Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu một số thông số chính của bộ phận tách ngọn và lá ứng dụng trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:214

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí "Nghiên cứu một số thông số chính của bộ phận tách ngọn và lá ứng dụng trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây" trình bày các nội dung chính sau: Xác định nguyên lý làm việc của bộ phận bẻ ngọn, tách lá; Xây dựng mô hình lý thuyết, xác định ảnh hưởng của một số thông số chính đến hiệu quả của quá trình tách ngọn và lá mía; Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố xác định ảnh hưởng của một số thông số chính đến quá trình tách ngọn và lá mía; Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố và xác định giá trị tối ưu của các thông số theo một số chỉ tiêu chính của quá trình tách ngọn và lá mía.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu một số thông số chính của bộ phận tách ngọn và lá ứng dụng trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU TH HOẠCH ************************************** NGUYỄN ĐỨC THẬT NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH CỦA BỘ PHẬN TÁCH NGỌN VÀ LÁ ỨNG DỤNG TRÊN MÁY LIÊN HỢP THU HOẠCH MÍA NGUYÊN CÂY LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 952 01 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TSKH. BẠCH QUỐC KHANG 2. PGS.TS. LƯƠNG VĂN VƯỢT Hà Nội – 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng dùng bảo vệ để lấy bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày .... tháng ..... năm 2023 Tác giả luận án Nguyễn Đức Thật
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy: 1. TSKH. Bạch Quốc Khang – Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch; 2. PGS.TS. Lương Văn Vượt – Trường Đại học Chu Văn An; 3. TS. Đậu Thế Nhu – Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, tập thể cán bộ chuyên gia trong Viện và các đơn vị, cá nhân trong cơ quan đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong và ngoài cơ quan và đặc biệt các thành viên trong Gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ và động viên để tôi hoàn thành bản luận án này. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Nguyễn Đức Thật
iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt viii Danh mục bảng xii Danh mục hình xiv MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1 2 Mục tiêu nghiên cứu 3 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3 3.2 Phạm vi nghiên cứu 3 4 Nội dung nghiên cứu 4 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 4 5.1 Ý nghĩa khoa học 4 5.2 Ý nghĩa thực tiễn 5 6 Những đóng góp mới của luận án 5 7 Cấu trúc của luận án 5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6 1.1. Đặc điểm sinh học cây mía 6 1.1.1 Thân cây mía 6 1.1.2 Ngọn mía 7 1.1.3 Lá mía 9 1.2 Kết quả nghiên cứu về đặc tính cơ, lý của ngọn và lá mía 10 1.2.1 Thế giới 10 1.2.2 Việt Nam 14
