Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số thông số tới chi phí năng lượng riêng và năng suất cắt xẻ dọc gỗ tai tượng bằng cưa đĩa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
----------------------------------

BÙI VĂN THIỆN

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ TỚI
CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ NĂNG SUẤT CẮT KHI XẺ DỌC
GỖ KEO TAI TƯỢNG BẰNG CƯA ĐĨA

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
----------------------------------

BÙI VĂN THIỆN

NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ TỚI
CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG RIÊNG VÀ NĂNG SUẤT CẮT KHI XẺ DỌC
GỖ KEO TAI TƯỢNG BẰNG CƯA ĐĨA

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY VÀ THIẾT BỊ CƠ GIỚI HÓA
NÔNG - LÂM NGHIỆP
Mã số: 60.52.14

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRỊNH HỮU TRỌNG

Hà Nội, 2011


-1-

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, được sự quan tâm của Đảng và Nhà nước
ngành công nghiệp chế biến lâm sản không ngừng phát triển, tốc độ tăng
trưởng khoảng 30% đã tạo thành một mạng lưới với nhiều ngành, nhiều thành
phần kinh tế tham gia gồm trên 1.200 doanh nghiệp, trong đó doanh nghiệp
nhà nước chiếm 26,7%, liên doanh và vốn nước ngoài 3,3%, doanh nghiệp
ngoài quốc doanh chiếm 70% với tổng công suất chế biến khoảng 9 triệu
m3/năm. Giá trị xuất khẩu nhờ vào đó không ngừng tăng nhanh, năm 1996 đạt
60,5 triệu USD, năm 1998 đạt 108,1 triệu USD, năm 2000 đạt 219,3 triệu USD,
năm 2002 đạt 435 triệu USD, năm 2004 đạt 1,12 tỷ USD, năm 2005 đạt 1,6 tỷ
USD. Ngành lâm nghiệp đóng góp cho nền kinh tế quốc dân khoảng 1,4%.
Theo tính toán của "Dự thảo chiến lược phát triển lâm nghiệp quốc gia
năm 2006 - 2010 " từ 2010 - 2015 mỗi năm nước ta phải nhập khẩu khoảng 4
triệu m3; từ năm 2015 - 2020 mỗi năm nhập khẩu khoảng 3 triệu m3. Chính
vì vậy, để phát triển bền vững ngành chế biến lâm sản, đạt chỉ tiêu xuất khẩu
2,1 tỷ USD vào năm 2020 cần phải tăng năng lực sản xuất lâm nghiệp để duy

trì trung bình 70÷80% khả năng tự cung cấp nguyên liệu gỗ từ rừng trồng và
rừng tự nhiên được quản lý bề vững.
Ở nước ta, máy cưa đĩa là loại thiết bị gia công gỗ rất quen thuộc, chúng
được nhập khẩu từ nhiều nước khác nhau trên thế giới cho nên máy cưa đĩa rất
đa dạng về chủng loại. Những năm gần đây, một số cơ sở chế tạo máy lâm
nghiệp, các xưởng cơ khí chế tạo thành công một số loại cưa đĩa nhưng những
thương hiệu cưa đĩa Việt Nam chưa chính thức vì hầu hết những máy có trên
thị trường đều dựa trên thiết kế mẫu của máy nhập nội.
Cùng với sự phát triển nhanh của ngành chế biến, đời sống kinh tế của
nhân dân tăng nhanh làm cho nhu cầu về gỗ ngày càng cao. Mặc dù, diện tích
rừng trồng đang phát triển mạnh nhưng chỉ đáp ứng một phần nhu cầu về gỗ
nguyên liệu giấy và ván nhân tạo.


-2-

Cưa đĩa là thiết bị chủ yếu trong dây chuyền sơ chế và chế biến gỗ. Kể
từ khi máy cưa đĩa đầu tiên trên thế giới được chế tạo vào cuối thế kỷ XV.
Cho đến nay đã có hàng triệu máy cưa đĩa ra đời với các cải tiến khác nhau và
đang được sử dụng rộng rãi trong các xưởng sơ chế gỗ cũng như các xưởng
chế biến gỗ với các quy mô khác nhau.
Để có thể thiết kế mới, cải tiến và sử dụng hợp lý máy cưa đĩa cần phải
nghiên cứu một cách nghiêm túc, khoa học. Nhưng do chưa đươc quan tâm
đúng mức nên cho đến nay chúng ta chưa có nhiều nghiên cứu cơ bản về cắt
gọt gỗ Việt Nam. Với những ý tưởng trên, được sự đồng ý của Ban giám hiệu
trường Đại Học Lâm Nghiệp, khoa Sau đại học chúng tôi tiến hành thực hiện
luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số thông
số tới chi phí năng lượng riêng và năng suất cắt khi xẻ dọc gỗ keo tai tượng
bằng cưa đĩa”
Mục đích của đề tài là xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của các

tham số về cấu tạo và công nghệ của máy cưa đĩa đến các chỉ tiêu về chi phí
năng lượng riêng và năng suất cắt trên gỗ keo tai tượng. Kết quả của đề tài là
tài liệu cần thiết cho quá trình sử dụng hiệu quả thiết bị, xây dựng một chế độ
sử dụng hợp lý nhất cho máy cưa đĩa.


