Luận văn thạc sĩ nghiên cứu động học và động lực học cơ cấu cắt hom của máy trồng sắn

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cây sắn có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ Latin (Crantz, 1976) và
được trồng cách đây khoảng 5.000 năm (CIAT, 1993). Ở châu Á, khoai mí được du
nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ 17 (P.G. Rajendran et al, 1995) và du nhập vào Việt
Nam khoảng giữa thế kỷ 18, (Phạm Văn Biên, Hồng Kim, 1995) [8, 9]. Hiện chưa
có tài liệu chắc chắn về nơi trồng và năm trồng đầu tiên ở nước ta.
Hiện tại, cây sắn được trồng trên 100 nước của vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới
và là nguồn thực phẩm của hơn 500 triệu người. Năm 2006 và 2007, sản lượng sắn
thế giới đạt 226,34 triệu tấn củ tươi so với 2005/06 là 211,26 triệu tấn và 1961 là
71,26 triệu tấn. Nước có sản lượng sắn nhiều nhất là Nigeria (45,72 triệu tấn), kế
đến là Thái Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn). Nước có năng suất
sắn cao nhất là Ấn Độ (31,43 tấn/ha), kế đến là Thái Lan (21,09 tấn/ha), so với năng
suất sắn bính quân của thế giới là 12,16 tấn/ha (FAO, 2008). Việt Nam đứng thứ
mười về sản lượng sắn (7,71 triệu tấn) trên thế giới. Tại Việt Nam, sắn được canh
tác phổ biến ở hầu hết các tỉnh của tám vùng sinh thái. Diện tìch sắn trồng nhiều
nhất ở Đơng Nam Bộ và Tây Nguyên.
Trồng sắn bằng máy đã được nhiều nước nghiên cứu rất sớm. Điển hính là
Ấn Độ, Brazin, Malaisia, Thái Lan và gần đây nhất là Trung Quốc với 3 hướng cơ
giới hóa trồng sắn là liên hợp máy rạch hàng trồng hom cây sắn kết hợp thủ công,
liên hợp máy trồng sắn bán tự động và máy trồng sắn tự động (dạng liên hợp máy
hoặc máy tự hành). Nhưng cho đến nay chưa thấy có bất kỳ công bố khoa học hay
thương mại nào về mẫu máy trồng sắn tự động mà vẫn còn trong các giai đoạn
nghiên cứu về ngun lý, mơ hính.
Ở liên hợp máy trồng sắn bán tự động gồm có hai loại chình sau là liên hợp
máy trồng từ hom sắn bán tự động và liên hợp máy trồng từ thân cây sắn bán tự
động (không cần phải chuẩn bị hom trồng). Với liên hợp máy trồng từ hom sắn bán
tự động thực hiện công đoạn trồng sắn trên cơ sở hom đã được chuẩn bị (cắt thân

2

cây sắn thành hom trồng), còn với liên hợp máy trồng từ thân cây sắn bán tự động
thực hiện công đoạn trồng sắn không cần chuẩn bị hom trồng.
Trong sản xuất nông nghiệp ở nước ta hiện nay cây sắn là cây lương thực
quan trọng thứ ba sau lúa và ngơ. Hiện nay cây sắn đang có xu hướng tăng cả diện
tìch và sản lượng, cạnh tranh với các loại cây trồng khác như lúa, mìa. Tuy nhiên
cây sắn vẫn là một trong những loại cây trồng có mức độ cơ giới hóa thấp nhất.
Ngay việc trồng sắn vẫn cịn theo lối thủ công theo kiểu rạch hàng, bỏ hom kể cả ở
các vùng chuyên canh sắn của cả nước như Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, vùng núi
và trung du Bắc Bộ. Mặc dù cho đến thời điểm hiện tại đã có nhiều đề tài khoa học
các cấp về cơ giới hóa canh tác cây khoai mí, trong đó có 01 đề tài cấp nhà nước về
cơ giới hóa canh tác khoai mí, (thực hiện từ năm 2007 – 2010, nghiệm thu năm
2011) do trường đại học Nông nghiệp Hà Nội là cơ quan chủ trí và TS. Hà Đức Thái
làm chủ nhiệm đề tài [16]. Một trong những sản phẩm khoa học chình của đề tài cấp
nhà nước này là máy cắt hom và máy trồng sắn. Hai máy cắt hom sắn và máy trồng
sắn của đề tài cấp nhà nước nằm chung một hệ thống phục vụ trồng sắn bằng cơ giới
hóa. Tuy nhiên tất cả các sản phẩm khoa học của đề tài đều không triển khai ứng
dụng được vào sản xuất. Nguyên nhân chủ yếu là do máy trồng sắn của đề tài thực
hiện trồng bằng hom đã cắt sẵn cho năng suất thấp, giá thành trồng cao (thậm chí
cao hơn trồng bằng phương pháp cơ giới kết hợp thủ công) khoảng cách giữa các
hom trên hàng trồng khơng đều ví phụ thuộc vào thao tác thả hom của người lao
động theo trồng, cường độ của người lao động theo trồng cao, phải đầu tư thêm máy
cắt hom mà thời gian sử dụng thấp. Ví cùng trong hệ thống máy trồng sắn nên máy
cắt hom sắn cũng không thể ứng dụng vào sản xuất.
Giống như cây mìa, cây sắn cũng trồng bằng hom, nên có sự giống nhau về
nguyên lý làm việc của máy trồng. Các điểm khác biệt chình là ở chỗ hom sắn
thường dễ bị thương tổn hơn so với hom mìa và yêu cầu nơng học có sự khác biết
nhau. Tuy nhiên ựa vào mẫu máy trồng mìa mà một số quốc gia trên thế giới đã đưa

ra mẫu máy trồng sắn tương tự và ứng dụng có hiệu quả vào sản xuất. Nhờ sử dụng
máy trồng mìa bán tự động trồng sắn thẳng từ nguyên liệu cây hom không qua cắt


