5. Nội dung nghiên cứu
1.7. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng đập tách hạt của máy gặt đập liên
hợp và hƣớng nghiên cứu.
Quá trình đập là quá trình phá vỡ sự liên kết giữa hạt và gié. Sự làm việc của bộ phận đập chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố thuộc về vật liệu đập nhƣ: loại giống, độ ẩm khối lúa, tỷ lệ hạt trong khối lúa, độ chín của lúa, tạp chất cỏ rác. Các yếu tố thuộc về cấu tạo của bộ phận đập nhƣ: số thanh hoặc răng trống đập, góc bao, độ dài trống, đƣờng kính trống, vận tốc trống, khe hở giữa trống và máng trống.
Trên thế giới có nhiều nghiên cứu về trống đập. Petre I. Miu, Heinz-Dieter Kutzbach đã mô hình hóa và mô phỏng quá trình đập tách hạt trong trống đập [1]. Còn để đo thất thoát khi máy làm việc, C.A. Glasbey, M.B. Mc Gechan đã có nghiên cứu về thất thoát ngẫu nhiên trên trống đập của máy gặt đập liên hợp [2]; M.J. Le Flufy, G.T. Stone có công trình về điều khiển tốc độ của trống đập giữ ở một mức cố định trong việc đo lƣợng tổn thất hạt trong quá trình đập [3]. Du Chen, Feng Kang, Qingyuan Zhu and Shumao Wang lại tập trung nghiên cứu điều khiển tốc độ máy gặt đập liên hợp trên cơ sở mô hình công suất tiêu thụ tối ƣu của trống đập [4]. Kế đến là hàng loạt nghiên cứu về mô hình toán của dòng nguyên liệu chuyển động trong trống đập một trục [5], nghiên cứu độ ổn định của máy gặt đập liên hợp [6], những lợi ích của hệ thống điều khiển tốc độ khác nhau của máy gặt đập liên hợp [7]. Nhƣ vậy chƣa có nghiên cứu nào về ảnh hƣởng của lƣợng lúa đƣa vào trống đập và tốc độ quay của trống đến độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm.
Luận văn này trình bày quá trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để xác định mối quan hệ giữa lƣợng lúa đƣa vào trống đập và tốc độ quay của trống đến độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm. Bằng cách áp dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, một loạt các thí nghiệm đã đƣợc thiết kế và triển khai trên máy GLH-1500A xác định vùng tốc độ quay của trống và lƣợng lúa đƣa vào trống thỏa mãn đồng thời hai chỉ tiêu độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm nhỏ nhất. Cách tiếp cận này có thể đƣợc phát triển cho nhiều loại máy gặt đập liên hợp với kích cỡ và hình dạng khác nhau.
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
1. Sản xuất lúa gạo đóng một vai trò vô cùng quan trọng đối với nền kinh tế quốc dân, đó là một quy trình lao động nặng nhọc với nhiều công đoạn, trong đó thu hoạch lúa là khâu cuối cùng và quan trọng nhất cần đƣợc cơ giới hóa.
2. Ở Việt Nam hiện áp dụng nhiều loại hình máy gặt đập liên hợp, tuy nhiên do địa hình cũng nhƣ điều kiện canh tác khác nhau giữa các vùng miền nên đôi khi máy đƣa vào sử dụng chƣa cho kết quả cao nhất. Vì vậy cần có nhiều hơn nữa những nghiên cứu về các loại máy này.
3. Chất lƣợng làm việc của máy gặt đập liên hợp chịu ảnh hƣởng của nhiều yêu tố nhƣ: loại giống, độ ẩm khối lúa, tỷ lệ hạt trong khối lúa, độ chín của lúa, tạp chất cỏ rác, nhƣng ảnh hƣởng mạnh nhất vẫn là: số thanh đập, góc bao, độ dài trống, đƣờng kính trống, vận tốc trống, khe hở giữa trống và máng trống, lƣợng lúa đƣa vào trống. Nhƣ vậy trống đập là bộ phận quyết định chủ yếu đến chất lƣợng làm việc của máy gặt đập liên hợp.
