Luận văn thạc sĩ tính toán, thiết kế cơ cấu cắt gọt của thiết bị rút lõi gỗ dừa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------

PHẠM QUANG TUẤN

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CƠ CẤU CẮT GỌT CỦA THIẾT
BỊ RÚT LÕI GỖ DỪA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỒNG NAI, 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------

PHẠM QUANG TUẤN

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CƠ CẤU CẮT GỌT CỦA THIẾT
BỊ RÚT LÕI GỖ DỪA

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY, THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ
GỖ GIẤY
MÃ SỐ: 60.52.24

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. HOÀNG HỮU NGUYÊN
ĐỒNG NAI, 2012


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực
và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác

Tác giả luận văn

Phạm Quang Tuấn


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành luận án này, tơi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới PGS.TS. Hồng Hữu Ngun đã tận tình hướng dẫn tơi trong suốt q trình
thực hiện đề tài.
Tơi xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô giáo, các nhà khoa học thuộc
Trường Đại học Lâm nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi về phương pháp nghiên
cứu, tài liệu chuyên môn liên quan đến luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo, tập thể giáo viên, công nhân
viên Cơ sở 2 Trường Đại học Lâm nghiệp đã hết lòng giúp đỡ tơi hồn thành
bản luận văn này.
Qua đây, cũng xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên

và tạo những điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành tốt q trình học tập và hồn
thành luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành và lời chúc sức khỏe.
Tác giả luận văn


iii

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Các ký hiệu dung trong đề tài

vi

Danh mục các bảng biểu

vii

Danh mục các hình

viii

Mở đầu

1

Lý do chọn đề tài

1

Mục đích nghiên cứu

2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2

Phương pháp nghiên cứu

3

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5

Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

7

1.1.

Nghiên cứu sơ bộ về nguyên lý khoan rút lõi

7

1.1.1. Nguyên lý khoan trên vật liệu gỗ

7

1.1.2. Nguyên lý khoan rút lõi

9

1.2.

Đối tượng gia công

15

1.2.1. Thông tin chung về cây dừa

16

1.2.2. Cấu tạo và tính chất của cây dừa

17

1.2.2.1. Cấu tạo thơ đại

17

1.2.2.2. Cấu tạo hiển vi

18

1.2.3. Tính chất vật lý của gỗ dừa

20

1.2.3.1. Khối lượng thể tích

20

1.2.3.2. Tính hút nước

22

1.2.3.3. Tính co rút

22


iv

1.2.3.4. Tính dãn nở

24

1.2.3.5. So sánh tính chất vật lý của thân dừa và gỗ cao su, xà cừ 24
1.2.3.6. Độ ẩm của nguyên liệu

26

1.2.4. Tính chất cơ học

26

1.2.4.1. Giới hạn bền khi nén dọc thân dừa

26

1.2.4.2. Giới hạn bền nén ngang tiếp tuyến thân dừa

28

1.2.4.3. Giới hạn bền nén ngang xuyên tâm gỗ dừa

29

1.2.4.4. Giới hạn bền kéo dọc gỗ dừa

29

1.2.4.5. Giới hạn bền uốn tĩnh gỗ dừa

30

1.2.4.6. Modul đàn hồi uốn tĩnh của gỗ dừa

32

1.2.4.7. So sánh một vài tính chất cơ học của thân dừa với gỗ
cao su , xà cừ
1.3.

Bản chất của quá trình khoan rút lõi cây dừa

1.4.

Các cơ sở lý thuyết về tính bền áp dụng cho dao cắt và kết
cấu máy khoan rút lõi

1.5.

