Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu động học và động lực học cơ cấu cắt hom sắn của máy trồng sắn

Chia sẻ: Tri Lộ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn bổ sung phát triển lý thuyết tình toán 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 nông nghiệp như máy trồng sắn, máy trồng mía, máy cắt bánh kẹo, cắt bún,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu động học và động lực học cơ cấu cắt hom sắn 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, Hoàng 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 Đông 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 nguyên lý, mô 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 ngô. 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 còn 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 không 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 nông 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 không bị dập nát mà còn 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 không chỉ tiết diện cắt mà có khi trên cả thân hom, truyền động cho cơ cấu cắt không 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 toán 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 mô hính toán học mô tả hàm mục tiêu. Quá trình tính toán 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 toán 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 nông 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 toán 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 công trình đã công 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 công (hính 1.1). Việc cắt hom bằng dao thủ công 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 công. Trong đó công việc cơ giới hóa khi trồng chỉ là rạch hàng tạo rãnh, còn lại bằng lao động thủ công. 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 công tác cắt hom bằng thủ công không 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 công suất 0,37 kW, còn cho đĩa cắt có công suất 0,75 kW. Bộ phận cắt sử dụng nguyên 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 không có bộ phận giữ hom, làm thân cây sắn quay lung tung trong quá 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 Nông 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 đuôi. Ngoài 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 nguyên lý làm việc như máy trồng mìa từ nguyên 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 Ngoài ra tập đoàn công 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 đoàn công 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 trò 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 công kết hợp cơ giới hóa cho khâu rạch hàng. Ví vậy, việc cắt hom sắn vẫn hoàn toàn bằng thủ công. Phương pháp trồng sắn bằng máy rạch hàng trồng kết hợp thủ công cho chi phì lao động cao tới 15 ÷17 công/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, không có bất cứ công bố nào mới về mô hính, nguyên lý hay phát triển. Ví vậy mô hính cơ giới hóa này có đầy đủ các nhược điểm như của nước ngoài, thâm chì còn có thêm những tồn tại do trính độ sản xuất cơ khì trong nước còn 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) không được triển khai ứng dụng dù chỉ là 1 đơn vị máy, hay nói khác hơn các kết quả nghiên cứu không 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 thông qua “giải mã” máy trồng mìa nên tất cả các thông 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 thông số kỹ thuật của máy công bố không 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, còn 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 tròn 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 tròn tâm quay O1, bán kính R. Theo “ Giải tìch toán 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: 2   s  2 2 x    R    (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 (1.4)   2  Trong đó: 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: a b ab  aa  s  bc   (1.5) tan tan 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 δ 2.e  s cos (1.6) tan
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: δ 2.e  s cos  0 (1.7) tan 2e.cos   (1.8) Trong đó: 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 mô 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 vòng v T = .R. Phân tìch vận tốc vòng 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 không 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 đôi 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   (1.10)  y  r  R.cos(  ω.t)  0 Trong đó: 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 vòng tròn cùng tâm trống cắt trượt trên thân cây hom cắt, ds rR , [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: ds v cat   v2  v2 (1.11) dt catx caty Trong đó các thành phần vcatx, vcaty là đạo hàm của hệ phương trính (1.10) là: dx vcatx = = R..cos(0 – .t) – r. (1.12) dt dy vcaty = = –R..sin(0 – .t) (1.13) dt Tiếp theo: 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) Trong đó: 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 (1.16) R R 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 (1.17)  r  Biểu thức đã biết chứng tỏ rằng nếu tăng tốc độ góc , bán kính theo vòng tròn 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: dz z   ω.sin( 0  ω.t) (1.18) dt 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 0 z  sin(0 – .t) sin0 + 0 Z = cos(0 – .t) 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   (1.19)  2  Giá trị bé nhất của vận tốc cắt vcat đạt được khi .t = 0: