BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH******************NGUYỄN TRỌNG THẮNGNGHIÊN CỨU MÁY ÉP VIÊN PHÂN HỮU CƠ VI SINHKIỂU CÁNH QUAY CỐI VÒNG ĐỨNG YÊN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH******************NGUYỄN TRỌNG THẮNGNGHIÊN CỨU MÁY ÉP VIÊN PHÂN HỮU CƠ VI SINHKIỂU CÁNH QUAY CỐI VÒNG ĐỨNG YÊNBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH******************NGUYỄN TRỌNG THẮNGNGHIÊN CỨU MÁY ÉP VIÊN PHÂN HỮU CƠ VI SINHKIỂU CÁNH QUAY CỐI VÒNG ĐỨNG YÊN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

******************

NGUYỄN TRỌNG THẮNG

NGHIÊN CỨU MÁY ÉP VIÊN PHÂN HỮU CƠ VI SINH

KIỂU CÁNH QUAY CỐI VÒNG ĐỨNG YÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí MinhTháng 12 năm 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

******************

NGUYỄN TRỌNG THẮNG

NGHIÊN CỨU MÁY ÉP VIÊN PHÂN HỮU CƠ VI SINH

KIỂU CÁNH QUAY CỐI VÒNG ĐỨNG YÊN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ khí

NGHIÊN CỨU MÁY ÉP VIÊN PHÂN HỮU CƠ VI SINH KIỂU

CÁNH QUAY CỐI VÒNG ĐỨNG YÊN

Đại học Nông Lâm TP HCM

3 Phản biện 1: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

4 Phản biện 2: TS BÙI NGỌC HÙNG

Đại học Nông Lâm TP HCM

Đại học Nông Lâm TP HCM

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH

HIỆU TRƯỞNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan trên đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu nghiên cứu trongluận văn là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ trong công trình nào khác

Nguyễn Trọng Thắng

LỜI CẢM TẠ

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến:

Thầy TS Nguyễn Như Nam, Trưởng bộ môn Máy Sau thu hoạch – Chế biến, CôPGS.TS Trần Thị Thanh, trưởng khoa Cơ Khí Công Nghệ trường Đại học Nông LâmThành phố Hồ Chí Minh, đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trìnhthực hiện luận văn

Ban giám hiệu, phòng đào tạo Sau đại học, ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí CôngNghệ trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiệnthuận lợi cho tôi thực hiện luận văn

Tập thể giảng viên khoa Cơ Khí Công Nghệ trường Đại Học Nông Lâm ThànhPhố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôitrong suốt quá trình tôi học Cao Học

Tập thể học viên lớp cao học Cơ Khí Khóa 2006 đã giúp đỡ tôi trong quá trìnhhọc tập và thực hiện đề tài

TÓM TẮT

Đề tài “Nguyên cứu máy ép viên phân hữu cơ vi sinh kiểu cánh quay cối vòng đứngyên” được tiến hành tại khoa Cơ khí – Công nghệ trường Đại học Nông Lâm Thànhphố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 3 năm 2009 đến tháng 11 năm 2010

Mục đích của đề tài là nâng cao hiệu quả ép viên trong dây chuyền công nghệsản xuất phân vi sinh

Ý nghĩa khoa học của đề tài là từ cơ chế tạo hình bằng nén ép cơ học để đề xuấtnguyên lý làm việc nhằm giảm chi phí năng lượng riêng và nâng cao độ bền viên trongcông nghệ sản xuất phân vi sinh

Nội dung nghiên cứu của đề tài là thiết kế chế tạo máy ép viên phân vi sinh kiểucánh gạt cối vòng đứng yên Máy ép viên có nguyên lý làm việc là gạt và lùa nguyênliệu vào khe hở giữa cánh gạt và bề mặt khuôn Dựa trên mô hình thiết kế để nghiêncứu thực nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là ứng dụng và kế thừa lý thuyết nén - ép,phương pháp quy họach thực nghiệm tối ưu Thí nghiệm được bố trí dạng bậc II kiểuBox –Hunter Bài toán tối ưu hóa được giải theo phương pháp giải tích và kiểm tra trênmáy tính theo thuật toán ngẫu nhiên kết hợp dò tìm trực tiếp

Kết quả đã thiết kế, chế tạo máy ép viên kiểu cánh quay cối vòng đứng yên Chế

độ tối ưu của máy: Số vòng quay của cánh gạt n = 307 vòng/ph; khe hở giữa cánh gạt

và bề mặt khuôn h = 10 mm; góc nghiêng cánh gạt theo phương hướng kính a = 78 độ;lượng cung cấp q = 45,5 kg/ph

The study entitled “Research on the machine for pressing micro-organic fertilizer with

wing turns round- mortar round to keep still ” It was performed at the Department ofMechanics and Technology in Nong Lam University of Ho Chi Minh City from March

2009 to September 2010

This research aims at upgrading the productivity of the machine in the line ofmicrobiological fertilizer producing technology

The scientific significance of the research is to propose the working principles

in order to reduce power cost and increase the durability in microbiological producingtechnology from the plastic mechanism by mechanical compression

The main content of the study is to design the machine to compress themicrobiological fertilizer This machine can push and round up the material into thegap between the propellers and the pattern Base on the model, we can do experimentalresearch by optimal experimental planning method

