Đối với một số bài toán về bộ phận gieo và bộ phận bón phân, như trong các mô hình: Mô hình xác định điều kiện lấy hạt và nhả hạt; Mô hình xác định khả năng phân ly và giữ hạt; Mô hình xác định lực tác của lưỡi gạt phân ly; Mô hình xác định lượng phân qua cửa xả và Mô hình xác định năng suất và vận tốc trục cuốn. Việc thực hiện phương pháp này khi đã biết các thông số hệ thống của mô hình và cho kết quả có độ chính xác cao.
43
Máy GBĐ liên kết với máy kéo thông qua cơ cấu 3 điểm treo, trên hình chiếu đứng là một cơ cấu 4 khâu bản lề như hình 3.1. Việc xác định sự thay đổi của các góc dựa vào phương pháp giải tích, phân tích động học khi giải đồng thời những phương trình hình chiếu trên trục tọa độ của những chu vi kín hợp bởi các khâu của cơ cấu (Đặng Thế Huy, 1995). Vị trí của tâm quay I được xác định theo phương pháp vẽ bằng phần mềm thiết kế Autocad.
Hình 3.1. Cơ cấu 4 khâu bản lề 3.2.2. Phương pháp số 3.2.2. Phương pháp số
Đối với các phương trình vi phân phi tuyến như trong Mô hình xác định quy luật chuyển động của hạt và Mô hình nghiên cứu ổn định của liên hợp máy GBĐ, thì chỉ có thể giải theo phương pháp gần đúng. Ở đây tác giả sử dụng phương pháp số, phương pháp Runge - Kutta (Trần Thị Nhị Hường & Đặng Thế Huy, 1987; Hoffman, 1994; Jonh, 2005).
3.2.3. Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kỹ thuật
Sau khi máy gieo hạt đậu tương kết hợp bón phân được chế tạo và làm việc sẽ liên kết với máy kéo thông qua cơ cấu 3 điểm treo phía sau máy kéo. Để dự đoán những tác động của mặt đồng đến quá trình làm việc của máy và làm cơ sở cho việc lựa chọn chế độ làm việc cũng như phân bổ vị trí cho các bộ phận làm việc chính của máy, tác giả sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kỹ thuật để nghiên cứu sự ổn định của liên hợp máy GBĐ khi làm việc trong một số điều kiện nhất định. Phương pháp này dựa trên việc xây dựng mô hình số và dùng phương pháp số để tìm các lời giải cho các tính chất tĩnh học và động lực học của một hệ thống kỹ thuật (Bùi Hải Triều và Nguyễn Đình Tùng, 2015). Đồng thời sử dụng máy tính thông qua phần mềm Matlab để mô phỏng.
44
3.2.4. Phương pháp phần tử rời rạc số (Discrete element method)
Các thông số về hình học và cơ tính của hạt đậu tương là các tham số quan trọng trong việc nghiên cứu xác định các thông số làm vệc chính của bộ phận gieo và bộ phận bón phân. Ở đây, tác giả sử dụng phương pháp phần tử rời rạc số (DEM) để xác định kích thước và hình dạng của hạt đậu tương DT84, bằng cách sử dụng hình ảnh kỹ thuật số: hình ảnh kỹ thuật số của đậu tương được chụp và phân tích để định lượng kích thước, đặc biệt là các đặc tính hình dạng của hạt (hình 3.2). Phương pháp DEM cũng được áp dụng để xác định góc nội ma sát và trọng lượng của hạt. Đây là một trong các phương pháp hiện đại và một trong những ứng dụng đầu tiên của DEM được thực hiện bởi Cundall và Strack (Cundall & Strack, 1979).
Hình 3.2. Sơ đồ nền tảng để chụp ảnh đậu tương và phân bón 3.2.5. Phương pháp nghiên cứu xác định các tham số hệ thống 3.2.5. Phương pháp nghiên cứu xác định các tham số hệ thống
Đậu tương và phân bón cho đậu tương được đặc trưng dựa trên bốn loại: Thứ nhất bao gồm các thuộc tính trọng lực như khối lượng lớn và mật độ thực; Thứ hai bao gồm các thuộc tính kích thước - đặc biệt kích thước (chiều dài, chiều rộng, độ dày, đường kính tương đương) và hình dạng (độ tròn, độ giãn dài); Thứ ba bao gồm các tính chất cơ học như mô đun cắt, mô đun đàn hồi và hệ số Poason; Cuối cùng là các thuộc tính tương tác như ma sát (hệ số hạt/hạt ma sát tĩnh và vật/tường, hệ số hạt ma sát lăn/hạt và vật phẩm/tường), và đàn hồi (hệ số hạt/hạt và hạt/tường). Các đặc trưng của đậu tương và phân bón là các yếu tố làm cơ sở để chọn kết cấu và tính toán các thông số cơ bản của bộ phận gieo và bộ phận bón phân. Ngoài ra, trong mô hình nghiên cứu ổn định của liên hợp máy cũng có nhiều tham số cần xác định.
45
3.2.5.1. Phương pháp xác định kích thước và hình dạng
- Về kích thước có thể xác định theo phương pháp đo đạc, về hình dạng ngoài phương pháp đo đạc thì có thể dùng phương pháp so sánh mẫu hoặc nhận xét mang tính chất tương đối (Phạm Thượng Hàn & cs., 2002). Vì đậu tương và phân bón cho đậu tương có kích thước nhỏ nên dụng cụ đo được chọn là thước kẹp Mitutoyo 530-312 (Phạm vi đo: 0 ÷ 150mm),có thể đo được các vật dụng có kích thước nhỏ đến 0,02mm. Cách đo là đo kích thước của từng hạt, đo ngẫu nhiên 200 hạt, đối với đậu tương đo kích thước theo 3 phương a, b và c (dài, rộng và dầy) của hạt và đối với phân bón đo kích thước theo đường kính (coi phân bón có dạng hình cầu).
Hình 3.3. Hình dạng hạt đậu tương và phân bón
- Khối lượng của các hạt đậu tương được xác định bằng cách cân trên các cân phân tích. Ở đây tôi sử dụng cân phân tích PA214 (MS205DU) tại phòng thí nghiệm của khoa Nông học, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, cân có thể cân được các vật liệu có khối lượng 0,0001 ÷ 210 gam. Cách cân đối với đậu tương là cân từng hạt (lấy ngẫu nhiên 200 hạt).
- Khối lượng thể tích của đậu tương và phân bón được xác định bằng cách đổ đầy ống nghiệm ở các thể tích khác nhau, thay đổi từ 100 đến 1000 ml với gia số 100 ml. Ống nghiệm là một ống đong chia độ, cao 350 mm, đường kính trong là 62 mm (tổng thể tích của ống là 1000 ml). Các hạt được chọn ngẫu nhiên và được sử dụng để lấp đầy bình. Sau đó, hạt trong bình được cân bằng cân điện tử Mettler Toledo MS1602S, với độ phân giải 0,01 g và dung lượng tối đa 1620 g. Các lần thay thế được lặp lại ba lần theo thứ tự để có được 10x3 lần. Khối lượng thể tích ρvl (kg/m3) của hạt đậu tương và phân bón được xác định theo công thức:
46 trong đó:
mvl là khối lượng của hạt chiếm chỗ trong cốc thí nghiệm, kg; Vvl là thể tích chiếm chỗ trong cốc thí nghiệm, m3.
3.2.5.2. Phương pháp xác định góc ma sát
Để hạt đậu tương và phân bón có thể di chuyển trên các bề mặt của chi tiết máy dưới tác dụng của các lực như trọng lực, lực ly tâm, lực chèn ép giữa các khối hạt,... thì cần phải xác định góc ma sát giữa đậu tượng, phân bón với các vật liệu chế tạo chi tiết máy, đây chính là một trong các cơ sở để lựa chọn kết cấu và thiết kế các bộ phận gieo hạt và bộ phận bón phân. Việc xác định góc ma sát có thể thực hiện theo phương pháp mặt phẳng nghiêng và phương pháp lực kéo (Nguyễn Khắc Thường & cs., 1983; Phạm Văn Tờ, 2004).
Việc xác định góc ma sát được tiến hành trên thiết bị đo góc ma sát Gunt TM225 tại phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng, khoa Cơ – Điện. Thiết bị có thể đo được góc ma sát nghỉ và góc ma sát lăn.
Đối với ma sát nghỉ:
Tấm vật liệu cần đo góc ma sát với đậu tương hoặc phân bón có kích thước 100x500 mm được gắn lên mặt thiết bị. Hạt đỗ tương hoặc phân bón được gắn trên tấm nhựa có kích thước 100x100 mm (mẫu thí nghiệm), gia tăng thêm khối lượng để tổng khối lượng mTN bằng 1000 gam. Mẫu thí nghiệm được buộc vào đầu dây không trọng lượng của thiết bị và đặt mặt có hạt hoặc phân lên tấm vật liệu gắn trên thiết bị. Đầu dây còn lại của thiết bị được cuộn vào ròng rọc hoặc gắn với móc treo quả cân sau ròng rọc. Thí nghiệm được tiến hành theo hai cách: + Cách 1 (Dùng mặt phẳng nghiêng): Nghiêng thanh AB (hình 3.4a) đến khi nào thấy mẫu thí nghiệm bắt đầu chuyển động thì dừng lại, góc tạo bới thanh AB và phương ngang (được hiển thị trên thang đo của thiết bị) chính là góc ma sát của tấm vật liệu với hạt đậu tương hoặc phân bón.
Gọi Q là trọng lượng của mẫu thí nghiệm, N
Q = mNT.g , N 3.2
Điều kiện để mẫu thí nghiệm tự trượt là:
T ≥ Fms hay tgα ≥ f hay α ≥ λ 3.3
47
a) b)
a) Phương pháp mặt phẳng nghiêng; b) Phương pháp dùng lực kéo
Hình 3.4. Xác định góc ma sát
+ Cách 2 (Dùng lực kéo): Cho thanh AB ở vị trí nằm ngang (hình 3.4b), tăng dần khối lượng quả cân m trên móc đến khi mẫu thí nghiệm bắt đầu chuyển động thì dừng lại.
Gọi R là là lực kéo trên dây do trọng lượng của quả cân: R = m.g (N) Điều kiện để mẫu thí nghiệm chuyển động:
R ≥ Fms = Q.f = mTN.g.f 3.4 Hệ số ma sát được xác định theo công thức:
3.2.5.3. Phương pháp xác định lực nén gây hư hỏng hạt giống
Khi bộ phận gieo làm việc, dưới tác động của các chi tiết máy hay lực chèn ép của khối hạt mà hạt đỗ tương có thể bị hư hỏng như bị ép dập, bị bong tróc vỏ, bị tách hạt,... làm giảm hoặc mất khả năng nảy mầm của hạt. Việc nghiên cứu xác định lực nén gây hư hỏng hạt giống cũng là một trong các cơ sở để lựa chọn kết cấu và thiết kế các bộ phận gieo.
Công cụ nén được sử dụng trong nghiên cứu này được sơ đồ hóa trong hình 3.5. Vật liệu dạng hạt được điền vào thùng chứa có chiều dài, chiều rộng và chiều cao 400x100x300 mm. Chiều cao ban đầu của môi trường hạt là 280 mm, với hơn 47000 hạt. Ở trên cùng của thùng, đặt một tấm nén, nó có thể di chuyển tự do theo hướng dọc (trục z). Một lực được tác dụng vào tấm nén, nó nén đồng đều môi trường hạt dưới một tải không đổi. Lực nén là một lực không đổi tác dụng vào các hạt. Thiết kế thử nghiệm như trên hình cho phép mô tả đặc tính truyền lực cục bộ trong môi trường dạng hạt khi nén bằng phương pháp DEM số.
48
Hình 3.5. Sơ đồ hóa quá trình nén khối hạt
Hình 3.6. Mô hình nén gây hư hỏng hạt
Lực nén ép gây dập hư hỏng hạt giống cũng được xác định bằng phương pháp ép hạt giống trên máy kéo nén Shimadzu AGS-20kNG tại phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng, khoa Cơ – Điện. Cách xác định như sau: đặt 3 hạt vào các đỉnh của tam giác đều trên tấm thép, trên mâm cặp của máy kéo nén kẹp tấm thép tương tự, hiệu chỉnh lực kéo về không, bật máy cho các tấm ép hạt (lực ép lên các hạt coi là như nhau và bằng 1/3 tổng lực ép), lấy hạt ra quan sát và đo biến dạng của hạt, gieo hạt để xác định ảnh hưởng bằng tỷ lệ nảy mầm (gieo 100 hạt chịu cùng một lực nén). Nếu tỷ lệ không nảy mầm của hạt lớn hơn 10% so với hạt không chịu nén thì coi như lực nén gây ảnh hưởng đến khả năng nảy mầm của hạt và ngược lại.
49
3.2.5.4. Phương pháp xác định tham số trong nghiên cứu ổn định
Trong nghiên cứu về ổn định của máy, ngoài các thông số về độ cứng và hệ số giảm chấn của các phần tử đàn hồi như của lốp xe, nền đường, các cầu xe thì khối lượng và mô men quán tính khối lượng của máy là các thông số ảnh hưởng đến quá trình dao động của LHM. Do đó, để có thể xác định ảnh hưởng của dao động do mấp mô mặt đồng đến chất lượng làm việc của LHM thì cần xác định trước các tham số này.
Khi làm việc máy GBĐ có thể liên kết sau các loại máy kéo khác nhau. Do đó, các tham số trong mô hình nghiên cứu ổn định của LHM cũng mang tính chất gần đúng, có thể xác định theo nhiều cách khác nhau: Phương pháp thí nghiệm; Tham khảo tài liệu và sử dụng số liệu của các máy có cấu tạo tương tự hoặc Dùng thuộc tính Physical trong các phần mền thiết kế hiện đại (Autodesk Inventor, Solid work,...).
Hiện nay, để thí nghiệm xác định mô men quán tính khối lượng của vật thể nói chung, máy kéo và máy GBĐ nói riêng có thể thực hiện theo 2 cách: phương pháp treo hai dây và phương pháp lò xo. Cho vật thể dao động quanh trục đi qua trọng tâm để xác định tần số dao động, khi biết khối lượng, kích thước theo các phương sẽ xác định được mô men quán tính khối lượng của vật thể đó.
* Đối với máy kéo: tác giả sử dụng máy kéo Kubota L4508VN, các thông số về khối lượng, kích thước đã được cho trong sách hướng dẫn sử dụng máy do nhà sản xuất cung cấp. Các thông số như độ cứng, hệ số giảm chấn của các phần tử đàn hồi và mô men quán tính khối lượng của máy kéo chưa được nghiên cứu, ở đây tác giả sử dụng phương pháp tham khảo tài liệu của các máy kéo khác có đặc điểm kỹ thuật tương đương. Một số thông số của máy kéo đang sử dụng ở nước ta cho trong bảng 7P của phụ lục (Lê Minh Lư, 2002).
* Đối với máy GBĐ: các kích thước, khối của máy được đo đạc và cân trực tiếp. Mô men quán tính khối lượng của máy GBĐ được xác định bằng thuộc tính Physical trong phần mền Autodesk Inventor sau khi thiết kế, chọn vật liệu và lắp giáp, máy có khối lượng tương đương máy thực tế.
50
3.2.6. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố
Hình 3.7. Sơ đồ ảnh hưởng của các thông số vào đến hàm chỉ tiêu
Trong quá trình gieo hạt và bón phân cho đậu tương có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng và chất lượng làm việc của các bộ phận làm việc chính: đối với bộ phận gieo có các yếu tố về hình học như chiều dầy đĩa gieo và đường kính lỗ đĩa, yếu tố về động học như tốc độ quay của đĩa gieo; đối với bộ phận bón phân cũng có các yếu tố hình học và động học như kích thước của cửa xả cấp liệu và tốc độ quay của trục cuốn,... Tốc độ quay các bộ phận trong các thí nghiệm được thay đổi bằng cách thay đổi tốc độ động cơ thông qua việc điều chỉnh tần số của biến tần, có sơ đồ dẫn động như hình 3.8. Thông số kỹ thuật của các thiết bị đo cho trong bảng 1P của phụ lục.
Hình 3.8. Sơ đồ điều khiển chuyển động của đĩa gieo và trục cuốn
2.2.6.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố
Để xác định ảnh hưởng độc lập của các thông số vào đến các hàm chỉ tiêu của bộ phận gieo và bộ phận bón phân tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố. Với mỗi thông số vào được thay đổi ở 5 mức, ở mỗi
71
- Đồ thị vận tốc giới hạn của lỗ đĩa gần như là một đường thẳng, có thể coi trong phạm vi thay đổi nhỏ của kích thước hạt thì vận tốc vận tốc giới hạn gần như tỷ lệ bậc nhất với kích thước của hạt.
4.1.3. Mô hình xác định khả năng phân ly và giữ hạt
Việc giữ hạt trong lỗ khi hạt đã rơi xuống lỗ đĩa của đĩa gieo là rất quan trọng, vì nếu trên chiều dài cung từ vị trí lấy hạt đến vị trí nhả hạt, đặc biệt tại vị trí cửa buồng nhả hạt mà hạt bị văng ra ngoài lỗ đĩa thì sẽ bị mất khoảng. Ngược lại, tỷ lệ lỗ chứa hai hoặc nhiều hơn hai hạt quá nhiều đi vào buồng nhả hạt và được gieo thì mật độ cây sẽ tăng lên vượt quá yêu cầu. Hai hiện tượng này có các yếu tố liên quan và ảnh hưởng giống nhau lên được nghiên cứu trong nội dung này.
Hiện tượng hạt bị văng ra khỏi lỗ do nhiều nguyên nhân, trong đó các nguyên nhân chính có thể coi là:
- NN1: Trong quá trình di chuyển hạt trong lỗ chịu tác động rung động của