Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

1.1.1 .Quy trình cơng nghệ canh tác cây khoai lang

2.5. Phương pháp nghiên cứu

2.5.1. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

2.5.2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Xây dựng các cơng thức tốn học tính tốn năng suất, chi phí năng lượng riêng và độ sót khoai sau thu hoạch của máy dũ khoai lang trên cơ sở

26

tham khảo, phân tích tài liệu liên quan kết hợp với tính tốn lý thuyết cũng như tham khảo ý kiến của các chuyên gia.

2.5.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm a. Quy hoạch hóa thực nghiệm đơn yếu tố a. Quy hoạch hóa thực nghiệm đơn yếu tố

Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố nhằm xác định mức độ ảnh hưởng riêng từng yếu tố đến một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của máy dũ khoai lang.

Nguyên tắc chung của phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố là: Cố định các yếu tố khác, thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hưởng của yếu tố biến thiên đó tới thơng số mục tiêu, qua đó thăm dị được khoảng nghiên cứu cho phép của mỗi yếu tố và các ảnh hưởng tới giá trị cực trị của thông số mục tiêu.

b. Quy hoạch hóa thực nghiệm đa yếu tố

Trong lĩnh vực cơ khí nơng nghiệp như thiết kế, chế tạo, sử dụng hay thử nghiệm, phương pháp quy hoạch hố thực nghiệm đa yếu tố đóng vai trị hết sức quan trọng. Nhờ có phương pháp này ta giảm bớt được khối lượng thí nghiệm, xác định được mức độ ảnh hưởng đầy đủ các yếu tố, để từ đó tìm ra được lời giải tối ưu cho quá trình nghiên cứu.

Quy hoạch thực nghiệm được thực hiện theo nguyên tắc “hộp đen” nghĩa là đối tượng nghiên cứu là phần đóng kín “hộp đen” trong đó diễn ra những q trình mà nghiên cứu khoa học khơng thể biết được.

Trong đó:

X(t) - Các yếu tố có thể kiểm tra và điểu khiển được

Z - Các yếu tố có thể kiểm tra được nhưng không điều khiển được. E - Các yếu tố không kiểm tra, điều khiển được (các yếu tố nhiễu)

X(t) ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Z E yn y1 y2

27

y1, y2,... yn : Các thơng số đầu ra

Do đó xây dựng mơ hình tốn học diễn tả tương quan giữa các tham số đầu vào (yếu tố vào) với tham số đầu ra (tham số ra) là nội dung chính của quy hoạch thực nghiệm.

Để thực hiện được nội dung trên, thường phải tiến hành một loạt các bài toán kế tiếp nhau mà ta gọi là các bước (hay các giai đoạn) sau:

Bước 1: Chuẩn bị thiết bị, máy và dụng cụ cho thí nghiệm.

Bước 2: Xây dựng nội dung thí nghiệm (giai đoạn tiền thực nghiệm). Bước 3: Chọn phương án thích hợp cho thực nghiệm.

Bước 4: Tổ chức thực nghiệm.

Bước 5: Gia công số liệu thực nghiệm.

Bước 6: Phân tích và giải thích kết quả nhận được bằng thuật ngữ của

các lĩnh vực khoa học tương ứng.

c. Phương pháp giải bài toán tối ưu

Sau khi xác định được các phương trình dạng thực của các hàm mục tiêu, chúng tơi tiến hành giải bài tốn tối ưu.

Mục đích của việc giải bài tốn tối ưu là xác định các thơng số tối ưu của máy, kết quả tính tốn đạt được là cơ sở để thiết kế hoàn thiện máy.

Giải bài tốn tối ưu đa mục tiêu có nghĩa là cùng một lúc phải xét đồng thời cực trị của nhiều hàm mục tiêu. Thông thường các mục tiêu đặt ra trong bài toán tối ưu thường dẫn đến kết quả mâu thuẫn nhau. Muốn đạt được giá trị tối ưu của một chỉ tiêu nào đó phải trả giá bằng tổn thất đối với các chỉ tiêu khác. Nên vấn đề chính cần giải quyết ở bài tốn này là làm thế nào để tìm được sự thỏa hiệp giữa các mục tiêu khác nhau. Phương pháp thường dùng để giải bài toán đa mục tiêu là chuyển về bài tốn một mục tiêu thơng qua một phiếm hàm mục tiêu (F(xi) min) nào đó cùng với các điều kiện ràng buộc. Có các phương pháp chuyển như sau, [1],[9]:

28

- Phương pháp thứ tự ưu tiên.

- Phương pháp trao đổi giá trị phụ (phương pháp nhân tử Lagrăngiơ). - Phương pháp hàm trọng lượng.

* Phương pháp thứ tự ưu tiên

Đây là phương pháp đầu tiên (theo lịch sử của bài toán). Nội dung là trong số các mục tiêu dạng (1) chỉ chọn lấy một chỉ tiêu quan trọng nhất, chủ yếu nhất (theo một quan điểm nào đó), ví dụ Y1, còn các chỉ tiêu khác được coi như những điều kiện giới hạn. Bài tồn dẫn đến việc tìm cực trị của một chỉ tiêu Y1 trong khi đảm bảo các giá trị giới hạn của các chỉ tiêu cịn lại (tức bài tốn tối ưu có điều kiện).

Theo phương pháp này mức độ chính xác của bài tốn phụ thuộc vào việc chọn tiêu chuẩn chính và giới hạn của các tiêu chuẩn khác. Để xếp hạng thứ tự các tiêu chuẩn theo mức độ quan trọng và ý nghĩa của nó, thường phải tiến hành dò ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu. Tất nhiên cũng khơng thể tránh khỏi những sai sót do những nhận định chủ quan.

Để có lời giải chính xác hơn Straubel nêu ra trình tự tính tốn ưu tiên như sau:

Các hàm mục tiêu Y1 được sắp xếp theo thứ tự quan trọng: YR1, YR2,…., YRm và bài toán được giải theo trình tự:

- Tối ưu bước 1: Giải bài toán: YR1 (Xi) → min , (2.1) Với Gk (Xi) ≥ 0 (2.2) Xi,min ≤ Xi ≤ Xi,max (2.3) Kết quả được Y’ R1 = YR1(Xi)

- Tối ưu bước 2: Để hàm YR2 đạt tối ưu thì hàm YR1 phải chịu tổn thất R1 nhất định, nên ta có bài tốn:

29

Với YR1 = Y’ R1 + R1 (2.5) Xi,min ≤ Xi ≤ Xi,max (2.6)

Nếu R1 chọn chưa thỏa đáng, có thể hiệu chỉnh lại cho đến khi tìm được lời giải mong muốn và chuyển sang bước tiếp theo.

- Tối ưu bước k: Tương tự các bước trên, ta có bài tốn: YRk(Xi) → min , (2.7) Với YR1 = Y’ R1 + R1 YR2 = Y’ R2 + R2 ………………… YRk-1 = Y’ Rk-1 + Rk-1 (2.8) Xi,min ≤ Xi ≤ Xi,max

Cho đến bước thứ m ta tìm được lời giải của bài tốn.

* Phương pháp hàm trọng lượng (phương pháp tối ưu tổng quát kiểu tổng)

Nếu các tiêu chuẩn tối ưu có cùng số đo, có thể thành lập tiêu chuẩn tối ưu kiểu tổng như sau :

   m j Y 1 αjYj (2.9)

Ở đây αj – là trọng lượng ưu tiên (độ nặng) đánh giá mức độ quan trọng tương đối của tiêu chuẩn j, chúng phải có điều kiện :





m

j 1

αj = 1 (2.10)

Việc chọn các giá trị cụ thể của αj có thể tiến hành bằng phương pháp xếp hạng, tương tự như đối với các tiêu chuẩn Yj ở mục 3.1.

Giải bài toán với hàm mục tiêu tổng    m j Y 1 αjYj → min, (2.11)) Cùng các điều kiện (2.2), (2.3) đã nêu.

Ghi chú : có thể biến đổi các tiêu chuẩn Yj về cùng số đo bằng cách đưa chúng về dạng khơng có số đo : Yj / Y0j.

30

* Phương pháp trao đổi giá trị phụ ( Phương pháp phân tử Lagrăngiơ )

Từ các biểu thức của hàm mục tiêu (2.1), cùng điều kiện giới hạn (2.3) và điều kiện ràng buộc (2.2), mơ hình tốn học của bài tốn có dạng như sau, [1]:

max min 2 1 2 1 0 ) ,...., , ( min max, ) ,...., , ( i i i n k n j j x x x x x x g x x x f Y      (2.12)

Đó là mơ hình tổng qt của bài tốn tối ưu, ta có thể giải nó bằng phương pháp trao đổi giá trị phụ.

Phương pháp trao đổi giá trị phụ do Haimes đề xướng vào năm 1955 để giải các bài toán tối ưu đa mục tiêu. Theo Haimes bài toán tối ưu đa mục tiêu được đưa về bài toán một mục tiêu như sau:

min

1 

Y với Yj(xi)j với j 1 (2.13) Và hàm mục tiêu được biểu diễn qua phiếm hàm Lagrăngiơ dạng tổng:

) ) ( ( ) ( ) , ( 1 1 j m j j i Y x Y x x F      ; với j 1 (2.14) Trong đó: ij gọi là nhân tử Lagrăngiơ, có ý nghĩa như hàm trao đổi.

ij j F Y     với x X và j 0 (2.15)

