BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ
SAU THU HOẠCH
TẠ HANH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CƠ BẢN
CỦA BỘ PHẬN BÓC LÁ MÍA TRONG LIÊN HỢP
MÁY THU HOẠCH MÍA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí
Mã số: 62.52.01.03 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
1. TS. ĐỖ HỮU KHI
2. PGS.TS. LƢƠNG VĂN VƢỢT

ii
LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy
hƣớng dẫn: TS. Đỗ Hữu Khi - Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu
hoạch, PGS.TS. Lƣơng Văn Vƣợt - Trƣờng Đại học Nông nghiệp Hà Nội, đã
tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn và giúp đỡ để tôi hoàn thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Viện Cơ điện nông nghiệp và Công
nghệ sau thu hoạch, tập thể cán bộ Trung tâm Máy Nông nghiệp và Thủy khí, bộ
môn Nghiên cứu cơ giới hoá chăn nuôi, bộ môn Điện - Tự động hóa, phòng
Khoa học – Đào tạo và Hợp tác quốc tế thuộc viện Cơ điện nông nghiệp và Công
nghệ sau thu hoạch, Hội cơ khí nông nghiệp Việt Nam; cảm ơn ban Giám hiệu
trƣờng Cao đẳng nghề Cơ khí Nông nghiệp và các đơn vị, cá nhân trong Nhà
trƣờng đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Đậu Thế Nhu. Bằng tấm lòng
của mình, thầy đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp trong
và ngoài cơ quan và đặc biệt các thành viên trong Gia đình đã giúp đỡ, ủng hộ
và động viên để tôi hoàn thành bản luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận án

iii
MỤC LỤC


1.10 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 28
1.10.1 Mục đích nghiên cứu 28
1.10.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 28
Chƣơng 2 ĐỐI TƢỢNG, PHƢƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 29
2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 29
2.1.1 Xác định lực phân bố tác dụng lên răng bóc bằng phƣơng
pháp thực nghiệm 30
2.1.2 Xác định độ cứng của răng bóc bằng cáp thép khi uốn EI và khối
lƣợng đơn vị chiều dài μ 32
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 33
2.2.1 Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết 33
2.2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm 35
2.3 Phƣơng pháp xác định một số thông số của cây mía 43
2.3.1 Một số đặc điểm sinh hóa của cây mía 43
2.3.2 Một số đặc điểm cơ lý của cây mía 47
2.4 Cơ sở vật chất thí nghiệm, thiết bị và dụng cụ đo đạc 49
2.5 Phƣơng pháp xác định các số liệu thí nghiệm 51
2.5.1 Hiệu chuẩn dụng cụ đo 51
2.5.2 Tiến hành thí nghiệm 51
Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THỐNG SỐ
CỦA BỘ PHẬN BÓC LÁ MÍA TRONG LIÊN HỢP MÁY THU
HOẠCH MÍA 54
3.1 Đặc điểm lá mía khi thu hoạch 55
3.2 Quá trình kẹp cây và rút cây của bộ phận bóc 56
3.3 Quá trình tách, róc lá mía bằng răng bóc tại lô bóc 58

v
3.4 Khảo sát động học quá trình tách, róc lá ra khỏi cây bằng răng bóc 62
3.4.1 Xác định quỹ đạo chuyển động của răng bóc 63
3.4.2 Chiều dài quyét của răng bóc lá 65

KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 93
Chƣơng 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 94
4.1 Đặc điểm cơ lý của cây mía và cánh bóc 94
4.1.1 Kết quả đo kích thƣớc, khối lƣợng của cây mía 94
4.1.2 Kết quả đo hệ số ma sát của cây mía với các loại vật liệu 95

vi
4.1.3 Kết quả đo độ cứng của răng bóc khi uốn EI, khối lƣợng đơn vị
chiều dài μ của răng bóc 96
4.2 Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số tới khả năng làm
việc của bộ phận bóc lá mía 97
4.2.1 Ảnh hƣởng của số vòng quay lô bóc (n
b
) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn
thƣơng ψ và chi phí năng lƣơng riêng Ne 102
4.2.2 Ảnh hƣởng của số vòng quay lô rút (n
r
) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn
thƣơng cây (ψ) và chi phí năng lƣợng riêng Ne 104
4.2.3 Ảnh hƣởng của chiều dài răng bóc (l
c
) tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn
thƣơng cây (ψ) và chi phí năng lƣợng riêng Ne. 107
4.2.4 Ảnh hƣởng của lƣợng cung (q) cấp tới tỷ lệ sót (η), tỷ lệ tổn
thƣơng cây (ψ) và chi phí năng lƣợng riêng Ne. 109
4.3 Kết quả nghiên cứu xác định các thông số tối ƣu của bộ phận bóc
lá mía bằng phƣơng pháp quy hoạch hóa thực nghiệm (QHHTN)
đa yếu tố 111
4.3.1 Các yếu tố đƣợc lựa chọn trong nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố 111
4.3.2 Kết quả thu thập số liệu thí nghiệm, xử lý đồng nhất phƣơng sai 112

Thí nghiệm
CCS
(Commercial Cane Sugar) là số đơn vị khối lƣợng đƣờng
saccaroza theo lý thuyết có thể sản xuất từ 100 đơn vị
khối lƣợng mía
QHHTN
Quy hoạch hóa thực nghiệm
PTHQDT

Phƣơng trình hồi quy dạng thực
NLR
Năng lƣợng riêng viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Ký hiệu
Đơn vị
Giải thích
G
c
kg
Khối lƣợng lá chƣa bóc
G
1

kg
Khối lƣợng lá còn trên cây sau khi đi qua bộ
phận bóc
G

2

m
Đƣờng kính lo xo
d
c
m
Đƣờng kính răng
f
t
Hệ số ma sát tĩnh
υ
ms
rad
Góc ma sát
f
dHệ số ma sát động
L
t
mm
Là đoạn đƣờng trƣợt của mẫu thử
s
mm
Khoảng dịch chuyển cây mía lệch khỏi vị trí ban đầu

Đƣờng kính cáp thép
m

Số lần lặp lại ở điểm thứ i
y
ijGiá trị thông số ra ở điểm thứ i, lần lặp thứ j
i
y Giá trị trung bình thông số ra ở điểm thứ i
m

Số lần thí nghiệm
2
i
SPhƣơng sai thí nghiệm thứ i
2
tn
SPhƣơng sai trong các thí nghiệm
F


Khoảng biến thiên của thông số
X
itGiá trị thực mức trên
X
idGiá trị thực mức dƣới
S
2
aPhƣơng sai tuyển chọn
i
y
ˆGiá trị tính toán theo mô hình tại điểm i

x
Ký hiệu
Đơn vị
Giải thích
*

~Các thông số vào theo hệ tọa độ mới
B
iiHệ số phƣơng trình chính tắc
Y
~Giá trị tối ƣu
Y
1

%
Tỷ lệ bóc sót
Y
2
%
Tỷ lệ tổn thƣơng
G
M

kg
Khối lƣợng cây mía gồm cả lá và thân trƣớc
thí nghiệm
G

k

m/s
Vận tốc đầu cánh kẹp tại lô kẹp

xi
Ký hiệu
Đơn vị
Giải thích
V
R

m/s
Vận tốc đầu cánh rút tại lô rút
V
m/s
Vận tốc tiến của cây mía
R
0

mm
Bán kính trong lô bóc (đƣợc tính từ chân răng
bóc đến tâm lô)
R
1

mm
Bán kính ngoài lô bóc (đƣợc tính từ đỉnh răng
bóc đến tâm lô)
Δ

R
1r

mm
Bán kính ngoài lô rút (đƣợc tính từ mép trong
bán nguyệt cánh rút đến tâm lô)
n
r

v/p
Số vòng quay lô rút
h
mm
Khoảng cách từ cây mía đến tâm lô bóc
l
mm
Khoảng cách giữa hai đỉnh nút xicloit giữa
hai dãy cánh bóc liên tiếp

xii
Ký hiệu
Đơn vị
Giải thích
ξ

Hệ số quét lặp trung bình
ZSố dãy răng bóc (cánh bóc)

3
Mật độ khối
dJ
mm
4
Mô men quán tính khối của phân tố với trục Y
μ
kg/m
Khối lƣợng đơn vị chiều dài
dx
mm
Chiều dài phân tố
l
c
mm
Chiều dài răng bóc
r(x)
mm
Khoảng cách từ tâm lô bóc đến phân tố đƣợc xét
p.dx
N
Hợp lực phân bố
F
x
N
Lực quán tính theo chiều X

