Tổng quan nghiên cứu

Cây mía là cây công nghiệp trồng cạn quan trọng, không chỉ cung cấp nguyên liệu cho ngành đường mà còn là nguồn nguyên liệu cho nhiều ngành chế biến khác như giấy, sợi nhân tạo, gỗ và chất hóa dược. Ở Việt Nam, diện tích trồng mía đạt khoảng 265.000 ha với sản lượng mía ước tính 13,5 triệu tấn và năng suất bình quân đạt 50,9 tấn/ha trong vụ 2005-2006. Đặc biệt, một số hộ áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật đã đạt năng suất hơn 100 tấn/ha, tăng lợi nhuận 1,5-2 lần. Tuy nhiên, cơ giới hóa trong canh tác mía còn chưa đồng bộ và chưa cao, đặc biệt là khâu chăm sóc giữa hàng mía.

Nghiên cứu tập trung vào khả năng kéo bám và ổn định của máy kéo bánh hơi cỡ nhỏ làm nguồn động lực cho hệ thống máy chăm sóc mía giữa hàng. Mục tiêu chính là thiết kế, cải tiến và chế tạo máy kéo công suất 15-20 HP với bề rộng nhỏ gọn, phù hợp với khoảng cách hàng mía từ 1 đến 1,2 m, đồng thời đảm bảo khả năng làm việc ổn định trên địa hình đồi dốc, nhiều mấp mô và chướng ngại vật. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện thực tế tại các vùng trồng mía nguyên liệu tập trung như Thanh Hóa và Gia Lai, với ý nghĩa nâng cao năng suất, giảm chi phí lao động và thúc đẩy cơ giới hóa trong sản xuất mía.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về động lực học máy kéo, khả năng kéo bám và ổn định của máy kéo bánh hơi trên nền đất cứng và đất yếu. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hệ số bám ($\phi_k$): Tỷ lệ lực kéo tiếp tuyến trên bánh xe so với áp lực pháp tuyến, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng kéo bám.
  • Độ trượt ($\delta$): Tỷ lệ chênh lệch giữa vận tốc lý thuyết và vận tốc thực tế của bánh xe, phản ánh hiệu quả truyền lực.
  • Hiệu suất kéo ($\eta_T$): Tỷ lệ công suất hữu ích truyền từ động cơ đến bánh xe, phụ thuộc vào hệ số bám, độ trượt và lực cản lăn.
  • Độ ổn định tĩnh và động: Đánh giá khả năng máy kéo không bị lật khi làm việc trên địa hình dốc và mấp mô, dựa trên chiều cao trọng tâm và bề rộng máy.

Mô hình nghiên cứu bao gồm xây dựng đường đặc tính kéo lý thuyết của máy kéo, mô hình tính toán độ trượt dựa trên công thức thực nghiệm, và mô hình ổn định ngang khi máy làm việc trên địa hình không bằng phẳng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các phòng thí nghiệm đo lường thử nghiệm quốc gia Vilas-019, Trung tâm Khảo nghiệm máy nông nghiệp thuộc Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ Sau thu hoạch, cùng khảo nghiệm thực tế tại Nhà máy đường Thanh Hóa và ứng dụng tại Gia Lai.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Xác định tọa độ trọng tâm máy kéo: Qua đo tải trọng bánh trước và bánh sau trên mặt phẳng ngang và khi nghiêng.
  • Khảo nghiệm lực kéo và độ trượt: Sử dụng đầu đo lực ten-sơ và cảm biến số vòng quay bánh xe, gây tải bằng máy kéo MTZ-50.
  • Phân tích động lực học: Xây dựng mô hình toán học mô tả quan hệ giữa lực kéo, mô men động cơ, tỷ số truyền hộp số, và hiệu suất truyền động.
  • Khảo nghiệm thực nghiệm: Đánh giá đặc tính kéo bám và ổn định của máy kéo MK-CS trên đường bê tông và trong điều kiện sản xuất thực tế.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm máy kéo MK-CS công suất 18 HP, các thiết bị công tác như máy phay PCS-0,6, máy vun luống CVL-1,2, máy bón phân MBM-0,2 và máy bạt gốc BGMR-01. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện cho các loại máy kéo cỡ nhỏ phù hợp với điều kiện canh tác mía tại Việt Nam. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2009 đến 2011, bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo, khảo nghiệm và ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế máy kéo MK-CS công suất 18 HP với bề rộng 0,8 m phù hợp với khoảng cách hàng mía 1-1,2 m, đảm bảo khả năng đi lại giữa các hàng mía mà không gây hư hại cây trồng. Máy có chiều cao trọng tâm 520 mm, cho góc dốc cực đại không bị lật là 38°, đảm bảo ổn định khi làm việc trên địa hình dốc dưới 10°.

