Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngành sản xuất vật liệu xây dựng, các doanh nghiệp đã chuyển đổi phương thức sản xuất từ thủ công và bán cơ giới sang cơ giới hóa, tự động hóa nhằm nâng cao năng suất, chất lượng cốt liệu và hiệu quả kinh tế. Tổ hợp trạm nghiền sàng đóng vai trò then chốt tại các công trường xây dựng, công trình giao thông, đường sắt, thủy điện và các trạm sản xuất vật liệu nhằm gia công đá nguyên khai sau nổ mìn thành các sản phẩm đá dăm có kích thước tiêu chuẩn, đồng thời làm sạch và loại bỏ tạp chất.
Đề tài "Thiết kế trạm nghiền sàng sản xuất đá dăm xây dựng" do sinh viên Nguyễn Ngọc Anh thực hiện dưới sự hướng dẫn của GS. Trần Văn Tuấn (Bộ môn Máy Xây dựng, Khoa Cơ khí Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng) giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:
- Lập và mô tả sơ đồ dây chuyền công nghệ của trạm nghiền sàng; tính toán lựa chọn và bố trí đồng bộ các thiết bị trong dây chuyền.
- Mô tả cấu tạo, nguyên lý làm việc và các thông số cơ bản của thiết bị máy chính được chỉ định thiết kế: Máy nghiền má lắc phức tạp.
- Tính toán các thông số hình học, động học, động lực học, năng suất, công suất động cơ và số vòng quay của máy thiết kế.
- Xác định các đặc điểm vận hành, bảo dưỡng và quy trình sửa chữa thiết bị.
Đối tượng và phạm vi thiết kế:
- Đối tượng nghiên cứu: Dây chuyền công nghệ trạm nghiền sàng đá dăm công suất lớn và kết cấu máy nghiền má lắc phức tạp.
- Phạm vi thông số kỹ thuật ban đầu:
- Năng suất yêu cầu của trạm: $Q = 135 \text{ m}^3/\text{h}$.
- Kích thước đá nạp lớn nhất: $D_{\max} = 720 \text{ mm}$.
- Đặc tính cơ lý của đá: Cường độ nén $\sigma_n = 140 \text{ MN/m}^2$ ($14000 \text{ N/cm}^2$), mô đun đàn hồi $E = 58000 \text{ MN/m}^2$, khối lượng riêng tiêu chuẩn $2100 \text{ kg/m}^3$.
- Yêu cầu sản phẩm đá dăm đầu ra: Kích thước $d_{\max} = 40 \text{ mm}$, phân loại thành 4 nhóm kích cỡ hạt: $(0 \div 5) \text{ mm}$, $(5 \div 10) \text{ mm}$, $(10 \div 20) \text{ mm}$ và $(20 \div 40) \text{ mm}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế
Đồ án ứng dụng các nguyên lý cơ học máy xây dựng, lý thuyết đập vỡ vật liệu rắn và phương pháp sàng phân loại hạt khoáng sản:
- Khung lý thuyết và tiêu chuẩn tra cứu: Sử dụng các công thức giải tích và hệ số thực nghiệm từ Sổ tay Máy Xây dựng, tài liệu chuyên ngành Máy sản xuất vật liệu và cấu kiện xây dựng, cùng đồ thị đường cong tỷ lệ ra đá dăm đối với đá có độ bền nén $\sigma_n = 8000 \div 15000 \text{ N/cm}^2$.
- Phương pháp xác định năng suất tính toán: Tính toán năng suất dây chuyền qua hệ số nạp không đều ($k = 1,1$) và hệ số sử dụng thời gian ($k_{sd} = 0,95$):
$$Q_t = \frac{Q \cdot k}{k_{sd}} = \frac{135 \cdot 1,1}{0,95} \approx 157 \text{ m}^3/\text{h}$$
- Phương pháp đánh giá và lựa chọn thiết bị: Sử dụng chỉ số kinh tế - kỹ thuật tối ưu hóa $E$ để so sánh các phương án thiết bị cùng công năng:
$$E = \frac{N \cdot G}{Q^2}$$
(Trong đó: $N$ là công suất động cơ tính bằng $\text{kW}$; $G$ là trọng lượng máy tính bằng tấn; $Q$ là năng suất máy tính bằng $\text{m}^3/\text{h}$). Phương án có chỉ số $E$ nhỏ hơn sẽ được lựa chọn.