The research methods employed in this study are applying and succeeding compress theory, optimal experimental planning method The experiment is arranged inaccordance with tier II, Box- Hunter Problem resolution optimization is analyzed andchecked on computers through random algorithm and direct detection

restrain-The product of the study is the new designed machine Design the machineoptimum: Revolutions per minute of propeller n = 307; gap between the propellers andthe pattern face h = 10 mm; the propellers angle a = 78; quantity q = 45,5 kg/m

2.1 Tổng quan về phân vi sinh 32.1.1 Khái niệm phân vi sinh 32.1.2 Qui trình công nghệ sản xuất phân vi sinh 52.1.3 Nguyên liệu sản xuất phân vi sinh 82.2 Lý thuyết ép viên 82.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình nén ép vật thể 9

2.3.2 Các phương pháp nén – ép 102.3.3 Các hình thái liên kết ẩm với vật rắn 112.3.4 Quá trình tạo phôi kết dính 112.3.5 Các phương pháp tạo viên 13

2.3.7 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng khi ép

3.1 Mô hình máy nghiên cứu 223.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 233.2.1 Phương pháp tối ưu hoá 233.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 233.3.1 Phương pháp đo đạc 233.3.2 Thiết kế thí nghiệm 25

4.1 Tính toán thiết kế- chế tạo máy ép viên phân vi sinh kiểu

cá.nh gạt cối vòng đứng yên năng suất 3.000 kg/h 294.1.1 Các dữ liệu thiết kế máy ép viên phân vi sinh kiểu

cánh gạt cối vòng đứng yên năng suất 3.000 kg/h 294.1.1.1 Đối tượng gia công tạo viên 294.1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm 294.1.1.3 Công nghệ và thiết bị 294.1.1.4 Vật liệu chế tạo máy 30

4.1.1.5 Các máy tham gia chế tạo máy 304.1.1.6 Lựa chọn mô hình máy ép viên phân vi sinh 314.2 Nghiên cứu máy ép viên bằng phương pháp quy hoạch

4.2.1 Lựa chọn các thông số nghiên cứu thực nghiệm 344.2.1.1 Xác định các thông số nghiên cứu đầu ra 344.2.1.2 Xác định các thông số nghiên cứu đầu vào 344.2.2 Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm 374.2.2.1 Xây dựng bài toán ‘Hộp đen’ 374.2.2.2 Thực nghiệm theo phương án bậc I 394.2.2.3 Lập mô hình thống kê thực nghiệm bậc II 454.2.3 Kết quả tính toán tối ưu hoá 614.2.3.1 Khái niệm thông số tối ưu và chỉ tiêu tối ưu 614.2.3.2 Phát biểu các bài toán tối ưu 614.2.3.3 Xác định các thông số tối ưu theo chỉ tiêu mức tiêu thụ

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU

 Hệ số áp suất bên

h0 Chiều cao lớp hỗn hợp trước khi ép m

h1 Chiều cao lớp hỗn hợp sau khi ép m

V Thể tích của hỗn hợp trước khi ép m3

V1 Thể tích của hỗn hợp sau khi ép m3

0 Khối lượng thể tích của hỗn hợp trước khi ép kg/m3

1 Khối lượng thể tích của hỗn hợp sau khi ép kg/m3

m Khối lượng vật liệu kg

d0 Đường kính của lỗ khuôn m

 Hệ số Poisson

Pt Lực ma sát trượt với thành của lỗ ép N/m2

Ph Áp lực bên của lỗ ép kG/cm2

H Chiều cao lớp vật liệu trước khi ép m

Pc Áp suất dư cạnh bên kG/cm2

k1 Hệ số cản trở và gián đoạn của vật liệu khi qua các lỗ

z Số con lăn

n0 số lỗ trên khuôn

Fms Lực ma sát khi vật liệu chuyển động qua lỗ khuôn N

Q Năng suất máy ép viên kg/h

M Khối lượng vật liệu ép trong khoảng thời gian kg

Ar Chi phí năng lượng kWh/tấn

A Điện năng tiêu thụ để sản xuất M (tấn) vật liệu kWh

m1 Khối lượng viên không bị bể kg

m2 Khối lượng viên bị bể kg

n Số vòng quay của cánh gạt vòng/ph

h Khe hở giữa cánh gạt và bề mặt khuôn mm

a Góc nghiêng cánh gạt theo phương hướng kính độ

 Cánh tay đòn

y1 Hàm mức tiêu thụ điện năng

y2 Hàm mức độ bền viên

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.4 Độ bền lý thuyết và đặc tính liên kết phụ thuộc vào kích thước

Hình 2.5 Sơ đồ lực tác động tại một diểm bất kỳ trên khuôn 18

Hình 3.1 Cấu tạo máy ép viên kiểu cối vòng cánh quay 23

Hình 4.3 Đồ thị ảnh hưởng của các hệ số hồi qui đến mức

tiêu thụ điện năng ở dạng thực 53

Hình 4.4 Đồ thị quan hệ Ar – n – h ở dạng không gian 3 chiều 54

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Miền thực nghiệm theo phương án thực nghiệm bậc I 40

Bảng 4.2 Ma trận thí nghiệm và kết quả thực nghiệm 41

Bảng 4.3 Miền thực nghiệm theo phương án quay bậc II Box –Hunter 46

Bảng 4.4 Ma trận thí nghiệm và kết quả thực nghiệm 47

Một ưu điểm quan trọng của phân hữu cơ vi sinh là rất thân thiện với cây trồng

và con người Sự phát triển của xã hội đã tạo ra những yêu cầu mới trong sản xuấtnông nghiệp Một trong những yêu cầu đó là người lao động tham gia sản xuất nôngnghiệp không muốn sử dụng phân bón dạng bột theo hai lý do:

+ Phân dạng bột khi bón trực tiếp gây ô nhiễm môi trường, tác động có hạitrực tiếp ngay tới người lao động

+ Phân bón dạng bột phân huỷ nhanh, không phù hợp với nhu cầu sinh lý củacây trồng Vì nguồn dinh dưỡng cây trồng cần thường xuyên chứ không cần đột ngộttại thời điểm bón Với độ bền vừa đủ, phân bón dạng viên giúp cây trồng lấy đượcchất dinh dưỡng do phân bón mang lại từ từ

Với viên phân bón được tạo hình bằng cách vo viên có độ bền rất thấp, gặpnước hay ẩm độ cao thì tan nhanh Vì vậy, công nghệ sản xuất phân bón dạng viên

đang được các nhà khoa học nghiên cứu theo hai hướng Đó là dùng chất dính kết đểtăng độ bền viên hoặc dùng phương pháp ép bằng tác động cơ học.

Máy để tạo ra viên bằng phương pháp ép gọi là máy ép viên Đặc điểm quantrọng khi ép viên trong công nghệ sản xuất phân vi sinh là đối tượng gia công có tínhdính, vón cục và hệ số ma sát rất lớn Đây là những đặc tính ảnh hưởng rất lớn đếnkhả năng làm việc của tất cả các máy tạo viên, kể cả máy ép viên hay máy vo viên.Các nguyên lý ép viên kiểu thức ăn gia súc như cối vòng con lăn hay ép trục địnhhình không áp dụng được cho đối tượng phân vi sinh Nguyên lý ép vít cho năng suấtthấp và chi phí năng lượng rất lớn Do đó, việc xác định nguyên lý ép viên phân hữu

cơ vi sinh hợp lý để từ đó thiết kế, chế tạo và đưa vào ứng dụng trong sản xuất có tínhcấp thiết và tính thời sự cao

Vì vậy, chúng tôi thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu máy ép viên phân hữu cơ vi sinh kiểu cánh quay cối vòng đứng yên.”

Mục đích của đề tài là nghiên cứu nguyên lý tạo viên phân hữu cơ vi sinh kiểucánh quay, cối vòng đứng yên để thiết kế, chế tạo và ứng dụng vào sản xuất mẫu máy

ép viên làm việc theo nguyên lý này nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất phân hữu cơ visinh dạng viên, giảm giá thành sản phẩm Khi chế tạo thành công sẽ được lắp đặt vào

hệ thống dây chuyền sản xuất phân vi sinh dạng viên

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là từ cơ chế tạo hình bằng nén ép cơ học

để đề xuất nguyên lý làm việc và tiến hành thiết kế, chế tạo mô hình thực để nghiêncứu bằng thực nghiệm Hướng nghiên cứu thực nghiệm là kiểm chứng nguyên lý làmviệc, mô tả thống kê dưới dạng hàm toán để xác định mối quan hệ của một số thông

số kết cấu, vận hành đến quá trình ép viên Kết quả nghiên cứu được chuyển giao rasản xuất để kiểm tra và khẳng định kết quả khoa học

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về phân vi sinh

2.1.1 Khái niệm phân vi sinh

Phân vi sinh là chế phẩm chứa các vi sinh vật (VSV) sống có hoạt lực cao đãđược tuyển chọn, thông qua các hoạt động của nó tạo ra các chất dinh dưỡng cho đất

và cây trồng làm cho cây trồng phát triển tốt hơn

Ở Việt Nam, phân (VSV) cố định đạm cây họ đậu và phân VSV phân giải lân

đã được nghiên cứu từ năm 1960 và đến năm 1987 phân Nitragin trên nền chất mangthan bùn mới được hoàn thiện và đến năm 1991 đã có hơn 10 đơn vị trong cả nướctập trung nghiên cứu phân vi sinh vật Các nhà khoa học đã phân lập được nhiềuchủng vi sinh vật cố định đạm và một số VSV phân giải lân

Hình 2.1 Phân vi sinh bón cho cây

 Hiện nay phân vi sinh thường được chia làm 3 loại là:

2.1.1.1 Phân vi sinh cố định đạm

Đây là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống, đã được tuyểnchọn với mật độ đạt theo tiêu chuẩn hiện hành có khả năng cố định nitơ từ không khícung cấp các hợp chất chứa nitơ cho đất và cây trồng, tạo điều kiện nâng cao năngsuất và chất lượng nông sản, tăng độ màu mỡ của đất Phân vi sinh vật cố định nitơ

và các chủng vi sinh vật này không gây ảnh hưởng xấu đến người, động thực vật, môitrường sinh thái và chất lượng nông sản Vi sinh vật cố định nitơ là vi sinh vật sốngcộng sinh hay hội sinh với cây trồng, hoặc vi sinh vật sống tự do trong đất, nước,không khí

2.1.1.2 Phân vi sinh phân giải phosphat khó tiêu

Đây là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống, đã được tuyểnchọn với mật độ đạt theo tiêu chuẩn hiện hành có khả năng chuyển hoá hợp chấtphotpho khó tan thành dạng dễ tiêu cung cấp cho đất và cây trồng, tạo điều kiện nângcao năng suất và chất lượng nông sản Phân lân vi sinh và các chủng vi sinh vật nàykhông ảnh hưởng xấu đến người, động thực vật, môi trường sinh thái và chất lượngnông sản

