Giống như các hệ di động của những máy nông nghiệp khác, hệ di động của máy chăm sóc lúa cũng có nhiệm vụ tiếp xúc trực tiếp với nền ruộng, nâng đỡ trọng lượng của máy và biến chuyển động quay tròn của bánh xe thành chuyển động tịnh tiến của máy.
Điều kiện hoạt động của máy chăm sóc lúa:
Do máy được thiết kế để thực hiện công việc chăm sóc trên ruộng lúa nên: - Ruộng luôn có lúa: chăm sóc cho cây lúa trên ruộng từ giai đoạn cây con
đến giai đoạn chín.
- Máy phải hoạt động trên đất ruộng ẩm ướt, luôn ngập nước, đất lầy,…
Yêu cầu hệ di động của máy chăm sóc lúa:
Với điều kiện hoạt động như trên thì cơ cấu di chuyển của máy chăm sóc lúa cần phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Có vết di chuyển nhỏ, ít làm hư hại lúa khi hoạt động. - Có độ bám tốt trên đất lầy, có khả năng vượt lầy tốt. - Kết cấu hợp lý, nhỏ gọn, trọng lượng thấp, độ bền cao.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 26
3.1.2. Lập phương án thiết kế.
Từ những điều kiện, yêu cầu trên thì phương án được đưa ra là: hệ di động với mấu bám dạng cọc, các mấu bám dạng cọc này luôn tiếp tuyến với mặt đất trong quá trình hoạt động.
Các mấu bám cọc sẽ tạo ra vết di chuyển nhỏ. Tuy nhiên, nếu bánh xe được thiết kế đơn thuần theo dạng hình sao có mấu bám cọc (hình 3.1) thì khi hoạt động bánh sẽ thoát đất kém và làm rộng vết mấu bám trên đất do các mấu cọc lắc trong mặt phẳng chuyển động khi máy hoạt động. Để giải quyết vấn đề này ta sẽ thiết kế các mấu cọc luôn tiếp tuyến với mặt đất trong quá trình hoạt động, nhờ đó vết mấu bám sẽ nhỏ. Ta sử dung cơ cấu lệch tâm để cho các mấu bám dạng cọc luôn tiếp tuyến với mặt đất trong quá trình hoạt động. Với mấu bám dạng cọc thì độ lún cao, nên ta thiết kế đế của mấu cọc có dạng tương tự bàn chân.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 27
Hình 3.2. Lược đồ - hình ảnh mô tả phương án thiết kế bánh xe.
1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8
SVTH: Phan Văn Đệ Page 28 Cấu tạo - Nguyên lý làm việc.
Cấu tạo của cơ cấu di chuyển với mấu bám dạng cọc gồm: - Mấu bám dạng cọc (1). - Bánh sao chính (2). - Bánh sao phụ (3). - Các con lăn (4). - Trục phụ (5), trục chính (7). - Các tay đòn liên kết (6). - Các gối đỡ (8).
Bánh sao chính (2) được liên kết với trục chủ động của máy chăm sóc. Bánh sao phụ (3) được đặt lệch tâm với bánh sao chủ động một khoảng lệch a theo phương thẳng đứng. Các tay đòn liên kết (6) có khoảng cách tay đòn bằng khoảng lệch a. Tay đòn (6) liên kết với trục phụ (5) và trục chính (7), đầu kia của trục (7) liên kết với mấu bám dạng cọc.
Vành trong của bánh sao phụ tựa lên các con lăn và được đặt lệch tâm với bánh sao chủ động một khoảng a, tay đòn liên kết có khoảng tay đòn bằng a cùng với các cánh của bánh sao chủ động và bánh sao phụ tạo thành cơ cấu hình bình hành. Trục chủ động của máy truyền momen xoay lên bánh sao chủ động làm xoay bánh sao chủ động và toàn cơ cấu, thông qua cơ cấu hình bình hành và các liên kết làm cho các mấu bám cọc chuyển động song phẳng có phương luôn vuông góc với mặt đất trong quá trình hoạt động.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 29
3.2. Xác định các thông số chính.
3.2.1. Quỹ đạo chuyển động của các mấu cọc.
Do các mấu cọc chuyển động song phẳng nên mọi điểm bất kỳ trên mấu đều có quỹ đạo chuyển động như nhau. Điểm được xét là điểm đầu của mấu nằm trên đường tròn lăn của bánh sao chính.
Hình 3.3. Quỹ đạo chuyển động của 1 điểm trên mấu.
Giả sử bánh sao chính có bán kính lăn R = a và lăn trên trục Ox, bắt đầu từ vị trí mà tâm của hình tròn đặt trên trục dương Oy. Đường cong là quỹ tích của điểm P trên đường tròn trùng với góc tọa độ khi tâm C của đường tròn nằm trên trục Oy. Góc 𝜃 là góc tạo bởi bán kính CP khi đường tròn lăn tới vị trí mới. Nếu x, y là tọa độ của điểm P thì quá trình lăn của đường tròn kéo theo OB bằng cung BP = a. 𝜃.
Do đó:
{x = OB – OA = OB – PQ = a. 𝜃 – a. sin 𝜃 = a. (𝜃 – sin 𝜃) y = BC – QC = a – a . cos 𝜃 = a. (1 – cos 𝜃)
Vậy quỹ đạo chuyển động của 1 điểm trên mấu là đường cycloid có phương trình là:
SVTH: Phan Văn Đệ Page 30
{𝑥 = 𝑎. ( 𝜃 − 𝑠𝑖𝑛𝜃) 𝑦 = 𝑎. (1 − 𝑐𝑜𝑠𝜃)
3.2.2. Số lượng bánh xe trên máy.
Do cơ cấu di chuyển loại này có đặt điểm là di chuyển nhờ các bước tiến của các mấu cọc nên gây ra sự rung lắc có thể làm biến dạng khung sườn, cộng hưởng dao động, giảm độ bền máy nếu phân bố số lượng bánh xe không hợp lý. Để đảm bảo độ bền của khung sườn, hạn chế cộng hưởng dao động, thì ta phân bố số bánh xe của máy là 3 bánh. Để tăng độ bám, khả năng thông qua thì 3 bánh xe đều là bánh chủ động.
3.2.3. Trọng lượng tổng cộng của máy.
Trọng lượng máy chăm sóc lúa bao gồm:
- Trọng lượng kết cấu (thiết kế) G0: là trọng lượng khô của máy không kể đến các chất lỏng (nhiên liệu, dầu mỡ, nước), người lái, dụng cụ đồ nghề, trang bị phụ và các tải trọng phụ khác.
- Trọng lượng khai thác G: là trọng lượng máy đang hoạt động hiệu quả, bao gồm: trọng lượng thiết kế G0, trọng lượng các vật liệu khai thác (nhiên liệu, dầu mỡ, nước), trọng lượng người lái, dụng cụ đồ nghề Q, trang bị phụ và các tải phụ Gp.
Ước tính trọng lượng máy:
- Với máy sử dụng động cơ xăng (3.6 kW), hệ thống truyền lực bằng thủy lực, điều khiển từ xa. Ta ước tính trọng lượng kết cấu máy G0 = 150 kg, trọng lượng khai thác G = 210 kg.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 31
3.2.4. Bán kính bánh sao.
Bán kính bánh sao sẽ quyết định chiều cao nâng các mấu cọc lên để thoát đất và tránh ảnh hưởng tới cây lúa. Để các mấu không ảnh hưởng tới cây lúa trong quá trình hoạt động thì các mấu cọc phải nâng lên cao hơn hoặc bằng ngọn lúa. Chiều cao cây lúa khi trổ chín từ 0,7 – 0,9 m. Vì vậy ta chọn bán kính bánh sao D = 1 m.