- Phương pháp tính toán thành phần hạt: Phương pháp giải tích kết hợp đồ thị đường cong tích lũy hạt theo tỷ số tương đối giữa cỡ hạt phân loại và kích thước cửa xả ($d/b$).
- Phương pháp tính toán diện tích bề mặt sàng: Ứng dụng công thức giải tích phụ thuộc vào năng suất riêng $q$, góc nghiêng sàng ($20^\circ$), đặc tính vật liệu và hàm lượng cỡ hạt lọt sàng.
- Nguồn dữ liệu thiết bị thực tế: Số liệu kỹ thuật từ các dòng máy nghiền PE (Trung Quốc), máy nghiền má Hòa Phát (Việt Nam), máy nghiền côn nón KCD (Nga), PYB và hệ thống sàng rung YK / 3YK.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Lập và mô tả dây chuyền công nghệ
Chương này tổng quan chức năng, phân loại và các dạng sơ đồ công nghệ trạm nghiền sàng:
- Phân loại trạm theo tính cơ động (cố định, di động) và theo quy mô năng suất (nhỏ $<10 \text{ t/h}$, vừa $\le 100 \text{ t/h}$, lớn $>100 \text{ t/h}$).
- So sánh đặc tính của sơ đồ 1 công đoạn, 2 công đoạn và 3 công đoạn. Sơ đồ 1 công đoạn có mức độ nghiền thấp ($i = 3 \div 5$), khó đảm bảo dải thành phần hạt; sơ đồ 3 công đoạn áp dụng cho yêu cầu nghiền mịn hoặc đá rất cứng.
- Phân tích ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của 4 nhóm máy nghiền chính: máy nghiền má (nghiền thô, đá cứng), máy nghiền côn/nón (nghiền thô đến mịn, năng suất cao), máy nghiền trục (vật liệu độ bền trung bình $\sigma_u \le 150 \text{ MN/m}^2$), máy nghiền búa/va đập (vật liệu mềm, ít mòn như đá vôi, than).
Chương 2: Lựa chọn và bố trí dây chuyền công nghệ
Tác giả xác định mức độ nghiền chung của trạm ($i = D_{\max} / d_{\max} = 720 / 40 = 18$), từ đó chọn sơ đồ dây chuyền 2 công đoạn nghiền kết hợp hệ thống sàng phân loại chu trình kín.
So sánh lựa chọn máy nghiền công đoạn 1 (Nghiền thô):
Năng suất tính toán $Q_t = 157 \text{ m}^3/\text{h}$, kích thước đá nạp $D_{\max} = 720 \text{ mm}$.
| Thông số kỹ thuật |
Phương án A (PE-900x1200) |
Phương án B (NHHP-9x12) |
| Kích thước cửa nạp ($B \times L$) |
$900 \times 1200 \text{ mm}$ |
$900 \times 1200 \text{ mm}$ |
| Kích thước đá nạp lớn nhất |
$750 \text{ mm}$ |
$770 \text{ mm}$ |
| Phạm vi điều chỉnh cửa xả ($b$) |
$100 \div 200 \text{ mm}$ |
$130 \div 250 \text{ mm}$ |
| Năng suất ($Q$) |
$90 \div 190 \text{ m}^3/\text{h}$ |
$135 \div 235 \text{ m}^3/\text{h}$ |
| Công suất động cơ ($N$) |
$110 \text{ kW}$ |
$130 \text{ kW}$ |
| Khối lượng máy ($G$) |
$50 \text{ tấn}$ |
$45 \text{ tấn}$ |
| Kích thước cửa xả xác lập ($b_1$) |
$165 \text{ mm}$ |
$150 \text{ mm}$ |
| Chỉ số đánh giá $E$ |
0,223 |
0,217 (Được chọn) |
So sánh lựa chọn máy nghiền công đoạn 2 (Nghiền trung và nhỏ):
Kích thước đá nạp vào công đoạn 2 là $D_{1\max} = b_1 \cdot z = 150 \cdot 2 = 300 \text{ mm}$. Năng suất tính toán có kể đến lượng đá hồi lưu chu trình kín ($q = 55%$) đạt $Q_{tt2} = 305 \text{ m}^3/\text{h}$.
| Thông số kỹ thuật |
Phương án A (KCD-2200RP - Nga) |
Phương án B (PYB-2200 - TQ) |
| Kích thước đá nạp lớn nhất |
$300 \text{ mm}$ |
$300 \text{ mm}$ |
| Phạm vi điều chỉnh cửa xả |
$30 \div 60 \text{ mm}$ |
$30 \div 60 \text{ mm}$ |
| Kích thước cửa xả xác lập ($b_2$) |
$40 \text{ mm}$ |
$40 \text{ mm}$ |
| Năng suất định mức |
$340 \div 580 \text{ m}^3/\text{h}$ |
$280 \div 476 \text{ m}^3/\text{h}$ |
| Công suất động cơ ($N$) |
$250 \text{ kW}$ |
$260 \text{ kW}$ |
| Khối lượng máy ($G$) |
$80 \text{ tấn}$ |
$84 \text{ tấn}$ |
| Chỉ số đánh giá $E$ |
0,214 (Được chọn) |
0,232 |
Tổng hợp thành phần hạt sản phẩm cuối cùng qua 2 công đoạn nghiền:
Tỷ lệ thành phần hạt được tính toán theo công thức tổng hợp dòng vật liệu ($a=1$, lượng chuyển công đoạn $c=0,87$, lượng tuần hoàn $q=0,55$):
- Cỡ hạt $0 \div 5 \text{ mm}$: chiếm $9,72%$
- Cỡ hạt $5 \div 10 \text{ mm}$: chiếm $14,58%$
- Cỡ hạt $10 \div 20 \text{ mm}$: chiếm $24,33%$
- Cỡ hạt $20 \div 40 \text{ mm}$: chiếm $51,37%$
Tính toán lựa chọn thiết bị sàng trong dây chuyền:
- Sàng trung gian 1: Phân tách cỡ hạt $40 \text{ mm}$ sau máy nghiền thô. Diện tích mặt sàng tính toán yêu cầu kết hợp kích thước đá rơi $300 \text{ mm} \rightarrow$ Chọn sàng C-725 (Nga), 1 mặt sàng, diện tích $8 \text{ m}^2$, công suất $20 \text{ kW}$, khối lượng $9,5 \text{ tấn}$.
- Sàng trung gian 2: Phân loại đá sau máy nghiền công đoạn 2 $\rightarrow$ Chọn sàng rung YK-2160, 1 mặt sàng, diện tích $12,6 \text{ m}^2$, công suất $18,5 \text{ kW}$, khối lượng $8,03 \text{ tấn}$.
- Sàng sản phẩm: Phân loại thành 4 nhóm cỡ hạt $(0-5, 5-10, 10-20, 20-40 \text{ mm})$ $\rightarrow$ Chọn sàng rung 3 tầng 3YK2160, diện tích mỗi mặt sàng $12,6 \text{ m}^2$, năng suất $750 \text{ t/h}$, góc nghiêng $20^\circ$, khối lượng $10,8 \text{ tấn}$.
Chương 3: Mô tả máy thiết kế
Chương này mô tả chi tiết kết cấu và nguyên lý của máy nghiền má lắc phức tạp:
- Cấu tạo chung: Khung máy, má nghiền tĩnh, tấm lót nghiền, cụm má lắc di động, bánh đai, bánh đà, trục lệch tâm, bu lông giữ tấm lót, thanh chống, lò xo hồi vị, thanh căng và cơ cấu điều chỉnh cửa xả.
- Nguyên lý làm việc: Hai má tạo thành buồng nghiền hình nêm. Khi trục lệch tâm quay, má động vừa chuyển động lắc vừa chuyển động tịnh tiến lên xuống, thực hiện đồng thời lực ép vỡ, uốn và miết hạt vật liệu trong hành trình nghiền; trong hành trình xả, má động lùi ra nhờ lò xo kéo để đá rơi xuống.
- Cơ cấu điều chỉnh cửa xả: Sử dụng kết cấu nêm ngang kết hợp trục vít hai đầu ren ngược chiều ăn khớp với ê-cu trong con trượt. Khi xoay trục vít, hai con trượt dịch chuyển tịnh tiến đẩy nêm tiến/lùi, làm thay đổi vị trí tựa của thanh chống sau mà không mất nhiều thời gian tháo lắp như phương pháp chèn tấm đệm.
- Cơ cấu an toàn và kéo căng:
- An toàn truyền động: Bộ truyền đai trượt khi quá tải mô-men.
- An toàn cơ học: Thanh chống được chế tạo với tiết diện tính toán đặc biệt, đóng vai trò chốt an toàn tự gãy khi buồng nghiền rơi vào vật lạ không thể phá vỡ.
