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

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔN G NGHI ỆP

Vũ Văn Đam

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ
CỦA QUÁ TRÌNH CẮT THÂN CÂY NGÔ SAU THU HOẠCH

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã Số: 9 52 01 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn
2. GS.TSKH. Phạm Văn Lang

THÁI NGUYÊN – NĂM 2020


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là do bản thân tự nghiên cứu, không sao
chép của bất kỳ ai hay nguồn nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được
cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận án

Vũ Văn Đam


3

LỜI CẢM ƠN
Luận án này có thể chưa bao giờ được hoàn thành nếu không có sự quan tâm
của tập thể cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn; GS.TSKH Phạm Văn
Lang. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn về tất cả sự giúp đỡ của các Thầy dành cho tôi
trong suốt thời gian qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Dự, người đã tận tình động
viên, chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi để tôi đủ quyết tâm hoàn thành bản luận án
này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Hữu Công, vì sự quan tâm
đặc biệt của Thầy dành cho tôi, người đã truyền cảm hứng cho tôi trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Ngô Như Khoa,
người đã tận tình tư vấn và trực tiếp hỗ trợ thiết bị đo cho các thí nghiệm của
nghiên cứu này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo khoa Cơ khí, phòng Đào
tạo, Ban Giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và các khoa, phòng, ban,
viện trong trường đã giúp đỡ về chuyên môn cũng như tạo điều kiện cho tôi trong
quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Đại học Thái Nguyên và tập thể
cán bộ CNV khối văn phòng Đại học Thái Nguyên, đã tạo điều kiện thuận lợi giúp
đỡ tôi trong suốt quá trình tôi học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm đề tài Tây Bắc (KHCNTB.12C/13-18) đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai thí
nghiệm.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt
là các thành viên trong gia đình, đã giúp đỡ, ủng hộ, động viên, góp ý kiến để tôi
hoàn thành luận án này.

Tác giả luận án

Vũ Văn Đam


4

MỤC LỤC
HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................................VII
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... IX
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................... XI
MỞ
....................................................................................................................1

ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ............................................................. 1
5. Cấu trúc nội dung luận án ............................................................................. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ
NGHIỆP..........8

MÁY BĂM

THÂN

CÂY NÔNG

1.1. Giới thiệu ................................................................................................... 8
1.2. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nước................................... 8
1.2.1.

Sản
xuất
ngô
.................................................................................8

trên

thế

giới

1.2.2. Sản xuất ngô trong nước......................................................................... 9
1.3. Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch ........................................... 10
1.3.1.
Độ
..............................................................................................................12

ẩm

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

riêng

1.3.3.
Đặc
tính
cơ

...............................................................................................14
1.3.4. Ma sát trượt giữa
...........................................15

thân

cây

ngô

với

học
vật

liệu

khác

1.4. Chế biến phụ phẩm nông nghiệp ............................................................. 16
1.4.1. Chế biến thức ăn gia súc.................................................................................16
1.4.2.
Chế
biến
sản
......................................................................17

phẩm

thương

mại

1.5. Máy băm phụ phẩm nông nghiệp ............................................................ 17
1.5.1.
Máy
băm
.......................................................................................18

dạng

trống

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


5

1.5.3.
Máy
băm
dùng
.................................................................................20

dao

răng

1.6. Nghiên cứu thực nghiệm.......................................................................... 21
1.6.1. Quy ước thông số góc .....................................................................................21

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


6

1.6.3. Thí nghiệm cắt va đập .....................................................................................24
1.6.4. Thí nghiệm cắt có dao kê ................................................................................26

1.7. Một số kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ ....................... 27
Kết luận chương 1........................................................................................... 31
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH BĂM PHỤ PHẨM
NÔNG NGHIỆP
......................................................................................................33

2.1. Nguyên lý băm......................................................................................... 33
2.2. Cơ sở động lực học quá trình băm........................................................... 35
2.3. Bài toán tối ưu đa mục tiêu...................................................................... 44
Kết luận chương 2........................................................................................... 47
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU.........................................................................................................48

3.1. Giới thiệu ................................................................................................. 48
3.2. Thiết kế hệ thống thí nghiệm ................................................................... 48
3.2.1. Thiết kế sơ đồ thí nghiệm ................................................................................48
3.2.2. Thiết kế kết cấu ...............................................................................................52

