phương pháp cơ học hệ nhiều vật, phương pháp chuyển nghiệm của PTVP về dạng bậc, phương pháp phân ly biến số, nguyên lý Hamilton để lập mô hình và thiết lập hệ phương trình vi phân và giải hệ phương trình vi phân đã lập. Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để khảo sát các phương trình vi phân lập được. 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp đo các đại lượng nghiên cứu trong luận án được thực hiện theo phương pháp đo lường các đại lượng không điện bằng điện. Nội dung của phương pháp cũng như việc xử lý các kết quả thực nghiệm được trình bày trong các tài liệu [3], [13], [24].
5 Phương pháp thống kê toán học, phương pháp đồng dạng và thứ nguyên. Việc lập kế hoạch và tổ chức thực nghiệm cũng như xử lý các số liệu thí nghiệm được trình bày rõ trong các tài liệu [1], [2], [13], [24]. Việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu nêu trên sẽ được trình bày cụ thể ở các chương tiếp theo khi tiến hành nghiên cứu từng nội dung. Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH, KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ RUNG ĐỘNG CỦA LƯỠI CƯA VÒNG ĐỨNG 2.1. Lập phương trình vi phân chuyển động Sơ đồ động lực học quá trình xẻ được biểu diễn như hình 2.1. a) Sơ đồ b) Mô hình ĐLH động học tương đương Hình 2. 1: Sơ đồ động lực học của cưa vòng đứng Để xây dựng sơ đồ tính toán động lực học của hệ ta phải đưa ra một số giả thiết sau: + Các bánh đà chủ động và bị động tuyệt đối cứng, liên kết giữa bánh đà và lưỡi cưa là liên kết giữ, dừng và honolom (hình học); + Bỏ qua lực cản khí động học hệ bánh đà khi quay. + Liên kết giữa các trục là các liên kết của bộ truyền đai và lưỡi cưa, giả thiết chúng là các phần tử đàn hồi làm việc trong giới hạn tuyến tính. + Các bánh xe của cơ cấu kẹp gỗ (xe goòng) lăn không trượt trên ray và bỏ qua sức cản của không khí.
6 + Đối với gỗ đưa vào xẻ, có sự đồng nhất về cơ lý tính không phụ thuộc vào vị trí xẻ trên một khúc gỗ. + Đới với lưỡi cưa, các thông số về độ mở cưa, các góc của răng cưa và bước răng là đồng đều. Với các giả thiết trên thì luận án lập được mô hình động lực học của hệ được biểu diễn như hình 2.1. Lập hệ tọa độ OXYZ, gốc tọa độ tại tâm bánh đà chủ động 1; OY theo phương chuyển động của xe goòng; OX phương nằm ngang; OZ theo phương thẳng đứng. Trong đó các trục có gắn các puly đai và bánh đà của cưa vòng, các khối lượng này chỉ chuyển động quay quanh các trục cố định, được đặt trên các ổ lăn có mô men cản (ma sát lăn) MT. Hệ gồm bốn phần tử có thể coi là các vật rắn, mà chuyển động của chúng khác nhau, nhưng lại có liên kết với nhau để tạo thành một quá trình xẻ gỗ. Các vật đó là: 1-Trục số I, (gồm trục động cơ và puly bánh đai chủ động) thông số định vị là góc quay φ1(t); 2-Trục số II, (gồm trục, puly bánh đai bị động và bánh đà chủ động của lưỡi cưa) thông số định vị là góc quay φ2(t); 3-Trục số III, (gồm trục và bánh đà bị động của lưỡi cưa) thông số định vị là góc quay φ3(t); 4- Xe goòng cùng với gỗ, chuyển động tịnh tiến theo phương trục OY, thông số định vị là dịch chuyển