Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu cho máy thái cây bắp MTC 12 làm thức ăn chăn nuôi

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn Tính khoa học của đề tài là lần đầu tiên ở trong nước có mẫu máy thái kiều dao đĩa lưỡi thẳng đạt năng suất cao, có khả năng thái nhỏ  15 mm đảm bảo yê

HỒ KHẮC TUYÊN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CHO MÁY THÁI CÂY BẮP MTC – 12 LÀM THỨC ĂN CHĂN NUÔI PHỤC VỤ

NỘI TIÊU VÀ XUẤT KHẨU

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đồng Nai, 2014

HỒ KHẮC TUYÊN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CHO MÁY THÁI CÂY BẮP MTC – 12 LÀM THỨC ĂN CHĂN NUÔI PHỤC VỤ

NỘI TIÊU VÀ XUẤT KHẨU

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

MÃ SỐ: 60.52.01.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

TS NGUYỄN NHƯ NAM

Đồng Nai, 2014

MỞ ĐẦU

Sản xuất nông nghiệp cung cấp cho xã hội các nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống và phát triển xã hội Trong nông nghiệp thì chăn nuôi chiếm một vai trò quan trọng, vì nó là ngành có lợi nhuận kinh tế cao, là cơ sở để phát triển các ngành công nghiệp thực phẩm, trồng trọt

Trong 10 năm gần đây, đàn bò sữa của nước ta phát triển khá nhanh, năm

1992 cả nước có 13.080 con thì năm 1999 đã tăng lên 24.401 con, năm 2000 tăng lên 34.982 con và năm 2001 đạt 41.241 con Từ khi có quyết định số 167/2001/QĐ-TTg ngày 26/10/2001 về một số giải pháp phát triển chăn nuôi bò sữa, đàn bò năm 2002 đã tăng lên 54.000 con Như vậy trong vòng một năm đàn

bò sữa đã tăng thêm 20.000 con bằng cả giai đoạn 20 năm (1973 – 1992)

Đạt được những thành công ấy, ngoài các yếu tố quản lý, thú y thì yếu tố quyết định vẫn là cung cấp đầy đủ, kịp thời thức ăn cho bò nhất là thức ăn thô xanh Đây là loại thức ăn rất cần thiết cho đại gia súc nói chung và bò nói riêng Tuy nhiên, có nhiều loại cỏ là thức ăn thô xanh có thân cứng và dài nên việc cho

ăn trực tiếp không qua làm nhỏ, làm mềm sẽ gây lãng phí và hiệu suất sử dụng thức ăn của vật nuôi thấp Mặt khác, do đặc điểm về điều kiện tự nhiên, khí hậu mà việc canh tác, thu hoạch các loại thực vật làm thức ăn chăn nuôi ở các tỉnh Phía Nam thường chỉ tập trung vào mùa mưa, còn các tỉnh Phía Bắc không thể canh tác thu hoạch trong những ngày đông rét mướt Vì vậy, để có thức ăn thô, người sản xuất chăn nuôi phải bảo quản, tồn trữ thức ăn chăn nuôi dạng ủ xanh ( ủ tươi) hay bảo quản khô dạng đóng bánh hay đánh đống Với thức ăn chăn nuôi là các loại cỏ

có thân đốt cứng như cỏ voi hay thân cây ngô và một số loại cỏ có thân mềm khác như cỏ xả Ghi Nê, cỏ Sytilo,…thì việc tồn trữ thức ăn được thực hiện dưới dạng ủ tươi thành hố hay đống hoặc dạng túi hút chân không Còn các loại cỏ thân mền, chất xơ chiếm chủ yếu thì được bảo quản dưới dạng phơi sấy khô đánh đống hay đóng bánh Để ủ tươi thì công đoạn chế biến không thể thiếu được là làm nhỏ bằng cách thái và thức ăn càng nhỏ càng tốt

Như vậy, ta có thể thấy tầm quan trọng của việc sử dụng các máy thái cỏ trong qui mô chăn nuôi đại gia súc hiện nay là rất cần thiết Các máy thái được sử dụng hiện nay thường là ngoại nhập và có giá thành rất cao Hầu hết các máy thái được sản xuất trong nước lại chưa đạt được yêu cầu kỹ thuật là máy có năng suất cao (trên 4 tấn/h) nhằm phục vụ qui mô chăn nuôi lớn, hay sản xuất thức ăn thô dạng thương mại, đảm bảo độ dài đoạn thái phải ≤ 15 mm …Các loại máy thái chủ yếu là các máy có năng suất thấp (dưới 2 tấn/h) phục vụ qui mô chăn nuôi hộ gia đình và độ dài đoạn thái nằm trong khoảng từ 30 ÷ 40 mm trở lên, thậm chí lớn hơn 50 mm Đây là một trở ngại kỹ thuật rất lớn cho các máy thái hiện nay Để giải quyết trở ngại này, đã có hướng nghiên cứu kết hợp thái và nghiền (băm) Tuy nhiên sẽ làm cho kết cấu máy phức tạp, năng lượng tiêu thụ, giá thành đầu tư, chi phí sản xuất cao Hướng nghiên cứu đặt ra cho đề tài là nâng cao khả năng làm việc của máy thái kiểu đĩa thông thường nhằm đảm bảo yêu cầu kỹ thuật chế biến thức ăn ủ tươi theo công nghệ mới dạng túi ủ

Hiện nay nhu cầu thức ăn ủ tươi dạng túi ủ cho thị trường các nước Nhật Bản, Hàn Quốc và một số nước Châu Âu khác rất lớn Ở tại các quốc gia này, vào mùa động băng tuyết không có thức ăn tươi cho đại gia súc mà phải dùng thức ăn

dự trữ trong đó thức ăn dạng túi ủ là loại không thể thiếu được Do khả năng cung cấp nội địa thức ăn ủ cho chăn nuôi đại gia súc không đủ về số lượng, giá thành rất cao, nên nhiều nước như Nhật Bản, Hàn Quốc đã đặt hàng nhiều doanh nghiệp của Việt Nam tổ chức sản xuất để thu mua hoặc đứng ra tổ chức sản xuất Từ yếu cầu này, các doanh nghiệp trong nước đã đặt hàng cho các cơ quan nghiên cứu, trường đại học nghiên cứu, chế tạo, lắp đặt dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi đại gia súc dạng túi ủ, trong đó có máy thái là thiết bị chính chủ yếu của dây chuyền Ngay cả nhiều doanh nghiệp do nước ngoài đầu tư để tiết kiệm kinh phí đầu tư cũng đã đặt hàng chế tạo tại Việt Nam các trang thiết bị của dây chuyền Trước yêu cầu của sản xuất, năm 2004 Bộ Giáo dục và Đào tạo đã cho tiến hành đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu công nghệ và thiết kế, chế tạo dây chuyền chế biến thức ăn gia súc cho chăn nuôi đại gia súc và xuất khẩu”, mã số

B2004 – 21 – 62 do TS Nguyễn Như Nam (trường đại học Nông Lâm Thành phố

Hồ Chí Minh) làm chủ nhiệm Đề tài đã chuyển giao thành công kết quả nghiền cứu cho một công ty Hàn Quốc dây chuyền chế biến lắp đặt tại huyện Trảng Bàng (Tây Ninh) Mặc dù đề tài đã được nghiệm thu, chuyển giao vào sản xuất và được giải nhất Hội thi Sáng tạo Kỹ thuật tỉnh Bình Dương năm 2005, nhưng vẫn còn tồn tại là chất lượng sản phẩm còn thiếu ổn định, chi phí năng lượng riêng cao, năng suất thấp Nguyên nhân là do máy thái, một thiết bị chính của dây chuyền chỉ có khả năng thái với độ dài vật thái lớn ( 40 mm), năng suất cực đại chỉ đạt 4 tấn/h, nên chi phí ép đẩy không khí ra khỏi khối thức ăn vừa cao về năng lượng, vừa thấp

về năng suất Do độ dài sản phẩm thái lớn, làm giảm khả năng đẩy không khí ra khỏi túi ủ, nên quá trình lên men kỵ khí trong túi ủ không hoàn toàn

Trước yêu cầu của sản xuất về nâng cao hiệu quả, chất lượng thái cây ngô, năm 2012, TS Nguyễn Như Nam cùng các đồng sự ở khoa Cơ khí – Công nghệ đã thiết kế cải tiến bộ phận thái cỏ kiểu đĩa có 12 dao thái có thể thái thân cây ngô đạt