-3-

Chương 1
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ MÁY CƯA ĐĨA VÀ
NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước
Quá trin
̀ h cưa xẻ gỗ là quá triǹ h gia công gỗ bằ ng cơ ho ̣c. Cùng với sự
phát triể n trong gia công gỗ bằ ng cơ ho ̣c, lý thuyế t cắ t go ̣t gỗ đã ra đời và phát
triể n không ngừng. Những người có công trong viê ̣c xây dựng và phát triể n lý
thuyế t cắ t go ̣t gỗ phải kể đế n các nhà bác ho ̣c Xô Viế t như: Giáo sư I.A.
Time, giáo sư P.A. Aphanaxiev, kỹ sư Denpher, giáo sư M.A. Đêsevôi, giáo
sư C.A. Voskrexenski, giáo sư A.L. Bersatski, ….
Lý thuyế t cắ t go ̣t gỗ đi sâu nghiên cứu về lực phát sinh trong quá trình
gia công gỗ bằ ng cơ ho ̣c, công suấ t của thiế t bi,̣ chi phí cho viê ̣c cắ t gỗ, ….
đây là những đa ̣i lươ ̣ng quan tro ̣ng, làm cơ sở cầ n thiế t cho viêc̣ tính toán thiế t
kế và sử du ̣ng hơ ̣p lý các thiế t bi gia
̣ công gỗ.
Năm 1933, giáo sư tiế n si ̃ M.A. Đêsevôi đã tổ ng hơ ̣p và xây dựng hoàn
chin̉ h lý thuyế t cắ t go ̣t gỗ, năm 1939, ông cho ra đời cuố n sách “Kỹ thuật gia
công gỗ”. Đây là mô ̣t công triǹ h lớn bao gồ m các vấ n đề về lý thuyế t và kinh
nghiê ̣m thực tế trong gia công gỗ mà trên thế giới lúc đó chưa có công trình
nghiên cứu tương tự nào ra đời.
Vào thâ ̣p niên 70 của thế kỷ XX, lý thuyế t cắ t go ̣t gỗ ngày càng được hoàn

chỉnh, những công trình nghiên cứu mới về cắ t go ̣t của các giáo sư: A.L.
Berơsatski, C.A. Vơtcrexenski, E.G. Ivanopski đã ra đời. Lực phát sinh trong quá
trình gia công gỗ bằ ng cơ ho ̣c được nghiên cứu đầ y đủ hơn và chính xác hơn.
Nguyên lý cấu tạo, tính năng công nghệ của các máy chế biến gỗ nói
chung, các máy cưa đĩa nói riêng đã được các nhà khoa học nổi tiếng như:
F.M. Manros, A.E. Grube, H.B. Makovski,… nghiên cứu sâu, rộng [33], [24],
[27], [28].
Nhằm không ngừng nâng cao khả năng làm việc của các lưỡi cưa đĩa,
nhiều công trình đã đi sâu nghiên cứu động học, động lực học quá trình gia công.
Điển hình là các công trình của U.M. Stakhiev, A.A. Sanhikov [28], [31].


-4-

Nghiên cứu về máy và thiết bị chế biến gỗ các nhà khoa học Mkovski
N.V, Aliabiev V.I, … [32], [33], [27] đã chỉ rõ chi phí năng lương riêng là chỉ
tiêu quan trong đánh giá chất lượng máy và thiết bị. Chi phí năng lượng riêng
biểu thị sự hoàn thiện kỹ thuật hay mức độ năng lương yêu cầu trong việc sử
dụng khai thác sản phẩm.
Vấn đề mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình công nghệ gia công gỗ
cùng với những phương pháp luận hiện đại, nghiên cứu cắt gọt gỗ đã được
các nhà khoa học, giáo sư A.A. Piziurin, M.S.Rozenblit tập chung nghiên cứu
với nhiều công trình nổi tiếng về tối ưu hóa các quá trình sản xuất [30]
Ở mô ̣t số nước công nghiê ̣p phát triể n, gia công gỗ bằ ng cơ ho ̣c cũng đã
được nghiên cứu, tiêu biể u như các công trình nghiên cứu của các tác giả sau:
- HJORTH.H, Máy gia công gỗ. Bruxen, 1937.
- Kiviaa. E, Lực cắ t go ̣t trong gia công gỗ. Hesinki, 1950.
- Barkas. WV, Nguyên lý gia công gỗ. London, 1932.
- Patronsky. LA, Những vấ n đề về dao cắ t. My,̃ 1953.
- Norman.C.Franz, Phân tích quá triǹ h cắ t gỗ. My,̃ 1957.

Norman.C.Franz sau khi nghiên cứu cắ t thẳ ng do ̣c thớ ba loa ̣i gỗ Sugar pine
(Pinus Lamberticana. Dougl), Yelow birch (Betula alleghaniensis. Britt),
White as (Fraximus Americana. L) đă ̣c trưng cho ba loa ̣i gỗ (Gỗ lá kim vùng
ôn đới, gỗ lá rô ̣ng ma ̣ch phân tán và gỗ lá rô ̣ng ma ̣ch phân bố theo vòng năm).
Tác giả đã nghiên cứu chúng với tổ ng cô ̣ng 378 điề u kiêṇ khác nhau, với ba
cấ p đô ̣ ẩ m (1,5%, 3,5%, và đô ̣ ẩ m baõ hòa), 7 cấ p chiề u dày phoi (0,002;
0,005; 0,010; 0,015; 0,020; 0,025; và 0,030 inch), 6 góc cắ t trước (50, 100,
150, 200, 250, 300). Ông đã đưa ra mô ̣t số kế t luâ ̣n quan tro ̣ng sau đây:
- Quá trình cắ t go ̣t đươ ̣c đă ̣c trưng bởi ba da ̣ng cắ t go ̣t cơ bản.
- Các công cu ̣ hin
̀ h thành tương ứng với da ̣ng phoi. Do vâ ̣y công suấ t cầ n
thiế t cho viêc̣ tách bỏ vâ ̣t liê ̣u phu ̣ thuô ̣c vào hình da ̣ng phoi.