Nguồn lực dẫn động của dao và máy khoan rút lõi, cơ sở và
phương pháp chọn

32
35
50

52

Chương 2: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

59

2.1. cơ sở lý thuyết

59

2.1.1. lựa chọn năng suất làm việc của hệ thống

59

2.1.2. Lựa chọn phương thức làm việc của hệ thống

59

2.1.3. Định hướng thiết kế

60

2.2. Nghiên cứu thơng qua thực nghiệm cắt

60

2.3. Thiết kế tính tốn các chi tiết chính trong máy khoan rút lõi
cây dừa

65

2.3.1. Sơ đồ nguyên lý chung từ ý tưởng thiết kế

65

2.3.2. Thiết kế và tính tốn dao cắt

66


v

2.3.3.1. Các phương án bố trí và lựa chọn hình dạng dao rút lõi

68

2.3.3.2. Thiết kế lựa chọn kết cấu lỗ phun áp lực để thoát phoi

74

2.3.3.3. Thiết kế lựa chọn bích dẫn khí nén xuống vùng gia cơng

75

2.3.3.4. Thiết kế lựa chọn ổ chứa dao chính

78

2.3.3.5. Thiết kế, lựa chọn pistong đẩy lõi ra khỏi thân dao, khi
lấy lõi xong

80

2.3.3.6. Hồn thiện kết cấu của mặt bích ổ dao

82

2.3.3.7. Thiết kế , lựa chọn góc độ dao cắt

83

2.3.3.8. Tính toán lực cắt tác dụng lên lưỡi dao và thân dao

85

2.3.3.9. Kiểm tra bền cho kết cấu dao cắt

88

2.3.3.10. Bản vẽ hồn chỉnh kết cấu dao cắt

89

2.3.3.11. Mơ phỏng lắp ráp kết cấu dao cắt và quá trình rút lõi

90

Chương 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

91

3.1. kết luận

91

3.2. Kiến nghị

91

TÀI LIỆU THAM KHẢO

93

PHỤ LỤC

94

Bản vẽ chế tạo các chi tiết của dao rút lõi

94

Kiểm tra sức bền của dao

105


vi

CÁC KÍ HIỆU DÙNG TRONG ĐỀ TÀI
TT

Ký hiệu

Ý nghĩa

1

b

Chiều rộng lớp cắt

2

F

Lực ma sát trong quá trình cắt

3

ha

Hecta

4

h

Chiều dày lớp cắt

5

M

Momen

6

n

Số vịng quay

7

N

Cơng suất cắt

8

Nz

Lực dọc trục

9

P

Lực sinh ra trong quá trình khoan

10

Q

Lực đẩy của gỗ trong quá trình khoan

11

R

Lực cắt tổng hợp

12

t

Thời gian

13

u

Tốc độ ăn dao (bước tiến của dao)

