NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY NGHIỀN RÁC THẢI LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT PHÂN HỮU CƠ VI SINH NĂNG SUẤT 5 TẤNGIỜ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
MÁY NGHIỀN RÁC THẢI LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT
PHÂN HỮU CƠ VI SINH NĂNG SUẤT 5 TẤN/GIỜ

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THỊ THO
Ngành: CƠ KHÍ VÀ CÔNG NGHỆ
Niên khóa: 2007 - 2011

Tháng 6/2011


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
MÁY NGHIỀN RÁC THẢI LÀM NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT
PHÂN HỮU CƠ VI SINH NĂNG SUẤT 5 TẤN/GIỜ

Tác giả

Nguyễn Thị Tho

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Cơ khí chế biến nông sản thực phẩm

Giáo viên hướng dẫn:
PGS TS. Trần Thị Thanh

Tháng 6 năm 2011
i


CẢM TẠ

Sau ba tháng nỗ lực làm đề tài tốt nghiệp tôi đã hoàn thành. Để có thể hoàn
thành được đề tài này, tôi chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu trường Đại Học Nông
Lâm TP.Hồ Chí Minh, ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ, quý thầy cô đã tận
tình dạy bảo và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian 4 năm qua.
Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS.TS Trần Thị Thanh giảng viên
khoa Cơ Khí - Công Nghệ, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suất quá trình thực hiện đề tài này.
Xin chân thành cảm tạ các chú, các anh ở xưởng cơ khí, cùng các bạn sinh viên
đã quan tâm, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đề tài, cũng như trong quá trình học
tập.

Trân trọng cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2011.
Nguyễn Thị Tho

ii


TÓM TẮT
Đề tài:
“Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy nghiền rác thải làm nguyên liệu sản xuất phân
hữu cơ vi sinh năng suất 5 tấn/h”
Được tiến hành tại trường Đại học Nông Lâm TP.HCM, thời gian từ tháng 3/2011
đến tháng 6/2011.

Kết quả thu được:
a) Lựa chọn mô hình máy thiết kế
b) Tính toán và thu kết quả sau:
- Kết quả tính toán bộ phận nghiền:
+ Đường kính buồng nghiền: 680 mm
+ Chiều rộng buồng nghiền: 340 mm
+ Số lượng búa: 96
+ Kích thước búa: 150 mm  60 mm  10 mm.
+ Đường kính chốt treo búa:  23 mm
+ Trục rôto:
-

Kết quả tính toán bộ phận truyền động:

+ Truyền động bằng đai thang: đai B
+ Số lượng đai: 5
+ Kích thước bánh đai:
 Chiều dài đai: l = 2000 mm
 Kích thước bánh đai nhỏ: d1 = 250 mm
 Kích thước bánh đai lớn: d2 = 315 mm
 Khoảng cách trục: a = 555 mm
 Chiều rộng bánh đai: B = 136 mm
+ Công suất động cơ nghiền: 40 kW.
Đưa máy nghiền rác năng suất 5 tấn/giờ vào dây chuyền sản xuất phân hữu cơ
vi sinh.
iii


MỤC LỤC

Trang
Trang tựa.................................................................................................................... i
Cảm tạ ....................................................................................................................... ii
Tóm tắt ..................................................................................................................... iii
Mục lục .................................................................................................................... iv
Danh sách các hình ................................................................................................. vii
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU............................................................................................ 1
1.1 Mở đầu ............................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu đề tài ................................................................................................... 2
1.2.1 Mục tiêu ........................................................................................................... 2
1.2.2 Nhiệm vụ ......................................................................................................... 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN .................................................................................... 3
2.1 Tổng quan về rác ............................................................................................... 3
2.1.1 Rác thải là gì? ................................................................................................. 3
2.1.2 Một số tính chất cơ lý của rác......................................................................... 3
2.1.3 Công nghệ sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ rác.............................................. 4
2.2 Tổng quan về máy nghiền ................................................................................. 5
2.2.1 Khái niệm về nghiền ....................................................................................... 5
2.2.2 Cơ sở vật lý của quá trình nghiền vỡ vật thể rắn ............................................ 5
2.2.3 Các tiêu chuẩn của quá trình nghiền............................................................... 6
2.2.4 Các thuyết nghiền ........................................................................................... 6
2.2.5 Các nguyên lí nghiền ...................................................................................... 9
2.3 Lý thuyết tính toán máy nghiền rác ................................................................. 11
2.3.1 Vận tốc phá vỡ hạt ........................................................................................ 11
2.3.2 Các yếu tố cơ học của quá trình làm việc ở máy nghiền ............................... 12
iv


2.3.3 Động lực học của máy nghiền búa ............................................................... 13
2.3.4 Tính toán máy nghiền búa ............................................................................ 15

2.4 Lý thuyết tính toán công suất cần thiết............................................................ 19
2.5 Lý thuyết tính toán truyền động đai ................................................................ 19
2.6 Một số mẫu máy nghiền .................................................................................. 22
2.7 Nhận xét ........................................................................................................... 23
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ........................................... 24
3.1 Phương pháp thiết kế ........................................................................................ 24
3.1.1 Lựa chọn nguyên tắc làm việc của máy thiết kế ......................................... 24
3.1.2 Phương pháp thiết kế bộ phận cấp liệu ....................................................... 24
3.1.3 Phương pháp thiết kế bộ phận nghiền ......................................................... 24
3.1.4 Phương pháp thiết kế bộ phận thu hồi sản phẩm......................................... 24
3.1.5 Phương pháp thiết kế bộ phận truyền động ................................................. 25
3.2 Công nghệ chế tạo ............................................................................................. 25
3.3 Phương pháp đo đạc .......................................................................................... 25
3.4 Phương pháp khảo nghiệm và xử lý số liệu ...................................................... 26
3.4.1 Phương pháp khảo nghiệm .......................................................................... 26
3.4.2 Phương pháp lấy mẫu đo đạc ...................................................................... 26
3.4.3 Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................... 26
CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN ĐỀ TÀI – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................. 27
4.1 Các dữ liệu thiết kế ban đầu ............................................................................ 27
4.2 Lựa chọn mô hình máy nghiền thiết kế ........................................................... 27
4.2.1 Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của máy nghiền ........................................... 27
4.2.2 Sơ đồ nguyên lý của máy nghiền rác............................................................ 29
4.3 Tính toán thiết kế bộ phận nghiền ................................................................... 29
4.3.1 Tính toán vận tốc búa nghiền ....................................................................... 29
4.3.2 Lựa chọn dạng buồng nghiền ....................................................................... 30
4.3.3 Tính toán các kích thước của buồng nghiền ................................................. 31
4.3.4 Xác định số vòng quay trong một phút của trống ........................................ 31
4.3.5 Tính toán búa nghiền .................................................................................... 31
4.3.6 Tính toán kích thước đĩa lắp búa ................................................................. 32
v

4.3.7 Tính toán số lượng búa ................................................................................. 32
4.4 Tính toán bộ phận nạp liệu .............................................................................. 33
4.5 Tính toán công suất cần thiết ........................................................................... 33
4.6 Tính toán truyền động đai................................................................................ 34
4.7 Tính toán thiết kế trục rôto nghiền .................................................................. 36
4.8 Quy trình công nghệ chế tạo một số chi tiết .................................................... 42
4.8.1 Quy trình công nghệ chế tạo trục rôto nghiền ............................................... 42
4.8.2 Quy trình công nghệ chế tạo búa nghiền ....................................................... 45
4.9 Theo dõi chế tạo máy ...................................................................................... 47
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.............................................................. 48
5.1 Kết luận............................................................................................................. 48
5.2 Đề nghị ............................................................................................................. 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 49
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 50

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1: Va đập vỡ tự do ..................................................................................... 9
Hình 2.2: Cắt nghiền vỡ ...................................................................................... 10
Hình 2.3: Chà xát vỡ............................................................................................ 10
Hình 2.4: Cấu tạo búa nghiền .............................................................................. 14
Hình 2.5: Máy nghiền rác của Nguyễn Quốc Tuấn ở Tánh Linh ........................ 22
Hình 2.6: Máy nghiền rác của ông Nguyễn Hòa ở Đà Lạt – Lâm Đồng ............ 23
Hình 4.1: Mô hình máy nghiền thiết kế............................................................... 28
Hình 4.2: Buồng nghiền ...................................................................................... 30

Hình 4.3: Sơ đồ đặt lực tác dụng lên trục ............................................................ 38
Hình 4.4: Biểu đồ mômen tác dụng lên trục nghiền ............................................ 39
Hình 4.5: Cấu tạo của trục rôto ........................................................................... 40
Hình 4.6: Phôi để tiện trục rôto ........................................................................... 43
Hình 4.7: Cấu tạo búa nghiền .............................................................................. 46
Hình 4.8: Phôi búa nghiền ................................................................................... 47

vii


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Mở đầu
Hiện nay, quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa phát triển mạnh thì chất thải rác là
một trong những vấn đề cần quan tâm. Rác thải gây ô nhiễm môi trường không khí,
môi trường nước, môi trường đất,… làm ảnh hưởng xấu trực tiếp đến con người.
Trên thế giới hiện nay, đặc biệt là các nước đang phát triển, mật độ dân số càng cao
thì rác thải càng trở thành vấn đề quan trọng. Ở Việt Nam, vấn đề ô nhiễm môi trường
nói chung và ô nhiễm rác nói riêng đang thật sự là mối quan tâm của toàn xã hội. Mặt
khác, với sản xuất nông nghiệp, phân bón có vai trò quyết định cả về chất lượng và sản
lượng thu hoạch. Ở nước ta, tình trạng sử dụng phân bón còn chưa hợp lý, đa số người
dân chưa biết sử dụng bón phân hóa học kết hợp với phân hữu cơ vi sinh. Nhưng qua
thời gian dài sử dụng phân hóa học mà không bón phân hữu cơ vi sinh đã làm cạn kiệt
nguồn hữu cơ và vi sinh vật trong đất dẫn đến đất bị trai cứng, khả năng hấp thụ dinh
dưỡng, khả năng tạo chất dinh dưỡng và giữ nước kém. Không những thế mà giá thành
phân bón hóa học ngày càng tăng. Trong khi đó, phân hữu cơ vi sinh có rất nhiều ưu
điểm: cải tạo đất tốt, làm tăng dinh dưỡng trong đất, giúp đất giữ dinh dưỡng và giữ
nước tốt, nâng cao chất lượng và sản lượng cây trồng, giúp cây chống chịu bệnh tốt,
giá thành thấp. Vì vậy, cần phải kết hợp bón phân hữu cơ vi sinh để cải tạo lại đất
trồng. Trong canh tác nông nghiệp, phế phụ phẩm nông nghiệp là nguồn hữu cơ rất

