- Kết quả của nghiên cứu sẽ làm các tài liệu tham khảo cho việc thiết kế, góp phần giảm dần số lượng máy rửa nhập khẩu từ nước ngoài, tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo và sản xuất máy r
TỔNG QUAN
Tài nguyên bauxit và công nghệ bauxit
Bauxit là nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú trên thế giới, với trữ lượng đủ để phục vụ nhân loại trong khoảng 100 năm tới nhờ vào sản lượng khai thác và tăng trưởng hàng năm ổn định Trong tự nhiên, nhôm chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất, đặc biệt là trong felspat và glimme, cũng như các sản phẩm phong hóa của chúng, bao gồm các loại đất sét Bauxit, với thành phần chủ yếu là hỗn hợp khoáng nhôm hydroxit, là loại đất sét quan trọng nhất chứa nhôm, bên cạnh cao lanh và kryolit.
Na3(AlF6), và một số khoáng đất sét chứa nhôm với hàm lượng canxi, manhê hoặc sắt oxit cao
Bauxit là nham thạch có màu từ trắng đến đen, chủ yếu là hỗn hợp các hợp chất vô cơ và nhôm hyđroxít, trong đó bauxit đỏ là loại phổ biến nhất Theo nguồn gốc hình thành, bauxit được chia thành hai loại chính: bauxit laterit và bauxit karstic Bauxit laterit chiếm khoảng 90% trữ lượng toàn cầu, được hình thành từ quá trình phong hóa đá bazan và chủ yếu chứa gipxit Ngược lại, bauxit karstic chiếm khoảng 10% trữ lượng, được hình thành trên nền đá vôi.
Bauxit là một khoáng sản có thành phần phức tạp, chủ yếu là hỗn hợp các khoáng nhôm hydroxit, thường bị nhiễm bẩn bởi sắt oxit và silic oxit, với thành phần hóa học dao động từ 50-63% Al2O3, 12-32% H2O, 15-25% Fe2O3, 2-10% SiO2 và 2-5% TiO2 Hàm lượng nhôm oxit và silic oxit quyết định chất lượng của quặng bauxit Các mỏ bauxit thường hình thành từ quá trình phong hóa laterit chứa oxyt nhôm cao, do đó tập trung chủ yếu ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Theo thống kê năm 1996, trên toàn thế giới có khoảng 55 quốc gia sở hữu mỏ bauxit với tổng trữ lượng 19,630 tỷ tấn và tài nguyên 29,793 tỷ tấn, tổng cộng đạt 49,423 tỷ tấn.
Bảng 1.1 Trữ lượng bauxit trên thế giới (triệu tấn) [1] Khu vực/ nước Trữ lượng Tài nguyên Cộng
Cộng đồng các quốc gia độc lập (CIS)
Nguồn tài nguyên trữ lượng:
9 Châu Đại Dương Úc Đảo Salomon
Hình 1.1: Nguồn tài nguyên trữ lượng các châu lục
Trong số 10 quốc gia có tổng tài nguyên và trữ lượng hàng đầu thế giới, Việt Nam sở hữu một nguồn tài nguyên bauxit phong phú với tổng trữ lượng khoảng 8 tỷ tấn, chủ yếu tập trung ở các tỉnh Tây Nguyên Bauxit tại Việt Nam được phân loại thành hai loại: quặng trầm tích và quặng phong hóa laterit, với quặng trầm tích chủ yếu ở miền Bắc và quặng phong hóa laterit phát triển rộng rãi ở miền Nam Nghiên cứu địa chất đã xác định 5 vùng tiềm năng về bauxit trầm tích ở miền Bắc, bao gồm Lạng Sơn, Cao Bằng, Hà Giang, Sông Đà, và Nghệ An, trong khi miền Nam có các mỏ bauxit laterit tập trung tại Đắc Nông, Bảo Lộc-Di Linh, Vân Hoà, Conplong-An Khê và Phước Long.
Quặng bauxit Miền Nam hình thành từ quá trình phong hóa chưa hoàn thiện của đá phun trào bazan N1-Q1, dẫn đến quặng nguyên khai có chất lượng kém Tuy nhiên, sau khi được tuyển rửa bằng phương pháp thông thường, chất lượng bauxit cải thiện đạt loại trung bình, phù hợp cho sản xuất nhôm theo phương pháp Bayer.
Mặc dù có 8 loại quặng bauxit nguyên khai và tinh quặng khác nhau, sự khác biệt về thành phần hóa học, khoáng vật và đặc tính công nghệ giữa chúng là không đáng kể Các loại quặng này không phân bố theo quy luật nhất định, và khả năng khai thác riêng từng loại cũng không khả thi, do đó chúng thường được gộp chung lại.
1.1.2 Công nghệ làm giàu quặng bauxit
Khoảng 90% sản lượng bauxit toàn cầu được sản xuất thông qua công nghệ Bayer, tuy nhiên công nghệ này yêu cầu bauxit có hàm lượng SiO2 thấp Bauxit với hàm lượng SiO2 hoạt tính trên 5% không thể được xử lý hiệu quả bằng phương pháp Bayer do gây ra tổn thất kiềm lớn qua bùn đỏ Ngược lại, công nghệ thiêu kết hoặc thiêu kết có thể là giải pháp thay thế khả thi cho bauxit có hàm lượng SiO2 cao.
Công nghệ Bayer (hỗn hợp) tiêu hao năng lượng cao gấp 2 - 4 lần so với công nghệ Bayer đơn thuần Do đó, bauxit ở một số quốc gia như Braxin, Ấn Độ, Trung Quốc và Việt Nam cần được làm giàu để giảm hàm lượng SiO2, nâng tỉ lệ Al2O3/SiO2 lên trên 7, nhằm phù hợp với yêu cầu của công nghệ Bayer.
Trên thế giới, các phương pháp làm giàu đơn giản và phổ biến để giảm hàm lượng SiO2 trong bauxit là :
- Đập nghiền kết hợp với sàng khô
- Đập nghiền kết hợp với sàng ướt (tuyển rửa), là phương pháp phổ biến hơn
Bằng phương pháp tuyển rửa, phần lớn SiO2 trong hạt mịn được loại bỏ theo quặng thải(quặng đuôi), có khi loại bỏ 50% như bauxit ở Braxin
Tương tự, bauxit latenit Việt Nam cũng có thể được loại bỏ đáng kể lượng SiO2 bằng công nghệ tuyển rửa đơn giản
Từ bauxit nguyên khai có hàm lượng Al2O3: 36 - 39%; SiO2: 6 - 13%, sau khi tuyển rửa, loại bỏ cấp hạt < 1mm, thu được tinh quặng có hàm lượng Al2O3: 44 - 58%;
Khi hàm lượng SiO2 cao nhưng ở dạng kết tinh bền vững như thạch anh, công nghệ xử lý có thể được cải tiến bằng cách hòa tách ở nhiệt độ thấp (áp suất thường, 105 - 107 o C) trong thời gian ngắn với nồng độ kiềm cao khoảng 200 g/l Na2O.
Phương pháp làm giàu quặng bauxit nhằm giảm hàm lượng SiO2 được áp dụng cho những vùng bauxit có hàm lượng sắt cao và tính từ tính, như bauxit latenit ở thềm lục địa đông Ấn Độ Để thực hiện điều này, người ta sử dụng phương pháp tuyển từ ướt gradien cao trên quặng bauxit nguyên khai với thành phần Al2O3 đạt 42,6%, Fe2O3 là 29,9% và TiO2.
2,5% thu được sản phẩm (với thực thu 80%) có thành phần: Al2O3:58 - 60%,
1.1.3 Công nghệ tuyển quặng bauxit nhà máy tuyển Tân Rai
Nhà máy tuyển bauxit Tân Rai hoạt động 300 ngày mỗi năm, chia thành 3 ca làm việc mỗi ngày, với mỗi ca kéo dài 7 giờ Công suất thiết kế của nhà máy đạt 1.600.950 tấn/năm khi tinh quặng có độ ẩm 0% và 1.779.050 tấn/năm khi tinh quặng có độ ẩm 10%, đồng thời sản xuất cỡ hạt theo yêu cầu.
Công nghệ tuyển quặng bauxit Tân Rai được áp dụng là công nghệ tuyển rửa, với nhà máy được thiết kế và xây dựng theo các bước công nghệ chính.
Công nghệ tuyển rửa hiện đại sử dụng sàng quay đánh tơi hai giai đoạn kết hợp với máy rửa cánh vuông, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm Các chỉ tiêu quan trọng đạt được sau quá trình tuyển rửa bao gồm cỡ hạt ≤ 20mm, độ ẩm ≤ 10% và hàm lượng Al2O3 ≥ 47,11%.
- Khâu xử lý bùn nước bằng bể cô đặc cào tròn có sử dụng chất keo tụ polyacrylamid (PAA)
- Khâu đánh đống ổn định chất lượng sản phẩm bằng băng tải rải liệu trên cao, xử dụng máy gạt, máy xúc lật pha trộn
- Khâu vận chuyển quặng tinh về nhà máy luyện Alumin bằng hệ thống băng tải dài
Quặng nguyên khai được khai thác từ mỏ, sau đó được vận chuyển bằng ôtô đến nhà máy tuyển Tại đây, quặng lớn được xử lý sơ bộ và đập vỡ xuống kích thước nhỏ hơn 300 mm Quá trình tuyển bắt đầu bằng việc cấp liệu vào sàng quay có khe lưới 40 mm, nơi sản phẩm dưới sàng được rửa và tách bùn đất Sản phẩm cát từ máy rửa quặng được đưa vào sàng quay giai đoạn II, trong khi quặng kích thước lớn hơn 40 mm được nghiền xuống dưới 40 mm Cuối cùng, quặng tinh được phân loại và chuyển đến kho, trong khi phần còn lại tiếp tục được xử lý qua các sàng và máy đập để đạt kích thước mong muốn.
10 tách cấp -1 mm và khử nước Sản phẩm (1–20 mm) trên sàng rung cùng với sản phẩm sau đập búa được băng tải đưa về kho quặng tinh
Tại kho chứa quặng tinh, quặng được xử lý để đạt độ ẩm yêu cầu, sau đó được pha trộn bằng máy gạt và máy xúc lật Quặng tinh này được chuyển xuống các bunke dỡ tải và sàng lọc tại nhà máy sản xuất alumin thông qua hệ thống băng tải.