iv 1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về tách ngọn mía 15 1.3.1 Tách ngọn mía trước khi cây mía đi vào bộ phận làm sạch 16 1.3.2 Tách ngọn mía trong bộ phận làm sạch trên máy liên hợp THM 17 1.4 Kết quả nghiên cứu về tách lá trên máy liên hợp thu hoạch mía 21 1.4.1 Cấu tạo bộ phận tách lá trên máy liên hợp THM 21 1.4.2 Kết quả nghiên cứu về tách lá mía trên thế giới 23 1.4.2.1 Một số loại kết cấu của cánh lô bóc 23 1.4.2.2 Ảnh hưởng của các dạng vật liệu làm răng bóc 24 1.4.2.3 Các nghiên cứu về chế độ làm việc của bộ phận tách lá mía 26 1.4.3 Kết quả nghiên cứu về tách lá mía tại Việt Nam 26 1.4.3.1 Kết quả nghiên cứu về kết cấu cánh lô bóc 26 1.4.3.2 Kết quả nghiên cứu về chế độ làm việc của các quả lô 27 1.5 Đề xuất nguyên lý bộ phận tách ngọn và lá mía 30 1.5.1 Đề xuất nguyên lý bộ phận bẻ ngọn 30 1.5.2 Sơ đồ nguyên lý bộ phận tách ngọn và lá mía 32 1.6 Các thông số ảnh hưởng và chỉ tiêu đánh giá bộ phận tách ngọn và lá 32 mía 1.6.1 Các thông số ảnh hưởng 32 1.6.2 Các chỉ tiêu đánh giá bộ phận tách ngọn và lá mía 33 Kết luận chương 1 34 Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 35 2.1.1 Phương pháp giải tích 36 2.1.2 Phương pháp số 36 2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 36 2.2.1 Cấu tạo của mô hình thí nghiệm 36 2.2.1.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của mô đun tách lá 37
v 2.2.1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của mô đun bẻ ngọn 38 2.2.1.3 Sơ đồ truyền động của bộ phận tách ngọn, lá mía 39 2.2.2 Phân tích, lựa chọn các thông số chính và cách điều chỉnh 40 2.2.2.1 Phân tích, lựa chọn các thông số chính 40 2.2.2.2 Cách điều chỉnh các thông số chính 42 2.2.3 Bố trí thí nghiệm 46 2.2.4 Phương pháp xác định các chỉ tiêu 46 2.2.4.1 Tỷ lệ tạp chất 47 2.2.4.2 Tỷ lệ tổn thất 47 2.2.4.3 Chi phí năng lượng riêng 48 2.2.5 Thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo đạc 48 2.2.5.1 Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 48 2.2.5.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 49 2.2.6 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 50 2.2.7 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố 52 2.2.8 Phương pháp phân tích hồi quy 54 2.2.8.1 Đánh giá thuần nhất phương sai 56 2.2.8.2 Xác định dạng tổng quát của mô hình hồi quy 56 2.2.8.3 Xác định các hệ số của mô hình hồi quy 56 2.2.8.4 Phương pháp kiểm tra tính tương thích của mô hình toán 56 2.2.8.5 Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy 57 2.2.8.6 Xác minh các điều kiện tiên quyết của phân tích hồi quy 58 2.2.9 Phương pháp tối ưu hóa hàm chỉ tiêu 58 2.2.9.1 Tìm tọa độ điểm đặc biệt của bề mặt hàm chỉ tiêu 58 2.2.9.2 Chuyển phương trình hồi quy sang dạng chính tắc 59 2.2.9.3 Phương pháp giải bài toán thương lượng tìm cực trị có điều kiện 60 2.3 Phương pháp thu thập thông tin 61
vi 2.3.1 Phương pháp thu thập thông tin thứ cấp 61 2.3.2 Phương pháp thu thập thông tin qua nguồn sơ cấp 62 Kết luận chương 2 63 Chương 3. NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT 64 SỐ THÔNG SỐ CỦA BỘ PHẬN TÁCH NGỌN VÀ LÁ MÍA 3.1 Quá trình tách lá mía bằng răng bóc 64 3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố động học đến quá trình tách lá mía bằng 66 răng bóc 3.2.1 Nghiên cứu chiều dài quét của răng bóc 66 3.2.1.1 Xác định chiều dài quét của răng bóc 66 3.2.1.2 Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc đến chiều dài quét 68 3.2.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của hệ số động học đến chiều dài quét 69 3.2.2 Nghiên cứu hệ số quét lặp 69 3.2.2.1 Xác định hệ số quét lặp 69 3.2.2.2 Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc đến hệ số quét lặp 70 3.2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của chỉ số động học đến hệ số quét lặp 71 3.3 Nghiên cứu động lực học quá trình bẻ ngọn 72 3.3.1 Một số nhận xét về quá trình bẻ ngọn trên dàn thí nghiệm 72 3.3.2 Mô hình nghiên cứu quá trình bẻ ngọn mía 73 3.3.2.1 Phân tích quá trình bẻ ngọn mía trên mô đun bẻ ngọn 73 3.3.2.2 Các giả thiết khi xây dựng mô hình 74 3.3.2.3 Mô hình biến dạng của ngọn mía 75 3.3.2.4 Điều kiện bẻ gãy ngọn mía. 84 3.4 Khảo sát mô phỏng quá trình bẻ ngọn mía 85 3.4.1 Thuật toán mô phỏng 85 3.4.2 Khảo sát quá trình động 88 3.4.3 Khảo sát quá trình tĩnh 89
vii 3.4.3.1 Phương trình mô tả biến dạng tĩnh 89 3.4.3.2 Mô men uốn của ngọn mía theo chiều dài ở các góc quay khác nhau 90 của thanh bẻ ngọn 3.4.3.3 Ứng suất uốn của ngọn mía theo chiều dài ở các góc quay khác nhau 91 của thanh bẻ ngọn 3.4.3.4 Ứng suất uốn cực đại của ngọn mía theo các góc quay của thanh bẻ 92 ngọn 3.4.3.5 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số hình học 93 3.5 Xây dựng mô hình khảo sát quá trình bay của cây mía sau khi ra khỏi 95 buồng làm sạch 3.5.1 Xây dựng mô hình chuyển động (bay) của thân cây mía 96 3.5.2 Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của thân mía 99 3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc ban đầu đến quỹ đạo chuyển động 100 của thân mía Kết luận chương 3 101 Chương 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 103 4.1 Cơ sở chọn thông số nghiên cứu và xác định miền biến thiên 103 4.1.1 Xác định các thông số đầu vào và các chỉ tiêu chất lượng 103 4.1.2 Xác định miền biến thiên của các thông số đầu vào 105 4.2 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 107 4.2.1 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) tới các chỉ tiêu 107 4.2.2 Ảnh hưởng của chỉ số động học (λ) tới các chỉ tiêu 112 4.2.3 Ảnh hưởng của mật độ mía (q) tới các chỉ tiêu 116 4.2.4 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn (Lm) đến các chỉ tiêu 121 4.3 Xác định giá trị thông số tối ưu bằng phương pháp quy hoạch hóa 126 thực nghiệm (QHTN) đa yếu tố 4.3.1 Mã hóa các thông số nghiên cứu và lập ma trận thí nghiệm 127
viii 4.3.2 Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm hàm tỷ lệ tạp chất 128 4.3.3 Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm hàm tỷ lệ tổn thất 132 4.3.4 Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm hàm chi phí năng lượng riêng 135 4.4 Tối ưu quá trình tách ngọn, lá mía 138 4.5 Kết quả ứng dụng máy liên hợp THM nguyên cây SHC-0,2A 142 Kết luận chương 4 144 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 146 Danh mục công trình đã công bố liên quan đến Luận án 148 Tài liệu tham khảo 149 Phụ lục 160
ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, Chữ Diễn giải Đơn vị viết tắt  Đạo hàm riêng của góc  theo thời gian J Đạo hàm riêng của mô men quán tính theo thời gian  Đạo hàm riêng của mô men uốn theo thời gian  Đạo hàm riêng của lực dọc theo thời gian Q Đạo hàm riêng của lực cắt theo thời gian S Đạo hàm riêng của phân tố S theo thời gian A Diện tích mặt cắt phân tố m2 ax Gia tốc theo phương x m/s2 ay Gia tốc theo phương y m/s2 b 1/2 chiều dài quét m c 1/2 khoảng cách giữa hai trục lô bóc m CGH Cơ giới hóa  Chiều dài đường quét của răng bóc m D2 Đường kính lò xo m dc Đường kính răng m d Góc ôm của dây cung ds Độ dM Số gia của mô men uốn ở mặt cắt của phân tố Nm dm Khối lượng của phân tố ds g dN Số gia của lực dọc trục ở mặt cắt của phân tố N Áp lực do đỉnh thanh bẻ ngọn tác dụng lên chiều dài của dP N phân tố dQ Số gia của lực cắt ở mặt cắt của phân tố N ds Chiều dài của phân tố ngọn mía đang xét m E Mô đun đàn hồi thép lò xo MPa Es Mô đun đàn hồi của dóng mía MPa Fgη Lực cản khí động tác dụng lên khối lá mía theo chiều η N
x Fgτ Lực cản khí động tác dụng lên khối lá mía theo chiều τ N fl Hệ số ma sát giữa lá mía và thân mía Fxmax Lực va đập lớn nhất theo phương x N Fymax Lực va đập lớn nhất theo phương y N Fzmax Lực va đập lớn nhất theo phương z N G Trọng lượng thân cây mía N G1 Tổng khối lượng mía sau khi ra khỏi buồng công tác kg Tổng khối lượng mía ra khỏi buồng công tác đã được G2 kg làm sạch tạp chất (lá, ngọn mía) Gg Khối lượng mía bị gãy và rơi khỏi buồng công tác kg GT Khối lượng thân cây sau khi qua buồng công tác kg h Khoảng cách từ cây mía đến tâm lô bóc m hr Độ sâu đan xen của răng bóc, tách m hl Chiều dày lớp lá m ibk Tỷ số truyền động từ lô bóc sang lô cấp ik Tỷ số truyền từ lô bóc sang lô kẹp Mô men quán tính của mặt cắt ngang đối với trục trung Is m4 hòa  Góc tạo bởi phương của áp lực dP và trục Oy Độ  Góc uốn của lò xo răng Độ   Góc quay của lô công tác tại thời điểm t Độ m Góc nghiêng của thân cây mía so với phương ngang khi Độ  bay ra khỏi bộ phận tách ngọn, lá mía J Mô men quán tính của phân tố Kg.m2 Jm Mô men quán tính theo trục ngang ở tâm thân cây mía Kg.m2 k Tỷ số chiều cao đặt lô  Chỉ số động học Lm Khoảng cách giữa tâm lô bẻ ngọn và tâm lô kẹp m
xi lc Chiều dài răng m lx Khoảng cách MB m m Khối lượng cây mía kg mz Số hàng răng (số cánh bóc) M Mô men uốn ở mặt cắt của phân tố Nm ml Khối lượng khối lá mía kg My Mô men uốn tác dụng lên phân tố Nm n Số vòng quay của lô Vg/ph N Lực dọc trục ở mặt cắt của phân tố N nb Số vòng quay của lô bóc Vg/ph Ne Mức chi phí năng lượng riêng Ws/kg nk Số vòng quay của lô cấp Vg/ph Nl Phản lực của cây mía lên lá mía N Nm Phản lực pháp tuyến lên thân cây mía tại điểm B N Qc Lượng cung cấp mía kg/s Q Lực cắt ở mặt cắt của phân tố N q Mật độ mía có trong buồng công tác kg/m2 R1 Bán kính đỉnh của răng bóc m Rk Bán kính ngoài của lô cấp m  Bán kính cong của đường đàn hồi phân tố m   Khối lượng riêng không khí kg/mm3 m Khối lượng riêng của phân tố ngọn mía kg/mm3  Ứng suất kéo cho phép theo chiều dọc của vỏ lá mía MPa  Ứng suất kéo cho phép theo chiều ngang của vỏ lá mía MPa Sl Diện tích mặt ngang của khối lá mía m2
xii  Ứng suất cắt cho phép của vỏ lá mía MPa THM Thu hoạch mía V Vận tốc tiến của cây mía m/s Vk Vận tốc dài của lô cấp (lô kẹp) m/s vl Vận tốc tuyệt đối của lá mía m/s   Vận tốc góc của lô cấp rad/s XB Tọa độ theo phương ngang của điểm cây mía tiếp xúc với quả lô cuối của bộ phận tách ngọn, lá mía Tọa độ theo phương ngang điểm đặt lực tác động của XF đỉnh thanh bẻ ngọn vào ngọn mía Xt Tọa độ theo phương ngang của tâm lô bẻ ngọn XM Tọa độ theo phương ngang của tâm cây mía khi bay ra khỏi bộ phận tách ngọn, lá mía Y1 Tỷ lệ tạp chất ‰ Y2 Tỷ tổn thất mía ‰ yB Tọa độ theo phương thẳng đứng của điểm cây mía tiếp xúc với quả lô cuối của bộ phận tách ngọn, lá mía Tọa độ theo phương thẳng đứng của điểm đặt lực tác yF động của đỉnh thanh bẻ ngọn vào ngọn mía yM Tọa độ theo phương thẳng đứng của tâm cây mía khi bay ra khỏi bộ phận tách ngọn, lá mía yt Tọa độ theo phương dọc của tâm lô bẻ ngọn α Góc trước Độ αmax Góc uốn lớn nhất khi răng tác động vào cây mía Độ β Góc xoắn lắp ghép Độ σmax Ứng suất lớn nhất MPa ωb Vận tốc góc của lô bóc rad/s ωk Vận tốc góc của lô kẹp rad/s Hệ số quét lặp
xiii DANH MỤC BẢNG TT Tên bảng Trang 1.1 Thành phần hoá học của ngọn mía 7 1.2 Chữ đường của mía (CCS) theo thời gian tăng trưởng 8 1.3 Một số thông số của thân cây và lá mía của các giống mía 12 khác nhau tại Ấn Độ 1.4 Lực tách bẹ lá, lực cắt và phá vỡ thân cây mía tại Ai Cập 12 1.5 Một số đặc tính cơ học của ngọn mía 13 1.6 Kích thước bẹ, lá ở một số giống mía phổ biến tại Việt Nam 14 1.7 Khối lượng thân, ngọn lá mía 14 1.8 Kết quả thử nghiệm bộ phận bẻ ngọn mía 19 1.9 Ứng suất, lực lớn nhất theo các phương của răng bóc 25 1.10 các thông số nghiên cứu và mức giá trị 25 1.11 Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay lô bóc đối với ứng suất răng 26 bóc và lực va đập của cánh bóc bằng cao phân tử 1.12 Thông số tối ưu và chỉ tiêu chất lượng làm sạch lá mía 28 2.1 Thiết bị và dụng cụ thử nghiệm 49 2.2 Ma trận thực nghiệm bậc 2 hợp thành B4 53 4.1 Mức giá trị các thông số đầu vào trong thực nghiệm đơn yếu tố 106 4.2 Các thông số thực nghiệm ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) 107 4.3 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) đến tỷ lệ tạp chất 108 4.4 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) đến tỷ lệ tổn thất 109 4.5 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) đến chi phí năng lượng riêng 111 4.6 Các thông số thực nghiệm ảnh hưởng của chỉ số động học λ 112 4.7 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới tỷ lệ tạp chất 113 4.8 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới tỷ lệ tổn thất 114
xiv 4.9 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới chi phí năng lượng riêng 115 4.10 Các thông số thực nghiệm ảnh hưởng của mật độ mía (q, 117 kg/m2) 4.11 Ảnh hưởng của mật độ mía (q) tới tỷ lệ tạp chất 117 4.12 Ảnh hưởng của mật độ mía (q) tới tỷ lệ tổn thất 119 4.13 Ảnh hưởng của mật độ mía (q) tới chi phí năng lượng riêng 120 4.14 Các thông số thực nghiệm xác định ảnh hưởng của khoảng 122 cách tâm lô bẻ ngọn Lm đến các chỉ tiêu 4.15 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến tỷ lệ tạp chất 122 4.16 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến tỷ lệ tổn thất 124 4.17 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến chi phí năng 125 lượng riêng 4.18 Các thông số lựa chọn nghiên cứu 127 4.19 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố vào 128 4.20 Kết quả thí nghiệm hàm tỷ lệ tạp chất 128 4.21 Giá trị hệ số và tiêu chuẩn student của hàm tỷ lệ tạp chất 130 4.22 Kết quả thí nghiệm hàm tỷ lệ tổn thất 132 4.23 Giá trị hệ số và tiêu chuẩn student của hàm tỷ lệ tổn thất 133 4.24 Kết quả thí nghiệm hàm chi phí năng lượng riêng 135 4.25 Giá trị hệ số và tiêu chuẩn student của hàm chi phí năng lượng 136 riêng 4.26 Giá trị tối ưu của các thông số đầu vào 139 4.27 Giá trị tối ưu của các thông số làm việc 139 4.28 Kết quả chạy thử máy liên hợp THM nguyên cây SHC-0,2A 142
xv DANH MỤC HÌNH TT Tên hình Trang 1.1 Thân mía 7 1.2 Bẹ và lá mía 9 1.3 Cây mía trước khi thu hoạch 11 1.4 Bộ phận cắt ngọn mía 16 1.5a Bộ phận cắt ngọn lắp trên LHM thu hoạch mía nguyên cây 17 1.5b Bộ phận cắt ngọn lắp trên LHM thu hoạch mía chặt khúc 17 1.6 Sơ đồ cấu tạo của máy liên hợp THM chặt khúc 18 1.7 Cấu tạo các quả lô trên thiết bị bẻ ngọn mía 18 1.8 Mô hình thử nghiệm thiết bị bẻ ngọn mía 19 1.9 Sơ đồ cấu tạo bộ phận tách lá mía trên máy liên hợp THM 21 1.10 Sơ đồ cấu tạo máy liên hợp THM 22 1.11 Kết cấu lô tách lá trên LHM thu hoạch mía chặt khúc của 23 hãng John deere 1.12 Răng tách lá làm bằng thép lò xo 24 1.13 Sơ đồ nguyên lý bộ phận bẻ ngọn 31 1.14 Sơ đồ nguyên lý bộ phận tách ngọn và lá mía 32 2.1 Các bước xây dựng mô hình toán 35 2.2 Sơ đồ bố trí mô hình thí nghiệm 37 2.3 Sơ đồ cấu tạo mô đun tách lá mía 37 2.4 Sơ đồ cấu tạo lô kẹp 38 2.5 Sơ đồ cấu tạo lô bóc 38 2.6 Sơ đồ cấu tạo mô đun bẻ ngọn mía 39 2.7 Sơ đồ truyền động hàng lô trên 40 2.8 Sơ đồ truyền động hàng lô dưới 40 2.9 Sơ đồ truyền động cho lô bóc 43 2.10 Mô hình thí nghiệm tại xưởng 46
xvi 2.11 Sơ đồ bài toán nghiên cứu 52 3.1 Quá trình tách, róc lá ra khỏi thân cây mía 64 3.2 Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc đến chiều dài quét 68 của răng bóc 3.3 Ảnh hưởng của chỉ số động học đến chiều dài quét của răng 69 bóc 3.4 Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc đến hệ số quét lặp 70 3.5 Ảnh hưởng của hệ số động học đến hệ số quét lặp 71 3.6 Mô hình mô tả biến dạng của ngọn mía 73 3.7 Sơ đồ lực tác dụng lên ngọn mía 75 3.8 Mô hình động lực học phân tố ngọn mía 75 3.9 Tọa độ điểm đặt lực 84 3.10 Sơ đồ thuật giải hệ phương trình biến dạng ngọn mía 87 3.11 Dịch chuyển của điểm cuối ngọn theo thời gian 88 3.12 Dịch chuyển thẳng đứng theo chiều dài của ngọn mía ở các 88 thời gian khác nhau 3.13 Sự thay đổi của mô men uốn theo thời gian ở các điểm khác 89 nhau trên chiều dài ngọn mía 3.14 Mô men uốn của ngọn mía theo chiều dài ngọn mía ở các góc 91 quay (,0) khác nhau của thanh bẻ ngọn 3.15 Ứng suất uốn của ngọn mía theo chiều dài ở các góc quay 92 khác nhau của thanh bẻ ngọn 3.16 Ứng suất uốn cực đại của ngọn mía theo góc quay () của 92 thanh bẻ ngọn 3.17 Biến dạng của ngọn mía ở các góc quay khác nhau của thanh 93 bẻ ngọn 3.18 Ảnh hưởng của ΔXd với Rd khác nhau tới ứng suất cực đại 94 3.19 Ảnh hưởng của Rd với các giá trị khác nhau của Δhd tới ứng 94 suất cực đại
xvii 3.20 Sơ đồ chuyển động của thân cây mía ở pha 1 97 3.21 Quỹ đạo chuyển động của cây mía và lá mía 99 3.22 Quỹ đạo chuyển động của gốc và ngọn mía ở các vận tốc ban 100 đầu V0 khác nhau 4.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm bộ phận tách lá, ngọn mía 105 4.2 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) tới tỷ lệ tạp chất 108 4.3 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) tới độ tổn thất 110 4.4 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) tới chi phí năng lượng riêng 111 4.5 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới tỷ lệ tạp chất 113 4.6 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới tỷ lệ tổn thất 114 4.7 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới chi phí năng lượng 116 riêng 4.8 Ảnh hưởng của mật độ mía tới tỷ lệ tạp chất 118 4.9 Ảnh hưởng của mật độ mía tới tỷ lệ tổn thất 120 4.10 Ảnh hưởng của mật độ mía tới chi phí năng lượng riêng 121 4.11 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến tỷ lệ tạp chất 123 4.12 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến tỷ lệ tổn thất 124 4.13 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn tới Ne 126 4.14 Đường đồng mức các chỉ tiêu phụ thuộc vào X1 và X2 140 4.15 Đường đồng mức các chỉ tiêu phụ thuộc vào X1 và X3 141 4.16 Đường đồng mức các chỉ tiêu phụ thuộc vào X1 và X4 141
