Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình thu gom và xử lý phế liệu hiện nay, rác thải dạng vỏ bình, chai nhựa và hộp, lon kim loại chiếm tỷ trọng lớn về mặt thể tích nhưng có khối lượng riêng tương đối thấp. Tình trạng này gây khó khăn lớn cho các cơ sở thu gom và vựa ve chai do chi phí vận chuyển đến nhà máy tái chế bị đẩy lên cao khi thể tích chuyên chở bị chiếm dụng quá nhiều. Phần lớn công việc nén ép giảm thể tích tại các điểm thu gom vừa và nhỏ vẫn thực hiện thủ công hoặc sử dụng các dòng máy ép đơn giản, dẫn đến năng suất thấp, tốn nhiều sức lao động và thời gian xếp phế liệu. Một số loại máy ép thủy lực quy mô lớn trên thị trường có giá thành cao, cấu tạo phức tạp, đòi hỏi diện tích lắp đặt lớn và kỹ thuật bảo dưỡng chuyên sâu, không phù hợp với năng lực tài chính của các cơ sở vừa và nhỏ.
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy ép rác bình (chai) nhựa, hộp lon kim loại" do sinh viên Đặng Thành Nhân và Dương Ngọc Nghĩa thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Hoàng Văn Hướng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết các bất cập trên. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ cụ thể được xác định bao gồm:
- Đề xuất quy trình công nghệ và nguyên lý nén ép giảm thể tích rác chai nhựa, lon kim loại.
- Tính toán, thiết kế toàn diện các cụm cơ cấu của mô hình máy ép kết hợp cơ học và thủy lực.
- Gia công, chế tạo thực nghiệm mô hình máy hoàn chỉnh.
- Vận hành chạy thử nghiệm thực tế, ghi nhận ưu nhược điểm và đề xuất phương án cải tiến.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình máy ép rác bình (chai) nhựa và hộp (lon) kim loại. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán, thiết kế cơ cấu cấp phôi, cơ cấu cuốn đập thô, cơ cấu ép nén tạo khối bằng thủy lực và gia công lắp ráp mô hình thử nghiệm cho các loại rác chai nhựa, lon kim loại có dung tích từ 1,5 lít trở xuống, hướng tới năng suất 50 kg/h và kích thước khối sản phẩm đầu ra đạt 300 x 300 (mm).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài áp dụng khung lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật chế tạo máy, cơ khí dẫn động và hệ thống điều khiển truyền động chất lỏng:
- Lý thuyết cấp phôi tự động: Nguyên lý làm việc của phễu chứa và các cơ cấu dẫn hướng, định vị dòng di chuyển phôi liệu trong dây chuyền liên tục.
- Lý thuyết máy đập trục: Nghiên cứu nguyên lý nén ép cuốn của máy đập hai trục quay ngược chiều (bao gồm cấu tạo một đôi ổ trục di động, hai đôi ổ trục di động và máy đập một trục), công thức xác định góc kẹp $\alpha$, điều kiện cuốn vật liệu dựa trên lực ma sát, mức độ đập nghiền $i$ theo đặc tính vật liệu rắn hoặc mềm dẻo.
- Cơ sở truyền động và điều khiển khí nén - thủy lực: Nguyên lý cấu tạo hệ thống thủy lực, phân loại phương pháp điều khiển (tùy chọn bằng tay, theo hành trình pít-tông, theo thời gian và điều khiển phối hợp), các ưu nhược điểm về tổn thất áp suất, tính truyền lực lớn và độ ổn định khi làm việc.
- Tài liệu tính toán tham chiếu: Giáo trình "Máy nâng chuyển Tập III" và tài liệu "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí" (TTTKHDDCK).
Phương pháp nghiên cứu bao gồm:
- Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp lý thuyết cơ học máy, tiêu chuẩn kỹ thuật vật liệu (thép CT3, cao su cốt vải E-820).
