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

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


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Phụ phẩm nông nghiệp, bao gồm thân, lá và các thành phần
khác (thường bị vứt bỏ sau thu hoạch), được đánh giá là rất giàu
polymer hữu cơ như lignin, cellulose, hemiaellulose, protein và lipid
[74]. Ở trong nước, phụ phẩm nông nghiệp chủ yếu là rơm và cây
ngô, thường được dùng làm thức ăn trực tiếp, hoặc ủ chua để làm thức
ăn dự trữ cho gia súc [2-4, 7, 8, 15, 17]. Theo tính toán thống kê [111],
tổng khối lượng phụ phẩm nông nghiệp hằng năm trên thế giới là
khoảng 3736 triệu tấn, có thể thay thế cho 2283 triệu tấn than đá, 1552
triệu tấn dầu hoặc 1847 triệu mét khối khí đốt. Sản lượng này tăng đều

qua các năm để đáp ứng dân số ngày càng đông của thế giới. Tính
trung bình, khối lượng phụ phẩm hằng năm từ cây lúa mì, lúa gạo,
ngô, đậu tương lần lượt là 763 triệu tấn, 698 triệu tấn, 1730 triệu tấn và
417 triệu tấn.
Ngô là loại cây lương thực quan trọng thứ ba sau lúa gạo và lúa
mì [27], được trồng rộng khắp trên thế giới [45, 97]. Thân cây ngô
chiếm đến 1/3 sản lượng hằng năm so với các loại phụ phẩm nông
nghiệp khác [41]. Ở Việt Nam, ngô không những là cây lương thực,
thực phẩm quan trọng, mà gần đây còn đóng vai trò là cây nguyên liệu
để sản xuất ethanol – xăng sinh học E5 thân thiện với môi trường [10].
Đặc biệt, xu hướng mới đang được phát triển là trồng ngô sinh khối
dùng trực tiếp cho chăn nuôi (không lấy bắp) cũng làm tăng nhu cầu
chế biến cây sau thu hoạch.
Băm thân cây ngô sau thu hoạch là một bước sơ chế quan trọng
trong việc chế biến thức ăn chăn nuôi, sản xuất viên nén sinh khối
cũng như trong các quy trình chế biến khác. Chẳng hạn, thây ngô cần
được băm thành các đoạn dài 6,4 mm cho hóa khí [95], dài 1 mm cho
chuyển đổi hóa học (chemical conversion) [102], 2-10mm để ủ men
thức ăn gia súc, hay dài 5-6mm cho chế biến viên sinh khối
(briquetting) [76]. Ở quy mô công nghiệp, công đoạn băm được thực
hiện bằng các máy băm chuyên dụng hoặc bộ phận cắt thái trên các
máy thu hoạch liên hợp.
Ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam, nông dân
thường làm chất đốt, hoặc đốt bỏ phụ phẩm sau thu hoạch trên đồng
ruộng, nương rẫy Việc này không những gây lãng phí mà còn tác


2
động tiêu cực đến môi trường như ô nhi m không khí hoặc gây ra
các đám cháy rừng Một trong các l do là chi phí cho công đoạn

băm còn cao Do phụ phẩm thường có giá rất rẻ, nên chi phí khấu
hao, công lao động và đặc biệt là tiêu tốn năng lượng sẽ chiếm tỷ
trọng rất lớn trong giá thành bán thành phẩm (phụ phẩm được băm)
Do vậy, tìm kiếm giải pháp giảm năng lượng tiêu hao khi băm đã và
đang được nhiều nghiên cứu quốc tế triển khai [24, 34, 37, 43, 78,
87, 107]. Ở Việt Nam, các công bố khoa học được tìm thấy chủ yếu
quan tâm kỹ thuật tính toán thiết kế theo chỉ tiêu năng suất, độ bền…
cho các máy thu hoạch kết hợp băm một số sản phẩm cây nông
nghiệp như cây ngô [3, 4, 6, 17], rơm sau thu hoạch lúa [19] hoặc
thân cây chuối [1], chế biến dứa [9], cắt sơ sợi từ quả dừa [13]. Các
thiết kế này tập trung giải quyết bài toán chức năng băm theo các
nguyên l đĩa cắt, trống cắt, thiết kế nhằm đạt năng suất băm Tuy
nhiên, vấn đề về tiết kiệm năng lượng hầu như chưa được nghiên cứu
nào đề cập
Trên thế giới, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm làm
giảm lực cắt và công suất cắt bằng cách cải tiến thiết kế dao và lựa
chọn chế độ cắt hợp l Giảm lực cắt được coi là một trong những
giải pháp tối ưu để giảm năng lượng tiêu thụ Hơn nữa, giảm lực cắt
cũng sẽ góp phần làm giảm kích thước các bộ phận của máy và do đó
làm giảm kích cỡ máy Tuy nhiên, do năng lượng tiêu thụ được tính
bằng tích số của lực cắt và vận tốc cắt, cho nên chế độ băm có lực cắt
nhỏ nhưng với vận tốc lớn cũng chưa hẳn đảm bảo mức năng lượng
tiêu thụ nhỏ Trong một số nghiên cứu, các mô hình thực nghiệm sử
dụng con lắc được xây dựng để đo lực cắt, công suất cắt cần thiết khi
băm phụ phẩm [32, 39, 66, 71, 85, 100] Các yếu tố được đánh giá
bao gồm ảnh hưởng của loại dao, góc độ cắt khác nhau [24, 27, 44,
96] Một số nghiên cứu khác đã đánh giá ảnh hưởng của góc sắc lưỡi
dao thẳng, tốc độ quay của đĩa dao đến khả năng cắt đứt cây ngô [32,
78, 85, 90, 103] Một cách tiếp cận mới cũng rất được quan tâm là
thực hiện phỏng sinh học, thiết kế và chế tạo biên dạng dao theo biên

