Luận văn thạc sĩ nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của máy thu hoạch khoai lang liên hợp với máy kéo shibaura SD 3543

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Tình hình canh tác cây khoai lang

1.1.1 Quy trình công nghệ canh tác cây khoai lang

Dựa trên tài liệu chuyên môn và khảo sát thực tế tại các huyện có diện tích canh tác khoai lang lớn ở đồng bằng sông Cửu Long, chúng tôi đã xây dựng quy trình công nghệ canh tác khoai lang với các bước chính, bắt đầu từ việc chọn giống.

Hiện nay, có nhiều loại giống khoai lang như khoai tím Nhật, khoai Bí đường xanh, khoai sữa, khoai Nhật nghệ cao sản và khoai lang trắng Trong số đó, khoai tím Nhật được trồng phổ biến nhất do giá trị kinh tế cao, dao động từ 6.000 đến 7.000 đồng/kg Việc chuẩn bị đất là bước quan trọng để đảm bảo năng suất cây trồng.

Theo điều tra, công việc làm đất cho sản xuất khoai lang thường được thực hiện từ 2 đến 3 lần, trong đó 85% hộ xới đất 2 lần và chỉ 15% xới 3 lần Tại một số xã ở huyện Bình Tân - Vĩnh Long, phần lớn người dân chỉ xới đất 1 lần (81%), trong khi chỉ 19% hộ xới 2 lần.

Chiều rộng của luống thường là từ 0,8 m ÷ 1,1 m; Chiều rộng từ 0,8 m ÷ 0,9 m chiếm 53%, còn bề rộng 1,0 m ÷ 1,1 m chiếm 47%

Chiều cao của luống thường từ 0,3 m ÷ 0,5 m; Chiều cao từ 0,3 m ÷ 0,4 m chiếm 70%, còn chiều cao 0,5 m chiếm 30%

Bề rộng của rãnh thường từ: 0,2 m ÷ 0,3 m Chỉ có rất ít hộ làm bề rộng rãnh tới 0,4 m (3 hộ)

Chiều sâu của rãnh thường từ 0,15 m ÷ 0,2 m; Chỉ có rất ít hộ làm chiều sâu rãnh tới 0,25 m ÷ 0,3 m (2 hộ)

Hom dây nằm ở độ sâu từ 0,03 m ÷ 0,08 m; Số hộ trồng khoai cho dây nằm sâu từ 0,03 m ÷ 0,05 m chiếm 71%, còn từ 0,06 m ÷ 0,08 m chiếm khoảng 29% d Chăm sóc

Trước khi đặt dây, cần tưới nước để đất ướt Sau khi đặt dây, nên duy trì tưới nước liên tục trong 15 đến 20 ngày đầu, tùy thuộc vào độ ẩm của đất, sau đó giảm dần tần suất tưới từ 2 đến 4 ngày một lần cho đến khi thu hoạch Lượng phân bón cần thiết cho mỗi hecta khoảng 5 đến 10 tấn phân chuồng, 150 kg ure, 200 kg super lân và 150 kg KCl Để phòng trừ sùng khoai lang (Cylas formicarius), có thể sử dụng bẫy sinh học pheromone, và tuyến trùng thì dùng thuốc ISK.

Sau 4 ÷ 6 tháng trồng thì thu hoạch, trước khi thu hoạch, luống phải được cắt hết dây, sau đó dùng dụng cụ cào móc để móc giật luống khoai cho củ hiện trên mặt đất Công việc giật luống do lao động nam thực hiện, để kéo giật 1 luống cần 4 ÷ 5 người Một ngày (8 h) một nhóm 4 ÷ 5 người có thề giật được 3,5 ÷ 4 công (1200 m 2 ), giá một công giật 120.000 đồng (1200 m 2 )

Hình 1.1 - Dụng cụ cào móc để thu họach khoai lang ở Bình Tân

Củ được lao động nữ thu lượm để cắt rễ, làm sạch và phân loại bán cho thương lái

Khi thu hoạch khoai phải đáp ứng các yêu cầu nông học sau:

- Không gây thương tổn cho củ khoai

- Tỉ lệ khoai còn sót lại phải nhỏ hơn mức cho phép

- Khoai phải được rải trên mặt luống và sạch đất

Hình 1.2 - Thu hoạch củ khoai lang ở Bình Tân

1.1.2 Hiện trạng và tiềm năng canh tác cây khoai lang a Trên thế giới

Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, hiện nay có nhiều loại máy thu hoạch khoai lang với kích thước đa dạng trên toàn thế giới Hầu hết các máy này hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển động quay tròn, được dẫn động từ trục thu công suất của máy kéo thông qua hệ thống truyền động thủy lực hoặc cơ khí, có thể được điều khiển bằng tay hoặc thông qua hệ thống thủy lực của máy kéo.

Cây khoai lang không chỉ là cây màu lương thực mà còn là thực phẩm chức năng, giúp hỗ trợ tiêu hóa hiệu quả.

Khoai lang chứa tỷ lệ gluxit cao hơn (26,0%) so với khoai tây, mặc dù hàm lượng đạm chỉ đạt 1,40% Ngoài ra, khoai lang còn cung cấp một lượng carroten đáng kể, chất tiền vitamin A giúp bảo vệ sức khỏe mắt Nhờ vào những lợi ích dinh dưỡng này, khoai lang đóng vai trò quan trọng trong việc chống lại tình trạng thiếu lương thực và suy dinh dưỡng, hai vấn đề cấp thiết hiện nay trên toàn cầu.

Năm 2006, toàn thế giới có 111 nước trồng khoai lang (theo FAO

2008) trên diện tích 8,99 triệu ha, trong đó 95% tại các nước đang phát triển, năng suất bình quân 13,72 tấn/ha, sản lượng đạt 123,50 triệu tấn (so với năm

Năm 2005, sản lượng khoai lang của Việt Nam đạt 1,45 triệu tấn, xếp thứ năm trên thế giới, sau Trung Quốc (100,22 triệu tấn), Nigeria (3,46 triệu tấn), Uganda (2,62 triệu tấn) và Indonesia (1,85 triệu tấn) Khoai lang không chỉ được sử dụng làm lương thực cho con người mà còn là nguồn thức ăn cho gia súc và nguyên liệu chế biến các sản phẩm như tinh bột, rượu, cồn, siro, nước giải khát, bánh kẹo, mỡ, miến, phụ gia dược phẩm và màng phủ sinh học.

Trung Quốc là quốc gia dẫn đầu thế giới về sản xuất khoai lang, chiếm 80% tổng sản lượng toàn cầu, với sản lượng năm 1990 đạt 130 triệu tấn, tương đương một nửa sản lượng khoai tây của nước này Trước đây, khoai lang chủ yếu được trồng làm lương thực, nhưng hiện nay, 60% sản lượng được sử dụng cho chăn nuôi Phần còn lại được dùng làm lương thực, chế biến sản phẩm khác và xuất khẩu, chủ yếu sang Nhật Bản Hiện tại, Trung Quốc có hơn 100 giống khoai lang khác nhau.

Các quy trình công nghệ thu hoạch khoai lang đã được nghiên cứu và phát triển với công suất lớn, phù hợp cho sản xuất nông nghiệp quy mô lớn Tuy nhiên, những quy trình này không thích hợp cho sản xuất nông nghiệp quy mô nhỏ và phân tán, cũng như không phù hợp với điều kiện tầng đất canh tác hiện tại.

Khoai lang là cây lương thực truyền thống quan trọng tại Việt Nam, đứng thứ ba sau lúa và ngô, đồng thời xếp thứ hai về giá trị kinh tế chỉ sau khoai tây Các thiết bị công tác cho các loại máy trồng khoai lang có thể được cải tiến để phù hợp hơn với điều kiện sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam.

Với diện tích 67.990 ha cho cả nước năm 1999, diện tích trồng khoai lang ngày càng gia tăng thêm tại miền Bắc

Tại các tỉnh Bắc Trung Bộ, khoai lang được trồng phổ biến nhất ở Hà Tĩnh với 22.500 ha, Thanh Hóa 37.700 ha, và Nghệ An 16.200 ha Ở miền Trung, Quảng Nam – Đà Nẵng là khu vực trồng khoai lang chủ yếu với 18.100 ha, trong khi Quảng Ngãi có diện tích trồng rải rác khoảng 9.100 ha.

Diện tích trồng khoai lang ở Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) hiện chỉ đạt 11.500 ha với năng suất 10.7 tấn/ha Sự phân bố trồng khoai lang chủ yếu tập trung tại một số tỉnh như Vĩnh Long (1.900 ha), Cần Thơ (1.300 ha), Sóc Trăng (1.400 ha), Trà Vinh (1.800 ha), Đồng Tháp (1.000 ha) và Bến Tre (1.300 ha).

Năng suất khoai lang tại Việt Nam hiện vẫn ở mức thấp, trung bình chỉ đạt 6,0 tấn/ha, trong khi các hộ gia đình ở ĐBSCL có thể đạt từ 30 đến 40 tấn/ha So với các quốc gia khác như Nhật Bản (19,1 tấn/ha) và Đài Loan (12 tấn/ha), năng suất của Việt Nam còn kém xa Nguyên nhân của tình trạng này là do nhiều yếu tố khác nhau.

Tình hình áp dụng cơ giới hóa vào khâu thu hoạch khoai lang (củ)

Tùy thuộc vào điều kiện tự nhiên, trình độ công nghệ và quy trình sản xuất khoai lang của từng quốc gia, máy móc và hệ thống cơ giới hóa (CGH) trong sản xuất khoai lang phát triển theo hai hướng chính: CGH đồng bộ và CGH kết hợp với lao động thủ công.

CGH đồng bộ là phương pháp áp dụng nhiều máy móc trong toàn bộ quy trình canh tác cây khoai lang, mang lại hiệu quả cao Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là giúp tăng năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm và tiết kiệm thời gian trong quá trình sản xuất.

Các động cao nhất thường yêu cầu vốn đầu tư ban đầu lớn cho hạ tầng kỹ thuật và công nghệ, đồng thời cần có trình độ tổ chức sản xuất cao để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

CGH kết hợp thủ công là phương pháp sử dụng nhiều loại máy móc, trong đó có sự tham gia của lao động thủ công ở một số công đoạn Phương pháp này mang lại ưu điểm về năng suất lao động cao, đầu tư ban đầu thấp, phù hợp với điều kiện đồng ruộng nhỏ hẹp chưa được cải tạo, và đang được áp dụng rộng rãi ở các nước phát triển và đang phát triển như Trung Quốc và Đài Loan Các máy móc thường đơn giản, dễ chế tạo, có giá thành rẻ và sử dụng nguồn động lực từ 25 đến 50 Hp Cơ giới hóa trong trồng cây khoai lang tập trung vào ba khâu chính: lên luống, tưới nước và thu hoạch Hiện tại, một số quốc gia đã sản xuất máy thu hoạch khoai lang và các loại cây có củ khác, với một số mẫu máy thu hoạch lắp sau máy kéo đang được sử dụng tại khu vực Châu Á, đặc biệt là Hàn Quốc, nơi có nhiều công ty chế tạo máy thu hoạch khoai lang và cây có củ.

