Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Vũ Văn Đam

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ

CỦA QUÁ TRÌNH CẮT THÂN CÂY NGÔ SAU THU HOẠCH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã Số: 9 52 01 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn

2. GS.TSKH. Phạm Văn Lang

THÁI NGUYÊN – NĂM 2020

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết quả

nghiên cứu được trình bày trong luận án là do bản thân tự nghiên cứu, không sao

chép của bất kỳ ai hay nguồn nào.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được

cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả luận án

Vũ Văn Đam

iii

LỜI CẢM ƠN

Luận án này có thể chưa bao giờ được hoàn thành nếu không có sự quan tâm

của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn; GS.TSKH Phạm Văn

Lang. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn về tất cả sự giúp đỡ của các Thầy dành cho tôi

trong suốt thời gian qua.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình động

viên, chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi để tôi đủ quyết tâm hoàn thành bản luận án

này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Hữu Công, vì sự quan tâm

đặc biệt của Thầy dành cho tôi, người đã truyền cảm hứng cho tôi trong suốt quá

trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Ngô Như Khoa,

người đã tận tình tư vấn và trực tiếp hỗ trợ thiết bị đo cho các thí nghiệm của

nghiên cứu này.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo khoa Cơ khí, phòng Đào

tạo, Ban Giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và các khoa, phòng, ban,

viện trong trường đã giúp đỡ về chuyên môn cũng như tạo điều kiện cho tôi trong

quá trình thực hiện luận án.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Đại học Thái Nguyên và tập thể

cán bộ CNV khối văn phòng Đại học Thái Nguyên, đã tạo điều kiện thuận lợi giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm đề tài Tây Bắc (KHCN￾TB.12C/13-18) đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai thí

nghiệm.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt

là các thành viên trong gia đình, đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên, góp ý kiến để tôi

hoàn thành luận án này.

Tác giả luận án

Vũ Văn Đam

iv

MỤC LỤC

HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................VII

DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................... IX

DANH MỤC HÌNH VẼ......................................................................................... XI

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1

1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu............................................................. 1

5. Cấu trúc nội dung luận án............................................................................. 6

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY BĂM THÂN CÂY NÔNG NGHIỆP..........8

1.1. Giới thiệu ................................................................................................... 8

1.2. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nước................................... 8

1.2.1. Sản xuất ngô trên thế giới .................................................................................8

1.2.2. Sản xuất ngô trong nước......................................................................... 9

1.3. Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch ........................................... 10

1.3.1. Độ ẩm..............................................................................................................12

1.3.2. Khối lượng riêng .............................................................................................13

1.3.3. Đặc tính cơ học ...............................................................................................14

1.3.4. Ma sát trượt giữa thân cây ngô với vật liệu khác ...........................................15

1.4. Chế biến phụ phẩm nông nghiệp ............................................................. 16

1.4.1. Chế biến thức ăn gia súc.................................................................................16

1.4.2. Chế biến sản phẩm thương mại ......................................................................17

1.5. Máy băm phụ phẩm nông nghiệp ............................................................ 17

1.5.1. Máy băm dạng trống .......................................................................................18

1.5.2. Máy băm dạng đĩa...........................................................................................19

1.5.3. Máy băm dùng dao răng .................................................................................20

1.6. Nghiên cứu thực nghiệm.......................................................................... 21

1.6.1. Quy ước thông số góc .....................................................................................21

1.6.2. Thí nghiệm cắt bán tĩnh ..................................................................................22

v

1.6.3. Thí nghiệm cắt va đập.....................................................................................24

1.6.4. Thí nghiệm cắt có dao kê ................................................................................26

1.7. Một số kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ ....................... 27

Kết luận chương 1........................................................................................... 31

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH BĂM PHỤ PHẨM

NÔNG NGHIỆP......................................................................................................33

2.1. Nguyên lý băm......................................................................................... 33

2.2. Cơ sở động lực học quá trình băm........................................................... 35

2.3. Bài toán tối ưu đa mục tiêu...................................................................... 44

Kết luận chương 2........................................................................................... 47

CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU.........................................................................................................48

3.1. Giới thiệu ................................................................................................. 48

3.2. Thiết kế hệ thống thí nghiệm................................................................... 48

3.2.1. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm ................................................................................48

3.2.2. Thiết kế kết cấu ...............................................................................................52

3.3. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu .................................................. 55

3.3.1. Cảm biến đo lực cắt ........................................................................................56

3.3.2. Đo lực ma sát cây-dao kê................................................................................57

3.3.3. Cảm biến đo mô men.......................................................................................58

3.3.4. Thiết bị xử lý và thu thập dữ liệu ....................................................................59

3.3.5. Phần mềm thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm.........................................60

3.4. Chế tạo, lắp đặt hệ thống thí nghiệm....................................................... 60

3.5. Vận hành và một số kết quả khảo sát hệ thống ....................................... 61

3.5.1. Vận hành hệ thống thí nghiệm ........................................................................61

3.5.2. Đo lực cắt và mô men .....................................................................................62

3.5.3. Đo ma sát trượt giữa dao kê và thân cây ngô.................................................63

Kết luận chương 3........................................................................................... 65

vi

CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÁT TRIỂN

MÔ HÌNH BIÊN DẠNG LƢỠI CẮT....................................................................67

4.2. Mô tả thí nghiệm...................................................................................... 68

4.3. Thí nghiệm sàng lọc................................................................................. 69

4.4. Thí nghiệm tối ưu hóa lực cắt khi cắt chậm ............................................ 73

4.4.1. Thí nghiệm khởi đầu .......................................................................................73

4.4.2. Thí nghiệm xuống dốc tìm vùng cực tiểu ........................................................75

4.4.3. Thí nghiệm tối ưu ............................................................................................77

4.5. Thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu.......................................................... 80

4.5.1. Mô tả các hàm mục tiêu ..................................................................................80

4.5.2. Thí nghiệm tối ưu hóa.........................................................................................83

4.5.3. Xác định bộ thông số tối ưu ............................................................................86

4.6. Đánh giá một số biên dạng lưỡi cắt theo chỉ tiêu duy trì góc tiếp dao .... 89

4.6.1. Dao lưỡi cắt thẳng ..........................................................................................89

4.6.2. Dao cung tròn .................................................................................................91

4.6.3. Dao lô-ga-rít ...................................................................................................94

4.7. Tự động thiết kế các lưỡi cắt đồng dạng.................................................. 95

4.8. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dao logarit ............................................ 99

Kết luận chương 4......................................................................................... 102

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................103

1. Kết luận chung ......................................................................................... 103

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo...................................................................... 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................105

PHỤ LỤC...............................................................................................................116

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ...........................................122

vii

HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký

hiệu Ý nghĩa Đơn

vị

 Góc tiếp dao 

 Góc nghiêng cây 

C Hệ số tính toán



Góc kẹp hình thành giữa phương lưỡi dao cắt và cạnh sắc

dao kê 

D Giá trị hàm kỳ vọng tổng hợp chung

 Khe hở giữa dao kê và dao cắt mm

S Chiều dài tiếp xúc giữa dao với cây nguyên liệu mm

 Hệ số trượt

Fc Lực cắt N

Fms Lực ma sát giữa cây nguyên liệu và lưỡi dao N

FS Giá trị lực thu được từ cảm biến lực động N



Góc hợp bởi phương đường trục thân cây và phương lưỡi

cắt 

 Hệ số ma sát

N Lực pháp tuyến N

n Tốc độ quay v/ph

P Công suất tiêu thụ W

q Lực phân bố trên đoạn lưỡi dao g/cm3

q0 Lực phân bố tối thiểu N/mm

qth Lực tới hạn N/mm

c Khối lượng riêng của mẫu thí nghiệm g/cm3

 Lực cản băm cắt N

 Góc cắt trượt 

 Góc trượt 

T Chu kỳ lực s

TS Giá trị lực thu được từ cảm biến mô men N

V Vận tốc chuyển động của lưỡi dao m/s

Vn Vận tốc pháp tuyến m/s

Vt Vận tốc tiếp tuyến m/s

W1 Khối lượng của hộp rỗng g

W2 Khối lượng của mẫu và hộp g

Wb Độ ẩm của mẫu thí nghiệm %

viii

Ký

hiệu Ý nghĩa Đơn

vị

WD Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc sau sấy khô g

WW Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc đầu g

ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô thế giới 2008-2016............. 9

Bảng 1.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 1990-2017............................ 10

Bảng 1.3. Một số đặc điểm tính chất thân cây ngô........................................ 11

Bảng 1.4. Một số thông số phụ phẩm từ ngô................................................. 12

Bảng 1.5. Hệ số ma sát tĩnh của các bộ phận cây ngô................................... 15

Bảng 1.6. Hệ số ma sát động các bộ phận của cây ngô ................................. 15

Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của cảm biến mô men RTT............................. 58

Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008............ 59

Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm đo ma sát trượt dao kê – cây ngô................... 65

Bảng 4.1. Các biến đầu vào của thí nghiệm sàng lọc .................................... 70

Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm sàng lọc.......................................................... 70

Bảng 4.3. Các biến trong thí nghiệm khởi đầu .............................................. 74

Bảng 4.4. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm khởi đầu .......................... 74

Bảng 4.5. Kết quả các thí nghiệm xuống dốc................................................ 76

Bảng 4.6. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm tối ưu CCD ..................... 77

Bảng 4.7. Cấp độ và giá trị thực của các biến thí nghiệm ................................... 83

Bảng 4.8. Thí nghiệm CCD và kết quả tương ứng ............................................. 83

x

Bảng 4.9. Ví dụ thay đổi của góc tiếp dao với bán kính R1=100 mm........... 91

Bảng 4.10. Thống kê giá trị của góc tiếp dao tại các điểm cắt khác nhau .... 93

xi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Đặc tính cấu trúc thân cây ngô ...................................................... 11

Hình 1.2. Thí nghiệm uốn mẫu thân cây ngô ................................................ 14

Hình 1.3. Sơ đồ các bước chế biến thức ăn dự trữ cho gia súc ..................... 16

Hình 1.4. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng trống........................................ 18

Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng đĩa............................................ 19

Hình 1.6. Cấu tạo nguyên lý bộ phận băm loại dao răng .............................. 20

Hình 1.7. Quy ước thông số góc .................................................................... 22

Hình 1.8. Thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén .......................................... 23

Hình 1.9. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây .................. 24

Hình 1.10. Sơ đồ thí nghiệm (a), thiết bị thực (b) khi cắt cây ngô trên ruộng...25

Hình 1.11.Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng góc tiếp dao và vận tốc cắt ....... 26

Hình 1.12. a) Thí nghiệm dùng kéo cắt cành cây, b) dùng kéo rút ............... 27

Hình 1.13. So sánh năng lượng tiêu thụ khi cắt một số cây nông nghiệp......... 29

Hình 1.14. Răng con xén tóc (a), biên dạng dao mô phỏng (b) và kết quả lát cắt

thử bằng dao truyền thống (c, hình trên) và dao mô phỏng (c, hình dưới) ........30

Hình 2.1. Sơ đồ tạo chuyển động cắt............................................................. 33

Hình 2.2. Mô hình thí nghiệm của Gơriatskin (a), kết quả quan hệ của lực cắt

N với lượng trượt S (b) .................................................................................. 34

xii

Hình 2.3. Vận tốc và các thành phần vận tốc tại điểm tiếp xúc dao-cây

nguyên liệu..................................................................................................... 35

Hình 2.4. Quan hệ lực cắt cần thiết phụ thuộc góc trượt............................... 37

Hình 2.5. Tương tác lực giữa lưỡi dao và cây nguyên liệu ........................... 39

Hình 2.6. Tác dụng giảm lực băm cắt pháp tuyến......................................... 40

Hình 2.7. Sơ đồ băm cắt có dao kê ................................................................ 41

Hình 2.8. Quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê.................................... 41

Hình 2.9. Các góc của dao và gá đặt dao....................................................... 43

Hình 2.10. Vùng khuyến nghị chọn khe hở δ ................................................ 44

Hình 2.11. Sơ đồ hàm kỳ vọng cho bài toán tối thiểu hóa ............................ 46

Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện ..................................................... 49

Hình 3.2. Vị trí tương đối của cây nguyên liệu ............................................. 50

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý truyền động thiết bị băm ........................................ 53

Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt ............... 54

Hình 3.5. Phân tích lực tương tác dao-cây..................................................... 55

Hình 3.6. a) Cảm biến lực Kistler 9712A500 và b) gá đặt cảm biến lực ...... 56

Hình 3.7. Cảm biến FSSM-100 ..................................................................... 57

Hình 3.8. Cảm biến mô men RTT-200.......................................................... 58

xiii

Hình 3.9. Bộ nguồn khuếch đại DRG-SC-BG(a), Bộ nguồn và sử lý tín hiệu

SCC-ICP 01(b), Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008(c).................................. 59

Hình 3.10. Kết cấu gá dao băm và dao kê của thiết bị ................................. 61

Hình 3.11. Kết quả đo lực cắt (a) và đồ thị đối chứng lực đo bằng hai cảm

biến (b)........................................................................................................... 63

Hình 3.12. Bố trí thí nghiệm đo ma sát dao kê – cây ngô ............................. 64

Hình 4.1. Kết quả phân tích ANOVA bằng phần mềm Minitab ................... 71

Hình 4.2. Biểu đồ Pareto đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố....................... 72

Hình 4.3. Kết quả phân tích hồi quy bậc 1 .................................................... 74

Hình 4.4. Biểu đồ đường mức (Contour) của lực cắt và hướng xuống dốc .. 75

Hình 4.5. Biểu đồ xuống dốc tìm vùng cực tiểu............................................ 77

Hình 4.6. Kết quả phân tích hồi quy bề mặt Fc ............................................. 78

Hình 4.7. Đồ thị bề mặt (a) và đường mức (b) lực cắt FC ............................. 79

Hình 4.8. Ví dụ chu kỳ của (a) lực cắt và (b) công suất cắt .......................... 81

Hình 4.9. Phân tích phương sai của hàm lực cắt ........................................... 84

Hình 4.10. Phân tích phương sai của hàm công suất cắt ............................... 85

Hình 4.11. Cực đại của lực cắt và mức tiêu thụ năng lượng là hàm của vận

tốc cắt............................................................................................................. 86

Hình 4.12. Mục tiêu, ràng buộc và kết quả bài toán tối ưu đa mục tiêu........ 87