tóm tắt luận án nghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch mía

Mục đích nghiên cứu Có được cơ sở khoa học quá trình bóc lá mía, xác định một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mía sau bóc và chi phí năng lượng riêng của bộ phận bóc lá mía làm cơ

MỞ ĐẦU

Yêu cầu quan trọng đặt ra cho khâu thu hoạch bằng cơ giới hóa là phải giảm thiểu tối đa hao hụt Thật vậy, theo Carlos Leon (Philsurin 3/2010): “cứ 1% tạp chất sẽ giảm đi 0,1 ÷ 2% tổng thu hồi trong chế biến, có nghĩa là cứ tăng 1% tạp chất sẽ mất đi từ 2 ÷ 4 kg đường/tấn mía ép”, nên việc bóc lá, loại bỏ tạp chất trước chế biến không những giảm hao hụt lượng đường mà còn giảm chi phí cho công đoạn tách bỏ tạp chất trong chế biến Bên cạnh đó, đối với phương pháp thu hoạch bằng máy nhiều giai đoạn, mía trước khi thu hoạch được đốt để loại bỏ phần lá, như vây ngoài việc ảnh hưởng môi trường, tiêu diệt các loại thiên địch có lợi thì phương pháp này còn làm đất trai cứng, mất cấu tượng, còn thu hoạch theo phương pháp một giai đoạn không những giảm chi phí nhân công

mà còn trả lại cho đất một lượng lá mía lớn sẽ giúp cải tạo đất Tuy nhiên, phương pháp này cần đòi hỏi chi phí ban đầu lớn và LHM phải có bộ phận bóc

lá mía hoạt động hiệu quả Do vậy, cần phải có những nghiên cứu cơ bản nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc của bộ phận bóc trong LHMTHM

Vì những lý do trên nên việc thực hiện đề tài luận án: “Nghiên cứu xác

định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch mía” là cấp thiết

Mục đích nghiên cứu

Có được cơ sở khoa học quá trình bóc lá mía, xác định một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mía sau bóc và chi phí năng lượng riêng của bộ phận bóc lá mía làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo bộ phận bóc lá mía trong LHMTHM

Nhiệm vụ nghiên cứu

- Khảo sát nguyên lý làm việc và kết cấu một số bộ phận bóc lá mía

- Nguyên cứu một số đặc điểm cơ lý hóa của nguyên liệu mía Việt Nam + Kích thước cây mía

+ Độ cứng cây mía

+ Giới hạn phá vỡ cây

+ Hệ số ma sát cây với một số vật liệu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định một số thông số của bộ phận bóc lá mía trong LHMTHM

+ Nghiên cứu động học ảnh hưởng đến quá trình tách, róc lá mía

+ Nghiên cứu động lực học quá trình tách, róc lá mía

- Thiết kế chế tạo mẫu bộ phận bóc lá mía thí nghiệm

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của một số thông số tới chất lượng làm việc, chi phí năng lượng riêng

+ Nghiên cứu đơn yếu tố

+ Nghiên cứu đa yếu tố

+ Giải bài toán tối ưu bằng phương pháp thương lượng có điều kiện

Cấu trúc luận án:

Luận án gồm 130 trang (chưa kể tài liệu tham khảo và phụ lục), bao gồm phần mở đầu, kết luận và 4 chương, trong đó có 19 bảng biểu, 89 hình vẽ, đồ thị

và ảnh chụp Ngoài ra có danh mục 91 tài liệu tham khảo và 5 phụ lục

Sau đây là nội dụng tóm tắt luận án:

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Trên cơ sở phân tích tình hình sản xuất mía tại Việt Nam và trên thế giới, tình hình áp dụng công nghệ thu hoạch mía, nghiên cứu ứng dụng bộ phận bóc lá mía và nghiên cứu kết cấu răng bóc lá mía có thể rút ra những nhận xét sau:

- Trong quy trình công nghệ và phương pháp thu hoạch mía khâu tốn nhiều công nhất là khâu thu hoạch mía, nó ảnh hưởng lớn đến năng suất, chất lượng, chi phí tài chính Trong đó, phương pháp thu hoạch mía bằng máy với công nghệ thu hoạch mía 1 giai đoạn là lựa chọn phù hợp, đảm bảo tính cấp thiết trong điều kiện hiện nay

