Bài viết giới thiệu kết quả xây dựng mô hình dao động thẳng đứng của liên hợp máy gieo hạt kết hợp với bón phân cho đậu tương. Dao động của các điểm đặc biệt trên liên hợp máy được mô tả bằng đồ thị thông qua phương pháp số bằng phần mềm Matlab khi cho các thông số của hàm kích động thay đổi, trong hai trường hợp: hàm kích động liên tục và hàm kích động đơn dạng cosin.
Vietnam J Agri Sci 2021, Vol 19, No 5: 652-661 Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 2021, 19(5): 652-661 www.vnua.edu.vn XÂY DỰNG MƠ HÌNH DAO ĐỘNG THẲNG ĐỨNG CỦA LIÊN HỢP MÁY GIEO KẾT HỢP VỚI BÓN PHÂN CHO ĐẬU TƯƠNG Nguyễn Chung Thông*, Lê Minh Lư, Nguyễn Xuân Thiết, Nguyễn Thị Hạnh Nguyên Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam * Tác giả liên hệ: ncthong@vnua.edu.vn Ngày nhận bài: 10.08.2020 Ngày chấp nhận đăng: 23.02.2021 TÓM TẮT Nghiên cứu giới thiệu kết xây dựng mơ hình dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo hạt kết hợp với bón phân cho đậu tương Dao động điểm đặc biệt liên hợp máy mô tả đồ thị thông qua phương pháp số phần mềm Matlab cho thơng số hàm kích động thay đổi, hai trường hợp: hàm kích động liên tục hàm kích động đơn dạng cosin Với liên kết khâu lề sau máy kéo, làm việc bơi, dao động máy gieo hạt kết hợp với bón phân cho đậu tương (máy G4B2) chịu ảnh hưởng dao động máy kéo nhỏ so với ảnh hưởng trực tiếp mấp mô mặt đồng Điểm gần bánh xe máy G4B2 có biên độ dao động nhỏ điểm xa Cần giảm tốc độ tiến liên hợp máy qua mấp mơ có biên độ lớn (h0 > 0,15m) bước nhỏ (S0 < 1,0m) Từ khóa: Dao động thẳng đứng, liên hợp máy, máy gieo bón phân cho đậu tương Vertical Oscillation Model of Sowing Machine Combined with Fertilization for Soybean ABSTRACT This study presents the result of building the vertical oscillation model of the conjugate machine (sowing machine combined with fertilization for soybean (G4B2 machine) and tractor) The fluctuations of special points on the conjugate machine are described graphically through numerical methods by Matlab software when the parameters of the stimulus function change, in two cases: the continuous stimulating function and the single stimulating function cosine form The tractor has a four-link hinge knuckle at the back, when working in the free state, the G4B2 machine oscillation affected by tractor oscillation is very small The point near the wheel of the G4B2 machine has a smaller amplitude of oscillation than the remote point It is necessary to decrease the feeding speed when combining the machine through the rough ground with large amplitude (h0 > 0.15m) and small steps (S0 < 1.0m) Keywords: Vertical oscillation, conjugate machine, sowing and fertilization machine for soybean ĐẶT VẤN ĐỀ Khi máy móc làm việc, nói chung xảy dao động, biên độ tần số dao động phụ thuộc vào nhiều yếu tố cấu tạo, liên kết máy