Nghiên cứu một số thông số chính làm cơ sở để thiết kế chế tạo máy ép viên thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản kiểu vít đứng

Luận văn, thạc sỹ, tiến sĩ, cao học, kinh tế, nông nghiệp

Mở đầu

Sản xuất nông nghiệp ở nước ta hiện nay đang phát triển theo hướng công nghiệp hoá các ngành nghề trong nông nghiệp Đặc biệt là trong các khâu bảo quản, chế biến nông sản và thức ăn chăn nuôi từng bước được cơ khí hoá và tự

động hoá nhằm giảm nhẹ sức lao động, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu của thị trường và hội nhập quốc tế Các nghị quyết của các kỳ Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VII, VIII, IX Ban Chấp hành Trung

ương Đảng Cộng sản Việt Nam đã khẳng định “Song song với việc phát triển

và tăng trưởng kinh tế, Việt Nam cần tập trung các nỗ lực cho các hoạt động xoá đói giảm nghèo”[11] Trong phát triển nông nghiệp và nông thôn đưa chăn nuôi thành nghành chính trong sản xuất nông nghiệp Hội thảo tại Hà Nội 1995 trong lĩnh chăn nuôi và chế biến thức ăn cho chăn nuôi chúng ta cần khoảng 5 triệu tấn thức ăn cho nghành chăn nuôi Hiện nay cả nước có trên

150 nhà máy và xí nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi, mỗi năm sản xuất trên

3 triệu tấn thức ăn, so với nhu cầu còn thiếu trên 1 triệu tấn [8]

Thiết bị, máy móc sản xuất tức ăn chăn nuôi phần lớn là nhập ngoại, giá thành cao Vì vậy nhiều cơ sở chăn nuôi có nhu cầu lắp đặt các hệ thống máy chế biến thức ăn chăn nuôi với thiết bị chế tạo trong nước nhằm giảm bớt chi phí ban đầu Trong hệ thống máy chế biến thức ăn hiện nay một số khâu đã có các máy chính tương đối hoàn chỉnh như máy nghiền, máy trộn, riêng dụng

cụ, thiết bị ép viên thức ăn đã được chế tạo trong nước song chưa được nghiên cứu đầy đủ và chưa có mẫu hoàn chỉnh bán trên thị trường Vì vậy việc nghiên cứu dần tiến tới hoàn thiện máy ép viên thức ăn chăn nuôi nói chung và cho nuôi trồng thuỷ sản nói riêng là cần thiết trong công nghệ chế biến thức ăn chăn nuôi

Hiện nay ngành chăn nuôi ngày một trở nên đa dạng hoá Các phương pháp và yêu cầu chăn nuôi khác nhau đòi hỏi phải có các dạng, loại thức ăn khác nhau cả về phương pháp sản xuất, thành phần thức ăn, cách bảo quản và

điều kiện sử dụng

Với những loại thức ăn dùng cho chăn nuôi nói chung và cho nuôi trồng thuỷ sản nói riêng có thể dùng trong thời gian tương đối dài, thường tồn tại dưới dạng bột hoặc viên Tuy nhiên trong ngành thuỷ sản, việc định mức khẩu phần ăn cho vật nuôi (cá, tôm, cua…) là một vấn đề quan trọng, nó quyết định

sự tồn tại, sinh trưởng và phát triển của vật nuôi Chính vì lẽ đó, công nghệ làm thức ăn viên cho cá, tôm đã mang lại những ý nghĩa to lớn cho ngành nuôi trồng thuỷ sản hiện nay

Xuất phát từ thực tế sản xuất và được sự hướng dẫn của thầy giáo

TS Trần Như Khuyên chúng tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu một số thông

số chính làm cơ sở để thiết kế chế tạo máy ép viên thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản kiểu vít đứng”

Trong nội dung luận văn này, chúng tôi hướng chủ yếu vào nghiên cứu máy ép viên thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản cỡ nhỏ sử dụng tiện lợi trong các trại chăn nuôi cá tôm tập thể cũng như hộ gia đình

1 Tổng quan nghiên cứu về máy ép viên

1.1 Nhu cầu và đặc điểm của thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản

Hiện nay ở nước ta có khoảng 1,8 triệu ha diện tích mặt nước phù hợp cho nuôi trồng thuỷ sản Ngành thuỷ sản đang có một tốc độ phát triển rất nhanh “Nuôi trồng thuỷ sản phải được xem là một hợp phần của phát triển nông thôn, góp phần ổn định cuộc sống của một bộ phận dân nghèo trong công đồng, kích thích phát triển nguồn nhân lực và góp phần cải thiện phúc lợi xã hội;

Nuôi trồng thuỷ sản có thể là tiền đề phù hợp trong việc cải thiện sinh

kế, trong lập kế hoạch sử dụng nguồn lợi, tài nguyên và góp phần cải thiện môi trường” [11]

Cụ thể là sản lượng năm 1990 chỉ mới đạt 890590 tấn nhưng đến năm

2000 sản lượng đã đạt tới 1.969100 tấn Sản lượng nuôi trồng đạt 727.140 tấn

Có khoảng 3,4 triệu người tham gia vào các hoạt động của nghề cá và có khoảng 600000 lao động tham gia vào nuôi trồng thuỷ sản Nhà nước đang phấn đấu đạt mức 2 triệu tấn cá vào năm 2010 và đóng góp khoảng 60 – 80 % tổng sản lượng cá trong cả nước

Việt Nam và một số nước đang phát triển là những nước cung cấp sản phẩm thuỷ sản chính trên thị trường thế giới và chiếm khoảng 50% trong tổng khối lượng xuất khẩu trên thị trường thế giới Việc buôn bán các sản phẩm thuỷ sản là nguồn thu ngoại tệ quan trọng đối với các nước đang phát triển Trung quốc và thái lan là hai nước xuất khẩu chính trên thị trường thế giới với Mĩ và Nhật Bản là hai nước nhập khẩu chính