4. Khi thu hoạch lúa bằng máy gặt đập liên hợp, yêu cầu đặt ra là tổn thất phải nhỏ, điều đó đồng nghĩa với việc tỷ lệ hạt theo rơm và độ sót càng nhỏ càng tốt. Điều này đƣợc quyết định bởi chế độ làm việc của trống đập. Từ các tài liệu [1-7] nhận thấy chƣa có nghiên cứu nào về ảnh hƣởng của lƣợng lúa đƣa vào trống đập và tốc độ quay của trống đến độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm, do đó hƣớng nghiên cứu của tác giả là tìm ra mối quan hệ giữa tốc độ quay của trống, lƣợng lúa cung cấp vào trống với độ sót vào tỷ lệ hạt theo rơm, cuối cùng chọn ra chế độ làm việc tối ƣu cho máy gặt đập liên hợp. Nghiên cứu thực nghiệm sẽ tiến hành trên máy GLH-1500A.
Chƣơng 2
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Trống đập của máy gặt đập liên hợp GLH-1500A. - Nguyên liệu : Lúa Q5 cần thu hoạch.
- Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình và tính toán lý thuyết trống đập, từ đó xác định đƣợc bộ thông số hợp lý.
- Địa điểm nghiên cứu : Nghiên cứu lý thuyết tại Viện Cơ Điện Nông Nghiệp và Công Nghệ sau Thu Hoạch, nghiên cứu thực nghiệm tại : Đông Vinh – Đông Hƣng – Thái Bình.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng đập tách hạt của máy gặt đập liên hợp, tác giả đã áp dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố. Với phƣơng pháp này cần xác định đƣợc các khoảng nghiên cứu, các mức biến thiên, khoảng biến thiên thích hợp. Vì vậy cần phải áp dụng kết quả thực nghiệm đơn yếu tố, trên nguyên tắc chung là cố định các yếu tố khác và thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hƣởng của yếu tố biến thiên đó tới thông số ―đầu ra‖. Qua đó thăm dò đƣợc khoảng nghiên cứu cho phép của yếu tố và các ảnh hƣởng tới giá trị cực trị của hàm mục tiêu.
2.2.1. Ứng dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố
Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng đập tách hạt trên máy gặt đập liên hợp, các yếu tố đó là:
- Loại giống lúa. - Độ ẩm khối lúa.
- Tỷ lệ hạt trong khối lúa. - Độ chín của hạt lúa.
- Vận tốc trống đập. - Đƣờng kính trống đập. - Chiều dài trống đập. - Số thanh trống. - Góc bao. - Khe hở giữa trống và máng trống.
Để lựa chọn những yếu tố chính, ta có thể dùng phƣơng pháp tìm hiểu thu thập thông tin qua các tài liệu tham khảo và lấy ý kiến của chuyên gia, nhờ đó có thể loại bỏ bớt những yếu tố không cần thiết.
Trong điều kiện và khuôn khổ của luận văn, tác giả chọn những thông số chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng đập tách hạt, đó là: lượng lúa cung cấp vào trống đập và tốc độ quay của trống đập.
Trên cơ sở các yếu tố đƣợc chọn, tiến hành nghiên cứu thí nghiệm đơn yếu tố để xác định mức ảnh hƣởng của các yếu tố này, đồng thời tìm đƣợc khoảng biến thiên.
Ký hiệu các yếu tố nhƣ sau:
- x1: Lƣợng lúa cung cấp vào trống đập. - x2: Tốc độ quay của trống đập.
- yt: Tỷ lệ hạt theo rơm. -ys: Độ sót.
Từ thí nghiệm đơn yếu tố sẽ xác định ảnh hƣởng của từng yếu tố đến các thông số yt, ys. Ví dụ: yt = f1(x1) ; ys = f2(x1) với mức và khoảng biến thiên của x2 đƣợc chọn sơ bộ và không đổi. Khi đó có đƣợc giá trị yt(x1) và ys(x1) sẽ chấp nhận sơ bộ trị số x1 ứng với giá trị tƣơng đối tốt cho cả yt hoặc ys, hoặc chọn mức x1 cho tỷ lệ hạt theo rơm yt, giá trị ys phải chấp nhận một cách tƣơng đối.
Khi tiến hành xác định yt = f1(x2) ; ys = f2(x2) với mức cố định x1 đã chọn sơ bộ, ta sẽ chọn đƣợc trị số x2 làm mức trung tâm. Nếu trị số x2 trên tƣơng đối gần với trị số x2 mà ta đã chọn và giữ cố định khi xác định yt(x1) và ys(x1) thì thuận lợi. Nếu
trị số x2 khác xa với trị số đã chọn và nằm ngoài vùng nghiên cứu thì phải tiến hành lại thí nghiệm để xác định lại yt(x1) và ys(x1). Từ đó sẽ xác định đƣợc các trị số x1, x2 làm các mức trung tâm cho phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm, xác định lại khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu của các mức yếu tố cho phƣơng pháp này.
