Nghiên cứu thiết kế máy gieo hạt tự động

1.2 Tổng quan về máy gieo hạt tự động ứng dụng cho phương pháp gieo hạt trong khay 1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gieo hạt tự động trong khay 1.2.1.1 Cấu tạo Máy gieo hạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đặng Văn Nghìn………

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Trần Doãn Sơn………_Chủ tịch hội đồng

2 TS.Nguyễn Văn Giáp………_Thư kí hội đồng

3 PGS.TS Phạm Ngọc Tuấn………._Ủy viên phản biện 1

4 TS.Dương Minh Tâm………_Ủy viên phản biện 2

5 TS Trần Anh Sơn……… _Ủy viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS.TS Trần Doãn Sơn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Văn Phố MSHV: 13040394

Ngày, tháng, năm sinh: 15/08/1990 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Khí Mã số: 60520103

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY GIEO HẠT TỰ ĐỘNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ: Tối ưu hóa quá trình hút hạt, tính toán, thiết kế cải tiến kết cấu máy gieo

hạt tự động tăng năng suất từ 350 khay lên 500 khay một giờ

Nội dung: Nghiên cứu tổng quan máy gieo hạt tự động, cơ sở lý thuyết và các mô

hình tính toán, thiết kế và thực nghiệm

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/06/2015

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu thiết kế máy gieo hạt tự động là một đề tài thực sự có ý nghĩa đối với sản xuất nông nghiệp hiện nay Việc thiết kế cải tiến và tối ưu thông số máy đòi hỏi phải có kiến thức về nhiều lĩnh vực như khí nén, lưu chất, dao động, cơ học, các

mô hình thực tế Khi thực hiện luận văn bản thân còn chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế để hoàn thành triệt để mục tiêu khoa học của đề tài Chính vì thế để hoàn thành luận văn ngoài sự nỗ lực hết mình của bản thân học viên còn có sự hỗ trợ giúp

đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong bộ chế tạo máy, bạn bè đồng nghiệp, xí nghiệp

cơ khí… Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn nhất đến thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn – Viện Cơ học và Tin học ứng dụng miền Nam và chú Lê Thanh Trị - Giám đốc công ty cơ khí nông nghiệp Thanh Trị

Chính nhờ sự giúp đỡ đầy nhiệt huyết của thầy cô cũng như ban lãnh đạo của công ty Thanh Trị mà tôi đã có thêm những kiến thức chuyên ngành, có sự tự tin để hoàn thành khóa học, hoàn thành luận văn tốt nhất và ngày càng nắm vững chuyên môn

Tp.HCM, ngày 19, tháng 07, năm 2015 Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Phố

TÓM TẮT

Nhu cầu sở hữu máy gieo hạt tự động trong khay với năng suất cao, khoảng cách hạt gieo đồng đều và giá thành thấp đang tăng dần trong nhiều khu vực trồng rau hoa trong cả nước và thế giới Luận văn trình bày quá trình tối ưu hóa các thông

số rung và lực hút chân không để tìm ra thời gian ngắn nhất mà mỗi kim có thể hút được một hạt một cách đồng loạt, không bị sót hạt Đồng thời tiến hành cải tiến kết cấu của máy gieo hạt ASM03 để tăng năng suất gieo hạt từ 350 khay mỗi giờ lên

500 khay một giờ

ABSTRACT

The requirement for owning an automatic tray seeders machine with high productivity, same distance of tree and low price is increasing more and more in many areas which plans vegetables in the our country and foreigner countries My thesis presented the optimization process of parameters of the vacuum and vibration

to find the shortest suction time that each needle can catch a seed simultaneously,

no remnant seeds Moreover, I have improving design for the structural of automatic tray seeder machine ASM03 to increase the seed plan productivity 350 to

500 trays per hour

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Luận văn này có trình bày những kết quả nghiên cứu của tôi về cải tiến và tối

ưu hóa các thông số máy gieo hạt tự động Các kết quả đánh giá của tôi được phân tích dựa trên những điều kiện thực tế cũng như tham khảo những nguồn tài liệu đã

có Các thiết kế, phân tích và trích xuất dữ liệu là hoàn toàn trung thực không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật

Tác giả

Nguyễn Văn Phố

MỤC LỤC

NỘI DUNG Trang _Nhận xét

_Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ

_Lời cảm ơn……….i

_ Tóm tắt……….………ii

_Lời cam đoan………ii

_ Mục lục……… ……iv

_Danh sách hình vẽ……… ………vii

_Danh sách bảng biểu……….…………x

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu về phương pháp gieo hạt trong khay 1

1.2 Tổng quan về máy gieo hạt tự độnzg ứng dụng cho phương pháp gieo hạt trong khay 3

1.2.1Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gieo hạt tự động trong khay 3

1.2.1.1 Cấu tạo 3

1.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy gieo hạt tự động trong khay 4

1.1.2 Tình hình nghiên cứu 6

1.2.2.1 Trong nước 6

1.2.2.2 Ngoài nước 7

1.3 Lý do chọn đề tài 8

1.4 Ý nghĩa và đóng góp của đề tài 9

14.1 Ý nghĩa khoa học 9

1.4.2 Ý nghĩa thực tiến 9

1.5 Mục tiêu của luận văn 9

1.6 Nội dung thực hiện 10

1.7 Phương pháp nghiên cứu 10

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Động lực học của dòng khí 11

2.1.1 Phương trình chuyển động của khí thực 11

2.1.2 Phương trình động lượng 13

2.1.3 Thời gian tạo áp suất trong van ventury 15

2.2 Ảnh hưởng của thông số rung đến năng suất máy gieo hạt tự động 15

2.3 Quá trình hút hạt 19

Chương 3 THIẾT KẾ MÁY GIEO HẠT TỰ ĐỘNG TRONG KHAY 24

3.1 Lựa chọn cơ cấu gieo hạt 24

3.1.1 Phương án 1 24

3.1.2 Phương án 2 27

3.1.3 Phương án 3 29

3.14 Phương án 4 30

3.2 Lựa chọn cơ cấu nhấn tạo lỗ 31

3.2.1 Phương án 1 31

3.2.2 Phương án 2 32

3.3 Lựa chọn phương án thiết kế 32

3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy 32

3.5 Thời gian mỗi bước hoạt động của máy trong từng chu kỳ 35

3.6 Tính toán áp suất hút hạt 35

3.7 Tính toán thời gian quay của đầu hút 39

3.8 Tính toán áp suất thổi hạt 42

3.9 Mô hình máy gieo hạt tự động 46

Chương 4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 48

4.1 Những điểm mới trong thiết kế 48

4.1.1 Thay đổi kết cấu ống hút hạt 48

4.1.2 Cải tiến hệ thống truyền động 50

4.1.3 Cải tiến hệ thống nhả hạt 50

4.1.4 Cải tiến hệ thống dẫn khay 51

4.2 Mô hình thực nghiệm các thông số của máy 52

4.2.1 Thực nghiệm đơn yếu tố 53

4.2.2 Thực nghiệm yếu tố toàn phần 55

4.2.2.1 Kết quả thí nghiệm 56

4.2.2.2 Kiểm tra ý nghĩa các hệ số của phương trình hồi quy 58

4.2.3 Tối ưu hóa các thông số máy gieo hat 62

4.3 Thực nghiệm xét ảnh hưởng của khối lượng hình dạng và kích thước hạt đến thông số máy 65

4.3.1 Thực nghiệm riêng phần đơn yếu tố loại hạt khảo nghiệm là ớt 65

4.3.2 Thực nghiệm toàn phần đơn yếu tố loại hạt khảo nghiệm là ớt 67

4.3.3 Kết quả thực nghiệm trên hạt ớt 67

4.3.4 Kiểm tra sự tương thích của phương trình hồi quy 70

4.3.5 Tối ưu hóa thời gian hút hạt ớt 72

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

5.1 Kết luận 73

5.2 Kiến nghị 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC……… 75

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Gieo hạt trong khay 1

Hình 1.2 Khay gieo hạt bằng xốp và khay nhựa 2

Hình 1.3 Các loại hạt có hình dạng đặc trưng thường dùng để gieo trong khay 2

Hình 1.4 Ứng dụng rộng rãi của phương pháp gieo hạt trong khay 3

Hình 1.5 Các cụm chính phụ của máy gieo hạt tự động 4

Hình 1.6 Robot gieo hạt theo nguyên lý tay gắp hạt 5

Hình 1.7 Máy gieo hạt tự động bằng nguyên lý ống hút chân không 6

Hình 1.8 Máy gieo hạt tự động ASM-03 6

Hình 1.9 Mô hình máy gieo tự động cho hạt rau 7

Hình 1.10 Máy gieo hạt tự động dạng thùng quay của Kirk Alan Lang 8

Hình 2.1 Mô hình ứng suất của một phần tử lưu chất 11

Hình 2.2 Mô hình ứng suất của phần tử lưu chất khi có ngoại lực tác dụng 13

Hình 2.3 Dòng khí di chuyển trong ống hút, kim hút 14

Hình 2.4 Mô hình cơ cấu rung cấp hạt 15

Hình 2.5 Bánh lệch tâm hình tấm tròn và hình hộp 16

Hình 2.6 Mô hình tấm một đầu ngàm 3 đầu tự do chịu tải trọng tập trung, tấm lệch tâm 16

Hình 2.7 Phân tích động lực học quy trình hút hạt 17

Hình 2.8 Các trạng thái hút hạt dẹp, dài 19

Hình 2.9 Mô hình động lực học quá trình hút hạt khi tăng đường kính lỗ kim hút 19

Hình 2.10 Các trạng thái của hạt khi bị hút 21

Hình 2.11 Biều đồ quan hệ 22

Hình 2.12 Các trang thái của hạt dẹt, dài 22

Hình 2.13 Mô hình động lực học 23

Hình 3.1 Cơ cấu gieo hạt 24

Hình 3.2 Bộ phận dẫn hướng hạt 26

Hình 3.3 Máy gieo hạt ống hút – thùng quay 27

Hình 3.4 Cơ cấu gieo hạt ống hút – thùng quay 28

Hình 3.5 Nguyên lý gieo hạt theo kiểu lắc 29

Hình 3.6 Cơ cấu gieo dạng thùng quay 30

Hình 3.7 Cơ cấu dập lỗ dạng dập tịnh tiến 31

Hình 3.8 Tạo lỗ dạng tang quay 32

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy gieo hạt tự động trong khay 33

Hình 3.10 Lưu đồ khối 34

Hình 3.11 Mô hình phân tích động lực học của quá trình hút hạt 35

Hình 3.12 Hệ thống hút thổi hạt 38

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cụm gieo hạt 40

Hình 3.14 Giản đồ vận tốc 40

Hình 3.15 Thiết lập thông số vận tốc ban đầu cho cơ cấu tay quay hút hạt 41

Hình 3.16 Mối tương quan giữa vận tốc góc khâu 1 và 3 42

Hình 3.17 Mô hình động lực học quá trình thổi hạt 43

Hình 3.18 Ảnh hưởng vận tốc 45

Hình 3.19 Ảnh hưởng góc quay 46

Hình 3.20 Mô hình tổng thể của máy 46

Hình 3.21 Kích thước bao 47

Hình 4.1 Mô hình cụm kim hút – ống hút của máy ASM03 (trái) và máy thiết kế cải tiến 49

Hình 4.2 Mô hình cụm kim hút – ống hút của máy Hamilton 49

Hình 4.3 Mô hình máy gieo hạt hiện nay ở nước ta (trái) và mô hình máy thiết kế cải tiến 50

Hình 4.4 Cơ cấu đẩy hạt dạng súng 51

Hình 4.5 Hệ thống dẫn khay của máy ASM03 (trái) và máy thiết kế cải tiến (phải) 52 Hình 4.6 Máy gieo hạt tự động ASM03 52

Hình 4.7: Hạt thực nghiệm: hạt ớt khoảng và hạt cải xanh 53

Hình 4.8 Động cơ rung 24V_DC với bánh lệch tâm bằng nhựa và thép 53

Hình 4.9 Ảnh hưởng của áp suất hút hạt đến thời gian hút hạt 54

Hình 4.10 Ảnh hưởng của khoảng cách hạt và đầu kim hút đến thời gian hút hạt 55

Hình 4.11 Ảnh hưởng của tốc độ quay của động cơ rung đến thời gian hút hạt 55

Hình 4.12 Ảnh hưởng của áp suất hút hạt và số vòng quay động cơ rung đến thời gian hút hạt 61

Hình 4.13 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa máng và đầu kim, áp suất hút hạt đến thời gian hút hạt 61

Hình 4.14 Ảnh hưởng của khảng cách từ máng đến đầu kim hút, số vòng quay động cơ đến thời gian hút hạt 62

Hình 4.15 Thực nghiệm đơn yếu tố 66

Hình 4.16 Khảo nghiệm đơn yếu tố 66

Hình 4.17 Ảnh hưởng của áp suất 71

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Các thông số của máy……… 47

Bảng 4.1 Các thông số ống hút của 3 máy 48

Bảng 4.2 Khảo sát thực nghiệm khi áp suất hút hạt thay đổi 54

Bảng 4.3 Khảo nghiệm đơn yếu tố cho khoảng cách giữa máng và đầu kim hút hạt 54

Bảng 4.4 Khảo nghiệm đơn yếu tố khi tốc độ quay động cơ rung thay đổi 56

Bảng 4.5 Bảng thông số đầu vào 56

Bảng 4.6 Kết quả thực nghiệm toàn phần 57

Bảng 4.7 Kết quả thí nghiệm ở tâm 58

Bảng 4.8 Bảng tính toán các giá trị 59

Bảng 4.9 Số liệu dùng để tính phương sai thích hợp 60

Bảng 4.10 Điều kiện thực nghiệm 62

Bảng 4.11 Các nhân tố mã hóa 63

Bảng 4.12: Bảng giá trị tự nhiên 63

Bảng 4.13 Kết quả tìm nghiệm tối ưu 64

Bảng 4.14 Thực nghiệm đơn yếu tố 66

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về phương pháp gieo hạt trong khay

Đây là phương pháp gieo hạt bên trong khay có chứa đất sẵn (xem hình 1.1), mỗi lỗ của khay có thể gieo 1 hoặc nhiều hạt tùy theo nhu cầu Sau khi mọc cây sẽ được chăm sóc trực tiếp trên khay cho đến khi thu hoạch hoặc bứng ra cấy trực tiếp lên mặt đất Thông thường phương pháp gieo hạt trong khay được áp dụng trong nhà kính hay vườn ươm để tiện chăm sóc, giảm bớt sự ảnh hưởng của yếu tố thời tiết bên ngoài

Hình 1.1: Gieo hạt trong khay

Các loại khay thường dùng là: khay nhựa hoặc khay xốp với số lỗ: 32, 35,

50, 72, 84 và 104 (xem hình 1.2) Cả 2 loại khay đều gọn nhẹ và có độ bền cao, khay xốp có độ cứng cao hơn khay nhựa nên dễ dàng sử dụng cho máy gieo hạt tự động, ngược lại khay nhựa được bán rộng rãi hơn do nó có bề dày mỏng dễ xếp lồng nhiều lớp với nhau

Hình 1.2: Khay gieo hạt bằng xốp (phải) và khay nhựa (phải)

Các loại hạt gieo trong khay :

Phương pháp gieo hạt trong khay có thể áp dụng để gieo rất nhiều loại hạt như : các loại hạt rau củ: cải, cà rốt, cà chua, bí đao, hẹ, tỏi tây, hành, củ cải tím,…

và rất nhiều hạt giống hoa có giá trị (xem hình1.3)

Hình 1.3: Các loại hạt có hình dạng đặc trưng thường dùng để gieo trong

khay

Ưu điểm phương pháp gieo hạt trong khay: dễ chăm sóc, không cần diện tích

gieo lớn vì có thể xếp các khay chồng lên nhau sao cho phù hợp ánh sáng chiếu vào cây Gieo hạt trong khay dễ vận chuyển đi trồng, khay giá rẻ, được bán rộng rãi có nhiều loại kích thước phù hợp với từng loại hạt giống cho rau và hoa đặc biệt có thể

gieo trồng theo thời gian như mong muốn vì không cần thiết phải theo thời vụ Quan trọng hơn cả là làm giảm ảnh hưởng của yếu tố thời tiết đến cây nên tỷ lệ sống của hạt gieo là cao, mầm và cây sẽ phát triển tốt, ít sâu bệnh

Hình 1.4: Ứng dụng rộng rãi của phương pháp gieo hạt trong khay

Nhược điểm phương pháp gieo hạt trong khay: tốn kém phi phí đầu tư thiết

bị cho vườn ươm, nếu không có kỹ thuật có thể gây chết cây khi tách bầu đất ra khỏi khay

Tuy nhiên, do có nhiều ưu điểm về mặt năng suất và chất lượng cây trồng cũng như những tiện lợi về thời vụ gieo hạt, tiện công chăm sóc nên phương pháp gieo hạt trong khay được ứng dụng rất rộng rãi trong vườn ươm sản xuất cây giống đại trà hay các vùng chuyên canh rau, hoa, quả trong cả nước

1.2 Tổng quan về máy gieo hạt tự động ứng dụng cho phương pháp gieo hạt trong khay

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy gieo hạt tự động trong khay 1.2.1.1 Cấu tạo

Máy gieo hạt tự động trong khay là thiết bị có thể thay thế sức lao động của con người trong hoạt động gieo hạt và gia tăng năng suất (tăng số lượng khay được gieo trong 1 giờ), chất lượng (giảm thất thoát hạt, vị trí các hạt trong lỗ là giống

nhau), tiết kiệm các chi phí đầu tư (phí thuê nhân công, phí chăm sóc) của khâu này Các máy gieo hạt tự động trong khay bao gồm các cụm như sau(xem hình 1.5):

 Cụm chính: là các cụm thực hiện các chức năng quan trọng nhất bắt buộc

phải có trong mỗi máy gieo hạt tự động đó là: cụm tạo lỗ, cụm gieo hạt, cụm điều khiển

 Cụm phụ: là các cụm thực hiện các chức năng đi kèm theo cụm chính

không bắt buộc phải có trong máy gieo hạt tự động đó là: cụm cấp khay, cụm cấp đất, cụm tưới, cụm bón phân, cụm lấp, cụm xếp chồng khay

Hình 1.5: Các cụm chính phụ của máy gieo hạt tự động

Kết luận: trong mỗi máy gieo hạt tự động có rất nhiều cụm nhỏ nên luận văn

chỉ đi sâu vào nghiên cứu gói gọn trong các cụm chính của máy và sẽ không đề cập đến các cụm còn lại

1.2.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy gieo hạt tự động trong khay:

Các máy gieo hạt tự động trong khay hoạt động theo 1 trong 2 nguyên lý sau:

 Nguyên lý tay gắp:

Sáng chế của nhóm nghiên cứu người Mỹ Douglas O Keller patent US 6,688,037, năm 2004 là ứng dụng robot vào công nghệ gieo hạt tự động (xem hình 1.6) là sử dụng tay gắp hạt 29 đến đầu cung cấp hạt 106 để gắp hạt và di chuyển đến đúng tâm lỗ 18 của khay 136 để gieo hạt đồng thời bộ phận 20 sẽ tiếp thêm hạt cho đầu cung cấp 106, để tiếp tục quá trình gieo Nguyên lý này cho kết quả gieo hạt rất đúng vào tâm lỗ nhờ vào lập trình điều khiển vị trí tay gắp 29, nhưng nhược điểm chính là hạt cần gieo có nhiều hình dạng kích thước, khối lượng khác nhau rất khó

Máy gieo hạt tự động Cụm chính

Cụm phụ

Cụm cấp khay

Cụm cấp đât

Cụm bón phân

Cụm lấp

lỗ

Cụm tưới

Cụm xếp chồng khay

gắp được hạt dẫn đến dễ làm hỏng hạt, ngoài ra phải lập trình điều khiển vị trí khi thay đổi khay và hạt Chính những đặc điểm trên mà nguyên lý này rất ít được áp dụng trong thực tế

Hình 1.6: Robot gieo hạt theo nguyên lý tay gắp hạt

 Nguyên lý sử dụng ống hút chân không:

Các máy gieo hạt tự động sẽ sử dụng ống hoặc tang hút để thực hiện thao tác hút hạt ở khay cấp và nhả hạt ở tâm lỗ cần gieo trên khay đất đồng thời cơ cấu đẩy khay sẽ đẩy khay sao cho tâm dãy lỗ kế tiếp nằm đúng vào tâm của lỗ thoát hạt Hình 1.7 thể hiện nguyên lý dập lỗ và gieo hạt của máy gieo hạt tự động theo nguyên lý hút chân không, khay đất cần gieo được dẫn tới tang dập 5 để tạo lỗ và tiếp tục di chuyển sang phải để tang 6 gieo hạt, tang này sẽ quay và trên mặt tang có những lỗ hút khí hút hạt trong khay 11 và nhả hạt vào lỗ của khay đất tại vị trí 8 Gieo hạt theo nguyên lý hút chân không có kết cấu đơn giản, cho năng suất rất cao

có thể lên đến 800 khay/h và gieo được nhiều loại hạt có hình dạng và kích cỡ khác nhau nên được ứng dụng rộng rãi cả trong và ngoài nước

Hình 1.7: Máy gieo hạt tự động bằng nguyên lý ống hút chân không

Kết luận: qua phân tích các nguyên lý vừa nêu thì nguyên lý gieo hạt tự động

bằng ống hút chân không có nhiều ưu điểm về: tính đơn giản của kết cấu máy, thích nghi nhiều loại hạt, năng suất cao phù hợp với nhu cầu thực tế nên được lựa chọn để nghiên cứu

1.1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.2.1 Trong nước

Do nhu cầu về tự động hóa khâu gieo hạt ngày càng cao nên nước ta cũng có những nghiên cứu về máy gieo hạt tự động cụ thể là công ty cơ khí nông nghiệp Thanh Trị đã cải tiến các máy cũ thành máy gieo hạt ASM-03 (xem hình 1.8) có năng suất 350 khay/h

Hình 1.8: Máy gieo hạt tự động ASM-03

Nguyên lý hoạt động: Máy hoạt động theo chương trình được lập sẵn.Lực hoạt động được truyền bằng khí nén Cần hút hạt sẽ xoay quanh trục và thực hiện thao tác hút khi nó ở vị trí gần khay hạt và thực hiện động tác xả khí đẩy hạt xuống khay khi cần quay sang khay gieo Thiết bị này cho năng suất rất cao có thể thay thế nhiều lao động mà vẫn đảm bảo độ đồng đều vị trí giữa các hạt

Ngoài ra, hai sinh viên Văn Đức Ái và Trần Hoàng Nguyên tại trường Đại học kỹ thuật công nghệ đã thực hiện luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế và chế tạo mô hình máy gieo hạt rau” và có mô hình thiết kế như hình 1.9

Hình 1.9: Mô hình máy gieo tự động cho hạt rau

1.2.2.2 Ngoài nước

Ở các nước phát triển ngành nông nghiệp sản xuất theo hình thức nông trang, đại trà nên đã có nhiều nhà khoa học, doanh nghiệp nghiên cứu áp dụng tự động hóa vào nông nghiệp và trong mảng về máy gieo hạt tự động có các công trình sáng chế sau

Nhà sáng chế Athony Visser năm 1977 đã được công nhận bằng sáng chế số

4004713 tại Mỹ về máy gieo hạt tự động

Sáng chế của nhóm nghiên cứu người Mỹ Douglas O Keller, Lake Oswego, Troy M Swartwood, Jelì'rey D Donaldson US 6,688,037, năm 2004 là ứng dụng robot vào công nghệ gieo hạt tự động

Sáng chế của Kirk Alan Lang, Trinity, FL (Hoa kỳ) là máy gieo hạt dạng thùng quay (h.1.10)

Hình 1.10: Máy gieo hạt tự động dạng thùng quay của Kirk Alan Lang Nguyên lý hoạt động: từ hình ta thấy trên bề mặt ngoài của thùng có bố trí các lỗ, các lỗ này có kết nối với nguồn khí nén điều chỉnh được áp suất bên trong Hạt cần gieo 12 từ phễu 50 được cấp đến vị trí 51 Tại đây lỗ 36A (được điều chỉnh

vị trí khi thùng 34 quay) sẽ hút hạt vào, lỗ sẽ được thiết kết sao cho chỉ hút được 1 hạt mỗi lần thực hiện Khi lỗ 36A quay đến vị trí như hình thì máy sẽ tăng áp suất lên và thổi hạt vào khay

Ngoài ra còn có một số dây chuyền gieo hạt tự động của hãng Urbinaty, Italia, Mosa- Pháp…

Kết luận: tình hình nghiên cứu máy gieo hạt trong nước đang ở mức thiết kế

và chế tạo thực nghiệm chưa có nhiều nghiên cứu tính toán tối ưu kết cấu thông số máy nên năng suất chưa cao Các máy được nghiên cứu ở nước ngoài thì khá cồng kềnh, giá cả cao, không phù hợp với tiêu chuẩn khay và kích thước hạt ở nước ta

 Giảm sự vất vả cho người nông dân

 Giảm nhân lực ngành nông nghiệp

 Đáp ứng nhu cầu trong nước: hạ giá thành của mỗi máy, nâng cao năng suất chất lượng gieo hạt để nông dân giảm chi phí sản xuất cạnh tranh nông sản ngoại nhập, thiết kế máy đơn giản dễ sử dụng

 Đáp ứng nhu cầu ngoài nước: hiện nay nhiều nước đã tiến hành mua các sản phẩm máy nông nghiệp của nước ta (cụ thể là cơ khí Thanh Trị - Lâm Đồng đã xuất khẩu nhiều máy sang Malaysia) vì có chức năng phù hợp và giá rẻ so với các nước khác

 Thực hiện chủ trương nông nghiệp công nghệ cao của nhả nước

 Nghiên cứu tối ưu máy để giảm sử dụng vật liệu, tiết kiệm năng lượng bảo

 Đưa ra thông số tần số rung hút hạt tốt nhất cho quá trình gieo hạt cải

1.5 Mục tiêu của luận văn

Thiết kế máy gieo hạt tự động theo phương pháp gieo hạt bằng khay năng suất 500 khay/ giờ và nghiên cứu tối ưu thông số rung và lực hút của máy để nâng cao năng suất gieo, cải tiến làm gọn nhẹ kết cấu máy

1.6 Nội dung thực hiện

Luận văn hoàn thành bao gồm những nội dung như sau:

 Chương 1: Tổng quan đề tài

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Chương 3: Tính toán thiết kế máy

 Chương 4: Phân tích kết quả và tối ưu

 Chương 5: Kết luận

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp được dùng để nghiên cứu luận văn là:

 Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các tài liệu tổng quan về máy gieo hạt trong khay, tài liệu thiết kế, mô phỏng

 Nghiên cứu thực nghiệm:

 Nghiên cứu quá trình hút nhả hạt cải trên máy gieo hạt tự động

 Nghiên cứu mối quan hệ giữa kết cấu, tần số rung của khay cấp hạt đến thời gian hút hạt cải trên mô hình máy thực tế

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Máy gieo hạt tự động trong khay dùng khí để hút nhả hạt đồng thời kết hợp với các yếu tố rung máng chứa hạt nhằm đảm bảo cả mười hai kim đều hút được một hạt trong thời gian ngắn nhất Do đó nhiệm vụ của chương này là đưa ra các lý thuyết tính toán dòng khí trong ống, ngoài ống cùng với lý thuyết rung để làm cơ sở nghiên cứu tính toán thiết kế máy và thiết lập mô hình thực nghiệm

2.1 Động lực học của dòng khí

2.1.1 Phương trình chuyển động của khí thực

Tiến hành phân tích một khối lưu chất hình hộp vô cùng nhỏ (xem hình 2.1)

có 9 thành phần ứng suất pháp: , , ứng suất tiếp: , , , , , lập thành tenxơ ứng suất:

là không lớn xem như đây là lưu chất không nén được, mỗi tenxơ ứng suất của (2.1)

có phương trình như sau:

22

322

322

.

x y z

p P

v

p P

Hình 2.2: Mô hình ứng suất của phần tử lưu chất khi có ngoại lực tác dụng Viết (2.6) dưới dạng vector:

Phương trình (2.8) là cơ sở để tính toán động lực học chất khí cho nội dung phía sau Phương trình này khá tổng quát nhưng rất khó giải bằng các pháp giải tích nên mô hình tính toán trong luận văn sẽ đơn giản hóa để tính toán

Hình 2.3: Dòng khí di chuyển trong ống hút, kim hút Trong trường hợp chuyển động ổn định ta có:

và mặt bên S phương trình động lượng có thể được biến đổi lại:

1 1 1 1 2 2 2 2 W

Giả sử trên mặt cắt A vận tốc tại các điểm là bằng nhau và bằng vận tốc trung bình

u thì phương trình động lượng được tính theo vận tốc trung bình là:

Số hạng động lượng thực qua mặt cắt luôn lớn hơn động lượng tính theo (2.12) do

đó phải thêm hệ số hiệu chỉnh động lượng vào và (2.12) trở thành:

2.1.3 Thời gian tạo áp suất trong van ventury

Van ventury là thiết bị tạo ra áp suất chân không từ độ chênh lệch áp suất giữa đầu vào và ra của van qua vị trí khe hẹp (xem hình 2.4)

Hình 2.4: Van ventury (trái) và ký hiệu (phải) Gọi V, Q, P, lần lượt là thể tích, lưu lượng, áp suất đầu vào và ra của dòng khí qua ống ventury, = 1 atm là áp suất khí trời Phương trình lien tục của dòng khí:

2.2 Ảnh hưởng của thông số rung đến năng suất máy gieo hạt tự động

Để quá trình hút hạt được diễn ra nhanh chóng và thuận lợi thì dao động của máng chứa hạt đảm nhiệm một vai trò rất lớn Mô hình rung máng đựng hạt gồm

một động cơ 24V – DC quay lệch tâm với tốc độ rung từ 100 – 3000(vòng/phút) được đặt trên một thanh nằm ngang (xem hình 2.6)

Hình 2.5: Mô hình cơ cấu rung cấp hạt Khi động cơ quay bánh lệch tâm sẽ tạo ra lực quán tính làm rung lắc động cơ

và truyền dao động đến các tấm 1, 2, 3 (xem hình 2.5) từ đó làm rung động máng chứa hạt Bánh lệch tâm được thiết kế có hai loại (xem hình 2.6): loại tấm tròn có kích thước làm bằng nhựa POM loại thứ hai làm bằng thép có kích

Hình 2.6: Bánh lệch tâm hình tấm tròn (trái) và hình hộp (phải)

Tần số rung của động cơ khi quay:

(2.19)

Lực rung sinh ra bởi động cơ rung:

(2.20)

Với là khối lượng bánh lệch tâm, là khoảng cách từ trọng tâm bánh lệch tâm đến tâm quay của trục động cơ và vận tốc góc của động cơ

=mr sin (2.22)

Hình 2.7: Mô hình tấm một đầu ngàm – 3 đầu tự do chịu tải trọng tập trung, a) tấm

1, b) tấm 2, c) tấm 3 Động cơ quay lệch tâm tạo ra dao động cho các tấm, phương trình dao động của tấm chịu uốn là:

Et D





 , E là mô đun Young của tấm,

là hệ số Poison, t là bề dày của tấm, M là khối lượng của tấm, w là hàm chuyển vị của tấm, F ngoại lực tác dụng lên tấm

Thay (2.22) vào (2.23) ta có:

Với , , , , : là các hệ số tra theo bảng 4.46 [2]

Tần số dao động riêng của tấm:

Hình 2.8: Ảnh hưởng của tần số rung đến biên độ dao động của hạt

2.3 Quá trình hút hạt

Trước tiên xét mô hình đầu kim hút hạt có đường kính lỗ là d, hạt có hình dạng cầu đường kính khối lượng m, giả sử ban đầu hạt có vận tốc là hướng từ trên xuống, khoảng cách giữa khối tâm của hạt và tâm kim hút là H để phân tích động lực học quy trình hút hạt hình 2.9

Hình 2.9: Phân tích động lực học quy trình hút hạt Phương trình cân bằng lực của khối lưu chất giới hạn bởi mặt cắt:

= m.a (2.30)

Với a là gia tốc của hạt sau khi hút, thời gian hút hạt là đại lượng cần đạt được và đã biết là t(s), ban đầu hạt đang rơi với tự do với gia tốc (g)

Thời gian từ lúc đến lúc hạt ngừng và bắt đầu đổi hướng

(2.31)

Thời gian tính từ thời điểm hạt bắt đầu đổi hướng đi về phía kim hút đến khi hạt đạt vận tốc v là

(2.32)

Thời gian chuyển động của hạt từ khi bị hút cho đến lúc chạm vào kim hút: t

= + Để đơn giản hóa cho quá trình tính toán coi thời gian là rất nhỏ có thể

bỏ qua, thời gian dùng để tính toán lúc này là: t =

Lại có phương trình độc lập thời gian:

(2.33) Thay (2.32) vào (2.33) ta có:

(2.37)

= (2.38)

Nếu ta tăng áp xuất hút p thì lực kéo sẽ tăng lên dẫn đến tăng gia tốc a, vận tốc giảm thời gian hút t nhưng nếu tăng lên quá cao thì ma sát tăng lực hút không tăng lên đáng kể Dưới tác động của máng rung làm hạt xuất hiện nhiều trạng thái khi bị hút, nhưng có chúng thành bốn dạng mô hình cơ bản như hình 2.10

Hình 2.10: Các trạng thái của hạt khi bị hút a) hạt đang rơi, b) hạt đang nẩy lên, c) hạt đang rơi xuống và lệch xa tâm kim hút, d) hạt đang nẩy lên và lệch xa tâm kim

hút

Thời gian dùng để hút mỗi hạt theo hình 2.10 được mô tả ở biểu đồ hình 2.11 Trong đó màu và ký hiệu của mỗi đường tương ứng với từng trạng thái trên hình 2.10

Hình 2.11: Biểu đồ quan hệ giữa các trạng thái của hạt và thời gian hút

Quan sát biểu đồ hình 2.11 Có thể kết luận đường màu đỏ ứng với trạng thái b) của hình 2 Có thời gian hút hạt là ngắn nhất và đường màu hồng có thời gian hút hạt là cao nhất Điều này có thể giải thích bằng lý thuyết lẫn thực nghiệm, vì hạt di chuyển cùng hướng lực hút và nằm gần tâm kim hút thì dễ dàng hút được hạt hơn, thời gian hút cũng giảm đi nhiều so với những hạt có xu hướng lệch như c, d

Trường hợp hạt được hút là hạt dẹp hoặc hạt dài như hạt ớt, cà chua thì bài toán khó hơn nhiều Có ba trường hợp có thể xảy ra khi hút hạt:

Hình 2.12: Các trạng thái hút hạt dẹp, dài

Ở hình 2.12 a, hạt gần như nằm ngang trong vùng áp suất hút cao nên thời gian hút hạt là ngắn nhất, phương trình cân bằng lực của hạt là tương tự như (2.34) Hạt không nằm vào vùng áp suất hút cao như hình 2.12 b dễ sinh ra một mô men cản trở và khối lưu chất sẽ chịu thêm một lực cản F’, phương trình cân bằng lực của hạt phức tạp hơn rất nhiều:

 Tăng áp suất hút là yếu tố cần thiết nhưng khi tăng quá cao sẽ dẫn đến trường hợp hình 2.12 c là có 2 hạt cùng bị hút vào đầu kim hút

 Tăng đường kính lỗ kim hút lên gấp đôi (xem hình 2.13), giả sử lực cần tạo

ra tại mặt cắt 1 – 1 là F thì

= (2.40) = (2.41)

Từ đó nếu tăng đường kính lỗ kim hút lên 2 lần thì áp suất hút hạt sẽ giảm đi

4 lần để hút được một hạt

Hình 2.13: Mô hình động lực học quá trình hút hạt khi tăng đường kính lỗ kim hút

3.1 Lựa chọn cơ cấu gieo hạt

Chú thích các bộ phận: 5, 25 trục truyền đồng 22, 23, 24, 29, 33, 36 các thanh truyền, 37 con lăn, 39 thanh dập, 7, 13 ống dẫn hút chân không, 4 – 9 – 6 – 8 dãy xylanh hút nhả số 1, 3 – 10 – 11 – 12 dãy xylanh hút nhả số 2, 17 – 19 lỗ chọn hạt, 16 khe dẫn hướng, 26 bánh răng quạt, 27 bánh răng, 15 phễu dẫn, 2 thùng chứa hạt, 1 tấm trượt, 14 cửa, 18 ống dẫn hạt ra lỗ, 35 khung máy

Nguyên lý: Cửa 14 mở bắt đầu đổ hạt vào thùng chứa 2, đóng cửa lại và bắt

đầu vận hành máy gieo bánh răng 26 dẫn động truyền chuyển động cho hệ bánh răng 27 làm quay thùng 2 theo chiều kim đồng hồ (thùng 2 nối cứng trục 5) để cung cấp hạt cho miệng hút 8 tại vị trí dãy 4 – 6 – 9 thấp nhất, mỗi lần có thể hút được tối

đa 3 hạt, dãy xylanh 1 được gắn cứng với thùng 2 và ống 7, lực hút được sinh ra từ một máy hút chân không truyền vào các ống 7 và 13, đồng thời các thanh 24 – 23 –

22 được trục 25 dẫn động làm con lăn 37 đập vào tấm 39, lúc này thùng 2 đạt vị trí cao nhất (hình 2.5), tấm 39 sẽ ép piston 9 đẩy hạt xuống phễu 15 Thanh truyền 29

sẽ làm các chi tiết 30, 31, 34, 36 chuyển động (34 trượt trên khung máy 35) thanh

33 sẽ đập vào piston 11 thấy hạt ra lỗ 17 khi lỗ này được tấm 1 di chuyển khít với phễu 18 và phễu 15 nằm đúng ngay dưới miệng 8 Các hạt không lọt ra lỗ 17 sẽ tự động rơi ra ngoài theo lỗ 19 xuống máng dẫn 20 về lại thùng 2, quy trình gieo quay lại từ đầu

Để đảm bảo số hạt rơi vào lỗ đúng 1 hạt 1 lần máy sẽ sử dụng cơ cấu dẫn hướng như hình 3.2 Hạt rơi vào phễu 15 đến tấm trượt 1 và lăn dọc theo thành dẫn hướng 16 – 16’ và đến vị trí góc nhọn khớp với lỗ 17 Lúc này dãy xylanh 2 sẽ hút 1 hạt vào miệng hút 10, ngay lập tức thanh 33 đập vào piston 11 đẩy hạt rơi xuống lỗ

17, qua ống thoát 18 ra ngoài lỗ gieo khi lỗ 17 di chuyển đúng vào vị trí ống thoát

18 Sau đó tấm 1 di chuyển sang trái các hạt còn sót lại sẽ không theo tấm 1 mà sẽ

bị chặn lại bởi thành dẫn 16 – 16’ và thoát ra lỗ 19 đến máng dẫn nghiêng 20 rơi lại thùng chứa hạt 2 Thao tác hút nhả hạt đảm bảo mỗi lần gieo đảm bảo 1 hạt rơi vào

lỗ Việc tính toán phải chính xác mới đảm bảo số hạt được gieo cách đều nhau và tránh tình trạng chỗ có hạt chỗ lại không Kích thước lỗ 17 phải vừa phải phù hợp với kích thước hạt cần gieo, nếu quá bé sẽ khó khăn cho hạt lọt qua, nếu quá lớn thì

hạt sẽ dễ dàng rơi vào lỗ trước khi hút dẫn đến tình trạng không kiểm soát được số lượng hạt

Hình 3.2 Bộ phận dẫn hướng hạt Chú thích các bộ phận: 16 – 16’ tường dẫn hướng hạt, 19 lỗ thoát hạt dư, 17

lỗ cần gieo hạt, 15 – phễu dẫn hạt, 5 – trục truyền, – 10 miệng hút nhả, 13 – ống dẫn khí hút

Để máy hoạt động hút nhả nhịp nhàng, van 43 hình 3.3 sẽ làm nhiệm vụ điều khiển hút nhả khí tại buồng phân phối 40 Khi dãy xylanh 1 ở vị trí cao nhất như hình 3.3 thì van 43 sẽ ngừng hút, và dãy xy lanh 1 sẽ đẩy hạt xuống phễu 15 Khi dãy xylanh 1 không ở vị trí cao nhất thì van 43 hút hạt và thực hiện lặp lại chu kỳ hút nhả Ống 7 và 13 sẽ gắn cố định vào xylanh và trục quay để chúng chuyển động cùng nhau, trục quay có cấu tạo dạng rỗng để bơm có thể dẫn khí đi qua dễ dàng

Hình 3.3: Máy gieo hạt ống hút – thùng quay (hình chiếu cạnh)

Ưu điểm:

 Năng suất cao

 Luôn đảm bảo số lượng hạt khi bỏ xuống lỗ

 Có lực hút chân không nên đảm bảo việc gieo hạt ổn định hơn

Nhược điểm:

 Hệ thống có quá nhiều cơ cấu

 Thùng chứa hạt quay lắc nhiều ảnh hưởng đến chất lượng hạt

 Khó khăn khi thay đổi các loại hạt khác phải thay đổi ống hút, tường dẫn, lỗ thoát

 Việc tính toán điều khiển để đảm bảo độ chính xác rất phức tạp

 Góc trí xylanh đặt phù hợp nếu không sẽ dễ làm hạt văng ra khỏi lỗ

3.1.2 Phương án 2

Đây là phương án tương tự phương án 1 cũng có các cơ cấu cơ bản gồm 2 dãy xylanh hút nhả, và các thanh dập đẩy hạt ra ngoài