Khảo sát các thông số hình học, cơ lý tính của cây sắn khi thu hoạch

3. Nội dung nghiên cứu

3.1. Khảo sát các thông số hình học, cơ lý tính của cây sắn khi thu hoạch

3.1.1. Khảo sát khoảng cách cây, luống và hàng trồng sắn [30]

Dưới ñây là những số liệu ñiều tra sau khi khảo sát thực tế thu ñược tại xã Sơn Lai, huyên Nho Quan, tỉnh Ninh Bình.

- Khoảng cách cây trung bình: Ltb = 80cm. - Chiều cao luống trung bình: htb = 30cm; - Khoảng cách luống trung bình: btb = 130cm;

- ðường kính cây trung bình tại vị trí cách gốc 20÷30cm: dtb = 30mm.

1300 700 100 Hình 3.1. Sơñồ phân bố cây sắn Sự phân bố củ: 120 270 500 300 1300 Hình 3.2. Sơñồ phân bố củ

21 - Theo chiều rộng luống: 50cm; - Theo chiều dài luống: 60cm; - Ăn sâu của củ: 27cm;

- Khối lượng mỗi khóm: 3÷5kg.

3.1.2. Các chỉ số cơ lý tính [30]

- Lực nhổ củ: Gmax = 30kG;

- ðộ chặt trung bình của ñất: Ptb = 9,68kG/cm2.

3.2. Lựa chọn cấu trúc và nguyên lý làm việc của máy

Trên cơ sở phân tích quá trình thu hoạch sắn và ñánh giá khả năng làm việc của các dụng cụ và máy thu hoạch sắn ñã có, ñểñảm bảo nguồn nguyên liệu sắn cung cấp cho các nhà máy, không làm giảm chất lượng củ sắn và phù hợp với tình hình sản xuất ở Việt Nam chúng tôi ñưa ra kết cấu máy ñào nhổ gom củ sắn gồm các bộ phận sau:

Hình 3.3. Sơñồ cấu trúc và nguyên lý làm việc của máy

1- Bộ phận ñào; 2- Bộ phận kẹp nhổ gốc và phân ly củ; 3- Thùng chứa; 4- Bộ phận truyền ñộng; 5- Khung máy; 6- Cơ cấu treo; 7- Bộ phận di ñộng.

22

Trong ñó có hai bộ phận làm việc chính, ñó là bộ phận ñào và bộ phận kẹp nhổ. Bộ phận ñào có nhiệm vụ ñào phá vỡ sơ bộ liên kết giữa củ với ñất. Bộ phận kẹp nhổñược bố trí ngay sau bộ phận ñào có nhiệm vụ kẹp nhổ, tách củ ra khỏi ñất và vận chuyển khối củ vào thùng chứa. Mối liên kết giữa hai bộ phận này quyết ñịnh chất lượng làm việc của máy: như vị trí tương ñối giữa chúng, góc nghiêng của bộ phận kẹp nhổ so với phương ngang và vận tốc tiến của máy và vận tốc vòng của ñai kẹp nhổ.

Hình 3.4. Sơñồ vị trí kẹp nhổ

Vị trí bắt ñầu kẹp nhổảnh hưởng ñến chất lượng kẹp nhổ. Nếu kẹp nhổ sớm trước khi bộ phận ñào phá vỡ liên kết ñất - củ sẽ dẫn ñến thiệt về lực kẹp nhổ, chiều cao ñặt bộ phận kẹp nhổ thấp dễ gây ùn, ñặc biệt củ sắn có thể gẫy và nằm lại trong ñất ñộ sót khi thu hoạch tăng. Còn nếu kẹp nhổ muộn khi gốc sắn ñã qua bộ phận ñào, chiều cao gốc sắn ñể kẹp nhổ thấp và gây ùn, các vết rạn nứt khép lại dẫn ñến lực kẹp nhổ sẽ tăng và gốc sắn có thể bị nghiêng, ñổ hoặc chuyển ñộng nhanh do ñó việc kẹp nhổ sẽ khó, thậm chí bộ phận kẹp

23

nhổ không kẹp nhổñược. Qua nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy vị trí kẹp nhổ có lợi nhất là gốc ở vị trí kết thúc của bộ phận ñào, nhưng trong thực tề không phải lúc nào cũng kẹp nhổ ñược ở vị trí ñó do vậy vị trí kẹp nhổ ñược thiết kế tại vùng trước kết thúc ñào 100mm ñến kết thúc ñào. ðểñiều chỉnh vị trí kẹp nhổ về phía trước hay phía sau, lên cao hay xuống thấp, trên khung của bộ phận kẹp nhổ và khung máy có bố trí các lỗ ñể ñiều chỉnh vị trí và ñược liên kết với nhau bởi các chốt.

