Hình 4.10. Sơ đồ xác định vị trí nhả hạt
Lỗ đĩa gieo mang hạt đi vào buồng nhả hạt, tại đây khi lỗ đĩa và lỗ trên đĩa cố định trùng nhau thì việc nhả hạt sẽ xảy ra. Tuy nhiên, cần xác định kích thước (chiều dài) của lỗ cố định để không xảy ra hiện tượng cắt hạt do hạt chưa rơi hết chiều cao của đĩa gieo mà lỗ đĩa đã đi qua lỗ cố định, nếu hiện tượng này xảy ra thì hiện tượng không lấy được hạt của lỗ đĩa đó trong lần lấy hạt kế tiếp có thể sẽ không thực hiện được (do một phần của hạt vẫn nằm trong lỗ). Ngoài ra, trong nhiều trường hợp lỗ đĩa có thể bị kẹt do các hạt chèn ép trong lỗ hoặc thì cần phải có các giải pháp kỹ thuật khác nhằm tăng khả năng nhả hạt - cưỡng bức nhả hạt.
76
Để đảm bảo các hạt đều có thể rơi khỏi lỗ đĩa xuống lỗ cố định thì việc tính toán cần xem xét trong trường hợp khó rơi nhất, tức là trong trường hợp hạt có kích thước lớn nhất (dhmax) và vận tốc của đĩa gieo là lớn nhất (vlđmax).
Coi vị trí bắt đầu nhả hạt là khi lỗ đĩa hoàn toàn trùng với lỗ cố định, như vậy chuyển động của hạt bao gồm chuyển động kéo theo đĩa với vận tốc Vlđ và chuyển động rơi tự do và yêu cầu hạt phải rơi hết chiều dầy đĩa gieo trước khi lỗ đĩa bắt đầu ra khỏi lỗ cố định. Để giảm chiều cao rơi tự do của hạt thì khe hở e (mm) giữa đĩa gieo và đĩa cố định càng lớn càng tốt, tuy nhiên theo điều kiện giữ hạt thì chiều dầy của đĩa lại giảm nên khó khăn trong chế tạo, lắp ghép và ổn định của đĩa khi làm việc, mặt khác khe hở e lớn thì các hạt nhỏ trong lỗ đĩa lại có khả năng chui vào khe hở nên khe hở giữa đĩa gieo và đĩa cố định được chọn bằng 1 mm (e = 1 mm) và vát mép lỗ (Δvm = 1 mm) để tăng khả năng thoát hạt (yêu cầu: e + Δvm ≤ dhmin/2).
* Phương trình chuyển động của hạt:
Tương tự như bài toán lấy hạt, phương trình chuyển động của hạt khi rơi vào lỗ cố định như hệ phương trình 4.23, ta có chiều dài lỗ cố định được xác định theo công thức:
√ ( )
trong đó:
dlđ là đường kính lỗ đĩa, dlđmax = 10 mm
vlđ là vận tốc lỗ đĩa, vlđmax = 0,308 m/s (theo điều kiện lấy hạt) dh là kích thước lớn nhất của hạt, dhmax = 7,7 mm
Thay số vào công thức 4.33, ta có: Scđ ≥ 32,2 mm (ứng với vận tốc lỗ đĩa lớn nhất theo điều kiện lấy hạt vlđmax, đường kính lỗ đĩa lớn nhất dlđmax và hạt có kích thước dhmax), để đảm bảo an toàn cho hạt cần chọn Scđ tăng lên và có thể bố trí thêm lưỡi ấn để tác động nhả hạt cưỡng bức đối với các hạt bị kẹt.
