3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu là nhằm nghiên cứu để thu thập những thông tin sau:
- Cơ sở lý thuyết liên quan đến làm sạch và phân loại hạt (thóc).
- Thành tựu lý thuyết đã đạt được liên quan đến kỹ thuật àm sạch và phân loại hạt.
- Kết quả nghiên cứu về máy làm sạch và phân loại hạt của các đồng nghiệp đã công bố trên các tài liệu khoa học.
- Chủ trương, chính sách của Đảng và Nhà nước, của các tỉnh miền Trung về cơ giới hóa sau thu hoạch.
- Nghiên cứu số liệu thống kê về sản xuất lúa nước ở các tỉnh miền Trung. Để có đầy đủ thông tin quan trọng cần thiết cho việc thực hiện đề tài, chúng tôi đã nghiên cứu thu thập các nguồn thông tin có liên quan từ các loại tạp chí và báo cáo khoa học chuyên ngành, số liệu thống kê của các tỉnh miền Trung qua các năm gần đây, thông tin đại chúng... Từ đó phân tích, tổng hợp nhằm phát hiện và khai thác các số liệu cần thiết để phục vụ cho đề tài.
2.4.2. Phương pháp điều tra khảo sát và xử lý số liệu thống kê
2.4.2.1. Phương pháp điều tra khảo sát
Dùng phương pháp này để thu thập, xác định các thông tin về sản xuất lúa trên thế giới và ở trong nước, đặc biệt là các tỉnh ở miền Trung.
Phân tích số liệu bằng các phần mền, chương trình hồi quy Excel v.v
Xây đựng các biểu đồ, đồ thị tương quan để phân tích so sánh. Công cụ sử dụng là máy tính và các phần mềm phù hợp.
2.4.2.2. Phương pháp xử lý số liệu thống kê
Trong nghiên cứu thí nghiệm xác định các kích thước cơ bản của hạt thóc, các kết quả đo đạc đều là đại lượng ngẫu nhiên. Vì vậy, các thí nghiệm phải được lặp lại nhiều lần để đảm bảo độ tin cậy cần thiết của máy móc, thiết bị.
Xử lý bằng toán học các số liệu thí nghiệm, chính là ước lượng các giá trị của đại lượng thực nghiệm theo kết quả thu được. Mỗi kết quả đều chứa sai số chưa biết nào đó; vấn đề đặt ra là tính giá trị của chúng sao cho sai số đạt nhỏ nhất. Để đạt được điều đó trước hết cần biết tính chất cơ bản của sai số và biết cách sử dụng chúng.
Trước hết ta phải kiểm tra các điều kiện cơ bản có vi phạm không, sau đó sử dụng một số phương pháp đánh giá, loại bỏ hay giữ lại các số liệu đột biến, chủ yếu dựa vào sai số bình phương trung bình σ.
Giả sử rằng, tất cả thí nghiệm được tiến hành cùng một điều kiện và độc lập với nhau.
- Khử sai số thô khi biết :
Giả sử có giá trị đột xuất x*
nào đó trong dãy số liệu thu được, các giá trị còn lại là: x1, x2, ... xn. Giá trị trung bình cộng là:
1 2 n x x ... x x n (2.1) Lập tỷ số so sánh sau: n 1 n σ x - x* t (2.2) Tính xác suất: 1 - 2 (t)
Là xác suất cho t nhận một cách ngẫu nhiên giá trị không bé hơn t với điều kiện x* không chứa sai số thô (kết quả x* chỉ là sai số ngẫu nhiên) nếu 1 - 2 (t) rất bé, thì giá trị đột xuất x* chứa sai số thô và cần phải bỏ khi tiến hành tiếp theo các kết quả thực nghiệm.
Thông thường người ta sử dụng các mức ý nghĩa sau: α = 5%, (sai số bị khử có xác suất xuất hiện bé hơn 5%); 1%.
Nếu chọn trước giá trị α, thì:
1 - 2 (t) ≤ α ta có thể bỏ giá trị x* Và 1 - 2 (t) >α phải giữ lại giá trị x*
- Khử sai số thô khi chưa biết σ:
Khi chưa biết trước σ, ta phải tìm ước lượng gần đúng theo kết quả thực nghiệm, ta xác định sai số tiêu chuẩn sau:
2 n 1 i i x) (x 1 n 1 S (2.3) Lập tỷ số: S x - * x t
Tương ứng với n kết quả thí nghiệm chấp nhận và với P (độ tin cậy xác định nào đó) nếu:
t < t/p nào đó thì giữ lại x* t > t/p nào đó thì loại bỏ x*
Nghĩa là so sánh t với t/p kèm theo độ tin cậy P nào đó, việc loại bỏ hay giữ lại x* hoàn toàn phụ thuộc vào số lượng thực nghiệm n và độ tin cậy đặt ra từ trước P.
