ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o HOÀNG TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐẬP TÁCH HẠT CỦA MÁY GẶT ĐẬP LIÊN HỢP THU HOẠCH LÚA TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 60520103 Thái Nguyên, 2013 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Sản xuất nông nghiệp đóng một vai trò cực kỳ quan trọng, đảm bảo đầy đủ lương thực, thực phẩm cho xã hội, có dự trữ và xuất khẩu Từ đó góp phần ổn định nền kinh tế, chính trị xã hội của đất nước, đồng thời khẳng định vị thế quan trọng của nông nghiệp và nông thôn trong nền kinh tế quốc dân Trong sản xuất nông nghiệp từ xưa đến nay, sản xuất lúa gạo luôn giữ vai trò chủ đạo, chiếm tỷ trọng khoảng 90% tổng sản lượng lương thực sản xuất hàng năm Đó là một quá trình lao động nặng nhọc với nhiều công đoạn, trong đó, khâu thu hoạch tiêu tốn khoảng 30 ÷ 40% chi phí lao động và là khâu có cường độ lao động vất vả, căng thẳng nhất Chất lượng sản phẩm chịu ảnh hưởng và được quyết định bởi nhiều yếu tố tổng hợp nhưng ảnh hưởng trực tiếp và trước tiên vẫn là khâu thu hoạch Trước thực tế là cơ cấu mùa vụ thay đổi, kỹ thuật canh tác cũng như nhiều giống lúa mới năng suất cao được đưa vào áp dụng khiến cường độ lao động, mức độ nặng nhọc của khâu thu hoạch gia tăng Vì lẽ đó, khâu thu hoạch lúa cần được trang bị các loại máy gặt đập liên hợp, đáp ứng nhu cầu thu hoạch lúa phù hợp với từng vùng sản xuất Thực tế những năm gần đây, loại hình máy gặt đập liên hợp đã được đưa vào sử dụng ở một số vùng miền trồng lúa trên cả nước đem lại hiệu quả kinh tế cao Tuy nhiên, do đặc thù địa hình cũng như phương thức canh tác khác nhau giữa các vùng miền, để có thể áp dụng hiệu quả, linh hoạt và phát triển rộng rãi loại máy trên thì cần có những nghiên cứu sâu hơn nữa Chính vì vậy đề tài luận văn “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đập tách hạt của máy gặt đập liên hợp thu hoạch lúa” được đặt ra với mục đích nghiên cứu sâu về lý thuyết và thực nghiệm, làm cơ sở cho việc thiết kế máy, chế tạo và vận hành máy gặt đập liên hợp với các kiểu cỡ, năng suất phù hợp với các nguồn động lực hiện có Thiết thực hơn, đề tài đi giải quyết một vấn đề của thực tế sản xuất, đó là khi sử dụng các loại máy gặt đập liên hợp hiện nay, độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm cao, nằm ngoài giá trị cho phép Chính vì vậy cần tìm ra lượng lúa cung cấp vào trống đập hợp lý và tốc độ 2 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 2 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí quay tối ưu của trống để đạt được độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm phù hợp, đảm bảo năng suất và chất lượng của quá trình thu hoạch lúa 2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện và bổ sung cho việc thiết kế, chế tạo bộ phận đập của máy gặt đập liên hợp Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để nâng cao chất lượng và hiệu quả làm việc của máy gặt đập liên hợp từ đó nâng cao năng suất lao động, đem lại hiệu quả kinh tế Đề xuất chế độ làm việc hợp lý cho máy gặt đập liên hợp GLH-1500A đang sử dụng tại Đông Hưng – Thái Bình 3 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở khoa học xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đập tách hạt, đáp ứng yêu cầu công nghệ và tiêu thụ năng lượng khâu tách hạt của cơ cấu đập lắp trên máy gặt đập liên hợp thu hoạch lúa Trên cơ sở đó, tìm ra chế độ làm việc hợp lý cho máy GLH-1500A sử dụng tại Thái Bình Đối tượng nghiên cứu gồm: Lúa Q5 cần thu hoạch gặt đập liên hợp GLH-1500A - Trống đập của máy - Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng mô hình và tính toán lý thuyết trống đập, từ đó xác định được bộ thông số hợp lý 4 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm 5 