Phan tich dong luc hoc trong buong dap Ngo

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TRONG BUỒNG ĐẬP NGÔ
Hiện nay, cơ cấu buồng đập phân ly dọc trục khá phổ biến và rất đa dạng.
Buồng đập là một hệ thống phức tạp, trong đó các chỉ tiêu chất lượng đập của nó phụ
thuộc vào nhiều yếu tố. Để tạo ra những dạng cơ cấu đập phân ly dọc trục mới có chất
lượng cao không thể thiếu những cơ sở xác định các thông số có ảnh hưởng nhiều đến
chất lượng đập. Trên cơ sở nghiên cứu những tác động qua lại của các bộ phận làm
việc với vật liệu vào, có thể phân tích ảnh hưởng của các yếu tố ảnh hưởng đến quá
trình làm việc xảy ra trong buồng đập. Vì vậy cần phải nhiên cứu những tính chất cơ
lý của bắp và hạt ngô có ảnh hưởng nhiều đến quá trình tách hạt.
1. Nghiên cứu một số tính chất cơ lý của hạt ngô.
Tính chất cơ lý của ngô phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậy, đất đai
chủng loại giống…
1.1.

Kích thước trái và hạt ngô:

Các giống ngô khác nhau có kích thước trái và hạt khác nhau. Ngay cả đối với
cùng một loại ngô nhưng kích thước hạt cũng xê dịch trong từng khoảng lớn. Chiều
dài của ngô dao động trong khoảng từ 120 – 180 mm, đường kính của ngô giao động
trong khoảng từ 37 – 54 mm. Kích thước trung bình của hạt ngô: chiều dài 9,5 – 11,5
mm; chiều rộng 8,5 – 10,2 mm và bề dày hạt 4,0 – 5,3 mm. Do đó khi thiết kế buồng
đập cần chú ý đến bề rộng B của cửa cấp liệu và cửa ra lõi tối thiểu không làm gẫy lõi,
B ≥ 200 mm. Khe hở đập phải có khả năng điều chỉnh trong khoảng rộng δ = 35 – 40
mm, để thích nghi với đường kính của nhiều chủng loại giống ngô. Khe hở giữa các
thanh máng phải lớn hơn hoặc bằng kích thước trung bình chiều dài của hạt.
1.2.

Trọng lượng riêng:

Trọng lượng riêng của lớp ngô, hạt và lõi phụ thuộc vào giống độ ẩm của bắp
là 350 – 450 kg/m 3, của hạt ngô dao động từ 600 – 800 kg/m 3 và từ 200 – 250 kg/m 3

đối với lõi ngô. Tỉ lệ trọng lượng của lõi ngô đối với hạt ngô dao động từ 15 – 20 %,
còn tỉ lệ trọng lượng của bẹ đối với cả trái ngô là 7 – 10 % ở độ ẩm hạt khi thu hoạch
là Wn = 30 – 35 %. Khối lượng bẹ như vậy tương đối lớn, do đó khi thiết kế cần lưu ý

HVTH: NTMK

1


đến kết cấu của buồng đập (dạng răng, dạng máng…) sao cho tránh được hiện tượng
xoắn bẹ thành dây gây tắc bẹ trong buồng tẽ.
1.3.

Hệ số ma sát:

Trong quá trình tách hạt, một trong những tính chất quan trọng cần quan tâm
đó là hệ số ma sát. Thông thường hệ số ma sát động có giá trị nhỏ hơn đáng kể so với
hệ số ma sát tĩnh, nhất là giữa các hạt ngô khô và tươi với vật liệu là thép các loại.
Bảng 1.1. Hệ số ma sát tĩnh của các bộ phân cây ngô
Tên bộ
phận cây
ngô
Hạt ngô
Hạt tươi
Bẹ ngô
Cây tươi
Cây khô
Lá

Hệ số ma sát với bộ phận vật liệu

Độ ẩm
Thép Thép Thép gia
(%)
Gỗ ép Vải bố
Cao su
mạ
lá
công
25,1
0,38
0,41
0,63
0,64 0,90
15,4
0,32
0,34
0,53
0,53 0,54
0,66
36,5
0,70
0,65
0,70
0,90 0,67
0,83
18,0
0,40
0,56
0,61
0,50 0,80

27,0
0,44
0,54
0,47
0,38 32,4
0,55
0,62
0,48
0,75 0,73
60,0
0,44
0,58
0,61
0,57 0,53
0,93
10,0
0,34
0,39
0,49
0,43 0,56
0,63
16,3
0,43
0,55
0,55
0,49 0,72

Thép
đã sơn
0,44

0,50
0,46

Bảng 1.2. Hệ số ma sát động các bộ phận của cây ngô
Tên bộ
phận cây
ngô
Hạt ngô
Hạt tươi
Bẹ ngô
Bẹ tươi
Cây khô
1.4.