ở nước ta, ngành nuôi trồng thuỷ sản (cá, cua tôm…) đang phát triển mạnh mẽ Đặc điểm của ngành này là thời gian ngắn nhưng nguồn lợi thu về nhanh và nhiều Nước ta có diện tích ao hồ sông ngòi lớn Trong những năm

gần đây ở các địa phương có sông ngòi ao hồ đã phát triển ngành nuôi cá lồng trên sông và nghề nuôi tôm cua xuất khẩu Vấn đề gay gắt nhất hiện nay là giải quyết việc cung cấp thức ăn cho vật nuôi dưới nước, đặc biệt là nuôi cá lồng trên sông nước chảy Ngoài những yêu cầu cần chất lượng thức ăn theo quy định của ngành chăn nuôi, còn có yêu cầu không thể thiếu được đối với thức ăn cho loại vật nuôi dưới nước là thức ăn phải được ép thành dạng viên

1.1.1 Các dạng thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản

Căn cứ vào hàm lượng ẩm có trong thức ăn, theo người ta phân ra thức

ăn ướt, thức ăn nửa ướt và thức ăn khô Các loại thức ăn được phân loại theo sơ

Nổi Lơ lửng

Bền vững trong nước Chìm

Hình 1.1 Sơ đồ phân loại thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản

a) Thức ăn ướt

Thức ăn ướt có hàm lượng ẩm 50 ữ 80% Nguyên liệu chế biến chủ yếu là cá và các sản phẩm phụ từ động vật

Loại thức ăn này có hàm lượng đạm khá cao và giàu vitamin Chúng rất dễ

bị hư hỏng, vì vậy cần phải được bảo quản trong các kho lạnh

b) Thức ăn nửa ướt

Thức ăn nửa ướt có độ ẩm 30 ữ 35% Nguyên liệu sản xuất là thịt của các loại cá, các sản phẩm phụ từ động vật và bột nghiền Thức ăn loại này có thành phần dinh dưỡng khá đồng đều, thường được sản xuất ra ở dạng viên hay thỏi, có thể nổi hoặc chìm Giống như thức ăn ướt, loại thức ăn này cũng rất khó bảo quản Muốn cất giữ lâu cần phải được bảo quản trong các kho lạnh

c) Thức ăn khô

Là loại thức ăn thông dụng nhất hiện nay, được sử dụng nhiều trong nuôi trồng thuỷ sản Nguyên liệu chế biến gồm thịt, các sản phẩm phụ từ động vật, trong đó có tỉ lệ lớn là các loại hạt nghiền nhỏ như mì, mạch , ngô và cám gạo Phần lớn người ta dùng các loại hạt có dầu, ít xơ và có độ đạm Độ ẩm thức ăn 8 ữ 12% Loại thức ăn này có khả năng bảo quản được lâu dài, dễ chế biến Chúng thường được sản xuất ra dưới dạng cánh mỏng, viên hoặc thỏi Kích thước viên và sức nổi của viên có thể thay đổi được cho thích hợp với từng loại vật nuôi ở trên mặt nước hay ở dưới nước Thành phần thức ăn đồng nhất về chất dinh dưỡng, vì vậy đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định chế độ ăn cho các loại vật nuôi ở từng độ tuổi khác nhau

1.1.2 Yêu cầu của viên thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản

Viên thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản ngoài việc thoả mãn các yêu cầu chung cho các loại vật nuôi khác nhau, nó còn có những yêu cầu riêng sau:

- Kích cỡ, hình dáng, màu sắc của viên thức ăn phải giống như thức ăn dạng tự nhiên mà cá tôm vẫn thường ăn

- Mùi vị phải có sự hấp dẫn, bởi vì cá tôm có thể dùng vị giác hay khứu giác để nhận biết thức ăn từ xa

- Trọng lượng riêng của viên phải thích hợp với từng loại cá tôm sao cho viên thức ăn có thể chìm, nổi hoặc lơ lửng

- Viên thức ăn thả vào trong nước cần phải đảm bảo bền vững trong một thời gian nhất định Nếu bị tơi rữa thì cá, tôm không kịp ăn hết vừa gây lãng phí thức ăn vừa gây ô nhiễm môi trường

Để viên thức ăn không bị tơi rữa trong một thời gian nhất định, đảm bảo cho cá tôm kịp ăn hết thì trong hỗn hợp thức ăn người ta cho thêm các chất phụ gia như: aglimates, các chất xơ gốc mêtyl – cácbon, hyđrô - côlôidôm có

Năng lượng (j)

Prôtít (g/kg)

Lipít (g/kg)

Muối (g/kg)

Xơ (g/kg)

82,503,3622,271,11104,352,62

65,0092,602385087,511430,4

1,00 5,82

595 5,79 0,5 3,93 5,8

0,50 2,62 4,62 1,93 0,25 2,76 2,34

380615311053,65,4

B¶ng 1.2 C«ng thøc chÕ biÕn thøc ¨n cho c¸ tr¾m cá

TT Nguyªn liÖu

Khèi l−îng (kg)

N¨ng l−îng (j)

Pr«tÝt (g/kg)

LipÝt (g/kg)

Muèi (g/kg)

X¬ (g/kg)

82,5026,201,112,2610,004,35

65,0280,050,030,487,5114,0

1,00 7,00 5,79 5,80 0,50 3,93

0,50 5,20 1,93 2,34 0,25 2,76

380,0180,01,054,0105,03,6

B¶ng 1.3 C«ng thøc chÕ biÕn thøc ¨n cho t«m n−íc ngät

l−îng (kg)

N¨ng l−îng (j)

Pr«tÝt (g/kg)

LipÝt (g/kg)

Muèi (g/kg)

X¬ (g/kg)

1.2 Quy trình công nghệ ép viên thức ăn nuôi trồng thuỷ sản

1.2.1 Đặc điểm của nguyên liệu khi ép viên

Các tính chất cơ lý tính của nguyên liệu dùng trong chế biến thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản có những đặc điểm liên quan đến quá trình ép viên như sau:

