Kết quả nghiên cứu thiết kế chế tạo và khảo nghiệm Thiết bị vận chuyển buồng chuối trên đường ray treo

TÓM TẮT

Buồng chuối sau khi thu hoạch phải được vận chuyển về nhà xưởng sơ chế nhanh nhất có thể. Trong quá trình vận chuyển yêu cầu không được làm xây xát vỏ quả chuối. Do đó phương pháp vận chuyển buồng chuối trên đường ray treo là quả hiệu quả và tiết kiệm nhất trong các phương pháp vận chuyển. Tại Việt Nam, đã có một số doanh nghiệp ứng dụng hệ thống đường ray cố định và các móc treo di động để vận chuyển chuối từ ruộng, vườn về nhà máy sơ chế sau khi thu hoạch. Tuy nhiên hiện vẫn chưa có một cơ sở tính toán cụ thể cho các trường hợp vận chuyển khác nhau, đặc biệt là trên địa hình đồi dốc. Trong bài báo này đã xây dựng cơ sở lựa chọn và tính toán nguồn động lực cần thiết của cabin đầu kéo chủ động để vận chuyển buồng chuối ở các góc dốc khác nhau. Đồng thời đã tính toán kiểm tra độ bền của hệ thống đường ray và cho thấy hệ số an toán bé nhất là 1,57 độ võng lớn nhất 17 mm. Trên cơ sở đó đã thiết kế, chế tạo và lắp đặt 01 hệ thống vận chuyển tại Gia lai. Hệ thống làm việc ổn định, với năng suất vận chuyển đạt 10 tấn/h trên đoạn đường bằng và đạt 6 tấn/h với đoạn đường dốc.

Từ khóa: Vận chuyển buồng chuối; cabin đầu kéo; Ray treo; buồng chuối.

RESULTS OF DESIGN, MANUFACTURING AND TESTING OF BANANA BUSH TRANSPORTATION EQUIPMENT ON SUSPENSION RAIL                       

ABSTRACT

After harvest, banana bunches must be transported to the processing factory as quickly as possible. During the transportation process, it is required not to damage the banana peel. Therefore, the method of transporting banana bunches on suspended rails is the most effective and economical method of transportation. In Vietnam, some enterprises have applied fixed rail systems and mobile hangers to transport bananas from fields and gardens to the processing factory after harvest. However, there is still no specific calculation basis for different transportation cases, especially on steep terrain. In this paper, the basis for selecting and calculating the necessary power source of the active tractor cabin to transport banana bunches at different slope angles has been established. At the same time, the durability of the rail system has been calculated and tested and shown that the smallest safety factor is 1.57 with the largest deflection of 17 mm. On that basis, a transportation system has been designed, manufactured and installed in Gia Lai. The system works stably, with a transport capacity of 10 tons/h on flat roads and 6 tons/h on steep roads.

Keywords: Banana bunch transport; tractor cabin; Hanging rail; banana bunch.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong các giống chuối được trồng phổ biến hiện nay tại Việt Nam, chuối Tiêu và chuối Tây được trồng ở nhiều vùng đất khác nhau phục vụ tiêu thụ nội địa và xuất khẩu. Chuối Tiêu có chiều cao trung bình 2,05¸2,26m, khối lượng buồng từ 18,42¸22,77kg/buồng [1]. Với giống chuối Tây, chiều cao trung bình 3¸4m, khối lượng buồng từ 19,9¸23,3kg/buồng [2].

Buồng chuối có khối lượng lớn nên việc vận chuyển từ nơi thu hoạch đến nhà xưởng sơ chế là các hoạt động có cường độ lao động cao và chi phí sản xuất lớn nhất trong các khâu sản xuất. Yêu cầu trong quá trình thu hoạch, vận chuyển chuối không được xây xát cơ học do va chạm. Cuống buồng/nải không bị dập gãy, vỏ quả chuối phải còn xanh tươi và hai đầu cuống phải phẳng, nhẵn. Do đó cần lựa chọn phương pháp vận chuyển chuối phù hợp để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và có chi phí hợp lý.

Phương pháp vận chuyển trên đường ray treo đã được sử dụng ở một số quốc gia kể từ năm 1971 [3]. Vận chuyển trên đường ray treo là một phương pháp vận chuyển bán cơ giới tương đối tiên tiến. Theo Soto [4,5], phương pháp này là cách vận chuyển quả hiệu quả và tiết kiệm nhất trong các đồn điền chuối đã tập trung.  Phương pháp vận chuyển này có thể tránh được các hư hỏng cơ học như va đập, dập nát và trầy xước vỏ quả chuối trong quá trình vận chuyển.

Tại Việt Nam, một số doanh nghiệp, HTX đã đầu tư ứng dụng hệ thống đường ray cố định và các móc treo di động để vận chuyển chuối từ ruộng, vườn về nhà máy sơ chế sau khi thu hoạch. Tùy theo điều kiện địa hình và mức đầu tư mà lựa chọn phương án sử dụng nguồn động lực để kéo dàn móc treo trên ray cho phù hợp. Sử dụng nguồn động lực là ca bin đầu kéo treo trên đường ray (hình 1) [6] hoặc Sử dụng nguồn động lực kéo dưới đất (sử dụng người, gia súc kéo; sử dụng máy kéo, sử dụng xe máy…) (hình 2).

Hình 1. Vận chuyển chuối bằng đường ray treo tại công ty Huy Long An [6]

Phương pháp sử dụng nguồn động lực kéo là ca bin chủ động treo trên đường ray có ưu điểm: phù hợp với các loại địa hình khác nhau, không yêu cầu hạ tầng giao thông dưới đường ray. Nhược điểm: thiết bị vận chuyển chỉ di chuyển được trên đường ray cố định.

Phương pháp sử dụng nguồn động lực kéo dưới đất có ưu điểm: vận hành đơn giản, tải trọng treo trên đường ray giảm; Nhược điểm: phải đầu tư xây dựng hạ tầng giao thông dưới đường ray, không phù hợp với vùng Đồng bằng song cửu long và vùng miền núi.

Hình 2. Vận chuyển chuối sử dụng nguồn động lực kéo dưới đất

Một hệ thống vận chuyển buồng chuối bằng ray treo sử dụng ca bin đầu kéo chủ động bao gồm:

- Nguồn động lực kéo;

- Hệ thống đường ray (đường chính và đường nhánh);

- Hệ thống chuyển làn (bẻ ghi);

Do đó với địa hình đồi dốc và kinh phí đầu tư hạ tầng giao thông ở mức tiết kiệm để xây dựng được một hệ thống vận chuyển buồng chuối phù hợp, cần phải tính toán, lựa chọn nguồn động lực cần thiết của cabin đầu kéo chủ động. Đồng thời tính toán kiểm tra độ bền của hệ thống đường ray phù hợp với tải trọng của cabin và buồng chuối.  

II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống vận chuyển trên đường ray treo bao gồm 2 phần chính:

- Hệ thống ray treo bao gồm các trụ đỡ và đường ray treo cố định;

- Cụm đầu kéo (cabin và các cụm bánh xe chủ động).

Hệ thống ray treo được thể hiện trên hình 3 bao gồm các trụ đứng để treo ray 4 và ray treo 3 là đường vận chuyển các buồng chuối được kéo bằng cụm đầu kéo.

Cụm đầu kéo bao gồm các cụm bánh xe chủ động 2 và ca bin 8 nơi lắp đặt hệ thống truyền động như động cơ, bơm thủy lực, hệ thống truyền động thủy lực và là nơi đặt ghế ngồi của người điều khiển.