Hệ số ma sát với bề mặt vật liệu
Độ ẩm
Thép Thép Thép gia
(%)
Gỗ ép Vải bố
mạ
lá
công
13,2
0,32
0,25
0,25
0,41 15,0
0,31
0,33
0,21

0,44 0,29
36,5
0,31
0,39
0,57
0,43 0,49
16,0
0,37
0,25
0,25
53,6
0,42
0,39
0,27
0,40 0,40
10,0
0,37
0,31
0,16
0,31 0,31

Cao su
0,53
0,54
0,62
0,82
0,87
0,80

Độ ẩm của hạt ngô khi thu hoạch:

Độ ẩm của ngô khi thu hoạch thường cao và dao động rất lớn, phụ thuộc nhiều
vào giống ngô, khí hậu và thời tiết lúc thu hoạch. Ở nước ta có khí hậu nhiệt đới nóng
và ẩm, độ ẩm hạt khi thu hoạch rất cao, đa số các giống ngô có độ ẩm hạt khi thu
hoạch giao động từ 25 – 30 %.
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy bóc bẹ tẽ hạt ngô tươi khi thu hoạch phải đáp
ứng yêu cầu là không làm vỡ hạt, giảm tối đa tỉ lệ nứt ngầm.
HVTH: NTMK

2


2. Nguyên lý và phân tích lực của máy bóc tẻ hạt ngô:

Hình 2.1. Máy bóc tẻ hạt ngô
Trong khoang đầu tiên vật liệu được tiếp nhận, sau đó vật liệu được đẩy đến
khoang thứ hai có trống răng ngón, ở đây các răng ngón tác động vào trái ngô và tách
hạt cục bộ. Còn ở khoang thứ ba thì răng gân bản tác động với vận tốc đỉnh răng lớn
hơn do có đường kính lớn hơn, lành tách toàn bộ hạt ngô. Sự phân bố, hình dạng, kích
thước của răng có ảnh hưởng đến quá trình phân bố, đẩy và tẽ ngô, loại máy có kiểu tẽ
nhiều giai đoạn được dùng ở loại máy tĩnh tại có công suất lớn.
Để tách hạt ngô ra khỏi trái có thể tác dụng lực lên hạt theo các phương khác
nhau như sau:
-

Tách hạt bằng lực kéo ra theo phương pháp tuyến với trục trái.
Tách hạt bằng lực nén vào theo phương bán kính với trái.
Tách hạt bằng lực tác dụng theo phương tiếp tuyến với đường tròn trái.

3. Xác định mô hình nguyên lý buồng đập ngô độ ẩm cao:

Buồng đập ngô gồm 3 bộ phận chính là: trống đập, máng và nắp trống. Trong
thực tế các buồng đập ngô phân ly dọc trục kiểu trống trụ tròn cũng rất đa dạng và
phong phú. Tư thế của trái ngô trong quá trình chuyển dịch từ cửa cấp liệu vào đến
cửa ra luôn nằm dọc, trục dọc của trái ngô song song với trục trống. Trên cơ sở đó có
thể sơ bộ xác định bằng phân tích lý thuyết giá trị định hướng khe hở đập và vận tốc
va đập của trống đập lên hạt ngô.