kích động bên ngồi Có rung động tạo có chủ ý máy sàng phân loại, máy nghiền,… Tuy nhiên, hầu hết rung động không mong muốn, khơng làm tăng tải trọng tác dụng lên chi tiết, giảm tuổi thọ máy mà làm giảm chất lượng làm việc máy (Lê Minh Lư, 2002; Adam, 2011) 652 Đối với máy gieo hạt kết hợp với bón phân cho đậu tương (máy G4B2) giới thiệu nghiên cứu Nguyễn Chung Thông & cs (2018), làm việc đồng ruộng, dao động liên hợp máy ảnh hưởng đến chất lượng làm việc phận làm việc chính, khả lấy hạt giữ hạt lỗ đĩa phận gieo, khả lấy phân trục phận bón phân, làm khoảng, giảm mật độ phân bón so với yêu cầu Khi làm việc điều kiện thực tế phức tạp, dao động máy G4B2 bao gồm dao động mặt phẳng quán tính Nguyễn Chung Thông, Lê Minh Lư, Nguyễn Xuân Thiết, Nguyễn Thị Hạnh Nguyên trung tâm Tuy nhiên, theo phân tích cho thấy, dao động mặt phẳng thẳng đứng dọc máy dao động có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng làm việc phận Chính vậy, nội dung tác giả xây dựng mơ hình khảo sát dao động máy G4B2 liên hợp với máy kéo di chuyển mặt đồng, làm sở cho việc lựa chọn kết cấu máy, phân bố vị trí đặt phận làm việc lựa chọn chế độ làm việc hợp lý cho liên hợp máy làm việc điều kiện đồng ruộng khác PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Máy G4B2 với bánh sắt liên hợp sau máy kéo bánh lốp Kubota L4508VN cấu nâng hạ thủy lực điểm treo, bị dao động thẳng đứng làm việc mặt đồng Dao động liên hợp máy - hàm kích thích thay đổi biên dạng mặt đồng theo thời gian Hàm kích thích đơn chiếc, biến đổi ngẫu nhiên hàm biến đổi tuần hoàn (Lê Minh Lư, 2002) Ở đây, tác giả chọn hàm kích thích mấp mơ mặt đồng hàm biến đổi tuần hồn có dạng cosin phương trình 1: h 2 h cos S S (1) S0 Trong đó: h0 biên độ mấp mô mặt đồng (mm); S0 bước mấp mô mặt đồng (mm) Phương pháp nghiên cứu: Dao dộng liên hợp máy mô tả phương pháp mơ hình hóa mơ lý thuyết xây dựng hệ phương trình vi phân Đồng thời sử dụng phương pháp số, phần mềm Matlab để khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến dao động thẳng đứng liên hợp máy KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Mơ hình dao động hệ phương trình vi phân Mặc dù điều kiện thực tế khác phức tạp, để thuận lợi cho q trình nghiên cứu, tác giả sử dụng mơ hình đơn giản với số giả thiết sau: - Liên hợp máy chuyển động thẳng vm = const, bánh xe máy kéo máy G4B2 tiếp xúc với rãnh luống; - Bánh máy kéo có độ cứng không đổi, biến dạng nhỏ nằm giới hạn đàn hồi tuyến tính; - Nền đất khơng bị biến dạng bánh xe qua, biên dạng mấp mô bánh xe hai bên nhau; - Máy G4B2 liên kết với máy kéo làm việc bơi, liên kết liên hợp máy liên kết giữ lý tưởng; - Dao động thân máy kéo thân máy G4B2 quay quanh trọng tâm máy phạm vi góc nhỏ Với giả thiết cho thấy, dao động liên hợp máy dao động mặt phẳng thẳng đứng dọc, hình Các ký hiệu ghi mơ hình: O1, O2, G, H