3.2.5. Số lượng mấu cọc.
Số lượng mấu cọc và bán kính bánh sao sẽ quyết định đến bước của mấu, độ êm dịu của cơ cấu di chuyển. Với đường kính bánh sao D = 1 m thì ta có thể chon số lượng mấu cọc trên mỗi bánh xe là n = 6. Với n = 6 ta có bước mấu t = 0,5 m.
3.2.6. Khoảng lệch tâm a.
Bánh sao phụ được đặt lệch tâm với bánh sao chính một khoảng lệch đúng bằng độ dài tay đòn liên kết, cùng với các cánh bánh sao chính và phụ nó tạo nên cơ cấu hình bình hành. Khoảng lệch a phụ thuộc vào chiều dài tay đòn liên kết. Chiều dài tay đòn liên kết sẽ phụ thuộc vào độ lớn của lực tác dụng.
Chọn sơ bộ khoảng lệch tâm a = 0,15 m.
3.2.7. Tốc độ di chuyển lý thuyết của máy.
Do máy thực hiện công việc chăm sóc lúa nên tốc độ di chuyển của máy nằm trong khoảng v = 1.6 ÷ 10 km/h = 0.44 ÷ 2,78 m/s.
3.2.8. Chiều dài mấu cọc.
Chiều dài của mấu phụ thuộc vào độ lún của đất và bước mấu trên bánh sao để đảm cơ cấu hoạt động được ổn định.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 32
Để xác định độ lún của đất ta tiến hành thực nghiệm trên ruộng lúa.
a) Dụng cụ thực nghiệm.
Dụng cụ thực nghiệm là một cọc có kích thước đế phía dưới tương đồng với đế của mấu dạng cọc trong cơ cấu và được làm bằng gỗ, hình dáng và kích thước của dụng cụ thí nghiệm được thể hiện trong hình 3.4.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 33
b) Mô tả thực nghiệm.
Mục đích của thực nghiệm này là xác định độ lún của đất trồng lúa đối với đế của mẩu thử (đế của mấu cọc) khi có một tải trọng áp lên, từ đó làm cơ sở xác định chiều dài của mấu bám dạng cọc.
Thực nghiệm này sẽ thực hiện theo quy trình sau:
- Chọn ruộng lúa thực nghiệm. - Thực nghiệm trên ruộng lúa:
+ Đo độ lún của đất trên ruộng đối với 1 bàn chân người trọng lượng G = 72 Kg.
+ Đo độ lún của dụng cụ thí nghiệm với tải trọng G = 72 Kg. - Tổng hợp số liệu và kết luận.
c) Tiến hành thực nghiệm.
Thực nghiệm được thực hiện trên các mảnh ruộng khác nhau và giai đoạn sinh trưởng của lúa khác nhau. Trong thực nghiệm này ta thực nghiệm trên các ruộng lúa 15 - 20 ngày sau sạ, 40 - 45 ngày sau sạ, 55 - 60 ngày sau sạ.
Thực nghiệm trên ruộng lúa 15 - 17 ngày sau sạ.
- Chọn ruộng lúa thực nghiệm.
Ruộng lúa được chọn đang trong giai đoạn mạ - đẻ nhánh.
Địa điểm ruộng lúa được chọn thực nghiệm tại Hiếu Nghĩa - Vũng Liêm - Vĩnh Long, ngày thực hiện 12/4/2015.
- Tiên hành thực nghiệm trên ruộng lúa.
Thực nghiệm được thực hiện trên các mảnh ruộng được chọn. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong bảng 3.1.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 34
Hình 3.5. Thực nghiệm trên lúa 15 - 20 ngày sau sạ. Bảng 3.1. Kết quả thực nghiệm trên lúa 15 – 20 ngày sau sạ.
Lần do
Độ lún (cm)
Dụng cụ thực nghiệm Bàn chân người Ruộng lúa 15 ngày sau sạ Lần 1 10 8,5 Lần 2 5 3,5 Lần 3 15 10,5 Ruộng lúa 17 ngày sau sạ Lần 1 15,5 13,5 Lần 2 12 7,5 Lần 3 3 1 Ruộng lúa 20 ngày sau sạ Lần 1 21 17,5 Lần 2 18,5 15,5 Lần 3 19 15
SVTH: Phan Văn Đệ Page 35 Thực nghiệm trên ruộng lúa 40 - 45 ngày sau sạ.
