Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo máy cắt cỏ chuyên dùng chăm sóc vườn cây ăn trái 3

76 Hình 2 51 Bản vẽ thiết kế, chế tạo máy cắt cỏ trong vườn cây ăn trái Bảng 2 20 Thông số kỹ thuật máy cắt cỏ sau khi hoàn chỉnh thiết kế Thông số kỹ thuật Yêu cầu Giá trị Tốc độ làm việc 2 – 4 (kmh) Tốc độ đĩa dao 1800 – 2400 (vòngphút) Chiều cao cắt ≥ 3 (cm) Chiều rộng làm việc 1,1 (m) Số lượng dao cắt tối đa 8 dao Số người vận hành 1 người Khối lượng mô đun cắt 75 (kg) Công suất động cơ 7 (HP) Tổng khối lượng máy 175 (kg) CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương này t.

Hình 2.51: Bản vẽ thiết kế, chế tạo máy cắt cỏ trong vườn cây ăn trái

Bảng 2.20: Thông số kỹ thuật máy cắt cỏ sau khi hoàn chỉnh thiết kế

Thông số kỹ thuật

Tốc độ làm việc 2 – 4 (km/h)

Tốc độ đĩa dao 1800 – 2400 (vòng/phút)

Chiều rộng làm việc 1,1 (m)

Số lượng dao cắt tối đa 8 dao

Số người vận hành 1 người

Khối lượng mô đun cắt 75 (kg)

Công suất động cơ 7 (HP)

Tổng khối lượng máy 175 (kg)

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU

Chương này trình bày các phương pháp nghiên cứu, dụng cụ thí nghiệm, cách xác định các biến đầu vào của thực nghiệm và các hàm mục tiêu, phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm cắt cỏ trong vườn cây ăn quả

3.1 Tổng quát các nội dụng thực hiện đề tài nghiên cứu

Đề tài được thực hiện theo trình tự như sau

Hình 3.1: Lưu đồ thực hiện của đề tài 3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

3.2.1.1 Phương pháp kế thừa

 Kế thừa có chọn lọc với kết quả nghiên cứu của các tác giả đã nghiên cứu về lĩnh

vực máy cắt, cắt cây thực vật thông qua các công trình khoa học đã được công bố

 Tìm hiểu một số thiết bị cắt cỏ hai dao trong nước và thế giới

 Tiếp cận và tiếp thu các ý kiến của các chuyên gia, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực máy nông nghiệp nói chung và máy cắt cây thực vật nói riêng

 Tiến hành khảo sát công nghệ và thiết bị, tìm hiểu phân tích thiết bị để nắm bắt được các thông số cơ bản và công nghệ, yêu cầu kỹ thuật của thiết bị làm cơ sở so sánh, đánh giá thiết bị khi nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

 Tìm hiểu các ưu điểm và nhược điểm của các máy cắt cỏ hiện có để nghiên cứu,

chế tạo được một máy cắt cỏ theo hướng nghiên cứu của đề tài

3.2.1.2 Phương pháp giải tích toán học

Áp dụng các công thức toán học trong tài liệu để thực hiện tính toán thiết kế máy

theo hướng tạo ra mô hình vật lý cũng như giải các bài toán về qui hoạch thực nghiệm bậc nhất để xác định các thông số ảnh hưởng đến năng suất, chi phí nhiên liệu, độ sót

và chất lượng lát cắt

3.2.1.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Qui hoạch thực nghiệm (QHTN) được Fisher đề xuất trong những năm 30 của thế

kỷ XX để giải các bài toán thực nghiệm Fisher đã đưa ra một lĩnh vực mới của thống

kê toán học là giải tích phương sai, cho phép ước lượng vai trò của từng yếu tố trong tổng phương sai Giải tích phương sai và giải tích hồi qui dựa trên cơ sở QHTN có mối liên hệ rất phức tạp

Trong nghiên cứu này tác giả lựa chọn phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố, nhằm xác định khoảng nghiên cứu và miền giá trị của các yếu tố cần nghiên cứu, từ đó xác định điểm thích hợp

Nguyên tắc của phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố là cố định các yếu tố khác để xác định ảnh hưởng của yếu tố biến thiên tới hàm mục tiêu mà mình đã đoán định và thăm dò trước đó Qua đó thăm dò được khoảng nghiên cứu cho phép của yếu tố và các ảnh hưởng tới giá trị cực trị của hàm mục tiêu

