Nghiên Cứu Động Học Và Động Lực Học Cơ Cấu Cắt Hom Của Máy Trồng Sắn

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Cây sắn có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ Latin (Crantz, 1976) và

được trồng cách đây khoảng 5.000 năm (CIAT, 1993). Ở châu Á, khoai mí được du

nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ 17 (P.G. Rajendran et al, 1995) và du nhập vào Việt

Nam khoảng giữa thế kỷ 18, (Phạm Văn Biên, Hoàng Kim, 1995) [8, 9]. Hiện chưa

có tài liệu chắc chắn về nơi trồng và năm trồng đầu tiên ở nước ta.

Hiện tại, cây sắn được trồng trên 100 nước của vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới

và là nguồn thực phẩm của hơn 500 triệu người. Năm 2006 và 2007, sản lượng sắn

thế giới đạt 226,34 triệu tấn củ tươi so với 2005/06 là 211,26 triệu tấn và 1961 là

71,26 triệu tấn. Nước có sản lượng sắn nhiều nhất là Nigeria (45,72 triệu tấn), kế

đến là Thái Lan (22,58 triệu tấn) và Indonesia (19,92 triệu tấn). Nước có năng suất

sắn cao nhất là Ấn Độ (31,43 tấn/ha), kế đến là Thái Lan (21,09 tấn/ha), so với năng

suất sắn bính quân của thế giới là 12,16 tấn/ha (FAO, 2008). Việt Nam đứng thứ

mười về sản lượng sắn (7,71 triệu tấn) trên thế giới. Tại Việt Nam, sắn được canh

tác phổ biến ở hầu hết các tỉnh của tám vùng sinh thái. Diện tìch sắn trồng nhiều

nhất ở Đông Nam Bộ và Tây Nguyên.

Trồng sắn bằng máy đã được nhiều nước nghiên cứu rất sớm. Điển hính là

Ấn Độ, Brazin, Malaisia, Thái Lan và gần đây nhất là Trung Quốc với 3 hướng cơ

giới hóa trồng sắn là liên hợp máy rạch hàng trồng hom cây sắn kết hợp thủ công,

liên hợp máy trồng sắn bán tự động và máy trồng sắn tự động (dạng liên hợp máy

hoặc máy tự hành). Nhưng cho đến nay chưa thấy có bất kỳ công bố khoa học hay

thương mại nào về mẫu máy trồng sắn tự động mà vẫn còn trong các giai đoạn

nghiên cứu về nguyên lý, mô hính.

Ở liên hợp máy trồng sắn bán tự động gồm có hai loại chình sau là liên hợp

máy trồng từ hom sắn bán tự động và liên hợp máy trồng từ thân cây sắn bán tự

động (không cần phải chuẩn bị hom trồng). Với liên hợp máy trồng từ hom sắn bán

tự động thực hiện công đoạn trồng sắn trên cơ sở hom đã được chuẩn bị (cắt thân

2

cây sắn thành hom trồng), còn với liên hợp máy trồng từ thân cây sắn bán tự động

thực hiện công đoạn trồng sắn không cần chuẩn bị hom trồng.

Trong sản xuất nông nghiệp ở nước ta hiện nay cây sắn là cây lương thực

quan trọng thứ ba sau lúa và ngô. Hiện nay cây sắn đang có xu hướng tăng cả diện

tìch và sản lượng, cạnh tranh với các loại cây trồng khác như lúa, mìa. Tuy nhiên

cây sắn vẫn là một trong những loại cây trồng có mức độ cơ giới hóa thấp nhất.