1. Đường ray treo; 2. Cụm bánh xe chủ động; 3. Động cơ đốt trong;

4. Cụm bơm thủy lực; 5. Cụm thùng dầu thủy lực; 6. Cần điều khiển

7. Ghế ngồi; 8. Ca bin

Hình 3. Cụm ca bin đầu kéo và hệ thống đường ray treo

2.2 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp thu thập thông tin và phương pháp chuyên gia để phân tích, so sánh, lựa chọn các nguyên lý cơ cấu trồng cho phù hợp trên cơ sở kế thừa các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã có;

-  Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để tính toán, thiết kế toàn bộ hệ thống;

- Sử dụng modul Stress Analysis để tính bền của trụ đứng theo phương pháp phần tử hữu hạn.

- Sử dụng phần mềm AutoCAD Mechanical để tính bền và đường đàn hồi của thanh ray treo vận chuyển.

III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tính toán, thiết kế cụm ca bin đầu kéo

3.1.1. Kết cấu của cụm bánh xe chủ động

Cụm ca bin đầu kéo di chuyển được trên đường ray treo thông qua các cụm bánh xe chủ động. Mỗi cụm bánh xe chủ động được thiết kế như trên hình 4.

1. Bánh xe; 2. Mô tơ thủy lực; 3. Cụm truyền động xích; 4. Tấm bắt.

Hình 4. Cụm bánh xe chủ động

Bánh xe di chuyển được nhờ truyền động từ  mô tơ thủy lực 2 thông qua hệ truyền động xích 3. Để nâng lực kéo ta có thể tăng trọng lượng của ca bin đầu kéo, tuy nhiên việc tăng quá mức trọng lượng lên các cụm bánh xe chủ động sẽ tăng ứng suất kéo của ray và có thể làm đứt ray. Để giảm thiểu việc đó phải phân bố đều trọng lực của ca bin đầu kéo lên nhiều bánh xe với một khoảng cách nhất định. Điều này đồng nghĩa với việc sử dụng nhiều cụm bánh xe chủ động cùng lúc. Ưu điểm của phương pháp này là kết cấu đơn giản, việc tăng lực kéo chỉ cần bổ sung thêm các cụm bánh xe chủ động với kết cấu đơn giản, không đắt tiền; sử dụng các đường ray có kết cấu gọn, nhẹ.

3.1.2. Tính toán, thiết kế hệ thống truyền động cho các bánh xe chủ động

a) Tính toán khả năng bám

Lực chủ động của đầu kéo bao gồm lực cản lăn, lực cản dốc của toàn bộ ca bin đầu kéo. Lực kéo được tính theo công thức sau :(1)

Trong đó G_ch và G_k là trọng lượng của các buồng chuối và trọng lượng của ca bin đầu kéo;

f_c –hệ số cản lăn của bánh xe và đường ray f_c =0.002 .

a - Góc nghiêng của đường ray so với phương nằm ngang.

Trọng lượng chuối được tính theo công thức:

Trong đó m_bc là khối lượng của 1 buồng chuối kèm móc treo; m_bc= 30 kg

Z_b – số lượng buồng chuối;

g – Gia tốc trọng trường;

Lực kéo cực đại của ca bin đầu kéo được tính theo công thức

Trong đó j_t  là hệ số bám của bánh xe thép và đường ray j_t =0,42 ;

Trọng lượng chuối lớn nhất có thể kéo được tính bằng công thức:

                                                   (4)

Hay

                                           (5)

Trong đó k_j là hệ số sử dụng lực bám, k_j =0,9 .

Trên bảng 1. Thể hiện kết quả tính toán lực kéo, trọng lượng chuối, số buồng với trọng lượng đầu kéo khác nhau.

Theo số liệu tính toán trên bảng 1, với địa hình có độ dốc độ dốc thấp dưới 8⁰ việc sử dụng các cụm bánh xe chủ động treo trên ray là hợp lý và hiệu quả. Với độ dốc cao hơn cần đánh giá chi phí đầu tư đường ray và ca bin đầu kéo cùng với số lượng buồng chuối cần vận chuyển để có giải pháp hợp lý. Đây là cơ sở để thiết kế cụm bánh xe chủ động cũng như hệ thống truyền động cho cabin đầu kéo.

