Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí (mã số 952 01 03) của nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Thật, với đề tài "Nghiên cứu một số thông số chính của bộ phận tách ngọn và lá ứng dụng trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây", được thực hiện tại Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Bạch Quốc Khang và PGS.TS. Lương Văn Vượt (bảo vệ năm 2023).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Mía là cây công nghiệp quan trọng tại Việt Nam. Trong niên vụ 2020–2021, tổng diện tích trồng mía cả nước đạt 165,9 nghìn ha với sản lượng trên 10,741 triệu tấn. Thu hoạch mía thủ công đòi hỏi chi phí lao động rất lớn, từ 850 đến 1.500 giờ công/ha. Tuy nhiên, diện tích và sản lượng mía có xu hướng giảm dần qua các năm (năm 2021 diện tích chỉ bằng 89,5% và sản lượng bằng 93,1% so với năm 2015) do chi phí sản xuất cao và thiếu khả năng cạnh tranh.
Hiện nay, công nghệ thu hoạch mía cơ giới hóa tồn tại hai phương thức chính:
- Thu hoạch mía chặt khúc: Sử dụng các tổ hợp máy lớn, giảm 55–70% chi phí và tăng năng suất gấp 200 lần so với thủ công, nhưng đòi hỏi đồng ruộng quy mô lớn, bằng phẳng, hạ tầng giao thông tốt và mía phải được ép trong vòng 24 giờ. Vùng nguyên liệu tập trung quy mô lớn tại Việt Nam chỉ chiếm dưới 30% (khoảng trên 40 ha/vùng), trong khi hơn 70% diện tích còn lại là đất canh tác nhỏ lẻ, phân tán, không thể áp dụng máy chặt khúc.
- Thu hoạch mía nguyên cây một giai đoạn: Phù hợp với phần lớn điều kiện canh tác tại Việt Nam. Máy thực hiện đồng thời các khâu cắt gốc, cắt ngọn, bóc lá và xả thân mía vào thùng chứa.
Khoảng trống nghiên cứu then chốt xuất phát từ khâu xử lý ngọn và lá: ngọn và lá mía chiếm 14–15% tổng sinh khối trên mặt đất. Ngọn mía chứa chữ đường rất thấp (chỉ từ 1,873 đến 8,634 CCS tùy tháng tuổi) và chiếm tới 60% tổng lượng tạp chất; cứ 1% tạp chất lẫn vào nguyên liệu sẽ làm thất thoát 0,202% lượng đường thu hồi. Việc sử dụng cơ cấu cắt ngọn lắp phía trước máy thu hoạch gặp trở ngại lớn do chiều cao cây mía trên đồng ruộng không đồng đều và địa hình mấp mô, dẫn đến cắt sai vị trí, gây tổn thất khoảng 4 tấn mía/ha hoặc bỏ sót ngọn. Do đó, việc tích hợp chức năng tách lá và bẻ ngọn ngay bên trong buồng làm sạch của máy thu hoạch mía nguyên cây là yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.
Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng cơ sở khoa học của quá trình bẻ ngọn và tách lá mía; lựa chọn nguyên lý, kết cấu và xác định các thông số chính của bộ phận công tác ảnh hưởng đến chất lượng mía thu hoạch và chi phí năng lượng riêng, làm cơ sở thiết kế, chế tạo bộ phận tách ngọn và lá ứng dụng trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây một giai đoạn.
Nội dung nghiên cứu (đánh số theo văn bản)
- ND1: Xác định nguyên lý làm việc của bộ phận bẻ ngọn và tách lá mía.
- ND2: Xây dựng mô hình lý thuyết, xác định ảnh hưởng của một số thông số chính đến hiệu quả của quá trình tách ngọn và lá mía (mô hình động lực học biến dạng uốn ngọn mía, khảo sát ứng suất bẻ ngọn, mô hình toán học mô tả chuyển động bay của thân mía sau khi ra khỏi buồng làm sạch).
- ND3: Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố nhằm xác định ảnh hưởng của các thông số chính đến các chỉ tiêu làm việc trên mô hình thiết bị thí nghiệm.
- ND4: Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố và xác định bộ thông số tối ưu của quá trình tách ngọn và lá mía.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Quá trình tách ngọn và lá mía trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây một giai đoạn dưới tác động của các thông số kết cấu (đường kính quả lô, số thanh bắt răng bóc, khoảng cách giữa các lô), thông số vật liệu (loại vật liệu làm răng bóc), thông số động học (vận tốc góc, tốc độ vòng quay của các quả lô) và thông số chế độ làm việc (lượng cấp liệu, vận tốc cấp liệu).
- Phạm vi nghiên cứu:
- Xét cây mía ở trạng thái tiêu biểu trên một đoạn thẳng; ngọn mía có tiết diện tròn, đường kính đồng đều; thân và ngọn mía được coi là vật liệu liên tục và đẳng hướng.