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan vấn đề thu hoạch lúa ở Việt Nam - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về đập, xác định các yếu tố ảnh hưởng trong khâu đập tách hạt; lý thuyết quy hoạch thực nghiệm; lý thuyết đồng dạng – mô hình – thứ nguyên - Thực nghiệm, phân tích kết quả - Ứng dụng lý thuyết đồng dạng, mô hình tính toán bộ phận đập 3 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 3 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình sản xuất lúa gạo ở Việt Nam Nước ta có lịch sử và truyền thống trồng lúa nước lâu đời và là nước có diện tích trồng lúa đứng hàng thứ 6 trên thế giới Hiện nay trong tổng số diện tích tự nhiên 33095700ha có khoảng 26226400ha sử dụng cho đất nông nghiệp, với 4120200ha diện tích để trồng lúa nước, được phân bố trên cả 7 vùng sinh thái: Miền Núi và Trung Du phía Bắc, vùng Đồng Bằng Sông Hồng (ĐBSH), vùng khu 4 cũ (K4), vùng duyên hải Miền Trung (DHMT), vùng Tây Nguyên (TN), vùng Đông Nam Bộ (ĐNB) và vùng Đồng Bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) [13] Trong 7 vùng sản xuất nêu trên thì hai vùng ĐBSH và ĐBSCL đóng vai trò rất quan trọng, đây là hai vùng sản xuất lúa trọng điểm của cả nước đảm bảo được an toàn lương thực quốc gia và cung cấp gạo cho xuất khẩu Theo thống kế năm 2011 tại hai vùng có: Diện tích trồng lúa chiếm 68,4% cả nước [14] Sản lượng lúa cả năm chiếm 71,3% cả nước [15].Bình quân sản lượng lúa và diện tích lúa trên một lao động nông nghiệp cao nhất cả nước Đối với khu vực ĐBSH diện tích canh tác đạt tới mức giới hạn tối đa Sản lượng lương thực đảm bảo duy trì ổn định nhu cầu cho khu vực và các tỉnh miền núi và trung du phía Bắc Vùng ĐBSCL diện tích canh tác vẫn được phát triển, mở rộng trong các năm tới do có các dự án về thủy lợi, làm đê bao, khai hoang vùng Đồng Tháp Mười, Tứ giác Long Xuyên, Tây Sông Hậu Do có sự dịch chuyển cơ cấu mùa vụ, năng suất lúa bình quân toàn vùng tăng từ 30 tạ/ha năm 1985 lên 46,2 tạ/ha năn 2002 và đến 2011 là 56,7 tạ/ha [16] Nhìn lại năm 2011 nông nghiệp được mùa toàn diện và khởi sắc trong chuyển dịch cơ cấu sản xuất Diện tích cây lương thực cả năm đạt 8769,5 nghìn ha, 4 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 4 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí tăng 153,6 nghìn ha so với năm 2010, trong đó diện tích lúa cả năm ước đạt 7651,4 nghìn ha, tăng 162 nghìn ha [17] Sản xuất lúa phát triển tốt, cơ cấu sản xuất chuyển đổi theo hướng tiến bộ, giảm diện tích lúa vùng ven biển năng suất thấp sang nuôi tôm, lấy thâm canh tăng năng suất làm hướng chính để tăng sản lượng Vụ lúa Đông – Xuân 2011 được mùa trên phạm vi cả nước, năng suất lúa đạt 63,9 tạ/ha, tăng 1,6 tạ/ha so với 2010, sản lượng đạt 19778,4 nghìn tấn, tăng 561,6 nghìn tấn so với vụ Đông – Xuân trước; trong đó các tỉnh phía Bắc đạt 3789,1 nghìn tấn, tăng 169,5 nghìn tấn, riêng ĐBSCL đạt 10483,4 nghìn tấn, tăng 207,4 nghìn tấn [18] Nguyên nhân được mùa một phần do thời tiết thuận lợi trên phạm vi cả nước, song phần chủ quan do các địa phương chủ động đổi mới cơ cấu giống lúa và chỉ đạo tốt thời vụ cho nên năng suất đạt mức cao nhất từ trước tới nay Vụ hè thu năm 2011 tăng cả diện tích và năng suất Diện tích lúa hè thu cả nước đạt 2585,0 nghìn ha, tăng 149 nghìn ha so với vụ hè thu trước [19] Nguyên nhân chủ yếu do giá lúa gạo tăng theo hướng có lợi cho người nông dân, thúc đẩy họ đầu tư nhiều hơn cho sản xuất lúa hè thu Năng suất trung bình cả nước đạt 51,6 tạ/ha, tăng 3,6 tạ/ha so với vụ trước [20] Sản lượng lúa hè thu năm 2011 cả nước đạt 13341,1 nghìn tấn, tăng 1655 nghìn tấn, riêng ĐBSCL đạt 11085,9 nghìn tấn, tăng 1338,3 nghìn tấn so với vụ hè thu 2010 [21] Về lúa mùa, diện tích gieo cấy của cả nước đạt 1969,6 nghìn ha, tăng 2,1 nghìn ha so