* Trường hợp các lỗ bị kẹt:
Hạt có thể bị kẹt trong lỗ đĩa do hạt có kích thước lớn hơn lỗ đĩa hoặc có hai hạt chèn ép lên nhau như hình 4.11. Nếu hiện tượng này xảy ra thì sẽ dẫn đến mất khoảng và có thể lặp đi lặp lại, do đó cần phải cưỡng bức nhả hạt bằng lưỡi ấn
77
khi lỗ đĩa còn nằm trong lỗ cố định. Với kết quả tính toán và thí nghiệm thì vị trí đặt lưỡi ấn là giữa lỗ cố định, vì tại đây lưỡi ấn sẽ không tác vào các hạt rơi tự do mà chỉ tác động vào các hạt bị kẹt và vẫn còn thời gian để các hạt bị kẹt rơi qua đĩa gieo.
Hình 4.11. Hiện tượng kẹt hạt trong lỗ 4.1.6. Đĩa cố định và ống dẫn hạt 4.1.6. Đĩa cố định và ống dẫn hạt
* Đĩa cố định:
Hình 4.12. Cấu tạo đĩa cố định
Đĩa cố định có nhiệm vụ như là một cái khung để lắp các chi tiết của bộ phận gieo hạt nên yêu cầu phải cứng vững và có kích thước theo yêu cầu của các chi tiết lắp trên nó. Với các kết quả tính toán và chọn đường kính của đĩa gieo thì đường kính của đĩa cố định dcđ (mm) chọn là 270 mm, có chiều dầy δcđ (mm) là 6 mm, chọn thành đĩa có chiều cao htđ (mm) là 50 mm để lắp thùng và buồng nhả hạt. Trên đĩa cắt 2 lỗ (lỗ cố định) để hạt trên đĩa gieo rơi qua với chiều dài lỗ Slcđ
(mm) là 50 mm và chiều rộng Blcđ (mm) là 25 mm. Cấu tạo đĩa cố định được cho trong hình 4.12.
78
* Ống dẫn hạt:
Ống dẫn hạt được lắp dưới lỗ của đĩa cố định, kích thước phần lắp với đĩa cố định bằng kích thước của lỗ cố định Slcđ (mm) và thu lại tới đường kính d0. Điểm cuối của ống được đặt sát với trụ rạch hàng để tránh hiện tượng rãnh bị lấp khi hạt chưa được gieo. Sự phân tán theo phương ngang của luống phụ thuộc vào bề rộng rãnh và kích thước ống nhả hạt, do đó cùng với các kết quả nghiên cứu ở trên và để thuận lợi cho các khâu sau, chọn ống là trụ tròn có đường kính trong d0 = 40 mm. Tuy nhiên, để đảm bảo khoảng cách hạt gieo thì một vấn đề đặt ra là trong quá trình hạt di chuyển trong ống, cần hạn chế sự va chạm của hạt vào thành ống. Do đó, cần phải nghiên cứu xác định quỹ đạo của hạt khi rơi làm cơ sở xác định hình dáng của ống và vị trí đặt ống dưới đĩa cố định.
Gọi T là điểm đặt tâm ống, T cũng là trọng tâm của hạt khi rơi ra khỏi đĩa gieo. Chuyển động của hạt vào ống dẫn được mô tả bằng sơ đồ động như hình 4.13, coi chuyển động của hạt là chuyển động của chất điểm có quỹ đạo là đường cong Parabol không gian. Tọa độ của hạt (xh, yh, zh) ở một điểm bất kỳ được xác định theo hệ phương trình 4.34: Hình 4.13. Sơ đồ xác định điểm đặt ống dẫn hạt { ( ) ( )
79
Có thể thấy quỹ đạo chuyển động của hạt phụ thuộc vào các yếu tố: vận tốc của hạt khi ra khỏi lỗ đĩa vh (vh = vlđ), chiều cao rơi hr (mặt đĩa cố định đến mặt rãnh), vận tốc tiến của LHM vm, vị trí lỗ cố định (điểm đặt ống) và bề rộng hàng kép bk. Kết quả tính toán khi lấy xh= bk/2 = 75 mm và zh = hr = 500 mm, vận tốc hạt khi ra khỏi lỗ đĩa vh = 0,308 thì vị trí đặt ống dẫn hạt là = 21051’.
