Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một quốc gia nông nghiệp với diện tích đất nông nghiệp khoảng 9,4 triệu ha, trong đó hơn 70% dân số làm nông nghiệp, đóng góp khoảng 19,5% vào cơ cấu nền kinh tế quốc dân. Sản lượng lúa hàng năm đạt trên 38 triệu tấn, tạo ra khoảng 5-6 triệu tấn trấu – lớp vỏ ngoài của hạt thóc, có thể tận dụng làm nguồn năng lượng sinh khối sạch và tái tạo. Ước tính, nếu sử dụng toàn bộ lượng trấu này để phát điện, có thể sản xuất gần 10 tỷ kWh điện mỗi năm, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí nhiên liệu.

Máy ép củi trấu sử dụng trục vít côn để ép đùn trấu thành thanh củi có vai trò quan trọng trong việc tăng mật độ và chất lượng nhiên liệu sinh khối. Tuy nhiên, trục vít côn hiện nay có tuổi thọ thấp do chịu mài mòn mạnh từ ma sát với trấu và nhiệt độ cao trong quá trình vận hành, dẫn đến chi phí bảo trì và thay thế lớn, ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất. Thực tế cho thấy, trục vít phải được thay mới sau mỗi 2-4 giờ hoạt động, gây gián đoạn và tăng chi phí sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định vật liệu và kết cấu trục vít côn chịu mòn, chịu nhiệt phù hợp nhằm nâng cao tuổi thọ và hiệu quả kinh tế cho máy ép củi trấu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào trục vít côn của máy ép thanh củi trấu tại các cơ sở sản xuất ở thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long trong giai đoạn 2015-2017. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất và góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng sinh khối tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về hiện tượng mòn và cơ chế mòn bề mặt kim loại trong điều kiện ma sát và nhiệt độ cao. Mòn được định nghĩa là quá trình phá hủy bề mặt vật liệu do tác động của tải trọng, vận tốc trượt, thời gian tiếp xúc và đặc tính bề mặt. Các kiểu mòn chính gồm mài mòn do ma sát, mài mòn do áp lực cao và mài mòn do nhiệt độ cao. Lý thuyết mòn được mô tả qua các công thức tính cường độ mòn dựa trên áp lực danh nghĩa và độ cứng vật liệu, cũng như sự phụ thuộc của tốc độ mòn theo thời gian và quãng đường ma sát.

Ngoài ra, luận văn áp dụng lý thuyết về vật liệu chịu mòn và chịu nhiệt, tập trung vào các thuộc tính cơ học như độ cứng, khả năng chống mài mòn, chịu nhiệt và tính kinh tế của vật liệu. Các phương pháp gia công và nhiệt luyện cũng được nghiên cứu để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất vật liệu. Lý thuyết hàn nối và hàn đắp cũng được sử dụng để đề xuất kết cấu trục vít hai phần nhằm nâng cao tuổi thọ.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ mòn, tốc độ mòn, mòn cơ học, mòn ôxy hóa, mòn tróc, và các phương pháp gia công nhiệt luyện, hàn đắp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết, khảo sát thực tế và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật, khảo sát máy ép củi trấu tại các doanh nghiệp sản xuất như DNTN Châu Hưng – Sóc Trăng, và các kết quả thử nghiệm vật liệu.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm ba mẫu trục vít ép thử nghiệm được chế tạo từ các vật liệu khác nhau: que hàn đắp Cobalarc 9E, thép đúc 100Mn13Đ và thép SKD61. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính phổ biến và khả năng chịu mòn, chịu nhiệt của vật liệu trên thị trường Việt Nam.

Phân tích dữ liệu thực nghiệm bao gồm đo thời gian mài mòn, đánh giá độ bền cơ học, so sánh chi phí chế tạo và hiệu quả kinh tế. Quy trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 5/2015 đến tháng 10/2016, bao gồm thiết kế, chế tạo, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Vật liệu thép SKD61 cho tuổi thọ trục vít cao gấp 4 lần so với thép C45 truyền thống
    Thử nghiệm trên ba mẫu trục vít cho thấy trục vít đầu bằng thép SKD61 có thời gian mài mòn kéo dài gấp bốn lần so với trục vít nguyên khối bằng thép C45, từ khoảng 2-4 giờ lên đến 8-16 giờ. Điều này chứng tỏ khả năng chịu mòn và chịu nhiệt vượt trội của SKD61.