độ dài đoạn thái tới dưới 15 mm, đạt năng suất tới 6 tấn/h Tuy nhiên máy vẫn còn một số tồn tại cần phải giải quyết là vẫn còn nhiều đoạn thái phần lá và ngọn thân cây ngô có độ dài lớn trên 15 mm và đôi khi phần vận chuyển khí động bị nghẹt

Do là mẫu máy thái thức ăn chăn nuôi mới về kết cấu, sản xuất đơn chiếc nên còn

có sự khác biệt nhau về lý thuyết tính toán và thực nghiệm, kết cấu và các thông số công nghệ của máy chưa ở trạng thái hay chế độ tối ưu Vì vậy, việc xác định các thông số tối ưu cho máy thái cây ngô làm thức ăn chăn nuôi loại túi ủ, phục vụ cho nội tiêu và xuất khẩu theo hướng nâng cao chất lượng và hiệu quả có tính cấp thiết

và tính thời sự cao Được sự chấp thuận của phòng Sau đại học, khoa Cơ điện và Công trình, Ban Giám hiệu trường Đại học Lâm nghiệp, dưới sự hướng dẫn của

thầy TS Nguyễn Như Nam, tôi thực hiện đề tài:

“ Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu cho máy thái cây ngô MTC – 12 làm thức ăn chăn nuôi phục vụ nội tiêu và xuất khẩu ”

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn

Tính khoa học của đề tài là lần đầu tiên ở trong nước có mẫu máy thái kiều

dao đĩa lưỡi thẳng đạt năng suất cao, có khả năng thái nhỏ ( 15 mm) đảm bảo yêu cầu công nghệ sản xuất thức ăn xanh dạng túi ủ mà không phải qua thực hiện thêm khâu băm nghiền

Tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm và chỉ dẫn của Quí Thầy – Cô trong

và ngoài trường Đại học Lâm nghiệp, của Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí và phòng Đào tạo Sau Đại học

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐÈ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng luận về các công trình đã công bố về máy thái thức ăn chăn nuôi

1.1.1 Các kết quả nghiên cứu về máy thái cây ngô làm thức ăn xanh dạng túi ủ

là các công trình biên soạn của Trần Minh Vượng và Nguyễn Thị Thuận với giáo

trình “Công cụ và máy chăn nuôi” [15], “Máy phục vụ chăn nuôi” [19], hay công trình biên soạn “Máy và thiết bị chế biến thức ăn chăn nuôi” [13] của Nguyễn Như Thung và các cộng sự, giáo trình “Máy gia công cơ học nông sản thực phẩm” của

Nguyễn Như Nam và Trần Thị Thanh [10]

Về thực nghiệm đã có một số công trình khoa học công bố về việc thiết kế, chế tạo, khảo nghiệm máy thái cỏ kiểu đĩa trục ngang Đó là công trình của Trần Minh Vượng và các công sự về “Kết quả khảo nghiệm máy thái PCC - 6” công bố vào năm 1975 Cho đến thời gian này, trong nước chưa chế tạo được máy thái thân thực vật phục vụ sản xuất Vì vậy công trình công bố chỉ mới dừng lại ở khảo nghiệm mẫu máy thái thực vật nhập từ nước ngoài

Vào những thập niên 1990, các nhà khoa học của trường đại học Nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu chế tạo thành công máy thái thực vật có qui mô năng suất từ 2  4 tấn/h chuyển giao cho công ty Bò Sữa An Phú và nhiều trang trại chăn nuôi khác

Cũng năm 2003, Trung tâm Năng lượng và Máy Nông Nghiệp (trường đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh) đã chế tạo máy thái cỏ (hình 1.1) có năng

suất từ 700- 1000 kg/h theo nguyên mẫu của Viện Nghiên cứu lúa Quốc Tế (IRRI)

để sử dụng ở các nông hộ và các trang trại vừa và nhỏ ở Việt Nam

Hình 1.1 Máy thái cỏ theo mẫu IRRI của Trung tâm Năng lượng và Máy Nông

Nghiệp (trường đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh).(Theo [7]) Năm 2004, TS Nguyễn Như Nam thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học cấp

Bộ Giáo dục và Đào tạo:“Nghiên cứu công nghệ và thiết kế, chế tạo dây chuyền

chế biến thức ăn gia súc cho chăn nuôi đại gia súc và xuất khẩu” [7] Đề tài đã

chuyển giao thiết kế cho công ty TNHH một thành viên Cơ khí Tây Ninh chế tạo thành công máy thái cây ngô kiểu đĩa trục ngang đạt năng suất 4 tấn/h lắp đặt cho doanh nghiệp Hàn Quốc tại Trảng Bàng (Tây Ninh)

Hình 1.2 Máy thái cỏ của Công ty Cổ Phần Quốc Tế Xanh (Theo [7])

Năm 2009, Công ty Cổ Phần Quốc Tế Xanh (huyện Cẩm Mỹ, tỉnh Đồng Nai) đã chế tạo và đưa vào sử dụng, máy thái cây ngô làm thức ăn ủ xanh (hình 1.2) Máy có sử dụng 2 động cơ truyền động cho trục cuốn và dao thái Sản phẩm thái có độ dài từ 40 mm đến 100 mm, đạt năng suất 3 tấn/h

Năm 2005 kỹ sư Trịnh Văn Trại [14] thực hiện đề tài “Hoàn thiện công nghệ và thiết bị ủ cỏ cho chăn nuôi hộ gia đình và trang trại nhỏ” cấp Thành phố

Hồ Chí Minh đã chế tạo chép mẫu máy thái cỏ PCB – 3,5 Đề tài này nghiệm thu vào tháng 11 năm 2008 Đề tài thực hiện không có kết quả khoa học lý thuyết Kết quả về thực nghiệm đã chế tạo hoàn chỉnh 01 mẫu máy thái cỏ đạt các chỉ tiêu kinh

tế kỹ thuật là: năng suất 1 tấn/h, độ dài đọan thái với phần thân cây bắp là 5 cm, phần lá 15 cm Máy thái không có bộ phần nghiền Như vậy so sánh với yêu cầu

kỹ thuật đặt ra, máy không đảm bảo được độ nhỏ sản phẩm thái

Vào những năm 2000, công ty Bình Quân (Thành phố Hồ Chí Minh) đã giới thiệu trên thị trường các loại máy thái cỏ kiểu đĩa và trống có quy mô năng suất dưới 2 tấn/h

Hình 1.3 Máy thái cỏ của Công ty Bình Quân (Theo [7])

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu về máy thái cây bắp làm thức ăn xanh dạng túi ủ

ở ngoài nước

Lý thuyết tính toán máy thái thực vật nói chung và máy thái thực vật kiểu đĩa với lưỡi thẳng đã được V.P Gơriatskin xây dựng hoàn chỉnh từ năm 1936 với công trình “Теоря cоломзерки и силоcорезки ”, sau đó N.Ie Reznhik biên soạn

và phát triển với công trình “ Силосоуборочные комбайны” công bố năm 1964 [27] Đây là các tài liệu chuyên khảo Trong các công trình này, các tác giả đã xây dựng lý thuyết cắt thái theo hệ thống hoàn chỉnh từ nghiên cứu đối tượng cắt thái, các mẫu máy thái và lý thuyết tính toán, thiết kế bộ phận cung cấp, bộ phận thái và thu hồi vật thái

Cùng với các tài liệu chuyên khảo, các lý thuyết về máy thái thực vật còn được biên soạn trong các giáo trình về máy phục vụ chăn nuôi giảng dạy cho các ngành cơ giới hoá nông nghiệp Về ngành máy và thiết bị sản xuất thực phẩm, lý thuyết cắt thái thực vật ít được đề cập mà chỉ tập trung với đối tượng là các loại dao cắt các sản phẩm thực phẩm như thịt, cá, bột

Hình 1.4 Máy thái rau cỏ rơm PCC-6,0 (Theo [10], [16], [17], [18], [19])

1.Khung; 2.Cơ cấu căng dây chuyền; 3.Dây chuyền; 4.Tay điều khiển khớp ly hợp;

5.Thanh đỡ và lò xo của trục cuốn cung cấp phía trên

Hầu hết các loại máy thái thực vật được sản xuất phục vụ tại các trang trại chăn nuôi hoặc nằm trong các máy liên hợp thu hoạch cỏ, ngô trên đồng Nguyên

lý của tất cả các loại máy thái thực vật đều có cấu tạo như hình 1.2 Sự khác biệt nhau chủ yếu là về chất lượng chế tạo, hoặc giảm bớt các bộ phận phụ trợ để phù hợp với yêu cầu công việc và giảm giá thành Truyền động cho máy thái có thể từ động cơ điện hoặc từ trục trích công suất của máy kéo như máy thái GEN do Mỹ sản xuất nhập khẩu vào Việt Nam từ trước năm 1975 Máy thái này được Công ty

Bò sữa An Phú sử dụng cho đến cuối thập niên 1980 Đây là loại máy thái không

có băng tải cấp liệu mà dùng một máng nghiêng thay thế

Hình 1.4 giới thiệu máy thái rau – cỏ – rơm PCC – 6 ( theo [10], [16], [17], [18], [19] ) do Liên Xô (cũ ) sản xuất Đây là loại máy thái đã nhập vào Việt Nam trước và sau năm 1975, như trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội, Nông Trường

Bò Sữa Đức Trọng, Trung Tâm Nghiên Cứu trâu và đồng cỏ Sông Bé, Máy dùng

để thái cỏ tươi làm thức ăn xanh hay thức ăn ủ tốt Máy thuộc loại di động, kiểu đĩa, có cơ khí hóa việc cung cấp và thu thức ăn Năng suất tính toán cực đại của máy khi thái rơm tới 1,5 tấn/h khi thái thức ăn xanh tới 6 tấn/h

Khung PCC – 6 được hàn bằng các thanh thép góc, đặt trên 4 bánh xe Các bánh xe bằng gang Trục bánh xe sau làm dài hơn để cho máy đứng vững chắc hơn Trục trước xoay được và có lắp một móc ngắn Bánh xe dùng để di chuyển máy trên đường đất với vận tốc không lớn lắm và với khoảng cách ngắn (trong phạm vi trại) Khi vận chuyển máy thái rau cỏ rơm trên những khoảng xa, phải chở trên ô tô

Dây chuyền kiểu xích lắp các thanh rộng 360 mm và dài 1,7m, gồm hai xích với các thanh kim loại Xích mắc vào hai cặp bánh sao ở các trục chủ động và phụ động Nhánh trên trượt trên hai thanh gỗ dọc lắp vào khung Căng xích bằng cách thực hiện dịch chuyển trục phụ động với các gối đỡ dọc theo khung dùng các đinh

khe giữa các răng của tấm lược cố định Trên mép phía trước của tấm lược lắp tấm

kê thái bằng thép 7

Hình 1.5 Các bộ phận cung cấp và thái của máy thái rau cỏ rơm PCC-6,0

(Theo [10], [16], [17], [18], [19])

a) Mặt cắt: 1.Dây chuyền kiểu xích-thanh; 2.Trục cuốn trên; 3.Lò xo;

4.Cánh quạt gió; 5.Dao; 6 Đinh ốc điều chỉnh; 7.Tấm kê thái; 8.Trục cuốn dưới;

b) Dạng chung của cánh quay : 1.Dao; 2.Cánh quạt; 3.Đinh ốc điều chỉnh

Họng thái có thể tháo lắp được, bề rộng 380 mm, chiều cao cực đại là 100

mm Bộ phận dao gồm có cánh quay (hình 1.5) với hai dao và hai cánh quạt Cánh

quay bằng thép đúc, đường kính 1200 mm, tiết diện cắt ngang ở đầu cánh có dạng thanh thép góc không đều cạnh, lắp bằng ổ trục vào trục chính của máy, giữ chặt

bằng then và có hai đinh ốc hãm

Các dao 1 có lưỡi cong theo dạng vòng tròn sai tâm, được lắp bằng đinh ốc

vào các mặt cạnh của cánh quay Để điều chỉnh vị trí của lưỡi dao đối với tấm kê

thái có các đinh ốc điều chỉnh 3 Dao làm bằng thép lá dày 3 mm, với góc mài của

lưỡi là 12o

Hai cánh quạt 2 dùng để tạo thành luồng gió trong ống dẫn của dây chuyền

quạt gió, được lắp vào các mặt trước của cánh quay

Trục của bộ phận dao đặt trên hai gối đỡ bi của khung và được truyền chuyển động quay với tốc độ 450 vg/ph Cánh quay với dao và cánh quạt gió có vỏ che kín (hình 1.5) Phần dưới của vỏ lắp cố định vào khung và có đoạn ống để nối ống dẫn Phần trên của vỏ lắp bản lề mở lật được và đóng chặt bằng khóa móc Ở trung tâm thành mặt trước của vỏ có lỗ để thông không khí và vỏ

Trong quá trình làm việc lớp thức ăn liên tục đưa từ họng thái vào, được các dao thái, rơi xuống đáy vỏ và từ đó nhờ các cánh quạt gió quạt văng vào đoạn ống dẫn Tiếp theo nó được luồng gió do cánh quay tạo nên thổi lên theo ống dẫn tới độ cao 10 m

Ống dẫn của dây chuyền quạt gió là loại tháo rời được, nó gồm những khâu ống riêng rẽ, chiều dài mỗi khâu ống là 1,4 m và đường kính 0,3 m Đầu trên cùng của ống dẫn lắp miệng hướng dẫn dùng để hướng các đoạn thái rơi vào trong tháp

ủ hay vào giữa hào ủ

Hình 1.6 Sơ đồ dẫn động của máy thái rau

cỏ rơm PCC-6 (Theo [10], [16], [17], [18], [19])

1, 2 Bánh răng;

3 Ly hợp

Cơ cấu truyền động (hình 1.6) từ trục chính với các cánh quay tới các trục cuốn và dây chuyền gồm ba cặp bánh răng hình trụ, một cặp bánh răng hình nón và một cặp bánh xích Bằng cách thay đổi các bánh răng 1,2 ta có thể đạt được 6 kiểu

độ dài đoạn thái (6, 15, 25, 27, 40 và 104 mm) Đóng và mở bộ phận truyền động tới các trục cuốn và dây chuyền nhờ khớp ly hợp 3, điều khiển bằng tay kéo Các bánh răng và xích đều có vỏ an toàn che kín Dựa theo mẫu máy PCC- 6, Khoa Cơ Khí Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm đã chế tạo và đưa vào sử dụng 02

chiếc tại Công ty Bò Sữa An Phú Thành Phố Hồ Chí Minh Các máy này có cải tiến băng chuyền cung cấp dạng băng tải đai cho phù hợp với điều kiện Việt Nam, máy hiện đang hoạt động tốt

Vào thập niên 1970, Liên Xô (cũ) đã nghiên cứu thành công và đưa vào ứng dụng trong sản xuất(cho đến nay) máy thái nghiền Volgar – 5 (hình 1.7) Đây là loại máy thái vạn năng có thể thái được nhiều loại rau cỏ Máy có bộ phận thái kiểu trống dao xoắn và bộ phận băm, gồm 9 cặp dao trong đó 9 dao cố định và 9 dao di động Bộ phận cung cấp gồm một băng chuyền và một băng ép có thể thay đổi được chiều quay để đổi hướng cung cấp, và chiều cao họng thái thay đổi nhờ

cơ cấu băng ép trên máy thái , thái được nhiều đoạn thái khác nhau phù hợp với yêu cầu cho ăn hoặc ủ chua Khi thái rau, năng suất tối đa của máy đạt 10 t/h Máy

sử dụng động cơ có công suất 22 kW

Hình 1.7 Máy thái nghiền

1.2 Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu

1.2.1 Công nghệ sản xuất thức ăn chăn nuôi đại gia súc dạng túi ủ từ cây ngô

1.2.1.1 Sơ đồ công nghệ

Thức ăn ủ xanh dạng túi ủ là một kỹ thuật bảo quản thức ăn thô xanh hiện đại Sơ đồ công nghệ sản xuất thức ăn chăn nuôi đại gia súc dạng túi ủ từ cây ngô trình bày như hình 1.8 [7]

 Nguyên liệu:

Nguyên liệu là cây ngô (hình 1.9) Đối với các doanh nghiệp sản xuất sản phẩm xuất khẩu thì nguồn nguyên liệu được thu mua từ những vùng chuyên canh trồng ngô nhằm đảm bảo tính ổn định cho sản xuất Còn những cơ sở sản xuất kinh doanh khác chủ yếu cho nội tiêu thì nguyên liệu có thể thu gom từ nhiều nguồn khác nhau Cây ngô được thu hoạch trong giai đoạn chín sữa Còn những nguồn nguyên liệu đã thu hoạch trái cũng được thu về nhưng cần cung cấp thêm lượng xúc tác lớn hơn (thường cung cấp gấp đôi lượng rỉ mật) cây bắp được thu hoạch trong giai đoạn chín sữa

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ sản xuất thức ăn chăn nuôi đại gia súc dạng túi ủ

Hình 1.9 Vùng trồng ngô nguyên liệu Hình 1.10 Đưa nguyên liệu vào máy thái

 Thái:

Công đọan đầu tiên là thái làm nhỏ cây ngô thành những đọan nhỏ Yêu cầu

kỹ thuật của công đọan này là thái cáng nhỏ càng tốt ( 15 mm) Sản phẩm sau thái nghiền đạt độ nhuyễn thích hợp và được chuyển qua máy ép tách nước Công việc cung cấp cây ngô vào máy thái làm nhỏ và vận chuyển sản phẩm sau khi thái để đưa vào máy ép tách nước có thể dùng các thiết bị vận chuyển hoặc bằng thủ công

do công nhân thực hiện Thiết bị dùng để thái chủ yếu là các lọai máy thái rau – cỏ

- rơm dạng dao thái kiểu đĩa có trục nằm ngang hay máy thái nghiền

Hình 1.11 Sản phẩm sau thái nghiền Hình 1.12 Máy ép tách nước

 Ép tách nước:

Do nhu cầu sản xuất rất lớn, nguyên liệu thu mua về không thể phơi nắng trong thời gian dài Vì vậy cây ngô thường ở độ ẩm cao, nên sản phẩm sau thái nghiền cần phải được ép tách nước để đạt độ ẩm thích hợp từ 65 – 70% Thiết bị

để ép tách nước thường là máy ép thủy lực với lực ép từ 5 – 50 tấn Hình 1.12 trình bày máy ép thủy lực với lực ép tối đa lên tới 50 tấn

 Nén ép định lượng:

Sau khi được ép tách nước đạt độ ẩm thích hợp, sản phẩm thái nghiền được cho vào máy nén ép định lượng Tại đây, máy sẽ nén chặt sản phẩm thành những khối nặng 25 kg rồi tự động vô bao Sau đó, tùy theo đối trạng thái nguyên liệu (tươi xanh còn non hay già ) mà người ta tiến hành cung cấp xúc tác với 300cc rỉ mật cho mỗi bao có trọng lượng là 25 kg

 Hút chân không:

Hút chân không là giai đoạn cuối cùng của quá trình chuẩn bị để tiến hành ủ

chua, nếu phát hiện bao bì không tốt hay bị lỗi kĩ thuật, thủng… thì phải loại bỏ và thay bao mới Khi hút chân không phải đảm bảo lượng không khí còn lại trong bao

là tối thiểu vì điều này đảm bảo chất lượng sản phẩm ủ sau cùng

Hình 1.13 Máy nén ép định lượng Hình 1.14 Máy hút chân không

 Ủ:

Sau khi hút chân không người ta bịt kín miệng túi lại, mỗi túi có trọng lượng

là 25 kg Những túi nhỏ này được xếp vào những bao lớn, mỗi bao chứa 24 bao nhỏ tương đương 600 kg

Những bao này được xếp vào kho để ủ trong khoảng thời gian là 2 tuần, sau

đó được xuất đi tiêu thụ Thị trường tiêu thụ ngoài nước rất lớn Một số nước nhập sản phẩm chính như : Nhật Bản, Hàn Quốc…

Hình 1.15 Bao ủ trong kho Hình 1.16 Sản phẩm ủ đóng gói chân

và tiêu hóa tốt hơn

+ Kỹ thuật “ ủ xanh dạng túi ủ ” thức ăn thô xanh có thể giúp người chăn nuôi hoàn toàn chủ động trong việc bảo đảm nguồn cung cấp thức ăn thô xanh ổn định cho đại gia súc và có thể khai thác sử dụng có hiệu quả các nguồn nguyên liệu phụ phế phẩm nông nghiệp

 Nguyên tắc ủ xanh dạng túi ủ:

+ Hạn chế triệt để sự có mặt của ôxy khí quyển trong khối thức ăn ủ

+ Tăng cường quá trình lên men kỵ khí bằng các chất xúc tác (vỏ thơm, mật rỉ đường, men vi sinh,…)

 Bản chất của quá trình ủ xanh dạng túi ủ:

Quá trình ủ xanh là quá trình lên men kỵ khí trong túi ủ khi có đủ độ ẩm Giữ vai trò chính trong quá trình ủ là các vi khuẩn lên men lactic có sẵn trong cây bắp Những quá trình chính sau đây xảy ra trong quá trình ủ xanh:

+ Hoạt động hiếu khí:

Những tế bào trong cây ngô tiếp tục hô hấp, tiêu thụ oxy còn lại trong túi ủ tạo ra khí CO2 và nước, kèm theo toả nhiệt lượng đó là dấu hiệu đầu tiên của sự hô hấp Nguyên nhân chủ yếu là do những tế bào thực vật còn sống nhờ ôxy của không khí còn xót lại trong túi ủ vẫn tiếp tục hô hấp và sản sinh ra năng lượng Đồng thời nấm men và mốc vẫn tiếp tục phát triển Nếu ủ đúng kỹ thuật giai đoạn này sẽ ngắn, nhiệt độ sẽ không lên quá 38oC Nếu cây ngô nén không chặt, để không khí lọt vào, thì giai đoạn này kéo dài, tổn thất lớn và nhiệt lượng thừa sinh

ra làm nóng và hỏng thức ăn

Đường + O2 CO2 + H2O + nhiệt (1.1) Nấm men và nấm mốc

Giai đoạn hoạt động hiếu khí kéo dài hay ngắn tùy thuộc vào sự có mặt của ôxy trong túi ủ Thức ăn bị tổn thất về chất dinh dưỡng, chủ yếu là hydratcacbon

do quá trình hô hấp này Vì vậy khi ủ càng nén chặt, hút chân càng tốt bao nhiêu (để loại bỏ không khí trong bao ủ) thì càng tốt bấy nhiêu Sản phẩm cuối cùng của quá trình là CO2 + H2O và nhiệt

+ Hoạt động kỵ khí:

Khi toàn bộ lượng ôxy còn lại trong túi ủ đã bị tiêu diệt hết ở giai đoạn trên,

vi khuẩn kỵ khí bắt đầu hoạt động và sinh sôi nhanh Đồng thời nấm men và mốc

bị chết đi, tế bào vẫn có thể tiếp tục sống thêm được một thời gian nhất định nữa Trong quá trình này chất đường tích lũy trong thức ăn tiếp tục bị phân giải cho ra rượu và các axit hữu cơ Lượng nước trong thức ăn càng nhiều thì quá trình hô hấp yếm khí càng lâu Nhưng số lượng các axit hữu cơ sản sinh ra trong quá trình này vẫn ít, không có tác dụng bảo quản thức ăn

+ Phân giải prôtêin:

Trong thức ăn đem ủ xanh dạng túi ủ có khoảng 75 – 90% Nitơ tổng số tồn tại ở dạng prôtêin Sau khi thu hoạch cây bắp, prôtêin nhanh chóng bị phân giải (thủy phân mạch nối peptit) và do đó làm hàm lượng prôtêin có thể bị tổn thất khoảng 50% sau một vài ngày phơi trên ruộng Mức độ phân giải này phụ thuộc

Hô hấp tế bào

vào loại thức ăn, nhiệt độ Khi thức ăn được ủ xanh dạng túi ủ, quá trình phân giải prôtêin vẫn tiếp tục mặc dù có giảm xuống khi pH giảm Sản phẩm của quá trình phân giải prôtêin này là các axit amin và peptit có độ dài khác nhau Quá trình biến đổi tiếp tục đối với các axit amin sinh ra amôniac hoặc do các enzim thực vật, nhưng chủ yếu là do hoạt động của vi sinh vật

+ Lên men vi sinh vật:

Nấm và vi khuẩn hiếu khí là những vi sinh vật chủ yếu có trong cây cỏ xanh, nhưng trong điều kiện yếm khí chúng bị thay thế bởi vi khuẩn có khả năng sinh trưởng trong điều kiện thiếu ôxy Các vi khuẩn này bao gồm vi khuẩn lactic, vi khuẩn clostridia và enterobacteria

+ Vi khuẩn lactic:

- Vi khuẩn lactic thường có trong cây bắp đang sinh trưởng với số lượng nhỏ, nhưng chúng tăng nhanh sau khi thu hoạch, đặc biệt là cây đã bị chặt nhỏ hoặc làm nát Khi ủ, vi khuẩn lactic tiếp tục tăng, chúng lên men phân giải hydratcacbon dễ hòa tan trong cây bắp để tạo thành các axit hữu cơ và chủ yếu là các axit lactic, dẫn đến làm giảm độ pH của môi trường Trong quá trình ủ xanh dạng túi ủ, quá trình thủy phân hemixenluloza cũng xảy ra, giải phóng đường pentôza và đường này cũng có thể được lên men để tạo thành axit lactic và axit axêtic

