máy ép viên khuôn phẳng

Mục lục
Mục lục 1
Chương I.Giới thiệu chung 2
Chương II.Phân loại máy ép viên 6
Máy ép khuôn phẳng: 6
Máy ép khuôn vành: 8
Chương III.Tính toán thiết kế khuôn và con lăn 9
1.Thiết kế khuôn: 10
a.Lỗ ép: 12
b.Các kích thước khuôn ép 13
2. Thiết kế Con lăn: 13
a.Vận tốc góc & vận tốc dài 13
b.Lực tác dụng lên khối vật liệu trong lỗ ép: 14
c.Kích thước con lăn 16
Lưu đồ tính toán: 17
Chương IV.Hệ số ma sat và phương pháp đo 18
a.Lý thuyết đo hệ số ma sat: 18
b.Phương pháp đo hệ số ma sat: 19
Chương V.Thiết kế và mô phỏng máy ép khuôn phẳng 20
1.Thiết kế chi tiết (Part design) 20
2.Lắp ráp (Assembly Design) 22
3.Mô phỏng 23
Tài liệu tham khảo: 24
1
Chương I.Giới thiệu chung
Sự cần thiết của việc ép viên
Hiện nay đất nước ta ngày càng đổi mới, nền kinh tế đã có những thành
tựu to lớn và nổi bật. Với những thành tựu ấy, không thể không kể đến những
đóng góp của ngành nông nghiệp.
Ngày nay việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất, chế tạo là
rất quan trọng và không còn mới lạ, nhưng làm thế nào để các ứng dụng khoa

học đó có thể đi vào thực tế, giúp cho người nông dân giảm được sức lao động
và tăng năng suất thì vẫn còn là một vấn đề thời sự. Đặc biệt trong lĩnh vực
máy chế biến thực phẩm, loại máy giúp chế biến các loại sản phẩm nông
nghiệp sau thu hoạch, làm đầu vào cho các khâu chế biến tiếp theo. Sản phẩm
có được chế biến tốt thì mới có chất lượng tốt và nâng cao được giá trị, có khả
năng thâm nhập vào cả những thị trường khó tính như xuất khẩu, qua đó có thể
cải thiện và nâng cao được đời sống của người nông dân.
Trong sản xuất nông nghiệp, có nhiều loại phụ phế liệu có thể được tái
sử dụng như rơm, rạ, vỏ trấu, vỏ lạc .Tuy nhiên những loại phụ phế liệu này
chưa được tận dụng vì nói chung chúng thường tồn tại dưới dạng bột, sinh khối
kèm theo các nhược điểm là kích cỡ không đồng đều, tỷ trọng nhỏ, chiếm
nhiều diện tích, năng lượng thấp, độ ẩm cao (có thể lên đến 80%), chi phí vận
chuyển lớn. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách chế tạo viên ép. Vì vậy
nhu cầu chế tạo viên ép từ các phụ phế liệu ngày càng lớn đối với nền nông
nghiệp trong nước cũng như trên thế giới.
Nhận thức được tầm quan trọng của công việc này và được sự giúp đỡ của
PGS. TS. Đinh Văn Phong –Trưởng bộ môn Cơ Ứng Dụng trường Đại Học
Bách Khoa Hà Nội và TS. Nguyễn Tường Vân - Viện Trưởng Viện Máy Nông
Nghiệp RIAM, em đã mạnh dạn tìm hiểu, nghiên cứu, thết kế và mô phỏng
máy ép viên khuôn phẳng.
2
Các đặc điểm của viên ép:
Viên ép có dạng khối rắn với chất lượng phù hợp, độ ẩm thấp, năng
lượng cao, có mật độ , kích thước và hình dạng viên đồng nhất.
Ưu điểm của viên ép:
- Thể tích thu gọn đáng kể (5 ÷ 8 lần) nên rất thuận tiện cho việc bảo quản
và giúp giảm chi phí vận chuyển.
- Độ ẩm nhỏ (6÷8%)
- Viên nhiên liệu có nguồn gốc thực vật, không có chất phụ gia nên là
nhiên liệu sạch, thân thiện với môi trường, góp phần cân bằng lượng CO

2
trong
khí quyển.
- Viên nhiên liệu tiện cho việc cơ giới hóa, tự động hóa các lò đốt.
- Nhiệt trị của các viên nhiên liệu đạt khá cao (từ 3.800 đến 4.500
kCal/kg) nên có thể thay thế được than với giá rẻ hơn từ 40 ÷ 50%.
Điểm yếu của các dạng nhiên liệu dạng bột, lại là điểm mạnh của viên ép vì
vậy những nhược điểm này có thể được giảm bớt hoặc thậm chí loại bỏ hoàn
toàn bằng cách sử dụng nhiên liệu dạng viên.
Những phụ, phế liệu nông nghiệp có thể biến thành viên nhiên liệu sạch,
thân thiện với môi trường bằng công nghệ và thiết bị, phục vụ đa mục đích kể
cả xuất khẩu như:
- Rơm rạ
- Vỏ trấu
- Vỏ cà phê
- Lõi ngô
- Vỏ sắn
3
- Bã sắn
- Mùn cưa và gỗ vụn, cành, ngọn
- Bã mía
- Vỏ lạc
Ứng dụng:
Ngoài việc sử dụng viên ép với các phụ phế liệu nông sản để làm nhiên liêu
như đã đề cập ở trên. Viên ép có thể ứng dụng vào các lĩnh vực sau:
+Thức ăn gia súc: Nhờ ứng dụng ép viên với các loại thức ăn gia súc, nhà
nông có thể cho thêm các vitamin & khoáng chất thích hợp vào thức ăn cho
từng loại gia súc. Người ta có thể canh cữ lượng thức ăn mỗi ngày cho gia súc
vừa đủ mà không lo thiếu hoặc cho ăn quá nhiều.
+Chất thải công nghiệp: Những chất thải rắn trong công nghiệp và sinh

hoạt cũng có thể chế biến thành viên nhiên liệu thay thế một phần nhiên liệu
hóa thạch ở chính cơ sở tạo ra chúng, góp phần bảo vệ môi trường, hạn chế
chôn lấp, tăng hiệu quả sản xuất kinh doanh như:
- Phế thải ngành da giầy.
- Phế thải nhà máy giấy.
- Phế thải hữu cơ khó phân hủy ở nhà máy xử lý rác sinh hoạt.
4
Hình 1.1.Phế liệu dạng bột
1
Hình 1.2. Viên ép
Quy trình sản suất viên ép:
Nguyên liệu dạng bột được sấy, nghiền, xử lý vật lý trước khi được cấp
vào máy ép, quá trình ép giúp chuyển các nguyên liệu từ dạng bột thành dạng
viên ép. Khi các viên ép vừa được đẩy ra khỏi máy có nhiệt độ cao, cần được
làm nguội trước khi đem vào sử dụng.
Chi phí sản xuất:
Việc ép viên phụ phế liệu nông nghiệp đã được nghiên cứu, thí nghiệm và đưa
vào sản xuất ở nhiều nơi trên thế giới. Năm 2006 khoa hóa sinh trường đại học
Anh-Columbia (University of British Columbia) đã thí nghiệm & xây dựng mô
hình sản xuất viên ép mùn cưa. Mô hình bao gồm
+Khối lượng mùn cưa 25 tấn.
+Độ ẩm 45%
+Khoảng cách vận chuyển 5km
+Năng suất 6 tấn/h
Với mô hình như vậy họ đã thống kê để ép 1 tấn mùn cưa thành viên chỉ tiêu
tốn 36$ ( bao gồm cả các chi phí phục vụ cho việc ép viên như thu hoạch, vận
chuyển, lưu trữ, sấy, nghiền…)
5
Nguyên
liệu