Tại điểm tối ưu thì Y1(x*)F(x*,*) và 0; 0      ij i F x F  (2.16) Do đó giải hệ (m+n) phương trình:                  m j Y n i x F j j i ,..., 2 , 1 ; 0 ,..., 2 , 1 ; 0  (2.17)

Đối với các ẩn xi,ji sẽ tìm được giá trị * * 2 *

1,x ,...,xn

x xác định cực trị của hàm mục tiêu tổng F.

d. Phương pháp thực nghiệm đo đạc và xử lý số liệu

31

Chi phí năng lượng của liên hợp máy được xác định thông qua việc đo đồng thời hai thông số là mô men xoắn và tốc độ tại các bán trục chủ động của máy kéo. Nhưng do điều kiện không cho phép đo đạc trực tiếp nên chúng tơi đánh giá chi phí năng lượng của liên hợp máy khi làm việc một cách gián tiếp thông qua lượng nhiên liệu mà liên hợp máy tiêu thụ trong khoảng thời gian một giờ làm việc cùng với suất tiêu hao nhiên liệu riêng (g/ml.h). Kết quả thu được cho phép tính ra chi phí năng lượng của liên hợp máy khi làm việc tương ứng với các thí nghiệm khác nhau.

Chi phí nhiên liệu cho liên hợp máy tiêu thụ trong khoảng thời gian một giờ làm việc được xác định bằng cách đong nhiên liệu vào bình có các vạch kiểm tra sau đó đổ vào bình đựng nhiên liệu cho đến trùng với mức vạch ban đầu sau mỗi thí nghiệm, kết quả thu được là trung bình cộng của nhiều lần thí nghiệm.

- Phương pháp xác định năng suất của máy

Năng suất của máy thu hoạch khoai được xác định như sau:

Dựa vào bảng ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm được xác lập, các thí nghiệm được tiến hành trên các luống khoai có chiều dài, chiều rộng cố định là (30 x 0,4) m. Cho liên hợp máy làm việc ở số truyền 2, mức ga để cố định sau đó dùng đồng hồ bấm giây để đo thời gian liên hợp máy thu hoạch hồn thành luống khoai. Thí nghiệm được lặp lại nhiều lần và lấy giá trị trung bình, kết quả thu được làm cơ sở để tính năng suất giờ cho liên hợp máy.

- Phương pháp xác định độ sót sau thu hoạch

Độ sót được đánh giá bằng khối lượng khoai cịn sót nằm trong lịng đất hoặc bị đất lấp kín so với tổng khối lượng khoai thu hoạch được trên luống thí nghiệm nhân với 100%.

Để xác định khối lượng khoai thu được cũng như khối lượng khoai cịn sót lại, chúng tơi tiến hành dùng cân đồng hồ xác định cho từng thí nghiệm.

32

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

3.1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy thu hoạch khoai lang

Từ năm 2008 - 2011, Tiến sỹ Hoàng Bắc Quốc cùng các nhà khoa học Viện Cơ điện Nông nghiệp, Trường Đại học Nơng lâm TP Hồ Chí Minh thực hiện đề tài cấp Bộ: “ Cơ giới hóa khâu tưới, vun luống và thu hoạch khoai

lang tại Tỉnh Vĩnh Long”. Một trong các sản phẩm của đề tài tạo ra là máy

dũ khoai trong công nghệ thu hoạch khoai bằng cơ giới. Máy có cấu tạo như hình 3.1.

Cấu tạo của máy gồm hai bộ phận chính là:

- Bộ phận đào: Gồm lưỡi đào (17) hình mũi tên phẳng với góc dỗng là 2 được lắp phía trước bộ phận dũ với góc đặt lưỡi là .

- Bộ phận dũ khoai: Khi lưỡi đào đi vào trong luống khoai sẽ phá vỡ kết cấu và làm tơi đất với khoai trong luống. Hỗn hợp đất – khoai di chuyển trên bề mặt của lưỡi vào bộ phận dũ. Nhờ cào sẽ lùa hỗn hợp khoai - đất vào bộ phận dũ gồm các phím đặt song song và cách nhau một khoảng khơng đổi. Khi làm việc các phím rung động nhờ cam đặt lệch tâm tạo lực động để tách đất với khoai. Các hạt đất có kích thước nhỏ hơn khe hở hai phím kề liền nhau sẽ rơi tự do xuống mặt luống cịn khoai có kích thước lớn hơn khe hở đó nên nằm trên mặt phím và sẽ di chuyển cùng phím và bị hất ra phía sau.

Mô men được truyền từ trục thu của máy kéo qua truyền lực các đăng và hộp gảm tốc bánh răng cơn (19) và các bộ truyền xích để dẫn động cho cào răng (1) lùa hỗn hợp đất – khoai, cam lệch tâm (12) và các phím (7) chuyển động.

