Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số thông số chính ảnh hưởng đến khả năng làm việc của bộ phận bứt quả lạc tươi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu một số thông số chính ảnh hưởng đến khả năng làm việc của bộ phận bứt quả lạc tươi" được nghiên cứu với mục tiêu: Cơ sở khoa học quá trình bứt quả lạc tươi, xác định được một số thông số kỹ thuật chính ảnh hưởng đến chất lượng làm việc và chi phí năng lượng của bộ phận đập, làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo máy bứt quả lạc tươi.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số thông số chính ảnh hưởng đến khả năng làm việc của bộ phận bứt quả lạc tươi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH LÊ QUYẾT TIẾN NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA BỘ PHẬN BỨT QUẢ LẠC TƯƠI Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 92.52.01.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà nội, 2023
Luận án được hoàn thành tại: VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Lê Sỹ Hùng 2. PGS. TS. Đỗ Hữu Quyết Phản biện 1: PGS.TS. Lê Minh Lư Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Đình Tùng Phản biện 3: PGS.TS. Lê Nguyên Đương Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch Vào hồi giờ phút, ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia và Thư viện Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch Hà nội, 2023
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Cây lạc là cây lương thưc thực phẩm ngắn ngày, là một trong năm loại cây chế biến dầu quan trọng trên thế giới. Tại nước ta cây lạc được trồng tại 61 trên 63 tỉnh và nhiều vùng chuyên canh đã hình thành trên cả nước với diện tích khoảng 200-250 ngàn ha, sản lượng lạc gần 400 ngàn tấn/năm, trồng nhiều ở Nghệ An, Bắc Giang, Đồng Nai, Tây Ninh vv.... mang lại hiệu quả kinh tế cao. Trong sản xuất cây lạc thì thu hoạch là khâu tốn nhiều lao động, chi phí lớn. Với phương pháp thu hoạch lạc thủ công hiện nay, chi phí lao động từ 70 đến 75 công/ha (trong đó khâu bứt quả chiếm 60%). Hiện nay ở nước ta việc thu hoạch lạc được thực hiện theo phương pháp nhiều giai đoạn, bao gồm đào nhổ, gom và bứt quả tươi. Những năm gần đây đã có nhiều mẫu máy máy bứt quả lạc đã được sản xuất chấp nhận. Tuy nhiên các máy này được chế tạo theo dạng chép mẫu từ các máy nhập từ nước ngoài hoặc theo kinh nghiệm mà không dựa trên các kết quả nghiên cứu bài bản nào. Do đó việc nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng làm việc máy bứt quả lạc tươi phù hợp với phương pháp thu hoạch lạc ở Việt Nam, để làm chủ công nghệ tạo ra các mẫu máy có mô đun khác nhau, giảm tổn thất phù hợp với điều kiện chế tạo ở nước ta. Với những phân tích như trên, việc thực hiện luận án: “Nghiên cứu một số thông số chính ảnh hưởng đến khả năng làm việc của bộ phận bứt quả lạc tươi” là nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết, phù hợp với yêu cầu của thực tiễn sản xuất. 2. Mục tiêu nghiên cứu Có được cơ sở khoa học quá trình bứt quả lạc tươi, xác định được một số thông số kỹ thuật chính ảnh hưởng đến chất lượng làm việc và chi phí năng lượng của bộ phận đập, làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo máy bứt quả lạc tươi. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là quá trình xảy ra với khối cây-quả lạc sau khi được đưa vào bộ phận bứt quả. Dưới tác động của bộ phận bứt, quả lạc được bứt khỏi cây và được phân ly khỏi khối thân cây. Đây là một quá trình phức tạp bao gồm những tác động qua lại giữa bộ phận làm việc với khối cây- quả.
Có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến quá trình này như: vận tốc quay của trống, chiều dài trống, khe hở giữa răng trống và máng trống, khe giữa răng trống và nắp trống; góc nâng gân dẫn hướng, kích thước và khoảng cách giữa các thanh sàng, chiều cao và góc nghiêng của răng trống, v.v... Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu mức độ và quy luật ảnh hưởng của các thông số đó đến các chỉ tiêu chất lượng và năng suất của bộ phận bứt quả như: độ sót, độ vỡ, chi phí công suất… để chọn được bộ thông số phù hợp nhất 3.2. Phạm vi nghiên cứu: Để có cơ sở tính toán thiết kế bộ phận bứt của máy bứt quả lạc tươi, luận án tập trung nghiên cứu sâu về quá trình diễn ra trong buồng công tác, bao gồm quá trình bứt quả lạc, quá trình di chuyển của khối thân quả và quá trình phân ly quả nhằm nghiên cứu lựa chọn nguyên lý làm việc và xác định thông số làm cơ sở thiết kế ra các mẫu máy có mô đun khác nhau phù hợp với điều kiện sản xuất từng vùng tại Việt Nam. Với các giả thiết: - Về động lực học quá trình bứt quả lạc trong buồng đập: là quá trính bứt quả tại vùng nửa dưới của trống: + Coi khối lạc là chất điểm khi chuyển động trong buồng đập + Lực trọng trường rất nhỏ so với lực quán tính ly tâm tác dụng lên khối lạc + Cuống quả có chiều dài không đổi, nối bản lề với thân cây lạc và quả lạc - Về quá trình