Hình 1.3 - Máy thu họach khoai lang của Hàn Quốc

Hình 1.4 - Máy đào củ gắn sau máy kéo có lưỡi đào dao động

Hình 1.5 - Máy thu họach khoai lang lắp sau máy kéo

Máy thu hoạch khoai lang tại Malaysia được thiết kế để lắp sau máy kéo bánh hơi 4 bánh, với công suất nhỏ đến trung bình Bộ phận chính của máy bao gồm lưỡi đào và bộ phận dũ loại băng tải Mặc dù các máy có nguyên lý làm việc tương tự, chúng khác nhau về hình dáng và mẫu mã.

Hình 1.7- Máy thu hoạch khoai (JW4U) của Trung Quốc

Máy 4U chủ yếu được sử dụng cho thu hoạch khoai tây, tỏi, lạc và các cây trồng khác cho hiệu quả cao

Hình 1.8- Máy thu hoạch khoai lang, khoai tây (4U - 1A) Trung Quốc

Máy 4U - 1A có hiệu suất làm việc cao, chủ yếu phục vụ cho việc thu hoạch các loại cây trồng như khoai lang, khoai tây, tỏi và đậu phộng Máy đảm bảo tỷ lệ củ bị hỏng thấp, hoạt động với ít rung động và có tuổi thọ cao.

Hình 1.9 - Máy thu hoạch khoai tây 4U - 1A của Trung Quốc

1.2.2 Ở Việt Nam Ở nước ta từ những năm 1960 đã xuất hiện công cụ đào dỡ khoai lang bằng trâu kéo ở Huyện Ba Vì

Kết cấu của công cụ này gồm các lưỡi đào hình tam giác lấp trên khung chữ U, phía sau lưỡi đào có các con lăn bằng gỗ

Năm 1965 Nông Trường Cửu Long - Hòa Bình đã áp dụng thử thu hoạch khoai lang bằng máy đào khoai tây KTH-2 của Liên Xô cũ

Đến năm 1969, Trường Đại học Nông nghiệp I đã bắt đầu nghiên cứu về cơ khí hóa các khâu canh tác cây có củ, với công trình đầu tiên là cải tiến máy đào khoai tây KTH -2 Cải tiến này bao gồm việc thay đổi bộ phận đào từ hai lưỡi thành một lưỡi với các hình dạng khác nhau như hình thang, tam giác và phân đoạn Bộ phận phân ly cũng được cải tiến từ kiểu băng dũ có bánh sau không tròn sang băng dũ có con lăn va đập, nhằm tăng biên độ dao động và chiều dài làm việc Máy đào củ cải tiến đã được áp dụng thành công trong việc thu hoạch khoai lang, củ đậu và sắn ở nhiều địa phương Đặc biệt, vào năm 1979, Trường đã nghiên cứu thành công mẫu máy đào sắn DS - 1.

Máy đào DS 1 có bộ phận đào là ba lưỡi tam giác lấp trên khung chữ

U, bộ phận phân ly là các thanh sàng lắc có tác dụng gây va đập lớp đất phía dưới lớp đất có củ đã được đào

Hình 1.10 - Máy đào sắn DS - 1

1 Tay quay; 2 Bánh lệch tâm; 3 Thanh truyền ; 4 Sàng;

5 Khung máy ; 6 Lưỡi đào; 7 Bánh xe

Máy đào sắn là một đóng góp đáng kể cho kỹ thuật cơ khí nông nghiệp của nước ta

Tiếp theo kết quả nghiên cứu về máy đào củ và máy đào sắn, năm

Năm 1979, Trường Đại học Nông nghiệp I đã hợp tác với Viện Công Cụ Cơ Giới Hóa Nông Nghiệp để nghiên cứu và phát triển thành công mẫu máy đào lạc, dựa trên việc cải tiến máy đào sắn DS - 1 Trong thiết kế của máy đào lạc, bộ phận phân ly được trang bị các con lăn hình sao.

1 Lưỡi đào; 2 Con lăn hình sao; 3 Trục cuốn; 4 Khung chữ U

5 Khung máy; 6 Bánh xe ; 7 Thanh treo

Trong những năm tới, Trường Đại học Nông nghiệp I sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển mẫu máy đào sắn cải tiến, sử dụng lưỡi đào được gắn trên giá đàn hồi và bộ phận phân ly là sàng dao động tịnh tiến.

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về máy đào củ trên thế giới, nhưng tại Việt Nam, các máy này vẫn chưa được áp dụng trong sản xuất thực tế Nguyên nhân chủ yếu là do các mẫu máy hiện có không phù hợp với cơ chế sản xuất nông nghiệp hiện tại Với việc chuyển sang cơ chế thị trường, ruộng đất đã được giao cho nông dân quản lý, sản xuất đòi hỏi các công cụ và máy móc nhỏ gọn, dễ sử dụng, đa dạng, có chất lượng tốt và đặc biệt là giá cả phải chăng.

16 Đây chính là vấn đề đang được các nhà khoa học kỹ thuật cơ khí nông nghiệp quan tâm nghiên cứu

Hình 1.12 - Máy đào sắn cải tiến có bộ đào là các lưỡi đặt trên giá đàn hồi

1 Bánh xe ; 2 Lưỡi đào; 3 Khung chữ U ; 4 Sàng; 5 Thanh treo sàng;

6 Tay quay; 7 Khung máy; 8 Nhíp; 9 Thanh treo máy

Tình hình nghiên cứu áp dụng bộ phận phân ly máy thu hoạch củ

Trước đầu thế kỷ XIX, máy thu hoạch củ chỉ có bộ phận đào và hất đất mà không có bộ phận phân ly, dẫn đến tình trạng thu hoạch kém hiệu quả với nhiều củ bị sót lại và tỷ lệ hư hỏng cao.

Hình 1.13 - Cơ cấu đào củ có bộ phận hất đất sang một bên

1 Khung; 2 Bánh xe; 3 Cơ cấu hất đất sang một bên; 4 Lưỡi đào Đến đầu thế kỷ XIX, hàng loạt nguyên lý phân ly ra đời như:

Phân ly bằng con lăn đặt sau lưỡi đào (hình 1.13): kết cấu đơn giản, năng suất cao nhưng khả năng phân ly thấp

Phân ly bằng sàng hình chóp nón hoặc hình trụ (hình 1.14): kích thước lớn, khả năng phân ly và năng suất cao nhưng củ dễ bị xay xát

Phân ly bằng sàng phẳng (hình 1.15): năng suất thấp, khả năng phân ly cao

Phân ly bằng băng dũ (hình 1.16): năng suất, khả năng phân ly cao nhưng kích thước lớn kết cấu phức tạp

Bô phận phân ly còn có thể phối hợp giữa băng dũ và sàng phẳng

(hình 1.17), giữa băng dũ và con lăn (hình 1.18): hai loại này có khả năng phân ly cao nhưng kết cấu và kích thước lớn

Máy đào củ với bộ phận phân ly mang lại hiệu quả làm việc cao, giảm tỷ lệ sót và hư hỏng củ khi thu hoạch, đồng thời nâng cao năng suất Giữa thế kỷ XX, khi công nghiệp các nước Tây Âu phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sản xuất cây có củ như khoai tây và củ cải đường tăng cao, dẫn đến sự ra đời của nhiều máy liên hợp thu hoạch củ tại Liên Xô.

Các máy thu hoạch khoai tây liên hợp tại Anh, Pháp, Đức không chỉ bao gồm bộ phận đào củ mà còn được trang bị thêm các bộ phận làm sạch và phân loại củ Một số loại máy thu hoạch này có cấu trúc đào và phân ly khác nhau, với bộ phận phân ly chủ yếu là sàng phẳng và băng dũ.

Hiện nay, trên thế giới chưa có các công cụ chuyên dụng để thu hoạch các loại cây có củ như khoai lang, sắn và lạc, ngoài những công cụ cơ khí đã được sử dụng cho việc thu hoạch tây và củ cải đường.

Hình 1.14 - Phân ly bằng con lăn đặt sau lưỡi đào

1 Đất; 2 Củ; 3 Bánh cào đất và khoai

4 Khung; 5 Con lăn phân ly 1; 6 Con lăn phân ly 1

Hình 1.15 - Phân ly bằng sàng hình chóp nón

1 Lưỡi đào ; 2 Trục sàng côn; 3 Sàng côn; 4 Bộ phận hứng củ

Hình 1.16 - Phân ly bằng sàng phẳng

1 Khoai; 2 Đất; 3 Lưỡi đào ; 4 Thanh treo sàng; 5,6 Sàng phẳng

Hình 1.17 - Phân ly bằng băng dũ

1 Đất; 2 Củ; 3 Lưỡi đào; 4 Băng dũ; 5 Con lăn va đập; 6 Bánh lệch tâm;

7 Xích; 8 Bộ phận điều khiển bánh lệch tâm

9 Bánh xe; 10 Bộ phận căn xích

Hình 1.18 - Phân ly giữa băng dũ và sàng phẳng

1 Củ; 2 Đất; 3 Băng dũ; 4,5 Sàng

Hình 1.19 - Phân ly giữa băng dũ và con lăn

1 Lưỡi đào;2 Băng dũ; 3 Củ; 4 Đất; 5 Các con lăn

1.3.2 Tình hình nghiên cứu về sàng rung trên máy thu hoạch củ ở Việt Nam

Máy đào củ sử dụng nhiều loại bộ phận phân ly như con lăn sàng ống trụ, sàng hình nón, sàng phẳng và băng dũ Trong đó, sàng phẳng và băng dũ được chứng minh có nhiều ưu điểm vượt trội hơn Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm thường tập trung vào hai loại bộ phận phân ly này.

Băng dũ hoạt động nhờ vào sự ăn khớp với bánh răng elip, khiến cho giải băng phía trên dao động lên xuống với chu kỳ bằng nửa chu kỳ của bánh răng elip.

Hình 1.20: Băng dũ có bộ phận dũ là bánh răng elip

1 Băng; 2 Bánh răng chủ động; 3 Bánh răng elip; 4 Bánh răng bị động

Trong quá trình làm việc, máy móc hỗn hợp được di chuyển ra phía sau và được nâng lên, hạ xuống nhiều lần để thực hiện việc phân ly đất củ hiệu quả.

Bằng các tính toán, vị trí trên băng có khả năng tung lên, số lần tung và độ cao cực đại khi độ dày của băng đạt yêu cầu phân ly đã được xác định Băng dũ có ưu điểm là khả năng truyền tải và phân ly tốt, nhưng kết cấu phức tạp khiến chiều dài đoạn băng có khả năng phân ly nhỏ so với chiều dài thực tế, làm cho kích thước khó thu gọn Để tăng độ dài khả năng phân ly, tần số va đập cần được cải thiện Vào năm 1969, Trường Đại học Nông nghiệp I đã nghiên cứu và đề xuất thiết kế băng dũ với hai con lăn va đập.

Phân ly bằng sàng phẳng đang được ứng dụng rộng rãi trên các máy đào củ và nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác như máy thu hoạch lúa, máy phân loại làm sạch và máy vận chuyển Sàng phẳng không chỉ giúp tăng hiệu quả trong việc phân loại mà còn cải thiện quy trình làm việc trong nông nghiệp và công nghiệp.

Hình 1.21- Băng dũ có bộ phận dũ là bánh răng elip

1 Băng tải; 2 Con lăn; 3 Bánh răng chủ động; 4 Tay quay; 5 Bánh răng bị động

Kết luận chương 1

Hiện nay, nhiều quốc gia ở châu Á và châu Phi đang nghiên cứu và phát triển máy móc phục vụ cho sản xuất nông nghiệp như ngô, sắn và khoai tây Các loại máy như máy lên luống, máy thu hoạch và máy tưới đang được áp dụng trong canh tác Tuy nhiên, chưa có loại máy nào đạt tiêu chuẩn thương mại cho sản xuất Do đó, việc nghiên cứu và chế tạo máy thu hoạch khoai lang vẫn đang được tiếp tục hoàn thiện.

Các loại sàng phân ly bằng con lăn và sàng phẳng có kết cấu đơn giản, nhưng chỉ phù hợp với đất cát mịn Phương pháp này không thể áp dụng cho đất thịt trồng khoai tại tỉnh Vĩnh Long.

Phân ly bằng sàng hình chóp nón hoặc hình trụ có khả năng phân ly tốt, nhưng khối lượng máy lớn không phù hợp cho hoạt động trên nền đất yếu ở ĐBSCL.

Phân ly bằng băng dũ có khả năng truyền tải và phân ly tốt, với thiết kế nhỏ gọn, rất phù hợp cho việc canh tác khoai trên loại đất thịt có nền đất yếu ở Đồng bằng sông Cửu Long.

Máy thu hoạch khoai lang là một thiết bị quan trọng, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu và công trình đề cập đến vấn đề này cả trên thế giới và trong nước Do đó, việc nghiên cứu và phát triển máy thu hoạch khoai lang không chỉ có ý nghĩa thực tiễn cao mà còn góp phần hoàn thiện thiết kế của thiết bị này.

MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xác định các thông số cấu tạo và chế độ làm việc của máy dũ khoai lang kết hợp với máy kéo Shibaura SD 3543, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và hoàn thiện mẫu máy Mục tiêu là tối ưu hóa máy để cải thiện điều kiện làm việc, tăng năng suất lao động và nâng cao tỷ lệ cơ giới hóa trong sản xuất nông lâm nghiệp tại đồng bằng sông Cửu Long.

Đối tượng nghiên cứu

Dự án "Cơ giới hóa khâu tưới, vun luống và thu hoạch khoai lang tại Tỉnh Vĩnh Long" đã phát triển máy dũ khoai lang nhằm nâng cao hiệu quả thu hoạch Sáng kiến này không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn hỗ trợ nông dân trong việc thu hoạch khoai lang một cách hiệu quả hơn.

Phạm vi nghiên cứu

Cấu tạo và chế độ làm việc của bộ phận dũ đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của máy dũ khoai Điều này đặc biệt quan trọng trong công nghệ thu hoạch khoai lang bằng cơ giới tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long.

Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu động lực học của bộ phận đào và bộ phận dũ khoai

- Năng suất của máy và những yếu tố ảnh hưởng

- Chi phí năng lượng và những yếu tố ảnh hưởng

- Độ sót khoai sau thu hoạch và những yếu tố ảnh hưởng

2.4.2 Nghiên cứu thực nghiệm a/ Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố

Nghiên cứu này phân tích tác động độc lập của góc đặt lưỡi đào, tốc độ trục gây rung phím dũ, và khoảng cách giữa hai phím kề nhau đối với chi phí năng lượng của máy Việc hiểu rõ những yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong quá trình hoạt động của máy.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng độc lập của các yếu tố như góc đặt lưỡi đào, tốc độ của trục gây rung phím dũ và khoảng cách giữa hai phím kề nhau đến năng suất của máy Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất làm việc của thiết bị, từ đó nâng cao năng suất sản xuất.

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng độc lập của góc đặt lưỡi đào, tốc độ của trục gây rung phím dũ và khoảng cách giữa hai phím kề nhau đến độ sót khoai sau thu hoạch Thông qua nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố, chúng tôi sẽ xác định các yếu tố này có tác động như thế nào đến hiệu quả thu hoạch khoai.

Quy luật và mức độ ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đào, khoảng cách giữa hai phím kề nhau, và tốc độ của trục gây rung đến chi phí năng lượng của máy dũ khoai lang là rất quan trọng Những yếu tố này tác động trực tiếp đến hiệu suất làm việc và tiết kiệm năng lượng trong quá trình dũ khoai lang Việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp giảm thiểu chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sử dụng máy.

Quy luật và mức độ ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đào, khoảng cách giữa hai phím kề nhau, và tốc độ của trục gây rung đến năng suất của máy dũ khoai lang là những yếu tố quan trọng cần được nghiên cứu Những yếu tố này không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả làm việc của máy mà còn quyết định năng suất thu hoạch khoai lang Việc tối ưu hóa góc lưỡi đào và khoảng cách giữa các phím sẽ giúp nâng cao hiệu suất dũ, từ đó cải thiện năng suất tổng thể của quá trình thu hoạch.

Quy luật và mức độ ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đào, khoảng cách giữa hai phím kề nhau, cùng với tốc độ của trục gây rung phím dũ đều tác động đến độ sót sau thu hoạch của máy Sự điều chỉnh hợp lý các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất thu hoạch, giảm thiểu lượng sản phẩm còn sót lại.

Phương pháp nghiên cứu

2.5.1 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

2.5.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Xây dựng các công thức toán học để tính toán năng suất và chi phí năng lượng riêng của máy dũ khoai lang, đồng thời xác định độ sót khoai sau thu hoạch Các công thức này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình thu hoạch và nâng cao hiệu quả sử dụng máy móc trong nông nghiệp.

26 tham khảo, phân tích tài liệu liên quan kết hợp với tính toán lý thuyết cũng như tham khảo ý kiến của các chuyên gia

2.5.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm a Quy hoạch hóa thực nghiệm đơn yếu tố

Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố được thực hiện để xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của máy dũ khoai lang Kết quả nghiên cứu sẽ giúp cải thiện hiệu suất và hiệu quả sử dụng máy dũ, từ đó nâng cao năng suất trong sản xuất khoai lang.

Nguyên tắc của phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố là giữ cố định các yếu tố khác và chỉ thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hưởng của nó tới thông số mục tiêu Qua đó, phương pháp này giúp thăm dò khoảng nghiên cứu cho phép của từng yếu tố và ảnh hưởng của chúng tới giá trị cực trị của thông số mục tiêu Đồng thời, quy hoạch hóa thực nghiệm đa yếu tố cũng đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích các tương tác giữa nhiều yếu tố trong nghiên cứu.

Trong cơ khí nông nghiệp, phương pháp quy hoạch hoá thực nghiệm đa yếu tố đóng vai trò quan trọng trong thiết kế, chế tạo, sử dụng và thử nghiệm Phương pháp này giúp giảm khối lượng thí nghiệm, xác định đầy đủ mức độ ảnh hưởng của các yếu tố, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu cho quá trình nghiên cứu.

Quy hoạch thực nghiệm dựa trên nguyên tắc "hộp đen", trong đó đối tượng nghiên cứu được xem như một phần kín mà các quá trình diễn ra bên trong không thể được các nhà khoa học quan sát hay hiểu biết trực tiếp.

X(t) - Các yếu tố có thể kiểm tra và điểu khiển được

Z - Các yếu tố có thể kiểm tra được nhưng không điều khiển được

E - Các yếu tố không kiểm tra, điều khiển được (các yếu tố nhiễu)

27 y1, y2, yn : Các thông số đầu ra

Xây dựng mô hình toán học để mô tả mối quan hệ giữa các tham số đầu vào và đầu ra là trọng tâm của quy hoạch thực nghiệm Để thực hiện điều này, cần tiến hành một chuỗi các bài toán liên tiếp, được gọi là các bước hoặc giai đoạn.

Bước 1: Chuẩn bị thiết bị, máy và dụng cụ cho thí nghiệm

Bước 2: Xây dựng nội dung thí nghiệm (giai đoạn tiền thực nghiệm) Bước 3: Chọn phương án thích hợp cho thực nghiệm

Bước 4: Tổ chức thực nghiệm

Bước 5: Gia công số liệu thực nghiệm

Bước 6: Phân tích và giải thích kết quả nhận được bằng thuật ngữ của các lĩnh vực khoa học tương ứng c Phương pháp giải bài toán tối ưu

Sau khi xác định được các phương trình dạng thực của các hàm mục tiêu, chúng tôi tiến hành giải bài toán tối ưu

Mục tiêu của việc giải bài toán tối ưu là xác định các thông số tối ưu cho máy, từ đó, kết quả tính toán sẽ làm cơ sở cho việc thiết kế hoàn thiện máy.

Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu yêu cầu xem xét đồng thời cực trị của nhiều hàm mục tiêu, thường dẫn đến mâu thuẫn giữa các mục tiêu Để đạt được giá trị tối ưu cho một chỉ tiêu, thường phải chấp nhận tổn thất cho các chỉ tiêu khác Do đó, vấn đề chính là tìm kiếm sự thỏa hiệp giữa các mục tiêu khác nhau Phương pháp phổ biến để giải bài toán này là chuyển đổi về bài toán một mục tiêu thông qua một phiếm hàm mục tiêu (F(xi) min) cùng với các điều kiện ràng buộc.

Có các phương pháp chuyển như sau, [1],[9]:

- Phương pháp thứ tự ưu tiên

- Phương pháp trao đổi giá trị phụ (phương pháp nhân tử Lagrăngiơ)

- Phương pháp hàm trọng lượng

Phương pháp thứ tự ưu tiên là phương pháp đầu tiên trong lịch sử giải quyết bài toán, tập trung vào việc chọn ra một chỉ tiêu quan trọng nhất, ví dụ như Y1, trong số các mục tiêu khác Các chỉ tiêu còn lại được coi là những điều kiện giới hạn Mục tiêu của phương pháp này là tìm cực trị của chỉ tiêu Y1, đồng thời đảm bảo các giá trị giới hạn của các chỉ tiêu khác, tạo thành bài toán tối ưu có điều kiện.

Mức độ chính xác của bài toán phụ thuộc vào việc lựa chọn tiêu chuẩn chính và giới hạn của các tiêu chuẩn khác Để xếp hạng các tiêu chuẩn theo mức độ quan trọng, cần tiến hành khảo sát ý kiến của các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu, mặc dù điều này vẫn có thể dẫn đến những sai sót do nhận định chủ quan Để cải thiện độ chính xác, Straubel đề xuất một trình tự tính toán ưu tiên cụ thể.

