Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí 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.pdf

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 l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU TH HOẠCH

**************************************

NGUYỄN ĐỨC THẬT

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng dùng bảo vệ để lấy bất kỳ học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án

đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy: 1 TSKH Bạch Quốc Khang – Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch; 2 PGS.TS Lương Văn Vượt – Trường Đại học Chu Văn An; 3 TS Đậu Thế Nhu – Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án

Đồng thời tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Cơ điện nông nghiệp

và Công nghệ sau thu hoạch, tập thể cán bộ chuyên gia trong Viện và các đơn

vị, cá nhân trong cơ quan đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong và ngoài cơ quan và đặc biệt các thành viên trong Gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ và động viên để tôi hoàn thành bản luận án này

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận án

Nguyễn Đức Thật

Luận án tiến sĩ mới nhất

iv

1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về tách ngọn mía 15 1.3.1 Tách ngọn mía trước khi cây mía đi vào bộ phận làm sạch 16 1.3.2 Tách ngọn mía trong bộ phận làm sạch trên máy liên hợp THM 17 1.4 Kết quả nghiên cứu về tách lá trên máy liên hợp thu hoạch mía 21

1.4.2.3 Các nghiên cứu về chế độ làm việc của bộ phận tách lá mía 26

1.4.3.2 Kết quả nghiên cứu về chế độ làm việc của các quả lô 27

1.6 Các thông số ảnh hưởng và chỉ tiêu đánh giá bộ phận tách ngọn và lá

Luận án tiến sĩ mới nhất

v

2.2.2 Phân tích, lựa chọn các thông số chính và cách điều chỉnh 40

2.2.8.4 Phương pháp kiểm tra tính tương thích của mô hình toán 56

2.2.8.6 Xác minh các điều kiện tiên quyết của phân tích hồi quy 58

2.2.9.3 Phương pháp giải bài toán thương lượng tìm cực trị có điều kiện 60

Luận án tiến sĩ mới nhất

vi

Chương 3 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT

SỐ THÔNG SỐ CỦA BỘ PHẬN TÁCH NGỌN VÀ LÁ MÍA

64

3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố động học đến quá trình tách lá mía bằng

răng bóc

66

3.2.1.2 Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc đến chiều dài quét 68 3.2.1.3 Khảo sát ảnh hưởng của hệ số động học đến chiều dài quét 69

3.2.2.2 Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc đến hệ số quét lặp 70 3.2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của chỉ số động học đến hệ số quét lặp 71

3.3.1 Một số nhận xét về quá trình bẻ ngọn trên dàn thí nghiệm 72

3.3.2.1 Phân tích quá trình bẻ ngọn mía trên mô đun bẻ ngọn 73

Luận án tiến sĩ mới nhất

vii

3.4.3.2 Mô men uốn của ngọn mía theo chiều dài ở các góc quay khác nhau

3.5 Xây dựng mô hình khảo sát quá trình bay của cây mía sau khi ra khỏi

buồng làm sạch

95

3.5.1 Xây dựng mô hình chuyển động (bay) của thân cây mía 96

3.5.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc ban đầu đến quỹ đạo chuyển động

của thân mía

100

4.1 Cơ sở chọn thông số nghiên cứu và xác định miền biến thiên 103 4.1.1 Xác định các thông số đầu vào và các chỉ tiêu chất lượng 103

4.2.4 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn (Lm) đến các chỉ tiêu 121 4.3 Xác định giá trị thông số tối ưu bằng phương pháp quy hoạch hóa

thực nghiệm (QHTN) đa yếu tố

126

4.3.1 Mã hóa các thông số nghiên cứu và lập ma trận thí nghiệm 127 Luận án tiến sĩ mới nhất

viii

4.3.2 Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm hàm tỷ lệ tạp chất 128 4.3.3 Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm hàm tỷ lệ tổn thất 132 4.3.4 Kết quả xử lý số liệu thí nghiệm hàm chi phí năng lượng riêng 135

