Hệ thống thủy lực tự động điều khiển chiều cao cắt được trang bị phù hợp nhất với các máy thu hoạch cỡ trung đến cỡ lớn. Tuy nhiên do không có
điều kiện về các thông số kết cấu cũng như các đặc điểm kỹ thuật để thiết kế
tương ứng nên trong luận văn đã lựa chọn máy gặt đập liên hợp cỡ nhỏ được thiết kế và chế tạo tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam làm đối tượng ứng dụng và làm thí dụ để phát triển hệ thống cho các máy nông nghiệp sản xuất trong nước.
Hình 3.1. Máy gặt đập liên hợp cỡ nhỏ
Máy gặt đập liên hợp cỡ nhỏ loại này có thể làm việc hiệu quả trên nền
đất ẩm ướt, kết cấu nhỏ gọn rất phù hợp với diện tích đồng ruộng ở miền Bắc nước ta (hình 3.1)
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 56
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy gặt đập liên hợp cỡ nhỏ
Động cơ Loại: IKYNO Động cơ Diezen Công suất 15 mã lực Hộp số do Công ty cơ khí Bông lúa chế tạo BL 120 Ly hợp Bộ ly hợp đĩa Năng suất gặp đập thuần túy 1000 ÷ 1500 m2/h Tổng hao hụt hạt ≤ 3 % Tỉ lệ nứt hạt ≤ 0,2 % Độ sạch sản phẩm 90% Chiều dài cắt (m) 1,2 Kích thước: L x W x H (m) 2,5 x 1,3 x 1,2 Khối lượng (kg) 450 3.1.2. Kết cấu cơ khí của hệ thống nâng hạ bộ phận gặt
Hình 3.2. Sơ đồ tổng thể máy gặt đập liên hợp cỡ nhỏ
1, Cụm guồng gạt; 2- cụm trống vơ; 3- cụm trống đập;
4- cụm gầu tải lúa; 5- cụm sàng lúa; 6- đầu máy kéo bông sen; 7- cơ cấu nâng hạ thủy lực
• Nguyên lý hoạt động của máy:
Trong quá trình làm việc, máy tiến về phía trước mũi rẽ sẽ rẽ lúa ra hai phía trong và ngoài vùng cắt gặt, guồng gạt sai tâm 1 chải nâng cây lúa lên,
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 57
gạt về phía dao cắt và đỡ cho dao cắt, guồng gạt tiếp tục gạt cây lúa bị cắt đổ
xuống cụm trống vơ 2. Dưới tác dụng của cánh xoắn, trục xoắn tải lúa đẩy dồn khối lúa về một phía, ngón gạt sai tâm vươn ra hất khối lúa vào băng chuyển tải trung gian. Băng chuyển tải trung gian kéo khối lúa lên cửa cung cấp của cụm trống đập 3. Sau khi quay theo đường xoắn ốc từ 3 -5 vòng, dưới tác dụng xung lực và va đập, hạt tách ra khỏi bông, phân ly qua máng, còn rơm từ cửa ra rơm phun rải xuống ruộng. Hỗn hợp hạt thu được thông qua sàng 5 và quạt thổi để làm sạch, rơm bẩn thổi ra sau máy, thóc sạch rơi xuống máng hứng, từ đó trục xoắn tải thóc sẽ chuyển thóc lên thùng chứa đặt một bên máy. Tại đây người thu thóc mở cửa xả thóc đóng vào bao.
• Kết cấu cơ khí của hệ thống nâng hạ cho bộ phận gặt
Hình 3.3 Sơ đồ kết cấu cơ khí của hệ thống nâng hạ cho bộ phận gặt trên máy gặt đập liên hợp cỡ nhỏ
1, cơ cấu bốn khâu bản lề; 2, cần dẫn; 3, xy lanh thủy lực
Nhiệm vụ của hệ thống nâng hạ là nâng các bộ phận như guồng gạt, cắt, gom chuyển và một số cơ cấu truyền động có trong lượng tĩnh khoảng 250kg và trọng lượng khi làm việc 375kg, yêu cầu của hệ thống này cần nâng hạ bộ phận gặt thuận tiễn, chăm sóc và bảo dưỡng dễ dàng.
3 1
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 58
Nguyên lý hoạt động của phần kết cấu cơ khí: Khi xy lanh 3 nhận năng lượng thủy lực đi ra (vào) tác động vào cần dẫn 2 và nâng (hạ) bộ phận gặt
được treo trên cơ cấu bốn khâu bản lề 1. Sơ đồ trên có thểđược biển diễn như
hình 3.4.
