ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Vũ Văn Đam NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THƠNG SỐ HỢP LÝ CỦA Q TRÌNH CẮT THÂN CÂY NGƠ SAU THU HOẠCH Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã Số: 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn GS.TSKH Phạm Văn Lang THÁI NGUYÊN – NĂM 2020 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Phụ phẩm nông nghiệp, bao gồm thân, thành phần khác (thường bị vứt bỏ sau thu hoạch), đánh giá giàu polymer hữu lignin, cellulose, hemiaellulose, protein lipid [74] Ở nước, phụ phẩm nông nghiệp chủ yếu rơm ngô, thường dùng làm thức ăn trực tiếp, ủ chua để làm thức ăn dự trữ cho gia súc [2-4, 7, 8, 15, 17] Theo tính tốn thống kê [111], tổng khối lượng phụ phẩm nông nghiệp năm giới khoảng 3736 triệu tấn, thay cho 2283 triệu than đá, 1552 triệu dầu 1847 triệu mét khối khí đốt Sản lượng tăng qua năm để đáp ứng dân số ngày đông giới Tính trung bình, khối lượng phụ phẩm năm từ lúa mì, lúa gạo, ngơ, đậu tương 763 triệu tấn, 698 triệu tấn, 1730 triệu 417 triệu Ngô loại lương thực quan trọng thứ ba sau lúa gạo lúa mì [27], trồng rộng khắp giới [45, 97] Thân ngô chiếm đến 1/3 sản lượng năm so với loại phụ phẩm nông nghiệp khác [41] Ở Việt Nam, ngô lương thực, thực phẩm quan trọng, mà gần cịn đóng vai trị ngun liệu để sản xuất ethanol – xăng sinh học E5 thân thiện với môi trường [10] Đặc biệt, xu hướng phát triển trồng ngô sinh khối dùng trực tiếp cho chăn nuôi (không lấy bắp) làm tăng nhu cầu chế biến sau thu hoạch Băm thân ngô sau thu hoạch bước sơ chế quan trọng việc chế biến thức ăn chăn nuôi, sản xuất viên nén sinh khối quy trình chế biến khác Chẳng hạn, thây ngơ cần băm thành đoạn dài 6,4 mm cho hóa khí [95], dài 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 thực máy băm chuyên dụng phận cắt thái máy thu hoạch liên hợp Ở nước phát triển có Việt Nam, nông dân thường làm chất đốt, đốt bỏ phụ phẩm sau thu hoạch đồng ruộng, nương rẫy Việc khơng gây lãng phí mà cịn tác động tiêu cực đến môi trường ô nhi m khơng khí gây đám cháy rừng Một l chi phí cho cơng đoạn băm cịn cao Do phụ phẩm thường có giá rẻ, phí khấu hao, cơng lao động đặc biệt tiêu tốn lượng chiếm tỷ trọng lớn giá thành bán thành phẩm (phụ phẩm băm) Do vậy, tìm kiếm giải pháp giảm lượng tiêu hao băm nhiều nghiên cứu quốc tế triển khai [24, 34, 37, 43, 78, 87, 107] Ở Việt Nam, công bố khoa học tìm thấy chủ yếu quan tâm kỹ thuật tính tốn thiết kế theo tiêu suất, độ bền… cho máy thu hoạch kết hợp băm số sản phẩm nông nghiệp ngô [3, 4, 6, 17], rơm sau thu hoạch lúa [19] thân chuối [1], chế biến dứa [9], cắt sơ sợi từ dừa [13] Các thiết kế tập trung giải toán chức băm theo nguyên l đĩa cắt, trống cắt, thiết kế nhằm đạt suất băm Tuy nhiên, vấn đề tiết kiệm lượng chưa nghiên cứu đề cập Trên giới, nhiều nghiên cứu thực nhằm làm giảm lực cắt công suất cắt cách cải tiến thiết kế dao