- Bỏ qua trường hợp thân mía bị cong và hiện tượng trượt của cây mía trong quá trình các quả lô kẹp kéo di chuyển.
- Đối tượng cây mía thực nghiệm: giống mía Roc 22.
- Kế thừa các thông số cơ lý ngọn lá, khe hở lô kẹp và đường kính lô từ các công bố trước.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước đây
Luận án đã tổng quan 103 tài liệu tham khảo (35 tiếng Việt, 49 tiếng Anh, 9 tiếng Nga, Bungari và tài liệu khác), phân thành các nhóm chính:
-
Nghiên cứu đặc tính cơ lý của thân, ngọn và lá mía:
- Mou và cộng sự (2013) [80]: Xác định độ bền cơ học của bẹ lá mía theo 6 dóng từ ngọn xuống gốc. Giá trị ứng suất kéo dọc cực đại đạt $\sigma_{kd} = 28,19\text{ MPa}$, ứng suất kéo ngang cực đại $\sigma_{kn} = 0,90\text{ MPa}$, và ứng suất cắt cực đại $\tau_c = 7,13\text{ MPa}$ ở độ ẩm bẹ lá trên 45%.
- Các nhà nghiên cứu tại Ấn Độ [70]: Xác định ứng suất uốn tới hạn của ngọn giống Co1148 là $9,24\text{ MPa}$; lực tách bẹ lá nâu là $21\text{ N}$ (Co1148) và $28,61\text{ N}$ (CoJ 84); lực phá vỡ liên kết bẹ và phiến lá xanh là $45,56\text{ N}$ (Co1148) và $22,63\text{ N}$ (CoJ 64).
- Các nghiên cứu tại Ai Cập [64]: Lực tách bẹ lá cực đại ở phần ngọn ($135,7\text{ N}$), phần giữa ($119,6\text{ N}$), phần dưới ($65,4\text{ N}$); lực cắt thân mía phần ngọn là $265\text{ N}$ và lực phá vỡ thân mía phần ngọn là $235\text{ N}$.
- Nghiên cứu tại Thái Lan [65]: Ngọn mía có chiều dài trung bình $47,11\text{ cm}$, khối lượng $167,73\text{ g}$, đường kính $14,51\text{ mm}$, lực cắt cực đại $360,15 - 457,32\text{ N}$, hệ số ma sát tĩnh với cao su từ $0,54 - 0,66$ và thép đen từ $0,38 - 0,41$.
- Nghiên cứu tại Việt Nam: Nguyễn Huy Triều [1], Nguyễn Hoàng Triều [8], Viện Mía đường [28, 31], xác định kích thước bẹ, lá của các giống MI 55-177, QĐ 11, Roc 10, Roc 16, Viên Lâm 3, MY 55-14, QĐ 86-368, với tỷ lệ ngọn lá chiếm 14–15% khối lượng cây.
-
Nghiên cứu cơ cấu tách ngọn mía:
- Tách ngọn trước buồng làm sạch: Sáng chế US4008557 (1977) [75], nghiên cứu của Kroes (1997) [49] với trống quay dao cắt $150\text{ vg/ph}$, khe hở $20\text{ mm}$. Nhược điểm là phụ thuộc vào độ đồng đều chiều cao cây mía, gây thất thoát trung bình $4\text{ tấn/ha}$ [62].
- Tách ngọn trong buồng làm sạch: Phương pháp băm khúc kết hợp quạt hút (tỷ lệ tạp chất 7,26–11,21%) [47, 66]. Luxin Xie và cộng sự [59] nghiên cứu thiết bị bẻ ngọn theo nguyên lý uốn biến dạng toàn bộ thân cây với các thông số: tốc độ lô cấp $305\text{ vg/ph}$, tốc độ lô bẻ ngọn $520\text{ vg/ph}$, góc nâng $14^\circ$, khe hở cánh $10\text{ mm}$, đạt tỷ lệ gãy ngọn 85%, tỷ lệ thân không gãy 83% (tỷ lệ gãy thân ngoài ý muốn là 17%), chi phí năng lượng $690\text{ W}$, lực bẻ gãy $807,68\text{ N}$.
-
Nghiên cứu cơ cấu tách lá mía:
- Meng Yanmei và cộng sự (Trung Quốc) [69, 83]: So sánh vật liệu răng bóc, chỉ ra răng bằng vật liệu cao phân tử cho ứng suất cực đại $\sigma_{max} = 17,62\text{ MPa}$, lực va đập $F_{ymax} = 25,01\text{ N}$, làm việc bền hơn cáp thép ($\sigma_{max} = 28,03\text{ MPa}$) và cao su ($\sigma_{max} = 14,52\text{ MPa}$). Thông số kết cấu tối ưu: chiều dài răng $l_c = 125\text{ mm}$, góc xoắn $\beta = 20^\circ$, số hàng răng $m_z = 4$, độ sâu đan xen $h_x = 4\text{ mm}$, góc trước $\alpha = 0^\circ$, tốc độ quay lô bóc từ $1.000 - 1.200\text{ vg/ph}$.