- Chọn ruộng lúa thực nghiệm.
Ruộng lúa được chọn đang trong giai đoạn làm đòng.
Địa điểm ruộng lúa được chọn thực nghiệm tại Thuận Thới - Trà Ôn - Vĩnh Long, ngày thực hiện 12/4/2015.
- Tiến hành thực nghiệm trên ruộng lúa.
Thực nghiệm được thực hiện trên các mảnh ruộng được chọn. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong bảng 3.2.
Hình 3.6. Thực nghiệm trên lúa 40 - 45 ngày sau sạ. Bảng 3.2. Kết quả thực nghiệm trên lúa 40 - 45 ngày sau sạ.
Lần do
Độ lún (cm)
Dụng cụ thực nghiệm Bàn chân người Ruộng lúa 40 ngày sau sạ Lần 1 4 2 Lần 2 3 2 Lần 3 4,5 2,5
SVTH: Phan Văn Đệ Page 36 Ruộng lúa 43 ngày sau sạ Lần 1 3 1,5 Lần 2 3 2 Lần 3 3 2 Ruộng lúa 45 ngày sau sạ Lần 1 3 2,5 Lần 2 3,5 2,5 Lần 3 3 2
Thực nghiệm trên ruộng lúa 55 - 60 ngày sau sạ.
- Chọn ruộng lúa thực nghiệm.
Ruộng lúa được chọn đang trong giai đoạn trổ.
Địa điểm ruộng lúa được chọn thực nghiệm tại Thuận Thới - Trà Ôn - Vĩnh Long, ngày thực hiện 12/4/2015.
- Thực nghiệm trên ruộng lúa
Thực nghiệm được thực hiện trên các mảnh ruộng được chọn. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong bảng 3.3.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 37
Bảng 3.3. Kết quả thực nghiệm trên lúa 55 - 60 ngày sau sạ
Lần do
Độ lún (cm)
Dụng cụ thực nghiệm Bàn chân người Ruộng lúa 55 ngày sau sạ Lần 1 6,5 5 Lần 2 8 5 Lần 3 12 9,5 Ruộng lúa 58 ngày sau sạ Lần 1 5 3,5 Lần 2 8 6,5 Lần 3 12 9,5 Ruộng lúa 60 ngày sau sạ Lần 1 9 7 Lần 2 6 3,5 Lần 3 12 9
Kết luận: Thực nghiệm đo được độ lún lớn nhất đối với mẩu thử là 21 cm. Với độ lún và kết cấu của phương án thiết kế thì ta chọn sơ bộ chiều dài mấu bám dạng cọc l = 0,44m.
Do hạn chế về thời gian, địa hình nên thực nghiệm chỉ có thể thực hiện ở một vài địa phương và chỉ thực nghiệm trên vụ lúa hiện thời (vụ xuân - hè). Vì vậy thực nghiệm này cần kiểm nghiệm tại nhiều địa hình, nhiều vùng sản xuất lúa và các vụ mùa trong năm khác nhau.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 38
3.3. Tính toán thiết kế các chi tiết.
3.3.1. Tính bền mấu cọc.
3.3.1.1. Công dụng – yêu cầu.
Mấu bám cọc là chi tiết tiếp xúc trực tiếp với nền đất và chịu tải lớn nên nó có công dụng và yêu cầu sau:
Công dụng:
- Đỡ trọng lượng máy và bộ phận treo. - Là bộ phận bám đất giúp máy di chuyển.
Yêu cầu:
- Thân mấu cọc có thiết diện đảm bảo chịu lực.
- Hình dạng đế mấu bám ít bị lún khi làm việc ở đất lầy. - Có độ cứng lớn, độ bền cao và trọng lượng nhỏ.
