- Điều tra khảo sát tình hình nghiên cứu máy ép rơm cỏ khô ở trong nước. - Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ nguyên lý thiết kế tổng thể máy ép rơm cỏ khô - Tính toán các thông số cơ bản của quá trình ép.
- Nghiên cứu thiết kế các bộ phận chính của máy ép: khuôn ép, bàn ép, bộ phận buộc định hình khối ép, bộ phận thuỷ lực,…
- Chế tạo, lắp ráp và hoàn thiện kết cấu máy ép
Chương 2
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Để phù hợp với quy mô sản xuất của các cơ sở sản xuất thức ăn cho trâu bò, chúng tôi chọn đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy ép kiểu pittông thủy lực đặt thẳng đứng năng suất 10 kiện/h. Sơ đồ nguyên lý thiết kế máy ép rơm, cỏ khô (ký hiệu ERC-10) được thể hiện trên hình 2.1.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo máy ép rơm cỏ khô ERC-10
1.Khung máy, 2. Khuôn ép, 3. Khóa khuôn ép, 4. Bàn ép, 5. Trục dẫn hướng bàn ép, 6. Xi lanh ép, 7. Đường ống dẫn dầu thủy lực, 8. Tay điều khiển, 9. Van phân phối, 10. Thùng chứa dầu thủy lực, 11. Bơm dầu thủy lực, 12. Động cơ dẫn động cho bơm thủy lực, 13. Bản lề khuôn ép.
Hình 2.2. Máy ép rơm cỏ khô ERC-10
Máy ép rơm ERC-10 gồm các bộ phận chính: hệ thống dẫn động bàn ép, khuôn ép, thân máy.
Thân khuôn ép gồm 2 nửa được ghép lại với nhau tạo thành khuôn ép có dạng hình hộp chữ nhật, tiết diện hình vuông với kích thước trong lòng khuôn AxB = 500x600mm. Thân khuôn ép được chế tạo bằng thép tấm dày 5 mm và được tăng cứng bằng các thanh thép L45x45x3 ở trên và dưới. Thân khuôn ép được chia thành 2 buồng: buồng nạp liệu và buồng ép. Buồng nạp liệu là nơi chứa vật liệu ép ban đầu, để tạo cửa cấp liệu có tiết diện lớn thì mặt phía trước của buống ép được gia công thấp hơn 3 mặt bên tạo thành cửa nạp liệu. Hai thành bên của buồng ép được lắp bản lề với thân máy và được khóa chặt lại với nhau bằng chốt gài chữ T, với kết cấu như trên cho phép mở
khuôn ép khi kết thúc quá trình ép để lấy sản phẩm ra ngoài được dễ dàng. Đáy khuôn ép được đặt ở phía dưới cùng buồng ép. Đáy khuôn được chế tạo bằng thép tấm dày 10mm, mặt trên đáy khuôn có hàn các thanh dẫn hướng tạo thành 2 hai rãnh rộng 20mm để luồn sẵn 2 dây buộc còn mặt dưới được gia cố bằng 2 đường gân tăng cứng để đảm bảo độ bền của đáy khuôn.
Bàn ép được lắp ở đầu pittông thực hiện chuyển động qua lại nhờ hệ thống xilanh thủy lực. Để cho bàn ép chuyển động được ổn định trên bàn ép có lắp thêm 2 trục dẫn hướng qua đó giúp bàn ép luôn tạo với khuôn ép thành một buồng kín. Bàn ép được chế tạo bằng thép tấm dày 15 mm, có kích thước Ae x Be = 595 x 495 mm, trên bề mặt ép có hàn 4 thanh dẫn hướng tạo thành hai rãnh có độ rộng 20 mm để luồn dây buộc. Khi bàn ép dịch chuyển tới phần buồng ép thì các rãnh này trùng với 2 rãnh xẻ ở hai đáy khuôn ép.
Hệ thống thủy lực gồm có xi lanh thủy lực, bơm dầu, van phân phân phối, đường ống dẫn dầu và tay điều khiển. Để dẫn động cho bơm dầu ta dùng động cơ điện xoay chiều 3 pha qua bộ truyền động đai.
