Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" được nghiên cứu với mục tiêu: Xây dựng được cơ sở khoa học của quá trình bẻ ngọn, tách lá mía; lựa chọn nguyên lý, kết cấu và xác định một số thông số chính của bộ phận công tác ảnh hưởng đến chất lượng mía thu hoạch và chi phí năng lượng riêng, làm cơ sở để thiết kế, chế tạo bộ phận bẻ ngọn, tách lá mía ứng dụng trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 NN VÀ CÔNG NGHỆ STH –––––––––––***––––––––––– Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Lâm Nghiệp NGUYỄN ĐỨC THẬT Vào hồi ……giờ............ngày............tháng............năm 2021 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc gia và Thư viện trường Đại học Lâm nghiệp CỦA BỘ PHẬN TÁCH NGỌN VÀ LÁ ỨNG DỤNG TRÊN MÁY LIÊN HỢP THU HOẠCH MÍA NGUYÊN CÂY Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 952 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2023
2 Luận án được hoàn thành tại: VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH Người hướng dẫn khoa học: 1. TSKH. Bạch Quốc Khang 2. PGS. TS. Lương Văn Vượt Phản biện 1: PGS.TS. Chu Văn Thiện Phản biện 2: PGS.TS. Nông Văn Vìn Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Đình Tùng Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch. Vào hồi giờ phút, ngày tháng năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia và Thư viện Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch Hà Nội, 2023
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Mía là cây công nghiệp trọng điểm ở Việt Nam, có lượng sinh khối lớn cần phải xử lý khi thu hoạch. Niên vụ 2020÷2021 tổng diện tích trồng mía nước ta đạt 165,9 nghìn ha, phân bố dàn trải từ Bắc đến Nam, tổng sản lượng mía đạt trên 10,741 triệu tấn. Thu hoạch mía (THM) là công đoạn nặng nhọc, chiếm 1820% tổng chi phí sản xuất mía nguyên liệu. Ngọn và lá mía có tỷ lệ đường thấp, cần được loại bỏ trong quá trình thu hoạch, trước khi đưa về nhà máy chế biến. THM để nguyên cây được thực hiện theo hai phương pháp: thu hoạch nhiều giai đoạn và thu hoạch một giai đoạn. Phương pháp thu hoạch nhiều giai đoạn có chi phí cao, tốn nhân công, trong tương lai ít sử dụng. Phương pháp THM để nguyên cây một giai đoạn thực hiện liên hoàn các công việc: cắt ngọn, cắt gốc, làm sạch lá, xả mía vào thùng chứa. Máy liên hợp THM dạng này có lợi thế về năng suất, kích cỡ máy và qui mô đồng ruộng, đường giao thông, phù hợp với trên 50% diện tích vùng nguyên liệu tại Việt Nam hiện nay và trong tương lai. 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... Việc loại bỏ ngọn mía bằng bộ phận cắt ngọn lắp phía trước máy liên hợp THM cho hiệu quả vận hành không cao. Do đó cần phải có những nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm góp phần hoàn thiện thiết kế, chế tạo máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. 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. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng được cơ sở khoa học của quá trình bẻ ngọn, tách lá mía; lựa chọn nguyên lý, kết cấu và xác định một số thông số chính của bộ phận công tác ảnh hưởng đến chất lượng mía thu hoạch và chi phí năng lượng riêng, làm cơ sở để thiết kế, chế tạo bộ phận bẻ ngọn, tách lá mía ứng dụng trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn.
2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là quá trình tách ngọn và lá mía trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Các nghiên cứu tập trung vào xác định mô hình và các thông số chính ảnh hưởng đến việc tách ngọn và lá mía, với các giả thiết: + Xét cây mía ở trạng thái tiêu biểu, trong một đoạn thẳng, ngọn mía có hình tròn và đường kính đồng đều; ngọn, thân cây mía là vật liệu liên tục và đẳng hướng; + Bỏ qua trường hợp cây mía có thân cong; + Bỏ qua hiện tượng cây mía bị trượt trong quá trình được các quả lô của bộ phận tách ngọn và lá mía kéo đi; - Giống mía sử dụng nghiên cứu thực nghiệm: Roc 22; - Không nghiên cứu lại các đặc tính, ảnh hưởng một số yếu tố đầu vào đã có các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước thực hiện, kế thừa một số thông số: đặc tính cơ, lý của ngọn lá mía, khe hở của lô kẹp, đường kính lô... 4. Nội dung nghiên cứu ND1. Xác định nguyên lý làm việc của bộ phận tách ngọn và lá mía; ND2. 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; ND3. 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 ND4. Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố và tối ưu hóa quá trình tách ngọn và lá mía. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5.1. Ý nghĩa khoa học - Đề xuất được nguyên lý mới cho cơ cấu bẻ ngọn mía trong bộ phận tách ngọn và lá trên máy liên hợp THM nguyên cây. - Xây dựng được cơ sở lý thuyết để mô phỏng, khảo sát một số thông số kỹ thuật chính: Vận tốc cấp (Vk), chỉ số động học (), mật độ mía (q), khoảng cách tâm lô bẻ ngọn (Lm) ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình tách
3 ngọn và lá mía: tỷ lệ tạp chất (), tỷ lệ tổn thất () và chi phí năng lượng riêng (Ne). - Kết quả nghiên cứu bổ sung cơ sở dữ liệu về máy liên hợp THM và cũng là tài liệu tham khảo hữu ích trong lĩnh vực cơ khí nông nghiệp. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn - Góp phần hoàn thiện thiết kế và chế tạo máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. - Kết quả nghiên cứu bước đầu được ứng dụng để hoàn thiện thiết kế và chế tạo máy liên hợp THM nguyên cây SHC-0,2A, đây là một sản phẩm của dự án sản xuất thử nghiệm độc lập cấp nhà nước mã số DAĐL.CNN.11/15, máy đã được vận hành trong thực tế sản xuất tại Sơn La (năm 2019). 6. Những đóng góp mới của luận án - Đề xuất nguyên lý bẻ ngọn mía trong bộ phận tách ngọn và lá trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. - Xây dựng được mô hình động lực học biến dạng uốn của ngọn mía để khảo sát ảnh hưởng của một số thông số lý thuyết làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo bộ phận tách ngọn và lá ứng dụng trên máy liên hợp THM. - Xây dựng được mô hình toán học mô tả chuyển động của thân mía khi đi ra khỏi bộ phận tách ngọn và lá. Kết quả giải bài toán và mô phỏng là cơ sở để lựa chọn thông số làm việc của bộ phận tách ngọn và lá mía. - Xác định được các phương trình hồi qui thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và các hàm mục tiêu. Từ đó tìm chế độ làm việc hợp lý của bộ phận tách ngọn và lá trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu Qua nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước, rút ra các kết luận sau: 1. Phương pháp thu hoạch mía bằng máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn phù hợp với trên 50% diện tích mía nguyên liệu tại Việt Nam. Hạn chế lớn nhất của phương pháp này là chất lượng làm việc của khâu tách ngọn và lá mía có hiệu quả chưa cao. Do đó cần nghiên cứu hoàn thiện thiết kế bộ phận tách ngọn và lá mía trong cùng một bộ phận công tác.
4 2. Ngọn mía có chiều dài trung bình 47,11cm; khối lượng ngọn và lá xanh chiếm 16,7%, lá bẹ khô chiếm 3,8% tổng khối lượng cây mía. Ứng suất uốn tới hạn ở đốt ngọn trên cùng đạt 9,24 Mpa, tại các vị trí khác của cây mía từ 46,5 MPa đến 55,85 MPa. 3. Kết quả nghiên cứu bộ phận bẻ ngọn mía theo nguyên lý biến dạng toàn bộ để ứng dụng trên máy liên hợp THM nguyên cây đã công bố cho thấy tỷ lệ ngọn chưa gãy ở mức cao, lên tới 15%; tốc độ vòng quay của lô cấp liệu là 305vg/ph; lô bẻ ngọn là 520vg/ph. 4. Kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về quá trình tách lá mía đã chỉ ra một số thông số phù hợp: sử dụng cáp thép làm răng bóc; chiều dài răng bóc 98125mm; tốc độ vòng quay của lô bóc 8731000vg/ph; tốc độ vòng quay của lô cấp liệu 267305vg/ph tương đương với vận tốc cấp từ 35m/s. Tuy nhiên chưa có công trình nghiên cứu đồng thời tách lá và bẻ ngọn. 1.2. Đề xuất nguyên lý bộ phận bẻ ngọn mía Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tổng quan, Luận án đề xuất sơ đồ nguyên lý bộ phận bẻ ngọn như trên hình 1.1. 2 1 3 a) b) Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý bộ phận bẻ ngọn 1. Cây mía còn nguyên ngọn; 2. Cặp lô kẹp giữ; 3. lô bẻ ngọn Nguyên lý làm việc của bộ phận bẻ ngọn mía như sau: - Khi cây mía được cấp vào bộ phận tách ngọn và lá mía, do vận tốc lô tách lá và lô bẻ ngọn cao hơn nhiều vận tốc của lô kẹp, lá bị lôi về phía gốc mía và kéo giật ra khỏi thân cây. - Các lá mía khô, lá mía già sẽ bị bóc khỏi thân trước tiên. Các lá mía non ở phần ngọn chỉ bị tách ra sau khi răng bóc phá vỡ liên kết của bẹ lá với
5 thân vì thế phần lá non ở ngọn rất khó có thể tách ra khỏi ngọn mía. - Do vận tốc của lô tách lá lớn hơn nhiều so với vận tốc của lô kẹp nên các lá non phần ngọn sẽ bị đẩy ngược lại phía gốc. Một số lá non sẽ bị răng bóc cuốn theo lô. Tùy thuộc vào xác suất lá có thể bị kéo lên phía trên hoặc phía dưới. Đồng thời với lá, ngọn mía cũng bị kéo theo (hình 1.1a). Quá trình bẻ ngọn có thể xảy ra ngay lúc này khi ngọn mía bị kẹp cứng bởi lô kẹp như một khớp ngàm và lực kéo của răng bóc với lá mía đủ lớn để bẻ gãy ngọn mía. - Trong trường hợp lực kéo lá mía không đủ lớn, ngọn mía có xu hướng uốn cong vượt vào vùng va đập của đỉnh thanh bắt răng bóc. Lúc này đỉnh của thanh bắt răng bóc sẽ tác động trực tiếp lên ngọn mía gây ra biến dạng uốn (hình 1.1b) và làm gãy ngọn mía. Theo nguyên lý làm việc của bộ phận bẻ ngọn ở trên, chúng ta thấy, để tạo điều kiện thuận lợi cho việc bẻ được ngọn mía thì phải làm sạch toàn bộ lá trên thân mía từ dóng ngọn trở xuống. Do đó phải nghiên cứu đồng thời quá trình tách lá và bẻ ngọn. Như vậy bộ phận tách ngọn và lá mía sẽ gồm 2 mô đun: mô đun tách lá và mô đun bẻ ngọn. 1.3. Định hướng nhiệm vụ nghiên cứu tiếp theo Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về tách ngọn và lá mía, luận án đã xác định về cơ bản nguyên lý làm việc của bộ phận tách ngọn và lá mía sẽ được nghiên cứu để ứng dụng trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. Nhiệm vụ nghiên cứu tiếp theo luận án cần quan tâm giải quyết bao gồm: khảo sát quá trình tách lá mía khi cây mía còn nguyên ngọn; khảo sát động học, động lực học quá trình bẻ ngọn mía; nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số thông số tối ưu của bộ phận tách ngọn, lá mía. Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Áp dụng nguyên lý D’Alembert để lập các phương trình cân bằng động lực học của phân tố ngọn mía và thân cây mía trong hệ tọa độ Đề các, hệ tọa độ cực. Sử dụng các chương trình máy tính để giải các hệ phương trình vi phân đã lập, mô phỏng và khảo sát ảnh hưởng của một số thông số.
