Trong nhƣ̃ng năm gần đây, máy nghiền đĩa đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành chế biến thức ăn gia súc nƣớc ta . Hầu hết các cơ sở sản xuất thƣ́c ăn quy mô nhỏ đã thay thế các máy nghiền búa sang máy nghiền đĩa . Thiết bị nghiền đĩa đƣợc chế tạo tƣ̀ Trung Quốc , trong nƣớc hay các hãng sản xuất thiết bị nổi tiếng trê n thế giới nhƣ Voith , Andritz Sprout -Bauer…thiết bị
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
nghiền đĩa có các tính năng ƣu việt hơn các thiết bị nghiền khác nhất là với máy nghiền búa đƣợc chỉ ra dƣới đây:
a) Mƣ́c tiêu hao điện năng
Ở trạng thái không tải , khi xác địn h tiêu hao năng lƣợng thƣờng đƣợc coi là trạng thái tới hạn nhất , bởi khi đó năng lƣợng tiêu hao không giống nhau và phụ thuộc hoàn toàn vào kết cấu bên trong của chúng . Ví dụ nhƣ: cấu tạo và chế độ làm việc của cơ cấu khở i động , đặc tính của động cơ điện…Trong các đặc tính của động cơ điện thì số vòng quay (n) là yếu tố quan trọng hơn cả , nó ảnh hƣởng nhiều tới việc tiêu hao công suất . Trong thƣ̣c tế và trên lý thuyết , khi tính công suất đ ộng cơ điện cho máy nghiền thì công suất yêu cầu thƣờng thay đổi nhƣ một hàm số tốc độ quay . Tiếp đến là hiệu suất hoạt động của động cơ điện , vì nó biến động mạnh khi hoạt động không tải. Nhìn chung ở trạng thái làm vi ệc không tải ở vận tốc cao , mƣ́c tiêu hao điện năng ở máy nghiền búa tăng lên 15% so với máy nghiền đĩa.
Khi nghiền ngô (trạng thái có tải ) theo kinh nghiệm ở trong nƣớc cũng nhƣ ở nƣớc ngoài với các chủng loại ngô ở các chế độ nghiền khác nhau thì mƣ́c tiêu hao năng lƣợng ở các máy nghiền đĩa thấp hơn rõ rệt so với các máy nghiền kiểu búa.
b) Các điểm ƣu việt của máy nghiền ngô dạng đĩa so với các máy nghiền khác
Máy nghiền đĩa có kết cấu đơn giản và gọn gàng, trong sƣ̉ dụng thì tiện lợi, chính xác và phạm vi sử dụng rộng. Tiêu hao điện năng thấp cho quá trình nghiền. Có thể nghiền với sản lƣợng lớn và công suất nghiền lớn.
Với khả năng thay đổi dễ dàng bộ đĩa và kích thƣớc khác nhau , cho phép ngƣời sử dụng linh hoạt trong thay đổi về phƣơng án công nghệ phù hợp với tƣ̀ng mặt hàng cụ thể . Đặc biệt là kinh tế hơn hẳn so với máy nghiền búa về mặt vốn đầu tƣ thiết bị tính trên một đơn vị sản phẩm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Với các đặc điểm chiếm ƣu thế hơn hẳn về phƣơng diện kỹ thuật cũng nhƣ về tính kinh tế của máy nghiền đĩa so với các loại máy nghiền búa khác , cho phép ta lƣ̣a chọn một phƣơng án tối ƣu về công nghệ nghiền ngô trên máy nghiền đĩa. Sƣ̣ lƣ̣a chọn thông minh này đã và đang phát huy trên nhiều dây chuyền thiết bị hiện đại trong nƣớc cũng nhƣ ở nƣớc ngoài.
1.3.4. Chọn nguyên lý làm vỡ hạt ngô thành hạt mảnh
Với mục tiêu là nghiền hạt ngô làm thƣ́c ăn gia súc cho hộ chăn nôi gia đình, thƣ́c ăn cho các loại chim . Đặc biệt việc nghiền hạt ngô mảnh sẽ phục vụ thiết thƣ̣c cho đồng bào Mèo . Vì ngô mảnh là nguyên liệu chính để làm mèn mén, món ăn chủ yếu của dân tộc Mèo
Ngô là dạng hạt nông sản có độ ẩm khi làm vỡ < 15%. Qua phân tích các dạng nguyên lý trên ta thấy hạt ngô không cần đập nhỏ thành bột mà chỉ cần đập thành mảnh vỡ. Nên máy nghiền dạng đĩa là thích hợp.
Trong quá trình hoạt động của máy . Các rãnh khía (thanh dao) của 2 mặt đĩa sẽ chà xát làm vỡ hạt ngô thành tƣ̀ng mảnh . Máy theo nguyên lý này dễ chế tạo, sƣ̉ dụng chi phí năng lƣợng riêng thấp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Kết luận chƣơng 1
Qua tìm hiểu về quá trình nghiên cƣ́u , cải tiến máy nghiền của các tác giả đi trƣớc, có thể rút ra một số kết luận sau.
1. Thiết kế , chế tạo mẫu máy nghiền giảm đƣợc chi phí năng lƣợng riêng là cần thiết để đáp ứng nhu cầu của sản xuất và mang tính hiệu quả kinh tế thiết thƣ̣c.
2. Quá trình công nghệ trong buồng nghiền kiểu kín đã đƣợc nghiên cƣ́u khá kỹ. Tƣ̀ đó đã phát hiện một số nhƣợc điểm chính của nó nhƣ sau:
- Hiện tƣợng lƣu chuyển trong buồng nghiền khi làm việc làm tăng chi phí năng lƣợng riêng, làm tăng độ bụi bột và tăng nhiệt độ sản phẩm nghiền.
- Vật liệu bị phân thành lớp trên bề mặt trong của buồng nghiền với lớp hạt to ở ngoài, hạt bé ở trong. Điều này dẫn tới giảm sác xuất trà sát và va đập của đĩa với những hạt to và làm giảm khả năng thoát bột đủ nhỏ ra khỏi buồng nghiền.
- Đó là nguyên nhân chính dẫn tới chi phí năng lƣợng riêng ở máy nghiền kiểu này còn quá cao , chất lƣợng hạt nghiền chƣa đồng đều , nhiều bụi bột.
- Vận tốc đĩa nghiền là một yếu tố quan trọng trong quá trình làm việc của máy nghiền dạng đĩa. Để máy làm việc có hiệu quả , vận tốc của đĩ a phải đảm bảo không nhỏ hơn vận tốc cần thiết để phá hủy vật liệu nghiền . Nhƣng vận tốc đĩa nghiền cao sẽ làm tăng chi phí năng lƣợng riêng , tăng độ phƣ́c tạp và tốn kém trong chế tạo.
3. Các nghiên cƣ́u mới đây chủ yếu đ i theo hƣớng đƣa ra nhƣ̃ng giải pháp thiết kế hoặc những thiết kế phụ nhằm hạn chế một phần các nhƣợc điểm nói trên. Tuy nhiên vẫn còn tồn tại nhƣ̃ng vấn đề lớn sau:
- Vận tốc va đập , trà sát trong các máy nghiền đĩa vẫn chỉ dừng lại ở mƣ́c nhỏ hơn hoặc bằng vận vận tốc của đĩa . Để máy làm việc đƣợc thì vận
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tốc của đĩa thƣờng rất lớn . Đây là một trong nhƣ̃ng nguyên nhân chính làm chi phí năng lƣợng riêng tăng.
- Hiện tƣợng lƣu chuyển khố i hạt , bột trong buồng nghiền về cơ bản vẫn chƣa đƣợc khắc phục.
- Mật độ hạt, bột trong buồng nghiền quá cao và không ổn định sẽ làm giảm hiệu suất va đập và chà sát trong máy nghiền đĩa.
- Các nguyên lý máy nghiền khôn g sàng hiện thay thƣ̣c chất là sàng ngoài. Một máy nghiền hoàn toàn không sàng chƣa thƣ̣c sƣ̣ đƣợc đề cập tới. 4. Nghiên cƣ́u cơ sở lý thuyết của máy nghiền đĩa để trên cơ sở đó tính toán xác định một số thông số cơ bản có ảnh hƣởng đến chất lƣợng nghiền của máy nghiền ngô dạng đĩa.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 2
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
- Khung khảo nghiệm:
Trên cơ sở nguyên lý máy và các thông số nghiên cƣ́u đƣợc xác định, thiết kế, chế tạo khung khảo nghiệm. Khung khảo nghiệm có khả năng thay đổi các thông số trong phạm vi nghiên cƣ́u. Để xác định đƣợc các chỉ tiêu đánh giá và chế độ làm việc tối ƣu của máy.
- Máy nghiền dạng đĩa:
Thiết kế chế tạo một số bộ phận chính của máy nghiền dạng đĩa và khảo nghiệm, ứng dụng trong điều kiện sản xuất.
-Nguyên liệu:
Ngô hạt làm nguyên liệu để nghiên cƣ́u cơ bản , các loại nguyên liệu khác dùng để xác định khả năng và phạm vi sƣ̉ dụng của máy.
- Địa điểm nghiên cƣ́u:
Nghiên cƣ́u tại Viện Cơ Điện Nông Nghiệp , thƣ̣c nghiệm tại Đại học Giao thông vận tải và các cơ sở chế biến thƣ́c ăn gia súc ở Hà Nội , Thái Nguyên.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cƣ́u cơ sở khoa học , xác định các yếu tố ảnh hƣởng của cơ cấu bộ phận nghiền nhằm mục tiêu giảm chi phí năng lƣợng riêng , nâng cao năng suất và chất lƣợng nghiền . Xác định một số thông số cơ bản về cấu tạo cho kết cấu đã đề xuất, làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo buồng nghiền trong quy trình nghiền , và máy nghiền cỡ nhỏ phục vụ cụm nông hộ ở nông thôn hiện nay.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.3. Phƣơng pháp nghiên cƣ́u
2.3.1. Nghiên cƣ́u ƣ́ng dụng cơ sở lý thyết quy hoạch thƣ̣c nghiệm
Trong quá trình nghiên cƣ́u các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng nghiền của máy nghiền ngô dạng đĩa tác giả đã áp dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố . Với phƣơng pháp này cần xác đ ịnh đƣợc các khoảng nghiên cứu , các mức biến thiên , khoảng biến thiên thích hợp . Vì vậy cần phải áp dụng kết quả thƣ̣c nghiệm đơn yếu tố, trên nguyên tắc chung là cố định các yếu tố khác và thay đổi một yếu tố để xác đ ịnh ảnh hƣởng của yếu tố biến thiên đó tới thông số mục “đầu ra” . Qua đó thăm dò đƣợc khoảng nghiên cƣ́u cho phép của yếu tố và các ảnh hƣởng tới giá trị cƣ̣c trị của hàm mục tiêu
2.3.1.1. Ứng dụng phƣơng pháp quy hoạch thƣ̣c nghiệm trong nghiên cƣ́u thƣ̣c nghiệm đơn yếu tố
Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng nghiền và chi phí năng lƣợng riêng của máy nghiền ngô dạng đĩa , trƣớc hết cần chọn các yếu tố ảnh hƣởng. Đó là các yếu tố:
- Thời gian nghiền
- Tốc độ của trục đĩa nghiền - Tốc độ của trục nạp liệu
- Khối lƣợng của một mẻ nghiền
- Kích thƣớc, cấu tạo của bộ phận nghiền - Độ nhỏ của nguyên liệu
- Độ ẩm của nguyên liệu….
Để lƣ̣a chọn các yếu tố chính , ta có thể dùng phƣơng pháp tìm hiểu thu thập thông tin qua các tài liệu tham khảo và ý kiến của các chuyên gia, nhờ đó có thể loại bỏ bớt những yếu tố không cần thiết.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong điều kiện và khôn khổ của luận văn , tác giả c họn những thông số ảnh hƣởng chính đến độ nhỏ , đồng đều của hạt cũng nhƣ chi phí năng lƣợng riêng đó là:
+ Tốc độ của đĩa nghiền ( v/ ph ) + Tốc độ nạp liệu ( v/ph)
Trên cơ sở các yếu tố đƣợc chọn , tiến hành nghiên cƣ́ u thƣ̣c nghiệm đơn yếu tố để xác định mƣ́c ảnh hƣởng của các yếu tố này , đồng thời tìm đƣợc khoảng biến thiên.
Kí hiệu các yếu tố nhƣ sau: - X1: Tốc độ của đĩa nghiền
- X2: Tốc độ trục vít tải ( tốc độ nạp liệu ) - YK: Độ nhỏ của sản phẩm
- YN: Chi phí năng lƣợng riêng
Tƣ̀ thƣ̣c nghiệm đơn yếu tố sẽ xác định đƣợc ảnh hƣởng của tƣ̀ng yếu tố đến thông số YK, YN.
Ví dụ: YK = f1(x1); YN = f2(x1) với mƣ́c và khoảng biến thiên của x 2 đƣợc chọn sơ bộ và không đổi . Khi đó có đƣợc giá trị YK(x1), YN(x1), sẽ chấp nhận sơ bộ trị số x 1 ứng với giá trị tƣơng đôi tốt cho cả Y K hoặc YN, hoặc chọn mức x1 cho YK, YN phải chấp nhận một cách tƣơng đối.
Khi tiến hà nh xác định YK = f1(x2); YN = f2(x2) với mƣ́c cố định x 1 đã chọn sơ bộ , ta sẽ chọn đƣợc trị số x 2 làm mức trung tâm . Nếu trị số x 2 trên tƣơng đối gần với trị số x2 mà ta đã chọn và giữ cố định khi xác định Y K(x1), YN(x1) thì thuận lợi. Nếu trị số x2 khác xa so với trị số đã chọn và nằm ngoài vùng nghiên cứu thì phải tiến hành lại thí nghiệm để xác định lại Y K(x1), YN(x1).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tƣ̀ đó sẽ xác định đƣợc các trị số x 1, x2 làm các mức trung tâm c ho phƣơng pháp quy hoạch thƣ̣c nghiệm , xác định lại khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu của các mức yếu tố cho phƣơng pháp này.
* Phƣơng pháp gia công số liệu
- Các đại lƣợng đo đƣợc lặp 2 – 3 lần, đảm bảo xác suất tin cậ y của dụng cụ thí nghiệm α = 0,9 – 0,95
- Số lần lặp lại thí nghiệm n = 3, vì đối với máy nghiền xác suất tin cậy là α = 0,8 – 0,9
- Sau thí nghiệm, xác định độ tin cậy về ảnh hƣởng của mỗi yếu tố tới các thông số yK và yN, đánh giá tính thuần nhất của phƣơng sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ thực sự các ảnh hƣởng khác đối với thông số nghiên cƣ́u là không đáng kể hoặc không có . Thuật toán phân tích phƣơng sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất nhƣ sau:
* Tính tổng bình phƣơng các sai lệch giữa giá trị tổng thể của y K và yN ( ký hiệu là 𝑦 ..) với tổng giá trị của y K và yN ở mỗi lần đo ký hiệu là y ij ứng với mỗi lần lặp lại với mỗi mƣ́c của yếu tố x.
Xác định phƣơng sai tổng thể
𝑆𝑡𝑡2 = (𝑦𝑖𝑗 − 𝑦. . ) 𝑘 1 𝑛 1 𝑁 − 1 2 − 1 Trong đó:
N: tổng số lần đo và N = nk = 3.2 = 6 n – số lần đo lặp lại.
k – số mƣ́c biến thiên. N – 1: bậc tƣ̣ do.
Phƣơng sai tổng thể gồm hai loại : phƣơng sai yếu tố và phƣơng sai thí nghiệm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
* Tổng bình phƣơng sai lệch ở tƣ̀ng thí nghiệm giƣ̃a giá trị trung bình tổng thể 𝑦 .. với giá trị trung bình của y ƣ́ng với mỗi mƣ́c yếu tố x ( ký hiệu là
𝑦 .j). Xác định phƣơng sai yếu tố S2yt với bậc tƣ̣ do k-1.
𝑆𝑦𝑡2 = ( 𝑦.𝑗 − 𝑦 ..)2 𝑘
1
𝑘 − 1 (2 − 2)
Tổng bình phƣơng các sai số giữa giá trị trung bình 𝑦 𝑖𝑗 của y ứng với mỗi mức của yếu tố x và giá trị yij ứng với mỗi lần lặp lại thí nghiệm với mỗi mức yếu tố. Xác định phƣơng sai thí nghiệm nhƣ sau (với mỗi bậc tự do N-k) 𝑆𝑡𝑛2 = ( 𝑦𝑖𝑗 − 𝑦 .𝑗) 2 𝑛 𝑖=1 𝑘 𝑗 =1 𝑁 − 𝑘 = ( 𝑦𝑖𝑗 − 𝑦 .𝑗)2 𝑛 𝑖=1 𝑘 𝑗 =1 𝑘(𝑛 − 1) (2 – 3 )
Sau đó dùng tiêu chuẩn Fisher đánh giá tỷ số F = S2yt/S2tn để kiểm nghiệm “giả định không” xem hai phƣơng sai đó bằng nhau hay khác nhau (ít hay nhiều). Nếu khác nhau nhiều, nghĩa là so sánh F với trị số Fb (tra trong bảng tiêu chuẩn Fisher với α =0,5, 2 bậc tự do k-1 và N-k). Nếu F > Fb thì không chấp nhận giả định không và phƣơng sai S2yt là không đáng kể, nghĩa là ảnh hƣởng của yếu tố đƣợc tin cậy.
Để đánh giá tính thuần nhất của phƣơng sai, ta cần tính từng phƣơng sai thí nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố, ký hiệu là S2j theo công thức:
𝑆𝑗2 = ( 𝑦𝑖𝑗 − 𝑦 .𝑗) 2 𝑛 1 𝑛 − 1 (2 − 4) Ta có: 𝑆𝑡𝑛2 = 𝑆𝑗 2 𝑛 1 𝑛 (2 − 5)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
𝑆𝑦2 = 𝑆𝑡𝑛2
𝑛 (2 − 6)
Sau đó vì số thí nghiệm lớn hơn 2, áp dụng chuẩn Cochran để đánh giá xem tỉ số G giƣ̃a phƣơng sai cƣ̣c đại 𝑆𝑗𝑚𝑎𝑥2 với tổng phƣơng sai 𝑆𝑗2 có đảm bảo không vƣợt quá tiêu chuẩn Gb theo số liệu tra bảng với 2 bậc tƣ̣ do là n-1 và k ( với độ tin cậy 0,95 tƣ́c α = 0,05; hai bậc tƣ̣ do n-1 = 2 và k = 5)
𝐺 = 𝐺𝑗𝑚𝑎𝑥2
𝑆𝑘1 𝑗2 ≤ 𝐺𝑏 (2 - 7 )
Nhƣ vây các phƣơng sai của thí nghiệm đƣợc coi là đồng nhất , không có phƣơng sai nào quá lớn, vƣợt quá nhiều so với phƣơng sai khác
2.3.1.2. Ứng dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thƣ̣c nghiệm đa yếu tố
Ƣu điểm quan trọng của phƣơng pháp quy hoạch thƣ̣c nghiệm là giảm đƣợc nhiều số lần thí nghiệm , xác định đầy đủ ảnh hƣởng của các yếu tố đến thông số cần nghiên cƣ́u , đề xuất mô hình toán thích hợp từ đó xác định điều kiện tối ƣu của quá trình xảy ra và giá trị tối ƣu của các thông số.
a) Xác định các thông số chính ảnh hƣởng đến máy nghiền ngô dạng đĩa