3

hom trồng trước đã góp phần gia tăng năng suất, sản lượng, giảm chi phì canh tác,
giá thành sắn.
Điểm đặc biệt đối với máy trồng bằng hom cứng như cây mìa và cây sắn là
cơ cấu cắt hom trồng. Nhiệm vụ của cơ cấu cắt hom không chỉ đảm bảo độ dài hom
trồng, hom khơng bị dập nát mà cịn đảm bảo khoảng cách giữa các hom trồng trên
hàng theo quy định. Quá trính làm việc, hom trồng được cắt và rải tự động xuống
rãnh trồng. Cơ cấu cắt hom trồng cho mìa và sắn theo nguyên lý cắt kiểu trục cán.
Nguyên lý cắt này mới chỉ ứng dụng trong một số ngành hẹp về sản xuất thực phẩm
để cắt bánh kẹo, thực vật. Ví vậy lý thuyết cắt kiểu trục cán chưa được nghiên cứu
đầy đủ. Do đó trong quá trính thiết kế, chế tạo máy trồng sắn (hay mìa) từ nguyên
liệu cây hom, các cán bộ và chuyên gia kỹ thuật thiếu cơ sở khoa học khi xác định
các thông số làm việc cho cơ cấu cắt hom nhằm đảm bảo đầy đủ các yêu cầu nông
học về hom trồng. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng hom cắt không đứt, chiều dài
hom không đảm bảo, hom bị dập nát khơng chỉ tiết diện cắt mà có khi trên cả thân
hom, truyền động cho cơ cấu cắt khơng hợp lý. Ví vậy việc nghiên cứu động học và
động lực học cơ cấu cắt hom sắn của máy trồng sắn có tình cấp thiết, mang tình thời
sự, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao. Đây là cơ sở khoa học để thiết kế
cơ cấu cắt hom nói riêng và máy trống sắn nói chung.
Được sự chấp thuận của khoa Sau đại học, Ban Giám hiệu trường đại học
Lâm nghiệp Hà Nội và dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Thị Thanh, tôi xin
thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu động học và động lực học cơ cấu cắt hom sắn của máy trồng
sắn”
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu một số thông số động học và động lực học của cơ cấu cắt hom sắn
kiểu trục cán trên máy trồng sắn.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là cơ cấu cắt hom sắn kiểu trục cán.


4

Phạm vi nghiên cứu về quá trính động học và động lực học cơ cấu cắt hom
sắn kiểu trục cán.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Áp dụng các phương pháp điều tra thống kê, tra cứu tài liệu để nghiên cứu
phần nội dung tổng luận và cơ sở lý luận của đề tài.
Áp dụng phương pháp giải tìch tốn học, cơ học giải tìch khi nghiên cứu
động học và động lực học cơ cấu cắt kiểu trục cán.
Áp dụng phương pháp QHTN trong việc xây dựng hàm mục tiêu.
Các thông số TƯH được xác định bằng tối ưu hóa mơ hính tốn học mơ tả
hàm mục tiêu. Q trình tính tốn TƯH được tiến hành trên máy tình điện tử bằng
phần mềm của các tác giả Nguyễn Như Nam, Trần Thị Thanh, Nguyễn Trì Tấn
(1998) và kiểm tra lại bằng thực nghiệm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học của đề tài là:
Bổ sung phát triển lý thuyết tình tốn cơ cấu cắt kiểu trục cán chưa được đề
cập ở trong nước, mặc dù cơ cấu này đã bắt đầu được ứng dụng trong một số máy
móc nơng nghiệp như máy trồng sắn, máy trồng mìa, máy cắt bánh kẹo, cắt bún, …
 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là:
Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm cơ sở tình tốn thiết kế cơ cấu cắt thân
thực vật kiểu trục cán và lựa chọn chế độ làm việc tối ưu cho cơ cấu cắt.

5

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1.

Tổng luận các cơng trình đã cơng bố về vấn đề nghiên cứu

1.1.1. Tổng luận các kết quả nghiên cứu ngoài nước
Cũng như ở Việt Nam, khi chưa có máy trồng sắn, việc cắt hom sắn làm hom
trồng được thực hiện bằng thủ cơng (hính 1.1). Việc cắt hom bằng dao thủ cơng cho
năng suất thấp, người lao động tốn nhiều sức, chiều dài hom không đồng đều, dao
cùn hay tấm kê không tốt có thể làm dập hom làm ảnh hưởng đến sinh trường và
phát triển của cây sắn sau này. Cắt hom sắn bàng dao thủ công phù hợp với phương
thức trồng sắn bằng thủ công hay trồng sắn kiểu cơ giới hóa kết hợp thủ cơng.
Trong đó cơng việc cơ giới hóa khi trồng chỉ là rạch hàng tạo rãnh, cịn lại bằng lao
động thủ cơng.

Hình 1.1. Cắt hom khoai sắn bằng thủ công của nông dân ở Thái Lan.
Từ nhu cầu trồng sắn tập trung hoặc khi sử dụng máy trồng sắn từ hom bán tự động,
nên có yêu cầu cung cấp khối lượng hom lớn thí cơng tác cắt hom bằng thủ cơng
khơng thìch hợp. Từ nhu cầu này làm xuất hiện các máy cắt hom sắn.
Là Quốc gia đứng hàng thứ hai trên thế giới cả về năng suất lẫn sản lượng
sắn, Thái Lan đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo các máy cắt hom để phục vụ cho việc
trồng sắn ở các vùng chuyên canh. Hính 1.2 trính bày cấu tạo máy cắt hom sắn của
Thái Lan [6]. Cấu tạo của máy gồm có khung máy, trên đó lắp đĩa cắt, đĩa đỡ hom,


6

ống nạp hom và ống thoát hom, trục cắt, trục cam, cơ cấu cam. Động cơ truyền
động cho cơ cấu cam có cơng suất 0,37 kW, cịn cho đĩa cắt có cơng suất 0,75 kW.
Bộ phận cắt sử dụng ngun lý cắt bằng “đĩa cưa”, khi cắt thực hiện hai chuyển
động là chuyển động quay tròn và chuyển động tịnh tiến. Đĩa cắt quay với vận tốc
từ 1.200 † 1.700 vg/ph. Thân sắn được thả vào ống nạp và được chặn lại bởi đĩa đỡ
và được cắt bằng đĩa cắt. Cơ cấu cam làm nhiệm vụ điều khiển số lần cắt của đĩa
cắt. Máy thực hiện cắt hom với độ dài từ 150 † 300 mm, năng suất đạt 5.000 hom/h
gấp nhiều lần so với thủ công. Máy cắt hom của Thái Lan còn một số tồn tại như
trầy xước đầu hom do cắt bằng lưỡi cưa hay dễ vỡ đầu hom do khơng có bộ phận
giữ hom, làm thân cây sắn quay lung tung trong q trính cắt.

Hình 1.2. Máy cắt hom sắn của Thái Lan.
a. Sơ đồ truyền động; b.Máy cắt hom sắn.
1.Động cơ truyền động cho cơ cấu cam; 2. Cơ cấu cam; 3. Trục đĩa cắt;
4. Phễu cấp liệu;5. Đĩa cắt; 6. Đĩa phía dưới;
7.Động cơ truyền động cho đĩa cắt; 8.Trục cam.
(Theo Development of a Stem Cutting Unit for a Cassaca Planter, J, Lungkapin,
V.M. Solokhe, R. Kalsirilp and H. Nakashima, 2007).
Hính 1.3 giới thiệu máy cắt hom sắn của Malaysia [6].Cấu tạo máy gồm 7
đĩa cắt sang đĩa răng cưa (cũng như của Thái Lan), hai bộ truyền động xìch có gắn
tay gạt làm nhiệm vụ như một băng chuyền gạt thân cây sắn về phìa đĩa cắt. Hệ


7

thống kẹp cây khi cắt bao gồm phần kẹp và tay kẹp. Tay kẹp quay quanh trục và ép
thân cây khoai mì vào lưỡi dao khi cây khoai mí trên băng truyền di chuyển đến đĩa
cắt. Các bộ phận cắt được truyền động từ động cơ xăng công suất nhỏ. Khoảng cách
hai đĩa cưa kề nhau bằng chiều dài hom sắn được cắt.

Hình 1.3. Máy cắt hom sắn của Malayxia.
(Theo Mechanization Possibilites for Cassava Production Malaysia H. Md. Akhir
and A, B. Sukra)
Máy cắt hom sắn của Malayxia có nguyên lý làm việc như sau: Cây sắn được
đặt trên băng chuyền sẽ được chuyển đến gần phìa bộ phận cắt để lưỡi cưa quay cắt
câysắn. Hom sắn rơi xuống máng nghiêng và rơi vào thùng chứa hom. Với 7 đĩa
dao cắt, máy cắt hom cắt đồng thời 6 hom và loại bỏ phần ngọn và gốc thân cây.
Năng suất máy đạt 3.300 hm/h. Mấu máy cắt hom khoai mì của Malaixia khá giống
về cấu tạo và nguyên lý máy cắt hom mìa của đề tài cấp Thành phố Hồ Chí Minh do
TS. Phan Hiếu Hiền và ThS. Trần Văn Khanh (trường đại học Nơng Lâm Thành
phố Hồ Chì Minh) chủ trí. Giá chào hàng máy cắt hom sắn của Malaixia là 1.316
USD. Máy cắt hom khoai mì của Malayxia chế tạo còn những tồn tại như máy cắt
hom sắn do Thái Lan chế tạo là hom sắn rơi xuống không được xếp theo trật tự đầu
đi.
Ngồi các máy cắt hom sắn theo nguyên lý cưa đĩa kể trên còn cơ cấu cắt
hom sắn trên các máy trồng sắn từ nguyên liệu cây hom. Sự ra đời của máy trồng
sắn này đã chiếm toàn bộ thị trường trồng sắn hiện nay của các nước phát triển và
chấm dứt hoạt động của các loại máy trồng sắn phải cắt hom trước và người lao


8

động phải thả bằng tay xuống rãnh trồng như các máy trồng sắn từ hom của
Malaysia (hình 1.4), Nigeria (hình 1.5), Braxin (hình 1.6) [6],…

Hình 1.4. Máy trồng từ hom
sắn của Malayxia.

Hình 1.5. Máy trồng từ hom sắn của Nigeria.

Hình 1.6. Máy trồng từ hom sắn
của Braxin.

Từ năm 2008, trên thế giới bắt đầu xuất hiện những mẫu máy trồng sắn có
ngun lý làm việc như máy trồng mìa từ ngun liệu cây hom có nguồn gốc từ
Braxin (hình 1.7) [6]. Cơ cấu cắt hom được thiết kế trên các máy trồng sắn làm việc
theo nguyên lý cắt kiểu trục cán (trính bày ở mục 1.2.1).


9

Hình 1.7. Máy trồng sắn bán tự động 2 hàng từ nguyên liệu cây hom của Braxin.
Mặc dù nghiên cứu muộn hơn, nhưng năm 2012, Trung Quốc đã đưa ra thị
trường 2 mẫu máy trồng sắn bán tự động 2 hàng từ nguyên liệu cây homlà 2BMSU
(hính 1.8) và 2ABMSU (hính 1.9) [6] để thương mại hóa và xuất khẩu. Công ty
TNHH Thiết Bị Tân An Phát (Hà Nội ) đã nhập khẩu và thương mại mẫu máy
2BMSU với giá bán 12.000 USD.

Hình 1.8. Máy trồng sắn hai hàng bán tự độngtừ nguyên liệu cây hom 2BMSU.

Hình 1.9. Máy trồng sắn hai hàng bán tự động từ nguyên liệu cây hom 2AMSU.


