Giới thiệu chung về công nghệ trộn nhựa và máy trộn nhựa
Công nghệ trộn nhựa
Mục đích của việc trộn:
- Cải thiện tính chất sử dụng sản phẩm.
- Cải thiện ngoại quan của sản phẩm.
- Giảm giá thành sản phẩm.
- Cải thiện tính chất gia công của bán thành phẩm.
Hiệu quả và và chất lượng của quá trình trộn phu thuộc vào:
- Tương tác giữa polime và phụ gia.
- Mỗi polime có một nhiệt độ trộn tối ưu: mức độ giảm cấp thấp nhất.
Lưu biến học nghiên cứu về sự chảy của vật chất: chủ yếu là các chất lỏng nhưng cũng có thể là các chất rắn mềm hoặc chất rắn trong điều kiện chúng bị chảy hơn là biến dạng đàn hồi Nó áp dụng cho các chất có cấu trúc phức tạp bao gồm bùn, bùn thải, polymer, một số thực phẩm, chất dịch động vật, và các vật liệu sinh học khác Sự chảy của các chất này không thể chỉ phụ thuộc vào độ nhớt (ở nhiệt độ cố định vì độ nhớt biến đổi còn phụ thuộc vào các yếu tố khác).
- Tính chất lưu biến của polymer ảnh hưởng rất lớn đến quá trình trộn.
- Quá trình trộn thực hiện bởi tác động cơ học của các chi tiết máy trộn.
Tác động của cơ và nhiệt đến sự giảm cấp:
Hình 1.1 Tác động của cơ và nhiệt đến sự giảm cấp [1]
Thiết bị trộn phân bố và phân tán:
Hình 1.2 Các thiết bị trộn
+Chuyển động nhỏ: khuếch tán.
+Chuyển động lớn: đối lưu và trượt Các yếu tố ảnh hưởng:
+Phân bố kích thước hạt.
+Khối lượng riêng biểu kiến.
+Khối lượng riêng thực tế.
+Độ ẩm hay hàm lượng chất lỏng.
+Độ nhớt, sức căng bề mặt của chất lỏng.
+Giới hạn nhiệt độ - hiệu ứng bất thường do nhiệt độ của phụ gia.
+Trạng thái tập hợp. Đánh giá mức độ trộn:
+Hỗn hợp đồng nhất về màu sắc phân bố, không tách pha (dạng lỏng). +Kích thước hạt phân bố đồng nhất.
+Hỗn hợp (dạng bột) sau khi trộn không được vón cục hay tăng kích thước hạt.
+Sự đạt yêu cầu của sản phẩm tạo thành.
- Mục đích và đặc điểm:
+ Quá trình tạo hỗn hợp pát đơn giản là phân tán các hạt đơn rời vào pha lỏng liên tục và hòa tan các chất vào nhau.
+ Quá trình có thể liên quan đến các phản ứng hóa học Đôi khi cũng phải sấy các hạt rắn đến một giới hạn nào đó.
+ Trạng thái vật lý của sản phẩm cuối cùng là yếu tố quan trọng quyết định lựa chọn thiết bị gia công.
- Yếu tố ảnh hưởng đến sự tách pha:
Hình 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tách pha
+Các lực va đập và lực trượt phải được tạo ra ở vùng gần cánh trộn.
+ Các tác động gấp, kéo và nén cũng có tác dụng tốt cho việc sản xuất ra hỗn hợp pát đồng nhất.
+Trong quá trình gia công không có dòng chảy phát sinh ra ở vùng xa cánh trộn.
+ Đối với các vật liệu có khuynh hướng dính vào cánh trộn thì phải dùng tác động trượt ở tốc độ thấp để tạo điều kiện vật liệu có đủ thời gian về vùng hoạt động Kết hợp với tác động trượt vận tốc thấp, các tác động chà sát cũng có hiệu ứng tốt.
+Thùng và cánh trộn phải phù hợp với vật liệu.
+ Vật liệu phải chuyển động dần vào vùng hoạt động bởi sự chuyển động của thùng hay cánh trộn.
+Các bộ phận hoạt động của máy trộn phải tác động lên vật liệu sao cho có thể đưa vật liệu vào vùng hoạt động với cường độ đủ lớn để phân tán.
+Sản phẩm phải được lấy ra nhanh khỏi thùng trộn và thùng trộn phải được làm sạch ngay sau khi tháo liệu.
Máy trộn nhựa
Máy trộn nhựa là một thiết bị không thể thiếu trong ngành công nghiệp gia công, đặc biệt là ở các doanh nghiệp có cơ sở sản xuất lớn Máy trộn nhựa giúp trộn nhựa và các vật liệu gia cường nhanh chóng để phục vụ cho mục đích sản xuất vật liệu hay sản phẩm.
Máy trộn nhựa không chỉ dùng trộn nhựa mà tùy vào thiết kế của dòng máy mà có thể sử dụng cho đa dạng loại nguyên liệu Điều này là một trong những tiêu chuẩn lựa chọn của các chủ doanh nghiệp để giúp tiết kiệm nguyên liệu hơn.
Tại các cơ sở sản xuất có quy mô lớn, người ta thường sử dụng loại máy trộn nhựa công suất lớn để tiết kiệm thời gian và sức lực Đồng thời loại máy này có thể trộn đa dạng các loại nguyên vật liệu khác nhau, nên tiết kiệm chi phí hơn. Khi đã nắm sơ lược về máy trộn nhựa và máy trộn nhựa công suất lớn, để lựa chọn cho mình loại máy phù hợp, bạn cần hiểu rõ, hiểu sâu hơn về các dòng máy này để dễ dàng lựa chọn.
Các loại máy trộn nhựa hiện nay:
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều dòng sản phẩm máy trộn nhựa Điều này giúp cho người mua có nhiều sự lựa chọn trước khi đi đến quyết định mua máy trộn Nhưng để chọn được máy tốt người mua cần hiểu nhiều hơn nữa về có các loại phổ biến thường dùng.
Phân loại theo vị trí tương quan: [8]
Máy trộn nhựa đứng có cấu tạo thân hình tròn, bên trên là hình phễu, phía cuối là hình lăng trụ Bên trong máy có trục vít, đây là phần quan trọng nhất, quyết định năng suất và chất lượng thành phẩm Bên ngoài trục vít là nòng ống có hình trục, phần này giúp trục vít bên trong tải nguyên liệu vào hình thẳng đứng và phun trào nguyên liệu lên để trộn Máy được cấu tạo với 4 chân trụ vững chắc giúp máy không bị rung lắc khi vận hành.
Bộ phận thứ 2 quan trọng không kém trong cấu tạo máy là moter Moter khỏe giúp máy vận hành tốt, đạt năng suất cao và không bị đứng máy khi trộn.
Nguyên liệu được đổ vào phễu sẽ được trục vít nằm ngang đưa vào ống lăn trụ. Trục vít có nhiệm vụ hút nguyên liệu lên cao sau đó phun trào theo dạng nước, cứ thế chu kỳ xoay tròn đến khi nguyên liệu xả thành phẩm ra phễu xả liệu.
Máy trộn đứng thường dùng để trộn nguyên liệu khô, ít ẩm với vòng quay nhanh nên năng suất nhanh, do đó chất lượng thành phẩm thường không cao bằng máy trộn nằm nhưng giá rẻ hơn tùy theo thể tích chứa.
Máy trộn nằm có cấu tạo với lớp vỏ nằm ngang với trục cánh trộn dạng xoắn chạy theo vòng tròn cố định để sốc đảo nguyên liệu Các chân trụ có kết cấu vững chắc để máy không bị rung khi vận hành Moter giảm tốc cho vòng tua chậm đảm bảo độ bền và chất lượng thành phẩm.
Nguyên liệu được đổ trực tiếp vào màng trộn, trục cánh dao có nhiệm vụ xoay quanh đảo nguyên liệu trộn lại với nhau đến khi thành phẩm sẽ cho ra miệng xả dưới đáy bồn.
Máy trộn nằm dùng để trộn nguyên liệu ướt, có độ ẩm cao với vòng tua chậm nên năng suất chậm nhưng chất lượng thành phẩm tốt Vì vậy giá của máy trộn nhựa công suất lớn nằm thường khá cao, nhưng độ bền lâu.
• Máy trộn nhựa công suất lớn:
Tại các xưởng công nghiệp lớn, do nhu cầu sản xuất số lượng hàng hóa khá cao, đồng thời để tiết kiệm sức người sức của, các chủ doanh nghiệp thường sử dụng loại máy trộn nhựa công suất lớn.
Máy trộn nhựa công suất lớn thường được sử dụng dạng máy trộn đứng do chi phí rẻ và năng suất nhanh hơn so với máy nằm Đây là một giải pháp kinh tế để thực hiện nhiều loại vật liệu trộn khác nhau.
Máy trộn nhựa công suất lớn thường được sử dụng để trộn các loại hạt nhựa, hạt nông sản,…Ứng dụng trong ngành công nghiệp nhựa tái sinh, sản xuất hạt nhựa, chế biến cà phê, nông sản.
Phân loại theo cấu tạo: [8]
Gồm của 2 hình nón cụt, nối với ống hình trụ Trục quay thường đi qua theo đường kính ống (hình trụ) hay trong những trường hợp riêng có thể trùng với đường tâm của hình trụ Trong những máy trộn hình nón, hiệu quả trộn được tăng lên nhờ trộn được vật liệu rơi dọc theo bề mặt thay đổi của hình chứa Khi cần thiết thì vỏ của những máy trộn như thế có thể được đốt nóng bằng dòng điện hay bằng hơi nước cũng như làm lạnh bằng nước.
Tổng quan về kết cấu của máy trộn nằm ngang
+Các lực va đập và lực trượt được tạo ra ở vùng gần cánh trộn.
+Các tác động gấp, kéo và nén cũng có tác dụng tốt cho việc sản xuất ra hỗn hợp pát đồng nhất.
+Trong quá trình gia công không có dòng chảy phát sinh ra ở vùng xa cánh trộn. + Đối với các vật liệu có khuynh hướng dính vào cánh trộn thì phải dùng tác động trượt ở tốc độ thấp để tạo điều kiện vật liệu có đủ thời gian về vùng hoạt động Kết hợp với tác động trượt vận tốc thấp, các tác động chà sát cũng có hiệu ứng tốt.