  2. Kết cấu trục vít hai phần với đầu trục bằng thép SKD61 hoặc 100Mn13Đ và thân bằng thép C45 tối ưu về chi phí và hiệu quả sử dụng
    Phương án trục vít hai phần được đề xuất với phần đầu chịu mài mòn làm từ thép SKD61 hoặc 100Mn13Đ, phần thân làm từ thép C45. Kết quả đánh giá chi phí cho thấy phương án này có hiệu quả kinh tế cao hơn so với trục vít nguyên khối, giảm chi phí thay thế và bảo trì.

  3. Quy trình công nghệ chế tạo và hàn nối đảm bảo chất lượng mối hàn và độ bền của trục vít
    Quy trình hàn đắp que Cobalarc 9E và hàn nối đầu trục SKD61 được thiết kế phù hợp, đảm bảo độ cứng bề mặt đạt khoảng 58 HRC, chống mài mòn và chịu nhiệt tốt. Các thông số hàn được kiểm soát chặt chẽ để tránh hiện tượng nứt và biến dạng.

  4. Hiệu quả kinh tế rõ rệt khi áp dụng vật liệu và kết cấu mới
    So sánh chi phí chế tạo và lợi nhuận thu được cho thấy trục vít hai phần với đầu SKD61 giúp tiết kiệm chi phí sản xuất củi trấu khoảng 50% so với trục vít truyền thống, đồng thời tăng năng suất do giảm thời gian bảo trì.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính làm trục vít côn máy ép củi trấu nhanh mòn là do ma sát liên tục với trấu chứa hàm lượng silic cao, kết hợp với nhiệt độ làm việc lên đến 300-350°C. Vật liệu thép C45 truyền thống không đáp ứng được yêu cầu chịu mài mòn và chịu nhiệt trong điều kiện này, dẫn đến tuổi thọ thấp.

Việc sử dụng thép SKD61 với độ cứng bề mặt cao và khả năng chịu nhiệt tốt đã cải thiện đáng kể tuổi thọ trục vít. Kết cấu trục vít hai phần giúp tập trung vật liệu chịu mòn ở phần đầu, nơi chịu tải và ma sát lớn nhất, đồng thời giảm chi phí bằng cách sử dụng thép C45 cho phần thân ít chịu mài mòn hơn.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả phù hợp với xu hướng sử dụng vật liệu hợp kim chịu mòn cao và công nghệ hàn đắp để nâng cao tuổi thọ chi tiết máy trong môi trường làm việc khắc nghiệt. Việc áp dụng quy trình công nghệ chế tạo và hàn nối phù hợp cũng góp phần đảm bảo chất lượng và độ bền của trục vít.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tuổi thọ trục vít theo vật liệu và bảng tổng hợp chi phí chế tạo, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của phương án đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng vật liệu thép SKD61 cho phần đầu trục vít côn máy ép củi trấu
    Động từ hành động: triển khai chế tạo và thay thế trục vít mới.
    Target metric: tăng tuổi thọ trục vít lên gấp 4 lần.
    Timeline: trong vòng 6 tháng tới.
    Chủ thể thực hiện: các cơ sở chế tạo cơ khí và doanh nghiệp sản xuất máy ép củi trấu.

  2. Triển khai kết cấu trục vít hai phần với phần đầu bằng thép chịu mòn và phần thân bằng thép C45
    Động từ hành động: thiết kế và sản xuất thử nghiệm.
    Target metric: giảm chi phí bảo trì và thay thế ít nhất 30%.
    Timeline: 1 năm.
    Chủ thể thực hiện: phòng nghiên cứu và phát triển các công ty cơ khí.

  3. Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo và hàn nối chuẩn hóa cho trục vít
    Động từ hành động: đào tạo kỹ thuật viên và áp dụng quy trình.
    Target metric: đảm bảo độ cứng bề mặt đạt 58 HRC và mối hàn không có khuyết tật.
    Timeline: 3 tháng.
    Chủ thể thực hiện: nhà máy sản xuất và các trung tâm đào tạo kỹ thuật.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển vật liệu mới chịu mòn, chịu nhiệt phù hợp với điều kiện Việt Nam
    Động từ hành động: đầu tư nghiên cứu và hợp tác với các viện nghiên cứu.
    Target metric: phát triển vật liệu mới có tuổi thọ cao hơn 7 lần so với hiện tại.
    Timeline: 2-3 năm.
    Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất máy ép củi trấu và thiết bị sinh khối
    Lợi ích: áp dụng vật liệu và kết cấu mới để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì.
    Use case: thiết kế và sản xuất trục vít côn có tuổi thọ cao hơn.

