Luận án Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch

động vào dao, b) Các lực do dao tác động vào cây nguyên liệu khi , c) Các lực do dao tác động vào cây nguyên liệu khi  Trên Hình 2.5, nhận thấy, nếu góc trượt càng lớn thì lực T (hay T’) càng tăng, đồng thời lực ma sát F (hay F’) cũng tăng theo, bằng T, khiến cho điểm Mr của cây nguyên liệu không thể trượt theo lưỡi dao được. Nghĩa là băm thái với góc trượt (η ≠ 0) nhưng 2 điểm Mr của cây nguyên liệu và Md của dao khi tiếp xúc với nhau nhưng vẫn không trượt đi được. Trái lại, trong quá trình cắt, điểm Md của dao vẫn bám chặt lấy điểm Mr của cây nguyên liệu mà nén xuống với lực tác động P cho đến khi băm đứt (lúc này ở Mr của cây nguyên liệu có 3 lực tác động là P, T và F nhưng F = T và ngược chiều nhau cho nên lực tổng hợp là P). Nhưng T tăng sẽ làm F tăng theo, F đạt tới trị số lực ma sát cực đại Fmax theo công thức: ' ' max F F.tg N.f   (2.5) trong đó: ' là góc ma sát giữa dao băm cắt và cây nguyên liệu, ' 'f tg  là hệ số ma sát. 40 Các nghiên cứu chỉ ra rằng, có thể xảy ra 3 trường hợp cắt như sau: - Trường hợp góc trượt η = 0, quá trình cắt là băm thuần túy (không trượt), chỉ có lực pháp tuyến, không có lực tiếp tuyến. - Trường hợp góc trượt '   , quá trình cắt vẫn chưa có trượt. Nguyên nhân là dù đã xuất hiện lực tiếp tuyến nhưng lực tiếp tuyến này chưa thắng được lực ma sát nên chưa có trượt. - Trường hợp góc trượt '   , quá trình cắt có trượt tương đối giữa dao và cây nguyên liệu do lực tiếp tuyến đủ lớn thắng được lực ma sát. Như vậy, điều kiện băm cắt để giảm lực tác dụng cần thiết là: góc trượt η phải có giá trị lớn hơn hay bằng góc cắt trượt ' . Góc ma sát ' giữa kim loại và thân cây ngô đã được xác định vào khoảng ' 0 025 30   [18]. Tuy nhiên trong trường hợp góc trượt '   vẫn có lợi về lực băm cắt hơn so với trường hợp cắt băm thuần túy (η = 0). Điều này được giải thích như sau. Giả sử trong khi dao cắt ngập vào cây nguyên liệu, dao sẽ chịu lực cản băm cắt ζ (do ứng suất bền của cây nguyên liệu, do ma sát của mặt dao vời lát cắt), dao phải tác động một lực cP   (Hình 2.6). 41 Hình 2.6. Tác dụng giảm lực băm cắt pháp tuyến Khi có góc η (η = 0), muốn băm cắt được thì trong lúc phương lực P thay đổi (lệch đi so với thành phần pháp tuyến N theo góc trượt η), đầu vectơ lực P phải di chuyển theo vòng tròn có bán kính bằng trị số tối thiểu Sc (tối thiểu c P   ). Như vậy, khi η tăng dần tới η1 thì P tăng tới P1 và thành phần pháp tuyến N sẽ tương ứng là N1 và ta thấy 1N N , nghĩa là lực băm pháp tuyến có giảm đi (nhỏ hơn trị số ban đầu c N   khi η = 0). Cũng do phát huy được hiện tượng cắt trượt nên làm giảm lực băm, cho nên thực tế lực tổng hợp R do dao tác động vào cây nguyên liệu có trị số giảm dần khi góc trượt η càng lớn hơn góc cắt trượt ' . Trong nhiều trường hợp, khi thân cây nguyên liệu có độ cứng không lớn, cần sử dụng tấm kê để đỡ cây nguyên liệu (Hình 2.7). Hình 2.7. Sơ đồ băm cắt có dao kê: 1) dao băm, 2) dao kê 42 Hình 2.8 mô tả quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê. Góc kẹp χ hình thành giữa phương lưỡi