2.1.1.3 Phân bón vi sinh vật phân giải xenluloza (Tên thường gọi: Phân vi sinh

phân giải xenluloza)

Đây là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống, đã được tuyểnchọn với mật độ đạt theo tiêu chuẩn hiện hành có khả năng phân giải xenluloza, đểcung cấp chất dinh dưỡng cho đất và cây trồng, tạo điều kiện nâng cao năng suất vàchất lượng nông sản, tăng độ màu mỡ của đất Phân vi sinh vật phân giải xenluloza vàcác chủng vi sinh vật này không ảnh hưởng xấu đến người, động thực vật, môi trườngsinh thái và chất lượng nông sản

2.1.2 Qui trình công nghệ sản xuất phân vi sinh

 Để sản xuất phân bón vi sinh cần thực hiện các bước sau:

 Bước 1: - Phân lập và tuyển chọn vi sinh vật

 Bước 2: - Xác định đặc tính sinh lý, sinh hóa, xác định xem chủng vi sinh vậtphân lập được có an toàn với người, động thực vật và môi trường sinh tháikhông

 Bước 3: - Lên men thu sinh khối vi sinh vật

 Bước 4: - Chuẩn bị chất mang: Chất mang ở đây có thể là than bùn hoặc làmùn hữu cơ của nhà máy xử lý rác thải Chất mang được đóng bao, có thểthanh trùng hoặc không

 Bước 5: - Phối trộn các vi sinh vật sau đó tiêm vi sinh vật vào các bao chấtmang

 Bước 6: - Ủ sinh trưởng: Tùy thuộc vào đặc điểm của các chủng vi sinh vật mà

có chế độ ủ khác nhau, nhưng thường là trong từ 3 - 5 ngày ở nhiệt độ xácđịnh khoảng 30 độ C

 Bước 7: - Kiểm tra mật độ vi sinh vật xem có đạt yêu cầu không rồi bán rangoài thị trường

Bùn cặn hữu cơ, than bùn, phế liệu hữu cơ thực vật là các thành phần chínhtrong nguyên liệu sản xuất phân hữu cơ vi sinh được xử lý sơ bộ như phơi, nghiền,sàng, khử mùi (bằng chế phẩm vi sinh vật) nhằm khử bớt bitum (có trong than bùn),loại bỏ đá, thủy tinh, nhựa (có trong bùn cặn) và làm cho các nguyên liệu có độ mịntương ứng, phù hợp cho trộn và ủ phân Sau đó chuyển qua công đoạn phối trộn

nguyên liệu, ở đây các nguyên liệu được điều chỉnh để đạt được tỷ lệ :  30  40

Hình 2.2 Quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh

Trong suốt quá trình ủ, phân được đảo trộn định kỳ từ 5 – 7 ngày một lần, khinhiệt độ đống phân xuống bằng hoặc thấp hơn nhiệt độ hầm ủ, ẩm độ còn từ 28 – 30

%, không còn mùi khó chịu, không có các loại côn trùng và xuất hiện màu trắng hay

màu xám trắng của các sợi của Actinomyces (xạ khuẩn), phân đã hoại, được đưa đi

nghiền, sàng, trộn các chất phụ gia (theo nhu cầu) và tạo hạt (nếu cần), sau đó đóngbao thành phẩm

Từ quy trình công nghệ trên cho thấy, phân vi sinh là hỗn hợp than bùn đã qua

xử lý và các chế phẩm vi sinh hay thành phần vô cơ khác Như vậy công nghệ sảnxuất phân hữu cơ vi sinh không phức tạp, vấn đề chủ yếu ở mức độ cơ giới hóa (tựđộng hóa) và chế phẩm vi sinh vật gốc dùng ủ phân

2.1.3 Nguyên liệu sản xuất phân vi sinh

Nguyên liệu sản xuất phân vi sinh: Than bùn, mùn rác thành phố (phân rác lênmen), phân gà công nghiệp, phân heo, trâu, bò, dê, hoặc phân từ nguồn phế thải củaquá trình chế biến của các nhà máy như mía, mụn dừa, vỏ trái cây, vỏ cà phê Nóichung là đi từ nguyên liệu nào có thể biến thành mùn

2.2 Lý thuyết ép viên

2.2.1 Khái niệm ép viên và yêu cầu kỹ thuật ép viên

Trong quá trình sản xuất phân vi sinh, quá trình tạo viên phân vi sinh là mộtcông đoạn quan trọng, nó có ý nghĩa lớn trong dây truyền sản xuất

Đối tượng ép viên rất đa dạng và phong phú: Rời, lỏng ít nhớt, lỏng nhớt, đậmđặc, dẻo, nhão, quánh Do đó tùy theo yêu cầu mức độ chính xác của máy ép mà chọnphương pháp làm việc cho máy ép viên phù hợp

Ép viên, đóng bánh, tạo hạt là quá trình lèn chặt tạo ra các viên có hình dạngnhất định

Nhờ quá trình lèn chặt mà khối lượng riêng tăng lên, tính hút ẩm và khả năngoxy hóa trong không khí giảm

Dạng viên bảo quản được lâu, thể tích chiếm chỗ giảm từ 2 - 4 lần dạng bột.Vận chuyển dễ dàng không bị phân lớp do quá trình vận chuyển

Độ đồng đều lớn, giảm hao hụt khoảng 8 % so với dạng bột

Mức độ chính xác được xác định theo các yêu cầu công nghệ sản xuất, ngoài

ra còn căn cứ tính kinh tế

Yêu cầu kỹ thuật của viên:

Kích thước viên: Các viên tạo ra có thể có dạng hình trụ, lăng trụ hoặc viênđịnh hình, đường kính từ 2,5 - 8 mm hoặc lớn hơn Độ dài của viên được xác địnhphụ thuộc vào đường kính của viên.

Độ cứng của viên: Đóng vai trò quan trọng, không quá cứng, không quá mềm.Nếu cứng quá khó tan, không đủ độ cứng viên dễ bị vỡ nát

Viên cần có độ đồng đều cao

Viên đưa vào đóng gói phải có độ ẩm ở chế độ bảo quản, nhiệt độ của viênbằng với nhiệt độ môi trường

Yêu cầu kỹ thuật đối với một máy ép viên là: Năng suất máy cao; chi phí nănglượng riêng thấp; có khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao

Việc lựa chọn phương pháp ép viên, dạng máy ép viên phụ thuộc vào các tínhchất cơ lý và cỡ hạt của sản phẩm ép viên bao gồm:

- Kích thước cấu tử, khối lượng thể tích, độ linh động (độ xốp), độ ẩm, sự dínhkết

- Khối lượng riêng, độ nhớt, độ dính, sự có mặt các hạt huyền phù đối với sảnphẩm lỏng

- Khối lượng thể tích, độ đặc, độ dính, độ linh động, tính đàn hồi đối với dạngsản phẩm bột nhão và bột nhào

2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình nén ép vật thể

Mục đích của quá trình nén ép là ngoài công việc tách pha lỏng, lèn chặt sảnphẩm nhằm cải tiến điều kiện vận chuyển, nó còn làm cho sản phẩm có hình dạngnhất định

Máy tạo hình sản phẩm bằng phương pháp nén ép được ứng dụng rộng rãitrong các ngành công nghiệp:

- Công nghiệp hóa học: Dùng để gia công vật liệu dẻo thành sản phẩm bằngphương pháp đúc áp lực

- Công nghiệp thực phẩm: Dùng để sản xuất các loại bánh kẹo và các hìnhdạng phù hợp thị hiếu người tiêu dùng Sản xuất các loại thức ăn viên trong chăn nuôigia súc, thủy cầm,…

2.3.2 Các phương pháp nén – ép

Các phương pháp nén – ép được trình bày ở hình 2.3

Hình 2.3 Các nguyên lý ép viên

1, 2 Ép bằng píttông; 3,4 Ép kiểu dập; 5, 6, 7 Ép bằng rulo;

8 Ép bằng băng tải; 9 Ép bằng vít; 10 Ép bằng vít với áp suất cao;

11,12 Ép bằng trục cán; 13, 14, 15, 16 Ép kiểu trục có khuôn ép vòng;

17, 18 Ép kiểu trục có khuôn ép phẳng.

Quá trình nén – ép tạo hình thực phẩm có các phương pháp sau: Nén, xoắn, rung, éptrào, cán lăn Nếu quá trình nén – ép thể tích kín được gọi là ép.

Theo trị số áp suất nén ép mà người ta phân chia thành:

- Ép không có chất phụ gia dính kết ở áp suất nhỏ (150 200 kG/cm2)

- Ép dưới áp suất cao (300350 kG/cm2)

- Ép dưới áp suất nhỏ (50100 kG/cm2) có chất phụ gia dính kết

2.3.3 Các hình thái liên kết ẩm với vật rắn

Sự hiện hữu các chất keo, các chất dẻo polyme, độ xốp cao trong các nguyênliệu có nguồn gốc thực vật làm chúng rất nhạy với sự có mặt của nước trong hệthống Ở đây ý nghĩa quan trọng nhất không chỉ là số lượng tuyệt đối (độ ẩm) mà làtrạng thái của nó Công trình nghiên cứu phân loại các hình thái liên kết nước với cácchất trong nguyên liệu có nguồn gốc thực vật đầu tiên là của P.A.Rebinder Côngtrình đã xác định được năng lượng cần thiết để khử nước trong sản phẩm

Các hình thái liên kết cơ bản nước trong các hạt và vật liệu hữu cơ khác cónguồn gốc thực vật là: Liên kết hóa học, liên kết lý hóa và liên kết cơ học

Liên kết cơ học của nước là liên kết kém bền nhất Nó được đặc trưng bởi tỷ

lệ số lượng không xác định bao gồm: Lượng ẩm mao dẫn và lượng ẩm thấm có tínhchất của nước bình thường

Khả năng các vật xốp có ống mao dẫn thu gom lượng ẩm được đặc trưngbằng độ ẩm háo nước cực đại Độ ẩm háo nước cực đại là khối lượng nước mànguyên liệu hút trong khí quyển đã bão hòa ẩm

2.3.4 Quá trình tạo phôi kết dính

2.3.4.1 Cơ sở của quá trình tạo phôi kết dính

Hiện nay có một số thuyết (mao dẫn, keo, phân tử và các thuyết khác) được sửdụng để mô tả kết cấu bên trong sản phẩm ép và làm rõ các nguyên nhân tạo ra hiệulực liên kết giữa các phân tử trong khối sản phẩm đã được nén chặt Trong các thuyết

ấy, thuyết phân tử dựa trên cơ sở nhiệt động lực học do V.M Naumovich phát minh

được sử dụng rộng rãi hơn cả Theo thuyết phân tử thì nguyên nhân cơ bản tạo ra liênkết các phân tử rắn lại với nhau là sự bám dính Cũng theo thuyết này thì sự hiện diệncủa lực hút phân tử giữa các phân tử sẽ dẫn đến sự xuất hiện lực hút tương tự như sựbám dính.

