Giới thiệu dự án

Theo thống kê từ Bộ Tài nguyên và Môi trường, Việt Nam phát sinh hơn 15 triệu tấn chất thải rắn mỗi năm (trong đó rác thải sinh hoạt chiếm 2,7 triệu tấn, chất thải công nghiệp 130.000 tấn và phế phẩm nông nghiệp chiếm trên 45.000 tấn). Dự báo con số này sẽ sớm vượt ngưỡng 23 triệu tấn/năm. Phần lớn lượng phế thải này hiện vẫn được xử lý bằng hình thức chôn lấp (hơn 70%) hoặc đốt thủ công, gây lãng phí tài nguyên sinh khối và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong khi đó, các thiết bị sản xuất viên nhiên liệu rắn (Refuse Derived Fuel - RDF) nhập khẩu từ Đức, Nhật Bản hay Đài Loan có giá thành rất cao (từ 80.000 USD đến 150.000 USD/máy công suất nhỏ), vượt quá khả năng đầu tư của các doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước.

Đề tài “Nghiên cứu công nghệ, thiết kế máy ép viên từ phế thải nông nghiệp năng suất 100kg/h tại Công ty Cổ phần Sản xuất và Phát triển Công nghệ Hoàng Anh - Hà Nội” (thực hiện bởi nhóm sinh viên Bùi Xuân Bộ, Nguyễn Văn Chung; hướng dẫn bởi ThS. Tạ Hồng Phong, Khoa Cơ khí - Trường Đại học Sao Đỏ) giải quyết trực tiếp bài toán nội địa hóa thiết bị ép viên sinh khối chất lượng cao với chi phí tối ưu.

                  SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN VIÊN NĂNG LƯỢNG (RDF)
                  
  [Phế phẩm Nông nghiệp] ──> [Phân loại & Làm khô (Độ ẩm <15%)] ──> [Nghiền nhỏ (<5mm)]
                                                                           │
  [Thành phẩm Viên RDF] <── [Đóng bao] <── [Làm nguội & Sàng lọc] <── [Máy ép khuôn phẳng]

Mục tiêu dự án

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết nén ép sinh khối: Xác lập phương trình cân bằng áp suất, điều kiện ma sát và lực biến dạng vật liệu trong lỗ khuôn.
  2. Tính toán và thiết kế cơ khí hoàn chỉnh: Thiết kế hệ thống dẫn động, hộp giảm tốc bánh răng côn và cụm đầu ép 3 quả lô khuôn phẳng đạt năng suất định mức 100 kg/h.
  3. Mô phỏng và kiểm nghiệm ứng suất: Sử dụng phần mềm CAD/CAE chuyên dụng (Autodesk Inventor) để kiểm nghiệm bền tĩnh và động học cho trục, bánh răng và bộ truyền đai.
  4. Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết điển hình: Lập trình CAM và xuất mã G-code gia công trục truyền động trên máy tiện CNC sử dụng Mastercam.

Phạm vi và giới hạn

  • Vật liệu xử lý: Phế thải nông nghiệp và công nghiệp nhẹ (vỏ trấu, mùn cưa, rơm rạ, giấy vụn, vải vụn da giày) đã qua nghiền nhỏ kích thước hạt $\le 5\text{ mm}$ và độ ẩm $\le 15%$.
  • Năng suất thiết kế: $100\text{ kg/h}$ liên tục.
  • Kích thước sản phẩm viên: Đường kính tiêu chuẩn $\Phi 6\text{ mm}$, chiều dài $15 - 30\text{ mm}$, khối lượng riêng $1{,}2 - 1{,}4\text{ g/cm}^3$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí so sánh Máy ép khuôn vành (Ring Die) Máy ép trục vít (Screw Press) Máy ép khuôn phẳng 3 lô (Flat Die - Giải pháp đề xuất)
Khả năng nạp liệu Kém với sợi thô, cần cấp ẩm liên tục Khá, nhưng ma sát trượt sinh nhiệt cao Rất tốt với vật liệu dạng sợi, thô nhờ phễu đứng
Tốc độ mài mòn Trung bình, khuôn khó chế tạo Rất nhanh mòn trục vít đùn Thấp - vừa; khuôn phẳng đảo mặt tái sử dụng được
Độ phức tạp chế tạo Rất cao (yêu cầu máy khoan chuyên dụng) Trung bình (tiện ren côn khó) Tiêu chuẩn (dễ chế tạo trên máy phay, khoan CNC)
Chi phí bảo trì Cao (thay thế nguyên vành đắt tiền) Thường xuyên đắp/hàn phục hồi Thấp (chỉ cần lật mặt khuôn hoặc tiện lại rãnh lô)
Độ đồng đều sản phẩm Cao ($1{,}3\text{ g/cm}^3$) Không đều, lõi dễ rỗng Rất cao ($1{,}2 - 1{,}4\text{ g/cm}^3$), ít sinh bụi

Yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW

  • Must have: Động cơ điện $22\text{ kW}$ ($1450\text{ vòng/phút}$), tỷ số truyền tổng $u_t = 5{,}8$, cụm 3 quả lô quay quanh đĩa khuôn tĩnh $\Phi 390\text{ mm}$, lỗ ép $\Phi 6\text{ mm}$.
  • Should have: Hộp giảm tốc bánh răng côn răng nghiêng liền khối trục đứng truyền lực êm; cơ cấu dao cắt điều chỉnh độ dài viên tự động.
  • Could have: Bộ làm mát dầu tuần hoàn cho hộp số khi chạy tải nặng liên tục 24/7.
  • Won't have (lần này): Hệ thống cấp ẩm bằng hơi nước bão hòa tự động.

Thiết kế hệ thống

Sơ đồ động học và bố trí truyền động

Hệ thống dẫn động chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ điện nằm ngang sang trục công tác thẳng đứng mang cụm 3 quả lô ép:

$$\text{Động cơ } (22\text{ kW}, 1450\text{ v/p}) \xrightarrow{\text{Bộ truyền đai thang } (u_n=1{,}45)} \text{Trục I } (1000\text{ v/p}) \xrightarrow{\text{HGT bánh răng côn } (u_h=4{,}0)} \text{Trục II } (250\text{ v/p}) \rightarrow \text{Đĩa 3 quả lô ép}$$

                SƠ ĐỒ TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ HỆ THỐNG
                
  +------------------+         Đai thang B (4 sợi)        +------------------+
  |  Động cơ 22 kW   | =================================> |  Trục vào HGT I  |
  |   (1450 v/ph)    |          (u_n = 1.45)              |   (1000 v/ph)    |
  +------------------+                                    +--------+---------+
                                                                   |
                                                                   | Cặp bánh răng côn
                                                                   | (u_h = 4.0, z1=12, z2=48)
                                                                   v
  +------------------+         Khớp nối trục đàn hồi      +------------------+
  | Đĩa 3 Quả Lô Ép  | <================================= |  Trục ra HGT II  |
  |    (250 v/ph)    |                                    |    (250 v/ph)    |
  +--------+---------+                                    +------------------+
           |
           v
  +------------------+
  |  Khuôn Phẳng     | ===> Viên nén RDF thành phẩm (Phi 6mm)
  | (D390, 1450 lỗ)  |
  +------------------+

Technology Stack & Vật liệu chế tạo

  • Phần mềm thiết kế & mô phỏng: Autodesk Inventor Professional 2023 (Module Design Accelerator & FEA Stress Analysis).
  • Phần mềm lập trình gia công CAM: Mastercam X5 / Mastercam Mill-Turn.
  • Vật liệu chế tạo chi tiết chịu tải:
    • Bánh răng côn chủ động/bị động: Thép hợp kim $40\text{X}$ thấm cacbon, tôi cải thiện bề mặt đạt độ cứng $45 - 55\text{ HRC}$, $[\sigma_H] = 500\text{ MPa}, [\sigma_F] = 314\text{ MPa}$.
    • Trục truyền động (Trục I, Trục II): Thép $45$ tôi cải thiện, giới hạn bền $\sigma_b = 600\text{ MPa}$.
    • Khuôn ép và vỏ quả lô ép: Thép hợp kim chịu mài mòn cao $9\text{XC}$ hoặc $\text{Cr}12\text{MoV}$ tôi thể tích đạt $58 - 62\text{ HRC}$.

Methodology

Dự án áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật tích hợp CAD/CAM/CAE kết hợp thực nghiệm:

[Khảo sát thông số nguyên liệu RDF]
                 │
                 ▼
[Tính toán cơ học tiếp xúc & Động học máy]
                 │
                 ▼
[Dựng mô hình 3D Solid & Kiểm nghiệm CAE (Inventor)]
                 │
                 ▼
[Lập trình CAM & Tối ưu đường chạy dao G-code (Mastercam)]
                 │
                 ▼
[Chế tạo chi tiết, Lắp ráp & Chạy thử tải tại NM Hoàng Anh]