lớn nhưng chưa được sử dụng hợp lý, thông thường lượng phế phụ phẩm này bị đốt đi
hoặc vứt bỏ sau thu hoạch vừa làm ô nhiễm môi trường vừa làm phí phạm nguồn hữu
cơ đáng lẽ ra phải trả lại cho đất. Nếu chúng ta cứ canh tác như vậy thì đất sẽ thiếu
nguồn hữu cơ và là nguyên nhân chính dẫn đến đất bị bạc màu và môi trường bị ô
1


nhiễm. Nên cần phải trả lại cho đất nguồn hữu cơ mà cây đã lấy đi bằng cách sử lý
nguồn nguyên liệu này bằng chế phẩm vi sinh làm phân bón hữu cơ vi sinh. Vấn đề
xử lý rác thải sinh hoạt của các vùng trên cả nước đang được quan tâm và từng bước
thực hiện. Để xử lý rác thải hữu cơ hiệu quả cần thiết có chế phẩm vi sinh chất lượng
giúp quá trình phân hủy nhanh, giảm mùi hôi thối của rác. Nước thải từ các nhà máy,
bệnh viện, trường học, cơ sở chăn nuôi, chế biến thực phẩm… chứa thành phần, hàm
lượng chất thải khác nhau. Do đó, cần phải có những nghiên cứu, tuyển chọn các
chủng vi sinh vật phát triển tốt trên nước thải đó và có hoạt tính cao thì mới tăng hiệu
quả xử lý nước thải. Chính vì vấn đề xử lý chất thải hữu cơ làm nguyên liệu cho sản
xuất phân hữu cơ vi sinh và làm sạch môi trường, cho nên cần phải có nhiều nghiên
cứu và ứng dụng nhằm đưa ra chế phẩm vi sinh vật tốt, quy trình xử lý hiệu quả để có
thể biến toàn bộ nguồn chất thải hữu cơ thành phân bón, khi đó sẽ có một lượng phân
bón khổng lồ, giảm áp lực phải nhập phân hóa học từ nước ngoài, tiết kiệm chi phí sản
xuất cho người dân và làm sạch môi trường.
Quy trình chế biến rác thành phân hữu cơ vi sinh gồm nhiều công đoạn, trong đó
nghiền là một công đoạn rất quan trọng.
Từ những yêu cầu trên và thực tế yêu cầu sản xuất. Được sự đồng ý của BCN Khoa
Cơ khí – Công nghệ, bộ môn máy sau thu hoạch và chế biến, dưới sự hướng dẫn của
cô PGS.TS. Trần Thị Thanh nên em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo
máy nghiền rác thải làm nguyên liệu sản xuất phân hữu cơ vi sinh năng suất 5 tấn/h”
1.2. Mục tiêu đề tài
1.2.1

Mục tiêu

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy nghiền rác thải làm nguyên liệu sản xuất phân
hữu cơ vi sinh năng suất 5 tấn/h.
1.2.2 Nhiệm vụ
-

Lựa chọn nguyên tắc làm việc cho máy thiết kế

-

Chọn mô hình máy thiết kế

-

Tính toán thiết kế các bộ phận làm việc của máy theo mô hình, đảm bảo năng

suất thiết kế 5 tấn/h.
-

Khảo nghiệm và đánh giá kết quả.
2


Chương 2:
TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về rác (www:Quản lý chất thải;Nguyễn Thế Cường và Mã Ngọc Vũ 2006)
2.1.1 Rác thải là gì?
- Rác thải là toàn bộ các loại vật chất được con người loại bỏ trong các hoạt
động kinh tế - xã hội bao gồm tất cả các hoạt động sản xuất và hoạt động sống.

- Rác thải được phân ra nhiều loại, một số trong đó là:
+ Rác tự phân hủy (các loại thức ăn thừa, thực vật chết,…) là các thành phần
xuất phát từ thiên nhiên.
+ Rác thải tái chế được: vật liệu xây dựng, kim loại, thủy tinh, bìa giấy,…
+ Chất thải có thành phần độc hại (hóa chất, pin, …), không tái chế được ( túi
nilon) thậm chí nguy hiểm cho thiên nhiên và con người.
2.1.2 Một số tính chất cơ – lý của rác.
-

Khối lượng thể tích: 180  600 kg/m3

-

Ẩm độ sau khi xử lý: 20  30 %.

-

Thành phần các chất hữu cơ chiếm: 50 – 62 %.

-

Chất khoáng chiếm: 3  4 %.

