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

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch mía

1. 1 MỞ ĐẦU Yêu cầu quan trọng đặt ra cho khâu thu hoạch bằng cơ giới hóa là phải giảm thiểu tối đa hao hụt. Thật vậy, theo Carlos Leon (Philsurin 3/2010): “cứ 1% tạp chất sẽ giảm đi 0,1 ÷ 2% tổng thu hồi trong chế biến, có nghĩa là cứ tăng 1% tạp chất sẽ mất đi từ 2 ÷ 4 kg đường/tấn mía ép”, nên việc bóc lá, loại bỏ tạp chất trước chế biến không những giảm hao hụt lượng đường mà còn giảm chi phí cho công đoạn tách bỏ tạp chất trong chế biến. Bên cạnh đó, đối với phương pháp thu hoạch bằng máy nhiều giai đoạn, mía trước khi thu hoạch được đốt để loại bỏ phần lá, như vây ngoài việc ảnh hưởng môi trường, tiêu diệt các loại thiên địch có lợi thì phương pháp này còn làm đất trai cứng, mất cấu tượng, còn thu hoạch theo phương pháp một giai đoạn không những giảm chi phí nhân công mà còn trả lại cho đất một lượng lá mía lớn sẽ giúp cải tạo đất. Tuy nhiên, phương pháp này cần đòi hỏi chi phí ban đầu lớn và LHM phải có bộ phận bóc lá mía hoạt động hiệu quả. Do vậy, cần phải có những nghiên cứu cơ bản nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả làm việc của bộ phận bóc trong LHMTHM. Vì những lý do trên nên việc thực hiện đề tài luận án: “Nghiên cứu xác định một số thông số cơ bản của bộ phận bóc lá mía trong liên hợp máy thu hoạch mía” là cấp thiết. Mục đích nghiên cứu Có được cơ sở khoa học quá trình bóc lá mía, xác định một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mía sau bóc và chi phí năng lượng riêng của bộ phận bóc lá mía làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo bộ phận bóc lá mía trong LHMTHM. Nhiệm vụ nghiên cứu - Khảo sát nguyên lý làm việc và kết cấu một số bộ phận bóc lá mía - Nguyên cứu một số đặc điểm cơ lý hóa của nguyên liệu mía Việt Nam + Kích thước cây mía + Độ cứng cây mía + Giới hạn phá vỡ cây + Hệ số ma sát cây với một số vật liệu.
2. 2 - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định một số thông số của bộ phận bóc lá mía trong LHMTHM. + Nghiên cứu động học ảnh hưởng đến quá trình tách, róc lá mía + Nghiên cứu động lực học quá trình tách, róc lá mía - Thiết kế chế tạo mẫu bộ phận bóc lá mía thí nghiệm - Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của một số thông số tới chất lượng làm việc, chi phí năng lượng riêng. + Nghiên cứu đơn yếu tố + Nghiên cứu đa yếu tố + Giải bài toán tối ưu bằng phương pháp thương lượng có điều kiện. Cấu trúc luận án: Luận án gồm 130 trang (chưa kể tài liệu tham khảo và phụ lục), bao gồm phần mở đầu, kết luận và 4 chương, trong đó có 19 bảng biểu, 89 hình vẽ, đồ thị và ảnh chụp. Ngoài ra có danh mục 91 tài liệu tham khảo và 5 phụ lục. Sau đây là nội dụng tóm tắt luận án: Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trên cơ sở phân tích tình hình sản xuất mía tại Việt Nam và trên thế giới, tình hình áp dụng công nghệ thu hoạch mía, nghiên cứu ứng dụng bộ phận bóc lá mía và nghiên cứu kết cấu răng bóc lá mía có thể rút ra những nhận xét sau: - Trong quy trình công nghệ và phương pháp thu hoạch mía khâu tốn nhiều công nhất là khâu thu hoạch mía, nó ảnh hưởng lớn đến năng suất, chất lượng, chi phí tài chính. Trong đó, phương pháp thu hoạch mía bằng máy với công nghệ thu hoạch mía 1 giai đoạn là lựa chọn phù hợp, đảm bảo tính cấp thiết trong điều kiện hiện nay. - Nhằm giảm tỷ lệ hao hụt mía đường, trả lại độ phì cho đất, không gây ảnh hưởng đến môi trường và giảm chi phí tài chính, yêu cầu cấp thiết cần có bộ phận bóc lá mía trong LHMTHM hoạt động hiệu quả.
3. 3 - Qua một số kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về bộ phận bóc lá mía, loại răng bóc lá mía trên thế giới và tại Việt Nam cho thấy: những nghiên cứu đã đưa ra một số thông số hình học, động học của bộ phận bóc lá mía. Các tác giả của Trung Quốc đã đánh giá ba loại vật liệu làm răng bóc là cao su, cao phân tử, cáp thép và bước đầu lựa chọn loại răng cao phân tử dựa trên độ bền của răng mà chưa xét đến chỉ tiêu độ sạch, độ tổn thương cây sau bóc, chi phí năng lượng riêng, chi phí tài chính, công nghệ chế tạo răng bóc nên việc lựa chọn này là chưa thoả đáng. - Qua những phân tích, đánh giá và một số thử nghiệm nguyên lý, loại răng bóc đề tài đã lựa chọn nguyên lý bóc lá mía tư thế cây nằm, chuyển dọc, gốc vào trước với loại răng bóc là cáp thép áp dụng trên LHMTHM nguyên cây. Chƣơng 2 ĐỐI TƢỢNG, PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 2.1. Một số đặc điểm cơ lý tính và sinh hóa của cây mía Đã giới thiệu cấu tạo, thành phần hoá học, phản ứng hoá học xảy ra tại vết tổn thương (đường → dấm) từ đó đưa ra khăng định sau: với những vị trí trên thân cây mía bị tác động do răng bóc làm mía biến đổi mầu sắc từ trắng sang đỏ là những vị trí tổn thương và lượng mía bị biến đổi màu là lượng hao hụt mía do tổn thương. Ngoài ra chương này đã đưa ra các chỉ tiêu đánh giá như: tỷ lệ sót lá đối với bộ phận bóc được nghiên cứu phải nhỏ hơn 10%, cách xác định tỷ lệ sót lá sau bóc, tỷ lệ tổn thương cây, chi phí năng lượng riêng. 2.2. Xác định lực phân bố tác dụng lên răng bóc bằng phƣơng pháp thực nghiệm Lực phân bố tác dụng lên răng bóc p phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mật độ cây mía trên đồng, vận tốc tiến của LHMTHM và các yếu tố khác vì thế việc xác định p là khá phức tạp. Từ những điều này, ta thấy để xác định được lực phân bố tác dụng lên răng bóc chỉ có thể bằng phương pháp thực nghiệm xác định sơ bộ được giá trị trung bình p. Tại đây, ta có thể xác định công suất tiêu thụ cho 1 lô bóc: N = Nt – Nr - Nk (2.1)
4. 4 Trong đó: Nk - công suất tiêu thu của bộ phận lắp 1 lô bóc khi chạy không tải Nr - công suất tiêu thụ của hai cặp lô kẹp và rút khi cấp liệu Nt - công suất tiêu thụ của bộ phận làm việc với 1 lô bóc khi cấp liệu Xem lớp mía là một khối cản có bề dày bằng đường kính trung bình của cây mía, từ đó ta có thể xác định được lực phân bố tác dụng lên răng bóc theo công thức sau: N p * (2.2) ωb.R1.Z .d m Trong đó: p – Lực phân bố; N - Công suất tiêu thụ 1 lô bóc; * R1 – Bán kính ngoài lô bóc; Z – Số lượng răng bóc trong 1 cánh; dm – Đường kính cây mía; ωb – Vận tốc góc của lô bóc; Kết quả đo lực phân bố tác dụng lên răng bóc được trình bày tại bảng 2.1 Bảng 2.1. Kết quả đo lực tác dụng lên răng bóc Lượng cung cấp q, kg/s 3 4.5 6 Lực cản lên răng bóc p, N/m 95 100 110 Kết quả đo sơ bộ khoảng giá trị p trên đây là cơ sở bước đầu để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tách róc trong bộ phận bóc lá mía. 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được dựa trên nguyên tắc chung của các phương pháp lập và giải các bài toán trong cơ học như tĩnh học, động học, động lực học trên cơ sở các định luật, nguyên lý, Từ đó lập được các phương trình cân bằng của hệ và các phương trình vi phân chuyển động tương đối của cây mía trong hệ tọa độ đề các, hệ tọa độ cực. Sử dụng các biến đổi toán học để đưa các phương trình về dạng đơn giản và tìm lời giải, từ các điều kiện biên xác định các hằng số tích phân. Đề tài đã sử dụng phương pháp giải tích, phương pháp số. 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm gồm: - Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố - Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố.
5. 5 Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THỐNG SỐ CỦA BỘ PHẬN BÓC LÁ MÍA TRONG LIÊN HỢP MÁY THU HOẠCH MÍA Yêu cầu quan trọng nhất đối với chương này là phân tích đánh giá hiện tượng, quá trình diễn ra khi bộ phận phận bóc làm việc từ đó xây dựng mô hình động học, động lực học nhằm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bóc dựa trên hai chỉ tiêu chính là chiều dài quét Δ, độ võng của răng bóc w. 3.1. Quá trình tách, róc lá mía bằng răng bóc tại lô bóc. Với kết cấu bộ phận bóc được chọn thì hiện tượng xuất hiện trong qua trình bóc chủ yếu thuộc trường hợp b. Tuy nhiên chiều dài răng lớn hơn nhiều so với biên độ thay đổi đường kinh cây mía vì vậy khi tính toán ta quy về trường hợp c. (a) (c) (b) (d) Hình 3.1. Các trƣờng hợp xảy ra khi răng bóc tác động đến cây mía (a)-răng bóc tác động giữa phần trên thân cây mía; (b)-răng bóc tác động cạnh cây mía (dc<dm); (c)-răng bóc tác động cạnh cây mía (dc ≈ dm); (d)-hình biều diễn kích thức răng; dc-khoảng cách giữa hai răng bóc; dm-đường kính cây mía; dcb-đường kính răng bóc; ωb-vận tốc góc lô bóc; V-vận tốc tiến cây mía.