y(t). Trên hình 2.1 các trục (I), (II) và (III) có vị trí cố định, chúng chỉ có chuyển động quay quanh các ổ lăn cố định. Trục III không quay, được giữ ở vị trí cân bằng ổn định nhờ hệ thống thủy lực số 4. Để lập được mối quan hệ động lực học này, luận án sử dụng phương trình lagranger loại 2: (2.1) Vậy hệ có bốn tọa độ suy rộng đủ để xác định vị trí, ta chọn các tọa độ đó là φ1, φ2, φ3 và y. q = [φ1, φ2, φ3, y ]T (2.2) Ta được hệ phương trình vi phân dao động quanh vị trí cân bằng:
7 (2.3) Trong đó: Các thông số đầu vào như sau: I1 - Mô men quán tính của trục I với puly đai chủ động; I2 - Mô men quán tính của trục II với puly đai bị động và bánh đà chủ động; I3 - Mô men quán tính của trục III và bánh đà bị động; c1, c2 - Độ cứng của dây đai và lưỡi cưa vòng; k1, k2 - Hệ số cản dao động của dây đai và lưỡi cưa; R1, R2, R3, R4 - Bán kính của bánh đai chủ động, bánh đai bị động, bánh đà chủ động và bánh đà bị động (R3 = R4); mxg - Khối lượng xe goòng và gỗ; MT1, MT2, MT3 - Mômen ma sát trên các trục I; II và III; Mđc - Mô men của trục động cơ điện; Mcắt - Mô men cản cắt của lực cắt Pcắt đối với trục bánh đà; Fms - Lực ma sát của đường ray với bánh xe goòng; Qy - Lực cản cắt của gỗ theo phương Oy; Fk - Lực kéo xe goòng. Các thông số đầu ra là: φ1, φ2, φ3 - Góc quay của các trục I, II và III; - Vận tốc góc quay của các trục I, II và III; - Gia tốc góc quay của các trục I, II và III; - Gia tốc trong chuyển động tịnh tiến của xe goòng. 2.2. Khảo sát thông số động lực học trong quá trình xẻ a. Nội dung khảo sát Nội dung khảo sát là giải hệ phương trình động lực học (2.3) nhờ sự trợ giúp của phần mềm Matlab- simulink với đầu ra là vận tốc góc và gia tốc góc các trục. Từ kết quả khảo sát sẽ xác định hệ số (kđ) và (ψ) ứng với giá trị của một sô thông số ảnh hưởng (đầu vào). Theo điều kiện an toàn và ổn định sẽ xác định giá trị cần thiết của thông số ảnh hưởng để thiết kế, chế tạo các bộ phận của cưa. Với bảng thông số đầu vào khi tính toán để xẻ gỗ Tần bì bảng 2.1, được kết quả đồ thị khảo sát của vận tốc và gia tốc của trục II như hình 2.2.
8 Bảng 2.1: Bảng thông số đầu vào của phương trình ĐLH Van toc goc truc I Gia toc goc truc I 300 80 280 75 70 260 65 240 60 220 55 50 Van toc goc truc I(1/s) Gia toc goc truc (1/s ) 200 2 45 180 40 35 160 30 140 25 120 20 100 15 10 80 5 60 0 -5 40 -10 20 -15 0 -20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thoi gian t (s) Thoi gian t (s) a) Đồ thị vận tốc góc trên trục I b) Đồ thị gia tốc góc trên trục I Van toc goc truc II Gia toc goc truc II 140 50 130 45 120 40 110 35 100 30 Van toc goc truc II (1/s) Gia toc goc truc II (1/s 2 ) 90 25 80 20 70 15 60 10 50 5 40 0 30 -5 20 -10 10 -15 0 -20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thoi gian t (s) Thoi gian t (s) c) Đồ thị vận tốc góc trên trục II d) Đồ thị gia tốc góc trên trục II Hình 2. 2: Đồ thị thể hiện vận tốc góc và gia tốc góc của trục I và II trong quá trình xẻ Kết quả đồ thị khảo sát của vận tốc và gia tốc trên trục gắn bánh đà chủ động II: ω2max=129 ; ω2min=112 ; ω2tb =121.
