- ĐS 2= 417,38Vm2 – 245,56Vm + 34,
7. Ý nghĩa của đề tài
1.5 Tổng quan về các nghiên cứu máy băm gốc mía trên thế giới và Việt Nam
1.5.2 Tình hình các cơng bố về máy cắt mía trên thế giới
A. D. Toledo [4] đăng trên tạp chí khoa học nơng nghiệp Brasil, năm 2011 cho rằng việc cắt gốc mía cĩ tầm quan trọng trong đánh giá tổn thất trong thu hoạch và đánh giá ảnh hướng chất lượng lưu gốc mía cho vụ sau. Chất lượng cắt gốc mía là nguyên nhân chính gây thiệt hại về tổn thất trong thu hoạch kể cả thủ cơng và bằng máy. Thân cây bị cắt bởi tác động của lưỡi cắt do con người tác động vào hoặc do máy tác động nhưng tác động này thường gây thiệt hại và ảnh hưởng đến gốc mía và cĩ thể làm hỏng hệ thống rễ. Anderson và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm đánh giá chất lượng cắt gốc mía khi thu hoạch nguyên cây (mía khơng đốt lá - green sugar cane) bằng máy thu hoạch trong điều kiện nghiên cứu thực nghiệm lắp 5 lưỡi dao trên đĩa quay để nghiên cứu ảnh hưởng đến chất lượng cắt, chiều cao cắt gốc mía , ngồi ra cịn nghiên cứu về chất lượng cắt này gây ảnh hưởng đến gốc và bộ rễ của cây mía khi lưu vụ sau.
Bộ dao cắt được tác giả thực hiện gồm 5 loại dao cĩ hình dạng lưỡi khác nhau, bố trí trên đĩa quay, cùng với cách bố trí dao nghiêng. Kết quả cho thấy, khi làm việc dao cắt đã gây thiệt hại đáng kể đến bộ rễ, tác giả đã đi đến kết luận nghiên cứu được đạt
ra đã khơng cĩ khả năng đạt được các kết quả theo mục tiêu do đĩ yêu cầu các biện pháp khắc phục để cải thiện chất lượng cắt.
Bảng 1.2 Mơ tả các dạng dao cắt và đĩa lắp dao dùng trong thực nghiệm lắp thu hoạch mía nguyên cây [4]
LƯỠI DAO ĐĨA DAO
- Lưỡi dao thẳng - Đĩa nghiêng (FLDN) - Lưỡi dao thẳng - Đĩa nghiêng (FLDI)
- Lưỡi dao cĩ răng cưa
- Đĩa thường (FSDN)
- Lưỡi dao cĩ răng cưa
- Đĩa nghiêng (FSDI)
- Lưỡi thay nhanh
- Đĩa thay nhanh (FDTR)
Mello R. C. và Harris H. (2003) trình bày trong [5] đã đánh giá ảnh hưởng của loại lưỡi dao lên việc cắt thân cây mía và kết luận rằng lưỡi dao nghiêng và bước răng cưa 3 mm mang lại kết quả tốt nhất. Mello (2005) đã quan sát thấy rằng bước răng cưa 3 mm thể hiện lực cắt cụ thể thấp nhất, nhưng khơng khác với dạng cắt trơn, cho cả tốc độ tiếp tuyến 450 và 600 vịng/phút của tốc độ tiếp tuyến của lưỡi dao.
P. Johnson et al (2012) trình bày trong [6] đã nghiên cứu tốc độ cắt của lưỡi dao đặt ở gĩc xiên ảnh hưởng đến năng lượng cắt và kết luận rằng ở gĩc đặt dao 600 sẽ cho yêu cầu ít năng lượng nhất để cắt thân cây mía.