* Phương pháp gia công số liệu
- Các đại lƣợng đƣợc đo lặp 2 – 3 lần, đảm bảo xác suất tin cậy của dụng cụ thí nghiệm = 0,9 – 0,95.
- Số lần lặp lại thí nghiệm n = 3, vì đối với máy nông nghiệp xác suất tin cậy là = 0,8 – 0,9
- Sau khi thí nghiệm, xác định độ tin cậy về ảnh hƣởng của mỗi yếu tố tới các thông số yt và ys, đánh giá tính thuần nhất của của phƣơng sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ thực sự các ảnh hƣởng khác đối với thông số nghiên cứu là không đáng kể hoặc không có. Thuật toán phân tích phƣơng sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất nhƣ sau:
* Tính tổng bình phƣơng các sai lệch giữa giá trị trung bình tổng thể của yt và ys ( ký hiệu là y..) với tổng giá trị của yt và ys ở mỗi lần đo ký hiệu là yij ứng với mỗi lần lặp lại thí nghiệm với mỗi mức của yếu tố x.
Xác định phƣơng sai tổng thể: 1 ..) ( 1 1 2 2 N y y S n k ij tt (2.1) Trong đó: N- tổng số lần đo và N= nk = 3.2 = 6 n - số lần đo lặp lại. k- số mức biến thiên. N-1 : Bậc tự do.
* Tổng bình phƣơng sai lệch ở từng thí nghiệm giữa giá trị trung bình tổng thể ..
y với giá trị trung bình của y ứng với mỗi mức yếu tố x (ký hiệu là y.j). Xác định phƣơng sai yếu tố S2
yt với bậc tự do k-1 1 ..) ( 1 2 . 2 k y y S k j yt (2.2) * Tổng bình phƣơng các sai số giữa giá trị trung bình yijcủa y ứng với mỗi mức của yếu tố x và giá trị yij ứng với mỗi lần lặp lại thí nghiệm với mỗi mức yếu tố. Xác định phƣơng sai thí nghiệm nhƣ sau (với mỗi bậc tự do N-k)
) 1 ( ) . ( ) . ( 1 1 2 1 1 2 2 n k y y k N y y S k j n i j ij k j n i j ij tn (2.3) Sau đó dùng tiêu chuẩn Fisher đánh giá tỷ số F = S2
yt/S2tn để kiểm nghiệm ―giả định không‖ xem hai phƣơng sai đó bằng nhau hay khác nhau (ít hay nhiều). Nếu khác nhau nhiều, nghĩa là so sánh F với trị số Fb (tra trong bảng tiêu chuẩn Fisher với =0,5, 2 bậc tự do k-1 và N-k). Nếu F > Fb thì không chấp nhận giả định không và phƣơng sai S2
yt là không đáng kể, nghĩa là ảnh hƣởng của yếu tố đƣợc tin cậy. Để đánh giá tính thuần nhất của phƣơng sai, ta cần tính từng phƣơng sai thí nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố, ký hiệu là S2j theo công thức: 1 ) . ( 1 2 2 n y y S n j ij j (2.4) Ta có: n S S n j tn 1 2 2 (2.5) Và phƣơng sai của giá trị trung bình của thông số y sẽ bằng:
n S S tn y 2 2 (2.6)
Sau đó, vì số thí nghiệm lớn hơn 2, áp dụng chuẩn Cochran để đánh giá xem tỷ số G giữa phƣơng sai cực đại 2
max
j
S với tổng phƣơng sai 2 j
S có đảm bảo không vƣợt quá tiêu chuẩn Gb theo số liệu tra bảng với 2 bậc tự do là n-1 và k (với độ tin cậy 0,95 tức =0,05; hai bậc tự do n-1=2 và k=5). k b j j G S G G 1 2 2 max (2.7)
Nhƣ vậy các phƣơng sai đƣợc coi là đồng nhất, không có phƣơng sai nào quá lớn, vƣợt quá nhiều so với phƣơng sai khác.
2.2.2. Ứng dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố nghiệm đa yếu tố
Ƣu điểm quan trọng của phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm là giảm đƣợc nhiều số lần thí nghiệm, xác định đầy đủ ảnh hƣởng của các yếu tố đến thông số cần nghiên cứu, đề xuất mô hình toán thích hợp từ đó xác định điều kiện tối ƣu của quá trình xảy ra và giá trị tối ƣu của các thông số.