Trên cơ sở đó, đề tài tiến hành làm thực nghiệm đơn yếu tố cùng với việc sử dụng phần mềm SPSS để xử lý số liệu thống kê xác định miền giá trị, từ các kết quả thu được cho phép xây dựng được chế độ cắt cỏ thích hợp Nội dung của các thực nghiệm đơn yếu tố là xác định ảnh hưởng của các thông số công nghệ liên qua đến hàm mục tiêu gồm: năng suất làm việc của máy Ns (ha/h), tiêu hao nhiên liệu xăng NL (lít/ha),

độ sót Ds (%)

3.3 Xác định các thông số nghiên cứu đầu vào và phương pháp xác định

3.3.1 Xác định các biến số ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu

Có nhiều yếu tố tác động đến chỉ tiêu chất lượng của máy cắt cỏ như :

 Mật độ cây cỏ trong vườn

 Vận tốc tiến của máy

 Vận tốc dao cắt

Trên cơ sở phân tích luận giải và giới hạn thực hiện đề tài, tác giả loại bỏ các yếu

tố không xác định được khỏi không gian nghiên cứu, Đề tài chọn hai yếu tố chính ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng máy cắt cỏ gồm:

 Vận tốc của dao cắt (Vd), m/s

 Vận tốc tiến của máy cắt gốc (Vm), m/s

Nhằm giúp cho việc nghiên cứu mang tính toàn diện đề tài trình bày cách xác định

các thông số ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu như sau :

3.3.2 Vận tốc dao

Phương pháp xác định vận tốc của dao cắt

 Khả năng cắt cỏ phụ thuộc vào vận tốc đầu dao Số vòng quay của đĩa dao phản ảnh vận tốc đầu dao Dao cắt chuyển động theo đĩa dao và cắt vào gốc cỏ khi đi qua luống cỏ Vận tốc dao nếu lớn quá sẽ gây tổn thất năng lượng, tiêu hao nhiều công suất trong quá trình cắt Thay đổi số vòng quay của trục lắp đĩa dao cắt từ

1400-2200 vòng/phút bằng cách thay đổi đường kính các pully bị động và pully chủ động của máy Pully được thiết kế có kích thước thay đổi các mức kích thước

 Việc xác định và đo kiểm tra lại số vòng quay thực của đĩa dao bằng máy đo số vòng quay số (digital) Khi đo phải bằng cách dán một miếng giấy bạc vào trục quay) Kết quả số vòng quay hiển thị trên màn hình máy đo Việc đo cũng lấy trung bình ở 5 lần đo khác nhau

Vận tốc dao được quy đổi từ số vòng quay đĩa dao sang vận tốc dài m/s

V𝑑 =2Rn

60 (3.1)

Vd- vận tốc dao cắt , m/s

n- Số vòng quay của trục dao cắt, vòng/phút;

R- bán kính của dao (tính từ tâm quay đến mặt biên của dao),m;

Trong thực nghiệm biến số vận tốc dao cắt được mã hóa (X1)

3.3.3 Vận tốc tiến của máy

Vận tốc tiến là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cắt, tiêu hao nhiên liệu, năng suất cắt trên đồng và độ sót Vận tốc tiến của máy được xác định bằng cách xác định chiều dài đường cắt bằng thước dây và sử dụng đồng hồ bấm giây đo thời gian đi hết một đường chạy của máy

V𝑚 =S (3.2) S- Chiều dài của luống, m;

- Thời gian, s

Trong thực nghiệm biến số vận tốc tiến của máy được mã hóa (X2)

3.3.4 Xác định mật độ cỏ

Mật độ cỏ trong vườn được xác định bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên các vị trí 5 vị trí mỗi vị trí 1 m2 rồi cân trọng lượng

3.4 Xác định các hàm mục tiêu và phương pháp xác định

Là các yếu tố đánh giá chỉ tiêu chất lượng của máy cắt cỏ có đạt được yêu cầu thiết kế như sau:

 Năng suất (Ns),ha/ giờ;

 Tiêu hao nhiên liệu (Nl), lít/giờ;

 Độ sót của cỏ cắt còn lại (Ds),%;

