Nghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch mía ( Luận án tiến sĩ)

Nghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch míaNghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch míaNghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch míaNghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch míaNghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch mía

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ

SAU THU HOẠCH

TẠ HANH

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA BỘ PHẬN BÓC LÁ MÍA TRONG LIÊN HỢP

MÁY THU HOẠCH MÍA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: 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 công trình

nghiên cứu của riêng tôi Những số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực, khách quan và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác và các thông tin trích dẫn trong luận án đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Tác giả luận án

Tạ Hanh

ii

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn: TS Đỗ Hữu Khi - Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, PGS.TS Lương Văn Vượt - Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ để tôi hoàn thành bản luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, tập thể cán bộ Trung tâm Máy Nông nghiệp và Thủy khí, bộ môn Nghiên cứu cơ giới hoá chăn nuôi, bộ môn Điện - Tự động hóa, phòng Khoa học – Đào tạo và Hợp tác quốc tế thuộc viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Hội cơ khí nông nghiệp Việt Nam; cảm ơn ban Giám hiệu trường Cao đẳng nghề Cơ khí Nông nghiệp và các đơn vị, cá nhân trong Nhà trường đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Đậu Thế Nhu Bằng tấm lòng của mình, thầy đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian 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

1.1 Tình hình sản xuất mía tại Việt Nam và trên thế giới 31.2 Tình hình cơ giới hoá khâu thu hoạch mía 51.2.1 Nhu cầu cơ giới hóa khâu thu hoạch mía 51.2.2 Yêu cầu cơ giới hóa khâu thu hoạch mía 61.3 Tình hình áp dụng công nghệ thu hoạch mía 7

1.3.2 Công nghệ thu hoạch cắt cây thành đoạn 71.4 Tính cấp thiết của việc bóc lá mía bằng bộ phận bóc 81.5 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng bộ phận bóc lá mía 91.5.1 Nguyên lý bóc lá mía tƣ thế ngang cây 91.5.2 Nguyên lý bóc lá mía tƣ thế cây nằm, chuyển dọc 121.5.3 Nguyên lý làm sạch cây mía bằng khí động học 15

1.7 Tình hình nghiên cứu kết cấu cánh bóc lá 181.7.1 Một số kết quả nghiên cứu cánh bóc dựa trên hiện tƣợng miết, chải 181.7.2 Những nghiên cứu cánh bóc dựa trên quá trình tách, róc 20

iv

1.8 Lựa chọn răng bóc trong bộ phận bóc lá mía áp dụng nguyên lý

bóc lá mía tư thế cây nằm, chuyển dọc, gốc vào trước 25

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 29

2.1.1 Xác định lực phân bố tác dụng lên răng bóc bằng phương

2.1.2 Xác định độ cứng của răng bóc bằng cáp thép khi uốn EI và khối

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 352.3 Phương pháp xác định một số thông số của cây mía 432.3.1 Một số đặc điểm sinh hóa của cây mía 432.3.2 Một số đặc điểm cơ lý của cây mía 472.4 Cơ sở vật chất thí nghiệm, thiết bị và dụng cụ đo đạc 492.5 Phương pháp xác định các số liệu thí nghiệm 51

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THỐNG SỐ

CỦA BỘ PHẬN BÓC LÁ MÍA TRONG LIÊN HỢP MÁY THU

3.2 Quá trình kẹp cây và rút cây của bộ phận bóc 563.3 Quá trình tách, róc lá mía bằng răng bóc tại lô bóc 58

3.4.5 Khảo sát ảnh hưởng quan hệ vận tiến của cây mía và số vòng quay

3.4.6 Khảo sát ảnh hưởng quan hệ R1 và h tới chiều dài quét 693.4.7 Khảo sát ảnh hưởng V và nb tới hệ số quét lặp trung bình, 703.4.8 Khảo sát chỉ tiêu tần suất đập trung bình trên 1 mét chiều dài 713.5 Khảo sát động lực học quá trình tách, róc lá ra khỏi cây bằng

3.5.1 Thành lập phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc 713.5.2 Điều kiện biên của phương trình vi phân biến dạng uốn răng bóc 763.5.3 Phương pháp giải phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc 773.5.4 Kết quả khảo sát sơ bộ các yếu tố ảnh hưởng đến w trong quá trình

3.5.6 Khảo sát ảnh hưởng của lc đến w 843.5.7 Khảo sát ảnh hưởng của R1 đến w 86

3.5.10 Khảo sát ảnh hưởng của nb đến w 90

4.1 Đặc điểm cơ lý của cây mía và cánh bóc 944.1.1 Kết quả đo kích thước, khối lượng của cây mía 944.1.2 Kết quả đo hệ số ma sát của cây mía với các loại vật liệu 95

vi

4.1.3 Kết quả đo độ cứng của răng bóc khi uốn EI, khối lượng đơn vị

4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng làm

4.2.1 Ảnh hưởng của số vòng quay lô bóc (nb) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn

thương ψ và chi phí năng lương riêng Ne 1024.2.2 Ảnh hưởng của số vòng quay lô rút (nr) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn

thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne 1044.2.3 Ảnh hưởng của chiều dài răng bóc (lc) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn

thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne 1074.2.4 Ảnh hưởng của lượng cung (q) cấp tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn

thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne 1094.3 Kết quả nghiên cứu xác định các thông số tối ưu của bộ phận bóc

lá mía bằng phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm (QHHTN)

4.3.1 Các yếu tố được lựa chọn trong nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 1114.3.2 Kết quả thu thập số liệu thí nghiệm, xử lý đồng nhất phương sai 1124.3.3 Kết quả xác định mô hình hồi quy QHHTN đa yếu tố cho hàm

chất lượng làm việc của bộ phận bóc lá mía 115

4.3.6 Giải bài toán tối ưu bằng phương pháp thương lượng có điều kiện 124

Danh mục các công trình đã công bố có liên quan đến luận án 132

vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

LHM Liên hợp máy

LHMTHM Liên hợp máy thu hoạch mía

FAO Tổ chức Nông Lương Liên Hiệp Quốc

NN-PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn

USDA United States Department of Agriculture

TN Thí nghiệm

CCS (Commercial Cane Sugar) là số đơn vị khối lượng đường

saccaroza theo lý thuyết có thể sản xuất từ 100 đơn vị khối lượng mía

QHHTN Quy hoạch hóa thực nghiệm

PTHQDT Phương trình hồi quy dạng thực

NLR Năng lượng riêng

viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

c mm ½ Khoảng cách giữa hai trục lô bóc

αmax rad Góc uốn lớn nhất khi răng tác động vào cây mía

υ2 rad Góc uốn của lo xo răng bóc

Lt mm Là đoạn đường trượt của mẫu thử

s mm Khoảng dịch chuyển cây mía lệch khỏi vị trí ban đầu

E N/m2 Mô đun đàn hồi của vật liệu

Iy m4 Mô men quán tính cáp thép

dm mm Đường kính thân cây mía

xi Giá trị mã của các thông số thứ i

Xi Giá trị thực của các thông số thứ i

X0i Giá trị thực của thông số thứ i ở mức cơ sở

εi Khoảng biến thiên của thông số

GT kg Khối lượng thân cây sau bóc

Gtt kg Khối lượng tổn thương trên thân cây mía

xi

VR m/s Vận tốc đầu cánh rút tại lô rút

V m/s Vận tốc tiến của cây mía

R0 mm Bán kính trong lô bóc (được tính từ chân răng

bóc đến tâm lô)

R1 mm Bán kính ngoài lô bóc (được tính từ đỉnh răng

bóc đến tâm lô)

Δ mm Chiều dài quét

Fms N Lực ma sát giữa cánh kẹp (cao su) với thân

cây mía

R0k mm Bán kính trong lô kẹp (được tính từ chân

cánh kẹp đến tâm lô)

R1k mm Bán kính ngoài lô kẹp (được tính từ mép

trong bán nguyệt cánh kẹp đến tâm lô)

Dxm mm Quãng đường lô bóc đi được một vòng 2π

R0r mm Bán kính trong lô rút (được tính từ chân cánh

rút đến tâm lô)

R1r mm Bán kính ngoài lô rút (được tính từ mép trong

bán nguyệt cánh rút đến tâm lô)

nr v/p Số vòng quay lô rút

h mm Khoảng cách từ cây mía đến tâm lô bóc

l mm Khoảng cách giữa hai đỉnh nút xicloit giữa

hai dãy cánh bóc liên tiếp

υ rad Góc xoay tương đối của mặt răng bóc

dJ mm4 Mô men quán tính khối của phân tố với trục Y

μ kg/m Khối lượng đơn vị chiều dài

dx mm Chiều dài phân tố

l c mm Chiều dài răng bóc

r(x) mm Khoảng cách từ tâm lô bóc đến phân tố được xét p.dx N Hợp lực phân bố

Fx N Lực quán tính theo chiều X

4.5 Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố vào 1124.6 Kết quả thí nghiệm hàm tỷ lệ sót Y1, % 1134.7 Kết quả thí nghiệm hàm tỷ lệ tổn thương Y2, ‰ 1134.8 Kết quả thí nghiệm hàm chi phí năng lượng riêng Y3, Ws/kg 1144.9 Giá trị các hệ số và chuẩn Student 1154.10 Đánh giá sai số của mô hình hồi quy 1164.11 Đánh giá sai số của mô hình hồi quy 1184.12 Giá trị các hệ số và chuẩn Student 1194.13 Đánh giá sai số của mô hình hồi quy 1214.14 Giá trị các hệ số và chuẩn Student 122

1.9 Sơ đồ bộ phận làm sạch cây mía trên LHTH để nguyên cây 161.10 Sơ đồ bộ phận làm sạch cây mía trên LHTH cắt khúc 171.11 Cánh bóc bằng thép tấm xẻ thuỳ lắp trên LHMTHM của Úc 191.12 Thử nghiệm mầu cánh bóc bằng thép tấm xẻ thuỳ 19

2.4 Mô hình bài toán của bộ phận bóc lá mía 38

2.6 Chuỗi phản ứng của sự biến chất tại vết tổn thương sau bóc 452.7 Sơ đồ xác định hệ số ma sát của thân cây mía với các loại vật liệu 48

xv

2.8 Mía được cắt lát tại vị trí tổn thương 532.9 Xác định khối lượng tổn thương trên thân cây mía 533.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động bộ phận bóc lá mía 55

3.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc và lực tác động lên cây mía của cặp lô

3.4 Các trường hợp xảy ra khi cánh bóc tác động đến cây mía 593.5 Sơ đồ quá trình tách, róc lá ra khỏi thân cây mía của răng bóc 603.6 Hình ảnh răng bóc róc lá dọc theo thân cây mía 613.7 Sơ đồ khảo sát động học của răng bóc 633.8 Quỹ đạo chuyển động tương đối của điểm đầu răng bóc so với

3.11 Ảnh hưởng của V, nb tới hệ số quyét lặp trung bình 703.12 Khảo sát chỉ tiêu tần suất đập trên 1 mét chiều dài 713.13 Mô hình biến dạng uốn của răng bóc khi cây mía tác động đến 72

3.15 Minh hoạ thời điểm bóc, điều kiện của h khi khảo sát 773.16 Lưu đồ thuật giải phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc 803.17 Đường cong biến dạng của răng bóc ở các thời điểm khác nhau 813.18 Ảnh hưởng của EI tới w trong quá trình tách, róc lá mía 823.19 Ảnh hưởng của EI tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc 833.20 Ảnh hưởng của l c tới w trong quá trình tách, róc lá mía 853.21 Ảnh hưởng của l c tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc 853.22 Ảnh hưởng của R0 tới w trong quá trình tách, róc 863.23 Ảnh hưởng của R0 tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc 86

xvi

3.24 Ảnh hưởng của μ tới w trong quá trình tách, róc lá mía 883.25 Ảnh hưởng của μ tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc lá mía 883.26 Ảnh hưởng của p tới w trong quá trình tách, róc lá mía 893.27 Ảnh hưởng của p tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc lá mía 903.28 Ảnh hưởng của nb tới w trong quá trình tách, róc lá mía 913.29 Ảnh hưởng của nb tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc lá mía 913.30 Biên dạng răng bóc tại các thời điểm khác nhau 924.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm bộ phận bóc lá mía 994.2 Sơ đồ mô hình khảo nghiệm bộ phận bóc lá mía 1004.3 Giàn khảo nghiệm bộ phận bóc lá mía 1004.4 Ảnh hưởng của số vòng quay lô bóc nb tới tỷ lệ sót η 1024.5 Ảnh hưởng của số vòng quay lô bóc nb tới tỷ lệ tổn thương cây (ψ) 1034.6 Ảnh hưởng của số vòng quay lô bóc (nb) tới chi phí năng lương

4.7 Ảnh hưởng của số vòng quay lô rút (nr) tới tỷ lệ sót (η) 1054.8 Ảnh hưởng của số vòng quay lô rút (nr) tới tỷ lệ tổn thương cây (ψ) 1064.9 Ảnh hưởng của số vòng quay lô rút (nr) tới chi phí năng lương

4.10 Ảnh hưởng của chiều dài răng bóc lc tới tỷ lệ sót (η) 1074.11 Ảnh hưởng của chiều dài răng bóc lc tới tỷ lệ tỷ lệ tổn thương (ψ) 1084.12 Ảnh hưởng của chiều dài răng bóc lc tới chi phí năng lượng

4.13 Ảnh hưởng của lượng cung cấp (q) tới tỷ lệ sót (η) 1094.14 Ảnh hưởng của lượng cung cấp (q) tới tỷ lệ tổn thương cây(ψ) 1104.15 Ảnh hưởng của lượng cung cấp (q) tới chi phí năng lượng riêng (Ne) 1104.16 Mặt cắt của các hàm quy hoạch theo x1, x2 125

1

MỞ ĐẦU

Nội dung Nghị quyết Đại hội XI của Đảng về phát triển nông nghiệp, nông dân, nông thôn trong giai đoạn hiện nay là phát triển nông nghiệp toàn diện theo hướng hiện đại, hiệu quả, bền vững trên cơ sở phát huy những lợi thế của nền nông nghiệp nhiệt đới gắn với giải quyết tốt các vấn đề nông dân, nông thôn Trong điều kiện hiện nay, phát triển nông nghiệp phải theo hướng sản xuất hàng hóa lớn, có năng suất, chất lượng, hiệu quả và sức cạnh tranh cao; đảm bảo vững chắc an ninh lương thực, thực phẩm quốc gia cả trước mắt

và lâu dài; sản xuất một số sản phẩm nông nghiệp hàng hóa ứng dụng công nghệ cao, có năng suất, chất lượng và giá trị gia tăng cao; đồng thời, phát triển nông nghiệp cũng tính tới những yếu tố bảo vệ môi trường và các nguồn tài nguyên thiên nhiên Để đạt được mục tiêu trên cần đẩy nhanh áp dụng tiến

bộ khoa học và công nghệ hiện đại, đặc biệt là cần áp dụng cơ giới hóa trong tất cả các khâu của quá trình sản xuất

Đối với nền nông nghiệp nhiệt đới của nước ta, mía là cây công nghiệp

có giá trị cao Ngoài để sản xuất đường, mía còn là nguyên liệu cho 50 loại sản phẩm chế biến khác của ngành giấy, dệt, hóa dược … Nghề trồng mía nước ta đã được hoạch định và phát triển với tốc độ lớn Trong niên vụ 2012÷2013 diện tích mía cả nước khoảng 300.000 ha (tăng so với vụ trước 16.778 ha), sản xuất 16 triệu tấn mía (tăng 300 nghìn tấn so với vụ trước) Để đạt được mục tiêu này, ngành mía đường cần phải giải quyết nhiều vấn đề: tăng cường biện pháp kỹ thuật thâm canh, sử dụng giống mới để tăng năng suất mía, cơ giới hóa đồng bộ trong tất cả các khâu sản xuất, đồng thời cần giảm tối đa tổn thất sau thu hoạch

Thời gian thu hoạch chính của mía kéo dài từ 4 ÷ 6 tháng liên tục trong một năm trùng với một hoặc hai vụ thu hoạch lúa Mặc dù dân số ở khu vực nông nghiệp lớn, nhưng lại là những vùng trọng điểm, lực lượng lao động

Yêu cầu quan trọng đặt ra cho khâu thu hoạch bằng cơ giới hóa là phải giảm thiểu tối đa hao hụt 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”, 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 Để loại bỏ tạp chất lá mía trong quá trình thu hoạch có nhiều phương pháp thu hoạch mía bằng máy liên hợp không có bộ phận bóc lá mía trước khi thu hoạch được đốt để loại bỏ phần lá, ngoài việc ảnh hưởng môi trương, tiêu diệt các loại thiên địch có lợi thì phương pháp này còn làm đất chai cứng, mất cấu tượng Thu hoạch bằng máy có bóc lá mía không những giảm chi phí nhân công, mà còn trả lại cho đất một lượng lá mía lớn, giúp cải tạo đất Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi chi phí ban đầu lớn và LHM phải có bộ phận bóc lá mía hoạt động hiệu quả Đây là phương pháp nước ta tất yếu phải áp dụng trong quá trình phát triển ngành mía đường Do vậy, cần phải

có những nghiên cứu 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

Đề tài này nhằm nghiên cứu lựa chọn nguyên lý làm việc và xác định thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong LHMTHM, làm cơ sở thiết kế

bộ phận bóc trong LHMTHM phù hợp với điều kiện Việt Nam Đề tài được hoàn thành tại Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full