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 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.
TỔNG QUAN VỀ MÁY BĂM THÂN CÂY NÔNG NGHIỆP 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. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nƣớc 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.
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. 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 có thể thấy xu hướng tăng về năng suất và phát triển các giống ngô lai.
Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 1990-2017 Năm Diện tích Năng suất hạt Sản lƣợng Diện tích ngô lai (1.131,9 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].
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).1 mô tả các thông tin cơ bản về cấu trúc thân cây ngô.
Đặc tính cấu trúc thân cây ngô Một số đặc điểm của cây ngô Việt Nam được trình bày trong Bảng 1. 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/mm ) 2 (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. 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 105 0C. 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. 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].
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. 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 282.32 kg/m3 theo công thức (1.
2) c V Trong đó: c – Khối lượng riêng của mẫu thí nghiệm (kg/m3) 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. 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. 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.
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. 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.
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.5 trình bày giá trị hệ số ma sát tĩnh của các thành phần cây ngô với các vật liệu khác [11]. 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.