Để tăng lực liên kết thì trong quá trình phải có một lượng chất kết dính nhấtđịnh Sự gắn chặt giữa các phân tử là do tác dụng của lực mao quản ở các bề mặt lồilõm Muốn thế vật thể phải có độ ẩm cần thiết (28 – 30) % để chất đầy vào các maoquản giữa các bề mặt phân tử Độ ẩm là chỉ số quan trọng, độ ẩm cao áp suất ép nhỏ,

dễ tạo hình, bề mặt sản phẩm nhẵn nhưng dễ đứt Độ ẩm thấp khó tạo hình

Sự nâng cao áp suất góp phần làm chắc thêm khối sản phẩm do đã san lấpđược các rỗ khí, các hốc rỗng và tăng thêm diện tích tiếp xúc giữa các phần tử Chínhnhững nguyên nhân này đã làm cho lực dính kết các phần tăng lên Khi khối sảnphẩm đạt đến trạng thái không xốp (bên trong không có lỗ rỗng) thì việc tăng thêm ápsuất sẽ mất ý nghĩa

Hình 2.4 Độ bền lý thuyết và đặc tính liên kết phụ thuộc vào kích thước các phần tử

Theo hình 2.4 giới thiệu sơ đồ của G Rumppho mô tả đặc trưng tác dụng cáckiểu liên kết khác nhau giữa các phần tử phụ thuộc và kích thước của chúng Miền Ibiểu thị điều kiện ép khi đóng bánh và tạo viên Miền này giới thiệu các liên kết xuấthiện khi các bề mặt tiếp xúc hoặc khi có sự hiện hữu của các chất dính kết Độ bềncủa vật liệu phụ thuộc chủ yếu vào áp suất mà không phụ thuộc vào kích thước cácphần tử.

Ở miền II biểu thị các liên kết yếu hơn giữa các phần tử rắn trong sự liên kếttinh muối từ dung dịch Độ bền liên kết sẽ tăng với một trị số nào đó, khi kích thướccác phần tử giảm Phần này của biểu đồ còn biểu thị điều kiện quan trọng quá trìnhtạo viên bằng phương pháp cán lăn Tại đây sau khi sấy khô trong khối sản phẩm xuấthiện bền vững bởi có sự kết tinh muối xảy ra trong đó

Với các phần tử có đường kính nhỏ hơn 1 μm, trên đoạn A độ bền các liên kếtđược xác định bởi lực Vandeval Khoảng hẹp B có tác dụng của lực Vandeval và liênkết từ các màng hút ẩm Khoảng hẹp B đặc trưng cho độ bền liên kết từ các lực maodẫn tác dụng trong các siêu ống mao dẫn có bán kính 10-3μm hoặc nhỏ hơn Trênkhoảng C và cao hơn nó là các liên kết có thể có xuất hiện từ sự liên kết hay từ tácdụng của các chất kết dính có độ nhớt (ví dụ: mỡ, chất béo…)

2.3.5 Các phương pháp tạo viên

Phương pháp ướt: Nguyên liệu trước khi tạo viên được làm ẩm với nước có

ẩm độ (3032) %, sau đó đưa đi tạo viên

Phương pháp khô: Nguyên liệu trộn với nước có ẩm độ (1415) %, sau đó gianhiệt đến (110120)0C đem tạo viên

2.3.6 Phương trình ép cơ bản

Chỉ số đặc trưng cho quá trình nén ép bất kỳ là khối lượng riêng của sản phẩm(khối lượng riêng cuối cùng)

Bằng thực nghiệm, nhà bác học Dolgov và Oxobov đã xây dựng phương trình

ép cơ bản dựa trên 4 tiên đề sau:

 Khối lượng riêng ban đầu của vật liệu như nhau trong toàn thể buồng ép.

 Khối lượng riêng vật liệu trong quá trình nén tăng liên tục

 Ứng lực khi nén tĩnh không phụ thuộc vào vận tốc biến dạng

 Ứng suất áp trên mặt cắt ngang bất kỳ của buồng nén được phân bố đều.Dựa vào những tiên đề trên cho phép coi đạo hàm của áp lực theo khối lượngriêng là hàm liên tục của áp lực:

)

( p

f d

dp 

Kết quả nghiên cứu quá trình ép chứng tỏ hàm f(p) là tuyến tính Nghĩa là:

b p a d

Từ phương trình (2.3) ta thấy sự phụ thuộc đơn trị của áp lực pháp tuyến khi

ép vào khối lượng riêng khối thức ăn thu được

Các mối quan hệ lưu biến phụ thuộc nói lên rằng, để mô tả trạng thái vật thểđàn hồi, nhớt dẻo không được coi việc nghiên cứu một mối quan hệ đã là xong vì tính