dao băm và cạnh sắc dao kê. Hình 2.8. Quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê: 1) dao băm, 2) dao kê Sử dụng dao kê hình thành một yếu tố ảnh hưởng trong trường hợp băm kiểu “kéo cắt”, tương tự quá trình băm có thêm một cạnh sắc nữa (ở đây là cạnh sắc dao kê) cùng phối hợp kẹp và cắt cây nguyên liệu. Góc BAC hợp bởi cạnh sắc lưỡi dao cắt AB và cạnh sắc dao kê AC nói chung gọi là góc mở χ . Khi góc mở lớn, hai cạnh sắc không kẹp giữ yên được cây nguyên liệu mà có tác động đẩy nó ra, khó băm cắt được. Với một trị số góc mở nhỏ hơn đủ để hai cạnh sắc kẹp giữ yên được cây nguyên liệu để băm cắt được nó thì góc mở đó được gọi là góc kẹp χ. Giá trị góc kẹp χ phải được bảo đảm khi thiết kế bộ phận băm cắt có dao kê và là điều kiện để dao băm và dao kê kẹp được cây nguyên liệu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, điều kiện để giữ cây nguyên liệu giữa cạnh sắc lưỡi dao băm và cạnh sắc dao kê là góc kẹp ' ' 1 2     . Đối với dao gắn trên đĩa quay, nghiên cứu thu được các số liệu 0 040 50   , dao trống 0 024 30   [15]. Nếu một trong hai góc trượt (góc ma sát) ' 1  và ' 2  có trị số nhỏ nhất, gọi là min  thì theo Viện sĩ Xablikov, điều kiện kẹp hoàn toàn là min    . Nếu ' ' 1 2    thì điều kiện kẹp là '2.   . 43 Nếu ' ' 1 2      nghĩa là ' ' 1 2 2 2 2     , sẽ xảy ra hiện tượng vật băm cắt bị xoay tròn tại chỗ và quá trình băm cắt cũng rất khó thực hiện. Cũng cần chú ý rằng trong trường hợp ' ' 1 2     thì cây nguyên liệu bị đẩy ra phía ngoài, cho tới khi góc mở giảm xuống tới trị số góc kẹp ' ' 1 2     thì lại đảm bảo điều kiện kẹp. Trong quá trình dao cắt chuyển động qua thân cây nguyên liệu, cần tiêu tốn năng lượng nhằm thắng được lực ma sát sinh ra do áp lực cản của cây hoặc bó cây nguyên liệu tác động vào mặt bên của dao và thành phần ma sát do cây nguyên liệu dịch chuyển bị chèn ép tác động vào mặt vát của cạnh sắc lưỡi dao. Để giảm ma sát, cần lựa chọn kết cấu dao và cách thức bố trí dao cho phù hợp. Như mô tả trên Hình 2.9, góc trước β phải tính toán sao cho cây nguyên liệu khi được dao băm cắt xong, tiếp tục được cuốn vào sẽ không va chạm vào dao, tránh ma sát vô ích. Trên Hình 2.9, góc cắt α là góc hợp bởi giữa góc trước β và góc sắc ζ. Nghiên cứu của Viện sĩ Reznik N.E. năm 1975 [15] cho thấy, góc sắc ζ có ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, được biểu diễn qua quan hệ sau. th t N P c tg    (2. 6) Trong đó: C là hệ số tính toán; Nth là lực cắt tới hạn để cắt đứt cây nguyên liệu; Pt là lực cản băm cắt. Nhìn chung, góc sắc yêu cầu nhỏ nhưng phải tính đến độ bền của dao, cho nên với máy băm cắt cây nguyên liệu khi băm có dao kê, thường yêu cầu ζ = 250÷300 [18]. Hình 2.9. Các góc của dao và gá đặt dao 44 Về việc lựa chọn khe hở δ: Cây nguyên liệu càng mảnh thì càng nên chọn khe hở δ nhỏ, vì nếu không, lưỡi dao có thể bẻ gập cây nguyên liệu xuống lọt vào khe hở và kéo đứt nó, giảm chất lượng cắt. Nhưng δ cũng không thể chọn quá nhỏ, vì đĩa lắp dao (hay trống lắp dao) đều có độ dịch chuyển dọc trục cho phép và gối đỡ cũng có độ dịch chuyển dọc trục cho phép. Do