Một số kết quả nghiên cứu về bài toán tìm quĩ đạo đầu mút tay trong cơ cấu vơ - Nén của máy nén rơm tĩnh tại

Nội dung text: Một số kết quả nghiên cứu về bài toán tìm quĩ đạo đầu mút tay trong cơ cấu vơ - Nén của máy nén rơm tĩnh tại

1. Tạp chớ Khoa học và Phỏt triển 2010: Tập 8, số 1: 140 - 148 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NễNG NGHIỆP HÀ NỘI MộT Số KếT QUả NGHIÊN CứU Về BμI TOáN TìM QUĩ ĐạO ĐầU MúT TAY TRONG CƠ CấU VƠ - NéN CủA MáY NéN RƠM TĩNH TạI Some Researching Results about Orbital Motion of Gathering and Compressing Mechanism of Straw and Hey Compressing Machine Nguyễn Xuõn Thiết, Lờ Minh Lư và Lương Văn Vượt Khoa Cơ - Điện, Trường Đại học Nụng nghiệp Hà Nội Địa chỉ email tỏc giả liờn lạc: [email protected] TểM TẮT Mỏy nộn bú rơm và cỏ khụ tĩnh tại mà bài bỏo đề cập là loại mỏy thực hiện nhiệm vụ nộn và bú rơm và cỏ khụ thành từng bú, trong đú quỏ trỡnh cấp liệu, nộn và bú được thực hiện liờn tục, nhịp nhàng. Với điều kiện thu hoạch ở Việt Nam, loại mỏy này cú tớnh ứng dụng cao. Cơ cấu vơ - nộn là cơ cấu làm việc quan trọng của mỏy. Bài toỏn động học cơ cấu vơ - nộn được đặt ra nhằm xỏc định mối quan hệ kớch thước giữa cỏc khõu trong cơ cấu thụng qua bài toỏn tối ưu quĩ đạo của đầu mỳt tay vơ nhằm tối ưu húa khả năng cấp liệu của mỏy. Kết quả đưa ra là cơ sở thiết kế mỏy sau này. Từ khúa: Cơ cấu vơ - nộn trong mỏy nộn rơm, mỏy nộn rơm, mỏy nộn cỏ khụ. SUMMARY Straw and hey compressing machine discussed in this article is a machine to perform the tasks compressing straw and hey into bundles, in which process of compress and bundle is ongoing. Under the harvesting conditions in Vietnam, this machine has high applicability. Gathering and compressing mechanism is an important working-mechanism of the machine. The kinetics problem of gathering and compressing mechanism is set out to determine the relationship between the sizes of parts in the mechanism through optimal problem of orbit of endpoint of the gathering hand. The results serve as basis data to design machine. Key words: Bundling machine, gathering and compressing mechanism, straw and hey compressing machine. 1. đặt vấn đề đ−ợc bó thμnh các bó để tiện cho việc cất trữ Hiện nay, mỗi năm Việt Nam sản xuất vμ bảo quản. Tr−ớc thực tế đó, cũng đã xuất hμng chục triệu tấn lúa, từ đó cho ra một số hiện nhiều cơ sở cung cấp máy nén bó rơm, l−ợng rơm rạ khổng lồ, phần lớn trong số đó cỏ khô có nguồn gốc từ Trung Quốc hoặc vẫn đ−ợc coi lμ phế phẩm nông nghiệp vμ bị Nhật Bản. Tuy nhiên, đa phần lμ các máy đốt bỏ. Hậu quả kéo theo lμ lãng phí vμ gây ô l−u động mang nh−ợc điểm lớn lμ cồng kềnh, nhiễm môi tr−ờng nghiêm trọng. Một trong giá thμnh cao vμ bất tiện cho việc sửa chữa các h−ớng giải quyết cho vấn đề nμy lμ nén thay thế khi h− hỏng, khó áp dụng trong bó rơm rạ khô thμnh các khối kiện nhỏ (ví dụ nhiều khu vực ở Việt Nam. Cũng đã có một nén thμnh khối dμi x rộng x cao: 700 x 500 x vμi cơ sở nghiên cứu chế tạo máy ép rơm, cỏ 400 mm) để thuận tiện cho việc bảo quản khô tĩnh tại nh−ng đặc điểm của các loại lμm thức ăn cho gia súc hoặc trồng nấm. Bên máy nμy lμ lμm việc gián đoạn, tính cơ giới cạnh đó, để phục vụ cho phát triển ngμnh ch−a cao, còn nhiều công đoạn thủ công nh− chăn nuôi trâu bò, cỏ tại các vùng nguyên của Nhμ máy Z755 (2008), của Khoa Cơ Điện liệu cỏ sau khi phơi đủ khô cần thiết phải Tr−ờng Đại học Nông nghiệp Hμ Nội (2007). 140
2. Một số kết quả nghiờn cứu về bài toỏn tỡm quĩ đạo đầu mỳt tay trong cơ cấu vơ - nộn Máy nén rơm, cỏ khô với quá trình nén 2. VậT LIệU Vμ PHƯƠNG PHáP vμ quá trình bó liên tục (Hình 1) lμ loại máy NGHIÊN CứU có −u điểm v−ợt trội về năng suất vμ đang đ−ợc nghiên cứu chế tạo tại Khoa Cơ - Điện 2.1. Phân tích cơ cấu Tr−ờng Đại học Nông nghiệp Hμ Nội. Nghiên Cơ cấu vơ - nén lμ một cơ cấu 8 khâu cứu động học cơ cấu vơ - nén lμ bμi toán quan liên kết khớp bản lề với khâu OA (Hình 2) lμ trọng nhằm xác định kích th−ớc các khâu khâu chủ động quay đều với vận tốc góc trong cơ cấu phục vụ cho việc thiết kế máy, không đổi. Piston nén liên kết cứng với đầu đồng thời qua đó cung cấp một bμi toán cơ mút C của thanh O1C, tay vơ DF liên kết học thú vị trong động lực học máy. cứng với khâu DE. Yêu cầu lμm việc đối với Yêu cầu đặt ra cho việc tính toán lμ thay cơ cấu lμ piston nén vμ tay vơ DF lμm việc đổi vμ tìm chiều dμi các khâu trong cơ cấu vơ nhịp nhμng, khi piston trong quá trình nén - nén sao cho tay vơ thực hiện nhiệm vụ vơ (piston lμm việc) thì tay vơ trong quá trình tốt nhất (Hình 2). Có nghĩa lμ tại hμnh trình trả về vμ khi piston trong quá trình trả về lμm việc (BmA) tay vơ quét đ−ợc một diện thì tay vơ lμm việc (vơ vμ đ−a nguyên liệu tích trên mặt phẳng giá cấp liệu (diện tích vơ vμo khoang nén). Đối với bμi toán động học - diện tích hình gạch chéo) lớn nhất, đồng cơ cấu nμy, ta áp dụng ph−ơng pháp giải thời tại hμnh trình trở về (AnB) tay vơ rút về bằng cách tách cơ cấu thμnh các nhóm Diat thuận tiện, tránh gây ra hiện t−ợng hất rơm hay còn gọi lμ nhóm hai khâu, sau đó giải trở lại (tối −u nhất lμ khi đầu mút tay vơ vẽ từng nhóm một, kết quả tính toán thu đ−ợc ra một quĩ đạo lμ đ−ờng thẳng nằm d−ới mặt từ nhóm nμy sẽ lμm điểm xuất phát để tính phẳng cấp liệu). nhóm Diat tiếp theo (Hình 3). Hình 1. Bản vẽ tổng thể của máy nén rơm, cỏ khô tĩnh tại Hình 2. Yêu cầu quĩ đạo của đầu mút tay vơ 141
3. Nguyễn Xuõn Thiết, Lờ Minh Lư, Lương Văn Vượt Hình 3. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo Hình 4. Sơ đồ phân tích cấu vơ - nén của cơ cấu vơ - nén thμnh các nhóm Diat y m yjm yjk i j ϕj1 k ϕj2 yij n ϕk1 ykn ϕk2 ykl l 0 xij xjm xjk xkn xkl x Hình 5. Sơ phân tích động học nhóm hai khâu (nhóm Diat) 2.2. Cơ sở lý thuyết vμ trình tự tính toán gắn liền với khâu j trong đó trục ξj lμ đ−ờng Trên cơ sở tách nhóm, cơ cấu vơ - nén nối liền với khớp (i, j) với khớp (j, k), còn trục đ−ợc tách thμnh 3 nhóm Diat vμ khâu chủ ηj lμ trục vuông góc với ξj. T−ơng tự nh− động OA (Hình 4). D−ới đây giới thiệu lời trên, khâu k có hệ toạ độ ξk - ηk với góc toạ giải tổng quát cho một nhóm Diat (Vũ Liêm độ tại khớp (k, l). Góc ϕj đ−ợc tính từ đ−ờng Chính, 2001). thẳng song song với trục x theo h−ớng d−ơng - Gọi j vμ k lμ hai khâu nối động với đến h−ớng d−ơng của trục ξj. nhau trong đó khâu j đ−ợc nối động với khâu Ph−ơng trình tính toán vị trí xjm, yjm,ϕj, i bằng một khớp quay (i, j), còn khâu k ngoμi ϕk thoả mãn điều kiện rμng buộc, nghĩa lμ việc nối với khâu j còn nối với khâu l bằng hình chiếu của toạ độ các khớp lên hai trục một khớp quay (k, l). Vị trí của các khớp (i, toạ độ lμ phải khép kín (Hình 3). j), (k, l) đ−ợc xác định bằng toạ độ xij, yij, xkl Ph−ơng trình: vμ ykl. Hμm vị trí của các điểm nμy hoặc lμ x + l . cos ϕ - l . cosϕ - x = 0 (1) bằng hằng nếu nó đ−ợc nối với khớp quay cố ij j j k k kl yij + lj . sinϕj - lk . sinϕk - ykl = 0 (2) định hoặc lμ phụ thuộc vμo toạ độ q =ϕ2 của khâu dẫn. Hμm số của điểm cần xác định Ký hiệu: của nhóm khâu lμ điểm (j, m). Vị trí của hai -Bkj = Bjk = xij - xkl (3) khâu đ−ợc xác định nhờ các góc ϕj, ϕk vμ các -Ckj = Cjk = yij - ykl (4) toạ độ của khớp (j,k). Từ hình 1 có thể nhận biểu thức trên đ−ợc viết d−ới dạng: thấy, ứng với chiều dμi lj, lk bất kỳ sẽ có 2 vị lj . cosϕ j = lk . cosϕ k - Bjk (5) trí t−ơng ứng cho khớp (j, k). Hệ toạ độ ξj - ηj lj . sinϕ j = lk . sinϕ k - Cjk (6) 142
4. Một số kết quả nghiờn cứu về bài toỏn tỡm quĩ đạo đầu mỳt tay trong cơ cấu vơ - nộn Bình ph−ơng từng ph−ơng trình vμ sau xác định. Với hai giá trị nμy ng−ời ta mới đó cộng lại ta có: xác định ra đ−ợc ϕk nằm ở góc phần t− nμo 2 2 nhờ đó xác định đ−ợc nó lμ góc nhọn hay góc lj = lk - 2Bjk lk cosϕk - 2Cjk lk sinϕ k 2 2 tù. + Bjk + Cjk (7) Trong thực tế, hai giá trị căn thức của Để rút gọn biểu thức ta đặt: ph−ơng trình bậc hai phù hợp với hai 2B jk lk ph−ơng án về vị trí có thể của nhóm khâu. ajk = ; 2 2 2 2 Nếu biểu thức trong căn của ph−ơng trình B jk + C jk + lk − l j (8) bậc hai bằng không, có nghĩa lμ xuất hiện vị 2C jk lk trí thẳng hμng. Nếu biểu thức trong căn bjk = 2 2 2 2 thức âm, có nghĩa lμ khoảng cách của hai B jk + C jk + lk − l j khớp (i, j) vμ khớp (k, l) lớn hơn giá trị của l (8) j + l vμ do đó không thể tạo thμnh cơ cấu từ Ph−ơng trình để tính góc k nh− sau: k nhóm đã cho. ajk cosϕk = 1 - bjk sinϕ k (9) Từ ph−ơng trình (4), (5) ta tính đ−ợc giá Bình ph−ơng hai vế ta có: trị của sin vμ cos của góc j. a 2(1 - sin2ϕ ) = 1 - 2b sinϕ akj + bkj wkj −1 jk k jk k (sinϕ ) = + b 2 sin2ϕ (10) j 1 jk k wkj Sắp xếp các số hạng theo số mũ của sinϕk ta nhận đ−ợc ph−ơng trình bậc hai: akj − bkj wkj −1 2 (sinϕj)2 = 2 b jk (1− a jk ) w sin ϕk - 2 sinϕk + = 0 (11) kj w jk w jk bkj + akj wkj −1 Trong đó: (cosϕj)1 = w w = ajk2 + bjk2 (12) kj Ph−ơng trình bậc hai trên có hai nghiệm: bkj − akj wkj −1 (cosϕ ) = a + b w −1 j 2 jk jk jk wkj (sinϕ k)1 = w jk - Giá trị của akj, bkj, wkj đ−ợc tính toán nhờ công thức (8), (12) bằng cách thay đổi chỉ a jk − b jk w jk −1 số cho nhau. (sinϕk)2 = w jk - Việc phân tích động học của một cơ cấu đ−ợc tạo thμnh từ các nhóm Diat đ−ợc tiến Từ nghiệm trên, ta tính đ−ợc: hμnh từng b−ớc. Từ giá trị đã biết về chiều b jk + a jk w jk −1 dμi ( lj, lk) vμ các hμm vị trí của các khớp chờ (cosϕ ) = k 1 w (i, j) vμ (k, l) tính toán hμm vị trí các điểm jk cần tìm. Tiếp đến điểm nμy lại lμ điểm xuất phát để tính các Diat tiếp theo hoặc đ−ợc b jk − a jk w jk −1 (cosϕk)2 = xem lμ điểm trọng tâm, các chỉ số i, j, k, l w jk đ−ợc thay thế bằng các chỉ số mới của khâu - Có thể thấy hai nghiệm của ph−ơng đ−ợc khảo sát. trình phù hợp với hai ph−ơng án vị trí của Cơ cấu vơ - nén đ−ợc tách ra thμnh các nhóm. Giá trị của hai góc ϕk1, ϕk2 xác định nhóm Diat. Sử dụng ngôn ngữ Scilab để giải khi cả giá trị của sin lẫn cos của nó đ−ợc bμi toán động học cơ cấu nμy (Hình 6). 143
5. Nguyễn Xuõn Thiết, Lờ Minh Lư, Lương Văn Vượt Begin Nhập dữ liệu l2, l3, φ = 0 : 2π Toạ độ điểm A Giải nhúm Diat ACO1 Giải nhúm Diat CDO2 Giải nhúm Diat DEB Toạ độ điểm C Toạ độ điểm F END Hình 6. Sơ đồ thuật giải Hình 7. Quĩ đạo chuyển động của các điểm A, C, D, E, F 144
6. Một số kết quả nghiờn cứu về bài toỏn tỡm quĩ đạo đầu mỳt tay trong cơ cấu vơ - nộn Các thông số ban đầu lμ toạ độ 3 điểm cố 3. KếT QUả Vμ THảO LUậN định O, O , O ; chiều dμi các thanh vμ góc 1 2 Trên các hình 8 đến hình 10 giới thiệu quay của khâu dẫn ϕ. Thông số đầu ra lμ tìm một số kết quả điển hình về quĩ đạo chuyển ra quỹ đạo của điểm F vμ điểm C. động của các điểm A, C, D, E, F khi tiến Hình 7 giới thiệu một ví dụ về quĩ đạo hμnh điều chỉnh kích th−ớc các khâu CD, chuyển động của các điểm A, C, D, E, F. Quỹ CG, GF, FB. Khi kích th−ớc các khâu trong đạo chuyển động điểm C lμ hμnh trình của cơ cấu thay đổi, quỹ đạo của đầu mút thay piston nén, đó lμ một cung tròn bán kính đổi: trên hình 8 ứng với việc thay đổi kích LO1C có tâm O1. Quỹ đạo chuyển động của th−ớc của khâu AC; trên hình 9 ứng với việc điểm F lμ hμnh trình của đầu mút tay vơ. thay đổi kích th−ớc của khâu DE vμ hình 10 Với các kích th−ớc khác nhau của các khâu ứng với việc thay đổi kích th−ớc khâu BE. trong cơ cấu, sẽ cho các hình dạng quỹ đạo Kết quả tính toán cho thấy, với quỹ đạo chuyển động của mút tay vơ khác nhau. chuyển động của đầu mút tay vơ ở hình 10, Theo yêu cầu chế tạo, tọa độ các điểm O, hμnh trình vơ lμ một đ−ờng cong lồi, hμnh O1, O2 đ−ợc lựa chọn tr−ớc; kích th−ớc các trình trả về gần nh− lμ một đ−ờng thẳng cho khâu OA, O1C, O2G sơ bộ chọn tr−ớc. Bμi khả năng vơ của tay vơ tốt hơn cả. Vì vậy các toán đ−ợc giải theo cách tối −u lần l−ợt kích thông số hình học của cơ cấu vơ - nén đ−ợc lựa th−ớc các khâu CD, CG, GF, FB. chọn dựa trên kết quả thu đ−ợc trên hình 10. a) b) c) d) Hình 8. Quĩ đạo chuyển động của các điểm A, C, D, E, F khi thay đổi L2 a) L2 = 450 mm; b) L2 = 500 mm; c) L2 = 550 mm; d) L2 = 650 mm 145
7. Nguyễn Xuõn Thiết, Lờ Minh Lư, Lương Văn Vượt a) c) b) d) Hình 9. Quĩ đạo chuyển động của các điểm A, C, D, E, F khi thay đổi L5 a) L5 = 150mm; b) L5 = 300mm; c) L5 = 350mm; d) L5 = 400mm 146
8. Một số kết quả nghiờn cứu về bài toỏn tỡm quĩ đạo đầu mỳt tay trong cơ cấu vơ - nộn a) b) c) e) f) g) Hình 10. Quĩ đạo chuyển động của các điểm A, C, D, E, F khi thay đổi L6 a) L6 = 400 mm; b) L6 = 450 mm; c) L6 = 500 mm; d) L6 = 550 mm; e) L6 = 600 mm; f) L6 = 650 mm 147
9. Nguyễn Xuõn Thiết, Lờ Minh Lư, Lương Văn Vượt 4. KếT LUậN TμI LIệU THAM KHảO Máy nén rơm tĩnh tại phục vụ cho việc Vũ Liêm Chính (bản dịch, 2001). Giáo trình nén bó rơm, cỏ khô với ý nghĩa trực tiếp lμ Động lực học máy. Nhμ xuất bản khoa học phục vụ cho ngμnh chăn nuôi gia súc, nuôi vμ kỹ thuật, tr. 98 -101. trồng nấm vμ ý nghĩa gián tiếp bảo vệ môi Quang Mẫn (2007). Máy ép rơm. Niên giám tr−ờng lμ một nhu cầu thực tế đang đặt ra Nông nghiệp - thực phẩm cho ngμnh nông nghiệp Việt Nam. Việc bố trí piston nén vμ cơ cấu vơ trên ?self=article&id=2783, Niên giám Nông cùng một cơ cấu sẽ giúp cho quá trình vơ vμ nghiệp - thực phẩm, máy ép rơm. Cập nén của máy đ−ợc thực hiện một cách nhịp nhμng, liên tục, do đó năng suất máy tăng nhật ngμy 25/6/2008. cao. Bμi toán động học cơ cấu lμ cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế cơ cấu nén bó nói /2004/03/3B9D102E/, VN express, Sáng riêng vμ thiết kế máy nói chung. chế máy ép rơm đầu tiên ở Việt Nam. Cập Từ kết quả tính toán, kích th−ớc các khâu nhật ngμy 26/3/2004. trong cơ cấu vơ - nén đ−ợc lựa chọn cho thiết kế: L = 250 mm, L1 = 500 mm; L2 = 600 mm; .php?newsid=50610086190, Máy cuộn ép L3 = 650 mm; L4 = 300 mm; L5 = 200 mm; L6 = rơm lúa CER5070, Khoa học kỹ thuật 550 mm; L21 = 400 mm; LGF = 400 mm. nông nghiệp. Cập nhật ngμy 7/9/2009. 148