- Phương sai là đặc trưng quan trọng để phản ánh độ phân tán giá trị biến ngẫu nhiên xung quanh kỳ vọng, ký hiệu D(X)
Phương sai của đại lượng ngẫu nhiên rời rạc được xác định như sau:
2
σ = D(X) = E(X- μ )2
= xiμ2pi (2.4) Hay σ2= E(X2 - 2Xμ +μ2) = E(X2) - [E(x)]2 = E(X2) -μ2 = 2
i
x pi -
2
μ (2.5)
Phương sai của đại lượng ngẫu nhiên liên tục X với hàm mật độ f(x) là:
2 σ = D(X) = μ x 2f(x)dx = x2f(x)dxμ2 (2.6)
Độ lệch chuẩn hay độ lệch bình phương trung bình được tính như sau: D(X)
σ (2.7)
Trong thực tế, thường dùng độ lệch chuẩn thực nghiệm S làm chỉ tiêu đánh giá sự tán xạ của số liệu. Phương sai thực nghiệm S2 của dãy số liệu được xác định bởi: S2 = n 2 1 i i x x 1 n 1 (2.8)
Độ lệch tiêu chuẩn thực nghiệm là:
S = n 1 i 2 i x x 1 n 1 (2.9)
2.4.3. Phương pháp phỏng vấn chuyên gia
- Thu thập thông tin theo chủ đề từ các nông dân có kinh nghiệm, các thợ máy nông nghiệp, các cán bộ quản lý, các nhà khoa học có chuyên môn về máy làm sạch và phân loại hạt.
2.4.4. Phương pháp tính toán và thiết kế máy nông nghiệp
Sử dụng lý thuyết tính toán máy nông nghiệp để nghiên cứu, tính toán một số thông số chính làm cơ sở thiết kế máy làm sạch và phân loại thóc năng suất 1 tấn/giờ.
- Nghiên cứu xác định các thông số chính của sàng. - Nghiên cứu xác định các thông số chính của quạt. - Nghiên cứu thiết kế các bộ phận của máy.
CHƯƠNG 3
NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA CÂY LÚA VÀ HẠT THÓC
Lúa là loại cây rất thích hợp với điều kiện tự nhiên ở nước ta. Khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của cây lúa. Mặt khác kỹ thuật trồng lúa ở nước ta đã phát triển từ hàng nghìn năm nay, gắn liền với lịch sử đấu tranh dựng nước vào giữ nước cuả dân tộc và đã để lại cho thế hệ chúng ta những kinh nghiêm quý báu.
Hình 3.1.Cánh đồng lúa
Miền Bắc và miền Trung có 2 vụ lúa chính: vụ Đông Xuân (vụ chiêm) và vụ Hè Thu (vụ mùa). Miền Nam có 3 vụ lúa chính: vụ Đông Xuân, vụ Hè Thu và vụ mùa. Một số đặc điểm cơ lý của cây lúa và hạt như sau:
- Chiều cao cây: Tùy theo từng loại giống lúa và điều kiện chăm sóc mà chiều cao cây có sự khác nhau, thông thường từ 0,5-1,2 m. Những giống lúa cao cây dễ bị đổ. Ở điều kiện bình thường, chiều dài bông khoảng 20-25 cm, trừ một số giống lúa đặc biệt có chiều dài từ 16-18 cm.
Hình 3.2. Cây lúa - Mật độ bông trên ruộng:
Mật độ bông phụ thuộc vào giống, mùa vụ, loại đất, phương pháp gieo hay cấy, điều kiện chăm sóc và thường thay đổi trong khoảng 600-800 bông/m2.
- Tốc độ chín:
Tốc độ chín là khoảng thời gian kể từ khi lúa bắt đầu chín đến khi chín hoàn toàn, nó hoàn toàn phụ thuộc vào mùa vụ và giống lúa. Thông thường vụ mùa chín nhanh hơn vụ chiêm khoảng 2 ngày. Các giống lúa ngắn ngày có thời gian chín khoảng 6-7 ngày, các giống lúa dài ngày có thời gian chín khoảng 10-12 ngày. Khi lúa chín hoàn toàn, hạt có màu vàng óng, độ ẩm giảm xuống và hạt dễ rụng. Dựa vào đó người ta chọn thời điểm thu hoạch cho thích hợp, vừa tránh được rơi vãi, vừa đảm bảo chất lượng lúa và thuận lợi cho công việc thu hoạch.