Góc nghiêng của bộ phận ñào phải ñủ lớn ñể có thể bố trí ñược thùng chứa ở phía sau. Tuy nhiên nếu góc nghiêng lớn thì vận tốc kẹp nhổ Vn lớn dẫn ñến có thể bị gẫy củ ngay trong ñất (ñộ sót lớn), khả năng kẹp ñược gốc sắn thấp, ñồng thời gây ùn. ðểñiều chỉnh góc nghiêng của bộ phận kẹp nhổ ta ñiều chỉnh vít ñiều chỉnh nối khung của máy với khung bộ phận ñào.

3.2.1. Mô hình tính toán và kết quả tính toán bộ phận ñào

3.2.1.1. Yêu cầu kỹ thuật chung

Khác với sản phẩm thu hoạch trong nông nghiệp, củ sắn hoàn toàn nằm sâu trong ñất. ðặc ñiểm này có liên quan nhiều tới chất lượng thu hoạch cuối cùng. Chất lượng thu hoạch củ tốt nhất trong trường hợp ñất tơi xốp không có ñất tảng. Ngay khi bắt ñầu trồng cây cần ñược trồng thẳng hàng, ñộ sâu của củ trong ñất không lớn. Trong quá trình phát triển của cây, cần tiến hành chăm sóc ñể ñất không có ñiều kiện hình thành tảng. Về giống, phải tạo ra loại cây củ tập trung và ăn nông trong ñất, tránh quá tải cho bộ phận giũ của máy. Trước khi tiến hành thu hoạch củ cần phải huỷ hoàn toàn bộ phận thân cây, lá cây bằng các biện pháp sau:

Về mặt cơ học: có thể dùng bộ phận băm thái kiểu dao quay có trục nằm ngang hoặc bộ phận dao cắt dùng trong nông nghiệp.

Về mặt vật lý: ñôi khi người ta dùng phương pháp ñốt tất cả cây trên mặt ruộng. Phương pháp này khá tốn kém.

24

Về mặt hoá học: có thể phun thuốc làm rụng lá. Phương pháp này ít dùng vì gây ô nhiểm môi trường.

3.2.1.2. Các nguyên lý ñào củ [22]

Quá trình cơ giới hoá việc thu hoạch cây có củ ñã hình thành một hệ thống máy rất phong phú. Các chủng loại máy có thể khác nhau về nguyên lý làm việc của bộ phận ñào hay bộ phân phân ly. Mỗi nguyên lý ñều có ưu nhược ñiểm của nó.

Về lưỡi ñào hiên nay có các dạng lưỡi ñào chính: Một loại lưỡi ñào phẳng, lưỡi ñào phân ñoạn và lưỡi ñào lòng máng. ðể lựa chọn lưỡi ñào thích hợp với yêu cầu kỹ thuật khi thu hoạch sắn chúng ta tiến hành phân tích những ưu nhược ñiểm của các loại lưỡi.

a. Lưỡi ñào phẳng

Quá trình làm việc như một chiếc nêm ñơn giản ñi vào ñất.

Các thông số cơ bản của lưỡi ñào phẳng là các góc α, γ và chiều dài L. ở máy thu hoạch khoai tây 2 hàng thường gồm 2 lưỡi phẳng. Lưỡi phẳng lắp công – xôn vào ñế tựa. Khoảng cách giữa 2 lưỡi cần có khe hở ñể thoát các loại cây cỏ. ðể ngăn ngừa ñá không kẹt vào các thanh băng giũ và mép sau của lưỡi, thường mép sau của lưỡi lắp khớp với một số răng có chiều dài từ 100 ÷ 150mm.

25

b. Lưỡi ñào phân ñoạn

Hình 3.6. Cấu tạo lưỡi ñào phân ñoạn 1. Lưỡi ñào; 2. Giá ñỡ lưỡi ñào.

Ưu ñiểm: Cấu tạo ñơn giản chế tạo dễ dàng, giá thành thấp phù hợp với công nghệ chế tạo có trình ñộ chế tạo chưa cao.

Nếu chọn góc ỏ của lưỡi phù hợp thì cho phép ñất và khối củ trượt trên lưỡi và làm sạch mặt lưỡi.

Nhược ñiểm: Là trong khi nâng ñất lên dễ bị tách ra hai bên và hiện tượng ùn ñất. Nhược ñiểm này thấy rõ nhất khi làm việc ởñất cát tơi xốp. Mặt khác lưỡi này không có tác dụng làm rạn nứt sơ bộñất ban ñầu tạo ñiều kiện làm việc cho bộ phận phân ly.