Như vây, quỹ đạo chuyển động của hạt trong ống là đường cong Parabol không gian. Để đảm bảo khoảng cách hạt trên hàng thì cần hạn chế sự vao chạm của hạt vào thành ống. Do đó, ngoài việc để vị trí ống dẫn hạt đúng vị trí thì cần giữ tốc độ của LHM ổn định, đồng thời hạn chế dao động máy.
4.2. MÔ HÌNH TOÁN XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BỘ PHẬN BÓN PHÂN PHẬN BÓN PHÂN
Lượng phân ra khỏi cửa xả của thùng phụ thuộc vào diện tích cửa xả, hình dạng và cơ tính của phân, nhưng cũng phụ thuộc vào lượng phân mà trục cuốn lấy đi. Nếu lượng phân mà trục cuốn lấy đi nhỏ hơn lượng phân mà cửa xả có thể cung cấp thì lượng phân qua cửa xả của thùng cũng chỉ bằng lượng phân trục cuốn lấy đi. Do đó, để đảm bảo lượng cung cấp cho trục cuốn thì cần tính toán cửa xả theo điều kiện làm việc của trục cuốn. Như vậy, có thể thấy đối với bộ phận bón phân là cần tính toán và xác định mối quan hệ giữa tiết diện của cửa xả và tốc độ quay của trục cuốn, với một số giả thiết sau:
* Một số giả thiết cho các mô hình tính toán bộ phận bón phân:
- Coi hạt phân là chất điểm trong mô hình động lực học;
- Bỏ qua các lực cản của gió, không khí và lực quán tính Coriolis;
- Phân bón chuyển động trong hệ quy chiếu quán tính và chuyển động đều khi qua các tiết diện như cửa xả và ống dẫn.
4.2.1. Xác định lượng phân qua cửa xả
Gọi mp là lượng phân qua cửa xả của thùng trong một giờ (của một bộ phận bón phân), kg/h. Theo yêu cầu, lượng phân cần bón cho 1ha đậu tương là 450 ÷ 600kg, với năng suất của máy dự kiến là 0,3 ha/h và máy có 2 bộ phận bón phân nên tôi chọn lượng phân lượng phân cần thiết để bón trong một giờ của một bộ phận bón phân là 60 ÷ 90 kg/h, làm cơ sở tính toán thiết kế và xây dựng mô hình tính toán bộ phận bón phân.
80
Theo các tác giả Vũ Bá Minh & Hoàng Minh Nam (1998), Đoàn Tài Ngọ & cs (2000), lượng phân qua cửa xả của thùng được xác định theo công thức:
Vận tốc dòng phân vxp (m/s) qua của xả được xác định theo công thức:
√
trong đó: Fx là diện tích mặt cắt ngang dòng phân tại cửa xả, mm2
fx là hệ số chảy của cửa xả phân, fx = tanαp = 0,65 (αp là góc tự chảy của phân được xác định bằng phương pháp thực nghiệm, αp= 330)
dp là khối lượng thể tích của phân (chọn phân thí nghiệm là phân NPK Đầu Trâu 13-13-13+TE), dp = 950 kg/m3
Rtl là bán kính thủy lực của cửa xả phân, m
( )
trong đó:
Ax là chu vi của cửa xả phân, m bx là chiều dài cửa xả phân, m ex là chiều rộng cửa xả phân, m. Như vậy, lượng phân qua cửa xả:
√
Bảng 4.4. Bảng kết quả tính lượng phân qua cửa xả
Thông số Đơn vị Giá trị
ex mm 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 mp kg/h 63,9 70,1 76,3 82,7 89,2
Thay số vào công thức 4.38 với chiều dài cửa xả phân chọn trước bx bằng 15 mm, ta được kết quả tính toán lượng phân qua cửa xả mp (kg/h) theo chiều rộng cửa xả phân ex, bảng 4.4. Lý thuyết tính toán cửa xả cho bộ phận bón phân trình bầy ở trên coi phân là phần tử có kích thước vô cùng nhỏ nhưng thực tế
81
phân lại là hạt có kích thước (1 ÷ 3 mm), mặt khác lượng phân qua của xả trong một giờ chỉ 60 ÷ 90 kg/h nên kết quả tính toán cho thấy tiết diện cửa xả cũng có giá trị trong khoảng nhỏ (bx = 15 mm, ex = 6,7 ÷ 9,1 mm). Do đó, nếu áp dụng hoàn toàn kết quả tính toán lý thuyết vào thực tế sẽ không chính xác. Nhưng đây là cơ sở quan trọng để lựa chọn vùng kích thước của cửa xả trong nghiên cứu thực nghiệm.
