NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY TRỘN THỨC ĂN GIA SÚC KIỂU VÍT ĐỨNG

Qua phân tích tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam, những khó khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay, tình hình nghiên cứu và chuyển giao máy, thiết bị phục

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

………

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ

CHÍNH ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY TRỘN

THỨC ĂN GIA SÚC KIỂU VÍT ĐỨNG

THÁI NGUYÊN 2008

Trang 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Theo thống kê của Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch,

hiện nay thức ăn chăn nuôi công nghiệp mới đạt 3,5 3,8 triệu tấn/năm, tức là chiếm

khoảng 30% tổng số thức ăn sử dụng trong chăn nuôi, trong khi đó chỉ tiêu bình

quân trên thế giới là 48%, các nước công nghiệp phát triển đạt 80 90%

Việc nghiên cứu, cơ giới hóa khâu chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam

(nói chung) và sản xuất thức ăn chăn nuôi ở vùng xa, vùng sâu phù hợp với điều

kiện kinh tế xã hội đang là vấn đề cấp bách

Qua phân tích tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam, những khó

khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay, tình hình nghiên cứu và

chuyển giao máy, thiết bị phục vụ chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam thời gian

qua, thông qua khảo sát các loại mô hình đầu tư, tác giả thấy cần phải nghiên cứu

sản xuất máy chế biến thức ăn gia súc tại Việt Nam (chủ yếu là máy trộn và nghiền)

trong mô hình cơ sở chế biến phân tán, bán công nghiệp quy mô 1 – 2 tấn/h

Vì thế, sau thời gian học tập tại Khoa Sau đại học – Trường đại học Kỹ thuật

Công nghiệp, tác giả đã lựa chọn, thực hiện luận văn tốt nghiệp thạc sỹ chuyên

ngành Công nghệ chế tạo máy với đề tài:

“NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH ĐẾN CHI PHÍ

NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY TRỘN THỨC ẮN GIA SÚC KIỂU VÍT ĐỨNG”

Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu về máy trộn thức ăn gia súc trong

mô hình sản xuất nói trên, nhằm đề xuất thiết kế dãy máy trộn hợp lý

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của GS.TSKH

Phạm Văn Lang, người đã tạo mọi điều kiện từ nghiên cứu mô hình, tổ chức thực

nghiệm và hướng dẫn chi tiết trong quá trình hoàn thành luận văn Đồng thời, tác

giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các nhà khoa học của Viện cơ điện nông nghiệp &

Công nghệ sau thu hoạch: Tiến sỹ Đậu Thế Nhu, Tiến sỹ Nguyễn Năng Nhượng,

Tiến sỹ Nguyễn Sĩ Hiệt đã tận tình giúp đỡ, đặc biệt trong quá trình xem xét điều

tra, xử lý số liệu qua thực nghiệm

Quý Lộc – Huyện Yên Định – Thanh Hóa, đơn vị Anh hùng thời kỳ đổi mới Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp, Khoa Sau đại học của Trường đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong thời gian hoàn thành luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2008 Học viên

Đỗ Thị Tám

Trang 3

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

5 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 3

Chương I

Tổng quan về tình hình nghiên cứu - ứng dụng các liên hợp máy chế biến

thức ăn gia súc (trong đó có máy trộn) ở trong nước và trên thế giới

4

1.1 Khái quát tình hình sử dụng liên hợp máy chế biến thức ăn gia súc 4

1.1.1.Khái quát tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam 4

1.1.2 Khó khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay 7

1.1.3.Tình hình nghiên cứu và chuyển giao máy, thiết bị phục vụ chế biến

1.1.3.1.Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi 8

b, Quy mô 10 – 30 tấn/giờ và lớn hơn 10

1.2 Tình hình nghiên cứu khoa học về máy trộn thức ăn gia súc 12

1.2.1.Tình hình và kết quả nghiên cứu máy trộn trên thế giới 12

1.2.2.Tình hình và kết quả nghiên cứu máy trộn ở Việt Nam 18

1.2.3 Những tồn tại trong nghiên cứu máy trộn thức ăn gia súc kiểu vít đứng 19

Chương II Nghiên cứu quy luật chyển động của khối hỗn hợp bột trong máy trộn vít đứng; Nghiên cứu lý thuyết đồng dạng – mô hình - thứ nguyên

21

2.1 Phương trình chuyển động của khối bột trong thùng trộn 21

a, Phương trình chuyển động của khối bột ở phần nón cụt 22 b) Phương trình chuyển động của khối bột ở phần thùng hình trụ 26 c) Chuyển động của khối bột trong ống bao 27 d) Điều kiện đảm bảo chuyển động liên tục của khối bột trong và ngoài ống bao 30

2.2 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm 32

2.2.1.Ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm áp dụng trong

2.2.2 Ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm áp dụng trong

2.2.2.1.Xác định các thông số chính ảnh hưởng đến máy trộn 36 2.2.2.2.Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm 37 2.2.2.3 Xử lý kết quả - Xác định mô hình toán phương án bậc 1 40

2.3 Cơ sở của lý thuyết đồng dạng - mô hình- thứ nguyên 49

2.3.1.Ứng dụng lý thuyết đồng dạng và mô hình trong phương pháp nghiên

2.3.2 Mô hình, bản chất và các dạng mô hình 50

Trang 4

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng trộn

và chi phí năng lượng riêng của máy trộn TK – 1A

59

3.1.Giới thiệu tóm tắt đặc điểm kỹ thuật máy trộn TK – 1A 59

3.1.1 Các thông số cơ bản của máy trộn 59

3.1.3.Tính toán thiết kế bộ truyền đai tốc độ 200v/ ph và 400v/ph cho

3.2.1 Xác định ảnh hưởng của tốc độ vít trộn x1 tới chất lượng trộn yK và

chi phí năng lượng riêng yN

63

a) Xác định ảnh hưởng của tốc độ vít trộn x1 tới chất lượng trộn yK 63

b) Xác định ảnh hưởng của tốc độ vít trộn x1 tới chi phí năng lượng riêng yN 65

3.2.2 Xác định ảnh hưởng của tải trọng q x2 tới chất lượng trộn yK và

chi phí năng lượng riêng yN

67

a) Xác định ảnh hưởng của tải trọng q x2 tới chất lượng trộn yK 68

b) Xác định ảnh hưởng của tải trọng q x2 tới chất lượng trộn yN 70

3.3.1 Ảnh hưởng của vận tốc x1 và tải trọng x2 đến chi phí năng lượng riêng YN 73

3.3.3.Giải bài toán thương lượng giữa hàm chi phí năng lượng riêng YN và hàm chất lượng trộn YK

79

Chương IV Ứng dụng lý thuyết đồng dạng, mô hình, tính toán lực cản chuyển động trong môi trường nhớt, dễ rơi và xác định dãy máy trộn

Nhận xét về mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài luận văn 90

Hợp đồng kinh tế Phụ lục (Một số hình ảnh thực nghiệm) Tài liệu tham khảo

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết

quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công

N Công suất cần thiết cho bộ phận trộn kW

n Số vòng quay của trục máy trộn min-1

q Lưu lượng khối bột qua đáy của bộ phận trộn m3/h; kg/h

Trang 6

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn là một chủ trương lớn

của Đảng và nhà nước nhằm thúc đẩy kinh tế phát triển, tạo công ăn việc làm, tăng

thu nhập cho người dân, đưa nông thôn nước ta tiến lên văn minh, hiện đại Đại hội

Đảng toàn quốc lần thứ X (4-2006) đã xác định: “…Sau những năm đổi mới, nông

nghiệp nông thôn nước ta đã thu được nhiều thành tựu đáng kể, tuy nhiên còn nhiều

vấn đề về sản xuất, đời sống của nhân dân đang nổi lên gay gắt Vì vậy nông nghiệp

phải tạo ra được chuyển biến mạnh mẽ: vừa tiếp tục tăng trưởng về số lượng, về

nhịp độ, về tỷ suất hàng hoá đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng khả

năng cạnh tranh, đảm bảo sản xuất có hiệu quả…”

Cơ giới hoá - điện khí hoá nông nghiệp là một nhiệm vụ hết sức quan trọng

trong toàn bộ sự nghiệp CNH-HĐH: từng bước thực hiện cơ khí hoá các khâu sản

xuất, chế biến sau thu hoạch

Đối với ngành nông nghiệp, Nghị quyết 09/2000/NC-CQ của Chính phủ nêu

rõ: “ Ứng dụng rộng rãi thành tựu khoa học công nghệ mới và sản xuất nông

nghiệp…phải đưa trình độ KHCN của nhiều ngành trong nông nghiệp đuổi kịp các

nước trong khu vực và nâng mức đóng góp của khoa học công nghệ vào giá trị gia

tăng của nông nghiệp từ 30% hiện nay lên trên 50% trong thập kỷ tới” Để sớm đưa

chăn nuôi trở thành một ngành chính, một trong những nhân tố quan trọng là phát

triển công nghiệp chế biến thức ăn gia súc với các qui mô nhỏ, vừa và lớn với trang

thiết bị đồng bộ nhằm nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản phẩm, trong đó có

khâu nghiền, trộn thức ăn là quan trọng

Xuất phát từ đặc điểm tình hình nêu trên, việc nghiên cứu hoàn thiện một

số cơ cấu của máy trộn thức ăn chăn nuôi đang là vấn đề cấp bách và có ý nghĩa

thực tiễn

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng và chi phí năng lượng

riêng của máy trộn, trên cơ sở đó tìm dãy máy trộn phù hợp quy mô sản xuất hộ gia đình

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

a Ý nghĩa khoa học

Hiện nay, các loại máy trộn được chế tạo và sử dụng rất nhiều trong các dây chuyền chế biến thức ăn gia súc quy mô vừa và nhỏ Tuy nhiên, việc nghiên cứu các loại máy này chưa mang tính toàn diện, chủ yếu dựa vào phương pháp phân tích cấu trúc, thông qua thực nghiệm Việc xác định các thông số của quá trình trộn và các quy luật trộn gặp nhiều khó khăn, chủ yếu là do nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính chất động lực học của máy trộn: nguyên lý trộn, cơ lý tính của các thành phần thức