14

uz

Tốc độ ăn dao của một lưỡi cắt

15

u0

Tốc độ ăn dao trong một vòng quay

16

V

Tốc độ cắt

17

Vmax

Tốc độ cắt tối đa

18

Vtb

Tốc độ cắt trung bình

19

V0

Thể tích tương đối

20

α

Góc sau của dao cắt

21



Góc mài (góc sắc) của dao

22



Góc trước của dao

23



Góc cắt của dao

24



Góc nghiêng chính của dao


vii

25

ϭ

Ứng suất

26

ω

Vận tốc vòng
DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên Bảng

Trang

1.1

Kết quả đếm bó mạch

17

1.2

Sự giảm dần mật độ bó mạch từ vỏ vào tâm

17

1.3

Mật độ bó mạch trên thân cây dừa 25 - 30 tuổi

19

1.4

Đường kính bó mạch trong thân cây dừa 25 – 30
tuổi

20

1.5

Khối lượng thể tích khơ kiệt của gỗ dừa

21

1.6

Tổng hợp độ hút nước của gỗ dừa

22

1.7

Tổng hợp kết quả tỷ lệ co rút của gỗ dừa

22

1.8

Tổng hợp kết quả tỷ lệ dãn nở của gỗ dừa

24

1.9

Một vài tính chất vật lý của thân dừa, gỗ cao su, gỗ
xà cừ

25

1.10

Độ ẩm trung bình thân dừa

26

1.11

Giới hạn bền khi nén dọc thân dừa

26

1.12

Giới hạn bền nén ngang tiếp tuyến thân dừa

28

1.13

Giới hạn bền nén ngang xuyên tâm gỗ dừa

29

1.14

Giới hạn bền kéo dọc gỗ dừa

29

1.15

Giới hạn bền uốn tĩnh gỗ dừa

30

1.16

Modul đàn hồi uốn tĩnh của gỗ dừa

32

1.17

Một vài tính chất của thân dừa , gỗ cao su và xà cừ

32

1.18

So sánh tính chất gỗ dừa với TCVN

33


viii

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ
Số hiệu

Tên Biểu đồ

Trang

1.1

So sánh khối lượng thể tích giữa gốc, thân và ngọn

21

1.2

Tỷ lệ co rút của gỗ dừa tại vùng 1

23

1.3

Tỷ lệ co rút của gỗ dừa tại vùng 2

23

1.4

Tỷ lệ co rút của gỗ dừa tại vùng 3

24

1.5

Giới hạn bền nén của gỗ dừa tại vùng 1

27

1.6

Giới hạn bền nén của gỗ dừa tại vùng 2

27

1.7

Giới hạn bền nén của gỗ dừa tại vùng 3

28

1.8

Giới hạn bền uốn của gỗ dừa tại vùng 1

31

1.9

Giới hạn bền uốn của gỗ dừa tại vùng 2

31

1.10

Giới hạn bền uốn của gỗ dừa tại vùng 3

31

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu

Tên Hình vẽ, đồ thị

Trang

1.1

Ngun lý khoan lỗ

8

1.2

Thơng số góc trong khoan

8

1.3

Ngun lý khoan rút lõi

9

1.4

Lỗ khoan bao tâm trong đá granite

10

1.5

Phần lõi đá của lỗ khoan rút lõi đá granite hồng
được William Flinders Petrie tìm thấy vào năm
1881

10


ix

1.6

Dấu vết khoan lấy lõi trong đá basalt, sử dụng 2
lưỡi khoan trịn có bán kính khác nhau, tạo thành
một cái ống. Niên đại ít nhất khoảng 5.000 năm.
Được trưng bày tại viện bảo tàng Petrie.

11

1.7

Khoan rút lõi Bê-Tông ngày nay

12

1.8

Một số máy khoan lõi ứng dụng trong khoan địa
chất

13

1.9

Mũi khoan rút lõi Bê-Tông

14

1.10

Mũi khoan rút lõi trong khoan địa chất

14

1.11

Mũi khoan rút lõi trong khoan vật liệu thép

15

1.12

Thân cây dừa

16

1.13

Cách đếm bó mạch

17

1.14

Mặt cắt ngang và các vùng trên thân cây dừa

18

1.15

Cấu tạo hiển vi của cây dừa (mặt cắt ngang)

18

1.16

Cấu tạo hiển vi thân cây dừa (mặt cắt dọc)

19

1.17

Mơ tả q trình cắt

35

1.18

Hình dạng phoi của q trình cắt

36

1.19

Phân tích lực cắt khi cắt kim loại

39

1.20

Quan hệ giữa dao và gỗ trong quá trình cắt gọt

41

1.21

Dao cắt, các trường hợp chuyển động và đặt dao
cắt

45

1.22

Sơ đồ tổng quát lực trong cắt hở

46

1.23

Lực tác dụng lên mũi dao cắt

47

1.24

Lực tác dụng lên mặt sau dao cắt

49

1.25

Lực tác dụng lên mặt sau dao cắt khi cắt ngang

49

1.26

Lực tác dụng lên mặt trước dao cắt

49


x

1.27

Các thành phần nội lực trên mặt cắt ngang

50

1.28

Sơ đồ chọn dấu (+ hay-)

51

1.29
1.30
1.31
2.1

Sơ đồ động cơ điện một chiều kích thích độc lập
điều khiển bằng dịng kích thích
Sơ đồ động cơ điện một chiều kích thích độc lập
điều khiển bằng dòng điện phần ứng
Sơ đồ hệ thống máy phát – động cơ Ward –
Léonard
Phôi dừa sau khi khác thác và cắt thành tùng đoạn
có chiều dài là 1m

53
55
57
61

2.2

Tiến hành đo kích thước mặt cắt của cây dừa

62

2.3

Tiến hành khoan thử trên máy khoan bàn

63

2.4

Kết quả sau khi khoan thử

64

2.5

Sơ đồ nguyên lý và ý tưởng thiết kế máy rút lõi

65

2.6

Dao cắt và phương án bố trí lưỡi cắt

67

2.7

Góc cắt với dao cắt đầu bằng

68

2.8

Góc cắt với dao cắt đầu nghiêng vào

69

2.9

Góc cắt với dao cắt đầu nghiêng ra

69

2.10

Dao với góc cắt nghiêng vào và có lỗ phun áp lực
khí thốt phoi

70

2.11

Dao với mũi dao so le để giảm mơ-men cắt

71

2.12
2.13

Rãnh thoát phoi trên thân dao với rãnh thoát phoi
thẳng
Rãnh thoát phoi trên thân dao với rãnh thoát phoi
nghiêng

72
72

2.14

Kết cấu của dao tách lõi

74

2.15

Lỗ khoan dẫn áp lực trên thân dao

75

2.16

Phương pháp ghép các mảnh thân dao

75

2.17

Phương pháp bố trí ống dẫn khí nén vào trên thân

76


xi

dao
2.18

Lắp đặt bích có các rãnh chia vào thân dao

76

2.19

Đệm cao su trên mặt trụ ngăn khơng cho áp khí lên
phía trên

77

2.20

Mặt cắt tại vùng có lắp đặt đệm cao su làm kín hơi

77

2.21

Kết cấu của ổ dao chính

79

2.22

Kết cấu ráp vòng chặn trong ổ dao

80

2.23
2.24

Tương quan giữa thân dao ổ chứa dao và lõi dừa
sau khi tách

Phương pháp dùng lõi đẩy để tách lõi dừa ra khỏi
thân dao

82
82

2.25

Kết cấu mặt bích trong cụm quay chính

83

2.26

Góc độ dao cắt được chọn theo cơng nghệ và u
cầu

84

2.27

Phân tích lực trên máy thí nghiệm cắt vỏ dừa

85

2.28

Phân tích lực tác dụng lên dao và thân dao trong
quá trình tách lõi

86

2.29

Tổng hợp các lực tác dụng lên thân dao cắt

88

2.30

Mơ hình tốn học kiểm tra bền cho thân dao cắt

89

2.31

Kết cấu dao cắt hoàn thiện và mối tương quan với
lõi dừa

90

2.32

Bản vẽ phân rã các chi tiết của dao tách lõi

90


1

MỞ ĐẦU
 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Dừa là loại cây có giá trị kinh tế cao, các sản phẩm từ cây dừa rất đa dạng.
Ngoài các sản phẩm từ quả dừa, lá dừa thì thân cây dừa cũng được sử dụng để
chế tác đồ mỹ nghệ, sử dụng cho các cơng trình xây dựng đơn giản… Cho đến
nay các quốc gia thành viên của Hiệp Hội Dừa Châu Á - Thái Bình Dương
(APCC) đã sản xuất và xuất khẩu được hơn 70 chủng loại sản phẩm từ dừa. Tại
Việt Nam, các xưởng thủ công mỹ nghệ sản xuất hơn 50 mặt hàng từ gỗ dừa
xuất khẩu đi nhiều quốc gia trên thế giới.
Theo số liệu của ngành Dầu thực vật thì diện tích dừa Việt Nam đạt đến
330.000 ha vào cuối thập niên 80. Sau đó đã giảm sút nhanh còn 154.000 ha
(thống kê của FAO, 2004). Hiện nay diện tích trồng dừa ở nước ta đạt khoảng
200.000 ha, được trồng từ Bắc đến Nam nhưng nhiều nhất là ở vùng ĐBSCL
với trên 70%, kế đến là các tỉnh Nam Trung Bộ (từ Đà Nẳng trở vào) chiếm gần
20%. Ở ĐBSCL, diện tích trồng dừa nhiều nhất là Bến Tre (38.000 ha), kế đến
là Trà Vinh (12.418 ha), Bình Định (12.000 ha). Từ năm 2004 đến nay do hoạt
động chế biến dừa trái gia tăng, giá bán nguyên liệu dừa trái lên rất cao nên diện
tích trồng dừa ở các địa phương liên tục tăng, riêng tỉnh Bến Tre đã tăng thêm
gần 3.000 ha, đạt 38.000 ha.
Cây dừa mọc thẳng đứng, suôn, bền chắc, càng lầu năm càng dẻo dai nhiều
vân, màu sắc. Gỗ dừa có độ bền cơ học khá tốt, có vân thớ đẹp, khả năng đáp
ứng cho công nghệ sản xuất ván nhân tạo rất cao. Tuy nhiên, không như các loại
gỗ khác, phần lõi cây dừa thường rất mềm, thớ dạng sợi, khơng có vân. Đây
chính là vấn đề cần giải quyết khi sử dụng gỗ dừa cho mục đích sản xuất ván
nhân tạo.
Như chúng ta đã biết hiện nay gỗ đang có xu hướng cạn kiệt do tài nguyên
về rừng ngày càng bị thu hẹp lại, trong khi đó những sản phẩm từ gỗ cịn rất đa


2

dạng và phong phú và không thể thiếu trong sản xuất các đồ dùng trang trí cũng
như trang trí nội ngoại thất, chính vì vậy việc tìm các ngun liệu tương tự khác
thay thế cho gỗ là một yêu cầu rất cấp bách hiện nay.
Với các đặc tính gần như gỗ và là một nguồn nguyên liệu chế biến gỗ rất tốt
trong tương lai, thân cây dừa sẽ là một trong những giải pháp tốt nhất để thay
thế cho gỗ trong công nghiệp nhất là công nghệ làm ván ép nhân tạo.
Thân cây dừa có 2 phần, phần lõi và phần thân cả 2 phần đều có thể chế biến
thành ván nhân tạo, tuy nhiên cơng nghệ chế biến có khác nhau, Với phần thân
cứng bên ngoài việc tạo ván nhân tạo sẽ nhanh và ít tốn cơng hơn phần lõi. Phần
lõi mềm hơn, để tạo ra ván ép nhân tạo chúng phải được thêm vào một số chất
phụ gia khác và trải qua quá trình ép mới trở thành sản phẩm có giá trị.
Việc tách phần thân và phần lõi có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác
nhau, đơn giản nhất là thực hiện bằng thủ công ,tuy nhiên thực hiện bằng thủ
cơng có thể làm hỏng cả 2 phần này nếu không được thực hiện tốt, mặt khác
hiệu quả kinh tế bằng phương pháp này mang lại cũng khơng cao. Một phương
pháp hữu hiệu và mang tính cơng nghiệp hơn đó là chế tạo một loại máy có thể
bóc tách một cách tự động 2 phần này.
Từ những vấn đề đã phân tích trên đây người nghiên cứu thấy rằng việc chế
tạo thành công máy tách vỏ và lõi dừa sẽ mang một ý nghĩa rất quan trọng trong
cơng nghệ tìm nguồn ngun liệu thay thế gỗ và sản xuất các loại ván ép từ thân
cây dừa và cũng chính vì vậy tác giả đã quyết định chọn đề tài “TÍNH TỐN,
THIẾT KẾ CƠ CẤU CẮT GỌT CỦA THIẾT BỊ RÚT LÕI GỖ DỪA” làm
đề tài nghiên cứu.
 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu khả năng cắt gọt và tính tốn, thiết kế cơ cấu cắt gọt của thiết bị
rút lõi trên vật liệu gỗ dừa.
 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu:

3

Để tạo ra một dây chuyền khoan lõi hoàn chỉnh cần phải có rất nhiều cơng
đoạn bao gồm các cơng đoạn thu gom cây dừa, cắt thành các đoạn dài yêu cầu,
lựa chọn các đoạn tiêu chuẩn đồng nhất để làm phôi liệu đưa vào máy khoan lõi,
máy khoan lõi phải bao gồm tổ hợp các kết cấu gá đặt, hệ thống định vị và lắp
dao, hệ thống quay dao…, việc nghiên cứu toàn bộ hệ thống này là một vấn đề
rất lớn, vì vậy trong đề tài này người nghiên cứu chỉ đi sâu vào 2 vấn đề chính
đó là nghiên cứu góc độ kết cấu và vật liệu làm dao cắt, nghiên cứu kết cấu của
máy khoan lõi nhằm tạo ra được một hệ thống khoan lõi hoàn chỉnh tương đối,
kích thước của phơi liệu dừa đã được chọn lựa tương đối ở dải kích thước là
chiều dài 1m, đường kính từ 130 tới 150mm.
- Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu quá trình cắt gọt của quá trình rút lõi trên vật liệu là thân cây
dừa.
Thết kế và tính toán lý thuyết cơ cấu cắt gọt cho thiết bị rút lõi dừa với
đường kính tối đa là 150mm và chiều sâu khoan không quá 1000mm.
 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp tiếp cận hệ thống
Về nguyên lý chung phương pháp tách lấy lõi và vỏ cây dừa tương đương
với một loại máy khoan địa chất đang được sử dụng, tuy nhiên xét về bản chất
chúng có khác nhau một vài điểm, máy khoan thăm dò địa chất sẽ tạo ra một lỗ
khoan trên nền đất hay đá và phoi sau khi khoan khơng nhất thiết phải giữ
ngun hình dáng của lỗ khoan, với máy tách lõi không những chúng ta phải
giữ lại hình dáng của thân cây dừa mà còn phải giữ lại nguyên dạng phần lõi đã
tách.
Khi thiết kế nếu chúng ta đi từ điểm bắt đầu thì sẽ gặp rất nhiều khó khăn và
sẽ tốn nhiều thời gian thử nghiệm vì vậy để giảm bớt thời gian này chúng ta sẽ
tiến hành nghiên cứu các dạng mũi khoét lõi và kết cấu máy khoan địa chất để

4

cải tiến và xây dựng thành một hệ thống khoan tách lõi cây dừa hoàn chỉnh, cụ
thế đề tài này sẽ kế thừa các thành tựu đã có bao gồm:
 Ngun lý khoan địa chất cơng trình.
 Cơ sở lý thuyết về các thiết kế dao cắt khi cắt vật liệu gỗ.
 Nguyên lý tách lõi cơ bản.
 Phương pháp tính lực trong q trình tiện, khoan, phay.
- Phương pháp giải tích tốn học
Trong q trình tính tốn các cơng thức và giải các phương trình để tìm ra
các thơng số thiết kế, đòi hỏi phải vận dụng các phép giải tích tốn học thơng
thường và cơ bản, hơn nữa để biết được nhanh chóng sự ảnh hưởng của góc độ
dao tới lực sinh ra trong toàn hệ thống cần phải xây dựng một cơng thức tốn
học bao qt các thông số ảnh hưởng tới lực cắt sinh ra.
Phương pháp giải tích tốn học đóng một vai trị rất quan trọng, trong việc
tính tốn và đưa ra các thơng số chính xác để tối ưu các yếu tố ảnh hưởng đến
chất lượng và kinh tế của hệ thống
- Phương pháp tối ưu hố
Trong q trình thiết kế cũng như tính tốn các thơng số chế tạo, yếu tố kinh
tế cùng chất lượng của hệ thống phải được đặt lên hàng đầu, tổng hợp các nhân
tố đó sẽ tối ưu hố bài toán, với bài toán tách lõi, hệ thống phải có hệ thống
điều chỉnh được tốc độ quay của dao (tốc độ cắt lõi) và tốc độ tiến của dao (thời
gian tách lõi) cho phù hợp với sự khác biệt của cơ tính cây dừa khi đưa vào tách
lõi.
- Phương pháp xác định thông số nghiên cứu của máy
Trên cơ sở tính tốn thiết kế các thơng số hình học của máy theo các chỉ tiêu
về kỹ thuật và kinh tế, sẽ thiết kế ra hình dáng hình học sơ bộ của mơ hình, sau
đó tuỳ thuộc vào vị trí lắp đặt hệ thống điều kiện làm việc và các yêu cầu về độ

bền của vật liệu làm chi tiết, xác định lại các thông số và chọn vật liệu thích
hợp. Ngồi ra trong q trình thiết kế các chi tiết để lắp ráp thành hệ thống hoàn


5

chỉnh cần thiết kế sao cho sự thay đổi của chi tiết này sẽ không ảnh hưởng nhiều
đến sự lắp ráp so với các chi tiết khác, đồng thời tính tốn đến q trình thay thế
sửa chữa sau này.
Các chi tiết trong hệ thống máy cịn có thể sử dụng lại khi cải tiến thiết kế
theo một sự cải tiến mới, tốt nhất là khi điều kiện làm việc thay đổi chỉ nên thay
đổi phần mềm, phần cứng ít hoạc khơng có sự thay đổi.
- Phương pháp tiếp cận cơng nghệ mới
Hiện nay vơí sự phát triển như vũ bão của khoa học máy tính và những ứng
dụng tích cực của nó trong việc giải quyết các bài tốn phức tạp, đã giảm thiểu
rất nhiều về thời gian tính tốn đồng thời kết quả thu được rất chính xác so với
phương pháp giải thông thường trước đây.
Các phần mềm xử lý số liệu ngày nay cũng rất đa đạng và phong phú, việc
ứng dụng nó để mơ phỏng quan sát sự ảnh hưởng của các yếu tố lên hệ thống
khi hệ thống làm việc là thật sự cần thiết, hơn nữa sau các q trình tính tốn
cần phải có một cơng cụ để kiểm tra mức độ chính xác của kết quả, việc ứng
dụng các phần mềm ở công đoạn này là hoàn toàn phù hợp.
 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Trên cơ sở nghiên cứu hình dáng kích thước và đặc tính của cây dừa, các loại
dao khoét lấy lõi đang được sử dụng cho các loại vật liệu khác như đất đá và các
phương pháp lấy lõi từ trước tới nay, các dạng máy khoan giếng, khoan địa chất
và dựa vào các phương pháp thí nghiệm về đặc tính tương đương của gỗ dừa
với một số loại gỗ thông dụng người nghiên cứu sẽ tập trung vào nghiên cứu
phân tích về thơng số hình học của dao các lực sinh ra trong quá trình khoét lõi,
vật liệu và kết cấu đặc biệt của dao, hình dạng và kết cấu của máy khoan rút lõi

và thiết kế phần cắt gọt hoàn chỉnh cho máy khoan rút lõi và các nội dung
nghiên cứu trình được thể hiện tóm gọn như sau:


6

- Nghiên cứu tổng quan về đặc tính cơ học hình học của cây dừa để chọn kích
thước hợp lý cho công đoạn rút lõi.

- Nghiên cứu các phương pháp rút lõi truyền thống và hiện đại nhằm kết hợp
để tạo ra một phương pháp rút lõi có hiệu quả nhất trên cây dừa.

- Nghiên cứu dạng hình học của dao cắt, các lực tạo ra trong quá trình cắt
nhằm chọn hình dạng và kết cấu của dao rút lõi một cách hợp lý.

- Nghiên cứu kết cấu của một số máy khoan địa chất, máy khoan rút lõi của
một số vật liệu khác để thiết kế một máy rút lõi đơn giản đảm bảo kỹ thuật
và mang tính kinh tế cao.

- Nghiên cứu và ứng dụng một số các chi tiết tiểu chuẩn nhằm đơn giản hóa
q trình thiết kế gia công lắp ráp và giảm thiểu thời gian chế tạo.

- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển động cơ và các bộ truyền tiêu chuẩn
nhằm đưa ra được giải pháp thay đổi tốc độ cắt và chiều sâu cắt cho hợp lý
khi rút lõi.

- Phân tích và áp dụng các cơ sở lý thuyết tính tốn để tính tốn cho tồn bộ
kết cấu dụng cụ cắt của máy khoan rút lõi dừa.

- Ứng dụng các phần mềm thiết kế và mô phỏng tiên tiến để kiểm định lại chất

lượng và thông số thiết kế.


7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.

