Sử dụng một số phần mềm hỗ trợ thiết kế, mô phỏng thiết kế như Mechanical Desktop, Autodesk Inventor. Trong các phần mềm này cung cấp các công cụ cần thiết để thực hiện các dự án thiết kế, từ việc vẽ phác thảo ban đầu cho đến việc hình thành các bản vẽ kỹ thuật cuối cùng (tạo các mô hình 3D, các bản vẽ 2D, tạo các bản vẽ chi tiết và bản vẽ lắp). Trong quá trình thiết kế sau khi thiết kế xây dựng mô hình ta có thể kiểm tra tính toán lại độ bền của chi tiết, đồng thời ta có thể mô phỏng động quá trình làm việc của máy.
Sau khi tính toán thiết kế sơ bộ cho đến quá trình kiểm tra lại để chỉnh sửa đưa ra được thiết hoàn thiện nhất phần mềm Autodesk Inventor còn có thể linh với các phần mềm khác như AutoCAD và đặc biệt là nó có thể xuất dữ liệu trực tiếp cho các máy công cụ để chế tạo như CNC
Việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu trên đây sẽ được trình bày cụ thể ở các chương tiếp theo khi tiến hành nghiên cứu từng nội dung.
Chương 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÁY TRỒNG DỨA
Mục đích của chương này là xây dựng cơ sở lý thuyết cho quá trình làm việc của bộ phận trồng (bộ phận xuống chồi) và một phần của việc nghiên cứu, khảo sát vận tốc quay của bánh xe tựa đồng, từ đó xác định được quỹ đạo chuyển động của tay kẹp khi trồng và cũng trên cơ sở đó ta xác định được độ trượt của bánh xe trồng khi máy làm việc.
Phương pháp chung để nghiên cứu nội dung này là dựa vào nguyên lý chuyển động quay có trượt và không trược của bộ phận xuống chồi và của bánh xe tựa đồng, sử dụng phương pháp phân tích lực và giải tích, từ đó khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến đại lượng nghiên cứu [8].
Nội dung nghiên cứu lý thuyết gồm có các vấn đề sau:
- Nghiên cứu, khảo sát quỹ đạo của bộ phận xuống chồi (đĩa quay).
- Nghiên cứu quá trình làm việc của đĩa quay và từ việc xác định quỹ đạo của đĩa quay ta xác định các thông số cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của máy trồng dứa.
3.1. Khảo sát động học và động lực học của máy trồng dứa 3.1.1. Nghiên cứu, khảo sát quá trình làm việc của đĩa quay
Qua những phân tích và lựa chọn nguyên lý làm việc của bộ phận xuống cây do chồi dứa có tính chất cơ lý khá cứng và không có bầu đất nên đã chọn kiểu tay trồng dạng tay kẹp. (hình 3.1).
Hình 3.1 Mô phỏng hình vẽ bộ phận xuống chồi dạng tay kẹp
Cấu tạo bộ phận này bao gồm một đĩa tròn quay trên trục. Trên đĩa có khoan các lỗ, lượng lỗ trên đĩa đó thuận lợi cho ta có thể thay đổi số tay kep trên đĩa tùy vào khoảng cách và giống của cây trồng, máy này ta bắt 10 tay kẹp. Bộ phận xuống chồi có đường kính làm việc d = 850 mm, Chu vi P = π*d = 3.14* 850 = 2669 mm. Như vậy khi quay khoảng cách giữa 2 chồi dứa trên tay kẹp liền kề là 267 mm. Vậy để đạt được khoảng cách cây 350- 400 mm cần phải giảm tốc bộ phận xuống chồi với tỉ lệ là 1.3-1.5 lần.
Công nhân đưa cây non vào bộ phận kẹp khi tay kẹp đi gần tới cung dẫn hướng. Trong quá trình bộ phận kẹp tựa vào cung dẫn hướng cây non được giữ trong bộ phận kẹp. Khi bộ phận kẹp ra khỏi cung dẫn hướng, bộ phận kẹp sẽ tự động nhả cây non vào rãnh trống đã được rạch sẵn. Bộ phận lấp đất sẽ lấp đất và nén đất vào gốc cây.
Đĩa quay có gắn tay kẹp được sắp đặt trong cơ cấu xuống chồi của máy, nó có nhiệm vụ cùng với tay kẹp vận chuyển chồi dứa đi xuống và thả xuống rãnh tại vị trí với thời điểm hợp. Tuy nhiên quá trình làm việc của nó ảnh hưởng lớn đến
khoảng cách cây sau khi trồng, độ nghiêng của cây vì có ảnh hưởng đến thời điểm lấp đất. Vì vậy ta cần nghiên cứu kỹ về quá trình làm việc cũng như quỹ đạo chuyển động của nó.