4.5 Kết quả ứng dụng máy liên hợp THM nguyên cây SHC-0,2A 142

Danh mục công trình đã công bố liên quan đến Luận án 148

Luận án tiến sĩ mới nhất

 Đạo hàm riêng của góc  theo thời gian

J Đạo hàm riêng của mô men quán tính theo thời gian

 Đạo hàm riêng của mô men uốn theo thời gian

 Đạo hàm riêng của lực dọc theo thời gian

Q Đạo hàm riêng của lực cắt theo thời gian

S Đạo hàm riêng của phân tố S theo thời gian

CGH Cơ giới hóa

dP Áp lực do đỉnh thanh bẻ ngọn tác dụng lên chiều dài của

Fgη Lực cản khí động tác dụng lên khối lá mía theo chiều η N Luận án tiến sĩ mới nhất

x

Fgτ Lực cản khí động tác dụng lên khối lá mía theo chiều τ N

fl Hệ số ma sát giữa lá mía và thân mía

G1 Tổng khối lượng mía sau khi ra khỏi buồng công tác kg

G2 Tổng khối lượng mía ra khỏi buồng công tác đã được

Gg Khối lượng mía bị gãy và rơi khỏi buồng công tác kg

GT Khối lượng thân cây sau khi qua buồng công tác kg

ibk Tỷ số truyền động từ lô bóc sang lô cấp

ik Tỷ số truyền từ lô bóc sang lô kẹp

Is Mô men quán tính của mặt cắt ngang đối với trục trung

4

m



Góc nghiêng của thân cây mía so với phương ngang khi

Jm Mô men quán tính theo trục ngang ở tâm thân cây mía Kg.m2

k Tỷ số chiều cao đặt lô

 Chỉ số động học

Lm Khoảng cách giữa tâm lô bẻ ngọn và tâm lô kẹp m Luận án tiến sĩ mới nhất

Nm Phản lực pháp tuyến lên thân cây mía tại điểm B N

 Ứng suất kéo cho phép theo chiều dọc của vỏ lá mía MPa

 Ứng suất kéo cho phép theo chiều ngang của vỏ lá mía MPa

Luận án tiến sĩ mới nhất

xii

THM Thu hoạch mía

XB Tọa độ theo phương ngang của điểm cây mía tiếp xúc

với quả lô cuối của bộ phận tách ngọn, lá mía

XF Tọa độ theo phương ngang điểm đặt lực tác động của

đỉnh thanh bẻ ngọn vào ngọn mía

Xt Tọa độ theo phương ngang của tâm lô bẻ ngọn

XM Tọa độ theo phương ngang của tâm cây mía khi bay ra

khỏi bộ phận tách ngọn, lá mía

yB Tọa độ theo phương thẳng đứng của điểm cây mía tiếp

xúc với quả lô cuối của bộ phận tách ngọn, lá mía

yF Tọa độ theo phương thẳng đứng của điểm đặt lực tác

động của đỉnh thanh bẻ ngọn vào ngọn mía

yM Tọa độ theo phương thẳng đứng của tâm cây mía khi

bay ra khỏi bộ phận tách ngọn, lá mía

yt Tọa độ theo phương dọc của tâm lô bẻ ngọn

αmax Góc uốn lớn nhất khi răng tác động vào cây mía Độ

Hệ số quét lặp

Luận án tiến sĩ mới nhất

xiii

DANH MỤC BẢNG

1.2 Chữ đường của mía (CCS) theo thời gian tăng trưởng 8 1.3 Một số thông số của thân cây và lá mía của các giống mía

khác nhau tại Ấn Độ

12

1.4 Lực tách bẹ lá, lực cắt và phá vỡ thân cây mía tại Ai Cập 12

1.6 Kích thước bẹ, lá ở một số giống mía phổ biến tại Việt Nam 14

1.9 Ứng suất, lực lớn nhất theo các phương của răng bóc 25

1.11 Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay lô bóc đối với ứng suất răng

bóc và lực va đập của cánh bóc bằng cao phân tử

cách tâm lô bẻ ngọn Lm đến các chỉ tiêu

122

4.15 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến tỷ lệ tạp chất 122 4.16 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến tỷ lệ tổn thất 124 4.17 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến chi phí năng

lượng riêng

125

riêng

136

4.28 Kết quả chạy thử máy liên hợp THM nguyên cây SHC-0,2A 142 Luận án tiến sĩ mới nhất

1.9 Sơ đồ cấu tạo bộ phận tách lá mía trên máy liên hợp THM 21

1.11 Kết cấu lô tách lá trên LHM thu hoạch mía chặt khúc của

hãng John deere

23

Luận án tiến sĩ mới nhất

xvi

3.2 Ảnh hưởng của tỷ số chiều cao đặt lô bóc đến chiều dài quét

3.10 Sơ đồ thuật giải hệ phương trình biến dạng ngọn mía 87 3.11 Dịch chuyển của điểm cuối ngọn theo thời gian 88 3.12 Dịch chuyển thẳng đứng theo chiều dài của ngọn mía ở các

thời gian khác nhau

88

3.13 Sự thay đổi của mô men uốn theo thời gian ở các điểm khác

nhau trên chiều dài ngọn mía

89

3.14 Mô men uốn của ngọn mía theo chiều dài ngọn mía ở các góc

quay (,0) khác nhau của thanh bẻ ngọn

91

3.15 Ứng suất uốn của ngọn mía theo chiều dài ở các góc quay

khác nhau của thanh bẻ ngọn

xvii

3.22 Quỹ đạo chuyển động của gốc và ngọn mía ở các vận tốc ban

đầu V0 khác nhau

100

4.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm bộ phận tách lá, ngọn mía 105 4.2 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) tới tỷ lệ tạp chất 108 4.3 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) tới độ tổn thất 110 4.4 Ảnh hưởng của vận tốc cấp (Vk) tới chi phí năng lượng riêng 111 4.5 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới tỷ lệ tạp chất 113 4.6 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới tỷ lệ tổn thất 114 4.7 Ảnh hưởng của chỉ số động học λ tới chi phí năng lượng

riêng

116

4.10 Ảnh hưởng của mật độ mía tới chi phí năng lượng riêng 121 4.11 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến tỷ lệ tạp chất 123 4.12 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn đến tỷ lệ tổn thất 124 4.13 Ảnh hưởng của khoảng cách tâm lô bẻ ngọn tới Ne 126 4.14 Đường đồng mức các chỉ tiêu phụ thuộc vào X1 và X2 140 4.15 Đường đồng mức các chỉ tiêu phụ thuộc vào X1 và X3 141 4.16 Đường đồng mức các chỉ tiêu phụ thuộc vào X1 và X4 141 Luận án tiến sĩ mới nhất

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] Thu hoạch mía (THM) là công đoạn nặng nhọc, chiếm 1820% tổng chi phí sản xuất mía nguyên liệu [9, 18] Để thu hoạch mỗi ha cần 8501.500h 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 5570% [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 40.000ha Tổng diện tích mía còn lại Luận án tiến sĩ mới nhất

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

Luận án tiến sĩ mới nhất

2 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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 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

+ 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;

Luận án tiến sĩ mới nhất

- 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

4 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

ND3 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

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

5.1 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

Luận án tiến sĩ mới nhất

6 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

7 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

- Chương 1 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

- Chương 4 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

Luận án tiến sĩ mới nhất

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 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 25m [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

1.1.1 Thân cây mía

Thân cây mía cao trung bình 23m, một số giống có thể cao 45m Thân mía được hình thành bởi nhiều dóng (lóng) với các đốt hợp lại Chiều dài mỗi dóng từ 1018cm [14], trên mỗi đốt gồm có mắt mía (mắt mầm), đai sinh trưởng, đai rễ, sẹo lá Thân mía có màu sắc và hình dạng khác nhau Có giống mía vỏ màu xanh, có giống vỏ màu vàng, màu đỏ sẫm, đỏ hồng hoặc đỏ tím, màu tím, Tuỳ theo từng giống mà dóng mía có nhiều hình dạng khác nhau như: hình trụ, hình trống, hình ống chỉ, hình chóp cụt xuôi hoặc ngược (còn gọi

là hình chùy xuôi hoặc ngược), có giống hình cong,… Nhiều giống mía thân thẳng nhưng cũng có giống các dóng nối nhau theo hình zig-zag,… Thân mía đơn độc, không có cành nhánh, trừ một số trường hợp bị sâu bệnh [95]

Nhiệm vụ của thân mía không chỉ để giữ bộ lá, mà còn là nơi dẫn nước và dinh dưỡng từ rễ tới lá và dự trữ đường nhờ quá trình quang hợp ở bộ lá Thân mía là đối tượng thu hoạch, là nguyên liệu chính để chế biến đường [95] Luận án tiến sĩ mới nhất

Hình 1.1 Thân mía [95]

1.1.2 Ngọn mía

Ngọn mía là phần trên cùng của cây mía được tính từ điểm thân cây mía chưa hình thành dóng cho đến hết phần lá xanh phía trên đỉnh cây Ngọn mía bao gồm 3 phần khác nhau: phần lá xanh phía trên, phần bẹ lá và phần lõi ngọn cây non Năng suất ngọn mía thay đổi đáng kể tuỳ theo giống mía, thời gian thu hoạch, điều kiện trồng và chăm sóc Thông thường ngọn mía chiếm khoảng 14

÷15% tổng sinh khối trên mặt đất của cây mía [21] Thành phần của ngọn mía

có sự thay đổi rất lớn tùy thuộc vào thời điểm thu hoạch Bảng 1.1 tổng hợp thành phần hoá học của ngọn mía [31]

Bảng 1.1 Thành phần hoá học của ngọn mía [31]

Bảng 1.2 Chữ đường của mía (CCS) theo thời gian tăng trưởng [29]

Luận án tiến sĩ mới nhất

Lá bao gồm bẹ lá, cổ lá, tai lá và phiến lá

- Bẹ lá: Là phần bao, bọc thân mía, bảo vệ mắt mầm Khi còn non bẹ lá

bao bọc hoàn toàn, khi già thì bao bọc một phần thân và đến lúc khô chết bong

đi để lại một vết sẹo ở mấu mía Tùy theo từng giống mía mà ở bẹ lá có nhiều,

ít hoặc không có lông

- Cổ lá: Nối giữa bẹ lá và phiến lá là cổ lá (còn gọi vết dày lá) Sát cổ lá

có lưỡi lá Hình dạng cổ lá và lưỡi lá ở mỗi giống mía là khác nhau

Hình 1.2 Bẹ và lá mía [95]

- Tai lá: Nơi tiếp giáp giữa phiến lá và mép phía trên của bẹ lá là tai lá

Tai lá cũng có hình dạng khác nhau đối với từng giống mía và có thể có ở cả Luận án tiến sĩ mới nhất

hai phía (trên và dưới) hoặc chỉ có ở một phía nào đó Chức năng của tai lá giúp cho phiến lá lay động được dễ dàng

- Phiến lá: Mang hình lưỡi mác, màu xanh hoặc màu xanh thẫm Phiến lá

có một gân giữa màu sáng Bề dài, bề rộng, độ dày, mỏng, cứng, mềm của phiến

lá phụ thuộc vào đặc tính riêng của từng giống mía

1.2 Kết quả nghiên cứu về đặc tính cơ, lý của ngọn và lá mía

1.2.1 Thế giới

Cây mía có tỷ lệ lá tương đối lớn, thường không được bóc kể từ khi mọc chồi đến khi thu hoạch Tùy theo từng giống mía, tỷ trọng các thành phần trong cây mía trong khoảng: ngọn và lá xanh 16,7%, lá bẹ khô 3,8%, mía nguyên liệu 79,5% Tỷ lệ ngọn, lá lớn gây rất nhiều khó khăn cho quá trình thu hoạch bằng

cơ giới, hạn chế năng suất làm việc của máy, tăng tỷ lệ tạp chất của mía nguyên liệu [6, 41, 81] Tuy nhiên nếu ngọn và lá mía sau thu hoạch được làm nhỏ và

để lại trên mặt ruộng sẽ giúp tăng năng suất vụ sau và rút ngắn thời gian nảy mầm của cây con [50]

Tác giả X Mou và cộng sự đã đánh số thứ tự các dóng từ ngọn xuống đến

vị trí dóng còn lá bắt đầu từ 1 đến 6 để xác định độ bền cơ học của bẹ lá mía tại từng dóng (hình 1.3) Trong nghiên cứu này, các thí nghiệm cơ bản bao gồm các thử nghiệm độ bền kéo dọc và ngang và thử nghiệm phá hủy bề mặt [80] Kết quả về ứng suất kéo tới hạn theo chiều dọc (kd), ứng suất kéo tới hạn theo chiều ngang (kn) và ứng suất cắt tới hạn (c) của bẹ lá mía được phân tích theo từng thời kỳ tăng trưởng, vị trí bẹ lá dọc theo thân cây và độ ẩm bẹ lá (wb) Các giá trị kd, kn và c của bẹ lá, được kiểm tra trong các dóng 1 đến 4 khi bẹ còn non có màu xanh lá cây và có độ ẩm từ 45% đến 70%, không thay đổi đáng

kể theo vị trí dọc theo thân cây từ các dóng 1 đến 4 [80]

