MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Mía là cây công nghiệp trọng điểm ở Việt Nam và một số quốc gia khác [10, 13, 34, 48], có lượng sinh khối lớn cần phải xử lý khi thu hoạch. Niên vụ 2020-2021 tổng diện tích trồng mía cả nước đạt 165,9 nghìn ha, phân bố dàn trải từ Bắc đến Nam, tổng sản lượng mía đạt trên 10,741 triệu tấn [4]. Để thu hoạch mỗi ha cần 8501.500h lao động thủ công [42].
Phần ngọn mía có tỷ lệ đường rất thấp, nếu còn lẫn trong mía nguyên liệu chúng sẽ là tạp chất làm giảm tỷ lệ thu hồi đường khi chế biến. Vì thế cần loại bỏ ngọn và lá mía trong quá trình thu hoạch trước khi đưa về nhà máy đường. Đây là khâu tốn công lao động và khó thực hiện trên các máy THM hiện nay [68]. Đó là một trong những nguyên nhân khiến chi phí sản xuất mía, đường của Việt Nam cao làm giảm tính cạnh tranh của cây mía.
Từ năm 2015 đến nay diện tích và sản lượng mía giảm dần qua hàng năm. Năm 2021 diện tích trồng mía chỉ còn bằng 89,5% so với 2015 và sản lượng chỉ còn 93,1% [30]. Hiện nay công nghệ THM được tiến hành theo hai phương thức: THM chặt khúc và THM nguyên cây. Thu hoạch mía chặt khúc được thực hiện bởi các máy liên hợp có cấu tạo phức tạp, tính đồng bộ cao, kích thước và khối lượng máy lớn, hiệu quả hoạt động của máy cao hơn khoảng 200 lần so với thủ công trong khi chi phí giảm 5570% [74].
Tuy nhiên để hoạt động hiệu quả yêu cầu qui mô đồng ruộng phải lớn, tập trung, hạ tầng giao thông tốt, đồng thời phải tổ chức phối hợp giữa thu hoạch và ép đường chặt chẽ [67]. Mía thu hoạch trong thời gian 24 tiếng phải được đưa vào ép để đảm bảo tỷ lệ thu hồi đường, tránh suy giảm chất lượng mía. Diện tích vùng nguyên liệu mía quy mô lớn, tập trung ở Việt Nam hiện nay chiếm dưới 30% tương ứng khoảng 40. Tổng diện tích mía còn lại 1 chiếm trên 70% là qui mô nhỏ lẻ nên không thể ứng dụng máy liên hợp THM chặt khúc.
Phương thức THM để nguyên cây được thực hiện theo hai phương pháp: Phương pháp thu hoạch nhiều giai đoạn và phương pháp thu hoạch một giai đoạn. - Phương pháp thu hoạch nhiều giai đoạn hiện nay không phổ biến vì quá trình thu hoạch vẫn sử dụng nhiều lao động thủ công thực hiện các công việc chuyển tiếp giữa các máy, chi phí thu hoạch còn cao. - Phương pháp thu hoạch một giai đoạn bằng máy liên hợp THM nguyên cây có lợi thế về năng suất so với phương thức nhiều giai đoạn, linh hoạt hơn so với các máy liên hợp THM chặt khúc, có khả năng thích ứng cao với phần lớn các vùng mía nguyên liệu tại Việt Nam. Máy liên hợp THM nguyên cây theo phương pháp một giai đoạn thực hiện các công đoạn: cắt ngọn; cắt gốc; làm sạch lá; xả mía vào thùng chứa.
Khối lượng lá và ngọn mía ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của bộ phận làm sạch và vận chuyển mía trong máy liên hợp THM, gây ra hiện tượng tắc, kẹt khi vận hành. Trong quá trình vận hành, việc loại bỏ ngọn mía bằng cơ cấu cắt ngọn lắp ở phía trước máy liên hợp THM khó thực hiện được do chiều cao cây mía không đồng đều. Do đó giải pháp loại bỏ ngọn mía trong bộ phận tách lá của máy liên hợp là phù hợp hơn cả. Muốn vậy cần phải có những nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm để xác định một số thông số chính của bộ phận thực hiện được hai chức năng tách ngọn và tách lá mía, làm cơ sở thiết kế máy liên hợp THM nguyên cây ứng dụng nguyên lý trên.
Xuất phát từ nhu cầu đó, việc thực hiện đề tài luận án: “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” là nội dung nghiên cứu có tính cấp thiết phù hợp với yêu cầu của thực tiễn sản xuất ở nước ta hiện nay và giai đoạn tới. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng được cơ sở khoa học của quá trình bẻ ngọn, tách lá mía; lựa chọn nguyên lý, kết cấu và xác định một số 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 để thiết kế, chế tạo bộ phận tách ngọn và lá mía ứng dụng trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là quá trình tách ngọn và lá mía trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn dưới tác động của các thông số nghiên cứu trực tiếp bao gồm: - Thông số về kết cấu: đường kính 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: tốc độ vòng quay của các quả lô; - Thông số chế độ làm việc: lượng cấp liệu, vận tốc cấp liệu; Các thông số không nêu ở đây, luận án kế thừa kết quả nghiên cứu của các công trình đã công bố và các yêu cầu của thực tế.
Phạm vi nghiên cứu - Các nghiên cứu tập trung vào xác định mô hình và các thông số chính ảnh hưởng đến việc tách ngọn và lá mía, với các giả thiết: + Xét cây mía ở trạng thái tiêu biểu, trong một đoạn thẳng, ngọn mía có hình tròn và đường kính đồng đều; ngọn, thân cây mía là vật liệu liên tục và đẳng hướng; + Bỏ qua trường hợp cây mía có thân cong; + Bỏ qua hiện tượng cây mía bị trượt trong quá trình được các quả lô của bộ phận tách lá, bẻ ngọn mía kéo đi; - Giống mía sử dụng nghiên cứu thực nghiệm: Roc 22; 3 - Không nghiên cứu lại các đặc tính, ảnh hưởng một số yếu tố đầu vào đã có công trình nghiên cứu trong và ngoài nước thực hiện, kế thừa một số thông số: đặc tính cơ, lý của ngọn lá mía, khe hở của lô kẹp, đường kính lô. Nội dung nghiên cứu ND1. Xác định nguyên lý làm việc của bộ phận bẻ ngọn, tách lá 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, tập trung vào: - Xây dựng mô hình động lực học biến dạng uốn của ngọn mía; - Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số lý thuyết đến ứng suất bẻ ngọn; - Xây dựng mô hình toán học mô tả chuyển động của thân mía khi đi ra khỏi bộ phận bẻ ngọn, tách lá.
Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố xác định ảnh hưởng của một số thông số chính đến quá trình tách ngọn và lá mía: - Tính toán thiết kế, chế tạo và đánh giá độ tin cậy của mô hình thiết bị thực nghiệm; - Nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố; ND4. Nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố và xác định giá trị tối ưu của các thông số theo một số chỉ tiêu chính của quá trình tách ngọn và lá mía. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5. Ý nghĩa khoa học - Đề xuất được nguyên lý mới cho cơ cấu bẻ ngọn mía trong bộ phận tách ngọn và lá trên máy liên hợp THM nguyên cây.
- Xây dựng được cơ sở lý thuyết để mô phỏng, khảo sát một số thông số kỹ thuật chính: Vận tốc cấp (Vk), chỉ số động học (), mật độ mía (q), khoảng cách tâm lô bẻ ngọn (Lm) ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình tách ngọn và lá mía thông qua các chỉ tiêu: tỷ lệ tạp chất (), tỷ lệ tổn thất () và chi phí năng lượng riêng (Ne). - Kết quả nghiên cứu bổ sung cơ sở dữ liệu về máy liên hợp THM và cũng là tài liệu tham khảo hữu ích trong lĩnh vực cơ khí nông nghiệp. Ý nghĩa thực tiễn - Góp phần hoàn thiện thiết kế và chế tạo máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. - Kết quả nghiên cứu bước đầu được ứng dụng để hoàn thiện thiết kế và chế tạo máy liên hợp THM nguyên cây SHC-0,2A, đây là một sản phẩm của dự án sản xuất thử nghiệm độc lập cấp nhà nước, mã số DAĐL.11/15, máy đã được vận hành trong thực tế sản xuất tại Sơn La (năm 2019).
Những đóng góp mới của luận án - Đề xuất nguyên lý bẻ ngọn mía trong bộ phận tách ngọn và lá trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. - Xây dựng được mô hình động lực học biến dạng uốn của ngọn mía để khảo sát ảnh hưởng của một số thông số lý thuyết làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo bộ phận bẻ ngọn, tách lá mía ứng dụng trên máy liên hợp THM. - Xây dựng được mô hình toán học mô tả chuyển động của thân mía khi đi ra khỏi bộ phận công tác. Kết quả giải bài toán, mô phỏng là cơ sở để lựa chọn thông số làm việc của quả lô cuối trong bộ phận bẻ ngọn và tách lá.
- Xác định được một số thông số chính trong bộ phận bẻ ngọn, tách lá mía ứng dụng trên máy liên hợp THM nguyên cây một giai đoạn. Cấu trúc của luận án Luận án gồm phần mở đầu và 4 chương được trình bày trong 148 trang không bao gồm tài liệu tham khảo và 6 phụ lục. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu - Chương 2. Phương pháp nghiên cứu - Chương 3.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xác định một số thông số của bộ phận tách ngọn và lá mía. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Luận án sử dụng 103 tài liệu tham khảo, bao gồm: 35 tài liệu tiếng Việt; 49 tài liệu tiếng Anh; 9 tài liệu tiếng Nga, Bungari và các tài liệu khác. 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.
Đặc điểm sinh học cây mía Mía là tên gọi chung của một số loài trong chi mía (Saccharum), bên cạnh các loại Lau, Lách. Chúng là cây công nghiệp hàng năm, thuộc tông Andropogoneae của họ Hòa thảo (Poaceae), bản địa khu vực nhiệt đới và ôn đới ấm. Chúng có thân to mập, chia đốt, chứa nhiều đường, cao từ 25m [2, 5, 14, 23, 29]. Cây mía bao gồm các bộ phận (hay các tổ chức) chính: rễ, thân, lá, hoa và hạt.
Mỗi bộ phận của cây mía đều có những chức năng riêng. Đối với sản xuất, chế biến, thân mía là đối tượng chủ yếu, là sản phẩm thu hoạch [95]. Do đó trong phạm vi nghiên cứu của luận án, chúng tôi chỉ xem xét kỹ đặc điểm của thân, ngọn và lá mía.