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý nâng hạ bộ phận gặt
• Kết cấu cơ khí của hệ thống nâng hạ gồm 2 phần chính: Giá đỡ liên kết và cơ cấu 4 khâu bản lề
Giá đỡ liên kết
Lắp chặt với khung máy, trên giá đỡ có cơ cấu liên kết nhanh với modul gặt qua cơ cấu 4 khâu bản lề. Giá đỡ có kết cấu như hình 3.5, mặt bích trước được lắp ráp trên khung máy bằng mối ghép bulong, 2 vấu liên kết với thanh dưới của cơ cấu 4 khâu bằng một chốt rời. Hai mặt bên được hàn với mặt trước, bộ phận liên kết với thanh trên của cơ cấu 4 khâu là 2 chốt cốđịnh
được hàn vào mặt bích. Bô phận liên kết này có kết cấu và nguyên tắc làm việc tương tự như cơ cấu treo 3 điểm trên các loại máy kéo thông dụng.
Cơ cấu 4 khâu
Là bộ phận liên kết với giá, đỡ và chịu toàn bộ trọng lượng của modul gặt, kết nối xilanh thủy lực để thực hiện việc nâng hạ. Các khớp trụ liên kết các chi tiết của cơ cấu 4 khâu và với giá đỡ đảm bảo liên kết và vận hành chắc chắn ổn định.
Cơ cấu 4 khâu bản lề được dùng rộng rãi nhờ có nhiều đặc tính động học hữu dụng, cấu tạo đơn giản dễ chế tạo, khả năng truyền lực lớn, độ tin cậy
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 59
cao. Cơ cấu có hai khâu nối giá, giá là khâu cố định, khâu không nối giá là thanh truyền.
Hình 3.5. Giá đỡ liên kết Hình 3.6. Cơ cấu 4 khâu
Với mục đích tạo ra cơ cấu đỡ toàn bộ khối lượng và nâng modul gặt trong phạm vi hẹp (cần lắc không quay toàn vòng), có thể lựa chọn cơ cấu bình hành (hình 3.6), với các thông số kích thước đã được tính toán lựa chọn dưới đây:
+ Khâu nối giá (2, 4) = 32 cm + Khâu 6 (thanh truyền) = 25 cm
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 60
3.1.3. Thiết kế mạch điều khiển nâng hạ thủy lực
3.1.3.1. Phác thảo sơ đồ mạch điều khiển thủy lực
Hình 3.7. Sơ đồ khái quát mạch thủy lực điều khiển nâng hạ bộ phận gặt
1, Bơm thủy lực; 2 van giới hạn áp suất; 3, van phân phối 3/3 tác động bằng
điện; 4, xy lanh thủy lực; 5, cơ cấu 4 khâu bản lề; 6, guồng gạt; sk hành trình piston; hc chiều cao cắt; G, trọng lượng phần gặt
Như trên hình 3.7 hệ thống đang giữ cho bộ phận gặt ở chiều cao cố định hc vì một lý do nào đó nếu hc giảm đi van phân phối 3/3 sẽ đóng từ đó dầu từ bơm đi lên qua van phân phối 3/3 tác động vào xy lanh đẩy pis ton đi ra do đó nâng bộ phận gặt lên đúng giá trị hc và ngược lại.
3.1.3.2. Tính toán lựa chọn xy lanh thủy lực
Trên máy gặt đập liên hợp, thành phần lực tác động lên cần xy lanh bao gồm: trọng lượng toàn bộ modul gặt (guồng gạt, bộ phận cắt, cơ cấu gom lúa, bộ phận truyền động, cơ cấu 4 khâu), trọng lượng lúa đã cắt đang chờ chuyển tới bộ phận đập, ngoài ra cần phải tính đến hệ số tải trọng động của modul gặt khi vận hành. Qua quá trình tính toán, đo đạc thì xác định được lực tác dụng lên cần xy lanh Pxl= 9375 N.
Với hành trình dịch chuyển xy lanh là Sk, chiều cao cắt là hc theo thiết kế thì tỷ lệ hc/ Sh=3/1.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 61
Để đảm bảo yêu cầu nông học thì hệ thống nâng hạ thủy lực sẽ nâng dao cắt dịch chuyển trong khoảng 430 ÷750 mm. Từ đó ta có thể chọn hành trình làm việc của xy lanh thủy lực là H=250 mm. Với hành trình H= 250mm ta chọn xy lanh tác động đơn RC-101 của hãng Enerpac theo bảng 3.2:
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của một số loại xy lanh tác động đơn
Xy lanh tác động đơn có cần piston một phía RC -101 có những thông số sau:
- Hành trình H=260 mm
- Diện tích làm việc của pis ton A=14,5 cm2 - Đường kính piston: D= 38,1 mm
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 62 Ta xác định được áp suất làm việc của hệ thống thủy lực: 4 9375 64, 7 bar 14,5.10 P p A − = = =
Vận tốc của xy lanh phần lớn không được vượt quá 0,5 m/s vì cần làm kín của phần gioăng phớt và đảm bảo an toàn làm việc. Vậy lưu lượng của hệ
thống thủy lực được xác định:
2
.v. v 14,5.10 .0,5.10.0,95 0, 6( / )
Q A η − l ph
= = =
3.1.3.3. Tính toán chọn kích thước đường ống dẫn từ xy lanh tới van phân phối
Chọn kích thước đường ống:
Ta có phương trình lưu lượng chảy qua ống dẫn: Q=A.v
Trong đó: A- tiết diện của đường ống dẫn( m2); Q - lưu lượng dầu chảy qua ống ( l/ph);
v- là vận tốc dòng dầu khi di qua đoạn ống dẫn (m/s) Vận tốc thuận lợi nhất của dòng dầu nằm trong một khoảng giới hạn hẹp,thường chọn theo kinh nghiệm sau:
Đường ống áp suất: dưới 10 bar: 3m/s 10-50 bar: 4 m/s 50-100 bar: 4,5 m/s 100- 150 bar: 5 m/s 150 - 200 bar: 5,5 m/s 200- 300 bar: 6 m/s Trên 300 bar:7 m/s Vì ống dẫn là đầu ống dẫn tròn nên ta có tiết diện của đường ống là: 2 . 4 d A π =
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 63 Lưu lượng chảy trong ống: 2 . . 4 d Q π v =
Kích thước đường ống dẫn từ van chia dòng tới động cơ;
3 .4 0, 6.10 .4 13, 03 . .4,5 Q d π υ π = = = mm
Tra theo kích thước tiêu chuẩn của đường ống tiêu chuẩn ta chọn giá trị
tiêu chuẩn: d=14 mm.
3.1.3.4. Tính toán lựa chọn van phân phối cho mạch thủy lực
Với áp suất trong mạch thủy lực của hệ thống p=64,7 bar và lưu lượng của hệ thống Q= 0,6 l/ph. Trên thị trường có rất nhiều van phân phối đáp ứng
được yêu cầu công việc điều khiển xy lanh thủy lực của hệ thống trên tuy nhiên với các máy nông nghiệp đặc biệt là máy gặt đập chi phí cho toàn bộ
máy là rất thấp do đó để đáp ứng được yêu cầu kinh tế mà vẫn đủ chính xác
điều khiển cho máy nông nghiệp. Ta chọn van áp suất 3/3 tác động bằng điện
VEF của hãng Enerpac. Sự hao tổn áp suất qua van này được xác định theo
đồ thị sau:
Hình 3.8 Hao tổn áp suất qua van phân phối VEF 3/3 tác động bằng điện của hãng Enerpac Trong đó: P-A/B, áp suất dầu từ bơm đến bộ phận làm việc P-T, áp suất dầu từ bơm về thùng A/B- T áp suất từ điểm làm việc về thùng
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 64
3.1.3.5. Tính toán lựa chọn nguồn thủy lực
Như đã phân tích trong chương 2 về các dạng mạch điều khiển thủy lực cơ bản, có thể lựa chọn nguồn thủy lực trong 3 phương án: nguồn áp suất, nguồn LS và nguồn lưu lượng. Để có độ chính xác điều khiển tốt hơn cả là sử
dụng nguồn áp suất với van tùy động đối với hệ thống tựđộng điều khiển vị
trí. Tuy nhiên để có chi phí thấp với độ chính xác chấp nhận được khi ứng dụng vào máy nông nghiệp có thể sử dụng van đóng ngắt và các nguồn thủy lực đơn giản khác nhau.
