Nghiên cứu các thông số của bộ phận cắt thái ảnh hưởng đến năng suất của máy băm thân cây ngô
No.21_June 2021 |p.150-156
TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC TÂN TRÀO
ISSN: 2354 - 1431
RESEARCH OF THE PARAMETER OF THE CUTTING PARTS
AFFECTING THE YIELD OF THE MAIZE SLICER
Vu Thi Phuong1, Vu Van Dam2, Trieu Quy Huy1,*
1University of Economics - Technology for Industries, Vietnam
2 Thai Nguyen University, Vietnam
Article info
Abstract
The corn trunk chopper machine plays an important role in the processing of by-
products after the harvest to take economic advantage and ensure the safety and
adequate food reserved for the whole year, especially in the winter and rainy
season in the northern provinces of Vietnam. The main working part of the
chopper is the slicing unit using a chopping cutter with the working parameters
including the cutting drum radius rt, the length of cutting blade Lcg, the angle of
the cutting blade , the cutting-edge profile. This study determines the optimal
parameters of the chopping cutter improve productivity. Besides, the study also
opens up the possibility of application in manufacturing other types of cutting
knives for agricultural products such as cassava, banana, elephant grass...
Recieved:
01/4/2021
Accepted:
3/5/2021
Keywords:
Cutting unit, chopper
productivity,
edge profile, slip angle,
clamp angle.
cutting
150
No.21_June 2021 |p.150-156
TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC TÂN TRÀO
ISSN: 2354 - 1431
NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ CỦA BỘ PHẬN CẮT THÁI ẢNH HƯỞNG
ĐꢀN NĂNG SUẤT CỦA MÁY BĂM THÂN CÂY NGÔ
Vũ Thị Phượng1, Vũ Văn Đam2, Triệu Quý Huy1,*
1Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật công nghiệp, Việt Nam
2 Trường Đại học Thái Nguyên, Việt Nam
Thông tin bài viết
Ngày nhận bài:
Tóm tắt
Máy băm thân ngô đóng vai trò quan trọng trong việc chế biến phụ phẩm sau
thu hoạch nhằm tận dụng kinh tế và đảm bảo an toàn, cung cấp đủ lương thực
dự trữ cho cả năm, nhất là vào mùa đông và mùa mưa ở các tỉnh miền Bắc Việt
Nam. Phần làm việc của máy băm là bộ phận băm với dao thái cắt bao gồm các
thông số bán kính trống cắt rt, chiều dài cánh gạt Lcg, góc nghiêng cánh gạt ,
biên dạng cạnh sắc dao. Nghiên cứu này xác định các thông số tối ưu cho lưỡi
thái cắt của máy băm thân cây góp phần nâng cao năng suất. Bên cạnh đó,
nghiên cứu còn mở ra khả năng ứng dụng trong chế tạo các loại dao cắt nông
sản khác như sắn, chuối, cỏ voi ...
01/4/2021
Ngày duyệt đăng:
3/5/2021
Từ khóa:
Bộ phận cắt thái, năng suất
máy băm, biên dạng cạnh
sắc, góc trượt, góc kẹp.
1. Đặt vấn đề
Hiện nay có nhiều loại máy cắt (băm) thái, mỗi
loại sản phẩm được tạo ra đòi hỏi phải nghiên cứu
một loại dao phù hợp với những đặc tính riêng để
đáp ứng chất lượng tốt nhất, năng suất cao và chế
độ làm việc ổn định. Đã có một số nghiên cứu
tương đồng như xác định các thông số cơ bản của
máy băm cắt rác thải ni lông phục vụ tái chế [1],
thông số kế cấu máy băm thái củ sắn tươi [2], thiết
kế máy băm thân cây ngô tươi [3], ảnh hưởng của
vận tốc dao đến năng lượng cắt [7], thiết kế và thí
nghiệm dao băm cố định đồng trục rơm rạ [8]. Theo
hướng nghiên cứu khác đã chỉ ra việc xác định
thông số bộ phận cắt thái sẽ nâng cao năng suất
máy [4]. Những nghiên cứu đó chưa thực sự tối ưu
hóa các thông số bộ phận cắt thái của máy băm nói
chung và máy cắt thái thân cây ngô nói riêng.