9 b. Kết quả khảo sát phương trình động lực học Để đánh giá mức độ không đồng đều chuyển động quay của máy ta dùng chỉ số không đều của vận tốc góc, chỉ số này được xác định bằng tỉ số vận tốc quay của khâu dẫn: (2.4) Với: ; Trong kỹ thuật cơ khí giá trị cho phép của ψ ứng với từng loại động cơ được quy chuẩn trong một giới hạn sau: ; Thực hiện quá trình khảo sát và tính toán như trên khi xẻ một số loại gỗ khác, ta nhận được kết quả đã ghi trong bảng 2.2 cụ thể là: Bảng 2.2: Kết quả tính toán hệ số không đồng đều vận tốc góc quay của trục I đối với từng loại gỗ. Loại gỗ Gỗ Lim Gỗ Giẻ Gỗ Tần Bì Gỗ Thông Hệ số ψ Trục I: ψ 1 0,804 0,353 0,141 0,03 Trục II: ψ 2 0,804 0,353 0,141 0,03 Qua trên ta thấy hệ số không đồng đều vận tốc góc thay đổi khá lớn khi xẻ các loại gỗ trên với cùng một máy thì ảnh hưởng đến độ bền của động cơ điện, nên cần tìm các giải pháp làm giảm hệ số ψ. Đối với gỗ Lim hệ số ψ lớn hơn khoảng cho phép , như vậy máy cưa với các thông số đã cho không đảm bảo khi xẻ gỗ Lim. c. Chuyển đồ thị nghiệm của phương trình vi phân về dạng bậc Đồ thị nghiệm của phương trình vi phân (2.3) - hình 2.2 (a) là hàm theo t có dạng khai triển lượng giác, có thể chuyển về dạng bậc (dạng thực ban đầu) như sau: Từ dạng lượng giác của vận tốc góc   a0  a1cos(t) , trong đó: f 0t s 2f 2 a0  ; a1 = 0 ;   , với T là T  T Hình 2. 3: Đồ thị vận tốc góc trục chu kỳ biến động . I dạng bậc tương ứng với dạng lượng Nếu xét một chu kỳ của ω2 trên hình giác 2.2 (a) từ thời điểm t = 22 (s) đến thời điểm t = 62 (s), ta có: T= 40 ; t0 = tc = 20 và Ω= 2π/T = 0,157.
10 Đồ thị dạng bậc của vận tốc góc trục I là đường (2) trong hình 2.3. 2.3. Xác định tải trọng động trong giai đoạn chuyển tiếp của cưa vòng đứng Để có cơ sở đánh giá độ bền, tuổi thọ cho cưa ta cần xác định mô men động lực học tác dụng lên các trục trong quá trình chuyển tiếp từ giai đoạn không xẻ sang giai đoạn xẻ. a. Khảo sát thông số động lực học trong giai đoạn chuyển tiếp. Để xác định hệ số động lực học, ta tiến hành giải hệ phương trình (2.3) trong giai đoạn chuyển tiếp. Các tham số đầu vào của cưa vòng đứng trong quá trình chuyển tiếp khi xẻ gỗ Tần bì như trên bảng 2.1, trong đó mô men cắt trong giai đoạn chuyển tiếp: Mc(t) = Pc.D/2 = 570,24(1-e-115.t )(Nm). Sử dụng phần mềm Matlab- simulink tìm được quy luật chuyển động của hệ và nhận được các đồ thị biểu diễn biến thiên của gia tốc góc, mô men động lực học trên các trục trong quá trình chuyển tiếp (quá độ) từ nửa chu kỳ không tải sang nửa chu kỳ có tải thể hiện trên hình 2.4. Duong dac tinh mo men can cat Mcat 1200 1000 800 Mc1, Mc2 [Nm] 600 400 Truc II: Mc2 200 Truc I: Mc1 Thời gian t(s) 0 0 Thời gian t(s) 0.05 0.1 t [s] 0.15 0.2 (c- Gia tốc góc trục I) (a- Đường đặc tính của mômen cản cắt) Thời gian t(s) Thời gian t(s) (b- Vận tốc góc trục I) (d- Mômen xung lực) Hình 2. 1: Đồ thị động lực học của trục I trong giai đoạn chuyển tiếp Qua các đồ thị trên ta thấy trong thời gian chuyển tiếp (0 0,017 s) gia tốc góc các trục biến đổi rất lớn làm cho mô men động lực học cũng biến động tương ứng rất