  2. Các cơ sở chế tạo cơ khí và gia công kim loại
    Lợi ích: nắm bắt quy trình công nghệ chế tạo và hàn nối trục vít chịu mòn, chịu nhiệt.
    Use case: áp dụng quy trình hàn đắp và nhiệt luyện để sản xuất chi tiết máy bền hơn.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, vật liệu
    Lợi ích: tham khảo lý thuyết mòn, cơ chế mài mòn và ứng dụng vật liệu chịu mòn trong thực tế.
    Use case: phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến vật liệu và công nghệ chế tạo.

  4. Doanh nghiệp sử dụng máy ép củi trấu trong sản xuất năng lượng sinh khối
    Lợi ích: hiểu rõ nguyên nhân hư hỏng và giải pháp nâng cao tuổi thọ thiết bị, giảm chi phí vận hành.
    Use case: lựa chọn và bảo trì thiết bị hiệu quả, tăng năng suất sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao trục vít côn máy ép củi trấu nhanh bị mòn?
    Trục vít chịu ma sát lớn với trấu chứa hàm lượng silic cao, kết hợp nhiệt độ làm việc lên đến 300-350°C gây mài mòn cơ học và nhiệt. Ma sát liên tục làm bề mặt trục vít bị phá hủy nhanh chóng, dẫn đến tuổi thọ thấp.

  2. Vật liệu thép SKD61 có ưu điểm gì so với thép C45 truyền thống?
    Thép SKD61 có độ cứng bề mặt cao (khoảng 58 HRC), khả năng chịu mài mòn và chịu nhiệt tốt hơn nhiều, giúp tăng tuổi thọ trục vít lên gấp 4 lần so với thép C45, đồng thời giảm chi phí bảo trì.

  3. Kết cấu trục vít hai phần có lợi ích gì?
    Kết cấu này tập trung vật liệu chịu mòn ở phần đầu trục, nơi chịu tải lớn nhất, trong khi phần thân sử dụng vật liệu kinh tế hơn. Giải pháp này giúp giảm chi phí chế tạo và bảo trì, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng.

  4. Quy trình hàn đắp và hàn nối có ảnh hưởng thế nào đến tuổi thọ trục vít?
    Quy trình hàn chuẩn đảm bảo mối hàn có độ bền cao, không bị nứt hoặc biến dạng, giữ được độ cứng bề mặt cần thiết để chống mài mòn, từ đó kéo dài tuổi thọ trục vít.

  5. Làm thế nào để doanh nghiệp áp dụng kết quả nghiên cứu này?
    Doanh nghiệp cần phối hợp với các cơ sở chế tạo để đặt hàng trục vít theo kết cấu và vật liệu mới, đồng thời đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì theo quy trình công nghệ mới nhằm tối ưu hiệu quả sử dụng.

Kết luận

  • Đã xác định được vật liệu thép SKD61 và 100Mn13Đ phù hợp để chế tạo phần đầu trục vít côn chịu mòn, chịu nhiệt trong máy ép củi trấu.
  • Đề xuất kết cấu trục vít hai phần với phần đầu bằng thép SKD61 hoặc 100Mn13Đ và phần thân bằng thép C45 giúp nâng cao tuổi thọ và giảm chi phí.
  • Quy trình công nghệ chế tạo và hàn nối được thiết kế đảm bảo chất lượng mối hàn và độ cứng bề mặt, góp phần tăng tuổi thọ trục vít.
  • Thử nghiệm thực tế cho thấy tuổi thọ trục vít tăng gấp 4 lần, đồng thời hiệu quả kinh tế được cải thiện rõ rệt.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng vật liệu và kết cấu mới trong sản xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển vật liệu chịu mòn, chịu nhiệt phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Next steps: Triển khai sản xuất thử nghiệm quy mô lớn, đào tạo kỹ thuật viên và mở rộng ứng dụng trong các cơ sở sản xuất máy ép củi trấu trên toàn quốc.

Call-to-action: Các doanh nghiệp và cơ sở chế tạo cơ khí nên phối hợp nghiên cứu và áp dụng kết quả để nâng cao hiệu quả sản xuất và phát triển bền vững ngành năng lượng sinh khối.