dịch chuyển dọc trục của cụm cây lạc trong buồng đập: là quá trình chuyển động sau khi thoát ra khỏi vùng nửa dưới của trống (gồm 4 giai đoạn): Luận án tập trung nghiên cứu giai đoạn 3 là giai đoạn vận chuyển cây lạc theo chiều dọc trục. Giai đoạn này có ảnh hưởng rất quan trọng tới năng suất, độ sót của máy. - Giống lạc để nghiên cứu là giống lạc L20 được trồng phố biến tại Việt Nam - Qua nghiên cứu các công trình trong và ngoài nước thực hiện cũng như qua thử nghiệm sơ bộ, luận án thừa kế một số thông số: đường kính trống, cấu tạo và chiều dài răng đập, khe hở răng đập và sàng. 4. Nội dung nghiên cứu ND1. Lựa chọn nguyên lý làm việc và kết cấu một số bộ phận bứt quả lạc tươi. ND2. Xây dựng mô hình toán quá trình bứt quả lạc trong buồng đập
ND3. Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố xác định ảnh hưởng của một số thông số tới chất lượng làm việc, chi phí năng lượng riêng. ND4. Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố và giải bài toán tối ưu bằng phương pháp thương lượng có điều kiện, đề xuất các thông số thiết kế chính máy thu bứt quả lạc tươi. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học - Bằng việc khảo sát mô hình động lực học quá trình tương tác giữa quả lạc với các thanh sàng của bộ phận bứt quả lạc tươi, thông qua lực căng T kéo đứt cuống lạc đã xác định được vùng giá trị làm việc của các thông số: đường kính thanh sàng  8 mm; số vòng quay của trống ≥ 500 vòng/phút và khoảng cách giữa các thanh sàng  65 mm; - Thông qua khảo sát mô hình động lực học quá trình di chuyển khối cây lạc trong không gian giữa trống và nắp trống của bộ phận bứt quả lạc tươi, bằng lý thuyết đã xác định được: góc nghiêng của răng trồng   - 60; chiều cao răng trống R  80 mm và khe hở nắp trống Rnap  100 mm; - Thông qua cứu thực nghiệm đơn và đa yếu tố và giải bài toán tối ưu có điều kiện, đã xác định các giá trị tối ưu của các thông số chính: số vòng quay của trống n, chiều dài trống L, lượng cung cấp q và chỉ số góc nâng gân dẫn hướng h, đảm bảo bộ phận bứt quả lạc tươi làm việc đạt chất lượng và hiệu quả cao; - Kết quả nghiên cứu bổ sung cơ sở dữ liệu khoa học về bộ phận bứt quả lạc tươi nói riêng, máy thu hoạch lạc nói chung và cũng là tài liệu tham khảo hữu ích trong lĩnh vực cơ khí nông nghiệp. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Đã góp phần hoàn thiện một số thông số về thiết kế và thông số về ứng dụng để chế tạo máy bứt quả lạc tươi trong phương pháp thu hoạch nhiều giai đoạn. Đã chế tạo bộ phận bứt quả lạc chiều dài trống đập L= 1,5 m; với vận tốc n= 600 vòng/phút; chỉ số góc nâng gân dẫn hướng h= 218 mm được ứng dụng trong sản xuất thực tế cho thấy độ sót dưới 1.02% và độ vỡ quả nhỏ hơn 10‰. 6. Những đóng góp mới của luận án - Đề xuất nguyên lý và cấu tạo bộ phận bứt quả trên của máy bứt quả lạc tươi - Xây dựng được mô hình khảo sát động lực học của tâm đầu quả lạc và sự thay đổi lực căng của cuống quả lạc trong quá trình va chạm với thanh sàng của bộ phận bứt quả làm cơ sở cho việc xác định các thông số của bộ phận bứt quả lạc - Xây dựng được mô hình và khảo sát hệ phương trình vi phân mô tả chuyển
động của khối cây lạc khi trượt trên răng đập và khi “bay” trong khoảng không giữa trống và nắp trống để đánh giá khả năng dịch chuyển của khối cây theo phương dọc trục trong không gian làm việc của trống làm cơ sở lựa chọn các thông số hình học của bộ phận bứt quả và việc thiết kế máy bứt quả lạc tươi. - Xây dựng được các phương trình hồi quy thực nghiệm đơn yếu tố, đa yếu tố và giải bài toán tối ưu để xác định các thông số kết cấu và làm việc tối ưu của máy tùy vào chiều dài trống khác nhau làm cơ sở cho việc thiết kế máy máy bứt quả lạc tươi có các modun phù hợp. - Tối ưu hóa một số thông số để đối chứng với thực nghiệm 7. Cấu trúc của luận án Luận án gồm phần mở đầu và 4 chương được trình bày trong 146 trang không bao gồm tài liệu tham khảo và phụ lục. - Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu - Chương 2. Đối tượng, vật liệu và phương pháp nghiên cứu - Chương 3. Cơ sở lý thuyết xác định một số thông số bộ phận bứt quả lạc - Chương 4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm Luận án sử dụng 72 tài liệu tham khảo, bao gồm: 22 tài liệu tiếng Việt; 31 tài liệu tiếng Anh; 6 tài liệu tiếng Nga, Bungari và các tài liệu khác. Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu Qua tổng hợp về tình hình sản xuất và cơ giới hóa thu hoạch lạc, phân tích các công trình nghiên cứu và ứng dụng các máy thu hoạch lạc trong và ngoài nước, chúng tôi nhận thấy: Cây lạc được trồng khá phổ biến ở 62 trên 64 tỉnh của Việt Nam, gồm các bộ phận chính lá, thân, rễ, quả và quả lạc liên kết với thân qua cuống. Hiện nay phương pháp thu hoạch lạc nhiều giao đoạn là phù hợp với điều kiện canh tác ở nước ta. Nhiều loại máy bứt quả lạc tươi đã được ứng dụng ở Việt Nam, nhưng có rất nhiều nguyên lý và công suất rất khác nhau đặc biệt là bộ phận bứt nên rất khó lựa chọn và ứng dụng rộng rãi. Do vậy cần nghiên cứu các mẫu máy bứt quả lạc tươi phù hợp cho thu hoạch nhiều giai đoạn có modun khác nhau và làm việc trong điều kiện canh tác khác nhau. Đã có nhiều nghiên cứu về bộ phận bứt và chủ yếu được ứng dụng cho cây lúa. Các nghiên cứu đã đi sâu vào chuyển động của khối cây khi đi vào buồng đập tới khả năng làm việc của máy. Tuy nhiên do đặc tính cơ lý của cây lạc và lúa