6. 6 A. Vị trí đầu răng bóc bắt đầu chạm vào cây B. Vị trí đầu răng bóc tại thời điểm kết thúc quá trình tách bẹ ra khỏi cây C. Vị trí đầu răng bóc tại thời điểm kết thúc quá trình róc lá 1. Lô bóc lá 2. Răng bóc 3. Cây mía. Hình 3.2. Sơ đồ quá trình tách, róc lá ra khỏi thân cây mía của răng bóc tại lô bóc Qua phân tích ta thấy: quá trình bóc lá mía của răng bóc trong bộ phận bóc lá mía bao gồm giai đoạn sau: 1 - Quá trình tách lá từ vị trí A đến vị trí B hình 3.2. 2 - Quá trình róc lá tương ứng với khoảng cách khi răng cáp đi từ vị trí B đến C hình 3.2. 3.2. Khảo sát động học quá trình tách, róc lá ra khỏi cây bằng răng bóc Giả thiết mô hình: 1- Chưa xét đến biến dạng cong của răng bóc khi khảo sát; 2- Cây mía chuyển động vuông góc trục lô bóc với vận tốc không đổi; 3- Khoảng cách từ tâm trục bóc đến cây mía không thay đổi. h: Khoảng cách từ cây mía đến tâm lô bóc ωb: Vận tốc góc của lô bóc R1: Bán kính ngoài của lô bóc R0: Bán kính trong của lô bóc. Hình 3.3. Sơ đồ khảo sát động học của cánh bóc Giả thiết: Tại thời điểm bắt đầu khảo sát trục OY ≡ O1Y1 Phương trình chuyển động của điểm đầu răng bóc được xác định: X V.t R1.cos(ωbt) (3.1) Y h R1.sin(ωbt) Chiều dài quét Δ được xác định như sau: 2 2 2V h 2 R1 - h arcsin (3.2) ωb R1 2
7. 7 Với Z là số cánh bóc, hệ số quét lặp trung bình ξ được xác định: Zωb 2 2 Z h π ξ R1 h arcsin (3.3) π V π R1 2 Tần suất bóc trung bình xác định: n Z ε b 60V (3.4) Kết quả khảo sát ảnh hưởng các thông số V, R1, h, nb đến Δ và tần suất bóc trung bình Δ 600 450 (mm) v, m/s 400 500 v=3.0 v=3.2 350 v=3.4 400 R1=175 mm v=3.6 R1=200 mm R1=225 mm v=3.8 300 300 R1=250 mm , mm , v=4.0 R1=275 mm v=4.2 R1=300 mm 250 v=4.4 200 R1=325 mm v=4.6 v=4.8 200 100 v=5.0 150 0 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 30 60 90 120 150 180 210 -1 h (mm) nb, min Hình 3.4. Đồ thị ảnh hƣởng nb và V đến Δ Hình 3.5. Đồ thị ảnh hƣởng h và R1 đến Δ 2650 60 -1 nb, min 1000 55 v, m/s 1025 2150 v=3.0 1050 v=3.2 50 1075 1100 v=3.4 1125 1650 v=3.6 45 1150 -1 v=3.8 1175 , m ξ, % ξ, v=4.0 1200 40 1150 v=4.2 1225 v=4.4 1250 v=4.6 35 1275 1300 650 v=4.8 1324 v=5.0 30 1349 150 25 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 -1 3 3.4 3.8 4.2 4.6 5 nb, min v, m/s Hình 3.6. Ảnh hƣởng của V, nb tới hệ số Hình 3.7 Khảo sát chỉ tiêu tần suất đập quyét lặp trung bình trên 1 mét chiều dài Qua khảo sát sơ bộ ta chọn với R1 = 250 mm, nb=600 ÷ 1200 v/p; với R1R=159 mm, V=3 ÷ 5 m/s; h = 150 ÷ 200 mm; Z = 8 thì Δ > 200 mm (chiều dài lóng mía) và trên một vị trí của thân cây mía có khoảng 4 tới 21 lần quyét, tần suất đập nằm trong khoảng 25 ÷ 60 có thể đảm bảo quá trình róc lá.
8. 8 3.3. Khảo sát động lực học quá trình tách, róc lá ra khỏi cây bằng cánh bóc 3.3.1. Thành lập phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc Ta giả thiết như sau: + Xem lớp mía là một khối cản có bề dày bằng đường kính trung bình của cây mía + Bỏ qua lực cản do lá mía tự do + Xét trường hợp c hình 3.1 là trường hợp phổ biến như đã trình bày ở trên + Giả thiết biến dạng góc nhỏ w , (x, t) 1. Do đó có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực quán tính Coroilis, chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của lực quán tính ly tâm. + Giả thiết răng bóc là một thanh đàn hồi, đồng chất có mặt cắt luôn phẳng và vuông góc với trục răng bóc. Khi chưa biến dạng thì trục này là đường thẳng trùng với trục 0X (hình 3.8). Xem xét biến dạng tương đối của răng bóc trong mặt phẳng vuông góc với trục quay, ta xây dựng hệ tọa độ tuyệt đối X0Z có tâm 0 tại chân răng bóc, khi răng bóc không bị tác dụng lực cản trục 0X vuông góc với phương tiến của cây mía, trục 0Z ngược với hướng chuyển động của cây mía (hình 3.8). w: Độ võng; p: Lực phân bố; lc: Chiều dài răng bóc; V: Vận tốc tiến cây mía; ωb: Vận tốc góc lô bóc; R0: Bán kính trong của lô bóc; Fqt: Lực quán tính ly tâm phân tố; h: Khoảng cách từ cây mía đến tâm lô bóc; R1: Bán kính từ tâm lô bóc đến đỉnh răng bóc khi chưa biến dạng; r(x): Khoảng cách từ tâm lô bóc đến phân tố được xét. Hình 3.8. Mô hình biến dạng uốn của răng bóc khi tác động đến cây mía