vậy, nếu δ quá nhỏ có thể xảy ra hiện tượng dao băm va vào dao kê. Đối với máy băm cắt cây cây nguyên liệu nông nghiệp, δ thường lấy không quá 1mm [18]. Hình 2.10 mô tả khoảng khe hở δ tùy thuộc công suất băm cắt cây nguyên liệu. Hình 2.10. Vùng khuyến nghị chọn khe hở δ Vận tốc cắt cũng là một thông số có ảnh hưởng lớn đến lực và do đó, ảnh hưởng đến năng lượng tiêu thụ của quá trình băm cắt. 2.3. Bài toán tối ƣu đa mục tiêu Công suất tiêu thụ P khi cắt cây nguyên liệu có thể biểu diễn qua công thức:  FvP (W) (2.7) Trong đó, F là lực cắt (N), v là vận tốc cắt (m/s). Như đã trình bày trong chương 1, vận tốc cắt là một thông số có ảnh hưởng mạnh đến lực cắt. Qua công thức (2.7), nhận thấy nếu lực cắt nhỏ nhất lại xảy ra khi vận tốc cắt lớn, công suất cắt có thể không chắc chắn là nhỏ nhất. Nói cách khác, lực cắt và công suất cắt có thể là hai 45 hàm mục tiêu có lợi ích xung đột nhau. Bài toán tối ưu đa mục tiêu nhằm xác định bộ tham số sao cho thu được cả hai hàm mục tiêu cùng đạt chỉ tiêu mong muốn. Lực cắt nhỏ mang lại khả năng giảm kích thước, tiết kiệm vật liệu cho các chi tiết của máy cắt. Công suất tiêu thụ nhỏ giúp giảm thiểu năng lượng tiêu hao, góp phần giảm giá thành chế biến phụ phẩm. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu có thể giải quyết bằng nghiên cứu thực nghiệm với cơ sở lý thuyết được tóm tắt như dưới đây [12, 5]. Để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, cần chấp nhận một số “thỏa hiệp” cho những hàm mục tiêu có lợi ích xung đột. Chẳng hạn, nếu ưu tiên đạt mục tiêu công suất tiêu thụ là thấp nhất, có thể phải chấp thuận rằng, lực cắt không phải nhỏ nhất, mà chỉ nhỏ hơn một mức chấp nhận được nào đó. Người ta đưa ra khái niệm mức độ đạt được của hàm mục tiêu so với kỳ vọng. Mức độ này được lượng hóa thông qua các đại lượng hàm kỳ vọng (desirability function) và trọng số (weight). Trong bài toán tối ưu đa mục tiêu, hàm kỳ vọng chung (Overall desirability) được tổng hợp từ các hàm kỳ vọng của từng chỉ tiêu. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu có nhiệm vụ là tối đa hóa giá trị hàm kỳ vọng chung. Đại lượng mức quan trọng (Importance) được dùng để lượng hóa tầm quan trọng của từng mục tiêu so với mục tiêu tổng thể và từ đó, tính được giá trị hàm kỳ vọng chung. Gọi giá trị hàm kỳ vọng của chỉ tiêu thứ i là di, hệ số mức độ quan trọng của chỉ tiêu thứ i là ri, bài toán có tất cả n chỉ tiêu, thì giá trị hàm kỳ vọng tổng hợp chung D được tính theo công thức: (2.8) Bài toán tối ưu đa mục tiêu được mô tả dưới dạng: )...( 21 21 21 ...n n rrr r n rr dddD   46 (2.9) Hàm kỳ vọng (desirability function) dùng để đánh giá mức độ đạt được của một hàm mục tiêu so với giá trị mong muốn. Hàm kỳ vọng của một chỉ tiêu nhận giá trị từ 0 đến 1. Về bản chất, giá trị của hàm kỳ vọng chính là giá trị chuyển đổi của hàm chỉ tiêu sang dạng thức phù hợp để tính toán. Với bài toán tối thiểu hóa, hàm kỳ vọng di của một mục tiêu thứ i được biểu diễn như sau: (2.10) Trong đó, Ui là mức giới hạn trên của vùng chấp thuận được khi tối thiểu hóa, Ti là ngưỡng chấp nhận thứ i. Hình 2.11 mô tả sơ đồ hàm kỳ vọng cho một bài toán tối thiểu hóa có w =1. Hình 2.11. Sơ đồ hàm kỳ vọng cho bài toán tối thiểu hóa Khi muốn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hàm mục tiêu gần với đích mong muốn, chọn trọng số lớn hơn 1. Khi trọng số nhỏ hơn 1, có nghĩa nới rộng mức độ chấp thuận hơn khi hàm mục tiêu ở xa đích mong muốn. Giá trị trọng số trong tính toán tối ưu được lấy trong khoảng từ 0,1 đến 10. maxD                   ii iii w ii ii ii i Uykhi UyTkhi TU yU Tykhi d i 0 1 47 Bài toán tối ưu hóa có nhiệm vụ tối đa hóa giá trị hàm kỳ vọng chung. Trong tính toán tối ưu, thuật ngữ Importance (tầm quan trọng) dùng để chỉ hệ số dùng để phản ánh mức độ quan trọng của từng chỉ tiêu trong một bài toán đa mục tiêu. Muốn ưu tiên một chỉ tiêu nào đó cao hơn các chỉ tiêu khác, cần gán cho nó hệ số mức độ quan trọng lớn hơn các hệ số mức độ quan trọng của các chỉ tiêu kia. Hệ số mức độ quan trọng được lấy trong khoảng từ 0,1 đến 10. Nội dung các bước thiết kế và xử lý số liệu thí nghiệm cho bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu sẽ được trình bày trong chương tiếp theo. Kết luận chƣơng Chương 2 đã trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết và các nguyên lý cơ bản của quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp. Các nội dung của chương này là cơ sở cho nghiên cứu về động lực học và năng lượng tiêu hao của quá trình băm thân cây ngô của nghiên cứu này. Một số nội dung quan trọng được tóm tắt như sau: Có 02 nguyên tắc cơ bản của quá trình băm-cắt thân cây nông nghiệp gồm: 1) cắt băm, chuyển động tương đối giữa dao và cây nguyên liệu (chuyển động cắt) thực hiện theo hướng pháp tuyến; 2) cắt có trượt, chuyển động cắt kết hợp cả hướng pháp tuyến và hướng tiếp tuyến. So với cắt băm, quá trình cắt có trượt làm giảm đáng kể lực cắt. Để cây không trượt ra khỏi khe hở hình chêm của dao cắt và tấm kê, cần khống chế vận tốc trượt dựa vào hệ số ma sát giữa thân cây với vật liệu dao. Lực cắt và công suất cắt tiêu thụ là hai hàm mục tiêu có xung đột lợi ích. Do đó, cần giải quyết bài toán tối ưu đồng thời cho cả hai chỉ tiêu nói trên. Bài toán đa mục tiêu xác định từng chỉ tiêu phù hợp các bước công nghệ cắt: hàm kỳ vọng (2.8) và (2.9); mô hình thực nghiệm máy băm (cắt) đảm bảo yêu cầu đặt ra trong quá trình cắt. 48 Để làm sáng tỏ các kết luận ở chương 2, cần xây dựng mô hình thí nghiệm tương tự các máy băm thương mại, có khả năng điều chỉnh vận tốc cắt và các góc tương quan giữa dao và thân cây. Những nội dung này sẽ được trình bày ở chương tiếp theo. 49 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1. Giới thiệu Chương này trình bày cách thức thiết kế, chế tạo, vận hành, đánh giá hệ thống thiết bị thí nghiệm phục vụ nghiên cứu động lực học quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp. Yêu cầu, lựa chọn và cách thức kết nối thiết bị đo cũng được mô tả chi tiết. Nội dung chương gồm các phần chính dưới đây: 1. Các yêu cầu cụ thể của hệ thống thiết bị thí nghiệm và tiến trình thiết kế hệ thống này; 2. Cách thức và kết quả lựa chọn các thiết bị đo; 3. Báo cáo kết quả lắp ráp, vận hành thử hệ thống thiết bị; 4. Kế hoạch thí nghiệm khảo sát 3 biến 2 mức toàn phần dạng 2k được triển khai thử nghiệm để đánh giá khả năng cung cấp số liệu của hệ thống cho bài toán quy hoạch thực nghiệm; * Kết luận chương. 