khác nhau rất nhiều và điều kiện bứt hạt, quả cũng khác nhau nên các nghiên cứu này không thể trực tiếp ứng dụng được cho bộ phận bứt quả lạc. Các kết quả nghiên cứu về máy thu hoạch lạc chủ yếu ở dạng kết quả khảo nghiệm với các máy cụ thể. Qua các tài liệu trong và ngoài nước, chưa thấy có các nghiên cứu sâu về quá trình tương tác giữa các răng bứt với khối cây-quả trong không gian đập cũng như nghiên cứu đồng bộ các thông số kết cấu và động học tới quá trình bứt quả lạc. Điều này đặt ra yêu cầu cần phải có nghiên cứu sâu hơn về bộ phận bứt quả lạc nhằm giảm độ sót và vỡ quả, tăng hiệu quả kinh tế cho công đoạn này. Một số kết quả nghiên cứu của tác giả trong và ngoài nước đã đưa ra một số thông số khi thiết kế máy: Trống đập cho lạc thường là trống dạng khung, không có mặt trống, không có phần tiếp nhận đầu trống, các thanh trống thường song song với trục; số chu kỳ khối cây phải chuyển động quanh trục trống theo kết cấu gân trên nắp trống, khối cây chuyển động quanh trục trống khoảng 4 đến 7 vòng trước khi được đưa ra khỏi trống; đường kính thanh trống và răng trống 12 mm ; Chiều cao răng khoảng từ 60-80 mm. Khe hở giữa đỉnh răng và nắp trống khoảng 15 mm, Góc nâng của gân dẫn hướng thường được chọn trong khoảng 20-50o. 1.2. Đề xuất cấu tạo và nguyên lý làm việc của bộ phận bứt quả lạc tươi Qua phân tích tổng quan về các bộ phận bứt quả lạc trong nước và trên thế giới, nhóm nghiên cứu lựa chọn nguyên lý đập dọc trục cho bộ phận bứt quả lạc tươi. Cấu tạo của bộ phận bứt quả lạc tươi được thể hiện trên hình 1.1. Hình 1.1. Bộ phận bứt quả lạc tươi 1. Trục trống; 2. Thanh trống; 3. Răng trống; 4. Mặt bích; 5. Nắp trống; 6- Máng trống; 7. Giá cấp liệu; 8. Khung máy. Cụm trống (phần quay) bao gồm trục trống 1 hai mặt bích 4 và bốn thanh trống 2 có hàn các răng trống 3. Trống được bao phía dưới bởi máng trống 6 và phía trên bởi nắp trống 5. Mặt trong nắp trống có hàn các gân dẫn hướng có tác
dụng điều chỉnh chuyển động của khối cây theo phương dọc trục. Kết cấu cụ thể các cụm máy của bộ phận bứt quả sẽ được trình bày chi tiết trong chương 2. + Luận án chỉ tập trung nghiên cứu sâu động lực học quá trình bứt quả lạc, quá trình dịch chuyển dọc trục của khối thân quả và phân ly quả trong bộ phận bứt quả lạc nhằm đánh giá ảnh hưởng của một số thông số chính như: Đường kính thanh sàng; Khoảng cách giữa thanh sàng; Vận tốc quay của trống bứt; Góc nghiêng của răng đập; Chiều cao răng đập; Khe hở nắp trống (bước dịch chuyển khối lạc). Các thông số trên là cơ sở để thiết kế và cấu tạo các bộ phận bứt quả lạc tươi. 1.3. Định hướng nhiệm vụ nghiên cứu tiếp theo Nhiệm vụ nghiên cứu tiếp theo của luận án là tiếp tục nghiên cứu các thông số có ảnh hưởng đến quá trình làm việc của bộ phận bứt quả lạc như đường kính trống, khe hở trống máng vv, và các bộ phận khác trên máy thu hoạch lạc như sàng lắc, quạt phân ly vv để công trình được hoàn thiện hơn. Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là quá trình xảy ra với khối cây-quả lạc sau khi được đưa vào bộ phận bứt quả. Dưới tác động của bộ phận bứt, quả lạc được bứt khỏi cây và được phân ly khỏi khối thân cây. Đây là một quá trình phức tạp bao gồm những tác động qua lại giữa bộ phận làm việc với khối cây- quả. 2.2. Vật liệu nghiên cứu 2.2.1. Vật liệu thí nghiệm - Cây lạc được trồng đại trà tại Việt Nam giống L20 - Khi thí nghiệm: Độ ẩm trung bình của thân cây lạc: 71.82% -72.93% ; độ ẩm trung bình của quả lạc: 50,21% -52.35%. - Các giá trị các lực phân tích tính toán chúng tôi lựa chọn như sau: Lực gây bứt quả lạc: 16,76 N; Lực gây vỡ quả lạc: 100 N. 2.2.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm Dàn thí nghiệm bao gồm các bộ phận công tác chính: Bộ phận bứt quả lạc (1), bộ phận cấp liệu (2), động cơ điện (3) và hệ thống đo lường (4), (hình 2.1). Bộ phận bứt quả lạc được truyền động từ động cơ điện 3 pha có thể thay đổi được tốc độ qua bộ truyền Puly, băng tải cấp liệu được truyền động bởi động cơ điện thông qua bộ phận truyền động xích với tỷ số truyền 1:1. Cây lạc được dàn đều với các lượng cung cấp đã được định trước trên băng chuyền qua cửa nạp liệu