Sấy
Nghiền Trộn Xử lý
vật lý
Ép viênLàm
nguội
Sản phẩm
Chương II.Phân loại máy ép viên
Dựa vào hình dáng, kích cỡ và kết cấu các loại máy ép viên hiện nay trên thế
giới có thể chia ra 2 loại : máy ép khuôn phẳng và máy ép khuôn vành.
Máy ép khuôn phẳng còn được gọi là máy ép viên loại nhỏ vì chúng thường
được sử dụng trong sản xuất nhỏ lẻ. Trái lại máy ép khuôn vành được ưa
chuộng hơn khi cần sản xuất hàng loạt lớn.
Máy ép khuôn phẳng:
Máy ép khuôn phẳng được thiết kế khoảng đầu thế kỉ 20 để sản xuất thức ăn
cho gia súc. Kích thước của máy ép khuôn phẳng nói chung khá nhỏ gọn so
với máy ép khuôn vành nhờ kết cấu điều hành đơn giản. Vì vậy thiết kế máy ép
khuôn phẳng được sử dụng nhiều hơn cho các loại máy ép viên nhỏ. Bộ phận
làm việc của máy ép khuôn phẳng gồm 2 thành phần chính: khuôn và con lăn.
Khi máy làm việc luôn có chuyển động tương đối giữa khuôn và con lăn
( khuôn quay thì con lăn cố định, ngược lại khuôn cố định thì con lăn quay).
Vật liệu ép (được cấp từ trên xuống qua phễu nạp liệu) sẽ được nén 1 cách tự
nhiên thành dạng viên ép hình trụ thông qua các lỗ trên khuôn
Ưu điểm của máy ép khuôn phẳng:
+Kết cấu đơn giản, dễ sử dụng, vận hành.
+Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhỏ nên không chiếm nhiều diện tích và dễ
dàng di chuyển cũng như lau chùi, bảo dưỡng.
+Nhờ ưu thế kết cấu đơn giản mà ngày nay người ta có thể chế tạo sao cho có
thể nhìn trực tiếp vào buồng ép khi máy đang làm việc. Vì vậy người sử dụng
có thể phát hiện và khắc phục các vấn đề phát sinh trong quá trình ép một cách
dễ dàng và nhanh chóng.

Nhược điểm:
+Con lăn nhanh bị mòn trong quá trình làm việc.
6
+Lực ép phân bố không đồng đều trên toàn bộ diện tích khuôn, càng xa tâm
khuôn lực ép càng giảm dẫn đến chất lượng sản phẩm không đồng đều. Tuy
nhiên nhược điểm này có thể khắc phục bằng cách chế tạo con lăn dạng côn.
Hình 2.1.Thiết kế của máy ép khuôn phẳng
Hình 2.2. Máy ép khuôn phẳng
7
Nguyên liệu thô dạng bột
Con lăn
Viên ép
Khuôn ép
Lỗ ép
Phễu nạp liệu
Máy ép khuôn vành:
Là một trong hai kiểu thiết kế phổ biến của máy ép viên , thiết kế máy ép
khuôn vành bắt đầu phát triển những năm 1950. Khác với máy ép khuôn
phẳng, máy ép khuôn vành luôn được sử dụng để sản xuất viên gỗ hàng loạt
lớn hoặc hàng khối. Máy ép khuôn vành không phổ biến như máy ép khuôn
phẳng vì giá cao và kết cấu phức tạp, nhưng nó có lợi thế vượt trội so với máy
ép khuôn phẳng trong sản xuất viên gỗ hàng loạt lớn. Bộ phận làm việc của
máy ép khuôn vành bao gồm khuôn ép hình vành khăn được đặt thẳng đứng và
các con lăn được đặt phía trong của mặt khuôn. Nói cách khác các con lăn là
một phần của khuôn. Khi làm việc khuôn quay, các con lăn được cố định sẽ
chuyển động theo nhờ ma sat giữa các bề mặt tiếp xúc. Một ống nạp liệu được
sử dụng để cấp vật liệu ép từ bộ phận trộn vào cửa khuôn. Hầu hết các loại
máy ép viên khuôn vành chỉ có 2 con lăn, tuy nhiên cũng có 1 vài máy có thể
thiết kế 3 hoặc 4 con lăn.
Ưu điểm:

+Hao mòn sinh ra khi làm việc ít hơn so với máy ép khuôn phẳng.
+Lực ép phân bố đều trên bề mặt làm việc nên đảm bảo chất lượng viên ép
đồng đều
+Có lợi về năng lượng: khi làm việc có hiện tượng trượt giữa con lăn với
khuôn, làm tăng ma sat và nhiệt cho quá trình ép, điều này sẽ giúp viên ép có
chất lượng tốt hơn.
Nhược điểm:
+Kết cấu phức tạp so với máy ép khuôn phẳng. Không thích hợp với dạng sản
xuất nhỏ, đơn lẻ.
+Giá thành cao
+Cồng kềnh, khối lượng lớn, tính di động kém
8
Hình 2.3.Thiết kế máy ép khuôn vành
Hình 2.4.Máy ép khuôn vành
Chương III.Tính toán thiết kế khuôn và con lăn
Trong quá trình sản xuất viên ép, chất lượng viên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
biến thiên nhiệt độ, độ ẩm vật liệu ép, loại vật liệu chế tạo khuôn và con lăn, loại
vật liệu ép Trong tài liệu này để đơn giản quá trình tính toán, yếu tố độ ẩm và
nhiệt độ sẽ không được xét đến ( coi như lý tưởng và không đổi).
Bộ phận truyền động máy ép khuôn phẳng khá đơn giản
Hình 3.1 thể hiện kết cấu thường thấy
của loại máy ép này.
Phần tính toán hộp giảm tốc và động cơ
sẽ không thực hiện trong báo cáo này.
9
Khuôn
ép
Con
lăn
Viên ép

Nguyên liệu
thô dạng bột
Lỗ ép
Ống nạp liệu
Bộ phận trộn
Hình 3. 1
1.Thiết kế khuôn:
Khuôn phẳng (hình 3.2) có cấu tạo đơn giản nhưng chất lượng khuôn ảnh
hưởng rất nhiều đến chất lượng sản phẩm ép. Để tạo ra các lỗ ép trên khuôn
thường phải dùng các loại máy khoan nòng sùng ( gun drilling machine) vì
tỷ lệ L/d lớn. Để đảm bảo độ nhám bề mặt thành lỗ, sau khi khoan phải làm
nguội khuôn trong môi trường chân không để tránh oxy hóa. Vì vậy giá
thành của khuôn ép chất lượng tốt rất cao. Có thể chiếm đến 1/3 ÷ 1/2 tổng
giá trị cuả cả máy
10
11
Hình 3. 2
a.Lỗ ép:
Khi máy ép viên mới ra đời lỗ ép trên khuôn được
thiết kế có hình trụ trơn. Sau một thời gian nghiên
cứu và phát triển, hiện nay lỗ ép được cải tiến có
hình dạng như hình 3.1
Lỗ ép có 3 phần:
-Miệng lỗ: hình côn, phần tiếp nhận vật liệu vào lỗ
-Thân lỗ: hình trụ , đây là phần làm việc của lỗ, tạo
hình cho viên ép. Đường kính d của thân lỗ chính là
đường kính của viên ép vì vậy đường kính này do
yêu cầu và không thể thay đổi. Chiều dài l của thân
lỗ là một nhân tố quan trọng, đóng vai trò quyết định
chất lượng của viên ép. l/d càng cao thì ma sat sinh

ra khi làm việc càng lớn, chất lượng viên ép càng
cao.
-Đáy lỗ: hình trụ, có đường kính d
1
> d. Đáy lỗ là phần không làm việc. Sau
khi viên ép đi hết chiều dài thân lỗ nếu không có phần đáy lỗ viên ép dễ gãy,
vỡ do hiện tượng giãn nở nhiệt.
Đường kính miệng lỗ, thân lỗ, đáy lỗ lần lượt là d
c
, d, d
1

Trong những tham số trên thì d,d
c
và l là 3 tham số quan trong nhất.Thông
qua thực nghiệm để đạt được sự cân bằng giữa chất lượng viên và năng suất
cao nên chọn như sau: (1.1) ( Tỷ số thực nghiệm
theo tài liệu [1]).
12
Hình 3.3 Lỗ ép
Tổng chiều dài lỗ lấy xấp xỉ L = 2l (1.2)
Các lỗ được phân bố đều trên khuôn, và được đặt gần nhau. Trên 1 khuôn
ép có thể có khoảng vài nghìn lỗ
ép.
b.Các kích thước khuôn ép
có đường kính ngoài D, đường
kính trong D
t
vàChiều dày B
(B=L)

Gọi số lỗ trên khuôn x
Diện tích của khuôn:
Vậy đường kính ngoài của khuôn
được xác định bằng công thức:

2. Thiết kế Con lăn:
a.Vận tốc góc & vận tốc dài
Khối lượng riêng của viên ép :
Với m: khối lượng 1 viên, V: thể tích của 1 viên với l
p
là chiều
dài viên
13
Hình 3. 4
 (2.1)
 Gọi ∆l là chiều dày lớp vật liệu được cấp vào thân lỗ mỗi lần con lăn
chạy qua miệng lỗ. với h là khoảng cách giữa con
lăn và khuôn ép, S
c
là diện tích miệng lỗ, S là diện tích thân lỗ.
 Vậy để cấp đủ số vật liệu tương ứng với chiều dài của 1 viên ép thì 1
con lăn phải chạy qua miệng lỗ y lần và có 2 con lăn làm
việc  mỗi vòng có 2 lượt vật liệu được cấp vào thân lỗ.  Trục 2
phải quay y/2 vòng để cho ra 1 viên ép/lỗ có x lỗ trên khuôn x
viên cho cả khuôn  số vòng cần thiết để tạo thành 1 viên ép là
j=y/2x (vòng/viên)
Năng suất: N = m
1
/t (kg/h) (2.3)
với m

1
là khối lượng vật liệu ép đc / t=1 giờ  số viên ép được / 1h là G =
N/m (viên/h) (2.4)
 Tốc độ quay của trục 2 để đạt năng suất yêu cầu: n=j.G (vòng/h)
(2.5) Vận tốc góc của trục 2:

 Vận tốc dài:  Vận tốc góc của con lăn (tự quay
quanh tâm)
b.Lực tác dụng lên khối vật liệu trong lỗ ép:
Coi khối vật liệu trong 1 lỗ ép là 1 chất điểm, chịu lực tác dụng từ con lăn là
F
r
hướng từ trên xuống, và lực ma sat F
ms
ngược chiều F
r
sinh ra cản lại
chuyển động đi xuống của khối vật liệu.
14
Áp dụng định lý động lượng cho khối vật liệu
mv = (F
r
– F
ms
)t
m: khối lượng của khối vật liệu trong lỗ
v: vận tốc
t:thời gian khối vật liệu đi hết quãng đường l
F
r

= F
ms
+ ml/t
2
(2.6)
m = ρlπd
2
/4 (2.7)
(2.8)
F
ms
=F
0
.k
với k là hệ số ma sat giữa vật liệu và thành
khuôn . Hệ số ma sat k ảnh hưởng bởi nhiều
yếu tố, cách đo hệ số ma sat ở chương sau
F
0
là áp lực giữa vật liệu và thành khuôn
 (*)
Coi áp lực trong lỗ ép là đẳng hướng  (S là diện tích miệng lỗ
)
Thay vào(*) (2.9)
Thế (2.7),(2.8),(2.9) vào (2.6) rút được F
r
:
15
Fr
F

ms
F
0
d
l
Hình 3.5 Lực tác dụng trong lỗ ép
c.Kích thước con lăn
L
r
D
r
Hình 3.6 Kích thước con lăn
2 con lăn đc lắp trên trục . Có chiều dài L
r
=(D - D
t
)/2 (2.11) và đường kính
D
r
Nguyên liệu ép liên tục được cấp từ trên xuống & bám vào bề mặt con lăn.
Do chuyển động quay của trục 2 từng lớp nguyên liệu bị ép vào các lỗ ép.
Áp suất lớn được sinh ra do lực ép và ma sat. Áp suất này giúp nén chặt các
hạt nguyên liệu lại với nhau. Quá trình này làm những viên ép bị đẩy ra khỏi
khuôn
Lực ép sinh ra từ con lăn F
r
cũng đồng thời là lực ly tâm vậy
Khối lượng riêng của con lăn:
 với thế vào (2.12):
Vậy đường kính con lăn đc xác định:

16
Lưu đồ tính toán:
17
Thông số đầu vào:
l
p
,d, ,N
Lỗ ép
Công thức (1.1) & (1.2)
Khuôn:
Đường kính D: công thức (1.4)
Số lỗ x tự chọn (1000÷3000)
Chiều dày B = L
Con lăn:
Vận tốc góc : công thức (2.6)
Lực F
r
: công thức (2.10)
Chiều dài L
r
: công thức (2.11)
Đường kính con lăn D
r
:
công thức (2.13)
Hệ số ma sat k ảnh hưởng
bởi nhiều yếu tố, phương
pháp đo k được nêu ở
chương IV
Chương IV.Hệ số ma sat và phương pháp đo

Hệ số ma sat k giữa vật liệu và thành khuôn ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố
như: Độ ẩm, nhiệt độ khuôn, độ nhám bề mặt lỗ, vật liệu ép. Vì vậy đối với
mỗi loại vật liệu ở những điều kiện khác nhau sẽ cho hệ số ma sat khác
nhau. Để xác định chín xác hệ số này cho từng loại vật liệu và trong những
điều kiện khác nhau ta phải tiến hành đo một cách cụ thể.
a.Lý thuyết đo hệ số ma sat:
Coi lớp vật liệu là chât điểm có khối
lượng m. Đặt trên mặt phẳng nghiêng như
hình vẽ.
Trọng lực tác dụng lên lớp vật liệu là P
được phân tích thành 2 thành phần P
1
và
P
2
như hình.
Lực ma sat sinh ra cản lại chuyển động trượt của lớp vật liệu có giá trị
Để lớp vật liệu có thể trượt trên mặt nghiêng thì P
1
>P
1min
=
  
18

P
P
2
P
1

F
ms
α
Hình 4. 1
b.Phương pháp đo hệ số ma sat:
Như đã trình bày ở phần a, hệ số ma sat giữa vật liệu ép và khuôn chính là
tgα. Vậy để tìm k ta chỉ cần tìm được giá trị góc α
0
khi vật liệu bắt đầu trượt
trên bề mặt nghiêng
Trong thực tế để đo k ta có thể làm như sau:

m
α0
Hình 4. 2
Dụng cụ:
+1 quả cân có khối lượng m
+Bề mặt cùng loại vật liệu chế tạo khuôn, có thể quay như khớp bản lề
+Thước đo góc
Tiến hành đo:
+Ở đáy quả cân dính 1 lớp vật liệu ép thật mỏng và đều, có thể sử dụng
băng dính hai mặt. đặt lên bề mặt và từ từ nâng dần góc α cho đến khi α = α
0,
quả cân bắt đầu trượt trên mặt phẳng nghiêng.
+Dùng thước đo góc đo giá trị α
0
. Giá trị tg α
0
chính là giá trị k cần tìm cho
vật liệu ép.

+Để đảm bảo độ chính xác có thể lặp lại phép đo cho cùng 1 loại vật liệu ép
từ 3 đến 5 lần và lấy giá trị trung bình.
19
Chương V.Thiết kế và mô phỏng máy ép khuôn phẳng
Sử dụng phần mềm Solid Edge ST3 để thiết kế và mô phỏng.
1.Thiết kế chi tiết (Part design)
Hình 5. 1 Khuôn
Hình 5. 2 Con lăn
20
Hình 5. 3 Hộp giảm tốc
Hình 5. 4 Động cơ
21
2.Lắp ráp (Assembly Design)
22
Hình 5. 5 Các chi tiết trước khi lắp ráp
Hình 5. 6 Máy ép khuông phẳng
3.Mô phỏng
Sau khi đã quy định các ràng buộc tương quan và motor ta tiến hành mô
phỏng bằng Simulate Motor:
Hình 5. 7 Simulate Motor
23
Tài liệu tham khảo:
[1] PELLET DIE – Leroy V.Skoch & Keith E.Pike.
[2] Effect of Die Thickness and Pellet Mill Throughput on Pellet Qualit
y-C.R. Stark
[3] Wood and Fiber Science, 41(4), 2009, pp. 414–425# 2009 - the Society
of Wood Science and Technology
[4] How Pellets are Made - The Center of Feed Technology Ltd
[5] The Pellet Handbook - Ingwald Obernberger and Gerold Thek
[6] Solid Edge Tutorial&Seftpaced training – Siemens PLM Software

[7] Các nguồn thông tin tra cứu từ Internet
24