Implementation và kết quả

Development process

Cơ sở tính toán động lực học quá trình ép

Quá trình nén vật liệu từ dạng xốp rời ($\rho_0 = 0{,}4 - 0{,}7\text{ g/cm}^3$) thành viên cứng ($\rho = 1{,}2 - 1{,}4\text{ g/cm}^3$) tạo áp suất cực đại lên tới $P_{\max} = 30 - 40\text{ MPa}$. Phương trình phân bố áp suất dọc trục trong lỗ khuôn:

$$P_1 = \left( P + \frac{q_{dc}}{\xi} \right) \exp\left[ -f\xi \left(\frac{C}{S}\right)(L-H) \right] - \frac{q_{dc}}{\xi}$$

Điều kiện tự kéo vật liệu vào vùng nén giữa quả lô và mặt khuôn:

$$\tan\alpha \le \frac{2f}{1 - f^2}$$

Với hệ số ma sát giữa phế thải nông nghiệp và khuôn thép $f = 0{,}37 \div 0{,}40$, góc nạp liệu cho phép $\alpha = 10^\circ \div 40^\circ$.

# Script Python kiểm nghiệm các thông số hình học bộ truyền bánh răng côn
import math

def calculate_bevel_gear(P_kw, n1, u, material_hrc=48):
    T1 = 9.55e6 * (P_kw / n1) # Momen xoắn N.mm
    z1 = 12
    z2 = int(z1 * u)
    delta1 = math.degrees(math.atan(z1 / z2))
    delta2 = 90 - delta1
    
    # Mô đun pháp trung bình mnm (tiêu chuẩn)
    mnm = 4.0
    beta_m = 35.0 # Góc nghiêng răng (độ)
    mtm = mnm / math.cos(math.radians(beta_m))
    dm1 = z1 * mtm
    Re = 0.5 * mtm * math.sqrt(z1**2 + z2**2)
    b = 0.25 * Re # Chiều rộng vành răng
    
    print(f"[*] Momen xoan T1: {T1:.2f} N.mm")
    print(f"[*] So rang z1={z1}, z2={z2} | Ty so truyen u={u}")
    print(f"[*] Chieu dai con ngoai Re: {Re:.3f} mm")
    print(f"[*] Chieu rong vanh rang b: {b:.2f} mm")
    print(f"[*] Goc con chia delta1: {delta1:.2f} do, delta2: {delta2:.2f} do")

calculate_bevel_gear(P_kw=20.9, n1=1000, u=4)

Bảng thông số tính toán cơ khí hoàn chỉnh

Cụm kết cấu Thông số danh định Giá trị tính toán lý thuyết Kết quả kiểm nghiệm Inventor Đánh giá an toàn
Bộ truyền đai Loại đai / Số lượng sợi Đai thang thường B / 4 sợi Chiều dài đai $L=2000\text{ mm}$ Đạt ($v = 19{,}72\text{ m/s} \le 25\text{ m/s}$)
Khoảng cách trục / Góc ôm $a = 518\text{ mm} / \alpha_1 = 167{,}9^\circ$ Lực căng $F_0 = 453\text{ N}$ Đạt tiêu chuẩn
Bánh răng côn Mô đun pháp / Góc nghiêng $m_{nm} = 4\text{ mm} / \beta_m = 35^\circ$ Chiều dài côn $R_e = 138{,}04\text{ mm}$ Đạt tiêu chuẩn
Ứng suất tiếp xúc sinh ra $\sigma_H = 432{,}4\text{ MPa}$ $[\sigma_H] = 500\text{ MPa}$ Thỏa mãn bền tiếp xúc ($\sigma_H \le [\sigma_H]$)
Ứng suất uốn sinh ra $\sigma_{F1} = 68{,}4\text{ MPa}$ $[\sigma_{F1}] = 314\text{ MPa}$ Thỏa mãn bền uốn ($\sigma_{F1} \le [\sigma_F]$)
Khuôn & Lô ép Đường kính / Số lượng $D_{khuon} = 390\text{ mm} / 3\text{ lô}$ Lực ép pháp tuyến $Q = 175\text{ N}$ Đạt độ bền kết cấu

Đoạn trích mã gia công CNC (G-code) tiện Trục II trên Mastercam X5

%
O0002 (GIA CONG TRUC II - MAY EP VIEN RDF)
(MATERIAL: THEP C45 - PHIEU 85x360)
G21 G40 G97 G99 G80
G28 U0. W0.
T0101 (DAO TIEN NGOAI THO - R0.8)
G96 S180 M03
G00 X85. Z2. M08
G71 U2.0 R0.5
G71 P100 Q110 U0.5 W0.1 F0.25
N100 G00 X45.0
G01 Z0. F0.15
X50.0 Z-2.5
Z-65.0
X60.0 Z-68.0
Z-145.0
X75.0
Z-220.0
N110 X85.0
G70 P100 Q110 F0.12 (TIEN TINH BE MAT TRUC)
G00 X150. Z100. M09
M05
G28 U0. W0.
M30
%

Testing và validation

  1. Kiểm nghiệm mô-men uốn và phản lực gối đỡ: Phân tích ứng suất tập trung tại các vị trí lắp ổ lăn côn trên Trục I và Trục II bằng Autodesk Inventor FEA. Hệ số an toàn bề mặt trục đạt $s = 2{,}85 \ge [s] = 1{,}5$.
  2. Thử nghiệm vận hành thực tế tại nhà máy Hoàng Anh:
    • Nguyên liệu thử nghiệm: Hỗn hợp rơm rạ nghiền vụn ($60%$) + mùn cưa ($30%$) + bột da giày thải ($10%$), độ ẩm $13{,}5%$.
    • Năng suất ép thực tế: Đạt $104{,}2\text{ kg/h}$ (vượt $4{,}2%$ so với chỉ tiêu $100\text{ kg/h}$).
    • Tỷ lệ hao hụt / vụn nát sau sàng rung: $<3{,}8%$.

Đổi mới và đóng góp

  • Cấu hình 3 quả lô đối xứng lực: Giảm $35%$ ứng suất uốn cục bộ tác động lên trục chính so với kết cấu 2 quả lô truyền thống, giúp máy triệt tiêu rung động và hoạt động ổn định ở dải công suất lớn.
  • Khuôn phẳng thiết kế đảo mặt: Cho phép lật mặt đáy sử dụng khi bề mặt trên bị mòn sau $800 - 1000$ giờ làm việc, tăng gấp đôi tuổi thọ làm việc của đĩa khuôn mà không phát sinh thêm chi phí chế tạo.
  • Hệ thống truyền động trực giao góc $90^\circ$ qua cặp bánh răng côn: Giúp bố trí động cơ nằm ngang song song mặt sàn, hạ thấp trọng tâm máy, giảm độ ồn xuống dưới $78\text{ dB}$ và hạn chế hiện tượng rung lắc bệ máy.
  • Giá thành nội địa hóa tối ưu: Chi phí gia công chế tạo hoàn thiện ước tính chỉ khoảng $45 - 55$ triệu VNĐ, giảm hơn $70%$ so với việc nhập khẩu dòng máy tương đương công suất từ Trung Quốc hay Châu Âu.

Ứng dụng thực tế và triển khai

                              MÔ HÌNH TRIỂN KHAI THỰC TẾ
                              
  [Cơ sở Nông nghiệp/Nhà máy Da giày] ──> [Thu gom Phế thải tại chỗ]
                                                    │
                                                    ▼
  [Lò hơi Công nghiệp / Nhà máy Xi măng] <── [Viên RDF 4200 kcal/kg] <── [Cụm Máy Ép 100kg/h]

Trường hợp ứng dụng

  • Tận dụng phế phẩm nông nghiệp nông thôn: Đặt trực tiếp tại các xưởng xay xát lúa gạo, xưởng cưa để ép trấu viên, mùn cưa viên phục vụ sấy nông sản.
  • Đồng xử lý rác công nghiệp nhẹ: Ứng dụng tại các làng nghề may mặc, da giày (Hải Dương, Hưng Yên, Hà Nội) để nén vụn da vụn vải thành viên đốt cấp nhiệt cho lò hơi công nghiệp.

Đánh giá hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí đầu tư thiết bị: ~50.000.000 VNĐ.
  • Chi phí vận hành (Điện $22\text{ kWh} \times 2.000\text{ đ} + \text{Nhân công}): ~650.000 VNĐ/tấn thành phẩm.
  • Giá bán viên RDF/mùn cưa nén: $1.600.000 - 2.000.000\text{ VNĐ/tấn}$.
  • Lợi nhuận gộp: $\approx 950.000\text{ VNĐ/tấn}$. Với công suất chạy 8h/ngày ($0{,}8\text{ tấn/ngày}$), thời gian hoàn vốn đầu tư chỉ từ 3 đến 4 tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Chưa tích hợp biến tần điều khiển tốc độ cấp phôi tự động theo dòng tải của động cơ điện.
  • Khe hở giữa quả lô và mặt khuôn vẫn phải căn chỉnh bằng cơ cấu ốc siết thủ công.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu phủ lớp gốm Ceramic hoặc thấm Nitơ plasma bề mặt đĩa khuôn để nâng cao khả năng chịu mài mòn cát sạn lên $2000$ giờ làm việc.
  • Tích hợp cảm biến nhiệt độ ổ bi và rơ-le dòng thông minh (PLC/Arduino) nhằm tự động ngắt máy khi có dị vật kim loại lọt vào buồng ép.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Giảng viên ngành Cơ khí: Cung cấp tài liệu mẫu hoàn chỉnh về chu trình thiết kế máy cơ khí thực tế (từ tính toán giải tích, mô phỏng 3D đến lập trình gia công CAM CNC).
  • Kỹ sư thiết kế chế tạo: Tham khảo bộ thông số hình học chi tiết của cặp bánh răng côn xoắn, các công thức kiểm nghiệm bền then, ổ lăn và trục trong điều kiện tải nặng.
  • Chủ xưởng sản xuất & Doanh nghiệp chế biến: Tiếp cận giải pháp công nghệ chế tạo máy tự chủ trong nước với suất đầu tư thấp, bảo trì nhanh chóng và thu hồi vốn nhanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn điện và mặt bằng lắp đặt máy ép viên 100kg/h là gì?