Quá trình làm việc của máy ép như sau: Mở khuôn ép để luồn sẵn hai dây vào đáy khuôn ép, sau đó đóng lại, xếp rơm hay cỏ đầy vào buồng cấp liệu và buồng ép. Điều khiển cho hệ thống thủy lực làm việc. Bàn ép di chuyển từ trên xuống dưới thực hiện ép khối rơm trong buồng ép. Khi đạt được lực nén ép theo yêu cầu, đánh tay thủy lực xả dầu về thùng, bàn ép được dịch chuyển về vị trí ban đầu. Gạt chốt để mở hai nửa khuôn ép và tiến hành buộc định hình mặt trên và dưới bánh rơm, sau khi buộc xong, bánh rơm được đưa ra ngoài. Tiếp tục luồn dây vào đáy khuôn, mở nắp buồng cấp liệu, nạp rơm mới vào khuôn ép và quá trình ép bánh rơm tiếp theo được lặp lại.
Loại máy ép trên có ưu điểm:
- Có thể điều chỉnh được độ lèn chặt theo yêu cầu nhờ hệ thống điều khiển hành trình xilanh thủy lực.
- Hệ số dãn nở đàn hồi của bánh rơm nhỏ do tiến hành buộc định hình bánh rơm ngay trong khuôn ép.
- Dễ nạp liệu vào máy;
- Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, có thể áp dụng rộng rãi cho các hộ nông dân;
Nhược điểm:
- Làm việc gián đoạn, năng suất thấp;
- Nhiều công đoạn phải thực hiện bằng thủ công như: cấp liệu, buộc dây, dỡ khối ép khỏi khuôn,... nên năng suất thấp và khó tự động hóa.
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 2.2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
a) Phương pháp mô hình toán lý
Ứng dụng lý thuyết nén ép vật liệu rời trong khuôn ép của Xokolov A.IA, Oxobov N.G để xây dựng cơ sở lý thuyết của quá trình nén ép trong khuôn ép nhằm xác định một số thông số vể cấu tạo và chế độ làm việc làm nhằm định hướng cho việc thiết kế và triển khai nghiên cứu thực nghiệm.
b) Phương pháp mô hình hóa hình học
Sử dụng phương pháp mô hình hóa hình học các kết cấu trên máy tính nhờ các chương trình phần mềm trợ giúp thiết kế:
- Chương trình phần mềm thiết kế Inventor 2012: Phần mềm Autodesk Inventor mô hình hóa hình học các kết cấu trên máy tính. Autodesk Inventor là một hệ thống thiết kế cơ khí 3-D được xây dựng với công nghệ thích nghi (adaptive technology) cùng với các khả năng mô hình hóa khối rắn. Autodesk Inventor cung cấp các công cụ cần thiết để thực hiện các dự án thiết kế, từ việc vẽ phác ban đầu cho đến việc hình thành các bản vẽ kỹ thuật cuối cùng (tạo các mô hình 3D, các bản vẽ 2D; tạo các chi tiết thích nghi, các chi tiết và
bản vẽ lắp, ..), Autodesk Inventor có thể link với các phần mềm khác AutoCAD, Mechnical Desktop,... để nhập và xuất dữ liệu.
- Chương trình phần mềm phân tích thiết kế COSMOS Design STAR 4.0 của tập đoàn SRAC (Mỹ). Đây là chương trình đa tài liệu kiến trúc mở, có các tính năng tiên tiến của giao diện sử dụng đồ họa Windows. Cấu trúc mở của COSMOS DesignSTAR cho phép phối hợp với phần mềm phân tích thứ ba, các thiết lập của người sử dụng và các bổ sung của chương trình hỗ trợ. COSMOS DesignSTAR dựa trên cơ sở hình học Parasolid có thể mở trực tiếp các tệp hệ thống của CAD (phần mềm hỗ trợ thiết kế trên máy tính). Với những khả năng trên COSMOS DesignSTAR có thể phân tích các chi tiết và tổng lắp được tạo ra bởi mọi hệ thống CAD (AutoCAD, Inventor, Mechanical Desktop, SolidWorks...). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Áp dụng phương pháp nghiên cứu đơn yếu tố để nghiên cứu ảnh hưởng riêng của từng yếu tố vào tới các thông số ra, qua đó tìm được mức biến thiên, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu thích hợp của từng yếu tố, làm cơ sở cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố.
Nguyên tắc của phương pháp này là cố định các yếu tố khác, thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hưởng của yếu tố biến thiên đó tới các thông số ra, qua đó thăm dò được khoảng nghiên cứu cho phép của mỗi yếu tố [6].
Trong quá trình ép có rất nhiều yếu tố làm ảnh hưởng tới năng suất, chất lượng sản phẩm ép và mức tiêu thụ năng lượng riêng. Các yếu tố bao gồm: áp lực ép, độ dày của lớp vật liệu ép, tiết diện khuôn ép, hệ số ma sát của lớp vật liệu ép với khuôn ép,….
Để lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất, có thể dùng phương pháp thu thập các thông tin qua các tài liệu tham khảo và tìm hiểu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm về vấn đề đang nghiên cứu, nhờ đó có thể loại
bớt những yếu tố không cần thiết. Cuối cùng đã chọn được các yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất quá trình ép, bao gồm:
a) Các yếu tố vào:
- Hành trình của bàn ép h, x1 (cm) - Độ ẩm của vật liệu ép w, x2 (%) b) Các thông số ra:
- Khối lượng thể tích của khối ép γ, Y1 (kg/m3) - Chi phí năng lượng riêng Nr,Y2 (kWh/tấn)
2.2.3. Phương pháp xác định một số thông số của quá trình ép
a. Xác định độẩm nguyên liệu và viên thành phẩm
Độ ẩm của nguyên liệu rơm ép được xác định bằng máy đo độ ẩm bằng sấy hồng ngoại SARTARIUS – MA45. Máy làm việc theo cơ chế tia hồng ngoại bức xạ nhiệt. Ưu điểm của cơ chế sấy mẫu này là lượng nhiệt được hấp thụ đầy đủ. Trong qui trình phân tích ẩm, các phân tử của mẫu sấy sẽ tương tác với nhau làm cho lượng nhiệt được hấp thụ từ ngoài vào trong cho kết quả phân tích chính xác, nhanh hơn phương pháp Oval truyền thống.
Hình 2.3. Thiết bị đo độ ẩm SARTARIUS – MA45
Khối lượng thể tích của bánh ép được xác định theo công thức: b G V γ = (2.1) Trong đó:
Gb- khối lượng của bánh rơm sau khi ép, kg V- thể tích của bánh rơm sau khi ép, m3.
b. Phương pháp xác định thời gian ép t (s)
Thời gian ép là thời gian thực hiện xong chu trình ép bao gồm thời gian nạp liệu, thời gian ép, thời gian buộc và thời gian dỡ bánh ép ra khỏi khuôn.
c. Phương pháp xác định chi phí năng lượng riêng Nr(kWh/kg)
Mức tiêu thụ năng lượng riêng được xác định bằng phương pháp đo thông thường. Dùng công tơ điện để đo điện năng tiêu thụ trong 1 lần thí nghiệm, oát kế để xác định công suất cần thiết các đồng hồ đo điện, vôn kế, ampe kế, cosφ…
Các thiết bị này cho phép xác định điện áp và dòng điện, tính toán điện năng tiêu thụ để đối chiếu với công tơ điện và oát kế. Do vậy sau mỗi lần thí nghiệm các giá trị trung bình của các mức tiêu thụ điện năng riêng mà chúng tôi đo được có sai số rất bé để đảm bảo độ tin cậy.
Dùng đồng hồ bấm giây để xác định thời gian ép xong 1 bánh rơm trong quá trình thí nghiệm, Gb(kg) khối lượng một mẫu. Sau mỗi lần lấy mẫu thí nghiệm ta đếm được số vòng quay của công tơ nct . Thời gian là t (phút).
Mức tiêu thụ điên năng riêng là: ct r b n N 1000.240.G = (kWh/tấn) (2.2) 1kWh = 240 vòng quay của đĩa công tơ
2.2.4. Phương pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm
Trong nghiên cứu thực nghiệm đo đạc của máy, các kết quả đo đạc thường là các đại lượng ngẫu nhiên. Trong kỹ thuật nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm, xác suất tin cậy thường dùng trong khoảng 0,7 - 0,9, xác suất của dụng cụ đo trong khoảng 0,95 - 0,99. Vì vậy để đảm bảo độ tin cậy, các thí nghiệm phải được lặp lại ít nhất 3 lần. Để xử lý và gia công các số liệu thí nghiệm, chúng tôi áp dụng qui tắc của lý thuyết xác xuất và thống kê toán học.
a) Phương pháp xử lý số liệu
Sau khi đã lặp lại n lần thí nghiệm, ta nhận được các giá trị Xi (i =1÷n). Giá trị trung bình của mỗi lần đo được tính theo công thức sau:
∑ = = n 1 i Xi n 1 X (2.3)
Sai lệch bình phương trung bình:
δ = 1 n ) X X ( 2 n 1 i i i − − ∑ = (2.4) Sai số trung bình: n tb δ = σ (2.5)
Giá trị độ tin cậy được tính theo tiêu chuẩn Student với mức ý nghĩa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
α = 0,05; bậc tự do f = n – 1, khi đó độ tin cậy sẽ là:
X=X±tασtb (2.6)
Đối với các số liệu nghi ngờ, cần được kiểm tra lại theo qui tắc3σ. Nếu:
Xnghi ngờ - Xr >3σ
thì loại bỏ (2.7)
b) Phương pháp gia công số liệu
Sau khi thí nghiệm cần phải tiến hành gia công số liệu theo phương pháp phân tích phương sai để xác định độ tin cậy về mức độ ảnh hưởng của
mỗi yếu tố tới các thông số mục tiêu và tính đồng nhất của phương sai. Thuật toán của phân tích phương sai như sau:
- Để xác định độ tin cậy về mức độ ảnh hưởng của các yếu tố cần phải tính phương sai yếu tố và phương sai thí nghiệm:
Phương sai yếu tố là tổng bình phương sai lệch của từng thí nghiệm, giữa các giá trị trung bình của tổng thể (Y..) với các giá trị trung bình của Y.j
ứng với mỗi mức yếu tố xi:
1 K ..) Y . Y ( S k 1 j j 2 yt − − = ∑ = (2.8)
Phương sai thí nghiệm là tổng bình phương các sai lệch giữa giá trị trung bình Y .j ứng với mỗi mức yếu tố xi với giá trị Y ij ứng với mỗi lần đo lặp lại với mỗi mức yếu tố. Phương sai thí nghiệm được xác định theo công thức:
k N ) . Y Y ( S n 1 i k 1 j 2 j ij 2 tn − − = ∑∑ = = (2.9)
Dùng tiêu chuẩn Fisher để đánh giá tỷ số F = 2 tn 2 yt S S
để kiểm nghiệm xem hai phương sai đó khác nhau ít hay nhiều. Đối chiếu với trị số b
2 f ; 1 f ; Fα tra theo bảng tiêu chuẩn Fisher (với mức ý nghĩa α = 0,05 và bậc tự do f1= k – 1, f2 = N –k). Nếu b 2 f ; 1 f ; F
F> α thì yếu tố đó có ảnh hưởng đến thông số mục tiêu và không ảnh hưởng trong trường hợp ngược lại.
- Để đánh giá tính đồng nhất của phương sai ta phải tính phương sai thí nghiệm ngẫu nhiên 2
j
S đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố xi:
1 n ) . Y Y ( S n 1 i 2 j ij 2 j − − = ∑ = (2.10)
Vì số thí nghiệm lặp lại lớn hơn 2 (n = 3) nên có thể áp dụng tiêu chuẩn Coocren để đánh giá tỷ số G giữa phương sai cực đại 2
max j S với tổng phương sai ∑ = k 1 j 2 j
S có đảm bảo không vượt quá tiêu chuẩn b 2 f ; 1 f ;
Gα tra theo bảng tiêu chuẩn Coocren (với mức ý nghĩa α = 0,05 và bậc tự do f1= k – 1, f2 = N –k).
∑ = = k j j j S S G 1 2 2 max (2.11) Nếu b 2 f ; 1 f ; G
G< α thì các giá trị phương sai được coi là đồng nhất, không phương sai nào vượt quá nhiều so với phương sai khác, khi đó kết quả đo đạc đảm bảo độ tin cậy.
Chương 3
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CHÍNH MÁY ÉP 3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ PHẬN ÉP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.1.1. Phương trình cơ bản của quá trình nén ép
Phương trình này được áp dụng cho trường hợp máy ép kiểu pitong. Giả sử khuôn có chiều dài L, tiết diện S, nguyên liệu ban đầu có khối lượng M, khối lượng thể tích ρo. Quá trình nén ép nguyên liệu trong khuôn ép được thực hiện khi pittong di chuyển sang bên phải (hình 3.1).
Các kết quả nghiên cứu đã xác định được mối quan hệ giữa áp suất nén P với khối lượng thể tích của nguyên liệu ρo theo phương trình vi phân sau:
dP
aP b
d = +
ρ (3.1)
Trong đó: a, b là các hệ số thực nghiệm
Thực hiện tích phân phương trình (3.1) trong giới hạn áp suất tăng từ 0 đến P, khối lượng thể tích tăng từ ρo đến ρ với P là áp suất nén cần thiết để đạt được viên có khối lượng ρ theo yêu cầu, ta được:
( )