lựa chọn chế độ cắt hợp l Giảm lực cắt coi giải pháp tối ưu để giảm lượng tiêu thụ Hơn nữa, giảm lực cắt góp phần làm giảm kích thước phận máy làm giảm kích cỡ máy Tuy nhiên, lượng tiêu thụ tính tích số lực cắt vận tốc cắt, chế độ băm có lực cắt nhỏ với vận tốc lớn chưa hẳn đảm bảo mức lượng tiêu thụ nhỏ Trong số nghiên cứu, mơ hình thực nghiệm sử dụng lắc xây dựng để đo lực cắt, công suất cắt cần thiết băm phụ phẩm [32, 39, 66, 71, 85, 100] Các yếu tố đánh giá bao gồm ảnh hưởng loại dao, góc độ cắt khác [24, 27, 44, 96] Một số nghiên cứu khác đánh giá ảnh hưởng góc sắc lưỡi dao thẳng, tốc độ quay đĩa dao đến khả cắt đứt ngô [32, 78, 85, 90, 103] Một cách tiếp cận quan tâm thực sinh học, thiết kế chế tạo biên dạng dao theo biên dạng lồi trùng bọ ngựa, sâu ăn thân ngô, châu chấu, xén tóc [64, 65, 71, 72, 100]… Kết mơ phần tử hữu hạn thực nghiệm cho thấy nhiều lợi ích giảm lực cắt, cơng suất tiêu thụ Tuy vậy, kiểu biên dạng lưỡi cắt khó chế tạo, mài sắc trình làm việc khó triển khai máy thương phẩm Đã có nhiều nghiên cứu để tìm giải pháp tiết kiệm lượng tiêu thụ [27, 28, 38, 44, 49, 66, 68, 69] Tuy nhiên, lời giải cho toán tối ưu hóa đa mục tiêu cho hai yếu tố lực cắt lượng tiêu thụ, đặc biệt cho băm [24, 34, 37, 43, 78, 87, 107] tiếp tục quan tâm Một hướng nghiên cứu khác để tiết kiệm lượng q trình băm phụ phẩm nơng nghiệp xác định thông số làm việc hợp l [28, 31, 33, 49, 50, 58, 59, 61, 78, 88, 89] Cho đến nay, tốn giảm đồng thời lực cơng suất cắt trực tiếp máy băm chưa có lời giải cuối Cũng chưa tìm thấy thấy cơng bố nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng đồng thời thông số làm việc thông số kết cấu đến lực cơng suất cắt Vì l trên, đề tài: “Nghiên cứu xác định số thông số hợp lý q trình cắt thân ngơ sau thu hoạch” có tính cấp thiết có nghĩa thực ti n Mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: - Mục tiêu chung: xác định số thông số kết cấu vận hành hợp l q trình cắt thân ngơ sau thu hoạch nhằm giảm thiểu lực công suất cắt - Mục tiêu cụ thể: + Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm điều khiển thông số vào, thu đầy đủ thông số q trình băm thân ngơ sau thu hoạch, đáp ứng yêu cầu toán nghiên cứu thực nghiệm; + Xác định thơng số có ảnh hưởng mạnh đến lực công suất cắt băm thân ngô sau thu hoạch; + Xác định thông số thiết kế, vận hành hợp l máy băm thân ngô sau thu hoạch nhằm giảm thiểu lực công suất cắt; + Phát triển mô hình biên dạng lưỡi dao băm đảm bảo thơng số thiết kế Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu số thơng số ảnh hưởng đến lực cắt lượng tiêu thụ máy băm thân ngô sau thu hoạch Phạm vi nghiên cứu Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu là: tiến hành thực nghiệm cắt thân ngô đơn nhằm xác định lực công suất cắt đơn vị, làm sở tính tốn cho tốn cắt bó Các thí nghiệm thực phịng thí nghiệm Các thơng số đưa vào đánh giá bao gồm: góc tiếp