NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỊNH LƯỢNG THAN BÙN BẰNG BĂNG TẢI ĐAI TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN VI SINH

Với những dây chuyền sản xuất có năng suất cao thì quá trình định lượng thường làm việc theo nguyên tắc định lượng liên tục như sản xuất phân bón, bê tông,… Trong các dây chuyền này, thi

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

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

PHẠM VĂN TOẢN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỊNH LƯỢNG THAN BÙN BẰNG BĂNG TẢI ĐAI TRONG

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN VI SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh Tháng 12 năm 2009

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

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

PHẠM VĂN TOẢN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỊNH LƯỢNG THAN BÙN BẰNG BĂNG TẢI ĐAI TRONG

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN VI SINH

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỊNH LƯỢNG THAN BÙN BẰNG BĂNG TẢI ĐAI TRONG

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT PHÂN VI SINH

Đại học Nông Lâm TP HCM

3 Phản biện 1: TS NGUYỄN VĂN HÙNG

Đại học Nông Lâm TP HCM

4 Phản biện 2: TS LÊ HIẾU GIANG

Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

5 Ủy Viên: PGS TS TRẦN THỊ THANH

Đại học Nông Lâm TP HCM

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH

HIỆU TRƯỞNG

Địa chỉ liên lạc: Số nhà 19/A5 – Tổ 39 khu phố 9 – P Tân phong – Biên Hòa – Đồng Nai

Điện Thoại: 0618.870.561 – 0918.261.562

Email: toanlhu@gmail.com

LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả

Phạm văn Toản

LỜI CẢM TẠ

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

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

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

Tập thể giảng viên khoa Cơ Khí Công Nghệ trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố

Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình tôi học Cao Học

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

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động định lượng than bùn bằng

băng tải đai trong công nghệ sản xuất phân vi sinh” được tiến hành tại khoa Cơ khí

– Công nghệ trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng

3 năm 2009 đến tháng 9 năm 2009

Đề tài đã thiết kế, chế tạo thành công mô hình băng tải định lượng có kết hợp định lượng theo phương pháp khối lượng Việc “cân động” dòng cấu tử trên băng tải là phương pháp tinh chỉnh định lượng liên tục đã góp phần giảm sai số định lượng từ 8,52 % xuống chỉ còn 1,09 % Kết quả này có ý nghĩa cả về khoa học lẫn thực tiễn

Đã xác định các thông số làm việc tối ưu của mô hình: chiều cao cửa cung cấp định lượng h = 53 mm; khoảng cách giữa hai con lăn tựa khoảng đặt cảm biến l

= 49 cm Chỉ tiêu tối ưu đạt được là sai số định lượng nhỏ nhất hs = 1,09 %

Đã xác định được được các thông số của bộ điều khiển PID, từ đó xác định được thời gian ổn định của hệ thống là sau 35s

SUMMARY

The study entitled “Research on the application of automatic control system to determine the quantity of peat by means of conveyor belts into the microbiological fertilizer producing technology” was performed at the

Faculty of Mechanics and Technology in Nong Lam University of Ho Chi Minh City from March 2009 to September 2009

The main product of the study is to design and make the model of a peat quantifying conveyor belt in the microbiological fertilizer producing technology The conveyor belt will work on the basis of the co-ordination between volume quantum and mass quantum The dynamic weight of the compound on the conveyor belt helps to reduce the quantum error from 8.52% to 1.09% This result is both scientifically and practically significant

The study has also determined the maximal parameter of the model: the height of the quantum supply door h = 53 mm; the distance between two rollers against the sensor l = 49 cm The reached optimum indicator is the least quantum error hs = 1.09 %

Finally, various parameters of the PID control have been determined through the study, from which, the stable period of the system that is determined is 35s

2.1.2 Quy trình công nghệ sản xuất phân vi sinh 3

2.1.3 Một số tính chất cơ lý của nguyên liệu than bùn 5

2.2 Lý thuyết định lượng 7

2.2.1 Khái niệm định lượng và yêu cầu kỹ thuật định lượng 7

2.2.2 Phân lớp các vật liệu định lượng 8

2.2.3 Phương pháp đánh giá chất lượng định lượng 9

2.2.4 Các máy định lượng dùng cho sản phẩm hạt rời 13

2.2.4.1 Thùng định lượng 14

2.2.4.2 Đĩa định lượng 16

2.2.4.3 Vít định lượng 18

2.2.4.4 Băng tải đai định lượng 19

2.2.5 Kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 23

2.2.5.1 Kết quả nghiên cứu trong nước 23

2.2.5.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nước 26

2.3 Tổng quan về lý thuyết điều khiển tự động 27

2.3.1 Kỹ thuật điều khiển 26

2.3.2 Kỹ thuật điều chỉnh 26

2.4 Ý kiến thảo luận 28

3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.1 Nội dung nghiên cứu 30

3.2 Phương pháp nghiên cứu 30

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 30

3.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 31

3.2.2.1 Vật liệu 31 3.2.2.2 Dụng cụ đo 31 3.2.2.3 Phương pháp đo 31

3.2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 32

3.2.2.6 Phương pháp khảo sát và nhận dạng bề mặt đáp ứng 34

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

4.1 Thiết kế chế tạo mô hình định lượng than bùn trong công nghệ sản 35

xuất phân vi sinh

4.1.1 Cơ sở lựa chọn mô hình định lượng than bùn trong công nghệ sản 35

xuất phân vi sinh

4.1.2 Xác định nguyên lý cấu tạo và nguyên lý làm việc của mô hình hệ 35

thống định lượng than bùn trong công nghệ sản xuất phân vi sinh

4.1.3.1 Các số liệu thiết kế ban đầu 37

thống

4.1.4.1 Xây dựng công thức tính năng suất tức thời trên băng tải 40

4.1.4.2 Xây dựng công thức tính toán tốc độ tức thời của băng tải 41

4.1.5 Thiết kế phần điều khiển 42

4.1.5.1 Lựa chọn phương án và thiết bị điều khiển 42

4.1.5.2 Chương trình điều khiển hệ thống 44

4.1.5.4 Tính toán, chọn lựa các thông số của bộ điều khiển PID trong PLC 47

4.2 Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm 49

4.2.1 Lựa chọn các thông số nghiên cứu thực nghiệm 49

4.2.3.1 Xác định miền nghiên cứu 51

4.2.3.2 Lập ma trận thí nghiệm 52

4.2.4.1 Xác định miền nghiên cứu 54

4.3.3 Điều kiện khảo nghiệm 61

4.3.4 Kết quả khảo nghiệm 62

4.4 Ý kiến thảo luận 63

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU

n Số lần đođạc

i lần đo đạc

k Hệ số nạp đầy của lỗ ra

a Chiều rộng chảy của lỗ mm

n’ Tỉ lệ các cạnh của lỗ

Q Năng suất đĩa định lượng m3 /h

h Chiều cao nâng của ống tiếp liệu trên đĩa m

Lm Chiều dài của máy định lượng giữa các trục tang m

H Chiều cao nâng sản phẩm m

I Tỉ số truyền của hệ thống

x Số xung lấy trong khoảng thời gian t

q1’ Trọng lượng của các con lăn đỡ trên 1m chiều dài của

trên băng

X2 Chiều cao cửa cấp liệu ở dạng mã hóa

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.2 Quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh 4

Hình 2.3 Biểu đồ xác định giá trị sai số định lượng thể tích vật liệu rời 11

Hình 2.4 Các phương pháp điều chỉnh lưu lượng định lượng 12

Hình 2.5 Các thùng định lượng 15

Hình 2.6 a Sơ đồ kết cấu mâm hay đĩa định lượng 16

Hình 2.6 b Sơ đồ tính toán đĩa định lượng 16

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý vít định lượng 18

Hình 2.8.a Sơ đồ nguyên lý băng tải định lượng theo kiểu thể tích 20

Hình 2.8.b Băng tải định lượng theo khối lượng 20

Hình 2.8.c Sơ đồ băng tải định lượng theo khối lượng điều chỉnh 21

bằng điện

Hình 2.9 Băng tải trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng 23

Hình 2.10 Băng tải trong ngành sản xuất than đá 23

Hình 2.11 Băng tải vận chuyển sản phẩm thành bao 23

Hình 2.12 Băng tải vận chuyển sản phẩm hạt rời 23

Hình 2.13 Hệ thống định lượng, phối trộn phân vi sinh tại công ty 23

Bourbon Tây Ninh

Hình 2.14 Hệ thống định lượng các thành phần sản xuất phân vi 25

Hình 2.15 Hệ thống sản xuất bê tông tươi 26

Hình 2.16 Hệ thống định lượng dùng để sản xuất than đá ở Australia 26

Hình 2.17 Hệ thống định lượng sản xuất thức ăn gia súc do 26

Trung Quốc sản xuất

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mô hình định lượng than bùn bằng 36

băng tải đai trong công nghệ sản xuất phân vi sinh

Hình 4.2 Cơ cấu cảm biến trọng lượng 37

Hình 4.3 Mặt cắt dọc của băng tải 40 Hình 4.4 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống định lượng 42

Hình 4.5 Sơ đồ khối biểu diễn mối quan hệ các thiết bị trong hệ thống 43

Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán điều khiển 44 Hình 4.7 Sơ đồ kết nối vào ra PLC S7 – 200 CPU 224 45

Hình 4.8 Sơ đồ kết nối vào ra modul Analog E235 45

Hình 4.9 Sơ đồ kết nối động cơ và biến tần 56

Hình 4.10 Giao diện hiển thị thông số 47

Hình 4.11 Giao diện điều khiển 47

Hình 4.13 Mô hình bài toán hộp đen 51 Hình 4.14 Đồ thị mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy đến sai 57

Bảng 4.2 Bảng xác lập địa chỉ các ô nhớ trên phần mềm Wincc Flexible 46

Bảng 4.3 Miền thực nghiệm theo phương án thực nghiệm bậc I 52

Bảng 4.4 Ma trận thí nghiệm và kết quả thực nghiệm theo 52

phương án bậc I ở dạng mã hóa

Bảng 4.5 Miền thực nghiệm theo phương án bậc II Box – Hunter 54

Bảng 4.6 Ma trận thí nghiệm và kết quả thực nghiệm 55

Bảng 4.7 Kết quả khảo nghiệm xác định năng suất của băng tải định lượng 61

Bảng 4.9 Kết quả phân tích phương sai so sánh sai số định lượng giữa hai 63

loại băng tải định lượng

Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hầu hết các sản phẩm qua chế biến như thực phẩm, hóa chất, dược phẩm, phân bón, … đều ở dạng hỗn hợp Trong công nghệ sản xuất hỗn hợp thì định lượng đóng một vai trò quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm Tùy theo phương pháp định lượng mà quá trình trộn hỗn hợp làm việc liên tục hay gián đoạn Để định lượng thường sử dụng hai nguyên tắc chính là định lượng theo khối lượng còn gọi

là cân và định lượng theo thể tích còn gọi là đong Phương pháp định lượng theo khối lượng cho dung sai định lượng chính xác hơn so với phương pháp định lượng thể tích Hầu hết các máy định lượng liên tục làm việc theo nguyên tắc thể tích, còn máy làm việc theo mẻ thường làm việc theo phương pháp khối lượng Với những dây chuyền sản xuất có năng suất cao thì quá trình định lượng thường làm việc theo nguyên tắc định lượng liên tục như sản xuất phân bón, bê tông,… Trong các dây chuyền này, thiết bị định lượng thường là các thiết bị vận chuyển liên tục như băng tải, vít tải, hay trục cuốn làm việc theo nguyên tắc định lượng thể tích có sai số định lượng lớn làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Ở công nghệ sản xuất phân vi sinh, mặc dù đã được nghiền nhỏ trước khi vào định luợng, nhưng do có tính dính cao, nên các phần tử nguyên liệu than bùn thường kết hợp với nhau thành những cục nhỏ có kích thước khác nhau nên sai số định lượng rất lớn Không những vậy, những thiết bị định lượng như vít tải, trục cuốn, đĩa quay rất khó vận chuyển than bùn, do nguyên liệu dính vào thành thiết bị hay với nhau cản trở quá trình vận chuyển Vì vậy hầu hết trong các dây chuyền sản xuất phân vi sinh người ta thường

sử dụng băng tải làm thiết bị định lượng Do đó, việc nâng cao độ chính xác định

lượng than bùn bằng băng tải có tính cấp thiết, mang tính khoa học, tính mới trong công nghệ sản xuất phân vi sinh hiện nay

Được sự chấp thuận của Hội đồng khoa học và đào tạo khoa Cơ khí – Công nghệ và phòng Quản lý Sau đại học trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh, hướng nghiên cứu này được thực hiện bằng luận văn thạc sĩ mang tên đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động định lượng than bùn bằng băng tải đai trong công nghệ sản xuất phân vi sinh”

Nội dung thực hiện của đề tài là ứng dụng điều khiển tự động để phối hợp hai phương pháp định lượng khối lượng và định lượng thể tích làm nguyên lý làm việc cho băng tải định lượng than bùn Với việc sử dụng phương pháp cân dòng cấu

tử than bùn, sẽ đảm bảo độ chính xác định lượng cao hơn so với dòng cấu tử than

bùn được định lượng trên băng tải bằng phương pháp thể tích

Mục đích của đề tài là nâng cao độ chính xác định lượng bằng băng tải đai

trong dây chuyền công nghệ sản xuất phân vi sinh

Ý nghĩa khoa học của đề tài là ứng dụng kỹ thuật tự động hóa để phối hợp

nguyên lý cân định lượng với nguyên lý định lượng bằng băng tải nhằm nâng cao

độ chính xác của quá trình định lượng trong công nghệ sản xuất phân vi sinh

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là góp phần vào việc hạ giá thành sản phẩm

phân vi sinh, tăng chất lượng sản phẩm Kết quả sản phẩm thành công sẽ được lắp đặt chuyển giao cho một số công ty sản xuất phân bón nói chung và phân vi sinh nói riêng

Hình 2.1.a Phân vi sinh dạng viên Hình 2.1.b Phân vi sinh thành bao

2.1.2 Quy Trình công nghệ sản xuất phân vi sinh

Quy trình công nghệ sản xuất phân vi sinh trình bày như hình 2.2

trong 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 mịn tương 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

N

độ ẩm đạt được từ 60–70 %, độ pH = 6,8–7,5

Hình 2.2 Quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh

Thổi khô (ủ chín)

Phối trộn thành phẩm (nghiền, sàng, trộn)

Đóng bao Tạo hạt

Thành phẩm

- Phân hữu cơ

- Phân hữu cơ vi sinh

- Phân phức hợp vô cơ, hữu cơ sinh học

- Phân hữu cơ vi sinh – bảo vệ thực vật

Các chất phụ gia và vi sinh vật gốc Xử lý khí, bụi

- Giống vi sinh vật gốc

- Mơi trường dinh dưỡng

- Bùn cặn hữu cơ khử mùi

- Than bùn Phơi, nghiền, sàng, khử bitum

- Phế liệu hữu cơ thực vật Phơi, nghiền sàng

Phối trộn nguyên liệu

Ủ háo khí (cưỡng bức) đảo trộn định kỳ

Các chất phụ gia, chất độn và chất mang

Nứớc thải rửa

Nước xử lý khí, bụi

Sau khi trộn xong, phối liệu được đưa vào hầm ủ, kết hợp phun dịch vi sinh vật hoạt hóa và cấp khí bằng quạt công nghiệp cao tốc Nhiệt độ đống ủ sau 5 – 7 ngày đạt được từ 55 – 65 0C, có thể lên tới 70 – 75 0C vào ngày thứ 9 và 10, sau đó giảm dần Thời gian ủ (háo khí) thường kéo dài từ 15 – 20 ngày Giai đoạn ủ chín, thổi khô từ 10 – 15 ngày Trong suốt quá trình ủ, phân được đảo trộn định kỳ từ 5 –

7 ngày một lần, khi nhiệt 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 đóng bao 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 sản xuất phân hữu cơ vi sinh không phức tạp, vấn đề chủ yếu ở mức độ cơ giới hóa (tự động hóa) và chế phẩm vi sinh vật gốc dùng ủ phân

2.1.3 Một số tính chất cơ lý của nguyên liệu than bùn

Than bùn được tạo thành từ xác các loài thực vật khác nhau Xác thực vật được tích tụ lại, được đất vùi lấp và chịu tác động của điều kiện ngập nước trong nhiều năm Với điều kiện phân hủy yếm khí các xác thực vật được chuyển thành than bùn

Trong than bùn có hàm lượng chất vô cơ là 18 – 24 %, phần còn lại là các chất hữu cơ Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của than bùn được điều tra tại một số mỏ tại Việt Nam bao gồm như sau:

Bảng 2.1 Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong than bùn ở miền Đông Nam Bộ

¾ Nguồn: Số liệu theo Phân viện khoa học Việt Nam, TP Hồ Chí Minh, năm 2003

Với thành phần cấu tạo của than bùn đã nêu khi ứng dụng vào sản xuất phân

vi sinh có một số tính chất cơ lý ảnh hưởng đến quá trình định lượng như sau: + Khối lượng thể tích: 720 - 850 kg/m3 Khối lượng thể tích phụ thuộc độ ẩm của nguyên liệu, loại than bùn, vùng khai thác, độ nhỏ sau khi nghiền,…

+ Kích thước: Than bùn khi sử dụng trộn hỗn hợp ở dạng hạt nhỏ có kích thước ≤ 1,5 mm Độ nhỏ của than bùn do yêu cầu công nghệ sản xuất hỗn hợp phân vi sinh quy định và được làm nhỏ bằng máy nghiền có kết hợp sàng phân loại

+ Độ ẩm: Từ 15 - 22 % Mức độ biến động lớn là do phụ thuộc khí hậu, thời tiết và khả năng bảo quản cũng như điều kiện về thiết bị làm khô

+ Hệ số ma sát của nguyên liệu với thép f = 0,30 - 1,75, với cao su f = 0,15 -1 Hệ

số ma sát phụ thuộc trạng thái của nguyên liệu khô hay ẩm

2.2 Lý thuyết định lượng

2.2.1 Khái niệm định lượng và yêu cầu kỹ thuật định lượng

Trong quá trình sản xuất hỗn hợp, cần phải tiến hành quá trình đo lường nguyên liệu xác định được gọi là định lượng Công đoạn này có ý nghĩa lớn, nó đảm bảo chính xác thành phẩm hỗn hợp

Đối tượng định lượng rất đa dạng và phong phú: rời, lỏng ít nhớt, lỏng nhớt, đậm đặc, dẻo, nhão, quánh Do đó tùy theo yêu cầu mức độ chính xác định lượng

mà chọn phương pháp làm việc cho máy định lượng phù hợp

Định lượng là phương pháp đo lường lượng vật liệu với độ chính xác theo yêu cầu Mức độ chính xác được xác định theo các yêu cầu công nghệ sản xuất, ngoài ra còn căn cứ tính kinh tế

Có hai phương pháp định lượng vật liệu là phương pháp thể tích và phương pháp khối lượng Phương pháp định lượng thể tích có sai số từ 2 - 3%, thậm chí tới

10 % Phương pháp định lượng theo khối lượng có thể đạt sai số định lượng thấp khoảng 0,1% nên được áp dụng khi cần đo lường chính xác các cấu tử của hỗn hợp

dụng hay sửa chữa đơn giản Tuy nhiên độ chính xác định lượng không cao

định lượng từng phần hoặc liên tục Việc thực hiện tự động kiểm tra và điều khiển máy dễ dàng Máy có khả năng đảm bảo mức độ định lượng chính xác cao nhưng chúng lại có cấu tạo phức tạp và có giá thành cao

Việc lựa chọn phương pháp định lượng, dạng máy định lượng phụ thuộc vào các tính chất cơ lý và cỡ hạt của sản phẩm định lượng bao gồm:

dính kết, sự vón cục, khả năng kết thành tảng lớn và tính phân tán của sản phẩm rời

sản phẩm lỏng

dạng sản phẩm bột nhão và bột nhào

(nguyên liệu) vào thiết bị định lượng, cần phải có bộ phận đặc biệt để khử những nguyên nhân tạo nên dạng vòm

nguyên liệu cần định lượng mà vẫn đảm bảo độ tin cậy, độ chính xác theo yêu cầu công nghệ

2.2.2 Phân lớp các vật liệu định lượng

Bảng 2.2 Phân lớp các vật liệu định lượng

nhóm

Kích thước phần tử (mm)

Khối lượng thể tích (kg/m3)

Vật liệu tản rời (linh động) Nhóm hạt cục nhỏ

tốt hoàn toàn hết sức khó khăn

Theo Orlov (trích dẫn bởi Nguyễn Như Nam, Trần Thị Thanh, 2000) đã phân lớp các vật liệu định lượng theo kích thước các phần tử vật liệu và khối lượng thể tích của chúng Mỗi một loại vật liệu có thể áp dụng dạng chung nhất máy định lượng phù hợp (bảng 2.2)

Theo cách phân loại của Orlov, tất cả các loại vật liệu có thể chia thành ba nhóm lớn là: dạng cục, dạng hạt và dạng lỏng (dạng linh động)

2.2.3 Phương pháp đánh giá chất lượng định lượng

Theo Nguyễn Như Nam, Trần Thị Thanh (2000) Khi định lượng vật liệu rời từng phần, bằng phương pháp thể tích, khối lượng định lượng được tính theo công thức :

q = γ*V , (kg);

γ - khối lượng thể tích của vật liệu, [kg/m3];

V - thể tích của phần vật liệu đã định lượng, [m3]

Để đánh giá mức độ chính xác phần thể tích định lượng, người ta dùng phương pháp thống kê toán học để đánh giá thông qua hai thông số là trị số trung bình M(q) (kỳ vọng) và phương sai D(q) qua các lần định lượng Như vậy sự thay đổi thể tích định lượng thực tế phụ thuộc vào sai số tiêu chuẩn thực nghiệm σ(q) và

hệ số biến động hs(q) Nghĩa là σ = f1(v) và hs = f2(v)

Đại lượng hs của mức yêu cầu cần định lượng là đại lượng thay đổi thống kê Các thay đổi này được quy định thông qua cách xác định sự tạo thành diện tích bề mặt Svđượcphân chia bằng định lượng phần thể tích định trước

diện tích của phần thành cứng định lượng (gầu, hộc, ) Stc; bề mặt dốc tự nhiên Sd cũng như bề mặt đổ Sñcủa vật liệu định lượng, bề mặt được tạo thành bởi bộ phận làm việc tác động của máy định lượng khi phân chia cưỡng bức phần định lượng khỏi khối vật liệu Sm

Tổng diện tích bề mặt của phần thể tích định lượng được đánh giá qua biểu thức :

Sv = Stc + Sd + Sñ+ Sm ; (2.1)

được tạo thành một cách ngẫu nhiên và là một trong số những đại lượng dao động tác động vào thể tích định lượng V

Ký hiệu tổng các diện tích thăng giáng Sd + Sđ qua Stg và các thay đổi của chúng được đánh giá qua tỉ số :

Chỉ số ηv có giá trị cực đại (ηvmax =1) trong trường hợp nếu thể tích phần vật liệu định lượng tạo thành được hạn chế tất cả các hướng bằng thành cứng Trong trường hợp này sai số là bé nhất

Diện tích Sd và Sñ được xác định theo giá trị trung bình của các góc dốc tự nhiên và góc đổ cho từng loại vật liệu

Chỉ tiêu định lượng ηv phản ánh độ chính xác của phương pháp định lượng

và có thể dùng để đánh giá mức độ hiện đại của máy định lượng

Gọi Δ là dung sai công nghệ của quá trình định lượng :

tβ - giá trị tiêu chuẩn phụ thuộc vào xác suất tin tưởng β (thường β = 0,95, khi đó tβ = 1,96)

Trên hình 2.3 giới thiệu biểu đồ của Epiktetov (trích dẫn bởi Nguyễn Như Nam, Trần Thị Thanh, 2000)

Hình 2.3 Biểu đồ xác định giá trị sai số định lượng thể tích vật liệu rời

Biểu đồ được dùng để đánh giá sai số định lượng thể tích đối với phần thể tích V định lượng cho trước Thí dụ khi dung sai Δ = 0,1, tβ = 1,96 và V = 250 cm3thì ηv ≥ 0,6, hệ số biến động lớn hơn 12 %

sản xuất của xí nghiệp, lưu lượng vật liệu chính là lượng vật liệu được định lượng theo thời gian :

Qp = f(t)

t - thời gian máy làm việc, [s]

Trong quá trình định lượng thực hiện kiểm tra và ghi lại các giá trị quan sát

để có thể tính được số lượng vật liệu đã định lượng

lượng thể tích Qv (m3/s) được xác định theo công thức :

Trong đó: Sl - diện tích mặt cắt của miệng chảy vật liệu, [m2];

vtb - vận tốc trung bình của vật liệu chảy qua miệng, [m/s]

Từ công thức (2.4), để điều chỉnh lưu lượng định lượng có thể sử dụng ba phương pháp : thay đổi miệng chảy (thí dụ bằng cánh che, bằng van, ); thay đổi tốc

độ dòng chảy; tổ hợp cả hai phương pháp trên

Lưu lượng khối lượng QM (kg/s) là :

Trong đó : γ - là khối lượng thể tích vật liệu, [kg/m3]

việc tính toán lượng cấp liệu từng phần q (hình 2.4)

Ở hình 2.4.a giới thiệu việc tính đại lượng : Δq = (q2 – q1) Δt1 khi thời gian cấp liệu gián đoạn và cấp liệu từng phần

Ở hình 2.4.b giới thiệu việc tính đại lượng Δq theo khoảng thời gian thống nhất : Δq = q1*(Δt1 + Δt2)

Hình 2.4 Các phương pháp điều chỉnh lưu lượng định lượng

a Thay đổi cung cấp từng phần;

b Thay đổi số lượng cung cấp từng phần trong khoảng thời gian thống nhất;

c Thay đổi tốc độ quay của trục máy định lượng liên tục

Định lượng là quá trình ngẫu nhiên và phụ thuộc vào ba thành phần (Sl, vtb, γ) Công định lượng được mô tả bằng hàm số Q = Q(t) Do chịu ảnh hưởng của hàng loạt các yếu tố (tính chất vật liệu, cấu tạo máy định lượng, ) nên người ta sử dụng sai số δ để đánh giá :

n 1

i titb

2 Q ti Q

2

1 ) (

−

−

π σ

=

Q- giá trị trung bình lưu lượng quan sát được, [m3/s];

σ - sai số tiêu chuẩn, [m3/s]

Chỉ tiêu sai số tương đối của máy định lượng liên tục được đánh giá thông qua hệ số biến động:

Q

2.2.4 Các máy định lượng dùng cho sản phẩm hạt rời

Để định lượng sản phẩm dạng hạt, người ta dùng các máy định lượng thể tích

và khối lượng để tiến hành định lượng liên tục và từng phần

tục cũng được dùng như cơ cấu cấp liệu để cấp sản phẩm hay vật liệu vào máy Máy định lượng thể tích làm việc liên tục cấp sản phẩm thành dòng đồng đều, trong đó

thể tích sản phẩm đưa vào theo đơn vị thời gian được xác định bằng tốc độ cấp liệu hay bằng tiết diện ngang của dòng sản phẩm Trường hợp thứ nhất thì tiết diện ngang của dòng là hằng số, trường hợp thứ hai thì tốc độ cấp liệu là hằng số

những cơ cấu dẫn động đặc biệt để điều chỉnh tốc độ cấp liệu trong phạm vi rộng Trường hợp thứ hai, các trang bị định lượng cần có những cơ cấu để thay đổi tiết diện của dòng sản phẩm cung cấp vào

Những máy định lượng cấp liệu tác dụng liên tục thường gặp là loại thùng đĩa, vít tải, băng tải, máng lắc, píttông, rung lắc và dao động cũng như loại trọng lượng làm việc tự động và nửa tự động

2.2.4.1 Thùng định lượng

Người ta sử dụng hai loại thùng định lượng: thùng hình trụ hay thùng có nhiều cạnh (hình 2.5.a và 2.5.b) và thùng hình quạt (loại hốc hay loại cánh) Loại thứ nhất dùng để điều chỉnh dòng sản phẩm nhờ lực ma sát và lực bám dính với bề mặt thùng Trong thùng hình quạt, số lượng sản phẩm cấp vào được xác định bằng

số và dung tích hình quạt, chúng có thể là các hốc có hình dạng xác định (hình 2.5.c) hoặc là những cánh của thùng (hình 2.5.d)

Thùng hình trụ nhẵn và có những nếp gợn nhỏ dùng cho sản phẩm bột và hạt nhỏ, những thùng mài cạnh dùng cho sản phẩm ở dạng cục nhỏ và cục trung bình

Tốc độ dài của thùng từ 0,025 - 1 m/s Năng suất của thùng có thể điều chỉnh bằng tấm chắn thay đổi chiều dày của lớp sản phẩm đi vào

Năng suất thùng cấp liệu

Trong đó: S – diện tích tiết diện của lỗ, [m2];

v – tốc độ trung bình của sản phẩm chảy qua lỗ, [m/s];

k – hệ số nạp đầy của lỗ ra;

γ – khối lượng thể tích của sản phẩm [kg/m3]

Để tính toán tốc độ trung bình của sản phẩm chảy ra có thể lấy bằng tốc độ dài của thùng

Tiết diện lỗ ra là hình chữ nhật f = a*b

k0 – hệ số thực nghiệm Đối với sản phẩm có phân loại k0 = 2,2; đối với sản phẩm không phân loại k0 = 2;

4 Cái nạo để cào vật liệu dư ở trong các ngăn;

5 Ngăn;6 Thùng chứa liệu; 7 Trục nạo

Đối với hạt rời nhỏ thì đại lượng n’ có thể dao động trong những giới hạn với sản phẩm cục n, = 1 - 2

Hệ số nạp đầy của lỗ ra k phụ thuộc vào khối lượng thể tích và thành phần cỡ hạt vật liệu Trung bình k = 0,7 Khối lượng thể tích của sản phẩm càng lớn và thành phần của nó đồng đều thì đại lượng k càng lớn

2.2.4.2 Đĩa định lượng

Đĩa hay mâm định lượng (hình 2.6.a) là một đĩa quay nằm ngang 1, sản phẩm ở trên đĩa được lấy ra bằng thanh gạt 2, chiều dày của lớp sản phẩm được điều chỉnh bằng ống tiếp liệu di động 3 phủ bên ngoài đoạn ống tháo của thùng chứa liệu

Động cơ điện làm quay trục thẳng đứng 4 qua cơ cấu truyền động Sản phẩm nằm trên đĩa thành hình nón cụt, chiều rộng của nó phụ thuộc vào chiều cao ống tiếp liệu Khi đĩa quay, sản phẩm được tháo đi bằng thanh gạt Năng suất máy định lượng phụ thuộc vào thể tích sản phẩm trên đĩa, chiều cao và vị trí đặt thanh gạt cũng như số vòng quay của đĩa

Hình 2.6.a Sơ đồ kết cấu mâm

hay đĩa định lượng

Q = 60*V0*n , (m3/h) ; (2.13)

V0 – thể tích sản phẩm lấy đi ứng với một vòng quay của đĩa, [m3]

Thể tích lớn nhất của lượng sản phẩm lấy đi ứng với một vòng quay (hình 2.6b) là vành có tiết diện hình tam giác, như vậy:

Trong đó : R0 – khoảng cách giữa trọng tâm tiết diện hướng tâm của vành và trục

quay, [m];

S – diện tích tiết diện ngang của vành, [ m2];

R0 có thể xác định theo công thức sau:

Trong đó: R - bán kính của ống tiếp liệu, [m];

h - chiều cao nâng của ống tiếp liệu trên đĩa, [m];

ϕ,0 - góc nghiêng tự nhiên của sản phẩm khi chuyển động [độ]

Diện tích tiết diện ngang của vành :

/ 0

0

/ 0

2

* 3

*

* 60

ϕϕ

π

tg

h R tg

n h

Số vòng quay giới hạn của đĩa xác định từ điều kiện lực quán tính ly tâm nhỏ hơn lực ma sát của sản phẩm với đĩa:

g m f R

v m

*

*

*

1 1

2

Trong đó:

v - vận tốc dài của đĩa tại lớp sản phẩm phía ngoài, [m/s];

R1 - bán kính đáy ngoài của nền sản phẩm, [m];

f1 - hệ số ma sát của sản phẩm đối với đĩa khi chuyển động ;

m - khối lượng sản phẩm quay, [kg];

g - gia tốc trọng trường, [m/s2]

1

1 * 30

R

g f n

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý vít định lượng

1 Động cơ điện; 2 Bộ biến tốc vô cấp,

3 Thùng chứa liệu; 4 Cánh vít;, 5 Trục vít

b Nguyên lý hoạt động

Máy định lượng trục vít làm theo nguyên tắc định lượng thể tích, vật liệu được cấp vào thùng chứa liệu, khi động cơ truyền động làm trục vít quay cánh vít sẽ tải vật liệu ra bên ngoài, vít định lượng quay với số vòng không đổi nên năng suất

định lượng cũng không thay đổi theo thời gian Thay đổi năng suất bằng cách thay đổi tốc độ quay nhờ một bộ biến tốc vô cấp

Lượng cung cấp của vít định lượng không hoàn toàn đồng đều theo thời gian

do cấu tạo của vít và tính chất khó chảy thành dòng liên tục của vật liệu rời

c Năng suất định lượng

Năng suất của vít cấp liệu được xác định theo công thức:

γ - khối lượng thể tích của vật liệu, [kg/m3 ];

n – số vòng quay của vít xoắn trong một phút

¾ Ưu điểm của vít tải định lượng là :

+ Kết cấu đơn giản

+ Nếu khoảng cách thực hiện định lượng ngắn thì chi phí đầu tư thấp hơn so với các thiết bị định lượng bằng băng tải

+ Làm việc trong buồng kín nên hạn chế gây ô nhiễm môi trường

¾ Nhược điểm của vít tải định lượng là:

+ Không làm việc ổn định khi chiều dài định lượng lớn

+ Giá thành đầu tư tăng cao khi chiều dài định lượng lớn

+ Định lượng các đối tượng có tính dính cao hay kích thước các phần tử không đều thì kém chính xác

+ Chi phí năng lượng cao gấp nhiều lần so với băng tải

+ Nguyên liệu định lượng bị nghiền vỡ trong quá trình định lượng

2.2.4.4 Băng tải đai định lượng

Hình 2.8.a mô tả băng tải đai định lượng để cung cấp và định lượng vật liệu cục nhỏ cũng như vật liệu ẩm kết dính Với vật liệu ẩm, dính, dùng thanh gạt làm sạch bộ phận chịu tải và băng vải bông tẩm cao su Băng tải định lượng có thể đặt nằm ngang hay nằm nghiêng

Hình 2.8.a Sơ đồ nguyên lý băng tải định lượng theo kiểu thể tích

1 Khung; 2 Tang dẫn; 3 Tang kéo băng; 4 Băng; 5 Động cơ điện;

6 Hộp giảm tốc dẫn động; 7 Điểm tựa của thùng chứa liệu; 8 Phễu chứa;

9.Tấm chắn điều chỉnh; 10 Cơ cấu kéo tăng

Nhánh băng phía trên đỡ bằng những con lăn định lượng Dọc theo băng có đặt thanh chắn tạo thành máng nhỏ dẫn sản phẩm cấp liệu Vật liệu từ thùng chứa liệu được cấp vào băng một cách đều đặn và có thể điều chỉnh theo chiều cao của tấm chắn Tốc độ của băng lấy từ 0,1 – 0,5 m/s Trên hình 2.6 b biểu diễn sơ đồ nguyên tắc của băng tải định lượng Sản phẩm cấp bằng băng tải được cân bằng bởi đối trọng Dịch chuyển đối trọng có thể điều chỉnh được năng suất trong giới hạn 1/3 Khi thay đổi độ nghiêng của khung máy định lượng, thì do thay đổi trọng lượng sản phẩm nên hệ thống tự động thay đổi vị trí điều chỉnh tấm chắn và tiết diện lỗ ra của thùng chứa liệu

Hình 2.8 b Băng tải định lượng theo khối lượng

Băng tải định lượng theo khối lượng có thể tự động hóa nhờ thiết bị điện khí nén thủy lực

Trên hình 2.8c cho biết sơ đồ thiết bị điện để điều chỉnh quá trình làm việc của máy định lượng Băng tải đai 1 lắc trên điểm tựa 2 được dẫn động bằng động cơ điện 3 được cân bằng nhờ cơ cấu cánh tay đòn 4 với tay đòn 5 và đối trọng 7 Vật liệu được đưa vào bằng cơ cấu cấp liệu dao động điện 6 Ở đầu tay đòn 5 có hệ thống công tắc điện 8, qua một thiết bị điện đặc biệt làm thay đổi chế độ làm việc của bộ rung ảnh hưởng đến việc cung cấp vật liệu, sao cho khôi phục được sự cân bằng của hệ trọng lượng Hệ thống điện để điều chỉnh sự làm việc của băng định lượng theo khối lượng chỉ trên hình 2.8c Sự điều chỉnh đó thực hiện bằng cách thay đổi cơ cấu cấp liệu 7 Khi thay đổi trọng lượng của băng tải 1, cơ cấu trọng lượng 2,

3 và 4 làm thay đổi vị trí của hệ thống đóng cắt điện 5 Nhờ điều khiển bằng điện

mà thay đổi được tỷ số truyền của bộ biến tốc 6, làm chuyển động cơ cấu cấp liệu 7

Hình 2.8.c Sơ đồ băng tải định lượng theo khối lượng điều chỉnh bằng điện

Năng suất của băng đai định lượng được xác định theo công thức:

Trong đó: S – diện tích tiết diện ngang của vật liệu trên băng, F = b*h, [m2 ];

b – chiều rộng của băng tải

v – vận tốc của băng, [m/s] ;

γ - khối lượng thể tích của vật liệu, [kg/m3 ];

k – hệ số nạp đầy của máng, k = 0,7 – 0,8