- Cụm lò xo và thanh căng: Duy trì tiếp xúc liên tục giữa má động, thanh chống và nêm điều chỉnh, hỗ trợ kéo dứt khoát má động ở chu kỳ xả.
- Cụm trục lệch tâm: Chế tạo từ thép hợp kim kết cấu C45, lắp trên các ổ đỡ chịu tải trọng va đập lớn.
Chương 4: Các thông số cơ bản của máy thiết kế
Nội dung chương (theo đề cương và nhiệm vụ thiết kế) xác định các kích thước hình học chính của máy: kích thước buồng nạp ($900 \times 1200 \text{ mm}$), góc kẹp giữa hai má nghiền, hành trình của má động, số vòng quay hợp lý của trục lệch tâm để tránh hiện tượng nghẽn liệu, tính toán công suất dẫn động và thiết kế bộ truyền đai, trục lệch tâm.
Chương 5: Tính toán thiết kế cụm má động
Trình bày các bước xác định tải trọng và phản lực tác dụng lên má động khi ép vỡ đá có cường độ $\sigma_n = 14000 \text{ N/cm}^2$; tính toán sức bền thân má động chịu uốn và va đập; tính toán độ bền bu lông kẹp giữ tấm lót nghiền bằng thép mangan chống mài mòn.
Chương 6: Đặc điểm vận hành và sửa chữa máy
Quy định chế độ lắp ráp, căn chỉnh khe hở làm việc, bôi trơn các gối đỡ trục lệch tâm và khớp bản lề; quy trình kiểm tra chạy thử không tải và có tải; thiết lập các cấp bảo dưỡng và sửa chữa định kỳ (sửa chữa nhỏ, sửa chữa vừa, sửa chữa lớn) nhằm phục hồi độ chính xác hình học và độ bền mỏi của các chi tiết chịu mài mòn.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
1. Kết quả tính toán và xác lập dây chuyền:
Đồ án đã thiết lập hoàn chỉnh dây chuyền sản xuất đá dăm 2 công đoạn đạt năng suất tính toán $157 \text{ m}^3/\text{h}$ với danh mục thiết bị đồng bộ:
- Máy nghiền sơ cấp: Máy nghiền má lắc phức tạp NHHP-9x12 ($N = 130 \text{ kW}$, cửa xả $b_1 = 150 \text{ mm}$).
- Máy nghiền thứ cấp: Máy nghiền côn KCD-2200RP ($N = 250 \text{ kW}$, cửa xả $b_2 = 40 \text{ mm}$, chu trình kín tuần hoàn $55%$).
- Hệ thống sàng: Sàng trung gian C-725 ($8 \text{ m}^2$), sàng trung gian YK-2160 ($12,6 \text{ m}^2$) và sàng sản phẩm 3 tầng 3YK2160 ($12,6 \text{ m}^2$).
- Thành phần cấp phối hạt đầu ra đạt độ phân bố chuẩn cho xây dựng: $51,37%$ loại $20 \div 40 \text{ mm}$, $24,33%$ loại $10 \div 20 \text{ mm}$, $14,58%$ loại $5 \div 10 \text{ mm}$ và $9,72%$ loại $0 \div 5 \text{ mm}$.
2. Giải pháp kỹ thuật nổi bật:
- Ứng dụng chỉ số $E$ giúp đánh giá định lượng giữa các phương án máy nghiền nhập ngoại và máy chế tạo trong nước, tối ưu hóa tỷ suất tiêu hao năng lượng và khối lượng kim loại trên một đơn vị năng suất.
- Thiết kế cụm điều chỉnh cửa xả dạng nêm ngang trục vít ren hai chiều giúp cơ giới hóa thao tác căn chỉnh kích thước sản phẩm đá dăm, rút ngắn thời gian dừng máy.
- Bố trí thanh chống có tiết diện phá hủy định trước kết hợp thanh căng lò xo đảm bảo cơ chế bảo vệ kép cho cụm trục lệch tâm và khung máy khi gặp dị vật kim loại.
Hạn chế và hướng phát triển
- Hạn chế: Các tính toán thành phần hạt và năng suất riêng của sàng phụ thuộc chủ yếu vào hệ số tra bảng và đồ thị thực nghiệm trong Sổ tay Máy Xây dựng, chưa xét đến biến thiên độ ẩm và độ dính ướt thực tế của đá theo mùa khai thác; chưa mô phỏng động lực học 3D quá trình mài mòn của tấm lót má nghiền.