Hình 3.4. Thóc sau khi thu hoạch
- Kích thước và trọng lượng của hạt:
Tùy thuộc vào giống lúa và các điều kiện chăm sóc mà hạt lúa có chiều dài khoảng từ 7- 10 mm, rộng khoảng 3-5 mm, dày khoảng 2-2,5 mm. Trọng lượng của 1000 hạt của các giống lúa hiện đang trồng phổ biến ở Việt Nam vào khoảng 22 - 29 gam.
- Tỷ lệ hạt trên rơm (về trọng lượng). Tỷ lệ hạt trên rơm phụ thuộc vào giống lúa, điều kiện sinh trưởng và độ cao khi cắt cây, thông thường thay đổi khoảng 1/1,15 - 1/1,25.
- Độ ẩm của khối lúa và hạt thóc:
Độ ẩm của khối lúa và hạt thóc phụ thuộc vào mùa vụ, thời tiết, thời gian thu hoạch trong ngày. Thông thường độ ẩm của rơm nằm trong khoảng 65-75 %, của hạt thóc khoảng 22 -30 %.
- Hệ số ma sát của khối thóc với các vật liệu khác nhau:
Hệ số ma sát có 3 loại: Hệ số ma sát tĩnh, hệ số ma sát động và các hệ số ma sát nội tại. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của nhiều nhà khoa học đã cho thấy: Hệ số ma sát tĩnh của vật liệu thép lá sơn với bông lúa mới cắt là 0,39. Hệ số ma sát động của thép lá sơn với cây nguyên gốc là 0,37, với cây xếp dải là 0,5, với bông lúa là 0,39, với rơm là 0,38. Đối với thép mạ kẽm có các giá trị tương ứng là 0,41; 0,31; 0,34; 0,28; 0,30. Còn hệ số ma sát nội tại được xác định bằng góc nghiêng tự nhiên của vật liệu. Trên thực tế, hệ số ma sát nội tại ảnh hưởng rất nhỏ so với hệ số ma sát tĩnh và hệ số ma sát động.
- Lực liên kết của hạt với bông:
Lực liên kết của hạt với bông biểu thị bằng lực rứt hạt ra khỏi bông. Lực này phụ thuộc từng giống lúa, từng cây và phụ thuộc vào vị trí trên bông, nhưng thường dao động trong khoảng 116G -139G. Lực rứt hạt lớn nhất ở phần gốc bông, sau đó đến phần giữa bông và giảm dần ở phần ngọn bông
- Độ bền các phần của cây lúa
Nghiên cứu độ bền các phần của cây lúa trong điều kiện tĩnh được tiến hành trên thiết bị khảo nghiệm có bộ phận đo tải trọng. Kết quả cho thấy rằng: Quan hệ giữa lực và biến dạng khi kéo cây và bông lúa là quan hệ bậc nhất. Quan hệ giữa lực bền kéo (lực rứt) với tiết diện ngang của cây và bông cũng là quan hệ bậc nhất. Đối với cây lúa có độ ẩm 59,3%, khi tiết diện ngang của thân cây là 8,48 mm2 thì lực rứt cần là 18,02 N; tiết diện ngang của bông là 1,43 mm2 thì lực rứt cần là 4,4 N.
- Độ rạn nứt và gãy vỡ hạt
Một số hạt ngay khi còn nằm trên cây đã có những vết nứt ngầm. Nguyên nhân của hiện tượng này là do dao động của chế độ nước ở thời kỳ sinh trưởng của cây lúa, đặc biệt là thời kỳ lúa chín, đồng thời do dao động của nhiệt độ và độ ẩm của không khí ở thời kỳ thu hoạch. Khi thu hoạch lúa khô gây rạn nứt và vỡ hạt nhiều, ảnh hưởng xấu đến khả năng nảy nầm của hạt và chất lượng thóc hàng hóa. Điều này, có thể hạn chế được bằng việc lựa chọn thời điểm thu hoạch và chế độ hoạt động của bộ phận đập thích hợp.
- Năng lượng tách hạt khỏi bông
Để tách hạt ra khỏi bông, cần phải tiêu tốn một công nhất định. Khi nghiên cứu bộ phận đập lúa, ta thấy rằng, phần lớn hạt được tách ra khi vận tốc đập từ 16 - 20 m/s. Trung bình công chi phí để đập làm tách một hạt ra khỏi bông là :
A = 4,9 N.cm đối với hạt khó rụng A = 3,4 N.cm đối với hạt trung bình A = 2,5 N.cm đối với hạt dễ rụng
Nếu tách hạt bằng phương pháp tuốt thì công chi phí tách hạt giảm đi vài lần
3.2. YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA MÁY LÀM SẠCH VÀ PHÂN LOẠI THÓC
Nhiệm vụ của máy làm sạch và phân loại hạt là loại bỏ những tạp chất vô cơ, tạp chất hưu cơ và các hạt lép, lửng và hạt còn xanh ra khỏi hỗn hợp khối hạt bằng cách dùng sàng kết hợp sức gió của quạt. Vì vậy, máy phân loại và làm sạch thóc phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật sau:
- Có năng suất cao và mức tiêu thụ năng lượng riêng thấp. - Hiệu quả làm sạch và phân loại cao.
- Kết cấu vững chắc, độ bền cao và ít rung động. - Sử dụng, chăm sóc và bảo dưỡng dễ dàng.
- Máy có tính vạn năng, nghĩa là không chỉ làm sạch và phân loại được thóc, mà còn có thể làm sạch và phân loại được các hạt lương thực khác.
3.3. LỰA CHỌN SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MÁY LÀM SẠCH VÀ PHÂN LOẠI THÓC LOẠI THÓC
3.3.1. Cơ sở để lựa chọn nguyên lý máy làm sạch và phân loại thóc
Để chọn mô hình máy, ta tiến hành khảo sát xác định các thông số của hỗn hợp thóc. Từ đó, sẽ chọn phương pháp làm sạch và phân loại phù hợp. Vì máy chủ yếu làm sạch và phân loại thóc nên ta chọn các loại thóc được trồng phổ biến ở miền Trung để khảo sát, như: Khang dân, IR 38, 13/2, 4B, Xi23, X21, IR 17494. Hạt thóc có 3 kích thước cơ bản: chiều dài, chiều rộng, chiều dày (hình 3.10). Kết quả khảo sát kích thước cơ bản của hạt các loại thóc đang sản xuất phổ biến ở miền Trung được thể hiện trong bảng 3.1.
a
b
Hình 3.5. Kích thức cơ bản của hạt thóc
a. Chiều dài, b. Chiều rộng, c. Chiều dày
Bảng 3.1. Kích thước cơ bản của hạt các loại thóc đang sản xuất phổ biến ở miền Trung
Loại thóc Dài (mm): a Rộng (mm): b Dày (mm): c
Khang dân 7,845 2,221 1,874 IR 38 9,037 2,419 1,942 13/2 8,442 2,637 2,204 4B 8,036 2,276 1,969 Xi23 8,511 2,323 1,840 X21 8,740 2,447 1,840 IR 17494 8,280 2,350 1,800
Lượng tạp chất chứa trong thóc nguyên liệu là khác nhau. Thóc mặc dù đã làm sạch sơ bộ bằng máy đập, tuy nhiên khả năng làm sạch của máy đập còn hạn chế, đồng thời nó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Độ ẩm của thóc khi đập, loại thóc,…
Thường tạp chất trong thóc gồm hai loại là tạp chất nặng và tạp chất nhẹ: Tạp chất nặng như đất, đá, vỏ cua, vỏ ốc,… Lượng tạp chất này chiếm khoảng 1% tổng lượng tạp chất. Kích thước của chúng thường lớn hơn kích thước của thóc, hoặc là những mảnh vụn có hình dạng phức tạp. Để tách các tạp chất nặng ra khỏi hỗn hợp thóc, ta có thể phân loại theo tính chất động học, theo kích thước hoặc theo trọng lượng riêng.
Tạp chất nhẹ gồm hạt lép, lửng chiếm khoảng 90% tổng lượng tạp chất. Còn các bộ phận thân và hạt cỏ chiếm khoảng 9% tổng lượng tạp chất. Các hạt cỏ có khối lượng và kích thước nhỏ hơn hạt lúa nhiều lần, còn rơm rạ và thân cây cỏ có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau. Do đó, để tách các hạt cỏ, rơm rạ… ra khỏi hỗn hợp ta có thể dùng phương pháp phân loại theo kích thước hoặc phân loại theo tính chất khí động. Hạt lép, lửng chiếm phần lớn tạp chất nên việc tách hạt lép, lửng ra khỏi hỗn hợp thóc là công việc chủ yếu của máy làm sạch và phân loại hạt
Dựa vào kết quả khảo sát ở bảng 3.1, ta thấy có thể tách hạt lép, lửng ra khỏi hỗn hợp theo các phương pháp sau:
- Tách hạt lép, lửng ra khỏi hỗn hợp bằng phương pháp phân loại theo kích thước. Vì chiều dày nhỏ nhất của hạt chính lớn hơn chiều dày lớn nhất của hạt lép