3.2. Thiết kế hệ thống thí nghiệm 3.2.1. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm Yêu cầu chung của một thiết bị thí nghiệm bao gồm: khả năng dễ dàng điều khiển các thông số đầu vào; cho phép thu thập chính xác và thuận tiện các thông số đầu ra, phản ánh sát thực với quá trình làm việc thực tế của các máy thương mại tương tự. Với bài toán khảo sát động lực học nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong quá trình băm cắt thân cây ngô, các yêu cầu đặt ra là:  Cho phép thay đổi các góc tương quan giữa thân cây và dao cắt;  Cho phép điều chỉnh vô cấp vận tốc cắt; 50  Có chức năng thu thập dữ liệu về lực cắt, mô men cắt, năng lượng cắt cần thiết. Các thông số vào-ra phục vụ bài toán nghiên cứu thực nghiệm động lực học quá trình băm cắt thân cây ngô được mô tả như sơ đồ trên Hình 3.1. Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện Như trình bày trên Hình 3.1, hệ thống thiết bị cần có khả năng thay đổi hai bộ thông số đầu vào theo các mức giá trị định trước. Kết quả tổng quan các nghiên cứu trước (đã được trình bày trong Chương 1) cho thấy, các thông số có ảnh hưởng đáng kể đến lực và năng lượng tiêu thụ khi băm cây ngô và phụ phẩm nông nghiệp thường là:  Độ ẩm cây nguyên liệu;  Vị trí tương đối của dao so với cây, thường được xác định qua hai thông số góc: o Góc xiên/ góc tiếp dao; o Góc nghiêng/ góc cắt trượt; - Vận tốc cắt. Trong các thí nghiệm, độ ẩm cây nguyên liệu thường được coi là điều kiện ban đầu của lô cây nguyên liệu, ít khi được coi là biến điều khiển trực tiếp khi thực hiện thí nghiệm. Có thể tiến hành nhiều bộ thí nghiệm cho các lô nguyên liệu có độ ẩm khác nhau để xác định quan hệ vào-ra cho cấp độ ẩm được xét. Thí nghiệm cắt - Lực cắt - Công suất cắt - Vị trí tương đối dao-cây nguyên liệu - Vận tốc cắt Thông số đầu vào Thông số đầu ra 51 Để mô tả rõ hơn vị trí tương đối giữa dao băm và cây nguyên liệu, đặt các đối tượng trong các góc chiếu của một hệ tọa độ 3 chiều như trên Hình 3.2. (a) (b) (c) Hình 3.2. Vị trí tương đối của cây nguyên liệu: a) nhìn từ trước, b) nhìn từ trên xuống và c) nhìn từ bên 1) Dao băm, 2) Dao kê, 3) Cây nguyên liệu Trên hình vẽ, chuyển động cắt của dao băm (1) được mô tả bằng mũi tên véc tơ vận tốc cắt, có chiều từ trên xuống; cây nguyên liệu (3) nằm giữa dao băm (1) và dao kê (2). Trong hệ tọa độ OXYZ, mặt phẳng XOY có thể được xem như hình chiếu từ trước nhìn vào mặt phẳng chứa chuyển động của dao; XOZ là hình chiếu bằng, nhìn từ trên xuống; còn YOZ là hình chiếu cạnh, nhìn từ một cạnh bên. Sử dụng mô tả trên Hình 3.2, có thể định nghĩa các tham số xác định vị trí tương đối dao-cây nguyên liệu như dưới đây. Mặt phẳng cắt và góc tiếp dao: Gọi XOY (Hình 3.2a) là mặt phẳng cắt; mặt phẳng này chứa véc tơ vận tốc cắt, song song với mặt phẳng chứa lưỡi dao băm và dao kê. Góc