- Phương pháp điều tra thực tế: Khảo sát kích thước hình học, hình dáng thực tế của các loại chai nhựa (0.5L, 1.5L), lon bia, lon nước ngọt, lon Redbull, lon mi nhon và lon sữa bột 400g tại các vựa phế liệu.
- Phương pháp thiết kế và mô phỏng hình học: Dựng hình 3D trên phần mềm Solidworks, xuất bản vẽ kỹ thuật chi tiết và bản vẽ lắp.
- Phương pháp thực nghiệm chế tạo và kiểm thử: Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống dẫn động đai, bánh răng, trục đập, khuôn ép và mạch nguồn thủy lực để vận hành thử tải thực tế.
Thiết kế và triển khai kỹ thuật
Hệ thống được thiết kế theo phương án tích hợp hai giai đoạn ép liên tục: ép sơ bộ (đập thô) bằng cụm trục quay dẫn động động cơ điện và ép định hình (ép tinh) thành khối bằng xylanh thủy lực.
| Cụm cơ cấu | Thông số kỹ thuật thiết kế | Vật liệu & Thiết bị lựa chọn |
|---|---|---|
| Băng tải tiếp liệu | - Chiều dài: $L = 2,3\text{ m}$; Chiều cao nâng: $H = 2\text{ m}$ - Chiều rộng băng: $B = 300\text{ mm}$ - Vận tốc đai: $v = 0,5\text{ m/s}$; Góc nghiêng: $\beta = 10^\circ$ - Năng suất tính toán: $0,5\text{ T/h}$ |
- Dây băng cao su cốt vải E-820 (3 lớp đệm, dày mặt làm việc 4mm, mặt lưng 1mm) - Khung, tang: Thép hàn CT3 - Động cơ: AO 42-6 ($1,7\text{ kW}$, $930\text{ v/p}$) - Hộp giảm tốc tiêu chuẩn: tỷ số truyền $i = 31,5$ |
| Tang dẫn động băng tải | - Đường kính tang dẫn: $D = 500\text{ mm}$ (tiêu chuẩn TOCT1064-63) - Chiều rộng tang: $L_t = 240\text{ mm}$ |
Thép hàn CT3 bọc cao su tăng ma sát |
| Cụm trục đập ép thô | - Chiều dài trục: $465\text{ mm}$ - Đường kính ngoài: $100\text{ mm}$ - Số thanh đập: 4 thanh (chiều cao thanh đập: $20\text{ mm}$) |
Thép hợp kim, kết cấu lắp then và gối đỡ ổ lăn |
| Cụm ép thủy lực & khuôn | - Buồng khuôn ép tạo khối: $300 \times 300\text{ mm}$ - Áp suất hệ thống: dẫn động qua bơm bánh răng và hệ thống van phân phối |
Thép tấm hàn định hình, xylanh thủy lực tác động kép |
Quy trình vận hành kỹ thuật diễn ra như sau: Rác chai nhựa/lon kim loại được nạp vào phễu cấp liệu của băng tải $\rightarrow$ Băng tải đưa phôi lên cao và trút vào phễu cụm đập thô $\rightarrow$ Hai trục đập quay ngược chiều cuốn và bẹp sơ bộ vỏ chai, lon $\rightarrow$ Vật liệu rơi xuống buồng khuôn ép phía dưới $\rightarrow$ Xylanh thủy lực thực hiện hành trình nén ép tạo khối theo kích thước $300 \times 300\text{ mm}$ $\rightarrow$ Khối phế liệu nén được đẩy ra ngoài qua cửa xả.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu
Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc cơ giới hóa công đoạn ép rác chai nhựa và lon kim loại tại các cơ sở phế liệu nhằm giảm cước phí vận chuyển và giải phóng sức lao động. Tác giả xác lập mục tiêu nghiên cứu, phạm vi xử lý phế phẩm dung tích dưới 1,5 lít, đối tượng nghiên cứu và xây dựng đề cương 9 chương của đồ án tốt nghiệp.