9. 9 Q: Lực cắt; φ: Góc xoay; M: Mô men uốn; N: Lực pháp tuyến; dx: chiều dài phân tố; p.dx: Hợp lực phân bố; μ: Khối lượng đơn vị dài cánh bóc; dJ: Mô men quán tính khối của phân tố với trục Y. Hình 3.9. Mô hình phân tố của răng bóc * Để thiết lập phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc, ta áp dụng nguyên lý d’Alembert. Từ điều kiện cân bằng lực theo phương Z ta có 2w Q N μ μω2w N p 0 (3.5) t 2 b x x x Vì răng bóc chịu lực phân bố p vuông góc với trục của nó và chịu lực quán tính ly tâm. Vậy lực pháp tuyến N có thể tính theo đoạn răng bóc từ mặt cắt x đến mặt cắt lc, tác dụng lên phân tố thoả mãn phương trình: 1 2 N μωb lc - x 2R0 lc x (3.6) 2 N 2 μωb R 0 x (3.7) x * Từ điều kiện cân bằng mô men các lực ta nhận được phương trình Q 4w EI x x 4 (3.8) Với: EI - độ cứng răng bóc Từ (3.5), (3.6), (3.7), (3.8) qua biến đổi ta có phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc: 2 4 2 2 w 2 EI w ωb w 2 w p ωb w lc - x 2R0 lc x ωb R 0 x (3.9) t 2 μ x 4 2 x 2 x μ
10. 10 3.3.2. Điều kiện biên của phương trình vi phân biến dạng uốn răng bóc Để giải phương trình (3.9), ta cần biết các điều kiện biên và điều kiện đầu. Coi răng bóc là ngàm công xôn thì: w 0,t Tại x = 0; w(0,t) = 0; 0; x 2 3 w lc ,t w lc ,t Tại x = lc; 0 ; 0 x2 x3 Tại t0 = 0; w(x) = 0 Quá trình tính toán bắt đầu từ thời điểm đầu răng bóc chạm vào cây mía tới khi đầu răng rút ra khỏi cây mía. - Thời điểm bắt đầu quá trình bóc của h răng tại t0 = 0; 1 arcsin R1 - Thời điểm kết thúc quá trình bóc của răng: h 2arcos R1 t max ω b Hình 3.10. Minh hoạ thời điểm bóc, Điều kiện của h khi khảo sát ảnh hưởng điều kiện của h khi khảo sát các thông số đến w theo: h < (R0 + x)sin(φ1+ωbt) < h + dm (3.10) Với dm: đường kính trung bình cây mía 3.3.3. Phương pháp giải phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc Để giải phương trình trên ta sử dụng phương pháp sai phân, chia nhỏ răng l thành n phần có độ dài bằng nhau i c ; n Các nút được đánh số thứ tự từ 0 đến n trong đó nút 0 là vị trí ngàm kẹp. Phương trình (3.9) sẽ được viết dưới dạng:
11. 11 2 4 2 2 w (i) 2 EI w (i) ω w (i) 2 w (i) p(i) ω w b l - x 2R l x ω R x (3.11) t 2 b (i) μ x 4 2 c 0 c x 2 b 0 x μ Đặt vế phải là f(w,t) Đây là một hệ phương trình vi phân bậc 4. Để hạ bậc phương trình ta đặt: i Z1 w z1 w i . . . i i ; hay có dạng ma trận (3.12) Z Z1 z2 z1 2 Ta có hệ phương trình vi phân . Z F t,Z Trong đó: . Z . f w, t Z ; F t ; (3.13) Z2 Z1 Đây là hệ phương trình vi phân bậc nhất có 2n ẩn 2n phương trình có thể giải được bằng phương pháp số. Tuy nhiên, để giải được hệ trên cần xác định được giá trị của vế phải f(w,t) trong phương trình (3.11) tại các nút i = 1÷n; trong đó cần xác định đạo hàm riêng của w theo x ở các bậc khác nhau w 2w 4w i ; i ; i x x 2 x 4 (3.14) Sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn ta có thể tính được: Đặt z = w ta có w zi 1 zi 1 (3.15) x 2h 2 w zi 1 2zi zi 1 (3.16) x2 h2 3 w zi 2 2zi 1 2zi-1 zi 2 z3 z1 (3.17) x 2h3 2h 4 w zi 2 4zi 1 6zi 4zi 1 zi 2 zi 1 2zi zi 1 (3.18) x h4 h2
