3. Nội dung nghiên cứu
3.2.2.2. Lựa chọn bộ phận kẹp nhổ
Hình 3.15. Áp lực tác dụng lên thân cây sắn
Quá trình nhổ và vận chuyển gốc sắn chịu tác dụng của lực dọc thân cây sắn bảo ñảm cho băng kẹp thực hiện nhiệm vụ của mình thì lực căng trên băng kẹp nhổ phải gây ra ñược các lực q hướng kính, phân bố theo diện tích ñai ôm lên than cây cần thiết ñể kẹp chặt gốc sắn lên băng kẹp.
Áp lực N là hình chiếu hợp lực các véc tơ qr lên phương x tạo ra ñược lực ma sát Fms trên các bề mặt lớn hơn lực Gnh bảo ñảm gốc sắn không bị tuột khỏi khe hở làm việc của băng kẹp.
Khi làm việc, bộ phận kẹp nhổ làm việc với thân cây sắn ñồng thời ở 2 bề mặt ma sát:
+ Bề mặt ngoài băng kẹp với mặt ngoài vỏ cây sắn.
39
Quá trình kẹp và vận chuyển thân cây sắn trên băng kẹp chỉñược thực hiện khi lực ma sát sinh ra trên hai bề mặt trên ñược ñảm bảo. Nếu lực ma sát sinh ra giữa mặt ngoài băng kẹp với thân cây sắn không ñược ñảm bảo thì cây sắn sẽ bị phá hủy lớp vỏ ngoài và cây sắn sẽ bị tuột. Nếu lực ma sát giữa thân cây sắn với vỏ cây không ñược ñảm bảo thì cây cũng sẽ bị tuột khỏi băng kẹp. Trong thực tế, ma sát giữa vỏ cây sắn và thân cây sắn lớn luôn ñảm bảo thân cây không thể tuột khỏi vỏ nên tuột chỉ xảy ra giữa vỏ cây và băng kẹp.
Trong ñiều kiện cây sắn bị kẹp dập, liên kết giữa mặt trong thân cây sắn và vỏ cây sắn bị phá hủy, mặt khác giữa hai bề mặt này lại có một lớp keo nhầy, nhớt làm giảm hệ số ma sát giữa hai bề mặt, khi ñó sự trượt của cây sắn sẽ xảy ra ở bên trong vỏ sắn.
Như vậy, băng kẹp phải tạo ra lực kẹp ñủ lớn ñể có thể kẹp chặt gốc sắn nhưng không ñược làm dập, bể thân cây sắn.
Ngoài ra bộ phận kẹp nhổ phải kẹp ñược các cây có ñường kính khác nhau. ðể kẹp nhổ có thể dùng bộ phận kẹp nhổ dạng xích kẹp hoặc dạng ñai.
1. ðánh giá, so sánh về khả năng kẹp nhổ giữa bộ phận kẹp bằng xích và kẹp bằng ñai
Trong quá trình làm việc, thân cây sắn chịu tác dụng của lực dọc thân cây sắn, vì vậy lực nén cần thiết phải ñảm bảo cho thân cây sắn không bị dập nát. Nếu thân cây sắn bị dập nát khi kẹp nhổ sẽ phá hỏng nguyên tắc kẹp. ðây chính là 1 yếu tố quan trọng ñểñánh giá so sánh về khả năng kẹp nhổ giữa bộ phận kẹp bằng xích và kẹp bằng ñai.
Áp suất nén lên thân cây sắn phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa băng kẹp với thân cây sắn và áp lực tác dụng.
Với bộ phận kẹp là xích kẹp nhổ thì bề mặt xích tiếp xúc với thân cây sắn chỉ là phần bề dày của má ngoài xích, còn với bộ phận kẹp nhổ dùng ñai kẹp nhổ thì bề mặt làm việc là tất cả bề rộng mặt ñai. Vì vậy nếu băng kẹp
40
chịu tác dụng với cùng 1 lực nén như nhau thì áp suất trên 1 ñơn vị diện tích ñai ôm sẽ nhỏ hơn nhiều so với áp suất trên 1 ñơn vị diện tích xích kẹp.