tiếp dao α nằm trong mặt phẳng cắt, hợp bởi các đường thẳng tiếp tuyến với lưỡi dao băm và lưỡi dao kê tại điểm tiếp xúc với thân cây nguyên liệu. Trong trường hợp dao có lưỡi thẳng như hình vẽ, góc α chính là góc kẹp trong sơ đồ chêm giữ cây nguyên liệu. Trong các công bố quốc tế, góc α được 52 gọi là góc xiên (Oblique angle) hoặc góc tiếp cận của dao (Approach angle). Trong luận án này, thống nhất gọi α là góc tiếp dao. Góc nghiêng dao so với cây: Trên Hình 3.2b mô tả hình chiếu bằng (XOZ) của hệ thống. Khe hở giữa dao kê và dao băm được ký hiệu là δ. Góc θ hợp bởi phương đường trục thân cây và phương các lưỡi cắt, chính là góc nghiêng dao so với cây (Tilt angle) hay góc cắt (Shear angle) trong nhiều công bố quốc tế. Như trình bày trong phần 1.6 của Chương 1, việc thay đổi góc nghiêng này chỉ phù hợp với dao quay trên các máy thu hoạch, nơi các cây đang mọc thẳng đứng trên mặt đất. Trong các máy băm, các cây nguyên liệu thường được cấp chạy vào vùng cắt theo phương vuông góc với mặt phẳng cắt XOY. Do vậy, nghiên cứu trong luận án này giữ cố định góc nghiêng dao so với cây θ = 90°. Góc nghiêng cây: Trên Hình 3.2c, góc  hợp bởi phương đường trục của thân cây với mặt phẳng vuông góc với véc tơ vận tốc cắt được gọi là góc nghiêng cây. Trên các máy băm dùng dao quay dạng đĩa, góc này thường được thiết lập với các giá trị 5-45 độ. Tuy nhiên, khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng cây đến lực cắt hầu như chưa được tìm thấy trong các công bố quốc tế. Do vậy, nghiên cứu này lựa chọn góc nghiêng cây là một biến thí nghiệm để khảo sát. Việc thay đổi vận tốc cắt có thể thực hiện khá dễ dàng nếu dùng thiết bị cắt băm có dao quay. Bằng cách thay đổi vô cấp tốc độ quay của động cơ điện dẫn động trục dao, có thể điều chỉnh để nhận được giá trị vận tốc cắt theo yêu cầu. Như vậy, bài toán nghiên cứu thực nghiệm động lực học máy băm phụ phẩm nông nghiệp được xác định với các thông số vào-ra như sau: - Thông số đầu vào: o Vận tốc cắt; o Góc tiếp dao; 53 o Góc nghiêng cây; o Khe hở giữa dao kê và dao băm; - Thông số đầu ra: o Lực cắt; o Công suất cắt. Hệ thống thiết bị sẽ được thiết kế, lắp đặt đáp ứng các yêu cầu thay đổi theo chủ đích các thông số vào và tính toán, xác định các thông số ra. 3.2.2. Thiết kế kết cấu Mô hình máy băm dạng dao gắn trên đĩa quay được lựa chọn vì những ưu điểm sau: - Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, lắp ráp, giá thành thấp; - Phù hợp với sản lượng nhỏ và vừa, có thể sử dụng cho hộ gia đình, trang trại nhỏ; - Có thể băm nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp khác nhau. Kết cấu chung của một máy băm dùng dao quay dạng đĩa được mô tả trên Hình 3.3a. Từ kết cấu này, sơ đồ thiết bị thí nghiệm cho nghiên cứu động lực học máy băm dùng dao quay dạng đĩa được đề xuất như trên Hình 3.3ab. 54 (a) (b) Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý truyền động thiết bị băm a) Kết cấu máy thương mại, b) Kết cấu đề xuất: 1) Động cơ, 2) Bộ truyền đai, 3) trục dẫn động, 4) Đĩa dao phẳng, 5) Khớp nối, 6) Cảm biến mô men, 7) Cảm biến lực, 8) Dao kê Trên