11 lớn, MĐLH = (0  10,42) Nm, hình (2.4 c và 2.4d) do đó sẽ làm ảnh hưởng đến tốc độ quay của cả trục I, làm cho động cơ điện chạy không ổn định dẫn đến giảm tuổi thọ động cơ điện, tiêu hao năng lượng lớn. b. Kết quả khảo sát quá trình chuyển tiếp của cưa vòng đứng Hệ số động lực học trong giai đoạn chuyển tiếp tính theo biểu thức kđ = (Mđ+ Mt) / Mt, trong đó Mt là mô men trên trục I trong quá trình chuyển động ổn định khi không cắt, Mt= Ɲđc/ω10 = 60000/115=521,74 (Nm). M d  M t 10, 42  521,74 kd 1    1,019   kd   2 (2.5) Mt 521,74 Bằng cách tương tự khảo sát hệ số kđ trong quá trình chuyển tiếp khi xẻ các loại gỗ khác thể hiện trong bảng 2.3, ta cũng sẽ nhận được kđ < 2 – đảm bảo an toàn của cưa. Bảng 2. 3: Kết quả tính toán hệ số động lực học kđ đối với từng loại gỗ Loại gỗ Gỗ Lim Gỗ Giẻ Gỗ Tần Bì Gỗ Thông kđ 1,0201 1,02 1,019 1,0155 Kết quả cho thấy hệ số kđ nhỏ hơn hệ số cho phép, như vậy máy cưa với các thông số đã cho đảm bảo xẻ được các loại gỗ nên trên. 2.4. Khảo sát ảnh hưởng của mô men quán tính bánh đà đến hệ số không đồng đều vận tốc góc ψ và hệ số động lực học kđ a. Ảnh hưởng của mô men quán tính đến hệ số không đồng đều vận tốc góc ψ Theo kết quả phân tích và tính toán trong mục 2.1b ta thấy hệ số đồng đều vận tốc góc ψ tính ra có sự chênh lệch khi xẻ các loại gỗ là lớn (bảng 2.2). Từ đó ta thấy cần có giải pháp làm đều chuyển động cho cưa. Một trong các giải pháp hữu hiệu nhất là xác định mô men quán tính của bánh đà theo điều kiện (2.6): (2.6) Mối quan hệ giữa mô men quán tính bánh đà với hệ số góc quay không đồng đều được thể hiện bằng biểu thức (2.7): ( 2.7) Biểu thức (2.7) cho thấy hệ số không đồng đều ψ tỉ lệ nghịch với mô men quán tính của trục II. Với các số liệu đã biết theo tài liệu thiết kế, khi xẻ các loại gỗ khác ta cũng có các biểu đồ tương quan ψ = f(I2) và được thể hiện trên hình 2.5.
12 Nếu chọn [ψ] = 0,5 thì theo đồ thị hình 2.5 ta có: Khi xẻ gỗ Lim cần I2 > 70 (kg.m2); Khi xẻ gỗ Giẻ thì I2 > 34 (kg.m2); Khi xẻ gỗ Tần bì thì I2 > 16 (kg.m2); Khi xẻ gỗ Thông thì I2 > 3 (kg.m2). Hình 2.5: Đồ thị tương quan ψ (I2) khi xẻ một số loại gỗ b. Ảnh hưởng của mô men quán tính đến hệ số động lực học kđ Biểu thức quan hệ gia tốc góc với mô men quán tính bánh đà theo biểu thức (2.8) (2.8) Như đã biết ω2tb = const (có giá trị định trước khi thiết kế máy), nên có giá trị tỷ lệ thuận với ψ, nên nó cũng tỷ lệ nghịch với I2. Khi tăng I2 sẽ làm cho ψ giảm, nghĩa là làm cho máy chuyển động đều hơn và gia tốc giảm, kéo theo M đ và hệ số kđ cũng có giá trị giảm. 2.5. Ảnh hưởng của mômen quán tính bánh đà đến chi phí năng lượng Theo kết quả giải hệ phương trình (2.3) trong mục 2.1 cho thấy vận tốc góc của các trục trong hai giai đoạn cắt và không cắt có giá trị khác nhau (hình. 2.2 và hình 2.3), do đó tiêu hao năng lượng trong các giai đoạn này cũng khác nhau. Chi khí năng lượng trong một chu kỳ xẻ sẽ là: (2.9) Từ (2.9) ta thấy chi phí năng lượng trong mỗi chu kỳ xẻ tỷ lệ thuận với I2. Nhận xét: Theo kết quả tính toán, phân tích trong các mục 2.3 đến 2.5 thì mô men quán tính của bánh đà có ảnh hưởng rất lớn đến các đại lượng dùng để đánh giá về độ bền (kđ), tính ổn định (ψ), khả năng cắt (Ac) và chi phí năng lượng trong quá trình xẻ (Ar). Trong đó ψ, kđ và khả năng cắt (Ac) là các đại lượng đặc trưng về phương diện kỹ thuật , còn Ar- về phương diện kinh tế. Do đó khi thiết kế và chế tạo
13 cưa vòng đứng thì mô men quán tính của bánh đà Ibđ cần xác định theo điều kiện ψ, kđ nhỏ hơn giá trị cho phép. 2.6. Rung động của lưỡi cưa theo phương ngang a. Mô hình rung động theo phương ngang của lưỡi cưa vòng đứng Mô hình rung động ngang tương đương như hình 2. 6a) a) Mô hình hóa ngoại lực tác dụng b) Thành phần nội lực Hình 2.6: Sơ đồ dịch chuyển ngang của nhánh cắt lưỡi cưa vòng đứng Trong đó: S0- Sức căng ban đầu của lưỡi cưa; Px - Thành phần lực cắt theo phương ngang (0x); v – Vận tốc chuyển động của lưỡi cưa; uc – Vận tốc đẩy gỗ theo phương (0y); L – Khoảng cách giữa các trục bánh đà; Gọi φ và φ+Δφ là góc lập bởi trục z với tiếp tuyến của bản cưa theo chiều tăng của z; Q, M – Lực cắt và mô men uốn nội lực trên mặt cắt ngang của phân tố dz. Mô hình rung động ngang của cưa vòng đứng được lập có sơ đồ như hình 2.6 với các giả thiết sau: - Tiếp xúc giữa lưỡi cưa với các bánh đà là liên tục, không tách rời; khoảng cách giữa các trục bánh đà không đổi, các gối tựa là cố định, không biến dạng. - Biến động của lực cắt Px phát sinh do tính không đồng nhất của gỗ, là hàm không chỉ theo thời gian cắt mà cả theo tọa độ z với cường độ px(z, t). - Trong giai đoạn xẻ thì S cũng thay đổi theo lực cắt, nên nó cũng là hàm của thời gian và tọa độ z: S (z, t). - Lưỡi cưa vòng đồng chất có khối lượng của một đơn vị dài là γ, nên dm = γdz. Các thông số về độ mở cưa, các góc của răng cưa và bước răng là đồng đều. Theo nguyên lý này ta có biểu thức như sau:
14 (2.19) Trong đó: T, U – Động năng và hàm công của các lực tác dụng; δ -Biến phân của hàm động năng và hàm lực; Biểu thức gọi là hàm tác dụng Hamilton –Ostrogradski. b. Thiết lập phương trình rung động của lưỡi cưa vòng trong quá trình xẻ Để lập phương trình vi phân rung động theo phương ngang của lưỡi cưa vòng, ta xét một phân tố chiều dài dz của lưỡi cưa và chịu các lực như hình 2.6,b) và áp dụng nguyên lý Hamilton, ta có: - Lực tác dụng: Trọng lượng đoạn lưỡi cưa G = γ.g.dz (N); γ (kg/m) khối lượng riêng theo chiều dài của cưa; Lực căng ban đầu S0 và giá trị trung bình của thành phần biến động của lực căng S1 (N); Mô men uốn M và M+ΔM (N.m); Lực cắt Q và Q +ΔQ (N); Lực cản cắt từ gỗ: Px (z, t)= pox (z). sin(Ωt) (2.20) Với pox( z ), Ω – Biên độ trung bình và tần số nhiễu bên ngoài tại tọa độ z, xác định theo kết quả thực nghiệm. Ta có phương trình rung động trong nửa chu kỳ xẻ là:   x2  EI  x4  ( S0  S1cost )  x2  p0x( z ).sin  t 2 4 2 (2.21) t z z Nếu bỏ qua ngoại lực Px(z,t) ta có phương trình rung động uốn tự do của lưỡi cưa chịu tác dụng của sức căng, hay ta được phương trình rung động trong nửa chu kỳ   x2  EI  x4   S0  S1cost   x2  0 2 4 2 không xẻ. t z z (2.22) Phương trình (2.21) là phương trình vi phân cấp 4 không thuần nhất, phức tạp và nghiệm phụ thuộc vào các biến (z, t, S0, S1, p0x). Để giải phương trình này có thể tìm theo phương pháp phân ly biến số (Becnoulli). c. Khảo sát rung ngang của lưỡi cưa vòng - Khảo sát biên độ rung xmax Để tìm nghiệm của phương trình (2.21), thích hợp nhất là áp dụng phương pháp phân ly biến số (Becnoulli), nghiệm x(z, t) có dạng: (2.23)