Tổng quan về thiết bị máy rửa quặng
1.2.1 Khái niệm về quá trình rửa quặng
Trong sa khoáng và quặng trầm tích, sét có vai trò quan trọng trong việc kết nối các hạt khoáng vật hữu ích và không hữu ích, gây cản trở quá trình tuyển chọn và làm giảm chất lượng sản phẩm cuối cùng Để khắc phục vấn đề này, quá trình rửa được áp dụng phổ biến trong công nghệ tuyển các loại quặng như apatit, sắt, nhôm, mangan, titan, thiếc, sa khoáng kim loại quý hiếm, cát thạch anh và các loại khác chứa sét.
Rửa quặng là quá trình tách vật liệu sét khỏi hạt quặng nhỏ bằng áp lực nước và lực cơ học, đồng thời phân chia vật liệu theo kích thước hạt Các hạt lớn hơn 25÷50 mm thường không chứa khoáng vật có ích và sẽ bị thải bỏ, trong khi các hạt nhỏ hơn sẽ được đưa vào các bước tiếp theo Khi lựa chọn công nghệ rửa, cần xem xét tính chất lý - hóa của sét trong vật liệu đầu.
Mức độ khó rửa của vật liệu, hay còn gọi là tính chịu rửa, được đánh giá dựa trên chi phí năng lượng điện riêng khi rửa Cụ thể, nếu chi phí năng lượng điện dưới 0,25 kWh/t quặng, vật liệu được coi là dễ rửa; từ 0,25 đến 0,75 kWh/t quặng là mức trung bình; và từ 0,75 đến 2,0 kWh/t quặng là khó rửa Ngoài ra, việc đánh giá cũng có thể dựa trên chỉ số độ quánh N.
Trong đó: W t - Độ ẩm của sét ứng với giới hạn chảy trên (khi sét ẩm bắt đầu chảy loang trên mặt phẳng);
W đ - Độ ẩm của sét ứng với giới hạn chảy dưới (độ ẩm của sét bắt đầu bị rạn nứt khi có lực tác dụng)
N - càng lớn quặng càng khó rửa, khi N > 15 quặng khó rửa, khi N = 7÷15 quặng trung bình rửa, và N = 1÷7 quặng dễ rửa
Hiệu suất rửa quặng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm phương pháp chuẩn bị quặng như phun nước vào quặng trước khi rửa hoặc sấy khô quặng trước khi tiến hành rửa Ngoài ra, chi phí nước rửa và nhiệt độ của nước rửa cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Các loại máy rửa quặng bao gồm máy sàng quay đánh tơi, máy rửa cánh vuông và máy phân cấp ruột xoắn Đối với quặng dễ rửa có kích thước lớn hơn 150-200 mm, thường sử dụng sàng rửa Trong khi đó, quặng trung bình và dễ rửa có độ hạt lên đến 200 mm thường được xử lý bằng máy đánh tơi kết hợp với sàng quay Đối với quặng khó rửa có kích thước từ 75-100 mm, máy rửa quặng là lựa chọn phù hợp.
Máy rửa quặng kiểu sàng quay là thiết bị rửa quặng có cấu trúc đặc biệt với sàng lỗ hình côn ở đầu dỡ liệu Phần cuối của tang rửa thấp hơn đầu nạp liệu, giúp quá trình rửa diễn ra hiệu quả Tang của máy được chia thành hai phần: 60% chiều dài là sàng lỗ và 40% là phần đặc kín Tại vị trí nạp liệu, máy được trang bị bộ phận nghiền, trong khi đó, máng rửa nằm ở vị trí xả, tối ưu hóa quy trình rửa quặng.
Sàng quay khác với sàng ở chỗ tỷ lệ chiều dài tang đối với đường kính lớn được gọi là sàng quay, trong khi tỷ lệ chiều dài tang với đường kính nhỏ được gọi là sàng Sàng quay thường được lắp đặt theo phương nghiêng 8 độ.
Hình 1.3: Máy rửa kiểu sàng và hệ thống truyền động
Hệ thống truyền động bao gồm động cơ, hộp giảm tốc và các khớp nối, giúp truyền chuyển động đến sàng quay Sàng quay được hỗ trợ bởi hai gối tang và được đặt trong thùng rửa Tấm bịt đầu tang cao hơn được sử dụng cho quặng dễ rửa và vừa, trong khi quặng khó rửa cần lắp đặt thêm cánh rửa để đảm bảo hiệu quả.
Hệ thống truyền động của máy được đặt ở phía chất tải, khác với các máy rửa quặng tang trống Động cơ truyền động thông qua hộp giảm tốc bằng bộ truyền đai, khớp nối răng hoặc khớp nối đàn hồi Nước được cấp vào với áp lực từ 0,14 đến 0,4 MPa, với lượng tiêu hao nước trong sàng quay khoảng 4 đến 8 m³/tấn, trong khi sàng ngắn tiêu hao từ 3 đến 6 m³/tấn Mức tiêu hao điện năng dao động từ 0,15 đến 0,8 kW.h/tấn quặng.
Quá trình tách sản phẩm từ máy rửa bao gồm quặng đã rửa và bùn đất, với cặn thường được xả xuống sàng Để đảm bảo hiệu quả rửa đạt yêu cầu, số vòng quay của máy cần đạt từ 70% đến 80% so với vòng quay tới hạn.
Số vòng quay của tang sàng được xác định theo công thức thực nghiệm:
Trong đó: D là đường kính trong của tang, (m); n là số vòng quay của tang, (v/p)
Vận tốc di chuyển quặng dọc theo tang rửa được xác định theo công thức:
Công thức 5, 2 tan 2 v = D n α (1.3) mô tả mối quan hệ giữa góc nghiêng α (độ) và các yếu tố khác trong quá trình rửa quặng Máy rửa quặng dạng sàng được thiết kế để xử lý các loại quặng dễ rửa, có khả năng rửa nhiều loại quặng với kích thước từ 75 đến 150 mm.
1.2.3 Máy sàng quay đánh tơi
Cấu tạo máy sàng đánh tơi thể hiện trên (hình 1.4):
Hình 1.4: Máy rửa kiểu sàng quay đánh tơi
1-Thùng máy; 2-Vấu; 3-Phần trụ; 4-Cặp bánh răng trụ; 5-Hộp giảm tốc; 6- Động cơ; 7-Puli đỡ; 8-Vành lăn
Nguyên lý hoạt động của máy sàng quay đánh tơi dựa trên việc cấp vật liệu cùng với nước có áp lực vào thùng máy hình trụ, được hỗ trợ bởi puli và bánh răng trụ Động cơ truyền động làm thùng máy quay tròn, tạo ra sự xáo trộn mạnh mẽ nhờ các vấu bên trong và vòi nước phun, giúp tách rời vật liệu Với góc nghiêng 7 độ, vật liệu được đánh tơi và di chuyển về cuối thùng, sau đó được phân loại thành hai sản phẩm: sét nhỏ qua lưới và hạt lớn đã được rửa trên lưới Máy sàng quay đánh tơi thích hợp cho các loại quặng chứa nhiều sét, với kích thước hạt trung bình dễ rửa lên đến 200 mm.
Máy rửa kiểu máng có cấu trúc đơn giản hơn so với các loại máy rửa khác Để khắc phục việc thiếu ngăn rửa quặng đã nghiền, máy rửa quặng kiểu máng được trang bị thêm gầu múc Trục nghiền của máy cũng được lắp đặt để nâng cao hiệu quả rửa quặng.
Máy rửa quặng kiểu lòng máng được trang bị 16 cánh dao, có cấu trúc dẫn động tương tự như máy phân cấp xoắn Hệ thống chuyển động của máy sử dụng dây đai, cặp bánh răng và hộp số hình trụ, phù hợp cho máy một lòng máng hoặc cho phép chuyển động độc lập cho từng trục.
Hình 1.5: Máy rửa kiểu máng
1- Trục dẫn động; 2- Cơ cấu dẫn trục công tác; 3- Cánh rửa; 4- Van; 5- Dàn đỡ; 6- Rô ro (bánh công tác; 7- Trục; 8- Búa rửa; 9- Cánh
Các cánh được sắp xếp theo trục xoắn với 4 đầu mối, trong đó mỗi cánh thứ 5 được đặt với góc nghiêng ngược lại nhằm nâng cao hiệu quả rửa và giảm lượng nước tiêu hao Vị trí nghiêng của lòng máng tạo ra một khu vực rửa chính nằm ở phần dưới thể tích làm việc Chiều dài lòng máng được chế tạo từ thép tấm ghép lại, trong khi trục cánh được làm từ thép ống với độ dày từ 25 đến 30 mm Cánh rửa sử dụng thép Mangan để đảm bảo độ bền và hiệu quả.
Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng thiết bị máy rửa quặng,
1.3.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng thiết bị trên thế giới
Vào năm 1890, Samuel Calvin McLanahan phát minh ra phương pháp rửa sạch đất sét khỏi đá trong mỏ phốt phát của gia đình ở Florida, Mỹ Ông sử dụng một chiếc hộp gỗ dài với cánh quạt bằng gang gắn lên trục gỗ để thực hiện quá trình rửa quặng Ngày 27 tháng 1 năm 1891, McLanahan đã nhận được bằng sáng chế cho phát minh này.
20 chiếc máy này Thiết bị này đã được sử dụng rộng rãi để chế biến quặng sắt, mangan, phốt phát
Hình 1.8: Thiết bị máy rửa quặng do S.C Mclanahan sáng chế
Máy rửa quặng là một thiết bị chuyên dùng được sử dụng trong ngành công nghiệp xây dựng, khai khoáng, vật liệu và hóa chất
Trên toàn cầu, nhu cầu về máy rửa quặng đang gia tăng, dẫn đến sự phát triển đa dạng các loại máy phù hợp với từng loại quặng tại các quốc gia có nền công nghiệp chế tạo máy phát triển và trữ lượng quặng phong phú Những quốc gia nổi bật với trữ lượng quặng lớn bao gồm Ma rốc, Angiêri, Xênêgan, vùng tiểu Sahara và Togo ở Bắc Phi; Ai Cập, Ixraen, Gioocđani ở Trung Đông; cùng với Úc, Mỹ, Nga, Nam Phi, Braxin, Canađa, và Phần Lan.
Các quốc gia có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Canada, Nga và Brazil nổi bật trong việc chế tạo máy tuyển quặng công suất lớn Tại đây, các công ty đã phát triển và đưa vào sử dụng các thiết bị chuyên dụng, có khả năng khai thác hiệu quả cả quặng trầm tích và quặng mắc ma.
Nhật Bản và Trung Quốc là hai quốc gia hàng đầu tại Châu Á trong lĩnh vực chế tạo thiết bị tuyển quặng, cũng như trong khai thác và chế biến quặng.