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Chương 2 tổng hợp số liệu khảo sát kích thước hình học thực tế của các loại vỏ lon bia, lon nước ngọt dạng tiêu chuẩn, lon lùn Redbull, lon mi nhon, lon sữa bột 400g và chai nhựa thể tích 0.5L đến 1.5L. Tác giả tiến hành phân tích ưu nhược điểm của các dạng máy ép thủy lực độc lập (lực ép lớn nhưng cồng kềnh, chi phí cao) và máy ép dẫn động cơ thuần túy (chi phí thấp nhưng không tạo được khối nén hoàn chỉnh), làm cơ sở cho việc cải tiến cấu trúc máy kết hợp.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương này tập trung trình bày các cơ sở lý thuyết tính toán cốt lõi:
- Phân tích vai trò và nguyên lý cấp phôi tự động từ phễu chứa qua máng dẫn.
- Nghiên cứu lý thuyết máy đập trục: cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy đập trục có 1 đôi ổ trục di động (sử dụng lò xo giảm chấn và điều chỉnh khe hở), 2 đôi ổ trục di động (triệt tiêu lực quán tính) và máy đập một trục. Xác định mức độ nghiền đập $i = 4$ đối với vật liệu rắn và $i = 6 \div 8$ đối với vật liệu mềm dẻo.
- Khảo sát hệ thống điều khiển khí nén - thủy lực: cấu trúc mạch, nguyên lý xử lý tín hiệu logic (And, Or, Not, Flip-Flop) và các phương thức điều khiển theo hành trình, thời gian, tùy chọn hoặc phối hợp.
Chương 4: Phương hướng và các giải pháp
Tác giả xác định yêu cầu kỹ thuật trọng tâm: sản phẩm sau khi ép phải giảm thể tích tối thiểu 80%, phục vụ các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Chương này đặt lên bàn cân hai phương án kết cấu:
- Phương án 1: Cơ cấu ép bằng thủy lực một xylanh đứng nạp liệu ngắt quãng.
- Phương án 2: Cơ cấu tích hợp cấp phôi băng tải, đập thô sơ bộ bằng động cơ và ép nén tạo khối bằng xylanh thủy lực. Nhóm tác giả quyết định lựa chọn Phương án 2 nhờ ưu điểm ép liên tục, năng suất cao và khả năng tự động hóa dây chuyền.
Chương 5: Tính toán thiết kế băng tải
Chương 5 đi sâu vào tính toán chi tiết hệ thống băng tải tiếp liệu dựa trên lý thuyết máy nâng chuyển:
- Xác định sơ bộ chiều rộng băng $B = \sqrt{Q / (c \cdot \gamma \cdot v)} = 0,21\text{ m}$, quy chuẩn chọn $B = 300\text{ mm}$ với dây băng cao su cốt vải E-820 gồm 3 lớp đệm.
- Tính toán tải trọng trên một mét dài của băng tải ($q_0 = 2,72\text{ kg/m}$, $q = 0,27\text{ kg/m}$).
- Xác định đường kính tang truyền động $D = 500\text{ mm}$ theo tiêu chuẩn TOCT1064-63, bề rộng mặt tang $L_t = 240\text{ mm}$.
- Tính toán thiết bị căng băng vít me đai ốc ren tiêu chuẩn M10/M20, ứng suất kéo mặt cắt vít $\sigma = 6,8\text{ kg/cm}^2$.
- Tính chính xác lực căng tại 7 điểm dọc tuyến băng theo công thức Euler, xác định lực kéo tiếp xúc và công suất cần thiết trên trục tang dẫn. Lựa chọn động cơ điện xoay chiều AO 42-6 công suất $1,7\text{ kW}$, tốc độ $930\text{ vòng/phút}$ kết hợp hộp giảm tốc có tỷ số truyền $i = 31,5$.
Chương 6: Tính toán thiết kế các chi tiết điển hình
Chương này thực hiện thiết kế chi tiết cụm máy ép:
- Xác định thông số hình học trục đập thô: chiều dài trục $465\text{ mm}$, đường kính ngoài $100\text{ mm}$, gắn 4 thanh đập gờ cao $20\text{ mm}$.