33

`

Hình 3.1 – Cấu tạo máy thu hoạch khoai lang

1: Cào răng lùa khoai và đất; 2: Khâu điều khiển răng; 3: Xích dẫn động răng lùa;4: Đĩa xích dẫn động các cơ cấu; 5: Võ máy; 6: Ổ bi; 7: Phím dũ

khoai 8: Đĩa xích của sàng; 9: Đĩa xích dẫn động sàng;10, 11: Đĩa xích, xích dẫn động cam lệch tâm; 12: Can lệch tâm; 13: Xích đĩa xích dẫn động cam lệch tâm; 14: Bánh xe; 15: Đĩa xích; 16: Thanh thép; 17: Lưỡi đàokhoai

18: Gỗ; 19: Hộp giảm tốc; 20: Chân đỡ trước; 21: Trục dẫn động

3.2. Động lực học của lưỡi đào

3.2.1. Quá trình làm việc của lưỡi đào

Nhiệm vụ của lưỡi đào trong máy thu hoạch khoai là đào được lớp đã có chứa củ, làm tơi vỡ một phần lớp đất đó và chuyển sang tồn bộ đất củ sang bộ phận phân ly. Yêu cầu đối với bộ phận đào là chi phí năng lượng trong quá trình làm việc nhỏ, khả năng thoát tải (chuyển tải) cao khơng có hiện tượng ùn tắc.

34

Để nghiên cứu các thơng số hình học của lưỡi đào đặc biệt là góc đặt lưỡi α có thể khảo sát chuyển động của một nêm tam giác (hình 3-2) trong môi trường đất [Nguyễn Bảng]

Khi nêm tịnh tiến theo phương ngang từ phải qua trái theo quá trình diễn ra như sau:

Giai đoạn 1: nêm đi được một độ dài ds đất bị nén ép lại theo phương aa’ vng góc với mặt nêm. Trong giai đoạn này mặt nêm chịu một lực cản (áp lực của đất) cũng theo hướng aa’. Lực cản này phụ thuộc rất nhiều vào góc α. Góc α càng nhỏ lực cản này càng nhỏ và ngược lại

Giai đoạn 2: nêm tiếp tục di chuyển đến cuối giai đoạn 1, đất bắt đầu xuất hiện vết nứt. Theo Goriaskin [2] vị trí của vết nứt ở đầu nêm, phương của vết nứt hợp với phương ngang một góc  theo cơng thức:

2 2 '          (3.1)

Trong đó: α là góc nghiêng của mặt nêm,  và ’ là góc ma sát của đất với mặt nêm và góc nội ma sát giữa các lớp đất. Trong giai đoạn 2, đất được trượt trên mặt nêm lên phía trên nhờ sự dồn ép của lớp đất phía dưới. Ở giai đoạn 2 lực cản là tổng hợp từ các thành phần: trọng lượng của lớp đất nằm trên nêm, lực ma sát giữa lớp đất với mặt nêm và lực cản động lực học của khối đất [Nguyễn Bảng]

Giai đoạn 3: khi đất được nâng lên một độ cao h, trọng lượng của khối đất đủ khả năng phá vỡ sự liên kết của khối đất phía dưới làm mất khả năng dồn ép của lớp đất tiếp theo. Khi đó lớp đất phía trên tự rơi xuống theo trọng lượng người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng tụt lỡ.

Quá trình nghiên cứu cho thấy độ cao h phụ thuộc rất nhiều vào cơ lý tinh, độ ẩm của đất, độ đào sâu lớp đất. Đất càng tơi xốp, độ ẩm càng nhỏ, độ sâu càng mỏng thì độ cao h càng nhỏ nghĩa là hiện tượng tụt lỡ càng dễ xảy ra.

35

3.2.2. Ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đến q trình làm việc

Lưỡi đào (17 hình 3.1) lắp phía trước máy thu hoạch khoai lang. Khi làm việc nó có nhiệm vụ đào để phá vỡ kết cấu luống khoai và di chuyển đất với khoai, rễ khoai trên bề mặt lưỡi đến bộ phận cào để hất vào bộ phận dũ.

Góc đặt lưỡi đào ảnh hưởng lớn đến đặc điểm tác động của lưỡi vào luống khoai. Ta xem xét sự làm việc của lưỡi đào ABC (hình 3.2)

Hình 3.2 - Lực tác dụng lên phần tử đất khi tiếp xúc với lưỡi đào

Gọi lực tác dụng của lưỡi đào vào đất theo phương vng góc với bề mặt làm việc là lực pháp tuyến N. Phân tích lực pháp tuyến N tác động lên phần tử đất m thành 2 thành phần P và T theo 2 phương: Phương chuyển động của lưỡi và phương song song với mặt phẳng làm việc AB .

Ngoài lực pháp tuyến N, lưỡi đào còn tác động lên phần tử m lực ma sát F.