Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo thống kê khảo sát của Bộ Tài nguyên và Môi trường được trích dẫn trong đồ án, mỗi năm Việt Nam thải ra hơn 15 triệu tấn chất thải rắn, bao gồm khoảng 2,7 triệu tấn rác thải sinh hoạt, 13 vạn tấn chất thải công nghiệp, 4,5 vạn tấn rác thải nông nghiệp và 2,1 vạn tấn rác thải y tế. Lượng rác thải dự kiến sẽ tăng lên mức 23 triệu tấn/năm trong tương lai gần. Tỷ lệ thu gom rác đạt khoảng 70%, nhưng mới chỉ có 20% các bãi chôn lấp đạt tiêu chuẩn hợp vệ sinh. Các phương pháp xử lý truyền thống như chôn lấp gây lãng phí diện tích và ô nhiễm nguồn nước ngầm, trong khi phương pháp thiêu đốt đòi hỏi chi phí đầu tư lò đốt nhập khẩu rất cao (khoảng 80.000 USD/lò công suất 120 kg/h từ Trung Quốc, Đài Loan và 150.000 USD/lò từ Nhật Bản hoặc Đức).

Trước thực trạng đó, việc tận dụng nguồn rác thải khó phân hủy và phụ phẩm nông nghiệp (vỏ trấu, mùn cưa, rơm rạ, cành cây, bã thải hữu cơ) để sản xuất nhiên liệu rắn thu hồi năng lượng (Refuse Derived Fuel - RDF) là giải pháp kỹ thuật có tính thực tiễn cao. Tuy nhiên, các thiết bị ép viên công nghiệp trên thị trường chủ yếu được nhập khẩu với chi phí lớn, trong khi các cơ sở nghiên cứu trong nước (như Viện Nghiên cứu Thiết kế Chế tạo Máy Nông nghiệp, Viện Cơ điện Nông nghiệp) phần lớn mới tập trung vào máy ép thức ăn chăn nuôi hoặc phụ phẩm nông nghiệp thông thường, chưa hoàn thiện các dòng máy chuyên dụng cho rác thải rắn khó phân hủy.

Nhóm tác giả đã thực hiện đề tài tốt nghiệp với các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan công nghệ ép viên nhiên liệu từ phế thải nông nghiệp và rác thải khó phân hủy; khảo sát quy trình công nghệ tạo viên RDF.
  2. Phân tích cơ sở lý thuyết quá trình biến dạng, nén ép và điều kiện nạp liệu của vật liệu dạng thô, sợi.
  3. Lựa chọn mô hình máy, tính toán động học, thiết kế động lực học và kết cấu hệ thống máy ép viên khuôn phẳng 3 quả lô quay với năng suất thiết kế 100 kg/h.
  4. Kiểm nghiệm độ bền các chi tiết máy chính (bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng côn, trục, then, ổ lăn) bằng giải tích kết hợp mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng Autodesk Inventor.
  5. Lập quy trình công nghệ gia công và mô phỏng đường chạy dao gia công chi tiết cơ bản (trục truyền động II) trên phần mềm CAM (Mastercam X5).
  • Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ nén ép tạo hình và kết cấu máy ép viên nhiên liệu từ phế thải nông nghiệp và rác thải khó phân hủy.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu và thu thập số liệu thực tế tại Công ty Cổ phần Sản xuất và Phát triển Công nghệ Hoàng Anh (Hà Nội); tính toán thiết kế và mô phỏng gia công tại Trường Đại học Sao Đỏ (Hải Dương).
  • Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ ngày 01/8/2023 đến ngày 01/12/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng tính toán dựa trên lý thuyết nén ép vật liệu rời và giáo trình tính toán thiết kế chi tiết máy:

  • Khung lý thuyết ép tạo viên: Phân tích trạng thái biến dạng cơ học của lớp vật liệu qua 3 giai đoạn: vùng cấp liệu (mật độ $0{,}4 \div 0{,}7\text{ g/cm}^3$), vùng biến dạng ($0{,}9 \div 1{,}0\text{ g/cm}^3$), và vùng ép thành viên ($1{,}2 \div 1{,}4\text{ g/cm}^3$). Mô hình hóa sự phân bố áp suất dọc trục $P_x$ và áp suất cạnh $q_x$ trong lỗ khuôn qua phương trình vi phân biến thiên áp lực: $$\frac{dP}{d\rho} = aP + b$$ với áp suất nén cực đại $P_{\max}$ đạt từ $30 \div 40\text{ MPa}$ đến $150\text{ MPa}$, hệ số Poisson của vật liệu $\xi \approx 0{,}29 \div 0{,}31$.
  • Điều kiện nạp liệu vào vùng ép: Xác định góc ăn liệu $\alpha$ thông qua hệ số ma sát tĩnh giữa nguyên liệu với bề mặt quả lô và khuôn ($f = 0{,}1 \div 0{,}37$), thỏa mãn bất đẳng thức: $$\tan\alpha \le \frac{2f}{1 - f^2}$$ ứng với góc lấy liệu $\alpha = 10^\circ \div 40^\circ$.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Đánh giá so sánh ưu nhược điểm của các dạng máy ép viên công nghiệp (khuôn vành, khuôn phẳng, trục vít/pittông) để chọn phương án kết cấu tối ưu cho vật liệu xơ sợi.
    • Phương pháp tính toán giải tích cơ học truyền thống: Áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế cơ khí (theo giáo trình Chi tiết máy của Nguyễn Trọng Hiệp, Trịnh Chất - Lê Văn Uyển) để xác định kích thước bộ truyền đai thang, bộ truyền bánh răng côn răng nghiêng, tính trục theo độ bền mỏi và độ bền tĩnh, chọn ổ lăn côn và mối ghép then.
    • Phương pháp mô phỏng số và kiểm nghiệm CAD/CAE: Sử dụng Autodesk Inventor để dựng mô hình 3D, phân tích nội lực, biểu đồ mômen uốn - xoắn và kiểm nghiệm ứng suất tương đương.
    • Phương pháp công nghệ chế tạo CAM/CNC: Lập tiến trình công nghệ chế tạo phôi, chọn chuẩn gá đặt và xuất mã G-code mô phỏng tiện chi tiết trục II trên Mastercam X5.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thành phần rác thải rắn sinh hoạt từ các báo cáo môi trường; thông số kỹ thuật thực tế từ các mẫu máy ép viên thương mại (ZTMT, Kahl, Holyphant, Kingoro); tài liệu kỹ thuật và catalog do Công ty Cổ phần Sản xuất và Phát triển Công nghệ Hoàng Anh cung cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 – Tổng quan nghiên cứu

Chương này trình bày mục đích của công nghệ tạo viên RDF: giảm thể tích chứa $5 \div 8$ lần giúp tối ưu hóa công tác vận chuyển, lưu kho; tăng tính lưu động hỗ trợ cơ giới hóa quá trình nạp nhiên liệu cho lò đốt; và nâng cao hiệu suất nhiệt so với đốt nguyên liệu thô.

Tác giả khảo sát tình hình nghiên cứu trên thế giới: các nước Liên minh Châu Âu (EU) đặt mục tiêu giảm 35% lượng rác chôn lấp bằng cách tái chế năng lượng RDF thay thế than trong các nhà máy nhiệt điện (điển hình tại Canada sử dụng 690.000 tấn RDF). Các tập đoàn sản xuất máy ép viên tiêu biểu gồm Bliss (Mỹ), Kahl (Đức), La Meccanica (Ý), Van Aarsen (Hà Lan), Chính Xương, Kingoro, Holyphant (Trung Quốc).

Tại Việt Nam, các đơn vị đã tiếp cận công nghệ xử lý rác sinh hoạt như Nhà máy phân vi sinh Sông Kôn (Bình Định), Công ty Seraphin (sở hữu bằng độc quyền sáng chế dây chuyền xử lý rác), Nhà máy phân lân Văn Điển. Mặc dù vậy, máy ép viên nội địa chủ yếu chế tạo cho ngành thức ăn chăn nuôi, việc áp dụng cho phế thải nông nghiệp khó phân hủy và rác thải công nghiệp nhẹ vẫn phụ thuộc lớn vào thiết bị nhập khẩu đắt đỏ.

Chương 2 – Cơ sở lý thuyết nghiên cứu thiết kế

Chương 2 phân loại đối tượng nghiên cứu và xác định các thành phần của chất thải rắn sinh hoạt:

Thành phần chất thải Tỷ lệ (%)
Rác hữu cơ 41,98%
Giấy 05,27%
Nhựa, cao su 07,19%
Len, vải 01,75%
Thủy tinh 01,42%
Đá, đất sét, sành sứ 06,89%
Xương, vỏ hộp 01,27%
Kim loại 0,59%
Tạp chất mịn (< 10 mm) 33,67%
Tổng cộng 100%
Độ ẩm chất thải 40,1%
Tỷ trọng chất thải 0,380 tấn/m³

Quy trình công nghệ chế biến gồm các bước: Phân loại rác $\rightarrow$ Xử lý vật lý $\rightarrow$ Làm khô sơ bộ (độ ẩm $< 15%$) $\rightarrow$ Nghiền nhỏ $\rightarrow$ Ép viên ($30 \div 150\text{ MPa}$, nhiệt độ phát sinh $60 \div 70^\circ\text{C}$, đường kính viên $4 \div 12\text{ mm}$) $\rightarrow$ Làm nguội $\rightarrow$ Sàng phân loại $\rightarrow$ Đóng bao viên RDF thành phẩm.

Chương này đi sâu phân tích 5 yếu tố cốt lõi ảnh hưởng đến quá trình làm việc: chất lượng kết cấu khuôn và quả lô ép, áp lực ép nén cực đại, nhiệt độ buồng ép, tác động ăn mòn hóa học và hiện tượng mài mòn cơ học do cát/tạp chất. Qua so sánh kỹ thuật giữa 3 cấu hình (máy ép khuôn vành, máy ép trục vít, máy ép khuôn phẳng), nhóm tác giả quyết định chọn máy ép khuôn phẳng quả lô thẳng quay (3 quả lô) với ưu điểm: chịu được tải trọng nạp liệu không đồng đều, xử lý tốt dạng sợi/thô, kết cấu khuôn phẳng đơn giản, chi phí thay thế thấp và cho phép đảo mặt làm việc khi bị mòn.

Chương 3 – Thiết kế chế tạo máy ép và tạo hình viên

Nội dung trọng tâm của đồ án được triển khai chi tiết qua các phần tính toán cơ học và lập trình gia công:

  • Tính toán động học và chọn động cơ:
    • Chọn động cơ điện công suất $P = 22\text{ kW}$, tốc độ quay đồng bộ $n_{\text{đc}} = 1450\text{ vòng/phút}$.
    • Tốc độ trục làm việc yêu cầu: $n_{\text{lv}} = 250\text{ vòng/phút}$.
    • Tỷ số truyền toàn bộ hệ thống: $u_t = \frac{1450}{250} = 5{,}8$.
    • Phân phối tỷ số truyền: Hộp giảm tốc bánh răng côn $u_h = 4$; Bộ truyền đai thang ngoài $u_n = 1{,}45$.
    • Công suất phân bố trên các trục: Trục động cơ ($22\text{ kW}$), Trục I ($20{,}9\text{ kW}$), Trục II ($19{,}65\text{ kW}$), Trục công tác ($19{,}45\text{ kW}$).
  • Thiết kế bộ truyền đai thang:
    • Loại đai: Đai thang thường loại B; số đai $z = 4$.
    • Đường kính bánh đai: $d_1 = 250\text{ mm}$, $d_2 = 360\text{ mm}$.
    • Khoảng cách trục: $a = 518\text{ mm}$; chiều dài đai tiêu chuẩn: $L = 2000\text{ mm}$.
    • Vận tốc đai: $v = 19{,}72\text{ m/s}$ ($< v_{\max} = 25\text{ m/s}$); góc ôm bánh nhỏ: $\alpha_1 = 167{,}895^\circ$.
    • Lực căng ban đầu: $F_0 = 453\text{ N}$; lực tác dụng lên trục: $F_r = 3603{,}8\text{ N}$.
  • Thiết kế bộ truyền bánh răng côn răng nghiêng:
    • Vật liệu: Thép 40X thấm cacbon và tôi cải thiện (Bánh nhỏ độ rắn $48\text{ HRC}$, bánh lớn $45\text{ HRC}$; $\sigma_b = 650\text{ MPa}$, $\sigma_{\text{ch}} = 400\text{ MPa}$).
    • Thông số hình học: Chiều dài côn ngoài $R_e = 138{,}042\text{ mm}$; môđun pháp trung bình $m_{nm} = 4\text{ mm}$; chiều rộng vành răng $b = 34{,}51\text{ mm}$; góc nghiêng răng $\beta_m = 35^\circ$.
    • Số răng: $z_1 = 12$, $z_2 = 48$; góc côn chia $\delta_1 = 14{,}03^\circ$, $\delta_2 = 75{,}97^\circ$.
    • Lực ăn khớp: Lực vòng $F_{t1} = 6813{,}28\text{ N}$; lực hướng tâm $F_{r1} = F_{a2} = 1780{,}44\text{ N}$; lực dọc trục $F_{a1} = F_{r2} = 3450{,}48\text{ N}$.
    • Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc ($\sigma_H \le [\sigma_H]$) và độ bền uốn ($\sigma_F \le [\sigma_F]$) đều thỏa mãn.
  • Tính toán kết cấu trục, then, ổ lăn và vỏ hộp:
    • Tính toán phản lực gối đỡ, mômen tương đương và xác định đường kính tại các tiết diện nguy hiểm trên Trục I, Trục II và Trục III.
    • Chọn ổ lăn côn chịu tải trọng hướng tâm kết hợp tải trọng dọc trục cho toàn bộ hệ thống trục.
    • Chọn then bằng và kiểm nghiệm điều kiện bền dập, bền cắt tại các vị trí lắp bánh đai, bánh răng và khớp nối.
    • Thiết kế vỏ hộp giảm tốc đúc, nắp cửa thăm, nút thông hơi, que thăm dầu và vòng chắn dầu.
  • Lập trình và mô phỏng gia công chi tiết Trục II:
    • Phân tích chức năng làm việc, chọn phôi rèn thép hợp kim.
    • Thiết lập chuẩn công nghệ (chuẩn thô, chuẩn tinh), tiến trình gia công tiện các đoạn trục và phay rãnh then.
    • Xuất chương trình G-code và mô phỏng đường chạy dao hoàn chỉnh trên Mastercam X5.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật

Hệ thống thông số kỹ thuật chính của máy ép viên nhiên liệu năng suất 100 kg/h được tổng hợp trong các bảng sau:

Bảng thông số kỹ thuật tổng thể của máy ép viên

Danh mục thông số Đơn vị Giá trị thiết kế
Năng suất thiết kế kg/h 100
Công suất động cơ điện kW 22
Tốc độ quay trục động cơ vòng/phút 1450
Tốc độ quay đĩa khuôn/quả lô vòng/phút 250
Đường kính khuôn ép phẳng mm 390
Chiều dày khuôn ép mm 35
Đường kính lỗ khuôn ép mm 6
Tổng số lỗ thoát trên khuôn lỗ 1450
Đường kính ngoài quả lô ép mm 150
Số lượng quả lô ép quả 3
Lực ép dọc trục trên đĩa khuôn N 175

Bảng tổng hợp kích thước bộ truyền bánh răng côn

Thông số hình học Ký hiệu Đơn vị Kết quả tính toán
Chiều dài côn ngoài $R_e$ mm 138,042
Môđun pháp trung bình $m_{nm}$ mm 4,0
Chiều rộng vành răng $b$ mm 34,51
Tỷ số truyền thực $u$ - 4,0
Góc nghiêng của răng $\beta_m$ độ $35^\circ$
Số răng bánh chủ động / bị động $z_1 / z_2$ răng 12 / 48
Hệ số dịch chỉnh chiều cao $x_1 / x_2$ - 0,5 / -0,5
Đường kính vòng chia ngoài $d_{e1} / d_{e2}$ mm 66,96 / 267,84
Đường kính vòng trung bình $d_{m1} / d_{m2}$ mm 58,59 / 234,36
Góc côn chia $\delta_1 / \delta_2$ độ $14{,}03^\circ$ / $75{,}97^\circ$
Chiều cao răng ngoài $h_e$ mm 10,26
Đường kính đỉnh răng ngoài $d_{ae1} / d_{ae2}$ mm 79,37 / 269,17

Quá trình kiểm nghiệm độ bền bộ truyền bánh răng, trục truyền động và chốt then được thực hiện đối sánh trực tiếp giữa phương pháp giải tích truyền thống và mô-đun phân tích kết cấu trên phần mềm Autodesk Inventor, xác nhận hệ thống hoạt động ổn định dưới tải trọng làm việc định mức.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả tính toán thiết kế: Hoàn thành bộ hồ sơ tính toán động học, động lực học và độ bền cho máy ép viên phẳng 3 quả lô năng suất $100\text{ kg/h}$ sử dụng động cơ $22\text{ kW}$. Tất cả các bộ phận truyền động (đai thang 4 sợi bản B, hộp giảm tốc bánh răng côn răng nghiêng tỷ số truyền $u=4$, hệ thống trục và gá đỡ ổ lăn) đều thỏa mãn chỉ tiêu về độ bền tiếp xúc, độ bền uốn và độ bền mỏi.
  • Kết quả mô phỏng CAD/CAM: Xây dựng mô hình 3D tổng thể và bản vẽ phân rã chi tiết máy trên Autodesk Inventor; xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ gia công chi tiết Trục II với đầy đủ hệ thống mã lệnh CNC (G-code) tiện mặt đầu, tiện trụ ngoài và phay rãnh then trên Mastercam X5.
  • Đóng góp kỹ thuật: Đề xuất giải pháp máy ép viên khuôn phẳng 3 quả lô kết hợp dẫn động bánh răng côn, thích ứng chuyên biệt cho các loại phế phẩm nông nghiệp dạng sợi thô và rác thải khó phân hủy; giảm thiểu hiện tượng nghẽn liệu và vỡ viên so với máy ép khuôn vành nhập khẩu; cung cấp tài liệu kỹ thuật làm cơ sở chế tạo nội địa hóa thiết bị xử lý chất thải với giá thành cạnh tranh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các kết quả tính toán độ bền, phân bố áp suất và đường chạy dao gia công mới dừng lại ở mức độ giải tích lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm (Autodesk Inventor, Mastercam X5), chưa có điều kiện chế tạo thực nghiệm toàn bộ máy hoàn chỉnh để đo đạc chính xác độ rung động, nhiệt độ thực tế và mức độ mài mòn cơ học theo thời gian.
  • Hướng phát triển: Chế tạo mẫu thử nghiệm thực tế tại xưởng của Công ty Hoàng Anh; tiến hành ép thử nghiệm đa dạng các nguồn vật liệu (phế thải da giày, nilon, vỏ trấu, rơm rạ) ở các tỷ lệ phối trộn và độ ẩm khác nhau để tối ưu hóa năng suất và tuổi thọ khuôn ép; nghiên cứu tích hợp hệ thống làm mát cưỡng bức cho cụm ổ lăn và khuôn ép.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo giá trị cho:

  • Sinh viên ngành Cơ khí, Cơ điện tử và Máy nông nghiệp: Tham khảo quy trình tính toán hệ thống dẫn động cơ khí hoàn chỉnh (tính chọn động cơ, bộ truyền đai thang, bộ truyền bánh răng côn răng nghiêng, tính toán trục theo mômen tương đương, chọn then và ổ lăn côn).
  • Kỹ sư thiết kế thiết bị chế biến phế phụ phẩm: Sử dụng các công thức giải tích nén ép vật liệu rời, xác định điều kiện góc ăn liệu $\alpha$, tính chọn thông số đĩa khuôn phẳng (đường kính $390\text{ mm}$, 1450 lỗ $\phi 6\text{ mm}$) và cơ cấu 3 quả lô quay.
  • Kỹ thuật viên lập trình gia công CNC: Tham khảo tiến trình công nghệ gá đặt và các đoạn chương trình G-code mô phỏng gia công trục bậc trên Mastercam X5.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn cấu hình máy ép khuôn phẳng 3 quả lô quay thay vì máy ép khuôn vành?
Máy ép khuôn phẳng có góc nạp liệu lớn hơn, giúp tiếp nhận và ép hiệu quả các loại rác thải dạng thô xơ có kích thước không đồng đều. Ngoài ra, khuôn phẳng dễ chế tạo, chi phí thấp hơn, thao tác căn chỉnh khe hở lô - khuôn đơn giản, viên rơi tự do theo phương đứng ít bị vỡ và bề mặt khuôn phẳng có thể đảo mặt khi bị mòn.

2. Động cơ và tỷ số truyền tổng của hệ thống được tính toán như thế nào?
Máy sử dụng động cơ điện $22\text{ kW}$ tốc độ $1450\text{ vòng/phút}$. Tốc độ làm việc của trục chính là $250\text{ vòng/phút}$, tương ứng tỷ số truyền tổng $u_t = 5{,}8$. Tỷ số truyền được phân bổ cho bộ truyền đai thang ngoài ($u_n = 1{,}45$) và hộp giảm tốc bánh răng côn bên trong ($u_h = 4$).

3. Kích thước và thông số làm việc của đĩa khuôn ép là bao nhiêu?
Đĩa khuôn phẳng có đường kính ngoài $390\text{ mm}$, chiều dày $35\text{ mm}$, trên bề mặt bố trí 1450 lỗ ép với đường kính mỗi lỗ là $6\text{ mm}$. Hệ thống gồm 3 quả lô ép dạng trụ thẳng có đường kính ngoài $150\text{ mm}$, tạo lực ép dọc trục tác dụng lên đĩa là $175\text{ N}$.

4. Điều kiện góc lấy liệu để quá trình ép viên xảy ra là gì?
Quá trình ép viên yêu cầu góc lấy liệu $\alpha$ phải thỏa mãn công thức $\tan\alpha \le \frac{2f}{1 - f^2}$. Với hệ số ma sát của phụ phẩm nông nghiệp $f = 0{,}1 \div 0{,}37$, góc nạp liệu cho phép nằm trong khoảng từ $10^\circ$ đến $40^\circ$.

5. Vật liệu chế tạo và độ rắn của cặp bánh răng côn trong hộp giảm tốc là gì?
Cặp bánh răng côn sử dụng thép hợp kim 40X thấm cacbon và tôi cải thiện. Bánh chủ động nhỏ đạt độ rắn $48\text{ HRC}$ ($\text{HB} = 460\text{ MPa}$), bánh bị động lớn đạt độ rắn $45\text{ HRC}$ ($\text{HB} = 425\text{ MPa}$), giới hạn bền kéo $\sigma_b = 650\text{ MPa}$ và giới hạn chảy $\sigma_{\text{ch}} = 400\text{ MPa}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Bùi Xuân Bộ và Nguyễn Văn Chung đã giải quyết trọn vẹn bài toán nghiên cứu công nghệ và thiết kế máy ép viên nhiên liệu rắn RDF từ phế thải nông nghiệp năng suất $100\text{ kg/h}$. Toàn bộ các thông số động học, truyền động đai, bánh răng côn, trục và ổ lăn đều được tính toán giải tích chuẩn xác và kiểm chứng đồng bộ trên phần mềm Autodesk Inventor. Đề tài đóng góp một giải pháp thiết kế cơ khí hoàn chỉnh, có tính khả thi cao phục vụ nhu cầu chế tạo thiết bị tái chế chất thải rắn trong nước.