Study of sugarcane harvester efficiency in Lower North Region of Thailand

Abstract

Sugarcane harvesters are agricultural machines that has an important role in the sugarcane industry in Thailand. They improve the harvesting process by reducing labor dependency and reducing the air pollution (PM2.5) caused by sugarcane burning in Thailand. This research aimed to study the performance of sugarcane harvesters being used in Lower North region, physical properties and shear forces of sugarcane billets and the effect of base cutters to provide the data for developing the sugarcane harvesters for the cultivation area and sugarcane variety. The study focusing on the efficiency of sugarcane harvesters, two models of medium-sized harvesters (MSH) (164 and 179 kW) and two models of large-sized harvesters (LSH) (251 and 260 kW) were tested in a sugarcane field of Khon Kaen 3 variety, aged 10 months, with row spacing of 1.72 meters and an average plot length of 287.7 meters. The soil in a field was loam soil, with soil moisture and soil bulk density at a depth of 0-10 centimeters of 13.72 %d.b. and 1.16 g/cm3, respectively, in Bueng Na Rang District, Phichit Province. The results showed that the MSHs and the LSHs had average traveling speeds of 1.06 and 1.53 m/s, with average field capacity of 3.06 and 4.17 rai/h on area basis, and 35.17 and 44.08 t/h on material basis, respectively. The MSH2 was found to have the significantly highest field and time efficiency, 83.04 and 85.78%, compared with the other 3 models. The loss of time did not significantly relate to the harvester size. The long billets had more leaf contamination than short billets. The MSH- and the LSH-affected soil compaction under wheels were 2.4 and 2.1 MPa at the soil depth of 25 and 35 cm, respectively. However, the width of soil compaction of the MSHs was found to be narrower than the LSHs according to the width of wheels. The MSHs were suitable for the row length of 287.73 m or shorter and the row spacing of 1.50 m, which the farmer in the Lower North region mostly grows their sugarcane. The MSHs payback period was lower than 4 years or the break-even point of 730 rai/y. The study of physical properties and shear forces of Khon Kaen 3 variety, aged 12 months, on straight (0 degree) and oblique (14 degree) cutter blades with speed of cutter blade at 5 10 and 15 mm/min. The results showed that the diameter of node and internode decreased when the positions of node and internode compared to the ground were higher. However, the length at the middle stalks were longer than the base and the top, because of elongation phase. The blade cutting at node was found less deformed than that at the internode. The average node and internode deformation were 19.53 and 88.24%, the shear stresses were 1.89 and 3.72 MPa, and the specific energy were 63.94 and 75.99 mJ/mm2, respectively. The straight cutter blade (0 degree) at node was found having shear stress decreased with increasing cutter speed, however, the shear stress at internode was found increased with increasing the cutter speed. In the case of the oblique cutter (14 degree) at node and internode, the shear stresses were found increased with increasing the cutter speed. However, the specific energy for cutting at the internode position was not found affected by cutter speed on straight and oblique cutter blade. The higher shear stress and specific energy from the straight cutting blade was found at the first to the fourth node from the ground. The study of the base cutter at the rotational speed of 640 rpm found that the blade cutting pitch of MSHs and LSHs were 2.48 and 2.83 cm, respectively. However, the average stalk diameter at the base was 2.73 cm. Then, the MSHs are unable to cut the stalk in a single cut. However, the cutting damage at the stubble and stubble damage, were not found significantly different and not related to the size of the sugarcane harvesters.