xiii
DANH MỤC BẢNG

xiv
DANH MỤC HÌNH

STT
Tên hình
Trang
1.1 Nguyên lý của bộ phận bóc lá mía khi cây ở tƣ thế đứng 9
1.2 Nguyên lý của bộ phận bóc lá mía khi cây ở trên đồng 10
1.3 Sơ đồ cơ cấu bóc lá mía ở tƣ thế nằm, ngang cây trong LHTH KCT-1 11
1.4 Sơ đồ nguyên lý bộ phận bóc lá mía cấp cây - ngọn vào trƣớc 12
1.5 Sơ đồ cơ cấu bóc lá mía theo nguyên lý cấp cây – gốc vào trƣớc 13
1.6 Sơ đồ hệ thống lô cào bóc lá trên LHTH mía 14
1.7 Liên hợp máy thu hoạch mía nguyên cây của Úc áp dụng bộ phận
bóc sử dụng nguyên lý quạt thổi 15
1.8 Máy bóc lá mía trên hàng 16
1.9 Sơ đồ bộ phận làm sạch cây mía trên LHTH để nguyên cây 16
1.10 Sơ đồ bộ phận làm sạch cây mía trên LHTH cắt khúc 17
1.11 Cánh bóc bằng thép tấm xẻ thuỳ lắp trên LHMTHM của Úc 19
1.12 Thử nghiệm mầu cánh bóc bằng thép tấm xẻ thuỳ 19
1.13 Răng bóc làm bằng thép lò xo 21
1.14 Sơ đồ kết cấu bộ phận bóc lá mía ở tƣ thế, nằm ngang 22
1.15 Bộ phận bóc theo nguyên lý bóc lá mía tƣ thế cây nằm, chuyển
dọc, gốc vào trƣớc với loại cánh bóc là cáp thép 27
2.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm xác định lực p 30
2.2 Sơ đồ thí nghiệm thử độ cứng răng cáp thép 32
2.3 Các bƣớc xây dựng mô hình toán 33
2.4 Mô hình bài toán của bộ phận bóc lá mía 38
2.5 Cấu tạo bẹ và thân cây mía 44

3.17 Đƣờng cong biến dạng của răng bóc ở các thời điểm khác nhau 81
3.18 Ảnh hƣởng của EI tới w trong quá trình tách, róc lá mía 82
3.19 Ảnh hƣởng của EI tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc 83
3.20 Ảnh hƣởng của l
c
tới w trong quá trình tách, róc lá mía 85
3.21 Ảnh hƣởng của l
c
tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc 85
3.22 Ảnh hƣởng của R
0
tới w trong quá trình tách, róc 86
3.23 Ảnh hƣởng của R
0
tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc 86

xvi
3.24 Ảnh hƣởng của μ tới w trong quá trình tách, róc lá mía 88
3.25 Ảnh hƣởng của μ tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc lá mía 88
3.26 Ảnh hƣởng của p tới w trong quá trình tách, róc lá mía 89
3.27 Ảnh hƣởng của p tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc lá mía 90
3.28 Ảnh hƣởng của nb tới w trong quá trình tách, róc lá mía 91
3.29 Ảnh hƣởng của nb tới w ở thời điểm cuối quá trình tách, róc lá mía 91
3.30 Biên dạng răng bóc tại các thời điểm khác nhau 92
4.1 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm bộ phận bóc lá mía 99
4.2 Sơ đồ mô hình khảo nghiệm bộ phận bóc lá mía 100
4.3 Giàn khảo nghiệm bộ phận bóc lá mía 100
4.4 Ảnh hƣởng của số vòng quay lô bóc n
b
tới tỷ lệ sót η 102

1
, x
2
tới N
e
125

xvii
4.18 Ảnh hƣởng x
1
, x
2
tới tỷ lệ η 125
4.19 Ảnh hƣởng x
1
, x
2
tới tỷ lệ ψ 125
4.20 Mặt cắt các hàm quy hoạch theo x
1
, x
3
126
4.21 Ảnh hƣởng x
1
, x
3
đến Ne 126
4.22 Ảnh hƣởng x
1

, x
3
127
4.29 Ảnh hƣởng x
2
, x
3
đến Ne 127
4.30 Ảnh hƣởng x
2
, x
3
đến tỷ lệ η 127
4.31 Ảnh hƣởng x
2
, x
3
đến tỷ lệ ψ 127
4.32 Mặt cắt các hàm quy hoạch theo x
2
, x
4
128
4.33 Ảnh hƣởng x
2
, x
4
đến Ne 128
4.34 Ảnh hƣởng x
2

2012÷2013 diện tích mía cả nƣớc khoảng 300.000 ha (tăng so với vụ trƣớc
16.778 ha), sản xuất 16 triệu tấn mía (tăng 300 nghìn tấn so với vụ trƣớc). Để
đạt đƣợc mục tiêu này, ngành mía đƣờng cần phải giải quyết nhiều vấn đề:
tăng cƣờng biện pháp kỹ thuật thâm canh, sử dụng giống mới để tăng năng
suất mía, cơ giới hóa đồng bộ trong tất cả các khâu sản xuất, đồng thời cần
giảm tối đa tổn thất sau thu hoạch.
Thời gian thu hoạch chính của mía kéo dài từ 4 ÷ 6 tháng liên tục trong
một năm trùng với một hoặc hai vụ thu hoạch lúa. Mặc dù dân số ở khu vực
nông nghiệp lớn, nhƣng lại là những vùng trọng điểm, lực lƣợng lao động

2
thƣờng khan hiếm vào lúc thu hoạch rộ, giá công lao động khá cao, tăng dần
qua hàng năm. Đồng thời, các khâu thu hoạch nhƣ chặt gốc, róc lá, chặt ngọn,
bó cây, gom đống, chất lên xe vận chuyển … đƣợc thực hiện bằng lao động
thủ công. Công cụ chủ yếu là dao, cuốc bàn nhỏ. Do đó năng suất lao động
thấp, cƣờng độ lao động lớn, thất thoát mía còn nhiều. Trƣớc tình hình này,
việc cơ giới hóa trong khâu thu hoạch là cần thiết.
Yêu cầu quan trọng đặt ra cho khâu thu hoạch bằng cơ giới hóa là phải
giảm thiểu tối đa hao hụt. Theo Carlos Leon (Philsurin 3/2010): “Cứ 1% tạp chất
sẽ giảm đi 0,1 ÷ 2% tổng thu hồi trong chế biến có nghĩa là cứ tăng 1% tạp chất
sẽ mất đi từ 2 ÷ 4 kg đƣờng/tấn mía ép”, Việc bóc lá, loại bỏ tạp chất trƣớc chế
biến không những giảm hao hụt lƣợng đƣờng mà còn giảm chi phí cho công
đoạn tách bỏ tạp chất trong chế biến. Để loại bỏ tạp chất lá mía trong quá trình
thu hoạch có nhiều phƣơng pháp thu hoạch mía bằng máy liên hợp không có bộ
phận bóc lá mía trƣớc khi thu hoạch đƣợc đốt để loại bỏ phần lá, ngoài việc ảnh
hƣởng môi trƣơng, tiêu diệt các loại thiên địch có lợi thì phƣơng pháp này còn
làm đất chai cứng, mất cấu tƣợng. Thu hoạch bằng máy có bóc lá mía không
những giảm chi phí nhân công, mà còn trả lại cho đất một lƣợng lá mía lớn, giúp
cải tạo đất. Tuy nhiên, phƣơng pháp này đòi hỏi chi phí ban đầu lớn và LHM
phải có bộ phận bóc lá mía hoạt động hiệu quả. Đây là phƣơng pháp nƣớc ta tất

trong khi đó tiêu thụ nhiều đƣờng nhất thế giới là ngƣời Cuba: 61
kg/ngƣời/năm, kế đến là Úc: 61 kg/ngƣời/năm và Brazil: 56 kg/ngƣời/năm,
thể hiện bảng 2 (phụ lục 1). Dự báo ngành đƣờng Trung Quốc và Ấn Độ sẽ
tiếp tục phát triển để đáp ứng nhu cầu trong nƣớc. Brazil, Thái Lan, Úc, Nam
Phi sẽ mở rộng xuất khẩu, trong khi Cuba và Mexico sẽ giảm lƣợng xuất
khẩu. Các nƣớc nhập khẩu chủ yếu là Mỹ, Indonesia, Hàn Quốc, Canada,
Trung Quốc, Nhật Bản.
Ở nƣớc ta, cây mía đƣợc du nhập vào trồng từ rất lâu (có tài liệu nói từ
trƣớc năm 206 trƣớc Công Nguyên) [4], [13]. Cùng với cây mía, công nghiệp