-5-

- Qúa trin
̀ h hiǹ h thành phoi phu ̣ thuô ̣c vào đă ̣c tính của gỗ và thông số hình
ho ̣c cắ t.
- Viê ̣c hình thành phoi đô ̣c lâ ̣p với vâ ̣n tố c cắ t.
- Góc trước và chiề u dày vế t cắ t ảnh hưởng đế n viê ̣c hình thành phoi.
- Các lực ma sát phu ̣ thuô ̣c vào loa ̣i gỗ và đô ̣ ẩ m của gỗ nhưng ít quan hê ̣
đế n đô ̣ nhám bề mă ̣t của dao vì các vế t mài song song với chiề u chuyển đô ̣ng
của phoi.
Giá tri cu
̣ ̉ a hê ̣ số ma sát tương đố i đô ̣c lâ ̣p với góc trước và chiề u dày phoi.
Mă ̣c dù đã có nhiề u tài liêụ nghiên cứu về gia công gỗ băng cơ học,
nhưng chúng ta chưa có nhiề u những nghiên cứu chuyên sâu, những thông tin
mô ̣t cách có hê ̣ thố ng về cắ t go ̣t gỗ ở những nước tư bản có nề n công nghiêp̣
phát triể n.

Mục đích của nghiên cứu cắt gọt gỗ là xác định các lực phát sinh trong
quá trình cắt gỗ, chi phì công suất của máy móc sử dụng vào trong việc cắt gỗ
đồng thời tìm ra các thông số tối ưu của công cụ cắt để thiết kế, chế tạo và sử
dụng một cách tốt nhất: năng suất cao, chi phí năng lượng thấp nhất.
Quá trình cắt gọt gỗ xẩy ra rất phức tạp, đòi hỏi phải mô hình hóa trong
nghiên cứu lý thuyết. Nhiều mô hình đã được đưa ra nhưng trong số đó đáng
được lưu ý hơn cả là mô hình do giáo sư A.L.Berosatxki đề xướng [19]. Ông
cho rằng cạnh cắt không phải là đường thẳng mà là một đuờng cong có bán
kính ρ. Trong khi cắt sự phân chia giữa phoi và phôi gỗ xẩy ra ở điểm xa nhất
của bán kính ρ theo phương và chiều của vận tốc cắt, quỹ đạo của đường này
là mặt phân cách X – X nào đó. Phía trên mặt phân cách là khu vực I, phía
dưới mặt phân cách là khu vực II gọi là mặt trước. Tại đây lực tương hỗ được
xem là đồng nhất và tập chung theo một phương nhất định, lực tác dụng lên
mặt trước gồm lực pháp tuyến và lực ma sát. Tại vùng II mặt sau của dao cắt
chịu tác dụng của lớp gỗ đàn hồi, dưới tác dụng của áp lực này sẽ gây ra lực


-6-

ma sát. Bằng lý thuyết giáo sư A.L.Berosatxki đã xác định được lực cắt, công
suất cắt, tỷ suất lực cắt, tỷ suất công cắt,…
1.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Do nhiề u nguyên nhân khác nhau, nên những nghiên cứu cơ bản về gia
công gỗ bằ ng cơ ho ̣c ở trong nước còn ha ̣n chế , tiêu biể u là mô ̣t số công triǹ h
nghiên cứu của các tác giả đã xác định tỷ suất lực cắt của một số loại gỗ Việt
Nam như: Đinh, Lim, Sáu sau khi cắt ngang và gỗ Sến sau khi xẻ dọc.
- Hoàng Nguyên (1968), “Nghiên cứu ảnh hưởng của mô ̣t số yế u tố đế n lực
và đô ̣ tù của răng khi xẻ gỗ Viêṭ Nam bằ ng cưa so ̣c”.
- Nguyên Văn Minh (1956), “Gia công gỗ Viê ̣t Nam”.
Công nghệ, kỹ thuât xẻ gỗ phục vụ sản xuất đồ gỗ đã đươc các tác giả

Trần Ngọc Thiệp, Nguyễn Phan Thiết đề cập nhiều trong giáo trình “Công
nghệ xẻ”.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến chi phí năng
lương riêng và tỷ suất dăm khi băm gỗ keo tai tuợng bằng máy BX – 444”,
năm 2001 của thạc sĩ Phạm Văn Lý [8] đã chỉ ra rằng góc mài β, tốc độ cắt v
ảnh hưởng đến chi phí năng lượng riêng và tỷ suất dăm tuân theo quy luật
hàm bậc 2.
Đề tài “Nghiên cứu xác định công suất máy băm dăm MB – 930 B sử
dụng để băm gỗ làm nguyên liệu giấy”, năm 2004 của thạc sĩ Nguyễn Mạnh
Hoạt [6] đã kết luận sự ảnh hương của góc mài dao tới chi phí công suất tuân
theo quy luật hàm bậc 2.
Đề tài “Nghiên cứu sử dụng cưa xăng để chặt hạ một số loại tre thuộc
chi Dendrocalamus ở miền bắc việt”, năm 2005 của tiến sĩ Dương Văn Tài
[10] đã kết luận sự ảnh hưởng của góc mài cạnh cắt tỷ suất lực cắt tuân theo
quy luật hàm bậc 2.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến tỷ suất lực và chất
lượng sản phẩm khi xẻ thanh cơ sở từ gỗ keo tai tương (Acaciamangium) trên