Để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu, ta xem và mô hình hóa bộ phận xuống chồi, gọi chung là đĩa quay (gồm đĩa quay và trên đó có gắn 10 tay kẹp) như một bánh xe chuyển động trên mặt đồng. Lý thuyết động học về nó cũng không quá phức tạp. Quá trình làm việc nó có thể lăn theo 03 hình thức sau [8]:
- Thứ nhất, đĩa quay lăn không trượt và không quay trượt. Trong sự lăn đó thì đoạn đường mà đĩa quay đĩa quay đi qua bằng chiều dài cung vòng tròn đĩa quay, tương ứng với góc quay của nó trên đoạn đường đã đi qua, nghĩa là đoạn đường đã đi qua S = 2 π r n = r. α.
Ở đây r là bán kính đĩa quay (bộ phận xuống chồi có D= 850 mm); α = 2 π n là góc quay của đĩa quay trên đoạn đường S.
n số vòng quay của đĩa quay trên đoạn đường S.
- Thứ hai, đa số đĩa quay lăn có trượt. Khi đĩa quay lăn có trượt, thì sau khi quay được một góc α nào đó, nó sẽ đi qua một đoạn đường lớn hơn chiều dài vòng cung tròn của đĩa quay, tương ứng với góc quay đó của đĩa quay trên đoạn đường đã đi qua. Nếu α được đo bằng radian, thì đoạn đường đã đi qua S > r. α, hay là S > 2 r n.
- Thứ ba, đĩa quay lăn có quay trượt: khi đó mà đoạn đường mà đĩa quay đi qua sẽ nhỏ hơn chiều dài cung vòng tròn của đĩa quay, tương ứng với góc quay của nó trên đoạn đường đã đi qua, nghĩa là đĩa quay mất đi một phần đoạn đường S < 2 π r n, nghĩa là S < r. α
Hiện tượng rút ngắn đoạn đường đã đi qua gọi là hiện tượng quay trượt. V.P Gơriatskin qua sự xác định đơn giản đã đồng ý rằng, trong khi quay có trượt, bánh xe trượt theo đáy vết bánh về phía trước, còn trong khi quay trượt bánh xe trượt về phía sau. Thực tế hiện tượng kéo dài hoặc rút ngắn đoạn đường có liên quan với sự biến dạng của đất trong khi tạo thành vết bánh.
Trường hợp khảo sát ở đây, qua thực tế ta xem bộ phận xuống chồi có hiện tượng quay trượt. Trường hợp đó xảy ra khi đoạn đường mà đĩa quay (bộ phận xuống chồi) khác chiều dài cung vòng tròn của đĩa quay, tương ứng với góc quay của nó trên đoạn đường đã cho S 2 π r n
Nghĩa là S r. α
Ta xét xem trục quay tức thời của đĩa quay ở chỗ nào, nghĩa là ta khảo sát chuyển động của đĩa quay đối với mặt đất đứng yên.
Đĩa quay trong khi lăn không trượt và quay không trượt trong chuyển động tuyệt đối của mình nó không quay chung quanh trục của bản thân, mà quay quanh trục quay tức thời, trục này đi ngang qua đầu dưới đường kính tựa của nó. Trong khi đĩa quay, trục quay tức thời của nó chuyển dịch tương ứng với đĩa quay theo vòng tròn của nó, tương ứng với đáy của đĩa quay (tại điểm xuống chồi – ta xem tại đây là điểm tiếp xúc tức thời của đĩa quay với mặt đất), nghĩa là tương ứng với mặt phẳng lăn, trục quay tức thời đó dịch chuyển với tốc độ dịch chuyển của đĩa quay trên mặt phẳng tại điểm xuống chồi.
Sự hiểu biết về vị trí của trục quay tức thời cho phép giải quyết vấn đề đối với hướng của vận tốc thẳng của bất cứ một điểm nào của đĩa quay.
Ta chú ý đến những điểm nằm trên vòng tròn của đĩa quay tại các tay kẹp. Để đĩa quay quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, tại thời điểm người thợ thả chồi dứa vào tay kẹp, tay kẹp đi qua cung hướng dẩn ta thấy có tác lực tác dụng cơ bản sau:
- Trị số vận tốc thẳng Va, khi đó Va = r.; P: trọng lượng của chồi dứa; Với là vận tốc góc của đĩa quay.