vào bộ phận bứt quả. Khối cây lạc dịch chuyển dọc trục và quả lạc được bứt rơi xuống các ngăn của khay thu quả từ ngăn 1 đến ngăn 4 đặt dưới máng sàng của trống cho phép thu lại tất cả lượng quả đã được bứt và phân ly trong buồng đập. Toàn bộ các phần sinh khối cây lạc còn lại (thân, lá, quả sót...) sẽ ra tại cửa thoát liệu và được thu lại vào ngăn số 5. 1- Bộ phận bứt quả lạc; 2- Băng tải cấp liệu; 3- Động cơ điện; 4- Hệ thống đo; N1…N4- Các ngăn thu quả dưới sàng; N5- Cửa thoát liệu. Hình 2.1. Sơ đồ bố trí dàn thí nghiệm bộ phận bứt quả lạc 2.3. Các phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được dựa trên nguyên tắc chung của các phương pháp lập và giải các bài toán trong cơ học như tĩnh học, động học, động lực học trên cơ sở các định luật, nguyên lý, ... Từ đó lập được các phương trình cân bằng của hệ và các phương trình vi phân chuyển động tương đối của cây lạc trong hệ tọa độ Descartes, hệ tọa độ cực. Sử dụng các biến đổi toán học để đưa các phương trình về dạng đơn giản và tìm lời giải, từ các điều kiện biên xác định các hằng số tích phân. 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm a. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố Phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố để xác định khoảng nghiên cứu, khoảng biến thiên, mức biến thiên thích hợp. Trong nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố cần cố định các yếu tố khác, chỉ thay đổi một yếu tố duy nhất để xác định ảnh hưởng của riêng yếu tố này đến thông số ra. Khoảng biến thiên và mức cơ sở được xác định qua kết quả nghiên cứu lý thuyết và qua thí nghiệm thăm dò trên các mô hình nghiên cứu, mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần.
Kết quả được tính toán và sử lý theo chương trình máy tính Table curve. Mức ý nghĩa của hệ số hồi quy được kiểm tra theo tiêu chuẩn Student và tính tương thích của mô hình toán kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher. Dựa vào phương trình thực nghiệm và đồ thị cho phép đánh giá, phân tích mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố tới hàm chỉ tiêu để đưa vào thực nghiệm đa yếu tố. b. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố Căn cứ vào nhiệm vụ nghiên cứu đã đặt ra trong chương I của luận án, mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm là nhằm xác định ảnh hưởng của một số yếu tố vào tới các thông số ra của bộ phận đập trong máy bứt quả như tỷ lệ sót, tỷ lệ vỡ, chi phí năng lương. Thông qua nghiên cứu thực nghiệm sẽ xác định chế độ tối ưu của bộ phận bứt quả lạc. Mô hình bài toán tối ưu được thể hiện trên hình 2.2. Hình 2.2. Mô hình bài toán của bộ phận bứt quả lạc c. Các phần mềm sử dụng trong luận án 1. Đơn yếu tố sử dụng phần mềm tablecurve 2. Đa yếu tố sử dụng chương trình do Viện cơ điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch trên nền phần mềm Matlap 3. Tối ưu sử dụng phần mềm Matlap Đây là một lớp bài toán tối ưu cổ điển “tối ưu hàm tuyến tính hoặc bậc 2 với ràng buộc bậc 2” (Linear or Quadratic Objective with Quadratic Constraints) được trình bày kỹ trong matlab. 2.3.3. Phương pháp xác định các yếu tố vào và thông số ra 2.3.3.1. Phương pháp xác định các yếu tố vào gồm: Vận tốc quay của trống n, (v/phút); lượng cung cấp q, (kg/s); Chỉ số góc nâng gân dẫn hướng h (mm); chiều dài trống L (mm). 2.3.3.2. Phương pháp xác định các thông số ra (các chỉ tiêu) gồm các phương pháp: xác định độ sót , (%); xác định độ vỡ , (‰); xác định chi phí công suất N (kW). Chương 3: KẾT QUẢ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA BỘ PHẬN BỨT QUẢ LẠC
3.1. Động lực học quá trình bứt quả lạc trong buồng đập 3.1.1. Mô hình kết cấu bộ phận bứt quả lạc Bộ phận bứt quả lạc lắp trên dàn thí nghiệm có cấu tạo thể hiện trên hình 3.1, bao gồm khung máy 1, máng trống 2, trục trống 3 và nắp trống 4. Trục trống 3 gồm có trục tâm và bốn thanh trống 5, trên thanh trống có hàn các răng trống 6 (hình 3.1). Hình 3.1. Bộ phận bứt quả lạc lắp trên dàn thí Hình 3.2. Sự phân vùng trong nghiệm không gian trống 1- Khung máy; 2- Máng trống; 3- Trục trống; 1- Nắp trống; 2- Máng trống; 4- Nắp trống (cắt một phần).5- Thanh trống; 3- Cụm trống; C- Khối lạc 6- Răng trống; 7- Bánh đai. A- Vùng trống - nắp B- Vùng trống - sàng Có thể chia không gian trống thành 2 nửa (hình 3.2): nửa dưới là vùng giữa trống và sàng (vùng trống- sàng) và nửa trên là vùng nằm giữa trống và nắp trống (vùng trống- nắp). Tại vùng trống-nắp, chuyển động của khối cây-quả là chuyển động trượt tựa trên nắp trống sau khi bay khỏi thanh trống (hình 3.2)…. Tại vùng trống- sàng, khối cây-quả vừa chuyển động quay quanh trục trống vừa có chuyển động theo phương dọc trục do tác dụng đẩy- kéo trực tiếp của các thanh trống và các ngón đập. Trong vùng này, có 2 khả năng gây ra hiện tượng bứt quả lạc: - Quả lạc được bứt nhờ va đập trực tiếp với răng trống và thanh trống; - Quả lạc được bứt khi văng ra và va đập vào các thanh sàng. Khả năng thứ nhất: có xác suất xảy ra thấp do số thanh trống và răng trống bố trí trên trống đập khá thưa, không gian giữa trống và máng trống, khi này giữa các quả lạc và các răng trống có vận tốc gần như bằng nhau nên không có khả năng bứt quả theo khả năng thứ nhất (va đập trực tiếp với thanh trống hoặc răng trống) nữa.