Máy sử dụng động cơ điện $22\text{ kW}$ nên yêu cầu nguồn điện 3 pha công nghiệp ($380\text{V} / 50\text{Hz}$) với attomat bảo vệ từ $60\text{A}$ trở lên. Diện tích mặt bằng lắp đặt tối thiểu là $3\text{m} \times 2\text{m}$, nền xưởng bê tông mác 200 dày tối thiểu $150\text{ mm}$ để bắt bulông nở cố định chân đế máy.

2. Có thể ép được rác thải nhựa hoặc túi nilon không?

Máy có thể ép nén được túi nilon, màng PE/PP vụn khi được phối trộn cùng mùn cưa hoặc rơm rạ theo tỷ lệ thích hợp (nilon không quá $20%$). Nhiệt lượng sinh ra trong buồng ép ($60 - 70^\circ\text{C}$) sẽ hỗ trợ làm mềm nhẹ bề mặt nhựa, tạo chất kết dính tự nhiên giúp viên nén liên kết chặt chẽ hơn mà không cần keo phụ gia.

3. Tần suất bảo dưỡng và thay thế linh kiện mòn định kỳ như thế nào?

  • Sau mỗi 8 giờ chạy máy: Bơm mỡ bôi trơn chịu nhiệt vào các gối đỡ trục quả lô ép.
  • Sau 500 giờ: Kiểm tra độ chùng dây đai thang và châm thêm dầu bôi trơn bánh răng công nghiệp (độ nhớt ISO VG 220/320) trong hộp giảm tốc.
  • Sau 800 - 1000 giờ: Đảo mặt đĩa khuôn phẳng hoặc thay mới vòng bi cụm quả lô.

4. Máy có hiện tượng kẹt liệu không và cách xử lý sự cố kẹt khuôn?

Hiện tượng kẹt liệu có thể xảy ra khi nguyên liệu nạp vào có độ ẩm vượt quá $18%$ hoặc có lẫn đá, sỏi, mạt sắt lớn. Khi bị kẹt, rơ-le nhiệt tủ điện sẽ tự ngắt để bảo vệ động cơ. Cách xử lý: ngắt nguồn điện, mở nắp cửa thăm buồng ép, dùng dụng cụ đục thông các lỗ ép bị tắc bằng hỗn hợp cám khô trộn dầu ăn trước khi khởi động lại.

5. Chi phí đầu tư chế tạo trọn gói và thời gian hoàn vốn thực tế?

Tổng chi phí vật tư và gia công hoàn chỉnh chiếc máy này dao động từ 45 đến 55 triệu đồng (tùy thời điểm giá thép). Với sản lượng trung bình $800\text{ kg/ngày}$ và mức chênh lệch giá bán viên RDF thành phẩm, cơ sở sản xuất có thể hoàn vốn toàn bộ máy trong vòng 90 - 120 ngày hoạt động liên tục.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu công nghệ, thiết kế máy ép viên từ phế thải nông nghiệp năng suất 100kg/h” đã hoàn thành toàn diện các nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật đặt ra: xây dựng mô hình tính toán giải tích tin cậy, tối ưu hóa kết cấu máy ép khuôn phẳng 3 quả lô, kiểm nghiệm bền chi tiết bằng phần mềm Autodesk Inventor và lập trình gia công CNC trục trên Mastercam X5. Kết quả chế tạo thực tế tại Công ty Cổ phần Sản xuất và Phát triển Công nghệ Hoàng Anh minh chứng tính khả thi cao, góp phần giải quyết bài toán môi trường và mang lại giá trị gia tăng kinh tế lớn cho chuỗi xử lý sinh khối tại Việt Nam.