Trong bài viết này nhóm tác giả thực hiện các nghiên cứu, phân tích cơ chế của quá trình gia tốc cho hạt vật liệu và đập vỡ để xây dựng lên phương trình mô tả sự chuyển động của hạt trong đĩa chia liệu (roto), từ đó thiết lập lên mối quan hệ giữa bán kính của đĩa chia liệu và vận vòng quay của đĩa.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Nghiên cứu xây dựng phương trình xác định đường kính vận tốc quay đĩa chia liệu máy nghiền ly tâm va đập trục đứng Nguyễn Khắc Lĩnh 1, *, Nguyễn Văn Xô 1, Nguyễn Đăng Tấn 1, Lê Thị Hồng Thắng 1 Khoa Cơ Điện, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Quá trình: Nhận 15/04/2021 Chấp nhận 16/8/2021 Đăng online 19/12/2021 Hiện cát tự nhiên dần trở nên khan ngày bị siết chặt, việc tìm nguồn cung cát (cát nghiền nhân tạo) chỗ từ đá thải mỏ than để đáp ứng nhu cầu xây dựng gia tăng có ý nghĩa quan trọng phát triển Việt Nam Tuy nhiên để sản xuất thành công cát nhân tạo cần có thiết bị phù hợp Qua q trình áp dụng thử nghiệm cho thấy máy nghiền ly tâm va đập trục đứng đáp ứng yêu cầu với sản phẩm (đá nghiền) có hàm lượng hạt vụn thấp (đến 10%), hạt tròn v.v Ở nước chưa có đơn vị chế tạo thành cơng thiết bị Do máy nghiền ly tâm va đập trục đứng sử dụng chủ yếu nhập từ Trung Quốc, Mỹ… với giá thành chi phí cao Một phần nguyên nhân nhà chế tạo nước thiếu hiểu biết, thiếu tài liệu hướng dẫn tính tốn loại thiết bị Trong báo nhóm tác giả thực nghiên cứu, phân tích chế trình gia tốc cho hạt vật liệu đập vỡ để xây dựng lên phương trình mơ tả chuyển động hạt đĩa chia liệu (roto), từ thiết lập lên mối quan hệ bán kính đĩa chia liệu vận vòng quay đĩa Đây sở để thực bước tính tốn cho phận thiết bị Từ khóa: Hạt vật liệu, đĩa chia liệu, tốc độ quay © 2021 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu trượt lở bãi thải điều kiện thời tiết bất thường thời gian phù hợp với nhu cầu phát triển đất nước Theo nhiều nghên cứu cho thấy áp dụng máy nghiền côn sản xuất cát nhân tạo thường cho tối đa 15% tỷ lệ (0 – 5mm) q trình nghiền đá, cịn máy nghiền trục đứng ly tâm va đập cho tới 60 – 85% cát (Wermter К., 1988) (Абдулханова М.Ю., 2011) Gần thiết bị có mặt cơng trình thi công thủy điện Sơn La, Đồng Nai 4, Sông Tranh, bê tông Hùng Vương, đập thủy lợi Tân Mỹ lớn Việt Nam, thủy điện Lai Châu, tịa nhà Landmark Hồ Chí Với điều kiện tài ngun cát tự nhiên hạn chế ngày siết chặt việc tìm nguồn cung cát chỗ đáp ứng nhu cầu xây dựng gia tăng có ý nghĩa quan trọng phát triển quốc gia Sản xuất thành công cát nghiền nhân tạo từ đá cát kết bãi thải mỏ mở hướng mới, bền vững cho ngành công nghiệp vật liệu xây dựng, đồng thời giảm tải áp lực đất đá đổ thải mỏ than vùng Quảng Ninh, giảm nguy * Tác giả liên hệ E - mail: nguyenkhaclinh@humg.edu.vn DOI: 141 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Minh… Cát nhân tạo có nhiều ưu điểm vượt trội so với cát tự nhiên (labcare.com.vn) Sử dụng cát nhân tạo, theo tính tốn nhà khoa học, giảm tới 10% xi măng mác bêtơng 35% nhựa đường Với dây chuyền có sử dụng máy nghiền trục đứng vào sản xuất Đồng Nai, chất lượng đá dăm cát nhân tạo tốt, tỷ lệ hạt dẹt đá dăm 4% (nghiền thông thường tỷ lệ 35%) cát 7% Hình - Sơ đồ dây chuyền sản xuất cát nhân tạo Nguyên tắc hoạt động máy nghiền trục đứng dựa tăng tốc mảnh vật liệu máy nghiền (vật liệu gia tốc tác dụng lực ly tâm chảy vào