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

Các thiết kế này tập trung giải quyết bài toán chức năng băm theo các nguyên l đĩa cắt, trống cắt, thiết kế nhằm đạt năng suất băm Tuy nhiên, vấn đề về tiết kiệm năng lượng hầu như chưa

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

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 nhi m không khí hoặc gây ra các đám cháy rừng Một trong các l 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 l 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 l 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 l [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 l 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

nghĩa thực ti n

2 Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu:

- Mục tiêu chung: xác định một số thông số kết cấu và vận hành hợp

l 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 l 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

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 l phụ phẩm nông nghiệp phục vụ sản xuất và đời sống, giảm chi phí năng lượng, từ đó giảm thiểu ô nhi m môi trường

4 Những đóng góp mới của luận án

1 Đã nghiên cứu lực và công suất cắt thân cây ngô cho mô hình cắt băm có dao kê với vận tốc cắt trung bình (với vận tốc cắt nằm trong khoảng trên 1 đến 10 m/s) Đây là một đóng góp mới cho hướng nghiên cứu này trên thế giới

2 Đã đánh giá ảnh hưởng đồng thời của góc nghiêng cây, góc tiếp dao và vận tốc cắt 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

3 Đã phát hiện hai hàm mục tiêu có mâu thuẫn lợi ích là lực và công suất cắt Qua đó, đã giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu nhằm giảm thiểu đồng thời lực và công suất cắt cho mỗi nhát cắt thân cây ngô đơn So với kết cấu thông dụng dùng dao lưỡi cắt thẳng, có góc tiếp dao là không độ, lời giải tối ưu cho phép giảm lực cắt tới 2,3 lần, đồng thời giảm công suất tiêu thụ đến 4 lần Kết quả có thể dùng làm

cơ sở thiết kế và chế tạo máy băm các phụ phẩm nông nghiệp, ứng dụng vào thực ti n sản xuất

4 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 Nhờ vậy, có thể duy trì giá trị tối ưu của góc tiếp dao dọc suốt chiều dài lưỡi cắt

5 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

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Cơ sở lý thuyết quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp Chương 3 Thiết kế, chế tạo và đánh giá hệ thống thiết bị thí nghiệm Chương 4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và phát triển mô hình biên dạng lưỡi cắt

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu

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

1.2.1 Sản xuất ngô trên thế giới

1.2.2 Sản xuất ngô trong nước

1.3 Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch

1.3.1 Độ ẩm

1.3.2 Khối lượng riêng

1.3.3 Mô đun đàn hồi

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

1.4 Chế biến phụ phẩm nông nghiệp

1.4.1 Chế biến thức ăn gia súc

1.4.2 Chế biến sản phẩm thương mại

1.5 Máy băm phụ phẩm nông nghiệp

1.5.1 Máy băm dạng trống

1.5.2 Máy băm dạng đĩa

1.5.3 Máy băm dùng dao răng

1.6 Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm

1.6.1 Quy ước thông số góc

1.6.2 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy băm

1.6.3 Thiết bị con lắc va chạm

1.6.4 Thiết bị thí nghiệm dao quay trục đứng

1.6.5 Thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén

1.7 Kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu hao 1.8 Kết luận chương

Chương 1 đã trình bày nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan trực tiếp đến đề tài của luận án, cụ thể như sau:

Ngô là một trong những cây trồng quan trọng trên thế giới và ở Việt Nam Các số liệu thống kê cho thấy có sự tăng trưởng năng suất

và sản lượng Băm thân cây ngô sau thu hoạch là bước sơ chế bắt buộc của các quá trình chế biến sau này

Các thông số đặc trưng của thân cây ngô có ảnh hưởng đến quá trình băm đã được khẳng định trong các nghiên cứu trước đây Các thông số quan trọng bao gồm: độ ẩm thân cây, mô đun đàn hồi, hệ số

ma sát giữa thân cây ngô với một số loại vật liệu

Các mô hình nghiên cứu cho máy thu hoạch không thể áp dụng hoàn toàn cho máy băm, do không thuận tiện để bố trí tạo góc nghiêng cây khi băm Mô hình thí nghiệm dùng con lắc va chạm không thuận tiện để đo lực cắt, khó thay đổi tốc độ cắt Mô hình thiết

bị kiểu máy kéo nén không thuận tiện để thay đổi tốc độ cắt và góc tiếp dao Do vậy, đề tài lựa chọn máy băm dạng đĩa quay có dao kê

để triển khai nghiên cứu thực nghiệm

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH BĂM PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP

2.1 Nguyên lý băm

2.2 Cơ sở động lực học quá trình băm

2.3 Bài toán tối ưu đa mục tiêu

2.4 Kết luận chương

Chương 2 đã trình bày tóm tắt cơ sở l thuyết và các nguyên l

cơ bản của quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp Các nội dung của chương này là cơ sở cho nghiên cứu về động lực học và năng lượng tiêu hao của quá trình băm thân cây ngô của nghiên cứu này Một số nội dung quan trọng được tóm tắt như sau:

Có 02 nguyên tắc cơ bản của quá trình băm-cắt thân cây nông nghiệp gồm: 1) cắt băm, chuyển động tương đối giữa dao và cây

nguyên liệu (chuyển động cắt) thực hiện theo hướng pháp tuyến; 2) cắt có trượt, chuyển động cắt kết hợp cả hướng pháp tuyến và hướng tiếp tuyến So với cắt băm, quá trình cắt có trượt làm giảm đáng kể lực cắt Để cây không trượt ra khỏi khe hở hình chêm của dao cắt và tấm kê, cần khống chế vận tốc trượt dựa vào hệ số ma sát giữa thân cây với vật liệu dao

Lực cắt và công suất cắt tiêu thụ là hai hàm mục tiêu có xung đột lợi ích Do đó, cần giải quyết bài toán tối ưu đồng thời cho cả hai chỉ tiêu nói trên Bài toán đa mục tiêu xác định từng chỉ tiêu phù hợp các bước công nghệ cắt: hàm kỳ vọng (2 8) và (2 9); nghiên cứu trên mô hình thực của máy băm (cắt) nhằm tối ưu hóa đồng thời 2 chỉ tiêu

Để làm sáng tỏ các kết luận ở chương 2, cần xây dựng mô hình thí nghiệm tương tự các máy băm thương mại, có khả năng điều chỉnh vận tốc cắt và các góc tương quan giữa dao và thân cây Những nội dung này sẽ được trình bày ở chương tiếp theo

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ

THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1 Giới thiệu

3.2 Thiết kế hệ thống thí nghiệm

3.2.1 Thiết kế sơ đồ thí nghiệm

Hình 3.1 Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện

Hình 3.2 Vị trí tương đối của cây nguyên liệu: (a) nhìn từ trước; (b) nhìn từ trên xuống và (c) nhìn từ bên

3.2.2 Thiết kế kết cấu

(a) (b)

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý truyền động thiết bị băm a) Kết cấu máy thương mại, b) Kết cấu đề xuất: 1) Động cơ; 2) Bộ truyền đai; 3) trục dẫn động; 4) Đĩa dap phẳng; 5) Khớp nối; 6) Cảm biến mô men; 7) Cảm biến lực; 8) Dao kê

Hình 3.4 Mô hình 3D minh họa các

thông số góc của dao và phôi

Hình 3.5 Phân tích lực tương tác dao-cây

3.3 Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu

3.3.3 Cảm biến đo mô men

Hình 3.7 Cảm biến FSSM-100 Hình 3.8 Cảm biến mô men RTT-200

3.3.4 Thiết bị thu thập dữ liệu

Sử dụng bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008

3.3.5 Phần mềm thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm

Phần mềm MiniTab® được sử dụng để lập kế hoạch thí nghiệm

và phân tích thống kê số liệu Phần mềm OriginLab® được sử dụng

để xử l dữ liệu, phân tích hồi quy và vẽ đồ thị mô tả

(a) (b)

Hình 3.10 Kết quả đo lực cắt (a) và đồ thị đối chứng lực đo bằng hai cảm biến (b)

3.5.3 Đo ma sát trượt giữa dao kê và phụ phẩm

Hình 3.11 Bố trí thí nghiệm đo ma sát dao kê – phụ phẩm

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm đo ma sát trượt dao kê – cây ngô

Khối lượng

treo (kg)

Lực pháp tuyến (N)

Lực ma sát (N)

3.6 Kết luận chương

Một số kết luận quan trọng đã thu được từ chương này như sau:

Đã xác định được các thông số đầu vào gồm: góc tiếp dao, góc nghiêng cây, khe hở giữa dao cắt và dao kê và vận tốc cắt Thiết bị thí nghiệm đã phát triển cho phép điều khiển vô cấp giá trị các thông

số này, đáp ứng tốt các yêu cầu dữ liệu theo l thuyết quy hoạch

thực nghiệm Hệ thống thiết bị đo và thu thập dữ liệu đã cho phép

đo các chỉ tiêu đầu ra đồng thời gồm lực cắt và mô men cắt đảm bảo

độ tin cậy Một mô hình thực nghiệm đã được phát triển nhằm xác định hệ số ma sát trượt giữa thân cây ngô với vật liệu dao cắt Các nghiên cứu thực nghiệm, thực hiện trên hệ thống thí nghiệm nói trên

sẽ được trình bày trong chương tiếp theo

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH BIÊN DẠNG LƯỠI CẮT

Bảng 4.1 Các biến đầu vào của thí nghiệm sàng lọc

Giá trị mã hóa Góc tiếp dao (  ) Góc nghiêng cây (  ) Khe hở (mm)