- Các loài vi khuẩn thuộc loại lên men đồng chất (homofermentative) như Lactobacillus plantarium, Pediococcous pentosaceus, Enterococcus faecalis biến đổi:

Glucôza → 2 axit lactic

Fructôza → 2 axit lactic

- Các loài vi khuẩn thuộc loại lên men dị chất (heterofermentative) như Lactobacillus brevis, Leuconostoc mesenteroidos biến đổi:

Glucôza → axit lactic + entano + CO2

3 Fructôza → axit lactic + 2 manitol + axit axêtic + CO2

Pentôza → axit lactic + axit axêtic (1.3)

Vi khuẩn clostridia:

- Vi khuẩn clostridia có mặt trong cây bắp dưới dạng bào tử và chỉ phát triển dưới điều kiện yếm khí Clostridia phân giải axit lactic tạo thành axit butyric làm tăng giá trị pH Clostridia còn có khả năng phân giải prôtêin thành axit lactic

và axit butyric, amin và amôniac

- Các loài phân giải đường (Saccharolytic) như Clostridium butyricum, Clostridium tyrobutyricum biến đổi:

2 axit lactic → axit butyric + 2CO2 + 2H2 (1.4)

- Các loài phân giải prôtêin (Prôtêolytic) như Clostridium bifermentans, Clostridium sporogenes có thể khử amin hoặc khử cacboxyl:

Khử amin:

Amin glutamic → axit axêtic + axit pyruvic + NH3

Lysin → axit axêtic + axit butyric + NH3 (1.5) Khử cacboxyl:

Axit glutamic → axit aminobutyric + CO

Ôxy hóa khử:

Alanin + 2 glyxin → 3 axit axêtic + 3NH3 + CO2 (1.7)

- Clostridia rất nhạy cảm với nước và đòi hỏi thức ăn phải rất ẩm mới hoạt động tốt Khi thức ăn quá ẩm thì thậm chí độ pH hạ xuống dưới mức 4 vẫn có thể không ức chế được chúng

+ Enterobacteria:

- Enterobacteria thường có số lượng rất ít trong cây bắp Chúng là những vi khuẩn kỵ khí tùy tiện và có khả năng phân giải đường dể tan để tạo ra axit axêtic, ethanol và hydrô:

Glucôza → axit axêtic + enthanol + 2CO2 + 2 H2 (1.8)

- Ngoài ra, cũng giống như vi khuẩn clostridia chúng có khả năng khử cacbôxyl và khử amin các axit amin, sản xuất ra một số lượng lớn amôniac, pH

thích hợp cho sự sinh trưởng của enterobacteria là 7,0 và thường chỉ hoạt động mạnh ở các giai đoạn lên men đầu tiên

 Các yếu tố kỹ thuật của công nghệ:

+ Thời gian tiến hành ủ xanh dạng túi ủ:

Nếu thao tác ủ quá lâu không những thức ăn không tốt làm mất chất dinh dưỡng mà còn sinh nhiều nhiệt, nhiệt độ cao trong bao ủ sẽ làm thức ăn bị hỏng

+ Độ kín khí:

Điều kiện không khí không có trong bao ủ là rất cần thiết để thức ăn lúc đầu khỏi sinh nhiệt lượng cao do vi khuẩn hoạt động và về sau vẫn giữ được phẩm chất tốt Muốn vậy, cần phải nén chặt thức ăn (tốt nhất là dùng máy nén ép định lượng)

để giảm thiểu những kẻ hở, không cho không khí tồn tại trong bao ủ

+ Nhiệt độ:

Nhiệt độ thích hợp trong bao ủ là từ 20 – 600 C Nếu ủ vài ngày mà nhiệt độ trong túi ủ lên quá cao là do thức ăn không được nén chặt, hoặc do bao ủ không được kín để không khí lọt vào nhiều, hoặc do ánh nắng mặt trời trực tiếp chiếu vào túi ủ quá mạnh Nhiệt độ trong khối thức ăn ủ cao sẽ làm hỏng thức ăn, phản ứng Milliard sẽ xảy ra, thức ăn bị đen

 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng cây bắp ủ xanh dạng túi ủ:

+ Thành phần nguyên liệu

+ Hàm lượng ẩm:

Để ủ xanh dạng túi ủ tốt, các nguyên liệu đem đi ủ phải đạt độ ẩm từ 65 – 75% Giá trị pH của thức ăn ủ đóng gói chân không phụ thuộc vào hàm lượng ẩm ban đầu, hàm lượng ẩm càng thấp thì pH phải xuống càng thấp thì mới có giá trị bảo quản lâu dài

+ Hàm lượng đường:

Nếu hàm lượng đường trong nguyên liệu quá thấp thì quá trình lên men lactic không đủ để hạ pH xuống mức cần thiết để bảo quản được thức ăn Khi nguyên liệu ủ có lượng nước cao, đường dễ tan thấp dẫn đến chất lượng thức ăn ủ kém và không còn đường dễ tan trong thức ăn ủ

+ Khả năng đệm:

Nếu nguyên liệu có tính đệm cao thì việc giảm pH sẽ khó khăn hơn Ngược lại khi khả năng đệm quá thấp, thức ăn dễ bị chua hóa, làm giảm khả năng thu nhận thức ăn của gia súc Vì vậy nguyên liệu có tính đệm vừa phải thì thức ăn ủ sẽ đạt chất lượng tốt

Khi chất lượng thức ăn không đáp ứng được các yêu cầu cho quá trình lên men lactic được tốt, một số biện pháp hỗ trợ sau đây có thể áp dụng:

- Bổ sung đường dễ lên men như rỉ mật

- Phơi héo sơ bộ đưa độ ẩm của cây bắp nguyên liệu về khoảng 70%

- Bổ sung thêm muối hoặc CaCO3 để đệm đề phòng cây ủ chua quá và tăng

áp suất thẩm thấu

- Bổ sung vi sinh vật lên men lactic

- Bổ sung axit hữu cơ để hạ nhanh pH

1.2.2 Lý thuyết tính toán máy thái kiểu đĩa lưỡi thẳng ( Theo [10], [16], [17],

[18], [19])

1.2.2.1 Sơ đồ dao thái kiểu đĩa lưỡi thẳng

Sơ đồ dao thái kiểu đĩa lưỡi thẳng trình bày như hình 1.17

Hình 1.17 Sơ đồ dao thái kiểu đĩa lưỡi thẳng

c- khoảng cách từ trục quay tới mép họng thái theo đường nằm ngang;  - góc quay của dao;  - góc quay của bán kính véctơ (trong tọa độ cực); u -khoảng cách

từ trục quay của đường nằm ngang tới điểm dịch chuyển của lưỡi dao theo cạnh sắc của họng thái;- khoảng cách từ đường thẳng góc với lưỡi dao (kể từ tâm

quay) tới điểm của lưỡi dao mà ta xét;  - góc trượt;  - góc kẹp; a - Chiều cao

họng thái; b - Chiều rộng họng thái

Sơ đồ dao thái phải thoả mãn các điều kiện sau:

+ Chi phí năng lượng cắt thái phải thấp nhất Muốn vậy, quá trình cắt thái phải là cắt thái có trượt và góc trượt  phải tăng lên theo hướng tăng của bán kính quay r

Điều kiện để quá trình cắt thái có trượt là: góc trượt  > ’ (1.9) Trong đó:  - góc hợp bởi giữa véc tơ vận tốc pháp tuyến và véc tơ vận

tốc tuyệt đối của lưỡi dao tại điểm và thời điểm xét;

’ – góc ma sát giữa cạnh sắc lưỡi dao và vật thái

+ Vật thái phải được kẹp trong suốt quá trình cắt thái

Điều kiện kẹp là: góc kẹp  < 2’ (1.10) Trong đó:  – góc hợp bởi giữa cạnh sắc lưỡi dao và cạnh sắc tấm kê + Tải trọng tác dụng lên trục máy phải đều đặn Để đảm bảo điều kiện này thì trong quá trình cắt thái độ ngập sâu của dao vào vật thái phải giảm đi khi bán kính

r tăng, hay tỉ số d/du phải tăng khi u tăng và độ dài đoạn lưỡi dao ngập vào vật

thái phải ít thay đổi

Các kích thước cơ bản của sơ đồ dao thái kiểu đĩa lưỡi thẳng (hình 1.17) liên hệ với nhau theo các hệ thức hình học và lượng giác như sau:

dr p

(1.15)

Thay các trị số có liên quan vào phương trình ta có:



h u h

u h v

u p h v du

sin.)