12. 12 Tuy vậy, các công thức trên chưa thể tính được đạo hàm tại các điểm đầu và cuối do thiếu giá trị của w-1; wn+1; wn+2 -1 0 1 2 n-1 n n+1 n+2 Vì xem cánh bóc là ngàm công xôn do vậy các giá trị trên có thể xác định w 0 từ điều kiện biên tại x = 0; w = 0; 0 0 x z1 z 1 Từ đây ta có 0 => w = w 2h -1 1 2w l 3w l Tại x = l ; c ; c thế vào đạo hàm (3.16), (3.17) ta có c 2 0 3 0 lc lc 2 w n w n 1 2wn w n 1 0 (3.19) x2 h2 Với wn+1 = 2wn-wn-1 3 w n w n 2 2wn 1 2wn 1 w n 2 0 (3.20) x3 2h3 Với wn+2 = 2wn+1 – 2wn-1 +wn-2 = 4wn – 4 wn-1 + wn-2 3.3.4. Kết quả khảo sát sơ bộ các yếu tố ảnh hưởng đến w trong quá trình tách, róc lá mía của răng bóc Kết quả khảo sát được thể hiện trong hình 3.11 đến 3.20. Anh huong cua EI 28 27 26 25 24 W W max, mm 23 22 21 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02 EI, Nm2 Hình 3.11. Ảnh hƣởng của EI tới w Hình 3.12. Ảnh hƣởng của EI tới w ở thời trong quá trình tách, róc lá mía điểm cuối quá trình tách, róc
13. 13 Hình 3.13. Ảnh hƣởng của lc tới w trong Hình 3.14. Ảnh hƣởng của lc tới w ở thời quá trình tách, róc lá mía điểm cuối quá trình tách, róc Anh huong cua R0 32 30 28 26 24 Wmax, mm 22 20 18 16 100 150 200 250 R0, mm Hình 3.15. Ảnh hƣởng của R0 tới w Hình 3.16. Ảnh hƣởng của R0 tới w ở thời trong quá trình tách, róc điểm cuối quá trình tách, róc Hình 3.17. Ảnh hƣởng của μ tới w trong Hình 3.18. Ảnh hƣởng của μ tới w ở thời quá trình tách, róc lá mía điểm cuối quá trình tách, róc lá mía
14. 14 Anh huong cua Nquay 50 45 40 35 30 Wmax, mm 25 20 15 10 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 -1 n, min Hình 3.19. Ảnh hƣởng của nb tới w Hình 3.20. Ảnh hƣởng của nb tới w ở thời trong quá trình tách, róc lá mía điểm cuối quá trình tách, róc lá mía Quá trình tách, róc lá phải đảm bảo điều kiện: - Giá trị φ1 ≥ φms (góc ma sát) hay khả năng tách tăng (khả năng chọc thủng, phá vỡ liên kết giữa bẹ và thân tăng) - Giá trị w 200 mm, biến dạng răng cáp w < 33 mm, quá trình tách, róc lá mía triệt để.
15. 15 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 - Cây mía tại thời kỳ thu hoạch chủ yếu có bốn loại lá chính: lá khô gần gốc, lá vàng giữa thân cây, lá xanh gần ngọn, lá xanh non tại phần ngọn. Tại bộ phận bóc thì hai loại lá vàng giữa thân cây, lá xanh gần ngọn được bóc là chủ yếu và phần bẹ lá là phần khó tách nhất. - Tại bộ phận bóc lá mía, cây mía được bóc nhờ chủ yếu hai quá trình: + Quá trình tách lá mía; + Quá trình róc lá mía. - Để đảm bảo hiệu quả bóc lá mía, những khảo sát động học và động lực học căn cứ chủ yếu vào hai yêu cầu chiều dài quét đủ lớn, độ biến dạng răng bóc bằng cáp thép trong giới hạn phù hợp, hay quá trình tách, róc lá mía phải đảm bảo độ tổn thương nhỏ và độ sạch đạt yêu cầu. - Khảo sát động học cho ta thấy ảnh hưởng của các thông số đến quá trình tách, róc. Ở đây yêu cầu để róc được lá thì chiều dài quét phải > 200 mm từ đó sơ bộ ta lựa chọn được các thông số như chiều dài răng bóc, đường kính ngoài lô, chiều cao từ tâm lô đến cây mía, số vòng quay lô bóc, số vòng quay lô rút. Đồng thời căn cứ yêu cầu hệ số quét lặp phù hợp ta khảo sát được mối liên hệ giữa số cánh, số lô đến các thông số khác. - Khảo sát phương trình vi phân của răng bóc nhờ phương pháp sai phân, phương pháp số và phương pháp lặp ta đã đưa ra được mối quan hệ giữa biến dạng răng bóc ảnh hưởng đến các thông số bộ phận bóc. - Kết quả khảo sát trên ta xác định được giá trị định hướng của một số thông số cơ bản của bộ phận bóc với bán kính ngoài lô bóc R1 = 250 mm; Số vòng quay lô bóc nb = 600÷1200 v/p; h = 150÷200 mm; chiều dài răng bóc lc = 80÷120 mm; vận tốc lô rút V = 3 ÷ 5 m/s; độ cứng răng bóc bằng cáp thép EI = 0.01 Nm2; khối lượng đơn vị dài của răng bóc μ = 0.2 kg/m. Đây là kết quả sơ bộ, định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm đơn, đa yếu tố.