ăn, các chỉ số công nghệ…Trên cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số cấu tạo và sử dụng (thời gian trộn, khối lượng một mẻ trộn, chi phí công suất, tốc độ của vít trộn), để sản phẩm đạt được hàm lượng khoa học, đề tài luận văn đã kết hợp nghiên cứu phương pháp truyền thống và nghiên cứu hiện đại như điều tra, tập hợp thông tin, tham gia thiết kế cải tiến để trên cơ sở đó hoàn thiện công nghệ chế tạo

Đề tài đã áp dụng một số phương pháp toán học trong nghiên cứu chế tạo máy cơ khí như: phương pháp đồng dạng và phân tích thứ nguyên, phương pháp quy hoạch thực nghiệm, sử dụng chương trình tính toán trên máy tính nhằm tăng độ tin cậy và kết quả thu nhận được

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp quy hoạch thực nghiệm, lý thuyết đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên

Trang 7

5 Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu

- Một số thông số chính của máy trộn bột khô, kiểu vít đứng TK-1A: Thời gian trộn,

khối lượng một mẻ trộn, chi phí công suất, tốc độ của vít trộn

- Nghiên cứu chuyển động của khối hỗn hợp trong máy trộn

- Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết đồng dạng và phân tích thứ nguyên, đề xuất dãy

máy trộn phù hợp với điều kiện thực tế

- Địa điểm nghiên cứu thực nghiệm : tại HTX Dịch vụ - Chăn nuôi xã Quý lộc,

Huyện Yên Định, tỉnh Thanh Hóa

Chương I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU - ỨNG DỤNG CÁC LIÊN HỢP MÁY CHẾ BIẾN THỨC ĂN GIA SÚC (TRONG ĐÓ CÓ MÁY TRỘN)

Ở TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Khái quát tình hình sử dụng liên hợp máy chế biến thức ăn gia súc

1.1.1.Khái quát tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam

Giai đoạn 1986 – 1990 do ảnh hưởng của nền sản xuất kế hoạch tập trung, sản xuất thức ăn chăn nuôi chủ yếu tập trung ở các xí nghiệp quốc doanh với thiết bị kỹ thuật của Đông Âu và Cuba như hệ thống thiết bị của Hungari công suất 2 tấn/h; Bungari, Cuba công suất 5 tấn/h; Nam Tư 10 tấn/h, phục vụ cho các xí nghiệp chăn nuôi quốc doanh Giai đoạn này trên 80% đầu gia súc chăn nuôi quy mô nhỏ, quảng canh hộ gia đình theo phương pháp truyền thống, tận dụng phụ phế phẩm trong nông nghiệp, chăn nuôi thâm canh hầu như chưa phát triển; chăn nuôi hợp tác xã tổ chức các trại chăn nuôi nhỏ 20 30 con lợn, chủ yếu là lợn lai kinh tế, chăn nuôi công nghiệp và bán công nghiệp của các đơn vị quốc doanh có quy mô 500 1000 lợn, gia cầm 5000 10000 con được nhập giống từ Cuba và một số nước khác nhưng không nhiều Chăn nuôi kém phát triển, do đó sản lượng thức ăn sản xuất thấp; chất lượng chưa cao, thiết bị công nghệ lạc hậu

Từ năm 1990 - 1996 kinh tế phát triển nhanh, tốc độ tăng trưởng GDP hằng năm bình quân 6 7 %, sản lượng nông nghiệp đạt được nhiều thành tựu đáng kể, tốc độ tăng trưởng hàng năm bình quân đạt 4,5% Chăn nuôi hàng hóa phát triển, nhu cầu thức ăn chăn nuôi lớn, do đó nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nước đã đầu tư sản xuất thức ăn chăn nuôi với nhiều loại thiết bị, công nghệ hiện đại, tiên tiến có công suất từ 30.000 200.000 tấn/năm Giai đoạn này phát triển nhanh các dây chuyền có công suất từ 5000 10000 tấn/năm do trong nước chế tạo, chủ yếu

là thuộc sở hữu tư nhân, hoặc các trang trại chăn nuôi sản xuất tự cung cấp Các công ty 100% vốn đầu tư nước ngoài có dây chuyền đồng bộ thiết bị hiện đại, công nghệ tiên tiến, công suất 100000 200000 tấn / năm như Proconco; CP Group… Các hãng này có ưu thế về công nghệ và thiết bị nên chất lượng sản phẩm ổn định,

Trang 8

đặc biệt có kinh nghiệm trong chính sách tiếp thị, quảng cáo linh hoạt, nhạy bén

Các đơn vị sản xuất thức ăn trong nước bị khủng hoảng, sản lượng thấp, thị phần

sản phẩm chiếm khoảng 20% do thiết bị cũ, công nghệ lạc hậu, chất lượng sản

phẩm chưa cao

Giai đoạn 1997 – 2007 cùng với sự phát triển mạnh trong nông nghiệp,

chăn nuôi hàng hóa phát triển nhanh, nhiều trang trại chăn nuôi đã hình thành,

nhu cầu thức ăn lớn, đồng thời là lĩnh vực thu lợi nhuận cao Do đó nhiều đơn vị

trong và ngoài nước đã đầu tư và sản xuất thức ăn chăn nuôi Cargill, AFC (Mỹ);

Biomin (Áo); Hàn Quốc; Đài Loan; Trung Quốc; Conffeed (Indonexia)…Các

công ty Group (Thái Lan), Proconco (Pháp) thì mở rộng công suất; các cơ sở hợp

tác sản xuất trong nước đã đầu tư các dây chuyền đồng bộ hiện đại, thiết bị của

Van – Aarsen (Hà Lan) như Bình Định, Đồng Nai, Tiền Giang… Nhiều đơn vị

đã xây dựng thương hiệu có uy tín bằng chất lượng, giá cả và đa dạng hóa sản

phẩm như: thức ăn gia súc VINA, Thanh Bình, Long Châu (Đồng Nai),

DABACO (Bắc Ninh)…

Theo kết quả tổng điều tra nông thôn, nông nghiệp và thủy sản năm 2006,

công bố năm 2007 của Tổng cục thống kê, cho thấy yêu cầu thức ăn chăn nuôi ngày

càng trở nên cấp bách do đó cần đầu tư trang bị, sử dụng nhiều máy chế biến thức

ăn chăn nuôi (nghiền, trộn…) Tính đến nay, toàn quốc đã trang bị 38.264 máy chế

biến thức ăn chăn nuôi (trong đó có khoảng 30% là máy trộn với công suất từ

1,5 2 t/h) Tính bình quân trên 100 hộ là 0,3 chiếc, tập trung nhiều ở các tỉnh Đông

Bắc như Lạng Sơn, Bắc Giang, Cao Bằng…Đây là những loại máy có công suất

nhỏ Riêng các loại dây chuyền chế biến thức ăn gia súc ở Đông Nam Bộ, Đồng

bằng sông Cửu long tuy số lượng bình quân nhỏ nhưng công suất các loại máy là rất

cao từ 8 30 t/h

Bảng sau nêu kết quả đầu tư trang bị của từng vùng trong nước

Bảng 1.1 Mức độ trang bị máy chế biến thức ăn công nghiệp

Đơn vị: chiếc /100 hộ

Máy sấy Máy chế biến

thức ăn chăn nuôi

Máy chế biến lương thực

Thái Nguyên

Phú Thọ Cao

bằng

Tuyên Quang

Yên Bái Bắc Kạn

Cơ sở chế biến nông sản 5383 4951 153 3522 2788 673 Máy chế

biến thức ăn chăn nuôi, chiếc

Riêng Thanh Hóa có 4490 chiếc máy chế biến thức ăn gia súc, tính bình quân 0,61 chiếc/100 hộ Đây là một trong những tỉnh miền Trung mặc dù có nguyên liệu thức ăn chăn nuôi rất dồi dào nhưng lại là nơi thiếu nhiều máy chế biến thức ăn gia súc Về cơ sở chế biến: toàn tỉnh có 10.754 cơ sở chế biến qui mô xã, bình quân 1,47 cơ sở chế biến /100 hộ, trong đó ở những vùng xa, vùng sâu yêu cầu chế biến thức ăn chăn nuôi cấp bách nhưng mức độ đầu tư, trang bị máy còn rất thấp như: Thạch Thành, Vĩnh Lộc, vv…

Trang 9

Theo thống kê của Viện Cơ điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch,

hiện nay thức ăn chăn nuôi công nghiệp mới đạt 3,5 – 3,8 triệu tấn/năm, tức là

chiếm khoảng 30% tổng số thức ăn sử dụng trong chăn nuôi, trong khi đó chỉ tiêu

bình quân trên thế giới là 48%, các nước công nghiệp phát triển đạt 80 – 90%

1.1.2 Khó khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay

- Thiếu nguyên liệu thức ăn chăn nuôi (thiếu nguyên liệu giàu năng lượng như

ngô, thiếu nguyên liệu giàu Protein như bột cá chất lượng cao, khô dầu các loại

hàng năm phải nhập khẩu 800 – 900 nghìn tấn khô dầu, đậu tương; phải nhập

khẩu các nguyên liệu như Vitamin, vi lượng, men tiêu hóa, kháng sinh…);

- Sự phối hợp nghiên cứu liên ngành (nông nghiệp, công nghiệp, hóa dược…) để

tìm và tạo ra nguyên liệu mới chưa được quan tâm;

- Do ảnh hưởng của tư duy cơ cấu nông nghiệp truyền thống, chăn nuôi tận dụng,

một số vùng, một số người chậm đổi mới nhận thức, coi nhẹ chăn nuôi trong cơ

cấu nông nghiệp hàng hóa, không coi thức ăn chăn nuôi là then chốt Đây là khe

hở trong đầu tư nghiên cứu, ứng dụng tiến bộ kỹ thuật và tổ chức sản xuất;