- Tính toán góc kẹp $\alpha$ tiếp xúc giữa cục vật liệu và bề mặt hai trục quay nhằm đảm bảo điều kiện tự cuốn phôi.
- Thiết kế bộ truyền đai dẫn động từ động cơ đến hộp giảm tốc và bộ truyền bánh răng ăn khớp truyền chuyển động giữa hai trục đập.
- Tính toán sức bền trục (Trục I và Trục II): xác định trị số và chiều của các lực tác dụng từ chi tiết quay, vẽ biểu đồ mô-men uốn/xoắn, kiểm nghiệm độ bền mỏi và chọn then ghép theo tiêu chuẩn.
- Tính chọn dung sai lắp ghép ổ lăn, bạc đỡ và tính toán các thông số làm việc của hệ thống xylanh thủy lực ép định hình.
Chương 7: Chế tạo, lắp ráp thử nghiệm và đánh giá
Trình bày quy trình gia công thực tế khung máy, phễu chứa phôi, khuôn ép kích thước $300 \times 300\text{ mm}$, gia công trục và cặp bánh răng ăn khớp. Thực hiện lắp ráp gối đỡ ổ lăn, động cơ điện, băng tải, hệ thống bơm dầu - van phân phối thủy lực và đấu nối tủ điện điều khiển để hoàn thiện mô hình.
Chương 8: Bảo dưỡng, an toàn và vận hành máy
Xây dựng quy trình vận hành tiêu chuẩn, kế hoạch kiểm tra định kỳ dầu bôi trơn bánh răng, mức dầu trong bể thủy lực và độ căng dây đai. Đưa ra các quy tắc nghiêm ngặt về an toàn điện công nghiệp và phòng chống cháy nổ tại xưởng vận hành phế liệu.
Chương 9: Kết luận và đề nghị
Tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán lý thuyết và kết quả thử nghiệm mô hình thực tế; đồng thời nêu rõ các đề xuất cải tiến cho những phiên bản chế tạo kế tiếp.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả kỹ thuật đạt được:
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy ép phế liệu kết hợp đập thô cơ học và ép tinh thủy lực, đáp ứng mục tiêu giảm 80% thể tích rác thải chai nhựa và vỏ lon kim loại.
- Xây dựng hoàn chỉnh chuỗi tính toán động học và động lực học: hệ thống băng tải cao su ($B = 300\text{ mm}$, $v = 0,5\text{ m/s}$), cụm đập thô hai trục ($L = 465\text{ mm}$, đường kính $100\text{ mm}$, 4 thanh đập $20\text{ mm}$) và khuôn ép tạo khối $300 \times 300\text{ mm}$.
- Hoàn thiện tập hồ sơ thiết kế gồm tập thuyết minh tính toán, bản vẽ kỹ thuật các chi tiết điển hình (khung, trục, tang, bánh răng, phễu, khuôn) trên khổ giấy A0, A3 và đĩa CD mô phỏng 3D trên Solidworks.
- Giải pháp và đề xuất của tác giả: Đề xuất phương án công nghệ ép 2 giai đoạn liên tục nhằm thay thế phương pháp ép thủ công hoặc các máy ép 1 giai đoạn gián đoạn, giúp tối ưu hóa kích thước động cơ và giảm thể tích buồng ép thủy lực.
- Đóng góp của đề tài: Tạo ra tiền đề nghiên cứu thực nghiệm về mô hình máy ép cỡ nhỏ, chi phí gia công hợp lý, có khả năng ứng dụng thực tế cao cho các cơ sở thu gom phế liệu dân sinh quy mô vừa và nhỏ trong nước.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Mô hình mới dừng lại ở phiên bản thử nghiệm thực nghiệm, độ ổn định làm việc khi vận hành liên tục trong thời gian dài chưa được kiểm chứng đầy đủ.