16. 16 Chƣơng 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM * Mô hình khảo nghiệm bộ phận bóc lá mía Hình 4.1. Sơ đồ mô hình khảo nghiệm bộ phận bóc lá mía 1. Băng tải 6. Lô rút dưới 2. Lô kẹp trên 8,7. Lô bóc lá dưới 3. Lô bóc lá trên 9. Lô kẹp dưới 4. Lô rút trên 10. Mô tơ truyền động cho bộ phận bóc 5. Bộ phận căng xích 11. Mô tơ truyền động cho băng tải Mô hình thí nghiệm gồm: răng bóc làm bằng cáp thép thay đổi được chiều dài; băng tải cấp cây có thể thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi số vòng quay mô tơ 11 nhờ bộ biến tần; hệ thống các cặp lô kẹp, bóc, rút được truyền động nhờ xích, nhông và thay đổi được số vòng quay nhờ thay đổi các loại nhông khác nhau. 4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số tới khả năng làm việc của bộ phận bóc lá mía 4.1.1. Ảnh hưởng của số vòng quay lô bóc (nb) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn thương ψ và chi phí năng lương riêng Ne Rank 156 Eqn 1003 y=a+bx+cx2 Rank 161 Eqn 7001 y=(a+cx)/(1+bx) r2=0.99732105 DF Adj r2=0.99659042 FitStdErr=0.18811218 Fstat=2233.6793 r2=0.99736724 DF Adj r2=0.99664921 FitStdErr=0.38992422 Fstat=2272.9736 a=36.821429 b=-0.057399048 a=6.8278816 b=-0.00076656544 c=2.3714286e-05 c=-0.0038841847 12 30 10 25 8 20 , % , %o , 6 15 4 10 2 5 600 750 900 1050 1200 600 750 900 1050 1200 -1 -1 nb , min nb , min Hình 4.2. Ảnh hƣởng của số vòng quay lô Hình 4.3. Ảnh hƣởng của số vòng quay lô bóc nb tới tỷ lệ sót η bóc nb tới tỷ lệ tổn thƣơng cây ψ
17. 17 Rank 151 Eqn 1003 y=a+bx+cx2 r2=0.9971608 DF Adj r2=0.99638647 FitStdErr=20.332171 Fstat=2107.2718 a=1859.8581 b=-3.2943946 c=0.0026826772 1800 1600 1400 1200 Ne, Ws/kg Ne, 1000 800 600 750 900 1050 1200 -1 nb , min Hình 4.4. Ảnh hƣởng của số vòng quay lô bóc (nb) tới chi phí năng lƣơng riêng Ne Ảnh hưởng của số vòng quay lô bóc (nb) tới chỉ tiêu tỷ lệ sót lá sau khi bóc (η), tỷ lệ tổn thương ψ và chi phí năng lương riêng Ne được trình bày tại đồ thị hình 4.2, 4.3, 4.4. Trong thí nghiệm các yếu tố được duy trì ở các giá trị nr=250 v/p; q=4,5 kg/s; lc=100 mm. Trên cơ sở các kết quả đơn yếu tố đã nêu, vùng nghiên cứu đa yếu tố của số vòng quay lô bóc sẽ được chọn khoảng 750 ÷ 1050 vòng/phút. Trong khoảng này độ sót lá khoảng 3 ÷ 7 %, còn độ tổn thương khoảng 6 ÷ 16 ‰, Chi phí năng lương riêng từ 900 ÷ 1300 Ws/kg. 4.1.2. Ảnh hưởng của số vòng quay lô rút (nr) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne. Hình 4.5. Ảnh hƣởng của số vòng quay lô Hình 4.6. Ảnh hƣởng của số vòng quay rút (nr) tới tỷ lệ sót (η) lô rút (nr) tới tỷ lệ tổn thƣơng cây (ψ)
18. 18 Hình 4.7. Ảnh hƣởng của số vòng quay lô rút (nr) tới chi phí năng lƣơng riêng (Ne) Số vòng quay lô rút nr ảnh hưởng tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne được trình bày tại đồ thị hình 4.5, 4.6, 4.7. Trong thí nghiệm, các yếu tố được duy trì ở các giá trị v/p; nb = 1000v/p; q = 4,5 kg/s; lc = 100 mm. Để đảm bảo độ sạch cần thiết khoảng 5% , tốc độ của lô rút nên trong khoảng 200÷300 vòng /phút. Đây là khoảng mà luận án sẽ thực hiện nghiên cứu đa yếu tố. 4.1.3. Ảnh hưởng của chiều dài răng bóc (lc) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne. Hình 4.8. Ảnh hƣởng của chiều dài răng Hình 4.9. Ảnh hƣởng của chiều dài răng bóc lc tới tỷ lệ sót (η) bóc lc tới tỷ lệ tỷ lệ tổn thƣơng
19. 19 Hình 4.10. Ảnh hƣởng của chiều dài răng bóc lc tới chi phí năng lƣợng riêng (Ne) Ảnh hưởng của chiều dài răng bóc lc tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne được trình bày tại đồ thị hình 4.8, 4.9, 4.10. Trong thí nghiệm, các yếu tố được duy trì ở các giá trị nr=250 v/p; nb=1000v/p; q = 4,5 kg/s. Khoảng biến thiên được lựa chọn cho nghiên cứu đa yếu tố là lc=90÷110 mm, với độ tổn thương khoảng 1%, năng lượng riêng khoảng 900 ÷ 1200Ws/kg. 4.1.4. Ảnh hưởng của lượng cung cấp (q) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne. Ảnh hưởng của lượng cung cấp q tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn thương cây (ψ) và chi phí năng lượng riêng Ne được trình bày tại đồ thị hình 4.11, 4.12, 4.13. Trong thí nghiệm các yếu tố được duy trì ở các giá trị nr =250 v/p; nb =1000v/p; lc = 100 mm. Rank 13 Eqn 25 lny=a+bx2 Rank 1 Eqn 49 y-1=a+bx3 r2=0.9927882 DF Adj r2=0.99158623 FitStdErr=0.18696482 Fstat=1789.601 r2=0.99779291 DF Adj r2=0.99742507 FitStdErr=0.1220079 Fstat=5877.1199 a=1.0500188 b=0.019518076 a=0.076865617 b=0.00019236871 9 13 8 12 7 11 6 10 % o , 5 9 4 8 3 7 2 6 1 2.75 4.5 6.25 8 1.5 3 4.5 6 7.5 q, kg/s q, kg/s Hình 4.11. Ảnh hƣởng của lƣợng cung Hình 4.12. Ảnh hƣởng của lƣợng cung cấp (q) tới tỷ lệ sót (η) cấp (q) tới tỷ lệ tổn thƣơng cây(ψ)
20. 20 Rank 142 Eqn 1213 lny=a+bx+cx2 r2=0.99714132 DF Adj r2=0.99636168 FitStdErr=13.697137 Fstat=2092.8719 a=7.6292585 b=-0.21003349 c=0.013821169 1600 1500 1400 1300 1200 Ne , WS/kg , Ne 1100 1000 900 1.5 3 4.5 6 7.5 q , kg/s Hình 4.13. Ảnh hƣởng của lƣợng cung cấp (q) tới chi phí năng lƣơng riêng(Ne) Theo kết quả đơn yếu tố vùng làm việc của máy nên trong khoảng 3÷6kg/s. Trong vùng này ta có độ sạch cũng như độ tổn thương phù hợp và chi phí năng lượng riêng không quá cao. 4.2. Kết quả nghiên cứu xác định các thông số tối ưu của bộ phận bóc lá Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố các yếu tố lựa chọn đưa vào nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố được trình bày ở bảng 4.1 và chọn kế hoạch thí nghiệm quy hoạch hóa thực nghiệm đa yếu tố bậc 2 hợp thành Hartly. Bảng 4.1. Các yếu tố lựa chọn nghiên cứu TT Tên yếu tố Ký hiệu Đơn vị Ký hiệu mã hóa 1 Tốc độ quay của lô bóc nb v/p x1 2 Tốc độ quay của lô rút nr v/p x2 3 Chiều dài răng bóc lc mm x3 4 Lượng cung cấp q kg/s x4 Chế độ tối ưu của máy được xác định thông qua ba chỉ tiêu là: Y1 – hàm tỷ lệ sót (η), % Y2 – hàm tỷ lệ tổn thương (ψ), ‰ Y3 – hàm chi phí năng lượng riêng (Ne), Ws/kg Mức và khoảng biến thiên của các yếu tố đầu vào được trình bày ở bảng 4.2.
21. 21 Bảng 4.2. Mực và khoảng biến thiên của các yếu tố vào Yếu tố vào x1, v/p x2, v/p x3, mm x4, kg/s Mức biến thiên Mức dưới -1 750 200 90 3 Mức cơ sở 0 900 250 100 4.5 Mức trên +1 1050 300 110 6 Khoảng biến thiên εi 150 50 10 1.5 Bằng phương pháp quy hoạch hóa thực nghiệm (QHHTN) đa yếu tố ta thu được mô hình toán học tương thích thông số ra như sau: Y1 = 5.280 - 1.980X1 + 0.662X1X1 + 0.572X2 + 0.124X2X1 + 1.015X2X2 + 1.660X3 + 0.153X3X1 - 0.273X3X2 + 0.460X3X3 + 1.345X4 + 0.118X4X1 - 0.322X4X2 + 0.246X4X3 + 0.335X4X4 Y2 = 9.080 + 2.801X1 + 1.241X1X1 - 0.203X2 + 0.280X2X1 - 1.251X2X2 - 2.678X3 + 0.220X3X1 + 0.242X3X2 + 1.061X3X3 - 2.202X4 + 0.260X4X1 + 0.757X4X2 - 0.340X4X3 - 0.323X4X4 Y3 = 1059.886 + 245.966X1 + 76.614X1X1 - 133.065X2 - 19.838X2X1 + 26.610X2X2 - 144.355X3 - 22.257X3X1 + 31.933X3X2 + 41.130X3X3 - 138.707X4 + 23.709X4X1 - 24.518X4X2 -21.290X4X3 + 41.935X4X4 Do tính chất ảnh hưởng phức tạp của các thông số đến 3 hàm chỉ tiêu được trình bày ở trên, trong vùng quy hoạch xét một cách tổng thể các thông số không có tối ưu thực sự (có giá trị tối ưu ở hàm này nhưng lại không tối ưu ở hàm khác), nên chỉ có thể xác định được các giá trị hợp lý nhất của chúng trên cơ sở xem xét các hàm chỉ tiêu, trong bài toán thương lượng đa mục tiêu. Sử dụng chương trình tối ưu hóa hàm bậc 2 có điều kiện OPTM giải bài toán tối ưu bằng phương pháp thương lượng có điều kiện (độ sót ηmax =5%, tổn thương là Ψmax =1% (10 ‰), đã xác định được bộ phận bóc lá mía thực nghiệm
22. 22 có chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất Nemin=970.83(Ws/kg) tại giá trị các thông số đầu vào (dạng mã): X1 = -0.1817 X2 = 0.3415 X3 = -0.2209 X4 = 0.2501 Chuyển đổi về giá trị thực của các thông số đầu vào ta có giá trị tối ưu của các thông số là: nb=872.745 vg/ph; nr=267.075 vg/ph; lc=97.791 mm; q=4.87515 kg/s. Ne Sót Tổn thương Hình 4.14. Mặt cắt của các hàm quy Hình 4.15. Ảnh hƣởng x1, x2 tới Ne hoạch theo x1, x2 Hình 4.16. Ảnh hƣởng x1, x2 tới tỷ lệ η Hình 4.17. Ảnh hƣởng x1, x2 tới tỷ lệ ψ Ở đây, với mức chi phí năng lượng riêng bé nhất mà vẫn thỏa mãn độ sót nhỏ hơn 5%, độ tổn thương nhỏ hơn 10‰ chỉ có thể là đường tiếp xúc với đường đồng mức 5%, 10‰ của hàm sót, tổn thương.
23. 23 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 - Kết quả đo kích thước cây mía, hệ số ma sát giữa cây mía với cao su, thép, bẹ lá mía và độ cứng răng bóc EI, khối lượng đơn vị chiều dài μ dựa trên phương pháp đo, xử lý số liệu tin cậy. Kết quả này đã sơ bộ đưa ra khoảng giá trị làm căn cứ cho các khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình tách, róc lá mía của bộ phận bóc lá mía. - Thông qua việc nghiên cứu, phân tích các kết quả thực nghiệm thăm dò đơn yếu tố và thực nghiệm đa yếu tố đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của bộ phận bóc lá mía trong LHMTH mía nguyên cây là: Số vòng quay lô bóc lá nb, số vòng quay lô rút cây nr, chiều dài răng bóc lá lc và lượng cung cấp q. - Bằng thực nghiệm đa yếu tố, đã xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số vào đến thông số ra (hàm mục tiêu) bằng các mô hình toán dưới dạng phương trình hồi quy, chính tắc và đồ thị. - Thông qua xây dựng và giải bài toán thương lượng có điều kiện ràng buộc: tỷ lệ sót lá η ≤ 5%, tỷ lệ tổn thương cây Ψ ≤ 1%, đã xác định được hàm chi phí năng lượng riêng của bộ phận bóc lá mía có giá trị cực tiểu Ne = 971 Ws/kg khi nb = 873 v/p; nr = 267 v/p; lc = 98 mm; q = 4,9 kg/s.Các thông số này là cơ sở để thiết kế, chế tạo bộ phận bóc lá trên LHMTHM nguyên cây có năng suất khoảng 17 tấn/h, tương đương khoảng 0,25 ha/h. KẾT LUẬN Qua những kết quả nghiên cứu trên, có thể rút ra một số kết luận chính sau: 1. Trong quy trình công nghệ và phương pháp thu hoạch mía khâu tốn nhiều công nhất là khâu thu hoạch mía, ảnh hưởng lớn đến năng suất, chất lượng, chi phí tài chính. Trong đó, phương pháp thu hoạch mía bằng LHMTHM nguyên cây với công nghệ thu hoạch mía 1 giai đoạn là lựa chọn tốt, đảm bảo tính cấp thiết trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam.
24. 24 2. Nhằm đảm bảo giảm tỷ lệ hao hụt mía đường, trả lại độ phì cho đất, không gây ảnh hưởng đến môi trường và giảm chi phí tài chính thì phương pháp tách, róc lá mía nhờ bộ phận bóc lá trong LHMTHM theo nguyên lý bóc lá, cây nằm chuyển dọc, gốc vào trước và có răng bóc là cáp thép ưu việt hơn so với phương pháp, nguyên lý, loại răng bóc khác. 3. Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, đã xây dựng phương trình động học, phương trình vi phân biến dạng uốn của răng bóc, mô tả quá trình tách, róc lá mía ra khỏi cây trong bộ phận bóc với lô bóc có răng bóc bằng cáp thép. 4. Xây dựng lưu đồ thuật giải phương trình vi phân biến dạng uốn răng bóc mô tả quá trình tách và róc lá mía. Trên cơ sở đó khảo sát động lực học quá trình tách, róc lá mía, xác định ảnh hưởng của một số thông số đến khả năng róc, tách lá làm căn cứ để nghiên cứu thực nghiệm. 5. Với kết cấu, nguyên lý bộ phận bóc lá được đề xuất, đã xác định các thông số ảnh hưởng chính đến chỉ tiêu chất lượng làm việc và chi phí năng lượng riêng là: Số vòng quay lô bóc nb, số vòng quay lô rút nr, chiều dài răng bóc lc và lượng cung cấp q. 6. Đã xác định được chế độ làm việc tối ưu thích hợp của bộ phận bóc lá mía nhờ QHTN đa yếu tố và giải bài toán thương lượng có điều kiện. Bộ phận bóc lá có bán kính R1 = 250 mm, khoảng cách từ tâm lô bóc đến cây mía h = 170 mm làm việc có hiệu quả cao nhất khi: Số vòng quay lô bóc nb = 873 v/ph; R1R = 159 mm, số vòng quay lô rút cây nr = 267 v/ph; chiều dài răng bóc lc = 98 mm; lượng cung cấp q = 4,9 kg/s. Khi đó chi phí năng lượng riêng của bộ phận bóc lá Ne = 971 Ws/kg với tỷ lệ sót lá η ≤ 5%, tỷ lệ tổn thương cây Ψ ≤ 1%. 7. Các kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở để thiết kế, chế tạo bộ phận bóc lá trên LHMTHM nguyên cây có năng suất khoảng 17 tấn/h, tương đương khoảng 0,25 ha/h.