- Tạ Hanh (Việt Nam) [12]: Khảo sát động học và thực nghiệm bộ phận bóc lá bằng răng cáp thép với các thông số tối ưu: bán kính lô bóc $R_1 = 250\text{ mm}$, khoảng cách $h = 170\text{ mm}$, tốc độ lô bóc $n_b = 873\text{ vg/ph}$, tốc độ lô rút $n_r = 267\text{ vg/ph}$, vận tốc cấp $V = 3,5\text{ m/s}$, chiều dài răng $l_c = 98\text{ mm}$, năng suất cấp $q = 4,9\text{ kg/s}$, đạt chi phí năng lượng riêng $N_e = 971\text{ Ws/kg}$, tỷ lệ sót lá $\le 5%$, tổn thương cây $\le 1%$.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Các nghiên cứu tách lá trước đây đều thực hiện trên giả thiết cây mía đã được cắt bỏ ngọn từ trước. Ngược lại, nghiên cứu bẻ ngọn của Xie [59] lại uốn toàn bộ thân cây gây tỷ lệ gãy thân cao (17%) và chưa tích hợp làm sạch lá. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: kết hợp đồng thời hai chức năng tách lá và bẻ ngọn cục bộ tại điểm sinh trưởng của ngọn trong cùng một buồng làm sạch, áp dụng cho máy thu hoạch mía nguyên cây một giai đoạn.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
- Động học quá trình bóc lá: Luận án sử dụng lý thuyết hình học tiếp xúc và động học cơ cấu quay để mô tả quỹ đạo đầu răng bóc, thiết lập công thức tính chiều dài đường quét ($L_q$) và hệ số quét lặp ($\psi$).
- Động lực học quá trình bẻ ngọn mía: Mô hình hóa ngọn mía như một dầm công-xôn đàn hồi (mô hình ngàm tại vị trí cặp lô kẹp), chịu tác dụng đồng thời của lực uốn do răng công tác kéo bó lá non và lực va đập trực tiếp từ đỉnh thanh bắt răng. Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả biến dạng tĩnh và động, mô men uốn $M(s,t)$, lực cắt $Q(s,t)$, lực dọc trục $N(s,t)$ và ứng suất uốn cực đại $\sigma_{max}$.
- Cơ học chuyển động vật thể bay: Xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động 2D của thân mía sau khi rời khỏi quả lô cuối cùng dưới tác dụng của trọng lực và lực cản khí động học ($F_{g\eta}, F_{g\tau}$).
Phương pháp nghiên cứu thực tế
- Phương pháp giải tích và phương pháp số: Giải hệ phương trình vi phân động lực học phi tuyến mô tả biến dạng ngọn mía và quỹ đạo bay bằng thuật toán số lặp trên máy tính.
- Phương pháp thực nghiệm:
- Mô hình thí nghiệm: Gồm 02 mô đun liên hoàn đặt trên khung giá đỡ: Mô đun 1 (tách lá) gồm các cặp lô kẹp và lô bóc; Mô đun 2 (bẻ ngọn) gồm cặp lô kẹp và lô bẻ ngọn chuyên dụng. Hệ dẫn động điều khiển độc lập vận tốc vòng quay bằng biến tần.
- Phương pháp đơn yếu tố: Khảo sát lần lượt 4 thông số: vận tốc cấp liệu ($V_k$), chỉ số động học ($\lambda = \omega_b/\omega_k$), mật độ mía trong buồng ($q$), khoảng cách tâm lô bẻ ngọn ($L_m$).
- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố: Sử dụng ma trận quy hoạch trực giao bậc hai hợp thành $B_4$ (Box-Hunter) với 4 yếu tố vào ($X_1 = V_k$, $X_2 = \lambda$, $X_3 = q$, $X_4 = L_m$).
- Kỹ thuật phân tích hồi quy & thống kê:
- Kiểm tra tính thuần nhất phương sai bằng tiêu chuẩn Cochran/Bartlett.
- Xác định các hệ số hồi quy của mô hình đa thức bậc hai.
- Kiểm tra mức ý nghĩa của hệ số hồi quy bằng tiêu chuẩn Student ($t$).
- Kiểm tra tính tương thích của mô hình toán bằng tiêu chuẩn Fisher ($F$).
- Phương pháp tối ưu hóa: Đưa phương trình hồi quy về dạng chính tắc để phân tích hình thái bề mặt đáp ứng và giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu tìm cực trị có điều kiện bằng phương pháp thương lượng.
Nguồn tư liệu và dụng cụ đo đạc
- Cây mía thực nghiệm: Giống mía Roc 22 lấy từ vùng nguyên liệu, bảo đảm các chỉ tiêu cơ lý.
- Thiết bị đo lường: Cảm biến lực, đồng hồ đo tốc độ vòng quay kỹ thuật số, thiết bị đo công suất và điện năng tiêu thụ, cân điện tử kỹ thuật, thước đo cơ khí, camera ghi nhận chuyển động.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 1 hệ thống hóa các đặc tính sinh học, cơ lý của cây mía và phân tích toàn diện các công trình nghiên cứu về máy thu hoạch mía trong và ngoài nước.
Đặc tính sinh học và cơ lý của mía
- Sinh khối ngọn mía chiếm 14–15% trọng lượng cây. Thành phần hóa học của ngọn mía khô gồm: $91,5%$ chất hữu cơ, $33,5%$ xơ thô, $5,9%$ protein thô, $1,7%$ mỡ thô, $50,3%$ dẫn xuất không đạm và $8,5%$ khoáng chất.
- Chữ đường (CCS) của ngọn mía biến thiên tăng dần từ tháng thứ 6 đến tháng thứ 10 ($3,006 - 8,634\text{ CCS}$), nhưng luôn thấp hơn nhiều so với phần giữa ($6,275 - 11,097\text{ CCS}$) và phần gốc ($8,057 - 11,302\text{ CCS}$).
- Tổng hợp độ bền cơ lý của các giống mía phổ biến tại Việt Nam và trên thế giới:
| Thông số cơ học |
Vị trí / Đối tượng |
Giá trị đo |
| Ứng suất kéo dọc bẹ lá ($\sigma_{kd}$) |
Dóng 1–4 (độ ẩm 45–70%) |
$28,19\text{ MPa}$ |
| Ứng suất kéo ngang bẹ lá ($\sigma_{kn}$) |
Dóng 1–4 |
$0,90\text{ MPa}$ |
| Ứng suất cắt bẹ lá ($\tau_c$) |
Dóng 1–4 |
$7,13\text{ MPa}$ |
| Ứng suất uốn giới hạn ngọn |
Giống Co1148 |
$9,24\text{ MPa}$ |
| Giới hạn uốn thân cây |
Phần dưới thân mía |
$46,5\text{ MPa}$ |
| Mô đun đàn hồi uốn |
Phần dưới thân mía |
$1.172\text{ MPa}$ |
| Lực cắt đứt ngọn mía |
Độ ẩm 23,40–73,91% |
$360,15 - 457,32\text{ N}$ |
Đề xuất nguyên lý bộ phận bẻ ngọn và tách lá
Tác giả đề xuất sơ đồ nguyên lý làm việc kết hợp hai mô đun:
- Mô đun tách lá: Thân mía được đưa vào theo chiều gốc đi trước nhờ cặp lô kẹp. Lô bóc mang răng quay với vận tốc góc lớn chà xát và bóc tách các lá già, lá khô dọc theo thân.
- Mô đun bẻ ngọn: Khi phần ngọn đi đến lô bẻ ngọn, do bẹ lá non ở ngọn ôm rất chặt thân nên răng bóc cuốn lá non kéo gập về phía sau, kết hợp với cặp lô kẹp giữ chặt thân tạo thành ngàm uốn. Nếu lực kéo lá chưa đủ làm gãy, ngọn mía bị uốn cong sẽ đi vào quỹ đạo va đập của đỉnh thanh bắt răng công tác. Tác động va đập uốn cục bộ tại điểm sinh trưởng sẽ bẻ gãy dứt điểm phần ngọn mà không làm nứt vỡ thân mía.
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày chi tiết phương pháp xây dựng mô hình lý thuyết, thiết kế hệ thống thử nghiệm và phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố.
Cấu tạo mô hình thực nghiệm
Mô hình thử nghiệm gồm:
- Khung máy định vị các cụm trục lô.
- Hệ thống quả lô kẹp dẫn hướng (đường kính $R_k$, vận tốc dài $V_k$).
- Hệ thống quả lô bóc lá mang các hàng răng cao su/cao phân tử.
- Cụm lô bẻ ngọn bố trí cách cụm lô kẹp một khoảng cách điều chỉnh được $L_m$.
- Động cơ điện và các bộ biến tần điều khiển tốc độ quay độc lập của từng trục lô.
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng và chi phí
- Tỷ lệ tạp chất ($Y_1$, đơn vị ‰):
$$Y_1 = \frac{G_1 - G_2}{G_1} \times 1000$$
(Trong đó: $G_1$ là tổng khối lượng mía sau khi ra khỏi buồng công tác; $G_2$ là khối lượng mía đã được làm sạch tạp chất ngọn và lá).
- Tỷ lệ tổn thất mía ($Y_2$, đơn vị ‰):
$$Y_2 = \frac{G_g}{G_T} \times 1000$$
(Trong đó: $G_g$ là khối lượng mía bị gãy dập, rơi vãi ngoài ý muốn; $G_T$ là khối lượng thân cây đưa vào).
- Mức chi phí năng lượng riêng ($N_e$, đơn vị Ws/kg): Xác định thông qua công suất tiêu thụ điện đo được trên hệ thống chia cho lưu lượng mía xử lý.
Ma trận quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố $B_4$
Bố trí thí nghiệm 4 yếu tố vào gồm:
- $X_1$: Vận tốc cấp liệu $V_k$ ($\text{m/s}$).
- $X_2$: Chỉ số động học $\lambda = \omega_b / \omega_k$.
- $X_3$: Mật độ mía trong buồng công tác $q$ ($\text{kg/m}^2$).
- $X_4$: Khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến lô kẹp $L_m$ ($\text{mm}$).
Chương 3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định một số thông số của bộ phận tách ngọn và lá mía
Chương 3 tập trung giải quyết các bài toán giải tích và mô phỏng số về động học răng bóc, động lực học uốn gãy ngọn và cơ học bay của thân mía.
Nghiên cứu động học răng bóc lá
Thiết lập biểu thức xác định chiều dài quét $L_q$ của một răng bóc lên thân mía:
$$L_q = 2\sqrt{R_1^2 - h^2} + \frac{2V_k}{\omega_b} \arcsin\left(\frac{\sqrt{R_1^2 - h^2}}{R_1}\right)$$
(Trong đó: $R_1$ là bán kính đỉnh răng bóc; $h$ là khoảng cách từ thân mía đến tâm trục lô bóc).
Hệ số quét lặp $\psi$ xác định tần suất tác động của các hàng răng lên một đơn vị chiều dài thân mía:
$$\psi = \frac{m_z \cdot \omega_b}{V_k} \left[\sqrt{R_1^2 - h^2} + \frac{V_k}{\omega_b} \arcsin\left(\frac{\sqrt{R_1^2 - h^2}}{R_1}\right)\right]$$
Kết quả khảo sát chỉ ra rằng để bóc sạch bẹ lá, chiều dài quét $L_q$ phải lớn hơn hoặc bằng chiều dài một dóng mía ($100 - 180\text{ mm}$), và hệ số quét lặp $\psi$ phải đạt giá trị đủ lớn thông qua việc tăng chỉ số động học $\lambda$.
Nghiên cứu động lực học quá trình bẻ ngọn
Xây dựng mô hình phân tố ngọn mía chiều dài $ds$, khối lượng $dm$, tiết diện $A$, chịu mô men uốn $M$, lực cắt $Q$, lực dọc $N$, lực phân bố $dP$ từ đỉnh thanh bẻ ngọn và lực kéo lá non $F_l$:
$$\frac{\partial Q}{\partial s} - N \frac{\partial \theta}{\partial s} - \rho_m A a_y + dP \cos\gamma = 0$$
$$\frac{\partial N}{\partial s} + Q \frac{\partial \theta}{\partial s} - \rho_m A a_x + dP \sin\gamma = 0$$
$$\frac{\partial M}{\partial s} - Q + J_m \frac{\partial^2 \theta}{\partial t^2} = 0$$
Điều kiện bẻ gãy ngọn mía:
$$\sigma_{max} = \frac{|M_{max}|}{W_x} + \frac{|N|}{A} \ge [\sigma_u]$$
(Trong đó $[\sigma_u]$ là ứng suất uốn tới hạn của ngọn mía, xấp xỉ $9,24\text{ MPa}$).
Mô phỏng số trên máy tính xác định quy luật biến thiên mô men uốn và góc quay của thanh bẻ ngọn: Ứng suất uốn cực đại xuất hiện cục bộ tại vị trí tiết diện ngàm lân cận điểm sinh trưởng của ngọn khi góc quay của thanh bẻ ngọn đạt từ $45^\circ - 65^\circ$, bảo đảm bẻ gãy ngọn hoàn toàn mà không truyền ứng suất phá hủy xuống các dóng thân bên dưới.
Nghiên cứu chuyển động bay của thân mía sau buồng làm sạch
Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả quỹ đạo khối tâm $(x_M, y_M)$ và góc nghiêng $\theta_m$ của thân cây mía sau khi thoát khỏi cặp lô cuối:
$$m \frac{d^2 x_M}{dt^2} = - F_{g\tau} \cos\theta_m - F_{g\eta} \sin\theta_m$$
$$m \frac{d^2 y_M}{dt^2} = - m g - F_{g\tau} \sin\theta_m + F_{g\eta} \cos\theta_m$$
$$J_m \frac{d^2 \theta_m}{dt^2} = M_c$$
Kết quả mô phỏng quỹ đạo bay cho phép xác định chính xác kích thước cửa xả và góc đặt máng hứng, ngăn ngừa hiện tượng mía bị va đập quay ngược lại gây kẹt buồng công tác.
Chương 4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
Chương 4 trình bày kết quả thực nghiệm đơn yếu tố, thực nghiệm đa yếu tố theo ma trận $B_4$, tối ưu hóa các hàm mục tiêu và thử nghiệm trên máy liên hợp thu hoạch mía ngoài đồng ruộng.
Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố
- Ảnh hưởng của vận tốc cấp liệu $V_k$ ($2,5 - 4,5\text{ m/s}$): Khi tăng $V_k$, năng suất làm việc tăng nhưng thời gian răng bóc tác dụng lên thân giảm, dẫn đến tỷ lệ tạp chất $Y_1$ tăng từ $18,2‰$ lên $32,6‰$, tỷ lệ tổn thất $Y_2$ giảm nhẹ rồi tăng, chi phí năng lượng riêng $N_e$ giảm dần.
- Ảnh hưởng của chỉ số động học $\lambda$ ($5,0 - 9,0$): Khi tăng $\lambda$, tần suất quét răng tăng làm tỷ lệ tạp chất $Y_1$ giảm rõ rệt (từ $35,4‰$ xuống $16,8‰$), tỷ lệ bẻ gãy ngọn tăng; tuy nhiên tỷ lệ tổn thất thân $Y_2$ tăng và chi phí năng lượng $N_e$ tăng theo hàm bậc hai.
- Ảnh hưởng của mật độ mía $q$ ($4,0 - 12,0\text{ kg/m}^2$): Mật độ cấp liệu cao làm giảm khả năng tiếp xúc của răng bóc với từng cây, dẫn đến $Y_1$ tăng, nhưng chi phí năng lượng riêng $N_e$ tính trên một đơn vị khối lượng mía lại giảm.
- Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn $L_m$ ($350 - 550\text{ mm}$): $L_m$ quyết định cánh tay đòn uốn ngọn. Khi $L_m$ quá nhỏ, ngọn chưa kịp uốn vào vùng va đập; khi $L_m$ quá lớn, ngọn bị uốn trượt khỏi đỉnh thanh. Vùng giá trị thích hợp nằm trong khoảng $420 - 480\text{ mm}$.
Kết quả quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố $B_4$
Sau khi xử lý số liệu, loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student ($t$) và kiểm tra tính tương thích theo tiêu chuẩn Fisher ($F$), luận án thu được 3 phương trình hồi quy dạng thực nghiệm:
- Hàm tỷ lệ tạp chất ($Y_1$, ‰):
$$Y_1 = 20,45 + 3,12 X_1 - 4,85 X_2 + 2,74 X_3 - 1,86 X_4 + 1,52 X_1^2 + 2,18 X_2^2 + 1,14 X_3^2 + 1,65 X_4^2 - 1,22 X_1 X_2 + 0,95 X_2 X_4$$
- Hàm tỷ lệ tổn thất mía ($Y_2$, ‰):
$$Y_2 = 12,30 + 1,45 X_1 + 2,68 X_2 + 0,85 X_3 + 1,12 X_4 + 0,98 X_1^2 + 1,54 X_2^2 + 0,72 X_4^2 + 0,88 X_1 X_2$$
- Hàm chi phí năng lượng riêng ($N_e$, Ws/kg):
$$N_e = 845,6 + 42,3 X_1 + 115,8 X_2 - 58,4 X_3 + 31,2 X_4 + 28,5 X_1^2 + 45,2 X_2^2 + 36,4 X_3^2 + 18,6 X_1 X_2$$
(Ghi chú: Các yếu tố mã hóa $X_1, X_2, X_3, X_4$ tương ứng với $V_k, \lambda, q, L_m$).
Kết quả tối ưu hóa thông số làm việc
Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp thỏa hiệp có điều kiện (với các ràng buộc kỹ thuật: $Y_1 \le 20‰$, $Y_2 \le 15‰$, $N_e \to \min$), luận án xác định được bộ thông số tối ưu:
| Thông số |
Ký hiệu |
Giá trị thực nghiệm tối ưu |
| Vận tốc cấp liệu |
$V_k$ |
$3,45\text{ m/s}$ |
| Chỉ số động học |
$\lambda$ |
$7,20$ |
| Mật độ mía trong buồng |
$q$ |
$7,85\text{ kg/m}^2$ |
| Khoảng cách tâm lô bẻ ngọn |
$L_m$ |
$452\text{ mm}$ |
Tại điểm tối ưu này, các chỉ tiêu chất lượng đạt được:
- Tỷ lệ tạp chất: $Y_1 = 18,62‰$ (tương đương $1,86%$).
- Tỷ lệ tổn thất mía: $Y_2 = 11,45‰$ (tương đương $1,15%$).
- Chi phí năng lượng riêng: $N_e = 812,4\text{ Ws/kg}$.
Kết quả ứng dụng trên máy liên hợp thu hoạch mía SHC-0,2A
Bộ thông số tối ưu đã được ứng dụng thiết kế, chế tạo bộ phận bẻ ngọn và tách lá trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây SHC-0,2A (thuộc Dự án sản xuất thử nghiệm cấp nhà nước DAĐL.11/15). Kết quả thử nghiệm thực tế tại vùng mía nguyên liệu Sơn La (năm 2019) cho thấy:
- Máy làm việc ổn định, không xảy ra hiện tượng tắc nghẽn buồng công tác.
- Tỷ lệ tách sạch lá và ngọn đạt trên $96,5%$.
- Tỷ lệ tạp chất trong mía nguyên liệu đạt dưới $2,5%$.
- Tỷ lệ tổn thất mía dưới $1,8%$.
- Năng suất thu hoạch đạt $0,18 - 0,22\text{ ha/h}$, đáp ứng tốt các yêu cầu kinh tế - kỹ thuật đề ra.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về lý luận và khoa học
- Đề xuất nguyên lý mới về việc kết hợp đồng thời hai chức năng tách lá và bẻ ngọn cục bộ tại điểm sinh trưởng ngọn mía ngay trong buồng làm sạch của máy thu hoạch mía nguyên cây.
- Xây dựng thành công mô hình động lực học biến dạng uốn ngọn mía dưới tác dụng đồng thời của lực kéo lá và lực va đập cơ học; xác định điều kiện ứng suất uốn cực đại phục vụ tính toán bẻ gãy ngọn.
- Thiết lập mô hình toán học mô tả quỹ đạo chuyển động bay của thân mía sau khi ra khỏi buồng làm sạch, làm cơ sở khoa học để xác định kết cấu cửa xả và bố trí cụm quả lô cuối.
- Xác lập hệ thống phương trình hồi quy thực nghiệm mô tả tương quan giữa các thông số kết cấu - chế độ làm việc ($V_k, \lambda, q, L_m$) với các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật ($Y_1, Y_2, N_e$).
Đóng góp mới về thực tiễn
- Cung cấp bộ số liệu thông số tối ưu ($V_k = 3,45\text{ m/s}$; $\lambda = 7,20$; $q = 7,85\text{ kg/m}^2$; $L_m = 452\text{ mm}$) dùng cho thiết kế, chế tạo buồng làm sạch mía nguyên cây.
- Ứng dụng hoàn thiện chế tạo thành công máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây SHC-0,2A, vận hành hiệu quả trong sản xuất thực tế tại Sơn La.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Đề nghị ứng dụng bộ thông số công nghệ của luận án vào việc chuẩn hóa thiết kế các dòng máy thu hoạch mía nguyên cây một giai đoạn cỡ nhỏ và vừa phục vụ các vùng nguyên liệu mía có địa hình dốc, manh mún tại Việt Nam.
- Kiến nghị tiếp tục hoàn thiện công nghệ chế tạo răng bóc bằng vật liệu polyme chất lượng cao để tăng tuổi thọ làm việc trong điều kiện chà xát liên tục.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án
- Các mô hình tính toán lý thuyết mới chỉ xét cho thân mía thẳng, tiết diện tròn đều và vật liệu liên tục đẳng hướng; chưa tính đến trường hợp thân cây mía bị cong queo do đổ ngã tự nhiên.
- Mô hình lý thuyết bỏ qua hiện tượng trượt tương đối giữa thân mía và bề mặt quả lô kẹp.
- Thực nghiệm kiểm chứng đa yếu tố chủ yếu tập trung trên một giống mía đại diện (Roc 22).
Hạn chế và hướng phát triển tiếp theo
- Mở rộng mô hình động lực học ngọn mía cho các trường hợp cây mía có độ cong thân lớn và tiết diện thay đổi bất đối xứng.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng trượt động học giữa quả lô và thân cây mía trong điều kiện độ ẩm đồng ruộng thay đổi.
- Thử nghiệm mở rộng trên nhiều giống mía công nghiệp khác nhau có đặc tính cơ lý bẹ lá và ngọn sai khác (như QĐ 11, Roc 10, Roc 16, Viên Lâm 3).
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo giá trị cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Nông nghiệp: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình vi phân động lực học đàn hồi cho nông sản dạng thanh cọng (Chương 3) và quy trình quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố $B_4$ xử lý bài toán tối ưu hóa cơ cấu máy (Chương 2, Chương 4).
- Kỹ sư thiết kế và các viện nghiên cứu máy nông nghiệp: Ứng dụng trực tiếp các công thức tính toán chiều dài quét ($L_q$), hệ số quét lặp ($\psi$), mô hình quỹ đạo bay và bộ thông số kích thước kết cấu ($L_m$, đường kính lô, số hàng răng) để thiết kế buồng làm sạch máy thu hoạch mía.
- Doanh nghiệp mía đường và cơ sở chế tạo cơ khí: Sử dụng tài liệu để cải tiến, nội địa hóa các cụm chi tiết bóc lá và bẻ ngọn cho máy thu hoạch mía nguyên cây nhằm giảm tỷ lệ tạp chất và thất thoát đường.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao cần bẻ ngọn mía trong buồng làm sạch thay vì dùng cơ cấu cắt ngọn lắp phía trước máy?
Cơ cấu cắt ngọn phía trước máy khó điều chỉnh chính xác do cây mía trên đồng ruộng có chiều cao không đồng đều và địa hình mấp mô. Việc này thường dẫn đến cắt sót ngọn (làm tăng tạp chất) hoặc cắt phạm sâu vào thân mía (gây tổn thất năng suất trung bình khoảng $4\text{ tấn/ha}$). Bẻ ngọn trong buồng làm sạch lợi dụng chính sự khác biệt cơ lý tại điểm sinh trưởng của ngọn để uốn gãy chính xác, hạn chế tổn thất thân mía.
2. Nguyên lý uốn gãy ngọn mía cục bộ trong luận án khác gì so với nghiên cứu của Xie và cộng sự (2012)?
Nghiên cứu của Xie và cộng sự tạo biến dạng uốn trên toàn bộ chiều dài thân cây mía, dẫn đến tỷ lệ thân mía bị gãy dập đoạn ngoài ý muốn lên tới $17%$. Ngược lại, nguyên lý của luận án sử dụng cặp lô kẹp giữ chặt thân như một khớp ngàm và chỉ tạo lực uốn cục bộ tại điểm sinh trưởng của ngọn nhờ lực kéo bẹ lá non kết hợp va đập của đỉnh thanh bắt răng, giữ cho toàn bộ phần thân mía bên dưới nguyên vẹn (tổn thất chỉ $1,15%$).
3. Răng bóc bằng vật liệu nào cho hiệu quả làm việc tốt nhất?
Theo các kết quả tổng quan và thực nghiệm, răng bóc bằng vật liệu cao phân tử (polyme) cho hiệu quả tối ưu nhờ dung hòa được độ bền và độ mềm dẻo: ứng suất cực đại đạt $17,62\text{ MPa}$, lực va đập $F_{ymax} = 25,01\text{ N}$, ít làm tổn thương vỏ thân mía hơn cáp thép ($28,03\text{ MPa}$, $F_{ymax} = 29,26\text{ N}$) và có tuổi thọ cao hơn vật liệu cao su.
4. Bộ thông số làm việc tối ưu của bộ phận tách ngọn và lá mía được xác định là bao nhiêu?
Các thông số tối ưu gồm:
- Vận tốc cấp liệu của lô kẹp: $V_k = 3,45\text{ m/s}$.
- Chỉ số động học: $\lambda = \omega_b / \omega_k = 7,20$.
- Mật độ mía trong buồng: $q = 7,85\text{ kg/m}^2$.
- Khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến lô kẹp: $L_m = 452\text{ mm}$.
Bộ thông số này cho tỷ lệ tạp chất $Y_1 = 1,86%$, tỷ lệ tổn thất $Y_2 = 1,15%$ và chi phí năng lượng riêng $N_e = 812,4\text{ Ws/kg}$.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của NCS. Nguyễn Đức Thật đã giải quyết trọn vẹn vấn đề khoa học và thực tiễn trong việc tích hợp cơ cấu tách lá và bẻ ngọn mía cục bộ trên máy liên hợp thu hoạch mía nguyên cây một giai đoạn. Tác giả đã thiết lập thành công hệ thống cơ sở lý thuyết động học, động lực học biến dạng uọn ngọn và mô hình bay của thân mía sau buồng công tác. Thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố $B_4$, luận án đã xác định chính xác bộ thông số làm việc tối ưu ($V_k = 3,45\text{ m/s}$, $\lambda = 7,20$, $q = 7,85\text{ kg/m}^2$, $L_m = 452\text{ mm}$), giúp giảm tỷ lệ tạp chất xuống $1,86%$ và tổn thất mía xuống $1,15%$. Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng thành công trên máy liên hợp thu hoạch mía SHC-0,2A trong sản xuất thực tế tại Sơn La, đóng góp thiết thực cho quá trình cơ giới hóa ngành mía đường tại Việt Nam.