- Hướng phát triển: Ứng dụng các phần mềm mô phỏng phần tử rời (DEM) và phần tử hữu hạn (FEM) để tối ưu hóa biên dạng profin răng tấm lót nghiền nhằm giảm tiêu hao năng lượng riêng; tích hợp hệ thống điều khiển tự động PLC điều chỉnh khe hở cửa xả thủy lực.
Giá trị tham khảo
Tài liệu là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho:
- Sinh viên và học viên: Chuyên ngành Máy Xây dựng, Cơ khí Xây dựng, Máy và Thiết bị Mỏ, Công nghệ Vật liệu Xây dựng tham khảo phương pháp tính toán dây chuyền nghiền sàng và thiết kế chi tiết máy nghiền đập.
- Kỹ sư thiết kế và quản lý trạm nghiền: Tham khảo phương pháp lựa chọn kích thước cửa xả, tính toán tuần hoàn chu trình kín, cân bằng năng suất giữa các công đoạn và lựa chọn diện tích sàng rung công nghiệp.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn máy nghiền má NHHP-9x12 thay vì máy PE-900x1200 ở công đoạn 1?
Dựa trên chỉ số kinh tế - kỹ thuật $E = (N \cdot G) / Q^2$, máy NHHP-9x12 đạt giá trị $E_B = 0,217$, nhỏ hơn so với $E_A = 0,223$ của PE-900x1200 nhờ khối lượng kết cấu nhẹ hơn ($45 \text{ tấn}$ so với $50 \text{ tấn}$), mang lại hiệu quả kinh tế và tối ưu suất tiêu hao kim loại tốt hơn ở cùng mức năng suất $157 \text{ m}^3/\text{h}$.
2. Công đoạn nghiền thứ 2 xử lý lượng hạt đá có kích thước trên 40 mm như thế nào?
Công đoạn nghiền 2 làm việc theo chu trình kín. Sau khi qua máy nghiền côn KCD-2200RP (cửa xả $b_2 = 40 \text{ mm}$), có $55%$ lượng đá vẫn có kích thước $>40 \text{ mm}$ nằm trên sàng trung gian 2. Lượng đá này được băng tải hồi lưu đưa ngược trở lại máy nghiền côn để nghiền lại, do đó năng suất thực tế máy công đoạn 2 phải đáp ứng được nâng lên mức $305 \text{ m}^3/\text{h}$.
3. Cơ cấu điều chỉnh kích thước cửa xả của máy thiết kế hoạt động như thế nào?
Máy sử dụng cơ cấu nêm ngang. Trục vít điều chỉnh có ren ngược chiều ở hai đầu ăn khớp với các ê-cu trong con trượt. Khi công nhân xoay trục vít, hai con trượt di chuyển tịnh tiến đẩy khối nêm tiến lên hoặc lùi lại, làm thay đổi vị trí tựa của thanh chống sau và thay đổi trực tiếp khoảng cách khe xả giữa hai má nghiền.
4. Thiết bị bảo vệ máy nghiền má khi gặp đá quá cứng hoặc dị vật kim loại bằng cách nào?
Máy sử dụng hệ thống an toàn đa cấp: Bộ truyền đai trượt tương đối khi quá tải mô-men từ động cơ; thanh chống được tiện rãnh giảm yếu tiết diện sẽ tự gãy để ngắt truyền động lực ép; đồng thời thanh căng lò xo kéo mở rộng má động để dị vật rơi qua cửa xả mà không làm cong vênh trục lệch tâm hay vỡ khung máy.
Kết luận
Đồ án môn học của sinh viên Nguyễn Ngọc Anh đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế công nghệ và thiết bị cho trạm nghiền sàng sản xuất đá dăm công suất $135 \text{ m}^3/\text{h}$ từ đá nguyên khai $D_{\max} = 720 \text{ mm}$. Bằng phương pháp tính toán giải tích kết hợp tra cứu đồ thị thực nghiệm, tác giả đã xác lập dây chuyền 2 công đoạn tối ưu, lựa chọn đồng bộ hệ thống máy nghiền má NHHP-9x12, máy nghiền côn KCD-2200RP cùng các cụm sàng rung phân loại. Thiết kế chi tiết máy nghiền má lắc phức tạp đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về độ bền cơ học, tính an toàn khi vận hành và khả năng điều chỉnh linh hoạt dải sản phẩm đá dăm phục vụ ngành xây dựng.
