Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu động lực học liên hiệp máy thu hoạch hành tím - ĐH SPKT Vĩnh Long

Nghiên cứu động lực học liên hiệp máy thu hoạch hành tím tại ĐH SPKT Vĩnh Long, phân tích mô hình dao động và tối ưu hóa thông số kỹ thuật vận hành máy.

• Tác giả: Nguyễn Thuận Hải Đăng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Cao Hùng Phi
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu động lực học liên hiệp máy thu hoạch hành tím
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2026
• Địa điểm: Vĩnh Long

Tóm tắt

I. Tổng quan động lực học liên hiệp máy thu hoạch hành tím

Cơ giới hóa nông nghiệp tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long đóng vai trò quyết định trong việc nâng cao giá trị chuỗi sản xuất hành tím. Cây hành tím tập trung nhiều tại tỉnh Sóc Trăng và các vùng lân cận. Khâu thu hoạch hiện nay chủ yếu dựa vào lao động thủ công nặng nhọc. Chi phí nhân công ngày càng tăng cao tạo áp lực lớn cho người nông dân. Năng suất lao động thấp và tỷ lệ hao hụt củ còn cao sau thu hoạch. Việc nghiên cứu cơ giới hóa khâu nhổ, tách đất và vận chuyển củ hành trở nên vô cùng cấp thiết. Luận án tiến sĩ tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long tập trung giải quyết bài toán cơ học then chốt này. Liên hiệp máy thu hoạch bao gồm máy kéo kết hợp bộ công tác chuyên dụng. Hệ thống phải vận hành ổn định trên nền đất cát pha và đất phù sa đặc thù. Nghiên cứu động lực học cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các cụm chi tiết máy tối ưu. Quá trình làm việc đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Máy thu hoạch cần đảm bảo độ sạch đất cao nhưng không làm dập nát thân củ. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho nông nghiệp công nghệ cao.

1.1. Thực trạng sản xuất và thu hoạch hành tím tại Tây Nam Bộ

Tây Nam Bộ là vùng chuyên canh hành tím lớn nhất cả nước. Quy trình canh tác đòi hỏi nhiều công đoạn tỉ mỉ từ làm đất đến thu hoạch. Nông dân thường thu hoạch hành thủ công bằng tay. Họ dùng sức người để nhổ từng bụi hành khỏi luống đất. Phương pháp này làm tốn rất nhiều thời gian và nhân lực. Vào thời điểm chính vụ, tình trạng khan hiếm lao động diễn ra gay gắt. Tiền thuê nhân công đẩy chi phí canh tác lên rất cao. Nếu gặp mưa bão, việc thu hoạch chậm trễ gây thối hỏng diện rộng. Hành tím tồn đọng ngoài đồng làm giảm nghiêm trọng phẩm chất thương phẩm. Các thiết bị cơ giới nhập khẩu từ nước ngoài không phù hợp với thổ nhưỡng Việt Nam.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại ĐH SPKT Vĩnh Long

Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long hướng đến mục tiêu cơ giới hóa đồng bộ. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán thiết kế máy thu hoạch hành chuyên biệt. Máy phải hoạt động hiệu quả trên điều kiện đồng ruộng Tây Nam Bộ. Tác giả tiến hành phân tích sâu các thông số động lực học hệ thống. Các bộ phận chính gồm lưỡi cắt đất, trục hất và băng tải xích rung. Thiết bị cần đảm bảo tốc độ làm việc cao và tiết kiệm nhiên liệu. Tỷ lệ củ bị tổn thương hoặc dập gãy phải giảm xuống mức thấp nhất. Nghiên cứu tạo ra mẫu máy có kết cấu gọn nhẹ và chi phí chế tạo hợp lý.