15 Trong đó: q - Tần số dao động tự do ; Theo mô hình toán học (2.23) ta thấy rằng biên độ rung ngang x(z,t) của lưỡi cưa phụ thuộc vào tần số dao động tự do q, tần số kích động ngang Ω, biến động của sức căng S0 và lực ngoài Px (Px lại quan hệ chặt chẽ với các vận tốc v và uc) theo quan hệ phức tạp, phi tuyến. Tóm lại cường độ rung ngang x min phụ thuộc vào các tham số nói trên, hay nó là hàm số: x(S0, uc, v, d, kc). - Vẽ đồ thị x(t) của biểu thức theo thời gian (t) với z=L/2. Kết quả đồ thị hàm biên độ rung ngang x(z,t) có dạng như hình 2.7 Hình 2.7: Đồ thị rung ngang của lưỡi cưa theo thời gian t(s) Theo (2.23) ta thấy biên độ rung là tổng của hai dao động với các biên độ, tần số và quy luật khác nhau, nên quy luật chung là phức tạp. Ta chỉ có thể nhận biết và xác định được biên độ rung lớn nhất ở một số thời điểm nhất định. - Vẽ đồ thị biên độ rung ngang x và tần số rung (q) theo sức căng ( S0 ) Biên độ rung ngang lớn nhất tại z = L/2 sẽ là xmax. Tính tương tự với S0 thay đổi ở các mức khác ta sẽ có kết quả như biểu đồ tương quan S0 (xmax) như hình 2.8a và biểu đồ tương quan S0 (q) như hình 2.8b sau: (a) (b) Hình 2.8: Biểu đồ tương quan S0(x,q)
16 Nhận xét: Từ các số liệu và biểu đồ trong hình 2.8a ta thấy, khi tăng sức căng S0 thì biên độ rung xmax giảm, do đó độ mấp mô bề mặt ván sẽ giảm theo, trong khi đó tần số rung q lại tăng thể hiện trên hình 2.8b. Nhưng từ sức căng S0 lớn hơn 1500 (N) thì mức độ giảm xmax trở lên không lớn. Vì vậy cũng không lên chọn S0 lớn hơn 1500 (N) vì nó sẽ kéo theo tăng ứng suất kéo của lưỡi cưa. Chương 3 XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA CƯA VÒNG ĐỨNG 3.1. Lựa chọn tham số điều khiển và miền xác định a) Các tham số điều khiển + Đối với thiết bị: Thông số của lưỡi cưa, đặc biệt là góc cắt 𝛿 ảnh hưởng đến độ mấp mô bề mặt ván. Vậy đề tài lựa chọn thông số góc cắt của lưỡi cưa là thông số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu. + Đối với chế độ cắt: Thông số thứ hai về chế độ sử dụng cưa là vận tốc đẩy uc (m/s). Vì vận tốc đẩy càng lớn sẽ cho năng suất xẻ cao, nhưng cũng làm tăng lực cản cắt và giảm chất lượng mạch xẻ, nên cũng cần xác định giá trị hợp lý của nó. + Với đối tượng gia công là loại gỗ được đưa vào xẻ: Về đối tượng gia công cần chọn các thông số đặc trưng cho chủng loại gỗ là kc và đường kính d, hay chiều cao mạch xẻ H, là những tham số điều khiển. Vậy các tham số điều khiển trong bài toán là: X = (S0 ,, δ, Kc , d, v, uc) (3.1) Mô hình toán học có dạng tổng quát như sau: (3.2) b) Miền xác định của các tham số điều khiển Miền biến thiên của các tham số điều khiển được xác định như trong bảng 3.1. Bảng 3. 1: Bảng miền biến thiên của các tham số TT Tham số Miền biến thiên Ghi chú 1 So (N) 169,22 4350,35 Theo kết quả trong bảng phụ lục (2.6)
17 2 𝛿 (0 ) 500 600 Khoảng chọn của luận án 3 kc (N/mm2) 4,236 124,8 Theo kết quả trong bảng phụ lục (2.6) 4 d (cm) 30 80 Theo đối tượng gỗ 5 v (m/s) 40 55 Theo yêu cầu của đề tài luận án 6 uc (m/s) 0,12 0,16 3.2. Lập hàm tương quan giữa các chỉ tiêu và tham số ảnh hưởng Từ biểu thức các chỉ tiêu ở trên đã cho thấy có khá nhiều yếu tố ảnh hưởng (n = 6), lập hàm tương quan cho các đại lượng trong mô hình (3.2) theo phương pháp thực nghiệm đa yếu tố sẽ cần có số thí nghiệm khá lớn: N = 26+2.6+3 = 79 (3.3) Để có thể thực hiện được trong phạm vi nghiên cứu, ta áp dụng phương pháp đồng dạng và thứ nguyên trong nghiên cứu thực nghiệm. Theo các tài liệu [2],[14] cần tiến hành các nội dung sau: Lập các đại lượng không thứ nguyên- các chuẩn số không thứ nguyên Ta chuyển các đại lượng có thứ nguyên trên về dạng không thứ nguyên và lập quy hoạch thực nghiệm cho các đại lượng không thứ nguyên. Kết quả được phương trình dạng không thứ nguyên sẽ như sau: a. Hàm chi phí năng lượng riêng Ar Phương trình chi phí năng lượng riêng dạng không thứ nguyên sẽ là:  Ar  1 (1, 1, 1, 1 ,  2 ,  3 ) Hay: Ar  1 (1, 1, 1, S0 2 , uc ,  ) (3.4) kc d kc d v b. Hàm độ mấp mô bề mặt ván xẻ Ra Phương trình độ mấp mô bề mặt ván Ra dạng không thứ nguyên sẽ là:     2 (1, 1, 1, 1 ,  2 ,  3 ) Hay: Ra   2 (1, 1, 1, S0 2 , uc ,  ) (3.5) d kc d v c. Hàm năng suất xẻ ПS: Phương trình năng suất xẻ ΠS dạng không thứ nguyên sẽ là:  s  3 (1, 1, 1, 1 ,  2 ,  3 ) Hay: s   2 (1, 1, 1, S0 2 , uc ,  ) (3.6) d .v kc d v
18 Tương ứng với (3.2) ta có mô hình toán học dạng không thứ nguyên là: (3.7) Nhận xét: Theo các biểu thức (3.3 3.6) ta thấy trong bài toán xác định các chỉ tiêu tối ưu thì có 3 chuẩn số không thứ nguyên π1, π2, π3 . Do đó theo kế hoạch thực nghiệm Harly thì số thí nghiệm cơ bản sẽ là: N = 23+2.3+3 = 17. Tuy số lượng thí nghiệm giảm đi đáng kể (từ 79 còn 17, giảm hơn 4 lần), nhưng trong các thí nghiệm tất cả các tham số vẫn thay đổi đầy đủ các mức. Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định một số thông số đầu vào cho việc giải mô hình lý thuyết và đánh giá mức độ tin cậy của các mô hình động lực học đã lập trong chương 2. - Lập hàm tương quan giữa các chỉ tiêu tối ưu với một số thông số cơ bản của cưa vòng đứng trong mô hình (3.2) và xác định được các giá trị tối ưu của các thông số đã nêu trong chương 3. 4.2. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên, cần phải thực hiện các nội dung sau: 1. Để xác định các thông số đầu vào cho việc giải bài toán lý thuyết thì cần phải xác định những thông số sau: Kích thước bánh đà; Mô men quán tính bánh đà; Hệ số độ cứng, hệ số cản dao động. 2. Để minh chứng cho mô hình ĐLH đã lập thì cần phải xác định những thông số sau: Vận tốc góc trục bánh đà (ω); Biên độ rung ngang lưỡi cưa (a). 3. Tìm các thông số tối ưu. 4.3. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm Với thiết bị xẻ: Cưa vòng đứng đã được đề tài độc lập cấp nhà nước mã số ĐTĐL-CN-10/16 thiết kế, chế tạo. Với nguyên liệu xẻ: Thực nghiệm dùng gỗ Tần bì có độ ẩm tương đối 60 -70%, có d = 30-80 cm, L= 4 m. Đây là gỗ đại diện cho loại gỗ có độ cứng (hệ số lực cản cắt) trung bình, đang được đưa vào xẻ nhiều nhất . 4.4. Tổ chức và tiến hành thí nghiệm Thực nghiệm được tiến hành trên máy cưa vòng đứng đã thiết kế, chế tạo trong đề tài ĐTĐL-CN-10/16, đặt tại Công ty cổ phần thiết bị chuyên dùng Việt Nam. 4.5. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng mô hình lý thuyết 4.5.1. Kiểm chứng mô hình động lực học