Mặt khác, ñai ñược làm từ vật liệu có tính ñàn hồi tốt hơn thép nên khi làm việc với ñai thân cây sắn sẽ có khả năng chịu nén tốt hơn khi làm việc với xích kẹp. Hay nói cách khác: nếu gọi [σ]Xích là áp suất cho phép tác ñộng lên thân cây sắn vẫn khi ñó xích kẹp vẫn còn có khả năng làm việc, [σ]ðai là áp suất cho phép của ñai kẹp thì: [σ]ða i > [σ]Xích. Hình 3.16. Hình ảnh 1 ñoạn xích kẹp và ñai kẹp Thực tế thì thí nghiệm xác ñịnh ñặc tính cơ học của cây sắn ñã chứng minh khả năng kẹp của ñai kẹp tốt hơn so với xích kẹp. 2. ðánh giá, so sánh về khả năng ổn ñịnh khi làm việc với khối sắn
Tính ổn ñịnh khi làm việc của bộ phận kẹp nhổñược ñánh giá bằng khả năng làm việc ñược với nhiều gốc sắn có ñường kính khác nhau. Và tính ổn ñịnh khi vận chuyển gốc sắn trên băng kẹp.
Cấu trúc của bộ phận này ñược áp dụng từ nguyên lý cấu tạo của bộ phận xích vận chuyển cây ngô trong Liên Hợp Máy Thu hoạch Ngô. Với nhiệm vụ chỉ là vận chuyển ñược thân cây ngô ñã ñược cắt gốc và khe hở làm việc giữa 2 xích ñược ñịnh trước thì với các cây ngô có ñường kính khác nhau vào khe hẹp kẹp sẽ ñược kẹp dập nát thân nên bộ phận có thể làm việc ñược với nhiều ñường kính thân cây ngô khác nhau.
Bề mặt xích làm việc Bề mặt ñai làm việc
41
a. Khả năng làm việc với nhiều gốc sắn có ñường kính khác nhau
Hình 3.17. Bộ phận xích kẹp nhổ
1. ðĩa xích chủñộng; 2. Bộ phận ñè xích; 3. Bánh căng xích; 4. ðĩa xích bịñộng.
Tuy nhiên với ñối tượng là thân cây sắn, và nhiệm vụ là nhổ và vận chuyển 1 khối lượng nhất ñịnh theo nguyên tắc kẹp và áp suất nén lên thân cây sắn bị hạn chế nhỏ hơn [σ]Xích thì khả năng làm việc ñược với nhiều ñường kính thân cây sắn khác nhau sẽ bị hạn chế bởi:
- [σ]Xích của bộ phận xích kẹp nhỏ nên phạm vi thay ñổi áp suất nén từ áp suất nén làm việc ñến [σ]Xích cho các ñường kính thân cây sắn khác nhau khi vào khe hở làm việc là nhỏ.
- Áp suất nén phụ thuộc vào ñường kính thân cây sắn. ðường kính lớn thì diện tích xích kẹp ôm lên thân cây sắn là lớn nên áp suất nén sẽ nhỏ ñi và ngược lại. Do ñó bộ phần ñè xích phải có nhiệm vụ thay ñổi diện tích tiếp xúc trên khi làm việc với các gốc sắn có ñường kính khác nhau tức là bộ phận này có tác dụng ‘‘ñàn hồi’’.
Với Bộ phận ñè xích (2) là một cơ cấu hình bình hành, ñược bố trí kéo dài theo chiều dài làm việc hữu ích của xích kẹp và khi khe hở làm việc ñược
1500 1 5 0 3 0 0 80 80 120 340 4 1 2 3
42
ñịnh trước thì khản năng ‘‘ñàn hồi’’ sẽ rất khó khăn. Vì vậy, nếu bộ phận xích kẹp làm việc tốt với 1 ñường kính nhất ñịnh nào ñó thì khi làm việc với ñường kính cây sắn nhỏ hơn sẽ rất khó khăn thậm chí có thể không làm việc ñược.
Ta có thể khắc phục hạn chế của bộ phận ñè xích bằng cách thay ñổi kết cấu của nó. Thay vì một cơ cấu hình bình hành theo suốt chiều dài làm việc xích bằng nhiều cơ cấu hình bình hành ñặt liên tiếp nhau. Tuy nhiên phương án này sẽ dẫn tới kết cấu của khung máy trở nên phức tạp.
Với bộ phận ñai kẹp, [σ]ðai của bộ phận xích kẹp lớn nên phạm vi thay ñổi áp suất nén cho các ñường kính thân cây sắn khác nhau khi vào khe hở làm việc là lớn. Mặt khác, ñai ñược làm từ vật liệu có tính ñàn hồi nên bản thân nó ñã có tính ñàn hồi khi làm việc với các ñường kính cây sắn khác nhau. Do ñó khả năng làm việc với các kích cây sắn khác nhau sẽ tốt hơn.
b. Tính ổn ñịnh khi vận chuyển khối sắn trên băng kẹp
Tính ổn ñịnh khi vận chuyển khối sắn trên băng kẹp ñược thể hiện qua khả năng giữ không cho cây sắn có chuyển ñộng tương ñối với băng kẹp khi vận chuyển.