Bảng 1.3 Đặc tính về các loại dao cắt sử dụng trong thực nghiệm [4]
Dao Lưỡi thẳng Lưỡi răng Lưỡi thay nhanh
Chiều dài 270 mm 270 mm 190 mm Bề rộng 90 mm 90 mm 89 mm 60 mm Độ dày 6 mm 5 mm 6 mm Trọng lượng 0,840 kg 0,733 kg 0,610 kg Lỗ 4x0.5” 4x0,5” 1x1/2”
Vật liệu Thép crom SAE 5160
Thép crom SAE 5160
Thép crom SAE 1070 Bảng 1.4 Đặc tính về các loại đĩa dao sử dụng trong thực nghiệm [4]
Đĩa dao Thường Nghiêng Thay nhanh
Chiều dài 563 mm 563 mm 563 mm
Độ dày 12,7 mm 12,7 mm 12,7 mm
Trọng lượng 26,5 kg 26,5 kg 25,8 kg
Số dao 5 5 5
Gĩc dao - 15o 4,36o
Vật liệu Thép crom SAE 1020
Thép crom SAE 1020
Thép crom SAE 1020
Q. Liu et al (2012) [7] thấy rằng dao cắt cĩ dạng lưỡi cưa địi hỏi ít tốn năng lượng và lực hơn so với lưỡi phẳng khi cắt thân cây mía và cho thấy rằng chúng cĩ thể mang lại chất lượng cắt mong muốn.
Kết luận: Dao cắt gốc lắp trên máy thu hoạch cĩ dạng lưỡi răng cưa cho chất lượng cắt gốc mía tốt nhất bao gồm xét đến chiều cao cắt và độ hư hại gốc và bộ rễ cây mía. M. A. Momin and al (2017 ) [8] đã đưa ra nghiên cứu 4 loại dao ảnh hưởng đến chất lượng cắt gốc của cây mía. Bốn loại dao thiết kế gồm:một lưỡi dao dạng thẳng thơng thường với gĩc 00, lưỡi dao cong gĩc 300, lưỡi dao cưa răng cưa và lưỡi cắt dạng thẳng cĩ lớp phủ laser ở mặt dưới. Các lưỡi dao được sản xuất bởi Tập đồn Kondex (Lomira, Wise.) từ thép SAE 10B38 với độ cứng (46 đến 52 HRC). Tất cả các lưỡi dao cĩ chiều dài tổng thể 267 mm, chiều rộng 90 mm, độ dày 4,7 mm, và bảy lỗ gắn 14,5 mm đường kính cách nhau 25,4 mm. Mỗi lưỡi nặng 800 g, ngoại trừ lưỡi dao gĩc cạnh, nặng 750 g, lưỡi dao thẳng đứng và gĩc nghiêng 30 ° cĩ các cạnh trơn, lưỡi cưa răng cưa được tạo ra với một cạnh răng cưa cong phía trước bao gồm một loạt bảy mũi nhỏ ở đầu để cải thiện sự tương tác lưỡi với thân và cung cấp sự kết hợp của cắt và tác động cắt. Mỗi lưỡi dao được chế tạo để thử nghiệm với hai cạnh cắt, ngoại trừ lưỡi dao gĩc cạnh, được gia cơng chỉ với một cạnh. Đối với sản xuất quy mơ lớn, mỗi lưỡi dao sẽ được sản xuất với bốn cạnh cắt, tương tự như lưỡi dao tiêu chuẩn cơng nghiệp hiện tại, ngoại trừ lưỡi dao an tồn, cĩ hai lưỡi cắt.
P. C. Johnson et al (2012) trong [6] chỉ ra rằng dao cắt cĩ gĩc nghiêng 60O cho kết quả tiêu thụ cơng suất ít nhất. Để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng của việc thu hoạch mía.
Q. Liu et al (2007) trong [7] đã thực nghiệm và đưa ra kết luận vận tốc cắt tối thiểu 22 m/s , dao cắt cho chất lượng cắt tối ưu, khác với khuyến cáo trước đĩ. Lý do cĩ thể là sự khác biệt về gĩc nghiêng lưỡi (00) và gĩc nghiêng đĩa cắt (80).