2 2

h

pu h du

Như vậy, về giá trị, khi u tăng thì góc kẹp  giảm, còn góc trượt  cũng giảm, nên sin sẽ giảm, cos  tăng Vì thế độ lớn của tỉ số sin/cos giảm khi u tăng, điều đó có nghĩa là cùng với một góc quay d của dao, khi u tăng hay về cuối quá trình cắt thái độ ngập sâu vào vật thái đặc trưng bởi đại lượng du lại tăng Điều này xác định ở sơ đố dao thái lưỡi thẳng tải trọng tác dụng lên trục máy không đều đặn

Qua những phân tích, tính toán trên, ta có thể rút ra những kết luận về dao thái lưỡi thẳng như sau:

- Hiện tượng cắt trượt kém, càng về cuối quá trình thái càng bất lợi Mômen cản cắt thái thay đổi đột ngột quá lớn, tải trọng tác động lên trục không đều

- Dao thái thẳng có một số ưu điểm như càng về cuối quá trình thái, hiện tượng kẹp càng tốt, dao có hình dạng đơn giản dễ chế tạo, dễ lắp mài và điều

chỉnh, bền, khi máy thái làm việc với số vòng quay lớn, dao sẽ đỡ phải nén ép vật thái trước khi cắt đứt, nhờ đó rau quả tươi đỡ bị ép mất nhiều nước

- Khi thiết kế dao thái lưỡi thẳng cần chú ý : khoảng cách p là thông số cơ bản để thiết kế

- Độ cao h là phải nhỏ hơn p Thường chọn h = 0,5.p (1.18)

- Kích thước c phải lớn hơn p Thường lấy c = 1,2.p (1.19)

1.2.2.2 Động lực học của máy thái kiểu đĩa lưỡi thẳng

Thông số cơ bản đặc trưng động lực học cho quá trình cắt thái là áp suất cắt thái q và mô men cắt thái Mct Áp suất cắt thái q được xác định theo công thức:

Trong đó: N – lực cắt thái q, [N];

S – độ dài đoạn lưỡi dao ngập vào vật thái, [cm]

Để xác định q, người ta dùng thiết bị đo áp suất cắt thái riêng Trong dụng

cụ đo này, N xác định bằng lực ép của lò xo, còn S xác định bằng thước đo chiều dài

Mômen cắt thái được xác định theo công thức:

Mct = q.S.r.cos(1 + f’tg), Nm (1.21)

Trong đó: q – áp suất cắt thái, [N/cm];

S – độ dài đoạn lưỡi dao ngập vào vật thái, [cm];

r – bán kính từ tâm quay của dao đến đểm giữa của S, [m];

 - góc trượt, [0];

f’ – hệ số cắt trượt

Ứng với từng trị số góc quay  của dao thái trên cơ sở sơ đồ thiết kế cụ thể của bộ phận thái Các đại lượng S, r, góc trượt , áp suất riêng , hệ số cắt trựơt f’ được đo và tính với từng vị trí của dao ứng với các góc quay  như trên hình 1.18

Tương ứng với đồ thị mô men cắt thái và từng trị số của góc quay  của dao, ta có thể tính được trị số mômen cắt thái trung bình Mcttb:

Mcttb = ct

k

ct d k A M

k

.22

/ 2

Trong đó: kdao – số dao;

 – góc quay của dao

Trong đó: Mck – mômen chạy không của máy thái, [Nm];

Mcc – mômen cung cấp vật thái vào máy, [Nm]

Có thể tính gần đúng các mômen Mck và Mcc theo tỷ lệ sau:

Khi đó: Mđc =

35Mcttb

Công suất động cơ:

Nđc = Mđc.tb =

30

M dc n



, kW ; (1.25) Trong đó: n – số vòng quay trong một phút của máy thái

1.2.2.3 Năng suất của máy thái

Năng suất lý thuyết được tính như sau:

Q = 60.atb.b.l.k..n, kg/s ; (1.26)

Trong đó: atb – chiều cao trung bình của họng thái, atb =

2

max min a

a 

, [m];

b – chiều rộng của họng thái, [m];

l – độ dài đoạn thái, [m];

kdao – số dao thái lắp trên đĩa;

 – khối lượng thể tích của lớp rau cỏ được trục cuốn nén, [kg/m3];

n – số vòng quay của máy trong một phút, [vg/ph]

Năng suất thực tế được xác định bằng cách đo cụ thể khi cho máy làm việc

1.2.2.4 Độ dài đoạn thái

Độ dài đoạn thái tính theo lý thuyết:

c – độ trượt của trục cuốn trên lớp cỏ, c = 0,05;

i – tỷ số truyền từ trục máy tới trục cuốn

Đo thực tế: xác định bằng trị số độ dài trung bình ltb của các đoạn thái được phân loại theo các trị số li ( ví dụ, phân loại theo lo = 0, l1 = 10 mm,

l2 = 20 mm,…), rồi tính theo công thức:

ltb =

P

l l P

n

i i i

1

Trong đó: P – khối lượng mẫu rau cỏ đã thái, P = P i (có thể lấy P = 100 g);

Pi – khối lượng các đoạn thái có độ dài từ li đến li+1

1.3 Ý kiến thảo luận

1) Trong tất cả các máy thái kiểu đĩa trục ngang đã nêu, các máy thái mà các tác giả đã nghiên cứu chủ yếu dùng dao thái lưỡi thẳng với số dao thái từ 2  4 dao

Độ dài đoạn thái đạt được từ 30  50 mm đối với thân, với lá có thể tới 200  250

mm hoặc có thể dài hơn nữa Với chất lượng thái như vậy không có khả năng dùng làm thức ăn ủ xanh dạng túi ủ Bằng việc cải tiến lại bộ phận thái bằng cách nâng

số dao thái lắp trên đĩa tới 12 dao, máy thái MTC – 12 đã đảm bảo cơ bản độ dài đoạn thái phần thân chính của cây bắp 15 mm, nhưng độ dài nhiều đoạn thái phần ngọn và lá vẫn còn quá lớn trên 15 mm, nên chưa đảm bảo yêu cầu công nghệ sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng túi ủ

2) Cần hoàn thiện máy thái MTC – 12 thông qua thực nghiệm xác định các thông

số tối ưu để làm cơ sở thiết kế, cải tiến tiếp tục

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.2.1.1 Đối tượng gia công

Đối tượng gia công là cây ngô Đây là loại cây lương thực chính được trồng rộng rãi trên thế giới

2.2.1.2 Máy thái MTC – 12

Máy thái MTC – 12 có cấu tạo như hình 2.1

 Xuất sứ:

Máy thái MTC – 12 do TS Nguyễn Như Nam (trường đại học Nông Lâm

Tp Hồ Chí Minh) nghiên cứu thiết kế, chế tạo theo đơn đặt hàng của doanh nghiệp dùng thái cây ngô làm thức ăn chăn nuôi dạng túi ủ hút chân không phục vụ xuất khẩu sang Hàn Quốc

 Cấu tạo:

Máy thái MTC – 12 là loại máy thái kiểu đĩa có 12 dao thái với đường dao thái tới 1.050 mm (lớn nhất so với tất cả các loại máy thái thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam) Máy có băng tải cấp liệu dài 3 m và bộ phận cung cấp kiểu trục cuốn kép, trong đó tang chủ động của băng tải làm thêm nhiệm vụ của trục cuốn Thu hồi sản phẩm thái kiểu quạt truyền Dẫn động cho bộ phận thái là động cơ điện 3 pha có

công suất 10 HP với bộ truyền động đai thang, dẫn động cho băng tải và ba trục cuốn là động cơ điện giảm tốc 3 pha có công suất 5 HP

Hình 7.1: Máy thái 12 dao

Hình 2.1 Máy thái MTC – 12

 Nguyên lý làm việc:

Cây bắp được cung cấp cho dao thái thông qua băng tải đai và hệ thống trục cuốn kép Đĩa dao thái vừa là bộ phận gắn dao, vùa là rô to quạt ly tâm, vừa la bánh đà làm đều chuyển động Các đoạn thái được dao thái sẽ được chuyển động theo ống dẫn nhờ động năng của dao và tác động của các cánh quạt để đến bộ phận thu hồi sản phẩm

Hình 2.2 trình bày sản phẩm cây bắp sau khi thái bằng máy thái MTC – 12

Hình 2.2 Sản phẩm thái cây bắp bằng máy thái MTC – 12

2.2.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu và chỉ tiêu tối ưu quá trình thái cây ngô bằng máy thái MTC – 12 làm thức ăn chăn nuôi đại gia súc dạng túi ủ hút chân không

2.3 Cách tiếp cận

+ Kế thừa các thành tựu nghiên cứu trong và ngòai nước về công nghệ sản xuất thức ăn chăn nuôi đại gia súc dạng túi ủ và máy thái kiểu đĩa;

+ Nghiên cứu đối tượng bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

+ Tiếp cận tối ưu bằng phương pháp giải tích các mô hình thống kê thực nghiệm 2.4 Nội dung nghiên cứu

1) Nghiên cứu xây dựng các mô hình thống kê thực nghiệm cho quá trình thái cây ngô bằng máy thái MTC – 12 theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm

2) Nghiên cứu tối ưu hóa các mô hình thống kê để xác định các chỉ tiêu tối ưu và các thông số kết cấu, công nghệ tối ưu cho máy thái MTC – 12 khi thái cây ngô làm thức ăn dạng túi ủ hút chân không

2.5 Phương pháp nghiên cứu

2.5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

+ Áp dụng lý thuyết tính toán máy thái cỏ của H E Резник (1964) và nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu xây dựng, biên soạn để làm cơ sở cho việc xác định các thông số nghiên cứu đầu vào

+ Áp dụng phương pháp bình phương bé nhất trong việc mô phỏng mối quan hệ hàm số dạng đa thức bậc I và bậc II về sự ảnh hưởng của các thông số vào đã được chọn đến các thông số ra đặc trưng cho mục tiêu nghiên cứu

+ Áp dụng phương pháp thông kê xác suất làm cơ sở cho quá trình thực nghiệm khi bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm

+ Áp dụng giải tích hàm để nghiên cứu tối ưu hóa

+ Áp dụng hình học học giải tích trong việc phân tích các bề mặt đáp ứng hay đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp thông số vào đền các thông số ra bằng phương pháp đồ thị

2.5.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

2.5.2.1 Các bước tiến hành quy hoạch thực nghiệm ( Theo [1], [4], [15], [24])

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm nhằm xây dựng mô hình thống kê thực nghiệm (hay mô hình toán học dạng đa thức bậc I hoặc bậc II, hàm mũ hay các dạng đại số khác có thể chuyển về dạng đa thức bằng các phép biến đổi đại số như lô ga rít) Đây là phương pháp thực nghiệm tiến hành thay đổi đồng thời nhiều nhân tố với số thí nghiệm tối thiểu nhằm xác định các giá trị tối ưu hay xác định sự phụ thuộc vào các nhân tố nghiên cứu

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm thực hiện theo các bước sau:

1) Xác định các thông số ra Thông số ra được chọn là những thông số phản ánh mục tiêu nghiên cứu như đặc trưng cho chất lượng, chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cho quá trình nghiên cứu Ngoài ra thông số ra còn phải thỏa mãn các yêu cầu sau: + Là đại lượng có thể đo, đếm được

+ Đạt được độ chính xác theo yêu cầu của phép đo (thí dụ sai số phép đo  5 %)

Thông số ra còn gọi là thông số hay yếu tố phụ thuộc (hàm trạng thái) 2) Xác định các thông số vào Thông số vào được chọn là những thông số ảnh hưởng đến thông số ra Ngoài ra thông số ra còn phải thỏa mãn các yêu cầu sau: + Các thông số vào của quá trình nghiên cứu phải độc lập nhau

+ Là đại lượng có thể đo, đếm được

+ Đạt được độ chính xác theo yêu cầu của phép đo (thí dụ sai số phép đo  5 %) + Là đại lượng có thể điều khiển được

Căn cứ để chọn thông số vào là những thông số có ảnh hưởng đến thông số

ra có thể dựa vào thì nghiệm thăm dò sau đó tiến hành phân tích phương sai (mang tính chất định tính) hoặc kế thừa các kết quả nghiên cứu, công bố, tổng kết Việc chọn sai sẽ kiểm định khi phân tích kiểm tra mô hình thông qua kiểm tra độ tin cậy (hay độ lớn) các hệ số hồi quy

3) Lập bài toán “Hộp đen” Quá trình lập mang tình hình thức có thể nêu hoặc không nêu trong trình bày

4) Chọn bậc phương án thực nghiệm

Chọn tuàn tự từ bậc I đến bậc II hoặc chon ngay bậc II nếu có cơ sở lý thuyết hay thực nghiệm khẳng định bậc của phương án thực nghiệm

5) Lập ma trận thí nghiệm (thiết kế thí nghiệm)

Ma trận thí nghiệm được viết dưới dạng mã hóa nên tổng quát cho mọi quá trình nghiên cứu thực nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Vì vậy người ta chia các thí nghiệm bậc I trực giao với 2 loại đầy đủ và rút gọn, bậc II với các loại trực giao của Box – Uynson, quay của Box – Hun ter, 3 mức đối xứng của Box – Behnken,… Trong đó chỉ tiến hành rút gọn khi số yếu tố vào  4 Khi rút gọn đồng nghĩa với độ tin cậy của mô hình giảm xuống

Có thể lập ma trận thí nghiệm theo các mẫu đã được biên soạn trong các tài liệu liên quan hoặc bằng các phần mềm chuyên dùng như Statgraphics Thí nghiệm

có thể tiến hành lặp ở mỗi thí nghiệm hoặc chỉ cần lặp ở tâm Trong trường hợp lặp

ở mỗi thí nghiệm, cần tiến hành kiểm tra tính đồng nhất của các phương sai theo tiêu chuẩn Cochran Nếu không đảm bảo tính đồng nhất phải tiến hành thực nghiệm lại Bằng công cụ thống kê hiện đại, đã chứng minh việc lặp ở tâm phương

án cho kết quả tối ưu và hiệu quả hơn

Để hạn chế tác động của các yếu tố ngẫu nhiên đến quá trình nghiên cứu cần thiết ngẫu nhiên hóa thí nghiệm (nghĩa là ngẫu nhiên hóa về thời gian và điều kiện thí nghiệm)

6) Xác định miền nghiên cứu

Miền nghiên cứu được chọn thỏa mãn yêu cầu với thông số vào, khả năng

bố trí thí nghiệm, các mức thí nghiệm phải thực sự khác nhau Có thể tiến hành bằng thực nghiệm hay bằng lý thuyết tất cả miền biến thiên (miền nghiên cứu) của thông số vào Từ miền nghiên cứu chọn vùng nghiên cứu rộng (chiếm 50 – 70 % miền biến thiên) hoặc hẹp (chiếm 10 – 30 % miền biến thiên)

7) Lập kế hoạch thực nghiệm trên thông số thực

Từ ma trận thí nghiệm và miền thực nghiệm xây dựng ma trận thực nghiệm thực

8) Tổ chức thí nghiệm theo kế hoạch lập và ghi kết quả thí nghiệm vào bảng ma trận thí nghiệm ta có ma trận tính toán

9) Xử lý số liệu theo thứ tự sau:

+ Xác định giá trị các hệ số hồi quy ở dạng đầy đủ

+ Phân tích phương sai để loại bỏ các hệ số hồi quy không bảo đảm độ tin cậy với mức ý nghĩa Nếu mô hình có trên 50 % hệ số hồi quy loại bỏ phải trở lại bước (6) thậm chí từ bước (2) hay bước (4)

+Phân tích phương sai trên hàm toán mới Kiểm tra độ tin cậy của các hệ số hồi

quy mới Nếu không bảo đảm độ tin cậy, thì cải tiến mô hình

+ Kiểm tra độ tương thích của mô hình theo tiêu chuẩn Fisher

MSLf: phương sai không tương thích (Mean Square Lack-of-fit);

MSEp: phương sai sai số ngẫu nhiên đích thực (Mean Square Error-pure); Fb: giá trị trong bảng phương sai chuẩn

Trên phần mềm Statgraphics Vers 7.0, độ tương thích của mô hình được chấp nhận khi mức nghĩa tính theo tiêu chuẩn Fisher có mức nghĩa p  0,05

10) Phân tích mô hình:

Sau khi xây dựng được mô hình hồi quy thực nghiệm, tiếp tục dùng phần mềm Statgraphics Version 7.0 để nghiên cứu ảnh hưởng của từng thông số hồi quy đến thông số ra (mô hình) hay tác động của các thông số vào đến thông số ra

và vẽ đồ thị (bề mặt đáp ứng) các hàm mục tiêu theo từng cặp thông số vào làm cơ

sở cho tìm cực trị trong miền thực nghiệm

Chú ý: Để đảm bảo tính đồng nhất các kết quả đo, lấy ngẫu nhiên theo khối lượng cho từng thí nghiệm có tính đến khi mở rộng phương án thực nghiệm từ bậc