II. Phân tích dao động động lực học liên hiệp máy thu hoạch hành tím

Quá trình vận hành liên hiệp máy trên đồng ruộng chịu tác động của nhiều nguồn kích động phức tạp. Địa hình luống hành thường gồ ghề và có độ mấp mô biến thiên liên tục. Lực cản từ lớp đất cắt tác động trực tiếp lên mũi xới thu hoạch. Đồng thời, chuyển động quay của trục các-đăng truyền lực từ máy kéo gây dao động cưỡng bức. Các rung động lan truyền khắp khung sườn máy và truyền ngược về cabin người lái. Tình trạng này làm giảm tuổi thọ của các ổ bi, trục truyền và mối hàn kim loại. Dao động mạnh cũng làm thay đổi chiều sâu cắt ngầm của lưỡi thu hoạch. Lưỡi ăn quá sâu sẽ gây quá tải động cơ và tốn năng lượng vô ích. Ngược lại, nếu lưỡi ăn quá nông sẽ làm đứt củ và sót sản phẩm. Rung động vượt ngưỡng tiêu chuẩn còn gây mệt mỏi cho người điều khiển phương tiện. Luận án đã tiến hành đo đạc và phân tích phổ dao động thực tế trên đồng ruộng. Các thông số gia tốc rung được ghi nhận tại nhiều vị trí trọng yếu trên khung máy. Việc nhận diện chính xác các tần số dao động riêng giúp ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng.

2.1. Tác động của rung động cơ học đến thiết bị và con người

Rung động trong máy nông nghiệp gây ảnh hưởng tiêu cực trên nhiều khía cạnh kỹ thuật. Biên độ dao động lớn làm tăng ứng suất động trong các cấu kiện cơ khí. Các mối ghép ren và liên kết hàn dễ bị nứt gãy sau thời gian làm việc liên tục. Khung máy rung giật làm biến dạng hình học của cụm lưỡi thu hoạch. Hệ thống truyền động đai và xích tải cũng bị chùng nhão, giảm hiệu suất cơ học. Đối với người vận hành, rung động toàn thân gây cảm giác mệt mỏi và mất tập trung. Việc tiếp xúc lâu ngày với rung động vượt chuẩn ISO dẫn đến các bệnh về xương khớp.

2.2. Vấn đề tương thích thổ nhưỡng và hao hụt nông sản

Đất trồng hành tại Tây Nam Bộ có thành phần cơ giới rất phức tạp. Độ ẩm và độ dính bám của đất thay đổi nhiều theo mùa vụ canh tác. Khi đất quá khô cứng, lực cản cắt đất tăng đột biến gây mòn lưỡi. Khi đất quá ẩm ướt, đất bám chặt vào củ hành và mắt xích băng tải. Máy thu hoạch ngoại nhập thường thiếu cơ chế tách bùn đất phù hợp. Hiện tượng kẹt đất dẫn đến tỷ lệ sót củ và trầy xước vỏ hành rất cao. Củ hành bị dập nát sẽ nhanh chóng thối rữa trong quá trình lưu kho bảo quản.

III. Giải pháp động lực học liên hiệp máy thu hoạch hành tím mới

Để giải quyết các thách thức kỹ thuật, luận án đã xây dựng mô hình toán học chi tiết. Mô hình khối lượng - lò xo - giảm chấn nhiều bậc tự do mô phỏng toàn bộ liên hiệp máy. Tác giả khảo sát các kích thích dao động ngẫu nhiên từ mặt ruộng mấp mô. Phần mềm chuyên dụng được ứng dụng để mô phỏng động lực học nhiều vật thể. Các kết quả tính toán giúp xác định thông số tối ưu cho từng bộ phận công tác. Lưỡi thu hoạch được thiết kế dạng phẳng mũi nhọn với bề rộng làm việc 920 mm. Chiều sâu đào ngầm được khống chế ở mức từ 3 đến 5 mm dưới tầng củ. Góc nâng đất dao động từ 5 đến 20 độ, góc tách đất đạt từ 40 đến 45 độ. Trục hất được gia công từ thép tấm liên kết hàn vững chắc. Ứng suất lớn nhất trên trục hất được kiểm chứng qua phân tích phần tử hữu hạn. Kết cấu đảm bảo độ bền uốn và xoắn trong điều kiện tải trọng động biến đổi liên tục. Hệ thống băng tải xích rung được bố trí góc nghiêng phù hợp nhằm tối ưu khả năng sàng đất. Quá trình tách đất diễn ra êm dịu, hạn chế tối đa xung lực tác động lên củ hành.

3.1. Xây dựng mô hình động lực học nhiều bậc tự do

Mô hình hóa toán học là nền tảng cốt lõi của nghiên cứu. Hệ liên hiệp máy được mô tả bằng hệ phương trình vi phân dao động nhiều bậc tự do. Tác giả thiết lập hệ thống khối lượng, độ cứng lò xo và hệ số cản nhớt. Mô hình phản ánh đầy đủ dao động dọc, dao động ngang và dao động lắc của máy kéo cùng bộ nông cụ. Mặt ruộng mấp mô được biểu diễn qua hàm kích thích ngẫu nhiên dạng phổ mật độ công suất. Các liên kết khớp nối ba điểm và trục truyền động các-đăng được số hóa chi tiết.

3.2. Tối ưu hóa kết cấu cụm công tác thu hoạch và phân ly củ

Kết cấu cụm công tác quyết định chất lượng củ hành thành phẩm. Lưỡi cắt phẳng được tính toán góc nâng tối ưu từ 5 đến 20 độ để nâng luống đất nhẹ nhàng. Góc nhọn tách đất từ 40 đến 45 độ giúp giảm lực cản di chuyển của máy. Trục hất quay với vận tốc đồng bộ nhằm đón cụm hành từ lưỡi xới đưa lên băng tải xích. Lực tác dụng lên trục được tính toán cẩn thận để tránh làm gãy dập củ. Băng tải xích rung tạo ra tần số dao động vừa đủ để đánh tan tảng đất bám rễ.

IV. Kết luận ứng dụng động lực học liên hiệp máy thu hoạch hành tím

Công trình nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long khẳng định giá trị ứng dụng to lớn. Việc làm chủ động lực học hệ thống giúp chế tạo thành công mẫu máy thu hoạch hoàn chỉnh. Máy vận hành trơn tru trong điều kiện thổ nhưỡng thực tế tại các vùng chuyên canh. Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy năng suất thu hoạch tăng gấp nhiều lần so với làm thủ công. Tỷ lệ sạch đất và độ nguyên vẹn của củ đạt tiêu chuẩn thương phẩm khắt khe. Thiết bị giúp giảm thiểu đáng kể chi phí nhân công và rút ngắn thời gian thu gom vụ mùa. Nông dân chủ động tránh được các rủi ro thiên tai khi mùa mưa đến sớm. Mô hình động lực học được xây dựng là tài liệu khoa học quý giá cho ngành cơ khí chế tạo máy nông nghiệp. Các trường đại học và viện nghiên cứu có thể kế thừa dữ liệu để phát triển nhiều dòng máy thu hoạch củ khác. Giải pháp kỹ thuật này mở ra triển vọng nội địa hóa thiết bị nông nghiệp công nghệ cao tại Việt Nam. Sản phẩm cơ khí nội địa có giá thành cạnh tranh, phù hợp khả năng tài chính của các hợp tác xã.

4.1. Hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong thực tế đồng ruộng

Ứng dụng liên hiệp máy vào thu hoạch mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt. Năng suất lao động tăng gấp năm đến bảy lần so với thu hoạch thủ công truyền thống. Thời gian thu hoạch trên mỗi hecta đất trồng hành giảm đi đáng kể. Chi phí nhân công giảm hơn bốn mươi phần trăm cho mỗi vụ canh tác. Máy thu hoạch vận hành bền bỉ, ít xảy ra hỏng hóc hay kẹt đất giữa chừng. Củ hành sau khi qua băng sàng giữ được lớp vỏ lụa nguyên vẹn. Tỷ lệ củ bị dập nát được kiểm soát ở mức rất thấp, đáp ứng tiêu chuẩn thương phẩm.

4.2. Định hướng hoàn thiện và chuyển giao công nghệ cơ giới hóa

Đề tài nghiên cứu đã đặt nền móng vững chắc cho việc thương mại hóa sản phẩm. Nhóm tác giả hướng đến việc chuyển giao thiết kế cho các doanh nghiệp cơ khí trong nước. Các chi tiết máy được tiêu chuẩn hóa để thuận tiện cho bảo dưỡng và sửa chữa. Trong giai đoạn tiếp theo, hệ thống sẽ tích hợp thêm cảm biến tự động bám luống. Cảm biến hỗ trợ kiểm soát chiều sâu đào ngầm linh hoạt theo địa hình ruộng. Việc ứng dụng vật liệu composite nhẹ và chịu mài mòn cũng đang được cân nhắc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu động lực học LHMTHHT. Chương 3: Khảo sát động lực học LHMTHHT. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về quá trình sản xuất hành tím ở vùng Tây Nam Bộ 1.1 Đặc điểm của hành tím 1.1 Đặc điểm về sinh trưởng và phát triển của hành tím Việt Nam Hành tím là một loại cây thuộc họ hành tỏi, có giá trị kinh tế cao và được trồng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ, Iran và Việt Nam. Tại Việt Nam, hành tím có vai trò đặc biệt quan trọng trong cơ cấu cây trồng vụ Đông Xuân ở các vùng như Sóc Trăng, Bình Thuận, Ninh Thuận và một số tỉnh miền Trung. Đặc biệt hành tím được canh tác tập trung tại thị xã Vĩnh Châu, tỉnh Sóc Trăng với diện tích canh tác hàng năm khoảng 5.000 ha, sản lượng khoảng 160.

Đây là vùng canh tác có điều kiện khí hậu thích hợp cho hành tím: mùa khô kéo dài, nền đất thịt pha cát, độ mặn trung bình. Sản phẩm hành tím tiêu thụ không chỉ trong nước mà còn được xuất khẩu qua các thị trường quốc tế như Trung Quốc, Thái Lan, Campuchia và Nhật Bản. Cây hành tím có thời gian sinh trưởng 85-100 ngày, chia làm 4 giai đoạn [7]: - Gieo mầm (0-7 ngày): cần giữ ẩm, nhiệt độ trung bình 25-30°C. - Sinh trưởng dinh dưỡng (7-40 ngày): lá phát triển mạnh, cây đạt 4-6 lá.

- Phình củ (40-80 ngày): phình gốc, cổ lá mảnh dần. - Chín sinh lý (80-100 ngày): lá ngả vàng, cổ mềm là thời điểm thu hoạch tốt nhất.2 Đặc điểm hình thái hành tím a) Kích thước củ hành tím Theo chỉ dẫn địa lý cho sản phẩm hành tím Vĩnh Châu của cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam [8], hành tím có đặc điểm: - Đường kính: 4,4 ± 0,38 𝑐𝑚. - Đường kính tép hành: 2,73 ± 0,22 𝑐𝑚 - Số lượng tép hành mỗi củ: 3,03 ± 0,35 tép. - Chiều cao: 2,8-4 cm.

So với hành đỏ Ấn Độ (Red Onion) hay hành trắng Hàn Quốc (Welsh Onion), hành tím Việt Nam có củ nhỏ hơn, vỏ mỏng và cổ mềm, dễ bị dập hoặc gãy khi có va đập [9]. b) Độ sâu mọc củ hành tím Từ khảo sát thực địa [8]: - 60-75% củ nằm ở độ sâu từ 15-25 mm dưới mặt đất. - Củ thường hình thành gần cổ thân, một phần nổi, một phần chìm, tùy mức vun. - Đất trồng là đất thịt pha cát, có khả năng giữ ẩm nhưng dễ nén khi khô.

Vì vậy cần thiết kế máy đào chính xác theo chiều sâu (±10 mm) để không sót củ hoặc làm gãy cổ.1 Cấu trúc củ hành trên mặt ruộng 1.