10

Ngồi ra tập đồn cơng nghiệp Sheng Qian, Thượng Hải, Trung Quốc cũng
đã giới thiệu 2 mẫu máy trồng sắn hai hàng bán tự động từ nguyên liệu cây hom
model : SQTP01 và SQTP02 (hình 1.10) [6].

a)

b)

Hình 1.10. Máy trồng sắn bán tự động từ nguyên liệu cây hom của
tập đồn cơng nghiệp Sheng Qian, Thượng Hải, Trung Quốc.
a) model SQTP01; b) model SQTP02.
Với sự phát triển phong phú các mẫu máy trồng sắn bán tự động từ nguyên
liệu cây hom cho thấy khả năng chiếm lĩnh thị trường trồng sắn của loại máy này.
Qua đó cũng thấy cơ cấu cắt hom kiểu trục cán trên các máy trồng này có vai trị
quan trọng trong việc quyết định chất lượng trồng sắn.
1.1.2. Tổng luận các kết quả nghiên cứu trong nước
Cho đến những năm 2010, việc trồng sắn ở trong nước dù tập trung hay rải
rắc chủ yếu vẫn là thủ cơng kết hợp cơ giới hóa cho khâu rạch hàng. Ví vậy, việc
cắt hom sắn vẫn hồn tồn bằng thủ công. Phương pháp trồng sắn bằng máy rạch
hàng trồng kết hợp thủ cơng cho chi phì lao động cao tới 15 ÷17 cơng/ha, chi phí
trồng từ 3.000.000 †4.000.000 đồng/ha.
Năm 2010 TS. Hà Đức Thái (là chủ nhiệm) cùng với tập thể cán bộ giảng
dạy khoa Cơ Điện trường đại học Nông nghiệp Hà Nội thực hiện đề tài cấp nhà
nước mã số KC.07/06-10: “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ, thiết kế, chế tạo các
máy để cơ giới hóa canh tác và thu hoạch sắn ở vùng sản xuất tập trung ”[16].


11

Trong số sản phẩm khoa học chình của đề tài có máy trồng sắn từ hom đã cắt và
máy cắt hom sắn. Như vậy so với thế giới, chúng ta đã “sau” hơn bốn mươi năm.
Các nội dung khoa học của đề tài đều theo hướng thiết kế, chế tạo chép mẫu và thực
hiện khảo nghiệm, khơng có bất cứ cơng bố nào mới về mơ hính, ngun lý hay
phát triển. Ví vậy mơ hính cơ giới hóa này có đầy đủ các nhược điểm như của nước
ngồi, thâm chì cịn có thêm những tồn tại do trính độ sản xuất cơ khì trong nước

cịn thấp kém. Chình ví vậy mặc dù đã được nghiệm thu đạt loại khá vào năm 2010,
nhưng tất cả các sản phẩm của đề tàitrong đó có liên hợp máy trồng sắn bán tự động
từ hom (hính 1.11) khơng được triển khai ứng dụng dù chỉ là 1 đơn vị máy, hay nói
khác hơn các kết quả nghiên cứu khơng được sản xuất quan tâm.

Hình 1.11. Máy trồng hom sắn của đề tài cấp nhà nước mã số KC.07/06-10.

Hình 1.12. Máy cắt hom sắn của đề tài
khoa học cấp nhà nước mã số
KC.07/06-10.

Dựa trên các mẫu máy cắt sắn của nước ngoài, TS. Hà Đức Thái cùng các
cộng sự (2010) đã thiết kế, chế tạo máy cắt hom sắn trong đề tài mã số KC.07/06-10


12

(hính 1.12). Như phân tìch ở hai mẫu máy cắt hom sắn của nước ngoài đã nêu, mẫu
máy cắt hom sắn của TS. Hà Đức Thái cũng có những tồn tại tương tự không thể
khắc phục được.
Từ sự giống nhau về hom trồng giữa cây khoai mí và cây mìa cả về kìch
thước, lẫn cách trồng nên sau khi “giải mã ” mẫu máy trồng mìa từ thân cây mìa mà
Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Tây Ninh nhập của Thái Lan theo “Chương trính
Mìa Đường ” với Thành phố Hồ Chì Minh, anh Trần Quốc Hải (tỉnh Tây Ninh) đã
chế tạo chép mẫu để thử nghiệm trồng sắn từ nguyên liệu cây hom (hính 1.13) [6].
Đây là mẫu máy trồng sắn có cơ cấu cắt hom kiểu trục cán.

Hình 1.13. Máy trồng sắn
bán tự động từ nguyên liệu cây
hom do anh Trần Quốc Hải chế

tạo “giải mã ” theo máy trồng
mìa của Thái Lan.

Tồn tại của máy trồng sắn bán tự động từ nguyên liệu cây hom của tác giả
Trần Quốc Hải là mẫu máy được chế tạo thơng qua “giải mã” máy trồng mìa nên tất
cả các thơng số hính học, động học, động lực học và kết cấu của máy không phù
hợp. Đặc biệt là hom sắn đôi khi cắt không hế, tổn thương hom cắt cao. Bên cạnh
đó, các thơng số kỹ thuật của máy cơng bố khơng có kiểm chứng khoa học hay cơ
quan quản lý thẩm quyền nên mâu thuẫn giữa khả năng và kết quả như năng suất,
chi phì nhiên liệu, giá thành sản xuất… Đây cũng là những tồn tại vốn có của các đề
tài “tự phát” dạng sáng kiến cải tiến kỹ thuật.
Năm 2014, ThS. Nguyễn Thị Kiều Hạnh cùng với TS. Nguyễn Như Nam,
trường đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chì Minh thực hiện đề tài nghiên cứu


13

khoa học cấp Thành phồ Hồ Chì Minh: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy trồng
khoai mì 2 hàng MTM – 2” [6].

Hình 1.14. Máy trồng sắn bán tự động MTM – 2 từ nguyên liệu cây hom của các
tác giả Nguyễn Thị Kiều Hạnh và Nguyễn Như Nam.
Máy trồng sắn của đề tài cũng là máy trồng sắn bán tự động từ nguyên liệu
cây hom đạt được các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật tương tự như mẫu máy nước ngoài.
Hiện máy đã được chuyển giao cho tỉnh Phú Yên để triển khai ứng dụng vào sản
xuất.
1.2.

Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu

1.2.1. Cơ cấu cắt hom sắn
1.2.1.1.

Cấu tạo

Hính 1.15. Cơ cấu cắt hom sắn trên máy trồng sắn từ nguyên liệu cây hom.
1. Trống dao cắt trái; 2. Trống dao cắt phải; 3. Dao cắt; 4.Ống cao su;
5. Cây sắn giống.


