Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là thiết kế, chế tạo được thiết bị thí nghiệm có thể điều khiển các thông số vào, thu được đầy đủ các thông số ra của quá trình băm thân cây ngô sau thu hoạch, đáp ứng yêu cầu của bài toán nghiên cứu thực nghiệm;... Mời các bạn cùng tham khảo

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Vũ Văn Đam NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT THÂN CÂY NGÔ SAU THU HOẠCH Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã Số: 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn 2. GS.TSKH. Phạm Văn Lang THÁI NGUYÊN – NĂM 2020
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là do bản thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận án Vũ Văn Đam
iii LỜI CẢM ƠN Luận án này có thể chưa bao giờ được hoàn thành nếu không có sự quan tâm của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn; GS.TSKH. Phạm Văn Lang. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn về tất cả sự giúp đỡ của các Thầy dành cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình động viên, chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi để tôi đủ quyết tâm hoàn thành bản luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Công, vì sự quan tâm đặc biệt của Thầy dành cho tôi, người đã truyền cảm hứng cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Ngô Như Khoa, người đã tận tình tư vấn và trực tiếp hỗ trợ thiết bị đo cho các thí nghiệm của nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo khoa Cơ khí, phòng Đào tạo, Ban Giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và các khoa, phòng, ban, viện trong trường đã giúp đỡ về chuyên môn cũng như tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Đại học Thái Nguyên và tập thể cán bộ CNV khối văn phòng Đại học Thái Nguyên, đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm đề tài Tây Bắc (KHCN- TB.12C/13-18) và doanh nghiệp Thái Long đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai thí nghiệm. Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là các thành viên trong gia đình, đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên, góp ý kiến để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Vũ Văn Đam
iv MỤC LỤC HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................... VII DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... IX DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... XI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ............................................................. 1 5. Cấu trúc nội dung luận án ............................................................................. 6 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU............................................. 8 1.1. Giới thiệu ................................................................................................... 8 1.2. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nước................................... 8 1.2.1. Sản xuất ngô trên thế giới ................................................................................. 8 1.2.2. Sản xuất ngô trong nước ......................................................................... 9 1.3. Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch ........................................... 10 1.3.1. Độ ẩm .............................................................................................................. 12 1.3.2. Khối lượng riêng ............................................................................................. 13 1.3.3. Đặc tính cơ học ............................................................................................... 14 1.3.4. Ma sát trượt giữa thân cây ngô với vật liệu khác ........................................... 15 1.4. Chế biến phụ phẩm nông nghiệp ............................................................. 16 1.4.1. Chế biến thức ăn gia súc ................................................................................. 16 1.4.2. Chế biến sản phẩm thương mại ...................................................................... 17 1.5. Máy băm phụ phẩm nông nghiệp ............................................................ 17 1.5.1. Máy băm dạng trống ....................................................................................... 18 1.5.2. Máy băm dạng đĩa........................................................................................... 19 1.5.3. Máy băm dùng dao răng ................................................................................. 20 1.6. Nghiên cứu thực nghiệm .......................................................................... 21 1.6.1. Quy ước thông số góc ..................................................................................... 21 1.6.2. Thí nghiệm cắt bán tĩnh .................................................................................. 22
v 1.6.3. Thí nghiệm cắt va đập ..................................................................................... 24 1.6.4. Thí nghiệm cắt có dao kê ................................................................................ 26 1.7. Một số kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ ....................... 27 Kết luận chương .............................................................................................. 31 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................... 33 QUÁ TRÌNH BĂM PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP ............................................. 33 2.1. Nguyên lý băm ......................................................................................... 33 2.2. Cơ sở động lực học quá trình băm ........................................................... 35 2.3. Bài toán tối ưu đa mục tiêu ...................................................................... 44 Kết luận chương .............................................................................................. 47 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ ....................................... 49 HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM................................................................ 49 3.1. Giới thiệu ................................................................................................. 49 3.2. Thiết kế hệ thống thí nghiệm ................................................................... 49 3.2.1. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm ................................................................................ 49 3.2.2. Thiết kế kết cấu ............................................................................................... 53 3.3. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu .................................................. 56 3.3.1. Cảm biến đo lực cắt ........................................................................................ 57 3.3.2. Đo lực ma sát cây-dao kê ................................................................................ 58 3.3.3. Cảm biến đo mô men ....................................................................................... 59 3.3.4. Thiết bị xử lý và thu thập dữ liệu .................................................................... 60 3.3.5. Phần mềm thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm......................................... 61 3.4. Chế tạo, lắp đặt hệ thống thí nghiệm ....................................................... 61 3.5. Vận hành và một số kết quả khảo sát hệ thống ....................................... 62 3.5.1. Vận hành hệ thống thí nghiệm ........................................................................ 62 3.5.2. Đo lực cắt và mô men ..................................................................................... 63 3.5.3. Đo ma sát trượt giữa dao kê và thân cây ngô ................................................. 64 Kết luận chương .............................................................................................. 66
vi CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH BIÊN DẠNG LƢỠI CẮT.................................................................... 68 4.2. Mô tả thí nghiệm ...................................................................................... 69 4.3. Thí nghiệm sàng lọc ................................................................................. 70 4.4. Thí nghiệm tối ưu hóa lực cắt khi cắt chậm ............................................ 74 4.4.1. Thí nghiệm khởi đầu ....................................................................................... 74 4.4.2. Thí nghiệm xuống dốc tìm vùng cực tiểu ........................................................ 76 4.4.3. Thí nghiệm tối ưu ............................................................................................ 78 4.5. Thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu .......................................................... 81 4.5.1. Mô tả các hàm mục tiêu .................................................................................. 81 4.5.2. Thí nghiệm tối ưu hóa......................................................................................... 84 4.5.3. Xác định bộ thông số tối ưu ............................................................................ 87 4.6. Đánh giá một số biên dạng lưỡi cắt theo chỉ tiêu duy trì góc tiếp dao .... 89 4.6.1. Dao lưỡi cắt thẳng .......................................................................................... 90 4.6.2. Dao cung tròn ................................................................................................. 92 4.6.3. Dao lô-ga-rít ................................................................................................... 95 4.7. Tự động thiết kế các lưỡi cắt đồng dạng.................................................. 96 4.8. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dao logarit .......................................... 100 Kết luận chương ............................................................................................ 103 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT .................................................................................. 104 1. Kết luận chung .......................................................................................... 104 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo...................................................................... 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 106 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 117 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ........................................... 123
vii HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký Đơn Ý nghĩa hiệu vị  Góc tiếp dao   Góc nghiêng cây  C Hệ số tính toán Góc kẹp hình thành giữa phương lưỡi dao cắt và cạnh sắc   dao kê D Giá trị hàm kỳ vọng tổng hợp chung  Khe hở giữa dao kê và dao cắt mm S Chiều dài tiếp xúc giữa dao với cây nguyên liệu mm  Hệ số trượt Fc Lực cắt N Fms Lực ma sát giữa cây nguyên liệu và lưỡi dao N FS Giá trị lực thu được từ cảm biến lực động N Góc hợp bởi phương đường trục thân cây và phương lưỡi   cắt  Hệ số ma sát N Lực pháp tuyến N n Tốc độ quay v/ph P Công suất tiêu thụ W q Lực phân bố trên đoạn lưỡi dao g/cm3 q0 Lực phân bố tối thiểu N/mm qth Lực tới hạn N/mm c Khối lượng riêng của mẫu thí nghiệm g/cm3  Lực cản băm cắt N  Góc cắt trượt   Góc trượt  T Chu kỳ lực s TS Giá trị lực thu được từ cảm biến mô men N V Vận tốc chuyển động của lưỡi dao m/s Vn Vận tốc pháp tuyến m/s Vt Vận tốc tiếp tuyến m/s W1 Khối lượng của hộp rỗng g W2 Khối lượng của mẫu và hộp g Wb Độ ẩm của mẫu thí nghiệm %
viii Ký Đơn Ý nghĩa hiệu vị WD Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc sau sấy khô g WW Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc đầu g
ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô thế giới 2008-2016............. 9 Bảng 1.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 1990-2017 ............................ 10 Bảng 1.3. Một số đặc điểm tính chất thân cây ngô ........................................ 11 Bảng 1.4. Một số thông số phụ phẩm từ ngô ................................................. 12 Bảng 1.5. Hệ số ma sát tĩnh của các bộ phận cây ngô ................................... 15 Bảng 1.6. Hệ số ma sát động các bộ phận của cây ngô ................................. 15 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của cảm biến mô men RTT ............................. 59 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008 ............ 60 Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm đo ma sát trượt dao kê – cây ngô................... 66 Bảng 4.1. Các biến đầu vào của thí nghiệm sàng lọc .................................... 71 Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm sàng lọc .......................................................... 71 Bảng 4.3. Các biến trong thí nghiệm khởi đầu .............................................. 75 Bảng 4.4. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm khởi đầu .......................... 75 Bảng 4.5. Kết quả các thí nghiệm xuống dốc ................................................ 77 Bảng 4.6. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm tối ưu CCD ..................... 78 Bảng 4.7. Cấp độ và giá trị thực của các biến thí nghiệm ................................... 84 Bảng 4.8. Thí nghiệm CCD và kết quả tương ứng ............................................. 84
x Bảng 4.9. Ví dụ thay đổi của góc tiếp dao với bán kính R1=100 mm ........... 92 Bảng 4.10. Thống kê giá trị của góc tiếp dao tại các điểm cắt khác nhau .... 94
xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Đặc tính cấu trúc thân cây ngô ...................................................... 11 Hình 1.2. Thí nghiệm uốn mẫu thân cây ngô ................................................ 14 Hình 1.3. Sơ đồ các bước chế biến thức ăn dự trữ cho gia súc ..................... 16 Hình 1.4. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng trống ........................................ 18 Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng đĩa ............................................ 19 Hình 1.6. Cấu tạo nguyên lý bộ phận băm loại dao răng .............................. 20 Hình 1.7. Quy ước thông số góc .................................................................... 22 Hình 1.8. Thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén .......................................... 23 Hình 1.9. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây .................. 24 Hình 1.10. Sơ đồ thí nghiệm (a), thiết bị thực (b) khi cắt cây ngô trên ruộng 25 Hình 1.11.Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng góc tiếp dao và vận tốc cắt ....... 26 Hình 1.12. a) Thí nghiệm dùng kéo cắt cành cây, b) dùng kéo rút ............... 27 Hình 1.13. So sánh năng lượng tiêu thụ khi cắt một số cây nông nghiệp......... 29 Hình 1.14. Răng con xén tóc (a), biên dạng dao mô phỏng (b) và kết quả lát cắt thử bằng dao truyền thống (c, hình trên) và dao mô phỏng (c, hình dưới) 30 Hình 2.1. Sơ đồ tạo chuyển động cắt ............................................................. 33 Hình 2.2. Mô hình thí nghiệm của Gơriatskin (a), kết quả quan hệ của lực cắt N với lượng trượt S (b)............................................................................. 34
xii Hình 2.3. Vận tốc và các thành phần vận tốc tại điểm tiếp xúc dao-cây nguyên liệu ..................................................................................................... 35 Hình 2.4. Quan hệ lực cắt cần thiết phụ thuộc góc trượt ............................... 37 Hình 2.5. Tương tác lực giữa lưỡi dao và cây nguyên liệu ........................... 39 Hình 2.6. Tác dụng giảm lực băm cắt pháp tuyến ......................................... 41 Hình 2.7. Sơ đồ băm cắt có dao kê ................................................................ 41 Hình 2.8. Quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê .................................... 42 Hình 2.9. Các góc của dao và gá đặt dao ....................................................... 43 Hình 2.10. Vùng khuyến nghị chọn khe hở δ ................................................ 44 Hình 2.11. Sơ đồ hàm kỳ vọng cho bài toán tối thiểu hóa ............................ 46 Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện ..................................................... 50 Hình 3.2. Vị trí tương đối của cây nguyên liệu ............................................. 51 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý truyền động thiết bị băm ........................................ 54 Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt ............... 55 Hình 3.5. Phân tích lực tương tác dao-cây..................................................... 56 Hình 3.6. a) Cảm biến lực Kistler 9712A500 và b) gá đặt cảm biến lực ...... 57 Hình 3.7. Cảm biến FSSM-100 ..................................................................... 58 Hình 3.8. Cảm biến mô men RTT-200 .......................................................... 59
xiii Hình 3.9. Bộ nguồn khuếch đại DRG-SC-BG(a), Bộ nguồn và sử lý tín hiệu SCC-ICP 01(b), Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008(c) .................................. 60 Hình 3.10. Kết cấu gá dao băm và dao kê của thiết bị .................................. 62 Hình 3.11. Kết quả đo lực cắt (a) và đồ thị đối chứng lực đo bằng hai cảm biến (b) ........................................................................................................... 64 Hình 3.12. Bố trí thí nghiệm đo ma sát dao kê – cây ngô ............................. 65 Hình 4.1. Kết quả phân tích ANOVA bằng phần mềm Minitab ................... 72 Hình 4.2. Biểu đồ Pareto đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố ....................... 73 Hình 4.3. Kết quả phân tích hồi quy bậc 1 .................................................... 75 Hình 4.4. Biểu đồ đường mức (Contour) của lực cắt và hướng xuống dốc .. 76 Hình 4.5. Biểu đồ xuống dốc tìm vùng cực tiểu ............................................ 78 Hình 4.6. Kết quả phân tích hồi quy bề mặt Fc ............................................. 79 Hình 4.7. Đồ thị bề mặt (a) và đường mức (b) lực cắt FC ............................. 80 Hình 4.8. Ví dụ chu kỳ của (a) lực cắt và (b) công suất cắt .......................... 82 Hình 4.9. Phân tích phương sai của hàm lực cắt ........................................... 85 Hình 4.10. Phân tích phương sai của hàm công suất cắt ............................... 86 Hình 4.11. Cực đại của lực cắt và mức tiêu thụ năng lượng là hàm của vận tốc cắt ............................................................................................................. 87 Hình 4.12. Mục tiêu, ràng buộc và kết quả bài toán tối ưu đa mục tiêu ........ 88
xiv Hình 4.13. Đồ thị của phương trình đa mục tiêu ........................................... 89 Hình 4.14. Sự thay đổi của góc tiếp dao α ..................................................... 91 Hình 4.15. Dao cung tròn lệch tâm ................................................................ 92 Hình 4.16. Sơ đồ tính góc tiếp dao của dao cung tròn................................... 93 Hình 4.17. Biến động của góc tiếp dao của dao thẳng (1) và của dao cung tròn (2) .......................................................................................................... 94 Hình 4.18. Đường xoắn ốc logarit ................................................................. 95 Hình 4.19. Góc tiếp tuyến không đổi của đường xoắn logarit ...................... 96 Hình 4.20. Lưu đồ giải thuật tính và vẽ biên dạng dao logarit ...................... 99 Hình 4.21. Hộp thoại nhập liệu và thông báo của mô đun phần mềm ........ 100 Hình 4.22. Mô hình 3D của một dao cong biên dạng logarit ...................... 100 Hình 4.23. Bản vẽ dao logarit ...................................................................... 101 Hình 4.24. Bản vẽ moay-ơ để kẹp dao ........................................................ 101 Hình 4.25. Máy băm lắp dao cong logarit ................................................... 102 Hình 4.26. Lực cắt tại 5 điểm có vị trí khác nhau dọc theo lưỡi cắt ........... 102
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Phụ phẩm nông nghiệp, bao gồm thân, lá và các thành phần khác (thường bị vứt bỏ sau thu hoạch), được đánh giá là rất giàu polymer hữu cơ như lignin, cellulose, hemiaellulose, protein và lipid [74]. Ở trong nước, phụ phẩm nông nghiệp chủ yếu là rơm và cây ngô, thường được dùng làm thức ăn trực tiếp, hoặc ủ chua để làm thức ăn dự trữ cho gia súc [2-4, 7, 8, 15, 17]. Theo tính toán thống kê [111], tổng khối lượng phụ phẩm nông nghiệp hằng năm trên thế giới là khoảng 3736 triệu tấn, có thể thay thế cho 2283 triệu tấn than đá, 1552 triệu tấn dầu hoặc 1847 triệu mét khối khí đốt. Sản lượng này tăng đều qua các năm để đáp ứng dân số ngày càng đông của thế giới. Tính trung bình, khối lượng phụ phẩm hằng năm từ cây lúa mì, lúa gạo, ngô, đậu tương lần lượt là 763 triệu tấn, 698 triệu tấn, 1730 triệu tấn và 417 triệu tấn. Ngô là loại cây lương thực quan trọng thứ ba sau lúa gạo và lúa mì [27], được trồng rộng khắp trên thế giới [45, 97]. Thân cây ngô chiếm đến 1/3 sản lượng hằng năm so với các loại phụ phẩm nông nghiệp khác [41]. Ở Việt Nam, ngô không những là cây lương thực, thực phẩm quan trọng, mà gần đây còn đóng vai trò là cây nguyên liệu để sản xuất ethanol – xăng sinh học E5 thân thiện với môi trường [10]. Đặc biệt, xu hướng mới đang được phát triển là trồng ngô sinh khối dùng trực tiếp cho chăn nuôi (không lấy bắp) cũng làm tăng nhu cầu chế biến cây sau thu hoạch. Băm thân cây ngô sau thu hoạch là một bước sơ chế quan trọng trong việc chế biến thức ăn chăn nuôi, sản xuất viên nén sinh khối cũng như trong các quy trình chế biến khác. Chẳng hạn, thây ngô cần được băm thành các đoạn dài 6,4 mm cho hóa khí [95], dài 1 mm cho chuyển đổi hóa học (chemical conversion) [102], 2-10mm để ủ men thức ăn gia súc, hay dài 5-6mm cho chế biến viên sinh
2 khối (briquetting) [76]. Ở quy mô công nghiệp, công đoạn băm được thực hiện bằng các máy băm chuyên dụng hoặc bộ phận cắt thái trên các máy thu hoạch liên hợp. Ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam, nông dân thường làm chất đốt, hoặc đốt bỏ phụ phẩm sau thu hoạch trên đồng ruộng, nương rẫy. Việc này không những gây lãng phí mà còn tác động tiêu cực đến môi trường như ô nhiễm không khí hoặc gây ra các đám cháy rừng. Một trong các lý do là chi phí cho công đoạn băm còn cao. Do phụ phẩm thường có giá rất rẻ, nên chi phí khấu hao, công lao động và đặc biệt là tiêu tốn năng lượng sẽ chiếm tỷ trọng rất lớn trong giá thành bán thành phẩm (phụ phẩm được băm). Do vậy, tìm kiếm giải pháp giảm năng lượng tiêu hao khi băm đã và đang được nhiều nghiên cứu quốc tế triển khai [24, 34, 37, 43, 78, 87, 107]. Ở Việt Nam, các công bố khoa học được tìm thấy chủ yếu quan tâm kỹ thuật tính toán thiết kế theo chỉ tiêu năng suất, độ bền… cho các máy thu hoạch kết hợp băm một số sản phẩm cây nông nghiệp như cây ngô [3, 4, 6, 17], rơm sau thu hoạch lúa [19] hoặc thân cây chuối [1], chế biến dứa [9], cắt sơ sợi từ quả dừa [13]. Các thiết kế này tập trung giải quyết bài toán chức năng băm theo các nguyên lý đĩa cắt, trống cắt, thiết kế nhằm đạt năng suất băm. Tuy nhiên, vấn đề về tiết kiệm năng lượng hầu như chưa được nghiên cứu nào đề cập. Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm làm giảm lực cắt và công suất cắt bằng cách cải tiến thiết kế dao và lựa chọn chế độ cắt hợp lý. Giảm lực cắt được coi là một trong những giải pháp tối ưu để giảm năng lượng tiêu thụ. Hơn nữa, giảm lực cắt cũng sẽ góp phần làm giảm kích thước các bộ phận của máy và do đó làm giảm kích cỡ máy. Tuy nhiên, do năng lượng tiêu thụ được tính bằng tích số của lực cắt và vận tốc cắt, cho nên chế độ băm có lực cắt nhỏ nhưng với vận tốc lớn cũng chưa hẳn đảm bảo mức năng lượng tiêu thụ nhỏ. Trong một số nghiên cứu, các mô hình thực nghiệm sử dụng con lắc được
3 xây dựng để đo lực cắt, công suất cắt cần thiết khi băm phụ phẩm [32, 39, 66, 71, 85, 100]. Các yếu tố được đánh giá bao gồm ảnh hưởng của loại dao, góc độ cắt khác nhau [24, 27, 44, 96] Một số nghiên cứu khác đã đánh giá ảnh hưởng của góc sắc lưỡi dao thẳng, tốc độ quay của đĩa dao đến khả năng cắt đứt cây ngô [32, 78, 85, 90, 103]. Một cách tiếp cận mới cũng rất được quan tâm là thực hiện phỏng sinh học, thiết kế và chế tạo biên dạng dao theo biên dạng răng của các loài côn trùng như bọ ngựa, sâu ăn thân ngô, châu chấu, xén tóc [64, 65, 71, 72, 100]….Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn và thực nghiệm cho thấy nhiều lợi ích về giảm lực cắt, công suất tiêu thụ. Tuy vậy, kiểu biên dạng lưỡi cắt này khó chế tạo, mài sắc trong quá trình làm việc và khó triển khai trên các máy thương phẩm. Đã có nhiều nghiên cứu để tìm ra giải pháp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ [27, 28, 38, 44, 49, 66, 68, 69]. Tuy nhiên, lời giải cho bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho cả hai yếu tố lực cắt và năng lượng tiêu thụ, đặc biệt là cho các băm [24, 34, 37, 43, 78, 87, 107] hiện vẫn đang tiếp tục được quan tâm. Một hướng nghiên cứu khác để tiết kiệm năng lượng trong quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp là xác định các thông số làm việc hợp lý [28, 31, 33, 49, 50, 58, 59, 61, 78, 88, 89]. Cho đến nay, bài toán giảm đồng thời lực và công suất cắt trực tiếp trên máy băm vẫn chưa có lời giải cuối. Cũng chưa tìm thấy thấy công bố nào nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng đồng thời của thông số làm việc và thông số kết cấu đến lực và công suất cắt. Vì những lý do trên, đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch” có tính cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:
4 - Mục tiêu chung: xác định một số thông số kết cấu và vận hành hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch nhằm giảm thiểu lực và công suất cắt. - Mục tiêu cụ thể: + Thiết kế, chế tạo được thiết bị thí nghiệm có thể điều khiển các thông số vào, thu được đầy đủ các thông số ra của quá trình băm thân cây ngô sau thu hoạch, đáp ứng yêu cầu của bài toán nghiên cứu thực nghiệm; + Xác định được các thông số có ảnh hưởng mạnh đến lực và công suất cắt khi băm thân cây ngô sau thu hoạch; + Xác định được bộ thông số thiết kế, vận hành hợp lý máy băm thân cây ngô sau thu hoạch nhằm giảm thiểu lực và công suất cắt; + Phát triển mô hình biên dạng lưỡi dao băm đảm bảo thông số thiết kế. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là một số thông số chính ảnh hưởng đến lực cắt và năng lượng tiêu thụ của máy băm thân cây ngô sau thu hoạch. Phạm vi nghiên cứu Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu là: tiến hành thực nghiệm cắt thân cây ngô đơn nhằm xác định lực và công suất cắt đơn vị, làm cơ sở tính toán cho các bài toán cắt bó cây. Các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Các thông số đưa vào đánh giá bao gồm: góc tiếp dao, góc nghiêng cây và vận tốc cắt. Các thân cây ngô sau thu hoạch được dùng làm thí nghiệm được bảo
5 quản trong điều kiện như nhau. Giả thiết các sai khác về đặc tính cơ học và độ ẩm giữa các lát cắt là không đáng kể. 3. Ý nghĩa thực tiễn + Kết quả có thể áp dụng để thiết kế, chế tạo máy băm cây nông nghiệp. Mặc dù chỉ thí nghiệm với thân cây ngô, nhưng ảnh hưởng đáng kể của các góc tiếp dao và góc nghiêng cây có được là do kết cấu dạng thớ của thân cây. Hầu hết các loại thân, phụ phẩm nông nghiệp khác cũng có kết cấu thớ. Do vậy, xu hướng ảnh hưởng của các góc nói trên có thể áp dụng khi băm các loại cây khác. + Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng trong tính toán thiết kế và lựa chọn thông số làm việc cho các máy băm dạng đĩa, góp phần khai thác và xử lý phụ phẩm nông nghiệp phục vụ sản xuất và đời sống, giảm chi phí năng lượng, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 4. Những đóng góp mới của luận án + Đã nghiên cứu lực và công suất cắt thân cây ngô cho mô hình cắt có dao kê – thế giới chưa có nghiên cứu trong phạm vi này; + Đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây tới lực cắt thân cây ngô cho mô hình cắt có dao kê – đây cũng là một đóng góp mới so với các công bố khoa học trước; + Giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu, cân bằng lợi ích hai hàm lực và công suất cắt đồng thời. Đã xác định được bộ thông số hợp lý của quá trình băm thực nghiệm, làm cơ sở thiết kế và chế tạo máy băm phụ phẩm nông nghiệp ứng dụng vào thực tiễn sản xuất;
6 + Đã đề xuất biên dạng lưỡi dao dạng xoắn ốc logarit và đánh giá ưu điểm của biên dạng này so với lưỡi dao thẳng và lưỡi dao cung tròn. Sử dụng biên dạng được đề xuất cho phép duy trì góc hợp bởi lưỡi dao và bó nguyên liệu là không đổi dọc theo chiều dài lưỡi cắt. Từ đó, giúp nâng cao hiệu suất của quá trình băm cắt; + Phát triển giải thuật phép tính toán và vẽ biên dạng lưỡi dao hoàn toàn tự động theo các kích cỡ khác nhau. Mô đun phần mềm nhúng trong môi trường AutoCAD cho phép vừa tạo bản vẽ kỹ thuật, vừa kết xuất bộ dữ liệu tọa độ điểm phục vụ gia công dao trên máy CNC. 5. Cấu trúc nội dung luận án Nội dung luận án gồm phần mở đầu, 04 chương và phần kết luận. Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Những đóng góp mới của luận án cũng được giới thiệu tóm tắt. Thông tin tổng quan về vấn đề nghiên cứu được trình bày trong chương 1. Chương này trình bày thông tin tổng quan tài liệu từ các nghiên cứu liên quan đến đề tài. Trước tiên, tình hình sản xuất ngô và khả năng sử dụng phụ phẩm từ ngô cho công nghiệp chế biến trong những năm gần đây. Tiếp theo, sẽ trình bày tóm tắt các đặc tính của cây ngô. Đây là các thông số tham khảo quan trọng khi nghiên cứu phân tích quá trình băm phụ phẩm. Một số công nghệ chế biến phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác được trình bày. Nguyên lý các máy băm, nghiên cứu thực nghiệm, kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ được tổng quan đầy đủ. Qua đó, xác định hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2 trình bày những lý thuyết cơ bản của quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp, được sử dụng làm cơ sở cho vấn đề nghiên cứu của đề tài. Cách thức thiết kế, chế tạo thiết bị và kế hoạch