Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có diện tích canh tác lúa đứng thứ 6 trên thế giới, tập trung chủ yếu tại Đồng bằng sông Cửu Long, Đồng bằng sông Hồng và vùng Duyên hải miền Trung. Theo số liệu thống kê giai đoạn 1976 – 2002, năng suất lúa cả nước tăng liên tục từ 20,3 tạ/ha lên 45,5 tạ/ha; tổng sản lượng lúa tăng từ 19,5 triệu tấn (năm 1986) lên 34,1 triệu tấn (năm 2002), đưa Việt Nam thành nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới.

Tại Đồng bằng sông Cửu Long, nhu cầu lúa giống phục vụ gieo trồng hàng năm rất lớn. Trong quy trình chế biến và bảo quản sau thu hoạch, làm sạch là khâu kỹ thuật bắt buộc sau khi sấy nhằm nâng cao độ thuần khiết và tỷ lệ nảy mầm của hạt giống. Thực tế sản xuất thời điểm năm 2006 cho thấy các hệ thống máy làm sạch lúa giống nhập khẩu hoặc sản xuất trong nước tồn tại hai nhược điểm lớn: giá thành đầu tư cao (khoảng 54 triệu đồng đối với máy CL2) và lượng bụi phát tán ra môi trường xung quanh lớn.

Đề tài "Thiết kế, chế tạo, khảo nghiệm máy làm sạch lúa giống năng suất 1 tấn/giờ" được thực hiện tại Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh (khóa 2002 – 2006) dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Hùng Tâm.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Tổng hợp lý thuyết các phương pháp làm sạch và khảo sát, phân tích các mẫu máy hiện có (máy CL2 của Công ty Giống Miền Nam và mẫu máy thực nghiệm LSL-N600).
  2. Thực hiện các thí nghiệm cơ bản để xác định thông số cơ lý và khí động của hạt lúa (góc ma sát trên vật liệu chế tạo, vận tốc lơ lửng/vận tốc hút hạt lép lửng).
  3. Khảo nghiệm thực tế hệ thống máy làm sạch LSL-N600 (năng suất 600 kg/h) tại Trường Đại học Nông Lâm và Cơ sở Dịch vụ Kỹ thuật Nông nghiệp Cái Lậy (Tiền Giang).
  4. Tính toán thiết kế hoàn chỉnh hệ thống máy làm sạch lúa giống nâng công suất lên 1 tấn/giờ (bao gồm thùng rê khí động, quạt tách bụi Cyclofan, buồng lắng lửng, sàng lắc phẳng hai tầng, gàu tải và thiết bị lọc bụi túi vải).
  5. Thiết lập tập bản vẽ kỹ thuật (bản vẽ lắp và chi tiết) và ước tính giá thành chế tạo máy.

Đối tượng nghiên cứu là khối hạt lúa giống sau sấy và các cụm cơ cấu cơ khí phục vụ phân ly tạp chất. Phạm vi thực nghiệm và khảo sát thực tế diễn ra tại Xưởng Cơ khí Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM và Cơ sở Dịch vụ Kỹ thuật Nông nghiệp Cái Lậy, tỉnh Tiền Giang.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tính chất cơ lý của hạt lúa

Đồ án ứng dụng lý thuyết phân chia hỗn hợp hạt rời dựa trên sự khác biệt về tính chất cơ lý và khí động học:

  • Tính chất khí động: Khi hạt chuyển động trong dòng khí thẳng đứng, hạt chịu tác dụng của lực trọng trường $G = m \cdot g$ và lực đẩy khí động $R = k \cdot S \cdot \rho_k \cdot \frac{V^2}{2}$ (trong đó $k$ là hệ số cản động lực học, $S$ là diện tích cản gió, $\rho_k$ là mật độ không khí, $V$ là vận tốc tương đối). Khi $R = G$, hạt ở trạng thái lơ lửng; vận tốc dòng khí tương ứng là vận tốc tới hạn $V_{cb}$. Theo tài liệu chuyên ngành được tác giả trích dẫn, vận tốc tới hạn của hạt lúa chắc nằm trong khoảng $9,0 - 10,0\text{ m/s}$.
  • Kích thước hình học: Hạt lúa được xác định qua 3 kích thước: chiều dài ($5,0 - 7,0\text{ mm}$), chiều rộng ($2,5 - 2,8\text{ mm}$), chiều dày ($2,0 - 2,5\text{ mm}$); đường kính tương đương $2,5 - 5,0\text{ mm}$. Phân loại chiều dài hạt gạo lức nguyên gồm 4 cấp: Rất dài ($> 7\text{ mm}$), Dài ($6,5 - 7,5\text{ mm}$), Trung bình ($5,5 - 6,5\text{ mm}$), Ngắn ($< 5,5\text{ mm}$).
  • Khối lượng riêng và dung trọng: Khối lượng riêng của thóc là $\rho = 1216\text{ kg/m}^3$; khối lượng thể tích (dung trọng) dao động trong khoảng $\gamma = 460 - 620\text{ kg/m}^3$ (trung bình lấy $576\text{ kg/m}^3$).
  • Góc ma sát và góc nghỉ: Xác định góc ma sát ngoài $\varphi_2$ (góc trượt trên bề mặt kim loại/gỗ) để thiết kế máng dẫn, phễu nạp tự chảy; góc ma sát trong $\varphi_1$ (góc nghiêng tự nhiên của đống hạt).
  • Tiêu chuẩn lúa giống cấp xác nhận (Bộ NN&PTNT / Viện Lúa ĐBSCL): Độ sạch $\ge 99,0%$; hạt khác giống phân biệt được $\le 0,25%$; hạt cỏ dại $< 10\text{ hạt/kg}$; tỷ lệ nảy mầm $> 85%$.

Công thức tính toán hiệu suất

Hiệu suất làm sạch và phân loại được định lượng bằng các công thức:

$$\eta_{td} = \frac{A - B}{A} \times 100\text{ (%)} \quad \text{(Hiệu suất làm sạch tương đối)}$$

$$\eta_{tt} = \frac{Q_1 A - Q_2 B}{Q_1 A} \times 100\text{ (%)} \quad \text{(Hiệu suất làm sạch tuyệt đối)}$$

$$\eta_{pl} = \alpha \cdot \beta\text{ (%)} \quad \text{(Hiệu suất phân loại, yêu cầu } \eta_{pl} > 95%\text{)}$$

(Trong đó $A, B$ lần lượt là tỷ lệ tạp chất ban đầu và sau khi làm sạch; $Q_1, Q_2$ là khối lượng nguyên liệu vào và ra; $\alpha, \beta$ là chỉ tiêu chất lượng và số lượng đo qua sàng kiểm nghiệm).

Phương pháp nghiên cứu và trang thiết bị thực nghiệm

  • Phương pháp thực nghiệm xác định thông số: Dùng tấm tôn tráng kẽm nghiêng từ từ trên mặt phẳng ngang để tìm góc ma sát bắt đầu trượt; dùng quạt hút biến thiên tốc độ kết hợp ống đo khí động để đo vận tốc hút lơ lửng của hạt lúa lép và lửng.
  • Phương pháp khảo nghiệm máy: Nạp khối lượng lúa xác định $m\text{ (kg)}$, dùng đồng hồ bấm giây ghi nhận thời gian $t\text{ (s)}$ để tính năng suất $Q = \frac{m}{t} \times 3600\text{ (kg/h)}$; lấy mẫu phân tích tỷ lệ khối lượng hạt chắc/tạp chất bằng cân điện tử chính xác $0,5\text{ g}$.
  • Phương pháp giải tích kỹ thuật: Áp dụng hệ thống công thức tính động học sàng lắc lệch tâm, tính trở lực đường ống và buồng lắng, tính lưu lượng – cột áp quạt hút và diện tích vải lọc tay áo.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các mẫu máy hiện có, nhóm nghiên cứu đã thiết lập sơ đồ công nghệ và tính toán kết cấu chi tiết cho hệ thống máy làm sạch 1 tấn/giờ.

                  [ Lúa nguyên liệu nạp vào ]
                       [ Gàu tải nạp liệu ]
                     [ Thùng rê khí động ]
   (Dòng hạt rơi xuống)                   (Dòng khí mang tạp chất)
   [ Sàng lắc phân loại ]                 [ Buồng lắng lửng ]
   [ Cân & Đóng bao ]                       [ Xyclon thô ]  [ Lọc túi vải ]
                                            (Lép, bụi thô)    (Bụi tinh)

1. Cơ cấu nạp liệu gàu tải

Sử dụng gàu tải thẳng đứng thay vì hút thổi khí động nhằm tiết kiệm công suất động cơ:

  • Băng tải cao su nhiều lớp kết hợp gàu múc đáy tròn, khoảng cách gắn gàu $a = (2,5 - 3)h$.
  • Tang dẫn động bố trí cơ cấu căng đai bằng trục vít me; năng suất gàu tính toán theo thể tích $i\text{ (dm}^3\text{)}$, vận tốc băng $v\text{ (m/s)}$ và hệ số điền đầy $\psi$.

2. Thùng rê khí động sơ bộ và buồng lắng lửng

  • Thùng rê thiết kế gồm 3 tầng máng nghiêng đặt góc $\alpha = 45^\circ$ (lớn hơn góc ma sát $\varphi = 27^\circ$).
  • Khe cấp liệu $h = 13\text{ mm}$, khe hẹp hút gió $k = 55 - 60\text{ mm}$.
  • Vận tốc dòng khí tại vùng tiếp xúc dòng hạt: $V_{tx} = 6,0\text{ m/s}$ (vận tốc hút lép lửng $5,9 - 6,2\text{ m/s}$, nhỏ hơn vận tốc lơ lửng của hạt thóc chắc $9,0 - 10,0\text{ m/s}$).
  • Vận tốc dòng khí trong ống hút chính: $V_h = 8,0\text{ m/s}$.
  • Bổ sung buồng lắng hạt lửng để thu hồi sản phẩm phụ dùng trong chăn nuôi trước khi dòng khí đi vào quạt.

3. Cụm quạt hút Cyclofan và xử lý bụi hai cấp

  • Quạt Cyclofan: Sử dụng quạt hướng trục/mixed-flow tích hợp cánh hướng dòng lốc xoáy ly tâm tạo cụm lắng sơ bộ, hiệu suất tách bụi đạt tới 99%, tiêu hao năng lượng thấp và kích thước nhỏ gọn hơn quạt ly tâm truyền thống.
  • Xyclon tiếp tuyến thu bụi thô: Tách các hạt lép vụn, trấu và bụi kích thước lớn ra khỏi dòng khí.
  • Thiết bị lọc bụi kiểu tay áo (túi vải): Xử lý triệt để bụi tinh ở cấp hai. Thiết kế hoạt động ở dải trở lực $750 - 1500\text{ Pa}$ ($75 - 150\text{ mmH}_2\text{O}$); diện tích bề mặt vải lọc $S$ xác định qua năng suất lọc đơn vị $q = 0,6 - 1,2\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ph}$ (vải len/bông) hoặc $0,5 - 1,0\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ph}$ (vải sợi tổng hợp).

4. Cơ cấu sàng lắc phẳng 2 tầng

  • Bộ truyền động: Trục lệch tâm bán kính $r = 15\text{ mm}$ (biên độ dao động $a = 30\text{ mm}$), chiều dài thanh treo $l = 400\text{ mm}$, góc lắc của thanh treo $\sin\varepsilon = \frac{15}{400} = 0,0375 \Rightarrow \varepsilon \approx 2^\circ$.
  • Chế độ động học: Tần số dao động $f = 200\text{ lần/phút}$, vận tốc góc $\omega = \frac{2\pi \cdot 200}{60} = 20,944\text{ rad/s}$.
  • Góc nghiêng mặt sàng: Mặt sàng trên nghiêng $\alpha_1 = 8^\circ$, mặt sàng dưới nghiêng $\alpha_2 = 12^\circ$.
  • Kích thước lỗ lưới sàng:
    • Sàng tầng trên: Tấm đục lỗ tròn đường kính $d_1 = 5,0\text{ mm}$ để giữ lại rơm rạ, tạp chất lớn.
    • Sàng tầng dưới: Lưới kim loại đục lỗ tròn đường kính $d_2 = 1,2\text{ mm}$ để hạt lúa chắc đi trên mặt sàng ra ngoài, tạp chất nhỏ lọt qua lưới rơi xuống máng thu.
  • Cơ cấu tự làm sạch: Bố trí chổi quét chuyển động qua lại dưới đáy mặt sàng tầng hai nhằm khắc phục hiện tượng nghẹt lỗ sàng do hạt găm kẹt.

Nội dung chính theo từng chương

1. Tra cứu tài liệu và cơ sở lý thuyết

Tác giả hệ thống hóa các tài liệu khoa học về cấu tạo hạt thóc, các chỉ tiêu cơ lý (kích thước, góc nghỉ, góc ma sát, khối lượng thể tích, vận tốc tới hạn) và tiêu chuẩn chất lượng lúa giống. Phân tích nguyên lý làm việc của các bộ phận cơ bản: sàng lắc phân loại, gàu tải đứng, thùng rê tách hạt lép lửng bằng khí động, xyclon thu bụi ly tâm, quạt lắng Cyclofan của hãng CIMBRIA (Đan Mạch) và thiết bị lọc bụi tay áo.

2. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

Thiết lập quy trình công nghệ chế tạo xưởng (cắt tôn, hàn hồ quang, khoan tán rivê khung vỏ thùng rê). Chuẩn bị hệ thống dụng cụ đo lường gồm: cân điện tử ($0,5\text{ g}$), cân đồng hồ ($50\text{ g}$), thiết bị đo vận tốc gió, đồng hồ bấm giây. Xây dựng phương pháp xác định năng suất, vận tốc khí động trung bình và tỷ lệ độ sạch của hạt lúa.

3. Thực hiện đề tài - Kết quả và thảo luận

Trình bày chuỗi thí nghiệm xác định góc ma sát ($\varphi \approx 27^\circ$), thí nghiệm buồng khí động và các đợt khảo nghiệm thực tế trên hệ thống máy LSL-N600 và máy so chứng CL2:

Lần khảo nghiệm / Mẫu máy Địa điểm / Điều kiện mẫu Năng suất thực tế Độ sạch / Tạp chất Đánh giá hiện trạng
LSL-N600 (Lần 1) Trường ĐH Nông Lâm (Lúa sạch làm mẫu) Gàu tải: $1508\text{ kg/h}$
Sàng: $1070\text{ kg/h}$		 $98\text{ hạt chắc}/100\text{ hạt}$ Vượt yêu cầu năng suất thiết kế ($600\text{ kg/h}$).
LSL-N600 (Lần 2) Trường ĐH Nông Lâm (Lúa nhiều rơm rạ) $426\text{ kg/h}$ Đạt yêu cầu Nghẹt khe cửa thùng rê do rơm rạ kích thước lớn.
LSL-N600 (Lần 3) Cơ sở DVKTNN Cái Lậy (Sản xuất thực tế) Đạt $\sim 600\text{ kg/h}$ (sau chỉnh) Tạp chất $2,0%$ Bụi ra môi trường ít, vận hành ổn định sau căn chỉnh.
Máy CL2 (So chứng) Cơ sở DVKTNN Cái Lậy $600\text{ kg/h}$ Tạp chất $2,5%$ Tiêu tốn nhiều điện năng, bụi thải ra ngoài nhiều.

4. Tính toán thiết kế hệ thống 1 tấn/giờ

Thực hiện các bước tính toán giải tích động học cơ cấu sàng lệch tâm, tính toán lưu lượng và cột áp buồng lắng khí động, chọn thông số quạt Cyclofan và thiết kế kích thước cụm lọc bụi túi vải tay áo đảm bảo năng suất $1000\text{ kg/h}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Xác định được các thông số cơ lý và khí động chuẩn xác của hạt lúa trên vật liệu tôn tráng kẽm: góc ma sát trượt $\varphi \approx 27^\circ$; vận tốc dòng khí hút tách hạt lép lửng tối ưu đạt $V = 5,9 - 6,2\text{ m/s}$ (chọn $V_{tx} = 6,0\text{ m/s}$ tại điểm tiếp xúc và $V_h = 8,0\text{ m/s}$ trong ống dẫn).
  • Xác lập kích thước làm việc của thùng rê năng suất 1 tấn/giờ với khe cấp liệu $h = 13\text{ mm}$, khe gió $k = 55 - 60\text{ mm}$, máng dẫn nghiêng góc $45^\circ$.
  • Thiết kế hoàn chỉnh cơ cấu sàng lắc 2 tầng ($d_1 = 5\text{ mm}$, $d_2 = 1,2\text{ mm}$) với tần số $200\text{ vòng/phút}$, biên độ $30\text{ mm}$, góc nghiêng sàng $8^\circ - 12^\circ$ và góc lắc $\varepsilon \approx 2^\circ$, tích hợp hệ thống chổi quét tự động chống kẹt lưới sàng.

Đóng góp thực tiễn và kinh tế

  • Cải tiến hệ thống khí động - xử lý môi trường: Kết hợp quạt hướng trục Cyclofan và lọc bụi túi vải tay áo, giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm bụi phát tán ra nhà xưởng vốn là nhược điểm lớn của các dòng máy sử dụng xyclon hở truyền thống.
  • Hiệu quả phân loại sản phẩm: Tách riêng biệt 4 dòng sản phẩm: rác/tạp chất lớn, hạt lúa giống chắc (độ sạch đạt tiêu chuẩn thương phẩm với tỷ lệ tạp chất $\le 2%$), hạt lúa lửng (thu hồi phục vụ chăn nuôi) và hạt lép/bụi bẩn.
  • Hiệu quả kinh tế: Hệ thống máy thiết kế có giá thành ước tính khoảng 30 triệu đồng, thấp hơn đáng kể so với mức giá 54 triệu đồng của máy CL2 có cùng dải công năng trên thị trường năm 2006.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Khi nguyên liệu lúa ban đầu lẫn quá nhiều rơm rạ kích thước dài, cửa nạp liệu và khe điều chỉnh gió thùng rê dễ bị nghẹt cục bộ, làm giảm năng suất tức thời xuống còn $426\text{ kg/h}$ nếu không can thiệp thủ công; máy còn phát sinh tiếng ồn tại cụm quạt hút và bộ truyền động cơ khí.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Nghiên cứu tích hợp thêm cơ cấu tách rác thô dạng trục cào/trống quay trước khi hạt vào thùng rê; tối ưu hóa cách âm và giảm chấn cho cụm truyền động lệch tâm của sàng lắc; tự động hóa van điều chỉnh khe gió theo độ ẩm thực tế của hạt lúa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, kỹ sư ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử nông nghiệp, Công nghệ Sau thu hoạch và Cơ khí Chế biến Bảo quản Nông sản.

Tài liệu cung cấp các nội dung cụ thể:

  • Phương pháp tính toán động học và động lực học cơ cấu sàng lắc lệch tâm.
  • Quy trình tính toán khí động học thùng rê, xyclon ly tâm và thiết bị lọc bụi công nghiệp kiểu tay áo.
  • Các bảng số liệu thực nghiệm về góc ma sát, vận tốc lơ lửng và biểu mẫu khảo nghiệm máy nông nghiệp thực tế tại cơ sở sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án chọn vận tốc dòng khí tại miệng hút thùng rê là 6 m/s?

Qua thực nghiệm, vận tốc lơ lửng của hạt thóc chắc là $9,0 - 10,0\text{ m/s}$, trong khi vận tốc hút bay hạt lúa lép và hạt lửng đo được là $5,9 - 6,2\text{ m/s}$. Mức vận tốc $6,0\text{ m/s}$ tại vùng tiếp xúc ($8,0\text{ m/s}$ trong ống) đảm bảo hút triệt để hạt lép lửng và bụi mà không làm thất thoát hạt lúa giống chắc.

2. Ưu điểm nổi bật của quạt Cyclofan so với xyclon tiếp tuyến truyền thống trong đồ án là gì?

Quạt Cyclofan (dạng xyclon hướng trục kết hợp cánh quạt) có kết cấu nhỏ gọn, lắp đặt linh hoạt theo các góc độ khác nhau mà không phụ thuộc vào trọng lực, hiệu suất lắng tách bụi đạt tới 99% và tiêu hao ít điện năng hơn đáng kể so với hệ thống quạt ly tâm kết hợp xyclon tiếp tuyến.

3. Cơ cấu sàng lắc sử dụng kích thước lỗ lưới bao nhiêu và chuyển động với thông số nào?

Sàng lắc gồm 2 tầng: tầng trên dùng tấm đục lỗ tròn đường kính $d_1 = 5,0\text{ mm}$ (nghiêng $8^\circ$), tầng dưới dùng lỗ tròn $d_2 = 1,2\text{ mm}$ (nghiêng $12^\circ$). Cơ cấu chuyển động nhờ trục lệch tâm bán kính $r = 15\text{ mm}$ (biên độ $30\text{ mm}$), tần số dao động $200\text{ lần/phút}$ ($\omega = 20,944\text{ rad/s}$), thanh treo $l = 400\text{ mm}$ tạo góc lắc $\varepsilon \approx 2^\circ$.

4. Kết quả khảo nghiệm thực tế máy LSL-N600 tại Cơ sở Cai Lậy cho thấy các chỉ số nào?

Tại Cơ sở Dịch vụ Kỹ thuật Nông nghiệp Cái Lậy, máy đạt năng suất làm việc ổn định $600\text{ kg/h}$, độ sạch đạt tỷ lệ tạp chất chỉ còn $2,0%$ (tốt hơn mức $2,5%$ của máy so chứng CL2), lượng bụi phát tán ra môi trường giảm thiểu rõ rệt và chi phí chế tạo ước tính khoảng 30 triệu đồng (so với 54 triệu đồng của máy CL2).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo, khảo nghiệm máy làm sạch lúa giống năng suất 1 tấn/giờ" của sinh viên Trần Quang Thái và Võ Lê Thảo đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu tính toán lý thuyết, kiểm chứng thực nghiệm và thiết kế kỹ thuật cơ khí chế biến sau thu hoạch. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa vận chuyển gàu tải, phân ly khí động bằng quạt Cyclofan, lọc bụi tay áo hai cấp và sàng lắc phẳng 2 tầng tự làm sạch bằng chổi quét. Các kết quả khảo nghiệm thực tế khẳng định tính khả thi của giải pháp trong việc nâng cao độ sạch lúa giống ($\le 2%$ tạp chất), giảm thiểu phát tán bụi ra môi trường và hạ giá thành chế tạo máy.