Tính ổn ñịnh khi vận chuyển khối sắn trên băng kẹp phụ thuộc nhiều vào sựñồng ñều về tốc ñộ của 2 dải kẹp. Với bộ truyền xích thì vận tốc tức thời của xích và ñĩa xích thay ñổi nhiều nên ñây cũng là 1 ñiểm hạn chế của bộ phận kẹp nhổ kiểu xích. Ngoài ra kết cấu của băng kẹp cũng ảnh hưởng ñến tính ổn ñịnh ñó.
Dải xích của Bộ phận kẹp nhổ kiểu xích kẹp ñược cấu tạo từ các mắt xích nối với nhau thông qua chốt xích, nên trong khi kẹp các mắt xích sẽ có chuyển ñộng quay tương ñối với nhau. ðiều này là sẽ hạn chế tính ổn ñịnh khi vận chuyển khối sắn. Dải ñai trong bộ phận kẹp nhổ kiểu ñai là 1 khối kéo dài liên tục nên sẽ không có chuyển ñộng tương ñối giữa các phần tử với nhau.
43
Mặt khác, diện tích tiếp xúc với thân cây sắn của xích kẹp nhỏ hơn so với ñai kẹp nên khả năng ổn ñịnh khi vận chuyển cũng sẽ kém hơn.
3. ðộ bền lâu khi làm việc và tính tiện dụng trong chăm sóc và sử dụng
Bộ phận kẹp nhổ làm việc trong ñiều kiện nhiều bụi bặm và chếñộ bôi trơn bị hạn chế nên bộ phận kẹp kiểu xích với cấu tạo gồm nhiều mắt xích liên kết với nhau bằng khớp bản lề tại chốt xích sẽ chóng mòn, làm giảm ñộ bền lâu khi làm việc.
Bộ phận kẹp nhổ kiểu ñai có thể khắc phục ñược nhược ñiểm trên của bộ phận kẹp nhổ kiểu xích.
Giá thành của 1 bộ truyền ñộng xích cao hơn truyền ñộng ñai do chế tạo xích và ñĩa xích ñắt, yêu cầu lắp ghép, chăm sóc phức tạp hơn.
Bộ phận kẹp nhổ làm việc theo nguyên tắc kẹp nên lực căng trên nhánh băng kẹp cần phải luôn ñược duy trì. Vì vậy, ñòi hỏi phải thường xuyên kiểm tra và ñiều chỉnh ñộ căng của nhánh băng kẹp. Bộ phận kẹp kiểu ñai kẹp có cơ cấu ñiều chỉnh ñộ căng ñiều chỉnh dễ dàng hơn của bộ phận kẹp kiểu xích kẹp.
Từ phân tích, so sánh, ñánh giá trên chúng tôi lựa chọn nguyên lý làm việc cho bộ phận kẹp nhổ của Liên hợp máy thu hoạch sắn là bộ phận kẹp kiểu băng kẹp (dạng ñai kẹp).
44
Hình 3.18. Kết cấu bộ phận kẹp nhổ
1. Bánh ñai chủñộng; 2. Khung giàn kẹp; 3. Cơ cấu căng ñai; 4. Bánh căng ñai cốñịnh; 5. Lỗñiều chỉnh cơ cấu ép; 6. Mũi dẫn hướng;
7. Lỗñiều chỉnh giàn kẹp; 8. Cơ cấu ép ñai; 9. Tai treo; 10. Giá ñộng cơ thủy lực; 11. Bánh răng chủñộng. 3.2.2.3. Cơ sở chọn tiết diện băng kẹp nhổ
1. Lực tác dụng lên băng kẹp nhổ và ñiều kiện làm việc
Xét lực tác dụng lên ñai bao gồm lực liên kết giữa khối củ sắn với ñất, lực này xuất hiện tại thời ñiểm gốc sắn bắt ñầu ñược kẹp - lực này ñược thử nghiệm là Gnh.
Lực kéo khối sắn PK do lực vòng PV của ñai kẹp tác ñộng lên, về ñộ lớn PK = 2PV.
Lực ép N do lực căng ban ñầu của dây ñai gây ra. Khi khối sắn ñược nâng lên, lực liên kết Gnh có xu hướng kéo cây sắn xuống sinh ra lực ma sát bị ñộng Fms ở 2 bề mặt ñai tiếp xúc với thân cây sắn cản lại chuyển ñộng trượt
45
xuống của gôc sắn: Fms = f * N. Với f là hệ số ma sát giữa vật liệu làm ñai và bề mặt thân cây sắn (lực ma sát Fms; và lực ép N không biểu diễn trên hình vẽ).