Trong điều kiện của phịng thí nghiệm, Mello và Harris (2000.2003) [5] đã đánh giá Lưỡi cắt của dao ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng cắt gốc của cây mía. hiệu suất của một đĩa cắt cơ sở được trang bị lưỡi cắt cĩ các cạnh cắt nhẵn và răng cưa
Bảng 1.5 Phân loại các hư hại trên gốc mía sau khi thực nghiệm cắt trên máy thu hoạch [9] trên máy thu hoạch [9]
Phân loại Giới hạn trên Giới hạn dưới Ghi chú
Khơng hư hại Hư hại một phần Hư hại nặng
Họ quan sát thấy các lưỡi dao cĩ các cạnh cắt răng cưa cĩ ít vết thương hơn so với lưỡi cắt trơn. Ngồi ra, các lưỡi dao cĩ răng cưa với một đoạn cĩ răng cưa ngắn 3 mm địi hỏi ít năng lượng cắt hơn lưỡi cắt trơn. Hình dạng lưỡi dao phía trước hoặc phía sau của đường cong) và vịm vịng cung răng cưa được coi là các đặc điểm quan trọng của các lưỡi dao răng cưa
Anderson de Toledo et al (2013) trình bày trong [4] báo cáo rằng lưỡi cắt nghiêng từ trục vuơng gĩc của dao cắt cơ bản tạo ra ít sát thương mía và lưỡi răng cưa, kết hợp với đĩa cắt cơ bản tiêu chuẩn của ngành, tạo ra chiều cao cắt tuyệt đối trong phạm vi từ 0 đến 100 mm .
Trong khi các nhà nghiên cứu đã nỗ lực nghiên cứu và tối ưu hĩa quá trình và vẫn cịn cĩ các tranh luận về cơ chế cắt cơ sở. Trong thực tế. nhiều hoạt động thu hoạch
sử dụng các lưỡi dao thẳng cĩ lưỡi cắt trơn (đã sử dụng cho nhiều thập kỷ). Tùy thuộc vào loại đất, lưỡi dao cắt cơ bản điển hình được thay thế sau mỗi 8 h sử dụng. Sunil K. Mathanker et al (2015) [10] cho rằng cần phải nghiên cứu tối ưu hĩa cơ chế dao cắt cơ bản và lưỡi dao thì cĩ thể giảm thời gian bảo trì và giảm tiêu thụ cơng suất trong khi cải thiện chất lượng cắt. Mathanker et al. (2015) báo cáo thiệt hại lớn hơn của thân cây và chiều cao gốc cao hơn cho cây mía năng lượng so với cây mía bị cháy khi thu hoạch với lưỡi thẳng .
A. Momin et al (2017) [8] Cây mía do cĩ hàm lượng chất xơ tương đối cao đường kính thân cây nhỏ, lưỡi cắt phải được tối ưu hĩa để thu hoạch .Để tối ưu hĩa thiết kế lưỡi cắt, tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ cắt và gĩc nghiêng lưỡi cắt. Kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy năng lượng cắt cụ thể tăng lên với tốc độ cắt. Năng lượng cụ thể trung bình thấp nhất là 0,26 J/mm với gĩc nghiêng cắt là 60° với vận tốc cắt trung bình 7,9 m/s, trong khi năng lượng cắt trung bình cao nhất là 1,24 J/mm để cắt thẳng ở mức cắt trung bình ở vận tốc 16,4 m/s. Đối với chi phí năng lượng cắt cụ thể cho thấy cĩ một mối tương quan chặt chẽ với đường kính thân và mặt cắt ngang thân cây. Đối với gĩc nghiêng 30° ở vận tốc cắt trung bình 11,3 m/s, năng lượng cắt dao động từ 4,5 đến 15 J khi đường kính thân của cây mía dao động từ 11 đến 17 mm. So sánh với các nghiên cứu về mía cho thấy việc tối ưu hĩa vận tốc cắt và gĩc nghiêng lưỡi cĩ thể tiết kiệm đáng kể trong việc cắt giảm năng lượng, đồng thời cải thiện chất lượng cắt. Nghiên cứu này nhấn mạnh sự cần thiết phải điều tra thêm về quá trình cắt cây, đặc biệt là ở tốc độ cắt cao hơn với các thiết bị cắt với các quán tính khác nhau.
Sunil K. Mathanker et al (2015) [10] đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của gĩc nghiêng của lưỡi dao cắt và tốc độ cắt đến việc giảm tiêu hao năng lượng trong cắt cho thân cây mía.