-7-

máy cưa đĩa Џ – 6”, của thạc sĩ Phạm Văn Quảng [13] kết luận tốc độ cắt v có
ảnh hưởng lớn nhất đến 2 chỉ tiêu tỷ suất lực và chất lượng sản phẩm.
Liên quan đến tính chất và đối tượng gia công – gỗ keo rừng trồng ở
Việt Nam cũng đã được đề cập nhiều trong các công trình của các tác giả như:
Bùi Đình Toàn (2002), Phó Đức Sơn (2004), Đặng Trần Minh (2006).
Một số vấn đề về miêu tả toán học các quá trình gia công gỗ, phân tích
đặc tính lực trong xẻ gỗ bằng cưa vòng đã được TS. Hoàng Viê ̣t đề cập trong
các chuyên đề nghiên cứu khoa học [17, 18].
Các thiết bị gia công gỗ nói chung đã được TS. Hoàng Viê ̣t giới thiệu

trong cuốn “Máy và thiế t bi ̣chế biế n gỗ” NXB Nông nghiệp (2003), Hà Nội.
Vấn đề miêu tả toán học các quá trình gia công gỗ bằng cơ giới cũng đã
được TS. Hoàng Viêṭ đề cập trong các chuyên đề nghiên cứu, các bài giảng
dành cho học viên cao học [16].
Tóm lại: Trên thế giới có nhiề u nghiên cứu về gia công gỗ bằ ng cơ ho ̣c,
các nghiên cứu này tương đố i hê ̣ thố ng và ngày càng đươ ̣c hoàn chỉnh. Ở
nước ta, việc nghiên cứu về gia công gỗ bằ ng cơ ho ̣c chưa được quan tâm
nhiều. Ngoài ra, ở nước ta vâ ̣t liêụ gỗ có tính chấ t khác so với ở nước ngoài
và từng loa ̣i gỗ khác nhau thì tính chấ t cũng khác nhau, do đó các yế u tố ảnh
hưởng đế n quá trin
̀ h gia công gỗ bằ ng cơ ho ̣c cũng khác nhau. Vì vâ ̣y, cầ n
thiế t có những nghiên cứu mô ̣t cách cu ̣ thể và có hê ̣ thố ng về gia công gỗ
bằ ng cơ ho ̣c ở các loa ̣i vâ ̣t liêụ gỗ khác nhau, nhấ t là các loa ̣i gỗ thông du ̣ng.
Từ đó đi thiế t kế hoă ̣c cải ta ̣o du ̣ng cu ̣ gia công, kỹ thuâ ̣t gia công, … nhằm
tăng năng suất lao động, cải ta ̣o điều kiện làm việc của công nhân.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu
- Ý nghĩa lý luận:
+ Xác định được tính năng và công nghệ của máy trong quá trình xẻ gia
công gỗ.
+ Xác định được định lượng ảnh hưởng của một số yếu tố đến chi phí
năng lượng riêng và năng suất cắt khi xẻ dọc gỗ trên máy cưa đĩa làm cơ sở
cho tính toán, thiết kế, cải tiến và sử dụng máy hợp lý.


-8-

- Ý nghĩa về thực tế:
+ Định hướng cho các cơ sở sản xuất khi sử dụng máy cưa đĩa để xẻ gỗ
keo tai tượng nói riêng và các loại gỗ có cấu tạo và tính chất cơ, lý giống như
gỗ keo tai tương nói chung trên máy cưa đĩa đảm bảo nâng cao hiệu quả kinh

tế trên cơ sở giảm chi phí năng lượng và đáp ứng yêu cầu chất lương của sản
phẩm.
+ Xác định được các thông số tối ưu về chế độ cắt trên máy cưa đĩa khi
xẻ dọc gỗ keo tai tượng trên máy cưa đĩa từ đó sẽ giảm được chi phí điện
năng, tăng năng suất cắt trên máy cưa đĩa.


-9-

Chương 2
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI
VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
* Nội dung nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu thực nghiệm 2 chỉ tiêu
là: chi phí năng lượng riêng (Nr) và năng suất (Ntt) khi xẻ dọc gỗ keo tai tượng
bằng cưa đĩa.
* Nhiệm vụ cụ thể:
- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số gia công (Vận tốc cắt,
vận tốc đẩy, góc mài) đến chi phí năng lượng riêng Nr khi xẻ dọc gỗ keo tai
tượng bằng cưa đĩa.
- Xây dựng được mối quan hệ giữa các thông số gia công (Vận tốc cắt,
vận tốc đẩy, góc mài) đến năng suất thuần túy Ntt khi xẻ dọc gỗ bằng cưa đĩa.
* Mục tiêu của đề tài xác định chế độ cắt tối ưu khi xẻ dọc gỗ, nhằm
giảm chi phí năng lượng riêng và tăng năng suất khi xẻ dọc gỗ keo tai tương
bằng cưa đĩa.
2.2. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
2.2.1. Đối tượng nghiên cứu
Gỗ keo tai tượng – Đối tượng gia công
Với vai trò là đối tượng gia công mà luận văn nghiên cứu, các tính chất
cơ, lý chủ yếu của gỗ keo tai tương được quan tâm đặc biệt. Tính vật lý, chất

cơ học của chúng đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu với nhiều vùng
sinh thái khác nhau.
Keo tai tượng là loại cây phát triển rất nhanh trong khoảng 7 đến tám
năm tuổi sau đó tốc độ tăng trưởng (về thể tích) giảm dần. Tốc độ tăng trưởng
mạnh nhất cả về chiều cao và đường kính là ở 2 đến 4 năm đầu, với mật độ