Theo khả năng thứ hai: quả lạc có xu hướng dịch chuyển ra xa tâm trống trong không gian giữa 2 thanh sàng do ảnh hưởng của lực quán tính ly tâm, khi đầu quả lạc va chạm với thanh sàng, quả lạc sẽ bị giữ lại và nhờ đó giật đứt cuống củ lạc. Trường hợp bất lợi nhất là khi quả lạc va chạm với thanh sàng trong trạng thái ”bay” tự do mà không bị các thân cây đè chặn phía trên. Chúng tôi sẽ xem xét quá trình va chạm giữa quả lạc và thanh sàng trong trường hợp này (hình 3.3). Hình 3.3. Quá trình bứt quả lạc do thanh sàng a) Khi quả lạc bắt đầu rời khỏi thanh sàng trước; b) Quả lạc bay trong không gian giữa hai thanh sàng; c) Khi quả lạc va chạm với thanh sàng sau. 1- Quả lạc; 2- Cuống quả; 3- Thanh sàng. 3.1.2. Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quá trình bứt Xây dựng hệ tọa độ XOY cho khối lạc với các giả thiết: - Cuống quả có chiều dài không đổi, nối bản lề với thân cây tại điểm A và nối với quả tại điểm B - Coi quả lạc là có kích thước không đổi và trọng tâm M của quả lạc nằm cách điểm B một khoảng là lq - Khối cây lạc quay quanh trục trống bằng với vận tốc quay của thanh trống Ta sẽ xem xét quá trình quả lạc chuyển động giữa hai thanh sàng trên sơ đồ thể hiện trên (hình 3.4). Hình 3.4. Quá trình chuyển động của Hình 3.5. Sơ đồ mô tả va chạm quả lạc giữa 2 thanh sàng; 1- Cuống của quả lạc vào thanh sàng quả. 2- Quả lạc;
Phương trình chuyển động của quả lạc có dạng: mq .m = T . cos  c x mq .m = T . sin  c y (3.2) J q . q = −T . sin( q −  c ).lq  T – Lực căng của cuống quả lạc c - Góc của cuống quả lạc so với phương nằm ngang; q - Góc quay của quả lạc so với phương nằm ngang. lq – Khoảng cách từ trọng tâm quả lạc tới cuống (điểm B). Sau biến đổi ta được phương trình ta được : l c .c + l q . cos( q −  c ) q = Rt . 2 . sin(  c −  ) − l q . q . sin(  c −  q )   2 T 2 l q .. q . sin( q . −  c ) −  = Rt . 2 . cos( −  c ) − l c . c − l q . q . cos( q −  c ) 2 (3.10) mq Jq T . q +  . sin( q −  c ).l q = 0 mq mq Từ phương trình (3.10) và theo lý thuyết tiếp xúc- va chạm H. Hertz về biến dạng đàn hồi giữa một hình cầu và một hình trụ có tính đàn hồi, đồng nhất và đẳng hướng [31] ta thu được hệ phương trình: Px + F fx Py + F fy l c .c + l q . cos( q −  c )q =   . sin  c − . cos  c + Rt . 2 . sin(  c −  ) − l q . q2 sin(  c −  q )  mq mq T Px + F fx Py + F fy l q ..q . sin( q . −  c ) −  = . cos  c + . sin  c + Rt . 2 . cos( −  c ) − l c . c − l q . q2 . cos( q −  c ) (3.24) 2  mq mq mq J q .q = −T . sin( q −  c ).l q + d r .P + d t .F f  Phương trình (3.24) trên có thể giải bằng phương pháp Runge-Kutta trên cơ sở phần mền Matlab và qua đó xác định được lực T làm cơ sở đánh giá khả năng bứt quả. 3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình bứt quả Sử dụng phần mềm Matlab [55],[18], giải hệ phương trình (3.24), với các thông số ở mức cơ sở, ta thu được các kết quả thể hiện quỹ đạo chuyển động của tâm đầu quả lạc (hình 3.6) và sự thay đổi lực căng cuống quả theo thời gian (hình 3.7). Mức cơ sở của các thông số chọn như sau: Số vòng quay trục trống: nq =400 v/ph; Đường kính thanh sàng Ds= 2.rs= 8mm; Chiều dài cung giữa 2 thanh sàng: ls =60 mm Modul đàn hồi của thép Et=2.1011; (Pa); Modul đàn hồi của quả lạc Ee = 1.106 (Pa).