  2. Khả năng kéo bám và độ trượt: Độ trượt của máy kéo trên nền đất cứng và đất đã cày bừa được xác định qua công thức thực nghiệm với hệ số A=0,07, B=0,7, Cmax=0,68. Độ trượt thực nghiệm dao động trong khoảng 10-15% khi lực kéo đạt 3,3 kN, tương ứng với lực kéo cực đại của máy. Hiệu suất kéo đạt khoảng 85-90%, cao hơn so với các máy kéo hai bánh công suất thấp.

  3. Ổn định ngang khi làm việc trên địa hình mấp mô: Máy kéo có thể làm việc an toàn trên các mấp mô có chiều cao từ 85 mm (độ dốc ngang 8°) đến 136 mm (độ dốc 0°), đảm bảo không bị lật trong điều kiện thực tế. Khả năng ổn định này vượt trội so với các máy kéo cỡ nhỏ hiện có trên thị trường.

  4. Ứng dụng thực tế tại Nhà máy đường Thanh Hóa và Gia Lai cho thấy hệ thống máy kéo và thiết bị công tác giúp giảm chi phí lao động và sản xuất từ 59-64% so với phương pháp thủ công, đồng thời nâng cao năng suất lao động và chất lượng chăm sóc mía giữa hàng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc cải tiến máy kéo bánh hơi cỡ nhỏ với công suất 18 HP và bề rộng nhỏ gọn là giải pháp hiệu quả để đáp ứng yêu cầu cơ giới hóa khâu chăm sóc mía giữa hàng. Độ trượt và hiệu suất kéo đạt mức cao nhờ thiết kế hệ thống truyền động hai cầu với truyền động thủy lực cầu sau, giúp tăng lực kéo và ổn định vận hành.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về máy kéo hai bánh công suất 12-15 HP cho thấy máy kéo MK-CS có khả năng làm việc ổn định hơn, đặc biệt trên địa hình đồi dốc và đất cứng. Việc duy trì khoảng cách hàng mía 1-1,2 m theo quy trình nông học hiện hành giúp bảo vệ cây mía, đồng thời máy kéo có kích thước phù hợp để đi lại giữa các hàng mà không gây tổn thương.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường đặc tính kéo bám, biểu đồ độ trượt theo lực kéo, và bảng so sánh chi phí lao động giữa phương pháp cơ giới và thủ công, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống máy kéo cải tiến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất và phổ biến máy kéo MK-CS công suất 18 HP tại các vùng trồng mía nguyên liệu tập trung trong vòng 2 năm tới nhằm nâng cao hiệu quả cơ giới hóa chăm sóc mía giữa hàng.

  2. Đào tạo kỹ thuật vận hành và bảo dưỡng máy kéo cho nông dân và cán bộ kỹ thuật để đảm bảo sử dụng hiệu quả, giảm thiểu hư hỏng và tăng tuổi thọ máy kéo, thực hiện trong 6 tháng đầu sau khi máy được phân phối.

  3. Phát triển hệ thống thiết bị công tác đồng bộ như máy phay, máy vun luống, máy bón phân phù hợp với máy kéo MK-CS, nhằm hoàn thiện quy trình cơ giới hóa chăm sóc mía, dự kiến hoàn thành trong 1 năm.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng máy kéo MK-CS cho các cây trồng cạn khác như lạc, đậu nhằm tận dụng hiệu quả đầu tư và nâng cao năng suất lao động trong nông nghiệp, thực hiện trong 3 năm tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cơ khí nông nghiệp: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về thiết kế, cải tiến máy kéo bánh hơi cỡ nhỏ, phục vụ phát triển công nghệ cơ giới hóa nông nghiệp.