Bảng 1. Trọng lượng chuối (số buồng) lớn nhất theo điều kiện bám với trọng lượng đầu kéo và góc dốc khác nhau

Ghi chú : Với mỗi cụm bánh xe chủ động có trọng lượng treo 800 N, trọng lượng đầu kéo tương đương với số modul bánh xe chủ động sẽ lần lượt là 2,3,4

b) Tính toán hệ truyền động

Truyền động cho cụm bánh xe chủ động là hệ thống truyền động thủy lực kết hợp với truyền động cơ khí. Cấu tạo gồm 2 cặp bánh xe rãnh ăn khớp với đường ray và nhận truyền động từ động cơ thủy lực thông qua bộ truyền động xích (hình 4 ).

1. Động cơ đốt trong; 2. Bộ ly hợp; 3. Bơm thủy lực; 4. Van phân phối 5, 6, 7. Các động cơ thủy lực; 8. Van an toàn; 9. Thùng dầu thủy lực

Hình 5. Sơ đồ truyền động thủy lực cho các cụm bánh xe chủ động

Sơ đồ thủy lực của hệ thống được thể hiện ở hình 5. Động cơ đốt trong cung cấp nguồn động lực cho bơm dầu thủy lực. Bơm thủy lực bơm dầu qua các mô tơ thủy lực mắc song song để làm quay các bánh xe thông qua hệ truyền động xích. Với sơ đồ mắc song song, các mô tơ thủy lực hoạt động tương tự như có hệ thống vi sai, nhờ đó không tạo ra công suất ký sinh. Nhược điểm của hệ thống vi sai thủy lực là: Khi một cụm bánh xe bị trượt hoàn toàn, dòng thủy lực sẽ không truyền ra các mô tơ khác vì thế lực kéo lớn nhất của hệ thống sẽ bằng lực kéo bé nhất của 2 cụm truyền lực. Để đảm bảo hệ thống làm việc tốt, áp lực lên các bánh xe phải gần bằng nhau, nhằm đảm bảo lực kéo của các Modul tương đương nhau.

*Vận tốc mô tơ thủy lực

Để tránh các buồng chuối va đập vào nhau trong quá trình vận chuyển, vận tốc của cabin được lựa chọn trong khoảng khoảng 11 km/h (3m/s).

Bánh xe có đường kính 150mm, tốc độ quay của bánh xe được tính như sau:

 
           (6)

Bánh xe được truyền động từ mô tơ thủy lực tới bánh xe với tỷ số truyền 1:1. Như vậy tốc độ quay của mô tơ thủy lực là 380 v/ph.

* Công suất của động cơ

Công suất hệ thống phải đảm bảo lực kéo và vận tốc của đầu kéo như đã nêu

Qua khảo sát ở địa bàn ứng dụng Gia lai, độ dốc của địa hình lớn nhất là 5⁰, căm cứ theo bảng 1 ta chọn số mô dul kéo là Z=3.

Lực phát động cực đại: F_k = 885N;

vận tốc di chuyển   v = 4m/s;

Công suất kéo

                                       (7)

Công suất mỗi modul

                                                      (8)

Công suất định mức của động cơ đốt trong

                                    (9)

Trong đó η_h , η_m là hiệu suất của hệ truyền động thủy lực và hệ truyền động cơ học.

k_e – hệ số sử dụng công suất của động cơ, k_e =0,7.

Với vận tốc của động cơ xăng loại nhẹ Vikyno 188F-L vận tốc đầu ra khoảng 1800 v/phút, công suất định mức 13 HP, công suất dư thừa dự phòng cho modul thứ 4.

Với công suất trên ta có thể lựa chọn mô tơ thủy lực OMP-32 với lưu lượng riêng 32 cm³/vòng;  tốc độ quay cực đại 1540 min^-1;  áp suất làm việc liên tục lớn nhất 10 Mpa; công suất cực đại N_max = 5,8 kW.