-

Ứng suất phá vỡ:  pv  0,7.106 N / m 2

-

Ngoài ra còn có các vitamin B1, B2 và một số loại axit khác,…

3


2.1.3 Công nghệ sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ rác.
Phân vi sinh là chế phẩm chứa các vi sinh vật (VSV) sống có hoạt lực cao đã được
tuyển chọn, thông qua các hoạt động của nó tạo ra các chất dinh dưỡng cho đất và cây
trồng làm cho cây trồng phát triển tốt hơn.
Quá trình sản xuất phân vi sinh theo 2 giai đoạn chủ yếu:
Giai đoạn 1: Tạo nguyên liệu cho sản xuất còn gọi là chất mang. Chất mang
được dùng là các hợp chất vô cơ (bột photphorit, bột apatit, bột xương, bột vỏ sò,..)
hay các chất hữu cơ (than bùn, bã nấm, phế thải nông nghiệp, rác thải,..). Chất mang
được ủ yếm khí hoặc hiếu khí nhằm tiêu diệt một phần VSV tạp và trứng sâu bọ, bay
hơi các hợp chất dễ bay hơi và phân giải phần nhỏ các chất hữu cơ khó tan.
Giai đoạn 2: Cấy vào nguyên liệu trên các chủng vi sinh vật thuần khiết trong
điều kiện nhất định để đạt được hiệu suất cao. Mặc dù VSV nhỏ bé nhưng trong điều
kiện thuận lợi: đủ chất dinh dưỡng, có độ pH thích hợp, CO2 và nhiệt độ môi trường tối
ưu chúng sẽ phát triển cực kỳ nhanh chóng (hệ số nhân đôi chỉ 2-3giờ); Ngược lại
trong điều kiện bất lợi chúng sẽ không phát triển hoặc bị tiêu diệt, dẫn đến hiệu quả
của phân bị giảm sút. Để cho phân vi sinh được sử dụng rộng rãi, người ta thường
chọn các chủng vi sinh có khả năng thích nghi rộng hoặc dùng nhiều chủng trong cùng
một loại phân.
Như vậy, qui trình sản xuất phân vi sinh trước tiên là tạo thành phân mùn hữu cơ
cao cấp. Tùy từng địa phương và cơ sở sản xuất cụ thể mà lựa chọn nguyên liệu để sản
xuất phân hữu cơ cao cấp khác nhau như than bùn, mùn rác thành phố (phân rác lên
men), phân bắc (hầm cầu), phân gà công nghiệp, phân heo, trâu, bò, dê,..hoặc phân từ
nguồn phế thải của quá trình chế biến của các nhà máy như mía, mụn dừa, vỏ trái cây,
.. Nói chung là đi từ nguyên liệu nào có thể biến thành mùn. Sau đó là quá trình phối
trộn, cấy các chủng vi sinh vào mùn.
Phân phức hợp hữu cơ vi sinh được sản xuất từ phế thải của nhà máy đường theo

công nghệ của FITOHOOCMON được Bộ Khoa học và công nghệ cấp Bằng độc
4


quyền giải pháp hữu ích về “Quy trình sản xuất phân phức hợp hữu cơ vi sinh”, như
sau:
- Giai đoạn lên men nguyên liệu: Nguyên liệu là bùn mía, tro lò, than bùn được
lên men tạo thành mùn hữu cơ cao cấp
- Giai đoạn phối trộn và cấy vi sinh vật hữu ích: Phối trộn theo công thức định
sẵn tùy theo yêu cầu chất lượng phân và cấy VSV thuần khiết vào môi trường mùn
hữu cơ.
Tóm lại: Công nghệ sản xuất phân hữu cơ vi sinh gồm
Ban đầu rác vơi ẩm độ 40%  50% được ủ hiếm khí trong 3 tháng cho phân hủy
hữu cơ 

Phơi khô cho thoát còn 20%  30%  Đưa vào máy phân ly tách đá,

nilon,… ra ngoài  Sau đó cho nguyên liệu vào máy nghiền sản phẩm nghiền từ 1
 3 mm  Phun men vào sản phẩm nghiền và ủ chín từ 7  10 ngày  Trộn đều

với các nguyên tố vi lượng khác  Đóng bao.
2.2

Tổng quan về máy nghiền (Nguyễn Như Nam và Trần Thị Thanh – 2000)

2.2.1 Khái niệm về nghiền
Nghiền là quá trình phá hủy vật thể rắn bằng lực cơ học thành các phần tử,
nghĩa là bằng cách đặt vào vật thể rắn các ngoại lực mà các lực này lớn hơn lực hút
phân tử của vật thể rắn đó.
Kết quả của quá trình nghiền là tạo nên nhiều phần tử cũng như hình thành nên

nhiều bề mặt mới.
2.2.2 Cơ sở vật lý của quá trình nghiền vỡ vật thể rắn.
Xuất phát từ các công trình nghiên cứu của các Viện sĩ A.Ph. Iophphe, P.A.
Rebinder và I.A.Phrenkel xác nhận: đặc điểm cấu trúc của bất kỳ vật thể rắn nào cũng
đều tồn tại các khuyết tật cực nhỏ. Các khuyết tật này có phân bố thống kê theo chiều
dày của vật thể. Đồng thời chúng cũng thể hiện cục bộ ra bề mặt ngoài. Chính vì đặc
điểm như vậy mà độ bền (khả năng chống lại sự phá vỡ) bị giảm từ 100  1000 lần so
với độ bền của vật rắn thực có cấu trúc bị phá hủy.

5


Quá trình biến dạng của vật rắn được xảy ra với sự gia tăng các phần tử hiện có
và số lượng các khuyết tật. Khi quy mô các khuyết tật được gia tăng vượt quá giới hạn,
cùng với điều đó, là sự phát triển nhanh theo chiều dài vết nứt làm vật thể bị phá vỡ.
Khi có tải trọng tuần hoàn với chu kỳ tiếp theo thì số lượng các vết nứt trong
vật thể gia tăng và độ bền của vật thể bị giảm xuống. Sự xuất hiện các vết nứt tế vi
trong cấu trúc vật thể sẽ làm giảm lực liên kết phân tử, làm giảm độ bền một cách đột
ngột. Hiện tượng này đã được Viện sĩ P.A. Rebinder phát hiện và đặt tên là “Hiệu ứng
Rebinder”. Hiệu ứng này được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật.
Khái niệm chung về cơ học phá hủy nguyên liệu hạt được gọi là cơ sở quá trình
động lực học nghiền. Cơ chế phá vỡ hạt có dạng cơ chế phá hủy bằng nén ép và quá
trình diễn ra theo sơ đồ phá hủy dòn, nghĩa là không có quá trình biến dạng dẻo rõ rệt.
2.2.3 Các tiêu chuẩn của quá trình nghiền.
-

Năng suất đạt yêu cầu.

-

Năng lượng tiêu tốn cho 1 đơn vị sản phẩm nhỏ.

-

Sản phẩm của quá trình nghiền có kích thước đồng đều hoặc sự phân phối kích

thước như mong muốn.
2.2.4 Các thuyết nghiền
Cùng với quy luật phân bố các phần tử sản phẩm nghiền theo các kích thước
của chúng thì lý thuyết nghiền còn nghiên cứu sự phụ thuộc hàm số giữa chi phí năng
lượng đến quá trình nghiền vỡ vật liệu và mức độ nghiền.
a. Thuyết bề mặt.
Thuyết bề mặt do nhà bác học người Đức P.Rv.Ritingo đề xuất vào năm 1867
với nội dung: “Công dùng cho quá trình nghiền tỷ lệ thuận với bề mặt mới tạo
thành của vật liệu đem nghiền”.
As = f (  S), (J)
Trong đó: As – công chi phí để nghiền vỡ vật thể, tạo thành bề mặt mới. (J)
 S – diện tích bề mặt mới được tạo thành.

6

(2.1)


Thuyết bề mặt được áp dụng nhiều hơn để đánh giá quá trình nghiền mịn, khi
đó sản phẩm nhận được với diện tích riêng bề mặt phát triển cao.
b. Thuyết thể tích
Thuyết cơ học được nhà cơ học người Nga V.L. Kirpitrev đề xuất vào năm
1874 và được Giáo sư người Đức Ph.Kik kiểm tra bằng thực nghiệm trên máy nghiền
kiểu búa vào năm 1885. Nội dung cơ bản của thuyết thể tích là: “Công cần thiết để

nghiền vật liệu tỷ lệ thuận với mức độ biến đổi thể tích của vật liệu”.
Av = f(  V), (J)

(2.2)

Trong đo: Av – công chi phí để nghiền vỡ vật thể, (J)
 V – phần thể tích vật thể bị biến dạng.

Nhưng phần thể tích bị biến dạng  V lại tỷ lệ thuận với thể tích ban đầu V của tất cả
các cục vật liệu, nghĩa là  V = k1.V. Cho nên:
Av = k.k1.V = k2.V = kv.D3
Hay: Av = k2.V = k2.  m = k v .m

(2.3)

Trong đó: kv và k v - các hệ số tỷ lệ trong các công thức theo thuyết thể tích.
m – khối lượng cục vật liệu nghiền, (kg).
Thuyết thể tích của Kirpitrer – Kik cho kết quả chính xác hơn trong tính toán
quá trình nghiền thô. Bởi vì khi nghiền thô, phần năng lượng chi phí cho biến dạng
đàn hồi vật thể là chủ yếu, còn năng lượng chi phí cho việc gia tăng diện tích riêng bề
mặt thì không đáng kể.
c. Thuyết dung hòa
Hai thuyết diện tích và thể tích còn có những nhược điểm nên Ph.C. Bon đã đề
xuất một thuyết nghiền thứ ba để dung hòa hai thuyết trên vào năm 1952. Nội dung:
“Công nghiền tỷ lệ với trung bình nhân giữa thể tích (V) và bề mặt (S) của vật liệu
đem nghiền”.
Adh = k. VS = k. k v .D 3 . k s .D 2
2,5

 Adh = kdh.D

Sau khi biến đổi ta được:
 1
1 
Adh  k dh 


D
 d

7

(2.4)


(3.5)
Sau này còn có công trình nghiên cứu của nhà bác học Nga A.K. Rungbixt
(1956) và nhà bác học người Mỹ R.Trarlz (1958). Các nhà bác học này đã giới thiệu
phươngtrình:

d  c.d .

d
z

(2.6)

Trong đó: A – công biến dạng, (J)
 - kích thước đặc trưng (đối với cục vật liệu là D và các phần tử bột nghiền

là d), (mm).
c và z – các hệ số
Lấy tích phân phương trình (3-6) và sau khi cho các giá trị rời rạc z = 1; 2; 3/2,
ta được giá trị gần đúng:
A = k.Dq

(2.7)

Khi đó chỉ số mũ q có các giá trị 3; 2 và 2,5. Tương ứng với các biểu thức sau:
Av = kv.D3 - Thuyết thể tích của Kirpitrev – Kik.
As = ks.D2 – Thuyết diện tích của Ritingo.
Adh = kdh.D2,5 – Thuyết dung hòa của Bon.
Rõ ràng là cả hai thuyết diện tích và thể tích không mâu thuẫn nhau mà chúng
bổ sung cho nhau.
d. Thuyết tổng hợp.
Do nhiều chỗ thiếu sót của cả hai thuyết diện tích và thể tích khi dựa vào các
tính chất cơ lý của vật liệu nghiền trong biến dạng. Viện sĩ người Nga P.A . Rebider
lần đầu tiên vào năm 1928 đã đưa ra thuyết nghiền tổng hợp còn gọi là thuyết nghiền
cơ bản với nội dung: “Công nghiền vật liệu bao gồm công tiêu hao để tạo ra bề mặt
mới và công làm biến dạng vật liệu” và được thể hiện dưới dạng biểu thức sau:
Ath = f (  V) + f (  S)

(2.8)

Trong đó:  V – phần thể tích bị biến dạng của vật nghiền
 S – diện tích riêng bề mặt được gia tăng.

Ath = Av + As = k.  V +   S
Trong đó: Av – công chi phí cho sự biến dạng của vật liệu
8

(2.9)


As – công chi phí cho sự tạo thành các bề mặt mới.
k – hệ số tỷ lệ.
 - hệ số tỷ lệ có tính toán đến năng lượng sức căng bề mặt của vật thể

cứng.
2.2.5 Các nguyên lí nghiền
Tùy theo tính chất của vật liệu đem nghiền như độ ẩm, hàm lượng dầu,…và yêu
cầu của sản phẩm sau nghiền như độ nhỏ, năng suất máy mà áp dụng một trong các
nguyên lý sau:
a. Va đập vỡ tự do.
Máy quay với vận tốc 35  70 m/s do đó động năng (mv2/2) rất lớn và khi gặp
các phần tử thức ăn đang rơi vào máy tự do thì búa đập vỡ rồi văng các hạt vỡ đó vào
thành máy và các tấm sàng. Ngoài ra các loại hạt khi va đập vào vỏ máy và chà xát
vào các tấm sàng cũng vỡ them. Loại máy nghiền này có năng suất cao, nghiền được
nhiều loại thức ăn theo nhiều độ nghiền khác nhau. Cấu tạo đơn giản và sử dụng thuận
tiện.

1. Nguyên liệu nghiền
2. Má đập phụ
3. Búa nghiền
4. Lưới sàng

Hình 2.1: Va đập vỡ tự do
b. Cắt nghiền vỡ.
Áp dụng ở các loại máy xay kiểu trục cuốn và các máy nghiền khô dầu. Các
trục cuốn có những rãnh răng khía trên mặt quay với vận tốc khác nhau. Các răng khía

kẹp hạt rồi lại nghiền vỡ. Đồng thời có chà xát hạt ít nhiều.
9


Loại máy này có thể nghiền hạt nhỏ thành tấm, ít sinh ra bụi bột nhưng khi
nghiền thức ăn ẩm (trên 18%) hay có khô dầu thì dễ sinh ra răng khía và làm nóng
thức ăn.

1. Nguyên liệu nghiền
2. Trục nghiền
3. Bột nghiền

Hình 2.2: Cắt nghiền vỡ
c. Chà xát vỡ.
Áp dụng cho các máy xay kiểu thớt chỉ dùng cho thức ăn khô không có dầu.
Một thớt đứng yên còn một thớt quay với vận tốc dài 10  12m/s đặt trên thớt kia do
đó chà xát ở khe giữa các thớt. Loại máy này cũng tương đối vạn năng xay theo nhiều
độ nghiền khác nhau nhưng dễ làm nóng thức ăn và có khi nghiền quá nhỏ thành bụi
bột làm giảm chất lượng thức ăn.

1. Nguyên liệu nghiền
2. Đĩa quay
3. Bột nghiền
4. Đĩa cố định

Hình 2.3: Chà xát vỡ

10

d. Ép dập vỡ.
Áp dụng ở các máy xay có hai trục cuốn nhẵn, quay với vận tốc dài bằng nhau
(V1 = V2). Hạt đi vào khe được kéo vào giữa 2 khe của hai trục cuốn (do lực ma sát của
hạt với hai mặt trụ) rồi đựơc ép dập vỡ ra. Loại này ít dùng và chỉ nghiền được ít thức
ăn. (Hình 3.2)
2.3

Lý thuyết tính toán máy nghiền búa trục ngang. (Nguyễn Như Nam và Trần

Thị Thanh – 2000)
2.3.1 Vận tốc phá vỡ hạt
Khi nghiên cứu vận tốc búa và coi nó như một yếu tố cơ học cơ bản trong quá
trình làm việc của máy nghiền, cần giải quyết hai vấn đề sau:
-

Xác định vận tốc cần thiết để phá hủy dạng vật liệu đã cho.

-

Đánh giá ảnh hưởng vận tốc tiếp tuyến làm việc của búa lên các chỉ tiêu chế độ

làm việc và hiệu suất chung của máy nghiền.
a. Vận tốc phá hủy khi nghiền hạt bằng va đập
Từ ảnh hưởng của đặc tính độ bền của vật liệu, ta có thể xác định giá trị động lực học
về độ bền cho phép bằng phương pháp phân tích. Tốc độ phá vỡ vfv của búa nghiền tác
động vào vật liệu sau lần va đập tự do có dạng:

V fv 

a

k d . fv . ln 
 x1 

(m/s)



Trong đó: Vpv – tốc độ phá hủy (m/s)
a - chiều dài hạt (m/s)
x1 – chiều dài phần không biến dạng của hạt (mm)
 - khối lượng riêng của hạt (kg/m3)

kd – hệ số động lực học, kd = 1,6  2
 fv - ứng suất phá vỡ của vật liệu (N/m2)

Công thức này là cơ sở để chọn vận tốc thích ứng của búa nghiền.

11

(2.10)


b. Vận tốc làm việc của búa.
Để có được vận tốc va đập thực sự trong máy nghiền, giữa các búa với các mảnh
nguyên liệu, vận tốc làm việc của búa được quy định cao hơn vì phải tính đến vận tốc
tuần hoàn vth của lớp không khí lẫn nguyên liệu nghiền chuyển động vòng trong máy
nghiền.
Như vậy vận tốc búa được tính theo công thức:
vb = vfv + vth hay vb 
Trong đó  cl 

v fv
1   cl

(2.11)

vth
 0,4  0,5
vb

Từ công thức (3- 11) ta thấy rằng: để phá hủy hạt sau một lần va đập thì vận tốc búa
nhất thiết phải cao hơn vận tốc phá vỡ từ 1,5 đến 2 lần. Thật ra trong quá trình làm việc,
xảy ra sự va đập nhiều lần giữa búa với nguyên liệu nên vận tốc làm việc của búa có thể
lấy nhỏ hơn một chút. X.V. Melnhikov đã xây dựng công thức tính vận tốc bị va đập
nhiều lần sẽ là:
vvđ  v fv  kcl 0,81  2,3 lg qu 

(2.12)

Trong đó: vfv – vận tốc phá vỡ của búa khi va đập nhiều lần.
k cl 

k d . fv



- đặc trưng cơ lý tính của hạt.

qu - chỉ số nghiền

2.3.2 Các yếu tố cơ học của quá trình làm việc ở máy nghiền.
Công biến dạng theo lớp:
Va đập của búa vào vật liệu trong máy nghiền là va đập nhiều lần, vì vậy cần phải
tính công biến dạng theo lớp.
Để đánh giá các yếu tố cơ học và kết cấu nghiền, chúng ta xác định công biến
dạng A01 do búa tác động vào khối lượng nguyên liệu Mt tuần hoàn sau thời gian t:
 01 

ztn  t .vbl2
.
60
2

(2.14)

Trong đó: z – số búa lắp trên rôto.
t – thời gian nguyên liệu tồn tại trong buồng nghiền, (s)
12


n – số vòng quay của trống.
vbl – vận tốc các búa đối với nguyên liệu (m/s)
Nếu thể hiện công thức (3–14) với Mt qua các thông số của vật liệu và buồng nghiền, ta
có:
 01

z.n.t. .D.B.hcl . . .vbl2

120

(2.15)

Trong đó: D, B – đường kính và chiều dài trống, (m)
hcl – chiều dày lớp nguyên liệu, (m)
 - khối lượng riêng của hạt, (kg/m3)
 - nồng độ vật liệu trên lớp (kg/kg).

Đặt hệ số  

z.n.t. .hcl . .
120

Như vậy:  01   .D.B.vbl2

(2.16)

Ngoài tác động va chạm, các cánh búa còn phá hủy các phần tử nguyên liệu bằng sự
mài mòn. Năng lượng cung cấp cho sự mài mòn được tính gần đúng qua hệ số cản lớp
nguyên liệu chuyển động trong khe hở giữa các đầu cuối búa và sàng fcl. Năng lượng chi
phí cho va đập và làm mài mòn lớp nguyên liệu được tính theo công thức:
    .D.B.(1  f cl ).vbl2

(2.17)

Trong đó  và fct là các hệ số được xác định qua thực nghiệm
2.3.3

Động lực học máy nghiền búa
a. Các phương trình cơ bản:

Phương trình cơ bản có dạng:
q.vb2
d
N t  I z .
 N0 
 N0
dt
1 fn

Trong đó: Nt – công suất tiêu thụ (W)
Iz – mô men quán tính của trống, (kg.m2)
q - lượng cung cấp trong một giây, (kg/s)
vb – vận tốc búa, (m/s)
d
- gia tốc góc, (rad/s2)
dt

fn - hệ số nghiền nhỏ.
13

(2.18)


N0 – công suất chạy không, (W).
Giá trị N0 – được tính theo biểu thức:
N 0  A  B 3

Trong đó: A  - chi phí năng lượng hao phí cho ma sát các gối đỡ.
B  3 - các chi phí cho lực cản không khí.
Năng lượng cung cấp cho quá trình làm việc là:

N n  I z .

d
 P.vb (W)
dt

(2.19)

Trong đó: P – lực vòng (N)
vb – vận tốc búa, (m/s).
Giá trị của hệ số cản fn được tính theo biểu thức sau:
 v2
f n  1   b
 Ath






Theo các số liệu đã cho, đối với máy nghiền búa fn = 0,8  0,9 khi vận tốc búa
vb = 80  100 m/s.
b. Hệ động lực học rôto – búa.

Hình 2.4: Cấu tạo búa nghiền
Rôto với các búa có khớp treo không là hệ cứng mà là hệ đàn hồi giả định có
“tính dễ biến dạng” của các khâu. Có thể mô tả hệ rôto – búa là hệ có hai bậc tự do. Đặc
tính này ảnh hưởng lớn đến quá trình làm việc của búa.