Hình 3.19. Lực tác dụng lên ñai kẹp nhổ
Trọng lượng G của khối sắn ñã ñược ñai kẹp nhổ lên và vận chuyển ñi. Phân tích : Gurnh =Turc +Turk và G Tur =ur +Tur,k trong ñó: c T →
và T→có phương song song với phương của dải ñai kẹp, có chiều ñược biểu diễn như hình vẽ. Các lực T→cvà T→ là lực cản chuyển ñộng kéo của ñai kẹp. k T → và T'k →
có phương vuông góc với phương của dải ñai kẹp, chiều ñược biểu diễn như hình vẽ. →Tkvà T→'kcó xu hướng kéo dây ñai ra khỏi rãnh ñai hình thang.
Vềñộ lớn: Tc = Gnh.Sinα ; Tk = Gnh.cosα; T = G.sinα; T’k = G.cosα
trong ñó:
46 Gnh: lực nhổ củ;
Tc: lực cản chuyển ñộng kéo của ñai; Tk: lực kéo dây ñai ra khỏi rãnh. ðiều kiện làm việc: ms nh ep 2F 2.f * N G N P = > ≤ (3.11)
Với [Pep] là lực ép thân cây sắn cho phép, là lực ép làm phá liên kết của thân cây sắn.
Pk≥ Tc+2T (3.12)
ðiều kiện (3.11) thỏa mãn cho ñiều kiện ñai và cây không có chuyển ñộng tương ñối với nhau. Nghĩa là ñảm bảo cho gốc sắn bị kẹp chặt vào băng kẹp mà không bị dập.
ðiều kiện (3.12) ñảm bảo khóm sắn ñược nâng lên khỏi mặt ñất và ñược vận chuyển ñi. 2. Cơ sở xác ñịnh truyền ñộng băng kẹp nhổ Từ (4.3) ta có: 2Pv > Gnh.Sinα + 2G.sinα Hay v Gnh 2G P sin 2 + > α (kG) α Vd m V n V Từ ñiều kiện vận tốc: V→m = −V→ng ta có: m d V V cos = α
47 αlà góc nghiêng của giàn kẹp.
Như vậy công suất cần thiết trên trục bánh ñai kẹp nhổ chủ ñộng cần cung ñể nhổ và vận chuyển là: Nct = PV.Vd (3.13) Nct > Gnh 2G Vm (Gnh 2G).Vm sin tg 2 cos 2 + + α = α α (3.14) Hay Nct > (Gnh 2G).Vm tg 2 + α.g (W) (3.15) g là gia tốc trọng trường, lấy g =10 (m/s2) Lấy Gnh = 30kG là lực nhổ gốc sắn ñược thí nghiệm lớn nhất; Góc nghiêng giàn kẹp α = 300; Vận tốc tiến của máy Vd = 0,7 ÷ 1,4m/s. ta có: ct (30 2.5).1,4 0 N tg30 .10 160(W) 0,16(kW) 2 + > = =
Ngoài ra kể ñến ảnh hưởng của các yếu tố phụ, lực Q→ và ma sát trên các ñai, ổ trục… công suất cần thiết ñể kẹp nhổ thực tế Nth có thể lấy: Nth = 3Nct.
Từ công suất cần thiết trên trục bánh ñai chủ ñộng ta có thể tính toán lựa chọn ñai theo khả năng kéo.
Tuy nhiên thực tế với nguồn ñộng lực là bơm thủy lực của máy kéo có công suất cao hơn rất nhiều so với công suất cần thiết nên việc tính toán công suất cho nguồn ñộng lực có thể bỏ qua. Mặt khác vận tốc tiến của máy thường xuyên thay ñổi nên công suất trên trục bánh ñai chủ ñộng cũng sẽ thay ñổi theo. Vì vậy, việc tính toán tiết diện ñai theo ñiều kiện kéo sẽ là không thích hợp.
Từ ñiều kiện (2.11) ta có 2Fms = 2f.N ≥ Fnh
Trong ñó, N = σ0.S, với σ0 (N/mm2) là áp lực do cơ cấu căng ñai tạo ra lên trên một ñơn vị diện tích tiết diện ñai ôm lên thân cây. S là diện tích tiết diện ñai ôm lên thân cây sắn.
48 Ta ñược: N = σ0.S > Gnh
2f (3.16)
Gnh là lực nhổ củ lớn nhất lấy Gnh = 30 kG;
f là hệ số ma sát giữa thân cây sắn và vật liệu làm ñai. Thí nghiệm xác ñịnh hệ số ma sát giữa thân cây sắn và vật liệu làm ñai ñã xác ñịnh ñược: f = tg42,70. Do vậy: N = σ0.S > 0 7 , 42 . 2 10 . 30 tg = 162,5 (N)