J. Prasad and C. P. Gupta, 1975 [11] cùng các cộng sự đã cĩ nghiên cứu về việc cắt gốc ngơ, yêu cầu năng lượng tối thiểu riêng biệt được tìm thấy ở tốc độ cắt là 2,65 m/s. D. M. McRandal and P. B. McNulty, 1978 [12] đã chỉ ra là năng lượng cắt cần thiết
để cắt cành lúa miến cho thấy tối thiểu là 2,9 m/s. Giống như nghiên cứu ngơ của Prasad & Gupta, 1975, năng lượng cắt tăng lên khi tốc độ cắt giảm xuống dưới 2,9 m/s .Đối với thu hoạch mía, năng lượng cắt cụ thể đã được tìm thấy tỷ lệ thuận với lưỡi dao
Gupta and Oduori, 1992 [13] tác giả đã cĩ nhiều nghiên cứu khác và đã kiểm tra hiệu quả của gĩc lưỡi dao và thiết kế lưỡi cắt trên năng lượng cắt. Một vận tốc lưỡi phía biên 13,8 m/s, gĩc nghiêng 350 và gĩc nghiêng 270 là tối ưu cho dao cắt cơ bản loại dao quay. Lực cắt cần thiết để cắt thân cây mía phụ thuộc vào thiết kế lưỡi dao và cĩ sự khác biệt là 26% giữa hai thiết kế được thử nghiệm. Nhiều nghiên cứu khác đã xem xét hiệu quả của đường kính thân cây ảnh hưởng đến năng lượng cắt.
Kroes and Harris, 1996a, 1996b trình bày trong [14] Lực cắt và năng lượng cắt tăng lên với hàm lượng chất xơ của cây và đường kính thân. Theo Kroes & Harris, (1996) trình bày trong [11] cho ra Năng lượng cắt tăng từ 15 đến 20 J khi đường kính mía tăng từ 20 đến 30 mm trong khi cắt ở tốc độ máy là 20 m/s. Theo Igathinathane và cộng sự (2010) cho rằng tổng năng lượng cắt của các gốc thân ngơ khơ thay đổi với diện tích mặt cắt ngang thân cây và nĩ dao động từ 11,3 đến 23,5 kN.m-1.
Q. Liu et al (2012.) [15] lưỡi dao răng cưa yêu cầu lực cắt ít hơn 35% so với lưỡi dao phẳng xuất phát ở tốc độ cắt 1,7 m/s . Với các số liệu cơng bố trên cho thầy thấy tốc độ cắt, gĩc nghiêng của lưỡi dao và đường kính thân cây đĩng một vai trị quan trọng trong quá trình cắt thân.
Joby Bastian et al (2014), trình bày trong [16] tính chất cơ học của vật liệu thực vật ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của máy thu hoạch. Các tính chất cơ học của thân cây mía gồm khả năng chịu uốn, khả năng chống cắt, khả năng chống thấm và khả năng bền nén được nghiên cứu trong phịng thí nghiệm đã xác định mơ đun của cây mía 86 MPa, ứng suất kháng cắt phạm vi 1.764,56 và 957,48 kN/m2, sức cản thấm xuyên từ 29,74 kN/m2 đến 56,33 kN/m2 và lực nghiền từ 0,75 kN đến 1,53 kN. Các thơng số này giúp cho việc thiết kế dao cắt mía.
lượng sử dụng cho cắt ngọn và gốc cây mía trên máy thu hoạch cĩ giá trị 15,71 Joules và 23,83 Joules.
Hình 1.9 Mơ hình cắt gốc mía mơ phỏng dạng 3D của [18]
Hình 1.10 Mơ hình thực nghiệm cắt gốc mía của Nikhil D. (2018) [19]
T. Moontree et al (2012) [20] đã nghiên cứu Phát triển máy thu hoạch mía cỡ nhỏ cho vùng Đơng Bắc Thái Lan.
P. M. Zode et al (2015) [21] đã thực hiện nghiên cứu thiết kế máy thu hoạch mía cỡ nhỏ nhằm phù hợp trong canh tác mía cho những nơng dân cịn khĩ khăn về tài chính trong việc đầu tư thiết bị thu hoạch. Khảo nghiệm mía thực hiện sau 12 tháng trồng
với chiều dài thân cây trung bình 1,8 m, đường kính thân bình quân 0,0254 m; mỗi cụm bao gồm 8 đến 12 thân cây, khoảng cách của mỗi hàng mía là 1,20 m. Máy thu hoạch mía sử dụng động cơ nhỏ cĩ thể thực hiện với tốc độ trung bình 1.109,73 m2/h với mức tiêu thụ nhiên liệu 20,03 1ít/h và ở tốc độ di động 0,25 km/h. Tỷ lệ thân cây cắt mía là 100%. Máy được lắp đặt với hai lưỡi dao với số vịng quay 1.090,5 vịng/phút; tốc độ lưỡi cắt lá là 669 vịng/phút. Các thí nghiệm được tiến hành ở ba tốc độ tải 5, 10, và 15 mm/phút.
Hình 1.11 Mơ hình thực nghiệm cắt gốc mía của P. M. Zode (2015) [21] Dựa trên kết quả thu được, tốc độ tải cĩ ảnh hưởng đáng kể đến độ bền cắt và năng lượng cắt thân cây. Với tốc độ tải tăng dần thi tiêu hao năng lượng cắt tăng lên. Do đĩ, vận tốc cắt lưỡi dao được khuyến cao nên thiết kế thấp hơn để giảm yêu cầu về năng lượng cắt cây trong quá trình thu hoạch.
Hình 1.12 Dạng dao cắt gồm các dạng lưỡi bố trí trên đĩa
MPa. Năng lượng cắt trung bình cụ thể được tính là 51,41 mJ/mm2 dao động từ 37,42 đến 64,25 mJ/mm2 . Kết quả của nghiên cứu này rất hữu ích cho việc thiết kế và tối ưu hĩa các thiết bị liên quan đến cắt gốc mía.
M. F. Oduori et al ( 1992) trình bày trong [13], đã trình bày bài báo động lực học của máy cắt kiểu đĩa quay đĩa cĩ lắp các dao , mơ hình tốn cơ bản đã chỉ ra dạng dao cắt.
Hình 1.13 Các dạng dao cắt dạng đĩa
Kiểu đĩa quay là loại dao thơng dụng dùng trong nơng nghiệp. Nguyên lý hoạt động
được thực hiện một trong hai loại dao này là chuyển động kết hợp chuyển động quay và chuyển động qua lại. Loại dao đĩa quay gồm hai loại, loại 1 là máy cắt cĩ
cạnh cắt di chuyển trong mặt phẳng vuơng gĩc với trục quay của chúng, được gọi là "đĩa". Đĩa cắt máy cắt kể từ khi chuyển động của nĩ giống như của một máy quay, dịch đĩa. Loại này gồm các loại máy cắt dạng đĩa rất phổ biến.
O. Ghahraei et al (2008) [22] đưa ra thiết kế một mơ hình máy thu hoạch cây cao lương. Cao lương là loại cây tương tự như ngơ với chiều cao khoảng 3m và thân cây dày 0,5-3cm. Cơ chế cắt trong nghiên cứu này cĩ một đĩa dao quay với đường kính 50 cm và bốn lưỡi cắt quay theo chiều kim đồng hồ. Thân cây được cắt với lực tác động và lực quán tính với vận tốc khoảng 27 m/s bằng các cắt lưỡi cắt. Hệ thống này
cĩ một cơ chế thanh đơn giản gạt tồn bộ thân cây sang một bên. Các thử nghiệm chất lượng cắt được thí nghiệm bằng hai loại lưỡi dao với gĩc lưỡi 30° và 45° trên thân cây. Kết quả cho thấy bề mặt cắt với gĩc lưỡi 30° khá mịn và khơng bị gãy trên thân và ngọn so với gĩc lưỡi 45°. Với gĩc lưỡi 30° dao cắt đứt dễ dàng hơn.
Do sự cần thiết cho thu hoạch cơ giới ở Iran, họ quyết định thiết kế và phát triển máy cắt đặc biệt cho cây cao lương ở đất nước của họ. Nghiên cứu này đã được thực hiện trong 12 tháng.
Bảng 1.6 Thơng số kỹ thuật thiết kế [22]
TT Thơng số Giá trị
1 Đường kính đĩa dao 50 cm