MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn để Nghién là một công đoạn quan trọng trong quá trình gia công cơ học nguyên liệu trong công nghệ chế biến thực phẩm cho người và gia súc, công nghệ khai khoáng, công nghệ hoá chất, công nghệ luyện kim, công nghệ xây dựng. Đây cũng là một trong những công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng và gây ô nhiễm môi trường nhất. Hàng năm nước ta sản xuất khoảng 4 đến 6 triệu tấn thức ăn hỗn hợp cho lợn và gia cầm. Với mức chi phí điện năng riêng dé nghiền nhất là nghiền siêu mịn thì chi phí điện năng từ 45 — 60 kWh/tấn.
Để nghiền nhỏ nguyên liệu, thiết bị chủ yếu được dùng trong công nghệ sản xuất thức ăn gia súc là máy nghién kiểu búa trục ngang. Đây là máy nghién vạn năng, có kết cấu đơn giản, phù hợp với các qui mô và loại hình sản xuất. Quá trình nghién trong các máy nghiền búa đã được các nhà khoa hoc trong và ngoài nước mô tả ở mô hình vật lý 3 khâu: - Khâu nạp liệu. - Khâu gia công nguyên liệu trong buông nghiền, khâu nhận được các phần tử có kích thước theo yêu cầu.
- Khâu phân ly và thu hồi sản phẩm. Như vậy khâu cấp liệu là một trong 3 khâu rất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng và sự ổn định làm việc của máy như năng suất, chi phí năng lượng riêng. Giải quyết tốt bài toán cấp liệu, để đảm bảo cho máy có năng suất nghiền cao nhất, là cơ sở hạn chế cho máy làm việc quá tải cũng như non tải. Hay nói một cách khác, chế độ cấp liệu có mối quan hệ toán học và điều khiển quá trình nghiền ở máy nghiền búa.
Giải quyết tốt bài toán cấp liệu này là nhu cầu cấp thiết và mang tính thời sự tại các cơ sở có sử dụng máy nghién búa. Máy nghiền búa làm việc ở chế độ cấp liệu tối ưu góp phần khai thác máy nghiền có năng suất đạt mức cao nhất, có chi phí gia công nghiền thấp nhất. Được sự chấp thuận của khoa Cơ khí - Công nghệ, dưới sự hướng dẫn của PGS.Trần Thị Thanh chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu điều khiển chế độ cấp liệu tối ưu cho máy nghiền hạt kiểu búa trục ngang ”.2 Mục đích nghiên cứu Giảm chi phí năng lượng riêng để nghiền một đơn vị khối lượng hạt lương thực làm thức ăn chăn nuôi bằng máy nghiên kiểu búa trục ngang. Cụ thể: - Xây dựng mô hình điều khiển công suất đặt trên trục rô to — búa nghién bằng phương pháp hàm truyền để điều khiển tự động quá trình cấp liệu ở máy nghiền hạt kiểu búa trục ngang.
- Xây dựng mô hình thống kê thực nghiệm mô tả quá trình nghiền ở máy nghién nghiên cứu bằng phương pháp qui hoạch thực nghiệm. - Ap dụng phương pháp tối ưu hoá để xác định các thông số tối ưu cho máy nghiền nghiên cứu. - So sánh đánh giá hiệu quả của việc đưa điều khiển tự động vào quá trình nạp liệu của máy nghién bằng phương pháp thực nghiệm và phân tích phương sal.3 Đối tượng khảo sát - Máy nghiền hạt kiểu búa trục ngang cụ thé là may nghiền siêu mịn tại Khoa Cơ khí Trường đại học Nông Lâm TPHCM. - Đối tượng gia công là các hạt lương thực dùng trong chế biến thức ăn gia súc, cụ thé là hạt bắp.
Đề tài được tiến hành và thực hiện tại khoa Cơ khí — Công nghệ trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. Chúng tôi xin chân thành cám ơn sự giúp đỡ quí báu của Qui Thay — Cô trong và ngoài trường, các bạn đồng nghiệp va các don vị san xuất ứng dụng triển khai. Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy nghiền búa Quá trình nghién hat trong máy nghiền búa là do sự va đập của búa vào hạt, va đập của các hạt vào vỏ máy và sự chà xát của hạt với búa hoặc với thành trong của vỏ máy.1 giới thiệu sơ đồ cấu tạo máy nghiền hạt kiểu búa trục ngang Hình 2.1 : Sơ đồ cấu tạo máy nghiền búa trục ngang 1. Bộ phận gây ra sự va đập vào hạt trong máy là các búa nghién 5 được treo trên các chốt 3 của rôto 2 đặt nằm ngang.
Khi rô to 2 quay thì lực li tâm làm các búa nằmở vị trí hướng tâm và dự trữ một động năng lớn. Hạt qua bộ phận cung cấp phía trên vào máy liền bị các búa nghiền quay đập vào và va chạm với các chi tiết nằm trong buồng nghiền. Trong quá trình va đập, búa sẽ truyền cho hạt phần động năng tạo thành công phá vỡ hạt. Các phần tử tách ra từ hạt có kích thước bé hơn lỗ lưới sàng phân ly thì lọt ra ngoài buồng nghiền tạo thành sản phẩm.
Những phần tử chưa được phân ly tiếp tục bị va đập, phá vỡ. Sản phẩm nghiền được đưa ra ngoài bằng phương pháp vận chuyển khí động hoặc cơ học. Như vậy quá trình làm việc của máy nghién búa trục ngang tổn tại 3 giai đoạn liên tục diễn ra, mà các giai đoạn này đặc trưng bởi sự biến đổi của hạt trong buông nghiền như sau (Nguyễn Như Nam và Tran Thi Thanh, 2000): - Giai đoạn l : cung cấp nguyên liệu. - Giai đoạn 2 : gia công nguyên liệu trong buéng nghiền.
= Giai đoạn 3 : vận chuyển san phẩm ra khỏi buồng nghiền. Dựa vào 3 giai đoạn trên nếu như giai đoạn 2 (gia công nguyên liệu trong buồng nghiền) là tối ưu thì năng suất và chất lượng của sản phẩm cũng như chi phí năng lượng của máy phụ thuộc rất nhiều vào quan hệ của ba giai đoạn. Nếu nguyên liệu cung cấp không day đủ thi năng lượng làm quay rô to — búa nghiền sẽ không có hiệu quả. Phan năng lượng chi phí cho việc tạo ra các phan tử mới (sản phẩm nghiền) ít trong khi năng lượng khắc phục các lực cẩn ma sát kể cả một phần lực can của môi trường là không đổi.
Ngược lại, việc cung cấp nguyên liệu vượt khỏi khả năng nghién vỡ của rô to búa nghiền làm cho máy nghién quá tải. Các hiện tượng đi kèm theo trong trường hợp này là lực cản môi trường tăng nhanh, gây quá tải nguồn động lực, số vòng quay của rô to — búa nghiền giảm làm hiệu quả nghiền kém. Trường hợp này không những làm giảm năng suất chung của máy mà mức tiêu thụ điện năng riêng để nghiền cũng tăng cao, có nguy cơ làm hư hỏng bộ phận truyền động lẫn nguồn động lực. Vì vậy vấn dé đặt ra ở đây là cải tiến hệ thống điều khiển cấp liệu bằng tự động hoá.2 Các yếu tố cơ học của quá trình làm việc ở máy nghiên kiểu búa Theo Nguyễn Như Nam và Trần Thị Thanh (2000), công biến dạng 44, do búa tác động vào khối lượng nguyên liệu M, tuần hoàn sau thời gian t là yếu tố cơ học đánh giá quá trình nghiền: _ zm M,vụ (2.1) 7 60 2 Trong đó: + z - số búa lắp trên rôto, cái + z - thời gian hạt tổn tại trong buồng nghiền, (s) + ø - số vòng quay của trống, vg/ph + v,, - vận tốc của búa đối với nguyên liệu, m/s Công biến dạng A,, được viết theo cách khác như sau : _ zntaDBhy ppv, A te) aan 120 Trong đó: + D,B - đường kính và chiều dai trống , m + 77,- chiều dày lớp nguyên liệu, m + ø - khối lượng riêng của hat, kg/m? + u - nỗng độ vật liệu trong lớp, kg/kg Để đơn giản hơn, ta đưa vào công thức 2.3) Như vậy công biến dạng theo lớp có dạng : Ay, =¢-D.4) Ta thay A,, tỉ lệ thuận với diện tích hướng kính quy ước của trống D,B.
Ngoài tác động va chạm, các cánh búa còn phá huỷ các phan tử nguyên liệu bằng sự mài mòn. Năng lượng cung cấp cho sự mài mòn được tính gần đúng qua hệ số can lớp nguyên liệu chuyển động trong khe hở giữa các đầu búa và sàng /,,. Năng lượng chi phí cho va đập và làm mòn lớp nguyên liệu được tính theo công thức : A’ =ø.5) Trong đó: ý và f,, là các hệ số được xác định qua thực nghiệm.3 Động lực học máy nghiền búa Phương trình cơ bản có dạng +N, (2.6) Trong đó: N, - công suất tiêu thụ, W I. - Mômen quán tính của trống, kg.m? 4 - lượng cấp liệu trong một giây, kg/s v, - vận tốc búa, m/s do ht — # - 8 gia tốc 8 góc, rad/s” 7, - hệ số nghién nhỏ N, - công suất chạy không, W Giá trị N, được tính theo biểu thức : N, = Aø+ Ba` (2.7) Trong đó: Aq - chi phí năng lượng hao phí cho ma sát gối đỡ Bø` - các chi phí cho lực can không khí Đối với rôto búa nghién thức ăn, gia tốc góc _ do € =— =10#17rad/s’ dt Từ phương trình 2.7 ta thấy rằng năng lượng cung cấp cho quá trình nghién là : N, = 1.8) Trong đó: P - lực vòng, (N) v, : vận tốc búa, (m/s) Nếu lưu ý rằng N, =q.A,, Trong đó q (kg/s) là lượng cấp liệu, còn A, là công nghiền thì mômen quán tính được tính: _* 4A là th (2.
- là hệ số tỷ lệ, với gia tốc góc ¢ =10 +17 (rad/s” ) thì k, =6+10 Nếu lực can mặt sàng được tính theo công thức F = f,.P q+, Thì tổng lực vòng P= , giá trị của hệ số can /, được tính theo biểu n thức : foi-(2)] (2.10) th Theo các số liệu đã cho, đối với máy nghiền búa f, =0.9 khi vận tốc búa v =80+100 (m/s).4 Các chỉ tiêu năng lượng Chi phí năng lượng của máy nghién búa được đặc trưng bằng phương trình cân bằng công suất: NEN,+N,+N, (W) (2.11) Trong đó: N, - công suất chi phí cho quá trình nghién vỡ, (W) Ấ„ - công suất chi phí cho sự tuần hoàn của nguyên liệu, (W) N„ - công suất chi phí cho máy nghién chạy không, (W) Chi phí công suất cho quá trình nghiền vỡ bằng: N,=q.12) Trong đó: 4 - lượng cung cấp riêng, ( kg/s) A, - công chi phí riêng để nghién vật liệu, (J/kg). Công suất cho quá trình nghiền vỡ N, có thể được tính theo công thức : N,, = q-GDL(1+ fay Wz; (2.13) Công suất chi phi cho sự tuần hoàn của nguyên liệu được tính theo công thức: Nyy =k,(I+k„u„); (2.14) Trong đó: k, - hệ số thực nghiệm, &, =0.05 k„- số vòng tuần hoàn của vật liệu trong buồng nghiền H,, - nông độ vật liệu của lớp vật liệu tuần hoàn, (kg/kg) v,- vận tốc tiếp tuyến của búa nghiền, (m/s) Tuy nhiên công suất chi phí chạy không xác định khó khăn.