- Lực ma sát giữa má tay kẹp và cung hướng dẫn (xem trên hình 3.4)
3.1.2. Nghiên cứu, khảo sát quỹ đạo chuyển động của đĩa quay: - Ảnh hưởng của đường kính qua 2 tay kẹp đối diện.
Xem xét quỹ đạo chuyển động của đĩa quay để xác định sự ảnh hưởng của thông số đường kính qua 02 tay kẹp đối diện trên đĩa quay đối với chất lượng làm việc của máy trồng dứa, ta thấy:
Khi đĩa quay làm việc, diễn ra quá trình tay kẹp kẹp chồi dứa khi bắt đầu và đi qua cung dẫn hướng khi qua khỏi cung dẫn hướng bộ phận kẹp sẽ tự động nhả chồi dứa vào rãnh trống đã được rạch sẵn. Bộ phận lấp đất sẽ lấp đất và nén vào gốc. Đặc trưng của quá trình này là bộ phận tay kẹp không cần phải tiếp xúc với mặt đất mà nó có nhiệm vụ kẹp và nhả cây đúng vào vị trí quy định.
Theo [11], đại lượng x = 2 (x1 + x2) đặc trưng cho khoảng cách của 02 chồi dứa trên 01 hàng sau khi trồng.
Quỹ đạo chuyển động của 02 điểm (1) và (2) có hình dạng như hình vẽ và có phương trình chuyển động như sau: chỉ xét tại điểm (1).
y1 = (1-1) rb - rb cos1
Hình 3.2 Quỹ đạo chuyển động của một tay kẹp
(1) Quỹ đạo chuyển động của đỉnh tay kẹp (2) Quỹ đạo chuyển động của chân tay kẹp (3) Sơ đồ một tay kẹp (minh họa)
rm : bán kính chân tay kẹp r0 : bán kính đỉnh tay kẹp
Khi y1 = 0 ; ta có 1 = arccos(1- 1)
Trong đó: 1 - Độ trượt của bộ phận lắp đĩa quay; 1 - Góc quay của đĩa quay.
Từ đó tính được x1 = (1-1) arccos(1-1).r0 – r0sin[arccos(1-1)] (3-1) Giá trị của x2 là x2 = rm . (3-2) Trong đó:
rm - bán kính tính từ tâm trục đĩa quay đến chân của tay kẹp. - Góc quay tương ứng với bề rộng tay kẹp.
Như vậy ta có x = 2(x1 + x2)
x = 2[(1-1) arccos(1-1).r0 – r0sin[arccos(1-1)] + rm . ] (3-3) Từ (3-3) tính toán giá trị x của đĩa quay tại một vị trí tay kẹp, ta thấy: độ lớn giá trị x trong cơ cấu đĩa quay có gắn tay kẹp của chồi dứa (thể hiện qua khoảng cách của 02 chồi dứa sau khi trồng trên một hàng) phụ thuộc vào đường kính qua 02 tay kẹp đối diện trên đĩa quay và độ trượt của đĩa quay.
* Kết luận: Trong quá trình làm việc đĩa quay (tay kẹp và thanh gắn tay kẹp) không tiếp xúc với đất, khi chế tạo bộ phận truyền động để lắp đĩa quay là cơ cấu xích nên ta xem độ trượt trong quá trình làm việc của đĩa quay là không đáng kể (1 = 0) . Vậy đường kính qua 02 tay kẹp đối diện trên đĩa quay (thông qua trị số r0
và rm) sẽ là yếu tố ảnh hưởng nhiều đến khoảng cách của 02 chồi dứa trên 01 hàng sau khi trồng.
- Ảnh hưởng của độ trượt đến quá trình làm việc của đĩa quay.
Xem xét quỹ đạo chuyển động của đĩa quay để xác định sự ảnh hưởng của thông số độ sâu của chồi dứa sau khi trồng (được xác định qua độ trượt và đường kính qua 02 tay kẹp đối diện trên đĩa quay), [11] ta nhận thấy:
Qua thực nghiệm và xem xét kết quả hoạt động của máy khi sản xuất thử, nhận thấy: chất lượng làm việc (trồng) của máy tương đối tốt; trong đó độ sâu trồng khá đảm bảo để chồi dứa sinh trưởng và phát triển tốt sau này. Từ thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết xác định: Quỹ đạo chuyển động của tay kẹp trong quá trình làm việc cũng ảnh hưởng nhiều đến độ sâu của chồi dứa sau khi trồng.
Hình 3.3Quỹ đạo chuyển động của 2 tay kẹp liền nhau
y0 : giá trị của tung độ tác dụng khi 0
yk1: giá trị tung độ tính từ điểm cắt nhau của quỹ đạo đỉnh tay kẹp đến tâm quay tức thời của đĩa tay kẹp.
yk2: giá trị tung độ tính từ điểm cắt nhau của quỹ đạo chân tay kẹp đến tâm quay tức thời của đĩa tay kẹp (thể hiện ở hình 3.2).
Bộ phận rạch đất sau khi rạch ta có khoảng cách h1. Xét quỹ đạo của 02 tay kẹp kề nhau trong quá trình làm việc ta có:
- Trọng lượng của chồi dứa q (kg).