dao, góc nghiêng vận tốc cắt Các thân ngơ sau thu hoạch dùng làm thí nghiệm bảo quản điều kiện Giả thiết sai khác đặc tính học độ ẩm lát cắt không đáng kể Ý nghĩa thực tiễn + Kết áp dụng để thiết kế, chế tạo máy băm nơng nghiệp Mặc dù thí nghiệm với thân ngơ, ảnh hưởng đáng kể góc tiếp dao góc nghiêng có kết cấu dạng thớ thân Hầu hết loại thân, phụ phẩm nơng nghiệp khác có kết cấu thớ Do vậy, xu hướng ảnh hưởng góc nói áp dụng băm loại khác + Kết nghiên cứu luận án sử dụng tính tốn thiết kế lựa chọn thông số làm việc cho máy băm dạng đĩa, góp phần khai thác xử l phụ phẩm nông nghiệp phục vụ sản xuất đời sống, giảm chi phí lượng, từ giảm thiểu nhi m mơi trường Những đóng góp luận án Đã nghiên cứu lực công suất cắt thân ngơ cho mơ hình cắt băm có dao kê với vận tốc cắt trung bình (với vận tốc cắt nằm khoảng đến 10 m/s) Đây đóng góp cho hướng nghiên cứu giới Đã đánh giá ảnh hưởng đồng thời góc nghiêng cây, góc tiếp dao vận tốc cắt tới lực cắt thân ngô cho mơ hình cắt có dao kê – đóng góp so với cơng bố khoa học trước Đã phát hai hàm mục tiêu có mâu thuẫn lợi ích lực cơng suất cắt Qua đó, giải tốn tối ưu đa mục tiêu nhằm giảm thiểu đồng thời lực công suất cắt cho nhát cắt thân ngô đơn So với kết cấu thông dụng dùng dao lưỡi cắt thẳng, có góc tiếp dao khơng độ, lời giải tối ưu cho phép giảm lực cắt tới 2,3 lần, đồng thời giảm công suất tiêu thụ đến lần Kết dùng làm sở thiết kế chế tạo máy băm phụ phẩm nông nghiệp, ứng dụng vào thực ti n sản xuất Đã đề xuất biên dạng lưỡi dao dạng xoắn ốc logarit đánh giá ưu điểm biên dạng so với lưỡi dao thẳng lưỡi dao cung tròn Sử dụng biên dạng đề xuất cho phép trì góc hợp lưỡi dao bó ngun liệu không đổi dọc theo chiều dài lưỡi cắt Nhờ vậy, trì giá trị tối ưu góc tiếp dao dọc suốt chiều dài lưỡi cắt Phát triển giải thuật phép tính tốn vẽ biên dạng lưỡi dao hoàn toàn tự động theo kích cỡ khác Mơ đun phần mềm nhúng môi trường AutoCAD cho phép vừa tạo vẽ kỹ thuật, vừa kết xuất liệu tọa độ điểm phục vụ gia công dao máy CNC Cấu trúc nội dung luận án Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Cơ sở lý thuyết trình băm phụ phẩm nơng nghiệp Chương Thiết kế, chế tạo đánh giá hệ thống thiết bị thí nghiệm Chương Kết nghiên cứu thực nghiệm phát triển mơ hình biên dạng lưỡi cắt CHƢƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu 1.2 Tình hình sản xuất ngơ giới nƣớc 1.2.1 Sản xuất ngô giới 1.2.2 Sản xuất ngô nước 1.3 Một số đặc điểm 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 thân 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 1.6 Thiết bị nghiên cứu thực nghiệm 1.6.1 Quy ước thơng số góc 1.6.2 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy băm 1.6.3 Thiết bị 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 nghiên cứu tiết kiệm lƣợng tiêu hao 1.8 Kết luận chƣơng Chương trình bày nghiên cứu tổng quan vấn đề liên quan trực tiếp đến đề tài luận án, cụ thể sau: Ngô trồng quan trọng giới Việt Nam Các số liệu thống kê cho thấy có tăng trưởng suất sản lượng Băm thân ngô sau thu hoạch bước sơ chế bắt buộc q trình chế biến sau Các thơng số đặc trưng thân ngơ có ảnh hưởng đến trình băm khẳng định nghiên cứu trước Các thông số quan trọng bao gồm: độ ẩm thân cây, mô đun đàn hồi, hệ số ma sát thân ngô với số loại vật liệu Các mơ hình nghiên cứu cho máy thu hoạch khơng thể áp dụng hồn tồn cho máy băm, khơng thuận tiện để bố trí tạo góc nghiêng băm Mơ hình thí nghiệm dùng lắc va chạm khơng thuận tiện để đo lực cắt, khó thay đổi tốc độ cắt Mơ hình thiết bị kiểu máy kéo nén không thuận tiện để thay đổi tốc độ cắt 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 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Q TRÌNH BĂM PHỤ PHẨM NƠNG NGHIỆP 2.1 Nguyên lý băm 2.2 Cơ sở động lực học q trình băm 2.3 Bài tốn tối ƣu đa mục tiêu 2.4 Kết luận chƣơng Chương trình bày tóm tắt sở l thuyết nguyên l q trình băm phụ phẩm nơng nghiệp Các nội dung chương sở cho nghiên cứu động lực học lượng tiêu hao q trình băm thân ngơ nghiên cứu Một số nội dung quan trọng tóm tắt sau: Có 02 nguyên tắc q trình băm-cắt thân nơng nghiệp gồm: 1) cắt băm, chuyển động tương đối dao nguyên liệu (chuyển động cắt) thực theo hướng pháp tuyến; 2) cắt có trượt, chuyển động cắt kết hợp hướng pháp tuyến hướng tiếp tuyến So với cắt băm, q trình cắt có trượt làm giảm đáng kể lực cắt Để không trượt khỏi khe hở hình chêm dao cắt kê, cần khống chế vận tốc trượt dựa vào hệ số ma sát thân với vật liệu dao Lực cắt công suất cắt tiêu thụ hai hàm mục tiêu có xung đột lợi ích Do đó, cần giải toán tối ưu đồng thời cho hai tiêu nói Bài tốn đa mục tiêu xác định tiêu phù hợp bước công nghệ cắt: hàm kỳ vọng (2 8) (2 9); nghiên cứu mơ hình thực máy băm (cắt) nhằm tối ưu hóa đồng thời tiêu Để làm sáng tỏ kết luận chương 2, cần xây dựng mơ hình thí nghiệm tương tự máy băm thương mại, có khả điều chỉnh vận tốc cắt góc tương quan dao thân Những nội dung trình bày chương CHƢƠNG 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 Hình 3.2 Vị trí tương đối nguyên liệu: (a) nhìn từ trước; (b) nhìn từ xuống (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 Mơ hình 3D minh họa thơng số góc dao phơi Hình 3.5 Phân tích lực tương tác dao-cây 3.3 Lựa chọn thiết bị đo thu thập liệu 3.3.1 Cảm biến đo lực cắt (a) (b) Hình 3.6 (a) Cảm biến lực Kistler 9712A500 (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 11 (a) (b) Hình 3.10 Kết đo lực cắt (a) đồ thị đối chứng lực đo hai cảm biến (b) 3.5.3 Đo ma sát trượt dao kê phụ phẩm Hình 3.11 Bố trí thí nghiệm đo ma sát dao kê – phụ phẩm Bảng 3.1 Kết thí nghiệm đo ma sát trượt dao kê – 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  tính tỉ số lực ma sát lực pháp tuyến Góc ma sát  tính từ hệ số ma sát  theo công thức sau:   arctan    (3.3) 3.6 Kết luận chƣơng Một số kết luận quan trọng thu từ chương sau: Đã xác định thông số đầu vào gồm: góc tiếp dao, góc nghiêng cây, khe hở dao cắt dao kê vận tốc cắt Thiết bị thí nghiệm phát triển cho phép điều khiển vô cấp giá trị thông số này, đáp ứng tốt yêu cầu liệu theo l thuyết quy hoạch 12 thực nghiệm Hệ thống thiết bị đo thu thập liệu cho phép đo tiêu đầu đồng thời gồm lực cắt mô men cắt đảm bảo độ tin cậy Một mô hình thực nghiệm phát triển nhằm xác định hệ số ma sát trượt thân ngô với vật liệu dao cắt Các nghiên cứu thực nghiệm, thực hệ thống thí nghiệm nói trình bày chương CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH BIÊN DẠNG LƢỠI CẮT 4.1 Giới thiệu 4.2 Mơ tả thí nghiệm Ba thí nghiệm thực 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 thí nghiệm sàng lọc Góc tiếp dao () 60 Giá trị mã hóa Thấp (-1) Cao (+1) Góc nghiêng () 50 Khe hở (mm) Bảng Kết thí nghiệm sàng lọc STT 10 11 12 a 60 60 60 60 60 60 b 0 50 50 0 50 50 0 50 50 d 1 1 2 2 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 60 60 60 60 60 60 b 0 50 50 0 50 50 0 50 50 d 2 2 1 1 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 yếu tố (Hình 4.1) cho thấy, góc tiếp dao có ảnh hưởng số một, thứ hai tương tác góc tiếp dao & góc nghiêng cây, thứ ba tương tác góc tiếp dao & góc nghiêng & khe hở, thứ tư tương tác góc tiếp dao & khe hở; thứ năm góc nghiêng cây, thứ sáu tương tác góc tiếp dao & khe hở, cuối khe hở Hình 4.1 Biểu đồ Pareto đánh giá ảnh hưởng yếu tố 4.4 Thí nghiệm tối ƣu hóa lực cắt cắt chậm 4.4.1 Thí nghiệm khởi đầu Bảng 4.3 Các biến thí nghiệm khởi đầu Giá trị mã hóa Thấp (-1) Cao (+1) Góc tiếp dao, a (độ) 10 Góc nghiêng cây, b (độ) 10 Bảng 4.4 Thiết kế kết thí nghiệm khởi đầu STT 10 Góc tiếp dao a (độ) 10 10 10 10 10 Góc nghiêng b (độ) 0 10 10 0 10 10 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) 10 Góc nghiêng b (độ) 10 10 Lực cắt Fc (N) 222.91 210.63 Phương trình mơ tả hàm lực cắt viết sau: Fc = 248.0 – 47.6*a – 30.2*b (4 1) Các hệ số k1 biến a k2 biến b phương trình mã hóa 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 đường mức hàm bề mặt Fc phụ thuộc biến góc tiếp dao a góc nghiêng b Hình 4.2 Biểu đồ đường mức lực cắt hướng xuống dốc Hình 4.3 Biểu đồ xuống dốc tìm vùng cực tiểu Bảng 4.5 Kết thí nghiệm xuống dốc K hiệu Góc tiếp dao (độ) Mã hóa Giá trị thực Góc nghiêng (độ) Mã hóa Giá trị thực FC (N) Khởi đầu 0 348.74 Khởi đầu 10 10 195.28  +10 0,7 +7 - Xuất phát 20 0,00 20 183.1818 Gốc +  30 0,7 27 152.5661 Gốc + 2 40 1,4 34 139.5095 Gốc + 3 50 2,1 41 113.3962 Gốc + 4 60 2,8 48 98.33087 Gốc + 5 70 3,5 55 78.24374 Gốc + 6 80 4,2 62 106.3657 15 4.4.3 Thí nghiệm tối ƣu TT 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 (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 (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 kết thí nghiệm tối ưu CCD TT 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 (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 (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 hàm Fc mơ tả 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 phân tích hồi quy bề mặt Fc Hàm bề mặt lực cắt phụ thuộc hai biến góc tiếp dao (a) góc nghiêng (b) sau: FC  210,1  3,132 a  0,409b  0,03293b  0,05574 ab (4 2) Hình 4.5 đồ thị đường mức hàm lực cắt Lực cắt nhỏ mức 70N góc tiếp dao a khoảng 70°÷80°, kết hợp với góc nghiêng b khoảng 35°÷40° Một thơng số khác cho kết lực cắt nhỏ khoảng 70N÷80N góc tiếp dao a nằm khoảng 35°÷40° góc nghiêng b khoảng 60° So với máy băm thương mại sử dụng dao thẳng, góc tiếp dao góc nghiêng 0°, giá trị lực cắt tối ưu tìm thấp khoảng lần (a) (b) Hình 4.5 Đồ thị bề mặt (a) đường mức (b) lực cắt F C 17 4.5 Thí nghiệm tối ƣu hóa đa mục tiêu 4.5.1 Mơ tả hàm mục tiêu 4.5.2 Thí nghiệm tối ƣu hóa Bảng 4.7 Cấp độ giá trị thực biến thí nghiệm Vận tốc cắt, V Góc tiếp dao a Mức (Mã hóa) (m/s) (độ) Thấp (-1) 4.40 Trung bình (0) 5.66 30 Cao (+1) 6.91 60 Góc nghiêng b (độ) 25 50 Bảng 4.8 Thí nghiệm CCD kết tương ứng tt V a b F P tt V F P 4.4 0 706.07 82.37 11 5.66 a 25 b 485.1 72.77 6.91 0 548.56 100.57 12 5.66 60 25 327.59 49.14 4.4 60 282.26 32.93 13 5.66 30 359.39 53.91 6.91 60 325.32 59.64 14 5.66 30 50 312.86 46.93 4.4 50 392.18 45.75 15 5.66 30 25 367.25 55.09 6.91 50 344.59 63.17 16 5.66 30 25 364.98 54.75 4.4 60 50 312.86 36.50 17 5.66 30 25 293.59 44.04 6.91 60 50 425.04 77.92 18 5.66 30 25 243.74 36.56 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 phân tích phương sai hàm lực cắt F cơng suất cắt P mơ tả Hình 4.6 Hình 4.7 Trên Hình 4.6, giá trị p nhỏ ứng với góc tiếp dao a (p = 0,000) góc nghiêng b (p = 0,002) cho thấy ảnh hưởng yếu tố đến lực cắt có thống kê nghĩa 18 Hình 4.6 Phân tích phương sai hàm lực cắt Hình 4.7 Phân tích phương sai hàm cơng suất cắt (a) (b) Hình 4.8 Cực đại lực cắt mức tiêu thụ lượng hàm vận tốc cắt: a)khi α=0 β=0; b) α=30 β=35 Với công suất cắt tốc độ cắt V góc tiếp dao yếu tố có ảnh hưởng đáng kể (Hình 4.7) Các giá trị R2 mơ hình hồi quy lực cắt lượng tiêu hao 90,61% 88,86% chứng tỏ mơ hình sát với liệu thí nghiệm Phương trình hàm lực cắt cơng suất cắt thu từ mơ hình hồi quy sau: F  411  151V - 19.72 a - 12.49b - 19.2V  0.1263 a  0.0695 b  1.196 Va   0.713Vb  0.1080 ab  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 thông số tối ƣu (4 3) 19 Tiến hành thiết lập mục tiêu cho hai hàm lực cắt công suất cắt “tối thiểu” thu lời giải Hình 4.9 Hình 4.10 Giải pháp tối ưu đạt 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 4,4 m/s, góc tiếp dao 41.8 góc nghiêng 30.3 So với trường hợp điển hình thực tế, máy băm thương mại thường sử dụng dao thẳng với góc tiếp dao góc nghiêng đặt 0, thông số tối ưu tìm thấy để giảm đáng kể lực cắt mức tiêu thụ điện Giải pháp tối ưu cung cấp lực cắt 233,8 N (khoảng 2,5 lần so với 546,56 N) mức tiêu thụ điện 23,66 W, nhỏ khoảng lần so