Nguyên liệu trước khi đưa vào ép viên là các sản phẩm, phụ phẩn đã

được sơ chế làm vệ sinh, sấy khô và nghiền thành hạt theo kích thước đã định

và được trộn đều các thành phần theo từng loại thức ăn Đối với nguyên liệu

có dầu (lipít) hoặc có nhiều chất xơ thì việc liên kết giữa các phần tử thức ăn rất khó khăn Muốn đảm bảo chất lượng viên thức ăn tốt thì yêu cầu lực ép phải lớn

Độ nhỏ và độ đồng nhất giữa các thành phần của hỗn hợp có ảnh hưởng rất lớn đến độ chặt, độ bền, độ bóng bề mặt Khi độ nghiền to và giữa các thành phần càng khác xa nhau về kích thước và khối lượng thì chất lượng viên càng kém Vì vậy để thuận lợi cho quá trình ép, người ta tiến hành gia công nhiệt ẩm bằng hơi nước trước khi ép viên hay đóng thỏi

Độ ẩm của hỗn hợp nguyên liệu là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến năng suất, chất lượng sản phẩm và chi phí năng lượng riêng Độ ẩm thích hợp là 25

ữ35% Khi độ ẩm thấp, viên ép ra ít bị biến dạng, khả năng liên kết kém Vì vậy lực ép phải cao, năng lượng tiêu thụ lớn Khi độ ẩm cao thì ngược lại, trường hợp độ ẩm quá cao, thì nguyên liệu dễ bị dính bết trong máy và vicắt ra thường hay bị biến dạng méo mó Với mỗi loại động vật thủy sản có yêu cầu thức ăn khác nhau, loại ăn nổi, loại ăn chìm, loại ăn lơ lửng thì cần phải có thức ăn phù hợp cho chúng

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình công nghệ chế biến thức ăn cho cá tôm

1.2.3 Mục đích của ép viên

- Nâng cao chất lượng thức ăn: Nhờ quá trình ép kết hợp với quá trình

xử lí nhiệt (hấp chín và làm nguội) đã nâng cao được giá trị dinh dưỡng của viên thức ăn

- Vệ sinh thức ăn: Qua xử lý nhiệt và đặc biệt là nhiệt ma sát sinh ra trong quá trình ép làm cho nhiệt độ thức ăn lên tới 800C ở nhiệt độ cao này hầu hết các loại vi khuẩn và nấm có hại đều bị tiêu diệt

- Tiết kiệm được thức ăn: Trong thức ăn thường có đầy đủ các thành phần dinh dưỡng trong đó có cả thức ăn ngon và thức ăn không ngon Khi ép thành viên bột, cá tôm phải ăn hết cả phần thức ăn ngon và thức ăn không ngon, do đó sẽ không làm lãng phí thức ăn

- Tăng khối lượng viên: Thông thường các viên thức ăn có khối lượng viên cao hơn khoảng 15% so với khối lượng viên của thức ăn ở dạng bột rời Nhờ đó giảm được dung thích chứa, thuận lợi cho việc bao gói, vận chuyển và bảo quản

Để nâng cao chất lượng viên thức ăn, người ta đã sử dụng các máy ép có thể làm giãn nở viên sau khi ra khỏi khuôn Trước hết người ta cho hỗn hợp thịt – bột vào buồng ép có áp suất cao, tạo ra lực ép lớn làm tăng nhanh nhiệt

độ hỗn hợp Sau đó mới cho hỗn hợp ép qa lỗ khuôn tạo hình Nhờ nhiệt độ tăng đột ngột nên vật liệu được làm chín nhanh, khi chui qua lỗ khuôn chúng

sẽ giãn nở và tự bẻ gãy

Khi tạo viên nở sẽ có tác dụng:

+ Tăng chất lượng viên

+ Hầu hết vi khuẩn bị tiêu diệt trong quá trình ép

+ Cho phép linh động hơn trong việc lựa chọn nguyên liệu

+ Cho phép viên ép có chứa lượng chất béo cao hơn

Để tăng chất lương của thức ăn người ta thoa chất béo được thực hiện khi sản xuất viên thức ăn khô nhằm tăng vị ngon và tính hấp dẫn của viên thức ăn Thông thường người ta cho thêm dầu cá và vitamin Yêu cầu đảm bảo độ béo bao bên ngoài của viên với tỉ lệ xác định Việc thoa thêm chất béo được thực hiện bằng cách cho chất béo vào trong các ống hình trụ quay tròn để xịt lên viên trong khi máy quay

1.3 Tình hình nghiên cứu và áp dụng máy ép viên trong và ngoài nước

Các máy ép viên hiện nay thường làm việc theo 2 nguyên tắc: nguyên tắc ép khuôn và nguyên tắc cán cắt Dựa theo hai nguyên tắc này, đã có rất nhiều mẫu máy ép viên khác nhau được sử dụng Qua các tài liệu tham khảo [15] chúng tôi thấy hiện nay ở trong và ngoài nước đang sử dụng một số lớn các máy ép viên sau đây:

1.3.1 Máy ép viên kiểu rulô

Đây là loại máy làm việc theo nguyên tắc ép khuôn Bộ phận làm việc chính là hai hình trụ giống nhau, dọc theo đường sinh của hai hình trụ có cắt các rãnh vòng và một nửa vòng tròn

Yều cầu hỗn hợp thức ăn dạng bột phải có độ ẩm nhất định từ 25 ữ 30% Độ ẩm quá cao làm viên thức ăn dễ dính và hiệu suất thấp

Nguyên tắc làm việc: Khi hai hình trụ quay ngược chiều nhau, phễu

đựng nguyên liệu sẽ dồn bột xuống điền đầy vào hai nửa vòng tròn của hai khối trụ Tại vị trí mà tâm của hai nửa đường tròn nằm trên đường tâm của hai khối trụ thì hai nửa vòng tròn khớp lại với nhau tạo thành hình tròn Qúa trình

định hình viên thức ăn kết thúc tại đây, sau đó miệng dưới mở ra, viên thức ăn rơi tự do ra ngoài theo sơ đồ (hình 1.3)