Các hàm mục tiêu Y1 được sắp xếp theo thứ tự quan trọng: YR1,

YR2,…., YRm và bài toán được giải theo trình tự:

- Tối ưu bước 1: Giải bài toán:

Xi,min ≤ Xi ≤ Xi,max (2.3)

Kết quả được Y ’ R1 = YR1(Xi)

- Tối ưu bước 2: Để hàm YR2 đạt tối ưu thì hàm YR1 phải chịu tổn thất

R1 nhất định, nên ta có bài toán:

Xi,min ≤ Xi ≤ Xi,max (2.6)

Nếu R1 chọn chưa thỏa đáng, có thể hiệu chỉnh lại cho đến khi tìm được lời giải mong muốn và chuyển sang bước tiếp theo

- Tối ưu bước k: Tương tự các bước trên, ta có bài toán:

Xi,min ≤ Xi ≤ Xi,max

Cho đến bước thứ m ta tìm được lời giải của bài toán

* Phương pháp hàm trọng lượng (phương pháp tối ưu tổng quát kiểu tổng)

Nếu các tiêu chuẩn tối ưu có cùng số đo, có thể thành lập tiêu chuẩn tối ưu kiểu tổng như sau :

1 αjYj (2.9) Ở đây αj – là trọng lượng ưu tiên (độ nặng) đánh giá mức độ quan trọng tương đối của tiêu chuẩn j, chúng phải có điều kiện :

Việc chọn các giá trị cụ thể của αj có thể tiến hành bằng phương pháp xếp hạng, tương tự như đối với các tiêu chuẩn Yj ở mục 3.1

Giải bài toán với hàm mục tiêu tổng

Cùng các điều kiện (2.2), (2.3) đã nêu

Ghi chú : có thể biến đổi các tiêu chuẩn Yj về cùng số đo bằng cách đưa chúng về dạng không có số đo : Yj / Y 0 j

* Phương pháp trao đổi giá trị phụ ( Phương pháp phân tử Lagrăngiơ )

Dựa trên các biểu thức của hàm mục tiêu (2.1), điều kiện giới hạn (2.3) và điều kiện ràng buộc (2.2), mô hình toán học cho bài toán được thiết lập với dạng tối đa hóa và tối thiểu hóa.

(2.12) Đó là mô hình tổng quát của bài toán tối ưu, ta có thể giải nó bằng phương pháp trao đổi giá trị phụ

Phương pháp trao đổi giá trị phụ, được Haimes đề xuất vào năm 1955, nhằm giải quyết các bài toán tối ưu đa mục tiêu Theo Haimes, bài toán tối ưu đa mục tiêu có thể được chuyển đổi thành bài toán tối ưu một mục tiêu.

Và hàm mục tiêu được biểu diễn qua phiếm hàm Lagrăngiơ dạng tổng:

; với j  1 (2.14) Trong đó:  ij gọi là nhân tử Lagrăngiơ, có ý nghĩa như hàm trao đổi ij j

Tại điểm tối ưu thì Y 1 ( x * )  F ( x * , * ) và 0 ;  0

Do đó giải hệ (m+n) phương trình:

Đối với các ẩn x i, phương pháp ji sẽ xác định các giá trị x 1 *, x 2 *, , x n * nhằm tìm cực trị của hàm mục tiêu tổng F Bên cạnh đó, phương pháp thực nghiệm sẽ được áp dụng để đo đạc và xử lý số liệu một cách hiệu quả.

- Phương pháp xác định chi phí năng lượng cho bộ phận dũ khoai

Chi phí năng lượng của liên hợp máy được xác định bằng cách đo đồng thời mô men xoắn và tốc độ tại các bán trục chủ động của máy kéo Tuy nhiên, do điều kiện không cho phép đo trực tiếp, chúng tôi đánh giá chi phí năng lượng gián tiếp thông qua lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ làm việc, kết hợp với suất tiêu hao nhiên liệu riêng (g/ml.h) Kết quả thu được cho phép tính toán chi phí năng lượng của liên hợp máy trong các thí nghiệm khác nhau.

Chi phí nhiên liệu cho liên hợp máy tiêu thụ trong một giờ làm việc được xác định bằng cách đo lượng nhiên liệu vào bình có vạch kiểm tra Sau đó, nhiên liệu được đổ vào bình chứa cho đến khi đạt mức vạch ban đầu sau mỗi thí nghiệm Kết quả cuối cùng là giá trị trung bình của nhiều lần thử nghiệm.

- Phương pháp xác định năng suất của máy

Năng suất của máy thu hoạch khoai được xác định như sau:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy thu hoạch khoai lang

Giữa năm 2008 và 2011, Tiến sỹ Hoàng Bắc Quốc cùng các nhà khoa học tại Viện Cơ điện Nông nghiệp, Trường Đại học Nông lâm TP Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài cấp Bộ về “Cơ giới hóa khâu tưới, vun luống và thu hoạch khoai lang tại Tỉnh Vĩnh Long” Đề tài đã tạo ra nhiều sản phẩm, trong đó nổi bật là máy dũ khoai, góp phần cải tiến công nghệ thu hoạch khoai bằng cơ giới.

Máy có cấu tạo như hình 3.1

Cấu tạo của máy gồm hai bộ phận chính là:

- Bộ phận đào: Gồm lưỡi đào (17) hình mũi tên phẳng với góc doãng là 2  được lắp phía trước bộ phận dũ với góc đặt lưỡi là 

Bộ phận dũ khoai hoạt động bằng cách phá vỡ kết cấu đất khi lưỡi đào xâm nhập vào luống khoai, giúp tơi đất và di chuyển hỗn hợp đất – khoai lên bề mặt lưỡi Hỗn hợp này được cào vào bộ phận dũ với các phím song song, cách nhau một khoảng cố định Khi hoạt động, các phím rung động nhờ cam lệch tâm, tạo lực động để tách đất khỏi khoai Các hạt đất nhỏ hơn khe hở giữa các phím sẽ rơi xuống luống, trong khi khoai có kích thước lớn hơn sẽ ở lại trên phím và di chuyển cùng phím, sau đó bị hất ra phía sau.

Mô men được truyền từ trục thu của máy kéo qua hệ thống truyền lực các đăng và hộp giảm tốc bánh răng côn, cùng với các bộ truyền xích, để điều khiển cào răng lùa hỗn hợp đất – khoai, cam lệch tâm và các phím chuyển động.

Hình 3.1 – Cấu tạo máy thu hoạch khoai lang

1: Cào răng lùa khoai và đất; 2: Khâu điều khiển răng; 3: Xích dẫn động răng lùa;4: Đĩa xích dẫn động các cơ cấu; 5: Võ máy; 6: Ổ bi; 7: Phím dũ khoai 8: Đĩa xích của sàng; 9: Đĩa xích dẫn động sàng;10, 11: Đĩa xích, xích dẫn động cam lệch tâm; 12: Can lệch tâm; 13: Xích đĩa xích dẫn động cam lệch tâm; 14: Bánh xe; 15: Đĩa xích; 16: Thanh thép; 17: Lưỡi đàokhoai 18: Gỗ; 19: Hộp giảm tốc; 20: Chân đỡ trước; 21: Trục dẫn động

Động lực học của lưỡi đào

3.2.1 Quá trình làm việc của lưỡi đào

Lưỡi đào trong máy thu hoạch khoai có nhiệm vụ đào lớp đất chứa củ, làm tơi vỡ đất và chuyển toàn bộ đất củ đến bộ phận phân ly Yêu cầu đối với bộ phận đào là tiêu tốn ít năng lượng trong quá trình làm việc, đồng thời đảm bảo khả năng thoát tải cao để tránh hiện tượng ùn tắc.

Để nghiên cứu các thông số hình học của lưỡi đào, đặc biệt là góc đặt lưỡi α, có thể khảo sát chuyển động của một nêm tam giác trong môi trường đất.

Khi nêm tịnh tiến theo phương ngang từ phải qua trái theo quá trình diễn ra như sau:

Trong giai đoạn đầu, nêm đất được nén lại theo phương vuông góc với mặt nêm, dẫn đến việc mặt nêm chịu lực cản từ áp lực của đất Lực cản này có mối quan hệ chặt chẽ với góc α; khi góc α giảm, lực cản cũng giảm theo, và ngược lại.

Giai đoạn 2: Nêm tiếp tục di chuyển về phía cuối giai đoạn 1, và đất bắt đầu xuất hiện vết nứt Theo Goriaskin [2], vị trí của vết nứt tại đầu nêm tạo thành một góc  với phương ngang.

Trong bài viết này, chúng ta xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến sự trượt của đất trên mặt nêm, bao gồm góc nghiêng α, góc ma sát  và ’ giữa đất với mặt nêm Ở giai đoạn 2, đất trượt lên trên nhờ áp lực từ lớp đất phía dưới, trong khi lực cản tổng hợp bao gồm trọng lượng lớp đất trên nêm, lực ma sát giữa đất và mặt nêm, cùng với lực cản động lực học của khối đất.

Giai đoạn 3 của hiện tượng tụt lỡ xảy ra khi đất được nâng lên đến một độ cao h, khiến trọng lượng của khối đất đủ lớn để phá vỡ sự liên kết của lớp đất phía dưới Điều này dẫn đến việc lớp đất phía trên mất khả năng dồn ép và tự rơi xuống do trọng lực.

Nghiên cứu chỉ ra rằng độ cao h chịu ảnh hưởng lớn từ cơ lý tinh, độ ẩm và độ sâu của lớp đất Khi đất tơi xốp, độ ẩm thấp và độ sâu nông, độ cao h sẽ giảm, làm tăng nguy cơ xảy ra hiện tượng tụt lỡ.

3.2.2 Ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đến quá trình làm việc

Lưỡi đào được lắp đặt ở phía trước máy thu hoạch khoai lang, có chức năng quan trọng trong việc đào và phá vỡ cấu trúc luống khoai Khi hoạt động, lưỡi đào giúp di chuyển đất cùng với khoai và rễ khoai lên bề mặt, sau đó chuyển chúng đến bộ phận cào để đưa vào bộ phận dũ.

Góc đặt lưỡi đào ảnh hưởng lớn đến đặc điểm tác động của lưỡi vào luống khoai Ta xem xét sự làm việc của lưỡi đào ABC (hình 3.2)

Hình 3.2 - Lực tác dụng lên phần tử đất khi tiếp xúc với lưỡi đào

Lực tác dụng của lưỡi đào vào đất theo phương vuông góc với bề mặt làm việc được gọi là lực pháp tuyến N Lực pháp tuyến N tác động lên phần tử đất m có thể được phân tích thành hai thành phần P và T, tương ứng với phương chuyển động của lưỡi và phương song song với mặt phẳng làm việc AB.

Lưỡi đào không chỉ chịu tác động của lực pháp tuyến N mà còn bị ảnh hưởng bởi lực ma sát F Khi tổng hợp hai lực này, ta nhận được hợp lực tổng hợp R, có phương lệch so với lực pháp tuyến N một góc ma sát φ.