Trên thị trường có nhiều loại dao phẳng như dao
lưỡi thẳng, dao lưỡi cong. Nghiên cứu lý thuyết về
biên dạng cạnh sắc dao dạng cung tròn lệch tâm, sử
dụng nguyên lý cắt kiểu nhiều dao cố định cho việc
định hướng để xác định: Cạnh sắc dao dạng cong
hướng về phía lõm, biên dạng cong nhưng không
phải là cung tròn mà được xây dựng sao cho việc
nghiên cứu tính toán thuận lợi và đáp ứng được các
tiêu chí thiết kế. Sau khi tính toán các thông số bộ
phận cắt sẽ được ứng dụng vào thực nghiệm xây
dựng thiết kế, chế tạo máy cắt thái kiểm nghiệm các
tiêu chí đặt ra của bài toán.
Việc nghiên cứu một số thông số bộ phận cắt
thái để nâng cao năng suất của máy băm thân cây
ngô là cần thiết và phù hợp.
151
V.T.Phuong/ No.21_Jun 2021|p.142-149
2. Đặc điểm bộ phận cắt thái
od
e
o
x
rd
Trèng c¾t
c0
r0
rm
rt
Pc
c1
cc
Pct
g0
td
t
Fmsd
Q
td
Dao c¾t
C¸nh g¹t
G1
y
a)
b)
Hình 1: a. Biên dạng cạnh sắc dao dạng cung tròn lệch tâm [3]; b. Bộ phận cắt thái cung tròn lệch tâm
- Chiều dài cánh gạt Lcg, m;
- Chiều rộng cánh gạt bcg, m.
2.2. Biên dạng cạnh sắc dao
2.1. Cấu tạo
Bộ phận cắt thái (Hình 1), gồm: Dao cắt và cánh gạt
* Dao cắt: Thân dao chế tạo phẳng đảm bảo
giảm lực ma sát khi cắt
Tại thời điểm đầu khi cánh gạt bắt đầu cắt vị trí
cánh gạt là G0C0, sau một thời gian t trống cắt quay
một góc .t , cánh gạt cắt khối nguyên liệu ở
- Bề dày vật liệu làm dao b, m;
- Chiều rộng thân dao ở phần cạnh sắc htd1, m;
giao điểm Q, tương ứng với vị trí cánh gạt là G1C1,
- Chiều rộng thân dao ở phần liên kết với thanh
lắp dao là htd2, m;
khi đó véc tơ bán kính cực R
sẽ quay được một
góc so với thời điểm đầu là
- Số dao kd;
- Bề rộng thanh dao bd, m;
Bán kính cực R
được xác định theo tam
- Vị trí lắp đặt đầu dao tại điểm G0 có bán kính
so với tâm quay O là Ro, m.
giác OQOd = 0 + 0 + . Phương trình bán kính
cực R() là:
* Cánh gạt:
R(θ) Rd2 e2sin2(ε0 0 θ. ) ecos(ε0 0 θ. )
(1)
Tại Q dao tác dụng vào khối ngô lực Pct có
phương vuông góc với phương tiếp tuyến td -td của
cạnh sắc dao. Phân tích lực Pct theo hai phương: lực
trong đó lực Fmsd là hình chiếu của lực Rm, do đó Rm
luôn hợp với phương pháp tuyến của cạnh sắc dao
một góc bằng góc ma sát . Dao chuyển động và
'
Pc theo phương vuông góc với bán kính cực R
cánh gạt đóng vai trò là tấm kê cố định, khi đó góc
tạo bởi phương Pc (phương vận tốc tuyệt đối của
và lực Td theo phương tiếp tuyến td-td. Khi thành
phần lực Td lớn hơn lực ma sát Fmsd khối ngô chịu
tác dụng một lực Tld = Td - Fmsd và trượt trên cạnh
sắc dao, lúc này khối ngô cũng chịu lực Pc. Tổng
hợp của hai thành phần lực Pc và Tld là lực Rm,
dao) và phương vận tốc pháp tuyến với cạnh sắc
dao gọi là góc trượt.
