Tp chớ Khoa hc v Phỏt trin 2010: Tp 8, s 1: 140 - 148 TRNG I HC NễNG NGHIP H NI 140 MộT Số KếT QUả NGHIÊN CứU Về BI TOáN TìM QUĩ ĐạO ĐầU MúT TAY TRONG CƠ CấU VƠ - NéN CủA MáY NéN RƠM TĩNH TạI Some Researching Results about Orbital Motion of Gathering and Compressing Mechanism of Straw and Hey Compressing Machine Nguyn Xuõn Thit, Lờ Minh L v Lng Vn Vt Khoa C - in, Trng i hc Nụng nghip H Ni a ch email tỏc gi liờn lc: ngxthiet@yahoo.com TểM TT Mỏy nộn bú rm v c khụ tnh ti m bi bỏo cp l loi mỏy thc hin nhim v nộn v bú rm v c khụ thnh tng bú, trong ú quỏ trỡnh cp liu, nộn v bú c thc hin liờn tc, nhp nhng. Vi iu kin thu hoch Vit Nam, loi mỏy ny cú tớnh ng dng cao. C cu v - nộn l c cu lm vic quan trng ca mỏy. Bi toỏn ng hc c cu v - nộn c t ra nhm xỏc nh mi quan h kớch thc gia cỏc khõu trong c cu thụng qua bi toỏn ti u qu o ca u mỳt tay v nhm ti u húa kh nng cp liu ca mỏy. Kt qu a ra l c s thit k mỏy sau ny. T khúa: C cu v - nộn trong mỏy nộn rm, mỏy nộn rm, mỏy nộn c khụ. SUMMARY Straw and hey compressing machine discussed in this article is a machine to perform the tasks compressing straw and hey into bundles, in which process of compress and bundle is ongoing. Under the harvesting conditions in Vietnam, this machine has high applicability. Gathering and compressing mechanism is an important working-mechanism of the machine. The kinetics problem of gathering and compressing mechanism is set out to determine the relationship between the sizes of parts in the mechanism through optimal problem of orbit of endpoint of the gathering hand. The results serve as basis data to design machine. Key words: Bundling machine, gathering and compressing mechanism, straw and hey compressing machine. 1. đặt vấn đề Hiện nay, mỗi năm Việt Nam sản xuất hng chục triệu tấn lúa, từ đó cho ra một số lợng rơm rạ khổng lồ, phần lớn trong số đó vẫn đợc coi l phế phẩm nông nghiệp v bị đốt bỏ. Hậu quả kéo theo l lãng phí v gây ô nhiễm môi trờng nghiêm trọng. Một trong các hớng giải quyết cho vấn đề ny l nén bó rơm rạ khô thnh các khối kiện nhỏ (ví dụ nén thnh khối di x rộng x cao: 700 x 500 x 400 mm) để thuận tiện cho việc bảo quản lm thức ăn cho gia súc hoặc trồng nấm. Bên cạnh đó, để phục vụ cho phát triển ngnh chăn nuôi trâu bò, cỏ tại các vùng nguyên liệu cỏ sau khi phơi đủ khô cần thiết phải đợc bó thnh các bó để tiện cho việc cất trữ v bảo quản. Trớc thực tế đó, cũng đã xuất hiện nhiều cơ sở cung cấp máy nén bó rơm, cỏ khô có nguồn gốc từ Trung Quốc hoặc Nhật Bản. Tuy nhiên, đa phần l các máy lu động mang nhợc điểm lớn l cồng kềnh, giá thnh cao v bất tiện cho việc sửa chữa thay thế khi h hỏng, khó áp dụng trong nhiều khu vực ở Việt Nam. Cũng đã có một vi cơ sở nghiên cứu chế tạo máy ép rơm, cỏ khô tĩnh tại nhng đặc điểm của các loại máy ny l lm việc gián đoạn, tính cơ giới cha cao, còn nhiều công đoạn thủ công nh của Nh máy Z755 (2008), của Khoa Cơ Điện Trờng Đại học Nông nghiệp H Nội (2007). Mt s kt qu nghiờn cu v bi toỏn tỡm qu o u mỳt tay trong c cu v - nộn 141 Máy nén rơm, cỏ khô với quá trình nén v quá trình bó liên tục (Hình 1) l loại máy có u điểm vợt trội về năng suất v đang đợc nghiên cứu chế tạo tại Khoa Cơ - Điện Trờng Đại học Nông nghiệp H Nội. Nghiên cứu động học cơ cấu vơ - nén l bi toán quan trọng nhằm xác định kích thớc các khâu trong cơ cấu phục vụ cho việc thiết kế máy, đồng thời qua đó cung cấp một bi toán cơ học thú vị trong động lực học máy. Yêu cầu đặt ra cho việc tính toán l thay đổi v tìm chiều di các khâu trong cơ cấu vơ - nén sao cho tay vơ thực hiện nhiệm vụ vơ tốt nhất (Hình 2). Có nghĩa l tại hnh trình lm việc (BmA) tay vơ quét đợc một diện tích trên mặt phẳng giá cấp liệu (diện tích vơ - diện tích hình gạch chéo) lớn nhất, đồng thời tại hnh trình trở về (AnB) tay vơ rút về thuận tiện, tránh gây ra hiện tợng hất rơm trở lại (tối u nhất l khi đầu mút tay vơ vẽ ra một quĩ đạo l đờng thẳng nằm dới mặt phẳng cấp liệu). 2. VậT LIệU V PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU 2.1. Phân tích cơ cấu Cơ cấu vơ - nén l một cơ cấu 8 khâu liên kết khớp bản lề với khâu OA (Hình 2) l khâu chủ động quay đều với vận tốc góc không đổi. Piston nén liên kết cứng với đầu mút C của thanh O 1 C, tay vơ DF liên kết cứng với khâu DE. Yêu cầu lm việc đối với cơ cấu l piston nén v tay vơ DF lm việc nhịp nhng, khi piston trong quá trình nén (piston lm việc) thì tay vơ trong quá trình trả về v khi piston trong quá trình trả về thì tay vơ lm việc (vơ v đa nguyên liệu vo khoang nén). Đối với bi toán động học cơ cấu ny, ta áp dụng phơng pháp giải bằng cách tách cơ cấu thnh các nhóm Diat hay còn gọi l nhóm hai khâu, sau đó giải từng nhóm một, kết quả tính toán thu đợc từ nhóm ny sẽ lm điểm xuất phát để tính nhóm Diat tiếp theo (Hình 3). Hình 1. Bản vẽ tổng thể của máy nén rơm, cỏ khô tĩnh tại Hình 2. Yêu cầu quĩ đạo của đầu mút tay vơ Nguyn Xuõn Thit, Lờ Minh L, Lng Vn Vt 142 Hình 3. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo Hình 4. Sơ đồ phân tích cấu vơ - nén của cơ cấu vơ - nén thnh các nhóm Diat xij xjm xjk xkn xkl ykl ykn yij yjk yjm l n m x y k ji j2 j1 k2 k1 0 Hình 5. Sơ phân tích động học nhóm hai khâu (nhóm Diat) 2.2. Cơ sở lý thuyết v trình tự tính toán Trên cơ sở tách nhóm, cơ cấu vơ - nén đợc tách thnh 3 nhóm Diat v khâu chủ động OA (Hình 4). Dới đây giới thiệu lời giải tổng quát cho một nhóm Diat (Vũ Liêm Chính, 2001). - Gọi j v k l hai khâu nối động với nhau trong đó khâu j đợc nối động với khâu i bằng một khớp quay (i, j), còn khâu k ngoi việc nối với khâu j còn nối với khâu l bằng một khớp quay (k, l). Vị trí của các khớp (i, j), (k, l) đợc xác định bằng toạ độ xij, yij, xkl v ykl. Hm vị trí của các điểm ny hoặc l bằng hằng nếu nó đợc nối với khớp quay cố định hoặc l phụ thuộc vo toạ độ q = 2 của khâu dẫn. Hm số của điểm cần xác định của nhóm khâu l điểm (j, m). Vị trí của hai khâu đợc xác định nhờ các góc j , k v các toạ độ của khớp (j,k). Từ hình 1 có thể nhận thấy, ứng với chiều di l j , l k bất kỳ sẽ có 2 vị trí tơng ứng cho khớp (j, k). Hệ toạ độ j - j gắn liền với khâu j trong đó trục j l đờng nối liền với khớp (i, j) với khớp (j, k), còn trục j l trục vuông góc với j . Tơng tự nh trên, khâu k có hệ toạ độ k - k với góc toạ độ tại khớp (k, l). Góc j đợc tính từ đờng thẳng song song với trục x theo hớng dơng đến hớng dơng của trục j . Phơng trình tính toán vị trí x jm , y jm , j , k thoả mãn điều kiện rng buộc, nghĩa l hình chiếu của toạ độ các khớp lên hai trục toạ độ l phải khép kín (Hình 3). Phơng trình: x ij + l j . cos j - l k . cos k - x kl = 0 (1) y ij + l j . sin j - l k . sin k - y kl = 0 (2) Ký hiệu: -B kj = B jk = x ij - x kl (3) -C kj = C jk = y ij - y kl (4) biểu thức trên đợc viết dới dạng: l j . cos j = l k . cos k - B jk (5) lj . sin j = l k . sin k - C jk (6) Mt s kt qu nghiờn cu v bi toỏn tỡm qu o u mỳt tay trong c cu v - nộn 143 Bình phơng từng phơng trình v sau đó cộng lại ta có: l j 2 = l k 2 - 2B jk l k cos k - 2C jk l k sin k + B jk 2 + C jk 2 (7) Để rút gọn biểu thức ta đặt: a jk = 222 2 2 jkjk jk kjk llCB lB ++ ; b jk = 222 2 2 jkjk jk kjk llCB lC ++ (8) Phơng trình để tính góc k nh sau: a jk cos k = 1 - b jk sin k (9) Bình phơng hai vế ta có: a jk 2 (1 - sin 2 k ) = 1 - 2b jk sin k + b jk 2 sin 2 k (10) Sắp xếp các số hạng theo số mũ của sin k ta nhận đợc phơng trình bậc hai: sin 2 k - 2 jk jk w b sin k + jk jk w a )1( 2 = 0 (11) Trong đó: w = ajk 2 + bjk 2 (12) Phơng trình bậc hai trên có hai nghiệm: (sin k ) 1 = jk jkjkjk w wba 1+ (sin k ) 2 = jk jkjkjk w wba 1 Từ nghiệm trên, ta tính đợc: (cos k ) 1 = jk jkjkjk w wab 1+ (cos k ) 2 = jk jkjkjk w wab 1 - Có thể thấy hai nghiệm của phơng trình phù hợp với hai phơng án vị trí của nhóm. Giá trị của hai góc k1 , k2 xác định khi cả giá trị của sin lẫn cos của nó đợc xác định. Với hai giá trị ny ngời ta mới xác định ra đợc k nằm ở góc phần t no nhờ đó xác định đợc nó l góc nhọn hay góc tù. Trong thực tế, hai giá trị căn thức của phơng trình bậc hai phù hợp với hai phơng án về vị trí có thể của nhóm khâu. Nếu biểu thức trong căn của phơng trình bậc hai bằng không, có nghĩa l xuất hiện vị trí thẳng hng. Nếu biểu thức trong căn thức âm, có nghĩa l khoảng cách của hai khớp (i, j) v khớp (k, l) lớn hơn giá trị của l j + l k v do đó không thể tạo thnh cơ cấu từ nhóm đã cho. Từ phơng trình (4), (5) ta tính đợc giá trị của sin v cos của góc j. (sin j ) 1 = kj kjkjkj w wba 1+ (sin j ) 2 = kj kjkjkj w wba 1 (cos j ) 1 = kj kjkjkj w wab 1+ (cos j ) 2 = kj kjkjkj w wab 1 - Giá trị của akj, bkj, wkj đợc tính toán nhờ công thức (8), (12) bằng cách thay đổi chỉ số cho nhau. - Việc phân tích động học của một cơ cấu đợc tạo thnh từ các nhóm Diat đợc tiến hnh từng bớc. Từ giá trị đã biết về chiều di ( lj, lk) v các hm vị trí của các khớp chờ (i, j) v (k, l) tính toán hm vị trí các điểm cần tìm. Tiếp đến điểm ny lại l điểm xuất phát để tính các Diat tiếp theo hoặc đợc xem l điểm trọng tâm, các chỉ số i, j, k, l đợc thay thế bằng các chỉ số mới của khâu đợc khảo sát. Cơ cấu vơ - nén đợc tách ra thnh các nhóm Diat. Sử dụng ngôn ngữ Scilab để giải bi toán động học cơ cấu ny (Hình 6). (8) Nguyn Xuõn Thit, Lờ Minh L, Lng Vn Vt 144 Hình 6. Sơ đồ thuật giải Hình 7. Quĩ đạo chuyển động của các điểm A, C, D, E, F Nhp d liu l2, l3, END Gii nhúm Diat CDO 2 Gii nhúm Diat ACO 1 To im A Begin Gii nhúm Diat DEB To im C To im F = 0 : 2 Mt s kt qu nghiờn cu v bi toỏn tỡm qu o u mỳt tay trong c cu v - nộn 145 Các thông số ban đầu l toạ độ 3 điểm cố định O, O 1 , O 2 ; chiều di các thanh v góc quay của khâu dẫn . Thông số đầu ra l tìm ra quỹ đạo của điểm F v điểm C. Hình 7 giới thiệu một ví dụ về quĩ đạo chuyển động của các điểm A, C, D, E, F. Quỹ đạo chuyển động điểm C l hnh trình của piston nén, đó l một cung tròn bán kính L O1C có tâm O 1 . Quỹ đạo chuyển động của điểm F l hnh trình của đầu mút tay vơ. Với các kích thớc khác nhau của các khâu trong cơ cấu, sẽ cho các hình dạng quỹ đạo chuyển động của mút tay vơ khác nhau. Theo yêu cầu chế tạo, tọa độ các điểm O, O 1 , O 2 đợc lựa chọn trớc; kích thớc các khâu OA, O 1 C, O 2 G sơ bộ chọn trớc. Bi toán đợc giải theo cách tối u lần lợt kích thớc các khâu CD, CG, GF, FB. 3. KếT QUả V THảO LUậN Trên các hình 8 đến hình 10 giới thiệu một số kết quả điển hình về quĩ đạo chuyển động của các điểm A, C, D, E, F khi tiến hnh điều chỉnh kích thớc các khâu CD, CG, GF, FB. Khi kích thớc các khâu trong cơ cấu thay đổi, quỹ đạo của đầu mút thay đổi: trên hình 8 ứng với việc thay đổi kích thớc của khâu AC; trên hình 9 ứng với việc thay đổi kích thớc của khâu DE v hình 10 ứng với việc thay đổi kích thớc khâu BE. Kết quả tính toán cho thấy, với quỹ đạo chuyển động của đầu mút tay vơ ở hình 10, hnh trình vơ l một đờng cong lồi, hnh trình trả về gần nh l một đờng thẳng cho khả năng vơ của tay vơ tốt hơn cả. Vì vậy các thông số hình học