Tỷ số truyền từ động cơ nổ tới mô tơ thủy lực được tính theo công thức

Trong đó i_h và i_m là tỷ số truyền của hệ thủy lực và đai.

Tỷ số truyền tổng sẽ là

                                                                    (11)

Tỷ số truyền này sẽ được phân bổ cho hệ thủy lực và truyền động đai.

Đề tài đã chọn  loại bơm lưu lượng riêng của bơm là 20 cm³/vòng.

Tỷ số truyền thủy lực được xác định theo công thức:

Trong đó Z_m là số lượng mô tơ thủy lực.

q_m lưu lượng riêng của

Tỷ số truyền thủy lực sẽ là

                                                         (13)

Tỷ số truyền của bộ truyền đai sẽ là

                                                  (14)

3.2. Tính toán, thiết kế cụm đường ray;

a) Tính toán độ bền thanh ray

Thiết diện thanh ray và các đặc tính hình học của nó được thể hiện trên hình 6 bao gồm ống thép mạ kẽm ϕ34 dày 3mm và thép tròn ϕ14.

Ghi chú: Dấu chấm “.” trong bảng trên là dấu thập phân

Hình 6. Mặt cắt tiết diện của đường ray treo

* Tổ hợp lực tính toán: Do đường ray rất dài, việc tính toán toàn bộ đường ray cùng với lực tác dụng lên đường ray là một việc khó khăn. Ngoài ra vị trí của đoàn xe kéo chuối cũng không cố định tại một nơi nên việc lựa chọn tổ hợp lực và kết cấu đại diện là một điều cần thiết.

Qua tính toán (không trình bày ở đây) cho thấy việc lựa chọn số lượng đoạn ray (nằm giữa 2 trụ đứng) lớn hơn 1 và số lượng đoạn ray chịu tải bởi buồng chuối lớn hơn 2 không ảnh hưởng lớn đến kết quả mô men uốn cực đại cũng như ứng suất cực đại. Trên hình 7 thể hiện đường đàn hồi và mô men uốn cho các trường hợp

a) Số lượng đoạn tính toán :2; Số buồng chuối 1;

b) Số lượng đoạn tính toán :2; Số buồng chuối 0;

c) Số lượng đoạn tính toán :3; Số buồng chuối 4;

d) Số lượng đoạn tính toán :3; Số buồng chuối 1

Các giá trị đầu vào:

- Tải trọng của mỗi mô dul trên đường ray: 800N;

- Trọng lượng buồng chuối 300N;

- Khẩu độ giữa 2 trụ đứng 3 m.

Hình 7. Sơ đồ lực và momen tác động lên đoạn ray

Hình 8. Kết quả tính toán đường ray

Kết quả tính toán được thể hiện trên hình 8, tại các đồ thị đường gấp khúc là mô men uốn, đường trơn là đường đàn hôi, nên ở các gối biến dạng bằng 0. Qua kết quả trên cho thấy đường ray chịu tải mô men uốn lớn nhất khi đầu kéo chỉ kéo 1 buồng chuối và chỉ tính với 2 đoạn ray. Trường hợp này xảy ra khi đầu kéo nằm ở phí đầu của đường ray vận chuyển và chỉ chở 1 buồng chuối.

Kết quả trên có thể lý giải là do khi tăng số lượng buồng chuối tải trọng buồng chuối có xu hướng làm “cứng” hóa các khớp quay như là khớp ngoàm cứng (đường đàn hối nằm ngang).

Các kết quả trên cho thấy dầm tính toán đảm bảo độ bền, với hệ số an toàn bé nhất là 1,57 độ võng lớn nhất 17 mm.

b) Tính toán độ bền trụ đỡ

Trụ đỡ được tính toán bằng modul Stress Analysis của phần mềm Autodesk Inventor. Do tính đối xứng của trụ đỡ chúng ta chỉ cần mô phỏng một nửa của nó với khợp trượt ở mặt đối xứng. Tải trọng lớn nhất lên mặt cắt đối xứng là 700N. Kết quả được thể hiện ở hình 9. Ứng suất lớn nhất lên trụ đứng là 156,6 Mpa đảm bảo độ bền. Độ võng lớn nhất là 2.68 mm, có thể chấp nhận được.

