THIẾT kế, CHẾ tạo máy PHUN THUỐC CHO RUỘNG lúa được điều KHIỂN từ XA

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

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY PHUN THUỐC CHO RUỘNG LÚA ĐƯỢC
ĐIỀU KHIỂN TỪ XA
DESIGNING AND TESTING A REMOTE-CONTROL PESTICIDE MACHINE
Dương Hữu Anh1a, Lê Thanh Phúc2b
1
Trường Cao đẳng nghề Bạc Liêu
2
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
a
;
TÓM TẮT
Ngành nông nghiệp trồng lúa tại các vùng trên Đồng bằng sông Cửu Long ngày càng
phát triển. Trong đó, khoa học kỹ thuật cũng góp phần rất lớn đến thành công của người nông
dân. Nhiều máy móc, công cụ hiện đại đã thay thế cho sức lao động, nâng cao năng suất mùa
vụ. Ngoài ra, việc bảo vệ sức khỏe cho người lao động trong lĩnh vực nông nghiệp ngày càng
được chú trọng hơn. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu và chế tạo máy phun thuốc cho
ruộng lúa được điều khiển từ xa. Đề tài đã khảo sát đặc điểm phun thuốc trên ruộng lúa của
người nông dân, nghiên cứu lý thuyết ô tô, cơ sở thiết kế chi tiết máy, thi công chế tạo thử
nghiệm và điều chỉnh mô hình. Kết quả đề tài đã chế tạo thành công máy phun xịt thuốc
ruộng lúa được điều khiển từ xa và đã thử nghiệm chạy trên cánh đồng ruộng lúa tại tỉnh Bạc
Liêu. Đây cũng là cơ sở để có thể nghiên cứu, cải tiến máy móc thiết bị nhằm đem lại hiệu
suất lao động và bảo vệ sức khỏe cho người nông dân.
Từ khóa: máy phun thuốc, điều khiển từ xa, ruộng lúa.
ABSTRACT
This paper presents the results of a research on designing a remote-control pesticide
machine that helps farmers to protect their rice fields. Using the machine may reduces the bad
effect of the pesticide on their health. The research investigates the routine of the farmers,
vehicle dynamics and then the machine was designed and tested in the field of Bac Lieu
province. The results show that the machine works well with the diffent conditions of the field

such as the height of the rice tree, the deformation of the ground and the speed of the
machine. The research aims at improving the working environment for farmers who usually
expose to the poisonous substances.
Keywords: pesticide machine, remote control, rice field.
1. GIỚI THIỆU
Ngành nông nghiệp trồng lúa là một thế mạnh kinh tế Việt Nam, đặc biệt khu vực Đồng
bằng sông Cửu Long, chiếm tỉ lệ lớn diện tích sản xuất lúa gạo. Tuy nhiên, do thời tiết ngày
càng khắc nghiệt, tình hình dịch hại càng nhiều như rầy nâu, nhiều loại sâu phá hoại, bệnh
đốm vằn, đạo ôn,… nên người nông dân phải phun thuốc để tiêu diệt hoặc phòng ngừa các
loại dịch hại phá hoại cây lúa. Thêm vào đó, khi cây lúa trổ bông, việc phun thuốc dưỡng hạt
là hết sức quan trọng. Những vấn đề trên ảnh hưởng rất lớn đến năng suất mùa vụ. Thống kê
cho thấy, người nông dân cần phải phun thuốc nhiều lần trong một mùa vụ từ khi gieo hạt đến
thu hoạch gồm phun thuốc cỏ, phun thuốc trừ sâu, phun thuốc phòng và trị bệnh, phun thuốc
dưỡng hạt. Như vậy trung bình ít nhất người nông dân phải phun thuốc 6 lần/mùa vụ. Mặt
khác, để tăng sản lượng lúa đặc biệt là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long, người nông dân
thường xuyên thâm canh tăng vụ, thông thường là 3 mùa vụ /năm.

693


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Do nền nông nghiệp nước ta còn khá thô sơ, con người phải trực tiếp lao động kể cả
việc phun thuốc. Một người nông dân có thể phun thuốc khoảng 2 ha/ngày tương đương với
khoảng từ 30-40 bình thuốc loại 25 lít. Đặc biệt người phun thuốc , ít quan tâm đến vấn đề
bảo hộ lao động nên sức khỏe của họ bị ảnh hưởng rất nhiều từ các loại chất hóa học độc hại.
Nếu như thay thế sức người bằng một loại máy có thể phun thuốc với 4 ha/ngày thì có thể
giúp cho người nông dân giảm được thời gian phun thuốc, nhất là một vụ đến 6 lần. Chi phí
thuê mướn nhân công cũng giảm đi. Từ đó giảm được chi phí sản xuấ,t tăng lợi nhuận cho
người trồng lúa.
Từ tình hình thực tế trên, mục đích của đề tài nghiên cứu là thiết kế - chế tạo máy phun