Hình 1.3 Sơ đồ máy ép viên rulô

Nếu chiều dài của hai khối hình trụ lớn gấp nhiều lần viên thức ăn, khi

đó người ta thiết kế bộ phận dao cắt khối thức ăn sau khi ép thành từng viên, theo kích thước chiều cao viên thức ăn quy định

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, việc tiếp liệu không bị đứt quãng trong quá trình làm việc

Nhược điểm: Việc điền đầy nguyên liệu vào rãnh khó khăn, độ chặt của nguyên liệu thức ăn không đạt yêu cầu quy định

1.3.2 Máy ép viên kiểu píttông

Được trình bày trên (hình 1.4)

Hình 1.4 Sơ đồ máy ép viên kiểu píttông

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, viên có độ chặt cao

Nh−ợc điểm: Máy làm việc không liên tục viên thức ăn bị dao cắt vát làm trọng l−ợng viên không đồng đều

1.3.3 Máy ép viên kiểu cối

Máy ép viên kiểu cối làm việc theo nguyên tắc cán cắt

Cấu tạo: Gồm một cối quay, trong cối có 2 trục cán cố định nh−ng có thể quay quanh trục của nó Dao đặt bên ngoài cối

Thức ăn đ−ợc cho vào trong cối, khi cối quay do ma sát giữa thức ăn và mặt cối làm cuốn lớp thức ăn quay theo Khi gặp trục cán thì do ma sát giữu thức ăn và trục cán làm trục cán quay, đến chỗ hẹp thì thức ăn đ−ợc đẩy vào lỗ cối, thức ăn đi ra khỏi lỗ cối đ−ợc dao cắt cắt Cối quay nhanh hay chậm quy

định độ dài của viên thức ăn đ−ợc trình bày trên (hình 1.5)

Hình 1.5 Sơ đồ máy ép viên kiểu cối

Ưu điểm: Năng suất cao, tránh đ−ợc hiện t−ợng dính Sau khi ép viên bị nóng lên đ−ợc làm nguội bằng quạt gió

Nh−ợc điểm: Cấu tạo phức tạp

1.3.4 Máy ép viên kiểu vít

Đây là loại máy làm việc theo nguyên tắc cán cắt, bộ phận làm việc chủ yếu là vít xoắn (hình 1.6)

Hình 1.6 Sơ đồ máy ép viên kiểu vít

Trong quá trình làm việc thì nguyên liệu được đưa vào buồng đựng bột, khi đó nguyên liệu theo đường vít xoắn đi từ trái qua phải Tại điểm cuối cùng của cánh vít, nguyên liệu sẽ được nén ép vào phần đáy của buồng đựng nguyên liệu Tại đây người ta khoan các lỗ hình trụ có đường kính bằng đường kính viên thức ăn Khi đó bột nguyên liệu sẽ được đẩy ra ngoài qua các lỗ này Phía ngoài bố trí dao cắt viên thức ăn phù hợp với yêu cầu chăn nuôi

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng

Nhược điểm: Viên thức ăn dễ bị dao cắt vát gây sự không đồng đều về lượng

1.4 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

* Mục đích

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số chính đến chất lượng sản phẩm, năng suất, chi phí năng lượng riêng làm cơ sở thiết kế chế tạo máy ép viên thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản kiểu vít đứng với năng suất 100kg/h Mẫu máy này phù hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ cho trang trại, hộ gia

đình ở Việt Nam hiện nay

* Nhiệm vụ nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết nén ép kiểu vít của AIAXOKLOV [16]

Nghiên cứu thực nghiệm :

Thực nghiệm đơn yếu tố để xác định ảnh hương riêng từng yếu tố đến thông số mục tiêu, qua đó xác định được mức biến thiên và khoảng biến thiên của từng yếu tố làm cơ sở cho nghiên cứu đa yếu tố

Thực nghiệm đa yếu tố để xác định ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố

đến thông số mục tiêu, xác định mô hình toán biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố

Thực nghiệm tối ưu nhằm xác định giá trị tối ưu của các hàm số Xác

định giá trị tối ưu của các thông số làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo mẫu máy

2 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Để đạt được mục đích nghiên cứu chúng tôi chọn máy ép viên thức ăn cho nuôi trồng thuỷ sản làm đối tượng nghiên cứu Đây là loại máy ép làm việc liên tục, có kết cấu gọn, năng suất 100 kg/giờ rất phù hợp với dây chuyền sản xuất vừa và nhỏ như hiện nay (hình 2.1)

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo của máy ép viên kiểu trục đứng

Cấu tạo và quá trình hoạt động của máy:

Cấu tạo: 1- phễu cấp liệu; 2 – ống bao vít; 3- Vít ép; 4 – khuôn ép; 5 – mặt sàng; 6 – cơ cấu cắt; 7 – khung máy; 8 - động cơ; 9, 10 puli; 11- gối đỡ trục

Hoạt động: Nguyên liệu từ phễu cấp liệu chảy vào ống bao vít Vít ép quay và đưa nguyên liệu dồn dần xuống phần mặt côn.Tại đây áp suất ép tăng dần Khi nguyên liệu di chuyển qua hết chiều dài buồng vít xoắn, nguyên liệu

bị đẩy ra ngoài qua lỗ sàng tạo ra viên có dạng thỏi và được cơ cấu cắt 6 cắt thành những thỏi viên thức ăn có chiều dài ngắn tuỳ thuộc vào sự quay nhanh hay chậm của cơ cấu cắt Bằng cách thay sàng có kích thước lỗ khác nhau ta

có viên thức ăn có kích thước mong muốn

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Sử dụng lý thuyết nén ép kiểu vít của AIAXOKOLOV dùng nén ép vât

liệu tơi rời trong thùng chứa để nghiên cứu quy luật quy luật biến đổi nhiệt của hỗn hợp ép

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi xác định được

ảnh hưởng của các thông số đến quá trình ép, qua đó rút ra các giá trị tối ưu để làm cơ sở thiết kế, tính chọn kết cấu máy và chế độ làm việc của thiết bị