Hệ số ma sát tĩnh ftq và động fdq của quả lạc với thép: ftq= 0,46; fdq= 0,35; Hình 3.6. Quỹ đạo tâm đầu quả lạc Hình 3.7. Lực căng T theo thời gian Ảnh hưởng của các thông số hình động học đến lực căng T max trên cuống quả và lực va đập lớn nhất Pmax được thể hiện trên các hình 3.8, 3.9, 3.10. Từ dây, để tiện thể hiện mối quan hệ giữa hàm số (ví dụ A), biến số (B) và tham số (C) ta sử dụng cụm ký hiệu: Hàm số(biến số)Tham số dưới dạng A(B)C. 120 90 45 45 50 50 100 55 ls= 80 80 55 60 60 70 65 65 80 70 70 60 75 75 80 80 50 Tmax, N ,N 60 max 40 P 40 30 20 20 17 10 0 0 300 350 400 450 500 550 600 650 700 300 350 400 450 500 550 600 650 700 n , v/ph nq, v/ph q Hình 3.8. Ảnh hưởng của vận tốc quay của trống nq tới lực căng lớn nhất Tmax và lực va đập Pmaxvới các khoảng cách thanh sàng ls (mm) khác nhau 120 90 300 300 350 80 350 100 400 400 450 70 450 500 nq=700 500 nq = 700 80 550 60 550 600 600 650 650 Pmax, N T max, N 50 60 700 700 40 40 30 20 20 17 10 0 0 45 50 55 60 65 70 75 80 45 50 55 60 65 70 75 80 d , mm d , mm s s Hình 3.9. Ảnh hưởng của khoảng cách thanh sàng ls tới lực căng lớn nhất Tmax và lực va đập Pmax với các vận tốc quay của trống nq (vòng/phút) khác nhau.
350 400 450 500 550 600 650 data9 40 300 80 350 400 450 70 35 500 550 60 600 30 650 ,N 700 50 Pmax , N max T 300 25 40 350 400 450 30 20 500 17 550 20 600 650 15 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 700 10 r , mm 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 s rs, mm Hình 3.10. Ảnh hưởng của bán kính thanh sàng rs(mm) tới lực căng lớn nhất Tmax và Pmax với các vận tốc quay của trống nq (vòng/phút) khác nhau. Từ các kết quả trên các hình 3.8, 3.9, 3.10, đối chiếu với các giá trị lực cần thiết để bứt quả lạc (17 N) và lực giới hạn để tránh bị đập vỡ quả lạc (100 N) , ta có thể đưa ra các nhận xét sau: - Trên hình 3.8a biểu diễn hàm Tmax(nq)ds khi khoảng cách thanh sàng ls không đổi, lực căng lớn nhất Tmax luôn đồng biến theo vận tốc quay của trống nq. Khi ls 70 mm lực căng cuống quả luôn đạt trên 17 N với mọi trị số vận tốc quay của trống trong miền khảo sát. Với khoảng cách các thanh sàng ls  65 mm, vận tốc quay của trống tối thiếu phải từ 500 v/ph trở lên ta mới có được Tmax 17 N. - Trên hình 3.9a biểu diễn hàm Tmax(ls)nq, với mọi vận tốc quay của trống lực căng lớn nhất Tmax luôn đồng biến theo khoảng cách sàng ds. Tuy nhiên trong miền ds nhỏ, sự tăng này không đáng kể. Chỉ khi ls 65 mm, sự tăng của Tmax theo ls mới thực sự rõ rệt. - Trên hình 3.10a biểu diễn hàm Tmax(rs)nq, có thể thấy vận tốc trống đập  350 vòng, trong toàn miền xác định của bán kính thanh sàng [2,5,6] ta luôn có lực căng cuống quả lớn nhất Tmax  17 N. Tuy nhiên để đảm bảo độ bền và độ bền mòn của các thanh sàng ta chọn bán kính thanh sàng rs  4mm hay đường kính thanh sàng ds  8 mm. - Từ các nhận xét trên, để đảm bảo khả năng bứt quả lạc khi va đập với các thanh sàng ta nên chọn khoảng cách giữa các thanh sàng ls ≥ 65mm, vận tốc quay của trống nq ≥ 500 vòng/phút và bán kính các thanh sàng rs  4 mm. - Về hiện tượng làm dập vỡ quả lạc, qua các hình 3.8b, 3.9b và 3.10b ta thấy lực va đập lớn nhất Pmax luôn nhỏ hơn lực phá vỡ quả lạc (khoảng 100 N). Như vậy có thể thấy trong quá trình làm việc của trống, nguyên nhân gây phá vỡ quả lạc không phải do va đập với thanh sàng gây ra mà chủ yếu do các nguyên nhân khác.
3.2. Nghiên cứu quá trình dịch chuyển dọc trục của cụm cây lạc trong buồng đập Hình 3.11. Cấu tạo bộ phận bứt quả lạc Quá trình dịch chuyển khối cây lạc theo phương dọc trục: Cụm cây lạc được kéo bởi các răng đập sau khi thoát khỏi đáy sàng do lực quán tính ly tâm bắt đầu quá trình thoát ra khỏi răng đập. Chu kỳ chuyển động sau khi thoát ra khỏi vùng trống-sàng chuyển sang vùng trống-nắp được chía thành 4 giai đoạn: - Giai đoạn 1. Khối cây-quả trượt theo răng đập để thoát ra khỏi răng đập; - Giai đoạn 2. Khối cây- quả bay tự do trong không gian giữa trống đập và nắp máy; - Giai đoạn 3. Khối cây- quả trượt trên nắp máy theo đường xoắn ốc, tịnh tiến theo phương dọc trục máy. - Giai đoạn 4. Khối cây- quả rời khỏi nắp trống, rơi xuống vùng trống- sàng. Giai đoạn 1 và 2 có tác dụng chủ yếu là giũ, phân ly quả lạc, còn giai đoạn 3 là giai đoạn vận chuyển cây lạc theo chiều dọc trục. Giai đoạn này có ảnh hưởng rất quan trọng tới năng suất, độ sót của máy. Giai đoạn 4 gây ra sự xáo trộn khối cây- quả mạnh mẽ nên có tác dụng phân ly quả mạnh cũng như tạo điều kiện tốt cho chu kỳ đập bứt quả tiếp theo trên phần trống- sàng với trật tự phân bố mới. 3.2.1. Quá trình chuyển động của cây lạc ở giai đoạn 1(hình 3.12) Giả thiết: 1. Trong các giai đoạn chuyển động của thân cây lạc, thân cây được xem là chất điểm. 2. X0OY0 là hệ toạ độ cố định gắn với khung máy 3. xOy là hệ toạ độ di động quay với vận tốc góc không đổi ω, theo chiều ngược kim đồng hồ
Hình 3.12. Các lực tác dụng lên khối cây lạc Phương trình hình chiếu trên các trục trong hệ toạ độ quay xOy khi cây dịch chuyển với răng đập: m. = −m.g. sin  + m. 2 .x − N . f x m. = −2m..x. + m. 2 .y − mg. cos  + N = 0 y  (3.34) Trên cơ sở phương trình (3.34) luận án đã tiến hành mô phỏng chuyển động của cây lạc ở giai đoạn 1 và mô phòng quá trình chuyển động của cây ở giai đoạn 2, giai đoạn 3 3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến quá trình dịch chuyển của khối cây lạc Sử dụng phần mềm Matlab [48] khảo sát và xác định quỹ đạo khối cây, từ thời điểm khối cây đi ra khỏi răng đến thời điểm khối cây chạm nắp trống với các thông số ở mức cơ sở, ta thu được các kết quả có dạng như thể hiện trên hình 3.13. Hình 3.13. Quỹ đạo khối lạc xét trong hệ quay xOy: Quá trình trượt trên răng đập, (vùng R); Quá trình bay trong khe hở nắp trống (vùng Rnap). - Góc quay của khối cây trên nắp trống; - Góc nghiêng răng; 1- Góc ra khỏi răng;2 – Góc tiếp xúc với nắp trống; ΔR: Chiều cao răng;ΔRnap – Khe hở nắp trống;
Trên cơ sở kinh nghiệm kết hợp với tham khảo từ các công trình nghiên cứu khác, miền nghiên cứu và mức cơ sở của các thông số ảnh hưởng được chọn như sau Chiều cao răng ΔR: Miền nghiên cứu [30, 100], mức cơ sở 65 mm; Góc nghiêng của răng : Miền nghiên cứu [-30, 30], mức cơ sở: 00; Khe hở nắp trống Rnap: Miền nghiên cứu [30,100], mức cơ sở 60 mm; Khi nghiên cứu ảnh hưởng của một thông só nào đó, các thông số khác được giữ không đổi ở mức cơ sở hoặc tham gia với tư cách là tham số. Ảnh hưởng của các thông số đến góc ra khỏi răng, góc tiếp xúc với nắp trống được thể hiện trên các hình từ 3.15 đến 3.20. 200 200 -30 30 -20 180 40 180 -10 50 0 160 60 160 10 70 20 140 80 140 30 90 120 120 100  1,deg 100  1,deg 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 -30 -20 -10 0 10 20 30 0 30 40 50 60 70 80 90 100  , deg  R (mm) Hình 3.15. Ảnh hưởng của góc nghiêng Hình 3.16. Ảnh hưởng của chiều răng  tới góc ra khỏi răng 1 với chiều cao răng R tới góc ra khỏi răng 1 với cao răng R (mm) khác nhau (hàm góc nghiêng răng  (độ) khác nhau 2()R). (hàm 2(R). 180 200 30 -30 40 -20 160 50 -10 60 0 70 10 140 20 80 150 90 30 100  2,deg  2,deg 120 100 100 90 90 80 60 50 -30 -20 -10 -6 0 10 20 30 30 40 50 60 70 80 90 100 , deg R (mm) Hình 3.17. Ảnh hưởng của góc nghiêng Hình 3.18. Ảnh hưởng của chiều cao răng  tới góc tiếp xúc với nắp trống 2 răng R tới tới góc tiếp xúc với nắp với chiều cao răng R (mm) khác nhau trống 2 với góc nghiêng răng  (độ) (hàm 2()R). khác nhau (hàm 2(R)).
120 120 30 110 40 110 50 60 100 100 70 80 90 90 90 100  2,deg  2,deg 80 80 70 70 -30 -20 60 60 -10 0 50 10 50 20 40 30 -30 -20 -18 -10 0 10 20 30 40 30 40 50 60 70 80 90 100 , deg Rnap (mm) Hình 3.19. Ảnh hưởng của góc nghiêng Hình 3.20. Ảnh hưởng của khe hở nắp răng  tới góc tiếp xúc với nắp trống trống Rnap (mm) tới góc tiếp xúc với 2 với khe hở nắp trống Rnap (mm) nắp trống 2 với góc nghiêng răng  khác nhau (hàm 2()Rnap). (độ) khác nhau (hàm 2(Rnap)). Từ các đồ thị, ta có thể rút ra một số nhận xét sau: - Hiệu số 2-1 (hình 3.13) thể hiện góc tương ứng với pha bay của khối cây trong không gian giữa trống và nắp trống. Pha này đóng vai trò quan trọng trong việc phân ly quả lạc khỏi khối thân cây. - Đồ thị các hàm 2()R và 2()Rnap trên hình 3.18 và hình 3.20 là các đường cong có hệ số góc lớn, trong khi các đồ thị các hàm 2(R) và 2(Rnap) trên các hình 3.19, 3.21 gần như là các đường thẳng có hệ số góc nhỏ hơn. Điều đó cho thấy ảnh hưởng của góc nghiêng  của răng đập đến các góc 1 và 2 lớn hơn ảnh hưởng của chiều cao răng R và chiều cao nắp trống Rnap đến góc tiếp xúc với nắp trống 2. - Trong mọi trường hợp, phương vận tốc của khối cây tạo với phương tiếp tuyến với nắp trống một góc đủ nhỏ, cho phép giả định khối cây sau khi tiếp xúc với nắp trống sẽ trượt trên gân dẫn hướng của nắp trống mà không gặp phải một trở ngại nào. Các vết sơn bị mòn trên nắp trống khi thử nghiệm máy có thể minh chứng cho nhận xét này. - Từ biểu thức = 180o-2 (hình 3.15) có thể thấy góc tiếp xúc của khối cây với nắp trống 2 có ảnh hưởng lớn đến khả năng dịch chuyển khối cây theo phương dọc trục. Để bước dịch chuyển của khối thân cây đủ lớn thì góc  phải đủ lớn, hay góc 2 phải đủ nhỏ. Ta sẽ lựa chọn các thông số hình học của bộ phận bứt quả sao cho góc  90o, hay 2 90o. Khi này, bước dịch chuyển của khối cây lạc sau mỗi vòng quay của nó quanh trục trống sẽ được xác định theo công thức:  l = .h  Ở đây, h – Chỉ số góc nâng gân dẫn hướng, mm. Trên bộ phận bứt quả đang xét, h= 252 mm,  90o = 1,57 rad, ta có l 126 mm.
Với trống đập có chiều dài làm việc 1500 mm, ước định khối cây sẽ thực hiện được khoảng 4- 7 vòng trong buồng đập trước khi được đưa ra khỏi bộ phận bứt quả. Kết quả này tương đồng với các kết quả nghiên cứu của các công trình của TSKH. Bạch Quốc Khang [9] và của tác giả Hongguang Yang và cộng sự [37]. Với kết cấu bộ phận bứt quả đang nghiên cứu, góc nâng của gân dẫn hướng đã chọn có thể đảm bảo máy có năng suất, chất lượng làm việc chấp nhận được trong khi chi phí năng lượng hợp lý. Điều này sẽ cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Từ các đồ thị trên hình 3.18 biểu diễn hàm 2()R và hình 3.19 biểu diễn hàm 2(R) ta có 2  90o khi  -6o với mọi R. Từ các hình 3.19 biểu diễn hàm 2()Rnap và hình 3.20 biểu diễn hàm 2(Rnap) ta có 2  90o khi   -120 với mọi Rnap. Tuy nhiên nếu chọn -60 ta sẽ có góc 2  75o và khi chọn 00 ta sẽ có góc 2  700 với mọi Rnap (hình 3.19). Kết hợp 4 trường hợp hình 3.17,3.18 và 3.19, 3.20, ta chọn:   -6o, R  80 mm, Rnap  100 mm. Với các giá trị trên, ta luôn có được góc tiếp xúc của khối cây với nắp trống không nhỏ dưới 90o, đảm bảo cho bước dịch chuyển của khối cây không dưới 126 mm. Nếu chọn   0o, ta sẽ có góc 2  70o (hình 3.19), khi này bước dịch chuyển của khối cây trên nắp trống có thể đạt  147 mm. Kết luận chương 3: 1. Đã xây dựng được hệ phương trình vi phân chuyển động của quả lạc trong khoảng không giữa hai thanh sàng và hệ phương trình mô tả mối quan hệ giữa lực căng trên cuống quả với các thông số hình động học của bộ phận bứt quả lạc. 2. Đã khảo sát quá trình chuyển động của tâm đầu quả lạc và sự thay đổi lực căng của cuống quả lạc trong quá trình va chạm với thanh sàng theo một số thông số hình động học của bộ phận bứt quả làm cơ sở cho việc xác định các thông số này khi tiến hành các bước nghiên cứu thực nghiệm tiếp sau. 3. Từ các kết quả thu được, đã đưa ra vùng giá trị nên chọn của các thông số hình động học của bộ phận bứt quả khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm là: đường kính thanh sàng  8 mm, khoảng cách giữa các thanh sàng  65 mm và vận tốc quay của trống  500 vòng/phút. 4. Đã xây dựng được và khảo sát hệ phương trình vi phân chuyển động của khối cây lạc khi trượt trên răng đập và khi “bay” trong khoảng không giữa trống và nắp trống. cho phép đánh giá khả năng dịch chuyển của khối cây theo phương dọc trục trong không gian làm việc của trống. 5. Từ các kết quả thu được, đã đưa ra vùng giá trị nên chọn của các thông số hình học của bộ phận bứt quả, làm cơ sở cho việc lựa chọn khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm là: góc nghiêng của răng trống  -6o, độ cao răng trống R  80 mm, khe hở nắp trống Rnap  100 mm, đảm bảo bước dịch chuyển của khối cây trên nắp trống theo phương dọc trục.