Hình 3.3b, trục dẫn động gồm hai đoạn trục (3-1) và (3-2) truyền chuyển động từ động cơ (1) qua bộ truyền đai (2) và mô men cho đĩa dao phẳng (4). Cảm biến đo mô men xoắn (6) được lắp giữa hai đoạn trục (3-1) và (3-2) nhờ khớp nối (5). Một cảm biến đo lực (7) được lắp bên dưới dao kê (8). Quan sát Hình 3.3, có thể thấy sơ đồ đề xuất chỉ khác sơ đồ kết cấu của máy thương mại sẵn có ở kết cấu trục 3 và dao kê 8. Bên cạnh yêu cầu bổ sung cảm biến đo momen (6) cho trục 3, cần xử lý kết cấu dao kê sao cho lực băm có thể truyền đến cảm biến đo lực (7). Quan phân tích về kết cấu cơ khí, việc phát triển thiết bị thí nghiệm từ máy băm thương mại hiện có là rất khả thi. Điều này không những tiết kiệm được kinh phí nếu chế tạo toàn bộ kết cấu cho một máy băm đơn chiếc, mà còn cho phép thu thập, phân tích và đánh giá các tồn tại và đề xuất hướng cải tiến các máy băm thương mại hiện có. Sơ đồ kết cấu trên Hình 3.3ab được mô phỏng dạng 3D như Hình 3.4. 55 Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt: 1) Bánh đai bị động, 2) Trục dẫn động, 3) Dao dẻ quạt, 4) Vít cố định, 5) Má kẹp, 6) Thân cây nguyên liệu, 7) Dao kê, 8) Cảm biến mô men Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt, mô men xoắn từ động cơ truyền đến bánh đai bị động (1), qua trục (2) truyền đến dao băm (3). Dao có dạng dẻ quạt, được gá trên cánh gá nhờ vít cố định (4) và má kẹp (5). Kết cấu này cho phép thiết lập góc tiếp dao α ở vị trí bất kỳ. Thân cây nguyên liệu cần cắt (6) nằm giữa dao băm (3) và dao kê (7), có góc nghiêng cây β cũng được thiết đặt tùy ý khi thí nghiệm. Góc nghiêng θ của dao so với cây cũng có thể dễ dàng thiết đặt nếu cần. Trên Hình 3.4 cũng mô tả góc sắc của dao băm γ và góc sắc của dao kê δ. Các góc này được cố định trong một bộ thí nghiệm, nhưng cũng có thể thay đổi bằng cách sử dụng các bộ dao khác nhau. Cảm biến đo mô men (8) được gá đặt như một khớp nối cho trục (2), truyền mô men từ bánh đai (1) sang dao băm (3). Nguyên tắc đo lực cắt bằng cảm biến đo lực được mô tả trên Hình 3.5. Giả sử cây ngô (2) được cắt ở vị trí cách tâm quay O của dao (1) một bán kính R. Với lưỡi dao có góc tiếp dao khác không, phản lực F của cây ngô tác dụng lên lưỡi dao được phân tích thành hai thành phần: F1 có phương thẳng đứng, vuông góc với bán kính quay R, F2 có phương hướng tâm. Mô men của F1 56 lấy đối với tâm O chính là mô men cản sinh ra khi băm, có thể đo bằng cảm biến mô men khi cắt chậm (bỏ qua quán tính quay của dao). Bỏ qua thành phần lực gây nén cây ngô khi cắt, có thể coi toàn bộ lực của dao tác dụng lên cây ngô theo phương thẳng đứng F1 sẽ truyền qua cây và tác dụng lên dao kê (3). Cảm biến lực (4) đặt dưới dao kê có thể đo được giá trị lực này. Hình 3.5. Phân tích lực tương tác dao-cây: 1) Dao băm, 2) Cây nguyên liệu, 3) Dao kê, 4) Cảm biến lực Một điểm cần lưu ý nữa là thành phần lực của dao tác dụng lên cây (cùng phương ngược chiều F2) có xu hướng đẩy cây trượt ra xa tâm quay của dao. Để cây không bị đẩy ra khỏi vùng cắt, ma sát giữa cây và dao kê không được nhỏ hơn thành phần lực đẩy cây. Do vậy, nghiên cứu cũng tiến hành thí nghiệm đo ma sát trượt giữa cây ngô và dao kê nhằm hỗ trợ các phân tích sau này. Dựa trên mô hình đã đề xuất, tiến hành lựa chọn thiết bị đo, chế tạo và lắp ráp các bộ phận cơ khí, lắp đặt và kết nối các thiết bị đo để hoàn chỉnh hệ thống thiết bị thí nghiệm. 3.3. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu Các thiết bị thí nghiệm cần thực hiện chức năng đo và lưu trữ các số liệu về lực, mô men sinh ra trong quá trình cắt. 57 3.3.1. Cảm biến đo lực cắt Lực sinh ra khi băm bằng dao quay đĩa là lực va đập, có giá trị tăng nhanh và giảm đột ngột. Nếu băm với tốc độ chậm, có thể sử dụng cảm biến tải trọng Load cell. Thiết bị đo lực động (Dynamic force sensor) là lựa chọn phù hợp hơn. Thiết bị này phù hợp để đo lực biến động, lực va đập, nhưng không đo được lực tĩnh (chẳng hạn, không thể dùng làm cân điện tử). Cảm biến lực động (Dynamic force sensor) hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng phát điện của vật liệu gốm áp điện (Piezoelectric ceramic) khi chịu lực tác dụng. Do sử dụng vật liệu gốm, cảm biến lực động có những ưu điểm sau: - Độ cứng vững rất cao, rất ít biến dạng, do vậy có thể làm việc với tần số thay đổi cao của lực cần đo; - Đo được tải trọng lớn, độ chính xác cao; - Thiết kế nhỏ gọn, phạm vi đo rộng. (a) (b) Hình 3.6. a) Cảm biến lực Kistler 9712A500 và b) gá đặt cảm biến lực: 1) Dao kê, 2) Cây nguyên liệu, 3) Thanh trượt, 4) Cảm biến lực, 5) Lò so kéo Sau khi tham khảo cường độ lực có thể phát sinh khi băm từ các nghiên cứu trước và khảo sát thông số của một số thiết bị thương mại, nghiên cứu lựa chọn cảm biến đo lực Kistler 9712A500 để sử dụng. Cảm biến này (Hình 3.6a) có phạm vi đo 2224,11 N (500 lbf), độ nhạy 2,472054 mV/N (11 mV/lbf). 58 Một kết cấu gá đặc biệt cho cảm biến lực được thiết lập để chỉ đo thành phần lực vuông góc với dao kê, được mô tả trên Hình 3.6b. Lực cắt thông qua cây (2) nguyên liệu tác động lên cảm biến (4) được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp. Vị trí đặt cây nguyên liệu (2) được cố định trong tất cả các thí nghiệm. Dao kê (1) được gắn với một con trượt bi (3). Ray của trượt bi được gá vuông góc với dao kê. Lò xo chịu kéo (5) có tác dụng duy trì tiếp xúc của dao kê (1) với cảm biến (4). 3.3.2. Đo lực ma sát cây-dao kê Hình 3.7. Cảm biến FSSM-100 Cảm biến đo lực ma sát được chọn là loại cảm biến biến dạng (Load cell) nhỏ có phạm vi đo 100 N, độ phân giải 2 mV/V, ký hiệu FSSM-100 của hãng Forsentek như mô tả trên Hình 3.7. Cảm biến này có kích thước dài-rộng-cao là 6x16x19,1mm, phù hợp với không gian bố trí đầu đo. 59 3.3.3. Cảm biến đo mô men Mô men sinh ra trên trục truyền dẫn cho đĩa dao được tính sơ bộ bằng tích số lực và cánh tay đòn tính từ tâm quay của đĩa dao đến điểm cắt . Hình 3.8. Cảm biến mô men RTT-200 Dựa vào giá trị cần đo tính sơ bộ, lựa chọn cảm biến đo mô men có ký hiệu RTT-200 của hãng Sturtevant Richmant. Đầu đo này có phạm vi đo 338,95 Nm (3000 inch-pounds), độ nhạy 2 mV/V như được mô tả trên Hình 3.8. Các thông số cơ bản của cảm biến mô men được tóm tắt trong Bảng 3.1. Bảng 3.1. Thôn