Có rất nhiều yếu tố làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như: Tốc

độ quay của trục, lượng cung cấp cho máy làm việc, đường kính lỗ sàng, bước của cánh vít Khi nghiên cứu chúng tôi không thể lấy tất cả các yếu tố kể trên

mà chỉ lựa chọn các yếu tố chính Để lựa chọn các yếu tố chính, bằng phương pháp thu thập thông tin từ các tài liệu có liên quan, đặc biệt là việc tìm hiểu các mẫu máy trên thực tế sản xuất chúng tôi lựa chọn các yếu tố sau:

Thông số vào:

Tốc độ vít xoắn - n (vòng/phút)

Độ ẩm của nguyên liệu - W (%)

Tổng diện tích lỗ sàng - F (cm2)

Thông số ra (các chỉ tiêu):

Độ vụn của viên, δ (%)

Năng suất máy, Q (kg/ h)

Chi phí điện năng riêng, Nr (Wh/kg)

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu đơn yếu tố

Phương pháp nghiên cứu đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của từng yếu tố vào tới các thông số ra, qua đó tìm được mức biến thiên, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu thích hợp của từng yếu tố Nó chính là cơ sở cho phương pháp nghiên cứu đa yếu tố

Nguyên tắc của phương pháp này là cố định các yếu tố khác chỉ thay một yếu tố xác định, theo dõi ảnh hưởng của yếu tố đó với thông số ra

2.2.4 Phương pháp nghiên cứu đa yếu tố

Phương pháp này gọi là phương pháp quy hoạch thực nghiệm, nhằm nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tới thông số mục tiêu [3],[4],[5]

Ưu điểm của phương pháp này là cho phép nghiên cứu sự ảnh hưởng

đồng thời của nhiều yếu tới vào tới từng thông số ra Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố giảm được số lần thí nghiệm, xác định được đầy đủ ảnh hưởng của các yếu tố tới thông số cần nghiên cứu, từ đó xác định điều kiện tối

cứu máy ép viên

Tiến hành chọn mức biến thiên của các yếu tố bao gồm: Mức cơ sở, mức trên và mức dưới, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu

Giá trị thực của các yếu tố được mã hoá theo công thức [5],[12]

ε - Khoảng biến thiên của yếu tố thứ i

Các giá trị Xit, Xoi, Xid có giá trị mã hoá là: 1, 0, -1

- Chọn phương án quy hoạch thực nghiệm

Tuỳ theo đặc điển của quá trình nghiên cứu mà mô hình toán có thể biểu diễn bởi đa thức bậc 1, bậc 2 hoặc bậc 3

Qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố cho ta thấy mối quan

hệ giữa các yếu tố vào với các thông số là không tuyến tính vì vậy chúng tôi chọn phương án thực nghiệm bậc 2 ở đây, chúng tôi áp dụng phương pháp quy hoạch bậc 2 của Box-Wilson, ma trận thí nghiệm được lập theo phương án này gồm có số thí nghiệm là:

N = 2m + Nα + N0

Trong đó: 2m - Số thí nghiệm ở mức trên và dưới

Nα= 2*m - Số thí nghiệm ở mức phụ gọi là các điểm sao

N0 - Số thí nghiệm ở mức cơ sở

m - Số yếu tố Theo bảng tính sẵn với m = 3 thì tổng số thí nghiệm là 20 thí nghiệm bao gồm: 8 thí nghiệm ở mức trên và dưới

2 i ii m

1 i

j ij i j

1 m 1 i

m 1

i i i

xbx

xbx

bCác hệ số hồi quy của phương trình trên được tính theo công thức:

1 i 5 N

1

u u

Yxa

bi = a2∑

=

N 1

u iu uY

x (2.5)

bij = a3∑

=

N 1

u iu u ju

xY

1 i 6 N

1

u u5 N

2) m(2

2 m N

2 m

+

ư +

+

a2 =

2 p m p

m2.22

1

a4 = a321

(2.11)

a5 = (Na a a )m

1

2 2

a6 = (Na2a5 a4m

2 m N

2 m

+

− +

2.22

1+

1

2 2

kiÓm tra møc ý nghÜa c¸c hÖ sè håi quy:

TiÕn hµnh kiÓm tra møc ý nghÜa cña c¸c hÖ sè håi quy theo tiªu chuÈn student Tr−íc hÕt ta tÝnh ph−¬ng sai vµ c¸c sai sè S2

b0; S2

bi; S2 bii; S2 bij cña c¸c

hÖ sè håi quy theo ph−¬ng sai vµ c¸c sai sè thÝ nghiÖm S2

y Ph−¬ng sai vµ c¸c sai sè thÝ nghiÖm cã thÓ tÝnh theo c¸c gi¸ trÞ cña th«ng sè ra yu ë c¸c møc c¬ së cña c¸c yÕu tè:

y =

1N

)Y(Y

0

2 O N

u u0

N

YY

O

∑

=

= (2.15)

α = 0,05, bậc tự do với f = N0 - 1 Các hệ số hồi quy có nghĩa khi các hệ số tb0;

tbi; tbij; tbii > tb ngược lại thì vô nghĩa ta loại bỏ hệ số đó

- Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán: Để thực hiện được công việc kiểm tra theo [5],[6],[7],[13] trước hết ta phải tính phương sai thích ứng theo công thức sau:

S2

tu=

(N 1)m

N

SS1)

(NmN

YYY

Y

0

E R 0

N 1 u

N 1 u

2 O u

2 u tt

2 O

u Y )

Trong đó:

Ytt- Là giá trị tính toán từ phương trình hồi quy

Yu- Là giá trị trung bình của các thông số ra ở các mức

0

Y - Là giá trị trung bình của thông số ra của các thí nghiệm ở mức cơ sở

- Là hệ số hồi quy có nghĩa

m′

Lập tỉ số F = 2

Y

2 tuS

m 1 i j

m 1 i

2 i ii j

i ị m

1

i i i

x c x

x c x

m 1 i j

m 1

i 2i

ii 0j

0i j i

ij 0i

i

XX

bX

j 0i

2 i

ii i

b

(2.28)

cii = 2

i iib

(2.29)