14

Cơ cấu cắt hom sắn kiểu trục cán gồm hai trống quay trên mỗi trống có lắp
các dao theo phương hướng kình cách đều nhau. Các dao của hai trống lắp xen kẽ
nhau khi vào cắt. Giữa các dao trên mỗi trống là các ống cao su lắp song song với
trục trống với hướng đàn hồi tốt theo phương bán kình. Khoảng cách giữa các dao
theo chu vi trống tương đương với chiều dài hom mìa cần cắt. Các trống dao có
đường kinh bằng nhau được truyền động cho nhau bằng bộ truyền bánh răng trụ có
tỉ số truyền bằng 1. Sơ đồ động học của cơ cấu cắt hom sắn theo nguyên lý trục cán
được trính bày hính 1.15.
1.2.1.2.

Hoạt động

Cây sắn giống được cấp liệu bằng ta vào ống định hướng hom. Khi các trống
dao quay, các ống cao su (có thể là tấm cao su cuốn cong thành cung tròn) sẽ ép vào
cây hom để tạo lên lực ma sát cùng với trọng lực của cây hom để kéo cây hom vào
cắt. Các dao cắt thực hiện cắt theo nguyên lý trục cán, dao vừa làm nhiệm vụ cắt
vừa làm nhiệm vụ tấm kê. Chiều dài hom sắn cắt đúng bằng chuyển động của cây
hom trong khoảng thời gian quay giữa hai dao của trống dao.

1.2.1.3.

Động học cơ cấu cắt hom kiểu trục cán

Cơ cấu cắt hom kiểu trục cán đã được H. E. Резник (1964, 1975) [31, 32] hệ
thống hóa thành lý thuyết cắt kiểu trục cán áp dụng cho việc cắt các vật liệu thực
vật có thân cứng như thân cây ngô, cây gỗ và cắt các sản phẩm thực phẩm với vật
liệu cắt chuyển động theo phương nằm ngang. Trong đó nội dung nghiên cứu chỉ
giới hạn ở phần động học. Dựa vào lý thuyết cắt kiểu trục cán của H. E. Резник
(1964), Phan Quốc Hùng (2014) [7] và Phạm Trường Sơn (2015) [23] đã áp dụng
để nghiên cứu động học bộ phận cắt thân cây sắn làm hom trồng cho máy trồng sắn
MTM – 2. Đề tài đã chọn kết quả nghiên cứu của các tác giả H. E. Резник (1964,
1975) [31, 32], Phan Quốc Hùng (2014) [7] và Phạm Trường Sơn (2015) [23] làm
cơ sở lý thuyết khi nghiên cứu động học cơ cấu cắt hom sắn kiểu trục cán.
a) Sơ đồ động học cơ cấu cắt hom sắn kiểu trục cán
Sơ đồ động học của cơ cấu cắt hom sắn kiểu trục cán trính bày như hính
1.16. Cặp dao 1 của hai trống cắt quay cùng với vận tốc góc  sẽ kẹp cây hom 2,


15

sau đó ép và kéo chúng cho đến khi cặp dao 1 trên hai trống gặp nhau. Sau khi đã
cắt đứt hom, các dao vẫn tiếp tục quay và đỡ cây hom, cịn đoạn hom đã được cắt
thí rơi xuống máng dẫn để xuống rãnh trồng.

Hình 1.16. Sơ đồ động học cơ
cấu cắt hom sắn trên máy
trồng sắn MTM – 2.

b) Xây dựng phƣơng trình quỹ đạo chuyển động tuyệt đối của lƣỡi dao cắt

Chọn hệ trục tọa độ như hính (1.16).
O1 và O2 lần lượt là tâm trục quay trống trái (trống 1) và trống phải (trống 2).
Theo hệ tọa độ đã chọn ta có:
Tọa độ O1 là: O1 { –R + (s/2), e}.

(1.1)

Tọa độ O2 là: O2 { R + (s/2), –e}.

(1.2)

Khi làm việc cạnh sắc của lưỡi dao trống 1 quay quanh đường trịn tâm O1
bán kình R. Ví vậy phương trính quỹ đạo của 1 điểm trên cạnh sắc lưỡi dao của
trống 1 là phương trính đường trịn tâm quay O1, bán kính R. Theo “ Giải tìch tốn
học” [11], phương trính quỹ đạo của 1 điểm trên cạnh sắc lưỡi dao của trống 1
Trong hệ tọa độ x0y đã chọn là:



x    R 



2

s 
2
2
  (y  e)  R
2 

16

2

s 


2
2
 x   R  2   (y  e)  R




(1.3)

Tương tự, với cạnh sắc của lưỡi dao trống 2 quay quanh đường tròn tâm O2
bán kính R thì phương trính quỹ đạo của 1 điểm trên cạnh sắc lưỡi dao của trống 2
trong hệ tọa độ x0y đã chọn là:
2

s 


2
2
x


R


  (y  e)  R

2 


Trong đó:

(1.4)

R – bán kình tình đến cạnh sắc lưỡi dao;
s – độ chập của cặp dao cắt trên hai trống dao;
e – khoảng sai tâm dao cắt.

Các phương trính (1.3) và (1.4) chính là các phương trính quỹ đạo chuyển
động tuyệt đối của lưỡi dao cắt.
c) Điều kiện cắt đứt hom sắn
Điều kiện cắt đứt hom sắn cắt là yêu cầu quyết định cho cơ cấu cắt hom của
máy trồng sắn từ nguyên liệu cây hom. Thân cây hom sắn được cắt đứt nếu có độ
chập của dao cắt s hay s  0.
Theo sơ đồ động học cơ cấu cắt hom kiểu trục cán (hính 1.16) thí độ chập
s là một đại lượng phụ thuộc vào các tham số của dao cắt và vị trì tương hỗ của cặp
dao cắt trên hai trống dao cắt. Ta xác định s theo mối quan hệ hính học theo sơ đồ ở
hình 1.16:

s  bc 

a b

ab  aa 

tan
tan

(1.5)

Trong đó:  – góc mài dao, [độ].
Bởi ví ab = 2e (e là tâm sai của dao tương ứng với trục của trống dao cắt) và

aa  


(  là khe hở giữa các dao). Nên độ chập dao cắt s:
cos
s

δ
cos
tan

2.e 

(1.6)


17

Như vậy điều kiện cho thân cây hom được cắt đứt, các thông thông số kết
cấu của cơ cấu cắt hom sắn kiểu trục cán phải thỏa điều kiện:

s

δ
cos  0
tan

2.e 

2e.cos  
Trong đó:

(1.7)
(1.8)

e – tâm sai của dao, [mm];
 – góc mài dao, [độ];
 – khe hở giữa các dao, [mm].

d) Phƣơng trình chuyển động của lƣỡi dao lên trên thân cây sắn cắt hom
Chuyển động của quỹ đạo lưỡi dao lên trên thân cây sắn cắt hom mơ tả như
hình (1.17).

Hình 1.17. Quỹ đạo cạnh sắc lưỡi dao của cơ cấu cắt hom sắn.
Xét hai trống dao cắt trái và phải cùng quay với vận tốc góc . Thời điểm
lưỡi dao gặp thân cây hom, góc quay của các trống dao là  = 0. Vì dao quay cùng
với trống theo bán kình R nên cạnh sắc của dao cắt có vận tốc vịng v T = .R. Phân
tìch vận tốc vịng vT theo hai thành phần tọa độ x0y là vcatx và vcaty ta có:
vcatx = vT. sin; vcaty = vT.cos.

(1.9)


18

Trong đó:

 – góc quay của dao trái và dao phải, [rad].

Thành phần vận tốc vcatx đặc trưng cho vận tốc của lưỡi dao theo phương
ngang đi vào thân cây hom sắn cắt, còn thành phần vận tốc vcaty đặc trưng cho vận
tốc dịch chuyển của thân cây hom sắn theo hướng trục y.
Rõ ràng là chiều dài hom sắn được cắt phụ thuộc vào tốc độ cung cấp thân
cây hom sắn vC. Từ sơ đồ động học của cơ cấu cắt kiểu trục cán (hính 3.1) cho
thấy, chiều dài hom sắn ngắn nhất nếu tốc độ cung cấp bé hơn tốc độ thành phần v y
nghĩa là vc  vy và chiều dài hom mí lớn nhất nếu tốc độ cung cấp lớn hơn tốc độ
thành phần vy hay vc  vy. Khi các cặp dao cắt chưa tiến hành cắt hom, trong trường
hợp này nếu thân cây hom được các cặp ống cao su của hai trống dao cắt ép vào, tạo
ra lực ma sát đủ lớn thắng được trọng lực của thân cây hom cắt hom thí vận tốc
cung cấp vc bằng vận tốc tiép tuyến của trống dao tại điểm tiếp xúc giữa bề mặt ống
cao su với thân cây sắn cắt. Ngược lại, nếu lực ma sát tạo ra bởi lực ép từ các cặp
ống cao su của trống dao cắt khơng có hay nhỏ hơn trọng lực của thân cây hom
đang cắt thí vận tốc cung cấp vc lớn nhất bằng vận tốc thân cây hom rơi tự do.
Để xác định các quỹ đạo và tốc độ chuyển động của cạnh sắc lưỡi dao trên
thân cây hom, chúng ta quan niệm rằng các dao cắt theo từng cặp đơi một. Khi đó
quỹ đạo của lưỡi dao cắt trên thân cây hom cắt sẽ có dạng xicloit kéo dài như hính
1.17. Theo [19] (1977), phương trính quỹ đạo lưỡi dao cắt trên thân cây hom cắt
dạng tham số trong hệ trục tọa độ cố định x0y đã chọn là:

x  R.sin( 0  ω.t)  r..t


y  r  R.cos(  ω.t)

0


Trong đó:

(1.10)

R – bán kình tình đến cạnh sắc lưỡi dao, [m];
0 – góc quay của trống dao khi lưỡi dao gặp thân cây hom, [rad];
t – thời gian trống dao quay, [s];
r – bán kình vịng trịn cùng tâm trống cắt trượt trên thân cây hom cắt,

rR

ds
, [m];
2

d – đường kình thân cây hom cắt, [m];


19

s – khoảng chập cần thiết của dao cắt để đảm bảo hom sắn được cắt
đứt, [m].
Như vậy quỹ đạo lưỡi dao cắt của trống dao trên thân cây mí cắt hom sẽ là
đoạn cung xicloit từ 0 đến C.

Phương trính quỹ đạo lưỡi dao cắt của trống dao trái có dạng tương tự như
phương trính của quỹ đạo lưỡi dao cắt của trống dao phải.
e) Khảo sát phƣơng trình chuyển động của quỹ đạo lƣỡi dao lên trên thân
cây sắn cắt hom
Gọi tốc độ chuyển động vào thân cây mí cắt của cạnh sắc lưỡi dao là v cat.
Hướng của tốc độ vcat trùng với hướng chuyển động của thân cây mí cắt và được
xác định bằng vận tốc tiếp tuyến với quỹ đạo cạnh sắc của lưỡi dao cắt trên thân cây
mí. Về giá trị, tốc độ cắt vcat bằng đạo hàm quãng đường dịch chuyển của lưỡi dao
cắt theo thời gian, nghĩa là:

v cat 

ds
 v2  v2
catx
caty
dt

(1.11)

Trong đó các thành phần vcatx, vcaty là đạo hàm của hệ phương trính (1.10) là:

Tiếp theo:

Trong đó:

vcatx =

dx
= R..cos(0 – .t) – r.

dt

(1.12)

vcaty =

dy
= –R..sin(0 – .t)
dt

(1.13)

Vcat =

R.ω. cos(0  ω.t) r.ω2   R.ω.sin(0  ω.t)2

v cat  ω. R 2  2.R.r.cos(0  ω.t)  r 2

(1.14)

cos(0 – .t) = cos0.cos(.t) + sin0.sin(.t).

(1.15)

Từ OO‟K ta có:
r
r2
cos 0  ; sin 0  1  2
R
R

(1.16)

Từ công thức (1.12) và (1.13), biểu thức (1.14) có thể viết dưới dạng:
v cat  ω. R 2  2.r.[r.cos(.t)  R 2  r 2 .sin(.t)]  r 2


20


2. R 2  r 2 .sin(.t) 
v cat  ω. R 2  r 2 .2.cos (.t) 
 1
r



(1.17)

Biểu thức đã biết chứng tỏ rằng nếu tăng tốc độ góc , bán kính theo vịng
trịn cạnh sắc lưỡi dao R, đường kình cây hom cắt d, độ chập của dao cắt giữa hai
trống s thí tốc độ cắt vcat sẽ tăng theo. Tốc độ cắt vcat thay đổi cùng với góc quay của
dao (.t). Góc quay (.t) thay đổi từ giá trị 0 là thời điểm cạnh sắc lưỡi dao tiếp xúc
với thân cây hom cắt tương ứng với điểm O đến 0 là thời điểm kết thúc quá trính
cắt hom tương ứng với điểm C.
Từ biểu thức (1.17) cho thấy với , R, r cố định, giá trị của vcat trong khoảng
cắt hom từ điểm 0 đến điểm C chỉ phụ thuộc vào giá trị của biểu thức cos(0 – .t).
Nếu trong khoảng xét giá trị biểu thức cos(0 – .t) đạt giá trị cực đại thí vận tốc
cắt vcat cực tiểu và ngược lại. Để nghiên cứu cực trị và biến thiên của hàm z đặt z =
cos(0 – .t). Ta có:

z 

dz
 ω.sin( 0  ω.t)
dt

(1.18)

Cho z  0, ta được sin(0 – .t) = 0, hay 0 = .t.
Lập bảng biến thiên để khảo sát hàm z trính bày như bảng 1.1.
Bảng 1.1. Bảng biến thiên hàm z.
.t

0

z  sin(0 – .t)

sin0

0
+

Z = cos(0 – .t)

0
1 (max)

(min) cos0
Từ bảng biến thiên ta có biểu thức cos(0 – .t) đạt giá trị cực đại bằng 1 khi
0 = .t và cực tiểu bằng cos0 khi .t = 0.

Ví vậy giá trị lớn nhất của vận tốc cắt vcat đạt được khi .t = 0:

d s

v cat max  ω. R 2  r 2  ω. (d  s). R 

2 

Giá trị bé nhất của vận tốc cắt vcat đạt được khi .t = 0:

(1.19)


21

v cat min  ω.(R  r)  ω.

ds
2

(1.20)

Thành phần vận tốc cắt theo phương 0x đặc trưng cho thuần cắt thân cây
hom cắt tình theo biểu thức (1.17):
vcatx = –R..sin(0 – .t)
Theo công thức của hàm số sin:
sin(0 – .t) = sin0.cos(.t) – cos0.sin(.t).
và biểu thức (1.16) thí biểu thức (1.12) được tình lại là:
v cat x  ω.  R 2  r 2 .cos (.t)  r.sin(.t) 




(1.21)

Tại điểm 0, góc quay .t = 0 có:

d s

v catx  ω. R 2  r 2  ω. d  s . R 

2 


(1.22)

Vcaty = 0
Nếu góc giữa chiều của vận tốc cắt vcat và thành phần nằm ngang của nó vcatx
bằng 0 , thí:

v

cosv cat ; j  cat x  1
v cat
Tiếp theo, vào thời điểm đầu tiên bắt đầu cắt thành phần vận tốc cắt nằm
ngang vcat x có giá trị và chiều bằng với vận tốc cắt, nghĩa là vcat = vcat x = vcat max.
Khi .t = 0, vcat x = 0, cịn thành phần vận tốc cắt thẳng đứng tình theo công thức
(1.13) là:
vcat y = R..cos[0 – (.t)] – r.
Từ các cơng thức (1.15) và (1.16), ta có:

v cat y  ω. (R  r)  ω.

ds
2

(1.23)

Nghĩa là tại điểm C, khi .t = 0 thí tốc độ cắt đạt bé nhất, còn thành phần
thẳng đứng lúc này bằng:
vcat = vcaty = vcatmin

(1.24)


22

Phân tìch các phương trính (1.21), (1.22), (1.23) cho thấy rằng, thành phần
vận tốc cắt vcaty không phụ thuộc vào đường kình trống cắt (đường kình tình đến
cạnh sắc lưỡi dao cắt) có hướng dọc theo chuyển động của thân cây hom cắt tạo
điều kiện chẻ dọc theo lớp xơ của thân cây hom cắt.
Tại điểm C thành phần vận tốc cắt thẳng đứng đạt giá trị lớn nhất. Để giảm
vcaty, cần thiết tạo điều kiện như sau: vcatx = 0, vcaty = vcat = ω.

ds
2

và .t = 0.

Trước đó thí .t  0, có vcat x  0. Điều này chỉ có thể xảy ra khi giữa các cặp dao
cắt hom của hai trống cắt có độ chập s, nghĩa là s 0.

1.2.2. L‎ý thuyết cắt bằng lưỡi dao
1.2.2.1.

Các dạng và q trình cắt

a) Các dạng cắt
Có 3 dạng cắt vật liệu cơ bản [39] trính bày như hính 1.18.

a.

b.

c.

Hình 1.18. Các dạng cắt vật liệu.
a.Cắt bằng dập; b.Cắt bằng dao; c. Cắt bằng thái (cắt bằng lưỡi dao)
Ở dạng cắt bằng dập (hính 1.18a), chày dập 2 dịch chuyển dưới tác động của
lực P theo hướng đi qua lớp vật liệu cắt 2, sát và thẳng góc với bề mặt tấm kê 3.
Ở dạng cắt bằng dao (hính 1.18b), dao cắt 2 dưới tác động của lực P sẽ cắt
vật liệu thành những phôi nhỏ 4 sát với bề mặt cắt.
Ở dạng cắt bằng thái (hính 1.18c), lưỡi dao cắt 2 dưới tác động của lực P sẽ
thực hiện cắt vật liệu bằng lưỡi dao phân theo hai mặt bên của lưỡi dao.
b) Q trình cắt
Các q trính cơng nghệ áp dụng cắt bằng dao như hính 1.19 [39].


23

Đột
Cắt đột

Cắt bằng dập

Chia
Khuôn
Gọt, cắt
Bào gỗ
Phay
Cưa

Cắt

Cắt bằng dao

Khoan
Xọc
Mài
Băm
Xẻ
Cắt

Cắt thái bằng lưỡi dao

Xén
Cắt thái

Hình 1.19. Các q trính cơng nghệ cắt vật liệu.
Quá trính cắt theo phương pháp đột dập thường áp dụng trong các q trính
cơng nghệ cắt vật liệu của các ngành sản xuất công nghiệp cho đối tượng vật liệu
cắt có cấu trúc đặc, liên tục, như nhau về mọi hướng như kim loại và một số vật liệu
phi kim loại.

Quá trính cắt theo phương pháp cắt bằng dao thường áp dụng trong các q
trính cơng nghệ cắt trong các ngành sản xuất nông nghiệp, chế biến thực phẩm với
các đối tượng chủ yếu có nguồn gốc thực vật thuộc loại có cấu trúc đặc, cứng, mức
độ đàn hồi thấp kể cả khi ở dạng khối như củ quả, thân cây mìa, tre, nứa, gỗ. Khi cắt
bằng dao thường áp dụng nguyên lý cắt thái chặt bổ, không trượt, có hoặc khơng có
tấm kê. Q trính cắt khơng có thái (trượt lưỡi dao lên vật liệu).
Q trính cắt theo phương pháp cắt thái bằng lưỡi dao thường áp dụng trong
các q trính cơng nghệ cắt thái cho các đối tượng có cấu trúc sơ, mềm, có tình đàn


24

hồi cao như các loại rau, cỏ, rơm, sản phẩm động vật. Khi cắt thái bằng lưỡi dao
thường áp dụng nguyên lý cắt thái có trượt và ấm kê.
Như vậy cắt bằng dao là dạng cắt cắt hom mìa phù hợp là.
Các biểu đồ phản lực cắt như hính 1.20 [39].

1

a)

b)

c)

Hình 1.20. Các biểu đồ phản lực cắt.
a. Cắt bằng dập; b.Cắt bằng dao; c. Cắt bằng thái (cắt bằng lưỡi dao)
Ở dạng cắt bằng dập (hình 1.20a), biểu đồ có dạng tuyến tình. Phản lực lớn
nhất ở vị trì 1 là cạnh dao về phìa trong sát bề mặt tấm kê, cịn phản lực bé nhất ở vị
trì 2 là cạnh dao nhưng về phìa ngồi. Ở dạng cắt bằng dao (hính 1.20b), biểu đồ có

dạng cong bậc II. Phản lực lớn nhất ở vị trì 2 nằm trong khoảng giữa của dao, ở vị
trì cạnh sắc dao 1 có giá trị trung bính và nhỏ nhất nằm ở cạnh dao nhưng về phía
ngồi. Ở dạng cắt bằng thái (hính 1.20c), biểu đồ có dạng cong bậc II đối xứng qua
tâm dao. Phản lực lớn nhất ở vị trì 2 nằm trong khoảng giữa của dao, ở các vị trì
cạnh ngồi cùng tiếp xúc giữa bề mặt dao với vật liệu cắt có giá trị bé nhất.
1.2.2.2.

Lực tác động lên lưỡi dao cắt

Quá trính lưỡi dao cắt lớp vật liệu có chiều dày h (hính 1.21).
Q trính cắt dao ngập vào vật liệu một đại lượng hcж. Ngay khi lưỡi dao
vào vật thái, sẽ xuất hiện ứng suất tiếp xúc phá hủy vật liệu p do dao tác động gây
lên. Lực tác động của vật liệu lên dao gồm có [39]:
N – phản lực pháp tuyến của lớp vật liệu ép lên mặt bên phải lưỡi dao;
Ppeз – phản lực của vật liệu ở cạnh sắc lưỡi dao theo hướng lên phìa trên;
Pcж– lực ép của vật liệu tác động vào mặt bên của lưỡi dao theo hướng lên trên;


25

Poж – Phản lực của lớp vật liệu ép lên mặt bên lưỡi dao theo hướng nằm ngang;
T1, T2 – lực ma sát của lớp vật liệu cắt tác động lên hai bề mặt lưỡi dao.

a)

b)

Hình 1.21. Lực tác động lên lưỡi dao cắt.
a.Phản lực xuất hiện khi lưỡi dao cắt ngập vào vật liệu;
b.Sơ đồ xác định ứng lực Pcж và Poж .

Theo sơ đồ hính 1.21a, tổng các lực ép lên bề mặt lưỡi dao phìa bên phải là:
N = Pcж.sin + Poж.cos 

(1.25)

Như vậy phản lực pháp tuyến lên bề mặt lưỡi dao phìa bên phải là:
N = (Pcж2 + Poж2)1/2.cos

(1.26)

Với  là góc ma sát giữa vật liệu với bề mặt dao.
Trên cơ sở phản lực pháp tuyến lên bề mặt lưỡi dao phìa bên phải, lực ma sát
của bề mặt vật liệu cắt tác động lên bề mặt lưỡi dao này là:
T2 = N.f

(1.27)

Với f là hệ số ma sát giữa vật liệu với bề mặt dao, f = tan.
Lực ma sát tương tự T1 xuất hiện trên bề mặt phìa bên trái của dao dưới tác
động của phản lực của lớp vật liệu ép lên mặt bên lưỡi dao này là Poж:
T1 = Poж.f

(1.28)

Lực ma sát T1 có hướng thẳng đứng lên trên, cịn lực ma sát T1 hợp với T1
một góc . Thành phần thẳng đứng của lực T2 là T2‟ bằng:
T2‟ = T2.cos

(1.29)