- Giá thức ăn chăn nuôi còn cao khoảng 15 – 20 % so với khu vực và thế giới nên

giá thành sản phẩm chăn nuôi chưa cao.Vì thiếu nguyên liệu, máy móc thiết bị

nhập khẩu giá thành cao, khấu hao lớn, cước phí vận chuyển cao so với giá trị

hàng hóa;

- Chất lượng thức ăn chăn nuôi, nhất là ở các cơ sở vừa và nhỏ còn thấp và không

ổn định Nguyên nhân do công nghệ và thiết bị lạc hậu, thiếu vốn nên không chủ

động được nguyên liệu;

- Chi phí cho nguyên liệu chế biến thức ăn chăn nuôi khá cao (chiếm khoảng 75 –

80%; mặt khác cơ sở chế biến thức ăn nhỏ (doanh nghiệp, tư nhân) còn dùng

nhiều lao động phổ thông cho nên chi phí chiếm gần 20%

Bảng 1.2 Chi phí cho sản xuất thức ăn chăn nuôi (cho 1 kg) ở một số vùng

Nguyên liệu Lao động Năng lượng nhiên liệu Chi phí quản lý

Loại hình vốn đầu tư 100% của nước ngoài

Nguồn: TS Nguyễn Năng Nhượng (2004)-“Một số thành tựu khoa học công nghệ

về cơ giới hoá chế biến thức ăn chăn nuôi sau 20 năm đổi mới”

Thức ăn chăn nuôi chiếm 65-75% giá thành sản phẩm chăn nuôi, là nguyên nhân chính làm cho giá sản phẩm chăn nuôi ở Việt Nam cao hơn các nước trong khu vực

15 – 20% Để nâng cao và ổn định chất lượng, giảm giá thành cần luôn quan tâm

đầu tư tạo đủ nguồn nguyên liệu, cải tiến công nghệ, thiết bị và áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ mới nhất vào lĩnh vực chế biến thức ăn chăn nuôi

1.1.3 Tình hình nghiên cứu và chuyển giao máy, thiết bị phục vụ chế biến thức

ăn chăn nuôi ở Việt Nam

1.1.3.1.Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi

Tuỳ thuộc vào giống, quá trình sinh trưởng và phát triển của vật nuôi, nhu cầu dinh dưỡng rất khác nhau Do yêu cầu khắt khe về dinh dưỡng và nguyên liệu đưa vào chế biến rất đa dạng nên trong quy trình chế biến, dù rất hiện đại, thức ăn chăn nuôi vẫn phải chế biến theo mẻ Theo cách chung nhất, thức ăn chăn nuôi được chế biến theo quy trình sau:

Trang 10

Trong mỗi công đoạn chế biến có nhiều phương án và giải pháp kỹ thuật khác

nhau Nhưng nhìn chung dây chuyền thiết bị càng tiên tiến thì năng suất, chất lượng

sản phẩm càng cao và ổn định Trên cơ sở quy trình tổng quát, tuỳ thuộc vào mức

độ cơ giới hoá và khả năng tài chính của mình mà các doanh nghiệp quyết định

chọn quy trình công nghệ và máy móc, thiết bị phù hợp

1.1.3.2 Quy mô phân tán

Quy mô chế biến thức ăn chăn nuôi thường có năng suất 300 – 1000 kg/h sản

xuất các loại thức ăn tổng hợp dạng bột phục vụ chính cho cơ sở chăn nuôi hoặc

làm dịch vụ tại các thôn xã

Mô hình này đã, đang và sẽ tiếp tục phát triển trong tương lai, vì nó tận dụng

được nguồn nguyên liệu sẵn có (cám, ngô, khoai, sắn…) ở địa phương và thích hợp

cho chăn nuôi phân tán, quy mô nhỏ ở nông thôn, miền núi, vùng sâu, vùng xa

Nguồn cung cấp vi lượng, đạm, chất bổ sung là thức ăn đậm đặc do các cơ sở quy

mô sản xuất tập trung

Thiết bị trong các mô hình này chủ yếu là máy trộn và máy nghiền Máy trộn

thường dùng máy trộn đứng công suất 100 - 300kg/mẻ do trong nước chế tạo Rất ít

cơ sở dùng máy trộn ngang, mặc dù máy trộn ngang cho chất lượng đồng đều cao

hơn, nhưng tiêu tốn nhiều điện năng hơn và giá thành cũng cao hơn

H 1.1.Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi

Ép tạo viên Đóng bao

Máy nghiền thường có công suất 300-1000kg/h do Việt Nam hoặc Trung Quốc chế tạo Tuy nhiên, các loại máy nghiền thường lấy sản phẩm ra bằng quạt hút, nên tăng đáng kể chi phí điện năng, máy hay bị tắc và bụi Để khắc phục những tồn tại trên, trong những năm 1990 Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch

đã nghiên cứu, chế tạo ra mẫu máy nghiền không sàng (sàng ngoài) và phần nào đã đáp ứng được yêu cầu của sản xuất

Có thể nói, các máy móc, thiết bị quy mô phân tán trong nước hoàn toàn chế tạo được Tuy nhiên do một thời gian dài ít được quan tâm nên chưa có các cải tiến phù hợp với sản xuất hiện nay

1.1.3.3.Quy mô tập trung

Sản xuất thức ăn chăn nuôi ở quy mô tập trung thường năng suất từ 2; 3; 5; 10; 15; 20; 30 tấn/h và lớn hơn

a, Quy mô 2 -5 tấn/h

Các cơ sở vốn ít, nhất là các cơ sở mới thành lập thường chọn quy mô 2; 3 hoặc

5 tấn/h để đầu tư Sản phẩm chủ yếu là thức ăn tổng hợp và đậm đặc và dạng bột

Có một số cơ sở đầu tư sản xuất thức ăn viên nhưng chưa nhiều

Ở dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng bột, ngoài một số thiết bị phụ trợ (gầu tải, vít tải, quạt hút…) thiết bị chủ yếu là máy nghiền và máy trộn đứng, nhưng được bố trí hợp lý nên phát huy hiệu quả tương đối cao Đi tiên phong trong quy mô này là Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch Từ năm 2000 đến nay trên 50 dây chuyền đã được chuyển giao vào sản xuất

b, Quy mô 10 – 30 tấn/giờ và lớn hơn

Với quy mô 10 – 30 tấn/giờ, hiện tại ở Việt Nam cũng song song tồn tại hai quy trình công nghệ và theo đó là hệ thống máy móc thiết bị Tuy nhiên, ở quy mô này hầu hết các máy và thiết bị được nhập khẩu đồng bộ từ nước ngoài, công nghiệp trong nước chưa chế tạo được hoàn chỉnh Thời gian gần đây, giá thành nhập đồng

bộ dây chuyền cao, nhiều cơ sở chỉ nhập những thiết bị chính, còn các thiết bị phụ trợ như gầu tải, vít tải, thùng chứa…chế tạo trong nước để giảm chi phí đầu tư

Trang 11

c, Mô hình đầu tư

+ Đối với chăn nuôi truyền thống hộ gia đình, đây là hình thức chăn nuôi tận dụng

các phụ phế phẩm trong nông nghiệp như xay xát kiêm nghiền ngô, khoai sắn ở nông

thôn, vùng sâu, vùng xa phục vụ nội tiêu tại chỗ là chủ yếu Ở đây sử dụng máy

nghiền loại nhỏ công suất 200 – 300 kg/h và hầu như chưa có máy trộn Để nâng cao

chất lượng thức ăn cần trang bị các máy trộn đứng công suất từ 100 – 300 kg/mẻ

+ Ở các cơ sở chế biến phân tán, bán công nghiệp quy mô 1 – 2 tấn/h sản xuất chủ

yếu thức ăn tổng hợp dạng bột phục vụ cho nhu cầu chăn nuôi của cơ sở mình hoặc

dịch vụ nghiền trộn tại địa phương Thiết bị chủ yếu là máy nghiền, máy trộn đứng,

vít tải, gầu tải, điều khiển thủ công và do trong nước chế tạo Dự báo trong thời gian

tới mô hình này sẽ phát triển mạnh vì quy mô chăn nuôi tập trung phát triển và vốn

đầu tư cho dây chuyền thấp

+ Quy mô từ 2 – 5 tấn/h với sản phẩm là thức ăn tổng hợp và đậm đặc dạng bột,

thiết bị chủ yếu là máy nghiền, máy trộn đứng và các thiết bị phụ trợ do trong nước

chế tạo Mô hình này phát triển mạnh trong thời gian qua Tuy nhiên để phù hợp với

xu thế phát triển, mô hình này sẽ dần được thay thế bằng các dây chuyền đồng bộ

quy mô 4 – 5 tấn/h với sản phẩm dạng bột và viên kết hợp với điều khiển tự động

hoàn toàn hoặc tự động từng công đoạn Ngoại trừ máy ép viên, tất cả các dây

chuyền đều do trong nước chế tạo, kể cả trung tâm điều khiển

+ Đối với các cơ sở chế biến công nghiệp công suất từ 10 tấn trở lên, đây là quy mô

đang phát triển mạnh Các công ty có tên tuổi của nước ngoài đầu tư quy mô công

suất 20 – 40 tấn/giờ Đây là các dây chuyền đồng bộ, thiết bị hiện đại, công nghệ

tiên tiến với mức độ tự động hóa cao Hiện các dây chuyền này được nhập đồng bộ

hoặc các máy chính của nước ngoài

Nhận xét

Qua phân tích về tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam, những

khó khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay, và tình hình nghiên cứu

và chuyển giao máy, thiết bị phục vụ chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam thời

gian qua, đặc biệt là qua phân tích mô hình đầu tư, tác giả thấy cần phải nghiên cứu

sản xuất máy chế biến thức ăn gia súc tại Việt Nam, nhất là trong mô hình cơ sở chế

biến phân tán, bán công nghiệp quy mô 1 – 2 tấn/h Nội dung luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu về máy trộn thức ăn gia súc trong mô hình sản xuất này, nhằm đề xuất thiết kế dãy máy trộn hợp lý