I lên bậc II Các thông số cố định được giữ không đổi trong suốt quá trình thực nghiệm

2.5.2.2 Các thông số nghiên cứu

a) Các thông số nghiên cứu đầu ra

Từ mục tiêu nghiên cứu, các thông số nghiên cứu đầu ra đặc trưng cho quá trình thái cây ngô làm thức ăn ủ dạng túi hút chân không phục vụ chăn nuôi đại gia súc bằng máy thái MTC – 12 là:

+ Độ nhỏ trung bình của sản phẩm sau khi thái l mm

+ Độ không đồng nhất về kích thước chiều dài sản phẩm thái a %

+ Mức tiêu thụ điện năng riêng Ar kWh/t Đây là một chỉ tiêu đặc trưng về mặt kinh tế - kỹ thuật

Độ nhỏ sản phẩm thái không lựa chọn làm thông số ra vì đây là thông số điều khiển được Khả năng điều khiển l biểu diễn qua công thức tính năng suất đã trình bày ở mục 1.2

Vì vậy trong nghiên cứu chỉ chọn các thông số a và Ar làm thông số ra b) Các thông số nghiên cứu đầu vào

Những thông số sau ảnh hưởng đến hai thông số ra a và Ar đặc trưng cho quá trình thái cây ngô làm thúc ăn chăn nuôi dạng túi ủ là :

 Các tính chất cơ lý của đối tượng gia công:

Do đề tài đã lựa chọn cây ngô làm đối tượng gia công Sự khác biệt về tính chất cơ lý trong các mẫu thí nghiệm được coi là sự khác biệt mang tính ngẫu nhiên

Vì vậy các tính chất cơ lý của cây ngô được coi là cố định trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm và không chọn làm thông số vào

 Các thông số kết cấu của máy thái mô hình:

Các thông số kết cấu của máy thái mô hình ảnh hưởng đến độ nhỏ sản phẩm

và mức tiêu thụ điện năng riêng để nghiền Ar là:

+ Vận tốc băng tải đai

Vận tốc băng tải có mối quan hệ tỷ lệ với độ dài đoạn thái nên ảnh hưởng đến độ dài sản phẩm sau khi thái nghiền l Mặt khác vận tốc băng tải đai đặc trưng

cho lượng cung cấp hay năng suất nên ảnh hưởng đến mức tiêu thụ điện năng riêng

Ar để thái nghiền Ảnh hưởng này được mô tả bằng công thức tường minh

Vì vậy trong nghiên cứu thực nghiệm, vận tốc băng tải đai được điều khiển

tỷ lệ với vận tốc đĩa dao thái nhằm đảm bảo đến độ dài đoạn thái theo yêu cầu Nên không cần thiết phải đưa vận tốc băng tải đai vào quá trình nghiên cứu

+ Tỷ số giữa vận tốc dài trục cuốn và vận tốc băng tải đai ( vận tốc cung cấp)

Các kết quả nghiên cứu [7, 8, 27], cho thấy tỷ số i = vc/ vb  1 và nằm trong giới hạn từ 1,25  1,35 Trong nghiên cứu thực nghiệm ta mở rộng vùng nghiên cứu từ 1,15  1,45 vẫn đảm bảo i = vc/ vb  1 Mức cơ sở chọn cho tỷ số truyền i là 1,30

+ Số dao thái lắp trên đĩa

Số dao thái lắp trên đĩa thái tỷ lệ nghịch với chiều dài đoạn thái Ảnh hưởng của số dao lắp trên đĩa thái tới độ dài đoạn thái và năng suất hay mức tiêu thụ điện năng riêng Ar để thái nghiền được mô tả bằng công thức tường minh Ngoài ra số dao được thiết kế có thể lắp trên máy tối đa là 12 dao Theo tính chất động lực học

ta chỉ có các cách bố trí dao lắp trên trống thái là 2, 3, 4 và 6 dao Vì vậy rất khó điều khiển thí nghiệm ở các phương án bậc II Nên trong nghiên cứu thực nghiệm không nghiên cứu số dao lắp trên trống thái

kế, lắp đặt thì lực ép lò xo tác động lên vật thái có thể điều chỉnh bằng chiều dài điều chỉnh của lò xo Rõ ràng với máy thái cụ thể là MTC – 12 thì đặc trưng cho lò

xo nén ép lên trục cuốn là lực ép đàn hồi của lò xo hoặc bằng chiều dài của lò xo

Hai đại lượng trong giới hạn đàn hồi của lò xo thì này tỉ lệ tuyến tính, có thể xác định đại lượng này nếu biết đại lượng kia Trong thực nghiệm máy thái MTC – 12 thì lực ép đàn hồi được xác định gián tiếp còn chiều dài lò xo xác định được trực tiếp Mặt khác chiều dài lò xo chính là thông số kết cấu của máy thái và là thông số điều khiển được, nên chúng tôi chọn chiều dài điều chỉnh của lò xo Llx làm thông

số vào

+ Số vòng quay của đĩa dao thái n (vg/ph)

Xét về lý thuyết số vòng quay đĩa dao thái ảnh hưởng lớn đến độ dài đọan thái, năng suất, công suất hay mức tiêu thụ điện năng riêng Ar để thái nghiền Sự ảnh hưởng này chịu tác động của các yếu tố ngẫu nhiên rất nhiều Đặc biệt đối với công suất chi phí có dạng phi tuyến

Điều khiển n bằng cách thay đổi tần số quay của động cơ điện thông qua thiết bị thay đổi tần số của động cơ điện (biến tần) hoặc thay đổi thông số bộ truyền động cơ khí

Trong nghiên cứu thực nghiệm chúng tôi sử dụng bộ biến tần có công suất 7,5 kW để thay đổi số vòng quay của đĩa dao thái Mức cơ sở của số vòng quay đĩa dao thái chọn theo số liệu thiết kế

+ Các thông số khác đặc trưng về kết cấu không đưa vào nghiên cứu là bề rộng buồng thái, kích thước dao, góc đặt dao,…Đây là những thông số đã được quy định ở ngay mẫu máy MTC – 12, không thể thay đổi khi thực nghiệm

 Các thông số đặc trưng cho vận hành sử dụng:

Các thông số đặc trưng cho vận hành sử dụng bao gồm:

+ Lượng cung cấp Q (kg/h): Lượng cung cấp Q hay năng suất là thông số đặc trưng năng suất làm ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ điện năng riêng Ar Lượng cung cấp Q còn ảnh hưởng đến mức độ nén chặt của các trục cuốn

+ Đặc tính nguồn điện: Đây là yếu tố ngẫu nhiên phụ thuộc nhà cung cấp (Cty Điện lực) và phụ tải điện Trong nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi không nghiên cứu các loại thông số này

c) Phát biểu bài toán “Hộp đen ”

Từ kết quả phân tích đã trình bày, mô hình nghiên cứu thực nghiệm có dạng bài toán hộp đen (hình 2.3) như sau:

+ Các thông số vào: tỉ số giữa vận tốc dài trục cuốn và vận tốc băng tải i; chiều dài

lò xo ép Llx (mm); số vòng quay của đĩa dao thái n (vg/ph); lượng cung cấp Q hay năng suất máy thái (kg/ph)

+ Các thông số ra: Độ không đồng nhất về kích thước chiều dài sản phẩm thái a (%); mức tiêu thụ điện năng riêng Ar (kWh/t)

+ Đồng hồ đo thời gian

Hình 2.4 Thước kéo Hình 2.5 Đồng hồ bấm giây + Cân các loại: Cân đĩa đồng hồ với khối lượng cân lớn nhất 60 kg, thang đo 0,2

kg, độ chính xác 0,2 kg; cân điện tử với khối lượng cân lớn nhất 1 kg, thang đo 0,01 g

+ Đồng hồ đo số vòng quay DT – 2238 – PHOTO/CONTACT ACHOMETER của hãng Lutron (Đức), dãy đo từ 1 vg/ph

+ Đồng hồ đo cường độ dòng điện KYORITSU – 2017 - DIGITAL CLAMP METER, dãy đo từ 0,1 – 600A, cấp chính xác ± 0,1 A ( nước sản xuất: Nhật)

Hình 2.6 Cân đĩa Nhơn Hòa loại 60 kg Hình 2.7 Cân điện tử

+ Đồng hồ đo điện năng tiêu thụ với thang đo tới 0,1 kWh.– 99.999 vg/ph, cấp chính xác 1rpm