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

137 trang Phương Linh 25/03/2025 231

Download

Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

File đính kèm:

LA_DAM_22.6.20.pdf
LA_DAM_22.6.20.pdf
TrichyeuLA.pdf
TrichyeuLA.pdf
TT moi LA - TA.pdf
TOM TAT LUAN AN_TIENG ANH_VU DAM_DONE.pdf
Trang TT Luan An_Vu Van Dam_22.6.pdf

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Vũ Văn Đam NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ CỦA QUÁ TRÌNH CẮT THÂN CÂY NGÔ SAU THU HOẠCH Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã Số: 9 52 01 03 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
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là do bản thân tự nghiên cứu, không sao chép của bất kỳ ai hay nguồn nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả luận án Vũ Văn Đam
iii LỜI CẢM ƠN Luận án này có thể chưa bao giờ được hoàn thành nếu không có sự quan tâm của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn; GS.TSKH. Phạm Văn Lang. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn về tất cả sự giúp đỡ của các Thầy dành cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình động viên, chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi để tôi đủ quyết tâm hoàn thành bản luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Hữu Công, vì sự quan tâm đặc biệt của Thầy dành cho tôi, người đã truyền cảm hứng cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Ngô Như Khoa, người đã tận tình tư vấn và trực tiếp hỗ trợ thiết bị đo cho các thí nghiệm của nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo khoa Cơ khí, phòng Đào tạo, Ban Giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và các khoa, phòng, ban, viện trong trường đã giúp đỡ về chuyên môn cũng như tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Đại học Thái Nguyên và tập thể cán bộ CNV khối văn phòng Đại học Thái Nguyên, đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm đề tài Tây Bắc (KHCN- TB.12C/13-18) và doanh nghiệp Thái Long đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai thí nghiệm. Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là các thành viên trong gia đình, đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên, góp ý kiến để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Vũ Văn Đam
iv MỤC LỤC HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VII DANH MỤC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC HÌNH VẼ XI MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1 5. Cấu trúc nội dung luận án 6 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 8 1.1. Giới thiệu 8 1.2. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nước 8 1.2.1. Sản xuất ngô trên thế giới 8 1.2.2. Sản xuất ngô trong nước 9 1.3. Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch 10 1.3.1. Độ ẩm 12 1.3.2. Khối lượng riêng 13 1.3.3. Đặc tính cơ học 14 1.3.4. Ma sát trượt giữa thân cây ngô với vật liệu khác 15 1.4. Chế biến phụ phẩm nông nghiệp 16 1.4.1. Chế biến thức ăn gia súc 16 1.4.2. Chế biến sản phẩm thương mại 17 1.5. Máy băm phụ phẩm nông nghiệp 17 1.5.1. Máy băm dạng trống 18 1.5.2. Máy băm dạng đĩa 19 1.5.3. Máy băm dùng dao răng 20 1.6. Nghiên cứu thực nghiệm 21 1.6.1. Quy ước thông số góc 21 1.6.2. Thí nghiệm cắt bán tĩnh 22
v 1.6.3. Thí nghiệm cắt va đập 24 1.6.4. Thí nghiệm cắt có dao kê 26 1.7. Một số kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ 27 Kết luận chương 31 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 33 QUÁ TRÌNH BĂM PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP 33 2.1. Nguyên lý băm 33 2.2. Cơ sở động lực học quá trình băm 35 2.3. Bài toán tối ưu đa mục tiêu 44 Kết luận chương 47 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ 49 HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 49 3.1. Giới thiệu 49 3.2. Thiết kế hệ thống thí nghiệm 49 3.2.1. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm 49 3.2.2. Thiết kế kết cấu 53 3.3. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu 56 3.3.1. Cảm biến đo lực cắt 57 3.3.2. Đo lực ma sát cây-dao kê 58 3.3.3. Cảm biến đo mô men 59 3.3.4. Thiết bị xử lý và thu thập dữ liệu 60 3.3.5. Phần mềm thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm 61 3.4. Chế tạo, lắp đặt hệ thống thí nghiệm 61 3.5. Vận hành và một số kết quả khảo sát hệ thống 62 3.5.1. Vận hành hệ thống thí nghiệm 62 3.5.2. Đo lực cắt và mô men 63 3.5.3. Đo ma sát trượt giữa dao kê và thân cây ngô 64 Kết luận chương 66
vi CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH BIÊN DẠNG LƢỠI CẮT 68 4.2. Mô tả thí nghiệm 69 4.3. Thí nghiệm sàng lọc 70 4.4. Thí nghiệm tối ưu hóa lực cắt khi cắt chậm 74 4.4.1. Thí nghiệm khởi đầu 74 4.4.2. Thí nghiệm xuống dốc tìm vùng cực tiểu 76 4.4.3. Thí nghiệm tối ưu 78 4.5. Thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu 81 4.5.1. Mô tả các hàm mục tiêu 81 4.5.2. Thí nghiệm tối ưu hóa 84 4.5.3. Xác định bộ thông số tối ưu 87 4.6. Đánh giá một số biên dạng lưỡi cắt theo chỉ tiêu duy trì góc tiếp dao 89 4.6.1. Dao lưỡi cắt thẳng 90 4.6.2. Dao cung tròn 92 4.6.3. Dao lô-ga-rít 95 4.7. Tự động thiết kế các lưỡi cắt đồng dạng 96 4.8. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dao logarit 100 Kết luận chương 103 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 104 1. Kết luận chung 104 2. Hướng nghiên cứu tiếp theo 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC 117 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 123
vii HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký Đơn Ý nghĩa hiệu vị  Góc tiếp dao   Góc nghiêng cây  C Hệ số tính toán Góc kẹp hình thành giữa phương lưỡi dao cắt và cạnh sắc   dao kê D Giá trị hàm kỳ vọng tổng hợp chung  Khe hở giữa dao kê và dao cắt mm S Chiều dài tiếp xúc giữa dao với cây nguyên liệu mm  Hệ số trượt Fc Lực cắt N Fms Lực ma sát giữa cây nguyên liệu và lưỡi dao N FS Giá trị lực thu được từ cảm biến lực động N Góc hợp bởi phương đường trục thân cây và phương lưỡi   cắt  Hệ số ma sát N Lực pháp tuyến N n Tốc độ quay v/ph P Công suất tiêu thụ W q Lực phân bố trên đoạn lưỡi dao g/cm3 q0 Lực phân bố tối thiểu N/mm qth Lực tới hạn N/mm c Khối lượng riêng của mẫu thí nghiệm g/cm3  Lực cản băm cắt N  Góc cắt trượt   Góc trượt  T Chu kỳ lực s TS Giá trị lực thu được từ cảm biến mô men N V Vận tốc chuyển động của lưỡi dao m/s Vn Vận tốc pháp tuyến m/s Vt Vận tốc tiếp tuyến m/s W1 Khối lượng của hộp rỗng g W2 Khối lượng của mẫu và hộp g Wb Độ ẩm của mẫu thí nghiệm %
viii Ký Đơn Ý nghĩa hiệu vị WD Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc sau sấy khô g WW Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc đầu g
ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô thế giới 2008-2016 9 Bảng 1.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 1990-2017 10 Bảng 1.3. Một số đặc điểm tính chất thân cây ngô 11 Bảng 1.4. Một số thông số phụ phẩm từ ngô 12 Bảng 1.5. Hệ số ma sát tĩnh của các bộ phận cây ngô 15 Bảng 1.6. Hệ số ma sát động các bộ phận của cây ngô 15 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của cảm biến mô men RTT 59 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008 60 Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm đo ma sát trượt dao kê – cây ngô 66 Bảng 4.1. Các biến đầu vào của thí nghiệm sàng lọc 71 Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm sàng lọc 71 Bảng 4.3. Các biến trong thí nghiệm khởi đầu 75 Bảng 4.4. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm khởi đầu 75 Bảng 4.5. Kết quả các thí nghiệm xuống dốc 77 Bảng 4.6. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm tối ưu CCD 78 Bảng 4.7. Cấp độ và giá trị thực của các biến thí nghiệm 84 Bảng 4.8. Thí nghiệm CCD và kết quả tương ứng 84
x Bảng 4.9. Ví dụ thay đổi của góc tiếp dao với bán kính R1=100 mm 92 Bảng 4.10. Thống kê giá trị của góc tiếp dao tại các điểm cắt khác nhau 94
xi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Đặc tính cấu trúc thân cây ngô 11 Hình 1.2. Thí nghiệm uốn mẫu thân cây ngô 14 Hình 1.3. Sơ đồ các bước chế biến thức ăn dự trữ cho gia súc 16 Hình 1.4. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng trống 18 Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng đĩa 19 Hình 1.6. Cấu tạo nguyên lý bộ phận băm loại dao răng 20 Hình 1.7. Quy ước thông số góc 22 Hình 1.8. Thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén 23 Hình 1.9. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây 24 Hình 1.10. Sơ đồ thí nghiệm (a), thiết bị thực (b) khi cắt cây ngô trên ruộng 25 Hình 1.11.Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng góc tiếp dao và vận tốc cắt 26 Hình 1.12. a) Thí nghiệm dùng kéo cắt cành cây, b) dùng kéo rút 27 Hình 1.13. So sánh năng lượng tiêu thụ khi cắt một số cây nông nghiệp 29 Hình 1.14. Răng con xén tóc (a), biên dạng dao mô phỏng (b) và kết quả lát cắt thử bằng dao truyền thống (c, hình trên) và dao mô phỏng (c, hình dưới) 30 Hình 2.1. Sơ đồ tạo chuyển động cắt 33 Hình 2.2. Mô hình thí nghiệm của Gơriatskin (a), kết quả quan hệ của lực cắt N với lượng trượt S (b) 34
xii Hình 2.3. Vận tốc và các thành phần vận tốc tại điểm tiếp xúc dao-cây nguyên liệu 35 Hình 2.4. Quan hệ lực cắt cần thiết phụ thuộc góc trượt 37 Hình 2.5. Tương tác lực giữa lưỡi dao và cây nguyên liệu 39 Hình 2.6. Tác dụng giảm lực băm cắt pháp tuyến 41 Hình 2.7. Sơ đồ băm cắt có dao kê 41 Hình 2.8. Quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê 42 Hình 2.9. Các góc của dao và gá đặt dao 43 Hình 2.10. Vùng khuyến nghị chọn khe hở δ 44 Hình 2.11. Sơ đồ hàm kỳ vọng cho bài toán tối thiểu hóa 46 Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện 50 Hình 3.2. Vị trí tương đối của cây nguyên liệu 51 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý truyền động thiết bị băm 54 Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt 55 Hình 3.5. Phân tích lực tương tác dao-cây 56 Hình 3.6. a) Cảm biến lực Kistler 9712A500 và b) gá đặt cảm biến lực 57 Hình 3.7. Cảm biến FSSM-100 58 Hình 3.8. Cảm biến mô men RTT-200 59
xiii Hình 3.9. Bộ nguồn khuếch đại DRG-SC-BG(a), Bộ nguồn và sử lý tín hiệu SCC-ICP 01(b), Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008(c) 60 Hình 3.10. Kết cấu gá dao băm và dao kê của thiết bị 62 Hình 3.11. Kết quả đo lực cắt (a) và đồ thị đối chứng lực đo bằng hai cảm biến (b) 64 Hình 3.12. Bố trí thí nghiệm đo ma sát dao kê – cây ngô 65 Hình 4.1. Kết quả phân tích ANOVA bằng phần mềm Minitab 72 Hình 4.2. Biểu đồ Pareto đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố 73 Hình 4.3. Kết quả phân tích hồi quy bậc 1 75 Hình 4.4. Biểu đồ đường mức (Contour) của lực cắt và hướng xuống dốc 76 Hình 4.5. Biểu đồ xuống dốc tìm vùng cực tiểu 78 Hình 4.6. Kết quả phân tích hồi quy bề mặt Fc 79 Hình 4.7. Đồ thị bề mặt (a) và đường mức (b) lực cắt FC 80 Hình 4.8. Ví dụ chu kỳ của (a) lực cắt và (b) công suất cắt 82 Hình 4.9. Phân tích phương sai của hàm lực cắt 85 Hình 4.10. Phân tích phương sai của hàm công suất cắt 86 Hình 4.11. Cực đại của lực cắt và mức tiêu thụ năng lượng là hàm của vận tốc cắt 87 Hình 4.12. Mục tiêu, ràng buộc và kết quả bài toán tối ưu đa mục tiêu 88
xiv Hình 4.13. Đồ thị của phương trình đa mục tiêu 89 Hình 4.14. Sự thay đổi của góc tiếp dao α 91 Hình 4.15. Dao cung tròn lệch tâm 92 Hình 4.16. Sơ đồ tính góc tiếp dao của dao cung tròn 93 Hình 4.17. Biến động của góc tiếp dao của dao thẳng ( 1) và của dao cung tròn ( 2) 94 Hình 4.18. Đường xoắn ốc logarit 95 Hình 4.19. Góc tiếp tuyến không đổi của đường xoắn logarit 96 Hình 4.20. Lưu đồ giải thuật tính và vẽ biên dạng dao logarit 99 Hình 4.21. Hộp thoại nhập liệu và thông báo của mô đun phần mềm 100 Hình 4.22. Mô hình 3D của một dao cong biên dạng logarit 100 Hình 4.23. Bản vẽ dao logarit 101 Hình 4.24. Bản vẽ moay-ơ để kẹp dao 101 Hình 4.25. Máy băm lắp dao cong logarit 102 Hình 4.26. Lực cắt tại 5 điểm có vị trí khác nhau dọc theo lưỡi cắt 102
1 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