R  (3.2) Phân tích quá trình làm việc của lưỡi đào phụ thuộc vào góc cắt trước (góc đặt), có hai chế độ làm việc như sau:

- Phần tử đất m vừa chuyển động cùng với lưỡi vừa chuyển động trên bề mặt lưỡi (AB)

Phần tử đất m chỉ di chuyển theo lưỡi đào mà không trượt trên bề mặt lưỡi (AB) Để lưỡi đào hoạt động hiệu quả, lực T cần phải lớn hơn lực ma sát tối đa giữa đất và bề mặt làm việc.

2 thì m sẽ không trượt trên mặt phẳng AB mà chỉ chuyển động cùng với mặt phẳng AB

Nghiên cứu của Nguyễn Bảng cho thấy góc đặt lưỡi α trên máy đào củ ảnh hưởng đáng kể đến chi phí năng lượng và khả năng thoát tải Việc giảm góc α xuống mức quá nhỏ không khả thi, vì lưỡi cần nâng hỗn hợp đất đến độ cao nhất định để chuyển lên bộ phận phân ly phía sau Nếu góc α quá nhỏ, lực ma sát giữa lưỡi và đáy luống sẽ tăng, dẫn đến lực cản lớn hơn Do đó, góc α nên được chọn trong khoảng từ 10° đến 20° để tối ưu hiệu suất.

3.2.3 Lực tác dụng lên lưỡi đào

Lưỡi đào có cấu trúc đối xứng, và lực tác dụng lên lưỡi trong mặt phẳng đứng dọc được ký hiệu là Rxz Khi phân tích lực Rxz, ta có thể tách ra thành hai thành phần chính là Rx và Rz.

Rx – Biểu thị lực cản theo phương chuyển động

Rz – Biểu thị khả năng tự ăn sâu của lưỡi vào đất

Vị trí của Rz được xác định bởi góc  và kích thước b và l

Theo kết quả nghiên cứu cuart GN Cinhiacốp ta có: h = (0,3 -0,5)a và l = 0,5b (3.6)

Trong đó: a - chiều sâu lớn nhất khi lưỡi đào làm việc, (m) b - Bề rộng làm việc của lưỡi đào, (m)

 - góc ma sát của đất

Như vậy R z  R x tg  (3.8) Vấn đề đặt ra là xác định lực Rx ? Để lưỡi đào chuyển động thẳng đều cần tác dụng lên nêm một lực cần thiết Rx

Gọi: Rx1 là hợp lực theo phương chuyển động của lưỡi đào trên mặt phẳng AC

- N là lực pháp tuyến tác dụng lên bề mặt AC

- N ’ là lực pháp tuyến tác dụng lên bề mặt AB

- F – lực ma sát trên mặt AC

- F1 – Lực ma sát trên mặt AB

-  là góc ma sát của mặt trên của lưỡi (AC) với đất

-  1 là góc ma sát của mặt dưới của lưỡi (AB) với đất

Hình 3.3 - Sơ đồ xác định lực cần thiết để lưỡi đào làm việc

Chiếu các lực lên phương chuyển động của lưỡi đào khi làm việc ta xác định được lựcc cần thiết Rx theo công thức:

Rx1 – hợp lực các lực trên mặt AC theo phương chuyển động và nó đực xác định như sau:

 tg f vào công thức (1.17) ta được:

) sin( cos cos sin cos sin   

Lực ma sát trên mặt phẳng tựa AB là:

Ta có áp lực pháp tuyến tác dụng lên mặt AB là:

N / = R.cos(  ) (3.13) Thay vào công thức ( 3.12 ), ta có:

R  N vào công thức (3.14 ), ta có:

 1 - góc ma sát giữa mặt phẳng tựa AB và đất

Thay công thức (3.11 ) và công thức (3.15 ) vào phương trình (3.9 ) ta xác định được lực cần thiết theo phương chuyển động của lưỡi đào theo công thức:

1 cos cos sin ). cos( cos

Nếu  1   thì: Rx = sin( 2 ) cos 2  

3.2.4 Chi phí công suất cho lưỡi đào làm việc

Công suất cần thiết cho lưỡi đào khi làm việc được xác định theo công thức:

Rx - lực cần thiết theo phương chuyển động của lưỡi đào, (N)

Vm – tốc độ chuyển động của máy kéo, (m/s)

Thay Rx từ công thức (3.18 ) vào công thức (3.19 ) ta được:

Công suất cần thiết của lưỡi đào trong quá trình chuyển động của máy kéo phụ thuộc vào áp lực pháp tuyến tác động vào đất để phá vỡ kết cấu, góc đặt lưỡi và góc ma sát giữa đất và vật liệu bề mặt lưỡi đào.

Động lực học của bộ phận dũ khoai

3.3.1 Chuyển động của khoai - đất trên bộ phận dũ phân ly

Sau khi lưỡi đào phá vỡ kết cấu luống khoai, đất và khoai được chuyển vào bộ phận dũ Trong quá trình làm việc, cam lệch tâm tạo ra chuyển động tương đối giữa khoai và đất nhờ sự rung của mặt phím Kết quả là khoai và đất tách rời, đất lọt qua khe hở giữa các phím và rơi xuống ruộng, trong khi khoai di chuyển cùng với phím ra phía sau Hỗn hợp khoai đất trên phím dũ phân ly chịu tác động của nhiều lực khác nhau.

- Trọng lượng của khoai và đất Q = mg

- Phản lực của mặt phím N ’

- Lực ma sát ngược với hướng chuyển động của phím (F)

- Lực quán tính li tâm của khoai ( S  m  2 r )

Hình 3.4 – Lực tác dụng lên hỗn hợp khoai – đất

Tại thời điểm t, vị trí phím được xác định bởi điểm M1, từ đó xác lập góc tọa độ với trục song song Khi chiếu các lực lên trục 0, tổng hình chiếu của các lực sẽ bằng không do khoai nằm trên phím.

Do đó: N '  mg (cos k sin t ) (3.22)

Nếu khoai nằm trên phím thì N ’ > 0, nên ta có:

0 sin cos   k  t  hay cos   k sin  t (3.23) Nếu điều kiện này được đảm bảo bất cứ thời điểm nào thì khoai không lúc nào nhảy khỏi phím

Trong trường hợp N ’ = 0, khoai mất sự liên hệ với phím, bắt đầu chuyển động tự do với phím Gọi thời điểm mà N ’ = 0 là t1 ta có:

Trong đó: k – chỉ số chế độ động học, nó được xác định theo công thức: [thuhoach] g k   2 r

( 3.26) Thay k từ công thức (3.26 ) vào công thức (3.25 ) ta được: r t g

Với r bán kính tang chủ động của phím dũ

 là vận tốc góc của phím dũ, với qua hệ:

  (3.28) n là tốc độ quay của tang dẫn động phím dũ, (vòng/phút)

Phương trình xác định thời gian hoặc góc pha  t 1 khi khoai bắt đầu nhảy khỏi phím cho thấy rằng việc tăng chỉ số động học k không chỉ làm tăng tốc độ qua của tang chủ động dẫn động phím dũ mà còn giảm góc  t 1 Điều này có nghĩa là khoai sẽ nhảy sớm hơn, từ đó nâng cao chất lượng dũ.

Khi bộ phận dũ khoai loại phím làm việc cần một năng lượng để chi phí cho việc:

- Phím va chạm lên hỗn hợp khoai – đất

- Chuyển khoai ra phí sau theo độ nghiêng bộ phận dũ

- Thắng lực cản ma sát ở gối đỡ phím

Bên cạnh đó có một phần năng lượng chuyền vận tốc cho khoai – đất khi tung lên Năng lượng đó được tính bởi công va chạm Trong trường hợp

Khi hướng vận tốc có chiều khác nhau, năng lượng hao phí trong quá trình ném hỗn hợp khoai – đất gần như được hoàn trả cho phím, do đó không cần tính đến năng lượng này Chúng ta chỉ cần xem xét các chi phí năng lượng chính, bao gồm năng lượng tiêu tốn khi phím va chạm với hỗn hợp khoai – đất.

Lực phím va chạm lên hỗn hợp khoai – đất được đặc trưng bởi xung lượng, các thành phần được biểu thị trong công thức sau:

 (3.30) Ở đây m là khối lượng hỗn hợp khoai – đất va chạm với phím

3 , y x v v là vận tốc thành phần của phím ở thời điểm va chạm t3

3 , my mx v v là vận tốc thành phần của hỗn hợp khoai – đất ở thời điểm va chạm t3

Do đó lực va chạm trung bình có thể xác định theo các thành phần:

Và công suất được tính theo biểu thức:

L  (3.32) thể hiện mối quan hệ giữa lực P và vận tốc V tại điểm tác động Góc (P,V) được xác định là góc giữa hướng của lực P và vận tốc V Đặc biệt, góc  3 là góc giữa thành phần Px và vận tốc V, trong khi góc  3 là góc giữa thành phần Py và vận tốc V.

L  m      (3.34) b/ Năng lượng chi phí để thắng lực cản ma sát ở phím và trục gối đỡ

Ma sát ở gối đỡ phím xảy ra do áp lực tác dụng lên nó, với áp lực trung bình trên mỗi gối đỡ phím được tạo ra bởi lực quán tính F và trọng lượng phím G0 Chúng ta giả định rằng trọng tâm S của phím nằm trên đường trục BC.

Như vậy ở cổ B và C sẽ chịu tác dụng các lực: k G g r

Giả sử ở thời điểm nào đó, khi khuỷu AB quay đi một góc    t , gối đỡ B chịu tác dụng những lực GB và FB

Tổng hình chiếu của chúng lên trục 0X là:

B (3.37) Áp lực trên gối đỡ phím là:

Hướng lực R được xác định bởi góc A (hình 3.10)

 cos sin cos sin k k X tgA Y

 (3.39) Để xác định hướng lực R so với khuỷu AB, ta xác định góc  A , ta có

Do đó: tgA tg tgA

 , thay giá trị tgA vào ta có:

Với giá trị của , ta có ΔA = 0, dẫn đến Rmax và Rmin có cùng hướng với AB Để thực hiện tính toán, ta sử dụng giá trị trung bình Rtb = GB.

Công ma sát được xác định bởi đại lượng:

L  (3.43) Trong đó Mms là mô men lực ma sát, xác định theo:

2 2 (3.44) ở đây N  - áp lực pháp tuyến trên vi phân bề mặt gối đỡ phím tương ứng với đường sinh m nào đó được xác định bởi góc 

 N  lớn hơn G B gần bằng  4 G B , vì thế: gđ B gđ B ms d f G d

 (3.45) f – hệ số ma sát trượt dgđ – đường kính gối đỡ phím

Do đó công hao phí cho ma sát gối đỡ B là: n d G n f d G f

Tương tự, ta có công hao phí ma sát gối đỡ C:

 1 (3.47) Công chi phí ma sát chung cho bộ phận dũ phím là: n d G f L

Năng suất của máy thu hoạch khoai lang

Năng suất liên hợp máy được đo bằng khối lượng công việc thực hiện trong một đơn vị thời gian, có thể tính bằng ha, m², m³, lít, tạ, tấn, v.v Tùy thuộc vào đơn vị thời gian làm việc của máy, năng suất có thể được xác định theo giờ hoặc theo kíp.

Năng suất giờ thực tế (Wh):

Wh = 0,1BcVlt.., (ha/h) (3.49) Trong đó:

Bc - bề rộng cấu trúc liên hợp máy (m);

 - hệ số sử dụng bề rộng cấu trúc bằng tỷ số giữa bề rộng làm việc

(Blv) và bề rộng cấu trúc Bc

 - hệ số sử dụng vận tốc bằng tỷ số giữa vận tốc làm việc (Vlv) với vận tốc lý thuyết Vlt:

 - hệ số sử dụng thời gian bằng tỷ số giữa thời gian làm việc Tlv và thời gian sử dụng máy T

Năng suất liên hợp của máy phụ chịu ảnh hưởng bởi công suất động cơ, công suất kéo của máy kéo và lực cản của máy nông nghiệp.

Dựa vào công thức tính năng suất giờ (3.49) và công thức tính lực cản riêng của máy nông nghiệp, lực cản riêng (K) được xác định trên đơn vị bề rộng cấu trúc máy Đối với các máy nông nghiệp cùng loại nhưng khác nhau về bề rộng cấu trúc, việc tính toán lực cản riêng là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của máy.

Trong đó: R - là lực cản máy nông nghiệp, N;

Bc – bề rộng cấu trúc máy nông nghiệp, m

Kết hợp công thức (3.49) và công thức (3.52) ta có thể viết:

K – lực cản riêng liên hợp máy, (N/m);

Mặt khác ta có RV lv  N k

3600 - công suất của máy kéo, (KW),

360 , (ha/h) (3.54) Hiệu suất kéo của máy kéo có thể được tính theo công thức: e k k N

Do đó ta có thể tính được năng suất của liên hợp máy theo công suất động cơ: Wh K

- Dựa vào công thức (3.49) thì năng suất liên hợp máy thu hoạch khoai phụ thuộc vào vận tốc và bề rộng làm việc

- Dựa vào công thức (3.55) thì năng suất liên hợp máy thu hoạch khoai phụ thuộc vào côn suất động cơ và lực cản máy thu hoạch.

Kết luận chương 3

Dựa trên kết quả nghiên cứu, chúng tôi đã xác định một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chi phí năng lượng, năng suất và độ sót của khoai sau thu hoạch khi sử dụng máy thu hoạch khoai lang.

- Những yếu tố ảnh hưởng tới chi phí năng lượng của lưỡi đào (công thức 3.20) bao gồm:

+ Phản lực pháp tuyến của đất luống khoai (tính chất cơ lý của đất, độ tơi xốp và độ ẩm của đất luống khoai)

+ Vận tốc di chuyển của máy kéo Vm

+ Góc đặt lưỡi đào so với phương ngang (  )

+ Góc ma sát của đất với vật liệu bề mặt lưỡi đào (  )

- Những yếu tố ảnh hưởng tới chi phí năng lượng cho bộ phận dũ (công thức 3.48), bao gồm:

- Hệ số ma sát trượt (f) giữa hỗn hợp khoai – đất với bề mặt làm việc

- Trọng lượng của khoai – đất nằm trên phím dũ

- Tốc độ quay của tang dẫn động phím dũ (  , n )

- Kích thước bán kính các phím lăn (r) b/ Những yếu tố ảnh hưởng đến năng suất của máy dũ khoai lang

Thông qua những công thức tính năng suất liên hợp máy trên đây, ta thấy có ba nhóm ảnh hưởng đến năng suất liên hợp máy là:

- Điều kiện sản xuất tự nhiên- tính chất môi trường canh tác

- Yếu tố cấu trúc- những thông số cấu trúc của máy kéo, máy thu hoạch khoai (đào và dũ)

Yếu tố sử dụng của liên hợp máy bao gồm các chỉ tiêu như vận tốc, bề rộng làm việc và tổ chức sản xuất Những yếu tố này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của máy mà còn có tác động lớn đến độ sót trong quá trình sản xuất.

- Tốc độ trục gây rung

- Khe hở giữa hai phím kề nhau

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Mục đích nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm này nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số cấu tạo và chế độ làm việc của máy thu hoạch khoai đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật như năng suất, chi phí năng lượng cho bộ phận dũ và độ sót khoai sau thu hoạch Kết quả đạt được sẽ là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế, hoàn thiện mẫu máy và lắp đặt, điều chỉnh các bộ phận cho phù hợp.

Chuẩn bị thực nghiệm

Các thiết bị phục vụ thí nghiệm bao gồm:

- Các đệm định hình (guốc) có bề dầy và góc nghiêng khác nhau

- Các bộ đĩa xích có số răng khác nhau

- Các ống có kích thước đường kính khác nhau

- Bình có vạch chia ml để đo lượng nhiên liệu tiêu hao

- Thước dây để cho chiều dài, bề rộng luống khoai

- Đồng hồ bấm dây để đo thời gian liên hợp máy chạy hết chiều dài luống

- Cân đồng hồ để đo khối lượng khoai thu hoạch cũng như khối lượng khoai còn sót trong đất.

Lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng và hàm mục tiêu

4.3.1 Lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng

Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết, các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất, chi phí năng lượng và độ sót của máy thu hoach khoai bao gồm:

Điều kiện sản xuất tự nhiên ảnh hưởng đến tính chất môi trường canh tác, bao gồm lực cản cắt riêng, tính chất cơ lý, độ ẩm của đất khi thu hoạch, hệ số ma sát của đất với bộ phận đào, góc ma sát trong của đất, và trọng lượng riêng của hỗ hợp khoai - đất nằm trên phím dũ Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất nông nghiệp và nâng cao hiệu quả thu hoạch.

Yếu tố cấu trúc của máy kéo và máy thu hoạch khoai bao gồm các thông số như tốc độ di chuyển, kết cấu lưỡi đào, góc đặt lưỡi, tần số rung, tốc độ chuyển động và khe hở giữa các phím dũ Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất làm việc và khả năng thu hoạch hiệu quả.

- Yếu tố sử dụng: những chỉ tiêu sử dụng của liên hợp máy như vận tốc, bề rộng làm việc của lưỡi đào, tổ chức sản xuất hợp lý

Trong các yếu tố ảnh hưởng đến sản xuất, có những yếu tố không thể kiểm soát như điều kiện tự nhiên và môi trường canh tác, cũng như các vấn đề liên quan đến tổ chức quản lý sản xuất Ngược lại, có những yếu tố mà chúng ta có thể điều khiển để tối ưu hóa quá trình sản xuất.

- Kích thước hình học (bề rộng, góc doãng) và góc đặt của lưỡi đào

- Tần số rung của các phím dũ (phụ thuộc vào tốc độ trục gây rung)

- Tốc độ di chuyển các phím dũ

- Khe hở giữa hai phím kề nhau

Trong các yếu tố liên quan, tốc độ di chuyển của phím dũ, tần số rung và tần số làm việc của cào răng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Tất cả các bộ phận này đều được dẫn động từ trục thứ cấp của hộp giảm tốc theo phương pháp nối tiếp, vì vậy chỉ cần lựa chọn một yếu tố trong số đó là đủ để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

Dựa trên kết quả từ các thí nghiệm trước đây và ý kiến của các chuyên gia từ Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nông lâm TP Hồ Chí Minh cùng Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ, chúng tôi đã lựa chọn một số thông số chính có ảnh hưởng để tiến hành nghiên cứu.

- Góc đặt của lưỡi đào (  ), (độ)

- Tốc độ trục gây rung (n), (vòng/phút)

- Khe hở giữa hai phím kề nhau (  ), (mm)

4.3.2 Các hàm mục tiêu nghiên cứu

- Năng suất của máy dũ khoai lang

- Độ sót khoai lang sau thu hoạch

Phương pháp thí nghiệm, đo đạc và xử lý số liệu

4.4.1 Phương pháp điều khiển các yếu tố ảnh hưởng

- Thí nghiệm sự ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đến các hàm mục tiêu được tiến hành như sau:

Chuẩn bị các đệm định hình (guốc) với độ dày và góc nghiêng tương ứng để điều chỉnh góc đặt trong khoảng từ 10° đến 20° Sau mỗi lần thay đổi đệm, sử dụng thước đo độ để kiểm tra giá trị góc đặt và điều chỉnh thêm hoặc bớt đệm với chiều dày khác nhau nhằm đạt được các góc đặt mong muốn.

- Thí nghiệm sự ảnh hưởng của tốc độ trục gây rung đến các hàm mục tiêu được tiến hành như sau:

Thay đổi tỷ số truyền của bộ truyền xích dẫn động trục gây rung nhờ dùng các đĩa xích có số răng khác nhau

- Thí nghiệm sự ảnh hưởng của khe hở giữa hai phím kề nhau đến các hàm mục tiêu được tiến hành như sau:

Thay đổi khe hở giữa hai phím kề nhau của sàng dũ nhờ việc thay đổi khe hở giữa các phím bằng các ống có đường kính khác nhau

Phương pháp xác định chi phí năng lượng cho bộ phận dũ khoai dựa vào lượng nhiên liệu mà liên hợp máy tiêu thụ trong một giờ làm việc, kết hợp với suất tiêu hao nhiên liệu riêng (g/ml.h) Kết quả này cho phép tính toán chi phí năng lượng của liên hợp máy tương ứng với các thí nghiệm khác nhau theo công thức đã được thiết lập.

Chi phí năng lượng (mã lực) được tính bằng lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ (mililit) chia cho tiêu hao nhiên liệu riêng (mililit/ml/h) theo tài liệu của máy kéo cơ sở.

Chi phí nhiên liệu cho liên hợp máy được xác định bằng cách đo lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giờ làm việc Cụ thể, nhiên liệu sẽ được đong vào bình có vạch kiểm tra và sau đó đổ vào bình chứa cho đến khi đạt mức vạch ban đầu Kết quả cuối cùng là trung bình cộng của nhiều lần thí nghiệm khác nhau.

- Phương pháp xác định năng suất giờ của máy

Năng suất giờ của máy thu hoạch khoai được xác định theo công thức sau:

Wh = 0,1BcVlt.. (ha/h) (4.1) Trong đó:

Bc- bề rộng cấu trúc liên hợp máy, (m);

 - hệ số sử dụng bề rộng cấu trúc bằng tỷ số giữa bề rộng làm việc

(Blv) và bề rộng cấu trúc Bc, chọn  = 1

- hệ số sử dụng thời gian bằng tỷ số giữa thời gian làm việc Tlv và thời gian sử dụng máy T = 1 giờ

- hệ số sử dụng vận tốc bằng tỷ số giữa vận tốc làm việc (Vlv) với vận tốc lý thuyết Vlt :

V , suy ra V lv  V lt (4.3) Thay công thức (4.3) vào công thức (4.1) ta có công thức tính năng suất giờ như sau:

Để tính năng suất giờ của liên hợp máy, ta sử dụng công thức Wh = 0,1BcVlv (ha/h) (4.4) Trước tiên, cần đo vận tốc làm việc thực tế của liên hợp máy theo kế hoạch thực nghiệm, sau đó thay giá trị vào công thức (4.4) để xác định năng suất.