- 10 -

2x2m; 2,5x2,5m. theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Văn Phi, Phạm Văn
Chương khi sử dụng gỗ keo tai tượng làm nguyên liệu cho công nghiệp giấy,
sản xuất ván dăm, sản xuất ván sợi thì tuổi khai thác tốt nhất là 6 đến 8 năm;
khi sử dụng keo tai tượnglàm nguyên liệu cho cho công nghiệp xẻ thì nhất
thiết phải thực hiện các quá trình tỉa thưa 2-3 lần để đưa mật độ từ 900 cây /ha
xuống còn 100 – 200 cây/ ha.
Như vậy Keo tai tượng là một trong số ít loài gỗ có trữ lương lớn hiện
nay, mặt khác gỗ Keo tai tượng có nhiều công dụng, cùng với việc gây trồng
không yêu cầu khắt khe về điều kiện tự nhiên. Điều này cho thấy việc lựa
chọn loại gỗ này làm điều kiện nghiên cứu là hoàn toàn phù hợp.
2.2.2. Phạm vi nghiên cứu
Do thời gian và điều kiện thực hiện có hạn cho nên đề tài chỉ tập trung
vào nghiên cứu sự ảnh hưởng của 3 yếu tố quan trọng nhất đến chi phí năng
lượng riêng và năng suất cắt đó là: Tốc độ cắt, tốc độ đẩy và góc mài
Chúng tôi thực hiện khảo nghiệm tại trung tân nghiên cứu thực nghiệm
& chuyển giao công nghệ CNR trường ĐH Lâm Nghiệp – Xuân Mai –
Chương Mỹ - Hà Nội
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu
Sau khi xác định được mục tiêu nghiên cứu, điều quan trọng sau đó là
chọn được phương pháp nghiên cứu phù hợp để giảm bớt được chi phí khi

nghiên cứu mà vẫn đảm bảo được độ tin cậy của kết quả. Theo [4] nghiên cứu
khoa học được chia ra:
Nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng; nghiên cứu lý thuyết và
nghiên cứu thực nghiệm.
Theo đó, nghiên cứu cơ bản có mục đích phát hiện ra tính qui luật mà
đến trước khi nghiên cứu chưa biết trong thiên nhiên. Nghiên cứu ứng dụng là


- 11 -

pha tiếp theo của nghiên cứu cơ bản. Thông qua chúng để thu nhận các hiểu
biết mới hoặc vận dụng kiến thức đã có vào thực tế sản xuất.
Trong thời đại ngày nay, nghiên cứu ứng dụng là phần đáng kể hơn
trong quá trình chung của việc sáng tạo ra kỹ thuật mới. Nó là cơ sở để tiếp
nhận số liệu, tư tưởng, mẫu và những cái khác được đưa ra. Thông qua chúng,
các đối tượng, máy móc, qui trình công nghệ mới được thiết kế và đề xuất.
Bởi thế phần lớn các nghiên cứu kỹ thuật theo bản chất của chúng là nghiên
cứu ứng dụng.
Nghiên cứu lý thuyết có mục đích thiết lập một hệ thống quan điểm nào
đó thông qua việc đưa ra những qui luật mới, nghiên cứu lý thuyết thích hợp
nhất khi nghiên cứu các đối tượng và hệ thống mà trong đó có thể phân chia
rõ các hiện tượng và các quá trình có cùng bản chất vật lý.
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm là tiếp nhận những sự kiện
mới, kiến thức khoa học và số liệu khoa học thông qua tổ chức thực nghiệm
bằng cách quan sát đối tượng của nhà nghiên cứu. Khi nghiên cứu các hệ
thống phức tạp mà ở trong đó diễn ra các hiện tượng và quá trình với bản
chất khác nhau thì thích hợp hơn là dùng phương pháp thực nghiệm với lý
thuyết tương ứng.
Từ những phân tích ở trên cho thấy rằng nếu sử dụng phương pháp lý
thuyết để xác định sự ảnh hưởng của tất cả các yếu tố đến 2 chỉ tiêu quan tâm

là chi phí năng lượng riêng và năng suất thì phải nghiên cứu toàn diện mức độ
ảnh hưởng và cơ chế tác động của từng yếu tố đến các chỉ tiêu quan tâm, khối
lượng nghiên cứu sẽ rất lớn. Chính vì vậy để giảm bớt khối lượng công việc
luận văn lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm là phù hợp hơn cả.
Tuy nhiên, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà chúng tôi sử dụng
không phải là thực nghiệm thuần tuý mà là sự kết hợp hài hoà giữa lý thuyết
và thực nghiệm; lấy lý thuyết làm cơ sở, làm định hướng ban đầu hỗ trợ giảm
bớt khối lượng công việc, rút ngắn thời gian nghiên cứu thực nghiệm.


- 12 -

Trong nghiên cứu thực nghiệm, có thể tiến hành thí nghiệm bằng
phương pháp cổ điển. Nhà thực nghiệm chỉ dựa vào kinh nghiệm và trực giác
để chọn hướng nghiên cứu, các thí nghiệm được tiến hành lần lượt với sự thay
đổi từng thông số trong khi giữ nguyên các yếu tố còn lại. Phương pháp cổ
điển chỉ cho phép tìm kiếm cái mới phụ thuộc giữa các chỉ tiêu đánh giá và
các yếu tố ảnh hưởng một cách riêng biệt trong khi làm thực nghiệm một cách
riêng rẽ sẽ theo từng yếu tố. Mặc dù có trong tay một tập hợp các phương
trình thực nghiệm đơn yếu tố nhưng vì chúng chỉ là những trường hợp riêng
nên không cho kết quả chặt chẽ về mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố trong
mối tác động qua lại giữa chúng cũng không thể tìm kiếm phương án phối
hợp tối ưu các yếu tố ảnh hưởng.
Nhược điểm của phương pháp nghiên cứu cổ điển là khi nghiên cứu
không thấy được hướng chuyển dịch của quá trình, mà khi tìm các điều kiện
tối ưu theo quan điểm này các thực nghiệm đó thuộc loại “thụ động”.
Vì thấy rõ những nhược điểm của phương pháp nghiên cứu thực
nghiệm cổ điển chúng tôi chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mà
trong đó tiến hành khảo nghiệm máy, thu thập số liệu một cách chủ động
theo một kế hoạch và chiến lược xác định trước, đó là phương pháp qui

hoạch thực nghiệm.
Theo [5] quy hoạch thực nghiệm là cơ sở phương pháp luận của nghiên
cứu thực nghiệm hiện đại. Đó là phương pháp nghiên cứu mới trong đó công
cụ toán học giữ vai trò tích cực, cơ sở toán học, nền tảng lý thuyết của qui
hoạch thực nghiệm là toán thống kế với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích
phương sai và phân tích hồi qui.
2.3.2. Xác định thông số cần đo
Từ những cơ sơ phân tích ở chương 3 cho thấy rằng có rất nhiều thông
số ảnh hương tới chi phí năng lượng riêng và năng suất thuần túy. Tuy nhiên
do giới hạn của đề tài nên đề tài này chỉ nghiên cứu múc độ ảnh hương của 3
thông số tới chi phí năng lượng riêng và năng suất.


- 13 -

- Ảnh hưởng của góc mài đến chi phí năng lượng riêng và năng suất
thuần túy β =30 ÷ 500
Khi xác định được mức độ biến thiên của góc mài, xác định được góc
mài cần mài, vẽ và xác định đúng góc mài trên lưỡi cưa sau đó mài lưỡi trên
máy mài hai đá (Hình 2.1)

Hình 2.1 Mài góc mài trên máy mài 2 đá
- Ảnh hưởng của vận tốc cắt đến chi phí năng lượng riêng v = 40 – 60 m/s
Trong quá trình khảo nghiệm khi xác định đúng vận tốc cắt cần có
chúng tôi điều chỉnh vận tốc cắt bằng cách:
* Thay hệ thống puly dây đai để có được vận tốc cắt (Số vòng quay của
động cơ chính cố định trong suốt quá trình khảo nghiệm) khi n (số vòng quay
thay đổi) thì v thay đổi.
v

 .D.n
1000

* Thay đổi đường kính của lưỡi cưa đĩa

(2.1)


- 14 -

- Ảnh hưởng của vận tốc đẩy đến chi phí năng lượng riêng và năng suất
thuần túy u = 4 - 8 m/s
Thay đổi tốc độ đẩy trong quá trình khảo nghiệm chúng tôi thực hiện
như sau:
Động cơ điện được gắn với bộ biến tần (Hình 2.2) như vậy khi tần số
thay đổi thì số vòng quay của động cơ sẽ thay đổi theo công thức 2.2.
n

60. f
p

(2.2)

Động cơ gắn với trục
vít me, trục vít me có ren
thang với bước ren thang là
6 mm như vậy cứ một vòng
quay của trục vít me thì đai
ốc trên truc vít me dịch
chuyển được một khoảng là

6 mm.
Khi tính được tốc độ
đẩy là bao nhiêu trong quá
trình khảo nghiệm thì chỉ
cần thay đổi tần số.
Hình 2.2 Bộ biến tần
2.4. Tiến hành công tác chuẩn bị
2.4.1. Chế tạo khung khảo nghiêm
Để thuận lợi cho quá trình khảo nghiệm, chúng tôi đã chế tạo khung
máy cưa đĩa để khảo nghiệm (Hình 2.3)


- 15 -

- Cấu tạo gồm có một khung máy cưa đĩa xẻ dọc (1) trên khung có 2
đường ray (2) để hệ thống di chuyển có thể dịch chuyển trên đó. Trên hệ
thống dịch chuyển có gắn 1 động cơ điện (3), trục để lắp lưỡi cưa, động cơ (4)
được nối dẫn động với trục vít me (5), trục vít me được gá trên khung được gá
bằng hai ổ bị tự lựa. Trên (5) có 1 đai ốc có thể dịch chuyển được trên đó, và
đai ốc được nối cứng trên hệ thống dịch chuyển. Ngoài ra còn có 1 cơ cấu (6)
để kẹp cứng gỗ, và hai công tắc hành trình gắn trên khung máy .
1
5

2

3

6

4

Hình 2.3 Khung máy cưa đĩa xẻ dọc để khảo nghiệm
- Nguyên lý hoạt động, gỗ được kẹp chặt trên cơ cấu kẹp gỗ (Gỗ có thể
tháo lắp rễ ràng) khi động cơ chính quay qua hệ thống puly dây đai làm cho
lưỡi cưa đĩa quay. Để quá trình cắt xẩy ra thì động cơ phụ (động cơ dẫn động
cho hệ thống đẩy) quay qua hệ thống puly dây đai làm cho trục vít me quay,
trục vít quay làm cho đai ốc gắn trên trục vít me chuyển động tịnh tiến, dẫn


- 16 -

đến hệ thống di chuyển cũng chuyển động tịnh tiến cùng với vận tốc của đai
ốc gắn trên trục vít kết quả là lưỡi cưa vừa chuyển động quay vừa chuyển
động tịnh tiến và quá trình cắt xẩy ra. Trên máy có lắp 2 công tắc hành trình,
khi máy chuyển động chạm đến công tắc hành trình tốc độ đẩy sẽ dừng lại.
2.4.2 Thiết bị đo
Đề tài nghiên cứu chi phí năng lượng riêng và năng suất cắt trong quá
trình xẻ dọc gỗ keo tai tượng bằng cưa đĩa và theo công thức 2.1
N  3.U.I .Cos.t

Ntt 

(Kw.h)

F
t

(2.3)
(2.4)

Do vậy để tài chỉ đo những thông số như: Cường độ dòng điện, hiệu
điện thế, cosφ, thời gian, diện tích mạch cắt

Hình 2.4 Các thiết bị đo


- 17 -

Để đo công suất của động cơ chúng tôi dùng thiết bị đo là PLUKE như
hình 2.3
Để đo năng suất cắt chúng tôi dùng đồng hồ bấm dây (độ chính xác là
0,2s) và thước cặp 1/20 để đo diện tích.
2.5. Tiến hành thực nghiệm đơn yếu tố
Nhiệm vụ cơ bản của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số
ảnh hưởng đã phân tích ở trên để xem thông số nào thực sự ảnh hưởng đến các
chỉ tiêu đánh giá, xác định mức độ và quy luật ảnh hưởng của chúng đến chỉ
tiêu quan tâm. Thực nghiệm đơn yếu tố được tiến hành theo các bước sau:
1.Thực hiện thí nghiệm với từng thông số thay đổi với số mức không
nhỏ hơn 4, khoảng thay đổi lớn hơn 2 lần sai số bình phương trung bình của
phép đo giá trị thông số đó. Số thí nghiệm lập lại n = 3 [5].
2. Sau khi thí nghiệm xong, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hưởng
của mỗi yếu tố tới năng suất và chi phí năng lượng riêng. Đánh giá tính thuần
nhất của phương sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ ảnh hưởng khác
đối với thông số cần xét là không có hoặc không đáng kể.
Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần
nhất [5] như sau:
2.5.1. Đánh giá tính đồng nhất của phương sai
Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kohren.
Gtt 

2
smax

(2.5)

N

S
u 1

2
u

2
- Phương sai lớn nhất trong N thí nghiệm
smax

S u2 =

1 mu
(Yui  Yu ) 2

mu  1 i 1

mu - Số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm

(2.6)

- 18 -

- Giá trị của thông số tại điểm u.

yui

yui - Giá trị trung bình của thông số ra tại điểm u.
y

1
mu

mu

y
i 1

u=1, 2, 3,…N

ui

(2.7)

Ứng với N điểm thí nghiệm trong kế hoạch thực nghiệm ta có N
phương sai S u2 .
2
Trong đó luôn có giá trị S max

Gtt  Chuẩn Kohren tính toán theo thực nghiệm.

Trong đó bậc tự do ở tử số   m  1 và ở mẫu số K=N (m-1).
m - Số lần lặp lại ở thí nghiệm mà ở đó có phương sai cực đại, m = m u
Giá trị thống kê chuẩn Kohren được tính sẵn theo mức ý nghĩa  , hoặc
tự do  và ký hiệu Gb tra bảng [4].
Nếu Gtt < Gb thì giả thiết không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm.
2.5.2. Kiểm tra mức độ ảnh hưởng của các yếu tố
Phương pháp đánh giá này dùng chuẩn Fisher (F). Thực chất là so sánh
phương sai thành phần do thay đổi thông số nào gây nên và phương sai do
nhiễu gây ra. Nếu tỷ số giữa hai phương 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 hưởng thực sự đến thông số ra, trội hẳn so với ảnh
hưởng ngẫu nhiên.
Giá trị tính toán của tiêu chuẩn F là tỷ số:
F=

S y2
S e2

(2.8)

Trong đó:
S y2 - Phương sai do sự thay đổi thông số vào X gây nên.


- 19 -

S y2 =

m N
(Yu  Y0 )2


N  1 u 1

(2.9)

S e2 - Ước lượng phương sai do nhiễu thực nghiệm gây ra.
Se2 

1 N 2
 Su
N u 1

(2.10)

Giá trị trung bình chung của thông số đầu ra tính cho toàn bộ

y0 -

thực nghiệm.
Y 0=

1 N
 yu
N u 1

(2.11)

Bậc tự do của S y2 là  1 =N-1; của S e2 là  2 =N(m-1)
Giá trị thống kê của chuẩn F được tính sẵn theo mức ý nghĩa  =0,005,
bậc tự do  1 ,  2 ở phụ lục 3 tài liệu [5].

Nếu giá trị tính toán Fđáng kể trong khuôn khổ ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên. Nguyên nhân
gây nên trường hợp này là đưa vào thí nghiệm những thông số không có ảnh
hưởng đáng kể hoặc bước biến đổi của thông số quá bé, dẫn đến hiệu ứng ảnh
hưởng của thông số nhỏ so với nhiễu.
Nếu F > Fb thì ảnh hưởng của các thông số vào là đáng kể.
2.5.3. Xác 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 được, ta có thể lập
được phương trình tương quan giữa thông số đầu ra là 2 chỉ tiêu quan tâm và
thông số đầu vào là những yếu tố ảnh hưởng ở dạng mô hình hồi quy.
2.5.4. Kiểm tra tính tương thích của mô hình hồi quy
Phép kiểm tra này thực chất là so sánh phương sai tuyển chọn S 2 tạo
nên do sự chênh lệch giữa các giá trị hàm tính theo mô hình và giá trị thực
nghiệm của nó với phương sai S e2 do nhiễu tạo nên theo tiêu chuẩn Fisher.


- 20 -

Nếu tỷ số hai phương sai này S 2 / S e2 càng nhỏ tính thích ứng của mô hình
càng mạnh. Ngược lại nếu nó càng lớn thì tính thích ứng càng yếu. Khi vượt
khỏi ngưỡng của giá trị thống kê Fb thì mô hành bị coi là không tương thích.
Phương sai do nhiễu tạo nên S e2 là giá trị trung bình của các bình
phương độ lệch nhiễu của các điểm thí nghiệm S u2 .
Se2 

1 N 2
 Su
N u 1

(2.12)

Phương sai tuyển chọn S 2 được tính theo công thức:
S2=

1
N  K*

N

 (Y  y)

2

(2.13)

u 1

K * - Hệ số hồi quy có nghĩa

Y- Giá trị của đối số Y=F( X 1 X 2 .....Xn) tính theo mô hình hồi quy thay
các bộ giá trị các thông số vào ( X 1 X 2 .....Xn) ứng với mỗi điểm thí nghiệm U
giá trị tính toán của chuẩn Fisher.
S2
Ftt = 2
Se

Bậc tự do  1 =N- K*  2 = N(m u -1).