- Xác định giá trị tối ưu của thông số ra: Sau khi đã lập được phương trình hồi quy bậc hai Y= f(x) ta có thể xác định được giá trị cực trị của hàm Y bằng cách đạo hàm riêng đối với mỗi yếu tố và cho đạo hàm đó bằng 0 ta sẽ

2.2.5 Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát

Sau khi xác định được mô hình toán, các hàm thành phần Yj ( j =1ữp; p

là số hàm thành phần) Ta tiến hành giải tối ưu tổng quát theo[3],[4],[5],[13]

phương pháp của Harrington gồm các bước sau:

- Đồng nhất hoá các hàm Yj, do các hàm thành phần có các thứ nguyên khác nhau hàm Y1 và Y2 có thứ nguyên là %, hàm Y3 có thứ nguyên là wh/kg Vì thế phải đồng nhất các hàm Yj chuyển chúng sang dạng đặc trưng gọi là

“hàm mong muốn” thành phần dj = f(Yj), dj là đại lượng không số đo và biến

đổi trong khoảng từ 0ữ1, dj = 1 khi Yj có giá trị tốt nhất Các “hàm mong muốn” thành phần dj được thành lập theo công thức sau:

dj = exp[-exp(-Y‘

Yj’ = k

Y Y

Y Y

jmin(max) j0

jmin(max) j

ư

ư

(2.32)

Yj min(max)- Giá trị thực nghiệm của hàm Yj khi dj = 0,37

Yj0- Giá trị tốt nhất của hàm mong muốnYj

k - Là hệ số ưu tiên, k = 3,4,5

Trong trường hợp nghiên cứu của đề tài các hàm Yj là đại lượng bị chặn một phía Yj < Yj max đồ thị hàm mong muốn thành phần dj = f(Yj), khi Yj bị chặn một phía

- Lập hàm mong muốn tổng quát: Sau khi đã có hàm thành phần djtương ứng với Yj ta lập hàm mong muốn tổng quát D dưới dạng tính theo công thức sau:

D = p

j p 1

j d

Như vậy, dựa vào số liệu thí nghiệm của các hàm thành phần Yj ta xác

định được gia trị “hàm mong muốn” thành phần dj và gia trị “hàm mong muốn” tổng quát D cho từng thí nghiệm của ma trận Lúc này hàm D được coi như một hàm hồi quy nào đó, việc xác định mô hình toán, kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy, kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán, hàm D

được xác định tương tự như khi xác định các hàm thành phần Yj

Ta nhận thấy các hàm Yj có thể có cực trị ngược nhau trong khoảng nghiên cứu của các yếu tố xi Sau khi đồng nhất hoá các hàm dj theo công thức (2.28) thì tất cả các hàm dj đều là những hàm có giá trị cực đại và bị chặn một phía bởi vì dj < 1 Từ đó ta rút ra hàm D tính theo công thức (2.29) cũng là hàm có giá trị cực đại và bị chặn một bên bởi 1

Sau khi xác định được mô hình toán của hàm D, ta cũng tiến hành giải tối ưu tương tự như tìm cực trị đối với các hàm thành phầnYj

2.3 Phương pháp thực nghiệm đo đạc

2.3.1 Phương pháp xác định tỷ lệ vụn

Để xác định độ vụn của viên ép, người ta thường dùng một hộp khối chữ nhật có kích thước là (300 x 300 x 450 mm) xung quanh bao lưới sàng có kích thước lỗ bằng 0.8 kích thước viên Cho một lượng viên ép vào hộp, quay với tần số 15 ữ 50 v/p, trong thời gian 3 ữ 10 phút (hình 2.2), sau đó cân lại

khối lượng trong hộp Mn rồi so sánh với khối lượng ban đầu M0 Độ vụn của viên ép sẽ được tính theo [15] ta có công thức:

Phương pháp tiến hành: Cho một khối lượng nguyên liệu nhất định vào máy, khi máy làm việc dùng đồng hồ bấm giây để xác định thời gian ép t(h)

đồng thời đếm được số vạch trên đĩa công tơ là a, khối lượng sản phẩm thu

được là q Mức tiêu thụ điện năng tính theo công thức:

2.3.3 Phương pháp xác định một số tính chất cơ lí của nguyên liệu

a) Xác định độ nhỏ của bột

Độ nhỏ của hỗn hợp thức ăn có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình ép trước khi thực hiện quá trình ép cần phải xác định độ nhỏ để làm cơ sở cho việc xác định chế độ ép Trong nhiều trường hợp cần phải xác định độ nhỏ của từng thành phần thức ăn để khống chế sao cho các thành phần thức ăn có độ nhỏ không chênh lệch nhau quá nhiều

Độ nhỏ của bột là kích thước trung bình của hạt bột, kí hiệu là M (mm) Như vậy, M là kích thước trung bình của hạt bột đo ở mặt cắt ngang của các phần tử hạt bột hoặc tính bằng đường kính trung bình của các lỗ mà hạt bột lọt qua theo mặt cắt ngang

Có nhiều phương pháp xác định độ nhỏ Phương pháp đơn giản nhất là dùng sàng phân tích Dùng một bộ sàng gồm nhiều sàng (do Makarôp thiết kế) có kích thước lỗ khác nhau, xếp chồng lên nhau theo thứ tự sàng lỗ to ở trên, lỗ nhỏ ở dưới, dưới cùng là tấm kín, trên cùng là nắp đậy (hình 2.3)

p3

p2

p1 p

Cho một lượng bột có khối lượng P = 100 g lên sàng trên cùng Tạo một

bộ sàng vừa chuyển động tịnh tiến lên xuống, vừa chuyển động quay với số vòng quay n = 270 v/p trong thời gian 5 phút Sau đó đem cân để xác định lượng bột ở đáy và trên từng sàng (Độ chính xác 0,1g)

Đáy bộ sàng: Coi sàng có đường kính lỗ d0 = 0 có p0 (g)

i i

n 0 i

1 i i i

P2

ddP

(mm) (2.36)

Trong thực tế sản xuất tại các xí nghiệp chế biến thứuc ăn gia súc, người ta thường dùng bộ sàng gồm 3 sàng có kích thước lỗ d1 = 1 mm; d2 = 2 mm; d3 = 3 mm; tấm đáy d0 = 0

M =

P

2

ddP2

ddP2

ddP2

dd

3 3 2 2 2 1 1 1 0 0

++

++

++

Hình 2.4 Dụng cụ đo góc ma sát nội

Dụng cụ xác định gồm phễu chảy có nắp, có thể đóng mở được đáy phễu Phễu được gắn với giá đỡ có thể điều chỉnh độ cao thấp Khi tiến hành xác

định ta đổ 100 gam bột vào phễu, sau đó mở nắp cho bột chảy tự do xuống mặt phẳng nằm ngang Lượng bột chảy tự nhiên này sẽ tạo thành hình chóp nón Sau đó dùng thước đo góc chảy tự nhiên của lượng bột đó ở 4 phía Mỗi lần thí nghiệm lặp lại 3 lần và lấy giá trị trung bình theo công thức:

chuyển động trượt thì dừng lại Đo góc nghiêng của tấm này với mặt phẳng nằm ngang Đó chính là góc ma sát của tấm thép với bột Tiến hành làm 3 lần thí nghiệm (hình 2.5) và tính được giá trị trung bình theo công thức sau:

1

(2.40)

f = tgϕ (2.41)

ϕ

Hình 2.5 Góc nghiêng của tấm thép với mặt phẳng nằm ngang

d) Xác định độ ẩm của nguyên liệu

Trong quá trình chuẩn bị hỗn hợp nguyên liệu để đưa vào máy ép viên thức ăn cá, tôm việc xác định độ ẩm của hỗn hợp thức ăn là một vấn đề rất quan trọng, nó quyết định chất lượng, hình thức sản phẩm

Độ ẩm của nguyên liệu được xác định theo phương pháp sấy khô

Cách xác định: Lấy 2 mẫu có khối lượng khoảng 5 gam cân bằng cân kĩ thuật

có độ chính xác 0,01 g Cho 2 mẫu vào hộp nhôm có nắp (đã sấy ở 1050 và biết khối lượng) Đồng thời nâng nhiệt độ tủ sấy lên nhiệt độ 1400 C và cho hộp nhôm có mẫu vào tủ sấy (chú ý mở nắp) Lúc này nhiệt độ tủ sấy giảm xuống một cách nhanh chóng, ta phải khống chế sau 10 ữ 15 phút nhiệt độ tủ sấy tăng lên đến 1300 C Tính từ nhiệt độ tủ sấy lên 1300C và sấy mẫu trong 40 phút Khi hết thời gian sấy mở cửa tủ sấy, dùng cặp đậy nắp hộp nhôm lại và

đưa các mẫu sấy vào bình làm nguội Sau 15 phút làm nguội, đem cân bằng cân kĩ thuật, với độ chính xác 0,01g

Độ ẩm nguyên liệu được xác định theo công thức:

100%

ab

cb

W0

ư

ư

= (2.42) Trong đó:

a – Khối lượng nhôm và nắp hộp

b – Khối lượng nhôm có chứa mẫu chưa sấy và nắp hộp

c – Khối lượng nhôm có chứa mẫu đã sấy và nắp hộp

Từ hai mẫu xác định song song lấy giá trị trung bình, nếu sai số không quá 5% coi là chính xác

Để bổ xung tạo ra độ ẩm thích hợp cho quá trình ép, người ta thường tiến hành bằng cách bổ xung nước Cách làm cụ thể như sau:

- Xác định độ ẩm ban đầu W0 của nguyên liệu,%

Để đảm bảo cho viên nén ép được chắc, không bị vỡ hoặc nứt thì k = 1,1 ữ 1,15

2.4 Phương pháp gia công số liệu

2.4.1 Phương pháp xử lý số liệu đo đạc

Trong nghiên cứu thực nghiệm đo đạc của máy, các kết quả đo đạc đều

là kết quả ngẫu nhiên, trong kĩ thuật nông nghiệp xác xuất tin cậy thường

dùng trong khoảng 0,7 ữ 0,9, xác suất của dụng cụ đo trong khoảng 0,95 -

0,99 Vì vậy để dảm bảo độ tin cậy thì các thí nghiệm phải được lặp lại nhiều

lần để đảm bảo xác suất tin cậy của dụng cụ Nếu trong quá trinh khảo

nghiệm khi thấy các số liệu có sai lệch bất thường, chúng tôi phải tiến hành đo

lại để đảm bảo độ tin cậy cao [6],[7]

Trong quá trình xử lí số liệu đo đạc, chúng tôi áp dụng các quy tắc của xác

suất thông kê toán học sau khi đã lặp lại n lần chúng ta nhận được các giá trị

Xi =( 1 ữ n).Giá trị trung bình của mỗi lần đo được tính theo công thức sau:

X = ∑

=

n 1

i i

Xn

)XX(

n 1 i

2 i i

do f = n - 1 Khi đó độ tin cậy sẽ là:

x =x±tασtb

Đối với các số liệu nghi ngờ sẽ được kiểm tra lại theo tiêu chuẩn 3σ

như sau: Xnghi ngờ - X > 3σ thì loại bỏ

2.4.2 Phương pháp gia công số liệu

+ Phương sai yếu tố: Là tổng bình phương sai lệch ở từng thí nghiệm, giữa các giá trị trung bình tổng thể (y ) với các giá trị trung bình của y ứng với mỗi yếu tố xi (gọi là yj) thì: [6],[7]

