Dụng cụ để xác định lực ép là máy kéo nén, khuôn tạo hình sản phẩm:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 32
Hình 2.2: Khuôn tạo hình sản phẩm
Lực ép cần thiết được xác định theo công thức
p = PF (2.1)
Trong đó:
- p là áp suất ép, N/mm2 ; - P là lực ép, N;
- F là diện tích ép, mm2.
Sau khi thí nghiệm đưa ra lực ép cần thiết ta giữ nguyên lực ép và tỷ lệ các chất phụ gia ta tiến hành thí nghiệm xác định vận tốc ép.
2.3.2 Phương pháp tính toán dựa trên các số liệu thực nghiệm
2.3.2.1. Bước vít và vận tốc di chuyển của vật liệu:
- Căn cứ vào kết quả khảo sát mối quan hệ giữa vận tốc di chuyển theo chiều dọc trục và chiều dài vít xoắn, để vận tốc chuyển động của nguyên liệu trong bộ phận ép liên tục và chậm dần đều về phía đầu tạo hình, bước xoắn vít S và vận tốc di chuyển của vật liệu được tính theo công thức sau:
v =S.ntv (2.2)
Trong đó:
S – Bước vít, mm
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 33
2.3.2.2. Bán kính ngoài và bán kính trong của vít xoắn:
Thể tích vùng cấp liệu:
Vcấp= (0,8÷0,9) . (R²v - r²v)π . L2 c (2.3) Trong đó:
Rv – Bán kính ngoài của vít xoắn, m rv - Bán kính trong của vít xoắn, m
Năng suất vận chuyển vật liệu của vít xoắn trong vùng cấp liệu:
Qc = Vcấp.3600.γ (2.4)
Trong đó:
γ – khối lượng riêng của than trấu (γ = 83 kg/m³)
2.3.2.3. Góc nâng α trên mỗi bước vít:
Ta có: tgα = RS
v (2.5)
2.3.2.4. Lực ép trên các bước vít
Từ kết quả của thí nghiệm ta biết áp lưc ép cần thiết để than trấu tạo thành viên. => Lực ép trên vòng vít 7 là: P7 = p.Fc (2.6) Mà Fc = π.(R2 – r2) = 12,83.103mm2; Mặt khác ta có :P6 = S7S.P7 6 = 16.103 N Trong đó : P6 - Lực ép trên vòng vít thứ 6 P7 – Lực ép trên vòng vít thứ 7 S6 – Bước vít của vòng vít 6 S7 – Bước vít của vòng vít 7
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 34
2.3.2.5 Mô men xoắn của trục vít
Ta có công thức tính mô men xoắn của trục vít như sau:
Mx = M1 + M2 + M3 + M4 + M5 + M6 + M7 (2.7) Trong đó:
M1 – Mô men xoắn trên vòng vít 1 M2 – Mô men xoắn trên vòng vít 2 M3 – Mô men xoắn trên vòng vít 3 M4 – Mô men xoắn trên vòng vít 4 M5 – Mô men xoắn trên vòng vít 5 M6 – Mô men xoắn trên vòng vít 6 M7 – Mô men xoắn trên vòng vít 7
Ta có công thức tính mô men trên các vòng vít như sau:
Mx= T. Rtb (2.8)
Trong đó:T – Lực vòng trên cánh vít
Rtb – Bán kính trung bình của cánh vít xoắn - Lực vòng trên cánh vít ta xác định được qua công thức:
T= tgαP (2.9)
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 35 Như vậy ta có bảng lực vòng và Mô men xoắn trên các vòng vít:
e.Công suất của động cơ:
Ta có:
Mx = 9,55.103.Nn lt (2.10)
Trong đó :
Mx - Mômen xoắn trục vít (N.m)
Nlt - Công suất lý thuyết của động cơ , kW n - số vòng quay trục vít (vg/ph)
2.3.3 Phương pháp xác định chất lượng của sản phẩm ép
- Lực phá vỡ:
Thí nghiệm: Tác dụng lực lên sản phẩm trong thời gian t, quan sát và đưa ra đánh giá.
- Độ tan trong nước:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 36
Chương 3
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Nội dung chương này chúng tôi xin trình bày về các vấn đề sau:
• Lựa chọn mô hình và nguyên lý làm việc
• Cơ sở lý thuyết của quá trình đùn ép
• Cơ sở lý thuyết
• Thí nghiệm xác định một số thông số
• Tính toán một số thông số của máy ép
• Đầu ép tạo hình sản phẩm
• Thiết kế, chế tạo máy ép viên than hoạt tính
3.1. Lựa chọn mô hình và nguyên lý làm việc
-Qua nghiên cứu tổng quan, mô hình mà học viên lựa chọn để nghiên cứu là máy ép đùn dùng trục vít đùn. Máy ép dùng trục vít đùn có những ưu điểm sau: làm việc liên tục, với áp suất tăng dần khi các bước vít giảm dần và có sơ đồ làm việc như hình vẽ sau:
1 2 3 4 5 6 Lc Le Hình 3.1: Sơđồ máy ép đùn dùng trục vít đùn 1. Động cơ 2. Bộ phận truyền động 3. Phễu cấp liệu 4. Trục vít 5. Đầu ép tạo hình 6. Khung máy
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 37 - Nguyên lý làm việc của máy ép trục vít đùn: máy ép trục vít là loại máy ép làm việc liên tục, có thể sử dụng cho nhiều loại nhiên liệu khác nhau. Bộ phận làm việc chính của máy là trục vít có bước vít nhỏ dần hay đường kính trục lớn dần quay trong xi lanh nằm ngang. Nguyên liệu ép khi di chuyển theo trục ép chịu áp suất tăng dần. Sự ép xảy ra do khe hở giữa xi lanh và bước vít giảm dần.
3.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình đùn ép
Ép đùn vật liệu là một quá trình phức tạp, gồm rất nhiều yếu tố. Mỗi yếu tố tác động đến quá trình ép khác nhau và mang đặc trưng khác nhau. Ở đây ta chỉ xét các yếu tố chính trong quá trình ép đó là: hệ số lèn chặt β, hệ số rỗng ε, áp suất ép P (kG/m3), hệ số ma sát f, chiều cáo bánh ép h (cm), năng suất lý thuyết của máy ép Qlt (kg/h), công suất yêu cầu của máy N(Kw), đường kính trục vít (đường kính trong, ngoài), bước vít,
Áp suất ép phụ thuộc và rất nhiều yếu tố: nhiệt độ, hệ số ma sát, chiều cao bánh ép… đặc biệt là chiều cao của bánh ép.
Nó được thể hiện bởi đồ thị sau:
p(KG/cm )2 O (cm) 130 90 30 30 90 130
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 38 Đối với máy ép bằng trục vít đùn thì sự phụ thuộc của áp suất vào chiều dài trục vít đùn.
3.3 Cơ sở lý thuyết
3.3.1. Mô hình quá trình ép trấu, than trấu
Ép than trấu là quá trình cơ học phức tạp diễn ra trong bộ phận ép. Tuy nhiên có thể mô phỏng quy luật biến đổi các thông số trong quá trình ép bằng tính toán học dựa trên các quy luật thay đổi áp suất và vận tốc chuyển động của vật liệu, qua đó có thể xác định được một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc nhằm định hướng cho việc thiết kế.
Ép đùn vật liệu là một quá trình phức tạp, gồm rất nhiều yếu tố. Mỗi yếu tố tác động đến quá trình ép khác nhau và mang đặc trưng khác nhau. Ở đây ta chỉ xét các yếu tố chính trong quá trình ép đó là: hệ số lèn chặt β,
hệ số rỗng ε, áp suất ép P (kG/m3), hệ số ma sát f, chiều cao bánh ép h (cm), năng suất lý thuyết của máy ép Qlt (kg/h), công suất yêu cầu của máy N (Kw).
Áp suất ép phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: nhiệt độ, hệ số ma sát, chiều cao bánh ép, … đặc biệt chiều cao của bánh ép nó được thể hiện bởi đồ thị hình 3.2.
Ép là quá trình tách pha lỏng (nước) ra khỏi hỗn hợp hai pha lỏng- rắn (nước-than trấu). Có thể chia quá trình ép trong bộ phận ép thành hai vùng có chức năng khác nhau : Lc là chiều dài vùng cấp liệu và Le là chiều dài vùng ép.
Vùng cấp liệu là vùng tiếp nhận vật liệu đưa vào bộ phận ép. Quá trình chuyển động của vật liệu trong vùng này diễn ra giống như trong vít vận chuyển, vật liệu được tự do chuyển động, các lớp vật liệu tiến lại gần nhau, mật độ tăng dần nhưng tạo ra áp suất không đáng kể. Chiều dài vùng cấp liệu Lc là thông số phụ thuộc vào số vòng vít xoắn, bước vít xoắn, tốc độ quay của vít xoắn, hệ số thể tích nạp liệu…
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 39 Vùng ép là vùng công nghệ thực hiện quá trình nén ép vật liệu.Khác với vùng cấp liệu thì áp suất ép tăng dần, đồng thời vận tốc ép vật liệu cũng giảm dần theo chiều dọc trục. Như vậy. chiều dài vùng ép Le là thông số phụ thuộc vào số vòng vít xoắn, bước vít xoắn, độ côn của vít xoắn,… Các thông số sẽ được lựa chọn khi mô phỏng quá trình ép sao cho pha rắn ( than trấu) di chuyển đến mặt cắt cuối cùng của vùng ép nhận được áp suất lớn nhất.
3.3.2. Quy luật chuyển động của vật liệu trong bộ phận ép * Lượng cấp liệu * Lượng cấp liệu
Theo nguyên lý kết cấu của máy, mặt ngoài của vít xoắn có dạng trụ, máng vít cũng có dạng hình trụ. Quá trình dịch chuyển vật liệu trong máng vít xoắn cũng tương tự như quá trình vận chuyển vật liệu của vít tải ( Trần Như Khuyên, 2007) [11]. Để đảm bảo quá trình nạp liệu được liên tục từ việc trộn hỗn hợp sang bộ phận ép, năng suất vận chuyển tính theo lý thuyết Qlt của vít xoắn ở vùng cấp liệu phải bằng năng suất của bộ phận trộn Qtrộn.
Qlt = π.(R2v - r2v)
60 .S.n. γ (kg/h) (3.1)
Trong đó :
Rv , rv- bán kính ngoài và trong của vít xoắn, m; S- bước vít xoắn, m;
n - tốc độ quay của vít xoắn, vg/ph; γ - khối lượng riêng của vật liệu, kg/m3;
Tuy nhiên khi vít xoắn quay thì vật liệu có thể quay theo và vận tốc góc của vật ωvl có thể dao động trong giới hạn 0 ≤ ωvl≤ ω ( ω vận tốc góc của vít xoắn).
Nếu vận tốc góc của vât liệu ɷvl = 0 thì năng suất thực tế Qc của vít xoắn ở vùng cấp liệu bằng năng suất lý thuyết Qlt:
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 40 Qc = Qlt (3.2) Nếu như vật liệu quay cùng với vít xoắn với vận tốc ωvl = ω thì năng suất thực tế của vít xoắn Qc=0 vì không có sự dịch chuyển dọc trục.
Nếu 0 < ωvl < ω thì vật liệu có vận tốc quay trung bình khác với vận tốc quay của vít xoắn, khi đó năng suất của vít xoắn được tính theo công thức (Xokolov A.Ia,1976) [12], (Cokoπ A.Я, 1960) [28]:
Qc = Qb.ηnc (3.3)
Trong đó :
ηnc - hệ số thể tích nạp liệu: ηnc = 1 - ωvl
ω (3.4)
Từ các kết quả trên cho thấy, khi thiết kế chế tạo vít xoắn cần chú ý một số đặc điểm sau:
Để nâng cao năng suất cần phải giảm chuyển động quay của vật liệu theo vít xoắn, nghĩa là hình dạng và tính chất bề mặt của vít xoắn phải đảm bảo sự liên kết nhỏ nhất với sản phẩm.
Bề mặt trong của máng vít hãm được sản phẩm quay, nhưng ma sát theo chiều dọc trục phải nhỏ không cản trở sự di chuyển theo phương dọc trục của vật liệu.
Vì vậy cần phải gia công vít xoắn có độ nhẵn bóng cao, buồng vít có thể tạo các gờ theo hướng dọc trục để hạn chế chuyển động quay của vật liệu theo vít xoắn nhưng không cản trở chuyển động dọc trục của vật liệu (Trần Thị Nhị Hường, Nguyễn Đại Thành, 1995) [2], (John A.C., 1990) [13].
* Vận tốc của vật liệu trong vùng cấp liệu
Sự chuyển động của vật liệu trong vùng cấp liệu bao gồm chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến theo phương dọc trục. Để xác định các thành phần vận tốc của vật liệu, ta xét một phần tử vật liệu M tại điểm A nằm trên bán kính trung bình của vít xoắn. Nếu cắt mặt trụ đó có điểm A
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 41 chuyển động dọc theo đường sinh rồi trải phẳng ra thì đường xoắn vít sẽ trở thành những đường thẳng nghiêng với mặt cắt ngang trục vít xoắn một góc α (gọi là góc nâng cánh vít), ta được đa giác vận tốc biểu diễn sự dịch chuyển của vật liệu trong vùng cấp liệu. Như hình vẽ
Hình 3.3: Đa giác vận tốc biểu diễn sự dịch chuyển của vật liệu trong vùng cấp liệu
Như đã phân tích ở trên, quá trình dịch chuyển vật liệu trong buồng ép giống như quá trình dịch chuyển từng lớp dọc theo cánh vít, nhanh hay chậm phụ thuộc vào bước vít S, dạng vít xoắn. Do có thê giả thuyết rằng, trong quá trình dịch chuyển không có quá trình xáo trộn giữa các lớp trên cánh vít, khi đó quỹ đạo chuyển động của các phần tử mỗi vật liệu trên đường vít là chuyển động phức tạp, bao gồm:
- Chuyển động quay tương đối của vật liệu quanh trục vít xoắn với vận tóc góc ωvl:
ωvl = ω- ωqc (3.5)
Trong đó:
ωqc- vận tốc của vật liệu so với máng vít, s-1, ω- vận tốc góc của vít xoắn, s-1.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 42 Nếu bước vít không đổi, thì mọi điểm của vật liệu trong rãnh vít xoắn sẽ có quỹ đạo đường xoắn ốc. Vận tốc chuyển động vM của vật liệu tại điểm A trên bề mặt của cánh vít, cách đường tâm trục vít xoắn một khoảng Rtbc sẽ gồm vận tốc tịnh tiến theo chiều trục vnc và vận tốc tiếp tuyến vqc=Rtbc. ωqc vuông góc với trục của vít xoắn do chuyển động quay tạo ra, do đó:
vnc = v2M - v2qc = v2M - R2tbc.ω2
qc (3.6)
Giả sử phần tử vật liệu M tại vị trí bán kính trung bình Rbc di chuyển từ điểm A tới A3. Từ điểm A vẽ đoạn thẳng AA2 vuông góc với đường tâm của vít xoắn biểu diễn vận tốc vòng của vít xoắn, từ A2 vẽ đoạn thẳng biểu diễn với vận tốc trên trượt trên cánh vít khi không có trượt quay AA0 và khi có trượt quay AA3 một góc α (góc nâng cánh vít), từ các điểm A0,A3 dựng đoạn thẳng vuông góc với AA2 ta được đoạn thẳng A1A3 và AA0 biểu diễn với vận tốc dọc trục của vật liệu, trong đó:
AA3=vM biểu diễn vận tốc tuyệt đối chất điểm vật liệu M (gọi tắt là vận tốc tuyệt đối của vật liệu);
AA2=v biểu diễn vận tốc vòng của vít xoắn v=Rtb.ω;
A2A3=vt biểu diễn vận tốc trượt của vật liệu trên rãnh vít khi có trượt quay;
A2A0=v0 biểu diễn vận tốc trượt dài của vật liệu trên rãnh vít khi không có trượt quay;
AA1=vqc biểu diễn vận tốc vòng của vật liệu so với vít xoắn.
AA0= vno biểu diễn vận tốc dọc trục của vật liệu khi không có trượt quay.
A1A2=vvlc biểu diễn vận tốc vòng của vật liệu so với vít xoắn. A1A3=vnc biểu diễn vận tốc dọc trục của vật liệu khi có trượt quay.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn Thạc sỹ Khoa học Kỹ thuật Page 43 Từ đa giác vận tốc ta có thể xác định được vận tốc của vật liệu khi không có trượt quay và có trượt quay như sau:
- Khi không có trượt quay, vận tốc dọc trục của vật liệu được xác định theo công thức:
vno = Qc
3600. γ.Fc (3.7)
Trong đó:
vno -vận tốc dọc trục của vật liệu khi không có trượt quay,m/s; γ -khối lượng riêng của vật liệu, kg/m3;
Qc- năng suất vận chuyển vật liệu của vít xoắn trong vùng cấp liệu,kg/h;
Fc-diện tích tiết diện ngang của vật liệu trong vùng cấp liệu,m2;
- Khi có trượt quay, vận tốc dọc trục của vật liệu được xác định từ đồ thị tam giác vận tốc A1A2A3:
vnc=vvlc.tgα=(v-vqc)tgα= ( v-Rtbc.ωqc)tgα (3.8) Trong đó:
vnc - vận tốc dọc trục của vật liệu trong vùng cấp liệu, m/s; vvlc - vận tốc vòng của vật liệu so với vít xoắn, m/s;
vqc - vận tốc vòng của vít xoắn, m/s;