(2.14)

(3.15)

So sánh Ftt với giá trị lý thuyết tra bảng theo bậc tự do  1 ,  2 nêu Ftt < Fb
mô hình là tương thích. Nếu Ftt > Fb chứng tỏ sự vượt trội một cách có hệ
thống của thống kê tập hợp được ước lượng bởi S 2 so với tham số tương ứng
được ước lượng bởi S e2 . 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 vượt trội số hệ thống sai lệch bổ sung do sự sai lệch không tương thích của
mô hình so với đối tượng nghiên cứu.
Trong trường hợp này để có mô hình tương thích có thể chọn các giải
pháp sau:


- 21 -

+ 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.
2.5.5. Xây dựng đồ thị ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến thông số đầu ra.
Dựa vào mô hình thực nghiệm thu được ta có thể xây dựng đồ thị ảnh
hưởng của các thông số đầu vào X đến các thông số đầu ra là chi phí năng
lượng riêng và năng suất của tời.
2.6. Tiến hành thực nghiệm đa yếu tố
Để sử dụng phương pháp thực nghiệm đa yếu tố cần có các điều kiện [4].
+ Kết quả thông số ra phải tập trung cao, nghĩa là khi lập lại nhiều lần
cùng một thí nghiệm thì giá trị thu được không sai lệch quá lớn.
+ Các yếu tố ảnh hưởng phải điều khiển được và chúng phải độc lập
với nhau.
+ Mối liên hệ giữa các thông số tối ưu và các yếu tố ảnh hưởng được
thể hiện bởi các phương trình và đáp ứng các điều kiện:

- Phải là hàm khả vi;
- Chỉ có một cực trị trong khoảng các yếu tố biến thiên.
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố được thực hiện theo các
bước sau: [5].
1.

Chuẩn bị dụng cụ đo, máy móc thiết bị thí nghiệm.

2.

Chọn phương án thích hợp cho thí nghiệm.

3.

Tổ chức thí nghiệm.

4.

Gia công số liệu thí nghiệm.

5.
Phân tích và giải thích kết quả nhận được bằng thuật ngữ của các
lĩnh vực khoa học tương ứng.


- 22 -

2.6.1. 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 [2], [5].
Hàm mục tiêu là chi phí năng lượng riêng và năng suất của cưa đĩa có

nhiều khả năng là hàm phi tuyến.
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 tương quan
bậc 2 thì có thể bỏ qua việc tiến hành thực nghiệm bậc 1 và thực nghiệm theo
phương 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, nhưng hiện nay vẫn được ứng dụng rộng rãi
trong nghiên cứu.
Theo [4] phương án này có tổng số các thí nghiệm cần thực hiện:
N=2k + N + N0

(2.16)

2k - Các thí nghiệm phần hạt nhân;
k – Các thông số ảnh hưởng, k =3

23= 8

N- Các thí nghiệm ở mức sao. N= 2x3 =6
N0- Các thí nghiệm ở trung tâm. N0 = 1
Vậy tổng số thí nghiệm cần thực hiện là 15.
Biến thiên của 2 yếu tố trong vùng thí nghiệm gồm các mức cơ sở, mức
trên và mức dưới, các giá trị này được chọn dựa vào phân tích kết quả đơn
yếu tố.
Trong các mức khác nhau của yếu tố X i quan trọng nhất là mức cơ sở
X i 0 được xác định theo công thức.

X i 0 = ( X i min  X i max )/2

(2.17)

Sau cùng là khoảng biến thiên của các yếu tố X.
ei  X imix  X i0  X i0  X i min

(2.18)


- 23 -

Để chuyển từ giá trị tự nhiên sang dạng tọa độ.
xi = ( X i - X io )/ e1

(2.19)

xi - Giá trị mã.
X i - Giá trị thực của yếu tố thứ i.

Ở dạng mã mức dưới 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 và xây
dựng ma trận thí nghiệm theo nguyên tắc các thí nghiệm hoàn toàn độc lập.
Sau khi thành lập ma trận thực nghiệm chúng tôi tiến hành tổ chức thí
nghiệm.
2.6.2. Tiến hành thí nghiệm
Các thí nghiệm phải thực hiện theo hai bước.
- Thực hiện các thí nghiệm thăm dò ở mức cơ sở với số thí nghiệm
n = 50÷140. Kiểm tra quy luật phân bố chuẩn của đại lượng đầu ra.
Xác định số lần lặp lại của những thí nghiệm [6].
Tiến hành các thí nghiệm theo ma trận đã lập. Theo [6] kết quả các số

đo trong khi làm thí nghiệm mặc dù có chính xác đến mấy cũng luôn tồn tại
sự sai lệch. Sự sai lệch này tồn tại ở ba dạng.
+ Sai số thô là sai số đo được trong một thí nghiệm nào đó khác xa với
những số đo được ở các thí nghiệm trước. Nguyên nhân sai số thô do thiết bị
thí nghiệm bị hỏng, điều kiện thí nghiệm khác thường sai số thô dẽ phát hiện,
khắc phục bằng cách làm lại ngay thí nghiệm đó.
+ Sai số hệ thống gây ra do độ nhạy và chính xác của dụng cụ đo, khắc
phục sai số này bằng cách hiệu chỉnh lại dụng cụ đo.