4. Xác định vận tốc tới hạng của đỉnh răng trống đập:
HVTH: NTMK

3


Dựa vào kết quả nghiên cứu độ bền va đập của hạt ngô, có thể xác định được
vận tốc tối đa của răng trống không làm vỡ hạt, tùy theo số lần va đập trung bình xảy
ra trong buồng đập. Theo Kreimerman, vận tốc tối đa V r (m/s) của đỉnh răng trống đập
không làm vỡ hạt khi răng va đập tự do vào hạt là:
(4.1)
Trong đó: A – Năng lượng va đạp làm xuất hiện vết nức trên hạt, KGm;
(4.2)
Gt – Trọng lượng vật rơi thí nghiệm, Gt = 0,05 kg;
H – Độ cao rơi của trọng vật, m;
GTBH – Trọng lượng trung bình của hạt ngô, kg.
Kreimerman đã nghiên cứu số lần va đập xảy ra trong buồng đập phân ly dọc
trục tác động lên hạt ngô, với vận tốc trống đập từ 4,3 – 12 m/s và đã đo được số lần
va đập đó là từ 35 – 70 lần trong 1 giây. Với giả thiết là số lần va đạp xảy ra trong
buồng đập ngô độ ẩm cao là 60 lần trong 1 giây, ta xác định được độ cao rơi trọng vật
nằm trong khoảng 4,0 – 5,0 cm tùy theo từng giống ngô. Nếu lấy trọng lượng trung
bình của hạt ngô GTBH = 0,0003 kg, theo công thức 4.1 và 4.2 có thể tính được vận tốc
tối đa cho phép của đỉnh răng trống đậpkhi đập các giống ngô phổ biến có độ ẩm cao

là: Vr = 11,8 ÷ 12,7 m/s.
5. Xác định khe hở giữa đỉnh răng và máng trống đập:
Tác động trục tiếp của răng lên trái ngô trong buồng đập có thể chia làm nhiều
pha. Ở pha đầu khi răng bắt đầu đập vào trái, tác động đó được xem là một dạng xung
va đập S. Giả thiết rằng trước đó trong khe hở đập, do tác động qua lại của dòng vật
liệu, của các răng trước và bên cạnh, bắp ngô chuyển động với vận tốc ban đầu nào đó
() nhỏ hơn so với vận tốc đỉnh răng. Nhờ được truyền động một cách cưỡng bức, có
thể coi răng trống chuyển động với vận tốc đỉnh răng không đổi trước và sau khi va
đạp và ngô: Vr = ωtRt. Thời gian va đập rất ngắn (phần nghìn giây), nên sự biến dạng
và dịch chuyển của ngô được coi như không đáng kể, chưa kịp xảy ra. Do bị kẹt vào
khe hở đập, nên lúc cuối va đập, ngô không bị bắn ra khỏi răng trống. Mặt khác sự
hiện diện của lớp bẹ ngô dày cũng khiến va đập gần giống với va đập không đàn hồi.

HVTH: NTMK

4


Trong va đập lực va đập rất lớn so với các lực hữu hạn khác như: trọng lực, ma
sát… nên người ta thường bỏ qua tác động của các lực đó để giải bài toán đỡ phức tạp
hơn. Lực va đập có thể xác định theo công thức:
(5.1)
Lực va đập biến đổi về giá trị từ lúc xuất hiện đến lúc bị triệt tiêu. Theo định lý
về xung va đập, có thể tính gần đúng giá trị trung bình của lực va đập:
(5.2)
Trong đó: m – Khối lượng chất điểm phần tử ngô tham gia va đập;
– Vận tốc ban đầu của ngô, = kvωTRT, kv < 1;
– Vận tốc của ngô lúc cuối va đập.
Phương và cường độ của lực va đập phụ thuộc nhiều vào các tham số của
buồng đập. Thông qua biểu thức toán học mô tả pha va đập có thể sơ bộ xây dựng

được các giới hạn lý thuyết hoặc xác định giá trị lý thuyết của các thông số đó, sao
cho có lợi cho quá trình đập.
5.1.

Mô hình lực va đập :

Có thể coi quá trình va đập là quá trình xảy ra từ khi răng chạm vào lớp ngoài
cùng của ngô, đến khi lớp ngoài cùng bị nén cực đại, ngô bắt đầu bị biến dạng. Chọn
vị trí ngô khi va đập với răng là xác định giữa 3 điểm: đỉnh răng và hai con lăn có tâm
O1 và O2. Lúc cuối va đập vận tốc ngô tại điểm B bị triệt tiêu do bị nén vào thanh con
lăn máng O1, vận tốc tại điểm A xấp xỉ bằng vận tốc đỉnh răng trống đập Vr.
Theo lý thuyết về va đập ta có:
(5.3)