รถตัดอ้อยเป็นเครื่องมือทางเกษตรที่มีบทบาทสำคัญต่ออุตสาหกรรมอ้อยในประเทศไทย สามารถแก้ไขปัญหาขาดแคลนแรงงานในการเก็บเกี่ยวอ้อยและลดการเผาใบอ้อยจากการเก็บเกี่ยว ซึ่งก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศและฝุ่นละอองขนาดเล็ก (PM2.5) งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาประสิทธิภาพของรถตัดอ้อยที่ใช้ในเขตภาคเหนือตอนล่าง ศึกษาสมบัติทางกายภาพและแรงที่ใช้เฉือนตัดท่อนอ้อย และศึกษาผลของรูปแบบใบมีดตัดโคนอ้อย เพื่อเป็นข้อมูลในการพัฒนารถตัดอ้อยให้เหมาะสมกับพื้นที่ปลูกและพันธุ์อ้อย ในการศึกษาประสิทธิภาพรถตัดอ้อย ได้ทำการศึกษารถตัดอ้อยขนาดกลาง (MSH) 2 รุ่น (164 kW และ 179 kW) และขนาดใหญ่ (LSH) 2 รุ่น (251 kW และ 260 kW) ในแปลงอ้อยปลูกพันธุ์ขอนแก่น 3 อายุ 10 เดือน ระยะห่างระหว่างแถว 1.72 เมตร ความยาวแปลงเฉลี่ย 287.7 เมตร ความหนาแน่นอ้อยเฉลี่ย 10.93 ตันต่อไร่ ดินในแปลงทดสอบเป็นดินร่วน มีค่าความชื้นดินฐานแห้งและความหนาแน่นมวลรวมของดินที่ระดับความลึก 0-10 เซนติเมตร เฉลี่ย 13.72 เปอร์เซ็นต์ และ 1.16 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ตามลำดับ ณ อำเภอบึงนาราง จังหวัดพิจิตร จากการศึกษาพบว่า รถตัดอ้อยขนาดกลางและขนาดใหญ่มีความเร็วในการเคลื่อนที่เฉลี่ย 1.06 และ 1.53 เมตรต่อวินาที ความสามารถในการทำงานเชิงพื้นที่เฉลี่ย 3.06 และ 4.17 ไร่ต่อชั่วโมง และความสามารถในการทำงานเชิงน้ำหนักเฉลี่ย 35.17 และ 44.08 ตันต่อชั่วโมง ตามลำดับ เมื่อพิจารณาประสิทธิภาพเชิงพื้นที่และเชิงเวลา พบว่า รถตัดอ้อย MSH2 มีประสิทธิภาพเชิงพื้นที่และเชิงเวลาสูงกว่ารถตัดอ้อยอีก 3 รุ่นอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ โดยมีค่า 83.04 และ 85.78 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ เวลาที่สูญเสียไม่มีความสัมพันธ์กับขนาดของรถตัดอ้อย ท่อนอ้อยที่ยาวมีปริมาณสิ่งเจือปนจากใบอ้อยมากกว่าท่อนอ้อยที่สั้น รถตัดอ้อยขนาดกลางและขนาดใหญ่ส่งผลให้มีการอัดแน่นของดินใต้ล้อรถ 2.4 และ 2.1 เมกกะปาสคาล และมีความลึกการกดอัดดิน 25 และ 35 เซนติเมตร ตามลำดับ ในขณะที่ความกว้างในการกดอัดดินของรถตัดอ้อยขนาดกลางน้อยกว่ารถตัดอ้อยขนาดใหญ่ตามความกว้างของล้อ รถตัดอ้อยขนาดกลางมีความเหมาะสมกับการทำงานในแปลงอ้อยที่มีความยาว 287.73 เมตร หรือสั้นกว่า และสามารถทำงานในแปลงอ้อยที่มีระยะห่างระหว่างแถว 1.50 เมตรได้ ซึ่งเป็นระยะห่างระหว่างแถวที่เกษตรกรในเขตภาคเหนือตอนล่างนิยมปลูก มีระยะเวลาในการคืนทุนต่ำกว่า 4 ปี หรือมีการใช้งานคุ้มทุนเชิงพื้นที่ 730 ไร่ต่อปี ในการศึกษาสมบัติทางกายภาพและแรงเฉือนตัดอ้อย พันธุ์ขอนแก่น 3 อายุ 12 เดือน ในการตัดตรง (0 องศา) และตัดเฉียง (14 องศา) ด้วยความเร็ว 5 10 และ 15 มิลลิเมตรต่อนาที พบว่า ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางข้ออ้อยและปล้องอ้อยมีแนวโน้มลดลงเมื่อตำแหน่งสูงขึ้นจากผิวดิน ในขณะที่ความยาวปล้องอ้อยบริเวณกลางลำมากกว่าโคนลำและปลายลำ เนื่องจากเป็นระยะยืดปล้องของอ้อย การตัดที่ข้ออ้อยมีการยุบตัวน้อยกว่าการตัดที่ปล้องอ้อย โดยมีการยุบตัวเฉลี่ย 19.53 และ 88.24 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ ส่งผลให้ความเค้นเฉือนเฉลี่ยมีค่า 1.89 และ 3.72 เมกกะปาสคาล และมีค่าพลังงานจำเพาะ 63.94 และ 75.99 มิลลิจูลต่อตารางมิลลิเมตร ตามลำดับ การตัดตรง (0 องศา) ที่ข้ออ้อย ความเค้นเฉือนมีค่าลดลงเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ขณะที่ความเค้นเฉือนในการตัดที่ปล้องอ้อยมีค่าสูงขึ้นตามความเร็วที่เพิ่มขึ้น ส่วนการตัดเฉียง (14 องศา) ค่าความเค้นเฉือนในการตัดที่ข้ออ้อยและปล้องอ้อยมีแนวโน้มสูงขึ้นเมื่อใช้ความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้น ส่วนพลังงานในการเฉือนตัดที่ปล้องอ้อยไม่มีความสัมพันธ์กับความเร็วทั้งการตัดตรง (0 องศา) และตัดเฉียง (14 องศา) เมื่อพิจารณาการตัดในตำแหน่งข้ออ้อยจากผิวดินพบว่า การตัดตรง (0 องศา) ที่ข้ออ้อยตำแหน่ง 1 ถึง 4 จากผิวดินมีค่าความเค้นเฉือนและพลังงานจำเพาะสูงกว่าตำแหน่งอื่น จากการศึกษาผลของรูปแบบใบมีดตัดโคนอ้อย ที่ความเร็วรอบ 640 รอบต่อนาที พบว่า รถตัดอ้อยขนาดกลางและขนาดใหญ่มีระยะในการตัดอ้อยของใบมีดเฉลี่ย 2.48 และ 2.83 เซนติเมตร ตามลำดับ เมื่อพิจารณาร่วมกับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางโคนอ้อยเฉลี่ย 2.73 เซนติเมตร พบว่า รถตัดอ้อยขนาดกลางไม่สามารถตัดต้นอ้อยขาดได้ในการตัดเพียงครั้งเดียว แต่เมื่อพิจารณาร่วมกับความเสียหายรอยตัดที่ตอและที่ตออ้อย พบว่า ความเสียหายรอยตัดที่ตอจากรถตัดอ้อยทั้ง 4 รุ่น ไม่มีความแตกต่างกัน และความเสียหายตออ้อยไม่มีความสัมพันธ์กับขนาดของรถตัดอ้อย