với vụ trước [22] Nguyên nhân chủ yếu do nhiều địa phương ở ĐBSCL đã chuyển diện tích lúa mùa sang gieo sạ lúa Đông Xuân Tính chung lúa cả năm năng suất đạt 55,3 tạ/ha [23], sản lượng đạt khoảng 42324,9 nghìn tấn, tăng 2319,3 nghìn tấn so với năm 2010 [15] 1.2 Vị trí khâu thu hoạch trong sản xuất lúa Thu hoạch là một trong những khâu lao động nặng nhọc nhất trong quá trình sản xuất liên tục Hầu hết các nước trồng lúa ở vùng nhiệt đới và trên thế giới nói chung, phần lớn công việc gặt hái vẫn còn dùng sức lao động thủ công và công cụ liềm hái cầm tay Chi phí công lao động có thể lên tới 120 người giờ/ha [26-28] Trong khâu thu hoạch, cắt gặt là công đoạn đầu tiên, nó ảnh hưởng lớn đến sản lượng và chất lượng sản phẩm Do điều kiện tự nhiên và tập quán canh tác ở nhiều 5 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 5 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí nước trên thế giới, cũng như các vùng trồng lúa ở nước ta có khác nhau nên yêu cầu kỹ thuật đối với công cụ và máy cắt gặt cũng như quy trình thu hoạch lúa cũng khác nhau 1.3 Các phương pháp thu hoạch lúa bằng máy 1.3.1 Phương pháp thu hoạch một giai đoạn 1.3.2 Phương pháp thu hoạch lúa nhiều giai đoạn 1.4 Hiện trạng nghiên cứu và ứng dụng máy thu hoạch lúa trên thế giới 1.4.1 Phương pháp thu hoạch lúa một giai đoạn 1.4.2 Phương pháp thu hoạch lúa nhiều giai đoạn 1.5 Hiện trạng nghiên cứu và ứng dụng máy thu hoạch lúa ở Việt Nam Trước đây cũng như hiện nay ở nước ta quy trình thu hoạch lúa chủ yếu là phương pháp nhiều giai đoạn, được tiến hành với các bước sau: - Cắt gặt lúa - Thu gom lúa - Tuốt hoặc đập tách hạt - Làm sạch sơ bộ, thu gom hạt, bảo quản - Xử lý rơm rạ 1.5.1 Máy gặt bó 1.5.2 Máy gặt rải lượm 1.5.3 Máy gặt lúa rải hàng 1.5.4 Máy gặt rải hàng chuyển cây đứng với đĩa gạt lúa bị động hình sao 1.5.5 Máy gặt đập liên hợp Máy gặt đập liên hợp là loại máy được sử dụng phổ biến trong sản xuất lúa ở nước ta hiện nay Theo số liệu của Tổng Cục Thống Kê, năm 2011 cả nước có 14701 máy gặt đập liên hợp được đưa vào sử dụng Trong đó, 21 máy thuộc 6 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 6 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí quyền sở hữu của doanh nghiệp, 150 Hình 1.1 Máy gặt đập liên hợp máy thuộc các hợp tác xã và 14530 máy do các hộ gia đình làm chủ [32] 1.6 Máy gặt đập liên hợp GLH – 1500A Là máy được thiết kế, chế tạo bởi TS Nguyễn Sỹ Hiệt và các cộng tác viên - Viện Cơ Điện NN & CNSTH Hiện máy đang được sử dụng tại Đông Vinh – Thái Bình đem lại hiệu quả kinh tế cao cho bà con nông dân Máy có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ nhưng vận hành thuận tiện và phù hợp với địa hình đồng ruộng Thái Bình Dưới đây là một số Hình 1.2 Máy gặt đập liên hợp GLH-1500A bộ phận chính của máy: 1.6.1 Cấu tạo bộ phận cắt gặt 1.6.2 Trục xoắn tải lúa 1.6.3 Băng tải lúa 1.6.4 Bộ phận đập phân ly và làm sạch 1.6.5 Bộ phận làm sạch 1.6.6 Vít tải 1.6.7 Gầm máy 1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng đập tách hạt của máy gặt đập liên hợp và hướng 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 hưởng của nhiều yếu tố thuộc về vật liệu đập như: loại giống, độ ẩm khối lúa, tỷ lệ hạt trong khối lúa, độ chín của lúa, tạp chất cỏ rác Các yếu tố 7 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 7 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí thuộc về cấu tạo của bộ phận đập như: số thanh hoặc răng trống đập, góc bao, độ dài trống, đường 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 lượng 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 ưu 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] Như vậy chưa có nghiên cứu nào về ảnh hưởng của lượng lúa đưa 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 lượng lúa đưa 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 được thiết kế và triển khai trên máy GLH-1500A xác định vùng tốc độ quay của trống và lượng lúa đưa 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 được phát triển cho nhiều loại máy gặt đập liên hợp với kích cỡ và hình dạng khác nhau 8 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 8 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí KẾT LUẬN CHƯƠNG 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 được cơ giới hóa 2 Ở Việt Nam hiện áp dụng nhiều loại hình máy gặt đập liên hợp, tuy nhiên do địa hình cũng như điều kiện canh tác khác nhau giữa các vùng miền nên đôi khi máy đưa vào sử dụng chưa cho kết quả cao nhất Vì vậy cần có nhiều hơn nữa những nghiên cứu về các loại máy này 3 Chất lượng làm việc của máy gặt đập liên hợp chịu ảnh hưởng của nhiều yêu tố như: loại giống, độ ẩm khối lúa, tỷ lệ hạt trong khối lúa, độ chín của lúa, tạp chất cỏ rác, nhưng ảnh hưởng mạnh nhất vẫn là: số thanh đập, góc bao, độ dài trống, đường kính trống, vận tốc trống, khe hở giữa trống và máng trống, lượng lúa đưa vào trống Như vậy trống đập là bộ phận quyết định chủ yếu đến chất lượng 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 được quyết định bởi chế độ làm việc của trống đập Từ các tài liệu [1-7] nhận thấy chưa có nghiên cứu nào về ảnh hưởng của lượng lúa đưa vào trống đập và tốc độ quay của trống đến độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm, do đó hướng nghiên cứu của tác giả là tìm ra mối quan hệ giữa tốc độ quay của trống, lượng lúa cung cấp vào trống 9 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 9 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí với độ sót vào tỷ lệ hạt theo rơm, cuối cùng chọn ra chế độ làm việc tối ưu cho máy gặt đập liên hợp Nghiên cứu thực nghiệm sẽ tiến hành trên máy GLH-1500A Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu - Trống đập của máy gặt đập liên hợp GLH-1500A - Nguyên liệu : Lúa Q5 cần thu hoạch - 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 Hưng – Thái Bình 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng 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, Lượng lúa đưa vào trống đập, Vận tốc trống đập, Đường 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 phương 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 hưởng đến chất lượng đập tách hạt, đó là: lượng lúa cung cấp vào trống đập và tốc độ quay của trống đập Ký hiệu các yếu tố như sau: 10 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 10 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí - B là bề rộng làm việc của máy gặt liên hợp (m) - v là vận tốc chuyển động của máy (m/s) - β là tỷ lệ trọng lượng hạt chứa trong toàn bộ trọng lượng hạt và rơm Lượng cung cấp riêng được xác định theo công thức trên là lượng cung cấp riêng trung bình 3.2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình làm việc của bộ phận đập 3.2.3.1 Vận tốc quay của trống đập Vận tốc quay của trống đập đặc trưng bởi số vòng quay trong một phút hay vận tốc góc, vận tốc vòng của trống đập Dựa vào lý thuyết đập rụng hạt ta thấy rằng công để làm rụng một hạt có khối lượng m là: L = G.h = mv 2 2 (3.2) Trong đó v là vận tốc của hạt, nếu vận tốc của trống là vtr thì vận tốc của hạt sẽ là: v = vtr (1 + ε )Cosα tb Trong đó tùy theo độ ẩm của hạt, với hạt ẩm ε là hệ số hoàn nguyên, hệ số này thay đổi ε = 0,1 ε = 0,2 α tb ; hạt khô ; là góc giữa hướng vận tốc trống và trục của hạt, góc này thay đổi trong khoảng π  0 ÷  2  vì thế ta lấy: 14 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 14 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cosα tb = π /2 ∫ 0 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Cosα 2 dα = = 0,64 π π 2 Do đó ta có: L= 1 2 m[ vtr (1 + ε ) Cosα tb ] 2 Hình 3.3 Răng đập rụng hạt Suy ra: vtr = 1 (1 + ε ) Cosα tb 2L m vtr = Hay 2 Lmax 1 < vth 0,64(1 + ε ) m (3.3) Ở đây vtr là vận tốc tới hạn làm hỏng hạt 3.2.3.2 Lực đập Lực P cần thiết để đập theo V.P Goriatskin là: P = P1 + F (3.4) Trong đó: - P1 : lực làm rụng hạt và làm biến dạng cây lúa - F : lực ma sát P1 = v dm = vm' dt F = fP (3.5) (3.6) - f là hệ số Theo Goriatskin: f = 0,2 ÷ 0,85 15 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 15 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí P = m' v + fP Ta có lực đập cần thiết là: P= hay m' v 1− f (3.7) 3.2.3.3 Công suất cần thiết – Phương trình cơ bản của trống đập Ta gọi N là năng lượng chi phí cho trống làm việc với lượng cung cấp riêng m’ Năng lượng đó sẽ gồm hai thành phần N1 và N2 tương ứng với hai loại lực cản trên Ta có: N = N1 + N 2 (3.8) N1 là một hàm số đối với vận tốc góc ω của trống đập: N1 = Aω + Bω 3 (3.9) N2 chính là tích số của lực đập P và vận tốc v N2 = Ta có: m ' v 2 1− f (3.10) Như vậy công suất cần thiết để trống làm việc là: N = ( Aω + Bω 3 ) + m'.v 2 1− f (Nm/s) (3.11) Bây giờ đề ý trống quay không (không cung cấp lúa) thì chính N2 này sẽ làm cho trống quay có gia tốc Nếu gọi I là mô men quán tính của trống (Nms2), ta có: N 2 = Iω dω = N − Nt dt (3.12) Cân bằng hai phương trình (3.10) và (3.12) ta có: 16 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 16 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật N 2 = Iω Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí dω m ' v 2 = dt 1 − f (3.13) Đây là phương trình cơ bản của trống đập, cân bằng giữa công nhận được và công tiêu thụ Từ phương trình cơ bản ta suy ra những kết quả sau: nth = + Vận tốc giới hạn: 30 πR N 2 (1 − f ) m' (vg/min) Ta cũng có thể xác định vận tốc giới hạn bằng đồ thị (hình 3.4) Hoành độ giao điểm của hai đường biểu diễn hàm số dω dt cho ta vận tốc tới hạn Vận tốc góc làm việc ω lv ω th Hình 3.4 Đồ thị xác định ω th của trống đập phải nhỏ hơn vận tốc tới hạn ω th + Giới hạn đường kính trống: Từ phương trình cơ bản trên ta có: m' 1 − f 4(1 − f ) = 2 = 2 2 N2 v ω D (3.14) Trong đó D là đường kính trống đập 3.2.4 Những thông số cấu trúc của bộ phận đập Những thông số chính của trống đập là: chiều dài l, đường kính D, số thanh I, số vòng quay n Những thông số này ảnh hưởng nhiều đến chất lượng và năng suất làm việc của bộ phận đập: Chiều dài trống l, Đường kính trống D, Vận tốc trống, Số thanh trống i 17 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 17 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 1 Các máy gặt đập liên hợp thu hoạch lúa sử dụng hai loại bộ phận đập chủ yếu là: đập tiếp tuyến và đập dọc trục Trong đó bộ phận đập tiếp tuyến thường được sử dụng vì cho năng suất đập cao 2 Xây dựng được cơ sở lý thuyết làm việc của trống đập, bao gồm: tính toán vậc tốc quay của trống đập, lực đập, công suất cần thiết, phương trình cơ bản của trống đập, lượng lúa cung cấp vào trống đập Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐẬP TÁCH HẠT CỦA MÁY GLH -1500A 3.1 Mục đích thí nghiệm - Xác định các thông số chính ảnh hưởng đến độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm sau khi đập trên máy gặt đập liên hợp GLH – 1500A - Chỉ ra các mối quan hệ giữa các thông số ảnh hưởng và hàm mục tiêu bằng thực nghiệm (những đại lượng này khó hoặc không thể xác định được bằng tính toán lý thuyết) - Lựa chọn được giá trị tốc độ quay của trống đập và lượng lúa đưa vào trống để độ sót và tỷ lệ hạt theo rơm là nhỏ nhất 3.2 Đối tượng thí nghiệm Đối tượng thí nghiệm là giống lúa Q5: 18 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 18 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí * Độ ẩm cây và hạt khi thu hoạch theo mùa vụ [34]: - Vụ Xuân: Độ ẩm cây 75÷80%; độ ẩm hạt 22÷25% - Vụ Mùa: Độ ẩm cây 65÷72%; độ ẩm hạt 18÷21% Hình 4.1 Lúa Q5 * Lực cần để bứt hạt ra khỏi gié: 0,78N [30] 3.3 Các thông số, chỉ tiêu cần xác định bằng thực nghiệm * Thông số đầu vào: - Tốc độ quay của trống đập x2, v/ph: x2 = { 500;600;700} v/p - Khối lượng lúa đưa vào trống đập q, kg ; q = S.ρ (kg) Trong đó: S = 25.x1 (m2) Với: - 25 (m) là chiều dài của các đường cắt - x1 là bề rộng của đường cắt, Suy ra: q = { 28,5;34,5;40,5} x1 = { 0,95;1,15;1,35} m, ρ = 1,2 kg/m2 kg * Thông số đầu ra: Tỷ lệ hạt theo rơm yt, % ; Độ sót hạt ys, % 3.4 Thiết bị thí nghiệm 3.4.1 Máy gặt đặp liên hợp GLH -1500A 3.4.2 Thiết bị đo Máy đo tốc độ vòng quay, Cân, Thước dây, Các thiết bị thu gom, hứng, đựng, sàng, xảy thóc 19 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 19 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí 3.5 Mô hình thí nghiệm Thí nghiệm được tiến hành trên thửa ruộng có kích thước là 25x134,55m được chia thành các đường chạy với bề rộng lần lượt là: 0,95m; 1,15m; 1,35m Hình 4.2 Mô hình thí nghiệm 3.6 Tiến hành thí nghiệm * Tiến hành thí nghiệm: - Cho máy gặp đập liên hợp GLH-1500A gặt với các đường chạy có bề rộng lần lượt là: 0,95m; 1,15m; 1,35m tương ứng với các tốc độ quay của trống đập: 500 (v/p), 600 (v/p), 700 (v/p) - Trong mỗi lần chạy, tiến hành thu gom thóc và toàn bộ phần rơm mà máy nhả ra Thóc sẽ được đóng vào bao rồi đem cân Còn rơm sẽ được rũ nhẹ để cho các hạt thóc bám theo rơm trong quá trình đập rơi ra Phần thóc đó được gọi là thóc theo rơm, thóc theo rơm được đóng gói và đem cân Cuối cùng, nhặt các hạt thóc còn liên kết ở rơm – là lượng thóc mà quá trình đập chưa phá được liên kết giữa hạt thóc với gié lúa – gọi là thóc sót Thóc sót cũng được đóng gói và đem cân Như vậy thóc thu thập trong thí nghiệm là tổng hợp của 3 loại trên Tỷ số khối lượng giữa thóc theo rơm trên tổng số thóc thu được gọi là tỷ lệ thóc theo rơm y t(%), tỷ số khối lượng giữa thóc sót trên tổng số thóc thu được gọi là độ sót y s(%) Chúng ta mong muốn là cả yt và ys đều nhỏ 20 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 20 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Hình 4.3 Quá trình tiến hành thí nghiệm * Kết quả thí nghiệm: lặp lại thí nghiệm 3 lần ta thu được kết quả như sau: N0 x1 (m) x2 (v/p ) 1 1.3 5 500 2 0.9 5 3 Y (g) YT.R 1 Ysót 1 YTổng 1 YT.R 2 Ysót 2 YTổng 2 YT.R 3 Ysót 3 YTổng 3 104 6 10.7 25215.3 0 104 2 10.6 8 20114.8 8 104.3 10.7 2 23115.0 2 500 103 8 10.4 14614.2 0 104 10.3 7 22114.3 7 103.9 10.4 5 24614.3 5 1.3 5 700 106 10.8 25616.8 0 105 5 10.7 5 22616.2 5 104.9 10.9 1 25115.8 1 4 0.9 5 700 105 10.7 18615.7 0 105 5 10.6 5 15116.1 5 105.2 10.7 4 14615.9 4 5 1.3 5 600 105 4 10.3 23815.7 0 105 5 10.3 4 17115.8 4 105.2 10.2 6 16615.4 6 6 0.9 5 600 104 2 10.3 18614.5 0 104 4 10.3 4 18114.7 4 104.1 4 10.2 5 18114.3 9 7 1.1 700 104 10.5 24114.5 104 10.5 22115.1 103.9 10.4 21114.3 21 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 21 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật 5 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí 0 8 1.1 5 500 104 9 1.1 5 600 100 2 6 5 5 8 8 10.5 20114.5 0 104 5 10.6 1 23115.1 1 103.8 10.4 2 21614.2 2 10.0 5 22710.2 5 100 1 10.0 3 24610.1 3 100.1 5 10.0 1 24360.1 6 Bảng 4.1 Kết quả thí nghiệm với 3 lần lặp 3.7 Xác định ảnh hưởng của tốc độ quay của trống đập x 2 và lượng lúa đưa vào trống x1 đến tỷ lệ hạt theo rơm yt * Thiết kế thí nghiệm Trong Minitab, kích menu: Start\DOE\Response Surface\Create Response Surface Design * Nhập các kết quả thí nghiệm vào phần mềm * Phân tích kết quả thí nghiệm Kích menu Start\DOE\Response Surface\Analyze Response Surface Design Kết quả phân tích mô hình hồi quy hiển thị trong cửa sổ Secssion Vậy mô hình hồi quy nhận được là: 2 yt = 100,751 + 0,303 x1 + 0,417x2 + 2,676x12 + 2,003x2 − 0,058x1 x2 (4.1) * Đồ thị bề mặt chỉ tiêu: Trong Minitab, kích menu Start\DOE\Response Surface\Contour, Surface Plots Với mỗi dạng đồ thị, kích nút Setup để thiết lập các thông số 22 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 22 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Hình 4.4 Đồ thị bề mặt (trái) và đường mức (phải) Từ đồ thị đường mức, kích chuột phải, chọn Crosshairs để xác định vùng cực trị, theo đó ta nhận được thông số tối ưu như sau: - Lượng lúa đưa vào trên chiều dài cắt x1: x1 ≈ 1150mm - Tốc độ quay của trống đập x2: x2 ≈ 600v / p Hình 4.5 Giá trị tối ưu - Lượng lúa theo rơm Yt: Yt = 100,726 g ⇒ yt = 0,40674% 3.8 Xác định ảnh hưởng của tốc độ quay của trống đập x 2 và lượng lúa đưa vào trống x1 đến độ sót ys Tiến hành tương tự như ở mục 3.7 ta thu được kết quả như sau: Mô hình hồi quy: 2 y s = 10,0423 + 0,07 x1 + 0,0683x2 + 0,212x12 + 0,4236x2 − 0,0425x1 x2 (4.2) 23 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 23 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí * Đồ thị bề mặt chỉ tiêu: Trong Minitab, kích menu Start\DOE\Response Surface\Contour, Surface Plots Với mỗi dạng đồ thị, kích nút Setup để thiết lập các thông số Hình 4.6 Đồ thị bề mặt (trái) và đường mức (phải) Từ đồ thị đường mức, kích chuột phải, chọn Crosshairs để xác định vùng cực trị, theo đó ta nhận được thông số tối ưu như sau: - Lượng lúa đưa vào trên chiều dài cắt x1: x1 ≈ 1150mm - Tốc độ quay của trống đập x2: x2 ≈ 600v / p - Lượng lúa sót Ys: Hình 4.7 Giá trị tối ưu Ys = 10,0263g ⇒ ys = 0,04076% * Tối ưu hóa đa mục tiêu: 24 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 24 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Từ phương trình 3.1 và 3.2 ta đã xác định được mối quan hệ giữa tốc độ quay của trống đập x2 và lượng lúa đưa vào trống x1 đến tỷ lệ hạt theo rơm yt và độ sót ys 2 yt = 100,751 + 0,303 x1 + 0,417x2 + 2,676 x12 + 2,003x2 − 0,058x1 x2 2 y s = 10,0423 + 0,07 x1 + 0,0683x2 + 0,212 x12 + 0,4236x2 − 0,0425x1 x2 Mong muốn tiếp theo là tìm được giá trị cụ thể của x1 và x2 sao cho yt và ys là nhỏ nhất Sử dụng chức năng tối ưu hóa đa mục tiêu Respone Optimizer trong Minitab 16 ta nhận được kết quả tối ưu như sau: - Lượng lúa đưa vào trên chiều dài cắt x1: x1 = 1150mm tương ứng với q = 34,5kg - Tốc độ quay của trống đập x2: - Tỷ lệ lúa theo rơm yt: - Độ sót ys: x2 = 600v / p Yt = 100,726 g ⇒ yt = 0,40674% Ys = 10,0263g ⇒ ys = 0,04076% KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên máy GLH-1500A xác định được ảnh hưởng của lượng lúa cung cấp vào trống đập và tốc độ quay của trống đến độ sót ys và tỷ lệ hạt theo rơm yt Theo đó, với x1 = 1150mm; x2 = 600 v/p thì cả yt y t = 0,40674% y s = 0,04076% và ys đều đạt giá trị nhỏ nhất ; , tức là tổn hao khi thu hoạch lúa là thấp nhất Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết khi tính toán chế độ làm việc cho máy gặt đập liên hợp, đó là khi tăng lượng lúa cung cấp vào 25 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 25 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí trống đập (ứng với bề rộng dải cắt x1 lớn) tức là tăng số cây cùng đi qua trống, khi đó phần gié lúa không được trực tiếp chịu tác động của trống đập hoặc của máng trống nhiều lên làm tăng độ sót Còn nếu giảm lượng lúa cung cấp vào trống thì độ sót giảm nhưng độ vỡ hạt lại tăng mạnh, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Tương tự như vậy, nếu tăng tốc độ quay của trống đập x2 thì độ sót giảm nhưng độ vỡ và chi phí công suất lại tăng và ngược lại Như vậy giá trị đã tìm được của lượng lúa cung cấp vào trống đập và tốc độ quay của trống có thể dùng làm bộ thông số hợp lý cho máy GLH-1500A khi đưa vào sử dụng 26 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 26 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí KẾT LUẬN CHUNG Với vị thế quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, sản xuất lúa gạo luôn cần được ưu tiên đầu tư phát triển Đó là một quá trình lao động vất vả, nặng nhọc, sử dụng nhiều lao động nên việc cơ giới hóa là vô cùng cấp bách, đặc biệt là trong khâu thu hoạch lúa Chính vì vậy hàng loạt máy gặt đập liên hợp đã được đưa vào áp dụng trên cả nước Yêu cầu đặt ra là máy phải làm việc hiệu quả và cho tổn thất nhỏ nhất Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để xác định ảnh hưởng của một số yếu tố chính đến tỷ lệ hạt theo rơm và độ sót của máy gặt đập liên hợp nhằm đạt được tổn thất nhỏ nhất, từ đó xác định bộ thông số chế tạo và sử dụng hợp lý của của bộ phận chính của máy Thí nghiệm được tiến hành tại Thái Bình trên đối tượng là máy GLH-1500A và giống lúa Q5 Áp dụng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm nhờ kỹ thuật thiết kế thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu, miền làm việc tối ưu của máy GLH-1500A đã được xác lập Theo đó, ở chế độ làm việc với lượng lúa đưa vào trống đập tương ứng với bề rộng dải cắt x1 = 1150mm và tốc độ quay của trống x2 = 600 v/p thì tỷ lệ hạt theo rơm và yt = 0,40674% y s = 0,04076% độ sót nhỏ nhất, , Kết quả này có thể được phát triển cho nhiều loại máy gặt đập liên hợp với kích cỡ và hình dạng khác nhau Bước tiếp theo cần phát triển của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng tổng hợp của nhiều hơn 2 yếu tố đến chất lượng đập tách hạt của trống đập và mối tương tác giữa các yếu tố đó Chính vì vậy cần xây dựng mô hình toán của trống đập bằng cách ứng dụng lý thuyết mô hình đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên Mong muốn đạt được là tìm ra bộ thông số tối ưu được tiêu chuẩn hóa để thiết kế, chế tạo các loại máy gặt đập liên hợp với thông số đầu vào là thực tế của quá trình sản xuất như: năng suất, sản lượng, chất lượng yêu cầu của sản phẩm, đặc tính lúa, điều kiện đồng ruộng nơi mà máy sẽ làm việc Như vậy quá trình thiết kế, chế tạo máy sẽ nhanh tróng, chính xác, phù hợp với nhu cầu sử dụng và cho hiệu suất cao 27 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 27 Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH [1] Petre I Miu, Heinz-Dieter Kutzbach, Modeling and simulation of grain threshing and separation in threshing units—Part I, Computers and Electronics in Agriculture, Volume 60, Issue 1, January 2008, Pages 96-104 [2] C.A Glasbey, M.B McGechan , Threshing loss stochastic variability on combine harvesters, Journal of Agricultural Engineering Research, Volume 28, Issue 2, March 1983, Pages 163-174 [3] M.J Le Flufy, G.T Stone, Speed control of a combine harvester to maintain a specific level of measured threshing grain loss, Journal of Agricultural Engineering Research, Volume 28, Issue 6, November 1983, Pages 537-543 [4] Du Chen, Feng Kang, Qingyuan Zhu and Shumao Wang, Study on Combine Harvester Speed Control Based on Optimum Threshing Power Consumption Model , Applied Mechanics and Materials Vols, 130-134 (2012) pp 1911-1914 [5] Petre I.Miu, Heinz-Diêtr Kutzbach, Mathematical model of material kinematics in an axial threshing unit, 302 Biosystems Engineering and Soil Science Department, University of Tennessee, 2506 E.J Chapman Drive, Knoxville, TN 37996-4531, United States [6] Ramesh Kumar, John R Goss, H E Studer, A Study of Combine Harvester Reliability, Transactions of the ASAE—1977 [7] M.B McGechan, C.A Glasbey, The benefits of different speed control systems for combine harvesters, Journal of Agricultural Engineering Research, Volume 27, Issue 6, November 1982, Pages 537-552 28 Thực hiện: Hoàng Trung Kiên 28