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Mía là cây công nghiệp trọng điểm ở Việt Nam và một số quốc gia khác [10, 13, 34, 48], có lượng sinh khối lớn cần phải xử lý khi thu hoạch. Niên vụ 2020-2021 tổng diện tích trồng mía cả nước đạt 165,9 nghìn ha, phân bố dàn trải từ Bắc đến Nam, tổng sản lượng mía đạt trên 10,741 triệu tấn [4]. Thu hoạch mía (THM) là công đoạn nặng nhọc, chiếm 1820% tổng chi phí sản xuất mía nguyên liệu [9, 18]. Để thu hoạch mỗi ha cần 8501.500h lao động thủ công [42]. Phần ngọn mía có tỷ lệ đường rất thấp, nếu còn lẫn trong mía nguyên liệu chúng sẽ là tạp chất làm giảm tỷ lệ thu hồi đường khi chế biến. Vì thế cần loại bỏ ngọn và lá mía trong quá trình thu hoạch trước khi đưa về nhà máy đường. Đây là khâu tốn công lao động và khó thực hiện trên các máy THM hiện nay [68]. Đó là một trong những nguyên nhân khiến chi phí sản xuất mía, đường của Việt Nam cao làm giảm tính cạnh tranh của cây mía. Từ năm 2015 đến nay diện tích và sản lượng mía giảm dần qua hàng năm. Năm 2021 diện tích trồng mía chỉ còn bằng 89,5% so với 2015 và sản lượng chỉ còn 93,1% [30]. Hiện nay công nghệ THM được tiến hành theo hai phương thức: THM chặt khúc và THM nguyên cây. Thu hoạch mía chặt khúc được thực hiện bởi các máy liên hợp có cấu tạo phức tạp, tính đồng bộ cao, kích thước và khối lượng máy lớn, hiệu quả hoạt động của máy cao hơn khoảng 200 lần so với thủ công trong khi chi phí giảm 5570% [74]. Tuy nhiên để hoạt động hiệu quả yêu cầu qui mô đồng ruộng phải lớn, tập trung, hạ tầng giao thông tốt, đồng thời phải tổ chức phối hợp giữa thu hoạch và ép đường chặt chẽ [67]. Mía thu hoạch trong thời gian 24 tiếng phải được đưa vào ép để đảm bảo tỷ lệ thu hồi đường, tránh suy giảm chất lượng mía. Diện tích vùng nguyên liệu mía quy mô lớn, tập trung ở Việt Nam hiện nay chiếm dưới 30% tương ứng khoảng 40.000ha. Tổng diện tích mía còn lại 1
chiếm trên 70% là qui mô nhỏ lẻ nên không thể ứng dụng máy liên hợp THM chặt khúc. Phương thức THM để nguyên cây được thực hiện theo hai phương pháp: Phương pháp thu hoạch nhiều giai đoạn và phương pháp thu hoạch một giai đoạn. - Phương pháp thu hoạch nhiều giai đoạn hiện nay không phổ biến vì quá trình thu hoạch vẫn sử dụng nhiều lao động thủ công thực hiện các công việc chuyển tiếp giữa các máy, chi phí thu hoạch còn cao. - Phương pháp thu hoạch một giai đoạn bằng máy liên hợp THM nguyên cây có lợi thế về năng suất so với phương thức nhiều giai đoạn, linh hoạt hơn so với các máy liên hợp THM chặt khúc, có khả năng thích ứng cao với phần lớn các vùng mía nguyên liệu tại Việt Nam. Máy liên hợp THM nguyên cây theo phương pháp một giai đoạn thực hiện các công đoạn: cắt ngọn; cắt gốc; làm sạch lá; xả mía vào thùng chứa. Khối lượng lá và ngọn mía ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của bộ phận làm sạch và vận chuyển mía trong máy liên hợp THM, gây ra hiện tượng tắc, kẹt khi vận hành. Trong quá trình vận hành, việc loại bỏ ngọn mía bằng cơ cấu cắt ngọn lắp ở phía trước máy liên hợp THM khó thực hiện được do chiều cao cây mía không đồng đều. Do đó giải pháp loại bỏ ngọn mía trong bộ phận tách lá của máy liên hợp là phù hợp hơn cả. Muốn vậy cần phải có những nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm để xác định một số thông số chính của bộ phận thực hiện được hai chức năng tách ngọn và tách lá mía, làm cơ sở thiết kế máy liên hợp THM nguyên cây ứng dụng nguyên lý trên. Xuất phát từ nhu cầu đó, việc thực hiện đề tài luận án: “Nghiên cứu một số thông số chính của bộ phận tách ngọn và lá ứng dụng trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây” là nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết phù hợp với yêu cầu của thực tiễn sản xuất ở nước ta hiện nay và giai đoạn tới. 2