- Qua xem xét ta thấy: Các điểm giao của quỹ đạo một tay kẹp có quan hệ chặt chẽ với độ sâu của chồi dứa sau khi trồng. Để đảm bảo yêu cầu trên thì:
h1 – (y0+yk) 0 (3-4) hay 1 0 1 y y h k
Trong đó: h1 chiều sâu phần đất được rạch; y0 – Giá trị của tung độ tác dụng khi = 0
yK = 2 2 1 y yK K ; (3-5)
Với: yK1 - Giá trị tung độ tính từ điểm cắt nhau của quỹ đạo đỉnh tay kẹp đến tâm quay tức thời của đĩa tay kẹp;
YK2 - Giá trị tung độ tính từ điểm cắt nhau của quỹ đạo chân tay kẹp đến tâm quay tức thời của đĩa tay kẹp.
Xác định như ở phần 3.1. ta có: (1-). Rb – rb . sin = 0 Hay (1-) = sin
Giải phương trình trên dùng đồ thị. Thay giá trị trong phương trình ta có: y = (1- ). rb – rb cos Khi = 0 ; có y0 = (1- ).rb – rb = - .rb Khi 0 ; có yK1 = (1-K1) . rb – rb . cos[f(K1)] = rb [(1-K1) – cos[f(K1)] YK2 = (1-K2). Rm – rmcos[f(K2)] = rm [(1-K2) - cosf(K2)] y0 + yK = . rb + 2 rb{1-[K1 + cos[f(K1)]} + 2 rm{1-[K2 + cosf(K2)]} (3-6) Qua hình vẽ ta xác định:
- Việc xác định y0; yK sẽ xác định được độ sâu của chồi dứa sau khi trồng Giá trị y0, yK phụ thuộc vào độ trượt của tay kẹp ở chân, đỉnh và bán kính khi làm việc.
- Theo lý thuyết tính toán máy kéo đối với việc kéo các bộ phận công tác (bộ phận xới, bộ phận gieo trồng…) thì độ lớn của y0, yK phụ thuộc vào cỡ máy kéo 0,6T; 0,9T; 1,4T. Theo [11], giá trị y0; yK xác định theo (phụ lục 2).
Qua thực tế và để thuận tiện cho việc tính toán ta xác định h1 bằng khoảng cách từ mặt đất đến đường kính đỉnh của tay kẹp.
Kết luận: Do đặc điểm của bộ phận công tác (bộ phận trồng trên máy trồng cây) được kéo từ máy kéo nông nghiệp, vì vậy độ trượt trong quá trình làm việc cũng bị ảnh hưởng như đã phân tích ở trên. Việc xác định được độ trượt ( ) sẽ giúp nghiên cứu và xác định độ sâu khi trồng thích hợp hơn.
3.1.3. Nghiên cứu, khảo sát tốc độ quay của bộ phận xuống chồi và góc cặp chồi dứa:
- Nghiên cứu, khảo sát tốc độ quay của bộ phận xuống chồi
* Phương trình động lực học của đĩa quay:
Hình 3.4 Lực tác dụng trên một tay kẹp lúc làm việc
Như phần trên đã đề cập khi đĩa quay làm việc, tại thời điểm tay kẹp bắt đầu đi qua cung hướng dẫn (tại A) sẽ có những lực tác dụng như sau:
- Trọng lực của chồi dứa P;
- Lực ma sát (Fms) của tay kẹp và cung hướng dẫn; - Phản lực tác dụng theo phương tiếp tuyến T; - Va Vận tốc theo phương quay của đĩa.
n X 1 1 = - p. cos(900-) – T + Fms n Y 1 1 = N – P.cos n M 1 1 = V.
Khi làm việc trên đĩa quay có gắn 10 tay kẹp, khi tay kẹp thứ nhất bắt đầu qua điểm A thì miệng của tay kẹp kẹp lại, lúc này người công nhân đưa chồi dứa đồng thời vào tay kẹp; khi qua cung hướng dẫn thì tay kẹp nhả ra và chồi dứa sẽ rơi (tự do theo trọng lực chồi dứa) vào rãnh đất đã vạch sẵn và bộ phận lấp đất sẽ lấp đất đồng thời. Lúc này tay kẹp tay kẹp thứ 2 sẽ thực hiện theo đúng quy trình trên cho chồi dứa thứ 2 trên cùng một hàng.
Xét phương trình chuyển động tại điểm A:
Theo hình vẽ 11 ta có phương trình quỹ đạo của một điểm trên tay kẹp là: Trong hệ toạ độ xOy ta có:
x = x0 – Rsin
y = y0 + P.cos
Trong đó: x0; y0 là tọa độ của điểm O, tâm trục quay của đĩa có gắn tay kẹp.
- là góc cặp chồi dứa.
Đạo hàm 02 vế phương trình trên ta được vận tốc của một điểm trên tay kẹp