xịt thuốc được điều khiển từ xa để hạn chế tối đa việc người nông dân phải tiếp xúc trực tiếp
với các chất khí độc hại .Do việc phun xịt thuốc diễn ra ở nhiều giai đoạn, nên máy được thiết
kế hệ thống phun có thể điều chỉnh được chiều cao phù hợp với từng giai đoạn phát triển của
lúa. Đối với mỗi thửa ruộng, mật độ cây lúa khác nhau nên lưu lượng thuốc phun cho mỗi
thửa là khác nhau. Vì vậy máy cũng phải thiết kế sao cho có thể thay đổi được tốc độ phun và
có tốc độ di chuyển phù hợp. Do đặc điểm ruộng lúa rất phức tạp, nên việc thiết kế chế tạo sẽ
phải thử nghiệm trên nhiều cánh đồng ruộng lúa nhằm so sánh tính ổn định, khả năng thích
ứng với mọi vùng đất của các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, đồng thời kiểm tra tính kinh tế
của máy.
2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY PHUN XỊT THUỐC
Để làm cơ sở cho tính toán và thiết kế máy phun xịt thuốc, nhóm nghiên cứu đã khảo sát
hoạt động phun xịt thuốc. Các yêu cầu khi phun xịt thuốc được liệt kê như chiều cao cây lúa
từ lúc gieo hạt đến lúc thu hoạch từ 0 – 700 mm. Độ lún của một người có trọng lượng 50 kg
khi đi xuống đất ruộng khoảng từ 15 – 40 mm. Tùy theo hình dáng của thửa ruộng, người
nông dân chia thửa ruộng ra nhiều phần. Thông thường, họ chia chiều ngang ra mỗi phần là 5
mét. Trung bình với diện tích 1000 m2 lưu lượng cần phun là 80 lít dung dịch thuốc. Theo
khảo sát với trung bình chiều dài 50 mét người nông dân mất khoảng 3 phút để hoàn thành
một đường phun, lưu lượng phun là 10 lít dung dịch thuốc. Chiều cao cần phun cao hơn chiều
cao cây lúa từ 15 – 20 mm.
Khi tính toán thiết kế máy phun xịt thuốc, chúng ta cũng cần phải lưu ý do xe di chuyển
trên nền đất mềm, trơn nên dễ xảy ra hiện tượng trượt quay. Nền đất ruộng có đặc điểm là
không bằng phẳng, chỗ mềm chỗ cứng nên rất khó trong việc cân bằng cho máy phun thuốc.
Lúa là cây loại mềm dễ ngã và mọc ngẫu nhiên, không theo hàng, nên việc tránh cán trên lúa
là hết sức khó khăn. Tuy nhiên, lúa bị ngã không chết và có khả năng hồi phục sau vài ngày.
Để máy phun thuốc di chuyển trên đất mềm, tránh hiện tượng trượt quay thì bánh xe là dạng
tuyệt đối cứng và có nhiều gai để tăng độ bám. Bánh xe có đường kính lớn nhằm mục đích
tăng moment quay, giúp cho máy có khả năng vượt sình lầy tốt. Bề rộng bánh xe được thiết
kế nhỏ để hạn chế cán lên lúa.
Từ phân tích trên, nhóm nghiên cứu đã chọn phương án thiết kế máy phun xịt thuốc có
3 bánh, 1 bánh trước và 2 bánh sau. Bánh lái và bánh dẫn động là bánh trước. Do đặc điểm di

chuyển trên ruộng lún nên nếu chọn bánh sau làm bánh dẫn động sẽ dẫn đến tình trạng xe bị
lật nếu bánh trước bị kẹt lún. Các bánh xe được làm bằng thép ống tròn rỗng. Trên bánh dẫn
động phía trước, các gai thép được hàn vào để tăng độ bám và lực kéo.
Lực tác động vào bánh dẫn động trước được mô tả như Hình 1 [1, 2]. Trong đó, W là
trọng lượng xe phân bố trên bánh trước. F là lực kéo tác động từ bề mặt ruộng và S là bề mặt
tiếp xúc giữa bánh xe và mặt ruộng.

694


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

Hình 1. Lực tác động lên bánh xe dẫn động
Công suất cần thiết để kéo máy xịt thuốc là:
𝑃𝑃𝑤𝑤 = 𝐹𝐹𝐹𝐹𝜔𝜔𝑤𝑤

Trong đó, R là bán kính bánh xe, ω w là vận tốc góc của bánh xe.
Hệ thống truyền động của máy phun thuốc sử dụng động cơ đốt trong là nguồn động lực
chủ yếu. Hệ thống truyền lực được chia làm 2 nhánh chính như Hình 2. Nhánh đi từ động cơ
đốt trong truyền đến hộp phân phối có tỉ số truyền i = 10 bằng dây đai nhờ pulley 1- 2, từ hộp
phân phối truyền đến bộ bánh răng số 3-4 nhằm thay đổi hướng truyền động đồng thời tăng
moment xoắn nhờ vào trục dẫn động. Tiếp tục từ bánh răng số 5 truyền đến bánh răng số 6
nhờ xích dẫn động có tác dụng tăng moment. Nhánh 2 đi từ động cơ đốt trong dẫn động

máy bơm bằng dây đai qua bộ pulley 1-7.

Hình 2. Sơ đồ hệ thống truyền động
Như vậy, công suất tổng cộng cần thiết để kéo cả hệ thống gồm xe phun xịt thuốc và
máy bơm là:
𝑃𝑃𝑡𝑡 = 𝑃𝑃𝑤𝑤 + 𝑃𝑃𝑝𝑝

Trong đó, P p là công suất của máy bơm.

695


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Chọn động cơ có đặc tính phù hợp với tốc độ và moment và phải có trọng lượng phù
hợp. Hệ thống dẫn động yêu cầu đơn giản, dễ lắp ráp. Hệ thống dẫn động máy bơm phù hợp
với lưu lượng phun và tốc độ di chuyển. Chọn động cơ dùng trên xe Attila có hộp số vô cấp
nên dễ đáp ứng được tốc độ và tỉ số truyền cho việc thiết kế dẫn động.
Khung sườn là bộ phận liên kết các chi tiết chuyển động với nhau nên đòi hỏi phải đảm
bảo tính bền vững, chịu được lực kéo, lực nén và moment xoắn. Do đặc điểm máy phun thuốc
phải được tháo lắp dễ dàng, nên khung sườn phải được thiết kế sao cho tháo lắp các chi tiết
nhanh chóng dễ dàng. Khung sườn phải được thiết kế nhẹ để tạo thuận lợi trong việc lắp ráp.
Trong nghiên cứu này khung sườn được thiết kế bằng sắt hộp nên có độ cứng vững cao, chịu
nén, kéo tốt có trọng lượng nhẹ, di chuyển dễ dàng.
Hệ thống phải thay đổi được chiều cao cần phun cho phù hợp với chiều cao cây lúa.
Chùm tia phun phải đồng đều. Lưu lượng phun phù hợp với tốc độ di chuyển của máy. Dùng
máy bơm nước được sản xuất có trên thị trường. Thiết kế cần phun có nhiều bậc để thay đổi
chiều cao của ống phun phù hợp với chiều cao cây lúa. Lựa chọn pulley dẫn động phù hợp với
tốc độ của máy.
Các tham số của xe phun xịt thuốc và các giá trị tính toán được cho trong Bảng 1.
Bảng 1. Các tham số và giá trị tính toán
THÔNG SỐ

GIÁ TRỊ

Bán kính bánh xe, R
Tỉ số truyền cuối của động cơ i c

8,0

Tỉ số truyền bộ vành chậu i vc

4,0

Tỉ số truyền hộp giảm tốc i gt

10,0

Tỉ số truyền i 12
PHẦN TRUYỀN
ĐỘNG

PHẦN DẪN ĐỘNG
MÁY BƠM

0,8 m

0,2 – 0,4

Vận tốc xe

25 – 50 (m/ph)

Số vòng quay pulley 1, n 1

375 – 625 v/ph

Số vòng quay pulley 2,n 2

1480 – 3280 v/ph

Số vòng quay pulley 3,n 3

148 – 328 v/ph

Số vòng quay pulley 4,n 4

49,2 – 82,0 v/ph

Số vòng quay pulley 6,n 6

13,3 – 22,2 v/ph

Chọn đường kính pulley 1

320 mm

Đường kính pulley 2

64 mm

Tốc độ làm việc máy bơm

800 -1000 v/ph

Lưu lượng bơm

14 – 22 lít/phút

Áp suất phun

15 – 35 Kgf/cm2

Tỉ số truyền i 17
Đường kính pulley 7

0,5
150 mm

Bộ điều khiển từ xa sử dụng cho máy phun xịt thuốc được tùy chỉnh từ bộ điều khiển có
sẵn trên thị trường [3]. Bộ điều khiển từ xa có 2 thành phần: phần phát sóng RF và phần thu.
Đầu ra của phần thu dùng để điều khiển rẽ trái, rẽ phải, chạy và dừng.
696


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

Hình 3. Bộ phát sóng RF điều khiển từ xa máy phun xịt thuốc
3. LẮP ĐẶTVÀ THỬ NGHIỆM MÁY PHUN XỊT THUỐC
Kết cấu khung xe, hệ thống truyền lực và bố trí các thiết bị được biểu diễn trong Hình 4.
Trong hình phối 3D này, hệ thống phun chưa được lắp vào. Bình chứa thuốc và bơm sẽ được
gắn vào giữa xe, nằm thấp xuống nhằm giảm trọng tâm. Cần phun được gắn vào 2 càng phía
sau xe.

Hình 4. Máy phun thuốc được thiết kế bằng phần mềm CATIA [4]
Máy phun sau khi lắp đặt hoàn chỉnh có các bộ phận như Hình 5.

Hình 5. Máy phun thuốc được lắp đặt hoàn chỉnh
Trong quá trình thiết kế chế tạo máy phun thuốc ruộng lúa được điều khiển từ xa phải
tiến hành thực nghiệm để xác định các thông số như: tốc độ xe, lưu lượng phun, tính cân bằng
và ổn định, tính linh hoạt. Thực nghiệm được thực hiện trên mảnh ruộng lúa đã thu hoạch.
697


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Do đặc điểm nền đất ruộng lúa rất phức tạp, nên việc máy phun xịt thuốc di chuyển
được cân bằng, không bị lật đổ, không bị lún lầy là yêu cầu cần đạt được đầu tiên trong việc
thiết kế chế tạo. Hiện tại chưa có cơ sở lý thuyết để đưa ra một giải pháp cụ thể nên việc thực
nghiệm là điều rất cần thiết để điều chỉnh hoặc thay đổi các chi tiết cho phù hợp với địa hình
ruộng lúa. Tốc độ máy phun xịt thuốc có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng phun thuốc trên
cây lúa. Việc thực nghiệm giúp đo đạc chính xác tốc độ di chuyển của máy phun xịt thuốc. Và
từ đây có thể hiệu chỉnh lại các cơ cấu truyền động nhằm thay đổi phù hợp với tình hình thực
tế của người nông dân.

Hình 6. Máy phun thuốc đang chạy thử nghiệm trên nền đất ruộng lúa
Việc thử nghiệm được tiến hành trong thử nghiệm trên cánh đồng ruộng lúa tại tỉnh Bạc
Liêu. Kết quả thực nghiệm cho thấy xe có thể chạy với tốc độ cao nhất khoảng 5 km/h trên
đất ruộng đã thu hoạch xong. Với tốc độ khoảng 3 km/h thì lưu lượng bơm thuốc: 20
lít/100m.Sau khi chạy thử nghiệm, các bộ phận truyền động, dẫn hướng và bộ điều khiển hoạt
động tốt. Với tốc độ và lưu lượng bơm đo được trong quá trình thử nghiệm, công suất của
máy phun thuốc hoạt động liên tục khoảng 15.000 m2/ h tương đương với một người nông dân
phun thuốc trong 1 ngày. Mức tiêu hao nhiên liệu 90 ml với 100 mét (khoảng 2,7 lít/h).
4. KẾT LUẬN
Qua nhiều giai đoạn thực hiện máy phun thuốc cho ruộng lúa được điều khiển từ xa,
giai đoạn thi công chế tạo máy phun thuốc tốn khá nhiều thời gian do có rất nhiều chi tiết.
Tuy nhiên nhóm tác giả cũng đã đạt một số kết quả khả quan: Chế tạo thành công máy phun
thuốc có thể vận hành được trên nền đất ruộng lúa và được điều khiển từ xa trong phạm vi 30

mét. Máy vận hành ổn định với tốc độ tối đa là 5 km/h trên ruộng lúa. Máy đã được thử
nghiệm 3 lần tại 3 mảnh đất khác nhau trên cánh đồng ruộng lúa tại tỉnh Bạc Liêu.
Sản phẩm của nhóm tác giả có thể đưa vào sử dụng trên cánh đồng lúa tại tỉnh Bạc Liêu,
đồng thời có thể nghiên cứu thêm nhằm nâng cao tính hiệu quả và phổ biến cho các tỉnh thuộc
đồng bằng sông Cửu Long.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Wong J. Y., Terramechanics and Off-road Vehicle Engineering, Elsevier 2010.
[2] Crolla D. A., Off-road Vehicle Dynamics, Vehicle System Dynamics, Vol. 10 (1981), pp.
253-266.
[3] Silicon Labs, How to Simplify the Design of an RF Remote Control Using a HighlyIntegrated Transmitter SoC, Silicon Inc., 2015
[4] Dassault System, Getting Started with CATIA, 2001.

698