26

c. Lưỡi ñào lòng máng

Hình 3.7. Cấu tạo lưỡi ñào lòng máng 1. Lưỡi phải; 2. Bộ phận rẽ; 3. Giá ñỡ lưỡi;

4. Thanh ăn khớp; 5. Khớp của thanh.

Lưỡi ñào lòng máng gồm 2 phần: phần phải và phần trái, giữa các phần có khe hở 30 ÷ 50mm ñể thoát cây cỏ.

Ưu ñiểm: Khắc phục ñược hiện tượng ñất tràn ra hai bên quá trình ñào chủ yếu tập trung vào vùn chứa củở giữa luống.

Nhược ñiểm:

+ Gây ra hiện tượng dính ñất ở chỗ lượn cong,

+ Do yêu cầu lưỡi cong mà công nghệ chế tạo phức tạp hơn, trình ñộ cao hơn và giá thành ñắt.

d. Phân tích về mặt ñộng học của lưỡi ñào

Tuỳ thuộc vào tính chất tác dụng của lưỡi ñào vào ñất mà người ta có thể phân chia ra loại lưỡi ñào phụñộng và lưỡi ñào chủñộng.

27

* Lưỡi ñào phụñộng: Lưỡi ñào gắn cốñịnh và khung máy, lưỡi tác ñộng vào ñất do kết quả lực kéo của máy kéo truyền vào khung máy và lưỡi ñào. Loại lưỡi ñào này có kết cấu ñơn giản, chắc chắn. Loại lưỡi ñào này ñược sử dung nhiều trên các máy thu hoạch cây có củ.

Loại lưỡi ñào này có nhược ñiểm là hỗn hợp củ không ñược rạn nứt và phân ly sơ bộ, khả năng truyền tải kém. Khi làm việc với ñất cát tơi dễ xảy ra hiện tượng ùn.

* Lưỡi ñào chủ ñộng: Lưỡi ñào có chuyển ñộng tương ñối so với khung máy khi làm việc ở những máy có bộ phận phân ly kiểu băng giũ. Còn các máy có bọ phận phân ly với sàng lắc thì lưỡi ñược gắn vào sàng ñể cùng dao ñộng với sàng hoặc lưỡi ñược dẫn ñộng ñộc lập và có dao ñộng lệch pha 1800 so với sàng ñể khử lực quán tính của hai bộ phận này gây nên.

Ưu ñiểm: Khả năng tự làm sạch của lưỡi ñào cao, lực cắt ñất nhỏ và có tác dụng phá vỡ lớp ñất ngay trên lưỡi ñào tạo ñiều kiện cho quá trình phân ly trên bộ phận phân ly. Lưỡi ñào có khả năng truyền tải cao tránh ñược hiện tượng ùn ñất trên lưỡi ñào.

Những lưỡi ñào này có kết cấu phức tạp lắp ráp yêu cầu cao hơn. Khi lưỡi ñào làm việc sinh ra lực quán tính gây ra rung ñộng máy.

Trong các loại lưỡi ñào chủ ñộng còn ñược phân chia ra các kiểu khác nhau phụ thuộc vào tính chất chuyển ñộng của các ñiểm trên lưỡi ñào.

3.2.1.3. Lựa chọn nguyên lý ñào

Trên cơ sở phân tích các nguyên lý và bộ phận ñào, ñể phù hợp với máy thu hoạch củ sắn chúng tôi chọn bộ phận ñào dạng nêm phẳng làm việc theo nguyên tắc ñào phụñộng.

28 Kết cấu bộ phận ñào:

Hình 3.8. Bộ phận ñào

1. Dầm; 2. Tấm kê; 3. Bu lông bắt lưỡi; 4. Lưỡi; 5. Trụ lưỡi ñào; 6. Ốp khung. 3.2.1.4. Cơ sở thực tế tính toán và lựa chọn bộ phận ñào

Qua việc khảo sát thực tế về phân bố cây sắn ta thu ñược những số liệu làm cơ sở cho việc tính toán và lựa chọn. Cụ thể như sau:

Bề rộng luống trung bình là: 130 cm; Bề rộng phân bố củ trung bình là: 50 cm; Chiều dài phân bố củ trung bình là: 65 cm;

Chiều sâu mà củăn xuống dưới trung bình là: 27 cm; Lực cản của trung bình của ñất trồng sắn là: 0,35 N/cm2.

29

3.2.1.5. Tính toán bộ phận ñào [22]

Lưỡi ñào ñược chọn ñể làm việc có dạng phẳng. Tương ứng với nó là loại nêm ñất phẳng. Vì vậy mà tính toán và lựa chọn của lưỡi ñào dựa trên cơ sở lý thuyết về nêm phẳng.