Tương tự, các giá trị cường độ không thay đổi đáng kể giữa các dóng 5 và

6, các lá bên dưới dóng 6 gần như đã khô và có độ ẩm dao động từ 10% đến Luận án tiến sĩ mới nhất

20%; tuy nhiên, các giá trị này thấp hơn so với các giá trị được quan sát cho các dóng 1 đến 4 Bởi vì bẹ lá ở dóng 7 và thấp hơn sẽ khô hơn các dóng 5 và

6, cho thấy độ bền giảm, không cần phải đo dưới dóng 6 Giá trị của ba phép

đo cường độ ở độ ẩm trên 45% cao hơn đáng kể so với giá trị độ ẩm dưới 20% Các giá trị tối đa của kd, kn và c lần lượt là 28,19; 0,90 và 7,13 MPa[80] Các tính chất cơ học của bẹ lá ở các đoạn được đánh số từ 1 đến 4, mỗi đoạn gồm hai dóng liền kề Đây là cơ sở quan trọng để nghiên cứu thiết kế bộ phận tách lá cơ học Dựa trên sự khác biệt giữa các giá trị tối đa của kd, kn và c để thiết kế hệ thống tách lá cho phù hợp

Hình 1.3 Cây mía trước khi thu hoạch [80]

Đoạn 6

Đoạn 5 Đoạn 4

Đoạn 3 Đoạn 2 Đoạn 1

Điểm sinh trưởng

bẹ lá

Phiến lá

Luận án tiến sĩ mới nhất

Kết quả nghiên cứu của một số tác giả tại Ấn Độ đã xác định được ứng suất uốn tới hạn của thân cây mía và ứng suất kéo tới hạn của lá mía với một

số giống mía khác nhau và được trình bày tại bảng 1.3 [70]

Bảng 1.3 Một số thông số của thân cây và lá mía của các giống mía

khác nhau tại Ấn Độ [70]

1 Ứng suất uốn tới hạn của phần ngọn trên

cùng (với giống Co1148)

4 Lực cần thiết để phá vỡ mối nối giữa vỏ

và phiến lá xanh (với giống Co1148)

5 Lực cần thiết để phá vỡ mối nối giữa vỏ

và phiến lá xanh (với giống CoJ 64)

Kết quả nghiên cứu của các tác giả ở Ai Cập đã xác định được lực cần thiết

để tách các bẹ lá ra khỏi thân cây mía và lực chọc thủng thân cây mía có giá trị khác nhau và tùy thuộc vào từng vị trí của lá và thân cây mía [64] Kết quả được tổng hợp tại bảng 1.4

Bảng 1.4 Lực tách bẹ lá, lực cắt và phá vỡ thân cây mía tại Ai Cập [64]

Lực tối đa cần thiết để tách

bẹ lá ra khỏi thân cây mía

2

Lực tối đa cần thiết để gây

tổn thương thân cây mía

Bảng 1.5 Một số đặc tính cơ học của ngọn mía [65]

trí khác [71] Mô đun cắt, mô đun đàn hồi và giới hạn uốn của phần dưới của thân cây mía tương ứng khoảng 10,82 MPa; 1.172 MPa và 46,5 MPa [52, 53] Giới hạn kéo của các dóng 1,2 và 3 bên dưới đỉnh sinh trưởng tương ứng là xấp

xỉ 1,44; 2,87 và 4,72 MPa và giới hạn nén tương ứng xấp xỉ 4,04; 5,22 và 6,66 MPa [58] Giới hạn uốn và mô đun đàn hồi uốn là 9,40 MPa và 55,85 MPa ở

vị trí dóng thứ 5 phần bên dưới, tương ứng và tỷ lệ µ là khoảng 0,344 [56, 57]

1.2.2 Việt Nam

Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về đặc điểm cơ, lý của ngọn và lá mía Kết quả nghiên cứu đã xác định được kích thước của bẹ, lá ở một số giống mía phổ biến tại Việt Nam Số liệu được tổng hợp và trình bày tại bảng 1.6

Bảng 1.6 Kích thước bẹ, lá ở một số giống mía phổ biến tại Việt Nam [1]

STT Giống mía Chiều dài bẹ

(cm)

Chiều dài lá

(cm)

Bề rộng trung bình lá (cm)

và điều kiện chăm sóc mà khối lượng ngọn, lá mía thay đổi (bảng 1.7)

Bảng 1.7 Khối lượng thân, ngọn lá mía [8]

STT Giống mía Công

thức chăm sóc

Khối lượng thân cây mía (kg)

Khối lượng ngọn lá mía

1.3 Tổng quan các công trình nghiên cứu về tách ngọn mía

Quá trình tác động làm ngọn mía tách rời khỏi thân cây mía được định nghĩa

là quá trình “tách ngọn mía” Quá trình tách ngọn mía bằng phương pháp tạo biến dạng uốn đủ lớn để ngọn mía gãy rời khỏi thân mía gọi là “bẻ ngọn mía”

Do đó trong luận án sẽ sử dụng đồng thời hai thuật ngữ “tách ngọn mía” và

“bẻ ngọn mía” để mô tả đúng bản chất của từng quá trình

Tại Việt Nam, cho đến nay đã có một số công trình công bố thiết kế và chế

tạo bộ phận cắt ngọn mía lắp trên các máy liên hợp THM [6, 9, 18] Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ phận cắt ngọn có thể giảm bớt khối lượng lá xanh đưa vào bộ phận công tác của máy liên hợp THM Tuy nhiên do chiều cao cây mía không đồng đều và mấp mô mặt đồng nên rất khó để cắt ngọn đúng vị trí [27]

Trên thế giới, các kết quả nghiên cứu về vấn đề tách ngọn mía đã công bố

hiện nay tập trung vào hai hướng chính như dưới đây:

Luận án tiến sĩ mới nhất

1.3.1 Tách ngọn mía trước khi cây mía đi vào bộ phận làm sạch

Việc tách ngọn mía trước khi cây mía đi vào bộ phận làm sạch của máy liên hợp THM đã được nhiều tác giả nghiên cứu và công bố các sáng chế, thiết kế

bộ phận cắt ngọn lắp phía trước máy liên hợp THM

Patent số US4008557 năm 1977 đã đề xuất cơ cấu cắt ngọn mía gắn trên máy liên hợp THM được mô tả ở hình 1.4

Theo hình 1.4, bộ phận cắt ngọn gồm 2 trống quay ngược chiều nhau, trên hai trống có gắn các khối V để gạt ngọn mía vào trong vị trí có dao cố định và cắt ngọn mía thành nhiều đoạn, sau đó gạt ngọn mía đã cắt ra hai bên Nguyên

lý cắt ngọn này đã được nhiều hãng sản xuất máy liên hợp THM phát triển và ứng dụng vào sản xuất (hình 1.5, 1.6) Cụm dao cắt ngọn được lắp trên giá đỡ

có thể điều chỉnh được chiều cao bởi xy lanh thủy lực

Hình 1.4 Bộ phận cắt ngọn mía [75]

Với cơ cấu cắt ngọn theo nguyên lý trên, tốc độ của đĩa dao cắt và khe hở trống có tác động đáng kể đến hiệu quả cắt nhỏ Các thông số tối ưu để bộ phận cắt ngọn làm việc tốt: tốc độ quay của trống lắp dao là 150 vòng/phút và khe

hở trống cắt là 20 mm [49]

Bộ phận cắt ngọn lắp trên máy liên hợp THM có ưu điểm: cấu tạo đơn giản,

dễ lắp đặt và vận hành Nhược điểm: phải điều chỉnh cần cắt ngọn liên tục theo Luận án tiến sĩ mới nhất

chiều cao cây mía để giảm hao hụt và tạp chất Trong khi vận hành người lái máy phải tập trung quan sát đường đi, quan sát và điều chỉnh dao chặt gốc

Hình 1.5a Bộ phận cắt ngọn lắp trên

máy liên hợp THM nguyên cây [101]

Hình 1.5b Bộ phận cắt ngọn lắp trên máy liên hợp THM chặt khúc [102]

Do đó bộ phận cắt ngọn chỉ thực hiện công đoạn hớt bớt lá trên ngọn mía hoặc cắt quá sâu gây tổn thất mía khi thu hoạch Sử dụng bộ phận cắt ngọn trên máy liên hợp THM không chính xác gây ra lượng tổn thất khoảng 4 tấn/ha [62] Bên cạnh đó tại Việt Nam, hiện nay các nhà máy đường áp dụng mức tính tỷ lệ tạp chất của mía nguyên liệu khi thu hoạch bằng máy liên hợp THM chặt khúc

là 10% và từ 35% đối với các loại mía thu hoạch nguyên cây [27]

1.3.2 Tách ngọn mía trong bộ phận làm sạch trên máy liên hợp THM

Quá trình tách ngọn mía trong bộ phận làm sạch của máy liên hợp THM chặt khúc đã được các hãng sản xuất phát triển thành hàng hóa với nguyên lý chặt nhỏ ngọn, thân cây mía thành các đoạn dài từ 2030cm sau đó dùng quạt công suất lớn để hút lá, ngọn non ra ngoài (hình 1.6) [36, 37, 43, 66] Tùy thuộc vào tốc độ của quạt hút mà tỷ lệ tạp chất thay đổi từ 7,26% đến 11,21% [47]

Tỷ lệ tạp chất và năng suất máy có quan hệ tuyến tính với vận tốc dao chặt khúc

và tốc độ cấp liệu [44] Tỷ lệ tổn thất mía tỷ lệ nghịch với vận tốc tiến của máy liên hợp THM [79]

Luận án tiến sĩ mới nhất

Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo của máy liên hợp THM chặt khúc [66]

Phương pháp tách ngọn bằng chặt khúc có ưu điểm: dễ phân ly do ngọn, lá được cắt thành các đoạn nhỏ Nhược điểm: Không phân ly được đoạn thân non sát ngọn và đoạn ngọn do chúng có khối lượng lớn hơn lá nhiều

Đối với máy liên hợp THM nguyên cây việc không loại bỏ được ngọn mía trước khi đưa vào bộ phận làm sạch ảnh hưởng lớn đến chất lượng làm việc của

bộ phận làm sạch, không phân ly được lá mía

Hình 1.7 Cấu tạo các quả lô trên thiết bị bẻ ngọn mía [59]

Quạt hút

Dao chặt gốc

Băng tải vận chuyển

Dao băm Cắt ngọn

Luận án tiến sĩ mới nhất

Tác giả Luxin Xie và các cộng sự đã phát triển và thử nghiệm một hệ thống

bẻ ngọn mía theo nguyên lý biến dạng toàn bộ thân mía Cấu tạo của thiết bị được thể hiện trên hình 1.7

Mô hình nghiên cứu thực nghiệm được thể hiện trên hình 1.8 Nhờ tác dụng của các quả lô có cánh ở hình 1.7, sẽ tạo ra biến dạng uốn của thân cây mía, khi biến dạng uốn vượt quá giới hạn bền, thân mía sẽ bị bẻ gãy [59]

Hình 1.8 Mô hình thử nghiệm thiết bị bẻ ngọn mía [59]

Dựa trên mô hình thí nghiệm (hình 1.8), các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ lô cấp liệu; tốc độ lô bẻ ngọn; góc nâng của các quả lô đè; khoảng cách giữa các cánh lô bẻ ngọn Các chỉ tiêu đánh giá: tỷ lệ cây mía gãy ngọn; tỷ lệ cây không bị gãy đoạn và chi phí năng lượng

Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố, các tác giả đã xác định được các thông số làm việc tối ưu của thiết bị, kết quả trình bày tại bảng 1.8

Bảng 1.8 Kết quả thử nghiệm bộ phận bẻ ngọn mía [59]

Luận án tiến sĩ mới nhất

3 Góc nâng của lô đè 14

8 Lực tối đa để bẻ gãy ngọn thân mía 807,68N

Nguyên lý bẻ ngọn nêu trên có các ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm: kết cấu phù hợp với máy liên hợp THM nguyên cây; cải thiện hiệu suất làm sạch ngọn mía khi thu hoạch nguyên cây

- Nhược điểm: cây mía chịu biến dạng toàn bộ chiều dài nên tỷ lệ cây bị gãy đoạn cao, chiếm 17% (tỷ lệ cây không gãy đoạn là 83%), tỷ lệ gãy ngọn ở mức 85% như vậy tỷ lệ ngọn chưa gãy vẫn khá cao tương đương với 15% Trong nghiên cứu chưa xét đến trường hợp cây mía còn bẹ lá ôm sát thân chưa được làm sạch ở đoạn ngọn

* Nhận xét về tách ngọn

Qua nghiên cứu tổng quan và phân tích ở trên, chúng ta nhận thấy:

- Tách ngọn mía trước khi cây mía đi vào bộ phận làm sạch của máy liên hợp THM một giai đoạn hiện nay chủ yếu thực hiện bằng bộ phận cắt ngọn lắp phía trước máy Phương pháp này khó thực hiện triệt để vì chiều cao cây mía không đồng đều

- Tách ngọn mía trong bộ phận làm sạch của máy liên hợp THM theo phương pháp chặt khúc khó thực hiện phân ly bằng quạt hút do đoạn thân non sát ngọn và đoạn ngọn có khối lượng lớn hơn lá mía rất nhiều Nguyên lý này không ứng dụng được trên máy liên hợp THM để nguyên cây

- Đã có công trình nghiên cứu thực nghiệm thiết bị bẻ ngọn mía theo nguyên

lý biến dạng toàn bộ để ứng dụng trên máy liên hợp THM nguyên cây Kết quả nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của các yếu tố: tốc độ vòng quay lô cấp liệu; tốc độ vòng quay lô bẻ ngọn; góc nâng của lô đè và khe hở giữa hai Luận án tiến sĩ mới nhất

cánh lô bẻ ngọn đến các chỉ tiêu: tỷ lệ gãy ngọn, tỷ lệ cây mía không bị gãy và chi phí năng lượng Tuy nhiên trong nghiên cứu này chưa đề cập đến vấn đề làm sạch lá

1.4 Kết quả nghiên cứu về tách lá trên máy liên hợp thu hoạch mía

1.4.1 Cấu tạo bộ phận tách lá trên máy liên hợp THM

Quá trình tác động làm lá mía tách rời khỏi thân cây mía được định nghĩa

là quá trình “tách lá”

Bộ phận tách lá mía trên máy liên hợp THM chủ yếu làm việc theo nguyên

lý cấp liệu phần gốc mía vào trước [69, 76, 84] Cấu tạo và nguyên lý làm việc được giới thiệu trên hình 1.9 Theo đó hai cặp lô số 1 và số 5 được gọi là cặp

“lô kẹp, rút”, hai cặp lô này có cấu tạo giống nhau và có cùng tốc độ quay

Nhiệm vụ của hai cặp lô kẹp rút là kẹp chặt cây mía và rút, kéo cây mía di chuyển Quả lô số 3 có nhiệm vụ làm tách rời lá, bẹ ra khỏi thân cây mía được

gọi là “lô tách, róc” hay “lô bóc”

Hình 1.9 Sơ đồ cấu tạo bộ phận tách lá mía trên máy liên hợp THM [69]

1 – Lô kẹp; 2 – Cây mía; 3 – Lô bóc; 4 – Răng bóc; 5 – Lô rút

Với sơ đồ cấu tạo như trên hình 1.9, nguyên lý làm việc như sau: phần gốc của cây mía được đưa vào lô kẹp nhờ lực văng của đĩa cắt gốc và lô hất Các Luận án tiến sĩ mới nhất

cặp lô kẹp và lô rút cây có nhiệm vụ vận chuyển cây mía và kẹp, giữ cây mía

để các răng bóc trên lô bóc chà sát và tách lá ra khỏi thân mía

Hiệu quả của quá trình tách lá tỷ lệ thuận với mức độ chênh lệch giữa vận tóc của lô bóc với lô kẹp Nếu muốn làm sạch lá tốt thì tốc độ vòng quay của

lô bóc phải cao hơn nhiều so với lô kẹp giữ

Nguyên lý này có ưu điểm là phù hợp với hướng đi của cây mía sau khi đã chặt gốc do đó dễ dàng bố trí trên máy liên hợp THM Để tăng hiệu quả tách

lá, một số mẫu máy liên hợp THM chặt khúc đã sử dụng nhiều cặp lô lắp liên tiếp nhau trên chiều dài của bộ phận làm sạch (hình 1.10)

Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo máy liên hợp THM [72]

1– Bộ phận cắt ngọn; 2 – Con lăn ép cây; 3– Vít nâng cây;

4 – Lô ép gốc cây; 5 – Dao chặt gốc; 6 – Các quả lô làm sạch lá

7, 10 – Quạt hút làm sạch lá; 8 – Lô dao chặt khúc; 9– Băng tải

Theo hình 1.10, các cặp lô được bố trí liên tiếp nhau, không nằm trên cùng một mặt phẳng Vận tốc các cặp lô tăng dần từ trước tới sau theo quá trình dịch chuyển của cây mía Trong quá trình cây mía dịch chuyển, các cặp lô bóc vừa làm nhiệm vụ di chuyển cây mía vừa làm nhiệm vụ tách lá

Luận án tiến sĩ mới nhất