Các yếu tố này có liên quan với nhau và quyết định đến chất lượng của máy cỏ hai

dao, chúng phải đạt được yêu cầu nhất định trong cùng một lần chạy

Hệ thống chỉ tiêu và phương pháp đánh giá

3.4.1 Phương pháp xác định năng suất cắt

Năng suất máy tính theo thời gian làm việc trên một hecta Khi khảo nghiệm sẽ đo

tổng thời gian máy làm việc trên diện tích thí nghiệm sau đó trừ đi những khoảng thời

gian dừng máy Năng suất máy là chỉ tiêu đánh giá làm việc của máy cắt cỏ và cũng

ảnh hưởng đến hiệu quả khi đầu tư máy cắt Xác định năng suất máy làm việc (ha/giờ)

được xác định bằng diện tích máy làm việc trong một đơn vi thời gian Việc xác định

diện tích đường cắt của máy cắt cỏ bằng thước dây khi đo chiều rộng và chiều dài

Thời gian máy làm việc được xác định bằng đồng hồ có bấm giây

Ns=A (3.3) Trong đó : Ns- năng suất ha/giờ

- Thời gian, h

A- diện tích cắt, m2

Năng suất máy khi thực nghiệm được mã hóa Y1

3.4.2 Phương pháp đo tiêu hao nhiên liệu

Tính bằng lượng xăng khi máy làm việc trên một hecta Vừa tra theo sổ tay máy

kéo, kiểm chứng thực tế bằng phương pháp bù vào trước khi máy bắt đầu làm việc

Phương pháp đo tiêu hao nhiên liệu được sử dụng theo cách: trước khi tiến hành

chạy máy khảo nghiệm, ta bơm xăng vào đầy thùng chứa xăng trước khi tiến hành

khảo nghiệm cho đến khi máy hoàn thành hết khoảng diện tích khảo nghiệm xác định

thì thực hiện đổ bổ sung vào ở mức đầy như ban đầu từ đó xác định lượng xăng bổ

sung đầy thùng xăng chính là mức tiêu hao xăng trên đơn vị diện tích làm thực nghiệm

Lượng xăng bổ sung vào được dùng các cốc và các ống đong nhiên liệu có chia mức ml:

Nnl =Bx𝐴 (3.4)

Trong đó: Nnl- mực xăng tiêu hao, lít/ha

Bx-mức xăng bổ sung vào thùng xăng trước khi chạy khảo nghiệm, lít;

A-diện tích máy cắt được, m2;

Trong xử lý thống kê lượng tiêu hao nhiên liệu được mã hóa thành Y2

3.4.3 Phương pháp xác định độ sót

Bao gồm tính cả độ gãy đổ của cây cỏ không cắt đứt Cách xác định bằng cách cắt bằng

tay trực tiếp Dùng bút màu đánh dấu các cỏ hai dao còn sót lại hoặc bị gãy đổ sau khi

máy cắt cỏ đi qua

Cách tiến hành cho máy chạy mỗi đường tiến hành lấy 5 vị trí, mỗi vị trí lấy theo chiều

dài 100m và đo trọng lượng không cắt được kể cả tính cây cỏ gãy nghiêng không đứt

hết trên các đường cắt

Ds=Ss

𝑇 100% (3.6)

Trong đó: Ds -Độ sót ,%;

Ss -Số lượng cỏ hai daokhông được cắt

T- tổng số cỏ hai dao trong bụi trên diện tích đã cắt được

Trong xử lý thống kế tiêu hao độ sót được mã hóa thành Y3

3.5 Các thiết bị đo và phương pháp đo

Thiết bị đo, phương pháp đo, các chỉ tiêu cần đo phải được đặc biệt quan tâm, vì chỉ

có việc đo đúng, mới có thể xác định đúng được các thông số từ đó cho phép xây dựng được chế độ làm việc của máy

 Dụng cụ đo sô vòng quay

Vận tốc dao cắt được tính từ số vòng quay đĩa dao cắt Số vòng quay được đo bằng

Máy đo số vòng quay lutron DT-2235B Model : DT-2235B của Lutron – Đài Loan

sản xuất Hoặc máy đo vận tốc vòng quay Total Meter DT2234C Thiết bị có độ phân giải cao 0.1RPM (2.5 ~ 999.9RPM), độ chính xác có giá trị trong khoảng ± (0,05% +1 chữ số) mang đến kết quả đo đạc chính xác

Hình 3.2: Dụng cụ đo số vòng quay và phương pháp đo số vòng quay

 Dụng cụ đo chiều dài

Để xác định phạm vi thí nghiệm và diện tích lấy số liệu thí nghiệm ta cần một số dụng cụ đo chiều dài Bao gồm:

Đo phạm vi và giới hạn máy hoạt động trong từng thí nghiệm ta sử dụng thước dây 50m

Hình 3.3: Thước kéo 50m

 Dụng cụ đo mức chất lỏng

Ca đong có vạch chia được sử dụng để đo lượng nhiên liệu tiêu hao sau mỗi lần máy hoàn thành một hành trình cắt thử nghiệm Phương pháp đo lượng tiêu hao như sau: trước khi máy bắt đầu vận hành cắt thử nghiệm trong một phạm vi nhất định ta tiến hành cho đầy nhiên liệu vào bình chứa nhiên liệu của máy Sau khi máy hoàn thành hết phạm vi thí nghiệm ta cho nhiên liệu đầy trở lại vào bình chứa nhiên liệu của máy, lượng nhiên liệu được cho vào được kiểm soát thông qua ca đong có vạch chia Khi

đó, lượng nhiên liệu được cho vào sau mỗi thí nghiệm chính là lượng tiêu hao nhiên liệu của máy trong quá trình hoạt động

Hình 3.4: Ca đong có vạch chia xác định mực nhiên liệu [47]

 Dụng cụ đo khối lượng

Để đo khối lượng cỏ cắt được và lượng cỏ sót lại sau mỗi thí nghiệm, ta sử dụng cân đồng hồ Nhơn Hòa loại 10kg và 5kg để chỉ thị giá trị bằng kim Đồng thời, vạch hiển thị có dung sai  0,01g

Hình 3.5: Cân Nhơn Hòa các loại

 Dụng cụ đo thời gian

Với mục đích đo được năng suất làm việc của máy cắt cỏ, ta cần một dụng cụ có thể xác định được thời gian máy hoàn thành quá trình vận hành thử nghiệm trong một diện tích cho trước Vì vậy, đồng hồ bấm thời gian là thiết bị không thể thiếu giúp ta

có thể nắm được các thông số về thời gian trong quá trình thí nghiệm

Hình 3.6: Đồng hồ bấm thời gian

 Một số dụng cụ khác

Ngoài các dụng cụ đo nhầm xác định các kết quả thí nghiệm, ta còn cần chuẩn bị một số dụng cụ tháo lắp cơ khí để thay đổi các loại puly và hiệu chỉnh máy khi cần, ngoài ra để thu được cỏ còn sót lại sau khi máy đi qua ta còn chuẩn bị một số dụng cụ cắt như: liềm,

3.6 Phương pháp sử dụng trong thực nghiệm

3.6.1 Mô tả tổng quát phương pháp

Để đánh giá ảnh hưởng của thông số làm việc của máy gồm vận tốc dao cắt (Vd) và vận tốc tiến của máy (Vm) ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu của máy cắt cỏ , đề tài

sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố để xác định khoảng cần khảo sát của các thông số vận tốc dao cắt gốc (Vd) và vận tốc tiến của máy (Vm) ảnh hưởng của từng thông số của hàm mục tiêu bao gồm năng suất máy (Ns), tiêu hao nhiên liệu (Nnl) và độ sót gốc (Ds) dựa trên nguyên tắc cố định các thông số không phải là thông

số đang khảo sát Tiếp theo để đánh giá ảnh hưởng tổng hợp, đồng thời của cả ba thông số (Vd) và vận tốc tiến của máy (Vm), nghiên cứu này sử dụng phương pháp thực nghiệm yếu tố toàn phần để xây dựng các phương trình thực nghiệm Ns, Nnl, Ds Quy hoạch thực nghiệm là phương pháp tổ chức các thí nghiệm sao cho chỉ mất một

số ít thí nghiệm nhất nhưng có thể thu nhận được lượng thông tin nhiều nhất Đây là phương pháp cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của đồng thời của nhiều yếu tố công nghệ đến một chỉ tiêu nào đó của quá trình mà không cần phải cố định và thay đổi lần lượt từng biến số Kết quả cuối cùng của quy hoạch thực nghiệm là xây dựng nên một

mô hình toán học ở dạng phương trình hồi quy biểu thị mối quan hệ giữa các thông số đầu ra với các thông số đầu vào [30]

Phương pháp mô tả thống kê quan niệm hệ là một hộp đen, trong đó cấu trúc và tính chất bên trong là không biết rõ Nói cách khác, mô hình thống kê không cho biết bản chất bảo toàn và bản chất động học của hệ mà chỉ mô tả mối quan hệ giữa các thông

số đầu vào và đầu ra của hệ trên cơ sở các phương pháp của toán học thống kê [31]

Hình 3.7: Minh họa mô hình hộp đen

Như vậy, mối quan hệ đầu vào – đầu ra ở đây thuần túy là quan sát thực nghiệm chứ không được dựa trên một cơ sở lý thuyết nào Trong trường hợp cấu trúc hộp đen, các hàm mô tả là các hàm nhiều biến Y = (X1, X2, , Xk) được phân tích thành dãy Taylor tức là hàm hồi quy lý thuyết:

2 0

j j ij i j jj jj

j i j j

Với nhiễu  tuân theo luật phân phối chuẩn (0, 2)

Để xác định được các hệ số hồi quy lý thuyết 0, j, ij, jj, cần có vô hạn số thực nghiệm mà trong thực tế số thực nghiệm chỉ có thể là hữu hạn, nên chỉ xuất hiện các

hệ số hồi quy thực nghiệm (còn gọi là các thông số của mô hình thống kê) b0, bj, bij,

bjj, và vì vậy hàm toán mô tả hệ là hàm hồi quy thực nghiệm Mô hình bậc hai của hàm này có dạng:

2 0

 k k k

j j ij i j jj jj

j i j j

Phương sai của nhiễu  theo luật phân phối chuẩn Dξ = σ2 Nếu bố trí thí nghiệm theo qui hoạch trực giao bậc hai sẽ xây dựng được mô hình thống kê Y biểu diễn gần đúng nhất hàm Y

X1- vận tốc dao cắt m/s

X2- vận tốc tiến của máy (m/s)

Y1-Năng suất máy (ha/h)

Y2-Tiêu hao nhiên liệu riêng (lít/ ha)

Y3-Độ sót (%)

3.6.2 Các bước xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm [32]

1 Xây dựng ma trận thí nghiệm X

2 Xác định các hệ số bj của phương trình hồi quy thực nghiệm Y

3 Kiểm định giả thiết qua ba bước:

Bước 1 Kiểm định sai số chuẩn ξ

Bước 2 Kiểm định hệ số bj của phương trình hồi quy

Bước 3 Kiểm tra sự phù hợp của phương trình hồi quy Y

Trong đó các hệ số hồi quy được xác định và kiểm định theo tiêu chuẩn thống kê Student

Do khó khăn về mặt cơ khí trong việc thay đổi các thông số của ghi nên khi thực hiện thí nghiệm không có điểm * trên và dưới *, do vậy đề tài này chuyển sang sử dụng phương pháp thực nghiệm yếu tố toàn phần (nghĩa là tiến hành tất cả các thí nghiệm mà mọi tổ hợp các mức của các yếu tố X đều được thể hiện), khi đó số thí nghiệm cần thực hiện là 33 = 27 thí nghiệm Do đã tiến hành các thí nghiệm đơn yếu

tố nên trong phương pháp này cho phép thực hiện ở hai mức thì số thí nghiệm đa yếu

tố cần làm là 23 = 8 thí nghiệm, trong đó hai mức thường là hai giá trị biên của mỗi yếu tố X Kết hợp với 7 thí nghiệm đơn yếu tố thì tổng số thí nghiệm cần thực hiện là

15 thí nghiệm

3.6.3 Giới thiệu về chương trình SPSS Statistics 17.0

SPSS Statistics 17.0 [33] (Statistical Package for Social Sciences) là một hệ thống

toàn diện về quản lý dữ liệu và phân tích thống kê trong môi trường đồ họa SPSS có thể lấy dữ liệu từ nhiều loại file khác nhau và sử dụng chúng để tạo ra các bảng báo cáo, các đồ thị và vẽ các đường phân bố, các đường xu hướng, các thông kê mô tả và thực hiện nhiều phân tích thống kê phức tạp Môi trường làm việc của SPSS gồm hai phần: phần soạn thảo dữ liệu đầu vào (SPSS Data Editor) và phần kết quả đầu ra (Out – SPSS Viewer) SPSS Data Editor gồm Data Viewer và Variable Viewer cho phép nhập số liệu đầu vào trực tiếp hoặc Add file số liệu ở dạng Excel.xml, đồng thời định dạng các biến số theo dạng số (Number) hay dạng chữ

Sau khi khởi động chương trình sẽ thấy giao diện của SPSS như sau: