Nghiên cứu cơ bản về bộ phận đập hai trống dập kiểu tiếp tuyến với hướng cấp liệu tiếp tuyến

Nghiên cứu cơ bản về bộ phận đập hai trống dập kiểu tiếp tuyến với hướng cấp liệu tiếp tuyến

TÓM TẮT Luận án tiến sĩ

Nghiên cứu cơ bản về bộ phận đập hai trống đập kiểu

tiếp tuyến với hướng cấp liệu tiếp tuyến

(Grundlagenuntersuchungen zur Kombination von zwei

Tangentialdreschwerken mit tangentialer Gutzuführung)

Bộ môn máy nông nghiệp Khoa chế tạo máy Trường Đại học kỹ thuật tổng hợp Dresden, CHLB Đức

M Sc Nguyễn Xuân Thiết Sinh ngày 12.08.1975 tại Bắc ninh

Dresden, 20.07.2008

I Tổng quan về máy gặt đập liên hợp

Máy gặt đập liên hợp (GĐLH) là máy nông nghiệp thực hiện nhiêm vụ thu gom lúa và tách hạt ra khỏi khối lúa Hình 1 là sơ đồ cấu tạo của máy gặt đập liên hợp kiều truyền thống Lúa sau khi cắt được đưa tới trống đập 3 thông qua bộ phận cung cấp 1 Tại đây diễn ra quá trình đập và tách hạt Phần lớn hạt sẽ được tách ra khỏi khối lúa qua máng đập 4 Bộ phận hạt còn lại sau bộ phận đập sẽ được chuyển đến bộ phận giũ rơm 7 Tại đây phần lớn hạt còn sót lại sẽ được tách ra khỏi khối rơm

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo của máy gặt đập liên hợp kiểu truyền thống [64]

Máy GĐLH hiện đại được trang bị với công suất truyền động tới 400kW, bề rộng làm việc đến 12 m và có tổng lưu lượng lúa thông qua tới 70 tấn/giờ Để tiếp tục nâng cao năng suất máy đòi hỏi phải tìm ra nguyên tắc làm việc mới hoặc thay nguyên tắc làm việc và cấu tạo của các bộ phận làm việc Qua đó trong nhiều năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu cải tiến

đã được công bố

II Đặt vấn đề nghiên cứu

Ở hệ thống đập kiểu tiếp tuyến hiện nay dòng nguyên liệu đập bị thay đổi hướng đột ngột tại cửa vào của bộ phận đập, hình 2

(1) Bộ phận cấp lúa

(3) Trống đập

(6) Trống gạt

(4) Máng đập

(7) Bộ phận giũ rơm

(8) Cơ cấu tung rơm

(9) Bộ phận trả về

Sự đổi hướng của dòng

nguyên liệu đập

Hạt và rơm vụn tách ra khỏi máng đập

sE

sA

Hình 2: Sơ đồ cấu tạo bộ phận đập kiểu truyền thống

Với vận tốc cung cấp 2,8 – 3 m/s khi tiếp xúc với trống đập có vận tốc 28- 32 m/s lúa tại cửa vào sẽ nhận một lực va chạm rất lớn Sự đổi hướng đột ngột làm cho tác động giữ của bộ phận cung cấp càng lớn Lúa sẽ bị biến dạng, dập nát và xé nhỏ ngay tại cửa vào của máng đập Sự biến dạng, dập nát và xé nhỏ này làm tổn thất một phần năng lượng đập Rơm bị xé nhỏ sẽ ngăn cản sự tách hạt của máng đập và làm tăng lượng rơm vụn theo khối hạt thoát

ra khỏi máng đập

Hạt và một phần rơm vụn tách ra khỏi máng dập

ϕ

Hình 3: Bộ phận đập với kiểu cấp liệu tiếp tuyến

Thông qua việc cấp liệu theo góc cung cấp tiếp tuyến với trống đập đập sẽ hạn chế được các nhược điểm đã nêu (hình 3)

Thêm vào đó, với kiểu sắp xếp này, tổng diện tích bề mặt của máng đập của một hoặc nhiều trống đập dễ dàng bố trí tăng lên, thuận lợi cho quá trình tách hạt Ở đây, dòng chuyển động của nguyên liệu được giữ liên tục Từ các lập luận trên đưa ra mô hình cải tiến bộ phận đập hai trống đập (hình 4)

2

3

4

ϕ

αK1

αK2

– Zuführung tangential ist möglich

– Dreschgutführung ist kontinuierlich

– Abscheidefläche kann bis 300%

vergrößert werden

Hình 4: Sơ đồ cấu tạo của bộ phận đập hai trống với hướng cấp liệu tiếp tuyến

Yêu cầu thiết kế thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm khi thiết kế phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Hai trống đập kiểu tiếp tuyến được sắp xếp liên tiếp nhau,

- Nguyên liệu đập được đưa vào theo hướng tiếp tuyến với trống đập và tạo với phương thẳng đứng một góc (góc cấp liệu ϕ) Góc cấp liệu có thể dễ dang thay đổi trong quá trình thí nghiệm,

- Tổng diện tích của máng đập so với bộ phận đập truyền thống được thiết kế tăng lên,

- Mô men của trống đập và lực tác dụng lên máng đập được bố trí đo tại trống đập thứ nhất

để đánh giá chi phí năng lượng của bộ phận đập,

- Bố trí thiết kế các máng hấng để có thể xác định và đánh giá việc tách hạt và trấu qua máng đập,

- Lưu lượng cấp liệu thay đổi trong một phạm vi nhất định

III Nghiên cứu thực nghiệm

Sơ đồ cấu tạo

Từ các yêu cầu thiết kế đặt ra mô hình thí nghiệm như đã chỉ ra ở hình 5

KL 6

mNKB + mK

mK1+mNKB1

mK2 + mNKB2

mK3 + mNKB3

mK4 + mNKB4

mK6 + mNKB6

1

2

3

4

KL1

KL 2

KL 3

KL 4

KL 5

ϕ

αK1

αK2

β

mK5 + mNKB5

vE

Kraftmeßgeber

Hình 5: Mô hình thí nghiệm với bộ phận đập hai trống đập

Nguyên liệu đập từ băng truyền 1 qua bộ phận cấp liệu 2 được đưa vào trống đập thứ nhất theo hướng tiếp tuyến Dòng nguyên liệu đập tiếp tục qua trống đập thứ nhất và cấp cho trống đập thứ hai cũng theo hướng tiếp tuyến Qua hai trống đập, phần lớn các hạt sẽ được tách ra khỏi máng đập Các máng hấng KL1 KL5 được thiết kế để xác định lượng hạt cũng như lượng trấu thoát ra khỏi máng đập ở từng vị trí khác nhau (mKi + mNKBi) Phần hạt còn sót lại sau bộ phận đập (mK6 + mNKB6) được xác định thông qua một sàng giũ rơm bố trí riêng

Hình 6 là toàn cảnh về thí nghiệm với bộ phận đập hai trống đập

Hình 6: Thí nghiệm với bộ phận đập hai trống đập

Lực tác động lên máng đập được xác định thông qua việc đo lực tại các phần tử liên kết và giữ máng đập, hình 7 Khe hở đập dễ dàng thay đổi thông qua việc điều chỉnh độ dài của các phần tử liên kết này

Hình 7 : Thiết bị đo lực

Hình 8 là sơ đồ bố trí đo mô men của trống đập thứ nhất

Hình 8: Sơ đồ đo mô men

Kế hoạch thí nghiệm

Æ Theo mục đích công việc, thí nghiệm sẽ được thực hiện với các thông số làm việc:

Khe hở đập Nguyên

liệu

Góc cấp liệu ϕ

Trống 1 (1 DT) Trống

2 (2

DT)

Lưu lượng thông qua

q [ kg/sm ]

Thời gian thực hiện mỗi thí nghiệm

Lúa mì

50°

60°

70°

20-14-10-8 20-16-12-8 22-18-14-10 (3 Einstellungen)

12/10 12/8 20/8

6

7

8

9

10 s

Æ Các đại lượng cần đo:

Các đại lượng cần đo ở mỗi thí nghiệm Khối lượng hạt trên

mỗi máng hấng

Tổng khối

lượng

nguyên liệu

đập

Tổng khối lượng hạt

Korn NKB

Lượng hạt còn xót lại sau bộ phận đập

Mô men Lực đo

mK + mNKB

(Korn Masse

mk und

Masse an

NKB)

mK

mK1

mK2

mK5

mNKB1

mNKB2

mNKB5

F1

F2

F10

IV Kết quả thí nghiệm

Sự tách hạt qua máng đập

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Korblänge [mm ]

SK(2)

SK(1)

SK(1) = [ 100 - (-5,11q + 228,26)0,997l] % (q - kg/sm; l - mm)

SK(2) = [ 100 – (-4,99q + 273,63)e-l/(16,1q+253,18)] % (q - kg/sm; l - mm)

Hình 9 : Tổng lũy tiến phần trăm tách hạt khỏi máng đập (q = 6 kg/sm, B T = 0,8 m)

Hình 9 biểu diễn tổng lũy tiến phần trăm hạt tách ra trên từng máng hấng và hai hàm thực nghiệm SK(1) và SK(2) được tìm thấy qua phân tích thí nghiệm Hai hàm thực nghiệm SK(1)

và SK(2) mô tả quan hệ giữa tổng lũy tiến phần trăm tách hạt và chiều dài máng đập l và lưu

lượng thông qua q Cả hai hàm đều rất sát với các kết quả thực nghiệm Qua so sánh với thực nghiệm cho thấy, hàm SK(2) cho kết quả gần với thực nghiệm hơn hàm SK(1)

0

10

20

30

40

50

60

70

Korblänge l [mm]

q = 6 kg/sm

q = 7 kg/sm

q = 8 kg/sm

q = 9 kg/sm

Hình 10 : Phần trăm tách hạt riêng phần trong quan hệ với chiều dài máng đập

(ϕ = 50 0 , sE/sA_DT1_22-18-14-10,DT2_12/8, B T = 0,8 m)

Hình 10 biểu diễn quan hệ giữa phần trăm tách hạt riêng phần Spk và chiều dài máng đập Qua phân tích thí nghiệm cho thấy, hàm này biến thiên theo dạng hình parabol Điểm cực đại của hàm đạt giá trị trong khoảng chiều dài của máng đập từ 700 mm đến 1200 mm ( ứng với góc bao 1150 đến 2000) Giá trị tối ưu này không đạt được ở bộ phận đập kiểu truyền thống Bộ phận đập kiểu truyền thống có chiều dài máng đập không quá 710 mm (410mm đến 710 mm)

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

spez NKB-Durchsatz [kg/sm]

ZW 50

ZW 60

ZW 70

Hình 11: Phần trăm tách hạt của trống đập thứ nhất (sE/sA_DT1_20-14-10-8, DT2_12/8)

Hình 11 biểu diễn phần trăm hạt tách ra khỏi trống đập thứ nhất trong quan hệ với lưu lượng cấp liệu - rơm (NKB- Durchsatz) ứng với các góc cung cấp khác nhau Khi lưu lượng cấp liệu vào càng lớn thì phần trăm tách hạt qua máng đập càng giảm Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước Tổng phần trăm tách hạt qua máng đập thứ nhất biến thiên trong khoảng

70 % đến 80 % tương ứng với lưu lượng lúa cấp vào 6 kg/sm đến 9 kg/sm Ở đây ảnh hưởng của góc cung cấp tới lượng hạt tách ra không rõ ràng, sự khác nhau nằm trong phạm

vi nhỏ 2%

0

10

20

30

40

50

60

70

spez Gesamtdurchsatz q [kg/sm ]

KL1 KL2 KL3 KL4 KL5

Hình 12 : Phần trăm tách hạt riêng phần trên mỗi máng hấng (ϕ = 50°,

sE/sA_DT1_20-14-10-8,DT2_12/8)

Phần trăm tách hạt riêng phần tại các máng hấng tăng lên từ máng hấng 1 (KL1) đến máng hấng 4 (KL4), và giảm xuống ở máng hấng 5 (KL5) ở tất cả các thí nghiệm

0

10

20

30

40

50

60

spe z NKB-Durchsatz [kg/sm]

KL1 KL2 KL3

Hình 13: Phần trăm tách hạt tại các máng hấng KL1, KL2, KL3 (sE/sA_DT1_20-14-10-8,

DT2_12/8)

Hình 13 biểu diễn quan hệ giữa phần trăm tách hạt trên các máng hấng với lưu lượng cấp liệu - rơm Qua đó cho thấy, phần trăm hạt tăng lên ở máng hấng 1 và máng hấng 2 khi lưu lượng cấp liệu tăng, trong khi đó lại giảm xuống ở máng hấng thứ 3 Ở điểm này cần có thêm nghiên cứu bổ sung nhằm giải thích nguyên nhân của hiện tượng để đánh giá tốt hơn

mà luận án chưa có điều kiện thực hiện

Để đánh giá ảnh hưởng của khe hở đập tới quá trình tách hạt của bộ phận đập, trong luận

án đã đưa ra phân tích đánh giá ảnh hưởng của thể tích buồng đập với phần trăm lượng hạt thông qua máng đập ứng với từng góc cấp liệu và lưu lượng cấp khác nhau Thể tích buồng đập của trống đập thứ nhất được chia làm ba phần (V1, V2, V3), hình 14

V1

V2

V3

sE/sA V1 [dm3] V2 [dm3] V3 [dm3] V [dm3]

Hình 14: Định nghĩa về thể tích buồng đập (đường kính trống 660 mm, bề rộng trống

800mm, V = V 1 + V 2 + V 3 )

65

70

75

80

85

q = 6 kg/sm

q = 7 kg/sm

q = 8 kg/sm

q = 9 kg/sm

Hình 15: Quan hệ giữa phần trăm tách hạt của trống đập thứ nhất với thể tích buồng đập (ϕ

= 70°, 1 Dreschtrommel)

Hình 15 biểu diễn quan hệ giữa phần trăm hạt tách ra khỏi máng đập và thể tích buồng đập ứng với lưu lượng cấp liệu khác nhau Thể tích buồng đập càng lớn thì phần trăm tách hạt khỏi máng đập càng giảm

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

spez Gesamtdurchsatz q [kg/sm]

ZW 50

ZW 60

ZW 70

Hình 16 : Quan hệ giữa phần trăm sót hạt với lưu lượng cấp liệu ứng với các góc cấp liệu khác

nhau sE/sA_DT1_20-14-10-8,DT2_ 12/8

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

spez Gesamtdurchsatz q [kg/sm]

ZW 50

ZW 60

ZW 70

Hình 17 : Quan hệ giữa phần trăm sót hạt với lưu lượng cấp liệu ứng với các góc cấp liệu khác

nhau sE/sA_ DT1_ 22-18-14-10, DT2_ 12/8

Hình 16 và hình 17 biểu diễn phần trăm hạt còn sót lại sau bộ phận đập trong quan hệ với lưu lượng cấp liệu ứng với các góc cấp liệu khác nhau: hình 16 ứng với khe hở đập nhỏ nhất và hình 17 ứng với khe hở đập lớn nhất

Kết quả thí nghiệm cho thấy, góc cấp liệu và khe hở đập có mối quan hệ tương tác lẫn nhau Ứng với khe hở đập nhỏ (hình 16) góc cấp liệu không có ảnh hưởng rõ rệt tới phần trăm sót hạt sau bộ phận đập Với khe hở đập lớn, hình 17, ảnh hưởng của góc cấp liệu tới phần trăm sót hạt sau bộ phận đập rất rõ rệt Tại góc cấp liệu ϕ = 70° xuất hiện phần trăm sót hạt nhỏ nhất Qua đó cho thấy, góc cấp liệu 70°, tiệm cận dần với tiếp tuyến của đường cong máng đập, cho tổn thất hạt nhỏ nhất Kết quả thí nghiệm chỉ ra, ứng với lưu lượng cấp liệu lớn phần trăm sót hạt không lớn hơn 5,5 % Điều này tương ứng với tổng phần trăm tách hạt khỏi bộ phận đập là 94,5 % ứng với lưu lượng cấp liệu 9 kg/sm

Qua kết quả phân tích cho thấy quan hệ giữa phần trăm sót hạt với lưu lượng cấp liệu là tuyến tính, khác với kết quả thu được trên máy gặt đập liên hợp kiểu truyền thống la hàm e (e- funktion) Từ đó cho thấy một khả năng, khi làm việc với lưu lượng cấp liệu lớn thì tổn thất ở máy gặt kiểu truyền thống tăng nhanh hơn so với máy gặt với bộ phận đập kiểu mới này

Sự tách rơm qua máng đập

6

7

8

9

10

11

12

spez NKB-Durchsatz [kg/sm]

ZW 50

ZW 60

ZW 70

Hình 18 : Quan hệ giữa lượng rơm vụn và trấu tách ra khỏi máng đập với lưu lượng cấp liệu

(sE/sA_DT1_22-18-14-8, DT2_12/8)

Hình 18 biểu diễn phần trăm rơm vụn tách qua máng đập thứ nhất trong quan hệ với lưu lượng cấp liệu ứng với các góc cấp liệu khác nhau

Tổng phần trăm rơm tách qua máng đập thứ nhất nằm trong phạm vi từ 8% đến 10% tương ứng với tổng phần trăm lượng hạt tách ra khỏi máng đập là 70 % đến 80 % Ở bộ phận đập kiều truyền thống kêt quả tương ứng là 20%-30% Qua đó cho thấy, sự dập nát và xé nhỏ rơm trong quá trình đập giảm rõ rệt và do đó giảm tải cho việc làm sạch hạt ở giai đoạn sau Đây là ưu điểm nổi bật khi so với máy gặt đập liên hợp có bộ phận tách hạt kiểu dọc trục (Hybridmähdrescher)

Lực và mô men

Kết luận về tính ưu việt của bộ phận đập theo nguyên tắc mới này sẽ tiếp tục được chứng minh thông qua việc đo lực tác động lên máng đập và mô men trống đập thứ nhất

ϕ [°] SE/sA_DT1

Góc giữalực tác dụng lên máng đập và phương nằm ngang χ [°]

D

Y

λ = 28 bis 72

FG

X

χ = -5° bis 6°

Góc xác định điểm đặt lực λ [ °]

20-14-10-8

50 20-16-12-8 -3,42 3,23 32,55 55,66

22-18-14-10 20-14-10-8

60 20-16-12-8 -4,47 2,73 45,62 65,2

22-18-14-10 20-14-10-8

70 20-16-12-8 0,51 5,35 28,2 (50)

22-18-14-10

Hình 19: Lực tác dụng lên máng đập (Điểm đặt lực và hướng của lực)

Mặc dù gặp phải những sai số khi đo do khối lượng máng đập quá lớn so với lực cần đo cũng như do diều kiện thí nghiệm nên độ chính xác khi thiết kế bị hạn chế tuy nhiên các kết quả đưa ra đã được hiệu chỉnh thông qua thí nghiệm hiệu chỉnh bổ sung và vẫn có giá trị ứng dụng Các kết quả thí nghiệm chính được trình bày:

- Hướng tác dụng của lực tổng hợp tác dụng lên máng đập dao động quanh bề mặt nằm ngang trong phạm vi từ –5° đến +6°, hình 19,

- Điểm tác dụng của lực tổng hợp tác động lên máng đập thay đổi theo các thông số làm việc như trên bảng

400

500

600

700

800

900

spez Gesamtduchsatz q [kg/sm]

ZW 50

ZW 60

ZW 70

0

Hình 20 : Quan hệ giữa lực tác dụng lên máng đập và lưu lượng cấp liệu ( ϕ = 70 ;

sE/sA_DT1_22-18-14-10, DT2_12/8)

Hình 20 biểu diễn quan hệ lực tác dụng lên máng đập (FG)với lưu lượng cấp liệu q ứng với các góc cấp liệu khác nhau Kết quả cho thấy, khi lưu lượng cấp liệu tăng thì lực tác dụng lên máng đập cũng tăng lên theo quan hệ tuyến tính Bên cạnh đó, khi góc cấp liệu lớn thì lực tác dụng lên máng đập giảm Ứng với góc cấp liệu ϕ = 70° lực tác dụng lên máng đập nhỏ nhất Cũng với các thông số thí nghiệm này, như trên đã chỉ ra, hạt tách ra khỏi máng đập đạt giá trị lớn nhất Từ đó cho thấy hiện tượng rơm bị xé nhỏ ứng với góc cấp liệu gần tiếp tuyến với máng đập giảm

100

120

140

160

180

200

220

Zuführwinkel [°]

20-16-12-8 (6) 22-18-14-10 (6) 20-14-10-8(7) 20-16-12-8 (7) 22-18-14-10 (7) 20-14-10-8(8) 20-16-12-8 (8) 22-18-14-10 (8) 20-14-10-8(9) 20-16-12-8 (9) 22-18-14-10 (9)

Hình 21 : Quan hệ giữa mô men của trống đập thứ nhất với góc cấp liệu ứng với khe hở đập

và lưu lượng cấp liệu khác nhau

Mô men của trống đập phụ thuộc vào các thông số làm việc Hình 21 biểu diễn quan hệ giữa

mô men trống đập với góc cấp liệu ứng với khe hở đập và lưu lượng cấp liệu khác nhau Mô men trống đập đạt giá trị nhỏ nhất ứng với góc cấp liệu 70°

V Kết luận

Qua nghiên cứu thực nghiệm có thể tổng kết một số các kết quả sau:

Với bộ phận đập cải tiến theo nguyên lý mới năng suất làm việc của máy gặt đập liên hợp sẽ tăng Bên cạnh đó, chất lượng làm việc của máy sẽ tốt hơn, trước hết là tổn thất hạt do đập

và phân loại cũng như tổn thất do nứt vỡ giảm, khối lượng máy và qua đó áp suất của bánh lên đất làm việc cũng như chi phí năng lượng riêng giảm

Thông qua việc cấp liệu (đưa lúa vào bộ phận đập) theo hướng tiếp tuyến, lúa sẽ ít bị dập nát và xé nhỏ, qua đó chi phí năng lượng riêng giảm

Trống đập thứ nhất ngoài việc đập và tách hạt đồng thời giữ vai trò tăng tốc cho trống đập thứ hai Khi vận tốc tăng lên ở cửa vào trống thứ hai, mật độ của nguyên liệu đập sẽ giảm

qua đó việc phân tách hạt khỏi khối rơm sẽ tốt hơn

Độ tách hạt riêng phần là tỷ số giữa lượng hạt tách ra khỏi máng đập trong một khoảng xác định với tổng lượng hạt đi vào không gian đập tương ứng Hàm biểu diễn độ tách hạt riêng phần theo chiều dài máng đập gọi là hàm tách hạt riêng phần Qua nghiên cứu cho thấy, hàm tách hạt riêng phần có dạng hình parabol và đạt cực đại trong khoảng chiều dài máng đập từ 0,7m đến 1,2m (tương ứng với góc bao 115° đến 200°)

Qua việc thay đổi khe hở đập, thể tích không gian đập thay đổi liên quan đến việc thay đổi mật độ của nguyên liệu đâp và do đó ảnh hưởng đến việc tách hạt Đề tài cũng đã đưa ra các kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa lượng hạt tách ra khỏi máng đập và thể tích không gian đập

Tổng khối lượng hạt tách ra khỏi máng đập đạt 94,5% tương ứng với lưu lượng cấp liệu 9 kg/sm Với góc cung cấp ϕ = 70° tổng lượng hạt tách ra khỏi máng đập tăng lên là 96% Tổng lượng hạt tách ra khỏi máng đập ở trống đập thứ nhất thay đổi từ 70% bis 80% tương ứng với lưu lượng cấp liệu từ 6 kg/sm đến 9 kg/sm

Để giảm bớt chi phí thí nghiện và có thể dự báo trước khả năng làm việc của bộ phận đập

đề tài nghiên cứu cũng đã tìm ra hàm thực nghiệm : „hàm tách hạt“ SK và hàm „sót hạt“ RK

RK = a*bl*100%

oder