điểm đặt trọng tâm máy kéo, máy G4B2, phận gieo phận bón phân; mt, m1, m2 khối lượng hai bánh trước máy kéo, khối lượng treo máy kéo máy G4B2; J1, J2 mơ men qn tính thân máy với trục y1 y2 khối lượng m1 m2 qua trọng tâm O1 O2; Ct, Clt, Cls độ cứng tương đương hai lò xo giảm xóc cầu trước, hai bánh lốp trước hai bánh bánh lốp sau; kt, klt, kls hệ số giảm chấn tương đương hai lò xo giảm xóc cầu trước, hai bánh lốp trước hai bánh bánh lốp sau; 1, 2 chuyển vị góc thân máy kéo thân máy G4B2 quanh trục y1 y2 qua trọng tâm O1 O2; zt,z1, z2 chuyển vị thẳng đứng trọng tâm bánh lốpcầu trước, máy kéo máy G4B2; zA, zB, zk chuyển vị thẳng đứng điểm thân máy kéo máy G2B2 phía bánh lốp cầu trước cầu sau; 653 Xây dựng mơ hình dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo kết hợp với bón phân cho đậu tương Hình Mơ hình dao động thẳng đứng liên hợp máy G4B2 hm,ht, hslà chiều cao mấp mô mặt đường điểm tiếp xúc với bánh xe máy G4B2, bánh xe cầu trước cầu sau máy kéo Máy G4B2 liên kết với máy kéo thông qua cấu treo cấu khâu lề nên làm việc thân máy kéo thân máy G4B2 dao động, ảnh hưởng tương hỗ Như vậy, dao động thẳng đứng phận làm việc máy G4B2 tổng hợp dao động thẳng đứng bánh xe máy G4B2 vào mấp mô mặt đồng dao động theo máy kéo Chuyển động liên hợp máy chuyển động hệ hơlơnơm có n bậc tự do, với tọa độ suy rộng đủ q1, q2,…, qn Áp dụng phương pháp Tĩnh - Động lực giải tích để lập hệ phương trình vi phân dao động hệ (Đỗ Sanh, 1992) Phương trình Lagrange loại II có dạng: d T dt q i T U D (i n) (2) q q i q i i Trong đó: T hàm động năng; U hàm năng; D hàm hao tán; 654 qi tọa độ suy rộng Hàm động hệ tổng động ba khối lượng: khối lượng treo m1 máy kéo dao động theo phương thẳng đứng với tọa độ Z1 đồng thời quay quanh trục y1 điểm O1; khối lượng mt hai bánh trước máy kéo dao động theo phương thẳng đứng với tọa độ Zt; khối lượng treo m2 máy G4B2 dao động theo phương thẳng đứng với tọa độ Z2 đồng thời quay quanh trục y2 điểm O2 Hàm động hệ có dạng: T m1 Z 12 J1 12 m2 Z 22 J2 22 mt Z 2t (3) Xét dao động hệ quanh vị trí cân tĩnh, hàm hệ tổng phần tử đàn hồi máy kéo mấp mô mặt đồng máy G4B2 Hàm hệ có dạng: C Z ht lt t m2 g.Z2 U Cls ZB hs (4) Trong trình dao động, phần lượng bị tiêu hao lực cản nhớt phần tử giảm chấn hệ thống treo bánh lốp Hàm hao tán có dạng: Nguyễn Chung Thông, Lê Minh Lư, Nguyễn Xuân Thiết, Nguyễn Thị Hạnh Nguyên k Z h t lt t k ls Z B h s D k t Z A Z t (5) Máy G4B2 liên kết với máy kéo thông qua cấu điểm treo, hình chiếu đứng cấu khâu lề Việc xác định thay đổi góc dựa vào phương pháp giải tích, phân tích động học giải đồng thời phương trình hình chiếu trục tọa độ chu vi kín hợp khâu cấu (Đặng Thế Huy, 1995) Ở vị trí góc xoay 2 máy G4B2 trọng tâm O2 xác định theo góc xoay 1 máy kéo quanh trọng tâm, góc xoay 1 dao động phạm vi nhỏ nên coi dao động góc 2 dao động quay quanh điểm I máy kéo, giao điểm tia kéo dài đường thẳng DC ME cấu (thanh treo treo trên) Biên độ dao động trọng tâm nhỏ, khoảng cách từ điểm I đến trọng tâm máy G4B2 lớn nên coi góc xoay 2 dao động phạm vi nhỏ Các liên kết hình học động học xác định theo mơ hình, gồm: Z A Z1 a.1 ; Z A Z a. ZB Z1 b1 ; Z B Z b. ZI Z1 i.1 ; ZI Z1 i. Z ZI h m Z1 i.1 K I IK IK IK k h m k.Z1 i.k.1 Z Z k. K IK ZK h m h Z i. m IK IK k h m k.Z i.k. Z IK Z K h m m Z J 1 1 1 m T 22 IK k h m k.Z i.k. IK J2 2 hm Z i. mt Z t IK Thay phương trình liên kết hình học vào hàm động năng, hàm hàm hao tán, có được: (6) 2 Clt Zt h t Ct Z1 a.1 Zt U Cls Z1 b.1 hs m2 g IK k h m K.Z1 i.k.1 IK (7) k lt k ls D Z t h t k Z a. Z t t Z b. h s 2 (8) Như vây, số tọa độ suy rộng hệ tọa độ: q Z1 , 1 ,Zt Với mấp mô vị trí bánh máy G4B2, bánh trước sau máy kéo có dạng: h 2.v m h cos t m S0 2.v m h0 cos t s hs S 2.v m h0 h t cos S t t Đạo hàm riêng thành phần hàm động T, hàm U hàm hao tán D theo tọa độ suy rộng q Z1 , 1 ,Zt thay vào phương trình Lagrange, có hệ phương trình vi phân dao động thẳng đứng liên hợp máy, hệ phương trình 3.2 Một số kết khảo sát Hệ phương trình vi phân dao động thẳng đứng liên hợp máy giải phần mềm Matlab số trường hợp, với điều kiện ban đầu thời điểm t0 = 0: Z1(0 ) 0; 1(0 ) 0; Zt(0) Z1(0 ) 0; 1(0 ) 0; Zt(0) 655 Xây dựng mơ hình dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo kết hợp với bón phân cho đậu tương k2 m2 0 m1 IK Z1 2 i k m2 i J 1 J1 0 2 IK IK Z t 0 mt k t k ls a.k t k ls b k t Z 2 k t a k ls b a k t k ls b k t a k t a.k t k lt k t Z t k m2 g i.k m2 g Ct Cls C a Cls b t IK IK 2 i.k m2 g i k m g Ct a Cls b2 Ct a Cls b 2 IK IK Ct Ct a Z1 Ct a 1 Z t Clt Ct Ct 2.v m 2.v m h .v m h k ls sin t s Cls cos t s S S S0 0 2.v m k.m2 g h cos t IK k S IK 2.v m 2.v m h .v m h0 k ls b .sin t s Cls b cos t s S S S0 0 2.v m i.k.m2 g h IK k cos t IK S0 h v h v v m m m k sin t C cos t t lt t lt S0 S0 S0 Các thông số kỹ thuật máy kéo máy G4B2: + Máy kéo Kubota L4508VN (Tài liệu hướng dẫn sử dụng kết thí nghiệm): - Các kích thước: L = 1,845m; a = 1,15m; b = 0,695m; u = 0,1m; c = 0,7m; i = 0,18m; EC = 0,3m; CD = 0,7m - Khối lượng mơ men qn tính: m1 = 1.296kg; J1 = 323 kg.m2; mt = 74kg - Các độ cứng: Clt = 290.000 Cls = 380.000 N/m; Ct = 592.000 N/m N/m; - Các hệ số giảm chấn: klt = 1.600 N.s /m; kls = 2.880 N.s/m; kt = 12.160 N.s/m 656 (9) + Máy G4B2: - Các kích thước: d = 0,65m; h = 0,2m; e = 0,2m; k = 0,1m; MD = 0,62m; IK = 2m - Khối lượng mơ men qn tính: m2 = 285kg; J2 = 20,6 kg.m2 * Trường hợp 1: mấp mơ mặt đồng dạng cosin tuần hồn Kết tính tốn, mơ dao động liên hợp máy liên hợp máy làm việc điều kiện hàm mấp mơ mặt đồng dạng cosin tuần hồn cho đồ thị hình Theo thứ tự hình, đồ thị biên độ (m), vận tốc (m/s) gia tốc (m/s2) chuyển vị theo thời Nguyễn Chung Thông, Lê Minh Lư, Nguyễn Xuân Thiết, Nguyễn Thị Hạnh Nguyên gian (s) khối tâm (ZO1, ZO2), điểm đặt phận gieo (ZG) phận bón phân (ZH) máy kéo máy G4B2 Phân tích kết nhận mô liên hợp máy qua mấp mơ mặt đồng dạng cosin tuần hồn cho thấy: Hình Dao động thẳng đứng liên hợp máy qua mấp mơ tuần hồn (h0 = 0,15m; S0 = 1,2m vm = 0,7 m/s) 657 Xây dựng mơ hình dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo kết hợp với bón phân cho đậu tương Hình Dao động thẳng đứng liên hợp máy qua chướng ngại đơn dạng cosin (h0 = 0,1m; S0 = 0,3m vm = 0,7 m/s) 658 Nguyễn Chung Thông, Lê Minh Lư, Nguyễn Xuân Thiết, Nguyễn Thị Hạnh Nguyên Hình Dao động thẳng đứng trọng tâm O2 máy B4B2 (mấp mơ tuần hồn: h0 = 0,15m; S0 = 1,2m vm = 0,7 m/s) 659 Xây dựng mơ hình dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo kết hợp với bón phân cho đậu tương (1) Sau thời gian độ, dao động máy kéo máy G4B2 thay đổi theo quy luật hình sin hàm kích động mấp mô mặt đồng Biên độ dao động liên hợp máy tỷ lệ thuận với biên độ mấp mô tỷ lệ nghịch với bước mấp mô mặt đồng với điểm đặt trục bánh xe máy G4B2 cho đồ thị hình 4, giá trị k là: 0,1, -0,2m Trường hợp hàm kích động tuần hồn dạng cosin (2) Khi làm việc bơi, dao động máy G4B2 chịu ảnh hưởng dao động máy kéo nhỏ Điểm gần bánh xe máy G4B2 có biên độ dao động nhỏ điểm xa (1) Điểm đặt trọng tâm máy G4B2 xa máy kéo chịu dao động lớn liên hợp máy qua chướng ngại (3) Tần số dao động tỷ lệ thuận với vận tốc làm việc liên hợp máy tỷ lệ nghịch với bước mấp mô mặt đồng Khi di chuyển với vận tốc lớn (vm > 1,5 m/s) hàm kích động mặt đồng có biên độ kích động lớn (h0 > 0,15m), bước nhỏ (S0 < 1,0m), phận làm việc máy G4B2 chịu dao động chênh lệch không nhiều vận tốc gia tốc dao động lớn, chất lượng làm việc máy G4B2, hạt đậu tương phân bón không rơi vào lỗ hạt lỗ bị bật lỗ làm khoảng, giảm mật độ không đảm bảo yêu cầu nông học * Trường hợp 2: chướng ngại đơn dạng cosin Kết tính tốn, mơ dao động liên hợp máy liên hợp máy qua chướng ngại đơn dạng cosin (mô bờ đất) cho đồ thị hình Phân tích kết nhận mơ liên hợp máy qua mấp mô mặt đồng đơn dạng cosin cho thấy: (1) Dao động liên hợp máy dao động tắt dần, máy kéo máy G4B2 bị dao động liên hợp máy qua chướng ngại, sau thời gian độ dao động không (2) Khi liên hợp máy qua chướng ngại điểm máy G4B2 gần chép theo biên dạng chướng ngại Tuy nhiên, chướng ngại có biên độ lớn (h0 > 0,1m)và bước nhỏ (S0 = 0,3m), dù vận tốc di chuyển thấp (vm = 0,7 m/s) máy G4B2 chịu dao động lớn chất lượng làm việc phận gieo hạt bón phân bị ảnh hưởng * Trường hợp: thay đổi trọng tâm máy G4B2 Kết mô số dao động trọng tâm (O2) máy G4B2 thay đổi vị trí trọng tâm máy vị trí (ký hiệu L1, L2, L3) so 660 Phân tích kết nhận mô số cho thấy: (2) Dao động trọng tâm O2 máy G4B2 vị trí đối xứng qua trục đối xứng đường dao động trọng tâm O2 máy G4B2 trường hợp L2 KẾT LUẬN Các tính chất động học động lực học dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo hạt đậu tương kết hợp với bón phân mơ tả mơ hình dao động hệ phương trình vi phân Dao động máy G4B2 mô tả thông qua dao động máy kéo điểm liên kết Kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng thông số vận tốc liên hợp hàm kích động đến dao động thẳng đứng máy G4B2 Với kích động mặt đường tuần hoàn dạng cosin, liên hợp máy di chuyển với vận tốc lớn 1,5 m/s, hàm kích động mặt đồng có biên độ kích động lớn 0,15m bước nhỏ 1,0m, vận tốc gia tốc dao động lớn, hạt đậu tương phân bón khơng rơi vào lỗ hạt lỗ bị bật làm giảm mật độ Khi liên hợp máy qua chướng ngại bất thường có biên độ lớn 0,1m, di chuyển với vận tốc nhỏ (0,7 m/s) ảnh hưởng đến chất lượng làm việc phận gieo phận bón phân máy G4B2 Dao động trọng tâm máy G4B2 tỷ lệ thuận với khoảng cách điểm đặt trọng tâm tới máy kéo Kết nghiên cứu sở cho việc lựa chọn kết cấu máy G4B2, phân bổ vị trí thích hợp cho phận gieo, phận bón phân phận rạch hàng, đồng thời lựa chọn chế độ làm việc hợp lý cho liên hợp máy điều kiện mặt đồng khác nhau, đặc biệt liên hợp máy qua chướng ngại bất thường Cần chế tạo máy G4B2 thí nghiệm liên hợp máy Nguyễn Chung Thông, Lê Minh Lư, Nguyễn Xuân Thiết, Nguyễn Thị Hạnh Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO of Master of Science University of Nebraska, US Lê Minh Lư (2002) Nghiên cứu dao động máy kéo bánh có tính đến đặc trưng phi tuyến phần tử đàn hồi Luận án Tiến sỹ Trường Đại học Nông nghiệp I, Hà Nội Đặng Thế Huy (1995) Một số vấn đề học giải tích học máy Nhà xuất Nông nghiệp Hà Nội Đỗ Sanh (1992) Giáo trình Cơ học (Tập 2) - Động lực học Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Flaugh A.B (2011) Studies on Power Hop Using a onlinear Model of an Agricultural Tractor Degree Nguyễn Chung Thông, Lê Minh Lư & Nguyễn Xuân Thiết (2018) Một số kết nghiên cứu máy gieo hạt đậu tương kết hợp với bón phân theo hướng giới hóa đồng Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí lần thứ V VCME2018 Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật tr 1026-1035 điều kiện thực tế để kiểm tra, đánh giá kết nghiên cứu mơ hình lý thuyết 661 ... 0,15m; S0 = 1,2m vm = 0,7 m/s) 657 Xây dựng mơ hình dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo kết hợp với bón phân cho đậu tương Hình Dao động thẳng đứng liên hợp máy qua chướng ngại đơn dạng cosin... Hình Dao động thẳng đứng trọng tâm O2 máy B4B2 (mấp mô tuần hoàn: h0 = 0,15m; S0 = 1,2m vm = 0,7 m/s) 659 Xây dựng mơ hình dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo kết hợp với bón phân cho đậu tương. .. hợp L2 KẾT LUẬN Các tính chất động học động lực học dao động thẳng đứng liên hợp máy gieo hạt đậu tương kết hợp với bón phân mơ tả mơ hình dao động hệ phương trình vi phân Dao động máy G4B2 mô tả