Phương pháp xác định độ sót sau thu hoạch được thực hiện bằng cách so sánh khối lượng khoai còn sót lại trong lòng đất hoặc bị đất lấp kín với tổng khối lượng khoai thu hoạch được Độ sót được tính bằng cách nhân tỷ lệ khối lượng khoai còn sót với 100% Để xác định chính xác khối lượng khoai thu được và khối lượng khoai còn lại, chúng tôi sử dụng cân đồng hồ cho từng thí nghiệm.

4.4.3 Xác định số lần lặp cho mỗi thí nghiệm

Việc xác định số lần lặp cho các thí nghiệm là rất quan trọng, cần phải đủ lớn để đảm bảo độ chính xác của luật phân bố chuẩn, nhưng cũng phải tối thiểu để giảm khối lượng thí nghiệm Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm được tính dựa trên kết quả của thí nghiệm thăm dò và theo công thức cụ thể.

Trong đó: n – Số lần lặp cho mỗi thí nghiệm;

 - Tiêu chuẩn Student tra bẳng với mức ý nghĩa   0 , 05 ;

 % - Sai số tương đối, trong kỹ thuật thường lấy  %  5 %

Y - Giá trị trung bình của đại lượng nghiên cứu;

Sau một số thí nghiệm thăm dò, thay kết quả vào công thức (4.5) ta xác định được số lần lặp cho mỗi thí nghiệm là n = 3

Sau khi thu thập số liệu thực nghiệm, chúng tôi đã tiến hành xử lý dữ liệu thí nghiệm bằng phần mềm Quy hoạch thực nghiệm OPT của Viện Cơ điện – công nghệ sau thu hoạch Kết quả thu được từ quá trình này như sau:

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố

4.5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng độc lập của góc đặt lưỡi đào, tốc độ của trục gây rung phím dũ và khoảng cách giữa hai phím kề nhau đến chi phí năng lượng của máy a/.Ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đào đến chi phí năng lượng của máy

- Đánh giá đồng nhất phương sai

Do đó, Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, và số lượng thí nghiệm đã thực hiện đủ để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về độ tin cậy.

Y1 = 15.125 + 0.579X1 - 0.005X1X1 + k (4.6) b0,0 = 15.125 ; ( hệ số k: sai số so thực để 2 vế cân bằng) b1,0 = 0.5786 b1,1 = -0.0047

Tiêu chuẩn T student cho các hệ số là :

Phương sai đo lường (lap) Sb = 0.5620

Số bậc tự do kb = 10

Phương sai tương thích Sa = 0.384

Số bậc tự do ka = 2

Để kiểm tra tính tương thích của mô hình, điều kiện Ftt ≤ Fbang cần được thỏa mãn với mức giá trị α = 0,05 Tâm của mặt quy hoạch được xác định là Ytam = 22.933 b/ Đồng thời, cần xem xét ảnh hưởng của tốc độ trục gây rung đến chi phí năng lượng của máy.

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, đồng thời số lượng thí nghiệm được tiến hành đủ để đáp ứng độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

Y1 = 29.667 - 0.078X2 - 0.0002X2 X2 + k (4.7) b0,0 = 29.666 b1,0 = -0.078 b1,1 = -0.0002 Tiêu chuẩn T student cho các hệ số là :

Phương sai đo lường (lặp) Sb = 0.8275

Kiểm tra tính tương thích của mô hình theo điều kiện: Ftt ≤ Fbang nên tính tương thích của mô hình toán học nhận được khi mức gá trị α = 0,05

Tâm của mặt quy họach: Ytam = 22.7169 c/ Ảnh hưởng của khoảng cách hai phím kề nhau đến chi phí năng lượng của máy

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, và số lượng thí nghiệm đã được tiến hành đủ để đảm bảo độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

Y1 = 27.340 - 0.503X3 - 0.013X3 X3 + k (4.8) b0,0 = 27.340 b1,0 = -0.503 b1,1 = 0.0127 Tiêu chuẩn T student cho các hệ số là :

Phuong sai tương thích Sa = 0.3389

Tâm của mặt quy họach: Ytam = 22.3368

4.5.2 Nghiên cứu ảnh hưởng độc lập của góc đặt lưỡi đào, tốc độ của trục gây rung phím dũ và khoảng cách giữa hai phím kề nhau đến năng suất của máy a/.Ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đào đến năng suất của máy dũ khoai lang

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, đồng thời số lượng thí nghiệm đã thực hiện đủ để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về độ tin cậy.

Tâm của mặt quy hoạch: Ytam = 0.23422 b/ Ảnh hưởng của tốc độ trục gây rung phím dũ đến năng suất của máy

Để đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, ta có Gtt ≤ Gbang Số lượng thí nghiệm đã thực hiện đủ để đáp ứng độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

Tâm của mặt quy họach: Ytam = 0.22853 c/ Ảnh hưởng của khoảng cách hai phím kề nhau đến năng suất của máy

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, và số lượng thí nghiệm đã được thực hiện đủ để đảm bảo độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

T1,1 = 0.4773 Phương sai đo lường (lặp) Sb = 0.00006

Tâm của mặt quy họach: Ytam = 0.22301

4.5.3 Nghiên cứu ảnh hưởng độc lập của góc đặt lưỡi đào, tốc độ của trục gây rung phím dũ và khoảng cách giữa hai phím kề nhau đến độ sót khoai sau thu hoạch a/Ảnh hưởng của góc đặt lưỡi đào đến độ sót khoai sau thu hoạch của máy

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, và số lượng thí nghiệm đã được tiến hành đủ để đảm bảo độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

Tâm của mặt quy hoạch: Ytam = 2.22455 b/ Ảnh hưởng của tốc độ trục gây rung đến độ sót khoai sau thu hoạch của máy

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, trong khi số lượng thí nghiệm được thực hiện đủ để đáp ứng độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

Tâm của mặt quy họach: Ytam = 3.47503 c/ Ảnh hưởng của khoảng cách hai phím kề nhau đến độ sót khoai sau thu hoạch

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, trong khi số lượng thí nghiệm được tiến hành đủ để đáp ứng độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

Tâm của mặt quy hoạch: Ytam = 2.05099

Các phương trình hồi quy (4.6) đến (4.14) cho thấy mức độ ảnh hưởng độc lập của các yếu tố như góc đặt lưỡi đào, tốc độ trục gây rung phím dũ và khe hở giữa hai phím kề nhau đến chi phí năng lượng, năng suất giờ và độ sót khoai sau thu hoạch của LHM thu hoạch khoai Những phương trình này có dạng bậc hai, chứng minh rằng quy luật và mối quan hệ giữa hàm mục tiêu và các yếu tố ảnh hưởng là hàm phi tuyến.

Sau khi phân tích mức độ ý nghĩa của các hệ số trong các phương trình hồi quy từ (4.6) đến (4.14), kết quả cho thấy các yếu tố ảnh hưởng đến các hàm mục tiêu là rất đáng kể.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố

4.6.1 Chọn vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của các yếu tố

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đơn yếu tố, cùng với ý kiến từ các chuyên gia, chúng tôi đã xác định vùng nghiên cứu và các giá trị biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng, như được trình bày trong bảng (4.10).

Bảng 4.1 - Dạng mã và mức của các yếu tố ảnh hưởng

4.6.2 Thành lập ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm

Theo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đã chọn, chúng tôi tiến hành lập bảng ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm như bảng 4.2

Bảng 4.2 - Ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm - Harley

Bố trí các thí nghiệm theo ma trận kế hoạch hóa, theo Harley, với N = 2^m + 2m + 1, trong đó m là thông số đầu vào bằng 3, cho thấy tổng số lần thí nghiệm N là 15 Sau khi đo đạc và thu thập số liệu, các dữ liệu thí nghiệm được xử lý bằng phần mềm OPT của Viện Cơ điện và công nghệ sau thu hoạch – Hà Nội, với kết quả thu được như sau:

4.6.3 Quy luật và mức độ ảnh hưởng đồng thời của góc đặt lưỡi đào, khoảng cách giữa hai phím kề nhau và tốc độ của trục gây rung phím dũ đến chi phí năng lượng của máy dũ khoai lang a/ Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, và số lượng thí nghiệm đã được thực hiện đủ để đáp ứng độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

65 b0,0 = 22.8627 b1,0 = 1.4380 b1,1 = -0.2833 b2,0 = 0.1760 b2,1 = -0.0100 b2,2 = 0.4533 b3,0 = 0.3173 b3,1 = -0.2133 b3,2 = -0.2583 b3,3 = 0.1800 Tiêu chuẩn T student cho các hệ số là :

T3,3 = 0.2831 Giá trị giới hạn của tiêu chuẩn t là bằng nhau khi   0 , 05 và bậc tự do kb = 30, tra bảng phụ lực III [4] ta có t  : k  0 , 683

Kiểm tra tính giá trị của các hệ số hồi quy cho thấy rằng các hệ số b21 và b33 trong phương trình (4.15) không có giá trị, vì t i < t γ: k Sau khi loại bỏ các hệ số không có giá trị, chúng ta thu được phương trình hồi quy mới.

Tâm của mặt quy hoạch X = (2.353 , -0.028 , 0.493 , )

Các hệ số chính tắc

Để thể hiện mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu đến hàm mục tiêu, cần chuyển phương trình hồi quy về dạng thực với các biến là các yếu tố nghiên cứu có thứ nguyên.

Thay thế các giá trị dạng mã hóa i i i e

X x  ( X  0 ) vào phương trình hồi quy (4.19), cụ thể: Thay các

 X x  vào phương trình hồi quy () Sau đó xử lý kết quả nhờ phần mềm QHTN OPT ta được:

4.6.4 Quy luật và mức độ ảnh hưởng đồng thời của góc đặt lưỡi đào, khoảng cách giữa hai phím kề nhau và tốc độ của trục gây rung phím dũ đến năng suất của máy dũ khoai lang a/ Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, và số lượng thí nghiệm thực hiện đủ để đảm bảo độ tin cậy theo yêu cầu kỹ thuật.

Các hệ số : b0,0 = 0.2166 b1,0 = -0.0240 b1,1 = -0.0074 b2,0 = -0.0017 b2,1 = 0.0012 b2,2 = -0.0057 b3,0 = 0.0060 b3,1 = -0.0029 b3,2 = 0.0029 b3,3 = 0.0193 Tiêu chuẩn T student cho các hệ số là :

Giá trị giới hạn của tiêu chuẩn t là bằng nhau khi   0 , 05 và bậc tự do kb = 30, tra bảng phụ lực III [4] ta có t  : k  0 , 683

Kiểm tra tính giá trị của các hệ số hồi quy cho thấy rằng hệ số b21 trong phương trình (4.18) không có giá trị vì t i < t γ: k Sau khi loại bỏ các hệ số không có giá trị, chúng ta thu được phương trình hồi quy mới.

Tâm của mặt quy họach X = ( -1.603 , -0.383 , -0.248 , )

Để thể hiện mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu đến hàm mục tiêu, cần chuyển phương trình hồi quy về dạng thực với các biến là các yếu tố nghiên cứu có thứ nguyên.

X x  ( X  0 ) vào phương trình hồi quy (4.19), cụ thể: Thay thế các giá trị dạng mã hóa i i i e

 X x  vào phương trình hồi quy () Sau đó xử lý kết quả nhờ phần mềm QHTN OPT ta được:

4.6.5 Quy luật và mức độ ảnh hưởng đồng thời của góc đặt lưỡi đào, khoảng cách giữa hai phím kề nhau và tốc độ của trục gây rung phím dũ đến độ sót sau thu hoạch của máy sau thu hoạch a/ Kết quả xử lý số liệu thực nghiệm

Gtt ≤ Gbang đảm bảo tính đồng nhất của các phương sai, đồng thời số lượng thí nghiệm thực hiện đủ để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về độ tin cậy.

Các hệ số : b0,0 = 2.8847 b1,0 = 0.1037 b1,1 = -0.2309 b2,0 = -0.7570 b2,1 = -0.0096 b2,2 = -0.7176 b3,0 = 0.0850 b3,1 = 0.1679 b3,2 = -0.1063 b3,3 = -0.2576 Tiêu chuẩn T student cho các hệ số là :

Giá trị giới hạn của tiêu chuẩn t là bằng nhau khi   0 , 05 và bậc tự do kb = 30, tra bảng phụ lực III [4] ta có t  : k  0 , 683

Kiểm tra tính giá trị của các hệ số hồi quy cho thấy b21 và b32 không có giá trị, vì ti < tγ: k Sau khi loại bỏ các hệ số không có giá trị, chúng ta thu được phương trình hồi quy mới.

Tâm của mặt quy họach X = ( 0.384 , -0.560 , 0.405 , )

Để thể hiện mức độ ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu đến hàm mục tiêu, cần chuyển phương trình hồi quy thực nghiệm về dạng thực với các biến là các yếu tố nghiên cứu có thứ nguyên.

 X x  vào phương trình hồi quy (4.21) Sau đó xử lý kết quả nhờ phần mềm QHTN OPT ta được:

Xác định thông số tối ưu

Sau khi xác định được các phương trình dạng thực của các hàm mục tiêu, chúng tôi tiên hành giải bài toán tối ưu

Mục tiêu của việc giải bài toán tối ưu là xác định các thông số tối ưu cho máy, từ đó cung cấp cơ sở để thiết kế máy một cách hoàn thiện.

Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu đòi hỏi xem xét đồng thời cực trị của nhiều hàm mục tiêu, thường dẫn đến kết quả mâu thuẫn Để đạt được giá trị tối ưu cho một chỉ tiêu, thường phải chấp nhận tổn thất cho các chỉ tiêu khác Vấn đề then chốt là tìm sự thỏa hiệp giữa các mục tiêu khác nhau Phương pháp phổ biến để giải quyết bài toán này là chuyển đổi về bài toán một mục tiêu thông qua một phiếm hàm mục tiêu (F(xi) → min) cùng với các điều kiện ràng buộc.

- Phương pháp thứ tự ưu tiên

- Phương pháp trao đổi giá trị phụ (phương pháp nhân tử Lagrăngiơ)

- Phương pháp hàm trọng lượng

Sau khi phân tích ưu và nhược điểm của các phương pháp, chúng tôi quyết định sử dụng phương pháp trao đổi giá trị phụ, cụ thể là phương pháp nhân tử Lagrangi.

Mục tiêu của bài toán là xác định các hàm chỉ tiêu đánh giá chất lượng máy thu hoạch khoai, bao gồm chi phí công suất N (mã lực), năng suất làm việc của máy trong một giờ Wh (ha/h) và độ sót của khoai thu hoạch.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và xử lý số liệu đã lập được các hàm mục tiêu phụ thuộc vào các biến theo các phương trình (4.17),(4.19) và (4.22)

Mô hình toán học của bài toán tối ưu được xây dựng từ các biểu thức của hàm mục tiêu, cùng với các điều kiện giới hạn và điều kiện ràng buộc.

Và 10 0    20 0 ; 100  n r  200và 18    30 (4.23) Áp dụng phương pháp trao đổi giá trị phụ tối ưu theo tiêu chuẩn Y1 ta lập được phiếm hàm:

Với  2 , 3 lấy theo giá trị lớn nhất có thể theo giả thuyết của bài toán trong miền giới hạn của các biến: 10 0    20 0 ; 100  n r  200và 18    30là

Thay các phương trình hôi quy và các giá trị  2 , 3 vào phương trình (4.24) ta được phương trình:

(4.25) Tính các đạo hàm riêng theo phương trình (4.25) rồi lập hệ phương trình ta có:

Giải hệ phương trình (4.26) nhờ ngôn ngữ lập trình Matlab, phương trình (4.26) được viết dưới dạng phương trình (4.27):

Lập sơ đồ khối giải phương trình (4.27) các hình 4.1, 4.2,4.3,4.4, 4.5 và 4.6:

Hình 4.1 - Sơ đồ khối giải hệ phương trình 4.26

Hình 4.2 - Sơ đồ khối giải hệ phương trình 1

Chạy chương trình cho ta kết quả như sau:

- Góc đặt lưỡi đào: 8,79 (độ)

- Tốc độ trục gây rung bàn phím dũ n r  146.713 và -12.328 (v/p)

- Khoảng cách giữa hai phím kề nhau:  34.428 mm

Dựa vào các điều kiện ràng buộc và khoảng biên thiên của các yếu tố ảnh hưởng theo điều kiện (4.23), chúng ta có thể xác định các thông số tối ưu cho máy dũ khoai lang.

- Góc đặt lưỡi đào: 10 (độ)

- Tốc độ trục gây rung bàn phím dũ n r 148 (v/p)

- Khoảng cách giữa hai phím kề nhau:  30 mm

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Bài viết đã tổng hợp và phân tích tình hình canh tác cũng như việc áp dụng cơ giới hóa trong việc trồng và thu hoạch khoai lang ở cả trong nước và quốc tế Nghiên cứu cho thấy tiềm năng canh tác khoai lang rất lớn, điều này đã thu hút sự quan tâm của nhiều quốc gia đối với việc áp dụng cơ giới hóa, đặc biệt là trong giai đoạn thu hoạch.

Bằng nghiên cứu lý thuyết, chúng tôi đã xác định các thông số động lực học của lưỡi đào và bộ phận dũ của máy thu hoạch khoai trong quá trình làm việc Kết quả này sẽ là cơ sở cho việc thiết kế và điều chỉnh lắp ráp lưỡi đào trên máy, đồng thời hỗ trợ cho nghiên cứu thực nghiệm đơn và đa yếu tố trong tương lai.

Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố đã xác định quy luật và mức độ ảnh hưởng độc lập của các yếu tố như góc đặt lưỡi đào, tốc độ trục gây rung phím dũ và khe hở giữa hai phím kề nhau đến chi phí năng lượng, năng suất giờ và độ sót khoai sau thu hoạch của LHM Các phương trình hồi quy bậc hai cho thấy mối quan hệ phi tuyến giữa hàm mục tiêu và các yếu tố ảnh hưởng Kết quả này là cơ sở khẳng định giá trị của các yếu tố ảnh hưởng và phục vụ cho nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố tiếp theo.

Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố đã phát triển một mô hình toán học, thể hiện sự ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến chi phí năng lượng, năng suất giờ và độ sót khoai sau thu hoạch của LHM.

84 quả là cơ sở để xác định giá trị tối ưu cho các thông số nghiên cứu, nhằm hoàn thiện thiết kế và lắp ráp máy thu hoạch khoai.

Bằng cách áp dụng phương pháp nhân tử Lagrăngơ trong giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, chúng tôi đã xác định được giá trị tối ưu cho các thông số ảnh hưởng.

- Góc đặt lưỡi đào:  10 (độ)

- Tốc độ trục gây rung bàn phím dũ n r  148 (v/p)

- Khoảng cách giữa hai phím kề nhau:   30 mm

Kết quả đó là cơ sở khoa học cho việc thiết kế hoàn thiện, lắp ráp máy thu hoạch khoai theo hướng hiệu quả nhất.

Kiến nghị 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Đề tài “Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của máy thu hoạch khoai lang liên hợp với máy kéo Shibaura SD 3543” là nghiên cứu thiết thực, cần thiết cho việc thu hoạch khoai lang tại Việt Nam, đặc biệt ở khu vực ĐBSCL Để phát triển máy thu hoạch này, cần đầu tư kinh phí cho việc chế tạo, kiểm nghiệm thiết kế, khảo nghiệm đại trà và tính toán hiệu quả kinh tế, nhằm giải quyết tình trạng thiếu lao động ở nông thôn hiện nay.

1 Nguyễn Bảng(1970), Lý thuyết tính toán máy nông nghiệp, Nhà xuất bản Giáo dục và Đại học – Hà Nội

2 Nguyễn Văn Bỉ (2006), Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm,

Trường Đại học Lâm nghiệp, Hà Tây, 7 - 35

3 Phạm Văn Lang (1996), Bạch Quốc Khang, Cơ sở lý thuyết và quy hoạch thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật Nông nghiệp, Nhà xuất bản

4 Đặng Thế Huy (1992), Phương pháp nghiên cứu khoa học cơ khí Nông nghiệp, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội, 55 – 58

5 Lê Công Huỳnh (1995), Phương pháp nghiên cứu khoa học, Nhà xuất bản nông nghiệp, Hà Nội, 63 – 99, 118 – 141

6 Nguyễn Văn Muốn (1999), Máy canh tác nông nghiệp, Nhà xuất bản giáo dục

7 Hoàng Bắc Quốc, (2010), Cơ giới hóa khâu tưới, vun luống và thu hoạch khoai lang tại Tỉnh Vĩnh Long ”, Báo cáo kết quả thực hiện đề tài cấp

8 Nguyễn Ngọc Quỳnh (1976), Hồ Thuần, Phương pháp ma trận và ưu điểm trong kỹ thuật, NXB Nông nghiệp, Hà Nội

9 Đào Quang Triệu (1991), Phương pháp giải bài toán tối ưu tổng quát khi nghiên cứu các quá trình phức tạp với sự ứng dụng quy hoạch thực nghiệm và vi tính Tuyển tập Công trình nghiên cứu khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp, Trường Đại học Nông nghiệp I, NXB Nông nghiệp, Hà Nội, 23 - 56

10 http://wwww FAO Org/Introduction

11 http://tailieu.vn/Sweet Potato Harverster

Tiêu đề	Nghiên Cứu Một Số Thông Số Về Cấu Tạo Và Chế Độ Làm Việc Của Máy Thu Hoạch Khoai Lang Liên Hợp Với Máy Kéo Shibaura SD 3543
Tác giả	Nguyễn Phạm Huy Cường, Trần Văn Thịnh
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Quân, TS. Lê Văn Thái
Trường học	Trường Đại Học Lâm Nghiệp
Chuyên ngành	Kỹ thuật máy và Thiết bị cơ giới hóa Nông - Lâm nghiệp
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	1,8 MB

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của máy thu hoạch khoai lang liên hợp với máy kéo shibaura SD 3543​