2 khối (briquetting) [76]. Ở quy mô công nghiệp, công đoạn băm được thực hiện bằng các máy băm chuyên dụng hoặc bộ phận cắt thái trên các máy thu hoạch liên hợp. Ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam, nông dân thường làm chất đốt, hoặc đốt bỏ phụ phẩm sau thu hoạch trên đồng ruộng, nương rẫy. Việc này không những gây lãng phí mà còn tác động tiêu cực đến môi trường như ô nhiễm không khí hoặc gây ra các đám cháy rừng. Một trong các lý do là chi phí cho công đoạn băm còn cao. Do phụ phẩm thường có giá rất rẻ, nên chi phí khấu hao, công lao động và đặc biệt là tiêu tốn năng lượng sẽ chiếm tỷ trọng rất lớn trong giá thành bán thành phẩm (phụ phẩm được băm). Do vậy, tìm kiếm giải pháp giảm năng lượng tiêu hao khi băm đã và đang được nhiều nghiên cứu quốc tế triển khai [24, 34, 37, 43, 78, 87, 107]. Ở Việt Nam, các công bố khoa học được tìm thấy chủ yếu quan tâm kỹ thuật tính toán thiết kế theo chỉ tiêu năng suất, độ bền cho các máy thu hoạch kết hợp băm một số sản phẩm cây nông nghiệp như cây ngô [3, 4, 6, 17], rơm sau thu hoạch lúa [19] hoặc thân cây chuối [1], chế biến dứa [9], cắt sơ sợi từ quả dừa [13]. Các thiết kế này tập trung giải quyết bài toán chức năng băm theo các nguyên lý đĩa cắt, trống cắt, thiết kế nhằm đạt năng suất băm. Tuy nhiên, vấn đề về tiết kiệm năng lượng hầu như chưa được nghiên cứu nào đề cập. Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm làm giảm lực cắt và công suất cắt bằng cách cải tiến thiết kế dao và lựa chọn chế độ cắt hợp lý. Giảm lực cắt được coi là một trong những giải pháp tối ưu để giảm năng lượng tiêu thụ. Hơn nữa, giảm lực cắt cũng sẽ góp phần làm giảm kích thước các bộ phận của máy và do đó làm giảm kích cỡ máy. Tuy nhiên, do năng lượng tiêu thụ được tính bằng tích số của lực cắt và vận tốc cắt, cho nên chế độ băm có lực cắt nhỏ nhưng với vận tốc lớn cũng chưa hẳn đảm bảo mức năng lượng tiêu thụ nhỏ. Trong một số nghiên cứu, các mô hình thực nghiệm sử dụng con lắc được
3 xây dựng để đo lực cắt, công suất cắt cần thiết khi băm phụ phẩm [32, 39, 66, 71, 85, 100]. Các yếu tố được đánh giá bao gồm ảnh hưởng của loại dao, góc độ cắt khác nhau [24, 27, 44, 96] Một số nghiên cứu khác đã đánh giá ảnh hưởng của góc sắc lưỡi dao thẳng, tốc độ quay của đĩa dao đến khả năng cắt đứt cây ngô [32, 78, 85, 90, 103]. Một cách tiếp cận mới cũng rất được quan tâm là thực hiện phỏng sinh học, thiết kế và chế tạo biên dạng dao theo biên dạng răng của các loài côn trùng như bọ ngựa, sâu ăn thân ngô, châu chấu, xén tóc [64, 65, 71, 72, 100] .Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn và thực nghiệm cho thấy nhiều lợi ích về giảm lực cắt, công suất tiêu thụ. Tuy vậy, kiểu biên dạng lưỡi cắt này khó chế tạo, mài sắc trong quá trình làm việc và khó triển khai trên các máy thương phẩm. Đã có nhiều nghiên cứu để tìm ra giải pháp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ [27, 28, 38, 44, 49, 66, 68, 69]. Tuy nhiên, lời giải cho bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho cả hai yếu tố lực cắt và năng lượng tiêu thụ, đặc biệt là cho các băm [24, 34, 37, 43, 78, 87, 107] hiện vẫn đang tiếp tục được quan tâm. Một hướng nghiên cứu khác để tiết kiệm năng lượng trong quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp là xác định các thông số làm việc hợp lý [28, 31, 33, 49, 50, 58, 59, 61, 78, 88, 89]. Cho đến nay, bài toán giảm đồng thời lực và công suất cắt trực tiếp trên máy băm vẫn chưa có lời giải cuối. Cũng chưa tìm thấy thấy công bố nào nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng đồng thời của thông số làm việc và thông số kết cấu đến lực và công suất cắt. Vì những lý do trên, đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch” có tính cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu:
4 - Mục tiêu chung: xác định một số thông số kết cấu và vận hành hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch nhằm giảm thiểu lực và công suất cắt. - Mục tiêu cụ thể: + Thiết kế, chế tạo được thiết bị thí nghiệm có thể điều khiển các thông số vào, thu được đầy đủ các thông số ra của quá trình băm thân cây ngô sau thu hoạch, đáp ứng yêu cầu của bài toán nghiên cứu thực nghiệm; + Xác định được các thông số có ảnh hưởng mạnh đến lực và công suất cắt khi băm thân cây ngô sau thu hoạch; + Xác định được bộ thông số thiết kế, vận hành hợp lý máy băm thân cây ngô sau thu hoạch nhằm giảm thiểu lực và công suất cắt; + Phát triển mô hình biên dạng lưỡi dao băm đảm bảo thông số thiết kế. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là một số thông số chính ảnh hưởng đến lực cắt và năng lượng tiêu thụ của máy băm thân cây ngô sau thu hoạch. Phạm vi nghiên cứu Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu là: tiến hành thực nghiệm cắt thân cây ngô đơn nhằm xác định lực và công suất cắt đơn vị, làm cơ sở tính toán cho các bài toán cắt bó cây. Các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Các thông số đưa vào đánh giá bao gồm: góc tiếp dao, góc nghiêng cây và vận tốc cắt. Các thân cây ngô sau thu hoạch được dùng làm thí nghiệm được bảo
5 quản trong điều kiện như nhau. Giả thiết các sai khác về đặc tính cơ học và độ ẩm giữa các lát cắt là không đáng kể. 3. Ý nghĩa thực tiễn + Kết quả có thể áp dụng để thiết kế, chế tạo máy băm cây nông nghiệp. Mặc dù chỉ thí nghiệm với thân cây ngô, nhưng ảnh hưởng đáng kể của các góc tiếp dao và góc nghiêng cây có được là do kết cấu dạng thớ của thân cây. Hầu hết các loại thân, phụ phẩm nông nghiệp khác cũng có kết cấu thớ. Do vậy, xu hướng ảnh hưởng của các góc nói trên có thể áp dụng khi băm các loại cây khác. + Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng trong tính toán thiết kế và lựa chọn thông số làm việc cho các máy băm dạng đĩa, góp phần khai thác và xử lý phụ phẩm nông nghiệp phục vụ sản xuất và đời sống, giảm chi phí năng lượng, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 4. Những đóng góp mới của luận án + Đã nghiên cứu lực và công suất cắt thân cây ngô cho mô hình cắt có dao kê – thế giới chưa có nghiên cứu trong phạm vi này; + Đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây tới lực cắt thân cây ngô cho mô hình cắt có dao kê – đây cũng là một đóng góp mới so với các công bố khoa học trước; + Giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu, cân bằng lợi ích hai hàm lực và công suất cắt đồng thời. Đã xác định được bộ thông số hợp lý của quá trình băm thực nghiệm, làm cơ sở thiết kế và chế tạo máy băm phụ phẩm nông nghiệp ứng dụng vào thực tiễn sản xuất;
6 + Đã đề xuất biên dạng lưỡi dao dạng xoắn ốc logarit và đánh giá ưu điểm của biên dạng này so với lưỡi dao thẳng và lưỡi dao cung tròn. Sử dụng biên dạng được đề xuất cho phép duy trì góc hợp bởi lưỡi dao và bó nguyên liệu là không đổi dọc theo chiều dài lưỡi cắt. Từ đó, giúp nâng cao hiệu suất của quá trình băm cắt; + Phát triển giải thuật phép tính toán và vẽ biên dạng lưỡi dao hoàn toàn tự động theo các kích cỡ khác nhau. Mô đun phần mềm nhúng trong môi trường AutoCAD cho phép vừa tạo bản vẽ kỹ thuật, vừa kết xuất bộ dữ liệu tọa độ điểm phục vụ gia công dao trên máy CNC. 5. Cấu trúc nội dung luận án Nội dung luận án gồm phần mở đầu, 04 chương và phần kết luận. Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Những đóng góp mới của luận án cũng được giới thiệu tóm tắt. Thông tin tổng quan về vấn đề nghiên cứu được trình bày trong chương 1. Chương này trình bày thông tin tổng quan tài liệu từ các nghiên cứu liên quan đến đề tài. Trước tiên, tình hình sản xuất ngô và khả năng sử dụng phụ phẩm từ ngô cho công nghiệp chế biến trong những năm gần đây. Tiếp theo, sẽ trình bày tóm tắt các đặc tính của cây ngô. Đây là các thông số tham khảo quan trọng khi nghiên cứu phân tích quá trình băm phụ phẩm. Một số công nghệ chế biến phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác được trình bày. Nguyên lý các máy băm, nghiên cứu thực nghiệm, kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ được tổng quan đầy đủ. Qua đó, xác định hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2 trình bày những lý thuyết cơ bản của quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp, được sử dụng làm cơ sở cho vấn đề nghiên cứu của đề tài. Cách thức thiết kế, chế tạo thiết bị và kế hoạch
7 thí nghiệm được trình bày trong chương 3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và phát triển mô hình biên dạng lưỡi cắt, thiết kế biên dạng dao được trình bày trong chương 4. Cuối cùng là phần kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.
8 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Giới thiệu Nội dung chương này sẽ tóm tắt thông tin tổng quan tài liệu từ các nghiên cứu liên quan đến đề tài. Các nội dung chính của chương gồm: - Tình hình sản xuất ngô và khả năng sử dụng phụ phẩm từ ngô cho công nghiệp chế biến trong những năm gần đây; - Các đặc tính của cây ngô. Đây là các thông số tham khảo quan trọng khi nghiên cứu phân tích quá trình băm phụ phẩm. - Một số công nghệ chế biến phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác; - Nguyên lý các máy băm; các thiết bị đã được sử dụng trong các nghiên cứu liên quan; - Tổng quan một số kết quả nghiên cứu nhằm giảm lực cắt và tiêu thụ năng lượng khi băm phụ phẩm nông nghiệp; - Kết luận, một số vấn đề còn tồn tại và xác định hướng nghiên cứu của luận án . 1.2. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nƣớc 1.2.1. Sản xuất ngô trên thế giới Ngô là cây lương thực quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu. Mặc dù chỉ đứng thứ hai về diện tích, sau lúa nước và lúa mì, nhưng ngô lại dẫn đầu về năng suất và sản lượng. Tốc độ tăng trưởng về năng suất của ngô cao nhất trong các cây lương thực. Ngô còn là loại cây nông nghiệp điển hình được ứng dụng nhiều thành tựu khoa học về di truyền học, chọn giống, công nghệ sinh học, cơ giới hoá, điện khí hoá và tin học trong nghiên cứu và sản xuất [16]. Ngô được
9 trồng rộng rãi ở khắp nơi trên thế giới [45, 97], với năng suất và sản lượng tăng dần qua các năm (Bảng 1.1). Bảng 1.1. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô thế giới 2008-2016 Năm Diện tích (triệu ha) Năng suất hạt (tấn/ha) Sản lƣợng (triệu tấn) 2008 162,7 5,1 713,7 2009 168,7 5,2 820,2 2010 164,0 5,2 851,3 2011 172,3 5,2 887,9 2012 148,0 4,9 872,8 2013 184,2 5,5 1.016,7 2014 184,6 5,6 1.013,1 2015 182,5 5,5 1.003,7 2016 187,9 5,6 1.052,2 Nguồn: FAOSTAT, 2017. 1.2.2. Sản xuất ngô trong nước Ở nước ta, cây ngô được trồng từ khá lâu đời và trở thành cây lương thực quan trọng đứng thứ hai sau cây lúa. Do được áp dụng nhiều tiến bộ kỹ thuật mới về giống, biện pháp kỹ thuật canh tác và liên kết sản xuất giữa trồng trọt, chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi bò sữa nên cây ngô đã có bước tiến dài trong tăng trưởng về diện tích, năng suất, sản lượng và giá trị kinh tế. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam từ 1990 – 2017 được thống kê ở Bảng 1.2 [10]. Qua Bảng 1.2 có thể thấy xu hướng tăng về năng suất và phát triển các giống ngô lai.
10 Bảng 1.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 1990-2017 Năm Diện tích Năng suất hạt Sản lƣợng Diện tích ngô lai (1.000 ha) (tấn/ha) (1.000 tấn) (%) 1990 431,8 1,55 671,0 0 1995 556,8 2,13 1.184,2 28 2000 730,2 2,75 2.005,1 65 2010 1.125,7 4,11 4.625,7 92 2011 1.121,3 4,31 4.835,6 93 2012 1.156,6 4,30 4.973,6 93 2013 1.170,4 4,44 5.191,2 94 2014 1.179,0 4,41 5.202,3 94 2015 1.164,8 4,54 5.287,2 95 2016 1.152,4 4,53 5.225,6 95 2017 1.099,7 4,67 5.131,9 95 Nguồn: Tổng cục Thống kê, năm 1990-2017 Nghiên cứu cho thấy có sự lệch pha giữa thời điểm thu hoạch ngô và giai đoạn cần thức ăn quan trọng cho gia súc. Theo Nguyễn Hưng Quang và cộng sự [94], từ tháng 9 hằng năm đến hết tháng 3 năm sau, nói chung đàn gia súc thiếu thức ăn thô xanh trầm trọng, đặc biệt là ở khu vực Trung du và Miền núi. Trong khi đó, vụ thu hoạch ngô lại chủ yếu vào tháng 7, tháng 8. Do đó, nghiên cứu để khuyến khích tận thu nguồn phụ phẩm từ ngô để chế biến và bảo quản làm thức ăn trong vụ đông đối với chăn nuôi đại gia súc hiện nay là vô cùng cần thiết và cấp bách [10]. 1.3. Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch Các kết quả nghiên cứu về đặc điểm cây ngô sau thu hoạch có ý nghĩa quan trọng đối với các công đoạn chế biến phụ phẩm nông nghiệp. Đặc biệt, cơ-lý tính cây ngô là thông số cơ bản cho các bài toán về băm thân cây.
11 Cây ngô thuộc loài cỏ thân gỗ. Đường kính thân cây ngô trưởng thành khoảng 20-35mm, chiều cao khoảng 4-10 feet (1,8m – 3,0m). Hình 1.1 mô tả các thông tin cơ bản về cấu trúc thân cây ngô. Hình 1.1. Đặc tính cấu trúc thân cây ngô Một số đặc điểm của cây ngô Việt Nam được trình bày trong Bảng 1.3 [6]. Bảng 1.3. Một số đặc điểm tính chất thân cây ngô Loại cây/ Độ ẩm TB Mật độ TB Tr.lượng TB Chiều dài Đường kính Ứng suất cắt Công cắt Thông số (%) (%) (G/cây) TB (cm) TB (mm) (N/mm2) (mJ/mm2) Ngô 65 80.000 640,2 235 20,5 2,65 21 Khả năng chịu nén, chịu kéo, chịu uốn, chịu cắt, khối lượng riêng và ma sát của thân cây với bề mặt dao băm, dao kê, là những đặc tính quan trọng ảnh hưởng tới quá trình băm. Tính chất cơ lý của cây ngô bao gồm độ ẩm, kích thước, khối lượng riêng và độ xốp là những thông số quan trọng trong nghiên cứu chế biến thân cây ngô. Nhiều nghiên cứu đã đi sâu đánh giá ảnh hưởng của
12 tính chất vật lý đến tính dễ cắt và năng suất băm [39, 40, 48, 55, 60-62, 75, 93, 108, 109]. Dưới đây trình bày một số đặc tính cơ-lý của thân cây ngô. 1.3.1. Độ ẩm Độ ẩm là thông số đánh giá hàm lượng nước chứa trong thân cây ngô sau thu hoạch, chỉ ra mức độ ướt hay khô của cây. Giá trị độ ẩm thường được xác định dựa vào phương pháp sấy khô [112, 26]. Mẫu ngô được đặt lên đĩa nhôm. Trước tiên, cả mẫu và đĩa nhôm được cân. Sau đó, đĩa mẫu được đem sấy ở điều kiện có áp và giữ nhiệt độ sấy 1050C. Quá trình sấy được duy trì đến khi khối lượng mẫu không đổi (không giảm được nữa). Đĩa mẫu sau sấy được làm nguội trong nhiệt độ phòng và đem cân. Độ ẩm được xác định theo công thức: WW WD wb 100% (1. 1) WW Trong đó: Wb – Độ ẩm của mẫu thí nghiệm (%) WW – Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc đầu (g) WD – Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc sau sấy khô (g). Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ ẩm là khác nhau giữa thân, lõi và lá cây ngô, như được trình bày trong Bảng 1.4 [112]. Bảng 1.4. Một số thông số phụ phẩm từ ngô Khối lượng riêng Bộ phận Độ ẩm (%) Độ xốp (%) (kg/m3) Lõi ngô 6,38 282,38 67,93 Lá ngô 7,92 81,61 86,06 Thân cây ngô 6,4 127,32 58,81
13 Bruce Anderson (1993) cũng đề xuất một phương pháp xác định độ ẩm cho cây ngô bằng cách sấy. Nhìn chung, độ ẩm của thân cây ngô tươi khi thu hoạch thường trong khoảng từ 18 – 30% [105]. Độ ẩm phụ thuộc rất lớn vào giống ngô, điều kiện khí hậu, đất đai, chế độ canh tác và thời điểm thu hoạch. Độ ẩm thân cây ngô tiếp tục giảm sau khi thu hoạch theo mùa. Độ ẩm thân cây có ảnh hưởng đến độ dai liên kết, độ bền cơ học, do đó có ảnh hưởng đến chỉ tiêu năng suất và chất lượng làm việc của máy băm [32, 61, 75]. 1.3.2. Khối lượng riêng Khối lượng riêng của thân cây ngô là thông số quan trọng ảnh hưởng tới mức độ hiệu quả của quá trình thu hoạch, vận chuyển và cất trữ nguồn nguyên liệu. Để xác định khối lượng riêng theo cách công nghiệp, Yaning Zhang và cộng sự [112] sử dụng một hộp rỗng 150ml, được cân với độ chính xác 0.0001g. Mẫu được cho đầy vào hộp, nén chặt để không còn khoảng trống. Giá trị khối lượng riêng của lõi, lá và thân cây ngô được xác định lần lượt khoảng 282.38; 81.61 và 127.32 kg/m3 theo công thức (1. 2). WW 21 (1. 2) c V Trong đó: 3  c – Khối lượng riêng của mẫu thí nghiệm (kg/m ) W2 – Khối lượng của mẫu và hộp (kg) W1 – Khối lượng của hộp rỗng (kg) V – Thể tích của hộp (m3) Trong một nghiên cứu khác của Lilik Astari [73], khối lượng riêng của cây ngô khoảng 210 kg/m3 và độ ẩm khoảng 11.2%. Dễ nhận thấy, khối lượng
14 riêng có biến động, tùy thuộc vào tuổi cây khi thu hoạch cũng như độ ẩm của thân cây. 1.3.3. Đặc tính cơ học Đặc tính cơ học là một trong những đặc điểm quan trọng quyết định đến khả năng chịu uốn của thân cây. Mức độ biến dạng uốn của thân cây có ảnh hưởng quyết định đến khả năng được cắt khi không kẹp chặt, hoặc khi khe hở giữa dao băm và dao kê lớn (Hình 1.2 [109]). Hình 1.2. Thí nghiệm uốn mẫu thân cây ngô Trong một nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm uốn, nén và kéo mẫu cây ngô ướt và khô, Loay Al-Zube và cộng sự [23] đã xác định được mô đun đàn hồi của thân cây ngô vào khoảng 6 – 16 GPa. Trong một nghiên cứu khác của Lixian Zhang [110], giới hạn bền kéo của mẫu ngô đem thử đạt khoảng 178,15 – 80,53 MPa (trung bình 122,26 MPa) và mô đun đàn hồi khoảng 35,01 – 11,38 GPa (trung bình 19,32 GPa). Nghiên cứu của M. Yu, C. Igathinathane và cộng sự [75] chỉ ra đặc tính cơ học của lớp sợi của thân cây ngô là: giới hạn bền cắt trung bình biến động từ 6,5 đến 11,9 MPa, giới hạn bền kéo biến động trong khoảng 59 đến 81,1 MPa.
15 1.3.4. Ma sát trượt giữa thân cây ngô với vật liệu khác Ma sát giữa thân cây ngô với các vật liệu khác là một thông số quan trọng để xác định khả năng không trượt của thân cây ra khỏi vùng cắt khi cắt theo nguyên lý cắt kéo. Bảng 1.5 trình bày giá trị hệ số ma sát tĩnh của các thành phần cây ngô với các vật liệu khác [11]. Bảng 1.5. Hệ số ma sát tĩnh của các bộ phận cây ngô Hệ số ma sát với bộ phận vật liệu Tên bộ Độ ẩm Thép phận cây Thép Thép đã (%) Gỗ ép Vải bố Thép lá gia Cao su ngô mạ sơn công 25.1 0.38 0.41 0.63 0.64 - 0.9 0.44 Hạt khô 15.4 0.32 0.34 0.53 0.53 0.54 0.66 - Hạt tươi 36.5 0.7 0.65 0.7 0.9 0.67 0.83 - 18.0 0.4 0.56 0.61 0.5 - 0.8 0.5 Bẹ ngô 27.0 0.44 0.54 0.47 0.38 - - - 32.4 0.55 0.62 0.48 0.75 0.73 - - Cây tươi 60.0 0.44 0.58 0.61 0.57 0.53 0.93 - Cây khô 10.0 0.34 0.39 0.49 0.43 0.56 0.63 - Lá 16.3 0.43 0.55 0.55 0.49 - 0.72 0.46 Nguồn: Đỗ Hữu Khi, Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch (2004). Hệ số ma sát động có giá trị nhỏ hơn đáng kể so với hệ số ma sát tĩnh, nhất là thân cây ngô khô và tươi với vật liệu là thép các loại [11] (Bảng 1.6). Bảng 1.6. Hệ số ma sát động các bộ phận của cây ngô Tên bộ phận Độ ẩm Hệ số ma sát với bộ phận vật liệu cây ngô (%) Gỗ ép Vải bố Thép mạ Thép lá Thép gia công Cao su 13.2 0.32 0.25 0.25 0.41 - 0.53 Hạt khô 15.0 0.31 0.33 0.21 0.44 0.29 0.54 Hạt tươi 36.5 0.31 0.39 0.57 0.43 0.49 0.62
16 Tên bộ phận Độ ẩm Hệ số ma sát với bộ phận vật liệu cây ngô (%) Gỗ ép Vải bố Thép mạ Thép lá Thép gia công Cao su Bẹ ngô 16.0 0.37 0.25 0.25 - - 0.82 Bẹ tươi 53.6 0.42 0.39 0.27 0.4 0.4 0.87 Cây khô 10.0 0.37 0.31 0.16 0.31 0.31 0.8 Nguồn: Đỗ Hữu Khi, Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch (2004). 1.4. Chế biến phụ phẩm nông nghiệp 1.4.1. Chế biến thức ăn gia súc Nhiều nghiên cứu trong nước đã khẳng định phụ phẩm nông nghiệp từ ngô là nguồn nguyên liệu phong phú để chế biến thức ăn chăn nuôi [2-4, 7, 8, 15, 17]. Đặc biệt, xu hướng trồng ngô sinh khối, không lấy hạt làm lương thực mà chỉ để phục vụ chăn nuôi và chế biến đang rất được quan tâm trên thế giới cũng như trong nước [10] Chi phí cho thức ăn chiếm 60% chi phí chăm sóc gia súc [47]. Vào mùa đông, việc đảm bảo cung cấp đủ thức ăn cho gia súc là vấn đề được các nước trên thế giới quan tâm. Bình quân mỗi ngày, gia súc cần một lượng thức ăn dạng cỏ cần thiết ước tính khoảng bằng 2,5% khối lượng bản thân [47, 92]. Đặc biệt vào mùa đông, cần dự trữ và cung cấp thức ăn nhiều hơn cho gia súc để tránh chết rét [81, 42]. Quy trình chế biến 7 phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác làm thức ăn dự trữ cho gia súc theo sơ đồ trên Hình 1.3. Hình 1.3. Sơ đồ các bước chế biến thức ăn dự trữ cho gia súc
17 Trong quy trình trên, bước băm phụ phẩm theo các kích cỡ phù hợp là một bước sơ chế quan trọng và chiếm tỷ trọng lớn chi phí trong giá thành sản phẩm. Vì vậy, nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu hao khi băm nguyên liệu bằng máy là nội dung đã và đang được tiếp tục quan tâm. 1.4.2. Chế biến sản phẩm thương mại Nhờ phát triển công nghệ chế biến, thân cây ngô còn được ứng dụng trong nhiều mục đích công nghiệp như năng lượng tái tạo sinh học (ví dụ ethanol để sản xuất xăng sinh học), vật liệu mới [29, 30, 46, 52, 101] Thân cây ngô còn được ép dùng để tổng hợp nhiên liệu làm khí gas tự nhiên [101, 91], tổng hợp nhiên liệu lỏng [36, 108], sản xuất nguồn vật liệu Nano-Cacbon thân thiện kinh tế [25], làm sợi sinh học dùng trong bê tông nhựa [41, 55], làm axit Citric [22], (một axit hữu cơ yếu, một chất bảo quản tự nhiên và cũng được sử dụng để bổ sung vị chua cho thực phẩm hay các loại nước ngọt), Có thể thấy, phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác đã và ngày càng được phát triển trên toàn thế giới. Nói chung, các quy trình chế biến phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác đều yêu cầu băm thành các đoạn có chiều dài nhất định. 1.5. Máy băm phụ phẩm nông nghiệp Các máy băm phụ phẩm nông nghiệp dựa trên hai nguyên tắc chính [88]: 1) nguyên tắc cắt dạng kéo (scissor shearing method) nhằm tạo ứng suất cắt và 2) nguyên tắc cắt bằng dao quay nhằm sinh ra va đập kết hợp gây ứng suất cắt (impact and shear method) trong thân cây. Nguyên tắc cắt dạng kéo yêu cầu hai dao, thường một dao đóng vai trò dao kê, dao còn lại đóng vai trò dao băm. Nguyên tắc cắt bằng dao quay không cần dao kê, thường được áp dụng trong các máy thu hoạch (Cắt ngang gốc cây đang mọc trên mặt đất). Phương pháp dao
18 quay thường dùng khi chiều dày (đường kính thân cây) cần cắt trên 5mm, đồng thời đối tượng cần cắt có độ dai lớn. Nói chung, máy băm phụ phẩm nông nghiệp khá phong phú, đa dạng về nguyên lý cắt, năng suất cắt, kiểu dáng, kích thước. Với mục tiêu lựa chọn một mẫu máy phù hợp cho mục đích thí nghiệm của đề tài, dưới đây trình bày một số thông tin tổng quan về các máy băm thương mại và các máy móc, thiết bị thí nghiệm phục vụ nghiên cứu. 1.5.1. Máy băm dạng trống Nguyên lý của máy băm dạng trống phối hợp cả nguyên lý cắt kéo và cắt va đập, được mô tả trên Hình 1.4 [82]. Các dao băm được bố trí trên đường sinh của trống quay hình trụ. Nguyên liệu được đẩy vào vùng cắt và kẹp giữ nhờ một hay nhiều cặp con lăn dẫn. Chiều dài các đoạn băm được điều chỉnh nhờ thay đổi tỷ lệ tốc độ quay của trống và tốc độ đẩy phôi liệu. Hình 1.4. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng trống: 1, 2) cặp lô cuốn, 3) dao băm (cong, hoặc thẳng), 4) dao kê
19 Ưu điểm của máy băm dạng trống là dễ điều chỉnh khe hở giữa dao băm và dao kê được điều chỉnh bằng cách di chuyển dao kê. Nhược điểm chính là yêu cầu độ chính xác cao khi chế tạo, lắp ráp dao và trống quay. 1.5.2. Máy băm dạng đĩa Nguyên lý máy băm dạng đĩa được mô tả trên Hình 1.5 [82]. Máy cũng áp dụng cả hai nguyên tắc: cắt dạng kéo và cắt bằng dao quay. Trên Hình 1.5, bộ phận cấp liệu (1) có dạng băng tải, có tác dụng cuốn và nén ép nguyên liệu trước khi đưa vào cắt. Bộ phận băm gồm hai lưỡi dao (5) lắp trên đĩa (6). Dao kê (3) lắp vào họng thái, có thể điều chỉnh khoảng cách với dao băm. 5 6 4 3 2 7 1 Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng đĩa: 1) Băng tải cấp liệu, 2) Trục cuốn, 3) Dao kê, 4) Động cơ, 5, 6) Bộ phận cắt thái, 7) Bộ phận truyền động Máy có thể băm nguyên liệu khô hoặc ướt như: rơm, lúa mì, ngô, cỏ khô Chiều dài đoạn cắt có thể điều chỉnh, dài từ 10  50mm. Khe hở giữa dao băm và dao kê dao động trong khoảng 0,5  1,5mm. Ưu điểm chính là máy có kết
20 cấu đơn giản. Dao và đĩa quay dễ chế tạo và lắp ráp hơn so với máy băm dạng trống [18]. 1.5.3. Máy băm dùng dao răng Nguyên lý cắt dùng dao răng được mô tả trên Hình 1.6 [54]. Dao băm và dao kê đan xen nhau theo kiểu răng lược. Mô hình băm kiểu này rất phù hợp với các vật liệu thớ, sợi mềm. Ưu điểm của nguyên lý băm này là nhát cắt ngọt do khe hở giữa dao băm di động và dao kê cố định rất nhỏ, gần sát với nhau. Nguyên lý này đã được ứng dụng trong máy gặt đập liên hợp hoặc máy cắt gốc rạ. Hình 1.6. Cấu tạo nguyên lý bộ phận băm loại dao răng Nhận xét chung về các dạng máy: Máy băm dạng trống thường được sử dụng với các doanh nghiệp chế biến lớn, yêu cầu năng suất cao, tiềm lực đầu tư lớn. Máy băm dạng đĩa do không yêu cầu cao về độ chính xác chế tạo, lắp ráp nên phổ biến ở những cỡ máy vừa và nhỏ. Các máy băm thương mại sử dụng 2 hoặc 3 dao có lưỡi cắt thẳng. Máy băm dùng dao răng thường sử dụng để băm các vật liệu sơ sợi mềm như rơm rạ, ít dùng cho các loại thân cứng như ngô. Do vậy, đề tài dự kiến lựa chọn máy băm dạng đĩa quay để triển khai nghiên cứu thực nghiệm.
21 1.6. Nghiên cứu thực nghiệm Đã có khá nhiều đề tài trong nước nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy băm phụ phẩm nông nghiệp [14]. Nhiều công bố khoa học về thiết kế thiết bị băm đã được thực hiện trên các loại máy khác nhau, chẳng hạn thiết kế máy thu hoạch kết hợp băm một số phụ nông nghiệp [4, 17], băm rơm [19], băm thân cây chuối, băm lá dứa [9], cắt sơ sợi từ quả dừa [13]. Mục tiêu và sản phẩm của các đề tài này là các thiết kế và/hoặc chế tạo thử nghiệm thiết bị băm đáp ứng các tiêu chí về độ bền, năng suất. Bài toán giảm lực cắt hoặc/và giảm năng lượng tiêu hao chưa thấy được đề cập và giải quyết rõ ràng. Trong các công bố quốc tế, nghiên cứu thực nghiệm có thể tiến hành trong phòng thí nghiệm (Laboratory experiements) hoặc thực hiện trực tiếp trên các máy thực trên đồng ruộng (Field experiments). Có ba dạng thí nghiệm đánh giá lực và năng lượng băm cắt phụ phẩm nông nghiệp, bao gồm: thí nghiệm bán tĩnh, thí nghiệm cắt va đập, thí nghiệm cắt có dao kê. Một điểm tồn tại khi phân tích tổng quan các nghiên cứu về băm cắt phụ phẩm là tên gọi các góc tương quan giữa dao và cây nguyên liệu là không thống nhất giữa các nghiên cứu. Do vậy, để thuận tiện cho việc phân tích đánh giá, trước hết một quy ước gọi tên các góc tương quan sẽ được đề xuất. Tiếp đó, các dạng thí nghiệm và thiết bị thường dùng trong các nghiên cứu trước sẽ được giới thiệu và đánh giá. 1.6.1. Quy ước thông số góc Nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các góc tương quan giữa lưỡi cắt, hướng thân cây đến lực và năng lượng tiêu thụ khi cắt. Theo quy ước gọi tên được sử dụng trong các công bố quốc tế về cắt, băm phụ phẩm nông nghiệp, có hai thông số góc tương quan thường được quan tâm là góc xiên (Oblique angle) [32, 70], và góc nghiêng (Tilt angle) [70], được mô tả theo quy ước như trên Hình 1.7.
22 (a) (b) Hình 1.7. Quy ước thông số góc (a) Mô tả quy ước góc xiên, (b) Góc xiên và góc nghiêng Theo đó, góc “Oblique” là góc hợp bởi đường thẳng vuông góc của trục thân cây với lưỡi dao (dao thẳng) hoặc với đường tiếp tuyến của lưỡi dao (dao cong). Góc này đo trong mặt phẳng chứa đường lưỡi dao và véc tơ vận tốc cắt (Hình 1.7). Góc “Tilt” là góc hợp thành giữa đường trục thân cây và đường thẳng vuông góc với lưỡi dao. Góc này đo trong mặt phẳng vuông góc với véc tơ vận tốc cắt (Hình 1.7b). Trong một số nghiên cứu khác, góc “Oblique” còn được gọi là “Approach angle” (Góc tiếp dao); góc “Tilt” được gọi là “shear angle” (Góc cắt trượt) [50]. Để thống nhất thuật ngữ, trong luận án này, thống nhất sử dụng thuật ngữ “góc tiếp dao” để chỉ góc hợp bởi đường thẳng vuông góc của trục thân cây với lưỡi dao (dao thẳng), đo trong mặt phẳng chưa véc-tơ vận tốc cắt. Thuật ngữ “góc nghiêng cây”, được dịch từ “tilt angle”, sẽ được dùng để chỉ góc nghiêng giữa trục cây nguyên liệu với đường thẳng vuông góc với lưỡi dao, góc được đo trong mặt phẳng vuông góc với véc-tơ vận tốc cắt. 1.6.2. Thí nghiệm cắt bán tĩnh Thí nghiệm cắt bán tĩnh (Quasi static experiments) là thí nghiệm mà quá trình cắt phụ phẩm được diễn ra rất chậm, thường vận tốc cắt nhỏ hơn 0,03m/s [80]. Nhiều nghiên cứu sử dụng máy thí nghiệm dạng Warnere-Bratzler, một mẫu thiết bị thí nghiệm trong chế biến thực phẩm [83, 98, 57], có nguyên lý
23 tương tự máy kéo nén, thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm cơ học vật liệu. Mô hình thiết bị thí nghiệm dạng này được trình bày trên Hình 1.8. Trong sơ đồ thí nghiệm này, một dao băm thường có dạng hai lưỡi cắt tạo thành hình chữ V được sử dụng để tạo ứng suất cắt thân cây. Thân cây thí nghiệm được đặt giữa hai lưỡi cắt. Lực cắt được đánh giá bằng lực cần thiết để đẩy dao cắt qua thân cây, được đo bằng cảm biến lực. (a) (b) Hình 1.8. Thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén: a) mô hình thiết bị, b) dao cắt Góc tiếp dao có thể thay đổi bằng cách chế tạo nhiều dao có góc chữ V khác nhau. Nhận thấy mô hình thí nghiệm dạng này nói chung chỉ cho phép đo lực cần thiết để cắt đứt mẫu ở tốc độ thấp. Rất khó để thử nghiệm với tốc độ cắt cao. Góc nghiêng cây cũng có thể thiết lập ở các mức khác nhau như mô tả trên Hình 1.9 [58].
24 Hình 1.9. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây Nhận xét về thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén: Thiết bị cho phép thu thập dữ liệu lực cắt và thay đổi góc nghiêng cây. Khả năng thay đổi góc tiếp dao khá khó khăn, được thực hiện bằng cách đổi dao phù hợp, do mỗi dao chỉ có một góc độ định trước. Ngoài ra, khả năng thực hiện các thí nghiệm cắt tốc độ cao cũng gặp khó khăn do kết cấu không phù hợp của thiết bị đo kéo nén (bán tĩnh). 1.6.3. Thí nghiệm cắt va đập Thí nghiệm cắt va đập thường sử dụng dao có chuyển động với vận tốc cao (khoảng trên 10m/s), va đập và cắt đứt cây nguyên liệu. Mô hình cắt dạng này thường áp dụng cho các máy thu hoạch, có chức năng cắt cây đang mọc trên mặt đất. Dao cắt chuyển động trong mặt phẳng song song hoặc hợp với mặt đất một góc xác định. Có hai dạng thiết bị dùng trong các thí nghiệm cắt va đập: thiết bị con lắc va đập (Impact pendulum) và thiết bị đĩa dao quay (Flying wheel). Nhiều nghiên cứu đã sử dụng mô hình dựa theo nguyên lý con lắc va chạm (Impact pendulum). Ảnh hưởng của độ ẩm thân cây, loại dao, và góc cắt đến năng lượng tiêu hao khi cắt lúa nước [24], ngô [27], đậu triều [44], cây cải dầu [28]. Các nghiên cứu này được công bố từ 2007 đến 2016. Hình 1.10 mô tả một trong số các nghiên cứu nói trên [27]. Trên hình là sơ đồ, ảnh chụp thiết bị thí nghiệm khi cắt (thu hoạch) cây ngô trên ruộng của Azadbakht và cộng sự, công bố năm 2014 [27]. Trên Hình 1.10a lưỡi dao được gắn trên đầu mút của
25 con lắc. Thí nghiệm được bắt đầu bằng cách kéo dao lên vị trí cao nhất (tạo thành góc α1 so với phương thẳng đứng), lúc này năng lượng tích trữ trong hệ chính là thế năng của dao. Khi thả tự do, dao rơi xuống theo cung cong, thế năng chuyển thành động năng giúp dao cắt qua thân cây. Phần năng lượng còn dư sau khi cắt qua cây lại chuyển thành động năng, đẩy dao chuyển động đến vị trí ứng với góc α2. Năng lượng tiêu thụ khi cắt được tính bằng hiệu số giữa năng lượng tích trữ ban đầu và năng lượng còn dư. (a) (b) Hình 1.10. Sơ đồ thí nghiệm (a), thiết bị thực (b) khi cắt cây ngô trên ruộng Nhận xét về thiết bị thí nghiệm theo nguyên tắc con lắc va chạm: thiết bị chỉ có thể đánh giá mức tiêu hao năng lượng khi cắt, phù hợp cho nghiên cứu cắt cây đang mọc (thân có một đầu cố định trong đất) nhưng không phù hợp cho băm (hai đầu bó nguyên liệu đều tự do). Thiết bị dạng này không cho phép đo lực sinh ra trong quá trình cắt. Cũng rất khó điều chỉnh tốc độ cắt để thí nghiệm ảnh hưởng của thông số này. Trong một số nghiên cứu khác, các tác giả hoặc sử dụng thiết bị tự tạo, hoặc gắn cảm biến đo trực tiếp trên máy thu hoạch thực, hoạt động trên đồng ruộng. Mô hình thí nghiệm của các nghiên cứu này được mô tả trên Hình 1.11.
26 (a) (b) (c) Hình 1.11.Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng góc tiếp dao và vận tốc cắt: (a) dao thí nghiệm, (b) gá dao và (c) máy thí nghiệm Nhận xét về thiết bị thí nghiệm cắt va đập: với góc nghiêng cây khác không, máy cần bố trí trục dao nghiêng so với phương thẳng đứng. Do cắt cây đang trồng trên mặt đất, mặt phẳng quay của dao sẽ hợp với mặt đất đúng bằng góc nghiêng cây. Cách bố trí này (dao nghiêng so với mặt phẳng cắt) hầu như không tìm thấy trên các máy băm, mà chỉ được dùng trên các máy thu hoạch, máy cắt cỏ dùng dao quay là là mặt đất (trục quay coi như thẳng đứng). Thí nghiệm thường được thực hiện trực tiếp trên đồng ruộng. Nếu thực hiện trong phòng thí nghiệm, thân cây thường được kẹp thẳng đứng, cố định một đầu (dạng công-xôn), mô phỏng như đang trồng trên ruộng. 1.6.4. Thí nghiệm cắt có dao kê Mô hình cắt có dao kê (Counter Edge - CE) thường áp dụng trong các máy băm, khai thác đồng thời cả hiệu ứng cắt kéo và cắt va đập. Nói chung, vận tốc cắt khi có dao kê không yêu cầu cao như khi cắt va đập, thường lớn hơn 0,5 m/s [82]. Do có dao kê cản trở biến dạng uốn của thân cây, nên quá trình cắt diễn ra dễ dàng hơn.
27 ` 1. Cảm biến lực 2. Động cơ thủy lực (a) (b) Hình 1.12. a) Thí nghiệm dùng kéo cắt cành cây, b) dùng kéo rút Kết quả tổng quan tài liệu cho thấy, không có nhiều nghiên cứu thực hiện thí nghiệm trên mô hình dạng cắt có dao kê có vận tốc cắt trung bình. Hầu hết các thí nghiệm mô hình cắt có dao kê đều được triển khai theo kiểu cắt bán tĩnh, tức là có dao kê nhưng vận tốc cắt rất thấp, thực hiện trên máy kéo nén. Một vài nghiên cứu dùng kéo cắt cành cây (Hình 1.12a [57]) hoặc dạng kéo rút (Hình 1.12b [63]), cũng thí nghiệm với vận tốc rất thấp so với vận tốc cắt trên các máy băm thông thường. 1.7. Một số kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ Hiệu quả của quá trình cắt thường được đánh giá thông qua trị số lực cắt và/hoặc năng lượng tiêu thụ trên một đơn vị khối lượng cây nguyên liệu [71]. Để giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng, một trong những giải pháp được cho là hiệu quả nhất chính là tính toán lựa chọn các thông số cắt hợp lý nhằm giảm lực cắt [24, 27, 57]. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm phát triển thiết kế, kết cấu các máy thu hoạch và băm thái liên hợp để thu hoạch phụ phẩm nông nghiệp từ ngô
28 và các loại cây khác [20, 35, 51, 56, 67, 77, 86, 90, 104, 106]. Trong nghiên cứu này, nguyên lý băm được áp dụng và thử nghiệm cho các máy kiểu công nghiệp để băm nhiều loại cây nông nghiệp khác nhau như ngô, lúa, hoa hướng dương, cỏ ngọt, mía, đay Nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu hao khi thu hoạch cây nông nghiệp. Chẳng hạn, nghiên cứu thu hoạch cỏ chè vè (Miscanthus sinensis) [79], về cỏ voi (Miscanthus Giganteus) [83], cây điền thanh (Kenaf) [85], thu hoạch mía [84] Theo Mathanker và cộng sự [78], năng lượng tiêu thụ khi cắt thu hoạch cây mía được xác nhận là tỷ lệ nghịch với góc tiếp dao và góc nghiêng cây. Cặp góc tiếp dao 35° và góc nghiêng cây 27° được xác định là tối ưu với dao quay trên máy thu hoạch mía. Các nghiên cứu đều cho thấy tốc độ cắt có ảnh hưởng mạnh đến mô men và công suất cắt. Tốc độ cắt tỷ lệ thuận với tiêu thụ năng lượng riêng, còn mô men cắt tỷ lệ nghịch với độ ẩm thân cây nguyên liệu. Lực cắt giảm khi độ ẩm cây nguyên liệu tăng. Tiếp đó, góc tiếp dao và góc sắc dao cũng có ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt. Lực cắt nhỏ nhất khi góc nghiêng cây bằng 90°, tức là băm dọc thân cây. Lực cắt lớn nhất khi góc nghiêng cây bằng 0°, tức là băm vuông góc với thân cây. Ảnh hưởng đồng thời của góc tiếp dao và góc nghiêng cây đến năng lượng tiêu thụ đã được khảo sát trên nhiều loại cây nguyên liệu khác nhau [49, 53, 50]. Một nghiên cứu khá chuyên sâu về tiêu thụ năng lượng khi băm rơm rạ được thực hiện bởi Elfatih [21]. Kết quả cho thấy, khi tăng tốc độ của dao cắt từ 56,6 lên 70,7 m/s, năng lượng tiêu thụ sẽ giảm từ 9% đến 32,7%. Tương tự, nghiên cứu của Alireza và cộng sự năm (2016), [24] cũng đánh giá về tiêu thụ năng lượng riêng. Các tác giả đánh giá ảnh hưởng của giống lúa, tốc độ cắt và góc lưỡi cắt đến chi phí năng lượng riêng khi băm. Nghiên cứu được triển khai
29 bằng thực nghiệm đơn yếu tố. Góc cắt được khảo sát ở 3 giá trị: 25°; 30° và 35°; góc tiếp dao được thay đổi 4 cấp độ là 25°; 30°; 35°và 40°. Tốc độ cắt được khảo sát ở 3 giá trị là 1,5; 2 và 2,5 m/s. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi tăng tốc độ cắt từ 1,5 lên 2,5 m/s, năng lượng tiêu thụ tăng khoảng 77%. Hình 1.13 trình bày một kết quả thống kê các nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc cắt đến năng lượng tiêu thụ khi cắt bằng các phương pháp khác nhau cho một số loại cây khác nhau [80]. Trên hình vẽ, ký hiệu QS= Quasi Static (cắt bán tĩnh), CE=Counter Edge (cắt có dao kê) và I=Impact (cắt va đâp). Với thân cây ngô (Maize), mới chỉ tìm thấy các nghiên cứu thực nghiệm cắt bán tĩnh (QS) và cắt va đập (I), chưa thấy công bố về cắt có dao kê (CE). Hình 1.13. So sánh năng lượng tiêu thụ khi cắt một số cây nông nghiệp Đánh giá tiêu thụ năng lượng khi băm thân cây ngô bằng mô hình cắt có dao kê với tốc độ cắt trung bình, cho đến nay cũng chưa thấy được công bố.
