Chương 2 : Mục tiêu, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
3.3. Thiết kế hoàn thiện các bộ phận làm việc chính của máy bón phân
3.3.2.1. Chọn lựa nguyên lý làm việc
Bộ phận cung cấp cần được chọn lựa nguyên lý làm việc, chọn vật liệu phù hợp và tính tốn thiết kế lại để ngăn ngừa hiện tượng ăn mịn hóa học, nâng cao tỷ lệ ra phân hơn nữa, đặc biệt khi số lượng viên phân trong trống cịn ít.
28
Do bộ phận cung cấp của máy bón phân tương tự như bộ phận gieo hạt trong các máy gieo trong nơng nghiệp nên có thể tham khảo bộ phận gieo trên các máy gieo hạt kích thước lớn (ngơ, đậu tương,v.v.). Tùy theo nguyên lý làm việc và kết cấu, các bộ phận gieo có thể phân ra nhiều kiểu loại khác nhau.
Bộ phận cung cấp kiểu chân không (hình 3.4) có nhiều ưu điểm so với các bộ phận cung cấp kiểu cơ khí về độ tin cậy làm việc, độ an toàn cho đối tượng được cung cấp. Tuy nhiên, chúng có kết cấu phức tạp, cồng kềnh, giá thành cao và có yêu cầu riêng về hình dạng đối tượng được gieo để đảm bảo độ kín giữa bề mặt đối tượng cung cấp và lỗ trên buồng chân khơng nên khơng thích hợp để sử dụng trên các máy bón phân
viên nén lấp sâu. Bộ phận gieo kiểu đĩa có trục thẳng đứng (hình 3.5) cũng được sử dụng phổ biến để gieo các loại hạt có kích thước lớn và tương đối đồng đều. Điển hình cho bộ phận cung cấp kiểu này là bộ phận gieo của máy gieo CKHK-6 và máy gieo CHГK- 6 (Кленин Н.И. и B.A. Cакун, 1980; Лурье A.B. и др., 1976). Các bộ phận gieo kiểu này thường có khối lượng lớn nên chỉ thích hợp để lắp trên các máy làm việc trên nền ruộng khơ. Ngồi ra do trục bộ
29
phận gieo đặt thẳng đứng trong khi nguồn động lực thường được lấy từ trục bánh tựa đồng nên cần có cơ cấu bánh răng nón trong hệ thống truyền động, điều này làm tăng tính phức tạp của kết cấu. Vì những lẽ đó, bộ phận gieo kiểu đĩa có trục đặt thẳng đứng khơng thích hợp để sử dụng trên các máy bón phân viên nén lấp sâu.
Xét về mặt bố trí trên máy bón phân, các bộ phận cung cấp kiểu đĩa có trục nằm ngang (hình 3.5), phù hợp hơn so với các bộ phận cung cấp có trục thẳng đứng do truyền động thuận tiện và kết cấu đơn giản hơn. Các thử nghiệm tiến hành với các bộ phận cung cấp kiểu đĩa có thìa múc và bộ phận cung cấp kiểu đĩa có lỗ hướng kính với viên phân mới do máy ép viên thế hệ mới tạo ra cho thấy, hiện tượng kẹt tắc có thể khắc phục được.
Hình 3.6. Bộ phận gieo kiểu thìa múc (a) và kiểu hốc chứa (b).
Tuy nhiên các bộ phận cung cấp kiểu này vẫn có hiện tượng tạo vịm của các viên phân trong thùng chứa nên phải có cơ cấu khuấy đảo viên phân. Ngoài ra, với bộ phận kiểu đĩa có thìa múc, cần có biện pháp hạn chế số lượng viên phân trong thùng chờ múc và cơ cấu gạt để chỉ cho 1 viên phân nằm trên thìa trước khi thìa đi vào vùng có tấm che. Nói cách khác, các bộ phận cung cấp trục nằm ngang có khả năng làm việc với viên phân mới nhưng đòi hỏi nhiều cơ cấu hỗ trợ nên kết cấu phức tạp và cồng kềnh.
30
Bộ phận cung cấp đã thiết kế chế tạo lắp trên máy bón phân (hình 3.3) tuy đã có khả năng làm việc nhưng cũng còn những nhược điểm cần khắc phục. Do đường đi của viên phân dài, lại đi xuyên qua nắp thùng nên kết cấu cồng kềnh, nếu có viên phân bị vỡ thì khả năng di chuyển của viên phân trong ống dẫn bị cản trở đáng kể, giảm độ tin cậy làm việc.
Để giảm kích thước, trọng lượng bộ phận cung cấp, đồng thời khai thác triệt để lợi thế của viên phân mới, chúng tôi đề xuất kết cấu mới của bộ phận cung cấp viên phân như trên hình 3.6. Trên kết cấu mới này, trống chứa các viên phân không cố định trên khung máy như các thùng chứa hạt trên các bộ phận gieo truyền thống mà có chuyển động quay, nhận truyền động từ trục bánh tựa đồng của máy bón phân.
Hình 3.7. Cấu tạo bộ phận cấp liệu kiểu trống quay
1- Trục quay; 2- Trống quay; 3- Hốc chứa phân; 4- Viên phân; 5- Gân dẫn hướng; 6- Nắp trống; 7- Vành chắn; 8- Viên phân; 9- Phễu đón phân; 10- Tấm che; 11- Cửa đổ phân.
Bộ phận cung cấp đề xuất gồm có một trống quay 2 hình trụ hoặc hình nón cụt, mặt trong có các gân dẫn hướng 5. Phía miệng trống có mặt cố định ngăn không cho các viên phân tự do thoát ra khỏi trống. Các viên phân 4 được đổ vào
31
phân 3 phân bố đều theo chu vi. Vỏ che 10 che kín phía ngồi các lỗ thốt phân, chỉ để hở đáy lỗ trên phần cung bố trí ống dẫn phân 6. Cung chắn 7 có nhiệm vụ che miệng lỗ thốt phân, ngăn cách viên phân trong lỗ với khối viên phân trong trống. Trạng thái lắp ghép của bộ phận cung cấp viên phân thể hiện trên hình 3.7.
Hình 3.8. Bộ phận cung cấp viên phân (trạng thái làm việc).
Bộ phận cung cấp hoạt động như sau: Khi trống quay (ngược chiều kim đồng hồ, h.7), khối viên phân trong trống sẽ quay theo và lăn, trượt trên thành trong của trống. Trong quá trình lăn, trượt trên thành trống, các viên phân sẽ rơi vào lỗ thoát phân. Mỗi viên phân sẽ nằm gọn trong một lỗ và quay theo trống đến vùng thoát phân. Tại vùng này, do vỏ che khơng chặn phía ngồi lỗ thốt nữa nên các viên phân sẽ rơi xuống phía dưới vào ống dẫn phân nhờ trọng lượng bản thân.
Nhờ trống quay nên các viên phân được xáo trộn tích cực, khả năng rơi vào lỗ thốt tăng và hiện tượng tạo vòm của các viên phân trong trống hoàn toàn được loại trừ.
32
3.3.2.2. Chọn lựa vật liệu chế tạo
Để tránh bị ăn mịn hóa học các bề mặt làm việc của bộ phận cung cấp do tác dụng ăn mòn của viên phân, cần chọn vật liệu chế tạo trống cho phù hợp. Hai loại vật liệu chế tạo có thể chọn là thép inox và nhựa.
Chọn Inox làm vật liệu chế tạo trống cung cấp (trống bón) có thể nhăn ngừa được hiện tượng ăn mịn hóa học. Nếu kết hợp với thiết kế các dụng cụ đồ gá nhằm tăng độ chính xác chế tạo, tăng năng suất lao động ta có thể giảm giá thành chế tạo các chi tiết của trống bón. Tuy nhiên do giá thành vật liệu inox đắt nên giải pháp trên chỉ phù hợp với sản xuất loạt nhỏ. Bên cạnh đó nhược điểm khối lượng máy lớn vẫn không khắc phục được.
Việc chọn vật liệu bằng nhựa hồn tồn tránh được hiện tượng ăn mịn, ngồi ra cịn giảm được khối lượng máy. Nếu máy được thương mại hóa, có thể sản xuất với số lượng lớn thì giá thành máy có thể hạ đáng kể so với sử dụng vật liệu inox.
Từ sự phân tích trên, với định hướng thiết kế hồn thiện máy để có thể thương mại hóa với số lượng lớn, chúng tôi chọn vật liệu chế tạo bộ phận cung cấp và các chi tiết không chịu lực của máy là nhựa, gia công bằng phương pháp ép đùn trên máy chuyên dùng.
3.3.2.3. Xác định một số thơng số của bộ phận cung cấp + Hình dạng tổng thể của trống quay:
Trống quay có thể có dạng hình cơn hay hình trụ. Trống hình cơn với góc nghiêng lớn có thuận lợi là tự đưa viên phân về phía cửa ra, nhưng khơng tận dụng được khơng gian nên với dung tích bằng nhau thì kích thước đường kính trống cơn sẽ lớn hơn trống hình trụ. Trống hình trụ tận dụng tốt không gian, nhưng viên phân không tự chảy về phía cửa ra. Để vừa tận dụng được không gian, vừa khai thác khả năng tự chảy của viên phân, chúng tôi chọn kết cấu trống
33
hình nón cụt có độ cơn nhỏ, nhưng gắn thêm các gân dẫn hướng để hướng các viên phân chuyển động về phía miệng trống khi trống quay.
