Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu đến năng suất và chi phí năng lượng của máy đào rãnh trồng mía lắp trên máy kéo MTZ 50

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP --- NGUYỄN CAO THÔNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY ĐÀO RÃNH TRỒNG MÍA LẮP TRÊN MÁY KÉO MTZ-50

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

-

NGUYỄN CAO THÔNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ KẾT CẤU ĐẾN NĂNG SUẤT VÀ CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY ĐÀO RÃNH TRỒNG MÍA LẮP TRÊN MÁY KÉO MTZ-50

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông, lâm nghiệp

Mã số: 60.52.14

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN NHẬT CHIÊU

HÀ NỘI - 2011

ĐẶT VẤN ĐỀ

Mía là cây cơng nghiệp ngắn ngày, cĩ giá trị kinh tế cao, người ta cịn gọi cây mía là cây năng lượng của thế kỷ 21 Ngồi việc dùng để chế biến đường, mía cịn là nguyên liệu cho hơn 50 sản phẩm chế biến khác nhau của nhiều ngành cơng nghiệp như: dệt, gỗ, hĩa dược, giấy, xây dựng…

Nghề trồng mía trên thế giới đã có từ lâu đời, khỏang hơn 200 quốc gia và vùng lãnh thổ trồng mía Aán Độ là quốc gia đầu tiên trên thế giới biết sản xuất đường từ mía, vào khỏang năm 1938 Theo thống kê của tổ chức FAO ( tổ chức nông- lương liên hợp quốc), sản lượng đường sản xuất từ mía là 1.324,6 triệu tấn vào năm 2005( gấp 6 lần so với đường sản xuất từ củ cải) tập trung chủ yếu ở các quốc gia và vùng lãnh thổ nhiệt đới Hiện nay Brazil là quốc gia sản xuất đường lớn nhất thế giới với gần 600 triệu tấn mía vào năm 2010 Tuy nhiên việc cơ khí hóa trong ngành mía đường ở các nước này đã và đang phát triển mạnh mẽ trong các khâu làm đất, trồng, chăm sĩc và thu họach

Ở nước ta cây mía được trồng trên khắp mọi miền, chủ yếu tập trung ở các tỉnh phía bắc, khu bốn và các tỉnh Nam Trung Bộ Cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ XXI cây mía được phát triển đại trà ở đồng bằng Sơng Cửu Long, một loạt các nhà máy đường cĩ cơng suất vừa và lớn được xây dựng như: Nhà máy đường Bến Tre, Trà Vinh, Phụng Hiệp, Vị Thanh, Sĩc Trăng và nhà máy đường Kiên Giang Các cánh đồng lúa đã và đang dần được thay thế bằng đồng mía, vì cây mía có giá trị kinh tế cao và nhu cầu sử dụng đường của người dân Nam Bộ cao Theo thống kê mới nhất của tổng cơng ty (TCT) mía đường Cần Thơ đến cuối tháng 2/2011 diện tích trồng mía ở đồng bằng sông Cửu Long là khỏang 65.000 ha, sản lượng đạt gần 5,2 triệu tấn mía/ năm Nhưng hiện nay phần

lớn công nghệ làm đất, đào rãnh, trồng, chăm sóc và thu họach mía vẫn là Lao động thủ công

Đào rãnh để trồng mía là cơng việc nặng nhọc, tốn nhiều cơng sức, ngược lại lao động trẻ nông thôn đổ ra thành phố và các khu công nghiệp mới nên việc cơ khí hóa cho công việc đào rãnh trồng mía là vô cùng cấp bách Hiện nay đã cĩ một số máy đào rãnh, đào mương đang áp dụng cho đào rãnh trồng mía nhưng hiệu quả khơng cao Liên hợp máy đào rãnh kiểu xới phay đã cĩ từ năm 2007 vì là liên hợp máy mới nên chưa cĩ đề tài nào đi sâu nghiên cứu tối

ưu các thơng số cho liên hợp máy đào rãnh kiểu này

Do vậy tơi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thơng

số kết cấu đến năng suất và chi phí nhiên liệu của máy đào rãnh trồng mía lắp trên máy kéo MTZ-50”

Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Ý nghĩa khoa học của đề tài là xác định được một số thơng số kỹ thuật tối

ưu của LHM đào rãnh trồng mía lắp trên máy kéo MTZ- 50 làm việc trên nền đất thịt ở đồng bằng Sơng Cửu Long cĩ căn cứ khoa học, nhằm nâng cao năng suất cho LHM đào rãnh, giảm chi phí nhiên liệu

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Hồn thiện mẫu LHM đào rãnh ĐRXS-1 với những thơng số kỹ thuật tối

ưu khuyến cáo đưa máy vào sử dụng rộng rãi phục vụ việc cơ giới hĩa khâu đào rãnh trồng mía ở đồng bằng Sơng Cửu Long

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1.Thiết bị máy đào rãnh và máy trồng mía ở đồng bằng Sơng Cửu Long Trước kia và hiện nay đồng bằng Sơng Cửu Long chỉ sử dụng các loại máy

đào, cuốc và nạo vét kênh mương phục vụ sản xuất lúa,chưa cĩ loại máy nào đào rãnh trồng mía Hầu hết bà con nơng dân vẫn đào rãnh trồng mía bằng các

dụng cụ thô sơ, vì vậy năng suất mía chưa cao, giá thành từ sản phẩm từ cây mía còn cao

Trong luận văn này xin giới thiệu một loại máy đào rãnh, để tạo cơ sở lựa chọn nguyên lý và kết cấu của máy đào rãnh trồng mía liên hợp với máy kéo MTZ-50 theo nguyên lý phay đào chủ động

1.2 Thiết bị máy đào rãnh và máy trồng mía trong nước và trên thế giới

Những năm 1990, Viện Cơ Điện Nông nghiệp đã đưa ra máy rạch hàng mía dạng chủ động đào rãnh xới sâu trồng mía liên hoàn ĐRXS – 1 có khả năng xới sâu tới 50 – 60 cm, đào rãnh thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trồng mía Máy liên hợp với máy kéo bánh bơm cỡ 1,4 tấn lực kéo có năng suất 0,4 ha/h

Năm 1998 luận án tiến sỹ kỹ thuật của Nguyễn Văn Phát đã “nghiên cứu một

số thông số chính của bộ phận làm việc máy đào rãnh trồng mía ĐRXS-1”, đưa ra kết luận giảm số vòng quay từ 434 xuống 356 v/ph dẫn đến có thể tăng vận tốc tịnh tiến của máy từ 0,468 m/s lên 0,695 m/s làm tăng năng suất máy lên 48,5% trong cùng điều kiện chi phí năng lượng như nhau

- Năm 2004, đề tài cấp Thành phố Hồ Chí Minh “nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy trồng mía” do TS Nguyễn Như Nam làm chủ nhiệm

Máy rạch hàng R-2

Máy đào rãnh kiểu trục vít đứng 1KL

Máy đào rãnh xới sâu trồng mía liên hoàn ĐRXS – 1

Kết luâ ̣n chương 1

Trình bày được yêu cầu kỹ thuật của rãnh trồng mía

Cấu tạo cơ bản và đặc tính kỹ thuật của một số loại máy đào rãnh trồng mía, máy trồng mía trên thế giới và Viê ̣t Nam

Cấu tạo cơ bản và đặc tính kỹ thuật của máy kéo MTZ-50

Cấu tạo cơ bản và đặc tính kỹ thuật của máy đào rãnh trồng mía ĐRXS-1 theo nguyên lý chủ động

Nêu được một số công trình nghiên cứu về máy đào rãnh, đào rãnh trồng mía, máy trồng mía trên thế giới và ở Việt Nam

Giới thiệu tổng quan về phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Chương 2 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu

Nghiên cứu xác định được các thông số LHM đào rãnh trồng mía kiểu phay làm cơ sở cho việc hoàn thiện thiết kế, chế tạo loại LHM này, nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí nhiên liệu và đảm bảo hình dạng yêu cầu của rãnh đào

2.2 Đối tượng nghiên cứu

2.2.1 Đất trồng mía ở đồng bằng Sông Cửu Long

Đất thích hợp cho cây mía là đất có nguồn gốc từ núi lửa, đất phù sa, đất có tầng canh tác dày và giữ độ ẩm tốt Tùy theo điều kiện tự nhiên, tập quán canh tác cây mía và quy mô sản xuất, có thể phân chia vùng đất trồng mía ở Việt nam thành 7 vùng: Các tỉnh phía Tây Bắc Bộ, Đồng bằng Bắc Bộ, khu Bốn cũ, đồng bằng và ven biển Miền Trung, vùng Tây Nguyên, Miền Đông Nam Bộ và các tỉnh đồng bằng Sông Cửu Long Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này

là đất thịt( đất tạp) ở đồng bằng Sông Cửu Long

Đồng bằng Sông Cửu Long với diện tích gần bốn triệu ha chiếm trọn vùng hạ lưu sông Mê Công bao gồm các tỉnh: long An, Tiền Giang, Bến Tre, Vĩnh Long, Trà Vinh, Đồng Tháp, Cần Thơ, Hậu giang, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Kiên Giang và An Giang Hoặc ít, hoặc nhiều tỉnh nào cũng có sự xuất hiện của cây mía Các chỉ tiêu đặc trưng cho cơ, lý, hóa tính của đất ở đồng bằng Sông Cửu long như: độ cứng, độ ẩm, dung trọng và hệ số ma sát trong giai đoạn làm đất là những chỉ tiêu rất quan trọng ảnh hưởng đến chi phí và chất lượng làm đất cần phải được xác định Chúng tôi đã phối hợp cùng khoa nông nghiệp trường đại học Cần Thơ, tổng công ty(TCT) mía đường Cần Thơ tiến

hành thí nghiệm đo đạc một số chỉ tiêu của đất tại một số vùng nguyên lệu trồng mía ở Cần Thơ, Hậu Giang, Sóc Trăng và Kiên Giang Số liệu đo đạc sau khi được xử lý gồm:

+ Sự phụ thuộc độ cứng theo độ sâu H

+ Sự phụ thuộc độ cứng theo độ ẩm của đất

+ Quan hệ giữa hệ số ma sát ngoài f của đất và thép

+ Quan hệ giữa dung trọng (g/cm)

+ Sự phụ thuộc thành phần và tính chất cơ lý của đất

2.2.2 Máy đào rãnh trồng mía ĐRXS-1 theo nguyên lý phay đào chủ động

Để đạt được mục đích nghiên cứu, chúng tôi chọn LHM đào rãnh ĐRXS-1 chế ta ̣o

tại viện cơ điện nông nghiệp (hình 2-1)

Hình 2.1: Sơ đồ cấu ta ̣o của LHM đào rãnh

2.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu các thông số của LHM đào rãnh trồng mía Có rất nhiều yếu

tố ảnh hưởng đến chất lượng làm việc, năng suất và chi phí năng lượng đối với LHM đào như đã nêu ở phần 2.1

Ta không thể đưa tất cả các yếu tố vào nghiên cứu mà chỉ cần lựa chọn những yếu tố chính và loại bỏ những yếu tố không cần thiết Qua thu thâ ̣p thông tin quá trình làm viê ̣c thực tế của máy, chúng tôi tiến hành nghiên cứu

ba thông số mà nó ảnh hưởng nhiều đến năng suất máy đào và chi phí nhiên liệu là:

+ Góc nghiêng của bánh phay so với mặt đất: α (đô ̣);

+ Tố c độ quay tru ̣c bánh phay: n (vòng/phút);

+ Chiều sâu của rãnh : h (mm)

Đặc tính kỹ thuật cơ bản của máy đào rãnh kiểu phay theo nguyên lý chủ

động (bảng 1-1)

TT Thông số Ky ́ hiê ̣u Gia ́ tri ̣ Đơn vi ̣

2 Tố c độ quay tru ̣c bánh xới N 275 Vòng/phút

7 Gó c nghiêng của bánh phay  7090 Đô ̣

8 Tỷ số truyền hộp giảm tốc I 23/12=1,9

Kết luâ ̣n chương 2

Mục tiêu chính là nghiên cứu xác định được các thông số kết cấu hợp lý

của máy đào rãnh trồng mía kiểu phay làm cơ sở cho việc hoàn thiện thiết kế,

chế tạo loại máy này, nhằm nâng cao năng suất, giảm chi phí nhiên liệu vẫn đảm bảo hình dạng và yêu cầu kỹ thuật của rãnh

Xác đi ̣nh máy đào rãnh trồng mía kiểu phay đào theo nguyên lý chủ độn

là đố i tươ ̣ng nghiên cứu của đề tài và đất trồng mía ở đồng bằng sông Cửu Long

Xác đi ̣nh đươ ̣c 2 chỉ tiêu thông số đầu ra để đánh giá chất lươ ̣ng của máy

là chi phí nhiên liệu: Q (ml/ m3) và năng suất máy đào rãnh: N (m3/ph);

Các thông số: góc nghiêng của bánh phay với mặt đất: α(đô ̣), tố c đô ̣ quay

củ a tru ̣c bánh phay: n (vòng/phút), chiều sâu của rãnh đào: h (mm) là những thông số đầu vào ảnh hưởng chính đến hàm chỉ tiêu;

Nêu ra đươ ̣c các nô ̣i dung cần nghiên cứu và từng nô ̣i dung có những phương pháp nghiên cứu phù hợp

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Nô ̣i dung và phương pháp nghiên cứu tổng quan

3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu xác định các thông số tối ưu của LHM đào rãnh trồng mía

3.2.1 Nghiên cư ́ u thực nghiê ̣m đơn yếu tố

Nội dung nghiên cứu xác đi ̣nh một số thông số tối ưu của LHM đào rãnh

là xác đi ̣nh mố i quan hê ̣ giữa các thông số đầu vào và đầu ra Từ đó tối ưu hóa các thông số cấu tạo và chế độ làm việc của LHM để đạt hiệu quả kinh tế cao

Các thông số đầu vào:

Góc nghiêng của bánh phay so với mặt đất : α (độ);

Tố c độ quay của bánh phay: n (vòng/phút);

Độ sâu của rãnh đào: h (mm)

Các thông số đầu ra:

Năng suất của máy đào : N (m3/ph);

Chi phí nhiên liệu: Q (ml/m3)

Để thực hiê ̣n được nô ̣i dung trên chúng tôi dùng phương pháp quy hoa ̣ch thực nghiê ̣m Cu ̣ thể là chúng tôi khảo nghiê ̣m LHM đào rãnh trồng mía để xác

đi ̣nh mức đô ̣ ảnh hưởng của mô ̣t số yếu tố chính đến chi phí năng lượng riêng

và năng suất đào theo hai bước: Khảo nghiê ̣m đơn yếu tố để rút ra số liệu làm

cơ sở cho viê ̣c tiến hành khảo nghiê ̣m đa yếu tố

Khảo nghiê ̣m đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh hưởng riêng của từng yếu

tố vào đến các thông số ra, qua đó thăm dò được mức biến thiên, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu thích hợp cho mỗi yếu tố làm cơ sở cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố;

Nhiệm vụ cơ bản của thực nghiệm đơn yếu tố là xác định các thông số ảnh hưởng tố c đô ̣ quay của bánh phay: n (vòng/phút), góc nghiêng của bánh phay: α (độ), chiều sâu của rãnh : h (mm) để xem các thông số này ảnh hưởng như thế nào đến các chỉ tiêu đánh giá năng suất của LHM đào rãnh: N (m3/ph), Chi phí năng lượng riêng: Q ( ml/ m3) của máy kéo MTZ-50 Xác định mức độ

và quy luật ảnh hưởng của chúng đến chỉ tiêu quan tâm Thực nghiệm đơn yếu tố được tiến hành theo các bước sau:

Tiến hành thí nghiê ̣m với mô ̣t thông số thay đổi, các thông số còn lại ấn đi ̣nh ở giá tri ̣ cố đi ̣nh;

Xử lý số liê ̣u Sau khi thí nghiệm kết thúc, tiến hành xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của mỗi yếu tố tới chi phí nhiên liệu: Q ( ml/ m3)) và năng suất của LHM: N (m3/ph) Đánh giá tính thuần nhất của phương sai trong quá trình thí nghiê ̣m, để chứng tỏ ảnh hưởng khác đố i với thông số cần xét

là không có hoă ̣c không đáng kể

Xác đi ̣nh mô hình toán thư ̣c nghiê ̣m đơn yếu tố để tiến hành các phân

tích và dư ̣ báo cần thiết

Ảnh hưởng của góc nghiêng của bánh phay  thay đổi từ 700, 750, 800, 850

và 900đến chi phí nhiên liệu Q và năng suất đào N Ta tiến hành thí nghiê ̣m với

tốc độ quay n =200 vòng/phút, chiều cao của rãnh h= 300mm và hai hàm chi phí nhiên liệu, năng suất đào được biểu diễn Q = f2(n), N = 2 (n)

Hình 3-5: Đồ thi ̣ quan hê ̣ góc nghiêng bánh phay đến

chi phí nhiên liệu máy đào

Hình 3-6: Đồ thi ̣ quan hê ̣ góc nghiêng bánh phay đến năng suất máy đào

Hình 3-7: Đồ thi ̣ quan hê ̣ vận tốc bánh phay đến

chi phí nhiên liệu máy đào

Hình 3-8: Đồ thi ̣ quan hê ̣ vận tốc bánh phay đến năng suất máy đào

Hình 3-9: Đồ thi ̣ quan hê ̣ chiều sâu rãnh đến

chi phí nhiên liệu máy đào

Hình 3-10: Đồ thi ̣ quan hê ̣ chiều sâu rãnh đến

Năng suất máy đào

3.2.2 Nghiên cứu thực nghiê ̣m đa yếu tố

Khảo nghiê ̣m đa yếu tố được tiến hành sau khi khảo nghiê ̣m đơn yếu tố

xác đi ̣nh đươ ̣c mức ảnh hưởng của các yếu tố chính đến chi phí nhiên liệu và năng suất LHM làm cơ sở cho viê ̣c tiến hành khảo nghiê ̣m đa yếu tố Nô ̣i dung nghiên cứu xác đi ̣nh một số thông số tối ưu của LHM đào rãnh là xác đi ̣nh mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra Từ đó tối ưu hóa các thông số cấu

tạo và chế độ làm việc của LHM để đạt hiệu quả kinh tế cao

Góc nghiêng của bánh phay: α (đô ̣) ®ươc m· ho¸ lµ X1

Tố c độ quay tru ̣c bánh phay: n (vòng/ phút) ®ược m· ho¸ lµ X2

Chiều cao rãnh: h(mm) ®ược m· ho¸ lµ X3

Từ các giá tri ̣ thực nghiê ̣m đơn yếu tố , xác đi ̣nh các giá tri ̣ lớn nhất và nhỏ nhất củ a các yếu tố Sử du ̣ng công thức (3.13, 3.14, 3.15) xác đi ̣nh các giá tri ̣

X1, X2, X3 dạng mã hóa của các thông số góc nghiêng bánh phay , số vòng quay củ a tru ̣c bánh phay n và chiều cao rãnh h Kết quả được ghi ở (bảng 3.1)

Ba ̉ ng 3.1 Giá tri ̣ mã hóa của X 1 , X 2 , X 3

Ba ̉ ng 3.2 Ma trâ ̣n thí nghiê ̣m Hartly

Tiến hành thí nghiê ̣m theo ma trâ ̣n đã lâ ̣p Kết quả các số đo trong khi

làm thí nghiê ̣m dù chính xác đến mấy cũng luôn tồn ta ̣i sự sai lê ̣ch Sự sai lê ̣ch

này tồ n ta ̣i ở ba da ̣ng:

Sai số thô: Là sai số của số đo đươ ̣c trong mô ̣t thí nghiê ̣m nào đó khác xa

vớ i những số đo đươ ̣c ở các thí nghiê ̣m trước Nguyên nhân sai số thô: do thiết

bị thí nghiê ̣m bi ̣ hỏng, điều kiê ̣n thí nghiê ̣m khác thường Sai số thô dễ phát hiện, khắc phu ̣c bằng cách làm la ̣i ngay thí nghiê ̣m đó

Sai số hệ thố ng gây ra do đô ̣ nhâ ̣y và đô ̣ chính xác của du ̣ng cu ̣, khắc phục sai số hê ̣ thống bằng cách hiê ̣u chỉnh du ̣ng cu ̣ đó

Sai số ngẫu nhiên: là những sai lê ̣ch không lớn, nó được ta ̣o ra bởi nhiều yếu tố khác nhau, khó phát hiê ̣n để xử lý do vâ ̣y luôn tồn ta ̣i sai số phép đo mô ̣t cách ngẫu nhiên

Mục đích của thí nghiê ̣m thăm dò là xác đi ̣nh sai số tiêu chuẩn thực nghiệm mà phương sai của các tri ̣ số đo phản ánh đô ̣ chính xác của các

dụng cu ̣ đo

Theo lý thuyết quan trắc thì trong khi đo nếu không có sai số hê ̣ thống,

mà chỉ có sai số ngẫu nhiên, thì sai số này tuân theo quy luâ ̣t chuẩn [1]

Để kiểm tra số liê ̣u đo được có tuân theo quy luâ ̣t chuẩn hay không, có thể sử du ̣ng nhiều cách khác nhau, nhưng trong đó phương pháp sử du ̣ng chỉ tiêu Person 2 là chă ̣t chẽ và phổ biến nhất [9]

Víi 50 thÝ nghiÖm c¬ b¶n th× sè lÇn lÆp cña mçi thÝ nghiÖm lµ:

2

2 2



m Tra bảng chỉ tiêu Student  = 0,05 τ = 2,01

Thay số vào công thức ta đươ ̣c m = 2,87 ≈ 3 nên lấy tròn số lần lă ̣p la ̣i là 3

Sau khi thí nghiê ̣m thăm dò ta xác đi ̣nh đươ ̣c các hàm chi phí nhiên liệu

Q, năng suất đào N tuân theo giả thuyết về luâ ̣t phân bố chuẩn Person và số lần

lặp la ̣i của mỗi thí nghiê ̣m 3 lần

Để xác đi ̣nh mô hình toán và thực hiê ̣n các phép tính kiểm tra chúng tôi tiến hành thí nghiê ̣m theo ma trâ ̣n Harley đã lâ ̣p (bảng 3.2) Kết quả thí nghiê ̣m được ghi lại

Sau khi thực hiê ̣n các thí nghiê ̣m theo ma trâ ̣n với số lần lă ̣p la ̣i của từng thí nghiệm m, chúng tôi sử du ̣ng mô ̣t số phần mềm như Excel, chương trình sử lý số liệu đa yếu tố OPT lưu hành ta ̣i Viê ̣n cơ điê ̣n Nông nghiê ̣p và Công nghệ sau thu hoạch để xử lý số liê ̣u