2.2.2.1.Xác định các thông số chính ảnh hƣởng đến chất lƣợng đập tách hạt
Thông qua tài liệu tham khảo và kết quả áp dụng phƣơng pháp thực nghiệm đơn yếu tố, sơ bộ đánh giá ảnh hƣởng của một số yếu tố đến hai thông số tối ƣu là
Độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm, đã xác định đƣợc các yếu tố chính ảnh hƣởng, tức là các thông số vào ―hộp đen‖ - máy gặt đập liên hợp, theo mô hình dƣới đây:
Chọn các mức biến thiên của yếu tố và vùng thí nghiệm gồm có các mức trung bình, mức cơ sở, khoảng thí nghiệm và các mức biến thiên đối xứng qua mức cơ sở gọi là mức dƣới và mức trên, xác định khoảng biến thiên , nếu mô hình tuyến tính, chỉ chọn 2 mức trên và dƣới; nếu mô hình phi tuyến, phải thêm các mức bổ sung.
x2: tốc độ quay của trống đập x1: lƣợng lúa đƣa vào trống đập Máy gặt đập liên hợp (hộp đen) yt: tỷ lệ hạt theo rơm ys: độ sót
Các giá trị thực xi của các mức đối với mỗi yếu tố đƣợc mã hoá thành: i i i i x x x 0 (2.8) Trong đó 0 i
x : Giá trị thực của mức cơ sở.
i: Khoảng biến thiên.
2 id it i x x id it x x , - mức trên và mức dƣới.
Nhƣ vậy xit,xid ,xi0 có các giá trị mã hoá bằng +1;-1;0
2.2.2.2.Lập ma trận thí nghiệm, chọn phƣơng án quy hoạch thực nghiệm * Kế hoạch trung tâm hợp thành
Kế hoạch này gồm 3 phần:
- Phần cơ sở (còn gọi là phần hạt nhân) là thực nghiệm toàn phần 2n hoặc thực nghiệm rút gọn 2n-p
đã nêu trong quy hoạch tuyến tính.
Yêu cầu này đặt ra khi xây dựng phần cơ sở phải tính đƣợc các hệ số hồi quy tuyến tính (bi) và tƣơng tác cặp đôi (bij) một cách riêng biệt. Tác động của chúng không bị trộn lẫn vào nhau.
Yêu cầu này khống chế mức rút gọn có thể đƣợc, trong đề tài này do có hai thông số đầu vào n = 2, n 4, p = 0 tức là chỉ có thực nghiệm toàn phần 2n
.
- Phần 2: Các điểm sao nằm ở vị trí cách tâm thực nghiệm một khoảng . Số thí nghiệm của phần này là N 2n.
- Phần 3: Phần tâm bao gồm các thí nghiệm ở tâm miền quy hoạch, tại đó giá trị mã của các thông số bằng không. Số thí nghiệm N0 1.
Các giá trị ,N0 đƣợc xác định tuỳ theo sự lựa chọn các chuẩn tối ƣu của thực nghiệm hồi quy. Do đó ngƣời ta chia ra hai loại kế hoạch: trực giao và tâm xoay. Trong đề tài này tác giả tiến hành thực nghiệm theo kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao.
* Kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao
Các kế hoạch loại này đƣợc xây dựng theo chuẩn trực giao. Ma trận thông tin Fisher là ma trận đƣờng chéo. Để có đƣợc điều đó phải có các biện pháp đặc biệt, đảm bảo trực giao cặp của các cột trong ma trận các hàm cơ sở, ứng với các thành phần tự do bo và bình phƣơng bii n i n i n i j n i i i ij j i ij i ix b xx b x x b b y 1 1 1 1 1 2 2 0 ( ) (2.9) Trong đó N u p n iu i N x N x 1 2 2 2 1 2 2 (2.10)
N- tổng số thí nghiệm của kế hoạch. Do kế hoạch thí nghiệm trực giao số thí nghiệm ở tâm N0 thƣờng bằng 1 nên N = 2n-p + 2n + 1
n i i iix b b b 1 2 0 ' 0 (2.11)
Việc chuyển các biến bình phƣơng sang mô hình sang dạng trong (2.8) cho phép đảm bảo trực giao của các cột ứng với thành phần tự do bo và bình phƣơng trong các ma trận các hàm cơ sở (bảng 2.1) 0 1 ) ( ) ( 2 1 2