Vít ép là chi tiết quan trọng dùng trong máy ép mùn cưa để tạo ra các thanh củi ép trước khi thiêu kết để tạo thành sản phẩm than không khói. Việc nghiên cứu để đưa ra biên dạng tối ưu của vít ép sẽ làm tăng thời gian làm việc của vít ép cũng như chất lượng của sản phẩm.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tối ưu hóa biên dạng vít ép dùng máy ép mùn cưa The optimization of pressed screw profile used in sawdust press machine Nguyễn Tuấn Linh*, Nguyễn Văn Tuân, Hoàng Xuân Khoa Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: tuanlinhck@gmail.com Mobile: 0902079537 Tóm tắt Từ khóa: Vít ép; Máy ép mùn cưa; Mịn; Biên dạng; Tối ưu hóa Vít ép chi tiết quan trọng dùng máy ép mùn cưa để tạo củi ép trước thiêu kết để tạo thành sản phẩm than khơng khói Trong thực tế sản xuất, chi tiết vít ép chịu ma sát nhiệt độ cao dẫn tới mòn nhanh (khoảng 50 đến 60 làm việc phải thay vít ép) Dạng mịn chi tiết vít ép thường gây sai lệch biên dạng dẫn tới không đạt suất chất lượng sản phẩm Chính vậy, việc nghiên cứu để đưa biên dạng tối ưu vít ép làm tăng thời gian làm việc vít ép chất lượng sản phẩm Abstract Keywords: Pressed screw; Sawdust press machine; Wear; Profile; Optimization Pressed screw is an important componentofsawdust press machines used to produce pressed wood sticks before sintering to form smokeless coal products In actual production, pressed screw components bear high friction and temperature, lead to very fast wear (about 50 to 60 working hours to replace a new one) The wear pattern for this pressed screw usually results in profile misalignment leading to a loss of productivity or product quality Therefore, the research on optimal profile will increase the working lifetime of the pressed screw and the quality of product Ngày nhận bài: 16/7/2018 Ngày nhận sửa: 07/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày chất lượng sống ngày nâng cao địi hỏi chất lượng lượng sử dụng sinh hoạt ngày cao Một nguồn lượng than dùng để sưởi ấm, than sử dụng ngành thực phẩm, đặc biệt dùng cho đồ nướng Than củi (hay gọi than hoa) ngày hạn chế sử dụng gây nhiễm môi trường nhiệt lượng loại không cao, thay vào than sản xuất theo công nghệ ép viên từ mùn cưa, dăm bào, vỏ chấu sau pha trộn thiêu kết để tạo thành sản phẩm than khơng khói, nhiệt lượng cao không gây ô nhiễm môi trường HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trong dây truyền công nghệ sản xuất than khơng khói, có giai đoạn dùng máy ép để tạo củi ép (viên nén) Trong đó, chi tiết vít ép chi tiết quan trọng dùng máy ép mùn cưa để tạo củi ép dài đến 500 mm, đường kính 45 đến 55 mm, chức vận chuyển vật liệu ép vật liệu thể tích rỗng lòng ép trục ép sau nhỏ Trong thực tế sản xuất, chi tiết vít ép chịu ma sát áp suất nhiệt độ cao dẫn tới mòn nhanh (khoảng 50 đến 60 làm việc phải thay vít ép) Dạng mịn chi tiết vít ép thường gây sai lệch biên dạng dẫn tới không đạt suất chất lượng sản phẩm Chính vậy, việc nghiên cứu để đưa biên dạng tối ưu vít ép làm tăng thời gian làm việc vít ép chất lượng sản phẩm TỐI ƯU HĨA BIÊN DẠNG VÍT ÉP THEO CHỈ TIÊU LÀM VIỆC 2.1 Cấu tạo vít ép Vít ép bao gồm phần có ren phần đầu hình Hình Vít ép (1- Phần ren làm việc, 2- Phần đầu định hình) Khi ngun liệu (mùn cưa, dăm bào, vỏ chấu…) qua phễu nạp liệu dẫn vào phần khe hở, số bước ren (vít dẫn 1) làm nhiệm vụ chuyển nguyên liệu đến phần ren ép (vít ép 2, bao gồm bước ren), phần ren nguyên liệu ép áp suất nhiệt độ cao để tạo liên kết, sau đùn qua khn để tạo hình thành viên nén Hình Nguyên lý ép máy ép mùn cưa (1- Vít dẫn, 2- Vít ép, 3- Buồng ép, 4- Khn) 2.2 Phân tích tiêu làm việc vít ép Các tiêu làm việc vít ép quan trọng thể tích ép, áp suất số tiêu khác Tuy nhiên hai tiêu thể tích ép áp suất nén định đến độ mịn vít ép Vậy vấn đề đặt cần thiết kế biên dạng vít ép cho tăng áp lực nhanh chóng vào vật liệu ép, HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 đảm bảo chuyển động theo phương dọc trục dòng nguyên liệu ma sát nguyên liệu với vít ép nhỏ a) Thể tích ép Giả thiết khơng gian biên dạng vít trước, biên dạng đáy biên dạng vít sau (hình 3) điền đầy vật liệu, thể tích phần khơng lượng ngun liệu vận chuyển qua đơn vị tiết diện dọc Hình Biên dạng vít ép (theo mặt cắt dọc) Giải thích thơng số hình 3: α1, α2 - góc trước góc sau; r1, r2 - bán kính lượn góc trước bán kính lượn góc sau; s - bước vít; e - chiều rộng đỉnh ren vít; h - chiều sâu biên dạng vít Gọi thể tích phần nguyên liệu điền đầy buồng ép V, ta tính tỷ số V theo cơng thức sau [3]: D3 V h h s i.e sin(1 ) h h h sin(1 ) (1 ) (1 ) D D3 D D s sin 1 sin 2 D D D sin 1.sin 2h r 1 cos (1) 2h r1 1 cos1 2 (180 ) (180 ) 360 360 D D D D sin sin r 10sin sin 2 r1 10sin 1 sin 21 2 (180 ) (180 D cos1 30 cos 30 D Với D đường kính ngồi vít ép; i số bước ren vít ép r r Trong trường hợp đặc biệt, α1 = α2 = , ta có: D D V h h s i.e (1 ) 1 D D D s D Do đó: V = .h.(D - h)(s – i.e) (2) (3) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Như vậy, thay đổi biên dạng thể tích theo phương dọc trục vít cách thay đổi thông số sau: - Thay đổi đường kính ngồi (tức làm vít hình nón); - Thay đổi chiều sâu biên dạng vít (lõi vít hình nón); - Thay đổi bước vít Các thơng số thay đổi lúc để đạt tỷ số nén hợp lý Tỷ lệ thể tích phần biên dạng vít thể tích nguyên liệu chuyển qua gọi tỷ số nén: k = V/Vi b) Áp suất nén Áp suất nén xác định theo công thức sau [3]: p p0 e A l d (4) Trong đó: p0 - áp suất ban đầu; l - chiều dài vít, l = p = p0; A - hệ số tỷ lệ: A fp h Dh tg p cos D D [cos f z sin tg p (sin f z cos )] D 2h fz 2f z Dh s i.e h (1 )sin cos cos tg z D s D (5) fp, fz - tương ứng hệ số ma sát nguyên liệu với khuôn hệ số ma sát nguyên liệu vít ép - góc ma sát Các góc αp, α0 αs - tương ứng góc biên dạng vít ép ứng với chiều dài .D, .(D – h) .(D- 2h) Hình Bước góc biên dạng vít ép HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Từ hình ta có: tg p tg tg s s D (6) s tg p h (D h) 1 D (7) s tg p 2h (D 2h) 1 D (8) 2.3 Tối ưu hóa biên dạng vít ép Quần thể ban đầu Hàm V Hàm p Hàm thích nghi Các ràng buộc Chọn lọc Lai ghép Đột biến S Số lần lặp Đ Thơng số tối ưu Hình Sơ đồ khối giải toán tối ưu GA Tối ưu hóa biên dạng vít ép theo hai tiêu thể tích ép áp suất nén, giả thiết coi biên dạng vít ép hàm mục tiêu phụ thuộc vào thể tích ép áp suất nén, thấy tăng thể tích buồng ép làm tăng suất lại làm giảm áp suất ngược lại tăng áp suất tạo liên kết tốt hạt nguyên liệu rời (tăng chất lượng sản phẩm) làm giảm thể tích tăng ma sát dẫn đến nhanh mịn vít ép, rõ ràng hai tiêu ngược chiều nhau, để đạt trị số thỏa mãn thể tích ép áp suất nén, ta đưa hai mục tiêu mong muốn cần đạt vào hàm M gọi hàm đa mục tiêu, theo phương pháp trọng số ta viết [2]: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 M w1 V p +w * Max * V p (9) Trong đó: w1, w2 trọng số, chúng thỏa mãn điều kiện: w1 + w2 = * (10) * V , p - giới hạn thể tích áp suất, xác định theo điều kiện làm việc thực tế vít ép: V* = 20000 mm3, p* = 113 Mpa [3] Xây dựng toán tối ưu ứng dụng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) [1], rong coi biến thiết kế X = [α1, α2, r1, r2, h]T = [x1, x2, x3, x4, x5]T quần thể ban đầu, hàm thích nghi hình hàm đa mục tiêu M KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Tiến hành lập trình phần mềm MATLAB với module Otimization Tool/Multiobjective optimization using Genetic Algorithm Các điều kiện biên lấy theo điều kiện làm việc thực tế vít ép: Đường kính ngồi vít ép D = 70 mm; đường kính vít ép d = 40 mm, chiều rộng đỉnh ren vít e = mm Ta có kết tương ứng với trường hợp biên dạng vít ép r r trường hợp , biên dạng vít ép trường hợp α1 = α2 = 90, Biên dạng vít ép D D r trường hợp α1 α2 hình 6, 7, D r r Trong trường hợp thứ (hình 6) áp suất tăng chậm nhất, nên áp lực D D phân bố khơng tồn biên dạng vít, dẫn đến tượng mịn cục ảnh hưởng đến điều kiện làm việc vít ép Trường hợp thứ hai (hình 7), áp suất tăng so với trường hợp thứ nhất, góc α2 = 90 nên trình vận chuyển nguyên liệu qua bước gặp khó khăn, làm tăng ma sát mà gây mịn phần biên dạng phía sau Trường hợp thứ (hình 8), áp suất tăng nhanh nhất, trình vận chuyển nguyên liệu qua bước thuận lợi trương hợp tối ưu so với trường hợp lại Hình Biên dạng vít ép trường hợp r1 r2 0 D D HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Biên dạng vít ép trường hợp α1 = α2 = 90 Hình Biên dạng vít ép trường hợp r α1 α2 D KẾT LUẬN Quá trình ép tạo hình viên nén máy ép mùn cưa q trình phức tạp, việc tính tốn tối ưu hóa biên dạng vít ép theo tiêu làm việc đảm bảo đạt suất chất lượng sản phẩm, giảm ma sát, tăng thời gian làm việc vít ép Đây yếu tố định đến việc làm giảm giá thành sản phẩm, gia tăng lợi nhuận doanh nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Thúc, 2001 Trí tuệ nhân tạo - Lập trình tiến hóa NXB Giáo dục [2] Jasbir S.Arora, 2012 Introduction to Optimum Design Elsevier Inc [3] MATÚŠ Miloš, (SK), 2011 Analysis of Tool Geometry for Screw Extrusion Machines International Conference Aplimat ... Hình Biên dạng vít ép trường hợp α1 = α2 = 90 Hình Biên dạng vít ép trường hợp r α1 α2 D KẾT LUẬN Quá trình ép tạo hình viên nén máy ép mùn cưa q trình phức tạp, việc tính tốn tối ưu hóa biên. .. 2.3 Tối ưu hóa biên dạng vít ép Quần thể ban đầu Hàm V Hàm p Hàm thích nghi Các ràng buộc Chọn lọc Lai ghép Đột biến S Số lần lặp Đ Thơng số tối ưu Hình Sơ đồ khối giải toán tối ưu GA Tối ưu hóa. .. viên nén Hình Nguyên lý ép máy ép mùn cưa (1- Vít dẫn, 2- Vít ép, 3- Buồng ép, 4- Khn) 2.2 Phân tích tiêu làm việc vít ép Các tiêu làm việc vít ép quan trọng thể tích ép, áp suất số tiêu khác