Dựa trên ñiều kiện làm việc của lưỡi là phải ñào ñược khối củ và ñể khối củ trượt trên bề mặt nên ñộ cao cần thiết ñể bộ phận kẹp có thể kẹp khối củ vận chuyển nên.

Dựa trên cơ sở thực tế về củ sắn ñã thu ñược trong thực tế ta chọn lưỡi ñào có hình dạng như sau: Lưỡi ñược chọn có dạng phẳng, phía ñầu có dạng hình thang và phần lưỡi ñược vát có cạnh sắc.

a. Chọn bề rộng lưỡi

ðể có thểñào toàn bộ khối củ mà không bỏ sót thì bề rộng lưỡi ñào phải ñủ ñể ñào toàn bộ khối củ nên. Theo thực tế ñiều tra ta thu ñược thì bề rộng phân bố củ trung bình là 50cm. Ta chọn sơ bộ lưỡi ñào có bề rộng là 90 cm.

b. Chọn chiều dài lưỡi

ðể ñào ñược và di chuyển khối củ nên cho bộ phận kẹp thì chiều dài của lưỡi phải ñảm bảo ñủ dài ñể ñảm bảo chức năng cắt ñất và phá vỡ liên kết giữa ñát với khối củ, chọn chiều dài lưỡi là 50cm.

c. Chọn góc cạnh sắc của lưỡi

ðể giảm lực cắt ñất thì ñầu lưỡi phần hình thang phải có cạnh sắc. Theo [4] thì cạnh sắc lưỡi ñào thích hợp là 350 ÷ 400. Ta chọn góc cạnh sắc của lưỡi ñào là 400.

d. Chọn góc γ của phần ñầu lưỡi

ðây là góc nhọn có vai trò giảm lực cắt ñất, và tự mài sắc lưỡi trong quá trình lưỡi làm việc. Góc γñược chọn thoã mãn ñiều kiện γ ≈40 50÷ 0, ta chọn γ = 450.

30

e. Chọn góc nghiêng của lưỡi ñào

Góc nghiêng α của lưỡi ñược chọn thoả mãn ñiều kiện : 2 Π − α > ϕ trong ñó: φ: là góc ma sát, với ñất tơi xốp thì góc ma sát thường là 400 ÷450, ta chọn φ = 450,

α: là góc nghiêng của lưỡi ñào so với phương ngang của ñất. Với ñất tơi ta chọn α = 170.

Hình 3.9. Các thông số hình học bộ phận ñào 3.2.1.6. Xác ñịnh lực cản của ñất khi làm việc

Tổng các lực tác dụng nên lưỡi trong quá trình làm việc

P = P1 + P2 + P3 (3.1)

trong ñó : P1 = q.B (3.2)

q- lực cản riêng của ñất;

B - bề rộng làm việc của lưỡi ñào;

31 ϕ ϕ α cos ) ( . 2 + = Sin N P (3.3)

N- phản lực pháp tuyến của ñất tác dụng nên lưỡi;

α α ϕ α γ ε h Sin tg P . cos ) ( . . 2 3 + = ε - hệ số quán tính; ε bằng vận tốc dịch chuyển của ñất/vận tốc dịch chuyển của lưỡi ñào;

h – là ñộ sâu làm việc của lưỡi ñào; γ - là trọng lượng riêng của ñất.

Trong công thức P2 là thành phần phản lực pháp tuyến N của ñất tác dụng nên lưỡi ñào

N = N1 + N2 + N3

N1 – phản lực pháp tuyến sinh ra do nén ñất; N2 - phản lực sinh ra do biến dạng ñất; N3 – phản lực sinh ra truyền cho ñất vận tốc.

2 1 B.h . N cos 2 γ = α (3.4) 2 1 B.h. N v .sin g γ = α (3.5) 2 0 2 0 2 .B K.h N . .ln Ch. 3 K.tg . .tg σ = α Ψ σ α (3.6) trong ñó: v - vận tốc liên hiệp máy (m/s); g- gia tốc trọng trường (m/s2); σ0- ứng suất nén lý tưởng của ñất khô; K - hệ số nén thể tích của ñất; c- ñộ cứng của ñất.

32

Việc xác ñịnh ñộ cứng của lưỡi ñào như phân tích trên ñây rất phức tạp. ðể ñơn giản chúng tôi giả thiết lưỡi ñào làm việc như một lưỡi cày tác dụng vào ñất. Như vậy lực cản của lưỡi ñào ta tính theo công thức Gơriaskin [22]:

P = K0.a.B (3.7)

trong ñó:

K0- lực cản riêng;

a - ñộñào sâu của lưỡi ñào;