  2. Các doanh nghiệp sản xuất và phân phối máy kéo, thiết bị nông nghiệp: Tham khảo để phát triển sản phẩm phù hợp với điều kiện canh tác mía tại Việt Nam, nâng cao tính cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu thị trường.

  3. Cán bộ kỹ thuật và quản lý tại các công ty mía đường, hợp tác xã nông nghiệp: Áp dụng kết quả nghiên cứu để lựa chọn, vận hành và bảo dưỡng máy kéo, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí lao động.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông nghiệp: Tài liệu tham khảo quý giá cho nghiên cứu khoa học và thực hành thiết kế máy kéo, phát triển kỹ năng phân tích và ứng dụng công nghệ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy kéo MK-CS có phù hợp với mọi loại đất trồng mía không?
    Máy kéo MK-CS được thiết kế để làm việc hiệu quả trên đất đồi, đất cứng và đất đã cày bừa, với lực kéo cực đại 3,3 kN và độ trượt thấp. Tuy nhiên, trên đất quá mềm hoặc lún sâu, hiệu quả có thể giảm do lực bám giảm.

  2. Khoảng cách hàng mía tối thiểu để máy kéo hoạt động an toàn là bao nhiêu?
    Khoảng cách hàng mía khuyến cáo là từ 1 đến 1,2 m, phù hợp với bề rộng máy kéo 0,8 m, giúp máy đi lại giữa các hàng mà không gây hư hại cây mía.

  3. Hiệu suất kéo của máy kéo MK-CS so với máy kéo hai bánh công suất thấp như thế nào?
    Hiệu suất kéo của máy kéo MK-CS đạt khoảng 85-90%, cao hơn đáng kể so với máy kéo hai bánh 12-15 HP, nhờ hệ thống truyền động hai cầu và truyền động thủy lực cầu sau.

  4. Máy kéo có thể làm việc trên địa hình dốc bao nhiêu độ mà không bị lật?
    Máy kéo MK-CS có góc dốc cực đại không bị lật là 38°, đảm bảo ổn định khi làm việc trên địa hình dốc dưới 10°, phù hợp với điều kiện đồi núi trồng mía tại Việt Nam.

  5. Chi phí đầu tư và vận hành máy kéo MK-CS so với phương pháp thủ công như thế nào?
    Ứng dụng máy kéo MK-CS giúp giảm chi phí lao động và sản xuất từ 59-64% so với phương pháp thủ công, đồng thời tăng năng suất lao động và chất lượng chăm sóc mía.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy kéo bánh hơi cỡ nhỏ MK-CS công suất 18 HP với bề rộng 0,8 m, phù hợp cho chăm sóc mía giữa hàng.
  • Xác định được đặc tính kéo bám và độ trượt của máy kéo trên các loại nền đất khác nhau, đảm bảo hiệu suất kéo cao và ổn định vận hành.
  • Đánh giá khả năng ổn định tĩnh và động của máy kéo trên địa hình dốc và mấp mô, đảm bảo an toàn khi làm việc thực tế.
  • Ứng dụng thực tế tại các vùng trồng mía nguyên liệu cho thấy giảm chi phí lao động và nâng cao năng suất sản xuất đáng kể.
  • Đề xuất triển khai sản xuất, đào tạo vận hành và phát triển hệ thống thiết bị đồng bộ để thúc đẩy cơ giới hóa trong canh tác mía và các cây trồng cạn khác.

Tiếp theo, cần tập trung vào việc mở rộng ứng dụng và hoàn thiện quy trình cơ giới hóa, đồng thời nghiên cứu cải tiến thêm các thiết bị công tác phù hợp. Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích liên hệ để trao đổi, hợp tác phát triển công nghệ máy kéo phục vụ nông nghiệp bền vững.