Xác định giá trị góc trượt
OdOQ ta có:
theo
, xét tam giác
152
V.T.Phuong/ No.21_Jun 2021|p.150-156
2.3. Xây dựng biên dạng cạnh sắc dao
e
(2)
cos(τ)
sin(ε0 0 θ)
Rd
Tại thời điểm đầu cánh gạt ở vị trí C0G0 có bán
kính quay RO, tiếp tuyến của cạnh sắc dao tại G0
hợp với OG0 một góc . Sau thời gian t cánh gạt CG
quay được một góc cắt lưỡi dao tại vị trí Q, cánh
gạt ở vị trí C1G1, tiếp tuyến của lưỡi dao tại Q có
phương t-t. Xét trong chuyển động tương đối tại vị
trí Q, coi dao quay cánh gạt cố định, khi đó vận tốc
tuyệt đối của dao có phương vận tốc v vuông góc
với bán kính cực R(), phân tích thành phần vận tốc
v theo hai phương: vn vuông góc với tiếp tuyến lưỡi
dao tại Q và vt theo phương tiếp tuyến t-t. Từ đường
cong G0C0 là cạnh sắc dao hướng về phía lõm có
góc nhọn tạo bởi phương của bán kính cực R() với
phương của tiếp tuyến lưỡi dao tại giao điểm Q gọi
là góc trượt .
Các đại lượng: e, Rd, 0 và 0 là các hằng số phụ
thuộc vào kích thước chế tạo và vị trí đặt tâm cung
dao Od nên góc trượt biến thiên chỉ phụ thuộc vào
góc cực . Trong giai đoạn cắt bán kính cực R()
giảm dần và góc cực tăng dần. Góc trượt giảm
dần khi 0 + 0 + ≤ 90o, giai đoạn cắt được thuận
lợi do quan hệ giữa R() và là đồng biến. Cuối
giai đoạn cắt lại không thuận lợi do tồn tại góc 0
nên 0 + 0 + > 90o lúc này góc trượt lại tăng dần
làm cho quan hệ giữa R() và là nghịch biến.
= - Q , trong cả giai đoạn
Với góc kẹp thì
cắt tăng và góc Q tăng, ở giai đoạn đầu khi 0 +
0 + ≤ 90o góc trượt giảm dần do đó góc kẹp
giảm rất nhanh ở giai đoạn này, ở giai đoạn cuối
0 + 0 + > 90o góc trượt lại tăng dần do đó
góc kẹp vẫn giảm nhưng giảm chậm hơn so với giai
Để xác định R() theo , tại góc cho một số
gia d khi đó cánh gạt sẽ quay thêm một góc d và
cắt cạnh sắc dao tại vị trí F, tương ứng bán kính cực
có số gia của hàm số, [5]:
đoạn đầu. Vậy cả giai đoạn cắt góc kẹp
giảm
dần, quy luật biến đổi góc kẹp như vậy là thuận lợi
cho giai đoạn cắt.
dR() = R(+d) – R() = OF – OE < 0
(3)
(4)
Xét tam giác QFE: Cạnh QF là cát tuyến của
cạnh sắc dao trong trường hợp d lớn, cho d 0
khi đó F sẽ tiến dần tới Q lúc này cát tuyến QF tiến
tới tiếp tuyến với cạnh sắc dao tại Q (phương của
QF tiến tới phương của tiếp tuyến t-t), góc FQO
tiến tới . Mặt khác, d vô cùng bé, cung QE coi là
đoạn thẳng vuông góc với OQ tại Q có độ lớn:
QE = R().d
π
Góc FQE τ;góc QFE = .
khi d 0
2
Từ tam giác QFE có:
dR()
R()d
sin
dR()
R()
(5)
hay
cot g().d
sin
2
Theo (3) có dR() < 0; trong (5) tính trị số độ lớn, không kể đến sự biến thiên của quan hệ giữa biến số và
hàm số R().
dR()
R()
cot g().d
(6)
Tích phân hai vế (6) có:
Phương trình (7) cho biết quỹ đạo cạnh sắc dao
có phương tiếp tuyến luôn hợp với phương của véc
tơ bán kính cực R() một góc không đổi.