Hình 9. Kết quả tính toán trụ đỡ

Trên cơ sở kết cấu và các thông số đã tính toán, chúng tôi đã thiết kế chế tạo và lắp đặt hệ thống tại Gia lai. Qua thực tế sản xuất cho thấy hệ thống làm việc ổn định, kết cấu đơn giản, lắp đặt nhanh, dễ tháo lắp khi cần di chuyển đường ray.

IV. KẾT LUẬN

1. Đã thiết kế được hệ thống vận chuyển chuối với kế cấu bao gồm đường ray ống thép mạ kẽm ϕ34 dày 3mm và thép tròn ϕ14; Khẩu độ giữa 2 trụ đứng 3m.

2. Đã tính toán được cụm động lực bao gồm 2-4 đầu kéo, cho những trường hợp góc dốc và số lượng buồng chuối khác nhau. Với số lượng 3 đầu kéo hệ thống có thể vận chuyển 74 buồng chuối ở góc 2⁰ và 26 buồng ở góc dốc 5⁰. Công suất cần thiết của động cơ lúc này là 6,5 kW.

3. Hệ thống được thiết kế với tải trọng của mỗi mô dul kéo trên đường ray  800N; Trọng lượng buồng chuối 300N đảm bảo độ bền với hệ số an toàn lớn hơn 1,57, độ võng lớn nhất 17mm. Các trụ đứng ở tải lớn nhất có ứng suất 156.6 Mpa đảm bảo độ bền.

4. Trên cơ sở kết cấu và các thông số đã tính toán, đã thiết kế chế tạo và lắp đặt hệ thống tại Gia lai. Qua thực tế sản xuất cho thấy hệ thống làm việc ổn định, dễ sử dụng, năng suất vận chuyển đạt 10 tấn/h với đường bằng và 6 tấn/h với đoạn đường dốc.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Thiên Lương, Ngô Hồng Bình, Trịnh Khắc Quang, Nguyễn Văn Nghiêm, Võ Văn Thắng, Triệu Tiến Dũng (2013), Kết quả nghiên cứu tuyển chọn giống chuối tiêu GL3-1, Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông thôn- tháng 6/2013.

2. Nguyễn Văn Dũng, Ngô Tú Quyên, Nguyễn Văn Nghiêm, Võ Văn Thắng, Ngô Xuân Phong, Đinh Thị Vân Lan (2019), Kết quả tuyển chọn và khảo nghiệm giống chuối Tây GL3-2 tại một số tỉnh phía bắc, Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông thôn- kỳ 2- tháng 12/2019

3. Subra, P. The cableway method of conveying bunches in a banana plantation, . Fruits Paris 1971, 26, 807– 817.

4. Jie Guo, Jieli Duan, Jun Li, Zhou Yang . Mechanized Technology Research and Equipment Application of Banana Post-Harvesting: A Review. MPDI Agronomy 2020, 10, 374; doi:10.3390/agronomy10030374 - Mar 2020

5. SOTO, M.: “Banano, técnicas de producción, manejo poscosecha y comercialización”, Tercera Edición. San José. Costa Rica. Litografía e Imprenta LIL. 1 disco compacto., 2008, Disponible en: http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_nlinks&ref=000147&pid=S0304-

2847200500020001200016&lng=en, [Consulta: 8 de junio de 2017].

6. https://danviet.vn/vua-chuoi-ut-huy-ap-dung-co-gioi-hoa-gi-ma-trong-buoi-sang-cat-duoc-10-tan-chuoi-20220825002838528-d1039397.html

Ngày nhận bài: 25/6/2025.