30 Qua nghiên cứu tổng quan tài liệu, nhận thấy rằng mô hình cắt bán tĩnh (QS=Quasi-static) thường chỉ dùng khi làm thí nghiệm xác định các đặc tính cơ học của cây nông nghiệp. Mô hình cắt va đập không có tấm kê (ký hiệu chữ I=Impact) thường áp dụng cho các máy thu hoạch. Các máy băm thường áp dụng mô hình cắt có dao kê (CE=Counter Edge). Như trên Hình vẽ, chưa tìm thấy công bố nào nghiên cứu cắt cây ngô dùng mô hình cắt có dao kê (có vận tốc nhỏ hơn 60 m/s, theo phân loại của một số nghiên cứu). Như vậy, có thể coi đây là khoảng trống kiến thức để triển khai nghiên cứu. Phạm vi vận tốc khi cắt có tấm kê thường dùng là từ 1 đến 10 m/s như minh họa trên Hình 1.13. Dự kiến, vận tốc cắt thực nghiệm trong nghiên cứu cũng sẽ chọn trong vùng này. Một xu hướng hiện cũng thu hút nhiều quan tâm là nghiên cứu phỏng sinh học. Các nhà khoa học nhận thấy nhiều loài động vật có khả năng cắt đứt rất ngọt thân, lá cây. (a) (b) (c) Hình 1.14. Răng con xén tóc (a), biên dạng dao mô phỏng (b) và kết quả lát cắt thử bằng dao truyền thống (c, hình trên) và dao mô phỏng (c, hình dưới) Nghiên cứu thiết kế, chế tạo dao có biên dạng mô phỏng theo răng của động vật mẫu, chẳng hạn bọ ngựa, sâu ăn thân ngô, châu chấu, xén tóc [64, 65,
31 71, 72, 100], là một giải pháp thiết bị mới và hấp dẫn. Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn và thực nghiệm đều cho thấy nhiều lợi ích về giảm lực cắt, công suất cắt tiêu thụ. Chẳng hạn, nghiên cứu thiết kế dao băm thân cây ngô và một số thân cây nông nghiệp khác của Tian và cộng sự được thực hiện năm 2017 [99] dựa theo mô phỏng lưỡi cắt của con xén tóc (Hình 1.14). Phương trình lưỡi cắt hiệu quả được mô tả dưới dạng một hàm đa thức bậc 4. Kết quả nghiên cứu cho thấy, dao cắt theo biên dạng mô phỏng sinh học có thể làm giảm lực cắt và năng lượng riêng khi cắt lần lượt là 12,89% và 10,73%. Nhận xét. Mặc dù cho thấy hiệu quả về giảm năng lượng và chất lượng lát cắt, tuy nhiên biên dạng lưỡi dao được mô phỏng khá phức tạp, chưa thực sự thuận tiện cho chế tạo. Giá thành chế tạo một lưỡi dao có biên dạng lưỡi cắt như Hình 1.14 sẽ cao hơn nhiều so với một dao dạng thanh, lưỡi cắt thẳng như đang lắp trên các máy băm cắt đang bán trên thị trường. Có lẽ đây cũng là một lý do chính dẫn tới các dao trên máy băm thương mại hiện nay chủ yếu vẫn dùng biên dạng thẳng hoặc cung tròn. Dù vậy, mô phỏng sinh học cũng là một hướng nghiên cứu hấp dẫn đáng quan tâm trong tương lai. Kết luận chƣơng 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.
32 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.
33 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH BĂM PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP Nội dung chương này trình bày những lý thuyết cơ bản của quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp, được sử dụng làm cơ sở cho vấn đề nghiên cứu của đề tài. Phụ phẩm nông nghiệp có cấu trúc dị hướng có dạng sợi, do vậy quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp có nhiều đặc điểm khác với cắt gọt các vật liệu đồng hướng như kim loại, hợp kim. 2.1. Nguyên lý băm Băm phụ phẩm nông nghiệp được thực hiện bằng cách tạo chuyển động tương đối giữa lưỡi cắt của dao với cây nguyên liệu. Lưỡi cắt của dao được hợp thành bởi hai mặt phẳng tạo thành lưỡi dao. Chuyển động tương đối của dao với cây nguyên liệu (Hình 2.1), được gọi là chuyển động cắt, có thể được hình thành theo phương P vuông góc với lưỡi dao (hướng pháp tuyến), hoặc vừa theo hướng pháp tuyến P, vừa theo hướng tiếp tuyến Q, từ đó tạo thành hướng cắt nghiêng . Hình 2.1. Sơ đồ tạo chuyển động cắt: 1) Lưỡi dao, 2) Cây nguyên liệu Theo Gơriatskin [14], tạo chuyển động cắt theo hướng nghiêng sẽ giảm được đáng kể lực băm cần thiết so với băm theo hướng pháp tuyến. Hình 2.2 mô tả sơ đồ thí nghiệm của nghiên cứu đã được thực hiện. Trên hình vẽ, một chiếc
34 cân đĩa được đặt ở trạng thái cân bằng. Trên đĩa A lần lượt để các quả cân có khối lượng khác nhau, trên đĩa kia thay bằng lưỡi dao B, lưỡi dao lắp hướng lên trên tỳ vào mẫu thân cây cần cắt C. Thân cây C được kẹp bằng má kẹp D, có thể di chuyển D cùng với cây nguyên liệu bằng tay kéo E dọc cạnh sắc lưỡi dao với lượng dịch chuyển S (mm). Hình 2.2. mô tả quan hệ giữa lực cắt (chính là khối lượng N của các quả cân đặt lên A) với lượng dịch chuyển trượt S tương ứng. (a) (b) Hình 2.2. Mô hình thí nghiệm của Gơriatskin (a), kết quả quan hệ của lực cắt N với lượng trượt S (b) Quan hệ nói trên có thể được biểu diễn qua biểu thức sau [18]: SA= .e- N hoặc NSC3 = te (2.1) Đồ thị trên Hình 2.2b cho thấy, lực cắt khi có chuyển động trượt (ứng với giá trị S lớn) nhỏ hơn nhiều so với khi không có trượt (ứng với giá trị S nhỏ). Điều này được giải thích bằng một số cơ sở vật lý của quá trình cắt bằng lưỡi dao như sau: Lưỡi dao khi soi qua kính hiển vi có dạng răng cưa. Do đó, khi lưỡi dao di chuyển theo hướng tiếp tuyến, nghĩa là khi có trượt thì lưỡi dao đã phát huy tác dụng “cưa đứt” cây nguyên liệu. Nếu lưỡi dao chỉ cắt theo hướng pháp tuyến, nghĩa là khi chuyển động cắt chỉ thực hiện theo phương vuông góc với thân cây nguyên liệu, sẽ xảy ra quá trình băm cắt bằng chêm. Khi này lực băm phải lớn
35 hơn ứng suất cắt phá hủy (ứng suất giới hạn) của cây nguyên liệu cần băm cắt. Khi băm cắt có trượt thì một phần lực sẽ tiêu hao cho công cắt theo nguyên lý cưa. Với cây nguyên liệu có kết cấu dạng sợi dọc thân cây, chẳng hạn như thân cây ngô, rơm rạ và một số loại cây có thớ dọc khác, thành phần lực tiêu tốn để cắt đứt sợi theo nguyên lý “cưa” sẽ nhỏ hơn nhiều so với lực cần thiết để cắt ngang sợi [18]. 2.2. Cơ sở động lực học quá trình băm Động lực học là một nhánh của cơ học, nghiên cứu về tương tác giữa lực tác dụng và chuyển động. Động lực học quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp đã được quan tâm từ rất sớm. Dưới đây tóm tắt một số cơ sở lý thuyết cơ bản về quá trình băm cây nguyên liệu, được tham khảo từ [18]. Hình 2.3 phân tích chuyển động tương đối của một dao băm (1) khi quay quanh tâm O so với cây nguyên liệu (2). Như có thể thấy trên hình vẽ, tại điểm tiếp xúc giữa dao và cây nguyên liệu, vận tốc chuyển động V của lưỡi dao có phương vuông góc với bán kính quay. Vận tốc này có thể phân tích thành 2 thành phần: Thành phần vận tốc pháp tuyến Vn vuông góc với lưỡi dao và thành phần vận tốc tiếp tuyến Vt vuông góc với Vn. 1 O 2 Hình 2.3. Vận tốc và các thành phần vận tốc tại điểm tiếp xúc dao-cây nguyên liệu: 1) Dao băm, 2) cây nguyên liệu
36 Nhận xét. Thành phần vận tốc pháp tuyến Vn là vận tốc của dao băm cắt sâu vào cây nguyên liệu, còn thành phần vận tốc tiếp tuyến Vt gây nên chuyển động trượt giữa lưỡi dao và thân cây nguyên liệu. Đặt hệ số trượt ε là tỷ số giữa trị số vận tốc Vt và Vn: V  t tg() (2. 2) Vn Góc  tính theo công thức trên được gọi là góc trượt. Như trình bày trong phần 2.1, khi =0, tức là khi dao tiến vuông góc với thân cây cần cắt, quá trình cắt hoàn toàn ở dạng “cắt băm” (Impact cutting), tức là không có hiện tượng trượt. Lực cắt sẽ giảm đáng kể khi cắt thái (Shear cutting), tức là khi >0. Với mục đích giảm thiểu năng lượng tiêu tốn cho quá trình băm cắt, tiến hành xem xét một số yếu tố chính thuộc phạm vi dao băm cắt và cây nguyên liệu ảnh hưởng tới quá trình băm cắt như dưới đây. Giả sử dao tiếp xúc với cây nguyên liệu trên chiều dài ∆S, chịu lực tác dụng là N, thì lực phân bố được tính như sau: N q (N/cm) (2. 3) S Để cắt đứt được cây theo nguyên tắc chêm, lực phân bố tối thiểu phải lớn hơn lực tới hạn q0 của thân cây. Viện sĩ Gơriatskin đã thực nghiệm xác định giá trị lực đơn vị tới hạn ứng với góc trượt η = 0 của rơm rạ là q0 = 50100N/cm. Như vậy, muốn cắt đứt rơm rạ theo nguyên tắc cắt băm, cần tác dụng lực sao cho lực phân bố trên đoạn lưỡi dao tham gia cắt là q 50N/cm. Khi băm theo nguyên tắc cắt thái (có trượt) thì q thay đổi phụ thuộc vào góc η. Mối quan hệ giữa lực phân bố tới hạn qth với góc trượt η khi η thay đổi trong khoảng η [0 ÷ 70] có thể biểu diễn dưới dạng:
37 q=- q l ta (2. 4) th 0 ( ) trong đó: α là hệ số tính toán, tìm được bằng thực nghiệm. (Hình 2.4) mô tả quan hệ qth theo η đối với rơm rạ. Hình 2.4. Quan hệ lực cắt cần thiết phụ thuộc góc trượt Như trên Hình 2.4, khi góc trượt η càng lớn thì lực cắt đơn vị cần thiết càng nhỏ. Dựa theo quan hệ bố trí phương của dao như trên Hình 2.4, có thể lựa chọn góc trượt η sao cho lực cắt cần thiết nhỏ nhất. Đây là một trong những cơ sở lý thuyết quan trọng để tiến hành các nghiên cứu nhằm giảm năng lượng riêng khi băm cắt phụ phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng, góc η càng lớn thì thành phần lực đẩy ngang thân cây càng lớn, hiệu quả cắt càng thấp. Do vậy, cần giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu để giải quyết hài hòa các lợi ích nhằm giảm năng lượng tiêu thụ khi cắt. Bên cạnh đó, giá trị lực cắt tới hạn tìm được bằng thực nghiệm phụ thuộc nhiều yếu tố thực tế như: loại cây, độ ẩm tự nhiên của cây nguyên liệu khi băm (điều kiện khí hậu), mức độ sơ sợi của từng loại cây nguyên liệu cũng bị ảnh hưởng của môi trường, điều kiện phát triển, thổ nhưỡng. Do vậy, để có cơ sở tính toán thực tế, cần xây dựng các thí nghiệm thu thập dữ liệu lực băm cho cây nguyên liệu tại vùng miền cụ thể, hoặc trực tiếp nghiên cứu thực nghiệm tối ưu hóa cho từng loại máy trên từng loại cây.
38 Nghiên cứu sâu về sự giảm lực cắt khi có trượt, Viện sĩ Gơriatskin V.P đã chứng minh rằng lực băm cắt bắt đầu giảm nhiều đáng kể, không phải ứng với bất kì góc trượt η của dao có trị số tương đối nhỏ nào đó mà ứng với trị số góc trượt nhất định của dao thì hiện tượng trượt mới xảy ra [18]. Lực cắt sẽ giảm nhiều khi góc trượt η ≥ 30. Như vậy, cần thiết kế để bố trí phương lưỡi dao phù hợp nhằm phát huy tác dụng cắt có trượt, nhằm giảm thiểu lực cắt. Phát triển các lý luận nghiên cứu về băm cắt của Viện sĩ Gơriatskin V.P, Viện sĩ Giưđigopski V.A đã phân tích nội dung vật lý của vấn đề này như sau: Xét trường hợp dao thẳng AB quay quanh một tâm quay O như mô tả trên Hình 2.5. Khi dao bắt đầu tiếp xúc với cây nguyên liệu, tại điểm tiếp xúc M sẽ sinh ra phản lực pháp tuyến của cây nguyên liệu tác dụng trở lại lưỡi dao. Ở Hình 2.5a, cây nguyên liệu tác dụng vào lưỡi dao ở điểm Md với lực pháp tuyến N’, còn ở Hình 2.5b và Hình 2.5c thì lưỡi dao tác động vào cây nguyên liệu ở điểm Mr với a = N’ nhưng ngược chiều. Do phương chuyển động Md ở lưỡi dao (theo phương vận tốc v) không trùng với phương pháp tuyến (vì η ≠ 0), cho nên lực pháp tuyến N’ có thể phân tích thành hai thành phần: thành phần lực P’ theo phương chuyển động V và thành phần lực T’ theo phương lưỡi dao AB. Dễ thấy lực T’ có xu hướng làm cho điểm Md trượt xuống phía dưới. Khi đó sẽ xuất hiện lực ma sát F’ giữa lưỡi dao và cây nguyên liệu hướng lên phía trên cản lại hiện tượng trượt trên, với trị số F’ = T’. Cũng phân tích tương tự như vậy ở Hình 2.5b và Hình 2.5c thì lực pháp tuyến N do lưỡi dao tác động vào điểm Mr của cây nguyên liệu cũng có thể phân tích thành hai thành phần: thành phần lực P theo phương chuyển động và thành phần lực T theo phương của lưỡi dao AB. Ở đây, phía trên cũng xuất hiện lực ma sát giữa cây nguyên liệu và lưỡi dao (F cũng bằng F’) hướng xuống phía dưới cản lại hiện tượng trượt với trị số F = T.
39 Hình 2.5. Tương tác lực giữa lưỡi dao và cây nguyên liệu a) Các lực do cây nguyên liệu tác động vào dao, b) Các lực do dao tác động vào cây nguyên liệu khi  , c) Các lực do dao tác động vào cây nguyên liệu khi  Trên Hình 2.5, nhận thấy, nếu góc trượt càng lớn thì lực T (hay T’) càng tăng, đồng thời lực ma sát F (hay F’) cũng tăng theo, bằng T, khiến cho điểm Mr của cây nguyên liệu không thể trượt theo lưỡi dao được. Nghĩa là băm thái với góc trượt (η ≠ 0) nhưng 2 điểm Mr của cây nguyên liệu và Md của dao khi tiếp xúc với nhau nhưng vẫn không trượt đi được. Trái lại, trong quá trình cắt, điểm Md của dao vẫn bám chặt lấy điểm Mr của cây nguyên liệu mà nén xuống với lực tác động P cho đến khi băm đứt (lúc này ở Mr của cây nguyên liệu có 3 lực tác động là P, T và F nhưng F = T và ngược chiều nhau cho nên lực tổng hợp là P). Nhưng T tăng sẽ làm F tăng theo, F đạt tới trị số lực ma sát cực đại Fmax theo công thức: '' (2.5) Fmax F.tg N.f trong đó: ' là góc ma sát giữa dao băm cắt và cây nguyên liệu, f'' tg là hệ số ma sát.