- Kích thước tổng thể và diện tích chiếm chỗ của hệ thống tích hợp (băng tải kèm cụm đập thô và trạm nguồn thủy lực) còn tương đối lớn so với các dòng máy ép thủ công đơn chiếc.
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Tiếp tục nghiên cứu, tối ưu hóa kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển tự động nhằm nâng cao năng suất và độ ổn định.
- Tối ưu kích thước khung máy để giảm diện tích lắp đặt trong nhà xưởng.
- Hoàn thiện phiên bản thương mại hóa có độ tin cậy cao, phù hợp với điều kiện vận hành khắc nghiệt tại các vựa phế liệu.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu thực tế hữu ích cho:
- Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Kỹ thuật Công nghiệp và Tự động hóa tham khảo phương pháp tính toán hệ thống máy nâng chuyển (băng tải cao su), máy đập nghiền trục và thiết kế mạch thủy lực ứng dụng.
- Kỹ sư và người nghiên cứu máy nông - công nghiệp ứng dụng các công thức tính chọn động cơ, hộp giảm tốc, tính bền trục và bộ truyền bánh răng theo tiêu chuẩn cơ khí Việt Nam.
- Các cơ sở cơ khí chế tạo nhỏ muốn tham khảo nguyên lý kết hợp máy đập thô và ép thủy lực để chế tạo thiết bị xử lý rác thải tái chế tại địa phương.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án lựa chọn phương án máy kết hợp động cơ và thủy lực thay vì chỉ dùng một xylanh thủy lực?
Phương án ép một xylanh thủy lực có năng suất thấp do nạp liệu gián đoạn và phế liệu chưa được giảm thể tích sơ bộ, dẫn đến buồng ép nhanh đầy nhưng nén không chặt. Việc kết hợp cụm đập thô bằng động cơ giúp xé/bẹp phế liệu trước khi rơi vào buồng ép, giúp máy nạp liệu liên tục qua băng tải, tăng năng suất và tạo khối nén chặt chẽ hơn.
2. Băng tải tiếp liệu sử dụng loại dây băng và động cơ có thông số như thế nào?
Băng tải sử dụng dây cao su cốt vải bọc E-820 gồm 3 lớp đệm, chiều rộng $B = 300\text{ mm}$, vận tốc chạy $v = 0,5\text{ m/s}$. Hệ thống dẫn động sử dụng động cơ điện xoay chiều ký hiệu AO 42-6 công suất $1,7\text{ kW}$, tốc độ quay $930\text{ vòng/phút}$ kết hợp hộp giảm tốc có tỷ số truyền $i = 31,5$.
3. Cụm trục đập thô của máy có kết cấu và kích thước ra sao?
Cụm đập thô gồm hai trục quay ngược chiều nhau có chiều dài làm việc $465\text{ mm}$, đường kính ngoài thân trục $100\text{ mm}$, trên mỗi trục bố trí 4 thanh đập gờ cao $20\text{ mm}$ để cuốn và nghiền bẹp phế phẩm.
4. Khối rác sau khi ép hoàn chỉnh đạt kích thước bao nhiêu và mức độ giảm thể tích là bao nhiêu?
Khuôn ép định hình của máy tạo ra khối phế liệu nén có tiết diện $300 \times 300\text{ mm}$, đạt tỷ lệ giảm thể tích sau khi ép là 80% so với thể tích ban đầu của rác thải.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy ép rác bình (chai) nhựa, hộp lon kim loại" đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế kỹ thuật từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế 3D đến chế tạo thực nghiệm mô hình hoạt động thực tế. Giải pháp tích hợp băng tải cấp liệu tự động, cơ cấu đập thô hai trục và cụm ép định hình thủy lực đã chứng minh tính khả thi trong việc giảm 80% thể tích rác thải chai nhựa, vỏ lon. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu tính toán tin cậy và là tiền đề vững chắc cho việc hoàn thiện các dòng máy ép phế liệu thương mại phục vụ ngành tái chế tại Việt Nam.