Tại Mỹ có nhà sản xuất McLanahan, thông số kỹ thuật máy rửa quặng do hãng McLanahan sản xuất chế tạo như bảng 1.3 và hình 1.8
Hình 1.9: Máy rửa quặng do hãng McLanahan, Mỹ chế tạo
Bảng 1.3: Thông số kỹ thuật máy rửa quặng do hãng McLanahan, Mỹ
Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật máy rửa cánh vuông hãng Trio®, Mỹ
Tại Trung Quốc, có sự đa dạng về chủng loại máy rửa quặng với nhiều nhà máy sản xuất, bao gồm các công ty như Công ty chế tạo Mài mòn Bắc Kinh, Công ty Cơ giới Tân Môi - Sơn Đông, Công ty Chế tạo máy mỏ Trịnh Châu, Công ty Thần Khôn - Tứ Xuyên, Công ty cơ khí Hoa Đông - Từ Châu, Công ty Cơ khí Đại Giang - Trùng Khánh, và Công ty Máy Thiên An - Thẩm Dương Các thông số kỹ thuật của một số loại máy rửa cánh vuông do Trung Quốc sản xuất được thể hiện trong bảng 1.5 và hình 1.9.
Bảng 1.5: Thông số kỹ thuật máy rửa ánh vuông do Trung Quốc chế tạo
Kích thước lòng máng (mm)
Hình 1.10: Một số loại máy rửa cánh vuông do Trung Quốc chế tạo
Hiện nay, các nước công nghiệp phát triển đang liên tục nghiên cứu và chế tạo thiết bị nhằm đáp ứng nhu cầu thay đổi không ngừng của thị trường.
23 nghệ tuyển Việc nghiên cứu hoàn thiện thường theo các hướng:
- Hoàn thiện phương pháp tính toán hiện đại sử dụng các phần mềm thiết kế mới nhằm tối ưu thiết kế chế tạo
Cải tiến công nghệ chế tạo là cần thiết, bao gồm việc lựa chọn vật liệu mới phù hợp với điều kiện và môi trường làm việc của thiết bị Đồng thời, áp dụng công nghệ hàn tiên tiến và sử dụng thiết bị hiện đại để kiểm tra chất lượng chế tạo, chất lượng mối hàn, cũng như chất lượng lớp phủ, bao gồm cả kim loại và phi kim, nhằm nâng cao tuổi thọ sản phẩm.
Nghiên cứu về ảnh hưởng động lực học trên trục là rất quan trọng, bao gồm các yếu tố lực tác động đến độ chính xác lắp đặt, biến dạng của cánh khuấy và ảnh hưởng của dòng chảy trong quá trình hoạt động của trục khuấy.
- Hoàn thiện nâng cao độ bền, tin cậy các cơ cấu bảo vệ, an toàn, tự động điều khiển hoạt động thiết bị
1.3.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo thiết bị máy rửa quặng trong nước Ở Việt Nam, công nghệ tuyển rửa đã được sử dụng trong các nhà máy tuyển quặng apatit, quặng sắt, quặng nhôm, mangan, ti tan, quặng thiếc Công nghệ này được áp dụng tại các xưởng tuyển tại các mỏ như: mỏ Cromit Cổ Định, mỏ sắt Nà Rụa, Nà Lũng, mỏ sắt Làng Vinh - Làng Cọ, bauxit Tân Rai, bauxit Nhân Cơ, Titan
Hiện nay, công tác sản xuất và chế tạo thiết bị khai khoáng mới đang diễn ra ở quy mô nhỏ, với một số cơ sở trong nước như Công ty MKC Việt Nam và Công ty Victory Việt Nam đã sản xuất máy rửa quặng, bao gồm cả máy rửa cánh vuông Thông số kỹ thuật và hình ảnh của một số loại máy rửa quặng nội địa được trình bày trong bảng 1.5 và hình 1.9.
Hình 1.11: Một số loại máy rửa quặng chế tạo trong nước
Nhu cầu khai thác quặng bauxit tại Việt Nam đang gia tăng mạnh mẽ, cho thấy tiềm năng lớn từ tài nguyên khoáng sản Trong khi đó, nhu cầu sử dụng máy rửa quặng tại các nhà máy vẫn còn cao, nhưng phần lớn máy móc hiện đang phải nhập khẩu từ nước ngoài Vì vậy, việc thiết kế và chế tạo các hệ thống máy rửa quặng phù hợp với nhu cầu khai thác bauxit trong nước là vô cùng cần thiết.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy rửa quặng
Máy rửa quặng dạng máng hai vít xoắn là thiết bị phổ biến trong tuyển rửa quặng kim loại đen, giúp loại bỏ bùn dính trên quặng và tách nước bùn khỏi quặng Để bảo vệ chất lượng quặng, kích thước hạt lớn nhất không vượt quá 75-80 mm Thiết bị này có thể sử dụng cho cả quặng dễ và khó rửa Hệ thống máy rửa quặng bao gồm máng nghiêng hai bên, với hai vít xoắn chạy ngược chiều nhau, có tác dụng vận chuyển quặng lên trên và phá vỡ đất dính Cấu trúc của trục vít có thể là hình vuông hoặc tròn, với cánh khuấy lắp nghiêng, tạo ra mặt xoắn không liên tục, tối ưu hóa quá trình rửa quặng.
Hình 2.1: Máy rửa quặng dạng máng hai vít xoắn
1- Máng rửa quặng; 2- Khung đỡ máy; 3- Trục vít xoắn cánh vuông; 4- Động cơ; 5- Hộp giảm tốc; 6- Bộ bánh răng và trục truyền động; 7- Gối đỡ trên; 8- Gối đỡ dưới
Các cánh trên hai trục được lắp xen kẽ, nâng cao hiệu quả khuấy và mài nghiền, giúp tách rời đất dính trên bề mặt quặng Hai đầu trục được cố định chắc chắn trên ổ.
Gối đỡ trục dưới được trang bị hộp và vòng làm kín ở phía trước để ngăn chặn bùn và nước xâm nhập vào cổ trục và ổ đỡ Hệ thống truyền động bao gồm động cơ điện 4 kết nối qua dây đai chữ V 5 và hộp giảm tốc 6, cùng với hai cặp bánh răng côn 7 Nước tuyển rửa được sử dụng trong quá trình này.
Ba nguồn cung cấp quặng bao gồm: quặng được nhận từ phễu, quặng từ đầu cấp dưới máng, và nước phun từ đường ống để làm sạch khoáng vật Bùn quặng đã được rửa sẽ tự động tràn ra từ bộ phận bố trí dưới máng.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động máy rửa quặng
Máy rửa quặng hai trục là thiết bị quan trọng trong việc tuyển rửa các khoáng sản kim loại màu và vật liệu xây dựng như quặng sắt, quặng nhôm, mangan, ti tan và thiếc Thiết kế của máy bao gồm hai trục cánh xoắn chạy ngược chiều nhau, với cánh tay làm bằng thép hợp kim chống mài mòn, giúp khuấy đảo hỗn hợp vật liệu trong bùn đất Hệ thống bơm phun nước áp lực cao tạo ra dòng nước từ đầu đến cuối máng, giúp tách biệt vật liệu thô dạng hạt và vật liệu mịn Vật liệu thô được rửa sạch và thoát ra từ cửa đầu trên, trong khi vật liệu mịn được hòa tan trong nước và thoát ra từ cửa xả vào bể chứa.
Máy rửa cánh vuông hoạt động bằng cách cấp liệu qua cửa cấp liệu ở một bên thân máng nghiêng từ 6 đến 12 độ Nước được phun vào phần trên của máng, trong khi bộ phận truyền động quay trục và các cánh rửa hình vuông Các cánh rửa được bố trí lệch nhau với góc 45 độ, giúp cắt và chà xát vật liệu, làm tơi rữa sét bám trên hạt lớn Hạt lớn sau khi được rửa sẽ được đẩy lên phía trên, trong khi hạt nhỏ từ 1 đến 2 mm cùng nước sẽ chảy qua ngưỡng ở đầu dưới máng, tạo thành sản phẩm bùn mịn Máy này rất hiệu quả trong việc rửa quặng chứa nhiều sét và các loại quặng khó rửa có kích thước từ 75 đến 100 mm.
Cơ sở lý thuyết
- Theo lý thuyết tính đường kính máy vít tải, đường kính vít xoắn được xác định theo năng suất tính toán lớn nhất (tấn/giờ) [3]:
Q 1- Năng suất lớn nhất máy rửa quặng thu được, tấn/h; m- Số trục vít xoắn;
Tỷ số diện tích hiệu quả vận chuyển quặng của cánh vít xoắn Fa so với diện tích tiết diện của vít xoắn "đặc" F b, như thể hiện trong hình 2, là một yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất vận chuyển quặng.
Hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng máng được xác định bởi công thức β₀ = 1 - 0,02.β, trong đó β là góc nghiêng của máng Hệ số điền đầy ψ phụ thuộc vào tính linh động và tính mài mòn của quặng: đối với quặng nặng có tính mài mòn thấp, ψ = 0,25; quặng nặng có tính mài mòn cao, ψ = 0,125; quặng nhẹ có ấp, ψ = 0,32; và quặng nhẹ không mài mòn, ψ = 0,4 Hành trình vít xoắn được tính bằng s₀ = 2s, với s là bước vít Hệ số chuyển động của quặng trong máng nghiêng chứa bùn quặng được ký hiệu là θ, trong khi n là số vòng quay của vít, tính bằng vòng/phút Cuối cùng, γ đại diện cho khối lượng đổ đống của quặng.
* Theo cỡ hạt lớn nhất của quặng
Xử lý quặng chưa qua sàng, đường kính vít: D > 4a (m); Xử lý quặng đã qua sàng, đường kính vít: D > 10a (m) Ở đây, a là cỡ hạt lớn nhất của quặng
Bước vít là khoảng cách giữa các cánh vuông liền nhau, ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển quặng trong máng, thời gian tuyển rửa và năng suất tối đa Giá trị của bước vít được xác định dựa trên tính chất của quặng cần xử lý, có thể lựa chọn trong các giới hạn nhất định.
Đối với thiết bị xử lý quặng nhẹ và linh động, nên chọn giá trị lớn hơn, trong khi thiết bị quặng nặng với tính linh động thấp thì chọn giá trị nhỏ hơn Đối với máy rửa làm việc đặc biệt nặng, có thể chọn bước vít s = 0,25.D (mm).
2.2.3 Số vòng quay vít xoắn n
Tốc độ quay của vít xoắn và lực va đập của cánh khuấy có mối quan hệ thuận với nhau, trong đó lực va đập ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả đập vỡ quặng trong bùn Tăng tốc độ có thể tạo ra tác động khuấy mạnh, nhưng nếu tốc độ quá cao, vận tốc tiếp tuyến của vít xoắn sẽ vượt qua lực ma sát giữa quặng và vít, dẫn đến quặng bay ra khỏi trục Điều này có thể gây ra việc bùn và hạt quặng nhỏ bị phun ra ngoài máng, gây lãng phí năng lượng, làm bẩn khu công nghiệp và tạo ra nguy cơ mất an toàn Tốc độ quay của vít xoắn tỷ lệ thuận với tốc độ vòng quay và tỷ lệ nghịch với đường kính của vít.