3.3.1.2. Xác định lực tác dụng.
Để tính toán mấu cọc theo bền, chúng ta cần xác định độ lớn của các lực và phản lực tác dụng lên mấu cọc. Tùy theo từng trường hợp mà mấu cọc chịu tác dụng của các lực khác nhau.
Giả sử trọng lượng máy phân bố đều lên các bánh xe. Sơ đồ lực tác dụng lên hai bánh sau của máy được biểu diễn ở hình 3.8. Ý nghĩa các ký hiệu trên hình vẽ như sau:
X1, X2 – Phản lực của lực vòng truyền qua mấu cọc lên bánh xe trái và phải. Y1, Y2 – Phản lực ngang tác dụng lên bánh xe trái và phải.
SVTH: Phan Văn Đệ Page 39
Z1, Z2 - Phản lực thẳng đứng tác dụng lên bánh xe trái và phải. B - Là chiều rộng cơ sở của máy B = 2 m.
hg - Là chiều cao trọng tâm máy hg = 1,5 m.
Hình 3.8. Sơ đồ lực tác dụng lên hai bánh sau.
Khi máy hoạt động các mấu cọc có thể gặp 1 trong 2 chế độ tải trọng đặt biệt sau:
a) Trường hợp 1:
Xi = Ximax ; Y = 0 ; Z1 = Z2 Trường hợp 1 xảy ra khi máy truyền lực kéo cực đại:
Gs Z1 Z2 Y1 Y2 X1 = X2 h g Y h m R h bx B/2 A B Z Y O
SVTH: Phan Văn Đệ Page 40 { 𝑋1 = 𝑋2 = 𝐺𝑠. 𝜑 2 𝑌1 = 𝑌2 = 0 𝑍1 = 𝑍2 = 𝐺𝑠 2 Trong đó:
Gs – Là trọng lượng khai thác của máy phân bố lên cầu sau Gs = 1400 N. 𝜑 – Là hệ số bám dọc 𝜑 = 1 Vậy: { 𝑋1 = 𝑋2 = 𝐺𝑠.𝜑 2 =1400.1 2 = 700 𝑁 𝑌1 = 𝑌2 = 0 𝑁 𝑍1 = 𝑍2 = 𝐺𝑠 2 = 1400 2 = 700 𝑁 b) Trường hợp 2:
Xi = 0; Y = Ymax ; Z1 = Zmax, Z2 = Zmin
Z1 = Zmax , Z2 = Zmin = 0 khi Y đạt giá trị Ymax tức là máy chuẩn bị lật và tâm lật tại điểm đặt lực Z1.
Để xác định các thông số trong trường hợp 2 ta xét hệ phương trình cân bằng sau:
{∑ 𝐹𝑌 = 𝑌 − 𝑌1− 𝑌2 = 0
∑ 𝐹𝑍 = 𝑍1+ 𝑍2− 𝐺𝑆 = 0 (3.1)
Z1 = Zmax khi máy chuẩn bị lật nghĩa là bánh 2 không tiếp xúc với mặt đất. => {𝑍2 = 0
𝑌2 = 0 (3.2)
SVTH: Phan Văn Đệ Page 41 { {𝑍2 = 0 𝑁 𝑌2 = 0 𝑁 𝑌1 = 𝑌 = 700 𝑁 𝑍1 = 𝐺𝑆 = 1400 𝑁 3.3.1.3. Tính bền thân mấu cọc.
Chọn thép C45 là vật liệu làm thân mấu bám. Với điều kiện tải trọng của mấu bám và thép được chọn C45 ta có:
- Ứng suất kéo - nén cho phép: [𝜎𝑘] = 140 𝑀𝑁/𝑚2 - Ứng suất uốn cho phép: [𝜎𝑢] = 175 𝑀𝑁/𝑚2
- Ứng suất xoắn cho phép: [𝜏𝑡] = 105 𝑀𝑁/𝑚2
Trường hợp 1:
- Momen uốn do X1, X2.
Các lực X1, X2 gây ra các momen uốn lên mấu bám trong mặt phẳng chứa trục Ox.