Máy trộn nhựa nằm ngang: thường được dùng để trộn những nguyên liệu bột và hạt nhựa PP, PE, ABS, HI… Loại máy này có tốc độ vòng quay chậm nên năng suất không cao như máy trộn đứng nhưng chất lượng thành phẩm trộn ra lại rất đều. Để tiến hành trộn, đầu tiên, nguyên liệu cần được đổ trực tiếp vào màng trộn Khi cắm điện và khởi động máy, động cơ sẽ truyền động năng cho hệ thống trục và lưỡi trộn Lưỡi trộn chuyển động xoay quanh trục vít để cuộn, đảo các nguyên liệu cho thật đều. Đáy của thùng trộn thường được thiết kế hình vòng cung, giúp hỗ trợ hoạt động cho lưỡi trộn trong quá trình khuấy đảo Khi tất cả đã hòa trộn lại với nhau thành một hỗn hợp đồng nhất, thành phẩm sẽ được cho ra ở ống xả dưới đáy của máy trộn.
- Hiệu ứng trộn tốt, hoàn toàn tự động Trộn nguyên liệu rất đều, tỷ lệ trộn đạt 80 – 95%, cho thành phẩm nhựa có độ bền và chất lượng cao.
- Công suất trộn cao, có thể từ 50kg – 5 tấn/mẻ.
- Độ bền của máy trộn nhựa nằm ngang rất cao, tương đương với máy trộn đứng.
- Có thể sử dụng cho cả nguyên liệu khô và nguyên liệu ướt Máy trộn nhựa nằm ngang chính là công cụ lý tưởng để giúp quá trình sản xuất nhựa tấm, tủ nhựa, ống nhựa đơn giản hơn.
- Có động cơ giảm tốc giúp hạn chế tiếng ồn, máy hoạt động ổn định, êm ái,không bị rung lắc mạnh.
- Tháo lắp, bảo dưỡng, vệ sinh máy trộn đơn giản.
- Giúp tăng năng suất từ 4-5 lần so với cách trộn thủ công trước đây.
- Không có góc chết khi trộn.
- Hạn chế tối đa việc nguyên liệu bị lắng đọng bên dưới đáy thùng.
Vật liệu trộn
Hạt nhựa nguyên sinh
Hạt nhựa nguyên sinh là sản phẩm nhựa được sinh ra từ dầu mỏ, Các thành phần hóa học của dầu mỏ được chia tách bằng phương pháp chưng cất phân đoạn tạo ra những loại hạt nhựa có giá trị sử dụng phục vụ nhu cầu sản xuất và tiêu dùng.
Hạt nhựa nguyên sinh thường được dùng để sản xuất các mặt hàng có giá trị cao hoặc các sản phẩm có đòi hỏi an toàn và có kỹ thuật cao như: thiết bị y tế, linh kiện máy bay, ô tô… Các sản phẩm nhựa thông thường mà chúng ta sử dụng hoặc nhìn thấy hằng ngày chủ yếu được sản xuất ra từ nhựa tái sinh.
Một số loại nhựa nguyên sinh thường gặp:
Nhựa PP là một trong những loại nhựa thông dụng nhất trong đời sống hàng ngày Nhựa PP thường được dùng để sản xuất: gáo múc nước, móc quần áo, cốc nhựa, lược chải đầu, chậu, linh kiện trong máy lọc nước…
Hình 1.7 Hạt nhựa P.P Đặc tính của vật lý của nhựa nguyên sinh PP:
- Tỷ trọng tương đối nhẹ, dẻo và độ bề cao
- Lão hóa nhanh nếu để ngoài trời trong thời gian dài.
- Dòn, dễ bị phá vỡ thành các mảnh ở nhiệt độ thấp
- Nhiệt độ nóng chảy hạt nhựa nguyên sinh PP: 170-200°C
- Khối lượng riêng hạt nhựa nguyên sinh PP: 0,92g/cm³
- Nhiệt độ phá hủy nhựa PP: 280°C
- Nhiệt độ khuôn thích hợp khi ép nhựa PP: 55-65°C
- Độ co rút hạt nhựa nguyên sinh PP: 1.0〜2.5%
Nhựa ABS được sử dụng nhiều trong các sản phẩm điện tử, vỏ hộp bảo vệ máy móc, đồ chơi trẻ em, phụ kiện ô tô, đồ gia dụng nhà bếp….
Hình 1.8 Hạt nhựa ABS Đặc tính vật lý của hạt nhựa ABS nguyên sinh:
- Độ cứng cao nên khó bị xước nếu xảy ra va chạm nhẹ.
- Chịu bền khi tiếp xúc với nhiệt trong thời gian dài
- Dễ tạo màu sáng hoặc phát quang
- Nhiệt độ nóng chảy hạt nhựa nguyên sinh ABS: 190-220°C
- Khối lượng riêng hạt nhựa nguyên sinh ABS: 1,05g/cm3
- Nhiệt độ khuôn thích hợp khi ép nhựa ABS: 50-60°C
- Độ co rút hạt nhựa nguyên sinh ABS: 0.4〜0.9%
- Nhiệt độ phá hủy nhựa ABS: 310°C
Nhựa PE có các biến thể như: HDPE, LDPE, LLDPE Trong đó, nhựa LLDPE được sử dụng để sản xuất bồn chứa nước.
Hình 1.9 Hạt nhựa PE Đặc tính vật lý của hạt nhựa nguyên sinh PE
- Tuổi thọ cao, có khi tới 50 năm mới lảo hóa.
- Tính kết nối cao nên có độ kín cao, không bị hở – rò rỉ.
- Chịu áp lực và va đập tốt.
- Chống an mòn do hóa chất.
- Nhiệt độ nóng chảy hạt nhựa nguyên sinh PE: 170-200°C
- Khối lượng riêng hạt nhựa nguyên sinh PE: 0,91-0,97g/cm3
- Độ co rút hạt nhựa nguyên sinh PE: 2〜6%
- Nhiệt độ khuôn thích hợp khi ép nhựa PE 40-60°C
Ngoài ra thế giới hiện nay còn có các loại nhựa nguyên sinh phổ biến như:
PA, POM, PVC, PET, PC
Bảng 1.1 Thông số một số loại nhựa phổ biến tnc Khối lượng Thể tích cm
Phụ gia nhựa
Phụ gia là loại chất được sử dụng thêm vào trong quá trình sản xuất, chế biến nhằm làm biến đổi tính chất lý hóa của sản phẩm
Hầu hết chất dẻo chứa các chất hữu cơ hoặc hợp chất vô cơ khác Số lượng chất phụ gia từ 0% đối với các polymer dùng trong thực phẩm đến hơn 50% dùng trong các ứng dụng điện tử Thành phần chất phụ gia trung bình khoảng 20% theo khối lượng polymer Một số chất độn có độ hoạt động cao hơn và được gọi là các tăng độ bền.
Một số loại phụ gia nhựa:
- Chất tẩy trắng quang học
- Phụ gia chống tĩnh điện
- Phụ gia chống lão hoá
- Phụ gia tăng độ xốp
Nhựa tái chế
Tái chế là quá trình sản xuất sản phẩm mới từ các loại rác thải hoặc vật liệu không cần thiết Các sản phẩm này có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng và đem lại lợi ích cho con người Đây là một giải pháp thay thế cho việc thải rác thông thường. Vậy nhựa tái chế chính là sản phẩm của quá trình sản xuất nhựa từ nguồn nguyên liệu rác thải nhựa nguyên sinh hoặc chính nó Sử dụng nhựa tái chế góp phần tiết kiệm vật liệu cũng như giảm thiểu lượng khí thải môi trường Dẫn đến hiện tượng gây hiệu ứng nhà kính.
Tái chế nhựa mang lại nhiều ích lợi cho con người Giảm lượng dùng nguyên liệu nguyên chất cho sản xuất (dầu, khí,…) góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên Giảm chi phí và năng lượng xuyên suốt quy trình sản xuất Hạn chế lượng khí độc thải ra môi trường bên ngoài và giảm thiểu tình trạng ô nhiễm nguồn nước.
Nhựa tái chế được xem là chiếc chìa khóa dẫn đến thành công trong việc giảm thiểu chất thải hiện đại Đồng thời cũng là một trong ba thành phần thuộc mô hình phân loại rác thải hiện nay Ba thành phần này chính là giảm thiểu, tái chế và tái sử dụng Các doanh nghiệp, nhà máy tái chế nhựa phải cam kết quy trình sản xuất đảm bảo 2 tiêu chuẩn ISO Đối với sản phẩm nhựa tái chế phải đảm bảo đạt tiêu chuẩn ISO 15270:2008 Và đạt tiêu chuẩn ISO 14001:2004 cho việc quản lý môi trường và tái chế nhựa.
Phân loại nhựa tái chế:
Ký hiệu nhựa tái chế thường được nhà sản xuất in nổi trên bề mặt các đồ nhựa để mọi người có thể dễ dàng nhìn thấy và phân biệt được đó là loại nhựa gì.
Ký hiệu nhựa tái chế là một dạng biểu tượng được miêu tả bằng hình 3 mũi tên gấp khúc nối đuôi nhau tạo thành hình tam giác Bên trong hình tam giác là một con số và bên dưới là tên của một loại nhựa.
Ký hiệu nhựa tái chế có 7 con số từ 1 đến 7 tượng trưng cho 7 loại nhựa khác nhau Tuy nhiên, không phải tất cả 7 loại nhựa này đều được sử dụng để tái chế vì một vài loại nhựa trong số đó không được chấp nhận để tái chế tại đa số các trung tâm tái chế hiện nay.
Hình 1.10 Ký hiệu 7 loại nhựa tái chế
Bảy loại nhựa trong ký hiệu nhựa tái chế bao gồm: PETE, HDPE, PVC,LDPE, PP, PS và loại khác Trong bảy loại nhựa này thì có hai loại nhựa không được sử dụng hoặc được sử dụng rất ít để tái chế là nhựa PVC và nhựa PP Các loại nhựa còn lại có thể sử dụng để tái chế.
Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài
Tình hình nghiên cứu trong nước
Máy trộn nhựa hiện nay là thiết bị không thể thiếu trong mọi quy trình sản xuất nhựa Chính vì thế hiện nay máy trộn nhựa đã rất phổ biến trên thị trường và gần gũi với các doanh, xí nghiệp Một số cơ sở đã có thể tự chế tạo máy dựa trên module hoặc mẫu có sẵn. Đối với việc nghiên cứu tính toán công suất của máy trộn ngang đã có bài báo “Xác định khối lượng vật liệu vận chuyển trong thùng trộn bê tông xi măng hai trục nằm ngang” của GS.TS Nguyễn Đăng Điệm và PGS.TS Nguyễn Văn Vịnh[3] Bài báo sử dụng phương pháp nghiên cứu dòng vật liệu trong thùng, tính toán công suất thành phần của máy dựa trên khối lượng vật liệu làm việc. Bằng việc tính công di chuyển vật liệu, bài báo đưa ra công thức tính công suất của máy, qua đó tính chọn được công suất của động cơ.
Tuy nhiên không có thật sự nhiều công trình nghiên cứu cải tiến năng suất máy theo phương pháp cải tiến thiết kế ở trong và ngoài nước Ngoài ra, đối với nghiên cứu về trộn nhựa còn có một số bài báo về các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới chi phí năng lượng riêng của máy trộn hạt gỗ nhựa Leistritz.
Qua nghiên cứu khảo sát thấy rằng cần phải đầu tư vào tính toán và nghiên cứu máy trộn nhựa nhiều hơn để làm yếu tố tham khảo cho tính toán và thiết kế.
Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Theo một số bài báo quốc tế, đã có nhiều phương án đưa ra nhằm cải thiện năng suất máy: như của Viktor[ 5Konovalov] với đề tài “Modeling of the power of the drive of the spiral mixer” mô hình hóa và tính toán công suất của máy trộn xoắn, tìm ảnh hưởng của góc nghiêng xoắn đến công suất và năng suất; Đối tượng được nghiên cứu của nhóm là máy trộn dạng băng xoắn, kết quả đưa ra là
22 biểu thức tính áp lực và tính toán bằng Mathlab lên băng xoắn dự đoán kết quả không sai khác với thực nghiệm không quá 5%.
Nhóm Maureen L Rathod a, Jozef L Kokini với đề tài “Effect of mixer geometry and operating conditions[6] on mixing efficiency of a non-Newtonian fluid in a twin screw mixer” mô hình hóa, thống kê để tìm ra ảnh hưởng hình học của máy trộn đến hiệu quả trộn trong máy hai trục, hay của Kiran V.
Vyakaranam, Bharani K Ashokan, Jozef L Kokini với đề tài “Evaluation of effect of paddle element stagger angle on the local velocity profiles[4] in a twin- screw continuous mixer with viscous flow using Finite Element” nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng của tay trộn trong máy trộn 2 trục bằng mô phỏng và thống kê Đối tượng được nghiên cứu là máy trộn 2 trục, bằng mô phỏng và thực nghiệm tính toán vận tốc thành phần dòng vật liệu trộn với các lưu lượng khác nhau kết quả chỉ ra rằng cách sắp xếp các cánh trộn theo cách 2x90 là tối ưu, cho năng suất trộn được là tốt nhất.
Hình 1.11 Đối tượng nghiên cứu của nhóm Maureen L Rathod a, Jozef L Kokini, 3 cách sắp xếp cánh trộn [4]
Nhóm Wei Gao, Shunhua Chen đã có đề tài “Discrete element analysis of the particle[7] mixing performance in a ribbon mixer with a double U-shaped vessel” nghiên cứu về ảnh hưởng của pha ban đầu vật liệu đến hiệu suất trộn của máy trộn nhựa ngang dạng chữ hai chữ U Theo đó, nhóm này đã nghiên cứu 3 pha ban đầu của vật liệu gồm: Trên – dưới, Trước – sau, hai bên Qua đó cách sắp xếp pha ban đầu của vật liệu ở hai bên chữ U của thùng đạt được chất lượng tốt nhất trong cùng thời gian.
Hình 1.12 Đối tượng nghiên cứu của nhóm Wei Gao, Shunhua Chen, 3 cách sắp xếp trục trộn [7]
Máy trộn nhựa thường có 2 nhiệm vụ chính: Trộn nhựa với các phụ gia hoặc trộn nhựa tái sinh với nhựa nguyên sinh nhằm hạ giá thành sản phẩm với nhu cầu sử dụng sản phẩm nhựa trong xã hội hiện nay đang rất cao, việc đảm bảo nguồn vào của nhựa liệu là vô cùng cần thiết,
Bên cạnh việc phụ thuộc vào nguồn nhựa liệu nguyên sinh nhập khẩu từ nước ngoài, có thể sử dụng hạt nhựa tái chế có giá thành rẻ mà vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm thông dụng nhờ vào các chất phụ gia. Để đáp ứng lượng nhựa tiêu thụ ~50kg/người/năm của người Việt Nam, các ngành gia công nhựa cần tiêu thụ một lượng nhựa liệu khổng lồ, đòi hỏi nguồn cung cấp nhựa đầu vào ổn định Quá trình chuẩn bị nhựa liệu của các máy trộn là vô cùng cần thiết, hiện nay trên thị trường các máy trộn nhựa có công suất từ vài
KW đến hàng trăm KW, để tối ứu hóa công suất và đạt năng suất trộn tối đa cần có những nghiên cứu về phương pháp và thiết kế của máy.
Máy trộn nhựa ngang hai cánh đảo là đối tượng được nghiên cứu, đây là thiết bị có công suất lớn, hiệu suất cao và cho chất lượng sản phẩm tốt Đặc điểm về thiết kế các các đảo ( cánh khuấy) khiến máy có khả năng thay đổi năng suất trộn.
Trong nước và trên thế giới đã có một số công trình, bài báo nghiên cứu về góc nghiêng của máy trộn nhằm tăng năng suất máy, đây là cơ sở để luận văn phát triển nghiên cứu theo các phương pháp trên.
NGHIÊN CỨU MÁY TRỘN NHỰA NGANG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NĂNG SUẤT
Tính toán năng suất máy trộn
Đối với máy trộn nhựa rời, làm việc gián đoạn, năng suất của máy được xác định theo công thức:
- Q là năng suất trộn (kg/phút);
- M là khối lượng vật liệu mỗi mẻ trộn (kg);
- t 1 là thời gian nạp liệu (phút);
- là thời gian trộn vật liệu (phút);
3là thời gian xả liệu (phút);
2 ộn là yế u tố quyết định độ đồng đều của sả n phẩ m Qua nhiều nghiên
Thời gian tr t cứu, thấy rằng: tích của thời gian trộn với số vòng quay của cơ cấu trộn là một hằng số [1], nghĩa là:
- t là thời gian trộn, phút;
- là số vòng quay, vòng/phút;
- n là hằng số; của hằng số K được tìm bằ ng thực nghiệm, đối với máy trộn loạ i
Giá trị K cánh có (0,85 – 0,90)D và H = (0,7 - 0,8)D
Thì d K t = = 300 – 400 suất, cần giảm thời gian trộn , với số vòng trộn K là Để nâ ng cao năng[1] ốc độ quay đó không thể hằng số thì cần tốc độ quay của trục quay Tuy nhiên t t 2 quá lớn, đối với công suất trộn cố định thì giá trị đó phụ thuộc vào góc quay.Trong khuôn khổ đề tài, ta sử dụng phương pháp nghiên cứu sự di chuyển của vật liệu trong quá trình làm việc để xác định mối liên hệ giữa thông số cánh,tốc độ quay và công suất trộn.
Tính toán công suất máy trộn
2.2.1 Mô tả quá trình di chuyển của hạt vật liệu trong quá trình máy trộn làm việc
Trong quá trình bộ máy trộn làm việc, các hạt vật liệu trong thùng trộn sẽ thực hiện các chuyển động chính như sau: Vật liệu chuyển động dọc theo trục trộn do các bàn tay trộn được bố trí một góc nghiêng α so với trục trộn; vật liệu chuyển động vòng theo vỏ thùng trộn do các bàn tay trộn mang đi trong quá trình quay trục trộn; vật liệu bị nâng lên cao và hòa trộn với nhau do các bàn tay trộn ở hai trục trộn bố trí ngược chiều nhau và chuyển động quay ngược chiều nhau.
Có thể mô tả các hạt vật liệu chuyển động trên một mặt phẳng nằm ngang như Hình 2.2 dưới đây Đối với những bàn tay trộn trên cùng một trục trộn có hướng như nhau, thì hạt vật liệu sẽ thực hiện 3 chuyển động, đó là: Chuyển động từ bàn tay trộn phía trước đến bàn tay trộn phía sau trên cùng một trục (mũi tên dọc trục), chuyển động sang hướng của trục trộn đối diện đó là chuyển động vòng (mũi tên ngang) và chuyển động nâng vật liệu lên cao (mũi tên chéo). Đối với những bàn tay trộn được lắp theo hướng ngược lại với những bàn tay trộn nêu trên (bàn tay trộn 5), thì hạt vật liệu sẽ thực hiện 2 chuyển động: Một chuyển động sẽ đẩy hạt vật liệu ngược lại với chiều chuyển động do 4 [bàn2] tay trộn trước nó tạo ra; một chuyển động sang hướng của trục trộn đối diện.
Hình 2.1 Mô tả hạt vật liệu chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang
Trong sơ đồ trên thì: I, II là thứ tự các trục trộn; 1, 2, 3, 4, 5 là thứ tự các bàn tay trộn trên mỗi trục trộn; φ là góc quay của trục trộn.
Khi trục trộn quay được góc φ = 45 0 thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I 1 -
>I 2 ; I 1 ->II 1 ; I 4 ->I 3 ; I 4 ->II 4 ; I 4 ->II 3 ; I 5 ->I 4 ; I 5 ->II 5 ; I 5 ->II 4 II 2 ->II 3 ; II 2 ->I 2 ; II 2 ->I 3 ;
II 3 ->II 4 ; II 3 ->I 3 ; II 3 ->I 4 ; II 4 ->I 4 ; II 4 ->I 5
Khi trục trộn quay được góc φ = 90 0 thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I1-
>I2; I1->II1; I2->II2; I2->II1; I4->I3; I4->II4; I4->II3; I5->I4; I5->II5; I5->II4.II2->II3;
II2->I2; II2->I3; II3->II4; II3->I3; II3->I4.
Khi trục trộn quay được góc φ = 135 0 thì vật liệu sẽ chuyển động như sau:
I 1 ->I 2 ; I 1 ->II 1 ; I 2 ->II 2 ; I 2 ->II 1 ; I 5 ->I 4 ; I 5 ->II 5 ; I 5 ->II 4 II 1 ->II 2 ; II 1 ->I 1 ; II 1 ->I 2 ; II 2 -
>II3; II2->I2; II2->I3; II3->II4; II3->I3; II3->I4; II5->II4; II5->I5.
Khi trục trộn quay được góc φ = 180 0 thì vật liệu sẽ chuyển động như sau:
I 1 ->I 2 ; I 1 ->II 1 ; I 2 ->II 2 ; I 2 ->II 1 ; I 3 ->I 2 ; I 3 ->II 3 ; I 3 ->II 2 ; I 5 ->I 4 ; I 5 ->II 5 ; I 5 ->II 4 II 1 -
>II 2 ; II 1 ->I 1 ; II 1 ->I 2 ; II 2 ->II 3 ; II 2 ->I 2 ; II 2 ->I 3 ; II 5 ->II 4 ; II 5 ->I 5
Khi trục trộn quay được góc φ = 225 0 thì vật liệu sẽ chuyển động như sau:
I 2 ->II 2 ; I 2 ->II 1 ; I 3 ->I 2 ; I 3 ->II 3 ; I 3 ->II 2 II 1 ->II 2 ; II 1 ->I 1 ; II 1 ->I 2 ; II 2 ->II 3 ; II 2 ->I 2 ; II 2 -
>I 3 ; II 4 ->I 4 ; II 4 ->I 5 ; II 5 ->II 4 ; II 5 ->I 5
Khi trục trộn quay được góc φ = 270 0 thì vật liệu sẽ chuyển động như sau:
I2->II2; I2->II1; I3->I2; I3->II3; I3->II2; I4->I3; I4->II4; I4->II3 II1->II2; II1->I1; II1-
>I 2 ; II 4 ->I 4 ; II 4 ->I 5 ; II 5 ->II 4 ; II 5 ->I 5
Khi trục trộn quay được góc φ = 315 0 thì vật liệu sẽ chuyển động như sau:
I 3 ->I 2 ; I 3 ->II 3 ; I 3 ->II 2 ; I 4 ->I 3 ; I 4 ->II 4 ; I 4 ->II 3 II 1 ->II 2 ; II 1 ->I 1 ; II 1 ->I 2 ; II 3 ->II 4 ; II 3 -
>I 3 ; II 3 ->I 4 ; II 4 ->I 4 ; II 4 ->I 5 ; II 5 ->II 4 ; II 5 ->I 5
Khi trục trộn quay được góc φ = 360 0 (0 0 ) thì vật liệu sẽ chuyển động như sau: I1->I2; I1->II1; I3->I2; I3->II3; I3->II2; I4->I3; I4->II4; I4->II3; I5->I4; I5->II5; I5-
>II4 II3->II4; II3->I3; II3->I4; II4->I4; II4->I5.
Cứ sau một vòng quay của trục trộn thì vật liệu tại một điểm trong thùng trộn sẽ được quét qua 1 lần Nếu coi các cánh trộn trên một trục trộn được bố trí theo hình xoắn vít, thì sau một vòng quay của trục trộn vật liệu sẽ di chuyển bằng một bước của hình xoắn vít Sau một vòng quay c[ủ2a]trục trộn thì vật liệu sẽ dịch chuyển được một đoạn bằng một bước xoắn vít S.
2.2.2 Xác định lượng vật liệu vận chuyển theo các phương trong quá trình làm việc của máy trộn
Như đã phân tích ở trên, các hạt vật liệu sẽ thực hiện 3 chuyển động, đó là: Vòng theo vỏ thùng trộn, chuyển động dọc theo trục trộn và chuyển động nâng lên cao. a Xác định khối lượng vật liệu vận chuyển vòng theo vỏ thùng trộn
Khi bàn tay trộn chuyển động quay, sẽ quét các hạt vật liệu thành một hình vành khăn theo phương hướng kính Trong đó, bán kính ngoài của hình vành khăn chính là khoảng cách từ tâm trục trộn đến đầu mút của bàn tay trộn r, khoảng cách này xấp xỉ bằng bán kính của vỏ thùng trộn; bán kính trong của hình vành khăn chính là khoảng cách từ tâm trục trộn đến mép trong của bàn tay trộn
28 a Chiều dày của hình vành khăn sẽ bằng bề rộng củ[a2]bàn tay trộn theo phương vuông góc với chiều chuyển động b.cos (Hình 2.2).
Hình 2.2 Sơ đồ tính khối lượng vật liệu chuyển động theo phương vòng
Theo hình vẽ, ta có:
Diện tích hình vành khăn do bàn tay trộn tạo ra khi chuyển động được xác định như sau:
Trong đó: r - Khoảng cách từ tâm trục trộn đến mép ngoài của bàn tay trộn, (m); a
- Khoảng cách từ tâm trục trộn đến mép trong của bàn tay trộn, (m) Thể tích hình trụ do 1 bàn tay trộn có bề rộng b.cosα tạo ra là:
(PT 2.4) b - Bề rộng của bàn tay trộn, (m); α - Góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, (độ).
Thay (1) vào (2), ta thu được:
Một vòng quay của trục trộn, sẽ có z bàn tay trộn quét qua, nên thể tích của các hình trụ được tạo ra sau một vòng quay sẽ là:
Trong đó: z - Số bàn tay trộn trên hai trục trộn, (chiếc).
Thể tích vật liệu vận chuyển vòng theo vỏ thùng trộn do z bàn tay trộn quét qua trong một phút được tính như sau:
- Hệ số điền đầy của thùng trộn, = 0,5. n - Tốc độ quay của trục trộn trong một phút, (vòng/phút);
Khối lượng vật liệu do các bàn tay trộn quét được trong 1 phút được xác định như sau:
Trong đó: m1b = Vb , (kg/phút) (PT 2.8)
- Khối lượng riêng của vật liệu, (kg/m 3 ).
Thay (PT 2.7) vào (PT 2.8), ta được:
Với cách tính tương tự đối với cánh tay trộn, ta thu được:
Trong đó: r 1 - Bán kính của trục trộn, (m); b 1 - Chiều dày của cánh tay trộn, (m);
Tổng lượng vật liệu vận chuyển theo phương vòng trong 1 phút được xác định như sau: m 1 = m 1b + m 1c , (kg/phút)
Xác định khối lượng vật liệu vận chuyển dọc theo trục trộn
Nếu coi các cánh trộn tạo thành một trục vít, còn vỏ thùng trộn là máng vít Năng suất vận chuyển vật liệu trong một phút có thể được xác định như sau: m2 = 60.F.v.r.e (kg/phút) (PT 2.12) Trong đó:
F - Diện tích mặt cắt ngang của dòng vật liệu, (m 2 ); v - Vận tốc vận chuyển của dòng vật liệu, (m/giây); r - Khối lượng riêng của vật liệu vận chuyển,
(kg/m 3 ); e - Hệ số đầy máng vít, e = 0,5;
Xác định diện tích mặt cắt ngang của dòng vật liệu:
Do các cánh trộn không tham gia vào quá trình vận chuyển vật liệu theo phương dọc trục, mà chỉ có các bàn tay trộn đặt nghiêng một góc a mới tạo ra chuyển động dọc trục của vật liệu Vì vậy, ta có thể coi chiều dài của các cánh trộn chính là bán kính của “trục vít”, trên “trục vít” đó có gắn các cánh vít là các bàn tay trộn Do đó, diện tích mặt cắt ngang của dòng vật liệu trong máng vít chính bằng diện tích hình[2]vành khăn do bàn tay trộn và cánh tay trộn tạo ra và được xác định như sau:
Trong đó: r – Khoảng cách từ tâm của trục trộn (trục vít) đến đầu mút của bản tay trộn; a – Chi ều dài của cánh tay trộn (bán= kính2 của trục vít);
– Số trục vít trong buồng trộn,
Xác định vận tốc vận chuyển của vật liệu trong máng vít, ta có:
S - Bước vít, (m); n - Tốc độ quay của trục vít trong một phút, (vòng/phút).
Thay (12) và (13) vào (11), ta xác định được khối lượng vật liệu vận chuyển dọc theo trục trộn trong 1 phút đó là:
ℎú b Xác định lượng vật liệu được nâng lên cao trong quá trình trộn
Hình 2.3 Sơ đồ xác định khối lượng vật liệu trên một cánh trộn
Một cách gần đúng, có thể coi thể tích vật liệu trên một cánh trộn có dạng là một hình chóp (Hình 2.3).
- Góc chân nón của vật liệu trên bàn tay trộn (độ);
H - Chiều cao của hình chóp, (m); a - Chiều dài của cánh tay trộn, (m); r - Khoảng cách từ tâm trục trộn đến điểm mút của bàn tay trộn, (m); r 1 - Bán kính của trục trộn,
- Góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, (độ);
Thể tích của hình chóp được xác định như sau:
S đ - Diện tích tam giác đáy của hình chóp, (m 2 ).
Xác định diện tích tam giác đáy của hình chóp Sđ:
Xác định chiều cao của = 2 (−) ,( ) đ 1 1 2 (PT 2.17) hình chóp H:
Thay (PT 2.18), (PT 2.17) vào (PT 2.16), ta được thể tích vật liệu được nâng lên bởi 1 cánh trộn sau một vòng quay:
Tổng thể tích vật liệu do z cánh trộn nâng lên được sau một vòng quay sẽ là:
Khối lượng vật liệu được nâng lên sau 1 phút của z cánh trộn được xác định như sau:
- Khối lượng riêng của vật liệu, (kg/m 3 ); n - Số vòng quay của trục trộn trong 1 phút, (vòng/phút).
2.2.3 Xác định công suất trên hai trục trộn
Công suất của động cơ dẫn động máy trộn có thể được xác định như sau: [2.22) ]
N1 - Công suất để quay các bàn tay trộn trong hỗn hợp trộn, (W); N2
- Công suất để quay các cánh tay trộn trong hỗn hợp trộn, (W);
N 3 - Công suất để thắng lực ma sát sinh ra do chuyển động của vật liệu với vỏ thùng trộn, (W);
N4 - Công suất để vận chuyển vật liệu đi dọc theo thùng trộn, (W);
N5 - Công suất để nâng vật liệu lên cao trong quá trình trộn, (W);
N6 - Công suất để thắng lực ma sát giữa hỗn hợp trộn với các cạnh của cánh ɳ tay trộn và kẹt đá do yếu tố ngẫu nhiên , (W);
- Hiệu suất của truyền động cơ khí, bao gồm: Tổn thất ma sát trong các ổ đỡ trụɳc trộn, tổn thất ma sát do hộp giảm tốc và bộ truyền động đai
Xác định công suất thành phần a Xác định công suất để quay các bàn tay trộn N 1 trộn,bàn
Công suất[3để] quay một bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu có thể được xác định như sau:
K - Hệ số cản chuyển động của bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu, (K = 3 x 104÷ 5,5 x 104 N/m2);
F - Diện tích hình chiếu của bàn tay trộn, theo phương vuông góc với phương của vận tốc v, (m2); v - Vận tốc dài của bàn tay trộn, (m/s); w - Vận tốc góc của trục trộn, (1/s); x - Khoảng cách từ tâm của trục trộn đến phần tử dF, (m); r - Khoảng cách từ tâm của trục trộn đến đầu mút của bàn tay trộn (r = Rt - k), (m);
Rt - Bán kính của thùng trộn, (m); k - Khe hở giữa bàn tay trộn và vỏ thùng trộn, (m); a - khoảng cách từ tâm của trục trộn đến mép trong của bàn tay trộn, (m); r1 - Bán kính của trục trộn, (m);
33 b - Bề rộng của bàn tay trộn, (m); α- Góc nghiêng của bàn tay trộn so với trục trộn, (độ).
Hình 2.4 Sơ đồ tính lực tác dụng lên bàn tay trộn
Sau khi tính toán và biến đổi, thu được công suất để quay bàn tay trộn trong cấp phối vật liệu như sau:
Trong đó: u – số cánh chìm trong vật liệu trộn. b Xác định công suất để quay cánh tay trộn trong
Với cách tính tương tự như N 1 , công suất để quay các cánh trộn trong cấp phối vật liệu được xác định như sau:
Trong đó: b1 - Bề rộng của cánh tay trộn.
Trong quá trình máy trộn làm việc, các hạt vật liệu trong thùng trộn sẽ thực hiện các chuyển động chính như sau: Vật liệu chuyển động dọc theo thùng trộn do các bàn tay trộn được bố trí một góc nghiêng α so với trục trộn; vật liệu chuyển động vòng theo vỏ thùng trộn do các bàn tay trộn mang đi trong quá trình quay trục trộn; vật liệu bị nâng lên cao và hòa trộn với nhau do các bàn tay trộ[n3 ]ở hai trục trộn bố trí ngược chiều nhau và chuyển động quay ngược chiều nhau Quá trình di chuyển của vật liệu trong thùng trộn và các lực phát sinh trong quá trình máy trộn làm việc ở giai đoạn trộn khô được mô tả ở hình 2.5:
Hình 2.5 Hình ảnh mô tả quá trình di chuyển của vật liệu trong buồng trộn và các lực phát sinh trong quá trình máy trộn làm việc c Xác định công suất để thắng lực ma sát sinh ra do chuyển động của vật liệu với vỏ thùng trộn N3
Công suất để thắng lực ma sát sinh ra do chuyển động của cấp phối vật liệu với vỏ thùng trộn, có thể được xác định: [3]
Trong đó: p tuyến với vỏ thùng trộn, có chiều ngược với chiều
– Lực tiế =.,() a bàn tay trộn Lực này chính là lực ma sát giữa cấp phối vật liệu chuyển động củ 1 và vỏ thùng trộn gây ra, (N)
– Hệ số ma sát giữa vật liệu và vỏ thùng trộn, n, (kg)
– Khối lượng vật liệu vòng theo vỏ thùng trộ 1 = 0,63 − 0,84
1 Thay (PT 2.27) vào (PT 2.26) và = ta được:
– Vận tốc góc của trục trộn (rad/s) r – Khoảng cách từ tâm trục trộn đến mép ngoài của bản tay trộn theo phương hướng kính, (m) 4 d Xác định công suất để vận chuyển vật liệu đi dọc theo thùng trộn
[Công3] suất để vận chuyển cấp phôi vật liệu đi dọc theo thùng trộn có thể xác định:
F ms – Lực ma sát giữa vật liệu và vỏ thùng trộn gây ra, (N) v d – Vận tốc trượt của vật liệu chuyển động dọc theo thùng trộn, (m/s) Xác định lực ma sát giữa vật liệu và vỏ thùng trộn F ms :
Khi vật liệu di chuyển dọc theo thùng trộn, sẽ phát sinh ma sát giữa vật liệu và vỏ thùng trộn Lực ma sát đó được tính như sau:
1 – Khối lượng vật liệu chuyển động dọc theo 1 = 0,63 − 0,84
2 – Hệ số ma sát giữa vật liệu và vỏ thùng trộn, thùng trộn, (kg) g – Gia tốc trọng trường, g = 9,8 m/s2
Xác định vận tốc trượt của vật liệu chuyển động dọc theo thùng trộn vd:
Xác định trở lực tác dụng lên cánh đảo
Khi cánh hướng tâm chuyển động trong sản phẩm rời, nó phải khắc phục trở lực gây nên vừa do trọng lực và lực ma sát trong của sản phẩm, vừa do ma sát của sản phẩm với cánh Thành phần hướng tâm và chiều trục của những lực cản Eht và E0 ấy có thể được xác định theo sơ đồ ở hình dưới
Hình 2.6 Sơ đồ tính toán để xác định trở lực tác dụng lên cánh hướ ng tâm
– Hệ số ma sát của sản phẩm với cánh
E ms - Lực ma sát của sản phẩm với cánh, N (kg);
Trên – góc nghiêng của cánh đối với đường trục quay, độ;
E 0 = E.+ E = ℎ 2�45°+ 2 �.( + )(N) cơ sở những công thức ấy, ta có:
– Khối lượng riêng c ủa sản phẩm đó 0 )
– góc ma sát trong của sản phẩm (
– diện tích cánh nhúng chìm trong sản phẩm
– chiều sâu nhúng chìm trung °
ℎ bình của cánh đã biết trong sản phẩm
Dựa vào công thức trên, ta có bảng tính lực cản trung bình lên cánh trong các trường hợp góc nghiêng cánh đảo như sau:
Bảng 2.2 Bảng tính lực cản trung bình lên cánh
Dựa vào kết quả trên, ta thấy góc càng lớn trở lực trung bình lên cánh càng tăng.
Thiết kế thí nghiệm
Theo tính toán ở trên, góc nghiêng của cánh trộn là yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến tốc độ quay của trục trong vật liệu, tốc độ này quyết định tới năng suất Đối với mỗi góc khác nhau sẽ cho giá trị tốc độ khác nhau, đối với thực nghiệm ta sẽ đo tốc độ này tương ứng với mỗi góc quay và đánh giá chất lượng vật liệu sau trộn ° ° trộn ° Để kiểm chứng, ta xây dựng mô phỏng mô hình máy với các trường hợp
0 , E , ` là các giá trị của dải góc nghiêng tối ưu của trục góc quay
Tốc độ quay của trục trộn ở mỗi mô hình sẽ có giá trị theo lý thuyết, sau
1 thời gian t phút cố định sẽ đánh giá tỉ lệ hạt trộn ở các khu vực nhất định, kết quả sẽ cho ta biết chất lượng của sản phẩm sau khi trộn. Áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất áp dụng cho hàm một biết số để xây dựng hàm Hồi 0 quy thực nghiệm (Mô hình lý thuyết) Với t = 20 phút, ta chia khoảng đo mỗi = 2 phút và đo giá trị q (độ đồng đều giữa hai loại hạt
39 trộn) Máy mô phỏng được xây dựng dựa trên mô hình máy trộn nhựa ngang hai cánh đảo như Hình 2.7
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Hình 2.7 Máy trộn nhựa nằm ngang
Sử dụng máy trộn nhựa ngang hai cánh đảo làm máy thực nghiệm quá trình thực nghiệm trộn.
Thông số kĩ thuật của máy như sau:
- Công suất động cơ 50kW
- Năng suất trung bình: 1000kg/30 phút
- Chiều dài trục trộn: 1800 mm
- Đường kính vòng trộn 790 mm
Cánh đảo có bản vẽ chi tiết như hình 2.8
Hình 2.8 Các thông số của cánh đảo
Các thông số của cánh đảo được biểu diễn dưới bảng sau đây
Bảng 2.3 Các thông số và điều kiện làm việc của trục cánh đảo
Thông số Ký hiệu Giá trị u Số cánh tay trộn chìm trong vật liệu 3
K Hệ số cản chuyển động của bàn tay
3.10 4 (N/m 2 ) trộn trong cấp phối vật liệu b Bề rộng bàn tay trộn 0,395 (m) r Khoảng cách từ tâm trục trộn đến 0,395 (m) mép ngoài bàn tay trộn
Bán kính trục trộn 0.060 (m) a Khoảng cách từ tâm trục trộn đến 0,335 (m) mép trong bàn tay trộn
Chiều dày cánh tay trộn 0,025 (m)
Hệ số ma sát giữa vật liệu và vỏ 0,65 thùng trộn
Hệ số điền đầy của thùng trộn 0,5
Vận tốc góc của trục trộn (rad/s)
Số trục vít trên buồng trộn 2
Góc chân nón của vật liệu trên bàn tay trộn 20°
Sử dụng nhựa nguyên sinh: ABS với 2 màu xanh, đỏ cho mỗi lần thực nghiệm.
Nhựa ABS có tên đầy đủ là Acrylonitrin Butadien Styren, một loại nhựa dẻo núng, mờ đục, vụ định hỡnh, cú cụng thức húa học là (C8H8ã C4H6ãC3H3N)n Ngoài ra, loại nhựa này cũn cú một cỏi tờn gọi quen thuộc khỏc là “nhựa dẻo nóng”, xuất phát từ đặc tính phản ứng của ABS trước nhiệt độ. Nhựa ABS sở hữu rất nhiều đặc tính vượt trội thông qua các thành phần cấu tạo nên chúng, phối hợp Styren và Acrylonitril với sự hiện hiện của các Polybutadience, các chuỗi hoá học của thành phố thu hút lẫn nhau vã liên kết với nhau để làm cho ABS mạnh hơn Nhựa ABS rất được ưa chuộng trong việc sản xuất rất nhiều sản phẩm hơn các loại nhựa thông thường khác.
Một số đặc điểm của nhựa ABS
- Độ bền cơ học cao.
- Khả năng chống ăn mòn, độ cứng cao.
- Không độc hại, cách điện tốt.
- Chịu nhiệt, không bị biến dạng.
- Vật liệu cứng, không bị trầy xước, biến dạng.
- Nhựa ABS có màu trắng ngà, dẻo 3 dai.
Lựa chọn loại nhựa có đường kính hạt nhựa: d~1,5 mm
Hình ảnh hạt nhựa ABS nguyên sinh được sử dụng trong thực nghiệm như Hình 2.9
Hình 2.9 Hạt nhựa ABS màu trắng
Đối tượng nghiên cứu
2.6.1 Xây dựng mối liên hệ giữa các thông số
Thay các thông số của Bảng 2.3 vào Bảng 2.1 ta có bảng kết quả:
Chọn động cơ có công suất là P = N = 50000 (W) hiệu suất 90% ta có biểu
(142,21 thức: + 1,18) 2+ (8,78 +7,25 10−5) n – 20454,54 = 0 Phương trình có 1 nghiệm dương với − 8,8 +7,25.10 �+√ ∆
Bảng thông số thực nghiệm lý thuyết
Xét các góc trong dải từ 30⁰ đến 60⁰ độ (dải góc nghiêng làm việc tối ưu), ta có các giá trị tốc độ tương ứng như trong bảng sau đây:
Bảng 2.5 Bảng thông số thực nghiệm lý thuyết
Theo lý thuyết, đối với các loại máy trộn ngang có trục có cánh có (0,85 ÷ 0,90) D và H = (0,7 ÷ 0,8) D thì số vòng quay để vật liệu có thể coi là đều có giá trị K = 300 ÷ 400 vòng [1] Điều này có nghĩa đối với cùng công suất, loại cánh nào quay nhanh hơn sẽ đạt kết quả K sớm hơn.
Lượng vật liệu trong quá trình trộn được cánh trộn đưa đi theo các phương có giá trị khác nhau tương đối lớn, giá trị giảm giần theo phương vòng theo thùng trộn, phương dọc trục đến phương đưa lên cao. Điều này lí giải tốc độ quay ở mỗi góc sẽ khác nhau (đối với cùng giá trị công suất) sẽ có tốc độ quay khác nhau Gía trị càng cao, lượng nhựa được nâng theo phương vòng thùng trộn càng lớn, khiến tốc độ quay của trục có thể đạt giá trị cao hơn.
Bằng lý thuyết, ta có thể chứng minh được rằng giá Công suất tính toán và năng suất của máy trộn nhựa ngang cánh đảo là một hàm số phụ thuộc vào giá trị góc ( đối với các máy có kích thước cố định)
Điều này có ý nghĩa trong thựca chọn chế độ làm việc và dự tính tiễn giúp tính toán công suất khi thiết kế, lự [4] năng suất của máy °
Tốc độ quay của trục trộn là yếu tố ảnh
Góc nghiêng của cánh khuấy càng cao, áp lực tổng hợp lên cánh càng lớn, giá trị này đặc biệt lớn ở mô hình góc nghiêng
` hưởng trực tiếp tới thời gian trộn của máy, tuy nhiên giá trị này chỉ được xác định ở một dải cho phép để đảm bảo chế độ an toàn của máy Đối với máy trộn có kết cấu cố định, tốc độ quay cho phép của máy là một hàm phụ thuộc vào giá trị góc nghiêng.
Trên thực tế, có nhiều cách tác động lên công suất tính toán của máy hoặc chất lượng trộn như: thay đổi hình dạng cánh trộn, tăng số lượng cánh khuấy,… để tăng lượng vật liệu được tác động Tuy nhiên việc tăng các yếu tố trên với công suất máy cố định sẽ dễ khiến máy rơi vào tình trạng quá tải gây nên hỏng hóc Việc thay đổi giá trị góc nghiêng cánh khuấy đơn giản hơn và có thể điều khiển tác động đến hai yếu tố làm việc chính của máy: công suất và năng suất.
Kết quả tính toán so với thực tế dự tính sẽ có sai lệch, vì trục trộn được coi là “trục vít không hoàn hảo” nên lượng nhựa được vận chuyển tại mỗi mô hình là khác nhau Ngoài ra, các yếu tố sai hỏng ngẫu nhiên của công suất N6 cũng ảnh hưởng đến kết quả vì yếu tố này rất khó dự đoán Để giải quyết những vấn đề trên, cần phải dựa vào kết quả mô phỏng để đưa ra đánh giá khách quan về năng suất và chất lượng vật liệu sau khi trộn.
MÔ PHỎNG SỐ VÀ KẾT QUẢ
Giới thiệu phần mềm ANSYS
ANSYS được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr John Swanson, hệ thống tính toán S-wanson (Swanson Analysis System) tại Mỹ, là một gói phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý cơ học, chuyển các phương trình vi phân phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau.
Nhờ ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt thủy khí, điện từ sau khi mô hình hóa và xây dựng mô hình toán học cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể vói số bậc tự do lớn.
Trong bài toán kết cấu (structural), phần mềm ANSYS nói chung dùng để xác định trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất và các phản lực Phân tích kết cấu gồm phân tích tĩnh, phân tích động và một số phân tích kết cấu khác như phân tích phổ, phân tích dao động riêng, mất ổn định…
Như vậy tác dụng của ANSYS là để tính toán kiểm tra độ bền, ứng suất, biến dạng, dao động, nhiệt, tối ưu hóa kết cấu… Nếu đã có kết cấu, có thể sử dụng ANSYS để kiểm tra kết cấu có bền hay không, nếu chưa đủ bên thì nguyên nhân là ở đâu và từ đó tìm ra cách khăc phục kịp thời, hoặc nếu có sai hỏng thì cũng biết được lý do tại sao Nếu chưa có kết cấu thì có thể dùng ANSYS để nghiên cứu và tìm ra phương án tối ưu cho kết cấu, tránh đươc những sai sót gây ra thiệt hại Vì ý nghĩa rất lớn nên ANSYS được dùng nhiều trong các cơ quan nghiên cứu, thiết kế cơ khí và cơ học.
ANSYS là một phần mềm mạnh và để giải các bài toán với số phần tử lớn thì đòi hỏi cấu hình máy cao Để sử dụng được phần mềm ANSYS 12 thì cấu hình máy tính nên sử dụng là bộ xử lý Pentium hay Itanium với ít nhất 512 MB of RAM (1 GB với bộ xử lý Itanium) 950 MB trống trong ổ cứng, ổ CD ROM, hệ điều hành Window XP 64bit, Window XP 32bit hay Window 2000 và màn hình 17in trở lên với độ phân giải khi sử dụng ít nhất là 1024×768 Medium color
Hình 3.2 Môi trường phân tích của phần mềm
ANSYS có những tính năng nổi bật như sau:
+ Khả năng đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và chính xác, cũng như truyền dẫn những mô hình CAD.
+ Giải được nhiều loại bài toán như: tính toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện, điện tử, điện từ, nhiệt, lưu chất…
+ Thư viện phần tử lớn, có thể thêm phần tử, loại bỏ hoặc thay đổi độ cứng phần tử trong mô hình tính toán.
+Đa dạng về tải trọng: tải tập trung, phân bố, nhiệt, vận tốc góc…
+Phần xử lý kết quả cao cấp cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối ưu… + Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như: trường ứng suất, trường nhiệt độ, ảnh hưởng của trường điện từ.
+Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm.
+Tạo những mẫu kiểm tra cho môi trường có điều kiện làm việc khó khăn. + Hệ thống Menu có tính trực giác giúp người sử dụng có thế định hướng xuyên suốt chương trình ANSYS. Ở quy mô của thực nghiệm, phần mềm ANSYS được sử dụng để thiết kế và mô phỏng máy trộn nhựa ngang và quá trình trộn của máy.
Mô phỏng số dòng vật liệu trộn
Hình 3.3 Mô hình hình học của máy trộn nhựa ngang
Như đã đánh giá, Đối với một máy tr Để đánh giá độ đồng đều của sản phẩm, ta tiến hành mô phỏng các mô hình máy trộn có bàn tay trộn giá trị lần lượt là: , 0, E, ` của ộn có thông số kích thước cố định đối và góc nghiêng của cánh đảo 30 , ) Do đó, năng suất chính , mà hay N =f( với cùng 1 loại vật liệu, công suất động cơ phụ thuộc vào tốc độ góc của trục trục chính phụ thuộc vào góc nghiêng của bàn tay trộn. máy Q = f(t) hoặc Q = f(n).
Trong thực tế, công suất của máy là cố định, nên n =f( ) hay số vòng quay
Trên cơ sở đó thiết lập thông số vào cho mô hình số mô phỏng dòng vật liệu trộn để đánh giá mối liên hệ giữa và n.
Xây dựng mô phỏng trên phầm mềm ANSYS.
Hình 3.4 Mô hình cánh trộn trong mô phỏng
Xây dựng mô phỏng trên phần mềm ANSYS:
Bước 1: Bật giao diện của ANSYS WORKBENCH
Hình 3.5 Giao diện của ANSYS WORKBENCH
ANSYS WORKBENCH: là một môi trường nền chung, trong đó có tích hợp rất nhiều module xử lý liên quan đến các lĩnh vực: kết cấu, nhiệt động lực học, va chạm, lưu chất… Workbench còn cso khả năng tương tác giữa các phần mềm rất cao, cho phép người dùng đưa ra những mô hình phức tạp để tính toán.
Bước 2: Bật giao diện của Geometry, vẽ các thành phần của mô hình như là thùng và cánh tay trộn theo đúng như bản thiết kế.
Hình 3.6 Mô hình thùng trộn trong môi trường Geometry
Mô hình thùng trộn được thiết kế trong môi trường Geometry của phần mềm: Có thiết kế Dạng 2 chữ U, kích thước dài x rộng lòng thùng: 1,8m x 1,8m.Bao gồm 2 trục trộn trong lòng Kết cấu của máy được đơn giản hoá trong quá trình mô phỏng: chỉ bao gồm thùng trộn và hai cánh trộn, các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới vật liệu trong quá trình trộn.
Hình 3.7 Mô hình trục trộn trong môi trường Geometry
Cánh trộn có kết cấu gồm 12 cánh tay trộn được sắ°p xếp theo°, hai đườ°ng xoắn Các cánh khuấy (cánh đảo) có góc nghiêng = 30 , = 45 = 60 tuỳ thuộc vào mỗi mô hình.
Bước 3: Bật giao diện của ANSYS ROCKY, nhập hình học của thùng và 2 tay trộn vào trong mục Geometry.
Hình 3.8 Mô hình máy trộn trong môi trường ANSYS ROCKY
Nhập và lắp ghép mô hình hình học của thùng và hai cánh trộn, hai trục được lắp song song và ngược chiều quay với nhau.
Bước 4: Cài đặt các thông số vật lý cho mô hình: gia tốc trọng trường, thời gian,
Hình 3.9 Cài đặt các thông số vật lý cho mô hình
Các thông số chính mô hình:
• Vật liệu thùng và cánh: Inox 304/ 2
• Gia tốc trọng trườ℃ng: g = 9,81
Bước 5: Cài đặt các điều kiện biên cho mô hình:
Hình 3.10 Cài đặt vùng biên cho va chạm
Tại đây cài đặt giới hạn vùng va chạm của vật liệu, cụ thể là trong lòng mô hình thùng Nhờ đó khi làm việc, dòng vật liệu sẽ tương tác với lòng thùng khi đi đến giới hạn Va chạm ở đây là va chạm đàn hồi Tại cửa sổ Boundary Collision Stactistics= 0,65lựachọn chế độ “Intensities” Hệ số ma sát giữa vật liệu và thùng trộn:
Hình 3.11 Cài đặt điều kiện va chạm giữa các nhóm
Trong quá trình làm việc, tương tác giữa các hạt là một trong những tương tác chủ yếu, tại đây các hạt va chạm với nhau =0,8và nhờ lực ma sát các hạt di chuyển theo dòng Hệ số ma sát giữa các hạt 1 ; Hệ số điền đầy của các hạt 0,5.
Tại cửa sổ Inter group Collision Statistics lựa chọn các chế độ: “Energy
Dissipation, Impact Energy, Shear Energy” thể hiện các trạng thái năng lượng của nhóm vật liệu.
Hình 3.12 Cài đặt điều kiện va chạm giữa chi tiết trục quay và chi tiết
Trong quá trình trộn, trục chính được truyền momen xoắn và tác động vào các hạt vật liệu làm vật liệu di chuyển theo các phương Tại đây lựa chọn va chạm giữa cánh tay trộn, bàn= tay0,65tr.ộn với vật liệu là va chạm đàn hồi, hệ số ma sát giữa trục quay và hạt 1
Tại cửa sổ inter particle Collision Statistic lựa chọn chế độ “Power”.
Bước 6: Cài đặt vị trí tâm của 2 trục quay và tốc độ, hướng quay tương ứng với mỗi trục
Hình 3.13 Cài đặt vị trí tâm và chiều quay trục 1
Tại trục 1, lựa chọn chiều quay là chiều kim đồng hồ, tốc độ quay của trục n
= 15 vòng/ph, tâm quay nằm trên trục chính 1.
Hình 3.14 Cài đặt vị trí tâm và chiều quay trục 2
Tại trục 2, lựa chọn chiều quay ngược chiều kim đồng hồ, tốc độ quay của trục n = 15 vòng/ph, tâm quay nằm trên trục chính 2.
Theo lý thuyết khi đạt đủ số vòng quay K = n.t = 300 kết quả trộn có thể coi là đạt Vì vậy để mô phỏng trong thời gian t = 20 ph ta lựa chọn tốc độ quay n 15 vòng/ph cho cả ba mô hình Từ đó có thể phân tích được chất lượng hạt được trộn của cả ba mô hình trong cùng một khoảng thời gian.
Bước 7: Cài đặt các thông số vật lý cho hạt nhựa
Hình 3.15 Cài đặt thông số vật lý cho hạt nhựa đỏ
Hình 3.16 Cài đặt thông số vật lý cho hạt nhựa xanh
Vật liệu trộn cho máy trộn có thể đa dạng về kích thước, loại vật liệu, số lượng hạt trong điều kiện của Mô phỏng ta lựa chọn loại vật liệu cho máy là hạt nhựa ABS có đường kính d = 1,5 mm (bằng đường kính hạt 3 đầu đùn hạt nhựa thông thường thực tế) Khối lượng riêng của hạt = 1060 kg/ (Bảng 1.1).
Lý thuyết v[ề1dòng] trộn của nhựa chỉ chính xác khi chiều cao cột vật liệu đạt H
= (0,7 - 0,8)D Vì vậy trong mô phỏng lựa chọn số lượng nhựa sao cho cột vật liệu đạt giá trị H, giá trị này xấp xỉ 20 000 hạt bao gồm hai loại nhựa màu: xanh và đỏ.
Bước 8: Cài đặt các không gian chứa các hạt nhựa tại điều kiện ban đầu, t=0s
Hình 3.17 Cài đặt pha ban đầu của các hạt xanh
Hình 3.18 Cài đặt pha ban đầu của các hạt đỏ Để có thể đánh giá trực quan sự di chuyển của dòng vật liệu cũng như độ đồng đều của mỗi khu vực, ta cài đặt pha ban đầu c[ả72] vùng vật liệu là riêng biệt Cách phân vùng vật liệu này cho hiệu suất trộn cao Theo đó vùng hạt xanh sẽ nằm ở nửa thùng có toạ độ gần gốc 0 và vùng hạt đỏ là phần thùng còn lại.
Từ đó tính toán và đánh giá số lượng hạt trên từng khu vực và giá trị q – tỉ hệ hạt đỏ/hạt xanh sẽ đánh giá được chất lượng trộn của thùng.
Bước 9: Cài đặt tổng thời gian chạy phân tích mô hình
Hình 3.19 Cài đặt tổng thời gian mô phỏng
Như đã phân tích ở trên, tổng thời gian[1] mô phỏng là t = 20 phút để thời gian làm việc của các mô hình theo lý thuyết Với cùng một khoảng thời gian làm việc, có thể so sánh, đánh giá chất lượng trộn giữa các mô hình với nhau.
Bước 10: Cài đặt các vùng để lấy kết quả sau khi chạy phân tích xong
Hình 3.20 Cài đặt vị trí vùng phân tích
Hình 3.21 Cài đặt vị trí vùng phân tích
56 Để đánh giá sự thay đổi vật liệu cũng như tỉ lệ vật liệu giữa các khu vực thùng trộn, ta chia thùng trộn thành năm khu vực lần lượt có toạ độ trung tâm là:
200 mm (KV1); 575mm (KV2); 950 mm (KV3); 1325mm (KV4) và 1700 mm (KV5), mỗi khu vực rộng 375 mm.
Hình 3.22 5 Khu vực thùng trộn
Bước 11: Biểu diễn kết quả phân tích theo thời gian tại mỗi vùng
Hình 3.23 Biểu diễn kết quả phân tích trên đồ thị
Hình 3.24 Biểu diễn kết quả phân tích bằng kết quả trên bảng
Bước 12: Cài đặt và xuất video thể hiện toàn bộ quá trình chuyển động của mô hình.
Hình 3.25 Cài đặt và xuất video
Kết quả tỉ lệ trộn hạt đỏ/xanh trung bình ở từng khu vực mỗi 2ph sẽ cho ta đánh giá tổng quan về chất lượng hạt ở mỗi mô hình.
Kết quả mô phỏng và xử lý kết quả
Sau khi tiến hành mô phỏng trộn trong cùng thời gian t = 20 phút (1200s), ta
Kết quả của thực nghiệm nhận được kết quả ở ba mô hình mô phỏng như sau:
KV3 KV4 t KV1 KV2 mô hình 0⁰ được trình bày như trong bảng 3.1 đỏ/ hạt xanh tại mô hình 0⁰
Hình 3.26 Khu vực 1 Mô hình 0⁰
Hình 3.27 Khu vực 2 Mô hình 0⁰
Hình 3.28 Khu vực 3 Mô hình 0⁰
Hình 3.29 Khu vực 4 Mô hình 0⁰
Hình 3.30 Khu vực 5 Mô hình 0⁰
Từ kết quả mô phỏng của mô hình 0⁰ ta thấy:
- Sau thời gian 20 phút, lượng nhựa ở 4 khu vực 2,3,4,5 tương đối đồng đều và gần với q=0,5 Điều này cho thấy lượng nhựa ở phần lớn khu vực tương đối đạt.
- Lượng nhựa ở Khu vực 1 chưa đạt được độ đồng đều yêu cầu, tuy nhiên có chiều hướng tăng theo thời gian.
- Kết quả cho ta thấy sự chuyển dịch vật liệu giữa các khu vực với lượng hạt đỏ tăng dần ở khu vực 1 và 2, giảm dần ở khu vực 5 và không có sự dao động nhiều ở khu vực 3.
- Nếu chọn q = 0,5 là tỉ lệ trộn đều tuyệt đối, thì độ đồng đều đạt được ở các khu vực lần lượt là: 62%, 98%, 91%, 89% và 94%.
3.3.1.2 Mô hình 1 nghiệm mô hình E⁰ được trình bày như trong bảng t Bảng KV1 KV2 KV3 KV4 KV5
3.2 Tỷ lệ hạt đỏ/ hạt xanh tại mô hình
Hình 3.31 Khu vực 1 Mô hình E⁰
Hình 3.32 Khu vực 2 Mô hình E⁰
Hình 3.33 Khu vực 3 Mô hình E⁰
Hình 3.34 Khu vực 4 Mô hình E⁰
Từ kết quả mô phỏng của mô hình
- Sau thời gia n t = 20 phút, độ
Hình 3.35 Khu vực 5 Mô hình thấy:
- Dựa vào kết quả ta cũng thấy được sự dịch đồng đều giữa các hạt đạt được tại các khu vực khá cao và chất lượng đạt tốt hơn mô hình
- Độ đồng đều giữ a các khu chuyển dòng nhựa giữa các
0 khu vực giống với mô hình ⁰. vực là cao hơn và tốt hơn, có kết quả lần
3.3.1.3 B ảng 3.3 Tỷ lệ hạt đỏ/ hạt xanh tại mô hình `⁰ lượt là: 63%, 90%, 98%, 95%, 99,99% t KV1 KV2 KV3 KV4 KV5
Hình 3.36 Khu vực 1 Mô hình `⁰
Hình 3.37 Khu vực 2 Mô hình `⁰
Hình 3.38 Khu vực 3 Mô hình `⁰
Hình 3.39 Khu vực 4 Mô hình `⁰
Từ kết quả mô phỏng của mô hình `⁰ ta th
Hình 3.40 Khu vực 5 Mô hình `⁰ ấy:
- Sau thời gian t = 20 phút, độ đồng đều giữa các hạt đạt được tại các khu vực khá cao và chất lượng đạt đượt là gần tương đồng với mô hình E⁰
- Dựa vào kết quả ta cũng thấy được sự dịch chuyển dòng nhựa giữa các khu vực là giống nhau, thể hiện sự chính xác của lý thuyết dịch chuyển dòng vật liệu trong thùng Đồng thời độ đồng đều nhìn chung giữa ba mô hình tại các khu vực là tương đối giống nhau Việc nhựa không đều ở 1 đầu phụ thuộc vào chiều quay của trục trộn, ảnh hưởng tới lượng nhựa đọng ở một đầu
- Độ đồng đều giữa các khu vực có giá trị gần với giá trị q =0,5, cho chất lượng nhựa trộn tốt với tỉ lệ trộn đều lần lượt là: 70%, 91%, 95%, 99%, 92%.
Dựa vào kết quả đo ở các mô hình, ta xây dựng được các biểu đồ như sau:
KV1 KV2 KV3 KV4 KV5 Đồ thị tỷ lệ trộn ứng với tay trộn α = 30⁰ tại các khu vực từ KV1÷KV5
Hình 3.41 Kết quả trộn sau t phút ở mô hình α = 30⁰
Các đường trên đồ thị có chiều hướng về dần tỉ lệ q = 0,5 cho thấy chất lượng trộn phụ thuộc vào thời gian trộn. Đồ thị của các khu vực từ KV2 đến KV5 sau thời gian t = 20 phút gần như đồng quy tại vị trí q = 0,5. Đồ thị của KV1 vẫn chưa đạt đến tiệm cận giá trị q = 0,5 cho thấy chất lượng trộn tại khu vực này là kém nhất.
KV1 KV2 KV3 KV4 KV5 Đồ thị tỷ lệ trộn ứng với tay trộn α = 45⁰ tại các khu vực từ
Hình 3.42 Kết quả trộn sau t phút ở mô hình α = 45⁰
Tương tự như đồ thị của mô hình α = 30⁰, các đường đồ thị đại diện cho các khu vực từ 1 đến 5 của mô hình α = 45⁰ cũng có xu hướng di chuyển về giá trị q = 0,5.
Chất lượng trộn tại các khu vực của mô hình α = 45⁰ tốt hơn so với mô hình α= 30⁰ thể hiện bởi việc các đường đồ thị có tính tiệm cận gần hơn với giá trị q = 0,5
KV1 KV2 KV3 KV4 KV5 Đồ thị tỷ lệ trộn ứng với tay trộn α = 60⁰ tại các khu vực từ
Hình 3.43 Kết quả trộn sau t phút ở mô hình α = 60⁰
Giống như ở mô hình α = 30⁰ và α = 45⁰, các đồ thị của các khu vực trên thùng trộn cũng có tính đồng quy tương tự.
Khu vực 1 tại 3 mô hình đều có kết quả trộn kém nhất, cho thấy chất lượng hạt trộn tại khu vực đầu trục không đảm bảo sau thời gian t = 20 phút
Từ 3 biểu đồ trên, ta có biểu đồ tổng hợp ta có được đồ thị thể hiện sự đồng đều của các khu vực sau 20 phút trộn ứng với các góc khác nhau.
Tỷ lệ đồng đều trung bình khi thay đổi góc cánh đảo
0.7 30 độ 45 độ 60 độ Poly (45 độ) y = -0.0008x 2 + 0.0182x + 0.4732 0.6
Hình 3.44 Đồ thị so sánh tỷ lệ trộn đồng đều với góc cánh đảo thay đổi
Hình 3.44 cho thấy với góc nghiêng α = 45 0 gần với hàm lý thuyết với hệ số tương quan R 2 = 0,972, mối quan giữa thời gian trộn và tỷ lệ trộn đồng đều
(càng gần với 0.5) có hàm hồi quy phi tuyến dạng: Hàm tỷ lệ q = -0,0008t 2 + 0,0182t + 0,4732 Giá trị q càng gần với 0.5 càng thể hiện lượng nhựa trên khu vực đó đã được trộn đều đến hơn 90%
Mô hình góc nghiêng α = 45 0 và α = 60 0 cho kết quả trộn khá tương đồng nhau, cho thấy hai góc trộn này đạt hiệu quả trộn cao hơn Tuy nhiên, lượng nhựa ởcác khu vực trong thùng trộn với góc α = 45 0 có thời gian đạt độ đồng đều (q 0.5) nhanh hơn và có năng suất cao nhất, hiệu quả trộn đồng đều cao nhất Căn cứ vào biểu đồ, ta có kết luận như sau:
Dựa vào 4 biểu đồ ta thấy, theo thời gian các đường màu tượng trưng cho tỉ lệ q của các khu vực có xu hướng chuyển dịch về giá trị 0,5 điều này có nghĩa nhựa trong mỗi khu vực trở nên đều hơn Khoảng cách giữa đường biểu thị cho độ đồng đều vật liệu chung trong thùng. Đường màu đại điện cho khu vực 1 (khu vực ở đầu trục trộn) có thời gian để đạt độ đều là lâu nhất Điều này có thể lí giải vì khu vực 2 đầu trục là khu vực để dòng vật liệu chuyển hướng và di chuyển ngược lại, theo đó dòng vật liệu sẽ bị dồn và va chạm vào thành của thùng trộn, lượng vật liệu ngoài tầm cánh tay sẽ bị ứ khiến Đồng thời dòng vật liệu dịch chuyển theo ngược chiều kim đồng hồ, nhau (trên độ thị kết quả t = 45° = 60° bắt đầu từ vị trí trục trộn nên đây là khu vực có độ đồng đều thấp hơn cả.
Mô hình góc nghiêng và cho kết quả trộn khá tương đồng ổng đường thể hiện độ đều của hai mô hình khá tương với 0.5 hơn (trong khi tỉ lệ độ đều ở đầu trục tr = 45° đương nhau), cho thấy hai góc trộn này đạt hiệu quả trộn cao hơn Tuy nhiên, lượng nhựa ở các khu vực trong thùng ở mô hình sớm đạt kết quả gần ộn trong hai trường hợp tương đương nhau).
Kết quả cho thấy, trong cùng khoảng thời gian với vận tốc cố định, chất lượng sản phẩm của mỗi mô hình cho kết quả khác nhau Cùng một công suất, mỗi loại góc nghiêng của cánh chỉ cho phép làm việc trong dải vận tốc nhất định, nếu không sẽ gây quá tải máy Tuy nhiên, trong cùng một khoảng thời gian, tốc độ thấp sẽ ảnh hưởng tới việc không trộn đủ số vòng yêu cầu gây ảnh hưởng chất lượng trộn Đối với góc trộn cao hơn, sẽ cho số vòng trộn đảm bảo, tuy nhiên lượng vật liệu được mang đi theo các phương cũng sẽ thay đổi ( chủ yếu là giảm dần) Hai yếu tố trên ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng sản phẩm,các yếu tố đó rất khó để được đánh giá bằng những tính toán thông thường Mô
Áp dụng thực tiễn
phỏng các mô hình trộn cho ta kết quả trực quan và đánh giá mô hình cánh trộn có góc nghiêng cho kết quả trộn tối ưu nhất. thực tiễn
Hình 3.45 Máy trộn được sử dụng kết quả tính toán thiết kế vào chế tạo cho một công ty tại khu công nghiệp Bình Đà - Hà Nội
Từ kết quả mô phỏng,=ta45°thấy mô hình máy trộn nhựa ngang hai cánh đảo có góc nghiêng nghiêng cho kết quả tối ưu nhất Vì vậy áp dụng mô hình vào thiết kế và chế tạo máy trộn trong thực tế.
Mô hình máy trộn nhựa được áp dụng vào thực tế, có các thông số làm việc như sau:
- Công suất động cơ chính: P = 50 kW
- Tốc độ làm quay trục trộn n = 15 vòng/ phút
- Thời gian làm việc trung bình mỗi ca: t = 25 phút
- Vật liệu trộn: Vật liệu rời hoặc dẻo, khối lượng nhựa mỗi ca: 1000 kg
- Chất lượng nhựa: đạt được độ đồng đều trên mỗi đơn vị thể tích > 95% Kết quả của mô hình sau khi áp dụng vào thực tế cho thấy tính khả thi và đúng đắn của lý thuyết về máy trộn nhựa và lý thuyết về trộn vật liệu nhựa Chất
70 lượng sản phẩm đạt được trong thực tế đạt được yêu cầu sản xuất, sẵn sàng đáp ứng cho chuỗi cung ứng vật liệu nhựa tại Việt Nam.
Chương 3 cho ta thấy: sau khi mô phỏng và xử lý kết quả, Mô hình góc nghiêng là mô hình cho kết quả tối ưu nhất. quả đạt được là hàm hồi quy q = -0,0008t 2 ta dự đoán và đánh giá chất lượng nhựa trong tổng thể thùng và từng khu vực với độ tin cậy cao = 45° tế, phù hợp về mặt động học và mặt động lực
Kết quả mô phỏng có thể ứng dụng luôn vào thực tế đối với các máy trộn ngang hai cánh đảo, góc nghiêng cánh khuấy dễ dàng chế tạo trong thực học.
Tuy nhiên mô phỏng mới chỉ đánh giá ở một mô hình cụ thể và một loại nhựa cụ thể, trong thực tế có rất nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến quả như: kết cấu máy, tính chất hạt, loại hạt, các yếu tố về môi trường, các yếu tố sai hỏng nhất = 45° ngẫu nhiên,…Dù vậy, các yếu tố trên sẽ không ảnh hưởng quá nhiều đến kết quả chung vì với mỗi một kết cấu máy cố định, mô hình sẽ luôn là tối ưu
Mô phỏng cho kết quả khá tin cây, nhiều mô hình máy trộn nhựa ngang trong thực tế đã được ứng dụng từ mô hình góc nghiêng tối ưu Tuy nhiên kết quả mô phỏng có thể bị thay đổi khi thay đổi các điều kiện biên hoặc pha ban đầu của vật liệu.
Dựa trên kết quả lý thuyết và mô phỏng, đã chế tạo máy trộn nhựa nằm ngang hai cánh đảo cho chất lượng nhựa đạt yêu cầu minh chứng cho tính đúng đắn khi áp dụng vào thực tiễn