Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

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

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

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 TB.12C/13-18) và doanh nghiệp Thái Long đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai thí nghiệm

(KHCN-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

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

CHƯƠNG 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

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

CHƯƠNG 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

CHƯƠNG 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

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

W D Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc sau sấy khô g

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

Bảng 4.10 Thống kê giá trị của góc tiếp dao tại các điểm cắt khác nhau 94

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

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

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

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

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

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

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:

- 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

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;

+ 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

thí nghiệm được trình bày trong chương 3 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và phát triển mô hình biên dạng lưỡi cắt, thiết kế biên dạng dao được trình bày trong chương 4 Cuối cùng là phần kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

- Một số công nghệ chế biến phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác;

- Nguyên lý các máy băm; các thiết bị đã được sử dụng trong các nghiên cứu liên quan;

- Tổng quan một số kết quả nghiên cứu nhằm giảm lực cắt và tiêu thụ năng lượng khi băm phụ phẩm nông nghiệp;

- Kết luận, một số vấn đề còn tồn tại và xác định hướng nghiên cứu của luận án

1.2 Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nước

1.2.1 Sản xuất ngô trên thế giới

Ngô là cây lương thực quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu Mặc dù chỉ đứng thứ hai về diện tích, sau lúa nước và lúa mì, nhưng ngô lại dẫn đầu về năng suất và sản lượng Tốc độ tăng trưởng về năng suất của ngô cao nhất trong các cây lương thực Ngô còn là loại cây nông nghiệp điển hình được ứng dụng nhiều thành tựu khoa học về di truyền học, chọn giống, công nghệ sinh học, cơ giới hoá, điện khí hoá và tin học trong nghiên cứu và sản xuất [16] Ngô được

trồng rộng rãi ở khắp nơi trên thế giới [45, 97], với năng suất và sản lượng tăng dần qua các năm (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Diện tích, năng suất và sản lượng ngô thế giới 2008-2016

Năm Diện tích (triệu ha) Năng suất hạt (tấn/ha) Sản lƣợng (triệu tấn)

1.2.2 Sản xuất ngô trong nước

Ở nước ta, cây ngô được trồng từ khá lâu đời và trở thành cây lương thực quan trọng đứng thứ hai sau cây lúa Do được áp dụng nhiều tiến bộ kỹ thuật mới về giống, biện pháp kỹ thuật canh tác và liên kết sản xuất giữa trồng trọt, chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi bò sữa nên cây ngô đã có bước tiến dài trong tăng trưởng về diện tích, năng suất, sản lượng và giá trị kinh tế Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam từ 1990 – 2017 được thống kê ở Bảng 1.2 [10]

Qua Bảng 1.2 có thể thấy xu hướng tăng về năng suất và phát triển các giống ngô lai

Bảng 1.2 Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 1990-2017

Năm Diện tích

(1.000 ha)

Năng suất hạt (tấn/ha) (1.000 tấn) Sản lƣợng

Diện tích ngô lai (%)

Nguồn: Tổng cục Thống kê, năm 1990-2017

Nghiên cứu cho thấy có sự lệch pha giữa thời điểm thu hoạch ngô và giai đoạn cần thức ăn quan trọng cho gia súc Theo Nguyễn Hưng Quang và cộng sự [94], từ tháng 9 hằng năm đến hết tháng 3 năm sau, nói chung đàn gia súc thiếu thức ăn thô xanh trầm trọng, đặc biệt là ở khu vực Trung du và Miền núi Trong khi đó, vụ thu hoạch ngô lại chủ yếu vào tháng 7, tháng 8 Do đó, nghiên cứu để khuyến khích tận thu nguồn phụ phẩm từ ngô để chế biến và bảo quản làm thức

ăn trong vụ đông đối với chăn nuôi đại gia súc hiện nay là vô cùng cần thiết và cấp bách [10]

1.3 Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch

Các kết quả nghiên cứu về đặc điểm cây ngô sau thu hoạch có ý nghĩa quan trọng đối với các công đoạn chế biến phụ phẩm nông nghiệp Đặc biệt, cơ-lý tính cây ngô là thông số cơ bản cho các bài toán về băm thân cây

Cây ngô thuộc loài cỏ thân gỗ Đường kính thân cây ngô trưởng thành khoảng 20-35mm, chiều cao khoảng 4-10 feet (1,8m – 3,0m) Hình 1.1 mô tả các thông tin cơ bản về cấu trúc thân cây ngô

Hình 1.1 Đặc tính cấu trúc thân cây ngô

Một số đặc điểm của cây ngô Việt Nam được trình bày trong Bảng 1.3 [6]

Bảng 1.3 Một số đặc điểm tính chất thân cây ngô

Tr.lượng TB (G/cây)

Công cắt (mJ/mm2)

Khả năng chịu nén, chịu kéo, chịu uốn, chịu cắt, khối lượng riêng và ma sát của thân cây với bề mặt dao băm, dao kê, là những đặc tính quan trọng ảnh hưởng tới quá trình băm Tính chất cơ lý của cây ngô bao gồm độ ẩm, kích thước, khối lượng riêng và độ xốp là những thông số quan trọng trong nghiên cứu chế biến thân cây ngô Nhiều nghiên cứu đã đi sâu đánh giá ảnh hưởng của

tính chất vật lý đến tính dễ cắt và năng suất băm [39, 40, 48, 55, 60-62, 75, 93,

108, 109] Dưới đây trình bày một số đặc tính cơ-lý của thân cây ngô

1.3.1 Độ ẩm

Độ ẩm là thông số đánh giá hàm lượng nước chứa trong thân cây ngô sau thu hoạch, chỉ ra mức độ ướt hay khô của cây Giá trị độ ẩm thường được xác định dựa vào phương pháp sấy khô [112, 26] Mẫu ngô được đặt lên đĩa nhôm Trước tiên, cả mẫu và đĩa nhôm được cân Sau đó, đĩa mẫu được đem sấy ở điều kiện có áp và giữ nhiệt độ sấy 1050C Quá trình sấy được duy trì đến khi khối lượng mẫu không đổi (không giảm được nữa) Đĩa mẫu sau sấy được làm nguội trong nhiệt độ phòng và đem cân Độ ẩm được xác định theo công thức:

%100

W

D W b

W

W W

(1 1) Trong đó:

Wb – Độ ẩm của mẫu thí nghiệm (%)

WW – Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc đầu (g)

WD – Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc sau sấy khô (g)

Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ ẩm là khác nhau giữa thân, lõi và lá cây ngô, như được trình bày trong Bảng 1.4 [112]

Bruce Anderson (1993) cũng đề xuất một phương pháp xác định độ ẩm cho cây ngô bằng cách sấy Nhìn chung, độ ẩm của thân cây ngô tươi khi thu hoạch thường trong khoảng từ 18 – 30% [105] Độ ẩm phụ thuộc rất lớn vào giống ngô, điều kiện khí hậu, đất đai, chế độ canh tác và thời điểm thu hoạch Độ ẩm thân cây ngô tiếp tục giảm sau khi thu hoạch theo mùa Độ ẩm thân cây có ảnh hưởng đến độ dai liên kết, độ bền cơ học, do đó có ảnh hưởng đến chỉ tiêu năng

suất và chất lượng làm việc của máy băm [32, 61, 75]

1.3.2 Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của thân cây ngô là thông số quan trọng ảnh hưởng tới mức độ hiệu quả của quá trình thu hoạch, vận chuyển và cất trữ nguồn nguyên liệu Để xác định khối lượng riêng theo cách công nghiệp, Yaning Zhang và cộng sự [112] sử dụng một hộp rỗng 150ml, được cân với độ chính xác 0.0001g Mẫu được cho đầy vào hộp, nén chặt để không còn khoảng trống Giá trị khối lượng riêng của lõi, lá và thân cây ngô được xác định lần lượt khoảng 282.38; 81.61 và 127.32 kg/m3 theo công thức (1 2)

c – Khối lượng riêng của mẫu thí nghiệm (kg/m3)

W2 – Khối lượng của mẫu và hộp (kg)

W1 – Khối lượng của hộp rỗng (kg)

riêng có biến động, tùy thuộc vào tuổi cây khi thu hoạch cũng như độ ẩm của thân cây

1.3.3 Đặc tính cơ học

Đặc tính cơ học là một trong những đặc điểm quan trọng quyết định đến khả năng chịu uốn của thân cây Mức độ biến dạng uốn của thân cây có ảnh hưởng quyết định đến khả năng được cắt khi không kẹp chặt, hoặc khi khe hở giữa dao băm và dao kê lớn (Hình 1.2 [109])

Hình 1.2 Thí nghiệm uốn mẫu thân cây ngô

Trong một nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm uốn, nén và kéo mẫu cây ngô ướt và khô, Loay Al-Zube và cộng sự [23] đã xác định được mô đun đàn hồi của thân cây ngô vào khoảng 6 – 16 GPa Trong một nghiên cứu khác của Lixian Zhang [110], giới hạn bền kéo của mẫu ngô đem thử đạt khoảng 178,15 – 80,53 MPa (trung bình 122,26 MPa) và mô đun đàn hồi khoảng 35,01 – 11,38 GPa (trung bình 19,32 GPa) Nghiên cứu của M Yu, C Igathinathane và cộng sự [75] chỉ ra đặc tính cơ học của lớp sợi của thân cây ngô là: giới hạn bền cắt trung bình biến động từ 6,5 đến 11,9 MPa, giới hạn bền kéo biến động trong khoảng 59 đến 81,1 MPa

1.3.4 Ma sát trượt giữa thân cây ngô với vật liệu khác

Ma sát giữa thân cây ngô với các vật liệu khác là một thông số quan trọng

để xác định khả năng không trượt của thân cây ra khỏi vùng cắt khi cắt theo nguyên lý cắt kéo Bảng 1.5 trình bày giá trị hệ số ma sát tĩnh của các thành phần cây ngô với các vật liệu khác [11]

Bảng 1.5 Hệ số ma sát tĩnh của các bộ phận cây ngô

Tên bộ

phận cây

ngô

Độ ẩm (%)

Hệ số ma sát với bộ phận vật liệu

Gỗ ép Vải bố Thép

mạ Thép lá

Thép gia công

0.41 0.34

0.63 0.53

0.64 0.53

- 0.54

0.9 0.66

0.44

- Hạt tươi 36.5 0.7 0.65 0.7 0.9 0.67 0.83 -

Bẹ ngô

18.0 27.0 32.4

0.4 0.44 0.55

0.56 0.54 0.62

0.61 0.47 0.48

0.5 0.38 0.75

-

- 0.73

Lá 16.3 0.43 0.55 0.55 0.49 - 0.72 0.46

Nguồn: Đỗ Hữu Khi, Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch (2004)

Hệ số ma sát động có giá trị nhỏ hơn đáng kể so với hệ số ma sát tĩnh, nhất là thân cây ngô khô và tươi với vật liệu là thép các loại [11] (Bảng 1.6)

Bảng 1.6 Hệ số ma sát động các bộ phận của cây ngô

Tên bộ phận

cây ngô

Độ ẩm (%)

0.25 0.33

0.25 0.21

0.41 0.44

- 0.29

0.53 0.54 Hạt tươi 36.5 0.31 0.39 0.57 0.43 0.49 0.62

Tên bộ phận

cây ngô

Độ ẩm (%)

Hệ số ma sát với bộ phận vật liệu

Gỗ ép Vải bố Thép mạ Thép lá Thép gia công Cao su

Bẹ ngô 16.0 0.37 0.25 0.25 - - 0.82

Bẹ tươi 53.6 0.42 0.39 0.27 0.4 0.4 0.87 Cây khô 10.0 0.37 0.31 0.16 0.31 0.31 0.8

Nguồn: Đỗ Hữu Khi, Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch (2004)

1.4 Chế biến phụ phẩm nông nghiệp

1.4.1 Chế biến thức ăn gia súc

Nhiều nghiên cứu trong nước đã khẳng định phụ phẩm nông nghiệp từ ngô

là nguồn nguyên liệu phong phú để chế biến thức ăn chăn nuôi [2-4, 7, 8, 15, 17] Đặc biệt, xu hướng trồng ngô sinh khối, không lấy hạt làm lương thực mà chỉ để phục vụ chăn nuôi và chế biến đang rất được quan tâm trên thế giới cũng như trong nước [10]

Chi phí cho thức ăn chiếm 60% chi phí chăm sóc gia súc [47] Vào mùa đông, việc đảm bảo cung cấp đủ thức ăn cho gia súc là vấn đề được các nước trên thế giới quan tâm Bình quân mỗi ngày, gia súc cần một lượng thức ăn dạng cỏ cần thiết ước tính khoảng bằng 2,5% khối lượng bản thân [47, 92] Đặc biệt vào mùa đông, cần dự trữ và cung cấp thức ăn nhiều hơn cho gia súc để tránh chết rét [81, 42]

Quy trình chế biến 7 phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác làm thức ăn dự trữ cho gia súc theo sơ đồ trên Hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ các bước chế biến thức ăn dự trữ cho gia súc

Trong quy trình trên, bước băm phụ phẩm theo các kích cỡ phù hợp là một bước sơ chế quan trọng và chiếm tỷ trọng lớn chi phí trong giá thành sản phẩm Vì vậy, nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu hao khi băm nguyên liệu bằng máy là nội dung đã và đang được tiếp tục quan tâm

1.4.2 Chế biến sản phẩm thương mại

Nhờ phát triển công nghệ chế biến, thân cây ngô còn được ứng dụng trong nhiều mục đích công nghiệp như năng lượng tái tạo sinh học (ví dụ ethanol để sản xuất xăng sinh học), vật liệu mới [29, 30, 46, 52, 101]… Thân cây ngô còn được ép dùng để tổng hợp nhiên liệu làm khí gas tự nhiên [101, 91], tổng hợp nhiên liệu lỏng [36, 108], sản xuất nguồn vật liệu Nano-Cacbon thân thiện kinh

tế [25], làm sợi sinh học dùng trong bê tông nhựa [41, 55], làm axit Citric [22], (một axit hữu cơ yếu, một chất bảo quản tự nhiên và cũng được sử dụng để bổ sung vị chua cho thực phẩm hay các loại nước ngọt), …

Có thể thấy, phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác đã và ngày càng được phát triển trên toàn thế giới Nói chung, các quy trình chế biến phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác đều yêu cầu băm thành các đoạn

có chiều dài nhất định

1.5 Máy băm phụ phẩm nông nghiệp

Các máy băm phụ phẩm nông nghiệp dựa trên hai nguyên tắc chính [88]: 1) nguyên tắc cắt dạng kéo (scissor shearing method) nhằm tạo ứng suất cắt và 2) nguyên tắc cắt bằng dao quay nhằm sinh ra va đập kết hợp gây ứng suất cắt (impact and shear method) trong thân cây Nguyên tắc cắt dạng kéo yêu cầu hai dao, thường một dao đóng vai trò dao kê, dao còn lại đóng vai trò dao băm Nguyên tắc cắt bằng dao quay không cần dao kê, thường được áp dụng trong các máy thu hoạch (Cắt ngang gốc cây đang mọc trên mặt đất) Phương pháp dao

quay thường dùng khi chiều dày (đường kính thân cây) cần cắt trên 5mm, đồng thời đối tượng cần cắt có độ dai lớn

Nói chung, máy băm phụ phẩm nông nghiệp khá phong phú, đa dạng về nguyên lý cắt, năng suất cắt, kiểu dáng, kích thước Với mục tiêu lựa chọn một mẫu máy phù hợp cho mục đích thí nghiệm của đề tài, dưới đây trình bày một số thông tin tổng quan về các máy băm thương mại và các máy móc, thiết bị thí nghiệm phục vụ nghiên cứu

1.5.1 Máy băm dạng trống

Nguyên lý của máy băm dạng trống phối hợp cả nguyên lý cắt kéo và cắt

va đập, được mô tả trên Hình 1.4 [82] Các dao băm được bố trí trên đường sinh của trống quay hình trụ Nguyên liệu được đẩy vào vùng cắt và kẹp giữ nhờ một hay nhiều cặp con lăn dẫn Chiều dài các đoạn băm được điều chỉnh nhờ thay đổi tỷ lệ tốc độ quay của trống và tốc độ đẩy phôi liệu

Hình 1.4 Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng trống:

1, 2) cặp lô cuốn, 3) dao băm (cong, hoặc thẳng), 4) dao kê

Ưu điểm của máy băm dạng trống là dễ điều chỉnh khe hở giữa dao băm

và dao kê được điều chỉnh bằng cách di chuyển dao kê Nhược điểm chính là yêu cầu độ chính xác cao khi chế tạo, lắp ráp dao và trống quay

1.5.2 Máy băm dạng đĩa

Nguyên lý máy băm dạng đĩa được mô tả trên Hình 1.5 [82] Máy cũng áp dụng cả hai nguyên tắc: cắt dạng kéo và cắt bằng dao quay Trên Hình 1.5, bộ phận cấp liệu (1) có dạng băng tải, có tác dụng cuốn và nén ép nguyên liệu trước khi đưa vào cắt Bộ phận băm gồm hai lưỡi dao (5) lắp trên đĩa (6) Dao kê (3) lắp vào họng thái, có thể điều chỉnh khoảng cách với dao băm

Hình 1.5 Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng đĩa: 1) Băng tải cấp liệu,

2) Trục cuốn, 3) Dao kê, 4) Động cơ, 5, 6) Bộ phận cắt thái, 7) Bộ phận truyền động

Máy có thể băm nguyên liệu khô hoặc ướt như: rơm, lúa mì, ngô, cỏ khô… Chiều dài đoạn cắt có thể điều chỉnh, dài từ 10  50mm Khe hở giữa dao băm

và dao kê dao động trong khoảng 0,5  1,5mm Ưu điểm chính là máy có kết

1

2

3 4

7

cấu đơn giản Dao và đĩa quay dễ chế tạo và lắp ráp hơn so với máy băm dạng trống [18]

1.5.3 Máy băm dùng dao răng

Nguyên lý cắt dùng dao răng được mô tả trên Hình 1.6 [54] Dao băm và dao kê đan xen nhau theo kiểu răng lược Mô hình băm kiểu này rất phù hợp với các vật liệu thớ, sợi mềm Ưu điểm của nguyên lý băm này là nhát cắt ngọt do khe hở giữa dao băm di động và dao kê cố định rất nhỏ, gần sát với nhau Nguyên lý này đã được ứng dụng trong máy gặt đập liên hợp hoặc máy cắt gốc rạ

Hình 1.6 Cấu tạo nguyên lý bộ phận băm loại dao răng

Nhận xét chung về các dạng máy: Máy băm dạng trống thường được sử dụng với các doanh nghiệp chế biến lớn, yêu cầu năng suất cao, tiềm lực đầu tư lớn Máy băm dạng đĩa do không yêu cầu cao về độ chính xác chế tạo, lắp ráp nên phổ biến ở những cỡ máy vừa và nhỏ Các máy băm thương mại sử dụng 2 hoặc 3 dao có lưỡi cắt thẳng Máy băm dùng dao răng thường sử dụng để băm các vật liệu sơ sợi mềm như rơm rạ, ít dùng cho các loại thân cứng như ngô Do vậy, đề tài dự kiến lựa chọn máy băm dạng đĩa quay để triển khai nghiên cứu thực nghiệm

1.6 Nghiên cứu thực nghiệm

Đã có khá nhiều đề tài trong nước nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy băm phụ phẩm nông nghiệp [14].Nhiều công bố khoa học về thiết kế thiết bị băm đã được thực hiện trên các loại máy khác nhau, chẳng hạn thiết kế máy thu hoạch kết hợp băm một số phụ nông nghiệp [4, 17], băm rơm [19], băm thân cây chuối, băm lá dứa [9], cắt sơ sợi từ quả dừa [13] Mục tiêu và sản phẩm của các đề tài này là các thiết kế và/hoặc chế tạo thử nghiệm thiết bị băm đáp ứng các tiêu chí

về độ bền, năng suất Bài toán giảm lực cắt hoặc/và giảm năng lượng tiêu hao chưa thấy được đề cập và giải quyết rõ ràng

Trong các công bố quốc tế, nghiên cứu thực nghiệm có thể tiến hành trong phòng thí nghiệm (Laboratory experiements) hoặc thực hiện trực tiếp trên các máy thực trên đồng ruộng (Field experiments) Có ba dạng thí nghiệm đánh giá lực và năng lượng băm cắt phụ phẩm nông nghiệp, bao gồm: thí nghiệm bán tĩnh, thí nghiệm cắt va đập, thí nghiệm cắt có dao kê Một điểm tồn tại khi phân tích tổng quan các nghiên cứu về băm cắt phụ phẩm là tên gọi các góc tương quan giữa dao và cây nguyên liệu là không thống nhất giữa các nghiên cứu Do vậy, để thuận tiện cho việc phân tích đánh giá, trước hết một quy ước gọi tên các góc tương quan sẽ được đề xuất Tiếp đó, các dạng thí nghiệm và thiết bị thường dùng trong các nghiên cứu trước sẽ được giới thiệu và đánh giá

1.6.1 Quy ước thông số góc

Nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các góc tương quan giữa lưỡi cắt, hướng thân cây đến lực và năng lượng tiêu thụ khi cắt Theo quy ước gọi tên được sử dụng trong các công bố quốc tế về cắt, băm phụ phẩm nông nghiệp, có hai thông số góc tương quan thường được quan tâm là góc xiên (Oblique angle) [32, 70], và góc nghiêng (Tilt angle) [70], được mô tả theo quy ước như trên Hình 1.7

tơ vận tốc cắt (Hình 1.7b) Trong một số nghiên cứu khác, góc “Oblique” còn được gọi là “Approach angle” (Góc tiếp dao); góc “Tilt” được gọi là “shear angle” (Góc cắt trượt) [50] Để thống nhất thuật ngữ, trong luận án này, thống nhất sử dụng thuật ngữ “góc tiếp dao” để chỉ góc hợp bởi đường thẳng vuông góc của trục thân cây với lưỡi dao (dao thẳng), đo trong mặt phẳng chưa véc-tơ vận tốc cắt Thuật ngữ “góc nghiêng cây”, được dịch từ “tilt angle”, sẽ được dùng để chỉ góc nghiêng giữa trục cây nguyên liệu với đường thẳng vuông góc với lưỡi dao, góc được đo trong mặt phẳng vuông góc với véc-tơ vận tốc cắt

1.6.2 Thí nghiệm cắt bán tĩnh

Thí nghiệm cắt bán tĩnh (Quasi static experiments) là thí nghiệm mà quá trình cắt phụ phẩm được diễn ra rất chậm, thường vận tốc cắt nhỏ hơn 0,03m/s [80] Nhiều nghiên cứu sử dụng máy thí nghiệm dạng Warnere-Bratzler, một mẫu thiết bị thí nghiệm trong chế biến thực phẩm [83, 98, 57], có nguyên lý

tương tự máy kéo nén, thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm cơ học vật liệu Mô hình thiết bị thí nghiệm dạng này được trình bày trên Hình 1.8 Trong sơ đồ thí nghiệm này, một dao băm thường có dạng hai lưỡi cắt tạo thành hình chữ V được sử dụng để tạo ứng suất cắt thân cây Thân cây thí nghiệm được đặt giữa hai lưỡi cắt Lực cắt được đánh giá bằng lực cần thiết

để đẩy dao cắt qua thân cây, được đo bằng cảm biến lực

Hình 1.8 Thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén: a) mô hình thiết bị, b) dao cắt

Góc tiếp dao có thể thay đổi bằng cách chế tạo nhiều dao có góc chữ V khác nhau Nhận thấy mô hình thí nghiệm dạng này nói chung chỉ cho phép đo lực cần thiết để cắt đứt mẫu ở tốc độ thấp Rất khó để thử nghiệm với tốc độ cắt cao Góc nghiêng cây cũng có thể thiết lập ở các mức khác nhau như mô tả trên Hình 1.9 [58]

Hình 1.9 Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây

Nhận xét về thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén: Thiết bị cho phép thu thập

dữ liệu lực cắt và thay đổi góc nghiêng cây Khả năng thay đổi góc tiếp dao khá khó khăn, được thực hiện bằng cách đổi dao phù hợp, do mỗi dao chỉ có một góc

độ định trước Ngoài ra, khả năng thực hiện các thí nghiệm cắt tốc độ cao cũng gặp khó khăn do kết cấu không phù hợp của thiết bị đo kéo nén (bán tĩnh)

1.6.3 Thí nghiệm cắt va đập

Thí nghiệm cắt va đập thường sử dụng dao có chuyển động với vận tốc cao (khoảng trên 10m/s), va đập và cắt đứt cây nguyên liệu Mô hình cắt dạng này thường áp dụng cho các máy thu hoạch, có chức năng cắt cây đang mọc trên mặt đất Dao cắt chuyển động trong mặt phẳng song song hoặc hợp với mặt đất một góc xác định Có hai dạng thiết bị dùng trong các thí nghiệm cắt va đập: thiết bị con lắc va đập (Impact pendulum) và thiết bị đĩa dao quay (Flying wheel)

Nhiều nghiên cứu đã sử dụng mô hình dựa theo nguyên lý con lắc va chạm (Impact pendulum) Ảnh hưởng của độ ẩm thân cây, loại dao, và góc cắt đến năng lượng tiêu hao khi cắt lúa nước [24], ngô [27], đậu triều [44], cây cải dầu [28] Các nghiên cứu này được công bố từ 2007 đến 2016 Hình 1.10 mô tả một trong số các nghiên cứu nói trên [27] Trên hình là sơ đồ, ảnh chụp thiết bị thí nghiệm khi cắt (thu hoạch) cây ngô trên ruộng của Azadbakht và cộng sự, công bố năm 2014 [27] Trên Hình 1.10a lưỡi dao được gắn trên đầu mút của

con lắc Thí nghiệm được bắt đầu bằng cách kéo dao lên vị trí cao nhất (tạo thành góc α1 so với phương thẳng đứng), lúc này năng lượng tích trữ trong hệ chính là thế năng của dao Khi thả tự do, dao rơi xuống theo cung cong, thế năng chuyển thành động năng giúp dao cắt qua thân cây Phần năng lượng còn dư sau khi cắt qua cây lại chuyển thành động năng, đẩy dao chuyển động đến vị trí ứng với góc α2 Năng lượng tiêu thụ khi cắt được tính bằng hiệu số giữa năng lượng tích trữ ban đầu và năng lượng còn dư

Hình 1.10 Sơ đồ thí nghiệm (a), thiết bị thực (b) khi cắt cây ngô trên ruộng

Nhận xét về thiết bị thí nghiệm theo nguyên tắc con lắc va chạm: thiết bị chỉ có thể đánh giá mức tiêu hao năng lượng khi cắt, phù hợp cho nghiên cứu cắt cây đang mọc (thân có một đầu cố định trong đất) nhưng không phù hợp cho băm (hai đầu bó nguyên liệu đều tự do) Thiết bị dạng này không cho phép đo lực sinh ra trong quá trình cắt Cũng rất khó điều chỉnh tốc độ cắt để thí nghiệm ảnh hưởng của thông số này

Trong một số nghiên cứu khác, các tác giả hoặc sử dụng thiết bị tự tạo, hoặc gắn cảm biến đo trực tiếp trên máy thu hoạch thực, hoạt động trên đồng ruộng Mô hình thí nghiệm của các nghiên cứu này được mô tả trên Hình 1.11

(a) (b) (c)

Hình 1.11.Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng góc tiếp dao và vận tốc cắt:

(a) dao thí nghiệm, (b) gá dao và (c) máy thí nghiệm

Nhận xét về thiết bị thí nghiệm cắt va đập: với góc nghiêng cây khác không, máy cần bố trí trục dao nghiêng so với phương thẳng đứng Do cắt cây đang trồng trên mặt đất, mặt phẳng quay của dao sẽ hợp với mặt đất đúng bằng góc nghiêng cây Cách bố trí này (dao nghiêng so với mặt phẳng cắt) hầu như không tìm thấy trên các máy băm, mà chỉ được dùng trên các máy thu hoạch, máy cắt cỏ… dùng dao quay là là mặt đất (trục quay coi như thẳng đứng) Thí nghiệm thường được thực hiện trực tiếp trên đồng ruộng Nếu thực hiện trong phòng thí nghiệm, thân cây thường được kẹp thẳng đứng, cố định một đầu (dạng công-xôn),

mô phỏng như đang trồng trên ruộng

1.6.4 Thí nghiệm cắt có dao kê

Mô hình cắt có dao kê (Counter Edge - CE) thường áp dụng trong các máy băm, khai thác đồng thời cả hiệu ứng cắt kéo và cắt va đập Nói chung, vận tốc cắt khi có dao kê không yêu cầu cao như khi cắt va đập, thường lớn hơn 0,5 m/s [82] Do có dao kê cản trở biến dạng uốn của thân cây, nên quá trình cắt diễn ra dễ dàng hơn