HVTH: NTMK

5


Hình 5.1. Mô hình xác định hướng lực va đập
Trong đó:
m – khối lượng chất điểm phần tử ngô tại điểm A tham gia va đập;
R – bán kính ngô;
RT – bán kính trống đập;
δ - khe hở đập;
ω0 – vận tốc góc của ngô trước va đập;
ωT – vận tốc góc của trống đập;
– vận tốc dài của ngô trước va đập tại tâm O;
– vận tốc điểm A của ngô trước va đập ;
A

– góc giữa và ;

v

– góc giữa và ;

Trên hình 5.1 ta có:
Theo công thức lượng giác:

Thay vào phương trình (5.3) ta có:
(5.4)
HVTH: NTMK

6


Đặt: = H1

(5.5)

= H2

(5.6)

Ta có:

(5.7)

Theo công thức (5.7). Khi H 1 và H2 tăng thì lực va đập Fvd tăng và ngược lại.

Còn khi góc γA tăng, thành phần giảm và thành phần tăng. Trong H 1 và H2 có chứa
các hàm số lượng giác cần được xác định.
Trên hình 5.1 ta có: góc β là góc
Xét tam giác AOOT ta có:
(hai cạnh tương ứng vuông góc).
Trong tam giác AOOT ta có AOT = RT; AO = R; OOT = RT + δ - R.
Theo định lý cosin:
Suy ra:
(5.8)
+ Góc
Xét tam giác AOOT ta có:
(5.9)
Sau biến đổi ta có:
(5.10)
+ Góc

(5.11)

+ Để xác định lực va đập Fvd ta cần xác định góc γA
Khi góc γA càng tăng, lực va đập Fvd càng có xu thế hướng dần vào tâm trái
ngô, dẫn đến gây ra vỡ lõi và tăng nén đột ngột, đồng thời không gây hiệu ứng xoay
và tẽ hạt. Hướng của lực va đập càng có xu thế cắt đoạn O 1O2, dễ gây ra kẹt và không
đẩy ngô tích cực qua khe hở trống máng. Do đó nên cho góc γA tiến tới nhỏ nhất bằng
cách điều chỉnh các thông số của buồng tẽ.
Ta xây dựng biểu thức tính góc γA góc nằm giữa vecto và .
Xét tam giác IKN (hình 5.1) ta có: NK = NI cosβω; mà NI = ω0R
HVTH: NTMK

7

Theo công thức (5.8) thì:
(5.12)
Mà nên:
(5.13)
Xét tam giác AKI:
(5.14)
(5.15)
(5.16)
Dựa vào công thức (5.8); (5.12); (5.14), tính góc θT theo (3.13):
Xét tam giác ALI ta có:
(5.17)
(5.18)
Từ đó:

(5.19)
(5.20)

Thông qua các biểu thức xác định các hàm số lượng giác trong H 1, H2 và biểu
thức tính góc , ta nhận thấy: thông số khe hở trống máng δ và vận tốc góc của trống
đập ωT có ảnh hưởng nhiều đến giá trị H 1, H2 và góc . Có nghĩa là chúng có ảnh hưởng
đến lực va đập . Muốn biết được xu thế ảnh hưởng của δ và ωT đến lực va đập cần
phải khảo sát ảnh hưởng của chúng.
5.2.

Khảo sát ảnh hưởng vận tốc góc trống đập và khe hở đập đến lực va
đập:

Từ các biểu thức toán học được xây dựng như trên, ta nhận thấy khi tăng khe
hở trống máng thì lực va đập giảm, còn khi vận tốc góc của trống đập tăng thì lực va

đập cũng tăng.
Khe hở trống máng tỉ lệ nghịch với lực va đập , còn vận tốc trống đập có tỉ lệ
thuận với . Ảnh hưởng của vận tốc góc đến lực va đập lớn hơn ảnh hưởng của khe hở
trống máng. Trong thực tế đường kính bắp ngô của cùng một loại giống cũng khác
nhau, do vậy khi đập ngô có độ ẩm hạt cao, muốn giảm tỉ lệ vớ hạt cần điều chỉnh khe
hở trống máng bằng kích thước đường kính trung bình của ngô.
HVTH: NTMK

8


HVTH: NTMK

9