NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG một số THÔNG số đến THỜI GIAN hút hạt cải ở máy GIEO hạt tự ĐỘNG TRONG KHAY

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN THỜI GIAN HÚT
HẠT CẢI Ở MÁY GIEO HẠT TỰ ĐỘNG TRONG KHAY
A STUDY ON THE INFLUENCE OF THE SIGNIFICANT FACTORS
RELATE TO THE CABBAGE SEED’S SUCTION TIME OF THE AUTOMATIC TRAY
SEEDER MACHINE
Nguyễn Văn Phố1a, Cao Trần Ngọc Tuấn2b, Đặng Văn Nghìn2c
1
PTN Trọng điểm quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống
2
Viện cơ học và tin học ứng dụng
a
b
, ,
TÓM TẮT
Nhu cầu về máy gieo hạt tự động trong khay với năng suất cao đang tăng nhanh ở nhiều
khu vực trồng rau hoa trong cả nước và thế giới. Trên thực tế các máy gieo hạt tự động trong
khay có năng suất gieo vào khoảng 350 khay/giờ tương đương với vài lao động thủ công làm
việc cần mẫn trong nhiều giờ. Nghiên cứu nâng cao năng suất máy gieo hạt tự động trong
khay có tính cấp thiết và thời sự hiện nay. Một trong những thông số ảnh hưởng quan trọng
đến năng suất máy gieo hạt tự động trong khay là thời gian hút hạt. Bài báo trình bày kết quả
xây dựng mô hình toán học biểu diễn sự phụ thuộc của thời gian hút hạt vào áp suất hút và giữ
hạt, số vòng quay của động cơ lắc máng đựng hạt gieo và khoảng cách giữa máng đựng hạt
đến miệng kim hút bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Các thông số tối ưu của mô
hình được xác định từ điều kiện giới hạn vùng thí nghiệm và thời gian hút hạt nhỏ nhất. Kết
quả nghiên cứu có thể mở rộng để áp dụng nghiên cứu cho nhiều loại hạt khác trong tương lai.
Từ khóa: hạt giống, máy gieo hạt tự động trong khay, thời gian hút hạt khi gieo
ABSTRACT
The requirement of owning automatic tray seeder machines with high productivity is
increasing more and more in a lot of areas that plan vegetables, flower in the our country and

another. In fact, those could sow seed with the productivity 350 trays per hour. This is same as
several diligent employees who work hard in long time. Therefore, study on increasing the
productivity of those machines is very necessary for the agriculture in the current. According to
the automatic tray seeder machines, which use needle – vibrating trough, the suction time really
affect to increase productivity. Hence, this paper demonstrates the result of the setting up the
mathematical model that described the relation of parameters of the seed’s suction and keeping
vacuum, vibration trough and the distance of vibration trough to the hole of needle and the
vibration motor’s speed of the cabbage seed’s suction period which is solved by using Design
and Experiment method. All of optimum parameters of this model are defined by the
experiment’s boundary condition and the shortest time of cabbage seed’s suction. Furthermore,
the paper’s result can be useful for applying to many other seed types in the future.
Keywords: seeds, automated tray seeder machines, the seed’s suction time
1. GIỚI THIỆU
Trong ngành trồng trọt, khâu gieo hạt là một trong những khâu có vai trò quyết định đến
sự phát triển của cây do đó đòi hỏi nhân công cần có tính tỉ mĩ cẩn thận khi làm việc này. Mọi
thứ sẽ khó khăn rất nhiều khi gieo những hạt giống có kích thước nhỏ nhân công sẽ gieo chậm
hơn để tránh thừa cây hao giống gây lãng phí. Máy gieo hạt tự động ra đời giúp người nông
dân tiết kiệm được chi phí gieo trồng, nâng cao năng suất gieo hạt đảm bảo mùa vụ và mật độ
164


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
cây trồng. Với những lợi ích thiết thực trên, nhiều nhà nghiên cứu sáng chế đã tạo nên những
sản phẩm máy gieo hạt tự động có nguyên lý hoạt động rất đa dạng. Cụ thể, trên thế giới các
nhà sáng chế người Mỹ Douglas O. Keller [1] đã ứng dụng robot vào công nghệ gieo hạt tự
động theo nguyên lý gắp hạt, Kirk Alan Lang, FL (Hoa kỳ) [2] có ý tưởng máy gieo hạt dạng
thùng quay, nhà sáng chế Athony Visser năm 1977 [3] đã được công nhận bằng sáng chế số
4004713 tại Mỹ về máy gieo hạt tự động dùng ống kim hút nhả.
Nhìn chung các máy gieo hạt tự động trên thế giới có kích thước lớn, giá thành cao
không phù hợp so với nhu cầu người dân nước ta, ngược lại các sản phẩm trong nước có giá

thành phù hợp, kết cấu máy tương đối gọn nhẹ nhưng năng suất, khả năng đảm bảo mật độ
cây đồng đều chưa cao, đặc biệt chưa có nhiều nghiên cứu về quá trình hút các loại hạt đây là
giai đoạn ảnh hưởng lớn đến năng suất của máy và mật độ của hạt được gieo, điều đó sẽ gây
khó khăn khi cạnh tranh xuất khẩu ra nước ngoài. Do đó nghiên cứu tìm ra thông số tối ưu
cho quá trình hút hạt có ý nghĩa quan trọng trong việc cải tiến máy gieo hạt tự động hiện nay.
2. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
2.1 Mô hình tính toán
Mỗi hạt khi bị hút sẽ là một trong các trạng thái như hình 1, trạng thái b dễ dàng hút
nhất vì hạt nằm đúng tâm kim hút và đang nẩy lên, ngược lại trạng thái d tốn thời gian nhất.

Hình 1. 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
Phương trình động lực học của hạt:

ρ m(g +

2H
∂p
dv
)= +ρ z
2
t
∂z
dt

(1)

Trong đó: ρ, p, v lần lượt là khối lượng riêng ( kg / m3 ) áp suất (Pa), và vận tốc (m/s)
của dòng khí, m là khối lượng của hạt (kg), H là độ cao của hạt (m), t là thời gian hút hạt (s).
2.2. Mô hình thực nghiệm và phân tích kết quả

• Vật liệu thí nghiệm
Tiến hành thực nghiệm quá trình hút hạt trên máy thực tế để quan sát sự ảnh hưởng của
các thông số: áp suất hút, tốc độ quay của động cơ và khoảng cách từ máng đến đầu kim hút
để xác định thời gian tối thiểu mà 12 kim đều hút được hạt. Mô hình thực nghiệm gồm có:
máy ASM03; đối tượng gieo: hạt cải (thông số cơ lý của hạt cải là dạng hình cầu, khối lượng
bình quân là 5,3 mg, đường kính bình quân mỗi hạt là: 1,5 mm); động cơ rung 24V – DC và
khay gieo hạt 8x12 lỗ (xem hình 2).
165


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2. Mô hình máy ASM03, hạt cải và khay gieo hạt
• Phương án thực nghiệm
Chọn phương án thực nghiệm của Box – Behnken loại 3 mức thí nghiệm đối xứng. Thiết
kế thí nghiệm tiến hành bằng phần mềm Statgraphics Centurion XV.I có bố trí thí nghiệm theo
thứ tự ngẫu nhiên và số thí nghiệm ở tâm chọn n 0 = 6, cho tổng số thí nghiệm N = 18.
• Miền thực nghiệm
Miền thực nghiệm được xác định bằng các thực nghiệm thăm dò đơn yếu tố. Kết quả
xác định và lựa chọn miền thực nghiệm trình bày như bảng 1.
Bảng 1. Miền thực nghiệm
Thông số [đơn vị đo], ký hiệu mô hình

Mức cao

Mức cơ sở

Mức thấp

–0,03

–0,04

–0,05

Tốc độ quay của động cơ rung [vòng/phút], x 2

800

550

300

Khoảng cách từ miệng kim hút đến máng đựng hạt
[mm], x 3

10

7

4

Áp suất hút hạt [atm], x 1

• Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm trình bày như bảng 2.
STT

Bảng 2. Kết quả thực nghiệm toàn phần
x 1 (atm)

x 2 (vòng/phút) x 3 (mm)

y(s)

1

-0,05

800

7

0,30

2

-0,04

800

10

0,35

3

-0,04

550

7

0,21

4

-0,05

550

10

0,19

5

-0,04

550

7

0,20

6

-0,04

550

7

0,17

7

-0,03

550

4

0,29

8

-0,03

800

7

0,41

9

-0,04

300

10

0,38

10

-0,04

550

7

0,13

166


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
11

-0,04

800

4

0,34

12

-0,03

550

10

0,52

13

-0,04

550

7

0,10

14

-0,05

300

7

0,10

15

-0,03

300

7

0,43

16

-0,04

300

4

0,11

17

-0,04

550

7

0,15

18

-0,05

550

4

0,16

• Kết quả xác định mô hình
Xử lý kết quả thực nghiệm bằng phần mềm bằng phần mềm Statgraphics Centurion
XV.I, xác định được mô hình toán của mô hình thực nghiệm là:
y = 2,3465 + 81,35.x 1 –1,4473.10–3.x 2 –0,0193.x 3 –0,0220.x 1 .x 2 –8,6667.10–5.x 2 .x 3
+725.x 1 2 + 1,24. 10–3.x 2 2 +6,3889.10–3. x32
(3)
Các bề mặt đáp ứng trình bày trên các hình 3, 4, 5, 6, 7, 8.

Hình 3. Thời gian hút hạt khi thay đổi áp suất ứng với các mức của khoảng cách giữa
máng đựng hạt đến đầu kim hút

167


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 4. Thời gian hút hạt khi thay đổi tốc độ quay động cơ rung ứng với các mức của
khoảng cách giữa máng đựng hạt đến đầu kim hút

Hình 5. Thời gian hút hạt khi thay đổi áp suất hút hạt ứng với các mức của tốc độ quay
của động cơ rung
168

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 6. Ảnh hưởng khoảng cách giữa máng đựng hạt đến đầu kim hút và áp suất hút
hút được hạt

Hình 7. Ảnh hưởng tốc độ quay động cơ rung và áp suất hút hạt đến thời gian hút được
hạt

169


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 8. Ảnh hưởng tốc độ quay động cơ rung và khoảng cách giữa máng đựng hạt đến
đầu kim hút đối với thời gian hút được hạt
Bằng cách đưa các bề mặt đáp ứng về dạng chính tắc để nhận dạng đồ thị. Kết quả cho
thấy các bề mặt đáp ứng của mô hình toán xây dựng đều có dạng parboloid eliptic.
• Kết quả tính toán tối ưu hóa
Bài toán tối ưu hóa được xây dựng với hàm mục tiêu là hàm (3), hàm điều kiện là giới
hạn miền thực nghiệm tiến hành.
Kết quả tính toán tối ưu hóa bằng phần mểm Statgraphics Centurion XV.I cho thời gian
hút hạt nhỏ nhất ymin = 0,02 (s) khi máy làm việc với các thông số vào tương ứng với mức
thấp của miền thực nghiệm. Hay các thông số tối ưu của mô hình là áp suất hút tối ưu P tư = –
0,05 Pa, tốc độ quay động cơ rung tối ưu n tư = 300 (vòng/phút), khoảng cách giữa máng và
đầu kim hút tối ưu d tư = 4 (mm) thì thời gian hút hạt là ngắn nhất ymin = 0,02 (s).
KẾT LUẬN
Mô hình toán biểu diễn sự phụ thuộc của thời gian hút hạt vào tốc độ quay động cơ
rung, áp suất hút hạt và khoảng cách kim hút đến máng chứa hạt có dạng đa thức bậc II. Từ

mô hình toán xây dựng, bằng phương pháp tối ưu đã xác định được một số thông số công
nghệ và kết cấu tối ưu cho máy gieo hạt tự động trong khay khi gieo hạt cải theo thời gian hút
nhỏ nhất. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho các nghiên cứu hoàn thiện máy gieo hạt tự động
trong khay và cho nhiều đối tượng gieo khác để phục vụ sản xuất.
LỜI CẢM ƠN
Chúng tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Đặng Văn Nghìn – Viện Cơ
học và Tin học ứng dụng miền Nam, chú Lê Thanh Trị – Giám đốc Công ty Cơ khí nông
nghiệp Thanh Trị cùng quý thầy cô bộ môn Chế tạo máy, khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa đã
nhiệt tình giúp đỡ góp ý để bài báo trở nên hoàn thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Douglas O. Keller, Lake Oswego, Troy M. Swartwood, Jelì'rey D. Donaldson, Robotic
seed-planting apparatus and methods, US patent 6,688,037 B2, 2004.
170


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[2] Kirk Alan Lang, Rotary drum seeder, Trinity, US patent 6,520,111 B2, 2003.
[3] Anthony Visser, Method and aparathus for dosing seed, US Patent 4004713, 1977.
[4] Leissa, Vibration of plate, Ohio State University, Washington. DC, 1993.
[5] Benard Massey, Mechanic of fluid, Reader Emeritus in Mechanical Engineering
University College, London, 2006.
[6] Nguyễn Hữu Lộc, Quy hoạch và phân tích thực nghiệm, NXB Đại học Quốc gia TP
HCM, 2011.
[7] Lê Song Giang, Nguyễn Thị Bảy, Giáo trình cơ lưu chất, Đại học Bách Khoa TP HCM,
2004.
[8] Văn Đức Ái, Trần Hoàng Nguyên, Thiết kế máy gieo hạt rau tự động, luận văn đại học,
Đại học Kỹ thuật – Công nghệ TP HCM, 2008.
THÔNG TIN LIÊN LẠC

Nguyễn Văn Phố
Địa chỉ liện lạc: PTN Trọng điểm quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật hệ thống, 268 Lý
Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, TP Hồ Chí Minh.
Email:
Số điện thoại liên lạc: (+84) 979 891 056 – (+84) 906 641 871

171