của cơ cấu vơ - nén đợc lựa chọn dựa trên kết quả thu đợc trên hình 10. a) b) c) d) Hình 8. Quĩ đạo chuyển động của các điểm A, C, D, E, F khi thay đổi L 2 a) L 2 = 450 mm; b) L 2 = 500 mm; c) L 2 = 550 mm; d) L 2 = 650 mm Nguyễn Xuân Thiết, Lê Minh Lư, Lương Văn Vượt 146 a) c) b) d) H×nh 9. QuÜ ®¹o chuyÓn ®éng cña c¸c ®iÓm A, C, D, E, F khi thay ®æi L 5 a) L 5 = 150mm; b) L 5 = 300mm; c) L 5 = 350mm; d) L 5 = 400mm Một số kết quả nghiên cứu về bài toán tìm quĩ đạo đầu mút tay trong cơ cấu vơ - nén 147 a) b) c) e) f) g) H×nh 10. QuÜ ®¹o chuyÓn ®éng cña c¸c ®iÓm A, C, D, E, F khi thay ®æi L 6 a) L 6 = 400 mm; b) L 6 = 450 mm; c) L 6 = 500 mm; d) L 6 = 550 mm; e) L 6 = 600 mm; f) L 6 = 650 mm Nguyn Xuõn Thit, Lờ Minh L, Lng Vn Vt 148 4. KếT LUậN Máy nén rơm tĩnh tại phục vụ cho việc nén bó rơm, cỏ khô với ý nghĩa trực tiếp l phục vụ cho ngnh chăn nuôi gia súc, nuôi trồng nấm v ý nghĩa gián tiếp bảo vệ môi trờng l một nhu cầu thực tế đang đặt ra cho ngnh nông nghiệp Việt Nam. Việc bố trí piston nén v cơ cấu vơ trên cùng một cơ cấu sẽ giúp cho quá trình vơ v nén của máy đợc thực hiện một cách nhịp nhng, liên tục, do đó năng suất máy tăng cao. Bi toán động học cơ cấu l cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế cơ cấu nén bó nói riêng v thiết kế máy nói chung. Từ kết quả tính toán, kích thớc các khâu trong cơ cấu vơ - nén đợc lựa chọn cho thiết kế: L = 250 mm, L 1 = 500 mm; L 2 = 600 mm; L 3 = 650 mm; L 4 = 300 mm; L 5 = 200 mm; L 6 = 550 mm; L 21 = 400 mm; LGF = 400 mm. TI LIệU THAM KHảO Vũ Liêm Chính (bản dịch, 2001). Giáo trình Động lực học máy. Nh xuất bản khoa học v kỹ thuật, tr. 98 -101. Quang Mẫn (2007). Máy ép rơm. Niên giám Nông nghiệp - thực phẩm http://niengiamnongnghiep.com/index.php ?self=article&id=2783 , Niên giám Nông nghiệp - thực phẩm, máy ép rơm. Cập nhật ngy 25/6/2008. http://www.vnexpress.net/GL/Khoa-hoc /2004/03/3B9D102E/, VN express, Sáng chế máy ép rơm đầu tiên ở Việt Nam. Cập nhật ngy 26/3/2004. http://vndgkhktnn.vietnamgateway.org/news .php?newsid=50610086190, Máy cuộn ép rơm lúa CER5070, Khoa học kỹ thuật nông nghiệp. Cập nhật ngy 7/9/2009. . trin 2010: Tp 8, s 1: 140 - 148 TRNG I HC NễNG NGHIP H NI 140 MộT Số KếT QUả NGHIÊN CứU Về BI TOáN TìM QUĩ ĐạO ĐầU MúT TAY TRONG CƠ CấU VƠ - NéN CủA MáY NéN RƠM TĩNH TạI Some Researching. 150mm; b) L 5 = 300mm; c) L 5 = 350mm; d) L 5 = 400mm Một số kết quả nghiên cứu về bài toán tìm quĩ đạo đầu mút tay trong cơ cấu vơ - nén 147 a) b) c) e) f) g) H×nh 10. QuÜ ®¹o chuyÓn ®éng. BE. Kết quả tính toán cho thấy, với quỹ đạo chuyển động của đầu mút tay vơ ở hình 10, hnh trình vơ l một đờng cong lồi, hnh trình trả về gần nh l một đờng thẳng cho khả năng vơ của tay vơ