Ngay việc trồng sắn vẫn còn theo lối thủ công theo kiểu rạch hàng, bỏ hom kể cả ở

các vùng chuyên canh sắn của cả nước như Đông Nam Bộ, Tây Nguyên, vùng núi

và trung du Bắc Bộ. Mặc dù cho đến thời điểm hiện tại đã có nhiều đề tài khoa học

các cấp về cơ giới hóa canh tác cây khoai mí, trong đó có 01 đề tài cấp nhà nước về

cơ giới hóa canh tác khoai mí, (thực hiện từ năm 2007 – 2010, nghiệm thu năm

2011) do trường đại học Nông nghiệp Hà Nội là cơ quan chủ trí và TS. Hà Đức Thái

làm chủ nhiệm đề tài [16]. Một trong những sản phẩm khoa học chình của đề tài cấp

nhà nước này là máy cắt hom và máy trồng sắn. Hai máy cắt hom sắn và máy trồng

sắn của đề tài cấp nhà nước nằm chung một hệ thống phục vụ trồng sắn bằng cơ giới

hóa. Tuy nhiên tất cả các sản phẩm khoa học của đề tài đều không triển khai ứng

dụng được vào sản xuất. Nguyên nhân chủ yếu là do máy trồng sắn của đề tài thực

hiện trồng bằng hom đã cắt sẵn cho năng suất thấp, giá thành trồng cao (thậm chí

cao hơn trồng bằng phương pháp cơ giới kết hợp thủ công) khoảng cách giữa các

hom trên hàng trồng không đều ví phụ thuộc vào thao tác thả hom của người lao

động theo trồng, cường độ của người lao động theo trồng cao, phải đầu tư thêm máy

cắt hom mà thời gian sử dụng thấp. Ví cùng trong hệ thống máy trồng sắn nên máy

cắt hom sắn cũng không thể ứng dụng vào sản xuất.

Giống như cây mìa, cây sắn cũng trồng bằng hom, nên có sự giống nhau về

nguyên lý làm việc của máy trồng. Các điểm khác biệt chình là ở chỗ hom sắn

thường dễ bị thương tổn hơn so với hom mìa và yêu cầu nông học có sự khác biết

nhau. Tuy nhiên ựa vào mẫu máy trồng mìa mà một số quốc gia trên thế giới đã đưa

ra mẫu máy trồng sắn tương tự và ứng dụng có hiệu quả vào sản xuất. Nhờ sử dụng

máy trồng mìa bán tự động trồng sắn thẳng từ nguyên liệu cây hom không qua cắt

3

hom trồng trước đã góp phần gia tăng năng suất, sản lượng, giảm chi phì canh tác,

giá thành sắn.

Điểm đặc biệt đối với máy trồng bằng hom cứng như cây mìa và cây sắn là

cơ cấu cắt hom trồng. Nhiệm vụ của cơ cấu cắt hom không chỉ đảm bảo độ dài hom

trồng, hom không bị dập nát mà còn đảm bảo khoảng cách giữa các hom trồng trên

hàng theo quy định. Quá trính làm việc, hom trồng được cắt và rải tự động xuống

rãnh trồng. Cơ cấu cắt hom trồng cho mìa và sắn theo nguyên lý cắt kiểu trục cán.

Nguyên lý cắt này mới chỉ ứng dụng trong một số ngành hẹp về sản xuất thực phẩm

để cắt bánh kẹo, thực vật. Ví vậy lý thuyết cắt kiểu trục cán chưa được nghiên cứu

đầy đủ. Do đó trong quá trính thiết kế, chế tạo máy trồng sắn (hay mìa) từ nguyên

liệu cây hom, các cán bộ và chuyên gia kỹ thuật thiếu cơ sở khoa học khi xác định

các thông số làm việc cho cơ cấu cắt hom nhằm đảm bảo đầy đủ các yêu cầu nông

học về hom trồng. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng hom cắt không đứt, chiều dài

hom không đảm bảo, hom bị dập nát không chỉ tiết diện cắt mà có khi trên cả thân

hom, truyền động cho cơ cấu cắt không hợp lý. Ví vậy việc nghiên cứu động học và

động lực học cơ cấu cắt hom sắn của máy trồng sắn có tình cấp thiết, mang tình thời

sự, có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn cao. Đây là cơ sở khoa học để thiết kế

cơ cấu cắt hom nói riêng và máy trống sắn nói chung.

Được sự chấp thuận của khoa Sau đại học, Ban Giám hiệu trường đại học

Lâm nghiệp Hà Nội và dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Thị Thanh, tôi xin

thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu động học và động lực học cơ cấu cắt hom sắn của máy trồng

sắn”

2. Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu một số thông số động học và động lực học của cơ cấu cắt hom sắn

kiểu trục cán trên máy trồng sắn.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là cơ cấu cắt hom sắn kiểu trục cán.

4

Phạm vi nghiên cứu về quá trính động học và động lực học cơ cấu cắt hom

sắn kiểu trục cán.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

Áp dụng các phương pháp điều tra thống kê, tra cứu tài liệu để nghiên cứu

phần nội dung tổng luận và cơ sở lý luận của đề tài.

Áp dụng phương pháp giải tìch toán học, cơ học giải tìch khi nghiên cứu

động học và động lực học cơ cấu cắt kiểu trục cán.

Áp dụng phương pháp QHTN trong việc xây dựng hàm mục tiêu.

Các thông số TƯH được xác định bằng tối ưu hóa mô hính toán học mô tả

hàm mục tiêu. Quá trình tính toán TƯH được tiến hành trên máy tình điện tử bằng

phần mềm của các tác giả Nguyễn Như Nam, Trần Thị Thanh, Nguyễn Trì Tấn

(1998) và kiểm tra lại bằng thực nghiệm.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Ý nghĩa khoa học của đề tài là:

Bổ sung phát triển lý thuyết tình toán cơ cấu cắt kiểu trục cán chưa được đề

cập ở trong nước, mặc dù cơ cấu này đã bắt đầu được ứng dụng trong một số máy

móc nông nghiệp như máy trồng sắn, máy trồng mìa, máy cắt bánh kẹo, cắt bún, …

 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là:

Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm cơ sở tình toán thiết kế cơ cấu cắt thân

thực vật kiểu trục cán và lựa chọn chế độ làm việc tối ưu cho cơ cấu cắt.

5

Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng luận các công trình đã công bố về vấn đề nghiên cứu

1.1.1. Tổng luận các kết quả nghiên cứu ngoài nước

Cũng như ở Việt Nam, khi chưa có máy trồng sắn, việc cắt hom sắn làm hom

trồng được thực hiện bằng thủ công (hính 1.1). Việc cắt hom bằng dao thủ công cho

năng suất thấp, người lao động tốn nhiều sức, chiều dài hom không đồng đều, dao

cùn hay tấm kê không tốt có thể làm dập hom làm ảnh hưởng đến sinh trường và

phát triển của cây sắn sau này. Cắt hom sắn bàng dao thủ công phù hợp với phương

thức trồng sắn bằng thủ công hay trồng sắn kiểu cơ giới hóa kết hợp thủ công.

Trong đó công việc cơ giới hóa khi trồng chỉ là rạch hàng tạo rãnh, còn lại bằng lao

động thủ công.

Hình 1.1. Cắt hom khoai sắn bằng thủ công của nông dân ở Thái Lan.

Từ nhu cầu trồng sắn tập trung hoặc khi sử dụng máy trồng sắn từ hom bán tự động,

nên có yêu cầu cung cấp khối lượng hom lớn thí công tác cắt hom bằng thủ công

không thìch hợp. Từ nhu cầu này làm xuất hiện các máy cắt hom sắn.

Là Quốc gia đứng hàng thứ hai trên thế giới cả về năng suất lẫn sản lượng

sắn, Thái Lan đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo các máy cắt hom để phục vụ cho việc

trồng sắn ở các vùng chuyên canh. Hính 1.2 trính bày cấu tạo máy cắt hom sắn của

Thái Lan [6]. Cấu tạo của máy gồm có khung máy, trên đó lắp đĩa cắt, đĩa đỡ hom,

6

ống nạp hom và ống thoát hom, trục cắt, trục cam, cơ cấu cam. Động cơ truyền

động cho cơ cấu cam có công suất 0,37 kW, còn cho đĩa cắt có công suất 0,75 kW.

Bộ phận cắt sử dụng nguyên lý cắt bằng “đĩa cưa”, khi cắt thực hiện hai chuyển

động là chuyển động quay tròn và chuyển động tịnh tiến. Đĩa cắt quay với vận tốc

từ 1.200 † 1.700 vg/ph. Thân sắn được thả vào ống nạp và được chặn lại bởi đĩa đỡ

và được cắt bằng đĩa cắt. Cơ cấu cam làm nhiệm vụ điều khiển số lần cắt của đĩa

cắt. Máy thực hiện cắt hom với độ dài từ 150 † 300 mm, năng suất đạt 5.000 hom/h

gấp nhiều lần so với thủ công. Máy cắt hom của Thái Lan còn một số tồn tại như

trầy xước đầu hom do cắt bằng lưỡi cưa hay dễ vỡ đầu hom do không có bộ phận

giữ hom, làm thân cây sắn quay lung tung trong quá trính cắt.

Hình 1.2. Máy cắt hom sắn của Thái Lan.

a. Sơ đồ truyền động; b.Máy cắt hom sắn.

1.Động cơ truyền động cho cơ cấu cam; 2. Cơ cấu cam; 3. Trục đĩa cắt;

4. Phễu cấp liệu;5. Đĩa cắt; 6. Đĩa phía dưới;

7.Động cơ truyền động cho đĩa cắt; 8.Trục cam.

(Theo Development of a Stem Cutting Unit for a Cassaca Planter, J, Lungkapin,

V.M. Solokhe, R. Kalsirilp and H. Nakashima, 2007).

Hính 1.3 giới thiệu máy cắt hom sắn của Malaysia [6].Cấu tạo máy gồm 7

đĩa cắt sang đĩa răng cưa (cũng như của Thái Lan), hai bộ truyền động xìch có gắn

tay gạt làm nhiệm vụ như một băng chuyền gạt thân cây sắn về phìa đĩa cắt. Hệ

7

thống kẹp cây khi cắt bao gồm phần kẹp và tay kẹp. Tay kẹp quay quanh trục và ép

thân cây khoai mì vào lưỡi dao khi cây khoai mí trên băng truyền di chuyển đến đĩa

cắt. Các bộ phận cắt được truyền động từ động cơ xăng công suất nhỏ. Khoảng cách

hai đĩa cưa kề nhau bằng chiều dài hom sắn được cắt.

Hình 1.3. Máy cắt hom sắn của Malayxia.

(Theo Mechanization Possibilites for Cassava Production Malaysia H. Md. Akhir

and A, B. Sukra)

Máy cắt hom sắn của Malayxia có nguyên lý làm việc như sau: Cây sắn được

đặt trên băng chuyền sẽ được chuyển đến gần phìa bộ phận cắt để lưỡi cưa quay cắt

câysắn. Hom sắn rơi xuống máng nghiêng và rơi vào thùng chứa hom. Với 7 đĩa

dao cắt, máy cắt hom cắt đồng thời 6 hom và loại bỏ phần ngọn và gốc thân cây.

Năng suất máy đạt 3.300 hm/h. Mấu máy cắt hom khoai mì của Malaixia khá giống

về cấu tạo và nguyên lý máy cắt hom mìa của đề tài cấp Thành phố Hồ Chí Minh do

TS. Phan Hiếu Hiền và ThS. Trần Văn Khanh (trường đại học Nông Lâm Thành

phố Hồ Chì Minh) chủ trí. Giá chào hàng máy cắt hom sắn của Malaixia là 1.316

USD. Máy cắt hom khoai mì của Malayxia chế tạo còn những tồn tại như máy cắt

hom sắn do Thái Lan chế tạo là hom sắn rơi xuống không được xếp theo trật tự đầu

đuôi.

Ngoài các máy cắt hom sắn theo nguyên lý cưa đĩa kể trên còn cơ cấu cắt

hom sắn trên các máy trồng sắn từ nguyên liệu cây hom. Sự ra đời của máy trồng

sắn này đã chiếm toàn bộ thị trường trồng sắn hiện nay của các nước phát triển và

chấm dứt hoạt động của các loại máy trồng sắn phải cắt hom trước và người lao