4.2.2. Năng suất và hệ số nạp của trục cuốn
Trục cuốn có nhiệm vụ nhận phân từ thùng thông qua cửa xả theo đúng khối lượng cần thiết và đưa vào ống dẫn phân. Ngoài ra còn phải đảm bảo mật độ phân đồng đều, do đó yêu cầu việc lấy và đổ phân của các rãnh trục cuốn phải liên tiếp hoặc xen kẽ nhau, không để hiện tượng ngắt quãng. Để không làm thay đổi (không giảm) vận tốc dòng xả phân qua cửa xả liệu của thùng phân và tránh hiện tượng kẹt phân thì lượng phân mà trục cuốn có thể lấy đi phải lớn hơn hoặc bằng lượng phân qua cửa xả liệu, tức là hệ số nạp đầy của trục cuốn phải nhỏ hơn 100%.
Hình 4.14. Mô hình tính toán trục cuốn
Năng suất làm việc của trục cuốn được xác định thông qua thể tích của rãnh trục cuốn. Coi phân chỉ nạp trong phần hình trụ của rãnh trục cuốn, diện tích phần nạp liệu là tổng các tiết diện hình tròn như hình 4.14. Như vậy, năng suất làm việc của trục cuốn được xác định theo công thức:
82
Ψn là hệ số nạp đầy (tỷ số giữa thể tích phân chứa trong rãnh với thể tích của rãnh), %
dp là khối lượng thể tích của phân, kg/m3 Zt là số rãnh trên trục cuốn, rãnh
dr là đường kính rãnh trục cuốn, m Lt là chiều dài rãnh trục cuốn, m
nt là số vòng quay của trục cuốn, vòng/phút.
Nếu giả thiết coi phân bón là hạt không kích thước, lượng phân trong buồng đủ nhỏ thì lực liên kết của phân coi bằng không, ma sát giữa phân với thành và mặt ngoài trục cuốn không đáng kể. Như vậy, phân chỉ chịu tác dụng của trọng lực và rơi tự do vào rãnh trục cuốn tại mọi điểm khác nhau trong vùng nạp, lượng phân qn (kg) được nạp vào rãnh trục cuốn:
trong đó:
ln là chiều dài buồng nạp phân, m. Lấy bằng ½ đường kính ngoài trục cuốn (ln = Dt/2);
hn là chiều cao rơi của phân tại một vị trí trong buồng nạp vào rãnh trục cuốn, m.
Coi phân rơi tự do vào rãnh khi cửa nạp của rãnh đi qua buồng nạp, chiều cao rơi của phân được xác định theo công thức:
(
)
trong đó: cn là bề rộng cửa nạp phân của rãnh trục cuốn, m. Lấy bằng ½ đường kính rãnh trục cuốn (cn = dr/2).
Hệ số nạp đầy Ψn (%) được xác định theo công thức:
Do đó, năng suất làm việc của trục cuốn cũng có thể xác định theo công thức 4.41:
83
trong đó: Dt là đường kính ngoài trục cuốn, m.