+ Kích thước sơ bộ của trống
Hình 3.9. Các kích thước chính của trống cung cấp
Kích thước của trống được xác định theo yêu cầu chứa được lượng phân đủ để bón giữa hai lần tiếp liệu. Chọn vị trí tiếp liệu hai hai đầu bờ.
Gọi Z là số viên phân cần chứa trong trống giữa 2 lần nạp liệu; Vt là thể tích cần thiết của trống, dm3; S là chiều dài bón giữa hai lần tiếp liệu, m; b là khoảng cách bón giữa hai viên phân trong hàng, m; là hệ số dự trữ viên phân trong
trống. Ta có:
Số viên phân cần chứa được trong trống giữa hai lầ tiếp liệu: Z= (1+ ).S/b, viên;
Gọi Zv là số viên phân chứa được trong thể tích 1 dm3, là hệ số nạp đầy viên phân trong thùng, ta có thể tích cần thiết của trống bón:
Vt = (Z/Zv).100/, dm3;
Quãng đường bón giữa 2 lần nạp liệu có thể được xác định theo chiều dài của thửa ruộng nếu tiếp liệu tại hai đầu bờ. Thực tế chiều dài các thửa ruộng
34
trồng lúa dao động trong phạm vi rất rộng. Ta chọn quãng đường bón giữa 2 lần nạp liệu S= 180m.
Khoảng cách giữa các viên phân trong hàng, theo yêu cầu kỹ thuật chọn b= 180 mm= 0,18 m.
Hệ số dự trữ viên phân, là tỷ lệ giữa số viên phân còn lại trong trống khi đến lần nạp liệu tiếp theo so với tổng số viên phân được nạp vào trống, %; Chọn hệ số dự trữ = 5%.
Hệ số nạp đầy thùng (trống) chứa, là tỷ số giữa thể tích thực chứa viên phân so với thể tích tồn bộ trống, %. Theo lý thuyết về thùng quay (A. Я. Соколов, 1986), để vật liệu trong thùng quay được linh hoạt di chuyển trong thùng, hệ số nạp đầy của vật liệu trong thùng quay không nên chọn lớn hơn 60%. Ta chọn = 60 (%).
Khả năng chứa thực tế của trống. Khả năng chứa thực tế của trống xác định bằng thực nghiệm, với viên phân dxh= 15 x 15 mm, Zv= 324 viên/dm3
(bảng 3.1).
Thay các giá trị tương ứng vào các công thức trên ta được: Z= 875 viên. Thể tích tồn bộ trồng bón là: Vt 5,4 dm3.
Để tăng khả năng lọt viên phân vào các hốc chứa trên vành trống, ta cần tăng đường kính vành trống đến mức lớn nhất có thể. Lưu tâm đến yêu cầu này, ta chọn trống có các kích thước như sau:
D1= 180 mm; D2= 230 mm; L= 163 mm.
Kiểm tra trên phần mềm Inventor (hình 3.10), với các kích thước đã chọn, thể tích trống bón sẽ là 5,4.106 mm3 hay 5,4 dm3, đúng bằng thể tích cần thiết của trống.
35
Hình 3.10. Kiểm tra thể tích trống trên phẩn mềm inventor. + Vận tốc quay của trống và số hốc chứa phân trên vành trống
Khi máy bón phân được kéo trên mặt ruộng, lực kéo tác động lên khung máy, do có hiện tượng trượt lê của bánh xe nên quãng đường máy đi được thực tế trên ruộng lớn hơn quãng đường mà máy đi được trên nền đất khô. Độ trượt của bánh xe phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tình trạng mặt ruộng, trọng lượng máy, cấu tạo bánh xe, vận tốc tiến của máy, v.v. Trong các tính tốn xác định vận tốc quay của trống và s hốc chứa phân trên vành trống, chúng tôi sử dụng số liệu thực nghiệm về độ trượt của máy bón phân đã chế tạo, với trị số độ trượt trung bình = 10%.
Chọn vận tốc tiến của máy bón phân 4 km/h, với đường kính bánh xe máy bón phân D= 0,6 m, độ trượt của bánh xe = 10%, ta xác định được
quãng đường thức tế máy đi được sau một vịng quay của bánh xe, có kể đến hiện tượng trượt lê của bánh xe là:
S*= D.(1+)= 3,14.0,6.(1+0,1)= 2,07 m.
Số viên phân cần bón tương ứng với một vịng quay của bánh xe hay số hốc chứa cần bố trí trên vành trống Z*= 2,07/0,18= 11,5 viên.
36
Chọn Z*= 12 lỗ. Khi này sai lệch khoảng cách bón giữa khoảng cách bón thực và khoảng cách bón u cầu khơng q 4%.