Theo Taggart, khi đường kính vít xoắn từ 508-1016 mm, vận tốc vòng thông thường cần duy trì trong khoảng 42,7-57,9 v/p Vòng quay quá cao sẽ làm tăng nhanh tốc độ dịch chuyển quặng trong máng, dẫn đến giảm thời gian rửa quặng và ảnh hưởng xấu đến chất lượng rửa Do đó, tốc độ vòng quay có tác động trực tiếp đến chất lượng và năng suất rửa quặng Đối với các loại quặng khó tuyển hoặc khi sử dụng máy rửa quặng có đường kính lớn, nên lựa chọn tốc độ vòng quay thấp.
2.2.4 Khoảng cách hai trục vít Để khuấy tốt lên, diện tích tiết diện quặng được đẩy lên trên được lớn nhất và đập vỡ đất trên quặng nhằm tăng năng suất, cánh trên hai trục lắp đặt so le lẫn nhau thành 45 0 Khoảng cách giữa tâm hai trục (L) phải nhỏ hơn đường kính vít xoắn, khiến cho cánh của hai vít xoắn sẽ chồng tiếp lên nhau 50-200 mm, tức là:
Bề rộng và độ sâu của máng rửa cần được thiết kế hợp lý để tránh tình trạng kẹt vật liệu Khoảng cách giữa đường kính ngoài của vít xoắn và thành trong của máng rửa phải lớn hơn cỡ hạt lớn nhất của vật liệu, với giá trị tối thiểu là 1,5 lần kích thước hạt quặng lớn nhất Để giảm thiểu sự mài mòn đáy dưới của máng rửa do chuyển động của quặng, cần có khoảng cách từ 80-140 mm giữa đáy máng và cánh, giúp hình thành lớp quặng ở đáy máng và cho phép vật liệu di chuyển trên lớp này.
Bề rộng máng rửa được xác định như sau:
Chiều dài máng rửa được xác định dựa trên mức độ khó tuyển rửa của quặng, phụ thuộc vào phương pháp khuấy và thời gian cần thiết để đập vỡ quặng Thời gian tuyển rửa tỷ lệ thuận với chiều dài đoạn tuyển rửa, trong khi bước vít và số vòng quay có mối quan hệ tỷ lệ nghịch Ngoài ra, góc nghiêng của máng và môi chất tuyển rửa cũng ảnh hưởng đến hiệu quả tuyển rửa.
Khi vít xoắn quay, bề mặt vít sẽ đẩy quặng di chuyển lên trên Đồng thời, quặng trên bề mặt nghiêng sẽ trượt xuống dưới do lực trọng lượng bản thân Công thức tính toán thời gian tuyển rửa được xác định như sau [3]:
Trong đó: Giá trị θ phụ thuộc vào góc nghiêng β của máng; Khi β= (0 o -20 o ) thì θ= (0,5-0,35); Góc nghiêng lớn chọn giá trị nhỏ và ngược lại
Theo Eudenic [3], đoạn tuyển rửa được phân loại thành ba loại dựa trên hệ số dẻo của bùn đất và thời gian tuyển rửa Loại thứ nhất là quặng khó tuyển, với bùn sét dẻo và hệ số dẻo K cao (10-15), cần thời gian tuyển rửa trên 6 phút và thường phải qua hai lần tuyển rửa Loại thứ hai là quặng khả tuyển trung bình, có đất dính dễ nhào nặn, với hệ số dẻo K từ 5-10 và thời gian tuyển rửa từ 3-6 phút Cuối cùng, loại thứ ba là quặng dễ rửa, chứa đất có cát, với hệ số dẻo K thấp hơn (3-5) và thời gian tuyển rửa chỉ từ 1,5-3 phút.
Hệ số K được tính theo công thức K = B1 - B2, trong đó B1 là phần trăm nước khi đất bắt đầu chảy và mất hình dạng ban đầu, còn B2 là phần trăm nước khi đất chịu nén và bắt đầu vỡ Để xác định chiều dài máng L0, có thể tham khảo chiều dài thoát nước ước tính nằm trong khoảng từ 1/3 đến 1/2 toàn bộ chiều dài L1.
; (mm) (2.7) Đối với quặng sạch hàm lượng nước ít, chọn giá trị lớn, ngược lại chọn giá trị nhỏ
Góc nghiêng của máng rửa β nên được chọn trong khoảng từ 80° đến 140°30’ Việc tăng góc máng rửa có thể cải thiện chất lượng tuyển rửa quặng, tuy nhiên nếu góc nghiêng quá lớn, nguy cơ quặng trượt xuống, đặc biệt là với các hạt quặng lớn, sẽ tăng lên.
Tăng mạnh mòn hỏng bộ phận cánh vít công tác dẫn đến tiêu hao năng lượng cao và giảm tốc độ chuyển động của quặng, từ đó làm giảm năng suất.
2.2.7 Góc nghiêng lắp cánh so với đường tâm trục
Cánh vít xoắn với đường tâm trục tạo thành góc xiên có mục đích tạo ra lực đẩy vật liệu trong máng, giúp vật liệu di chuyển lên trên sau mỗi vòng quay Điều này đảm bảo quá trình đẩy quặng liên tục và đan xen nhau Góc nghiêng của cánh vít cần phải tương thích với hành trình của vít để đạt hiệu quả tối ưu.
Nói chung chọn λ trong khoảng (55 o ~ 80 o ) Hành trình nhỏ chọn giá trị lớn, (hành trỡnh) lớn chọn giỏ trị nhỏ Gúc xiờn lắp đặt cỏnh với đường tõm trục ỉ = 90 o - λ
Trong đó, λ là góc nâng đường vít xoắn
Xác định năng suất máy rửa
Năng suất máy rửa quặng được xác định bởi tổng lượng sản phẩm đã rửa và lượng hạt rắn trong nước tràn, với năng suất tối đa phụ thuộc vào khả năng vận chuyển của vít xoắn Cánh trộn khuấy, với góc nghiêng, thực sự hoạt động như một máy vận tải, do đó, khả năng vận chuyển tỷ lệ thuận với bình phương đường kính ngoài của cánh trộn, số vòng quay và tỷ trọng vật liệu Ngoài ra, các yếu tố như tính chất bùn, lượng bùn trong vật liệu và sản phẩm cũng ảnh hưởng đến năng suất Thông thường, năng suất xử lý bị giới hạn bởi khả năng tác động đập vỡ quặng của máy rửa, vì vậy, trong quá trình tuyển rửa quặng, cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố này để lựa chọn số vòng quay, góc nghiêng và bước vít phù hợp.
2.3.1 Năng suất máy vận tải dạng trục vít
Năng suất máy vận tải dạng trục vít (vít tải) đặc xác định như sau [3]:
Trong đó: Q là năng suất quặng lớn nhất đưa được vào máy rửa, tấn/h; các thông số còn lại xem công thức (2.1)
Hình 2.2: Mặt cắt máy vít đặc và máy vít không liên tục
2.3.2 Công thức tính năng suất máy rửa quặng
Khi so sánh năng suất của máy vít tải, diện tích mặt cắt ngang của lớp vật liệu vận chuyển bởi vít xoắn không liên tục nhỏ hơn nhiều so với vít xoắn đặc Cụ thể, khi mức chìm và độ sâu của quặng tương đồng, tỷ số diện tích mặt cắt ngang giữa hai loại vít này là = F a /F b 0,5.
Để tính toán năng suất của vít xoắn không liên tục theo cánh, cần nhân với hệ số tỷ lệ diện tích để đạt được kết quả chính xác.
Dựa trên công thức (2.1) năng suất lớn nhất máy rửa quặng thu được xác định như sau:
2.3.3 Tính toán lượng chất rắn (quặng) tràn
Lượng chất rắn trong hỗn hợp tràn có mối liên hệ chặt chẽ với nồng độ hỗn hợp Khi nồng độ bùn quặng cao, quặng dạng hạt sẽ dễ dàng được kéo lên bề mặt.
Bùn tràn có thể thúc đẩy sự phá hủy của các hạt rắn, dẫn đến việc hạt quặng dễ dàng bị kéo lên bề mặt khi nồng độ bùn quá cao, ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi khoáng vật Lượng hạt rắn trong bùn tràn được tính toán dựa trên số liệu quặng ban đầu, quặng ròng chứa trong bùn và quặng thu hồi.
Trong đó: A là lượng quặng chứa trong bùn ban đầu = Lượng quặng tinh chứa trong bùn+ Lượng quặng tiêu hao
2.3.4 Năng lực xử lý của máy rửa quặng
Từ những công thức (2.11) và (2.12) xác định năng lực xử lý máy rửa quặng tối đa như sau:
Xác định công suất truyền động
Để tính toán công suất truyền động cho máy rửa cánh xoắn, có thể tham khảo công thức tính công suất của vít tải Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi chọn giá trị hệ số lực cản, sẽ có một số khác biệt nhất định do đặc điểm riêng của máy rửa này.
2.4.1 Lực cản ma sát của máng Đối với lực cản ma sát của máng từ quặng như trên hình 2.3 Đối với lực cản ma sát quặng với máng nghiêng bao gồm: áp lực vuông góc và hai thành phần trọng lực
Hình 2.3: Mặt cắt bố trí máng rửa
Trong đó: p - Lực cản ma sát quặng với máng nghiêng, kG; q 1 - Trọng lượng quặng mà bị khuấy đưa lên bởi cánh vít xoắn, kG;
4 o q D d L ; (kG) (2.15) d - là đường kính ngoài của trục vít xoắn, m f - Hệ số ma sát của quặng với đáy máng;
L’ - Hình chiếu bằng của chiều dài máng rửa L 0, m
2.4.2 Lực cản do khuấy trộn và đập quặng
Cánh vít xoắn trong máng rửa không chỉ vận chuyển mà còn khuấy và đập vỡ quặng chứa bùn, nâng cao hiệu quả rửa quặng Tuy nhiên, lực cản chuyển động quặng tăng lên, và hệ số lực cản do khuấy và đập vỡ quặng của vít xoắn cũng khác nhau do cấu trúc và trọng lượng không giống nhau Trong cùng một điều kiện, giá trị lực cản của cánh xoắn thường lớn hơn Cụ thể, vít xoắn cho quặng dạng hạt có trọng lượng lớn nhưng tính đập tách thấp có hệ số lực cản từ 1,2-1,4 (thậm chí 1,6); đối với quặng nặng với tính đập tách cao, hệ số lực cản là 1,8-2; và đối với quặng kim loại đen, hệ số lực cản có thể từ 3,5-4.
Do vậy, lực cản chuyển động của quặng trong máng là:
2.4.3 Mô men xoắn cần để khắc phục lực cản chuyển động
Hoặc M k q L 0 (sin 1 0 f.cos ) .tan( r 1 ); kGm (2.19)
Khoảng cách từ đường tâm vít xoắn đến điểm đặt lực trên cánh xoắn được ký hiệu là r1, với công thức r1 = k1 * D1 / 2 (m) Hệ số k1 nằm trong khoảng từ 0,7 đến 0,9 và được xác định dựa trên hệ số điền đầy Khi hệ số điền đầy lớn, giá trị k1 sẽ được chọn nhỏ, trong khi đó, giá trị k1 sẽ lớn hơn khi hệ số điền đầy nhỏ.
Hình 2.4: Mặt cắt trục khuấy máy rửa
- Góc ma sát giữa quặng và cánh xoắn; tan 1
- Hệ số ma sát giữa quặng và cánh xoắn: 0, 57 0,84
2.4.4 Công suất cần để khắc phục lực cản chuyển động
Do đó: 0 0 (sin 0 cos ).tan( )
Hiệu suất vít xoắn xác định theo công thức: tan tan( ) v
Thay vào công thức (2.27), (2.28) ta có:
2.4.5 Công suất động cơ điện truyền động
Xem xét đến công suất, trọng lượng vít xoắn có ảnh hưởng rất lớn và một số tổn thất chưa tính vào, cần tăng công suất động cơ điện
Với k’ là hệ số dự trữ công suất điện
Nội dung của chương 2 đã trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cơ sở lý thuyết để tính toán các thông số thiết kế máy rửa quặng
TÍNH TOÁN THÔNG SỐ THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRẠM DẪN ĐỘNG
Tính toán lựa chọn tham số thiết kế máy rửa quặng
* Thông số đầu vào thiết kế:
Năng suất thiết bị yêu cầu thiết kế: Q= 35, (tấn/h)
Cỡ hạt lớn nhất: a max = 50 (mm)
Số trục vít xoắn: m= 2 (trục)
Tỉ lệ hàm lượng quặng thô có dính tạp chất 59,5%
Tỉ lệ quặng tái chế 93,7%
Thời gian làm việc 43599 giờ a) Đường kính vít xoắn D
- Đường kính D được tính theo công thức sau [3]
- Bước vít s được tính theo công thức (2.2):
Đối với thiết bị xử lý quặng nhẹ và linh động, nên chọn giá trị s lớn hơn Trong khi đó, thiết bị quặng nặng với tính linh động thấp cần chọn giá trị s nhỏ hơn Đối với máy rửa hoạt động trong điều kiện đặc biệt nặng nhọc, có thể lựa chọn bước vít s = 0,35.D, mm.
Với kích thước đường kính vít đã chọn sơ bộ:
Số vòng quay vít xoắn n với tốc quay tỷ lệ thuận, và tỷ lệ nghịch với đường kính xoắn: n v
Theo sổ tay tuyển khoáng của Taggart, khi đường kính vít xoắn từ 508 đến 1016 mm, vận tốc vòng thông thường cần đạt trong khoảng 42,7 đến 57,9 m/ph.
Chọn n = 28 (v/ph) b) Khoảng cách hai trục vít
- Khoảng cách hai trục vít xoắn được tính theo công thức (2.4):
Chọn khoảng cách giữa hai trục vít LU0 (mm) c) Kích thước máng rửa
Hình 3.1: Mặt cắt máy vít đặc và máy vít không liên tục
Theo hình 3.1, bề rộng máng rửa được xác định theo công thức (2.5):
B L D = 1310 ÷ 1430 (mm) (3.6) Chọn bề rộng máng rửa B= 1350 (mm)
Hình 3.2: Mặt cắt bố trí máng rửa
Theo công thức tính toán thời gian tuyển rửa (2.6):
Theo phần tính toán lý thuyết công thức (2.7) xác định chiều dài máng L 0 :
Chọn chiều dài máng rửa L0= 8000 (mm) c) Góc nghiêng lắp cánh so với đường tâm trục
Góc nâng đường vít xoắn được xác định theo công thức (2.8)
(3.9) k 1 = 0,7÷0,9 là hệ số xác định căn cứ theo hệ số điền đầy Hệ số điền đầy lớn chọn giá trị nhỏ, ngược lại cho giá trị lớn
Chọn góc nâng λ = 14 d) Xác định năng suất máy rửa quặng đạt được
Năng suất máy rửa quặng đạt:
Theo công thức (2.10) ta có:
Trong đó: D- Đường kính vít xoắn, (m);
Q 1 - Năng suất quặng sau khi rửa lớn nhất, (tấn/h); m- Số trục vít xoắn; β 0 - Hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng máng [3]
Góc nghiêng của máng được ký hiệu là β, trong khi hệ số điền đầy được ký hiệu là ψ Giá trị của hệ số này tăng lên khi tính linh động của quặng vận chuyển gia tăng, đồng thời độ giảm tính ủa quặng cũng tăng theo.
Bảng 3.1: Hệ số điền đầy
Hệ số điền đầy ψ cho quặng nặng có tính mài mòn thấp là 0,25, trong khi đối với quặng nặng có tính mài mòn cao, hệ số này giảm xuống còn 0,125 Đối với quặng nhẹ, nếu có tính mài mòn thấp, hệ số điền đầy là 0,32, và đối với quặng nhẹ không mài mòn, hệ số đạt 0,4.
Chọn ψ = 0,32, với hành trình vít xoắn s0 = 300 mm Hệ số chuyển động của quặng trong máng nghiêng có bùn quặng được xác định là θ = 0,42 Số vòng quay của vít là n = 28 vòng/phút Khối lượng đổ đống của quặng là γ = 1,15 tấn/m³ Đường kính của vít xoắn là D = 600 mm.
Thay vào công thức (3.11) ta có, hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng máng:
Sau khi thay thế các giá trị và kết quả tính toán vào công thức (3.10), chúng ta xác định được năng suất quặng sau khi rửa dựa trên các thông số đã chọn Kết quả cho thấy năng suất quặng thu được sau khi rửa đạt 11 tấn/h.
Theo tài liệu [3], năng suất quặng lý thuyết có thể được xác định dựa vào các thông số đầu vào thiết kế trong bảng 3.1, bao gồm tỷ lệ bùn, tạp chất và tỷ lệ quặng tái chế.
Trong đó: A- Thành phần chứa tạp chất A = 0,595 – 0,05 + 0,063 = 0,608
Thay vào công thức (3.12) ta được: Q 1 * = 13,7 (tấn/h)
Năng suất lượng chất rắn quặng tràn:
Thay số ta được: Q 2 = 21,2 (tấn/h)
Kết quả tính toán năng suất quặng lý thuyết đạt 13,7 tấn/h, trong khi năng suất thực tế từ thiết kế máy chỉ đạt 11 tấn/h, cho thấy sự chênh lệch do tạp chất còn lại sau quá trình rửa quặng Mô men xoắn cần thiết để vượt qua lực cản chuyển động cũng cần được xem xét.
Dựa vào công thức (2.27) tính lực mô men xoắn cần khắc phục lực cản chuyển động như sau:
Thay số vào công thức (3.14) ta được như sau
; (kGm) Đổi đơn vị: T = 212,2 (kGm) = 2122 (Nm) = 2122000 (Nmm)
Xác định momen trên một trục công tác được xác định như sau:
T T (Nmm) (3.15) f) Xác định công suất truyền động trên máy rửa quặng
Trong chương 2 về công suất, việc tính toán lý thuyết cho thấy trọng lượng và kích thước của vít xoắn ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hoạt động Ngoài ra, một số tổn thất chưa được tính đến cần được xem xét, dẫn đến nhu cầu tăng cường công suất cho động cơ điện.
Trên cơ sở kết quả tính toán góc nâng λ, góc ma sát giữa quặng và cánh xoắn ρ, thay số vào công thức (2.31) xác định được hiệu suất vít xoắn:
Công suất động cơ điện làm việc của trục cánh vít theo công thức (3.14):
Phân tích, tính toán lựa chọn hệ dẫn động
3.2.1 Phương án 1 Sơ đồ hệ dẫn động được biểu diễn như hình 3.3, hệ dẫn động ăn khớp ngoài là bánh răng côn
Hình 3.3: Sơ đồ cấu tạo hệ dẫn động dùng bộ truyền bánh răng côn
1- Hộp giảm tốc; 2- Khớp nối; 3- Động cơ điện; 4- Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng; 5- Ổ lăn; 6- Bộ truyền bánh răng côn răng thẳng; 7- Ổ trượt; 8- Trục cánh vít
- Xác định công suất yêu cầu [5]: lv yc
Trong đó: P yc - Công suất yêu cầu
P lv - Công suất làm việc
𝜂 Σ : Hiệu suất truyền động chung toàn hệ thống brt ol kn hgt z brc ot
Bảng 3.2: Bảng thông số hiệu suất hệ dẫn động bộ truyền bánh răng côn
Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ
Hiệu suất một cặp ổ lăn
Hiệu suất bánh răng côn
Hiệu suất hộp giảm tốc ŋ 𝑏𝑟𝑡 = 0,97 𝜂 𝑜𝑙 = 0,995 𝜂 𝑏𝑟𝑐 = 0,96 𝜂 𝑜𝑡 = 0,99 𝜂 𝑘𝑛 = 1 𝜂 ℎ𝑔𝑡 = 0,9 Hiệu suất truyền động chung toàn hệ thống công thức (3.17):
3.2.2 Phương án 2 Sơ đồ hệ dẫn động được biểu diễn như hình 3.4, hệ dẫn động ăn khớp bánh răng trung gian bánh răng thẳng ăn khớp ngoài
Hình 3.4: Sơ đồ máy với hệ dẫn động là bộ truyền bánh răng thẳng:
1- Hộp giảm tốc; 2- Khớp nối; 3- Động cơ điện; 4- Ổ lăn;
5- Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng; 6- Ổ trượt; 7- Trục cánh vít
- Công suất trên trục động cơ [5]: lv yc
Trong đó: P yc - Công suất cần thiết trên trục động cơ
P lv - Công suất tính toán trên trục công tác.(công suất làm việc hai trục bằng nhau do vậy công suất làm việc từng trục xác định như sau: 6,17
𝜂 Σ : Hiệu suất truyền động chung toàn hệ thống
- Xác định công suất trên từng trục P III ' và P III như sau:
Bảng 3.3: Bảng thông số hiệu suất hệ dẫn động bộ truyền bánh thẳng
Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ
Hiệu suất một cặp ổ lăn
Hiệu suất hộp giảm tốc
Từ công thức (3.18); (3.19) thay số công suất yêu cầu trên từng trục xác định như sau:
Từ kết quả trên thay số công suất trên trục động cơ xác định như sau:
1 0,9 lv III III yc kn hgt
3.2.3 Phương án 3 Sơ đồ hệ dẫn động được biểu diễn như hình 3.5, hệ dẫn động ăn khớp bánh răng trung gian bánh côn, bộ truyền đai
Hình 3.5: Sơ đồ hệ dẫn động dùng bộ truyền bánh răng côn kết hợp với bộ truyền ngoài đai:
1- Động cơ điện; 2- Bộ truyền đai; 3- Hộp giảm tốc; 4- Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng;
5- Bộ truyền bánh răng côn răng thẳng; 6- Ổ trượt; 7- Trục cánh vít; 8- Ổ lăn
- Công suất yêu cầu [5]: lv yc
Trong đó: P yc - Công suất yêu cầu
P lv - Công suất làm việc
𝜂 Σ : Hiệu suất truyền động chung toàn hệ thống
2 3 ol brt ot kn hgt
Bảng 3.4: Bảng thông số hiệu suất hệ dẫn động dùng bộ truyền bộ truyền đai
Hiệu suất một cặp ổ lăn
Hiệu suất bánh răng trụ
Hiệu suất hộp giảm tốc
𝜂 𝑜𝑙 = 0,995 𝜂 𝑏𝑟𝑐 = 0,96 𝜂 𝑜𝑡 = 0,99 𝜂 𝑘𝑛 = 1 𝜂 ℎ𝑔𝑡 = 0,9 Hiệu suất truyền động chung toàn hệ thống (3.21):
Các sơ đồ hệ dẫn động máy rửa quặng trong hình vẽ (3.3), (3.4) và (3.5) cho thấy rằng phương án 1 và 3 sử dụng bộ truyền ngoài là bánh răng côn, yêu cầu độ chính xác cao trong chế tạo và lắp đặt Ngược lại, phương án 2 chỉ sử dụng bộ truyền ngoài là bánh răng trụ răng thẳng, giúp việc lắp đặt trở nên dễ dàng hơn Thêm vào đó, phương án 2 có cấu tạo đơn giản, dễ dàng sửa chữa và bảo trì, cho phép thay thế các chi tiết độc lập mà không phụ thuộc vào các bộ phận khác, mang lại nhiều ưu điểm hơn so với phương án 1 và 3.
2 sẽ được lựa chọn cho việc tính toán thiết kế hệ thống máy rửa quặng.
Tính toán hệ dẫn động ăn khớp ngoài bánh răng trung gian bánh răng thẳng
Dựa kết quả tính toán công suất yêu cầu mục (3.2) trên tiếp tục thực hiện tính toán hệ dẫn động như sau:
- Công suất yêu cầu theo phương án 2 là: P yc = 7 (kW)
- Chọn công suất động cơ: P đc = k ’ P yc = 1,5.7 = 10,5 (kW)
Với k ’ : Hệ số dự trữ công suất điện k ’ =1,5
- Xác định công suất động cơ [5]: dc yc dc sb
(3.22) a) Xác định số vòng quay động cơ
Số vòng quay đồng bộ: n db n u lv
Trong đó : 𝑛 𝑙𝑣 - Số vòng quay trục làm việc 𝑛 𝑙𝑣 = 28 (v/p)
𝑢 𝛴 : tổng tỉ số bộ truyền; u u hgt u brt
𝑢 𝑏𝑟𝑡 : Tỉ số truyền bánh răng trụ 1 cấp hở 𝑢 𝑏𝑟𝑡 = 1 (tỉ số truyền 2 bánh răng bằng nhau)
𝑢 ℎ𝑞𝑡 : Tỉ số truyền hộp giảm tốc bánh răng trụ 2 cấp 𝑢 ℎ𝑞𝑡 = (8÷40)
Số vòng quay đồng bộ: 𝑛 𝑑𝑏 = (224÷1120)
Chọn số vòng quay đồng bộ : 𝑛 𝑑𝑏 = 650 (v/p)
Tỉ số tổng sơ bộ: 𝑢 𝛴 = 𝑛 𝑑𝑏
𝑛 𝑙𝑣 = 23,2 (Thảo mãn) Với tỉ số tổng sơ bộ: 𝑢 𝛴 = 23,2
𝑢 ℎ𝑞𝑡 : Tỉ số truyền hộp giảm tốc [6] 𝑢 ℎ𝑞𝑡 = 25 (chọn hộp giảm tốc ZSY-160)
𝑢 𝑏𝑟𝑡 : Tỉ số truyền bánh răng trụ 1 cấp hở 𝑢 𝑏𝑟𝑡 = 1
=> Thay vào công thức (3.21) ta được : 7
Chọn động cơ theo tiêu chuẩn: Pđc = 15 kW; tương đương n = 735 (v/p)
Bảng 3.5: Thông số kĩ thuật động cơ
Cos ϕ η% Tmax/Tdn Tk/Tdn
Kiểm tra điều kiện mở máy động cơ [5]: dc dc mm bd
Trong đó [5]: 𝑃 𝑚𝑚 𝑑𝑐 - Công suất mở máy động cơ
𝑃 𝑏𝑑 𝑑𝑐 : Công suất ban đầu động cơ
Khi : Hệ số ban đầu [5] ta có: K bd = 1,6
=> Điều kiện mở máy động cơ (3.22): Thỏa mãn điều kiện
Bài viết trình bày quy trình tính toán các thông số thiết kế cho hệ thống quặng bauxit với hai trục vít cánh vuông Nó xác định công suất yêu cầu của máy dựa trên các phương án bố trí hệ dẫn động khác nhau Từ đó, lựa chọn thiết kế máy rửa quặng bauxit phù hợp với yêu cầu.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG THẲNG
Thông số đầu vào thiết kế
Công suất trên một trục công tác: P I = 3,1 (kW)
Momen xoắn trên một trục công tác: T 1 = 1061000 (Nmm)
Số vòng quay trên một trục công tác: n 1 = 28 (v/p)
Tỉ số truyền bánh răng thẳng ăn khớp ngoài: u = 1
Tổng số giờ làm việc của bánh răng: L h = 43599 (giờ)
Thông số bộ truyền động: Động cơ điện thông số lựa chọn theo mục chương 3: P = 15kW, n= 735v/p, điện áp U80/660V;
Trong chương 3, chúng tôi đã tiến hành tính toán và lựa chọn hộp giảm tốc ZSY – 160, kết hợp với biến tần để điều chỉnh tốc độ vòng quay đầu vào từ 750 vòng/phút xuống 735 vòng/phút Đồng thời, tốc độ quay đầu ra được giảm từ 30 vòng/phút xuống 28 vòng/phút, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống.
Bảng 4.1: Bảng thông số hộp giảm tốc ZSY – 160
Công suất P (kW) Đầu vào (n 1 ) Đầu ra (n 2)
Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng
4.2.1 Chọn vật liệu bánh răng
Vật liệu chế tạo bánh răng cần đảm bảo độ bền bề mặt để ngăn chặn hiện tượng tróc mỏi, mài mòn và dính răng, đồng thời phải có độ bền uốn cao trong quá trình hoạt động Do đó, thép với quy trình nhiệt luyện hợp lý, gang, và các vật liệu không kim loại khác thường được sử dụng để sản xuất bánh răng.
- Căn cứ vào tiêu chuẩn bảng 6.1 (trang 92 – tập 1: Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí) ta xác định sơ bộ vật liệu làm bánh răng như sau:
Chọn vật liệu thép 40X và áp dụng chế độ nhiệt luyện bằng phương pháp tôi thể tích sau gia công, nhằm đạt được các thông số kỹ thuật tối ưu như độ cứng, giới hạn bền và giới hạn chảy.
Nhãn hiệu thép: 40X; với độ rắn HB = 230÷260; độ rắn vật liệu HB < 350; chọn độ rắn HB%0
4.2.2 Xác định ứng suất tiếp xúc [ H ] và ứng suất uốn [ F ] Ứng suất cho phép được xác định [5] như sau:
Trong đó: S H; S F : Hệ số an toàn khi tính về ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn Tra bảng 6.2 [5] :
-σ o H lim , σ o F lim - Ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn cho phép với chu kỳ cơ sở:
Trên cơ sở công thức (4.3) ta được:
Hệ số tải trọng K FE, theo đô bền uốn, được xác định trong bảng 6.14 trang 225 tài liệu [8] Hệ số này áp dụng cho trường hợp bánh răng ăn khớp ngoài không nằm trong môi trường dầu và chế độ nhiệt luyện tôi thể tích, với giá trị K FE = 1.
K FC - hệ số xét đến ảnh hưởng đặt tải
Do tải đặt một phía: K FC = 1
Thay vào các công thức (4.2):
Bộ truyền là bánh răng trụ răng thẳng [ F ]min [ F 1];[ F 2]257(Mpa) Ứng suất cho phép khi quá tải:
4.2.3 Tính thiết kế a) Xác định sơ bộ khoảng cách trục
Theo lý thuyết máy vít tải, việc khuấy quặng hiệu quả yêu cầu diện tích tiết diện quặng được đẩy lên tối đa và cần đập vỡ đất trên quặng để tăng năng suất Cánh trên của máy được lắp đặt so le nhau với góc 45 độ Để đảm bảo hiệu quả, khoảng cách giữa tâm hai trục phải nhỏ hơn đường kính của vít xoắn, cho phép cánh của hai vít xoắn chồng lên nhau từ 50 đến 200 mm.
[3] Khoảng cách giữa hai trục khuấy được xác định chương 3: l = D – (50÷200) mm
Trong đó: Đường kính vít xoắn D= 600mm; khoảng cách trục l= 550 mm
Do vậy với so đồ dẫn động như hình 3.2 bộ truyền bánh răng thẳng ăn khớp, thì khoảng cách hai trục bánh răng a w = l= 550 mm b) Xác định mô đun
Do bộ truyền bánh răng hở lên tính toán thiết kế theo ứng suất uốn
Modun độ bền uốn được xác định như sau [8]: m ≥ 3 1 1 3 1 2 1
Trong đó: T 1 - Momen xoắn trên trục; T 1 = 1061000 Nmm
K F - Hệ số tải trọng tính; chọn bảng 6.5 trang 211 [8] Chọn K F = 1,06
Y z ψ bd - Bề rộng vành răng; theo bảng 6.16 trang 235 [8] Chọn ψ bd = 0,2
[𝜎 𝐹 ] - Ứng suất uốn bánh răng thẳng [𝜎 𝐹 ] = 257 (Mpa)
Chọn bánh răng z 1 = 55 răng; khi đó bánh răng z 2 = u.z 1 = 1.55 = 55 răng Đường kính vòng chia vòng chia bánh răng chủ động; bị động [8]: d 1 = d 2 = z 1 m (4.5)
Trong đó: d1 - đường kính vòng chia d 1 = a w = 550 mm m - Modun bánh răng
Dựa vào công thức ta được: m = 10 mm
Thay số vào công thức (4.4) ta được: m ≥ 3 (mm)
Từ kết quả trên thỏa mãn điều kiện m = 10 mm
Chiều rộng vành răng: b 1 = b 2 = ψ bd d 1 = 0,2.550 = 110 (mm)
Vận tốc vòng bánh răng:
Theo bảng 6.3 [8] ta chọn cấp chính xác 6 với v gh = 3 (m/s)
Kiểm nghiệm độ bền uốn với hệ số K Fv = 1,06, tra theo bảng 6.6 [8]
Do đó độ bền uốn được thỏa mãn c) Tính kiểm tra độ bền tiếp xúc
Từ công thức (4.1) ta có: Hệ số tuổi thọ, xét đến ảnh hưởng của thời gian phục vụ chế độ tải trọng của bộ truyền động là [5] : K HL
Trong đó: m H : Bậc của đường cong mỏi khi thử về ứng suất tiếp xúc Do bánh răng HB < 350 => m H = 6
- N HO – số chu kỳ thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc [5]
Trên công thức (4.8) thay số ta được: N H0 = 30.250 2,4 = 17.10 6
- N HE – Số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương:
Do bộ truyền chịu tải trọng tĩnh
N HE = 60.c.n.t ∑ (4.9) c – Số lần ăn khớp trong một vòng quay: c = 1 n – Số vòng quay trong một phú của bánh răng: n = 28 (v/p) t ∑ - Tổng số giờ làm việc của bánh răng: t ∑ = L h = 43599 (giờ)
Thay số vào công thức (4.9) ta được: N HE = 60.1.28 43599 = 73246320
Ta có [5]: N HE > N H0 => Lấy N HE = N H0 => K HL = 1
Thay vào công thức (4.1): lim 570 1.1 518
Kiểm tra độ bền tiếp xúc [5]:
Trong đó: Z M – Hệ số kể đến tính vật liệu của bánh răng: Z M = 275
Z H – Hệ số kể đến hình dạng của bề mặt tiếp xúc: 2 sin(2 ) 2, 4
- Hệ số trùng khớp ngang
K H – Hế số tải trọng: K H K H K H K Hv
Hệ số K Hβ được sử dụng để phản ánh sự phân bố không đều của tải trọng trên chiều rộng vành răng Theo bảng 6.7 [5] trang 98, với ψ bd = 0,2, HB < 350 và sơ đồ bố trí là sơ đồ 6, ta có K Hβ = 1.
K Hα : Hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng trên các cặp răng đồng thời ăn khớp: K Hα =1
K Hv : Hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp
Nội suy tuyến tính K Hv = 1
Thay số vào công thức (4.10) ta được ứng suất tiếp xúc như sau:
Do vậy độ bền tiếp xúc thỏa mãn
Bảng 4.2: Tổng hợp các thông số bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng
Thông số Kí hiệu Đơn vị Số lượng
Momen trên trục công tác 1 T Nmm 1061000
Số vòng quay trục công tác n v/phút 28
Khoảng cách trục bánh răng a w mm 550
Chiều rộng vành răng b w mm 110 Đường kính vòng lăn d w1 mm 550 d w2 mm 550
Kiểm tra tính toán trên phần mềm Inventor
* Sử dụng phần mềm Inventor Professional 2018 kiểm tra tính toán và thiết kế cặp bánh răng trụ
Bước 1: Khởi động chương trình tính toán bánh răng Spur Gear Nhập thông số bánh răng vào dữ liệu như hình (4.1):
Hình 4.1: Hộp thoại thiết kế cặp bánh răng trụ
Thông số bộ truyền bánh răng:
Bánh răng mô đun: m= 10 mm
Bề rặng mặt răng: b 1 = 110mm
Bề rộng mặt răng: b 2 = 110mm
Hình 4.2: Kết cấu cặp bánh răng trụ
Hình 4.3: Hộp thoại kết quả tính toán
Trong mô hình kết cấu cặp bánh răng trụ, các thông số tính toán bao gồm công suất 3,1 kW, số vòng quay của bánh răng đạt 28 v/p, và vật liệu chế tạo bánh răng được lựa chọn là thép 40X.
Hình 4.4: Hộp thoại thể hiện các hệ số
Kết quả tính toán kiểm tra độ bền:
Bảng 4.3 Kết quả tính toán
- Hệ số an toàn khi tính theo độ bền tiếp xúc: SH = 2,081
- Hệ số an toàn khi tính theo độ bền uốn: SF = 19,860
- Hệ số an toàn tĩnh theo độ bền tiếp xúc: SHst = 5,167
- Hệ số an toàn tĩnh độ bền uốn uốn: SFst = 46,376
Kết quả tính toán cho thấy, đảm bảo độ bền bánh răng
Trình bày tính toán các thông số thiết kế cặp bánh răng trụ răng thẳng Kiểm tra thông số thiết kế cặp bánh răng trên phần mềm Inventor
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC, LỰA CHỌN KHỚP NỐI VÀ Ổ LĂN
Tính chọn khớp nối
5.1.1 Xác định đường kính sơ bộ của trục Đường kính trục được xác định bằng momen xoắn theo công thức (10.9) tài liệu [5]
Trong đó: T- Momen xoắn trên trục đầu ra công tác: T = 2122000 (Nmm) [] - Ứng suất xoắn cho phép Chọn [] = 28 Mpa
Thay vào công thức (4.1) ta được: 3 2122000 72, 4
Chọn sơ bộ: dsb = 75 (mm)
Khi chọn khớp nối cho đầu vào của trục bánh răng, cần đảm bảo việc truyền momen xoắn từ đầu ra của trục hộp giảm tốc sang trục bánh răng được ổn định Khớp nối đàn hồi là lựa chọn tối ưu, nhờ vào khả năng giảm va đập và chấn động, phòng ngừa cộng hưởng do dao động xoắn và bù đắp cho độ lệch trục.
Khớp nối với bộ phận đàn hồi làm từ vật liệu phi kim loại có giá thành thấp và thiết kế đơn giản, thường được sử dụng để truyền momen xoắn nhỏ và trung bình Đường kính lắp khớp nối là 75mm.
Khớp nối là một chi tiết tiêu chuẩn quan trọng trong thiết kế cơ khí Kích thước của khớp nối thường được xác định dựa vào momen xoắn T, được tính theo công thức: T t = k.T Việc lựa chọn kích thước khớp nối phù hợp giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.
Momen xoắn danh nghĩa T được tính bằng 2122000 Nmm Hệ số chế độ làm việc k phụ thuộc vào loại công tác, theo bảng 16.1, và đối với máy công tác là vít tải, ta chọn k = 1,5.
Tra bảng thông số kỹ thuật chi tiết khớp nối mặt bích bảng (3.1) như sau:
Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật chi tiết khớp nối mặt bích
[T]: momen xoắn cho phép tra bảng (5.1)
Ta có [T] = 4600 (N.m); Từ bảng (5.1) ta lựa chọn khớp nối CK368-P250.
Tính thiết kế trục
Vật liệu chế tạo trục cần có độ bền cao, khả năng gia công tốt và dễ dàng nhiệt luyện, vì vậy thép Cacbon và thép hợp kim là lựa chọn chính Việc lựa chọn giữa thép hợp kim và thép Cacbon phụ thuộc vào tải trọng mà trục phải chịu Đối với trục bánh răng làm việc với tải trọng trung bình, thép 45 thường hóa là vật liệu phù hợp, với các đặc tính cơ lý như sau: độ bền kéo (b) đạt 600 Mpa, độ bền chảy (ch) 340 Mpa, độ cứng 200 HB, và ứng suất cho phép [] từ 15 đến 30 Mpa.
5.2.2 Xác định lực tác dụng lên trục
Hình 5.2: Xác định lực tác dụng lên trục I
- Lực tác dụng lên trục 1 gồm: lực ăn khớp trong bộ truyền bánh răng, và lực sai số do khớp nối
+ Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng:
- Lực sai số do khớp nối tác dụng lên trục (khớp nối 1):
D ; dựa vào bảng 5.1 D t : đường kính vòng chia bu lông:
- Xác định lực sai số do khớp nối tác dụng lên trục (khớp nối 2):
Xét thấy F x12 > F x14 với đường kính tính toán lựa chọn (khớp nối 1) d kn1 = 75 (mm) ta chọn đường kính (khớp nối 2) bằng đường kính (khớp nối 1) d kn2 = 75(mm)
5.2.3 Xác định đường kính sơ bộ của trục
Sơ bộ trục: d sb = 75 (mm)
Tra bảng (10.2) [5], tính gần đúng chiều rộng ổ lăn: b ol = 37 mm
Xác định chiều dài may ơ đĩa xích và bánh răng trụ [5]: l m13 = (1,2 1,5).d (5.2)
Thay số: l m13 = 90…112,5 (mm) Chọn l m13 = 110 (mm)
Chiều dài may ơ nửa khớp nối trục vòng đàn hồi [5]: l m12 = (1,4 2,5).d (5.3)
Thay số: l m12 = l m22 = 105…187,5 (mm) Chọn l m12 = 135 (mm)
Hình 5.3: Xác định khoảng cách trục
Khoảng cách trên trục 1 từ gối đỡ 1 đến khớp nối như sau: l 12 = 0,5.(l m12 +b 0l ) + k 1 ) (5.4)
Trong đó: k 1 - khoảng cách giữa 2 chi tiết quay k 1 = 120 (mm)
Khoảng cách từ gối đỡ đến bánh răng trụ như sau: l 13 = 0,5.(l m13 +b ol ) + k 1 (5.5) Thay số: l13 = 0,5(110+37) + 120= 193,5mm Chọn l13 = 195mm
Khoảng cách giữa hai gối đỡ l11 = 2.l13 = 2.195 = 390 (mm) (5.6) Khoảng cách trên trục từ gối đỡ đến chi tiết quay thứ 2 khớp nối như sau: l 14 = (0,5.(l m12 + b 01 ) + L 11 + k 1 ) (5.7) Thay số: l 14 = ( 0,5.(135 + 37) + 390 + 120) = 596 (mm); chọn l 14 = 600 (mm)
Xác định lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng
- Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng:
Xét phương án 1 : Giả sử lực khớp nối hướng như hình (5.1) như sau:
Xác định biểu đồ momen uốn và xoắn:
Hình 5.4: Xác định lực tác dụng lên trục
- Xét trong mặt phẳng thẳng đứng yoz, phương trình cân bằng momen:
Phương trình cân bằng trên trục Y:
Xét trong mặt phẳng thẳng đứng xoz, phương trình cân bằng momen:
Hình 5.5: Sơ đồ lực, biểu đồ momen và kết cấu trục I
Xác định momen uốn tổng, momen tương đương và đường kính trục
Trong đó: M j : Momen uốn tổng (Nmm)
M tđj : Momen tương đương (Nmm) d j : đường kính trục tại các tiết diện j trên chiều dài trục
M yj ; M xj : Momen uốn trong mặt phẳng yoz và xoz tại các tiết diện j
- Ứng suất cho phép chế tạo trục [5] bảng 10.5 có 50Mpa
Xét tiết diện tại khớp nối: j 0
Chọn đường kính tại vị trí khớp nối d kn 75 mm
Xét tiết diện tại ổ lăn :
Chọn đường kính tại vị trí ổ lăn d ol 85 (mm)
Xét tiện diện tại bánh răng:
Chọn đường kính tiết diện bánh răng d br 100 (mm).
Chọn và kiểm nghiệm then
Xét tại vị trí khớp nối với đường kính trục d kn = 75 (mm), dựa vào bảng 9.1a tài liệu [5] các thông số của then ta chọn: b"; h; t 1 = 9
Chiều dài của then xác định [5]:
Xét tương tự với bánh răng; d br = 100 (mm); lựa chọn thông số: b(; h; t1 = 10; l tbr (0,8 0,9). l m 13 (0,8 0,9).110 88 99(mm)
- Kiểm nghiệm điều kiện bền, theo tài liệu [5]:
Trong đó:[ d 1 ];[ d ]: Ứng suất dập và ứng suất dập cho phép;
d 100 MPa tra bảng 9.5[5] – tr178 va đập nhẹ;
𝜏 𝑐 , [𝜏 𝑐 ] : Ứng suất cắt và ứng suất cắt cho phép;
c 40 60 MPakhi chịu tải trọng va đập nhẹ
T - Mômen xoắn trên trục d - đường kính trục
Theo công thức (5.9) kiểm nghiệm độ bền khớp nối sự va đập nhẹ [5]:
=> Điều kiện kiểm tra: thỏa điều kiện
Then tại vị trí bánh răng:
=> Điều kiện kiểm tra: thỏa mãn điều kiện
Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi: Để đảm bảo độ bền trục trong quá trình làm việc, độ bền mỏi của trục cần phải thỏa mãn điều kiện:
Trong đó: S j : Hệ số ăn toàn cho phép j ; j
S S : Hệ số an toàn xét riêng về ứng suất pháp, ứng suất tiếp xét tại tiết diện j
: Giới hạn mỏi uốn và mỏi xoắn ứng với chu kỳ đối xứng
; biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện j
Khi trục quay ứng suất uốn thay đổi theo chu kỳ đối xứng do đó [5] maxj j aj j
Trong đó: W j : Momen chống uốn tại tiết diện j
W 0j : Momen cản xoắn tại tiết diện j
Tại chỗ lắp bánh răng, trục có đường kính d = 100 mm
Lựa chọn then tại vị trí bánh răng ở trên ta có: b(; h; t1 = 10
Theo bảng (10.2); (10.3) tài liệu [5] ta có:
Tra bảng (10.7) tài liệu [5] ta có: 0,1; 0,05
Tra bảng (10.8) và (10.9) tài liệu [5] với b 600 (Mpa) ta được mài ra 0,32÷0,16
Ta có: K x = 1; K y = 1,1 với phương pháp tăng bền bề mặt bằng phun bi
K x : Hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt
K y : Hệ số tăng bền bề mặt trục
Theo tài liệu [5] từ bảng (10.10), trị số của hệ số ảnh hưởng kích thước tiết diện trục đến giới hạn mỏi được xác định là 0,86 và 0,79 Đối với trục có rãnh then, hệ số tập trung ứng suất tương ứng với vật liệu có b 600.
(Mpa) ta có: K 1,76;K 1,54; hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn và khi xoắn
=> Trục thỏa mãn điều kiện bền mỏi
Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh là cần thiết để ngăn chặn nguy cơ biến dạng dẻo quá mức hoặc hư hỏng do quá tải đột ngột.
Công thức kiểm nghiệm có dạng như sau:
Với thông số Mmax và Tmax lần lượt là momen uốn lớn nhất và momen xoắn lướn nhất tại tiết diện nguy hiểm quá tải
ch : giới hạn chảy của vật liệu trục
Trục thỏa mãn điều kiện tĩnh.
Lựa chọn ổ lăn
Phương án 2: Trường hợp khi đảo chiều các lực khớp nối tạo ra
- Lực tác dụng lên bộ truyền bánh răng:
Xác định biểu đồ momen uốn và xoắn:
Hình 5.7: Sơ đồ lực khi đảo lại chiều lực khớp nối
- Xét trong mặt phẳng thẳng đứng yoz, phương trình cân bằng momen:
Phương trình cân bằng trên trục Y:
Xét trong mặt phẳng thẳng đứng xoz, phương trình cân bằng momen:
Kết quả tính toán ở trên tải các điểm A và B ta xác định lực hướng tâm trên trục như sau:
Sử dụng kết quả tính toán ở trên tải các điểm A và B ta xác định lực hướng tâm trên trục trong trường hợp 1 như sau:
Kết quả tính toán cho thấy lực hướng tâm trục trong phương án 2 lớn hơn so với phương án 1 Do đó, việc lựa chọn phương án 2 là hợp lý cho tính toán ổ lăn.
Trục chỉ lắp bánh răng thẳng, do đó lực tác dụng dọc theo phương dọc trục bằng 0 Vì vậy, chúng ta chọn ổ bi côn cho các gối A và B, vì loại ổ này có khả năng chịu tải trọng cao và hoạt động hiệu quả ở tốc độ cao Bước tiếp theo là chọn sơ bộ kích thước ổ lăn.
Sơ đồ bố trí ổ lăn:
Hình 5.8: Sơ đồ bố trí ổ lăn
Dựa vào đường kính tính toán d ol = 85 mm, chúng ta chọn ổ bi côn 7217 với các thông số hình học như sau: đường kính trong d = 85 mm, đường kính ngoài D = 150 mm, chiều rộng ổ B (mm), và đường kính bi d1 = 115 mm Ổ bi này có khả năng tải trọng động C9, phù hợp cho các ứng dụng cần độ bền và hiệu suất cao.
(kN); khả năng tải trọng tĩnh C 0 = 91,4 (mm) b) Kiểm nghiệm khả năng tải của ổ lăn khi làm việc:
Khả năng tải động được tính theo công thức [5]: m
Trong đó: m là bậc của đường cong mỏi đối với ô bị chọn: m = 3
- Q là tải trọng động tương đương (kN)
Trong đó: F a ; F ri là tải trọng dọc trục và tải trọng hướng tâm của ổ trên gối đỡ
Hệ số ảnh hưởng đến vòng quay được xác định là V = 1 Hệ số k đ, phản ánh đặc tính tải trọng trong chế độ và đập vừa, có giá trị k đ = 1,3 Hệ số k v, tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc, được quy định là k t = 1.
Từ kết quả tính toán trên tải trọng động tại điểm A lớn hơn tải trọng động tại điểm B Do đó lựa chọn ổ lăn theo điểm A
Tuổi thọ ổ lăn được tính: 60 6 60.28.43599 6
Thay vào công thức (5.17) : C d 12, 2434 73 3 51,17(kN)< C = 109 (kN) Loại ổ lăn đã chọn đảm bảo khả năng tại động
* Kiểm tra tải trọng tĩnh
Tải trọng được tính toán theo công thức:
Tra bảng (11.6) tài liệu [5] chọn X0 = 0,6
F rA : là lực lớn nhất tính toán trên
Q (N) = 5,6508 (kN) < C0 = 91,4 (kN) khả năng tải tĩnh của ổ được đảm bảo.
Tính toán, lựa chọn thông số trục các đăng
Dựa trên thông số kết cấu của trục khuấy và trục bánh răng, để đáp ứng mô men tác dụng lên trục khuấy M = 36,1 kNm, cần chọn trục các đăng với các thông số kỹ thuật như sau: đường kính trục các đăng là ỉ75 mm và chiều dài Lp0ữ760 mm.
Trên cơ sở các số liệu thiết kế, sử dụng phần mềm Inventor Professional 2018 xây dựng mô hình và phân tích và kiểm tra độ bền kết cấu
Mô phỏng quá trình chịu lực được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số với vật liệu có mô đun đàn hồi E = 215 MPa và hệ số Poisson 0,3 Phân tích được tiến hành theo phương pháp tính toán tĩnh (Static General).
Hình 5.9: Xây dựng mô hình và gán tải trọng
Hình 5.10: Kết quả tính toán ứng suất
Hình 5.11: Kết quả tính toán chuyển vị
Từ kết quả tính toán sử dụng bằng phần mềm cho thấy:
- Ứng lớn nhất là 185,4 MPa;
- Chuyển vị lớn nhất là 0,3 mm
Kết quả tính toán cho thấy kết cấu là đảm bảo độ bền
Trình bày tính toán thiết kế lựa chọn thông số trục, tính lực phân bổ lên trục, lựa chọn khớp nối, ổ lăn phù hợp
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Mục tiêu của nghiên cứu là thiết kế hệ thống máy rửa quặng nhằm ứng dụng trong khai thác khoáng sản tại Việt Nam Các kết quả chính của luận văn được tóm tắt như sau:
- Tìm hiểu và nghiên cứu các hệ thống máy rửa quặng bauxit
- Tính toán các thông số thiết kế và lựa chọn phương án thiết kế hệ dẫn động của máy rửa
- Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng của hệ dẫn động cho máy rửa
Tính toán thiết kế và lựa chọn chi tiết máy đỡ và nối trong hệ thống máy rửa quặng bauxit là rất quan trọng Các phân tích và kết quả nghiên cứu này cung cấp tài liệu tham khảo quý giá, hỗ trợ cho việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy rửa quặng tại Việt Nam.
Hướng phát triển của luận văn
Trong thời gian tới, tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện hồ sơ thiết kế hệ thống máy rửa quặng bauxit, nhằm đáp ứng yêu cầu hiện tại của đơn vị và nhu cầu thực tế.