đa dạng của các tính chất kết cấu – cơ học sẽ làm quá trình biến dạng trở nên phứctạp Do đó cùng với sự phụ thuộc p = f() biểu diễn theo phương trình ép cơ bản, taxét mối quan hệ giữa áp suất nén và biến dạng

Thông qua khảo nghiệm được công thức sau:

Từ biểu thức (2.5) trên ta thấy, để đạt một trị số biến dạng như nhau, nếu khốilượng riêng ban đầu0càng lớn thì áp lực cần thiết tác dụng vào khối sản phẩm càngcao

2.3.7 Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình biến dạng khi ép sản phẩm

2.3.7.1 Những yếu tố đặc trưng cho tính chất cơ lý sản phẩm

Môđun ép, đặc trưng cho khả năng của sản phẩm khi bị lèn chặt dưới ảnhhưởng của áp suất ngoại, bỏ qua tổn thất áp suất do ma sát, yếu tố này ở trong khoảng

áp suất nào đó là đại lượng không đổi và phụ thuộc vào loại sản phẩm, cấu trúc của

2.3.7.2 Những yếu tố đặc trưng cho điều kiện ép

Những yếu tố đặc trưng cho điều kiện ép bao gồm:

Áp suất ép riêng

Ma sát của sản phẩm với dụng cụ ép, đại lượng đó phụ thuộc tính chất sảnphẩm và trạng thái bề mặt của dụng cụ ép

Hình dáng viên ép và tương quan kích thước của nó

Chế độ ép: Chu kỳ hay liên tục

Số bề mặt của bánh ép trực tiếp chịu áp suất ép

Quá trình ép viên và đóng bánh được đặc trưng bởi độ nén ép :

 Nếu buồng ép có tiết diện S không đổi thì:

1

0 1

0

h

h h S

Trong đó: V và V1– thể tích của hỗn hợp trước và sau khi ép

Nếu buồng ép có tiết diện S không đổi thì:

1

2.4.3 Điều kiện để vật liệu di chuyển theo khuôn

Hình 2.5 Sơ đồ lực tác động tại một điểm bất kỳ trên khuôn

Xét một chất điểm vật liệu M có khối lượng m di chuyển theo khuôn đến vị trí

M có góc quay t

Để vật liệu di chuyển theo khuôn:

R f

t

g

.

cos 

Khi cost = 1 

R f

g

.





Với: – vận tốc góc của khuôn, 1/s;

R – bán kính của khuôn, m;

f – hệ số ma sát;

g – gia tốc trọng trường, m/s2;

m – khối lượng vật liệu, g

Ta chỉ xét ở góc phần tư thứ I và IV, còn ở góc phần tư II và III thì mg cùngchiều với chiều quay của khuôn Khi đó vật liệu chuyển động theo khuôn dưới tácdụng của trọng lực

2.4.4 Chiều dày khuôn

Để nén đến áp suất P cần thiết cho sản phẩm thì ma sát lỗ khuôn phải giữ khốivật liệu lại để tiếp tục dồn nén đến khi đạt P thì vật liệu mới dịch chuyển khỏi lỗ

f

d h

4

) 1 (

1

1

1 1





a a f

k   b



 1

k

k k

Trong đó: h0– chiều dài của lỗ hay chiều dày của khuôn, mm;

d0– đường kính của lỗ khuôn, m;

f – hệ số ma sát của vật liệu với thành lỗ khuôn, f = 0,29  0,3;

 – hệ số Poisson;

Pt– lực ma sát trượt với thành của lỗ ép, N/m2;

Ph– áp lực bên của lỗ ép;

kb,kt, ab, at– các hằng số thực nghiệm;

H – chiều cao lớp vật liệu trước khi ép, m;

– khối lượng thể tích của vật liệu trước khi ép, kg/m3;

2.4.5 Lực đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn

Lực đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn xác định theo công thức:

c

d d h f P

P  . , (kG) (2.14)Với: Pc– áp suất dư cạnh bên, kG/cm2;

f – hệ số ma sát;

.d.h – diện tích khuôn tiếp xúc viên, cm2

2.4.6 Năng suất máy ép viên

4/

3600k1 z n0v d02

Q  h  , (kg/h) (2.15)Trong đó: k1 – hệ số cản trở và gián đoạn của vật liệu khi qua các lỗ, k1 =

).

.(

2 )

(

) / sin(

).

.(

2

2 r r R r Rt r r

R

r Rt r

R R v

Với: n – số vòng quay của khuôn, vg/ph;

1– góc kẹp

2.4.7 Công suất của máy ép viên xác định theo công thức

Công xuất của máy ép viên kiểu cối vòng con lăn xác định theo công thức:

1000

. 2

2 k F v Z

1

. p S f d0 h0 p f

Với: f – hệ số ma sát của vật với thành khuôn;

– hệ số Poisson

2.5 Ý kiến thảo luận

Quá trình nén-ép tạo hình có các phương pháp sau: Nén, xoắn, rung, ép trào,cán lăn Nếu quá trình nén ép trong thể tích kín gọi là ép

Bộ phận làm việc của máy ép được chia thành các nhóm cơ bản: Nhómpittông, nhóm rulô, nhóm băng tải, nhóm vít ép, nhóm nghiền cán, nhóm con lăn Đốivới tất cả các nhóm trên mỗi nhóm đều có những ưu điểm và khuyết điểm Ví dụnhóm pittông khi ép vật liệu trong buồng kín, khối lượng riêng sản phẩm sau khi épphụ thuộc vào lượng cấp vật liệu, đây chính là nhược điểm của máy nén ép dạngpittông

Đối với các dây chuyền sản suất cần năng suất cao như các dây chuyền sảnxuất phân vi sinh, mà bị những nhược điểm trên sẽ ảnh hưởng tới năng suất của cả

Từ kết luận trên đi đến kết luận chúng ta sẽ sử dụng máy ép viên kiểu cánhquay cối vòng, sẽ khắc phục được những nhược điểm trên Mục đích tăng năng suấtnhưng đồng thời chất lượng phân nâng lên.