3.3. Lựa chọn thiết bị đo và thu thập dữ liệu .................................................. 55
3.3.1. Cảm biến đo lực cắt ........................................................................................56
3.3.2. Đo lực ma sát cây-dao kê................................................................................57
3.3.3. Cảm biến đo mô men.......................................................................................58

3.3.4. Thiết bị xử lý và thu thập dữ liệu ....................................................................59
3.3.5. Phần mềm thiết kế và phân tích số liệu thí nghiệm.........................................60

3.4. Chế tạo, lắp đặt hệ thống thí nghiệm ....................................................... 60
3.5. Vận hành và một số kết quả khảo sát hệ thống ....................................... 61
3.5.1. Vận hành hệ thống thí nghiệm ........................................................................61
3.5.2. Đo lực cắt và mô men .....................................................................................62
3.5.3. Đo ma sát trượt giữa dao kê và thân cây ngô.................................................63

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


7

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÁT TRIỂN
MÔ HÌNH BIÊN DẠNG LƯỠI CẮT....................................................................67

4.2. Mô tả thí nghiệm...................................................................................... 68
4.3. Thí nghiệm sàng lọc................................................................................. 69
4.4. Thí nghiệm tối ưu hóa lực cắt khi cắt chậm ............................................ 73
4.4.1. Thí nghiệm khởi đầu .......................................................................................73
4.4.2. Thí nghiệm xuống dốc tìm vùng cực tiểu ........................................................75
4.4.3. Thí nghiệm tối ưu ............................................................................................77

4.5. Thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu .......................................................... 80
4.5.1. Mô tả các hàm mục tiêu ..................................................................................80
4.5.2. Thí nghiệm tối ưu
hóa.........................................................................................83
4.5.3. Xác định bộ thông số tối ưu ............................................................................86

4.6. Đánh giá một số biên dạng lưỡi cắt theo chỉ tiêu duy trì góc tiếp dao .... 89
4.6.1. Dao lưỡi cắt thẳng ..........................................................................................89
4.6.2. Dao cung tròn .................................................................................................91
4.6.3. Dao lô-ga-rít ...................................................................................................94

4.7. Tự động thiết kế các lưỡi cắt đồng dạng.................................................. 95
4.8. Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm dao logarit ............................................ 99
Kết luận chương 4......................................................................................... 102
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ..................................................................................103

1. Kết luận chung ......................................................................................... 103
2. Hướng nghiên cứu tiếp theo...................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................105
PHỤ LỤC...............................................................................................................116
CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...........................................122


vii
HỆ THỐNG KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký
hiệu


C


D

S


Fc
Fms
FS



N
n
P
q
q0
qth
c






T

TS
V
Vn
Vt
W1
W2
Wb

Ý nghĩa
Góc tiếp dao
Góc nghiêng cây
Hệ số tính toán
Góc kẹp hình thành giữa phương lưỡi dao cắt và cạnh sắc
dao kê
Giá trị hàm kỳ vọng tổng hợp chung
Khe hở giữa dao kê và dao cắt
Chiều dài tiếp xúc giữa dao với cây nguyên liệu
Hệ số trượt
Lực cắt
Lực ma sát giữa cây nguyên liệu và lưỡi dao
Giá trị lực thu được từ cảm biến lực động
Góc hợp bởi phương đường trục thân cây và phương lưỡi
cắt
Hệ số ma sát
Lực pháp tuyến
Tốc độ quay
Công suất tiêu thụ
Lực phân bố trên đoạn lưỡi dao
Lực phân bố tối thiểu
Lực tới hạn
Khối lượng riêng của mẫu thí nghiệm
Lực cản băm cắt
Góc cắt trượt
Góc trượt
Chu kỳ lực
Giá trị lực thu được từ cảm biến mô men
Vận tốc chuyển động của lưỡi dao
Vận tốc pháp tuyến

Vận tốc tiếp tuyến
Khối lượng của hộp rỗng
Khối lượng của mẫu và hộp
Độ ẩm của mẫu thí nghiệm

Đơn
vị





mm
mm
N
N
N


N
v/ph
W

g/cm

3

N/mm
N/mm
g/cm

3

N


s
N

m/s
m/s
m/s
g
g
%


8

Ký
hiệu
WD
WW

Ý nghĩa
Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc sau sấy khô
Khối lượng của mẫu và đĩa nhôm lúc đầu

Đơn
vị

g
g


9

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô thế giới 2008-2016............. 9
Bảng 1.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 1990-2017............................ 10
Bảng 1.3. Một số đặc điểm tính chất thân cây ngô........................................ 11
Bảng 1.4. Một số thông số phụ phẩm từ ngô................................................. 12
Bảng 1.5. Hệ số ma sát tĩnh của các bộ phận cây ngô................................... 15
Bảng 1.6. Hệ số ma sát động các bộ phận của cây ngô ................................. 15
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của cảm biến mô men RTT ............................. 58
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008............ 59
Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm đo ma sát trượt dao kê – cây ngô................... 65
Bảng 4.1. Các biến đầu vào của thí nghiệm sàng lọc .................................... 70
Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm sàng lọc .......................................................... 70
Bảng 4.3. Các biến trong thí nghiệm khởi đầu .............................................. 74
Bảng 4.4. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm khởi đầu .......................... 74
Bảng 4.5. Kết quả các thí nghiệm xuống dốc ................................................ 76
Bảng 4.6. Thiết kế và kết quả của các thí nghiệm tối ưu CCD ..................... 77
Bảng 4.7. Cấp độ và giá trị thực của các biến thí nghiệm ...................................
83
Bảng 4.8. Thí nghiệm CCD và kết quả tương ứng .............................................
83


10

Bảng 4.9. Ví dụ thay đổi của góc tiếp dao với bán kính R1=100 mm ........... 91
Bảng 4.10. Thống kê giá trị của góc tiếp dao tại các điểm cắt khác nhau .... 93


11

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Đặc tính cấu trúc thân cây ngô ...................................................... 11
Hình 1.2. Thí nghiệm uốn mẫu thân cây ngô ................................................ 14
Hình 1.3. Sơ đồ các bước chế biến thức ăn dự trữ cho gia súc ..................... 16
Hình 1.4. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng trống ........................................ 18
Hình 1.5. Nguyên lý cấu tạo máy băm dạng đĩa............................................ 19
Hình 1.6. Cấu tạo nguyên lý bộ phận băm loại dao răng .............................. 20
Hình 1.7. Quy ước thông số góc .................................................................... 22
Hình 1.8. Thiết bị thí nghiệm dạng máy kéo nén .......................................... 23
Hình 1.9. Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây .................. 24
Hình 1.10. Sơ đồ thí nghiệm (a), thiết bị thực (b) khi cắt cây ngô trên ruộng...
25
Hình 1.11.Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng góc tiếp dao và vận tốc cắt ....... 26
Hình 1.12. a) Thí nghiệm dùng kéo cắt cành cây, b) dùng kéo rút ............... 27
Hình 1.13. So sánh năng lượng tiêu thụ khi cắt một số cây nông nghiệp.........
29
Hình 1.14. Răng con xén tóc (a), biên dạng dao mô phỏng (b) và kết quả lát
cắt thử bằng dao truyền thống (c, hình trên) và dao mô phỏng (c, hình dưới)
........ 30
Hình 2.1. Sơ đồ tạo chuyển động cắt............................................................. 33
Hình 2.2. Mô hình thí nghiệm của Gơriatskin (a), kết quả quan hệ của lực cắt
N với lượng trượt S (b) .................................................................................. 34

xii

Hình 2.3. Vận tốc và các thành phần vận tốc tại điểm tiếp xúc dao-cây
nguyên liệu..................................................................................................... 35
Hình 2.4. Quan hệ lực cắt cần thiết phụ thuộc góc trượt ............................... 37
Hình 2.5. Tương tác lực giữa lưỡi dao và cây nguyên liệu ........................... 39
Hình 2.6. Tác dụng giảm lực băm cắt pháp tuyến ......................................... 40
Hình 2.7. Sơ đồ băm cắt có dao kê ................................................................ 41
Hình 2.8. Quan hệ hình học giữa dao băm và dao kê.................................... 41
Hình 2.9. Các góc của dao và gá đặt dao....................................................... 43
Hình 2.10. Vùng khuyến nghị chọn khe hở δ ................................................ 44
Hình 2.11. Sơ đồ hàm kỳ vọng cho bài toán tối thiểu hóa ............................ 46
Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm cần thực hiện ..................................................... 49
Hình 3.2. Vị trí tương đối của cây nguyên liệu ............................................. 50
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý truyền động thiết bị băm ........................................
53
Hình 3.4. Các thông số góc độ của dao và cây trong quá trình cắt ............... 54
Hình 3.5. Phân tích lực tương tác dao-cây..................................................... 55
Hình 3.6. a) Cảm biến lực Kistler 9712A500 và b) gá đặt cảm biến lực ...... 56
Hình 3.7. Cảm biến FSSM-100 ..................................................................... 57
Hình 3.8. Cảm biến mô men RTT-200 .......................................................... 58


13

Hình 3.9. Bộ nguồn khuếch đại DRG-SC-BG(a), Bộ nguồn và sử lý tín hiệu
SCC-ICP 01(b), Bộ thu thập dữ liệu NI USB-6008(c).................................. 59
Hình 3.10. Kết cấu gá dao băm và dao kê của thiết bị ................................. 61
Hình 3.11. Kết quả đo lực cắt (a) và đồ thị đối chứng lực đo bằng hai cảm
biến (b) ........................................................................................................... 63

Hình 3.12. Bố trí thí nghiệm đo ma sát dao kê – cây ngô ............................. 64
Hình 4.1. Kết quả phân tích ANOVA bằng phần mềm Minitab ................... 71
Hình 4.2. Biểu đồ Pareto đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố ....................... 72
Hình 4.3. Kết quả phân tích hồi quy bậc 1 .................................................... 74
Hình 4.4. Biểu đồ đường mức (Contour) của lực cắt và hướng xuống dốc .. 75
Hình 4.5. Biểu đồ xuống dốc tìm vùng cực tiểu ............................................ 77
Hình 4.6. Kết quả phân tích hồi quy bề mặt Fc ............................................. 78
Hình 4.7. Đồ thị bề mặt (a) và đường mức (b) lực cắt FC ............................. 79
Hình 4.8. Ví dụ chu kỳ của (a) lực cắt và (b) công suất cắt .......................... 81
Hình 4.9. Phân tích phương sai của hàm lực cắt ........................................... 84
Hình 4.10. Phân tích phương sai của hàm công suất cắt ............................... 85
Hình 4.11. Cực đại của lực cắt và mức tiêu thụ năng lượng là hàm của vận
tốc cắt ............................................................................................................. 86
Hình 4.12. Mục tiêu, ràng buộc và kết quả bài toán tối ưu đa mục tiêu........ 87


14

Hình 4.13. Đồ thị của phương trình đa mục tiêu ........................................... 88
Hình 4.14. Sự thay đổi của góc tiếp dao α..................................................... 90
Hình 4.15. Dao cung tròn lệch tâm................................................................ 91
Hình 4.16. Sơ đồ tính góc tiếp dao của dao cung tròn................................... 92
Hình 4.17. Biến động của góc tiếp dao của dao thẳng (1) và của dao cung
tròn (2).......................................................................................................... 93
Hình 4.18. Đường xoắn ốc logarit ................................................................. 94
Hình 4.19. Góc tiếp tuyến không đổi của đường xoắn logarit ...................... 95
Hình 4.20. Lưu đồ giải thuật tính và vẽ biên dạng dao logarit ...................... 98
Hình 4.21. Hộp thoại nhập liệu và thông báo của mô đun phần mềm .......... 99
Hình 4.22. Mô hình 3D của một dao cong biên dạng logarit ........................ 99
Hình 4.23. Bản vẽ dao logarit ...................................................................... 100

Hình 4.24. Bản vẽ moay-ơ để kẹp dao ........................................................ 100
Hình 4.25. Máy băm lắp dao cong logarit ................................................... 101
Hình 4.26. Lực cắt tại 5 điểm có vị trí khác nhau dọc theo lưỡi cắt ........... 101


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


2

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 động tiêu cực đến môi trường như ô
nhiễm không khí hoặc gây ra các đám cháy rừng. Một trong các lý 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 lý 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 lý.
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


3

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. 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 máy 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 lý [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 lý 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 ý nghĩa thực tiễn.
2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1. Mục tiêu nghiên cứu:


4

- Mục tiêu chung: xác định một số thông số kết cấu và vận hành hợp lý 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 lý 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.
2.2. Đối tượng nghiên cứu:
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.
2.3. 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

5

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 khoa học và ý nghĩa thực tiễn
3.1. Ý nghĩa khoa học

+ Đóng góp kết quả nghiên cứu thực nghiệm, làm cơ sở cho việc tính toán
thiết kế máy băm phụ phẩm nông nghiệp tiết kiệm năng lượng.
+ Xây dựng được cơ sở lý thuyết để tính toán, xác định các thông số cơ bản
về thiết kế, vận hành máy băm phụ phẩm nông nghiệp. Kết quả nghiên cứu trên
là tài liệu tham khảo cần thiết khi thiết kế các loại máy băm phụ phẩm nông
nghiệp có năng suất khác nhau.
+ Góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành chế tạo máy chế biến phụ
phẩm nông nghiệp và công cuộc cơ giới hóa nông nghiệp ở Việt Nam.
3.2. 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
lý phụ phẩm nông nghiệp phục vụ sản xuất và đời sống, giảm chi phí năng
lượng, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường.


6

4. Những đóng góp mới của luận án
+ Đã nghiên cứu lực và công suất cắt thân cây ngô cho mô hình cắt có dao
kê – thế giới chưa có nghiên cứu trong phạm vi này;
+ Đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng cây 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;
+ Giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu, cân bằng lợi ích hai hàm lực và
công suất cắt đồng thời. Đã xác định được bộ thông số hợp lý của quá trình băm
thực nghiệm, làm cơ sở thiết kế và chế tạo máy băm phụ phẩm nông nghiệp ứng
dụng vào thực tiễn sản xuất;
+ 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. Từ đó, giúp nâng cao hiệu suất của quá
trình băm cắt;
+ 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
Nội dung luận án gồm phần mở đầu, 04 chương và phần kết luận. Phần
mở đầu trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và


7

phương pháp nghiên cứu của đề tài. Những đóng góp mới của luận án cũng
được giới thiệu tóm tắt.
Thông tin tổng quan về vấn đề nghiên cứu được trình bày trong chương 1.

Chương này trình bày thông tin tổng quan tài liệu từ các nghiên cứu liên quan
đến đề tài. Trước tiên, tình hình sản xuất ngô và khả năng sử dụng phụ phẩm từ
ngô cho công nghiệp chế biến trong những năm gần đây. Tiếp theo, sẽ trình bày
tóm tắt các đặc tính của cây ngô. Đây là các thông số tham khảo quan trọng khi
nghiên cứu phân tích quá trình băm phụ phẩm. Một số công nghệ chế biến phụ
phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây khác được trình bày. Nguyên lý các
máy băm, nghiên cứu thực nghiệm, kết quả nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tiêu
thụ được tổng quan đầy đủ. Qua đó, xác định hướng nghiên cứu của luận án.
Chương 2 trình bày những lý thuyết cơ bản của quá trình băm phụ phẩm nông
nghiệp, được sử dụng làm cơ sở cho vấn đề nghiên cứu của đề tài. Cách thức
thiết kế, chế tạo thiết bị và kế hoạch thí nghiệm được trình bày trong chương 3.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và phát triển mô hình biên dạng lưỡi cắt, thiết
kế biên dạng dao được trình bày trong chương 4. Cuối cùng là phần kết luận và
đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.


8

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ MÁY BĂM THÂN CÂY NÔNG NGHIỆP
1.1. Giới thiệu
Nội dung chương này sẽ tóm tắt thông tin tổng quan tài liệu từ các nghiên
cứu liên quan đến đề tài. Các nội dung chính của chương gồm:
- Tình hình sản xuất ngô và khả năng sử dụng phụ phẩm từ ngô cho công
nghiệp chế biến trong những năm gần đây;
- Các đặc tính của cây ngô. Đây là các thông số tham khảo quan trọng khi
nghiên cứu phân tích quá trình băm phụ phẩm.
- Một số công nghệ chế biến phụ phẩm nông nghiệp từ ngô và các loại cây
khác;
- Nguyên lý các máy băm; các thiết bị đã được sử dụng trong các nghiên

cứu liên quan;
- Tổng quan một số kết quả nghiên cứu nhằm giảm lực cắt và tiêu thụ năng
lượng khi băm phụ phẩm nông nghiệp;
- Kết luận, một số vấn đề còn tồn tại và xác định hướng nghiên cứu của
luận án .
1.2. Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và trong nước
1.2.1. Sản xuất ngô trên thế giới