NGHIÊN CỨU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LÝ KHOAN RÚT LÕI

1.1.1. Nguyên lý khoan trên vật liệu gỗ
Khoan nhằm mục đích tạo ra lỗ trịn, dao cắt là mũi khoan có dạng xoắn ốc
ruột gà hay có dạng dẹt, cạnh cắt chính ở phần đầu. Thường dao cụ quay tròn,
tạo tốc độ cắt V, tốc độ ăn dao u song song với tâm trục mũi khoan. Trong gia
cơng gỗ rất ít trường hợp phơi quay trịn, thơng thường phơi đứng n tương đối
với mũi khoan (hình 1.1). Về nguyên lý khoan, chúng ta có tốc độ cắt Vmax như
sau:

Vmax 

πDn
60

(1.1)

Tốc độ cắt trung bình là:

Vtb 

πDn
2.60

(1.2)

Nếu dao có z cạnh tham gia cắt gọt thì lượng ăn dao của một cạnh cắt sẽ là:

uz 

1000.u
n.z

(1.3)

Lượng dao ăn trong vòng quay là:

u0 

1000.u
n

(1.4)


8

Hình 1.1: Ngun lý khoan lỗ

Hình 1.2: Thơng số góc trong khoan

Nếu cạnh cắt vng góc với tâm quay mũi khoan thì h = uz. Nếu cạnh cắt tạo
với tâm quay mũi khoan một góc


 90 chúng ta có:
2

h = uz sin

φ
2

(1.5)

Bề rộng phoi được tính theo cơng thức sau. Khi khơng có mũi khoan định vị:

c
Dd

b=
sin φ / 2 2sin φ / 2

(1.6)

Khi có mũi khoan định vị:

b

cd
Dd


sin φ / 2 2sin φ / 2

(1.7)

Thơng số góc ở đây thay đổi theo từng vị trí, từng điểm trên cạnh mũi cắt.
Đường quỹ đạo của các điểm trên mũi cắt là đường xoắn ốc. Vậy góc sau sẽ
là:

α  αt  αc  αt  arctg

un
(1.8)
2πr

- Lực trong quá trình khoan lỗ
Lực trong khoan lỗ có thể tính theo cơng thức sau:


9

PK

Duz
4

(1.9)

từ đó cơng suất cắt là:

N

K.D.uz V
408

(1.10)

Lực đẩy gỗ có thể tính theo giá trị lực cắt:
Q = Pm  (1  1,6)P

(1.11)

Tỷ suất lực cắt K thay đổi theo dạng cắt. Trường hợp mũi khoan ruột gà, có
tỷ suất lớn hơn 1,5 tỷ suất lực khoan mũi xoắn ốc. Tỷ suất lực khi chiều dày
phoi h ở các đường kính khác nhau có khác nhau.
1.1.2. Ngun lý khoan rút lõi
Nguyên lý chung của phương pháp khoan rút lõi (hay khoan bao tâm) là sử
dụng lưỡi khoan có dạng ống trịn, lưỡi cắt của dao được bố trí trên mặt đầu của
dao. Đây là kỹ thuật khoan khó, địi hỏi lực khoan lớn và thân khoan phải được
giữ rất ổn định. Tuy nhiên từ thời Ai Cập cổ xưa, người ta đã tìm thấy nhiều lỗ
khoan và lõi khoan dạng này trong đá cứng, có niên đại nhiều ngàn năm trước.
Mũi khoan

Lõi khoan

Vật liệu
khoan
Hình 1.3: Nguyên lý khoan rút lõi

10

Phương pháp khoan lõi đã được những người tại vùng đất Ai Cập thượng cổ
sử dụng rất rộng rãi để chế tác đá cứng, nhiều khi chỉ để loại bỏ phần đá thừa
trong các tác phẩm của họ

Hình 1.4: Lỗ khoan bao tâm trong đá granite

Hình 1.5 : Phần lõi đá của lỗ khoan rút lõi đá granite hồng được William
Flinders Petrie tìm thấy vào năm 1881


11

Hình 1.6: Dấu vết khoan lấy lõi trong đá basalt, sử dụng 2 lưỡi khoan trịn có
bán kính khác nhau, tạo thành một cái ống. Niên đại ít nhất khoảng 5.000 năm.
Được trưng bày tại viện bảo tàng Petrie.


12

Hình 1.7: Khoan rút lõi Bê-Tơng ngày nay