với 100,57W Hình 4.9 Mục tiêu, ràng buộc kết tốn tối ưu đa mục tiêu Hình 4.10 Đồ thị 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 mơ hình cắt kéo 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 góc tiếp dao với bán kính R 1=100 mm L(mm) α (độ) 150 41, 175 34, 200 30, 225 26, 250 23, 58 275 21, 300 19, 47 325 17, 350 16, 375 15, 400 14, 4.6.2 Dao cung trịn Hình 4.11 Sơ đồ tính góc tiếp dao dao cung trịn Hình 4.12 Biến động góc tiếp dao dao thẳng α1 dao cung tròn α2 Bảng 10 thống kê kết tính góc tiếp dao dao thẳng dao cung tròn số vị trí khác khoảng cách L Bảng 4.10 Thống kê giá trị góc tiếp dao điểm cắt khác L (mm) α dao thẳng (độ) α dao cung tròn (độ) 15 41, 26, 17 34, 26, 20 30, 27, 22 26, 28, 25 23, 30, 27 21, 32, 30 19, 34, 32 17, 36, 35 16, 39, 37 15, 42, 40 14, 46, 4.6.3 Dao logarit Đường xoắn ốc logarit ln có tiếp tuyến hợp với vectơ bán kính tương ứng góc khơng đổi α (Hình 4.13) Hình 4.14 mơ tả có góc α số điểm dọc theo lưỡi cắt α=30 21 Hình 4.13 Đường xoắn ốc logarit Hình 4.14 Góc tiếp tuyến khơng đổi đường xoắn logarit 4.7 Tự động thiết kế lƣỡi cắt đồng dạng 4.8 Thiết kế, chế tạo 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 điểm có vị trí khác dọc theo lưỡi cắt 4.9 Kết luận chƣơng Chương trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định thông số hợp lý q trình cắt thân ngơ sau thu hoạch Một số kết luận quan trọng tóm tắt sau: Kết thí nghiệm sàng lọc cho thấy, khe hở dao băm dao kê không ảnh hưởng đáng kể đến lực cắt so với góc tiếp dao góc nghiêng Kết thí nghiệm tối ưu hóa đơn mục tiêu tìm thơng số, góc tiếp dao từ 70° đến 80°, góc nghiêng từ 35° đến 40° Theo đó, lực cắt giảm lần so với máy băm thương mại Kết thí nghiệm tối ưu hóa đa mục tiêu tìm thấy thơng số tối ưu gồm vận tốc cắt 4,4 m/s, góc tiếp dao 41.8 góc nghiêng 30.3 Theo đó, lực cắt giảm lần, công suất tiêu thụ giảm khoảng lần so với máy băm thương mại Qua phân tích, so sánh đánh giá, đề xuất, thiết kế chế tạo thành cơng dao băm có biên dạng logarit, cho phép trì góc tiếp dao khơng đổi dọc theo lưỡi cắt Đã xây dựng 01 mô đun phần mềm AutoLisp, tự động vẽ biên dạng lưỡi cắt Logarit môi trường AutoCAD, cho phép thực hồn tồn tự động q trình 23 tính tốn tọa độ điểm biên dạng dao, kết xuất file liệu phục vụ gia công máy CNC KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Kết luận chung So với nghiên cứu lĩnh vực trước đây, luận án đạt kết có giá trị khoa học giá trị thực ti n sau: Đã thiết kế thành cơng hệ thống thí nghiệm, hệ thống đo thu thập liệu trực tiếp máy băm thương mại cỡ nhỏ, có dao kê Hệ thống thí nghiệm sát với điều kiện cắt thực tế tốc độ cắt bố trí dao kê so với hai mơ hình phổ biến nhiều cơng bố khác cắt bán tĩnh cắt va đập Đã phát khoảng trống kiến thức nghiên cứu cắt ngơ chưa có nghiên cứu lực/ cơng suất cắt dạng cắt có dao kê vận tốc trung bình (nằm khoảng đến 10 m/s) Do vậy, triển khai thí nghiệm nhằm thu thập phân tích liệu cho cắt có dao kê phạm vi vận tốc từ đến m/s Kết phản biện quốc tế cơng nhận, cho cơng bố tạp chí khoa học có thứ hạng cao Phát hai hàm mục tiêu có mâu thuẫn lợi ích lực cơng suất cắt Qua đó, giải tốn tối ưu đa mục tiêu nhằm giảm thiểu đồng thời lực công suất cắt cho nhát cắt thân ngô đơn Bộ thơng số đầu vào tối ưu tìm là: vận tốc cắt 4,4 m/s, góc tiếp dao 41.8 góc nghiêng 30.3 Bộ thơng số cho phép thu lực cắt đạt khoảng 238 N, công suất tiêu thụ khoảng 24 23.7 W – nhỏ 2,5 lần lực cắt giảm khoảng lần công suất so với cắt thông thường có góc tiếp dao 0 Đã đề xuất, thiết kế chế tạo thành công biên dạng dao băm Logarit So với loại dao phẳng có lưỡi cắt thẳng cong, lưỡi cắt có biên dạng Logarit ln đảm bảo góc tiếp dao khơng thay đổi vị trí cắt suốt chiều dài lưỡi cắt Từ đó, giúp nâng cao hiệu suất q trình băm cắt Hƣớng nghiên cứu Một số đề xuất cho nghiên cứu sau: Hoàn thiện lời giải toán tối ưu nhằm đáp ứng đồng thời nhiều tiêu: lực cắt, công suất tiêu thụ, suất cắt, chất lượng phụ phẩm sau băm cắt… Có xét đến ảnh hưởng nhiều yếu tố: thơng số hình học lưỡi cắt, góc tương quan dao nguyên liệu, tốc độ cắt, tính chất học - loại ngun liệu…; Phát triển mơ hình phân tích động lực học cho máy băm sử dụng dao có lưỡi cắt biên dạng Logarit 25 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Vu Van Dam, Ngo Quoc Huy, Nguyen Thanh Toan, Nguyen Huu Cong, Nguyen Quoc Tuan, Nguyen Van Du (2020) “Multiobjective optimization of cutting force and cutting power in chopping agricultural residues”, Biosystems Engineering (ISI Q1, H=95) Vu Van Dam, Nguyen Huu Cong, Nguyen Quoc Tuan, Ngo Quoc Huy, Nguyen Thanh Toan (2019), “Parameter optimization of cutting force in corn stlk chopping” International Journal of Mechenical and Production Engineering Research and Development, Vol 9, Issue 3, pp.656-663 (SCOPUS) Ngô Quốc Huy, Nguy n Thanh Toàn Vũ Văn Đam (2019), “Thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm thực nghiệm cắt băm phụ phẩm nơng nghiệp”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 200(07), tr 163-168 Vũ Văn Đam, Đỗ Thị Tám, Phạm Văn Lang (2017) “Sản xuất lương thực (ngô, lúa), thực trạng giới hố đóng góp ngành điện tỉnh trung du miền núi Bắc Bộ” Tạp chí khí Việt Nam, số năm 2017 ... ? ?Nghiên cứu xác định số thông số hợp lý q trình cắt thân ngơ sau thu hoạch? ?? có tính cấp thiết có nghĩa thực ti n Mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: - Mục tiêu chung: xác. .. vào, thu đầy đủ thông số q trình băm thân ngơ sau thu hoạch, đáp ứng yêu cầu toán nghiên cứu thực nghiệm; + Xác định thơng số có ảnh hưởng mạnh đến lực công suất cắt băm thân ngô sau thu hoạch; ... dọc theo lưỡi cắt 4.9 Kết luận chƣơng Chương trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định thơng số hợp lý q trình cắt thân ngô sau thu hoạch Một số kết luận quan trọng tóm tắt sau: Kết thí