máy ép viên khuôn phẳng

Báo cáo tính toán thiết kế máy ép viên khuôn phẳng. Máy ép viên khuôn phẳng dùng để ép viên từ các phế liệu nông nghiệp. như bã sắn, lõi ngô, bã mía... Các sản phẩm viên có thể là nhiên liệu nấu hay thức ăn gia súc. Nội dung báo cáo gồm phần giới thiệu chung, phân loại máy ép viên, tính toán thiết kế khuôn và con lăn, tính toán hệ số ma sát, thiết kế 3D máy ép viên với phần mềm solid Edge.

Trang 1

Mục lục

Mục lục 1

Chương I.Giới thiệu chung 2

Chương II.Phân loại máy ép viên 6

Máy ép khuôn phẳng: 6

Máy ép khuôn vành: 8

Chương III.Tính toán thiết kế khuôn và con lăn 9

1.Thiết kế khuôn: 10

a.Lỗ ép: 12

b.Các kích thước khuôn ép 13

2 Thiết kế Con lăn: 13

a.Vận tốc góc & vận tốc dài 13

b.Lực tác dụng lên khối vật liệu trong lỗ ép: 14

c.Kích thước con lăn 16

Lưu đồ tính toán: 17

Chương IV.Hệ số ma sat và phương pháp đo 18

a.Lý thuyết đo hệ số ma sat: 18

b.Phương pháp đo hệ số ma sat: 19

Chương V.Thiết kế và mô phỏng máy ép khuôn phẳng 20

1.Thiết kế chi tiết (Part design) 20

2.Lắp ráp (Assembly Design) 22

3.Mô phỏng 23

Tài liệu tham khảo: 24

1

Trang 2

Chương I.Giới thiệu chung

Sự cần thiết của việc ép viên

Hiện nay đất nước ta ngày càng đổi mới, nền kinh tế đã có những thành tựu to lớn và nổi bật Với những thành tựu ấy, không thể không kể đến những đóng góp của ngành nông nghiệp

Ngày nay việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất, chế tạo là rất quan trọng và không còn mới lạ, nhưng làm thế nào để các ứng dụng khoa học đó có thể đi vào thực tế, giúp cho người nông dân giảm được sức lao động

và tăng năng suất thì vẫn còn là một vấn đề thời sự Đặc biệt trong lĩnh vực máy chế biến thực phẩm, loại máy giúp chế biến các loại sản phẩm nông

nghiệp sau thu hoạch, làm đầu vào cho các khâu chế biến tiếp theo Sản phẩm

có được chế biến tốt thì mới có chất lượng tốt và nâng cao được giá trị, có khả năng thâm nhập vào cả những thị trường khó tính như xuất khẩu, qua đó có thể cải thiện và nâng cao được đời sống của người nông dân

Trong sản xuất nông nghiệp, có nhiều loại phụ phế liệu có thể được tái

sử dụng như rơm, rạ, vỏ trấu, vỏ lạc .Tuy nhiên những loại phụ phế liệu này chưa được tận dụng vì nói chung chúng thường tồn tại dưới dạng bột, sinh khối kèm theo các nhược điểm là kích cỡ không đồng đều, tỷ trọng nhỏ, chiếm

nhiều diện tích, năng lượng thấp, độ ẩm cao (có thể lên đến 80%), chi phí vận chuyển lớn Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách chế tạo viên ép Vì vậy nhu cầu chế tạo viên ép từ các phụ phế liệu ngày càng lớn đối với nền nông nghiệp trong nước cũng như trên thế giới

Nhận thức được tầm quan trọng của công việc này và được sự giúp đỡ của PGS TS Đinh Văn Phong –Trưởng bộ môn Cơ Ứng Dụng trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và TS Nguyễn Tường Vân - Viện Trưởng Viện Máy Nông Nghiệp RIAM, em đã mạnh dạn tìm hiểu, nghiên cứu, thết kế và mô phỏng máy ép viên khuôn phẳng

Trang 3

Các đặc điểm của viên ép:

Viên ép có dạng khối rắn với chất lượng phù hợp, độ ẩm thấp, năng lượng cao, có mật độ , kích thước và hình dạng viên đồng nhất

Ưu điểm của viên ép:

- Thể tích thu gọn đáng kể (5 ÷ 8 lần) nên rất thuận tiện cho việc bảo quản

và giúp giảm chi phí vận chuyển

- Viên nhiên liệu có nguồn gốc thực vật, không có chất phụ gia nên là nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường, góp phần cân bằng lượng CO2 trong khí quyển

- Viên nhiên liệu tiện cho việc cơ giới hóa, tự động hóa các lò đốt

- Nhiệt trị của các viên nhiên liệu đạt khá cao (từ 3.800 đến 4.500

kCal/kg) nên có thể thay thế được than với giá rẻ hơn từ 40 ÷ 50%

Điểm yếu của các dạng nhiên liệu dạng bột, lại là điểm mạnh của viên ép vì vậy những nhược điểm này có thể được giảm bớt hoặc thậm chí loại bỏ hoàn toàn bằng cách sử dụng nhiên liệu dạng viên

Những phụ, phế liệu nông nghiệp có thể biến thành viên nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường bằng công nghệ và thiết bị, phục vụ đa mục đích kể

cả xuất khẩu như:

Trang 4

+Chất thải công nghiệp: Những chất thải rắn trong công nghiệp và sinh hoạt cũng có thể chế biến thành viên nhiên liệu thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch ở chính cơ sở tạo ra chúng, góp phần bảo vệ môi trường, hạn chế chôn lấp, tăng hiệu quả sản xuất kinh doanh như:

- Phế thải ngành da giầy

- Phế thải nhà máy giấy

Hình 1.1.Phế liệu dạng bột

Trang 5

Quy trình sản suất viên ép:

Nguyên liệu dạng bột được sấy, nghiền, xử lý vật lý trước khi được cấp vào máy ép, quá trình ép giúp chuyển các nguyên liệu từ dạng bột thành dạng viên ép Khi các viên ép vừa được đẩy ra khỏi máy có nhiệt độ cao, cần được làm nguội trước khi đem vào sử dụng

Chi phí sản xuất:

Việc ép viên phụ phế liệu nông nghiệp đã được nghiên cứu, thí nghiệm và đưa vào sản xuất ở nhiều nơi trên thế giới Năm 2006 khoa hóa sinh trường đại học Anh-Columbia (University of British Columbia) đã thí nghiệm & xây dựng mô hình sản xuất viên ép mùn cưa Mô hình bao gồm

+Khối lượng mùn cưa 25 tấn

nguội Sản phẩm

Trang 6

Chương II.Phân loại máy ép viên

Dựa vào hình dáng, kích cỡ và kết cấu các loại máy ép viên hiện nay trên thế

giới có thể chia ra 2 loại : máy ép khuôn phẳng và máy ép khuôn vành.

Máy ép khuôn phẳng còn được gọi là máy ép viên loại nhỏ vì chúng thường được sử dụng trong sản xuất nhỏ lẻ Trái lại máy ép khuôn vành được ưa

chuộng hơn khi cần sản xuất hàng loạt lớn

Máy ép khuôn phẳng:

Máy ép khuôn phẳng được thiết kế khoảng đầu thế kỉ 20 để sản xuất thức ăn cho gia súc Kích thước của máy ép khuôn phẳng nói chung khá nhỏ gọn so với máy ép khuôn vành nhờ kết cấu điều hành đơn giản Vì vậy thiết kế máy ép khuôn phẳng được sử dụng nhiều hơn cho các loại máy ép viên nhỏ Bộ phận làm việc của máy ép khuôn phẳng gồm 2 thành phần chính: khuôn và con lăn Khi máy làm việc luôn có chuyển động tương đối giữa khuôn và con lăn

( khuôn quay thì con lăn cố định, ngược lại khuôn cố định thì con lăn quay) Vật liệu ép (được cấp từ trên xuống qua phễu nạp liệu) sẽ được nén 1 cách tự nhiên thành dạng viên ép hình trụ thông qua các lỗ trên khuôn

Ưu điểm của máy ép khuôn phẳng:

+Kết cấu đơn giản, dễ sử dụng, vận hành

+Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ nên không chiếm nhiều diện tích và dễ dàng di chuyển cũng như lau chùi, bảo dưỡng

+Nhờ ưu thế kết cấu đơn giản mà ngày nay người ta có thể chế tạo sao cho có thể nhìn trực tiếp vào buồng ép khi máy đang làm việc Vì vậy người sử dụng

có thể phát hiện và khắc phục các vấn đề phát sinh trong quá trình ép một cách

dễ dàng và nhanh chóng

Nhược điểm:

+Con lăn nhanh bị mòn trong quá trình làm việc

Trang 7

+Lực ép phân bố không đồng đều trên toàn bộ diện tích khuôn, càng xa tâm

khuôn lực ép càng giảm dẫn đến chất lượng sản phẩm không đồng đều Tuy

nhiên nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách chế tạo con lăn dạng côn

Hình 2.1.Thiết kế của máy ép khuôn phẳng Hình 2.2 Máy ép khuôn phẳng

Trang 8

Máy ép khuôn vành:

Là một trong hai kiểu thiết kế phổ biến của máy ép viên , thiết kế máy ép khuôn vành bắt đầu phát triển những năm 1950 Khác với máy ép khuôn phẳng, máy ép khuôn vành luôn được sử dụng để sản xuất viên gỗ hàng loạt lớn hoặc hàng khối Máy ép khuôn vành không phổ biến như máy ép khuôn phẳng vì giá cao và kết cấu phức tạp, nhưng nó có lợi thế vượt trội so với máy

ép khuôn phẳng trong sản xuất viên gỗ hàng loạt lớn Bộ phận làm việc của máy ép khuôn vành bao gồm khuôn ép hình vành khăn được đặt thẳng đứng và các con lăn được đặt phía trong của mặt khuôn Nói cách khác các con lăn là một phần của khuôn Khi làm việc khuôn quay, các con lăn được cố định sẽ chuyển động theo nhờ ma sat giữa các bề mặt tiếp xúc Một ống nạp liệu được

sử dụng để cấp vật liệu ép từ bộ phận trộn vào cửa khuôn Hầu hết các loại máy ép viên khuôn vành chỉ có 2 con lăn, tuy nhiên cũng có 1 vài máy có thể thiết kế 3 hoặc 4 con lăn

Ưu điểm:

+Hao mòn sinh ra khi làm việc ít hơn so với máy ép khuôn phẳng

+Lực ép phân bố đều trên bề mặt làm việc nên đảm bảo chất lượng viên ép đồng đều

+Có lợi về năng lượng: khi làm việc có hiện tượng trượt giữa con lăn với

khuôn, làm tăng ma sat và nhiệt cho quá trình ép, điều này sẽ giúp viên ép có chất lượng tốt hơn

Trang 9

Hình 2.3.Thiết kế máy ép khuôn vành

Hình 2.4.Máy ép khuôn vành

Chương III.Tính toán thiết kế khuôn và con lăn

Trong quá trình sản xuất viên ép, chất lượng viên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như

biến thiên nhiệt độ, độ ẩm vật liệu ép, loại vật liệu chế tạo khuôn và con lăn, loại

vật liệu ép Trong tài liệu này để đơn giản quá trình tính toán, yếu tố độ ẩm và

nhiệt độ sẽ không được xét đến ( coi như lý tưởng và không đổi).

Bộ phận truyền động máy ép khuôn phẳng khá đơn giản

Hình 3.1 thể hiện kết cấu thường thấy

của loại máy ép này

Phần tính toán hộp giảm tốc và động cơ

sẽ không thực hiện trong báo cáo này

9

Khuôn ép

Con

lăn

Viên ép

Nguyên liệu thô dạng bột

Bộ phận trộn

Hình 3 1

Trang 10

1.Thiết kế khuôn:

Khuôn phẳng (hình 3.2) có cấu tạo đơn giản nhưng chất lượng khuôn ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng sản phẩm ép Để tạo ra các lỗ ép trên khuôn thường phải dùng các loại máy khoan nòng sùng ( gun drilling machine) vì

tỷ lệ L/d lớn Để đảm bảo độ nhám bề mặt thành lỗ, sau khi khoan phải làm nguội khuôn trong môi trường chân không để tránh oxy hóa Vì vậy giá thành của khuôn ép chất lượng tốt rất cao Có thể chiếm đến 1/3 ÷ 1/2 tổng giá trị cuả cả máy

Trang 12

Hình 3 2

a.Lỗ ép:

Khi máy ép viên mới ra đời lỗ ép trên khuôn được

thiết kế có hình trụ trơn Sau một thời gian nghiên

cứu và phát triển, hiện nay lỗ ép được cải tiến có

hình dạng như hình 3.1

Lỗ ép có 3 phần:

-Miệng lỗ: hình côn, phần tiếp nhận vật liệu vào lỗ

-Thân lỗ: hình trụ , đây là phần làm việc của lỗ, tạo

hình cho viên ép Đường kính d của thân lỗ chính là

đường kính của viên ép vì vậy đường kính này do

yêu cầu và không thể thay đổi Chiều dài l của thân

lỗ là một nhân tố quan trọng, đóng vai trò quyết định

chất lượng của viên ép l/d càng cao thì ma sat sinh

ra khi làm việc càng lớn, chất lượng viên ép càng

cao

-Đáy lỗ: hình trụ, có đường kính d1> d Đáy lỗ là phần không làm việc Sau khi viên ép đi hết chiều dài thân lỗ nếu không có phần đáy lỗ viên ép dễ gãy,

vỡ do hiện tượng giãn nở nhiệt

Đường kính miệng lỗ, thân lỗ, đáy lỗ lần lượt là dc, d, d1

Trong những tham số trên thì d,dc và l là 3 tham số quan trong nhất.Thông qua thực nghiệm để đạt được sự cân bằng giữa chất lượng viên và năng suất

Hình 3.3 Lỗ ép

Trang 13

Tổng chiều dài lỗ lấy xấp xỉ L= 2l (1.2)

Các lỗ được phân bố đều trên khuôn, và được đặt gần nhau Trên 1 khuôn

ép có thể có khoảng vài nghìn lỗ

ép

b.Các kích thước khuôn ép

có đường kính ngoài D, đường

kính trong Dt vàChiều dày B

(B=L)

Gọi số lỗ trên khuôn x

Diện tích của khuôn:

Vậy đường kính ngoài của khuôn

được xác định bằng công thức:

2 Thiết kế Con lăn:

a.Vận tốc góc & vận tốc dài

Khối lượng riêng của viên ép :

Với m: khối lượng 1 viên, V: thể tích của 1 viên với lp là chiều dài viên

13

Hình 3 4

Trang 14

 (2.1)

 Gọi ∆l là chiều dày lớp vật liệu được cấp vào thân lỗ mỗi lần con lăn chạy qua miệng lỗ với h là khoảng cách giữa con lăn và khuôn ép, Sc là diện tích miệng lỗ, S là diện tích thân lỗ

 Vậy để cấp đủ số vật liệu tương ứng với chiều dài của 1 viên ép thì 1 con lăn phải chạy qua miệng lỗ y lần và có 2 con lăn làm việc  mỗi vòng có 2 lượt vật liệu được cấp vào thân lỗ  Trục 2 phải quay y/2 vòng để cho ra 1 viên ép/lỗ có x lỗ trên khuôn x viên cho cả khuôn  số vòng cần thiết để tạo thành 1 viên ép là j=y/2x (vòng/viên)

b.Lực tác dụng lên khối vật liệu trong lỗ ép:

Coi khối vật liệu trong 1 lỗ ép là 1 chất điểm, chịu lực tác dụng từ con lăn là

Fr hướng từ trên xuống, và lực ma sat Fms ngược chiều Fr sinh ra cản lại chuyển động đi xuống của khối vật liệu

Trang 15

Áp dụng định lý động lượng cho khối vật liệu

mv = (Fr – Fms)tm: khối lượng của khối vật liệu trong lỗv: vận tốc

t:thời gian khối vật liệu đi hết quãng đường l

Fr= Fms + ml/t2 (2.6)

m = ρlπd2/4 (2.7)

(2.8)

Fms=F0.k với k là hệ số ma sat giữa vật liệu và thành khuôn Hệ số ma sat k ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, cách đo hệ số ma sat ở chương sau

F0 là áp lực giữa vật liệu và thành khuôn

Trang 16

c.Kích thước con lăn

Dr

Hình 3.6 Kích thước con lăn

2 con lăn đc lắp trên trục Có chiều dài Lr=(D - Dt)/2 (2.11) và đường kính

Dr

Nguyên liệu ép liên tục được cấp từ trên xuống & bám vào bề mặt con lăn

Do chuyển động quay của trục 2 từng lớp nguyên liệu bị ép vào các lỗ ép

Áp suất lớn được sinh ra do lực ép và ma sat Áp suất này giúp nén chặt các hạt nguyên liệu lại với nhau Quá trình này làm những viên ép bị đẩy ra khỏi khuôn

Lực ép sinh ra từ con lăn Fr cũng đồng thời là lực ly tâm vậy

Khối lượng riêng của con lăn:

Vậy đường kính con lăn đc xác định:

Trang 17

Đường kính D: công thức (1.4)

Số lỗ x tự chọn (1000÷3000) Chiều dày B = L

Con lăn:

Vận tốc góc : công thức (2.6) Lực F r : công thức (2.10)

Chiều dài L r : công thức (2.11) Đường kính con lăn D r : công thức (2.13)

Hệ số ma sat k ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, phương pháp đo k được nêu ở chương IV

Trang 18

Chương IV.Hệ số ma sat và phương pháp đo

Hệ số ma sat k giữa vật liệu và thành khuôn ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: Độ ẩm, nhiệt độ khuôn, độ nhám bề mặt lỗ, vật liệu ép Vì vậy đối với mỗi loại vật liệu ở những điều kiện khác nhau sẽ cho hệ số ma sat khác nhau Để xác định chín xác hệ số này cho từng loại vật liệu và trong những điều kiện khác nhau ta phải tiến hành đo một cách cụ thể

a.Lý thuyết đo hệ số ma sat:

Coi lớp vật liệu là chât điểm có khối

lượng m Đặt trên mặt phẳng nghiêng như

hình vẽ

Trọng lực tác dụng lên lớp vật liệu là P

được phân tích thành 2 thành phần P1 và

P2 như hình

Lực ma sat sinh ra cản lại chuyển động trượt của lớp vật liệu có giá trị

Để lớp vật liệu có thể trượt trên mặt nghiêng thì P1>P1min=

Trang 19

b.Phương pháp đo hệ số ma sat:

Như đã trình bày ở phần a, hệ số ma sat giữa vật liệu ép và khuôn chính là tgα Vậy để tìm k ta chỉ cần tìm được giá trị góc α0 khi vật liệu bắt đầu trượt trên bề mặt nghiêng

Trong thực tế để đo k ta có thể làm như sau:

+1 quả cân có khối lượng m

+Bề mặt cùng loại vật liệu chế tạo khuôn, có thể quay như khớp bản lề

+Thước đo góc

Tiến hành đo:

+Ở đáy quả cân dính 1 lớp vật liệu ép thật mỏng và đều, có thể sử dụng băng dính hai mặt đặt lên bề mặt và từ từ nâng dần góc α cho đến khi α = α0,

quả cân bắt đầu trượt trên mặt phẳng nghiêng

+Dùng thước đo góc đo giá trị α0 Giá trị tg α0 chính là giá trị k cần tìm cho vật liệu ép

+Để đảm bảo độ chính xác có thể lặp lại phép đo cho cùng 1 loại vật liệu ép

từ 3 đến 5 lần và lấy giá trị trung bình

19

Trang 20