Ngô là cây lương thực quan trọng trong nền kinh tế toàn cầu. Mặc dù chỉ
đứng thứ hai về diện tích, sau lúa nước và lúa mì, nhưng ngô lại dẫn đầu về năng
suất và sản lượng. Tốc độ tăng trưởng về năng suất của ngô cao nhất trong các
cây lương thực. Ngô còn là loại cây nông nghiệp điển hình được ứng dụng nhiều
thành tựu khoa học về di truyền học, chọn giống, công nghệ sinh học, cơ giới
hoá, điện khí hoá và tin học... trong nghiên cứu và sản xuất [16]. Ngô được


9

trồng rộng rãi ở khắp nơi trên thế giới [45, 97], với năng suất và sản lượng tăng
dần qua các năm (Bảng 1.1).
Bảng 1.1. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô thế giới 2008-2016
Năm

Diện tích (triệu ha)

Năng suất hạt (tấn/ha)

Sản lượng (triệu tấn)

2008

162,7

5,1

713,7

2009

168,7

5,2

820,2

2010

164,0

5,2

851,3

2011

172,3

5,2

887,9

2012

148,0

4,9

872,8

2013

184,2

5,5

1.016,7

2014

184,6

5,6

1.013,1

2015

182,5

5,5

1.003,7

2016

187,9

5,6

1.052,2

Nguồn: FAOSTAT, 2017.
1.2.2. Sản xuất ngô trong nước

Ở nước ta, cây ngô được trồng từ khá lâu đời và trở thành cây lương thực
quan trọng đứng thứ hai sau cây lúa. Do được áp dụng nhiều tiến bộ kỹ thuật
mới về giống, biện pháp kỹ thuật canh tác và liên kết sản xuất giữa trồng trọt,
chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi bò sữa nên cây ngô đã có bước tiến dài trong
tăng trưởng về diện tích, năng suất, sản lượng và giá trị kinh tế. Tình hình sản
xuất ngô ở Việt Nam từ 1990 – 2017 được thống kê ở Bảng 1.2 [10].
Qua Bảng 1.2 có thể thấy xu hướng tăng về năng suất và phát triển các
giống ngô lai.


10

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

Diện tích
(1.000 ha)
431,8

Năng suất hạt
(tấn/ha)
1,55

Sản lượng
(1.000 tấn)
671,0

Diện tích ngô lai
(%)
0

1995

556,8

2,13

1.184,2

28

2000

730,2

2,75

2.005,1

65

2010

1.125,7

4,11

4.625,7

92

2011

1.121,3

4,31

4.835,6

93

2012

1.156,6

4,30

4.973,6

93

2013

1.170,4

4,44

5.191,2

94

2014

1.179,0

4,41

5.202,3

94

2015

1.164,8

4,54

5.287,2

95

2016

1.152,4

4,53

5.225,6

95

2017

1.099,7

4,67

5.131,9

95

Nguồn: Tổng cục Thống kê, năm 1990-2017

Nghiên cứu cho thấy có sự lệch pha giữa thời điểm thu hoạch ngô và giai
đoạn cần thức ăn quan trọng cho gia súc. Theo Nguyễn Hưng Quang và cộng sự

[94], từ tháng 9 hằng năm đến hết tháng 3 năm sau, nói chung đàn gia súc thiếu
thức ăn thô xanh trầm trọng, đặc biệt là ở khu vực Trung du và Miền núi. Trong
khi đó, vụ thu hoạch ngô lại chủ yếu vào tháng 7, tháng 8. Do đó, nghiên cứu để
khuyến khích tận thu nguồn phụ phẩm từ ngô để chế biến và bảo quản làm thức
ăn trong vụ đông đối với chăn nuôi đại gia súc hiện nay là vô cùng cần thiết và
cấp bách [10].
1.3. Một số đặc điểm của cây ngô sau thu hoạch
Các kết quả nghiên cứu về đặc điểm cây ngô sau thu hoạch có ý nghĩa quan
trọng đối với các công đoạn chế biến phụ phẩm nông nghiệp. Đặc biệt, cơ-lý
tính cây ngô là thông số cơ bản cho các bài toán về băm thân cây.