dạng răng của các loài côn trùng như bọ ngựa, sâu ăn thân ngô, châu
chấu, xén tóc [64, 65, 71, 72, 100]… Kết quả mô phỏng phần tử hữu
hạn và thực nghiệm cho thấy nhiều lợi ích về giảm lực cắt, công suất
tiêu thụ Tuy vậy, kiểu biên dạng lưỡi cắt này khó chế tạo, mài sắc
trong quá trình làm việc và khó triển khai trên các máy thương phẩm


3
Đã có nhiều nghiên cứu để tìm ra giải pháp tiết kiệm năng lượng tiêu
thụ [27, 28, 38, 44, 49, 66, 68, 69] Tuy nhiên, lời giải cho bài toán
tối ưu hóa đa mục tiêu cho cả hai yếu tố lực cắt và năng lượng tiêu
thụ, đặc biệt là cho các băm [24, 34, 37, 43, 78, 87, 107] hiện vẫn
đang tiếp tục được quan tâm
Một hướng nghiên cứu khác để tiết kiệm năng lượng trong
quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp là xác định các thông số làm
việc hợp l [28, 31, 33, 49, 50, 58, 59, 61, 78, 88, 89].
Cho đến nay, bài toán giảm đồng thời lực và công suất cắt trực
tiếp trên máy băm vẫn chưa có lời giải cuối Cũng chưa tìm thấy thấy
công bố nào nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng đồng thời của thông số
làm việc và thông số kết cấu đến lực và công suất cắt Vì những l do
trên, đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của quá
trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch” có tính cấp thiết và có
nghĩa thực ti n
2. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu:
- Mục tiêu chung: xác định một số thông số kết cấu và vận hành hợp
l của quá trình cắt thân cây ngô sau thu hoạch nhằm giảm thiểu lực
và công suất cắt
- Mục tiêu cụ thể:
+ Thiết kế, chế tạo được thiết bị thí nghiệm có thể điều khiển

các thông số vào, thu được đầy đủ các thông số ra của quá trình băm
thân cây ngô sau thu hoạch, đáp ứng yêu cầu của bài toán nghiên cứu
thực nghiệm;
+ Xác định được các thông số có ảnh hưởng mạnh đến lực và
công suất cắt khi băm thân cây ngô sau thu hoạch;
+ Xác định được bộ thông số thiết kế, vận hành hợp l máy
băm thân cây ngô sau thu hoạch nhằm giảm thiểu lực và công suất
cắt;
+ Phát triển mô hình biên dạng lưỡi dao băm đảm bảo thông
số thiết kế
Đối tượng nghiên cứu:


4
Đối tượng nghiên cứu là một số thông số chính ảnh hưởng đến
lực cắt và năng lượng tiêu thụ của máy băm thân cây ngô sau thu
hoạch
Phạm vi nghiên cứu
Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu là: tiến hành thực nghiệm
cắt thân cây ngô đơn nhằm xác định lực và công suất cắt đơn vị, làm
cơ sở tính toán cho các bài toán cắt bó cây Các thí nghiệm được thực
hiện trong phòng thí nghiệm
Các thông số đưa vào đánh giá bao gồm: góc tiếp dao, góc nghiêng
cây và vận tốc cắt Các thân cây ngô sau thu hoạch được dùng làm
thí nghiệm được bảo quản trong điều kiện như nhau Giả thiết các sai
khác về đặc tính cơ học và độ ẩm giữa các lát cắt là không đáng kể
3. Ý nghĩa thực tiễn
+ Kết quả có thể áp dụng để thiết kế, chế tạo máy băm cây
nông nghiệp Mặc dù chỉ thí nghiệm với thân cây ngô, nhưng ảnh
hưởng đáng kể của các góc tiếp dao và góc nghiêng cây có được là

do kết cấu dạng thớ của thân cây Hầu hết các loại thân, phụ phẩm
nông nghiệp khác cũng có kết cấu thớ Do vậy, xu hướng ảnh hưởng
của các góc nói trên có thể áp dụng khi băm các loại cây khác
+ Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng trong tính
toán thiết kế và lựa chọn thông số làm việc cho các máy băm dạng
đĩa, góp phần khai thác và xử l phụ phẩm nông nghiệp phục vụ sản
xuất và đời sống, giảm chi phí năng lượng, từ đó giảm thiểu ô nhi m
môi trường
4. Những đóng góp mới của luận án
1. Đã nghiên cứu lực và công suất cắt thân cây ngô cho mô hình cắt
băm có dao kê với vận tốc cắt trung bình (với vận tốc cắt nằm trong
khoảng trên 1 đến 10 m/s) Đây là một đóng góp mới cho hướng
nghiên cứu này trên thế giới
2. Đã đánh giá ảnh hưởng đồng thời của góc nghiêng cây, góc tiếp
dao và vận tốc cắt tới lực cắt thân cây ngô cho mô hình cắt có dao kê
– đây cũng là một đóng góp mới so với các công bố khoa học trước


5
3. Đã phát hiện hai hàm mục tiêu có mâu thuẫn lợi ích là lực và
công suất cắt Qua đó, đã giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu nhằm
giảm thiểu đồng thời lực và công suất cắt cho mỗi nhát cắt thân cây
ngô đơn So với kết cấu thông dụng dùng dao lưỡi cắt thẳng, có góc
tiếp dao là không độ, lời giải tối ưu cho phép giảm lực cắt tới 2,3 lần,
đồng thời giảm công suất tiêu thụ đến 4 lần Kết quả có thể dùng làm
cơ sở thiết kế và chế tạo máy băm các phụ phẩm nông nghiệp, ứng
dụng vào thực ti n sản xuất
4. Đã đề xuất biên dạng lưỡi dao dạng xoắn ốc logarit và đánh giá
ưu điểm của biên dạng này so với lưỡi dao thẳng và lưỡi dao cung
tròn Sử dụng biên dạng được đề xuất cho phép duy trì góc hợp bởi

lưỡi dao và bó nguyên liệu là không đổi dọc theo chiều dài lưỡi cắt
Nhờ vậy, có thể duy trì giá trị tối ưu của góc tiếp dao dọc suốt chiều
dài lưỡi cắt
5. Phát triển giải thuật phép tính toán và vẽ biên dạng lưỡi dao hoàn
toàn tự động theo các kích cỡ khác nhau Mô đun phần mềm nhúng
trong môi trường AutoCAD cho phép vừa tạo bản vẽ kỹ thuật, vừa
kết xuất bộ dữ liệu tọa độ điểm phục vụ gia công dao trên máy CNC
5. Cấu trúc nội dung luận án
Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2 Cơ sở lý thuyết quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp
Chương 3 Thiết kế, chế tạo và đánh giá hệ thống thiết bị thí nghiệm
Chương 4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và phát triển mô hình
biên dạng lưỡi cắt
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu


6
1.2. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nƣớc
1.2.1. Sản xuất ngô trên thế giới
1.2.2. Sản xuất ngô trong nước
1.3. Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch
1.3.1. Độ ẩm
1.3.2. Khối lượng riêng
1.3.3. Mô đun đàn hồi
1.3.4. Ma sát trượt giữa thân cây ngô với vật liệu khác
1.4. Chế biến phụ phẩm nông nghiệp
1.4.1. Chế biến thức ăn gia súc
1.4.2. Chế biến sản phẩm thương mại
1.5. Máy băm phụ phẩm nông nghiệp

1.5.1. Máy băm dạng trống
1.5.2. Máy băm dạng đĩa
1.5.3. Máy băm dùng dao răng
1.6. Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm
1.6.1. Quy ước thông số góc
1.6.2. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy băm
1.6.3. Thiết bị con lắc va chạm
1.6.4. Thiết bị thí nghiệm dao quay trục đứng
1.6.5. Thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén
1.7. Kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lƣợng tiêu hao
1.8. Kết luận chƣơng


7
Chương 1 đã trình bày nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên
quan trực tiếp đến đề tài của luận án, cụ thể như sau:
Ngô là một trong những cây trồng quan trọng trên thế giới và ở
Việt Nam Các số liệu thống kê cho thấy có sự tăng trưởng năng suất
và sản lượng Băm thân cây ngô sau thu hoạch là bước sơ chế bắt
buộc của các quá trình chế biến sau này
Các thông số đặc trưng của thân cây ngô có ảnh hưởng đến quá
trình băm đã được khẳng định trong các nghiên cứu trước đây Các
thông số quan trọng bao gồm: độ ẩm thân cây, mô đun đàn hồi, hệ số
ma sát giữa thân cây ngô với một số loại vật liệu
Các mô hình nghiên cứu cho máy thu hoạch không thể áp dụng
hoàn toàn cho máy băm, do không thuận tiện để bố trí tạo góc
nghiêng cây khi băm Mô hình thí nghiệm dùng con lắc va chạm
không thuận tiện để đo lực cắt, khó thay đổi tốc độ cắt Mô hình thiết
bị kiểu máy kéo nén không thuận tiện để thay đổi tốc độ cắt và góc
tiếp dao Do vậy, đề tài lựa chọn máy băm dạng đĩa quay có dao kê

để triển khai nghiên cứu thực nghiệm
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
QUÁ TRÌNH BĂM PHỤ PHẨM NÔNG NGHIỆP
2.1. Nguyên lý băm
2.2. Cơ sở động lực học quá trình băm
2.3. Bài toán tối ƣu đa mục tiêu
2.4. Kết luận chƣơng
Chương 2 đã trình bày tóm tắt cơ sở l thuyết và các nguyên l
cơ bản của quá trình băm phụ phẩm nông nghiệp Các nội dung của
chương này là cơ sở cho nghiên cứu về động lực học và năng lượng
tiêu hao của quá trình băm thân cây ngô của nghiên cứu này Một số
nội dung quan trọng được tóm tắt như sau:
Có 02 nguyên tắc cơ bản của quá trình băm-cắt thân cây nông
nghiệp gồm: 1) cắt băm, chuyển động tương đối giữa dao và cây


8
nguyên liệu (chuyển động cắt) thực hiện theo hướng pháp tuyến; 2)
cắt có trượt, chuyển động cắt kết hợp cả hướng pháp tuyến và hướng
tiếp tuyến So với cắt băm, quá trình cắt có trượt làm giảm đáng kể
lực cắt Để cây không trượt ra khỏi khe hở hình chêm của dao cắt và
tấm kê, cần khống chế vận tốc trượt dựa vào hệ số ma sát giữa thân
cây với vật liệu dao
Lực cắt và công suất cắt tiêu thụ là hai hàm mục tiêu có xung đột
lợi ích Do đó, cần giải quyết bài toán tối ưu đồng thời cho cả hai chỉ
tiêu nói trên Bài toán đa mục tiêu xác định từng chỉ tiêu phù hợp các
bước công nghệ cắt: hàm kỳ vọng (2 8) và (2 9); nghiên cứu trên mô
hình thực của máy băm (cắt) nhằm tối ưu hóa đồng thời 2 chỉ tiêu.
Để làm sáng tỏ các kết luận ở chương 2, cần xây dựng mô hình thí
nghiệm tương tự các máy băm thương mại, có khả năng điều chỉnh

vận tốc cắt và các góc tương quan giữa dao và thân cây Những nội
dung này sẽ được trình bày ở chương tiếp theo
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ
THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
3.1. Giới thiệu
3.2. Thiết kế hệ thống thí nghiệm
3.2.1. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm

Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện


9

Hình 3.2. Vị trí tương đối của cây nguyên liệu: (a) nhìn từ trước; (b) nhìn từ
trên xuống và (c) nhìn từ bên

3.2.2. Thiết kế kết cấu

(a)
(b)
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý truyền động thiết bị băm a) Kết cấu máy thương mại, b)
Kết cấu đề xuất: 1) Động cơ; 2) Bộ truyền đai; 3) trục dẫn động; 4) Đĩa dap
phẳng; 5) Khớp nối; 6) Cảm biến mô men; 7) Cảm biến lực; 8) Dao kê

Hình 3.4. Mô hình 3D minh họa các
thông số góc của dao và phôi

Hình 3.5. Phân tích lực tương tác
dao-cây

3.3. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu
3.3.1. Cảm biến đo lực cắt

(a)
(b)
Hình 3.6. (a) Cảm biến lực Kistler 9712A500 và (b) gá đặt cảm biến lực: 1)
Dao kê; 2) Cây nguyên liệu; 3) Thanh trượt; 4) Cảm biến lực; 5) Lò so kéo

3.3.2. Đo lực ma sát cây-dao kê


10
3.3.3. Cảm biến đo mô men

Hình 3.7. Cảm biến FSSM-100

Hình 3.8. Cảm biến mô men RTT-200

3.3.4. Thiết bị thu thập dữ liệu
Sử dụng bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008
3.3.5. Phần mềm thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm
Phần mềm MiniTab® được sử dụng để lập kế hoạch thí nghiệm
và phân tích thống kê số liệu Phần mềm OriginLab® được sử dụng
để xử l dữ liệu, phân tích hồi quy và vẽ đồ thị mô tả
3.4. Chế tạo, lắp đặt hệ thống thí nghiệm

Hình 3.9. Kết cấu gá dao cắt và dao kê của thiết bị

3.5. Vận hành và một số kết quả khảo sát hệ thống
3.5.1. Vận hành hệ thống thí nghiệm

3.5.2. Đo lực cắt và mô men


11

(a)
(b)
Hình 3.10. Kết quả đo lực cắt (a) và đồ thị đối chứng lực đo bằng hai cảm
biến (b)

3.5.3. Đo ma sát trượt giữa dao kê và phụ phẩm

Hình 3.11. Bố trí thí nghiệm đo ma sát dao kê – phụ phẩm
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm đo ma sát trượt dao kê – cây ngô
Khối lượng
treo (kg)
2.5
4.5
6.5
8.5

Lực pháp
tuyến (N)
24.525
44.145
63.765
83.385

Lực ma sát
(N)

11.971
21.146
28.147
34.907

Hệ số ma sát

0.488
0.479
0.441
0.419

Góc ma sát
(độ)
26.02
25.59
23.82
22.72

Hệ số ma sát  được tính là tỉ số giữa lực ma sát và lực pháp
tuyến Góc ma sát  được tính từ hệ số ma sát  theo công thức sau:
  arctan   

(3.3)

3.6. Kết luận chƣơng
Một số kết luận quan trọng đã thu được từ chương này như sau:
Đã xác định được các thông số đầu vào gồm: góc tiếp dao, góc
nghiêng cây, khe hở giữa dao cắt và dao kê và vận tốc cắt Thiết bị
thí nghiệm đã phát triển cho phép điều khiển vô cấp giá trị các thông

số này, đáp ứng tốt các yêu cầu dữ liệu theo l thuyết quy hoạch


12
thực nghiệm Hệ thống thiết bị đo và thu thập dữ liệu đã cho phép
đo các chỉ tiêu đầu ra đồng thời gồm lực cắt và mô men cắt đảm bảo
độ tin cậy Một mô hình thực nghiệm đã được phát triển nhằm xác
định hệ số ma sát trượt giữa thân cây ngô với vật liệu dao cắt Các
nghiên cứu thực nghiệm, thực hiện trên hệ thống thí nghiệm nói trên
sẽ được trình bày trong chương tiếp theo
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ
PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH BIÊN DẠNG LƢỠI CẮT
4.1. Giới thiệu
4.2. Mô tả thí nghiệm
Ba bộ thí nghiệm được thực hiện gồm: thí nghiệm sàng lọc; thí
nghiệm tối ưu hóa đơn mục tiêu; thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu
4.3. Thí nghiệm sàng lọc
Bảng 4.1. Các biến đầu vào của thí nghiệm sàng lọc
Góc tiếp dao ()
0
60

Giá trị mã hóa
Thấp (-1)
Cao (+1)

Góc nghiêng cây ()
0
50

Khe hở (mm)
1
2

Bảng 4 2 Kết quả thí nghiệm sàng lọc
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

a
0
60
0
60
0
60
0
60
0
60

0
60

b
0
0
50
50
0
0
50
50
0
0
50
50

d
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
1
1

Fc
305.77
204.49
235.18
164.59
293.50
241.32
373.30
155.38
311.91
250.53
225.97
161.52

STT
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

a

0
60
0
60
0
60
0
60
0
60
0
60

b
0
0
50
50
0
0
50
50
0
0
50
50

d
2
2

2
2
1
1
1
1
2
2
2
2

Fc
287.36
225.97
367.16
146.17
296.57
247.46
247.46
155.38
284.29
219.84
361.02
152.31


13
Đồ thị ảnh hưởng của các yếu tố (Hình 4.1) cho thấy, góc tiếp dao
có ảnh hưởng số một, thứ hai là tương tác góc tiếp dao & góc
nghiêng cây, thứ ba là tương tác góc tiếp dao & góc nghiêng cây &

khe hở, thứ tư là tương tác góc tiếp dao & khe hở; thứ năm là góc
nghiêng cây, thứ sáu là tương tác góc tiếp dao & khe hở, cuối cùng là
khe hở.

Hình 4.1. Biểu đồ Pareto đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố

4.4. Thí nghiệm tối ƣu hóa lực cắt khi cắt chậm
4.4.1. Thí nghiệm khởi đầu
Bảng 4.3. Các biến trong thí nghiệm khởi đầu
Giá trị mã hóa
Thấp (-1)
Cao (+1)

Góc tiếp dao, a (độ)
0
10

Góc nghiêng cây, b (độ)
0
10

Bảng 4.4. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm khởi đầu
STT
1
2
3
4
5
6
7

8
9
10

Góc tiếp dao a (độ)
0
10
0
10
0
10
0
10
0
10

Góc nghiêng cây b (độ)
0
0
10
10
0
0
10
10
0
0

Lực cắt Fc (N)
348.74

189.14
232.11
198.35
351.81
201.42
247.46
195.28
370.23
207.56


14
STT
11
12

Góc tiếp dao a (độ)
0
10

Góc nghiêng cây b (độ)
10
10

Lực cắt Fc (N)
222.91
210.63

Phương trình mô tả hàm lực cắt được viết như sau:
Fc = 248.0 – 47.6*a – 30.2*b

(4. 1)

Các hệ số k1 của biến a và k2 của biến b trong phương trình mã
hóa được sử dụng để xác định hướng thí nghiệm xuống dốc
4.4.2. Thí nghiệm xuống dốc tìm vùng cực tiểu
Hình 4.2 mô tả các đường mức của hàm bề mặt Fc phụ thuộc các
biến góc tiếp dao a và góc nghiêng cây b.

Hình 4.2. Biểu đồ đường mức của
lực cắt và hướng xuống dốc

Hình 4.3. Biểu đồ xuống dốc tìm
vùng cực tiểu

Bảng 4.5. Kết quả các thí nghiệm xuống dốc
K hiệu

Góc tiếp dao (độ)
Mã hóa

Giá trị thực

Góc nghiêng cây (độ)
Mã hóa

Giá trị thực

FC (N)

Khởi đầu

0

0

348.74

Khởi đầu

10

10

195.28



1

+10

0,7

+7

-

Xuất phát

1

20

0,00

20

183.1818

Gốc + 

2

30

0,7

27

152.5661

Gốc + 2

3

40

1,4

34

139.5095

Gốc + 3

4

50

2,1

41

113.3962

Gốc + 4

5

60

2,8

48

98.33087

Gốc + 5

6

70

3,5

55

78.24374

Gốc + 6

7

80

4,2

62

106.3657


15
4.4.3. Thí nghiệm tối ƣu
TT
1
2
3
4

5
6
7
8
9
10
11
12
13

Góc
tiếp dao
(độ)
37,3
72,7
37,3
72,7
55,0
55,0
55,0
30,0
80,0
55,0
55,0
55,0
55,0

Góc
nghiêng
cây (độ)

38,1
38,1
57,9
57,9
48,0
48,0
48,0
48,0
48,0
34,0
62,0
48,0
48,0

Lực cắt
(N)

TT

Góc tiếp
dao (độ)

107,79
75,58
81,72
84,93
90,93
90,93
90,93
103,20

75,44
87,86
75,58
87,86
87,86

14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26

55,0
37,3
72,7
37,3
72,7
55,0
55,0
55,0
30,0
80,0

55,0
55,0
55,0

Góc
nghiêng
cây (độ)
48,0
38,1
38,1
57,9
57,9
48,0
48,0
48,0
48,0
48,0
34,0
62,0
48,0

Lực cắt
(N)
87,86
109,86
75,58
78,65
87,00
90,93
90,93

90,93
100,13
75,44
90,93
72,51
87,86

Bảng 4.6. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm tối ưu CCD
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

Góc
tiếp dao
(độ)
37,3
72,7
37,3
72,7

55,0
55,0
55,0
30,0
80,0
55,0
55,0
55,0
55,0

Góc
nghiêng
cây (độ)
38,1
38,1
57,9
57,9
48,0
48,0
48,0
48,0
48,0
34,0
62,0
48,0
48,0

Lực cắt
(N)

TT

Góc tiếp
dao (độ)

107,79
75,58
81,72
84,93
90,93
90,93
90,93
103,20
75,44
87,86
75,58
87,86
87,86

14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

25
26

55,0
37,3
72,7
37,3
72,7
55,0
55,0
55,0
30,0
80,0
55,0
55,0
55,0

Góc
nghiêng
cây (độ)
48,0
38,1
38,1
57,9
57,9
48,0
48,0
48,0
48,0
48,0

34,0
62,0
48,0

Mô hình bề mặt của hàm Fc được mô tả trên Hình 4.4.

Lực cắt
(N)
87,86
109,86
75,58
78,65
87,00
90,93
90,93
90,93
100,13
75,44
90,93
72,51
87,86


16

Hình 4.4. Kết quả phân tích hồi quy bề mặt Fc

Hàm bề mặt của lực cắt phụ thuộc hai biến góc tiếp dao (a) và
góc nghiêng cây (b) như sau:
FC  210,1  3,132 a 2  0,409b  0,03293b 2  0,05574 ab

(4. 2)

Hình 4.5 là đồ thị đường mức của hàm lực cắt Lực cắt nhỏ nhất
ở mức dưới 70N nếu góc tiếp dao a trong khoảng 70°÷80°, kết hợp
với góc nghiêng cây b trong khoảng 35°÷40° Một bộ thông số khác
cũng cho kết quả lực cắt nhỏ khoảng 70N÷80N khi góc tiếp dao a
nằm trong khoảng 35°÷40° và góc nghiêng cây b ở khoảng trên 60°
So với các máy băm thương mại sử dụng dao thẳng, góc tiếp dao
và góc nghiêng cây là 0°, giá trị lực cắt tối ưu tìm được thấp hơn
khoảng 5 lần

(a)
(b)
Hình 4.5. Đồ thị bề mặt (a) và đường mức (b) lực cắt F C


17
4.5. Thí nghiệm tối ƣu hóa đa mục tiêu
4.5.1. Mô tả các hàm mục tiêu
4.5.2. Thí nghiệm tối ƣu hóa
Bảng 4.7. Cấp độ và giá trị thực của các biến thí nghiệm
Vận tốc cắt, V
Góc tiếp dao a
Mức (Mã hóa)
(m/s)
(độ)
Thấp (-1)
4.40
0

Trung bình (0)
5.66
30
Cao (+1)
6.91
60

Góc nghiêng cây
b (độ)
0
25
50

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

V

a

b

F

P

tt

V

F

P

1

4.4

0

0

706.07

82.37

11

5.66

a

0 25

b

485.1

72.77

2

6.91

0

0

548.56

100.57

12

5.66 60 25

327.59

49.14

3

4.4

60 0

282.26

32.93

13

5.66 30 0

359.39

53.91

4

6.91 60 0

325.32

59.64

14

5.66 30 50

312.86

46.93

5

4.4

0 50

392.18

45.75

15

5.66 30 25

367.25

55.09

6

6.91

0 50

344.59

63.17

16

5.66 30 25

364.98

54.75

7

4.4

60 50

312.86

36.50

17

5.66 30 25

293.59

44.04

8

6.91 60 50

425.04

77.92

18

5.66 30 25

243.74

36.56

9

4.4

30 25

313.99

36.63

19

5.66 30 25

236.94

35.54

10

6.91 30 25

210.87

38.66

20

5.66 30 25

230.14

34.52

Kết quả phân tích phương sai hàm lực cắt F và công suất cắt P
được mô tả trên Hình 4.6 và Hình 4.7. Trên Hình 4.6, các giá trị p
nhỏ ứng với góc tiếp dao a (p = 0,000) và góc nghiêng cây b (p =
0,002) cho thấy ảnh hưởng của các yếu tố đó đến lực cắt có
thống kê

nghĩa


18

Hình 4.6. Phân tích phương sai của
hàm lực cắt

Hình 4.7. Phân tích phương sai
của hàm công suất cắt

(a)
(b)
Hình 4.8. Cực đại của lực cắt và mức tiêu thụ năng lượng là hàm của vận
tốc cắt: a)khi α=0 và β=0; b) khi α=30 và β=35

Với công suất cắt thì tốc độ cắt V và góc tiếp dao là các yếu tố có
ảnh hưởng đáng kể (Hình 4.7). Các giá trị R2 của mô hình hồi quy
lực cắt và năng lượng tiêu hao lần lượt là 90,61% và 88,86% chứng
tỏ các mô hình rất sát với dữ liệu thí nghiệm. Phương trình của các
hàm lực cắt và công suất cắt thu được từ mô hình hồi quy như sau:
F  411  151V - 19.72 a - 12.49b - 19.2V 2  0.1263 a 2  0.0695 b 2  1.196 Va

 0.713Vb  0.1080 ab

2
2
2
P  -41  44.8V - 2.545 a - 1.595b - 3.62V  0.01955 a  0.01131b  0.1080 Va

 0.0555V b  0.01598 ab

4.5.3. Xác định bộ thông số tối ƣu

(4. 3)


19
Tiến hành thiết lập mục tiêu cho cả hai hàm lực cắt và công suất
cắt đều là “tối thiểu” thu được lời giải như trên Hình 4.9 và Hình
4.10. Giải pháp tối ưu có thể đạt được lực cắt đạt khoảng 238.8 N, công
suất tiêu thụ khoảng 23.7 W. Các thông số đầu vào tối ưu gồm, vận tốc
cắt là 4,4 m/s, góc tiếp dao là 41.8 và góc nghiêng cây là 30.3. So với
trường hợp điển hình trong thực tế, trong đó máy băm thương mại
thường sử dụng dao thẳng với cả góc tiếp dao và góc nghiêng cây
được đặt là 0, các thông số tối ưu đã được tìm thấy để giảm đáng kể

cả lực cắt và mức tiêu thụ điện Giải pháp tối ưu có thể cung cấp lực
cắt 233,8 N (khoảng 2,5 lần so với 546,56 N) và mức tiêu thụ điện
năng là 23,66 W, nhỏ hơn khoảng 4 lần so với 100,57W

Hình 4.9. Mục tiêu, ràng buộc và kết quả bài toán tối ưu đa mục tiêu

Hình 4.10. Đồ thị của phương trình đa mục tiêu

4.6. So sánh, lựa chọn biên dạng lƣỡi cắt
4.6.1. Dao lƣỡi cắt thẳng


20
Khi cắt theo mô hình cắt kéo bằng dao lưỡi cắt thẳng, góc tiếp
dao thay đổi liên tục dọc theo lưỡi cắt, dẫn đến lực cắt thay đổi
Bảng 4.9. Ví dụ thay đổi của góc tiếp dao với bán kính R 1=100 mm
L(mm)
α (độ)

150
41,
8

175
34,
8

200
30,
0

225
26,
3

250
23,
58

275
21,
3

300
19,
47

325
17,
9

350
16,
6

375
15,
4

400

14,
4

4.6.2. Dao cung tròn

Hình 4.11. Sơ đồ tính góc tiếp dao
của dao cung tròn

Hình 4.12. Biến động góc tiếp dao của
dao thẳng α1 và của dao cung tròn α2

Bảng 4 10 thống kê kết quả tính góc tiếp dao của dao thẳng và
dao cung tròn tại một số vị trí khác nhau của khoảng cách L
Bảng 4.10. Thống kê giá trị của góc tiếp dao tại các điểm cắt khác nhau
L (mm)
α dao thẳng (độ)
α dao cung tròn
(độ)

15
0
41,
8
26,
1

17
5
34,
8

26,
4

20
0
30,
0
27,
3

22
5
26,
3
28,
6

25
0
23,
5
30,
2

27
5
21,
3
32,
1

30
0
19,
4
34,
3

32
5
17,
9
36,
8

35
0
16,
6
39,
6

37
5
15,
4
42,
7

40

0
14,
4
46,
2

4.6.3. Dao logarit
Đường xoắn ốc logarit luôn có tiếp tuyến hợp với vectơ bán kính
tương ứng một góc không đổi α (Hình 4.13). Hình 4.14 mô tả có góc
α là hằng số tại mọi điểm dọc theo lưỡi cắt α=30


21

Hình 4.13. Đường xoắn ốc logarit

Hình 4.14. Góc tiếp tuyến không đổi của đường xoắn logarit

4.7. Tự động thiết kế các lƣỡi cắt đồng dạng
4.8. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dao logarit

Hình 4.15. Bản vẽ dao logarit

Hình 4.16. Bản vẽ moay-ơ kẹp dao


22

Hình 4.17. Máy băm lắp dao cong
logarit

Hình 4.18. Lực cắt tại 5 điểm có vị
trí khác nhau dọc theo lưỡi cắt

4.9. Kết luận chƣơng
Chương này đã trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm
nhằm xác định bộ thông số hợp lý của quá trình cắt thân cây ngô sau
thu hoạch. Một số kết luận quan trọng được tóm tắt như sau:
Kết quả thí nghiệm sàng lọc cho thấy, khe hở giữa dao băm và
dao kê không ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt so với góc tiếp dao và
góc nghiêng cây.
Kết quả các thí nghiệm tối ưu hóa đơn mục tiêu đã tìm được bộ
thông số, góc tiếp dao từ 70° đến 80°, góc nghiêng cây từ 35° đến
40° Theo đó, lực cắt giảm 5 lần so với các máy băm thương mại.
Kết quả thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu đã tìm thấy bộ thông
số tối ưu gồm vận tốc cắt 4,4 m/s, góc tiếp dao 41.8 và góc nghiêng
cây 30.3. Theo đó, lực cắt giảm hơn 2 5 lần, công suất tiêu thụ giảm
khoảng 4 lần so với các máy băm thương mại.
Qua phân tích, so sánh đánh giá, đã đề xuất, thiết kế và chế tạo
thành công dao băm có biên dạng logarit, cho phép duy trì góc tiếp
dao không đổi dọc theo lưỡi cắt Đã xây dựng được 01 mô đun phần
mềm AutoLisp, tự động vẽ biên dạng lưỡi cắt Logarit trong môi
trường AutoCAD, cho phép thực hiện hoàn toàn tự động quá trình


23
tính toán tọa độ các điểm biên dạng dao, kết xuất file dữ liệu phục vụ
gia công trên máy CNC.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Kết luận chung

So với các nghiên cứu cùng lĩnh vực trước đây, luận án đã đạt
được những kết quả có giá trị khoa học và giá trị thực ti n như sau:
Đã thiết kế thành công hệ thống thí nghiệm, hệ thống đo và thu
thập dữ liệu trực tiếp trên máy băm thương mại cỡ nhỏ, có dao kê
Hệ thống thí nghiệm này sát với điều kiện cắt thực tế về tốc độ cắt và
bố trí dao kê hơn so với hai mô hình phổ biến trong nhiều công bố
khác là cắt bán tĩnh và cắt va đập
Đã phát hiện khoảng trống kiến thức trong các nghiên cứu về cắt
cây ngô là chưa có nghiên cứu về lực/ công suất cắt ở dạng cắt có
dao kê ở vận tốc trung bình (nằm trong khoảng 1 đến 10 m/s) Do
vậy, đã triển khai thí nghiệm nhằm thu thập và phân tích dữ liệu cho
cắt có dao kê phạm vi vận tốc từ 4 đến 7 m/s Kết quả này đã được
phản biện quốc tế công nhận, cho công bố trên tạp chí khoa học có
thứ hạng cao.
Phát hiện hai hàm mục tiêu có mâu thuẫn lợi ích là lực và công
suất cắt Qua đó, đã giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu nhằm giảm
thiểu đồng thời lực và công suất cắt cho mỗi nhát cắt thân cây ngô
đơn Bộ thông số đầu vào tối ưu tìm được là: vận tốc cắt 4,4 m/s,
góc tiếp dao 41.8 và góc nghiêng cây 30.3 Bộ thông số này cho
phép thu được lực cắt đạt khoảng 238 8 N, công suất tiêu thụ khoảng


24
23.7 W – nhỏ hơn 2,5 lần về lực cắt và giảm khoảng 4 lần về công
suất so với khi cắt thông thường có góc tiếp dao bằng 0.
Đã đề xuất, thiết kế và chế tạo thành công biên dạng dao băm
Logarit So với các loại dao phẳng có lưỡi cắt thẳng và cong, lưỡi cắt
có biên dạng Logarit luôn đảm bảo góc tiếp dao không thay đổi tại
mọi vị trí cắt trên suốt chiều dài lưỡi cắt Từ đó, giúp nâng cao hiệu
suất của quá trình băm cắt

Hƣớng nghiên cứu tiếp theo
Một số đề xuất cho các nghiên cứu tiếp theo như sau:
Hoàn thiện lời giải bài toán tối ưu nhằm đáp ứng đồng thời nhiều
chỉ tiêu: lực cắt, công suất tiêu thụ, năng suất cắt, chất lượng phụ
phẩm sau băm cắt… Có xét đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố: thông
số hình học lưỡi cắt, góc tương quan giữa dao và cây nguyên liệu,
tốc độ cắt, tính chất cơ học - loại cây nguyên liệu…;
Phát triển mô hình phân tích động lực học cho máy băm sử dụng
dao có lưỡi cắt biên dạng Logarit