4
đƣờng ở nƣớc ta đã có từ thời Pháp thuộc với hai nhà máy đƣờng: Tuy Hoà
(Trung Bộ) và Hiệp Hoà (Nam Bộ) [4].
Hiện nay, tại nƣớc ta, mía là nguồn nguyên liệu cho nhiều ngành công
nghiệp khác nhau nhƣ giấy, ván ép, điện từ bã mía; chăn nuôi bò từ lá, ngọn
mía; rỉ đƣờng đƣợc dùng làm nguyên liệu trong công nghiệp để sản xuất
nhiên liệu sinh học, rƣợu, dung môi aceton, butanol, nấm men, axit citric,
lactic, aconitic và glycerin, thức ăn cho gia súc, phân bón…[4], [24], [38].
Theo thống kê của Tổ chức Nông Lƣơng Liên Hiệp Quốc (FAO, 2011),
sau gần 20 năm (1990÷2009) năng suất mía bình quân của Việt Nam đã tăng
lên 17,3 tấn/ha, bình quân tăng khoảng 0,91 tấn/ha/năm (bảng 3 phụ lục). Tuy
nhiên năng suất mía bình quân của Việt Nam vẫn còn rất thấp so với thế giới
(70,9 tấn/ha năm 2009) [18].
Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và PTNT, niên vụ 2011÷2012, diện
tích mía cả nƣớc đạt 283.222 ha, tăng hơn 11.822 ha so với vụ trƣớc. Trong đó,
diện tích mía của 25 tỉnh có nhà máy đƣờng là 270.961 ha, diện tích các nhà máy
có ký hợp đồng đầu tƣ và bao tiêu là 234.243 ha, cao hơn vụ trƣớc 15.577 ha.
Năng suất mía bình quân cả nƣớc đạt 61,7 tấn/ha tăng so với vụ trƣớc 1,2 tấn/ha,
sản lƣợng mía cả nƣớc đƣợc 17,5 triệu tấn tăng so với vụ trƣớc 1,1 triệu tấn. Tổng
lƣợng đƣờng sản xuất cả niên vụ đƣợc 1.306.240 tấn (trong đó đƣờng luyện là

dỡ đến sân nhà máy. Riêng các công đoạn thu hoạch mía trên đồng là nặng
nhọc và tốn nhiều lao động.
Vùng trồng mía chủ yếu là vùng có khí hậu nhiệt đới, mùa vụ thu hoạch
thƣờng vào mùa khô. Do vậy, tại thời điểm thu hoạch, điều kiện khí hậu, môi
trƣờng không thuận lợi cho lao động thủ công., Ngoài ra, cây mía thƣờng cao
trên 2.5 mét, nhiều lá khô, bụi bẩn và côn trùng tụ bám trên thân, lá mía cũng
là yếu tố trở ngại trong thu hoạch.

6
Thời gian thu hoạch thƣờng kéo dài trong 4 6 tháng/vụ, vì vậy tốn
nhiều công lao động hơn so với thu hoạch các cây lƣơng thực khác nhƣ lúa,
ngô… Mùa vụ lại trùng với thời vụ thu hoạch lúa và một số cây trồng khác,
thƣờng xảy ra tình trạng thiếu lao động, nên chi phí lao động cho khâu thu
hoạch mía ngày càng cao.
Nhiều nhà máy ở nƣớc ta phải vận chuyển mía nguyên liệu với khoảng
cách xa từ 50 ÷100 km [1], [6], [18], [24]. Thời gian từ lúc thu hoạch xong
đến thời điểm chế biến dài làm sụt giảm nghiêm trọng hàm lƣợng đƣờng trong
mía, trong khi khoảng thời gian tối ƣu là trong vòng 24 giờ, thể hiện tại biểu
đồ 6 phần phụ lục 1.
Theo [2], [5], [24], trên thế giới, mẫu máy thu hoạch mía đã đƣợc
nghiên cứu và ứng từ những năm cuối 50 đầu 60 thế kỷ XX đến nay và đáp
ứng phần lớn khâu thu hoạch. Tại Việt Nam, các mẫu máy đã đƣợc nhập khẩu
nhằm bƣớc đầu đáp ứng nhu cầu cơ giới hoá thu hoạch mía. Tuy vậy, các mẫu
máy này không phù hợp với tập quán cánh tác, điều kiện tài chính Bên cạnh
đó, những nghiên cứu, cải tiến mẫu máy thu hoạch ở trong nƣớc mới dừng lại
ở việc thử nghiệm, chƣa áp dụng vào điều kiện thực tế.
Từ những phân tích trên, thấy rằng nhu cầu cơ giới hóa khâu thu hoạch
mía là rất lớn, việc nghiên cứu cải tiến máy thu hoạch mía là điều cấp thiết.
1.2.2. Yêu cầu cơ giới hóa khâu thu hoạch mía
Để thỏa mãn nhu cầu cơ giới hóa khâu thu hoạch cần đạt đƣợc các yêu cầu:

* Từ hai công nghệ trên và căn cứ theo [1], [18], [24], [40] cho ta thấy:
với điều kiện hiện nay gồm công suất chế biến của các nhà máy đƣờng, điều
kiện canh tác, hệ thống vận chuyển, đƣờng giao thông chƣa thể đáp ứng đƣợc
thời gian lƣu trữ mía nhỏ hơn 24 h. Do vậy, để đạt đƣợc yêu cầu này chúng ta
cần có những tìm hiểu, phân tích LHMTHM để nguyên cây.