Mạch nguồn lưu lượng (Q=const)
Hình 3.9. Sơ đồ mạch nguồn lưu lượng
PDQ- Van giới hạn áp suất; VDR- Van tiết lưu; Q0,p0- Lưu lượng, áp suất bơm dầu; V0 - Thể tích ống dẫn; QDQ- Van phân phối 3/3; ; Q1,p1- Lưu lượng,
áp suất vào xi lanh; m – Khối lượng đẩy
Van VDR điều khiển lưu lượng Q1 theo yêu cầu; Van phân phối 3/3 có vị
trí trung gian (0) thông đường dầu không tải về thùng; Van PDQ giữ cho áp suất làm việc nằm trong giới hạn cho phép.
Khi van QDQ ở vị trí trung gian bơm hoạt động ở chếđộ không tải (p0 = 0), ở hành trình đẩy toàn bộ lưu lượng Q1 đưa tới xi lanh và áp suất tăng từ 0
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 65
Mạch nguồn áp suất đơn giản
Hình 3.10. Sơ đồ mạch nguồn áp suất đơn giản
Q0,p0- Lưu lượng, áp suất bơm dầu; Q1,p1- Lưu lượng, áp suất vào xi lanh; m – Khối lượng đẩy
Van áp suất để giới hạn áp suất Pmaxđồng thời cũng tạo áp suất nguồn: p0= pDQ= pmax. Van phân phối có vị trí trung gian (0) là vị trí chặn. Với kết cấu này, khi không hoạt động vẫn phải chi phí năng lượng để duy trì áp suất nguồn.
Mạch nguồn LS cơ học
Hình 3.11. Sơ đồ mạch nguồn LS cơ học
Trong mạch này: van LS giữđộ lệch áp trước và sau van không đổi (∆pLS
= const); Van phân phối có vị trí 0 là vị trí chặn. Khi ở vị trí 0, trạng thái tĩnh:
2 0 0 p (K A Q )
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 66
Mạch nguồn lưu lượng có tích áp
Hình 3.12 Nguồn lưu lượng có tích áp
Nguồn lưu lượng không đổi có ưu điểm giảm tải cho bơm dầu ở chế độ
không tải nhưng áp suất dư khởi đầu khi đóng mạch thủy lực bằng không nên hệ thống không ổn định. Nguồn áp suất đơn giản điều khiển ổn định hơn nhưng phải chi phí năng lượng ở giai đoạn không tải ở mức cực đại để duy trì pDQ = pmax. Để cải thiện tính chất mạch điều khiển thủy lực có thể thay
đổi kết cấu mạch nguồn lưu lượng đơn giản để tạo áp suất phân phối khi
đóng mạch bằng cách bố trí mạch tích áp nghĩa là: bình tích áp kết hợp với van một chiều và van 2/2 ở nguồn cung cấp (hình 3.12).
Khi van 3/3 ở vị trí chặn (vị trí 0), áp suất trong bình tích áp đủ lớn mở
van tác động thủy lực 2/2 để xả dầu về thùng, khi đó bơm hoạt động ở chế độ không tải. Khi van 3/3 ở vị trí 1, dầu có áp suất từ bình tích áp đưa tới xi lanh, khi áp suất tác động giảm van 2/2 ở vị trí chặn, bơm cung cấp dầu cho hệ thống qua van một chiều. Van áp suất nhằm giới hạn áp suất nguồn. Với kết cấu mạch nguồn như vậy, mạch thủy lực này có thể cải thiện được tính chất điều khiển cũng như hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 67
Lựa chọn bơm thủy lực
Như phần tính toán lựa chọn xy lanh thủy lực ta đã tính toán được lưu lượng cần thiết của xy lanh Qct= 0,6 l/ph, áp suất làm việc của bơm là 64,7 bar.
Để hệ thống làm việc ổn định thì thể tích dầu cung cấp cho bơm tối thiểu phải
đủ lưu lượng Qct để cho xy lanh làm việc. Đểđảm bảo tính kinh tế ta lựa chọn loại bơm bánh răng GP10013 của hãng Duplomatic Oleodinamica Spa theo bảng 3.3
Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật một số loại bơm
Đường đặc tính bơm GP10013được biểu diễn trên hình 3.13
Bơm GP100 13 có thông số như sau: V= 1,3 cm3/vg; Q=2 l/min; pmax=310 bar.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 68
Hình 3.13 Đường đặc tính bơm GP10013
Lựa chọn van chặn dòng cho hệ thống thủy lực
Ta chọn văn chặn dòng có mã hiệu M-SR 8 KE02-1X của hãng Bosch Rexroth
Sự hao tổn áp suất qua van được xác định qua đường đặc tính sau:
Hình 3.14 Đường đặc tính hao tổn áp suất qua van chặn dòng M-SR 8