Theo công thức 4.39 và 4.41, năng suất làm việc của trục cuốn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như: các thông số hình học của trục cuốn và buồng nạp, khối lượng thể tích của phân, thời gian rãnh trục cuốn nằm ở vùng nạp phân (thời gian lấy phân). Có thể thấy, thời gian lấy phân phụ thuộc vào chiều dài buồng nạp phân và số vòng quay của trục cuốn. Nếu cho trước các thông số hình học của trục cuốn thì khả năng làm việc của trục cuốn chỉ còn phụ thuộc vào hệ số nạp đầy và tốc độ quay của trục cuốn.
- Nếu số vòng quay của trục cuốn nhỏ hơn số vòng quay nnđ (số vòng quay nạp đầy), thì thời gian lấy phân của rãnh trục cuốn lớn, hệ số nạp liệu sẽ bằng hoặc lớn hơn 1 (phân sẽ được nạp cả phần thể tích ngoài trụ tròn). Lượng phân trục cuốn lấy đi nhỏ hơn lượng phân qua cửa xả.
- Nếu số vòng quay của trục cuốn nằm trong khoảng nnđ< nt< n0 (n0 là số vòng quay mà tại đó khả năng lấy phân của trục cuốn bắt đầu giảm đi), thì thời gian lấy phân của rãnh trục cuốn giảm, hệ số nạp liệu giảm dần nhưng lượng phân trục cuốn lấy được trong một đơn vị thời gian là không đổi và bằng lượng phân qua của xả.
- Nếu số vòng quay của trục cuốn lớn hơn n0, thì thời gian lấy phân càng giảm, lượng phân trục cuốn lấy được trong một đơn vị thời gian giảm và nhỏ hơn lượng phân có thể qua cửa xả. Khi số vòng quay của trục cuốn đạt giá trị nmax thì thời gian lấy phân coi bằng không, rãnh trục cuốn không nhận được phân, tức là năng suất làm việc của trục cuốn coi như bằng không.
Vì điều kiện và thời gian nên trong nghiên cứu này chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc (số vòng quay) đến khả năng làm việc hay năng suất của trục cuốn. Theo kết quả tính toán về thể tích chứa của thùng và điều kiện để phân trượt theo đáy chóp vào cửa xả, lấy đường kính ngoài Dt của trục cuốn là 110 mm, chiều dài trục cuốn Lt lấy bằng 50 mm.Với kết quả thí nghiệm sơ bộ về bộ phân bón phân như đã trình bầy ở trên (phụ lục), lấy đường kính của rãnh trục cuốn dr là 18 mm và số rãnh trục cuốn Zr là 10 rãnh, chọn hệ số nạp đầy của rãnh trục cuốn Ψn bằng 70% (vùng thích hợp nhất 50 ÷ 70 %).
84
Theo công thức 4.41, ta có bảng kết quả tính toán số vòng quay để trục cuốn đạt năng suất theo yêu cầu, khi cho hệ số nạp lần lượt bằng 100% và 70%, bảng 4.5.
Bảng 4.5. Kết quả tính số vòng quay của trục cuốn
TT Qt (kg/h) Ψn (%) nt (vòng/phút) 1 60 100 8,28 2 70 11,82 3 65 100 8,97 4 70 12,81 5 70 100 9,66 6 70 13,80 7 75 100 10,35 8 70 14,78 9 80 100 11,04 10 70 15,77 11 85 100 11,73 12 70 16,75 13 90 100 12,42 14 70 17,74
Từ công thức 4.41 ta có thể xác định số vòng quay của trục cuốn ntc (vòng/phút) để phân có thể rơi tự buồng nạp vào rãnh trục cuốn, nhưng để tính đến các yếu tố như: phân bón là hạt có kích thước; phân bố của phân trong vùng nạp không đều; lực cản chuyển động của dòng phân xuống rãnh trục cuốn do ma sát (hình 4.15): lực ma sát với lò xo dẫn hướng (F1), lực ma sát với khối phân không chuyển động (F2) và ma sát với mặt ngoài trục cuốn (F3),... làm giảm tốc độ nạp phân vào rãnh trục cuốn thì cần làm giảm tốc độ của trục cuốn so với lý