- Nhằm giảm tỷ lệ hao hụt mía đường, trả lại độ phì cho đất, không gây ảnh hưởng đến môi trường và giảm chi phí tài chính, yêu cầu cấp thiết cần có bộ phận bóc lá mía trong LHMTHM hoạt động hiệu quả

- Qua một số kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về bộ phận bóc

lá mía, loại răng bóc lá mía trên thế giới và tại Việt Nam cho thấy: những nghiên cứu đã đưa ra một số thông số hình học, động học của bộ phận bóc lá mía Các tác giả của Trung Quốc đã đánh giá ba loại vật liệu làm răng bóc là cao su, cao phân tử, cáp thép và bước đầu lựa chọn loại răng cao phân tử dựa trên độ bền của răng mà chưa xét đến chỉ tiêu độ sạch, độ tổn thương cây sau bóc, chi phí năng lượng riêng, chi phí tài chính, công nghệ chế tạo răng bóc nên việc lựa chọn này là chưa thoả đáng

- Qua những phân tích, đánh giá và một số thử nghiệm nguyên lý, loại răng bóc đề tài đã lựa chọn nguyên lý bóc lá mía tư thế cây nằm, chuyển dọc, gốc vào trước với loại răng bóc là cáp thép áp dụng trên LHMTHM nguyên cây

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 2.1 Một số đặc điểm cơ lý tính và sinh hóa của cây mía

Đã giới thiệu cấu tạo, thành phần hoá học, phản ứng hoá học xảy ra tại vết tổn thương (đường → dấm) từ đó đưa ra khăng định sau: với những vị trí trên thân cây mía bị tác động do răng bóc làm mía biến đổi mầu sắc từ trắng sang đỏ

là những vị trí tổn thương và lượng mía bị biến đổi màu là lượng hao hụt mía do tổn thương Ngoài ra chương này đã đưa ra các chỉ tiêu đánh giá như: tỷ lệ sót lá đối với bộ phận bóc được nghiên cứu phải nhỏ hơn 10%, cách xác định tỷ lệ sót

lá sau bóc, tỷ lệ tổn thương cây, chi phí năng lượng riêng

2.2 Xác định lực phân bố tác dụng lên răng bóc bằng phương pháp thực nghiệm

Lực phân bố tác dụng lên răng bóc p phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mật

độ cây mía trên đồng, vận tốc tiến của LHMTHM và các yếu tố khác vì thế việc xác định p là khá phức tạp Từ những điều này, ta thấy để xác định được lực phân bố tác dụng lên răng bóc chỉ có thể bằng phương pháp thực nghiệm xác định sơ bộ được giá trị trung bình p

Tại đây, ta có thể xác định công suất tiêu thụ cho 1 lô bóc:

N = Nt – Nr - Nk (2.1)

Trong đó: Nk - công suất tiêu thu của bộ phận lắp 1 lô bóc khi chạy không tải

Nr - công suất tiêu thụ của hai cặp lô kẹp và rút khi cấp liệu

Nt - công suất tiêu thụ của bộ phận làm việc với 1 lô bóc khi cấp liệu Xem lớp mía là một khối cản có bề dày bằng đường kính trung bình của cây mía, từ đó ta có thể xác định được lực phân bố tác dụng lên răng bóc theo công thức sau:

m

* 1

ω

N

p (2.2)

Trong đó: p – Lực phân bố; N - Công suất tiêu thụ 1 lô bóc;

R1 – Bán kính ngoài lô bóc; Z*– Số lượng răng bóc trong 1 cánh;

dm – Đường kính cây mía; ωb – Vận tốc góc của lô bóc;

Kết quả đo lực phân bố tác dụng lên răng bóc được trình bày tại bảng 2.1

Bảng 2.1 Kết quả đo lực tác dụng lên răng bóc

Kết quả đo sơ bộ khoảng giá trị p trên đây là cơ sở bước đầu để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách róc trong bộ phận bóc lá mía

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được dựa trên nguyên tắc chung của các phương pháp lập và giải các bài toán trong cơ học như tĩnh học, động học, động lực học trên cơ sở các định luật, nguyên lý, Từ đó lập được các phương trình cân bằng của hệ và các phương trình vi phân chuyển động tương đối của cây mía trong

hệ tọa độ đề các, hệ tọa độ cực Sử dụng các biến đổi toán học để đưa các phương trình về dạng đơn giản và tìm lời giải, từ các điều kiện biên xác định các hằng số tích phân Đề tài đã sử dụng phương pháp giải tích, phương pháp số

2.3.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm gồm:

- Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố

Chương 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THỐNG SỐ CỦA BỘ PHẬN BÓC LÁ MÍA TRONG LIÊN HỢP

MÁY THU HOẠCH MÍA

Yêu cầu quan trọng nhất đối với chương này là phân tích đánh giá hiện tượng, quá trình diễn ra khi bộ phận phận bóc làm việc từ đó xây dựng mô hình động học, động lực học nhằm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bóc dựa trên hai chỉ tiêu chính là chiều dài quét Δ, độ võng của răng bóc w

3.1 Quá trình tách, róc lá mía bằng răng bóc tại lô bóc

Với kết cấu bộ phận bóc được chọn thì hiện tượng xuất hiện trong qua trình bóc chủ yếu thuộc trường hợp b Tuy nhiên chiều dài răng lớn hơn nhiều so với biên độ thay đổi đường kinh cây mía vì vậy khi tính toán ta quy về trường hợp c

(a) (c)

(b) (d)

Hình 3.1 Các trường hợp xảy ra khi răng bóc tác động đến cây mía

(a)-răng bóc tác động giữa phần trên thân cây mía; (b)-răng bóc tác động cạnh cây mía (d c <d m ); (c)-răng bóc tác động cạnh cây mía (d c ≈ d m ); (d)-hình biều diễn kích thức răng;

d c -khoảng cách giữa hai răng bóc; d m -đường kính cây mía; d cb -đường kính răng bóc;

ω b -vận tốc góc lô bóc; V-vận tốc tiến cây mía

A Vị trí đầu răng bóc bắt đầu chạm vào cây

B Vị trí đầu răng bóc tại thời điểm kết thúc quá trình tách

Hình 3.2 Sơ đồ quá trình tách, róc lá ra khỏi thân cây mía

của răng bóc tại lô bóc

Qua phân tích ta thấy: quá trình bóc lá mía của răng bóc trong bộ phận bóc lá mía bao gồm giai đoạn sau:

1 - Quá trình tách lá từ vị trí A đến vị trí B hình 3.2

2 - Quá trình róc lá tương ứng với khoảng cách khi răng cáp đi từ vị trí B đến C hình 3.2

3.2 Khảo sát động học quá trình tách, róc lá ra khỏi cây bằng răng bóc

Giả thiết mô hình:

1- Chưa xét đến biến dạng cong của răng bóc khi khảo sát;

2- Cây mía chuyển động vuông góc trục lô bóc với vận tốc không đổi;

3- Khoảng cách từ tâm trục bóc đến cây mía không thay đổi

h: Khoảng cách từ cây mía đến tâm lô bóc

ω b : Vận tốc góc của lô bóc

R 1 : Bán kính ngoài của lô bóc

R 0 : Bán kính trong của lô bóc.

Hình 3.3 Sơ đồ khảo sát động học của cánh bóc

Giả thiết: Tại thời điểm bắt đầu khảo sát trục OY ≡ O1Y1

Phương trình chuyển động của điểm đầu răng bóc được xác định:

t).sin(ωR

hY

t).cos(ωR

V.tX

b 1

b 1

(3.1) Chiều dài quét Δ được xác định như sau:

2R

harcsinω

2Vh

R2

-1 b

2 2

1 (3.2)

Với Z là số cánh bóc, hệ số quét lặp trung bình ξ được xác định:

π R

h arcsin π

Z h

R V π

Zω ξ

1

2 2 1

b

(3.3) Tần suất bóc trung bình xác định:

Hình 3.4 Đồ thị ảnh hưởng n b và V đến Δ

0 100 200 300 400 500 600

h (mm)

Δ (mm)

R1=175 mm R1=200 mm R1=225 mm R1=250 mm R1=275 mm R1=300 mm R1=325 mm

Hình 3.6 Ảnh hưởng của V, n b tới hệ số

quyét lặp trung bình

n b , min -1

25 30 35 40 45 50 55 60

Hình 3.7 Khảo sát chỉ tiêu tần suất đập

trên 1 mét chiều dài

Qua khảo sát sơ bộ ta chọn với R1 = 250 mm, nb=600 ÷ 1200 v/p; với

R1R=159 mm, V=3 ÷ 5 m/s; h = 150 ÷ 200 mm; Z = 8 thì Δ > 200 mm (chiều dài lóng mía) và trên một vị trí của thân cây mía có khoảng 4 tới 21 lần quyét, tần suất đập nằm trong khoảng 25 ÷ 60 có thể đảm bảo quá trình róc lá

3.3 Khảo sát động lực học quá trình tách, róc lá ra khỏi cây bằng cánh bóc

3.3.1 Thành lập phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc

Ta giả thiết như sau:

+ Xem lớp mía là một khối cản có bề dày bằng đường kính trung bình của cây mía + Bỏ qua lực cản do lá mía tự do

+ Xét trường hợp c hình 3.1 là trường hợp phổ biến như đã trình bày ở trên + Giả thiết biến dạng góc nhỏ w,(x,t) 1 Do đó có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực quán tính Coroilis, chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của lực quán tính ly tâm

+ Giả thiết răng bóc là một thanh đàn hồi, đồng chất có mặt cắt luôn phẳng và vuông góc với trục răng bóc Khi chưa biến dạng thì trục này là đường thẳng trùng với trục 0X (hình 3.8)

Xem xét biến dạng tương đối của răng bóc trong mặt phẳng vuông góc với trục quay, ta xây dựng hệ tọa độ tuyệt đối X0Z có tâm 0 tại chân răng bóc, khi răng bóc không bị tác dụng lực cản trục 0X vuông góc với phương tiến của cây mía, trục 0Z ngược với hướng chuyển động của cây mía (hình 3.8)

w: Độ võng;

p: Lực phân bố;

l c : Chiều dài răng bóc;

V: Vận tốc tiến cây mía;

ω b : Vận tốc góc lô bóc;

R 0 : Bán kính trong của lô bóc;

F qt : Lực quán tính ly tâm phân tố; h: Khoảng cách từ cây mía đến tâm lô bóc;

R 1 : Bán kính từ tâm lô bóc đến đỉnh răng bóc khi chưa biến dạng; r(x): Khoảng cách từ tâm lô bóc đến phân tố được xét

Hình 3.8 Mô hình biến dạng uốn của răng bóc khi tác động đến cây mía

Hình 3.9 Mô hình phân tố của răng bóc

* Để thiết lập phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc, ta áp dụng nguyên lý d ’ Alembert Từ điều kiện cân bằng lực theo phương Z ta có

x

Nx

Nx

Qw

μωt

w

b 2

2

(3.5)

Vì răng bóc chịu lực phân bố p vuông góc với trục của nó và chịu lực quán tính ly tâm Vậy lực pháp tuyến N có thể tính theo đoạn răng bóc từ mặt cắt xđến mặt cắt l c, tác dụng lên phân tố thoả mãn phương trình:

x 2R

x -

μω 2

Q

(3.8) Với: EI - độ cứng răng bóc

Từ (3.5), (3.6), (3.7), (3.8) qua biến đổi ta có phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc:

μ

px

wxR

ωx

wx2R

x-2

ωx

wμ

EIw

2 0

2 b 4

4 2

3.3.2 Điều kiện biên của phương trình vi phân biến dạng uốn răng bóc

Để giải phương trình (3.9), ta cần biết các điều kiện biên và điều kiện đầu Coi răng bóc là ngàm công xôn thì:

Tại x = 0; w(0,t) = 0; 0

x

t0,w

;

Tại x = l c ; 0

x

t,w2

2

c l

x

t,w3

3

c l

- Thời điểm kết thúc quá trình bóc của răng:

b

1 max

ωR

h2arcost

Điều kiện của h khi khảo sát ảnh hưởng

các thông số đến w theo:

h < (R0 + x)sin(φ1+ωbt) < h + dm (3.10)

Với dm: đường kính trung bình cây mía

Hình 3.10 Minh hoạ thời điểm bóc, điều kiện của h khi khảo sát

3.3.3 Phương pháp giải phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc

Để giải phương trình trên ta sử dụng phương pháp sai phân, chia nhỏ răng

p x

w x R ω x

w x 2R

x - 2

ω x

w μ

EI w

ω

t

0 2 b 2 (i) 2

0

2 b 4 (i) 4

i

i 1

z z

w z

; hay có dạng ma trận

1 2

1

ZZ

wZ

(3.12)

Ta có hệ phương trình vi phân

.

Z t, F Z

Trong đó:

;

Z

Z Z

1

.

(3.13) Đây là hệ phương trình vi phân bậc nhất có 2n ẩn 2n phương trình có thể giải được bằng phương pháp số

Tuy nhiên, để giải được hệ trên cần xác định được giá trị của vế phải f(w,t) trong phương trình (3.11) tại các nút i = 1÷n; trong đó cần xác định đạo hàm riêng của w theo x ở các bậc khác nhau

4

i 4 2 i

2 i

x

w

; x

w

; x

2

h

z2zz

z 2z 2z

z x

3

2 i 1 - i 1 i 2 i 3

z

(3.17)

2

1 i i 1 i 4

2 i 1 i i 1 i 2 i 4

h

zz2z

h

z4z6z4z

zx

w

(3.18)

Tuy vậy, các công thức trên chưa thể tính được đạo hàm tại các điểm đầu

và cuối do thiếu giá trị của w-1; wn+1; wn+2

Vì xem cánh bóc là ngàm công xôn do vậy các giá trị trên có thể xác định

từ điều kiện biên tại x = 0; w0 = 0; 0

x

0w

l

thế vào đạo hàm (3.16), (3.17) ta có

0h

w2w

wx

w

2

1 n n

1 n 2

n 2

(3.19)

Với wn+1 = 2wn-wn-1

0 2h

w 2w

2w w

x

w

3

2 n 1 n 1

n 2

n 3

Anh huong cua EI

EI, Nm 2

Hình 3.12 Ảnh hưởng của EI tới w ở thời

điểm cuối quá trình tách, róc

Hình 3.13 Ảnh hưởng của l c tới w trong

Anh huong cua R0

R0, mm

Hình 3.16 Ảnh hưởng của R 0 tới w ở thời

điểm cuối quá trình tách, róc

Hình 3.17 Ảnh hưởng của μ tới w trong

quá trình tách, róc lá mía

Hình 3.18 Ảnh hưởng của μ tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc lá mía

Hình 3.19 Ảnh hưởng của n b tới w

trong quá trình tách, róc lá mía

10 15 20 25 30 35 40 45 50

Anh huong cua Nquay

Quá trình tách, róc lá phải đảm bảo điều kiện:

- Giá trị φ1 ≥ φms (góc ma sát) hay khả năng tách tăng (khả năng chọc thủng, phá vỡ liên kết giữa bẹ và thân tăng)

- Giá trị w < 33 mm

- Độ tổn thương cây, độ bền răng chấp nhận được

Qua đánh giá, phân tích, sơ bộ lựa chọn các giá trị: số vòng quay lô bóc

nb=1000 v/p; số vòng quay lô rút nr=217 v/p; bán kính ngoài lô rút R1R=0.159 m;

độ cứng răng bóc EI=0.01 Nm2

; chiều dài răng bóc l c=0.1 m; khối lượng đơn vị chiều dài răng bóc μ=0.2 kg/m; Bán kính ngoài lô bóc R1=0.25 m có biên dạng răng bóc tại các thời điểm khác nhau được thể hiện trên hình 3.21

-0.30 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00

-0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

X

Y

0.0000 0.0025 0.0050 0.0075 0.0100 0.0125 0.0150 0.0175 0.0200

Hình 3.21 Biên dạng răng cáp tại các thời điểm khác nhau

Từ đồ thị hình 3.21, với các thông số lựa chọn trên đảm bảo điều kiện: chiều dài quét Δ > 200 mm, biến dạng răng cáp w < 33 mm, quá trình tách, róc

lá mía triệt để