Máy có cấu tạo như hình vẽ 3.1

Nguyên lý hoạt động: Vật liệu được vít tải cấp liệu vào buồng ép Khi cánhquay sẽ gạt và lùa vật liệu xung quanh khuôn cố định Do cánh quay đặt nghiêng mộtgóc so với phương hướng kính, nên tạo ra áp lực đẩy vật liệu qua lỗ khuôn Vật liệuqua khuôn được định hình thành sợi có đường kính theo đường kính lỗ khuôn

Vật liệu sau khi ép được làm khô và bẻ gãy theo yêu cầu

3.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

3.2.1 Phương pháp tối ưu hoá

Sử dụng các phương pháp toán học để giải các bài toán tối ưu hoá với hàmmục tiêu là hàm thống kê thực nghiệm, miền ràng buộc là giới hạn vùng thực nghiệm

Bài toán tối ưu được xây dựng trên cơ sở các hàm toán là các phương trình hồiquy xác định được bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm có dạng đa thức bậc II.Các phương trình này xác định hàm mục tiêu với các chỉ tiêu tối ưu đặc trưng chomục đích nghiên cứu như độ bền cơ học của viên thức ăn, chi phí năng lượng riêng.Hàm điều kiện là các ràng buộc kỹ thuật và ràng buộc về vùng thực nghiệm nghiêncứu xây dựng lên mô hình toán

Bài toán tối ưu được giải nhờ máy tính điện tử theo thuật toán dò tìm trực tiếpkết hợp với thuật toán ngẫu nhiên

3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

3.3.1 Phương pháp đo đạc

3.3.1.1 Dụng cụ đo

+ Đo các thông số hình học: Dùng các loại thước đo chiều dài như thước mét, thước

lá, thước đo góc, panme, thước kẹp

+ Đo các thông số động học: Đo vận tốc và thời gian: đồng hồ đo số vòng quay cóhiện số điện tử của Nhật, đồng hồ bấm giây đo thời gian (loại Casio của Nhật)

+ Đo các thông số động lực học:

- Đo khối lượng bằng cân các loại: Đo khối lượng gia công lớn bằng cân đồng

hồ (loại cân đĩa Nhơn Hòa, khối lượng cân lớn nhất là 100 kg, sai số đo 0,5 %, thang

đo tới 100 gam) Đo khối lượng nhỏ trong phòng thí nghiệm bằng cân điện tử

- Đo công suất thông qua các đo các đại lượng điện bằng thiết bị đo công suấtkiểu hiện số điện tử của Nhật với thang do 20 kW  200 kW với độ chính xác 1/1000kW

- Đo công suất tiêu thụ bằng đồng hồ đo đếm điện năng của Trung Quốc vớithang đo tới 1/10 kWh

+ Đo độ bền viên bằng thiết bị đo kiểu quay

3.3.1.2 Phương pháp xác định

Các thông số đo đạc chia làm hai loại:

 Các thông số đo trực tiếp:

Là tất cả các thông số đo được đọc trực tiếp khi đo đạc Thuộc về các thông sốnày gồm có thông số đặc trưng về kích thước hình học, động học, công suất, khốilượng

 Các thông số đo gián tiếp:

Là tất cả các thông số phải tính toán qua các thông số đo trực tiếp qua côngthức Thuộc về các thông số này gồm có thông số đặc trưng về năng suất, chiphí năng lượng riêng, độ bền viên

+ Đo năng suất:

Năng suất xác định bằng công thức:

Q = M/T, kg/h; (3.1)

Trong đó: M – khối lượng vật liệu ép trong khoảng thời gian T, kg;

T – thời gian ép, h

+ Đo chi phí năng lượng riêng:

Chi phí năng lượng riêng xác định bằng công thức:

Ar = A/M = N/Q, kWh/tấn; (3.2)

Trong đó: A – điện năng tiêu thụ để sản xuất M (tấn) vật liệu, kWh;

M – khối lượng vật liệu ép trong khoảng thời gian T, tấn;

N – công suất điện sử dụng, kW;

Q – năng suất máy, tấn/h

+ Đo độ bền viên:

Mỗi mẫu thử có khối lượng 500 gam cho vào thiết bị đo độ bền kiểu thùngquay Quay trong thời gian 5 phút Khối lượng viên sau khi quay được chia làm haiphần Phần còn nguyên không bị bể vỡ gọi là m1 (gam) và phần bị vỡ là m2 (gam) Cảhai khối lượng này xác định bằng sàng với kích thước lỗ sàng bằng 0,8 kích thướctrung bình của viên Tỷ lệ viên còn nguyên tính theo công thức:

Bi= 100

)(m1 1m2

n

i i tb





Trong đó: Bi – tỷ lệ tính theo % của các viên còn nguyên không bị vỡ sau

khi được quay trong thiết bị đo độ bền kiểu thùng quay ở mẫuthử thứ i;