1.2 Tình hình nghiên cứu khoa học về máy trộn thức ăn gia súc

Trong sản xuất công nông nghiệp nói chung, máy trộn là máy công tác được dùng rộng rãi trong nhiều ngành:

- Chế biến thức ăn gia súc;

- Tăng cường các phản ứng hoá học hay sinh học khi chế biến thực phẩm hoặc thức ăn gia súc: trộn thức ăn với men để ủ, trộn các chế phẩm hoá dược;

- Tăng cường các quá trình trao đổi nhiệt khi đun nóng hay làm lạnh: như khuấy sữa trong khi đun để chóng cô đặc

1.2.1.Tình hình và kết quả nghiên cứu máy trộn trên thế giới

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại máy trộn, riêng về máy trộn thức ăn gia súc có thể phân loại:

+ Phân loại theo cấu tạo :

- Máy trộn có bộ phận quay, thùng máy đứng yên;

Trang 12

Phổ biến của nhóm này gồm các loại kiểu bộ phận trộn: vít, cánh gạt, hành tinh,

cánh xoắn, vít đứng, ly tâm, nghiền trộn (kiểu va đập) Ưu điểm là chất lượng trộn

cao, dễ nạp và xả, dễ sử dụng, làm việc gián đoạn hoặc liên tục và có thể trộn ẩm

Nhược điểm là khó khó làm sạch, mức tiêu thụ điện năng riêng cao, giá thành chế

tạo máy cao…

- Máy trộn có thùng quay;

Nhóm này gồm các kiểu: trống (lập thể, chữ V…) kiểu nón đơn, nón kép…

Nhóm này có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ làm sạch, công suất máy

thấp…Nhược điểm là tốc độ trộn đều thấp (n=50v/ph), chỉ làm việc gián đoạn, thể

tích hữu ích thấp ( =50%), không trộn được vật liệu nhão, dính

+ Theo cách bố trí đặt máy: loại tĩnh tại và loại lưu động;

+ Theo thời gian hoạt động: liên tục và gián đoạn;

+ Theo vị trí bộ phận trộn: ngang, nghiêng, đứng;

+ Theo tính chất cơ lý của thức ăn: khô, nhão, loãng;

H1.2 Phân loại máy trộn thức ăn gia súc

So sánh ưu nhược điểm một số loại máy trộn thức ăn gia súc phổ biến trên thế giới:

- Máy trộn cánh gạt: Trộn được nhiều loại thức ăn, tháo lắp và làm sạch thuận tiện, có khả năng bố trí vào liên hợp máy chế biến liên tục, mức tiêu thụ điện năng tương đối cao;

- Máy trộn vít đứng phổ biến cho các loại thức ăn bột khô, mức tiêu thụ điện năng riêng nhỏ, diện tích bố trí máy gọn, giá thành chế tạo và giá thành sản phẩm tương đối thấp nhưng chất lượng trộn không cao lắm;

- Máy trộn hành tinh có cấu tạo phức tạp, năng suất thấp;

- Máy trộn giải xoắn (ngược dòng) phổ biến ở Mỹ, Pháp có chất lượng trộn tốt, trộn được nhiều loại thức ăn, nhưng cấu tạo phức tạp, tiêu thụ điện năng riêng cao;

Về phương diện cấu tạo, đa số các tác giả tập trung nghiên cứu loại máy trộn cánh gạt, nằm ngang, làm việc gián đoạn hoặc liên tục, nhất là kiểu hai trục cánh trộn trong số các máy trộn thức ăn gia súc Do máy trộn này có tính chất vạn năng, trộn được nhiều loại thức ăn gia súc có cơ lý tính khác nhau, đặc biệt là áp dụng tốt với thức ăn ẩm, nhão;

Đối với thức ăn khô là loại phổ biến chủ yếu, chế biến rộng rãi ở các cơ sở, các xí nghiệp chế biến Các kiểu máy trộn cánh gạt, nằm ngang, gián đoạn cũng đáp ứng được yêu cầu trên nhưng còn nhiều nhược điểm hơn so với máy trộn kiểu vít đứng Ví dụ cùng một lượng tải và thời gian trộn thì máy trộn kiểu cánh gạt cho chất lượng trộn thường thấp hơn, mức tiêu thụ điện năng riêng cao hơn;

Về phương diện lý thuyết tính toán, mặc dù khâu trộn vật liệu đã được phát triển rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất, nhưng việc nghiên cứu vẫn chưa toàn diện, chủ yếu mang tính chất thực nghiệm Việc xác định các thông số của quá trình trộn và các quy luật trộn gặp khó khăn, chủ yếu là do nhiều yếu tố biến đổi ảnh hưởng đến động lực học của máy trộn: cơ lý tính của các thành phần thức ăn, nguyên lý trộn và các chỉ số công nghệ khác

Kết quả của những công trình nghiên cứu về lý thuyết máy trộn của một

số tác giả được công bố như sau:

- Trong máy trộn khi làm việc diễn ra hai quá trình: trộn đều (quá trình thuận) và quá trình phân lớp (quá trình ngược) Hai quá trình đó diễn biến theo thời gian trộn đến lúc hỗn hợp bột đạt tới trạng thái “cân bằng động lực”, thì tỷ lệ thành phần mà

Trang 13

ta xét trong mẫu đo thực tế không thay đổi nữa dù có tiếp tục trộn thêm Sau trạng

thái “cân bằng động học” nếu tiếp tục thời gian trộn thì độ trộn đều lại có thể bị

giảm đi

Pacкaтoвa E.A [ 3 ] đã đề xuất phương trình động học của quá trình trộn dưới dạng:

VC = f1(t) + f2(t)

Trong đó:

- VC : Độ trộn không đều của hỗn hợp

- f1(t) :Hàm đặc trưng cho quá trình trộn thuận

- f2(t): Hàm đặc trưng cho quá trình trộn ngược

- Hiện tượng cân bằng động xảy ra khi f1(t) = f2(t)

Một số tác giả khác cũng đã có những nhận xét tương tự như vậy, đã coi quá

trình trộn là sự thay đổi mật độ Ci của thành phần hỗn hợp, đã thành lập mối quan

hệ giữa tốc độ quá trình trộn với sự thay đổi mật độ Ci trong một đơn vị thời gian

tính theo công thức:

dt t df dt t df dt

dC

Một phương hướng nghiên cứu máy trộn nữa là để nắm vững được bản chất

thiết bị trộn và để điều khiển thiết bị hoạt động theo hướng tối ưu, một số tác giả đã

nghiên cứu thành lập được các mô hình toán học hoặc vật lý mô tả quan hệ đặc

trưng cho các quá trình xảy ra trong máy trộn (quá trình chuyển khối lượng, quá

trình chuyển năng lượng nhiệt, quá trình chuyển động lượng thuỷ động)

Những máy trộn dùng trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hoá dược đã

được nhiều tác giả nước ngoài nghiên cứu theo hướng trên, nhất là đối với các quá

trình trộn lỏng, trộn các dung dịch nhũ tương, huyền phù,

Đối với thiết bị trộn khô thì mô hình toán học biểu thị quá trình chuyển khối lượng

đã được Damkoehler [10] mô tả bằng phương trình bảo toàn động lượng với dạng

div( v) div(D grad ) G 0

- Bề mặt chuyển pha riêng;

G - Lượng biến đổi do nguồn khối lượng;

Đối với mô hình máy trộn thức ăn gia súc, một số tác giả đã nêu lên mô hình toán như sau:

- Mô hình toán của Pacкaтoвa E.A biểu thị chất lượng trộn trên cơ sở nghiên cứu máy trộn kiểu cánh gạt, nằm ngang:

( ) lg( ) (1, 1, 2, , t)

l

g l

l f t D t A

Trang 14

0- mật độ ban đầu của chất phụ gia ở thời điểm to;

- mật độ trung bình của chất đó ở thời điểm t;

, - các hệ số

Ngoài ra một số tác giả đã nghiên cứu đề xuất các phương pháp tính toán và

xác định chất lượng hỗn hợp để đánh giá độ trộn đều của các máy trộn (Kaфapoв

B.B [1] và những tác giả khác)

Trong thời gian gần đây, đã có các nghiên cứu về máy trộn dựa vào phương

pháp phân tích cấu trúc, thông qua thực nghiệm, nhất là việc ứng dụng quy hoạch

thực nghiệm, lý thuyết đồng dạng phép phân tích thứ nguyên để đề xuất các mô

hình toán học, mô hình vật lý

Tuy nhiên tác giả được biết những nghiên cứu theo phương pháp này trên thế

giới đối với loại máy trộn bột kiểu vít đứng chưa được thực hiện cụ thể và rất ít loại

tài liệu nghiên cứu đã công bố về loại máy trộn đó

Trong công nghiệp chế biến thức ăn gia súc, đại bộ phận là trộn hỗn hợp dạng

bột khô với khối lượng lớn Khi trộn vật liệu bột này, các hạt bột chịu tác động của

những lực có xu hướng khác nhau ngẫu nhiên và chuyển động của các hạt bột chính

là hệ quả của tổng hợp các lực đó

Theo Lecey P.H.C (Anh), trong máy trộn bột thường có 5 quá trình cơ bản xảy ra:

1- Tạo các lớp trượt với nhau theo mặt phẳng - quá trình trộn cắt;

2- Chuyển dịch từng nhóm hạt bột từ vị trí này tới vị trí khác- quá trình trộn đối lưu;

3- Thay đổi vị trí của từng hạt bột riêng rẽ - quá trình trộn khuếch tán;

4- Phân tán từng phần tử do va đập vào thành máy- quá trình trộn va đập;

5- Biến dạng và nghiền nhỏ các hạt- quá trình trộn nghiền

Tùy theo cấu trúc máy trột và tính chất cơ lý của các thành phần bột, có thể chỉ

xuất hiện một hoặc một vài trong số những quá trình đã nêu Cũng do tác động khác

nhau rất ngẫu nhiên của các lực vào hạt bột và sự phụ thuộc của cấu trúc máy trộn

vào phương pháp thực hiện các quá trình, cho nên quá trình trộn bột khô rất khó mô

tả đầy đủ bằng lý thuyết với các mô hình toán Ở máy trộn kiểu vít đứng thì các quá

trình chủ yếu là trộn khuếch tán và đối lưu…

1.2.2.Tình hình và kết quả nghiên cứu máy trộn ở Việt Nam

Trong nước ta đã nhập và sử dụng một số loại máy trộn thức ăn gia súc từ những năm 1960 ở các nông trường chăn nuôi và một số cơ sở chế biến thức ăn gia súc Một số cơ quan nghiên cứu cơ giới hóa nông nghiệp, các nhà máy cơ khí phục

vụ nông nghiệp cũng đã thiết kế chế tạo máy trộn thức ăn gia súc từ những năm

1970, quan tâm đến máy trộn kiểu vít đứng Viện thiết kế máy nông nghiệp, Bộ cơ khí luyện kim đã chế tạo máy trộn bột vít đứng TK-0,5 năm 1974 (không ống bao, sau đó cải tiến có ống bao vít) Năm 1976 Trường Đại học nông nghiệp 1 đã thiết kế chế tạo máy trộn bột vít đứng TB-1,0 với loại ống bao cải tiến có các cửa sổ, từ đó

đã thiết kế chế tạo tiếp các mẫu máy TK-1A, TB - 1B Viện công cụ cơ giới hóa Nông nghiệp, Bộ nông nghiệp thiết kế chế tạo máy trộn bột kiểu vít đứng TK-1A

năm 1978 theo nguyên lý ống bao có các cửa sổ như mẫu máy TB-1,0

Kết quả thiết kế chế tạo, khảo nghiệm quốc gia và sử dụng kiểu máy trộn vít đứng ở nước ta đã chứng tỏ kiểu máy trộn này có cấu tạo tương đối đơn giản dễ sử dụng, đáp ứng tương đối tốt chất lượng trộn, phù hợp với mô hình sản xuất phân tán quy mô 1-2 tấn/h hiện nay Máy trộn kiểu vít đứng chủ yếu dùng để trộn bột khô, không đòi hỏi tính chất vạn năng cho cả thức ăn ẩm, nhão hay lỏng

Bảng 1.3 Xác định chỉ tiêu chất lượng các máy trộn tham gia khảo nghiệm

1 Tốc độ quay của máy trộn (v/min) 300 515 307

9 Độ nhỏ trung bình của nguyên liệu 0,69 0,69 0.69

10 Độ ẩm trung bình của nguyên liệu (%) 13,43 13,43 13,43

Nguồn: TS Nguyễn Năng Nhượng (2004)-“Một số thành tựu khoa học công

nghệ về cơ giới hoá chế biến thức ăn chăn nuôi sau 20 năm đổi mới”

Trang 15

Từ bảng trên ta thấy rằng kiểu máy trộn vít đứng có ống bao cải tiến (mở thêm

các hàng cửa sổ) ở mẫu máy TB-1 của Trường Đại học Nông nghiệp 1 đã đạt được

các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt hơn kiểu vít đứng thông thường Kết quả này cũng

đạt tốt ở mẫu máy trộn TK - 1A của Viện công cụ và Cơ giới hoá nông nghiệp đã

chế tạo theo nguyên lý đó

Cho đến nay việc nghiên cứu lý thuyết tính toán cũng như thực nghiệm cho máy

trộn kiểu vít đứng vẫn chưa được giải quyết đầy đủ và toàn diện để làm cơ sở thiết

kế cải tiến thêm mẫu máy đó

1.2.3 Những tồn tại trong nghiên cứu máy trộn thức ăn gia súc kiểu vít đứng

Như trên đã trình bày, máy trộn kiểu vít đứng đã được thiết kế chế tạo và thông

dụng ở nước ta, nhưng các thông số cấu tạo và sử dụng các loại máy này chủ yếu

dựa vào các tài liệu mẫu máy của nước ngoài Vấn đề khảo nghiệm để nghiên cứu

kiểu máy trộn này trong nước ta cho đến nay rất ít người thực hiện (trước đây

PGS.TS Nguyễn Thị Minh Thuận đã nghiên cứu về mẫu máy này -1988) Hiện nay

nhu cầu của ngành thiết kế chế tạo máy cũng như của ngành sử dụng máy đòi hỏi

những máy đã thiết kế, chế tạo và sử dụng cần được tiếp tục nghiên cứu khảo

nghiệm, được xác định các thông số hợp lý để làm cơ sở cải tiến hoàn thiện hơn,

nhằm đạt được những chỉ tiêu kỹ thuật tối ưu về năng suất, chất lượng và mức tiêu

thụ điện năng riêng…

Thực tế, nhiều thông số thiết kế chế tạo máy trộn vít đứng còn chưa đủ cơ sở

khoa học để lựa chọn, chưa đặt mối liên quan giữa các yếu tố cấu tạo và sử dụng

cũng như trong điều kiện kinh tế xã hội ở địa phương

Hiện nay, chế độ vận tốc ở các máy trộn đã thiết kế khác nhau rất xa 300-

500v/ph, giải thời gian trộn khá lớn 7 – 15 ph/mẻ, khối lượng một mẻ trộn từ 200 – 300

kg…Vậy cần chọn cơ sở đảm bảo các thông số của máy trộn cho thật phù hợp với điều

kiện kinh tế xã hội Ngoài ra, hiện nay xuất hiện nhu cầu trong sản xuất quy mô phân

tán là sử dụng máy trộn có năng suất dưới 1 tấn/h, nhằm thích hợp với người sử dụng

quy mô gia trại, vì thế việc tìm ra các thông số hợp lý nhằm giúp cho việc thiết kế chế

tạo dãy máy trộn bột vít cũng cần phải được nghiên cứu và giải quyết

KẾT LUẬN CHƯƠNG I

1- Để đưa chăn nuôi trở thành ngành chính, một trong những khâu quan trọng luôn được quan tâm là chế biến thức ăn phục vụ cho các loại hình chăn nuôi: trang trại, người làm dịch vụ, hộ chăn nuôi gia đình

2- Trong điều kiện sản xuất ở nhiều vùng chăn nuôi còn phân tán cần mô hình chế biến thức ăn qui mô nhỏ từ 1 – 2 t/h với hệ thống thiết bị phù hợp (nghiền, trộn), đảm bảo chất lượng thức ăn, giá thành trang bị phù hợp với vốn đầu tư của nông dân đang là vấn đề rất cấp bách

3- Nhiều công trình nghiên cứu của các tác giả nước ngoài đều quan tâm đến chuyển động của khối hỗn hợp bột trong quá trình trộn, từ đó xác định được chất lượng trộn, làm cơ sở cho tính toán thông số cấu tạo của máy trộn

4- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số cấu tạo và sử dụng (thời gian trộn, tốc độ bộ phận trộn, khối lượng một mẻ trộn) tới độ trộn đều và mức tiêu thụ điện năng riêng của máy trộn vít đứng kiểu TK-1A do Trung tâm phát triển cơ điện và Trung tâm Cơ điện và ngành nghề nông thôn thiết kế chế tạo Áp dụng phương pháp quy hoạch hoá thực nghiệm, đề xuất các mô hình toán và phân tích xác định các giá trị thông số tối ưu cho mẫu máy, làm cơ sở thiết kế chế tạo mẫu máy mới đạt các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt hơn;

5- Ứng dụng lý thuyết đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên xác định một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của dãy máy trộn vít đứng trên cơ sở mẫu máy TK-1A

Trang 16

Chương II NGHIÊN CỨU QUY LUẬT CHUYỂN ĐỘNG CỦA KHỐI HỖN HỢP BỘT

TRONG MÁY TRỘN VÍT ĐỨNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐỒNG DẠNG - MÔ HÌNH - THỨ NGUYÊN

2.1 Phương trình chuyển động của khối bột trong thùng trộn

Đây là nghiên cứu dựa trên lý thuyết chuyển động của vật tơi trong thùng chứa

do Tiến sỹ Ghiatrep (Liên Xô) công bố Tác giả đã nghiên cứu về chuyển động của

khối bột trong máy trộn vít đứng có ống bao gồm:

- Chuyển động của khối bột ngoài ống bao (Chủ yếu theo quy luật tự chảy trong

thùng chứa);

- Chuyển động của khối bột trong ống bao do vít đẩy bột lên phía trên qua các cửa

sổ ống bao và qua miệng trên của ống bao

Để đảm bảo cho khối hỗn hợp được nhanh đều và tải trọng tác động vào trục

máy cũng như điện năng tiêu thụ ổn định hơn, hai phần chuyển động đó phải nối

tiếp nhau liên tục Khối bột phải được vít đẩy lên liên tục xáo trộn, khuếch tán liên

tục qua các cửa sổ, không lúc nào bị ùn hay bị hẫng Do đó, cần xác định quy luật

và phương trình chuyển động của khối bột trong và ngoài ống bao, xác định điều

kiện bảo đảm tính liên tục, thể hiện ở mối quan hệ giữa một số thông số cấu tạo và

sử dụng máy Đồng thời có thể áp dụng kết quả để tính toán thiết kế cho mẫu máy

trộn mới

Các giả thiết dựa trên lý thuyết chuyển động của vật tơi trong thùng chứa:

- Khối hỗn hợp bao gồm các hạt hình cầu (tương đương) tuyệt đối rắn, đồng đều,

sắp xếp thành những lớp vuông góc với trục máy Trong khi chuyển động giữa

thành thùng máy và thành ống bao, các lớp bột đảm bảo tính chất chảy tầng, và khối

lượng thể tích không thay đổi đáng kể (tức là không bị nén đáng kể);

- Lực ma sát nội tại giữa các hạt bột và lực ma sát của bột với thành thùng trộn đều

tuân theo định luật Culông, tỷ lệ thuận với các lực pháp tuyến;

- Thùng trộn và ống bao bảo đảm hình dạng tròn xoay khi trộn khối bột chứa trong

máy cho mỗi mẻ trộn đảm bảo hệ số chứa tối đa cho phép ( =0,9), sẽ giữ ở mức

A-A ngang với miệng trên của ống bao Trong khi chuyển động ở ngoài ống bao các

hạt bột lần lượt chuyển động xuống dưới từ mức A-A tới mức B-B trong phần hình trụ, rồi tới mức C-C trong phần thùng hình nón cụt Tới đó khối bột sẽ được vít đưa lên theo dòng chuyển động của ống bao, tiếp ngay với chuyển động trên Như vậy ở mức C-C lớp bột được coi như rơi tự do vào khoảng tác động của vít trộn, để nhập vào chuyển động theo vít trộn;

- Tác dụng cản chuyển động của khối bột ở phần thùng hình trụ là do thành hình trụ của thùng trộn có chiều cao H2 với hệ số cản chuyển động k1H2 và thành hình trụ của ống bao ứng với chiều cao H2 và có các mái cửa sổ nghiêng một góc ( =

450) với hệ số cản chuyển động k2H2 Còn ở phần thùng nón cụt tác dụng cản là do thành nón cụt của thùng có chiều cao H1 và góc nghiêng ( = 180) với hệ số cản chuyển động k1H1 và thành hình trụ của ống bao ứng với chiều cao H1 và cũng có các mái cửa sổ nghiêng một góc với hệ số cản chuyển động k2H1 (các hệ số cản này được xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán bằng công thức do ячев B [2] đề xuất)

Tính toán phương trình chuyển động của khối bột ở phần thùng nón cụt trước, rồi áp dụng phương trình đó cho khối bột ở phần trụ bằng cách thay góc nón = 0 và thay hệ số cản, các áp lực tác động (Hình 2.1)

a, Phương trình chuyển động của khối bột ở phần nón cụt

H2.1.Sơ đồ cấu tạo của máy trộn bột kiểu vít đứng và đường chuyển động

của khối hỗn hợp bột trong máy

1 – Vít trộn; 2 - Ống bao; 3- Thùng trộn; 4 - Ống xả bột; 5 – Thùng cấp liệu

Trang 17

Giả sử đặt gốc toạ độ 0 ở tâm lớp B-B, trục 0x hướng theo chiều chuyển

động của khối bột (thẳng đứng, hướng phía dưới), trục 0y nằm ngang Ta xét

chuyển động của một phần tử lớp bột ở khoảng cách x, bề dày dx Hai lớp trên và

dưới của phần tử lớp đó chịu tác động ép của các lực P và Q ( Q = P + dP) Các

phần lớp bột này là những hình vành khăn bao giữa thành thùng và thành ống bao

)()( (2.2) Trong đó:

Để xét gia tốc a, ta gọi lưu lượng của khối bột qua một tiết diện bất kỳ của

thùng bằng q Theo ячев B [2] đã công bố khi nghiên cứu lý thuyết chuyển

động của vật tơi trong thùng chứa hình nón, lưu lượng q phụ thuộc vào thời gian t

và như vậy sẽ đạt trị số tới hạn sau một thời gian nhất định

( 2 2) ( )2 2 )

t q v r bx R v r y

q (2.3)

Trong đó

dt

dx v

Như vậy ta sẽ có

2 2 2 2 2

2

)(2'

bx R b q r bx R

q r

y

q dt

d dt

dRx = kPdx (2.6) Theo tiến sỹ ячев B [2], hệ số cản chuyển động k phụ thuộc vào góc ma sát giữa khối bột và thành máy, góc ma sát nội tại giữa các hạt bột, góc xếp đặt (trung bình) giữa các hạt bột ở các lớp, góc nghiêng của thành thùng hình nón

và phụ thuộc vào độ nhỏ của bột (đường kính trung bình d của các hạt bột) Hệ số cản chuyển động k được tính theo công thức:

,,cos)(1

)(

,,cos)()(1

)()(

1 2

1 1

m d tg tg tg tg k

m d tg tg

tg tg k

(2.7)

Thay các giá trị của dm, a, dG, dRx vào (2.1) được phương trình vi phân :

2 2

2

)(

)(2')

(

r bx R g

bx R b q q r bx R kP dx

2

B r R gk

Rbq kg

q A P

C B (2.9)

Trang 18

Với

2 2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 2 2

2

)2(

)()21

(

2)2(2)

(

Rbx r R r R x

r R

Rb x

B

k

Rb k

x k

x x k

b k

Rbx r R

x

A

(2.10)

kx kx

r R gk

Rbq e

kg

q e A

2)1()0(

2 '

(2.11) Xét lớp bột cuối cùng C-C là chỗ khối bột tụt xuống hết phần nón cụt để được vít

chuyển lên trong ống bao, với toạ độ x = H1 và PG = 0:

1 1

1

)(

2)1()0()

2 '

1

kH kH

r R gk

Rbq e

kg

q e A H

A

e

P

Qua quá trình biến đổi đã tính được:

-Lưu lượng q của khối bột qua đáy dưới:

)12(

2

2 2

2

RbH r R g m

RbH r R

Rb n

Rbg th

Rb RbH r R g

V H

12

22

)12(

2 2

Gia tốc aH1 của lớp bột ở tiết diện C-C được tính theo công thức

)

12

21

RbH r R

Rbg th

g

aH (2.17)

b) Phương trình chuyển động của khối bột ở phần thùng hình trụ

Khối bột chuyển động của phần hình trụ có thể coi là trường hợp riêng của phần nón cụt với 0 với hệ số cản chuyển động k = k1H2 + k2H2 (của thành hình trụ và của thành ống bao có các mái cửa sổ nghiêng một góc 0

45 ) Vẫn giữ trục toạ độ Oxy (hình 2.1), có áp lực ở toạ độ x = 0 và P B 0, nghĩa

là ở mức B-B, do trọng lượng của khối bột chứa trong phần hình trụ luôn luôn đầy

do vít đẩy lên đổ qua các cửa sổ ống bao Áp lực ở toạ độ x H2sẽ bằng không (PA = C) vì nói chung là mặt thoáng

Theo công thức tính gia tốc a của phần tử lớp bột dx, với b = 0, ta có:

)(

1.)(

'

2 2 2

2

r R dt

dq r R

q

a (2.18) Phương trình vi phân chuyển động của lớp bột:

( 2 2) (1 )

g

a r R kP dt

dP

(2.19) Nghiệm tổng quát của phương trình trên là:

Ce g

a k

g r R

2 2

(2.20)

Để tính bằng số C, thay trị số của toạ độ x = -H2 và P=PA= 0

2 2

kH Ce g

a k

g r R

C (2.21)

Suy ra: ( (1 )1 exp ( 1)

2 2

H x k g

a k

r R

P (2.22) Tuy nhiên ta có thể nhận xét rằng chuyển động khối bột qua phần trụ tới phần nón cụt là liên tục ở mức B-B, ở phần nón cụt khối bột chuyển động chậm hơn

do hệ số cản chuyển động lớn hơn, tiết diện đáy dưới nhỏ hơn Do đó chuyển động

ở phần trụ phụ thuộc vào chuyển động ở phần nón cụt Để tính toán điều kiện

Trang 19

chuyển động liên tục của khối bột từ ngoài vào trong ống bao, ta chỉ cần quan tâm

tính toán chuyển động của khối bột qua phần nón cụt

Khi a = 0 khối bột chuyển động đều hoặc đứng yên trong thùng trụ đó

Khi đó gọi trọng lượng P0x của khối bột chứa từ tiết diện A-A tới mức x, có

lượng của toàn khối bột V02 chứa trong phần trụ

c) Chuyển động của khối bột trong ống bao

Hình 2.2 Quá trình chuyển động của bột trong ống bao

a) Sơ đồ ống bao vít

b) Sơ đồ mặt cắt ngang của vít và ống bao (để tính vận tốc của khối

bột do vít đẩy qua các cửa sổ)

(b)

(c) (a)

2r v 2r

nV/ph

H

M M'

Vt

Vt L K

Vb= S.n/60 (m/s);

s: Bước vít;

n: Tốc độ của vít (v/ph);

rv, rt- bán kính của vít và bán kính của trục vít (m);

- Hệ số chứa của ống bao; = 0,8 – 0,85

Trong khi khối bột được nâng lên, gặp các cửa sổ của ống bao, được vít gạt văng qua mặt cắt của cửa sổ với vận tốc vcs có diện tích bằng fcs.cos , trong đó:

fcs - diện tích của mỗi cửa sổ vuông (fcs = a.a)

- góc nghiêng của mái che ( = 450)

Để đảm bảo phân tán đều khối bột qua các cửa sổ và qua miệng trên của ống bao, để đảm bảo độ trộn tối ưu, số cửa sổ K và diện tích mỗi cửa sổ fcs được xác định để lưu lượng giây qua các cửa sổ nhỏ hơn lưu lượng qvt do vít đẩy lên và nhỏ hơn một lượng bằng số lưu lượng văng qua một hàng cửa theo tiết diện ngang Nếu mỗi hàng ngang có i cửa sổ thì ta có viết:

q v f cs.cos (k i)v cs (2.27)

Để xác định vận tốc vcs, ta nhận xét là do khe hở giữa vít và ống bao khá nhỏ,

do đó có thể coi phần tử bột trượt trên mặt vít ra tới mép vít văng qua cửa sổ với vận tốc tiếp tuyến vt đều:

30

n r

t (m/s) (2.28) Những phần tử ở mép vít từ điểm N’ được đẩy qua bề rộng NN' a

của cửa sổ ống bao Giá trị trung bình của vận tốc vtb các hạt bột văng qua điểm N có phương hợp với đường trung trực của NN’ một góc 1và qua điểm N’ có phương hợp với đường

OH một góc 2 Sau khi chiếu vận tốc vt đó lên các đường OH, nghĩa là:

Trang 20

cos

)cos(cos

tb cs

t tb v v

V v

(2.29)

Vậy:

cos)cos(cos60

)cos(cos60

2 1

n r v

n r v v cs

v tb

(2.30)

Thời gian tb cần thiết đẩy lớp bột từ C-C lên tới A-A và thoát ra ngoài miệng

trên ống bao, tức là chuyển động qua hết chiều cao H của ống bao với vận tốc vb, ta có:

60 60( 1 2) s)

Sn H H Sn

H

tb (2.31) Thời gian t2 cần thiết để vít đẩy khối bột lên hết qua ống bao với thể tích tổng cộng bằng

V0 V01 V02 V03 (2.32)

Trong đó V03 là thể tích bột chứa trong ống bao khi trộn, sẽ tính theo công thức

b t v

V V V q

V t

.)

( 2 2 03 02 01 0

2 (2.33) Thể tích V03 được tính bằng cách giả thiết là lưu lượng giây qvt của vít bị

giảm dần đều do các cửa sổ bố trí dọc theo chiều cao H của ống bao tới miệng trên

của ống bao ở mức A-A, lưu lượng đó chỉ còn:

b (2.35) Thời gian dt để vít đẩy khối bột đi một đoạn dx với vận tốc vb bằng

b v

vb i vt

b (2.36) Lấy tích phân được:

vb i vt H H q q

V03 ( ) (2.37)

d) Điều kiện đảm bảo chuyển động liên tục của khối bột trong và ngoài ống bao

Để đảm bảo hỗn hợp được trộn nhanh đều, hai chuyển động ở ngoài ống bao qua phần trụ và phần nón cụt, và ở trong ống bao do vít đẩy lên, phải được liên tục, tránh ùn, để toàn bộ khối bột được vít liên tục xáo trộn không bị thiếu bột vào ống bao Điều đó được thoả mãn nếu thời gian t2 cần thiết để vít đẩy lên ống bao hết toàn bộ khối bột V0 V01 V02 V03 phải bằng thời gian toàn bộ khối bột V0 đã chảy qua phần nón cụt ngoài ống bao (tức là qua đáy C-C), đó là điều kiện cần và đủ, nghĩa là

t V

V q

V V V q

V t

t t

vt

0 03 02 01 0 2

1 2

)12(

2

2 2

2

RbH r R g m

RbH r R

Rb n

2 01 3 2 2 2

) 1 2 (

4 exp 1 1 ln(

2 1 2 )

1 2 ( 2

RbH r R RbV Rbg

RbH r R V RbH r R g

Rb

t (2.40)

Ở đây trị số 2 2 01 2

)12(

4exp

RbH r R

Trang 21

; Đặt các tỷ số:

R

r R

RC

3

2 2 1

2 01

H R

V (2.42)

Từ các kết quả trên có thể tính

)12(

)1)(

31(

)1(12

(2

3

1

2 2 2 2

2 1

1)

12(

11

)12(1800

)31(3

60

2 2

2 2 2

4 2

2

1

2 2

Như vậy, nếu chọn trước một số đại lượng trong các đại lượng của công thức

trên thì ta có thể xác định được một đại lượng khác để đảm bảo điều kiện cho khối bột

chuyển động liên tục trong ống bao và thùng máy, nhờ đó trộn được nhanh đều hơn

Nhận xét

Ứng dụng lý thuyết chuyển động của vật liệu tơi trong thùng chứa đã nghiên

cứu chuyển động của khối bôt trong thùng máy trộn bột kiểu vít đứng có ống bao cải

tiến với các hàng cửa sổ, đã xác định các phương trình chuyển động của khối bột

ngoài ống bao qua phần nón cụt: phương trình vi phân (2.8) xác định áp lực P ở một

lớp bất kỳ trong khối bột với nghiệm tổng quát P tính theo công thức (2.11) Phương trình tính lưu lượng q của khối bột qua đáy dưới của phần nón cụt biến đổi theo thời gian t, với công thức (2.13-1), xác định vận tốc VH1 (2.16) và gia tốc aH1 của lớp bột chuyển động qua đáy nón cụt nơi ta cần xét để khối bột rơi vào vít trộn Đồng thời cũng tính được thời gian t theo công thức (2.13-2); (2.13-3) cần thiết để khối bột V01chứa trong phần nón cụt chảy hết qua đáy dưới Xác định phương trình chuyển động của khối bột ở phần trụ (2.19) và (2.22), chuyển động này phụ thuộc vào chuyển động của khối bột ở phần nón cụt, phương trình này cho phép xác định áp lực P ở tiết diện bất kỳ của thùng trụ

Khi khối bột đứng yên hoặc chuyển động đều, ta có thể tính được áp lực P của khối bột tác động lên đáy thùng chứa hình trụ có chiều cao H2 và hệ số cản chuyển động k

Xác định phương trình chuyển động của khối bột trong ống bao nhờ vít trộn (2.26) và vận tốc của khối bột văng qua các cửa sổ ống bao, khối lượng bột chứa trong ống bao dưới tác dụng thoát bột của các cửa sổ (2.37) và thời gian t2 của vít đẩy khối bột (2.33)

Như vậy điều kiện chuyển động liên tục của khối bột qua vít trộn trong ống bao và qua hai phần thùng ngoài ống bao, đã xác định mối liên quan giữa kích thước cơ bản của thùng và vít trộn (2.44)

Áp dụng kết quả trên để kiểm tra tỷ số của hai bán kính lớn và nhỏ của máy

mô hình đảm bảo điều kiện chuyển động liên tục của bột trong máy, đồng thời kiểm tra khối bột cấp cho mỗi mẻ trên máy mô hình nhằm đảm bảo chất lượng và giảm chi phí năng lượng riêng

2.2 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm

Trong quá trình nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng làm việc và mức tiêu thụ điện năng riêng của máy trộn vít đứng, tác giả đã áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố Với phương pháp này cần xác định được các khoảng nghiên cứu, các mức biến thiên, khoảng biến thiên thích hợp Vì vậy cần phải áp dụng kết quả thực nghiệm đơn yếu tố, trên nguyên tắc chung là cố định các yếu tố khác và thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hưởng của yếu tố biến thiên

Trang 22

đó tới thông số mục “đầu ra” Qua đó thăm dò được khoảng nghiên cứu cho phép

của yếu tố và các ảnh hưởng tới giá trị cực trị của hàm mục tiêu

2.2.1 Ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thực

nghiệm đơn yếu tố

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ trộn đều và mức tiêu thụ điện năng riêng đối

với máy trộn thức ăm gia súc, trước hết cần chọn các yếu tố ảnh hưởng Đó là các

- Độ nhỏ của nguyên liệu;

- Độ ẩm của nguyên liệu…

…

Để lựa chọn những yếu tố chính, ta có thể dùng phương pháp tìm hiểu thu

thập thông tin qua các tài liệu tham khảo và ý kiến của chuyên gia, nhờ đó có thể

loại bỏ bớt những yếu tố không cần thiết

Trong điều kiện và khuôn khổ của luận văn, tác giả chọn những thông số

chính ảnh hưởng đến độ trộn đều và mức tiêu thụ điện năng riêng, đó là: khối lượng

một mẻ trộn (tải), tốc độ của vít trộn

Trên cơ sở các yếu tố được chọn, tiến hành nghiên cứu thí nghiệm đơn yếu tố để

xác định mức ảnh hưởng của các yếu tố này, đồng thời tìm được khoảng biến thiên

Ký hiệu các yếu tố như sau:

- x1: Tốc độ của vít trộn;

- x2: Tải;

- YK: Độ trộn đều;

- YN: Mức tiêu thụ điện năng riêng

Từ thí nghiệm đơn yếu tố sẽ xác định ảnh hưởng của từng yếu tố đến các thông số

YK, YN

Ví dụ: YK = f1(x1) ; YN = f2(x1) với mức và khoảng biến thiên của x2 được chọn sơ bộ và không đổi Khi đó có được giá trị YK(x1) và YN(x1) sẽ chấp nhận sơ

bộ trị số x1 ứng với giá trị tương đối tốt cho cả YK hoặc YN, hoặc chọn mức x1 cho chất lượng trộn YK, giá trị YN phải chấp nhận một cách tương đối

Khi tiến hành xác định YK = f1(x2) ; YN = f2(x2) với mức cố định x1 đã chọn

sơ bộ, ta sẽ chọn được trị số x2 làm mức trung tâm Nếu trị số x2 trên tương đối gần với trị số x2 mà ta đã chọn và giữ cố định khi xác định YK(x1) và YN(x1) thì thuận lợi Nếu trị số x2 khác xa với trị số đã chọn và nằm ngoài vùng nghiên cứu thì phải tiến hành lại thí nghiệm để xác định lại YK(x1) và YN(x1)

Từ đó sẽ xác định được các trị số x1, x2 làm các mức trung tâm cho phương pháp quy koạch thực nghiệm, xác định lại khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu của các mức yếu tố cho phương pháp này

* Phương pháp gia công số liệu

- Các đại lượng được đo lặp 2 – 3 lần, đảm bảo xác suất tin cậy của dụng cụ thí nghiệm = 0,9 – 0,95

- Số lần lặp lại thí nghiệm n = 3, vì đối với máy nông nghiệp xác suất tin cậy là

= 0,8 – 0,9

- Sau khi thí nghiệm, xác định độ tin cậy về ảnh hưởng của mỗi yếu tố tới các thông số

yK và yN, đánh giá tính thuần nhất của của phương sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ thực sự các ảnh hưởng khác đối với thông số nghiên cứu là không đáng kể hoặc không có Thuật toán phân tích phương sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất như sau:

* Tính tổng bình phương các sai lệch giữa giá trị trung bình tổng thể của yK và

yN ( ký hiệu là y ) với tổng giá trị của yK và yN ở mỗi lần đo ký hiệu là yij ứng với mỗi lần lặp lại thí nghiệm với mỗi mức của yếu tố x

Xác định phương sai tổng thể:

1

)(

2 2

N

y y S

n k ij

tt (2.45)

Trang 23

Phương sai tổng thể gồm hai loại: phương sai yếu tố và phương sai thí nghiệm

* Tổng bình phương sai lệch ở từng thí nghiệm giữa giá trị trung bình tổng thể

y với giá trị trung bình của y ứng với mỗi mức yếu tố x (ký hiệu là y.j) Xác định

phương sai yếu tố S2

yt với bậc tự do k-1

1

)(

1

2 2

k

y y S

k j

yt (2.46)

* Tổng bình phương các sai số giữa giá trị trung bình y ijcủa y ứng với mỗi mức của

yếu tố x và giá trị yij ứng với mỗi lần lặp lại thí nghiệm với mỗi mức yếu tố Xác

định phương sai thí nghiệm như sau (với mỗi bậc tự do N-k)

)1(

).()

.(

2

2 2

n k

y y k

N

y y S

k

j n

i j ij k

j n

i j ij

tn (2.47)

Sau đó dùng tiêu chuẩn Fisher đánh giá tỷ số F = S2

yt/S2tn để kiểm nghiệm “giả định không” xem hai phương sai đó bằng nhau hay khác nhau (ít hay nhiều) Nếu

khác nhau nhiều, nghĩa là so sánh F với trị số Fb (tra trong bảng tiêu chuẩn Fisher

với =0,5, 2 bậc tự do k-1 và N-k) Nếu F > Fb thì không chấp nhận giả định không

và phương sai S2

yt là không đáng kể, nghĩa là ảnh hưởng của yếu tố được tin cậy

Để đánh giá tính thuần nhất của phương sai, ta cần tính từng phương sai thí

nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố, ký hiệu

là S2j theo công thức:

1

).(

1

2 2

n

y y S

n j ij

j (2.48)

Ta có:

n

S S

n j tn

1 2 2

(2.50) Sau đó, vì số thí nghiệm lớn hơn 2, áp dụng chuẩn Cochran để đánh giá xem

tỷ số G giữa phương sai cực đại 2

k b

j

j G S

G G

1 2

2 max

2.2.2.1.Xác định các thông số chính ảnh hưởng đến máy trộn

Thông qua tài liệu tham khảo và kết quả áp dụng phương pháp thực nghiệm đơn yếu tố, sơ bộ đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến hai thông số tối ưu là chất lượng trộn (độ trộn đều) và mức tiêu thụ điện năng riêng, đã xác định được các yếu tố chính ảnh hưởng, tức là các thông số vào “hộp đen” máy trộn vít đứng, theo

mô hình dưới đây:

Máy trộn vít đứng ( Hộp đen) x1:Tốc độ vít trộn

x2 :Khối lượng

yN: Độ trộn đều

yK: mức tiêu thụ điện năng riêng

Trang 24

Chọn các mức biến thiên của yếu tố và vùng thí nghiệm gồm có các mức

trung bình, mức cơ sở, khoảng thí nghiệm và các mức biến thiên đối xứng qua mức

cơ sở gọi là mức dưới và mức trên, xác định khoảng biến thiên , nếu mô hình tuyến

tính, chỉ chọn 2 mức trên và dưới; nếu mô hình phi tuyến, phải thêm các mức bổ

sung

Các giá trị thực xi của các mức đối với mỗi yếu tố được mã hoá thành:

i i i i x x

(2.52) Trong đó

0

i

x : Giá trị thực của mức cơ sở;

i: Khoảng biến thiên;

2

id it i

x x

;

id

it x

x , - mức trên và mức dưới;

Như vậy x ,it xid,x i0 có các giá trị mã hoá bằng 1;-1;0

2.2.2.2.Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm

* Kế hoạch trung tâm hợp thành

Kế hoạch này gồm 3 phần:

- Phần cơ sở (còn gọi là phần hạt nhân) là thực nghiệm toàn phần 2n hoặc thực

nghiệm rút gọn 2n-p

đã nêu trong quy hoạch tuyến tính

Yêu cầu này đặt ra khi xây dựng phần cơ sở phải tính được các hệ số hồi quy

tuyến tính (bi) và tương tác cặp đôi (bij) một cách riêng biệt Tác động của chúng

không bị trộn lẫn vào nhau

Yêu cầu này khống chế mức rút gọn có thể được, trong đề tài này do có hai

thông số đầu vào n = 2, n 4, p = 0 tức là chỉ có thực nghiệm toàn phần 2n

- Phần 2: Các điểm sao nằm ở vị trí cách tâm thực nghiệm một khoảng

Số thí nghiệm của phần này là N 2n

- Phần 3: Phần tâm bao gồm các thí nghiệm ở tâm miền quy hoạch, tại đó giá trị mã

của các thông số bằng không Số thí nghiệm N0 1

Các giá trị , N0 được xác định tuỳ theo sự lựa chọn các chuẩn tối ưu của thực nghiệm hồi quy Do đó người ta chia ra hai loại kế hoạch: trực giao và tâm xoay Trong đề tài này tác giả tiến hành thực nghiệm theo kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao

* Kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao

Các kế hoạch loại này được xây dựng theo chuẩn trực giao Ma trận thông tin Fisher là ma trận đường chéo Để có được điều đó phải có các biện pháp đặc biệt, đảm bảo trực giao cặp của các cột trong ma trận các hàm cơ sở, ứng với các thành phần tự do bo và bình phương bii

n

i n

i

n

i

i i ij j ij

x b b y

1 1

2 2

0 ( (2.53) Trong đó

N

u

p iu i

N x N x

1

2 2

ii x b b b

1

2 0 '

0 (2.55) Việc chuyển các biến bình phương sang mô hình sang dạng trong (2.52) cho phép đảm bảo trực giao của các cột ứng với thành phần tự do b0 và bình phương trong các ma trận các hàm cơ sở (bảng 2.1)

01)

()

1 2 1

2 2 2 1 2 1

2 2 '

N

u iu N

u

i iu i N

u iu N

u

i

N N x x N x x x x x

Trang 25

Đẳng thức (2.55) trên đúng với mọi giá trị cụ thể Nhưng với tuỳ ý thì sẽ

dẫn đến tính không trực giao của các cột trong ma trận hàm cơ sở mà chúng ứng với

các biến bình phương khác nhau Vì thế trong trong kế hoạch thực nghiệm trực giao

chọn giá trị sao cho:

N

u

j ju i

x

1

2 2 2 2

0 (i j, I,j = 1…n) (2.57)

2122

n (2.58) Với n=2, p=0, = 1

Theo (2.2) và điều kiện đã nêu trên, ma trận thông tin Fisher là đường chéo

2 4

2 2

2

00000

20000

0

02000

00200

0

000220

0

000

2

0

000

0

p p p p

N

(2.59)

Và ma trận nghịch đảo cũng có dạng đường chéo đơn giản:

2 4

2 2

1

2

1

000000

2

100000

0

02

10000

002

1000

0

00022

10

0

000

22

10

0

000

0

p p p p N

2 2 2 2

'

e bii p e bij p

e bi e

2.2.2.3 Xử lý kết quả - Xác định mô hình toán phương án bậc 1

Trong trường hợp mô hình toán tuyến tính không thích ứng, qua hệ phi tuyến giữa hàm mục tiêu và các yếu tố rõ rệt, thì tiến hành thực nghiệm Từ kết quả thí nghiệm xác định mô hình toán thể hiện mối quan hệ hàm số giữa các thông số ra

yK, yN với các yếu tố xi biểu diễn bằng phương trình hồi quy:

k

i k

j j i ij

x b b y

1

0 (2.62) Các hệ số hồi quy tính theo công thức:

N

y b

N u

1

0 (2.63)

Trang 26

i k

N

y x b N

u iu iu

i 1 ; 1, (2.64)

i j k

N

y x x b N

u u ju iu

(2.65)

* Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student

Trước hết ta tính phương sai của các hệ số:

(2.66)

Trong đó Sy là phương sai thí nghiệm

)1(

)(

2 2

n N

y y S

N

u n

i u iu

f , nếu tb>t thì giá trị b ilớn hơn khoảng tin cậy tbSbi Như vậy bi có ý

nghĩa và ngược lại thì vô nghĩa, ta loại bỏ hệ số đó

* Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán:

Trong điều kiện cụ thể, nếu kết quả nghiên cứu đơn yếu tố đã sơ bộ thể hiện

quan hệ của một số yếu tố với thông số ra không phải là tuyến tính, thì ta phải kiểm

tra ngay tính thích ứng của mô hình tuyến tính này trước khi xử lý tiếp Muốn vậy

phải tính phương sai thích ứng

y y n S N

i u u u

tu (2.69) k’- số hệ số hồi quy có ý nghĩa So sánh với phương sai thí nghiệm, tính tỷ số:

2

y tu S

N S y b

t b

/

0 0

0 (2.72) Dùng chuẩn Student tra bảng tìm giá trị của t với 0,05, bậc tự do f = N(n-1) Nếu t b0 t mô hình tuyến tính thích ứng Có nghĩa là b0 y0,không có

“không trộn với” các ảnh hưởng của các mức bậc 2 ( b ii 0) Để giải quyết các trị

số y0 phải bổ sung một vài thí nghiệm ở mức cơ sở của các yếu tố và:

0

1 0

0

N

y y N

u uo

(2.73)

Tiếp tục nghiên cứu vùng tối ưu và có thể áp dụng phương pháp “leo dốc” của mô hình toán tới giá trị tối ưu

Định dạng
Số trang	53
Dung lượng	2,21 MB