R( ) dR()
cot g(). d
R()
RO
0
Phương trình đường đi của cạnh sắc dao được
xác định:
R = R0. e-.cotg() , m
(7)
ds = R().d
153
V.T.Phuong/ No.21_Jun 2021|p.150-156
S
RO
e.cotg( ).d
.cot g() ;
ds R().d cot g()
0
0
0
RO
cot g()
s
1e.cot g( )
,m
(8)
thân ngô mrc bị cánh gạt tung theo phương thẳng
đứng vào máng bao trên đưa lại thân ngô đã cắt vào
cửa tham gia quá trình cắt lần 2. Để đảm bảo điều
kiện thoát ngô được hoàn toàn, cần chọn chiều dài
cánh gạt Lcg khi quay thêm một góc φ = φck < φckmax
phần thân ngô mrc phải đi hết, từ đó xác định được
bán kính:
2.4. Các thông số đặc trưng
Các thông số cấu tạo cơ bản của bộ phận cắt
thái, gồm: bán kính trống cắt rt; chiều dài cánh gạt
Lcg; góc nghiêng cánh gạt α; biên dạng cạnh sắc dao
xác định theo phương trình (7) với R()max = R0 và
R()min = rt.
Cần đảm bảo kích thước bộ phận cắt thái nhỏ
gọn và chất lượng cắt Cx có giá trị cao như: Bán
kính trống cắt rt ảnh hưởng đến kích thước bộ phận
cắt, chọn bán kính trống cắt theo tiêu chuẩn TCVN
6113-1996 [6] là rt = 0,135m; dao cắt sử dụng vật
liệu CT45 dày δd = 0,005m, khoảng cách giữa hai
mặt bên phần thân dao của hai dao kề nhau bd cho
phép chất lượng cắt Cx đạt trên 90% là bd = 0,03 m;
khe hở giữa mặt bên thân dao và mặt bên cánh gạt δ
với các mức δ = 0,001, 0,002, 0,003, 0,004 và
0,005m; chọn δ đảm bảo chiều rộng cánh gạt là: bcg
= bd – 2. δ(m); chiều rộng cửa vào nguyên liệu sau
cắt của máy cắt thái bằng 0,2m đảm bảo cây ngô
được tung hoàn toàn vào bộ phận cắt thái.
R0 = rt + Lcg
Trường hợp góc nghiêng cánh gạt α > 00, chiều
dài cánh gạt:
(11)
Lcg R02 r2 sin2 () r cos(),m (12)
t
t
Khi biết α và Lcg, xác định được:
r
t
(13)
arcsin
sin() ; ,rad
R0
Với R0, α xác định được khi cắt thái thoát thân
ngô nhanh hơn (φ ck < 600), tính toán lý thuyết lấy
góc bao cắt φqtc = 120o. Vậy góc hạ đầu dao φ0 và
các góc bao tương ứng các giai đoạn trong một quá
trình cắt được xác định:
2.4.1. Xác định góc trượt hợp lý
Góc nghiêng α ảnh hưởng trực tiếp đến điều
π
0 csd;
kiện kẹp trong quá trình cắt, tại thời điểm cánh gạt
2
bắt đầu cắt khối ngô tại vị trí G0, góc kẹp
được
(14)
c csd λ;
xác định, [6]:
2π
ck
c cht
(9)
3
Khi tồn tại góc nghiêng α thì góc cấu tạo
;
2.4.3. Xác định góc kẹp
trong quá trình cắt
,
Góc kẹp được xác định:
Điều kiện thỏa mãn quá trình cắt
ta được:
, từ (7)
2.
C1QO ( )
(15)
0
hay
(10)
Góc và γ là các hằng số nên góc kẹp biến thiên
Hệ số ma sát nguyên liệu tươi và thép có f’ =
chỉ phụ thuộc vào , có quan hệ nghịch biến.
0,55 ứng với góc ma sát
luôn lớn hơn góc kẹp
= 28,81o. Góc cắt trượt
'
Khi góc tăng dần trong giai đoạn cắt góc kẹp
thì ≥ 2.
; Kết hợp
'
sẽ giảm dần trong quá trình cắt. Góc kẹp
đạt giá
các điều kiện trên chọn góc trượt .
2.4.2. Xác định bán kính R0 và chiều dài cánh
gạt Lcg
trị lớn nhất khi = 0 và nhỏ nhất khi = λ,
do đó trong giai đoạn cắt giá trị góc kẹp
nằm
trong khoảng: - α
Tính góc kẹp:
- γ.
Tính từ lúc bắt đầu cắt hết khối thân ngô mr, khi
cánh gạt quay thêm một góc φrmax = /2 thì phần
154
V.T.Phuong/ No.21_Jun 2021|p.150-156
r
1
t
(16)
arcsin
.sin
2
2
Ro
Từ những nghiên cứu lý thuyết các thông số bộ
cắt thái được tối ưu đã được vận dụng vào thực
nghiệm xây dựng thiết kế, chế tạo máy nhằm chứng
minh hiệu quả nâng cao năng suất với cùng một
công suất.
2.4.4. Các thông số động học cơ bản của bộ
phận cắt thái
Phương trình véc tơ bán kính cực R() của chất
điểm Q trượt trên cạnh sắc dao:
R R0.e.cot g( ) ,m
(17)
+ Buồng thái: Buồng thái làm bằng thép CT3
dầy 10mm; đường kính 1080mm, bề rộng 140 mm.
Cửa vào có kích thước 360x100 mm, gắn 2 quả lô
cuốn ép bên ngoài và dao đế (tấm kê) bên trong.
Cửa ra (phía dưới) song song với mặt đất có kích
thước 150x150mm.
Đoạn đường s sau thời gian t ứng với góc cực
của chất điểm Q:
R0
s
1 e( ). cot g( )
,m
(18)
cot g()
Vận tốc theo phương tiếp tuyến với cạnh sắc
+ Trục chính: Thép CT45, cổ trục lắp bi 309 có
đường kính 45mm. Đoạn giữa trục (đường kính
58mm) lắp đĩa bắt khung dao, ngoài cùng bắt puly
(đường kính trục 38mm).
dao tại vị trí Q:
ds
vt
s,m/ s
(19)
(20)
(21)
dt
+ Khung gá dao: Thép CT3, dày 45 mm, bán kính
Gia tốc tiếp tuyến của chất điểm Q:
R = 491mm làm thành 2 thanh đối xứng qua trục.
d 2s
dvt
2
+ Đĩa bích: Thép CT3, dày 15 mm, đường kính
s,m/ s
at
dt2
dt
148mm
Gia tốc hướng tâm được xác định:
+ Dao thái: Thép 45 được nhiệt luyện có độ
cứng 54 58 HRC. Kích thước: dài x rộng x dầy =
370x115x15, phần lưỡi có góc = 36°.
vt2
an ,m/ s2
+ Cánh quạt tạo gió được gắn trên đĩa thái, có
trong đó: ρ là bán kính cong tại vị trí lân cận với
giao điểm Q, m.
tác dụng đẩy nguyên liệu sau khi thái ra ngoài.
Cơ cấu đo moment xoắn được lắp trên trục
chính, trên trục gắn 4 tengo thu- phát tín hiệu
(không dây) qua máy.
Bán kính cong ρ = 1/C, với C là độ cong tại
vùng lân cận vị trí đang xét:
2
2
R 2R R.R
Trục chính được chuyển động bằng động cơ
điện 7,5 kW, vận tốc 500 700 min-1. Thay đổi vận
tốc bằng máy biến tần.
C
;
(22)
(23)
3
(R2 R2 )2
3
3.2. Kết quả thực nghiệm
(R2 R2 )2
,m
Chọn thân cây ngô tươi sau thu hoạch. Chuẩn bị
máy chạy một ngày (16 giờ) làm việc nhằm thực
hiện đánh giá quá trình hoạt động của máy sau đó
chia đều cho số giờ làm việc để ra năng suất làm
việc một giờ (60 phút) của máy.
2
2
R 2R R.R
3. Ứng dụng thực nghiệm
3.1. Chế tạo máy cắt
Bảng 1: So sánh máy trước và sau thay đổi thông số bộ phận cắt thái
STT
Bộ phận cắt thái
Trước tính toán [3]
Sau tính toán
Công suất (KW)
Thời gian (giờ)
Năng suất (tấn)
1
2
35
7,5
16
52,8
155
V.T.Phuong / No.21_Jun 2021|p.150-156
Từ kết quả thực nghiệm (Bảng 1) cho thấy
những nghiên cứu lý thuyết được tính toán hoàn
toàn đúng đã nâng cao hiệu quả hơn nhiều so với bộ
phận cắt thái dùng phương pháp xác định theo kinh
nghiệm. Đã tăng năng suất từ 35 lên 52,8 tấn/ngày
(2,187 lên 3,3 tấn/giờ).
20 ton/h fresh cassava chopping/slicing machine by
experimental planning model. The 5th national
scientific conference on mechanical engineering,
189, Vietnam.
[3] Cao D.V. (2009). Research, design, and
manufacture a machine to chop fresh corn stalks as
fermenting feed for cows with a yield of 35
tons/day. Scientific research project at ministerial
level, Ministry of Industry and Trade, Vietnam.
4. Kết luận
- Nghiên cứu này chỉ ra các đặc điểm cơ bản
của bộ phận cắt thái, định hướng để được biên
dạng sắc dao tạo điều kiện thuận lợi cho việc
nghiên cứu tính toán các tiêu chí thiết kế, tăng
năng suất của máy.
[4] Tam, N.V. (2015). Study on some key
parameters as a basis for designing the straw
cutting unit associated with the threshing machine.
Doctoral thesis in mechanical engineering,
Vietnam.
- Xây dựng được các thông số cấu tạo của bộ
phận cắt thái làm cơ sở xác định các thông số động
học và động lực học khi khối nguyên liệu trượt trên
cạnh sắc dao trong giai đoạn cắt. Đồng thời làm
tăng tuổi thọ của lưỡi cắt vì đã chọn được các góc
dao đi kèm với độ cứng hợp lý.
[5] Ngan, N.H. (2010). Research and design of
fiber and fiber cutting machines as aggregates for
composites. Journal of science and technology, 13
(K3):37-48, Vietnam.
[6] Long, B.T., Luc, T.S., Sy, T. (2010). Bag.
Design Industrial Tools. Science and Technology
Publishing House, Vietnam.
- Các thông số động học xác định theo công
thức từ (17) ÷ (23) làm cơ sở cho việc phân tích
động lực học của khối ngô dưới tác dụng của cánh
gạt và cạnh sắc dao.
[7]. Yiljep, Y. D., Mohammed, U. S. (2005). Effect
of knife velocity on cutting energy and efficiency
REFERENCES
during
impact
cutting
of
sorghum
stalk. Agricultural
CIGR Journal.
Engineering
International:
[1] Nhat, D.V. (2019). Research to determine some
basic parameters of plastic shredders for recycling.
Engineering (Science and Construction)-University
of Construction, 13(3V): 91-98, Vietnam.
[8]. Qiu, J., Wu, M., Guan, C., Fang, Y., Li, X.
(2015). Design and experiment of chopping device
with dynamic fixed knife coaxial for rice
straw. Transactions of the Chinese Society of
Agricultural Engineering, 31(10): 11-19.
[2] Tien, N.V., Tung, N.D. (2018). Study the effect
of some structural parameters on the high-yield 10-
156
7 trang
16940
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu các thông số của bộ phận cắt thái ảnh hưởng đến năng suất của máy băm thân cây ngô", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_cac_thong_so_cua_bo_phan_cat_thai_anh_huong_den_n.pdf