Syt2 =

1k

)yy(

k 1

Stn2 =

kN

)yy(k 1 i

n 1 i

2 ij ij

ư

ư

∑∑

= = (2.49) Với N - k = k(n-1) là bậc tự do

Dùng tiêu chuẩn Fisher này để đánh giá tỷ số

F = 2

tn

2 yt

Nếu F > Fb thì yếu tố đó có ảnh hưởng đến thông số mục tiêu và không

ảnh hưởng trong trường hợp ngược lại

+ Để đánh giá tiêu chuẩn đồng nhất của phương sai ta phải tính phương sai thí nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố kí hiệu là Sj2

Sj2=

2

1n

yy(

phương sai ∑ 2 có đảm bảo không vượt quá tiêu chuẩn G

2 t

2 max j

S

S (2.52)

Nếu G < Gb thì các giá trị phương sai được coi là đồng nhất, không phương sai nào vượt quá nhiều so với phương sai khác

Với các số liệu thí nghiệm đo được của đề tài này chúng tôi đều gia công theo phương pháp trên

3 Cơ sở lý thuyết xác định các thông số cơ

bản của máy nén ép

3.1 Quy luật chuyển động của khối bột trong máy ép và năng suất ép

3.1.1 Chuyển động của khối bột

Để nghiên cứu quy luật chuyển động của khối bột trong máy nén ép chúng tôi ứng dụng nguyên lý máy ép sản phẩm thực phẩm và thức ăn gia súc của tác giả AIAXOKOLOV Quá trình nén ép xảy ra trong buồng vít được trình bày trên sơ đồ 3.1 là các khoảng cách không gian làm việc của buồng vít theo [16] ta có thể chia ra các vùng:

A – vùng hở của buồng; B – vùng tăng áp suất trên sản phẩm;

C – vùng ép sản phẩm và tạo hình cho sản phẩm

Hình 3.1 Các khoảng không gian làm việc của buồng vít

Máy ép vít là máy làm việc liên tục tạo ra sản phẩm viên hoặc bánh Giả sử hỗn hợp thức ăn được nạp đầy buồng vít không chịu nén thì thể tích tính theo chiều dài một vòng vít (ứng với bước S ) là :

S

4

DV

2π

= , (m3) (3.1)

D là đường kính trong của buồng vít (m), S là bước vít (m)

Thể tích buồng do vít xoắn chiếm chỗ là:

0 ≤ ωsp ≤ ω

ωsp làtốc độ góc của sản phẩm, ω là tốc độ góc của vít xoắn

+ ωsp = 0 Thì năng suất thực tế bằng năng suất lý thuyết

Qtt = Qlt = ϕx

60

nS4

D2π

(3.5)

+ ωsp = ω Thì năng suất bằng 0, không có sản phẩm dịch chuyển dọc trục Từ nghiên cứu trên ta có nhận xét :

Để nâng cao năng suất cần giảm sự quay của sản phẩm so với vít xoắn, như vậy hình dạng và tính chất bề mặt vít xoắn đảm bảo liên kết nhỏ nhất với sản phẩm Bề mặt trong của buồng vít phải hãm sản phẩm quay do đó cần phải gia công mặt trong buồng vít cẩn thận Trong một số trường hợp để giảm hiện tượng quay của sản phẩm người ta gia công bề mặt trong của buồng vít nhám hoặc vật liệu có ma sát cao hoặc đường gân nổi mặt trong Chiều dài của vít và

số vòng của vít xác định bằng tính chất của sản phẩm Đối với sản phẩm tơi rời [6],[16] dùng phương trình tính toán sau:

ư

ηπ

ε

ư

)3

C1C(f

f1

)(1e

K

i

3 i 2

i i 2

i 1 i

i 2 i )

C 1 /(

f 4 i

2 i i 2

áp suất cao ở cuối vòng vít Pc thì chiều sâu của Profin phải nhỏ

- Hệ số tăng áp tăng lên cùng với việc tăng ma sát sản phẩm với ống f2i

độ nhám của ống phải theo hướng vòng tròn là điều kiện tốt nhất, để vít xoắn làm việc kết quả cao

- Tăng hệ số ki, năng suất của vít xoắn giảm sẽ làm giảm hệ số nạp liệu ηi

ki 1 1,7 2,2 2,36 2,46 2,56

Kết luận: Như vậy để máy nén ép kiểu vít xoắn làm việc có hiệu quả thì kết cấu của vít và buồng vít sao cho khối bột trong buồng ép vừa chuyển động quay theo trục vừa chuyển động tịnh tiến dọc trục 0 < ωsp < ω

3.1.2 Xác định năng suất của máy ép

Với giả thiết rằng khối bột nhét đầy thể tích giữa các đường vít và khi

đường xoắn quay chỉ dịch chuyển tịnh tiến đi một đại lượng là bước S theo [16] thì năng suất lý thuyết của máy ép được xác định theo công thức:

bbS)rR(m1500

bbS)rR(m25

n - là số vòng quay của trục vít, (v/ ph)

ω - là tốc độ góc của trục, (rad/s)

Trong thực tế khối bột không liền đầy buồng vít nh− giả thiết và nh− nghiên cứu ở trên thì khối bột vừa chuyển động tịnh tiến vừa chuyển động quay và còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, nên năng suất thực tế của máy

bbS)rR(m1500

bbS)rR(m25

BP)W

DC(

k

e b

1 2

1 e

++

γ

=γ

Khối lượng thể tích nguyên liệu chưa ép γ1 = 0,719 ữ 0,781 g/cm3 Khi

độ ẩm nguyên liệu Wb = 27,9 ữ 33%, áp suất ép lớn hơn 33 kG/cm2 và nhiệt

Hiệu quả công nghệ của máy ép vít được xác định bằng tỷ số:

d e r

lt

tt

cn K K KQ

nó Năng suất thực tế có thể bằng năng suất lí thuyết khi mỗi hệ số Kđ,Ke,Kr

đều bằng đơn vị Điều đó chỉ có thể đạt được bằng cách đảm bảo sự tương quan cần thiết giữa thể tích của các vòng vít nhận liệu và thể tích của vòng vít

đẩy sau cùng Trường hợp này phải tuân theo điều kiện: