NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHỔ GỐC CÂY RỪNG TRỒNG SAU KHAI THÁC Đào Vũ, Tô quốc Huy Trung tâm Nghiên cứu và CGCN Công nghiệp rừng Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam I. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhổ các gốc cây để chuẩn bị đất trồng rừng trên các diện tích rừng tự nhiên và đặc biệt rừng trồng sau khai thác là khâu cần có cường độ lao động lớn, tốn nhiều chi phí và thời gian. Công việc nhổ gốc cây hiện nay hầu hết được thực hiện bằng thủ công, một số nơi dùng máy ủi với lưỡi ben dạng dao hoặc gầu xúc để đào gốc cây. Các biện pháp này đều có năng suất thấp và kém hiệu quả. Một số nước sử dụng máy kéo công suất lớn như Komatsu, T-130, TZ -171 có trang bị hệ thống ben răng để xử lý thực bì, rà gốc rễ nhưng sử dụng để nhổ gốc cây rừng trồng sau khai thác trắng cũng còn rất nhiều hạn chế, đặc biệt với loại gốc cây có đường kính trên 30 cm và trên nền đất có độ cứng cao. Để có thiết bị chuyên dụng thực hiện nhổ gốc cây hiệu quả, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị nhổ gốc cây là rất thiết để đáp ứng kịp thời yêu cầu thực tiễn sản xuất, đồng thời bổ sung cho hệ thống thiết bị cơ giới làm đất trồng rừng của ngành lâm nghiệp. II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Điều tra khảo sát thu thập số liệu về tính chất, đặc điểm của đối tượng nghiên cứu + Khảo sát đánh giá đặc điểm địa hình, thực bì, gốc cây của hiện trường sau khai thác. + Phân tích đánh giá hiện trạng sử dụng nguồn động lực và thiết bị xử lý thực bì vùng nghiên cứu làm cơ sở lựa chọn nguyên lý, kết cấu cơ bản thiết bị nhổ gốc cây. - Phương pháp tính toán thiết kế máy nông nghiệp + Lập phương án thiết kế: Đề xuất phương án, phân tích lựa chọn nguyên lý làm việc, lựa chọn kết cấu và kích thước cơ bản cho thiết bị thiết kế. + Sử dụng lý thuyết tính toán thiết kế máy để tính toán xác định các thông số kỹ thuật của thiết bị. + Sử dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng: Autocad, Inventor để tính toán, vẽ thiết kế, mô phỏng hoạt động của thiết bị nghiên cứu. - Phương pháp khảo nghiệm máy nông nghiệp: + Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trong quá trình khảo nghiệm đánh giá thiết bị và hiệu quả sử dụng. + Áp dụng các phương pháp thu thập và xử lý số liệu khảo nghiệm máy, sử dụng các phần mềm chuyên dụng: Matlab, Dasylab để thu thập và xử lý số liệu. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Những cơ sở khoa học tính toán thiết kế thiết bị nhổ gốc cây 3.1.1 Những đặc điểm cơ bản của địa hình, thực bì, gốc cây rừng sau khai thác Kết quả khảo sát đánh giá tại vùng núi phía Bắc cho thấy rằng: - Địa hình vùng núi phía Bắc tương đối phức tạp, diện tích sản xuất lâm nghiệp bị chia cắt nhỏ, không tập trung, độ dốc cao. - Địa chất, thổ nhưỡng trong vùng chủ yếu là đất feralit, trong đất hình thành nhiều kêt von đá ong, ở nhiều nơi như Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Thái Nguyên tầng đất ở độ sâu 30-40cm bị đá ong hóa độ cứng lên tới 35kg/cm 2 . - Thực bì chủ yếu là cây bụi như Sim, mua, cây hoa trinh nữ có chiều cao 1–1,5m đường kính thân từ 3–10cm và có nhiều đá lẫn. - Gốc cây tại hiện trường sau khai thác chủ yếu là bạch đàn, keo, thông có đường kính từ 15 – 45cm, chiều cao gốc 12 – 20cm. Đặc biệt gốc bạch đàn sau khai thác tái sinh chồi rất mạnh và tồn tại sau nhiều năm, do vậy việc xử lý nhổ gốc cây trước khi trồng mới là rất cần thiết. - Gốc cây rừng trồng sau khai thác có mật độ phổ biến từ 500–1500gốc/ha, hệ rễ rất phát triển bám sâu trong đất từ 40–150cm, độ sâu của rễ tuỳ thuộc vào độ lớn gốc, loài cây và độ sâu tầng đất canh tác. Hình 1. Sơ đồ mô tả gốc cây sau khai thác 3.1.2 Đặc tính kỹ thuật và tính năng sử dụng các thiết bị đã và đang sử dụng để xử lý thực bì và nhổ gốc cây Thiết bị chủ yếu sử dụng để xử lý thực bì và nhổ gốc cây hiện nay là máy kéo xích có công suất lớn trên 100ml như: T-130, TZ-171, Komatsu D65, D85A, Fiat liên hợp với ben ủi hoặc khung răng rà rễ để húc đổ và gom dọn gốc rễ cây, một số nơi sử dụng gầu xúc để đào móc từng gốc. - Đối với thiết bị ben ủi và khung răng rã rễ việc ủi bật các gốc cây lớn có đường kính trên 20cm và có bộ rễ ăn sâu là rất khó khăn, năng suất thấp, trên địa hình dốc gây rửa trôi xói mòn lớn. Thiết bị này chỉ phù hợp và sử dụng hiệu quả đối với thực bì dạng cây bụi tự nhiên, trảng cỏ. - Đối với gầu xúc: khi nhổ gốc cây phải đào một lượng đất rất lớn nên năng suất thấp, chi phí năng lượng cao, sau khi đào gốc mặt bằng bị lồi lõm cần phải san ủi mới có thể trồng lại rừng. Thiết bị này tác nghiệp rất khó khăn trên đất có độ dốc cao, dễ xảy ra mất an toàn. Kết quả điều tra khảo sát và những phân tích hoạt động các thiết bị đã và đang sử dụng cho thấy, để nhổ được gốc cây rừng trồng sau khai thác trên đất thoái hóa có độ cứng cao cần sử dụng nguồn động lực lớn, LHM có khả năng làm việc ổn định trên địa hình phức tạp, độ dốc cao. Bộ phận làm việc của thiết bị phải có khả năng cắm sâu xuống đất để nhổ gốc theo nguyên lý đòn bẩy hoặc nâng đẩy kết hợp. 3.2. Tính toán thiết kế, chế tạo thiết bị 3.2.1. Lựa chọn nguyên lý làm việc và các thông số ban đầu làm cơ sở cho tính toán thiết kế - Nguyên lý làm việc: Thiết bị nhổ gốc cây được thiết kế làm việc theo nguyên lý cày ngầm, sử dụng các răng (lưỡi nhổ) dạng thân cày ngầm cày móc sâu dưới gốc và nâng đẩy kết hợp để nhổ gốc cây. - Kích thước gốc cây có thể nhổ được: D 60cm - Năng suất làm viêc: dự tính 100 -150 gốc/giờ - Kết cấu chung: Số lượng răng: 3 được lắp đối xứng qua trục máy kéo, khoảng cách giữa các răng là 20cm. khung lắp răng dạng khung tròn. Sơ đồ kết cấu thiết bị được mô tả trên hình 2; Sơ đồ mô tả vị trí tương đối giữa các răng nhổ và gốc cây được mô tả trên hình 3. a Hình 2. Sơ đồ kết cấu Hình 3. Sơ đồ mô tả vị trí tương đối thiết bị nhổ gốc cây giữa răng nhổ và gốc cây Vị trí lắp đặt: Dàn khung răng được lắp sau máy kéo tương tự vị trí lắp dàn cày ngầm, sử dụng cơ cấu treo hình bình hành điều khiển nâng hạ bằng xi lanh thuỷ lực. Nguyên lý làm việc và vị trí lắp đặt này có những ưu điểm sau: + Lực kéo lớn, tận dụng tối đa trọng lượng của máy kéo + Dễ quan sát, điều khiển + Có thể kết hợp được với khung răng rà rễ phía trước để san ủi, xử lý thực bì và gom gốc rễ. + Lắp đặt đơn giản, ứng dụng được hệ thống treo, điều khiển đã có. 3.2.2. Các thông số cơ bản được tính toán thiết kế - Kích thước bộ phận làm việc: Răng có dạng tương tự thân cày ngầm, các kích thước cơ bản được ghi trên bản vẽ, hình 4. + Độ sâu tối đa của răng vào đất (độ sâu làm việc tối đa): 700mm. + Góc nâng α = 25 - 30 0 - Khung máy: thiết kế dạng khung tròn, các vị trí lắp răng có thể điều chỉnh được độ sâu làm việc. Hình 4. Kết cấu thiết bị nhổ gốc cây lắp theo máy kéo D65 A 3.2.3. Chọn nguồn động lực Từ kết quả tính toán công suất cần thiết để nhổ gốc cây có đường kính 40cm ta chọn động lực là máy kéo Komatsu - D65A, có công suất 155 mã lực, phía trước của máy kéo có trang bị khung răng rà rễ rộng 3,2m gồm 9 răng, phía sau có cơ cấu treo hình bình hành lắp dàn cày ngầm. Cơ cấu treo này rất phù hợp với nguyên lý làm việc và kết cấu khung răng thiết bị nhổ gốc cây, do vậy có thể cơ cấu treo sẵn có lắp khung răng nhổ gốc sau máy kéo. Hình 5. Hình ảnh thiết bị nhổ gốc cây lắp sau máy kéo Komatsu D65 A 3.3. Khảo nghiệm và đánh giá thiết bị - Thiết bị khảo nghiệm: Thiết bị nhổ gốc cây được lắp sau máy kéo xích Komatsu D-65A qua cơ cấu treo hình bình hành được điều khiển nâng hạ bởi hệ thống thủy lực. - Hiện trường khảo nghiệm: Địa điểm tại xã Ngọc Thanh, Phúc Yên, Vĩnh Phúc Hiện trường khảo nghiệm có diện tích 3ha rừng sau khai thác, trong đó 1ha có độ dốc <5 0 , 2ha dốc 5 0 – 15 0 ). Đất Ferarit vàng đỏ, tầng đá ong hoá ở độ sâu 80-100cm trên toàn bộ diện tích, lượng đá lẫn không đáng kể, độ ẩm đất 40%. Thực bì là cây bụi và cỏ dại không đáng kể chủ yếu là gốc Bạch đàn trắng (Eucalyptus Camaldulensis) và Bạch đàn liễu đã khai thác được 8 tháng, đường kính gốc từ 10–60cm, chiều cao <35cm, mật độ 750gốc/ha. - Kết quả khảo nghiệm: Một số chỉ tiêu về kích thước gốc cây và thời gian trung bình (T tb ) cần thiết để nhổ được 1 gốc cây được ghi trong bảng 1. Bảng 1. Biểu tổng hợp các trị số trung bình khảo nghiệm máy nhổ gốc cây Kích thước gốc cây (cm) TT Số truyền máy kéo Đường kính gốc (D) Bề rộng rễ (B) Chiều cao gốc (h1) Chiều sâu rễ (h2) Thời gian nhổ (T tb ) S Ghi chú 1 1 10 110 10 40 18 2 1 20 125 12 50 20 3 1 30 155 16 80 30 4 1 40 210 25 90 60 5 1 50 250 35 150 90 6 1 60 290 40 170 110 Đối với gốc bạch đàn có đường kính từ 10 - 35cm, năng suất trung bình của LHM đạt 650- 00gốc/ca (7 giờ tác nghiệp). Chi phí nhiên liệu (dầu diejen) 125lít/ca. - Một số nhận xét đánh giá: Kết quả khảo nghiệm bước đầu cho thấy, thiết bị nhổ gốc cây lắp sau máy kéo Komatsu D-65A hoạt động khá tốt, LHM hoạt động ổn định, độ bền các chi tiết được chế tạo đảm bảo. Năng suất đạt cao hơn so với khi sử dụng khung răng rà rễ, ben ủi hoặc dùng gầu xúc từ 20 – 25%, gốc cây được nhổ triệt để hơn, mặt đất bị lồi lõm ít hơn. Như vậy nếu sử dụng thiết bị này chi phí năng lượng và giá thành sẽ giảm ít nhất khoảng 20% so với khi sử dụng các thiết bị khác, chất lượng làm đất cao hơn, hạn chế được rửa trôi xói mòn đất. IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ * Kết luận - Thiết bị nhổ gốc cây được nghiên cứu thiết kế, chế tạo (làm việc theo nguyên lý cày ngầm móc sâu, nâng nhổ kết hợp) có nguyên lý làm việc và cấu tạo phù hợp với yêu cầu và tính chất đặc thù của công việc. - Thiết bị được lắp sau máy kéo xích có công suất từ 150–180 mã lực, có thể nhổ được gốc cây (Bạch đàn, Keo) với đường kính từ 10–60cm. năng suất đạt 650–800gốc/ca với loại gốc có đường kính từ 10- 35cm; - Liên hợp máy làm việc ổn định, có năng suất cao, chi phí năng lượng thấp, giá thành giảm 20% so với các thiết bị đào gốc cây khác. * Khuyến nghị Đề tài chưa có điều kiện khảo nghiệm thiết bị trên phạm vi rộng, điều kiện lập địa với các loại gốc cây khác nhau, thời gian khảo nghiệm còn ít nên chưa đánh giá được đầy đủ hiệu quả làm việc cũng như hiệu quả kinh tế của thiết bị. Do vậy cần đầu tư nghiên cứu hoàn thiện mẫu máy và khảo nghiệm rộng hơn với các dạng địa hình, đất đai và loại gốc cây khác nhau để có thể khẳng định tính của thiết bị. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị nhổ gốc cây lắp theo các máy kéo có công suất lớn hơn để có thể nhổ được các loại gốc cây đường kính trên 60cm. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Công Ngữ, Nguyễn Văn Dũng, 2001. Cơ học đất, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội. 2. Nguyễn Điền, Nguyễn Đăng Thân,1984. Đặc điểm địa hình và tính chất cơ lý của đất nông nghiệp Việt Nam, Nhà xuất bản Nông nghiệp 3. Nguyễn Can, 2005. Nghiên cứu một số thông số ổn định ngang của liên hợp máy kéo xích - cày ngầm khi làm việc trên đất dốc . 4. Nguyễn Thanh Quế,1990. Nghiên cứu thiết kế chế tạo cày ngầm sâu 60-70cm để làm đất thâm canh trong lâm nghiệp – Viện KHLN. 5. Komatsu L.T.D,1997. Shop manual Komatsu PC100-6/ PC120-6 /PC130-6, Komatsu L.T.D. Japan. Một số hình ảnh thiết bị được khảo nghiệm tại hiện trường. . NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ NHỔ GỐC CÂY RỪNG TRỒNG SAU KHAI THÁC Đào Vũ, Tô quốc Huy Trung tâm Nghiên cứu và CGCN Công nghiệp rừng Viện Khoa học Lâm nghiệp. trên nền đất có độ cứng cao. Để có thiết bị chuyên dụng thực hiện nhổ gốc cây hiệu quả, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị nhổ gốc cây là rất thiết để đáp ứng kịp thời yêu cầu thực. hạn chế được rửa trôi xói mòn đất. IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ * Kết luận - Thiết bị nhổ gốc cây được nghiên cứu thiết kế, chế tạo (làm việc theo nguyên lý cày ngầm móc sâu, nâng nhổ kết