buồng nghiền với tốc độ cao), vượt đáng kể tốc độ phá hủy vật liệu sau va chạm Đồng thời buồng nghiền tạo thành lớp lót Lớp lót có phần giống hốc giúp giữ lại lớp nguyên liệu để đỡ nguyên liệu bay tới Khi va đập "đá vào đá" hay "va đập tự do", mảnh đá bị phá hủy thành mảnh nhỏ dựa mặt phẳng phân cắt khoáng vật vết nứt bên khoáng vật hình thành trước Các hạt tạo thành có hình dạng gần với hình dạng tinh thể, thực tế khơng có vết nứt bên trong, nghĩa là, độ bền nén chúng tăng lên so với độ bền mảnh ban đầu 142 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HĨA (MEAE2021) Xác định vận tốc góc bán kính đĩa chia liệu Vật liệu băng tải đưa từ phía vào lỗ nạp (Hình 2), từ rơi vào bánh cơng tác ( đĩa chia liệu) Các mảnh vật liệu rơi xuống hình nón đĩa chia liệu sau thay đổi hướng di chuyển từ phương thẳng đứng thành chuyển động ngang Đĩa chia liệu dẫn động động tạo lực ly tâm tác động lên mảnh vật liệu, mảnh vật liệu di chuyển dọc theo cánh dẫn đĩa chia liệu vào buồng nghiền 2.1 Lý thuyết sơ sở vật lý trình nghiền vỡ thể rắn Xuất phát từ cơng trình nghiên cứu Viện sĩ A.Ph.Iophphe, P.A.Rebinder I.A.Phrenkel, xác nhận: đặc điểm cấu trúc vật rắn tồn khuyết tật nhỏ Các khuyết tật có phân bố thống kê theo chiều dày vật thể Đồng thời chúng thể cục bề mặt ngồi Chính có đặc điểm mà độ bền (khá chóng lại phá vỡ) bị giảm từ 100-1000 lần so với độ bền vật rắn thực Do có hai khái niệm độ bền tồn tại: độ bền phân hủy độ bền kỹ thuật Quá trình biến dạng vật rắn xảy với gia tăng phần tử có số lượng khuyết tật Khi quy mơ khuyết tật gia tăng vượt giới hạn, với phát triển nhanh theo chiều dài vết nứt làm vật thể bị phá vỡ Rõ ràng có hai dạng lượng đóng vai trị trình phá hủy vật thể rắn: lượng tích tụ biến dạng đàn hồi lượng tự Khi có tải trọng tuần hồn với chu kỳ số lượng vết nứt vật thể gia tăng độ bền vật thể giảm xuống Sự xuất vết nứt tế vi cấu trúc vật thể làm giảm lực liên kết phân tử, làm giảm độ bền cách đột ngột Hiện tượng Viện sĩ P.A.Rebider phát đặt tên "hiệu ứng Rebider", hiệu ứng sử dụng rộng rãi kỹ thuật Khái niệm chung phá húy học nguyên liệu hạt gọi sở trình động lực học nghiền Cơ chế phá vỡ hạt có dạng chể phá hủy nén ép trình diễn theo sơ đồ phá hủy giòn, nghĩa khơng có q trình biến dạng dẻo rõ rệt Cùng với quy luật phân bố phần tử sản phẩm nghiền theo kích thước chúng lý thuyết nghiền nghiên cứu phụ thuộc hàm số chi phí lượng đến q trình nghiền vỡ vật liệu mức độ nghiền Năng lượng cần để nghiền vỡ đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kích thước, hình dạng hạt, phân lớp hạt, độ bền, độ giịn, Hình - Sơ đồ ngun lý máy nghiền trục đứng 1- Đường ống cấp liệu cho máy, 2- Bánh công tác phân chia vật liệu, - Tấm lót, - Vật liệu nghiền, - Cửa tháo vật liệu, – Các đệm lót chống mòn, 7- Dao chia liệu, - Động điện Ở phía ngồi buồng nghiền, túi vật liệu hình thành hạt vật liệu chúng tạo lớp tự lót, mảnh vật liệu nghiền 4, đẩy từ đĩa chia liệu, va vào Sau vật liệu nghiền rơi xuống qua cửa tháo tác dụng trọng lực đưa Để đảm bảo tuổi thọ máy, đĩa chia liệu 2, rãnh đĩa chia liệu bảo vệ phần tử chống mài mịn, thay chúng bị mịn hỏng: đệm lót chống mịn (trên dưới), dao chia liệu Từ phân tích ta thấy lượng nghiền hình thành vận tốc viên đá bay khỏi đĩa chia liệu đủ lớn Vận tốc hạt vật liệu phụ thuộc vào đường kính vận tốc quay đãi chia liệu Vì việc xây dựng mối quan hệ hai đại lượng cần thiết bước đầu tính tốn thiế kế máy nghiền ly tâm va đạp trục đứng 143 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) 1 Adh = K dh − d D Trong đó: Adh - Công dùng để nghiền; Kdh - Hệ số tỷ lệ; d - Đường kính sản phẩm; D Đường kính vật liệu nghiền 2.1.4 Thuyết tổng hợp Do hai thuyết bề mặt thể tích cịn thiếu sót Vì dựa vào thể tích, tính chất lý vật liệu nghiền biến dạng, viện sĩ người Nga P.A.Rebinder lần vào năm l928 đưa thuyết nghiền tổng hợp gọi thuyết nghiền với nội dung: "công nghiền vật liệu bao gồm công tiêu hao để tạo bề mặt công để làm biến dạng vật liệu" thể công thức: Ath = f (V ) + f (S ) = Av + As , J, (4) đồng đá, độ ẩm hình dạng trạng thái bề mặt làm việc máy nghiền v.v Do việc xác lập quan hệ lượng để nghiền tích chất lý vật nghiền khó khăn Hiện tồn giả thuyết nghiền trình bầy tiếp sau (được coi định luật nghiền) 2.1.1 Thuyết bề mặt Thuyết giáo sư P.Ritinger người Đức nêu năm 1867 phát triển sau: “công tiêu hao để nghiền vật liệu tỷ lệ với diện tích bề mặt tạo trình nghiền” As= f(S) = K α S, J, (1) Trong đó: As - cơng chi phí để nghiền vỡ vật thể, tạo thành bề mặt [J]; K – Hệ số có tính đến lượng sức căng bể mặt vật thể cứng; S - diện tích bề mặt tạo thành (sự gia tăng diện tích riêng bề mặt) = K V + K S Trong đó: Ath - Cơng để nghiền vật liệu; Av - Cơng chi phí cho biến dạng vật liệu; As Cơng chi phí cho tạo thành bề mặt mới; K - Hệ số có tính đến lượng sức căng bể mặt vật thể cứng Quá trình nghiền trình phức tạp bao gồm nhiều biến đổi lý vật liệu nghiền Hai định luật bề mặt thể tích quan tâm đơn đến giai đoạn riêng rẽ q trình phức tạp Định luật thể tích xác định lượng cho q trình biến dạng đàn hồi vật liệu mà không kể tới số bề mặt tạo thành miết vỡ gây Định luật bề mặt khơng tính đến lượng biến dạng mà kể đến lượng cần tạo bề mặt miết vỡ Nhiều nghiên cứu chứng tỏ rằng: nghiền với mức độ nghiền nhỏ (nghiền bột), định luật bề mặt cho kết gần sát với thực tế mức độ nghiền nhỏ (nghiền hạt) định luật thể tích Các thuyết nghiền nêu gần để nghiên cứu hiệu chỉnh mặt thực nghiệm trường hợp cụ thể 2.1.2 Thuyết thể tích Thuyết thể tích nhà học người Nga V.L.Kirpitrev đề xuất năm 1874 giáo sư người Đức Ph.Kik kiểm chứng thực nghiệm máy nghiền kiểu búa vào năm 1885 Nội dung thuyết thể tích : "cơng cần thiết để nghiền vật liệu tỷ lệ thuận với mức độ biến thiên thể tích vật liệu" V (2) Av = f ( V) = = K V , J, 2 E Trong đó: Av - cơng gây biến dạng; K2 = - Hệ số tỷ lệ; V - phần thể tích vật 2 E thể bị biến dạng; - ứng suất lúc biến dạng; E mơdun đàn hồi 2.1.3 Thuyết dung hịa Ở thuyết bề mặt, khó xác định hệ số K nên ý nghĩa thực tế công thức bị giảm Ở thuyết thể tích, thiếu hệ số tỷ lệ cho trường hợp cụ thể nên công thức không sử dụng rộng rãi Thuyết dung hòa Ph.c Bon đề xuất để dung hòa hai thuyết vào năm 1952 Nội dung thuyết dung hịa: "cơng nghiền tỷ lệ với trung bình nhân thể tích (V) bề mặt (S) vật liệu đem nghiền” Adh = K V S = K KV D3 K S D = K D 2,5 , J, (3) 2.2 Xác định vận tốc góc đĩa chia liệu Vận tốc ly tâm đầu cánh dẫn hướng đĩa chia liệu xác định công thức: v= Sau biến đổi: 144 r , m/s, 30 (5) HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) ( K V + K S ) (8) (0.98 0.99) m Thay vào công thức (5) ta có vận tốc góc đĩa xác định sau: ( K V + K S ) , rad/s, (9) 30 = r (0.98 0.99) m Trong – tần số đĩa chia liệu, vòng/phút; r – Bán kính đĩa chi liệu, m Trong q trình hoạt động máy nghiền ly tâm, mảnh vật liệu nghiền tác dụng lực ly tâm chuyển động theo hướng cánh dẫn hướng với tốc độ v khỏi đĩa chia liệu va vào hạt vách ngăn Theo định lý Carnot (Яблонский А.А., Никифорова В.М., 2002), động mà vật bị va chạm không đàn hồi động vật tương ứng với vận tốc bị chúng Xét tác động vật bị nghiền q trình va chạm, ta viết phương trình động sau: To − T = m.v m.vk2 , J, − 2 v= 2.3 Xác định bán kính đĩa chia liệu Phương trình cân lực hạt vật liệu → m v , J, → → → (10) Trong ma - lực quán tính, d 2r d ,N; ma = m − r dt dt (6) F1Т - lực ma sát hạt đĩa rôto FT = f1 m g , N; F2Т - lực ma sát hạt dọc theo lưỡi dao, dọc theo tự lót FT = m f Vd , N; Fe - lực li tâm Fe = m r , N; Fс - lực Coriolis Fc = m Vd , N; Vì chiều cao rơto nhỏ so với đường kính, giả sử chuyển động xảy mặt phẳng biểu diễn hệ tọa độ cực Orφ (hình 3) Như vậy, phương trình chuyển động chiếu lên trục r có dạng Trong To – T = A - lượng nghiền, J; To - động vật liệu trước va chạm, J; T - động hạt vật chất bị phá hủy sau va chạm, J; m - khối lượng vật liệu, kg; vk - tốc độ trung bình mảnh hạt sau va chạm Một cách gần đúng, tốc độ phần tử vật chất sau va chạm phá hủy nhỏ 100 lần so với tốc độ vật liệu bị nghiền trước va chạm, đó, cho động vật liệu T sau va chạm 1-2% T o Như lượng nghiền cần thiết xác định sau: A = (0.98 0.99) → m a = F 1T + F 2T + F e + F c , kN, d 2r d − r = − f1 g cos − dt dt 2 (7) Do đó, cơng A phụ thuộc vào khối lượng mảnh vật liệu bị nghiền nát, khi, mảnh vật liệu có khối lượng nhỏ cơng A không đủ để phá hủy vật liệu Cần lưu ý hạt mịn tìm thấy nguyên liệu ban đầu có kích thước tương tự với kích thước thành phẩm mà khơng cần nghiền Kết hợp với phương trình (4) phương trình (7) ta tính vận tốc cần thiết trước va chạm: (11) −2 f Vd cos − + r + Vd cos 2 Với ω - tốc độ góc đĩa chia liệu, rad/s; f1 f2 - hệ số ma sát tương ứng vật liệu đĩa lưỡi dao chia liệu; Vd - vận tốc tương đối hạt dọc theo lưỡi dao, m/s; - góc phương chuyển động hạt phương vng góc với lực li tâm, độ 145 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Thảo luận Quá trình di chuyển va chạm hạt khoang nghiền máy nghiền li tâm va đập trục đứng trình phức tạp Năng lượng nghiền sinh cách hạt vật liệu di chuyển với vận tốc phù hợp trước hạt khỏi đĩa chia liệu va chàm vào Năng lượng nghiền lượng vụ va chạm hạt Kết hợp phương trình (9) phương trình (14) ta hệ phương trình (15) Hệ phương trình giải số sử dụng phần mềm hỗ trợ MathCad, MATLAB v.v = 30 ( K V + K S ) r (0.98 0.99) m g g r2 r (15) = − f1 g r − 2 r ( ln a ) g g r r − ln a g g r − f r + 2 r + ln a Hình – Sơ đồ chuyển động hạt đĩa chia liệu Chuyển vận tốc góc vận tốc tương đối dạng vi phân, thu dr d 2r d dt − r = − f1 g 2 dt dt dr d (12) −r dt dt dr d −2 f + r + dt dt Các cánh đĩa chia liệu chế tạo theo dạng xoắn ốc logarit, xác định phương trình r = aφ hệ tọa độ cực Từ nhận Kết luận kiến nghị = log a r; g Từ nghiên cứu phân tích ta kết luận rằng: - Nguyên lý phá vỡ đất đá máy nghiền li tâm trục đứng độc đáo, giúp tăng tuổi thọ thiết bị nghiền đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm đầu - Đường kính vận tốc đĩa chia liệu hai thơng số quan trọng tính tốn thiết kế máy nghiền ly tâm trục đứng Nó ảnh hưởng trực tếp đến khả đập vỡ vật liệu hiệu làm việc thiết bị - Thiết lập phương trình tính tốn thể mối quan hệ bán kính đĩa chia liệu vận vịng quay đĩa Đây sở để tính tốn thơng số khác thiết bị - Cần tiếp tục mở rộng nghên cứu để xây dựng phương pháp tính tốn thiết kế đĩa chia liệu hồn chỉnh (13) g r = r ln a Thay (13), phương trình (12) ta có g r− g r2 r ( ln a ) = − f1 g r g g r r − ln a (14) g g r −2 f r + r + ln a Đây phương trình vi phân phi tuyến bậc hai giải số sử dụng phần mềm hỗ trợ MathCad, MATLAB v.v 146 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ – ĐIỆN – TỰ ĐỘNG HÓA (MEAE2021) Tài liệu tham khảo Абдулханова, М.Ю (2011) Автоматизированные системы дробильносортировочным оборудованием, Механизация строительства – №3 – C 19-21 Яблонский А.А., Никифорова В.М (2002) Курс теоретической механики – М.: Издательство «Лань», 768 с https://labcare.com.vn/cat-nhan-tao-la-gi-so-sanhcat-nhan-tao-va-cat-tu-nhien Robertson J.L (1983) Impact Crushers come in wide range of sizes and types// Rock Products V 86 N P 41-43 Wermter К (1988) Verschlеissminderung beim Brechen von Keis, Ibid № p 156-139 ABSTRACT Establish the equations to determine the diameter and rotational speed rotor of vertical shaft impact crusher Nguyen Khac Linh1, Nguyen Van Xo1, Nguyen Đang Tan1, Le Thi Hong Thang1 Department of industrial machinery and equipment Faculty of Electro-Mechanics Hanoi University of Mining and Geology Nowadays, natural sand is running out by the huge demand The natural sand resources formed by hundreds of thousands of years in many countries and regions are almost exhausted As a result, natural sand costs are getting higher and higher and cannot meet the increasing market demand In this case, the artificial sand came into being Artificial sand, also called crushed sand or mechanical sand (m sand), refers to rocks, mine tailings or industrial waste granules with a particle size of less than 4.75 mm It is processed by mechanical crushing and sieving In Vietnam, no company has successfully manufactured a Vertical Shaft Impact Crusher (VSI Crusher) VSI Crushers are mainly imported from China, the US, so the purchase price is high The main reason is the lack of research papers on VSI Crusher In this paper, the process of accelerating and breaking of material particles are studied and analyzed to establish mathematical equations describing the movement of material particles by rotor centrifugal crusher Thereby, the relationship between the radius and rotational speed of rotor is established Based on this study, other parts of VSI Crusher are calculated and designed Keywords: VSI Crusher, artificial sand, crushed sand, rotor centrifugal crusher 147 ... khỏi đĩa chia liệu đủ lớn Vận tốc hạt vật liệu phụ thuộc vào đường kính vận tốc quay đãi chia liệu Vì việc xây dựng mối quan hệ hai đại lượng cần thiết bước đầu tính tốn thiế kế máy nghiền ly tâm. .. (MEAE2021) Xác định vận tốc góc bán kính đĩa chia liệu Vật liệu băng tải đưa từ phía vào lỗ nạp (Hình 2), từ rơi vào bánh công tác ( đĩa chia liệu) Các mảnh vật liệu rơi xuống hình nón đĩa chia liệu. .. hoạt động máy nghiền trục đứng dựa tăng tốc mảnh vật liệu máy nghiền (vật liệu gia tốc tác dụng lực ly tâm chảy vào buồng nghiền với tốc độ cao), vượt đáng kể tốc độ phá hủy vật liệu sau va chạm