6 2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố Luận án sử dụng phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố để nhận diện sơ bộ quy luật tương tác và mức độ ảnh hưởng của từng thông số đến các chỉ tiêu, làm cơ sở để xác định khoảng nghiên cứu, khoảng biến thiên, mức biến thiên thích hợp. Trong nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố cần cố định các yếu tố khác, chỉ thay đổi một yếu tố đầu vào để xác định ảnh hưởng của nó đến chỉ tiêu đầu ra. Khoảng biến thiên và mức cơ sở được xác định qua kết quả nghiên cứu lý thuyết và qua các thí nghiệm thăm dò trên mô hình nghiên cứu, mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần. Áp dụng chương trình Table curve để xử lý kết quả tính toán. Kiểm tra mức ý nghĩa của hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student. Áp dụng tiêu chuẩn Fisher để kiểm tra tính tương thích của mô hình toán. Ảnh hưởng của các yếu tố vào đối với các chỉ tiêu được trình bày dưới dạng đồ thị. Tiến hành đánh giá, phân tích mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố tới hàm chỉ tiêu trên cơ sở phương trình thực nghiệm và đồ thị cho phép để đưa vào thực nghiệm đa yếu tố. 2.2.2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố Căn cứ vào nhiệm vụ nghiên cứu đã đặt ra trong chương 1 của luận án, mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm là nhằm xác định ảnh hưởng của một số thông số chính tới các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả làm việc của bộ phận tách ngọn và lá mía trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn: tỷ lệ tạp chất, tỷ lệ tổn thất, chi phí năng lượng riêng. Nghiên cứu thực nghiệm sẽ xác định chế độ tối ưu của bộ phận tách ngọn và lá mía. Mô hình nghiên cứu được thể hiện trên hình 2.1. X1 Y1 CƠ CHẾ X2 TÁC ĐỘNG TÁCH NGỌN Y2 X3 VÀ LÁ MÍA Y3 X4 Hình 2.1. Sơ đồ mô hình nghiên cứu
7 Căn cứ vào sơ đồ mô hình nghiên cứu trên hình 2.1, Luận án chọn phương án quy hoạch thực nghiệm bậc 2 hợp thành dạng Bn theo chuẩn D tối ưu vì nó có ưu điểm: Xây dựng đơn giản, các thông số biến đổi ở 3 mức, giá trị định thức lớn nên sai số thấp, số thí nghiệm nhỏ (Ntt = 2n + 2n = 24). Với ba mức biến đổi thông số vào, cho phép thực hiện nhanh, gọn toàn bộ kế hoạch thực nghiệm trong khoảng thời gian ngắn nhất. Mô hình hồi qui được xác định thông qua chương trình Matlab. 2.2.3. Phương pháp tối ưu hóa hàm mục tiêu Luận án sử dụng phương pháp giải bài toán thương lượng tìm cực trị có điều kiện để xác định các thông số tối ưu của bộ phận tách ngọn và lá mía. 2.3. Phương pháp thu thập thông tin Luận án sử dụng phương pháp thu thập thông tin qua nguồn thứ cấp và sơ cấp để có được thông tin về tình hình sản xuất mía trên thế giới, Việt Nam và kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực có liên quan. Chương 3 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA BỘ PHẬN TÁCH NGỌN VÀ LÁ MÍA 3.1. Quá trình tách lá mía bằng răng bóc Quá trình tách lá mía bằng răng bóc được mô tả trên hình 3.1. - Chiều dài quét của răng bóc trên thân cây mía được xác định như sau:  =2 √1 − + − (3.1) Trong đó: : Chiều dài quét của răng bóc (m); R1: bán kính đỉnh răng bóc (m); k: Tỷ số chiều cao đặt lô bóc; : Chỉ số động học. Hình 3.1. Quá trình tách lá ra khỏi thân cây mía 1. Lô bóc; 2. Răng bóc; 3. Cây mía. - Hệ số quét lặp của răng bóc được xác định theo công thức: 2.Z = . √1 − + . − (3.2) Trong đó:
8 : Hệ số quét lặp; Z: Số hàng răng bóc trên chu vi đường kính của lô; : Chỉ số động học; k: Tỷ số chiều cao đặt lô bóc; Điều kiện để tách được lá mía ra khỏi thân cây: - Chiều dài quét trên thân mía của một răng bóc phải luôn lớn hơn hoặc bằng chiều dài của một dóng mía, 100180mm; - Tần suất quét trung bình, hệ số quét lặp trung bình phải đủ lớn; - Lực tác động của đầu răng vào thân mía phải đủ lớn để chọc thủng bẹ nhưng không được làm tổn thương thân cây mía. Với các điều kiện trên, chúng ta tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố động học đến quá trình tách lá mía bằng răng bóc. 3.2. Ảnh hưởng của các yếu tố động học đến quá trình tách lá mía bằng răng bóc 3.2.1. Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc và chỉ số động học đến chiều dài quét Mối quan hệ giữa chiều dài quét của răng bóc và tỷ số chiều cao đặt lô ở từng chỉ số động học được thể hiện trên hình 3.2. Theo hình 3.2, khi tỷ số chiều cao đặt lô (k) tăng thì chiều dài quét giảm. Với các giá trị khác nhau của chỉ số động 250  , 3.0 học () thì mức độ 200 , 3.5 biến thiên của chiều , 4.0 150 , 4.5 , mm dài quét theo tỷ số , 5.0 chiều cao đặt lô là 100 , 5.5 , 6.0 khác nhau. Chỉ số 50 , 6.5 động học càng tăng thì , 7.0 0 đường đặc tính càng 0.4 , 0.5 , 0.6 , 0.7 , 0.8 , 0.9 , dốc có nghĩa là mức k độ giảm của chiều dài Hình 3.2. Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc đến chiều dài quét của răng bóc
9 quét càng nhanh khi tỷ số chiều cao đặt lô tăng dần ứng với chỉ số động học tăng dần. Để đảm bảo chiều dài quét luôn > 100mm thì tỷ số chiều cao đặt lô k
10 - Ngọn mía có đường kính không đổi và có mô đun đàn hồi không đổi trên toàn chiều dài đoạn đang xét. - Trong mô hình nghiên cứu không xét đến ảnh hưởng của mô men xoắn cây mía do bán kính cây mía nhỏ. - Các lực tác dụng lên ngọn mía theo hướng dọc trục bản thân và vuông góc với đường trung hòa của thân cây mía do đó ngọn mía chỉ chịu biến dạng uốn và kéo trong quá trình làm việc. Như vậy mô hình biến dạng của cây mía là mô hình uốn ngang phẳng. Các lực tác dụng lên ngọn mía được mô tả trên hình 3.4. Hình 3.4. Sơ đồ lực tác dụng lên ngọn mía 3.3.2. Mô hình biến dạng của ngọn mía Trên đường đàn hồi của ngọn mía xét một phân tố ngọn mía có chiều dài cung ds (hình 3.5) có chuyển vị góc d với khối lượng =  Trong đó: A – diện tích mặt cắt của phân tố (m2);  – Khối lượng riêng của phân tố ngọn mía (kg/m3). x N M dP Q y ax ay Q+dQ  d M+dM N+dN Hình 3.5. Mô hình động lực học phân tố ngọn mía
11 Lập hệ phương trình cân bằng lực theo các phương x, y và mô men ta có. - Phương trình cân bằng lực theo phương x ta có:    − − + − +( + ) + − 2 2 2  −( + ) + − = ; (3.3) 2 - Phương trình cân bằng lực theo phương y ta có:    − − − − +( + ) + 2 2 2  +( + ) + + = ; (3.4) 2 - Phương trình cân bằng mô men lấy tại tâm của phân tố ds:     + − + + + − =0 (3.5)  2  2  Từ các phương trình trên, qua biến đổi ta được hệ phương trình vi phân mô tả biến dạng uốn của ngọn mía như sau:             − +2 − ( ) + + =  (a)                  + 2 + ( ) − ( ) − =  ( ) (b) (3.6)        Hệ phương trình này có thể giải bằng phương pháp runge-kutta dựa trên phần mềm mở Matlab với các điều kiện biên như dưới đây. 1. Tại s=0. Cây mía được kẹp dạng ngàm nên ta có:  = 0; ( = 0) = 0; ( = 0) = 0   2. Tại s=l; = 0; = 0; = 0; = 0; (3.7)  3. Tại t=0;  = 0; =0  3.3.3. Điều kiện bẻ gãy ngọn mía Ứng suất do uốn phân bố đối xứng so với tâm của tiết diện cây mía. Giá trị tuyệt đối của ứng suất phía trên, phía dưới được tính theo công thức: Giá trị tuyệt đối của ứng suất mặt trên và mặt dưới. | | = −4 (3.8)
12 | | = +4 (3.9) Trong đó ds là đường kính dóng mía tại điểm đang xét. Ngọn mía sẽ thông thường sẽ bị bẻ gãy ở vòng sinh trưởng và như nhận xét ở trên, vật liệu đốt của dóng mía ở đây là loại vật liệu giòn do đó quá trình bẻ gãy sẽ không qua giai đoạn biến dạng dẻo và ở vùng ứng suất kéo vì thế điều kiện bẻ gãy của thân mía là khi ứng suất do kéo vượt qua giới hạn bền hay = +4 >[ ] (3.10) Trong đó [ ] là ứng suất bền kéo của vòng sinh trưởng 3.4. Khảo sát mô phỏng quá trình bẻ ngọn mía 3.4.1. Thuật toán mô phỏng Để giải hệ phương trình (3.6) ta sử dụng phương pháp sai phân, chia nhỏ cánh thành n phần có độ dài bằng nhau ℎ = ; Các nút được đánh số thứ tự từ 0 đến n trong đó nút 0 là vị trí ngàm kẹp. Phương trình (3.6) sẽ được viết dưới dạng:             = [− +2 − ( ) + + ] (a)  .                 = −2 − ( ) + ( ) + −  ( ) (b) (3.11)        Đây là hệ 2 phương trình vi phân bậc 2. Phương trình (3.11a) theo biến t và phương trình (3.11b) theo φ. 3.4.2. Khảo sát quá trình động Sử dụng phần mềm Matlab giải hệ phương trình vi (3.11), Sau đó tiến hành mô phỏng trên máy tính, kết quả thể hiện trên hình 3.6, 3.7. Qua đồ thị ta thấy, ở giai đoạn đầu quá trình động, đỉnh thanh bẻ ngọn tác dụng vào ngọn mía sẽ làm cong ngọn mía tại đúng vị trí đập và ở đây có mô men uốn lớn nhất. Tuy nhiên theo thời gian các lực quán tính của quá trình động so với mô men đàn hồi sẽ không đáng kể và quá trình uốn gần giống với quá trình uốn tĩnh.
13 300 , 0.14 , 0.5 ms , 0.5 ms , 1.0 ms 250 , 0.12 , 1.0 ms , 1.5 ms , 1.5 ms , 2.0 ms , 2.0 ms 200 , 2.5 ms , 0.1 , , 2.5 ms 3.0 ms , 3.0 ms 150 , 3.5 ms , 0.08 , 3.5 ms , 4.0 ms Muon, Nm , 4.0 ms , 4.5 ms 100 Y,m , 0.06 , 4.5 ms 5,0 ms 5,0 ms 50 , 0.04 0 , 0.02 -50 0 -100 , -0.02 0 , 0.05 , 0.1 , 0.15 , 0.2 , 0.25 , 0.3 0 , 0.05 , 0.1 , 0.15 , 0.2 , 0.25 , 0.3 , 0.35 s,m s,m Hình 3.6. Dịch chuyển thẳng đứng Hình 3.7. Mô men uốn theo thời gian ở theo chiều dài ở các thời gian khác nhau các điểm khác nhau trên ngọn mía 3.4.3. Khảo sát quá trình tĩnh Hệ phương trình mô tả biến dạng tĩnh của ngọn mía như sau:     + =0       − + + =0 (3.12)   Sử dụng phần mềm Matlab để giải hệ phương trình (3.12), sau đó mô phỏng trên máy tính ta được kết quả như dưới đây. 80 30 9 9 70 18 18 27 25 27 36 60 36 45 45 54 20 54 50 63 63 72 Mu,Nm 72 ,Mpa 40 81 15 81 90 90 30 10 20 5 10 0 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 300 350 400 s,mm s,mm Hình 3.8. Mô men uốn của ngọn Hình 3.9. Ứng suất uốn của ngọn mía theo chiều dài ngọn mía ở các góc mía theo chiều dài ở các góc quay quay khác nhau của thanh bẻ ngọn khác nhau của thanh bẻ ngọn Theo hình 3.8, Khi góc quay của thanh bẻ ngọn nhỏ, đồ thị mô men uốn là đường bậc nhất, tỷ lệ nghịch với chiều dài ngọn. Khi góc quay của thanh bẻ ngọn lớn, đồ thị mô men uốn là một đường cong tỷ lệ nghịch với chiều
14 dài ngọn. Chiều dài ngọn mía ở khoảng 250350mm thì mô men uốn của ngọn mía 0. Theo hình 3.9, với mọi góc quay của thanh bẻ ngọn, ứng suất uốn của ngọn mía nhỏ nhất khi chiều dài ngọn mía ở khoảng 250350mm. Ứng suất uốn tỷ lệ nghịch với chiều dài ngọn mía và tỷ lệ thuận với góc quay của thanh bẻ ngọn. 30 0 25 , 0.05 , 0.1 20 , 0.15  max,Mpa , 0.2 Y,m 15 , 0.25 10 , 0.3 , 0.35 5 , 0.4 , 0.45 , , , 0 0 , 0.1 0.2 , 0.3 0.4 0.5 , 0.6 0 , 0.2 , 0.4 , 0.6 , 0.8 1 , 1.2 , 1.4 , 1.6 X,m O  Hình 3.10. Ứng suất uốn cực đại của Hình 3.11. Biến dạng của ngọn mía ở ngọn mía theo các góc quay () các góc quay của thanh bẻ ngọn của thanh bẻ ngọn Theo hình 3.10, đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất cực đại của ngọn mía với góc quay của thanh bẻ ngọn là một nhánh của parabol. Ứng suất uốn cực đại của ngọn mía tỷ lệ thuận với góc quay của thanh bẻ ngọn. Ứng suất uốn cực đại của ngọn mía đạt giá trị lớn nhất khi góc quay của thanh bẻ ngọn là 1,4. Theo hình 3.12, tại mỗi giá trị của Rd thì ứng suất cực đại nghịch biến với ΔXd. Điều này có nghĩa nếu khoảng cách từ lô bẻ ngọn đến lô kẹp càng nhỏ thì ứng suất cực đại càng tăng. Đồng thời khi Rd tăng thì ứng suất cực đại cũng giảm đối với vùng giá trị nhỏ của ΔXd,. Tuy nhiên trong thực tế, không thể giảm ΔXd quá nhỏ vì khi đạt giá trị max thì điểm “mặt trăng” (điểm dễ gãy nhất của ngọn mía) đã vượt qua điểm kẹp. Giá trị của ΔXd cần được xác định bằng thực nghiệm để vị trí kẹp (nơi có , ứng suất cao nhất) gần với “mặt trăng” nhất.
15 22 45 30 100 40 150 50 40 200 , 21.5 60 250 70 300 80 35 21  max,Mpa 30 max,Mpa 25 , 20.5 20 20 15 , 19.5 10 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 , 0.1 , 0.15 , 0.2 , 0.25 , 0.3 , 0.35 , 0.4 Rd,mm  Xd,mm Xd, m Hình 3.12. Ảnh hưởng của ΔXd với Hình 3.13. Ảnh hưởng của Rd với các Rd khác nhau tới ứng suất cực đại giá trị của Δhd tới ứng suất cực đại Theo hình 3.13, tại khoảng giá trị Rd = 140÷200mm thì ứng suất cực đại đạt giá trị lớn nhất. Với mỗi giá trị của Δhd thì có 1 giá trị của Rd mà ở đó ứng suất đạt cực đại. Tuy nhiên để đảm bảo kết cấu máy phù hợp, chúng tôi lựa chọn Rd =150mm và khi đó Δhd = 60mm. 3.5. Xây dựng mô hình khảo sát quá trình bay của cây mía sau khi ra khỏi bộ phận tách ngọn và lá mía 3.5.1. Xây dựng mô hình chuyển động (bay) của thân cây mía Quá trình bay của thân cây mía chia thành 2 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Khi thân mía vẫn còn tì vào lô cuối. Do tác dụng của lực trọng trường lệch khỏi điểm tỳ của thân mía với lô nên cây mía sẽ chịu mô men xoay cây mía. Đồng thời trọng tâm của cây mía sẽ chuyển động xuống phía dưới. - Giai đoạn 2: Khi toàn bộ thân cây mía đã thoát khỏi lô vận chuyển cuối. Toàn bộ cây mía sẽ quay và rơi tự do. Phương trình chuyển động của cây phía ở giai đoạn 1 có dạng sau: ̈ =−  ±  ̈ =−  ∓  + (3.13) ̈ = Trong đó: m - khối lượng thân cây mía (kg); Jm – Mô men quán tính theo trục ngang ở tâm thân cây mía (kg.m2); lx – khoảng cách MB (m);
16 Nm – phản lực pháp tuyến lên thân cây mía tại điểm B (N); G =mg – trọng lượng thân cây mía (N). Tại phương trình (3.13), dấu  phụ thuộc vào hướng của lực ma sát. Khi vận tốc theo dọc thân cây mía nhỏ hơn vận tốc của trống quay lực ma sát theo hướng sang trái và ngược lại. Từ hệ phương trình (3.13), sau khi biến đổi ta thu được hệ phương trình vi phân 3 ẩn mô tả chuyển động của cây mía ở pha 1 như sau: ̇  − ̇  − ̇  − ̇  =0 ̈  −2 ̇ ̇  − ̈  − ̇  − ̈  −2 ̇ ̇  − ̈  + ̇  =0 (3.14) Như vậy hệ phương trình (3.14) là hệ phương trình vi phân 3 ẩn , ,  , có thể giải theo phương pháp Runge-Kutta. Vy XA,YA m N XM,YM Vx ω B M Nm.f G O x y Hình 3.14. Sơ đồ chuyển động của thân cây mía ở pha 1 Phương trình chuyển động của cây mía ở giai đoạn 2. Ở giai đoạn 2 cây mía chuyển động rơi tự do chỉ có tác dụng của lực trọng trường. Phương trình chuyển động của cây mía như sau.  X M  X M 1  X M 1 .t  gt 2 Y M  Y M 1  Y M 1 .t  2     M 1   M 1 .t (3.15)
17   Trong đó: X M 1 , X M 1 , YM 1 , YM 1 là giá trị của tọa độ và vận tốc của trọng tâm cây mía ở cuối giai đoạn 1.   M 1 ,  M 1 - góc xoay và vận tốc góc của thân cây mía ở cuối giai đoạn 1. 3.5.2. Mô phỏng quĩ đạo chuyển động của thân cây mía Áp dụng phương pháp Runge-Kutta với sự trợ giúp của phần mềm Matlab để giải hệ phương trình (3.14). Kết quả mô phỏng quĩ đạo chuyển động của thân cây mía sau khi đi ra khỏi bộ phận tách ngọn và lá được thể hiện trên hình 3.15. Theo kết quả mô phỏng trên hình 3.15, lúc mới ra khỏi bộ phận tách ngọn và lá, quĩ đạo ngọn và gốc mía gần như trùng nhau. Điểm bay xa nhất của thân mía từ 2,5  4,5m. Qua kết quả mô phỏng, ta xác định được vị trí đặt rơ mooc để thu gom thân mía đảm bảo giảm tổn thất mía. Theo hình 3.16, khi vận tốc ban đầu tăng thì ngọn và gốc mía đều bay cao và xa hơn. Tuy nhiên để thân mía không bay ra khỏi rơ mooc thì vận tốc ban đầu phải nằm trong khoảng 36m/s, khi đó điểm bay xa nhất của gốc, ngọn mía từ 26m. Khi vận tốc ban đầu >6 m/s thì cây mía bay xa quá 3 m ở chiều cao 1 m. -1 , -1.5 , 2.0 , 3.0 -1 , 4.0 , -0.5 , 5.0 , 6.0 , -0.5 , 6.0 , 8.0 0 Y,m Y,m 0 , 0.5 , 0.5 1 1 , 1.5 , 1.5 -1 0 1 2 3 4 5 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 X, m X,m Hình 3.15. Quỹ đạo chuyển động Hình 3.16. Quỹ đạo chuyển động của thân cây mía của gốc và ngọn mía ở các vận tốc ban đầu V0 khác nhau Kết luận chương 3 1. Quá trình tách lá mía phụ thuộc nhiều vào chỉ số động học λ và tỷ số chiều cao đặt lô k. Kết quả khảo sát lý thuyết cho thấy, để đảm bảo điều kiện
18 tách lá mía thì λ  3,5 và k