40 Các nghiên cứu chỉ ra rằng, có thể xảy ra 3 trường hợp cắt như sau: - Trường hợp góc trượt η = 0, quá trình cắt là băm thuần túy (không trượt), chỉ có lực pháp tuyến, không có lực tiếp tuyến. - Trường hợp góc trượt  ' , quá trình cắt vẫn chưa có trượt. Nguyên nhân là dù đã xuất hiện lực tiếp tuyến nhưng lực tiếp tuyến này chưa thắng được lực ma sát nên chưa có trượt. - Trường hợp góc trượt  ' , quá trình cắt có trượt tương đối giữa dao và cây nguyên liệu do lực tiếp tuyến đủ lớn thắng được lực ma sát. Như vậy, điều kiện băm cắt để giảm lực tác dụng cần thiết là: góc trượt η phải có giá trị lớn hơn hay bằng góc cắt trượt ' . Góc ma sát giữa kim loại và thân cây ngô đã được xác định vào khoảng ' 25 0  30 0 [18]. Tuy nhiên trong trường hợp góc trượt  ' vẫn có lợi về lực băm cắt hơn so với trường hợp cắt băm thuần túy (η = 0). Điều này được giải thích như sau. Giả sử trong khi dao cắt ngập vào cây nguyên liệu, dao sẽ chịu lực cản băm cắt ζ (do ứng suất bền của cây nguyên liệu, do ma sát của mặt dao vời lát cắt), dao phải tác động một lực P c (Hình 2.6).
41 Hình 2.6. Tác dụng giảm lực băm cắt pháp tuyến Khi có góc η (η = 0), muốn băm cắt được thì trong lúc phương lực P thay đổi (lệch đi so với thành phần pháp tuyến N theo góc trượt η), đầu vectơ lực P phải di chuyển theo vòng tròn có bán kính bằng trị số tối thiểu Sc (tối thiểu P c ). Như vậy, khi η tăng dần tới η1 thì P tăng tới P1 và thành phần pháp tuyến N sẽ tương ứng là N1 và ta thấy NN 1 , nghĩa là lực băm pháp tuyến có giảm đi (nhỏ hơn trị số ban đầu N c khi η = 0). Cũng do phát huy được hiện tượng cắt trượt nên làm giảm lực băm, cho nên thực tế lực tổng hợp R do dao tác động vào cây nguyên liệu có trị số giảm dần khi góc trượt η càng lớn hơn góc cắt trượt ' . Trong nhiều trường hợp, khi thân cây nguyên liệu có độ cứng không lớn, cần sử dụng tấm kê để đỡ cây nguyên liệu (Hình 2.7). Hình 2.7. Sơ đồ băm cắt có dao kê: 1) dao băm, 2) dao kê
42 Hình 2.8 mô tả quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê. Góc kẹp χ hình thành giữa phương lưỡi dao băm và cạnh sắc dao kê. Hình 2.8. Quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê: 1) dao băm, 2) dao kê Sử dụng dao kê hình thành một yếu tố ảnh hưởng trong trường hợp băm kiểu “kéo cắt”, tương tự quá trình băm có thêm một cạnh sắc nữa (ở đây là cạnh sắc dao kê) cùng phối hợp kẹp và cắt cây nguyên liệu. Góc BAC hợp bởi cạnh sắc lưỡi dao cắt AB và cạnh sắc dao kê AC nói chung gọi là góc mở χ . Khi góc mở lớn, hai cạnh sắc không kẹp giữ yên được cây nguyên liệu mà có tác động đẩy nó ra, khó băm cắt được. Với một trị số góc mở nhỏ hơn đủ để hai cạnh sắc kẹp giữ yên được cây nguyên liệu để băm cắt được nó thì góc mở đó được gọi là góc kẹp χ. Giá trị góc kẹp χ phải được bảo đảm khi thiết kế bộ phận băm cắt có dao kê và là điều kiện để dao băm và dao kê kẹp được cây nguyên liệu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, điều kiện để giữ cây nguyên liệu giữa cạnh '' sắc lưỡi dao băm và cạnh sắc dao kê là góc kẹp  12 . Đối với dao gắn trên đĩa quay, nghiên cứu thu được các số liệu  4000  50 , dao trống  2400  30 [15]. ' ' Nếu một trong hai góc trượt (góc ma sát) 1 và 2 có trị số nhỏ nhất, gọi là min thì theo Viện sĩ Xablikov, điều kiện kẹp hoàn toàn là  min . '' ' Nếu 12 thì điều kiện kẹp là  2. .
43 '' '' Nếu 12  nghĩa là 2 12 2  2 , sẽ xảy ra hiện tượng vật băm cắt bị xoay tròn tại chỗ và quá trình băm cắt cũng rất khó thực hiện. Cũng cần chú ý '' rằng trong trường hợp  12 thì cây nguyên liệu bị đẩy ra phía ngoài, cho '' tới khi góc mở giảm xuống tới trị số góc kẹp  12 thì lại đảm bảo điều kiện kẹp. Trong quá trình dao cắt chuyển động qua thân cây nguyên liệu, cần tiêu tốn năng lượng nhằm thắng được lực ma sát sinh ra do áp lực cản của cây hoặc bó cây nguyên liệu tác động vào mặt bên của dao và thành phần ma sát do cây nguyên liệu dịch chuyển bị chèn ép tác động vào mặt vát của cạnh sắc lưỡi dao. Để giảm ma sát, cần lựa chọn kết cấu dao và cách thức bố trí dao cho phù hợp. Như mô tả trên Hình 2.9, góc trước β phải tính toán sao cho cây nguyên liệu khi được dao băm cắt xong, tiếp tục được cuốn vào sẽ không va chạm vào dao, tránh ma sát vô ích. Trên Hình 2.9, góc cắt α là góc hợp bởi giữa góc trước β và góc sắc ζ. Nghiên cứu của Viện sĩ Reznik N.E. năm 1975 [15] cho thấy, góc sắc ζ có ảnh hưởng trực tiếp đến lực cắt, được biểu diễn qua quan hệ sau. Nth P t c tg  (2. 6) Trong đó: C là hệ số tính toán; Nth là lực cắt tới hạn để cắt đứt cây nguyên liệu; Pt là lực cản băm cắt. Nhìn chung, góc sắc yêu cầu nhỏ nhưng phải tính đến độ bền của dao, cho nên với máy băm cắt cây nguyên liệu khi băm có dao kê, thường yêu cầu ζ = 250÷300 [18]. Hình 2.9. Các góc của dao và gá đặt dao
44 Về việc lựa chọn khe hở δ: Cây nguyên liệu càng mảnh thì càng nên chọn khe hở δ nhỏ, vì nếu không, lưỡi dao có thể bẻ gập cây nguyên liệu xuống lọt vào khe hở và kéo đứt nó, giảm chất lượng cắt. Nhưng δ cũng không thể chọn quá nhỏ, vì đĩa lắp dao (hay trống lắp dao) đều có độ dịch chuyển dọc trục cho phép và gối đỡ cũng có độ dịch chuyển dọc trục cho phép. Do vậy, nếu δ quá nhỏ có thể xảy ra hiện tượng dao băm va vào dao kê. Đối với máy băm cắt cây cây nguyên liệu nông nghiệp, δ thường lấy không quá 1mm [18]. Hình 2.10 mô tả khoảng khe hở δ tùy thuộc công suất băm cắt cây nguyên liệu. Hình 2.10. Vùng khuyến nghị chọn khe hở δ Vận tốc cắt cũng là một thông số có ảnh hưởng lớn đến lực và do đó, ảnh hưởng đến năng lượng tiêu thụ của quá trình băm cắt. 2.3. Bài toán tối ƣu đa mục tiêu Công suất tiêu thụ P khi cắt cây nguyên liệu có thể biểu diễn qua công thức: P Fv (W) (2.7) Trong đó, F là lực cắt (N), v là vận tốc cắt (m/s). Như đã trình bày trong chương 1, vận tốc cắt là một thông số có ảnh hưởng mạnh đến lực cắt. Qua công thức (2.7), nhận thấy nếu lực cắt nhỏ nhất lại xảy ra khi vận tốc cắt lớn, công suất cắt có thể không chắc chắn là nhỏ nhất. Nói cách khác, lực cắt và công suất cắt có thể là hai
45 hàm mục tiêu có lợi ích xung đột nhau. Bài toán tối ưu đa mục tiêu nhằm xác định bộ tham số sao cho thu được cả hai hàm mục tiêu cùng đạt chỉ tiêu mong muốn. Lực cắt nhỏ mang lại khả năng giảm kích thước, tiết kiệm vật liệu cho các chi tiết của máy cắt. Công suất tiêu thụ nhỏ giúp giảm thiểu năng lượng tiêu hao, góp phần giảm giá thành chế biến phụ phẩm. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu có thể giải quyết bằng nghiên cứu thực nghiệm với cơ sở lý thuyết được tóm tắt như dưới đây [12, 5]. Để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, cần chấp nhận một số “thỏa hiệp” cho những hàm mục tiêu có lợi ích xung đột. Chẳng hạn, nếu ưu tiên đạt mục tiêu công suất tiêu thụ là thấp nhất, có thể phải chấp thuận rằng, lực cắt không phải nhỏ nhất, mà chỉ nhỏ hơn một mức chấp nhận được nào đó. Người ta đưa ra khái niệm mức độ đạt được của hàm mục tiêu so với kỳ vọng. Mức độ này được lượng hóa thông qua các đại lượng hàm kỳ vọng (desirability function) và trọng số (weight). Trong bài toán tối ưu đa mục tiêu, hàm kỳ vọng chung (Overall desirability) được tổng hợp từ các hàm kỳ vọng của từng chỉ tiêu. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu có nhiệm vụ là tối đa hóa giá trị hàm kỳ vọng chung. Đại lượng mức quan trọng (Importance) được dùng để lượng hóa tầm quan trọng của từng mục tiêu so với mục tiêu tổng thể và từ đó, tính được giá trị hàm kỳ vọng chung. Gọi giá trị hàm kỳ vọng của chỉ tiêu thứ i là di, hệ số mức độ quan trọng của chỉ tiêu thứ i là ri, bài toán có tất cả n chỉ tiêu, thì giá trị hàm kỳ vọng tổng hợp chung D được tính theo công thức: (r1 r2 rn ) r1 r2 rn D d1 d2  dn (2.8) Bài toán tối ưu đa mục tiêu được mô tả dưới dạng:
46 D max (2.9) Hàm kỳ vọng (desirability function) dùng để đánh giá mức độ đạt được của một hàm mục tiêu so với giá trị mong muốn. Hàm kỳ vọng của một chỉ tiêu nhận giá trị từ 0 đến 1. Về bản chất, giá trị của hàm kỳ vọng chính là giá trị chuyển đổi của hàm chỉ tiêu sang dạng thức phù hợp để tính toán. Với bài toán tối thiểu hóa, hàm kỳ vọng di của một mục tiêu thứ i được biểu diễn như sau: 1 khi yi Ti wi U y i i di khiTi yi Ui (2.10) Ui Ti 0 khi y U i i Trong đó, Ui là mức giới hạn trên của vùng chấp thuận được khi tối thiểu hóa, Ti là ngưỡng chấp nhận thứ i. Hình 2.11 mô tả sơ đồ hàm kỳ vọng cho một bài toán tối thiểu hóa có w =1. Hình 2.11. Sơ đồ hàm kỳ vọng cho bài toán tối thiểu hóa Khi muốn nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hàm mục tiêu gần với đích mong muốn, chọn trọng số lớn hơn 1. Khi trọng số nhỏ hơn 1, có nghĩa nới rộng mức độ chấp thuận hơn khi hàm mục tiêu ở xa đích mong muốn. Giá trị trọng số trong tính toán tối ưu được lấy trong khoảng từ 0,1 đến 10.
47 Bài toán tối ưu hóa có nhiệm vụ tối đa hóa giá trị hàm kỳ vọng chung. Trong tính toán tối ưu, thuật ngữ Importance (tầm quan trọng) dùng để chỉ hệ số dùng để phản ánh mức độ quan trọng của từng chỉ tiêu trong một bài toán đa mục tiêu. Muốn ưu tiên một chỉ tiêu nào đó cao hơn các chỉ tiêu khác, cần gán cho nó hệ số mức độ quan trọng lớn hơn các hệ số mức độ quan trọng của các chỉ tiêu kia. Hệ số mức độ quan trọng được lấy trong khoảng từ 0,1 đến 10. Nội dung các bước thiết kế và xử lý số liệu thí nghiệm cho bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu sẽ được trình bày trong chương tiếp theo. Kết luận chƣơng Chương 2 đã trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết và các nguyên lý 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); mô hình thực nghiệm máy băm (cắt) đảm bảo yêu cầu đặt ra trong quá trình cắt.
48 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.
49 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1. Giới thiệu Chương này trình bày cách thức thiết kế, chế tạo, vận hành, đánh giá hệ thống thiết bị thí nghiệm phục vụ nghiên cứu động lực học quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp. Yêu cầu, lựa chọn và cách thức kết nối thiết bị đo cũng được mô tả chi tiết. Nội dung chương gồm các phần chính dưới đây: 1. Các yêu cầu cụ thể của hệ thống thiết bị thí nghiệm và tiến trình thiết kế hệ thống này; 2. Cách thức và kết quả lựa chọn các thiết bị đo; 3. Báo cáo kết quả lắp ráp, vận hành thử hệ thống thiết bị; 4. Kế hoạch thí nghiệm khảo sát 3 biến 2 mức toàn phần dạng 2k được triển khai thử nghiệm để đánh giá khả năng cung cấp số liệu của hệ thống cho bài toán quy hoạch thực nghiệm; * Kết luận chương. 3.2. Thiết kế hệ thống thí nghiệm 3.2.1. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm Yêu cầu chung của một thiết bị thí nghiệm bao gồm: khả năng dễ dàng điều khiển các thông số đầu vào; cho phép thu thập chính xác và thuận tiện các thông số đầu ra, phản ánh sát thực với quá trình làm việc thực tế của các máy thương mại tương tự. Với bài toán khảo sát động lực học nhằm tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong quá trình băm cắt thân cây ngô, các yêu cầu đặt ra là: Cho phép thay đổi các góc tương quan giữa thân cây và dao cắt; Cho phép điều chỉnh vô cấp vận tốc cắt;
50 Có chức năng thu thập dữ liệu về lực cắt, mô men cắt, năng lượng cắt cần thiết. Các thông số vào-ra phục vụ bài toán nghiên cứu thực nghiệm động lực học quá trình băm cắt thân cây ngô được mô tả như sơ đồ trên Hình 3.1. Thông số đầu vào Thông số đầu ra - Vị trí tương đối - Lực cắt Thí nghiệm cắt dao-cây nguyên - Công suất cắt liệu - Vận tốc cắt Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện Như trình bày trên Hình 3.1, hệ thống thiết bị cần có khả năng thay đổi hai bộ thông số đầu vào theo các mức giá trị định trước. Kết quả tổng quan các nghiên cứu trước (đã được trình bày trong Chương 1) cho thấy, các thông số có ảnh hưởng đáng kể đến lực và năng lượng tiêu thụ khi băm cây ngô và phụ phẩm nông nghiệp thường là: Độ ẩm cây nguyên liệu; Vị trí tương đối của dao so với cây, thường được xác định qua hai thông số góc: o Góc xiên/ góc tiếp dao; o Góc nghiêng/ góc cắt trượt; - Vận tốc cắt. Trong các thí nghiệm, độ ẩm cây nguyên liệu thường được coi là điều kiện ban đầu của lô cây nguyên liệu, ít khi được coi là biến điều khiển trực tiếp khi thực hiện thí nghiệm. Có thể tiến hành nhiều bộ thí nghiệm cho các lô nguyên liệu có độ ẩm khác nhau để xác định quan hệ vào-ra cho cấp độ ẩm được xét.
51 Để mô tả rõ hơn vị trí tương đối giữa dao băm và cây nguyên liệu, đặt các đối tượng trong các góc chiếu của một hệ tọa độ 3 chiều như trên Hình 3.2. (a) (b) (c) 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 1) Dao băm, 2) Dao kê, 3) Cây nguyên liệu Trên hình vẽ, chuyển động cắt của dao băm (1) được mô tả bằng mũi tên véc tơ vận tốc cắt, có chiều từ trên xuống; cây nguyên liệu (3) nằm giữa dao băm (1) và dao kê (2). Trong hệ tọa độ OXYZ, mặt phẳng XOY có thể được xem như hình chiếu từ trước nhìn vào mặt phẳng chứa chuyển động của dao; XOZ là hình chiếu bằng, nhìn từ trên xuống; còn YOZ là hình chiếu cạnh, nhìn từ một cạnh bên. Sử dụng mô tả trên Hình 3.2, có thể định nghĩa các tham số xác định vị trí tương đối dao-cây nguyên liệu như dưới đây. Mặt phẳng cắt và góc tiếp dao: Gọi XOY (Hình 3.2a) là mặt phẳng cắt; mặt phẳng này chứa véc tơ vận tốc cắt, song song với mặt phẳng chứa lưỡi dao băm và dao kê. Góc tiếp dao α nằm trong mặt phẳng cắt, hợp bởi các đường thẳng tiếp tuyến với lưỡi dao băm và lưỡi dao kê tại điểm tiếp xúc với thân cây nguyên liệu. Trong trường hợp dao có lưỡi thẳng như hình vẽ, góc α chính là góc kẹp trong sơ đồ chêm giữ cây nguyên liệu. Trong các công bố quốc tế, góc α được
52 gọi là góc xiên (Oblique angle) hoặc góc tiếp cận của dao (Approach angle). Trong luận án này, thống nhất gọi α là góc tiếp dao. Góc nghiêng dao so với cây: Trên Hình 3.2b mô tả hình chiếu bằng (XOZ) của hệ thống. Khe hở giữa dao kê và dao băm được ký hiệu là δ. Góc θ hợp bởi phương đường trục thân cây và phương các lưỡi cắt, chính là góc nghiêng dao so với cây (Tilt angle) hay góc cắt (Shear angle) trong nhiều công bố quốc tế. Như trình bày trong phần 1.6 của Chương 1, việc thay đổi góc nghiêng này chỉ phù hợp với dao quay trên các máy thu hoạch, nơi các cây đang mọc thẳng đứng trên mặt đất. Trong các máy băm, các cây nguyên liệu thường được cấp chạy vào vùng cắt theo phương vuông góc với mặt phẳng cắt XOY. Do vậy, nghiên cứu trong luận án này giữ cố định góc nghiêng dao so với cây θ = 90°. Góc nghiêng cây: Trên Hình 3.2c, góc  hợp bởi phương đường trục của thân cây với mặt phẳng vuông góc với véc tơ vận tốc cắt được gọi là góc nghiêng cây. Trên các máy băm dùng dao quay dạng đĩa, góc này thường được thiết lập với các giá trị 5-45 độ. Tuy nhiên, khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng cây đến lực cắt hầu như chưa được tìm thấy trong các công bố quốc tế. Do vậy, nghiên cứu này lựa chọn góc nghiêng cây là một biến thí nghiệm để khảo sát. Việc thay đổi vận tốc cắt có thể thực hiện khá dễ dàng nếu dùng thiết bị cắt băm có dao quay. Bằng cách thay đổi vô cấp tốc độ quay của động cơ điện dẫn động trục dao, có thể điều chỉnh để nhận được giá trị vận tốc cắt theo yêu cầu. Như vậy, bài toán nghiên cứu thực nghiệm động lực học máy băm phụ phẩm nông nghiệp được xác định với các thông số vào-ra như sau: - Thông số đầu vào: o Vận tốc cắt; o Góc tiếp dao;
53 o Góc nghiêng cây; o Khe hở giữa dao kê và dao băm; - Thông số đầu ra: o Lực cắt; o Công suất cắt. Hệ thống thiết bị sẽ được thiết kế, lắp đặt đáp ứng các yêu cầu thay đổi theo chủ đích các thông số vào và tính toán, xác định các thông số ra. 3.2.2. Thiết kế kết cấu Mô hình máy băm dạng dao gắn trên đĩa quay được lựa chọn vì những ưu điểm sau: - Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, lắp ráp, giá thành thấp; - Phù hợp với sản lượng nhỏ và vừa, có thể sử dụng cho hộ gia đình, trang trại nhỏ; - Có thể băm nhiều loại phụ phẩm nông nghiệp khác nhau. Kết cấu chung của một máy băm dùng dao quay dạng đĩa được mô tả trên Hình 3.3a. Từ kết cấu này, sơ đồ thiết bị thí nghiệm cho nghiên cứu động lực học máy băm dùng dao quay dạng đĩa được đề xuất như trên Hình 3.3ab.
54 (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 dao phẳng, 5) Khớp nối, 6) Cảm biến mô men, 7) Cảm biến lực, 8) Dao kê Trên Hình 3.3b, trục dẫn động gồm hai đoạn trục (3-1) và (3-2) truyền chuyển động từ động cơ (1) qua bộ truyền đai (2) và mô men cho đĩa dao phẳng (4). Cảm biến đo mô men xoắn (6) được lắp giữa hai đoạn trục (3-1) và (3-2) nhờ khớp nối (5). Một cảm biến đo lực (7) được lắp bên dưới dao kê (8). Quan sát Hình 3.3, có thể thấy sơ đồ đề xuất chỉ khác sơ đồ kết cấu của máy thương mại sẵn có ở kết cấu trục 3 và dao kê 8. Bên cạnh yêu cầu bổ sung cảm biến đo momen (6) cho trục 3, cần xử lý kết cấu dao kê sao cho lực băm có thể truyền đến cảm biến đo lực (7). Quan phân tích về kết cấu cơ khí, việc phát triển thiết bị thí nghiệm từ máy băm thương mại hiện có là rất khả thi. Điều này không những tiết kiệm được kinh phí nếu chế tạo toàn bộ kết cấu cho một máy băm đơn chiếc, mà còn cho phép thu thập, phân tích và đánh giá các tồn tại và đề xuất hướng cải tiến các máy băm thương mại hiện có. Sơ đồ kết cấu trên Hình 3.3ab được mô phỏng dạng 3D như Hình 3.4.
55 Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt: 1) Bánh đai bị động, 2) Trục dẫn động, 3) Dao dẻ quạt, 4) Vít cố định, 5) Má kẹp, 6) Thân cây nguyên liệu, 7) Dao kê, 8) Cảm biến mô men Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt, mô men xoắn từ động cơ truyền đến bánh đai bị động (1), qua trục (2) truyền đến dao băm (3). Dao có dạng dẻ quạt, được gá trên cánh gá nhờ vít cố định (4) và má kẹp (5). Kết cấu này cho phép thiết lập góc tiếp dao α ở vị trí bất kỳ. Thân cây nguyên liệu cần cắt (6) nằm giữa dao băm (3) và dao kê (7), có góc nghiêng cây β cũng được thiết đặt tùy ý khi thí nghiệm. Góc nghiêng θ của dao so với cây cũng có thể dễ dàng thiết đặt nếu cần. Trên Hình 3.4 cũng mô tả góc sắc của dao băm γ và góc sắc của dao kê δ. Các góc này được cố định trong một bộ thí nghiệm, nhưng cũng có thể thay đổi bằng cách sử dụng các bộ dao khác nhau. Cảm biến đo mô men (8) được gá đặt như một khớp nối cho trục (2), truyền mô men từ bánh đai (1) sang dao băm (3). Nguyên tắc đo lực cắt bằng cảm biến đo lực được mô tả trên Hình 3.5. Giả sử cây ngô (2) được cắt ở vị trí cách tâm quay O của dao (1) một bán kính R. Với lưỡi dao có góc tiếp dao khác không, phản lực F của cây ngô tác dụng lên lưỡi dao được phân tích thành hai thành phần: F1 có phương thẳng đứng, vuông góc với bán kính quay R, F2 có phương hướng tâm. Mô men của F1
56 lấy đối với tâm O chính là mô men cản sinh ra khi băm, có thể đo bằng cảm biến mô men khi cắt chậm (bỏ qua quán tính quay của dao). Bỏ qua thành phần lực gây nén cây ngô khi cắt, có thể coi toàn bộ lực của dao tác dụng lên cây ngô theo phương thẳng đứng F1 sẽ truyền qua cây và tác dụng lên dao kê (3). Cảm biến lực (4) đặt dưới dao kê có thể đo được giá trị lực này. Hình 3.5. Phân tích lực tương tác dao-cây: 1) Dao băm, 2) Cây nguyên liệu, 3) Dao kê, 4) Cảm biến lực Một điểm cần lưu ý nữa là thành phần lực của dao tác dụng lên cây (cùng phương ngược chiều F2) có xu hướng đẩy cây trượt ra xa tâm quay của dao. Để cây không bị đẩy ra khỏi vùng cắt, ma sát giữa cây và dao kê không được nhỏ hơn thành phần lực đẩy cây. Do vậy, nghiên cứu cũng tiến hành thí nghiệm đo ma sát trượt giữa cây ngô và dao kê nhằm hỗ trợ các phân tích sau này. Dựa trên mô hình đã đề xuất, tiến hành lựa chọn thiết bị đo, chế tạo và lắp ráp các bộ phận cơ khí, lắp đặt và kết nối các thiết bị đo để hoàn chỉnh hệ thống thiết bị thí nghiệm. 3.3. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu Các thiết bị thí nghiệm cần thực hiện chức năng đo và lưu trữ các số liệu về lực, mô men sinh ra trong quá trình cắt.
57 3.3.1. Cảm biến đo lực cắt Lực sinh ra khi băm bằng dao quay đĩa là lực va đập, có giá trị tăng nhanh và giảm đột ngột. Nếu băm với tốc độ chậm, có thể sử dụng cảm biến tải trọng Load cell. Thiết bị đo lực động (Dynamic force sensor) là lựa chọn phù hợp hơn. Thiết bị này phù hợp để đo lực biến động, lực va đập, nhưng không đo được lực tĩnh (chẳng hạn, không thể dùng làm cân điện tử). Cảm biến lực động (Dynamic force sensor) hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng phát điện của vật liệu gốm áp điện (Piezoelectric ceramic) khi chịu lực tác dụng. Do sử dụng vật liệu gốm, cảm biến lực động có những ưu điểm sau: - Độ cứng vững rất cao, rất ít biến dạng, do vậy có thể làm việc với tần số thay đổi cao của lực cần đo; - Đo được tải trọng lớn, độ chính xác cao; - Thiết kế nhỏ gọn, phạm vi đo rộng. (a) (b) Hình 3.6. a) Cảm biến lực Kistler 9712A500 và b) gá đặt cảm biến lực: 1) Dao kê, 2) Cây nguyên liệu, 3) Thanh trượt, 4) Cảm biến lực, 5) Lò so kéo Sau khi tham khảo cường độ lực có thể phát sinh khi băm từ các nghiên cứu trước và khảo sát thông số của một số thiết bị thương mại, nghiên cứu lựa chọn cảm biến đo lực Kistler 9712A500 để sử dụng. Cảm biến này (Hình 3.6a) có phạm vi đo 2224,11 N (500 lbf), độ nhạy 2,472054 mV/N (11 mV/lbf).
58 Một kết cấu gá đặc biệt cho cảm biến lực được thiết lập để chỉ đo thành phần lực vuông góc với dao kê, được mô tả trên Hình 3.6b. Lực cắt thông qua cây (2) nguyên liệu tác động lên cảm biến (4) được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp. Vị trí đặt cây nguyên liệu (2) được cố định trong tất cả các thí nghiệm. Dao kê (1) được gắn với một con trượt bi (3). Ray của trượt bi được gá vuông góc với dao kê. Lò xo chịu kéo (5) có tác dụng duy trì tiếp xúc của dao kê (1) với cảm biến (4). 3.3.2. Đo lực ma sát cây-dao kê Hình 3.7. Cảm biến FSSM-100 Cảm biến đo lực ma sát được chọn là loại cảm biến biến dạng (Load cell) nhỏ có phạm vi đo 100 N, độ phân giải 2 mV/V, ký hiệu FSSM-100 của hãng Forsentek như mô tả trên Hình 3.7. Cảm biến này có kích thước dài-rộng-cao là 6x16x19,1mm, phù hợp với không gian bố trí đầu đo.
59 3.3.3. Cảm biến đo mô men Mô men sinh ra trên trục truyền dẫn cho đĩa dao được tính sơ bộ bằng tích số lực và cánh tay đòn tính từ tâm quay của đĩa dao đến điểm cắt . Hình 3.8. Cảm biến mô men RTT-200 Dựa vào giá trị cần đo tính sơ bộ, lựa chọn cảm biến đo mô men có ký hiệu RTT-200 của hãng Sturtevant Richmant. Đầu đo này có phạm vi đo 338,95 Nm (3000 inch-pounds), độ nhạy 2 mV/V như được mô tả trên Hình 3.8. Các thông số cơ bản của cảm biến mô men được tóm tắt trong Bảng 3.1. Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của cảm biến mô men RTT Part No Model in.lbs ft.lbs Nm kgf.cm 10116 RTT-200 240-2400 20-200 27.1-271 277-2765 Nhận xét rằng giá trị mô men đo được có thể sử dụng để hoặc tính lực cắt, hoặc tính công suất tiêu thụ. Khi tốc độ quay của trục rất thấp hoặc cắt gián đoạn bằng tác động quay tay trục mang dao, mô men đo được chính là mô men do lực cắt gây nên. Tuy nhiên, khi trục dao quay với tốc độ cao, quá trình cắt có thể được thực hiện chỉ nhờ quán tính của hệ thống trục-đĩa-dao đang quay. Do đó, mô men đo được có thể không phải là mô men do lực cắt gây ra.
60 3.3.4. Thiết bị xử lý và thu thập dữ liệu Cảm biến biến dạng (Load cell) cần có bộ cung cấp nguồn và khuếch đại tín hiệu. Bộ nguồn và khuếch đại được lựa chọn là bộ DRG-SC-BG của hãng Omega như trên Hình 3.9a. Cảm biến đo lực động được cung cấp nguồn và xử lý tín hiệu đo bằng thiết bị SCC-ICP 01 của hãng National Instrument như trên Hình 3.9b. Thiết bị thu thập dữ liệu USB-6008 của hãng National Instrument được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện áp từ các cảm biến thành tín hiệu số, hiển thị và lưu trữ trên máy tính. Các thông số cơ bản của thiết bị này được mô tả trên Hình 3.9c và Bảng 3.2. (a) (b) (c) Hình 3.9. Bộ nguồn khuếch đại DRG-SC-BG(a), Bộ nguồn và sử lý tín hiệu SCC-ICP 01(b), Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008(c) Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008 Kí hiệu NI-USB 6008 Độ phân giải 12 bits Số kênh 8 Ngưỡng điện áp nhỏ nhất ± 1 V Tốc độ lấy mẫu 10 kS/s Ngưỡng điện áp lớn nhất ± 10 V
61 Tín hiệu từ các cảm biến được kết nối với các bộ xử lý tín hiệu, sau đó được lưu trữ vào máy tính thông qua bộ thu thập dữ liệu USB-6008 và phần mềm NI-Labview Signal Express. 3.3.5. Phần mềm thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm Phần mềm MiniTab® được lựa chọn để hỗ trợ lập kế hoạch thí nghiệm và phân tích thống kê các số liệu thí nghiệm. Phần mềm OriginLab® được sử dụng để xử lý dữ liệu, phân tích hồi quy và vẽ đồ thị mô tả. 3.4. Chế tạo, lắp đặt hệ thống thí nghiệm Máy thí nghiệm được hiện thực hóa bằng cách chỉnh sửa và bổ sung kết cấu của một mẫu máy băm cắt thương mại dùng dao quay kiểu đĩa, loại nhỏ, dùng động cơ 1,5 kW. Trục mang dao, đĩa quay và dao băm đều được thay thế bằng kết cấu mới thiết kế theo sơ đồ kết cấu đã hiệu chỉnh. Hình 3.10 là ảnh chụp một số kết cấu thực của thiết bị đã được cải tiến. Các chi tiết trên Hình 3.10 được đánh số giống như trên Hình 3.4 để tiện theo dõi. Trên Hình 3.10 a, dao băm (3) có dạng dẻ quạt, được gá trên cánh gá nhờ vít cố định (4) và má kẹp (5). Kết cấu này cho phép thiết lập góc tiếp dao α ở vị trí bất kỳ. Thân cây nguyên liệu cần cắt (6) nằm giữa dao băm (3) và dao kê (7), có góc nghiêng cây β (Hình 3.10 b) cũng được thiết đặt tùy ý khi thí nghiệm.
62 (a) (b) Hình 3.10. Kết cấu gá dao băm và dao kê của thiết bị a) góc nhìn thẳng, b) góc nhìn bên: 3)Dao dẻ quạt, 4) Vít cố định, 5) Má kẹp, 6) Cây nguyên liệu, 7) Dao kê, 9) Cảm biến lực, 10) Rãnh xoay Lưu ý rằng các dao băm trên máy băm thương mại thường có dạng thanh thẳng, được gắn cố định trên thanh đỡ gá vuông góc với trục quay, tạo thành góc α cố định khoảng 0°. Góc nghiêng cây được điều chỉnh nhờ sử dụng kết cấu rãnh xoay (10) như mô tả trên Hình 3.10 b. Nhờ khả năng xoay tương đối quanh vít (4), có thể thiết lập góc tiếp dao α cho các thí nghiệm. Góc α có thể được thiết lập giá trị bất kỳ theo ý muốn trong khoảng từ 00 đến 800. Góc nghiêng cây β cũng có thể tùy chỉnh trong khoảng từ 00 – 800. Điều này cho phép tiến hành thí nghiệm khảo sát với các dải thông số đầu vào đủ rộng, là cơ sở để xác định được trị số các góc α và β hợp lý đáp ứng mục tiêu nghiên cứu là giảm lực và năng lượng. 3.5. Vận hành và một số kết quả khảo sát hệ thống 3.5.1. Vận hành hệ thống thí nghiệm Thông số vận tốc cắt được thay đổi bằng cách sử dụng động cơ điện một chiều, công suất 1,5 kW để dẫn động cho hệ thống. Động cơ này hoạt động với nguồn điện có hiệu điện thế từ 50 đến 220V. Tốc độ quay của đĩa mang dao băm được xác lập theo yêu cầu của kế hoạch thí nghiệm, bằng cách điều chỉnh
63 hiệu điện thế máy biến thế AC kết hợp với máy chỉnh lưu. Vận tốc cắt được kiểm tra lại bằng cách kiểm tra quãng thời gian giữa hai lần cắt liền nhau. Do đĩa mang hai dao cách đều, nên mỗi vòng quay của đĩa, sẽ có hai lần cắt xảy ra. Cách thực hiện thí nghiệm như sau: Điều chỉnh và kẹp chặt dao băm và máng dẫn ở vị trí ứng với góc tiếp dao và góc nghiêng cây theo kế hoạch thí nghiệm định trước; cây ngô được đặt vào vị trí được đánh dấu sẵn, kẹp giữa dao băm và dao kê. Bán kính từ tâm quay của dao đến vị trí cắt được cố định là 240mm trong toàn bộ nghiên cứu. Dẫn động trục mang dao làm quay đĩa dao để cắt đứt cây ngô. Giá trị lực cắt và mô men tương ứng thu được từ cảm biến lực và cảm biến mô men được thu thập, lưu trữ trên máy tính. 3.5.2. Đo lực cắt và mô men Hình 3.11 mô tả đồ thị kết quả đo lực bằng các cảm biến. Trên Hình 3.11a là giá trị lực cắt thu được từ cảm biến lực khi dao cắt được dẫn động bằng động cơ, nhận thấy các đỉnh lực cắt cách đều nhau. Có thể kiểm tra đối chứng tốc độ quay trục mang dao thông qua chu kỳ lực T. Do đĩa gá hai dao cách đều 180°, mỗi vòng quay sẽ có hai đỉnh lực cắt được ghi nhận. Từ số liệu giá trị chiều dài chu kỳ T, tốc độ quay có thể được tính theo công thức: 60 30 n (vòng/ph) (3. 1) 2T T
64 (a) (b) Hình 3.11. Kết quả đo lực cắt (a) và đồ thị đối chứng lực đo bằng hai cảm biến (b) Điểm cắt thân cây ngô được đánh dấu và duy trì khoách cách đến tâm quay của dao một khoảng R=240 mm. Vận tốc cắt được tính theo công thức: 2 Rn v (m/s) (3. 2) 60.103 Hình 3.11b mô tả các giá trị lực thu được từ cảm biến lực động (ký hiệu FS) (Force Sensor) và thành phần lực (TS) tính từ giá trị mô men thu được từ cảm biến. Quá trình cắt được thực hiện bằng cách quay chậm bằng tay trục mang dao. Khi này có thể coi giá trị lực đo được bằng cảm biến mô men chính là lực cắt. Dễ thấy trên Hình 3.11b, hai thành phần lực có giá trị xấp xỉ như nhau. Có thể nhận thấy tại thời điểm xảy ra quá trình băm cắt, lực đo bằng cả hai cảm biến đều tăng nhanh. Giá trị lực lớn nhất đo được của lực băm cắt đo bằng hai cảm biến xấp xỉ nhau. Như vậy, cả hai cảm biến đều phản ánh tin cậy lực băm cắt thân cây ngô. Trong các thí nghiệm dự kiến sẽ thực hiện tiếp sau, cảm biến lực sẽ được dùng để đo lực băm cắt, còn cảm biến mô men sẽ được sử dụng để kiểm chứng tác động của quán tính khi quay của hệ thống. 3.5.3. Đo ma sát trượt giữa dao kê và thân cây ngô Hình 3.12 mô tả bố trí thí nghiệm đo ma sát trượt giữa thân cây ngô và dao kê.
65 Hình 3.12. Bố trí thí nghiệm đo ma sát dao kê – cây ngô: 1) Mẫu cây ngô, 2) Dao kê, 3) Các quả cân, 4) Bộ truyền vít me, 5) Đai ốc, 6) Khớp cầu và thanh truyền, 7) Load cell, 8) Tấm tì Mẫu thân cây ngô (1) được đặt ngang trên bề mặt tấm dao kê (2). Các quả cân thí nghiệm (3) có khối lượng xác định được treo trên quang thép nhằm tạo lực pháp tuyến ép thân cây lên tấm thép. Bộ truyền vít me (4) đẩy đai ốc (5) chuyển động dọc theo trục vít-me, qua khớp cầu và thanh truyền (6), load cell 7 đến tấm tì (8), đẩy cây ngô trượt dọc trên dao kê. Khi thân cây được duy trì chuyển động đều, lực đẩy cân bằng với lực cản (ma sát giữa thân cây và tấm tì). Tức là, giá trị lực đẩy đo được qua loadcell chính là lực ma sát cần đo. Thay đổi khối lượng (3) và thu tín hiệu đo lực ma sát trượt, thu được quan hệ của lực pháp tuyến với lực ma sát trượt giữa cây ngô và tấm dao kê. Kết quả thu được như trình bày trong Bảng 3.3. Trong Bảng 3.3, lực pháp tuyến tác dụng vuông góc với bề mặt trượt là trọng lực của khối lượng treo.
66 Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm đo ma sát trượt dao kê – cây ngô Khối lƣợng Lực pháp Lực ma sát Hệ số ma sát Góc ma sát treo (kg) tuyến (N) (N)  (độ) 2.5 24.525 11.971 0.488 26.02 4.5 44.145 21.146 0.479 25.59 6.5 63.765 28.147 0.441 23.82 8.5 83.385 34.907 0.419 22.72 Lực ma sát được thu thập từ load cell. Hệ số ma sát  được tính là tỉ số giữa lực ma sát và lực pháp tuyến. Góc ma sát  được tính từ hệ số ma sát  theo công thức sau:  arctan  (3. 3) Góc ma sát tính được nằm trong khoảng 22,72-26,02. Như đã phân tích trong phần 2.2, để thân cây không bị trượt khi cắt, góc tiếp dao cần đảm bảo điều kiện [18]: 2 (3. 4) Tức là, góc tiếp dao không được quá 45,4- 52. Kết luận chƣơng 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 lý thuyết quy hoạch thực
67 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.
68 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH BIÊN DẠNG LƢỠI CẮT Chương này trình bày các nội dung chính về cách thức thiết kế, triển khai và phân tích kết quả nghiên cứu thực nghiệm bài toán xác định ảnh hưởng của một số thông số kết cấu và vận hành của máy băm phụ phẩm nông nghiệp nhằm tối thiểu hóa cả lực và công suất cắt cho một lát cắt thân cây ngô. Các thông số kết cấu được đưa vào khảo sát bao gồm hai góc: góc tiếp dao và góc nghiêng cây. Thông số vận hành được xác định là vận tốc cắt. Các thông số khác được coi là không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm. Tất cả các thí nghiệm được thực hiện với một loại dao có lưỡi cắt thẳng nhằm đánh giá ảnh hưởng và xác định giá trị hợp lý nhất của góc tiếp dao đến lực và công suất cắt. Sau đó, những nhược điểm của hai loại dao có lưỡi cắt thẳng và lưỡi cắt cung tròn xét theo góc độ làm thay đổi góc tiếp dao được phân tích nhằm lựa chọn được biên dạng sao cho duy trì được một góc tiếp dao không đổi trên suốt chiều dài lưỡi cắt. Có đảm bảo được điều này thì việc ứng dụng kết quả xác định góc tiếp dao hợp lý vào thực tiễn mới có ý nghĩa, vì trong thực tiễn, dao thường tiếp xúc với bó cây tại nhiều điểm dọc theo lưỡi cắt. Tiến trình thực hiện các bộ thí nghiệm được mô tả trong mục 4.2. Tiếp đó, bộ thí nghiệm sàng lọc nhằm đánh giá, sắp xếp mức độ ảnh hưởng của một số thông số đến lực cắt được trình bày trong mục 4.3. Kế hoạch thí nghiệm, kết quả phân tích bài toán tối ưu hóa lực cắt trong điều kiện cắt chậm được mô tả trong mục 4.4. Mục 4.5 diễn giải quá trình tìm lời giải cho bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu, nhằm giảm thiểu đồng thời cả lực và công suất cắt trong điều kiện cắt nhanh bằng động cơ. Nội dung phân tích, so sánh và lựa chọn biên dạng lưỡi cắt được trình bày trong mục 4.6. Một giải pháp thiết kế tự động biên dạng dao đáp ứng các yêu cầu kích thước khác nhau được mô tả trong mục 4.7. Mục 4.8. trình
69 bày kết quả thiết kế, chế tạo, vận hành thử nghiệm dao cắt theo biên dạng đã tính toán. Cuối cùng là phần kết luận chương. 4.2. Mô tả thí nghiệm Ba bộ thí nghiệm được thực hiện nhằm nghiên cứu động lực học máy băm phụ phẩm nông nghiệp, cụ thể như sau:  Bộ thí nghiệm sàng lọc: nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào, bao gồm góc tiếp dao, góc nghiêng cây, khe hở dao đến lực cắt; lựa chọn các thông số ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt để lập kế hoạch thí nghiệm tối ưu hóa chi tiết. Vì vận tốc cắt có ảnh hưởng trực tiếp đến công suất cắt, nên thông số này được ấn định trước là một biến đầu vào cho bài toán tối ưu đa mục tiêu, không cần đưa vào khảo sát.  Bộ thí nghiệm tối ưu hóa đơn mục tiêu: cắt chậm, không xét ảnh hưởng của vận tốc cắt. Kết quả thí nghiệm dùng làm cơ sở tham khảo cho bài toán tối ưu đa mục tiêu tiếp sau.  Bộ thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu, cắt bằng động cơ: dao được dẫn động bằng động cơ, tối ưu hóa đồng thời lực cắt và công suất tiêu hao, đánh giá đồng thời ảnh hưởng của các thông số đầu vào trong đó có vận tốc cắt. Bộ thí nghiệm sàng lọc được thiết kế và triển khai sử dụng dạng thí nghiệm toàn phần hai mức 2k, trong đó k là số biến thí nghiệm, tức là số thông số đầu vào. Hàm đầu ra là lực cắt. Kết quả thí nghiệm được phân tích thống kê bằng phần mềm MiniTab. Thí nghiệm tối ưu hóa đơn mục tiêu được thực hiện với tốc độ trục mang dao khoảng 5 vòng/phút, tương ứng với vận tốc cắt khoảng 0.13 m/s. Thí nghiệm
70 nhằm thực hiện bài toán tối ưu hóa đơn mục tiêu nhằm đạt được lực cắt nhỏ nhất trong điều kiện không xét đến ảnh hưởng của vận tốc. Do vận tốc cắt thấp nên cho phép đánh giá ảnh hưởng của khe hở giữa dao băm và dao kê với các giá trị khe hở nhỏ. Lực cắt đồng thời gây nên mô men cản lại chuyển động quay. Do tốc độ quay rất thấp nên quán tính của dao có thể bỏ qua. Thực nghiệm cho thấy khi vận tốc cắt thấp, thành phần lực tính toán từ mô men đo được bằng cảm biến mô men xấp xỉ với lực đo trực tiếp bằng cảm biến lực. Thí nghiệm tối ưu hóa đồng thời hai mục tiêu là lực cắt và công suất cắt được thực hiện với 3 biến đầu vào trong đó có vận tốc cắt. Số lượng biến được lựa chọn không quá lớn để tiết kiệm thời gian thí nghiệm. Khoảng vận tốc khảo sát được chọn khoảng 4 đến 7m/s, tương ứng với điện áp cấp cho động cơ khoảng từ 140 V đến 220 V. 4.3. Thí nghiệm sàng lọc Các thí nghiệm sàng lọc được thực hiện để xác định các biến có ảnh hưởng mạnh đến hàm mục tiêu. Thí nghiệm sàng lọc giúp giảm số lượng các biến đầu vào không có ảnh hưởng đáng kể nhằm tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm. Tốc độ quay của trục mang dao được cố định vào khoảng 5 vòng/phút, tương đương với vận tốc cắt khoảng 0,13m/s. Trong bộ thí nghiệm này, các biến được khảo sát bao gồm: góc tiếp dao, góc nghiêng cây và khe hở giữa dao băm và dao kê. Đây là các thông số được nhiều nghiên cứu trước đánh giá là có ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt (Xem Chương 1 và Chương 2). Phạm vi khảo sát của các biến thí nghiệm được trình bày trong Bảng 4.1.