Vận tốc quay của bánh xe khi di chuyển trên ruộng được xác định theo công thức:
= V/R, rad/s;
Ở đây V là vận tốc tiến của máy bón phân, V= 4 km/h= 1,11 m/x\s. R là bán kính bánh xe máy bón R= 0,3 m.
Thay vào trên ta được: = 3,7 rad/s.
Vận tốc quay của bánh xe trong một phút n sẽ bằng: n= 30./= 35 vịng/phút.
+ Xác định số lượng và góc nghiêng của các gân dẫn hướng
Qua quan sát sự di chuyển của các viên phân trong trống, ta thấy để cho các viên phân dễ dàng lọt vào các hốc chứa trên vành trống, cần làm sao để cho các viên phân sắp xếp thành hàng ngay phía trên vành trống, nơi bố trí các hốc chứa phân. Đồng thời để có thể ngăn chặn tình trạng bón sót khi số phân trong trống cịn lại khơng nhiều, cần làm sao để cho các viên phân có xu hướng bị dẩy dồn về phía nắp trống. Muốn vậy cần phải làm các gân dẫn hướng ở mặt trong của trống với kích thước, góc nghiêng và số lượng phù hợp.
Quan sát các viên phân đang nằm trong khoảng giữa các gân dẫn hướng tại vị trí đường sinh thấp nhất của trống. Khi trống quay, viên phân được nâng dần lên, đến vị trí nào đó thì viên phân bắt đầu lăn (hoặc trượt) trên mặt trong trống cho đến khi gặp gân dẫn hướng phía dưới. Khi này, viên phân sẽ vừa tựa vào mặt trong thành trống vừa tựa trên mặt trên của gân dẫn hướng. Nếu góc nghiêng của gân dẫn hướng đủ lớn, viên phân sẽ lăn hoặc trượt theo mặt gân về phía cửa ra.
Vì chuyển động của viên phân phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó có yếu tố ngẫu nhiên, nên chúng tôi xác định số lượng gân dẫn hướng và góc nâng của gân
37
dẫn hướng bằng thực nghiệm. Số gân được chọn là 2, 3 và 4. Góc nghiêng của gân được chọn với các trị số 20o, 30o, 40o và 50o, (hình 3.11).
Hình 3.11. Các phương án thử nghiệm số lượng và cách bố trí gân dẫn hướng
Trống thử nghiệm được chế tạo trống theo kích thước đã chọn với các gân dẫn
hướng có thể điều chỉnh được số lượng và góc đặt của gân, thử nghiệm với vận tốc quay tương đương với khi kéo máy bón trên ruộng, nắp trống được làm bằng mica để có thể quan sát sự di chuyển của khối viên phân trong trống.
Từ các kết quả thực nghiệm, với trống nón cụt D1xD2xL=180x230x165 mm, số vòng quay của trống trong khoảng 30-40 vòng/phút, để đưa hết các viên phân về phía cửa ra, có thể chọn 3 hoặc 4 gân hướng dẫn với góc nghiêng của gân so với đường sinh của hình nón 40o- 30o. Ta sẽ thiết kế trống theo các số liệu thực nghiệm này.
38
+ Xác định vị trí cửa ra phân.
Khi viên phân đã nằm trong hốc chứa trên vành trống, nó chuyển động quay theo trống quanh trục trống. Tại vị trí cửa ra phân, tấm chắn ở đáy hốc chứa phân bị khoét thủng, viên phân có xu hướng rơi xuống phía dưới dưới tác động của trọng lượng bản thân và lực quán tính ly tâm. Gọi góc tạo bởi phương thẳng đứng từ trên xuống và bán kính từ tâm kẻ qua tâm viên phân là . Khi góc càng nhỏ khả năng rơi của viên phân càng
thuận tiện, nhưng khi này quãng đường nạp viên phân, nghĩa là quãng đường hốc chứa phân quét qua đáy khối viên phân trong trống, càng ngắn, khả năng có viên phân trong hốc càng kém. Như vậy xét về thuận lợi cho viên phân rơi khỏi hốc chứa, thì góc càng nhỏ càng tốt. Ngược lại xét về khả năng nạp
viên phân vào các hốc chứa thì góc càng lớn càng tốt. Cần tính tốn xác
định góc đặt cửa ra phân sao cho thỏa mãn đồng thời cả hai yêu cầu trái
ngược nhau đó.
Xét viên phân đang nằm trong lỗ tại vị trí đường tâm lỗ nghiêng một góc
so với phương thẳng đứng (hình 9), với 0<<900 . Gọi - vận tốc góc
trống quay; R – bán kính từ tâm trống đến tâm viên phân; f- hệ số ma sát giữa