14

Theo V.P. Goriatxkin về lý thuyết con lắc vật lý thì:
Khi để tâm lắc trùng với tâm va đập, cần có điều kiện:
 02  c.l (m2)

(2.20)

Trong đó:  02 - bán kính quán tính của búa nghiền (m)
c – khoảng cách từ trọng tâm búa đến chốt treo búa (m)
l – chiều dài tính từ đầu búa đến chốt treo búa, (m)
Để đảm bảo độ ổn định chuyển động của búa, cần chọn kích thước búa (l) và bán kính
đĩa trống (Rn) theo điều kiện:
Rn = 2,25.l hay Rn = 4.l

(2.21)

Chúng ta có thể kết luận rằng: hệ động lực học liên kết lẫn nhau, rôto – búa là con
lắc vật lý kép có ma sát trong các khớp. Ở đây, con lắc vật lý thứ nhất là rôto, con lắc thứ
hai là búa làm việc trong vùng lực ly tâm. Trục trống cùng với các đĩa lắp trên nó thực
hiện dao động tự do, trống thực hiện cả dao động cưỡng bức gây nên dao động các khớp
treo của búa.
2.3.4 Tính toán máy nghiền búa
Các thông số cơ bản của rôto máy nghiền dùng trong thiết kế là: kích thước rôto, các
chỉ số của chế độ động học, kích thước búa và cách sắp xếp chúng trên rôto, các chỉ số
năng lượng và kinh tế - kỹ thuật.
Các số liệu cần biết ban đầu: hiệu suất máy, chỉ số nghiền, cơ lý tính nguyên liệu.
a. Các kích thước cơ bản của rôto.
Để xác định năng suất thiết kế của máy nghiền, đầu tiên phải tính các thông số cơ
bản của rôto: đó là đường kính D và chiều dài L. Mối quan hệ giữa các kích thước của

trống và năng suất máy đã được thể hiện qua chỉ số tải trọng riêng q  ( kg/s.m2). Tải
trọng riêng của máy là tỷ số giữa năng suất tính toán qp với diện tích hướng kính quy
ước DL của trống. Nghĩa là:
q 

qp
DL

(kg/s.m2)

Nếu: q   2  3 kg/s.m2 khi vận tốc búa là 45  55 m/s

15

(2.22)


2
q   3  6 kg/s.m khi vận tốc búa là 70  80 m/s. Lưới sàng trong buồng nghiền có

lỗ  6mm
q   1  3 kg/s.m2 khi vận tốc búa là 45  55 m/s. Lưới sàng trong buồng nghiền có

lỗ  2mm
Ta có chiều dài rôto L  D k . Từ đẳng thức này ta xác định đường kính rôto:

D  kq

q

DA q

hay

(2.23)

Với các loại rôto, giá trị hệ số A nằm trong giới hạn:
Rôto loại thứ nhất A1 = 0,7  0,9
Rôto loại thứ hai A2 = 1  1,9
b. Kích thước búa nghiền
Với búa có dạng tấm chữ nhật, một lỗ treo, khoảng cách c được xác định theo công
thức:
c

a2  b2
6a

(2.24)

Trong đó: a – chiều dài búa, (m)
b – chiều rộng búa, (m)
Cũng loại búa dạng tấm chữ nhật nhưng có hai lỗ treo đường kính d thì:
c

A

2

A2
B

4

(2.25)

Trong đó:
Tính toán sự cân bằng của các búa và đĩa rôto khi va đập được tiến hành theo
trình tự sau: trước tiên, xác định các kích thước l, Rn và theo đường kính D của rôto. Bởi
vì Rn 

D
 1 nên:
2
l

4
4D 
Rn    1 
9
9 2


(2.26)

Chiều dài a và bề rộng b của búa nghiền được tính theo điều kiện cân bằng khi va
đập. Người ta thường chọn theo giá trị tương ứng:
a = 1,5.l  0,23.D và b = 0,4a  0,5.a  0,1D
16


Đường kính lỗ lắp chốt treo búa d được xác định từ điều kiện bền của chốt treo tính

theo dầm liên tục. Thông thường d = 18  20 mm.
c. Số lượng búa
Số lượng búa z cần phải thỏa mãn theo hai yêu cầu:
-

Khi làm việc các búa quét hết bề rộng buồng nghiền. Tuy nhiên còn phải trừ
khoảng bề rộng buồng nghiền do các đĩa lắp chốt treo búa và khe hở của rôto với
thành buồng nghiền.

-

Đảm bảo điều kiện cân bằng động lực học và cân bằng thống kê của rôto.

Sau khi chọn sơ đồ phân bố búa, số lượng búa z được xác định theo công thức:
z

L  L k z


(2.27)

Trong đó: L – chiều dài rôto, (m).
L - tổng bề dày các đĩa lắp chỗ treo búa, (m)

kz – số vết búa, k z  1  6
 - chiều dày búa, (m).

Số lượng búa z có thể lấy theo kết quả nghiên cứu của A.T. Hendrix. Theo ông,
số lượng búa trong máy nghiền sẽ tác động đến năng suất và độ nhỏ bột nghiền. Kết quả
tối ưu cho thấy: với 15 búa nghiền có chiều dày 30 mm bố trí cho 100 mm bề rộng

buồng nghiền.
d. Các chỉ tiêu năng lượng
Chi phí năng lượng của máy nghiền búa được đặc trưng bằng phương trình cân bằng
công suất:
N = Nn + Nth + Nck , (W).

(2.28)

Trong đó:
Nn – Công suất chi phí cho quá trình nghiền vỡ, (W).
Nth - Công suất chi phí cho sự tuần hoàn của nguyên liệu, (W).
Nck – Công suất chi phí cho máy nghiền chạy không, (W).
Chi phí công suất cho quá trình nghiền vỡ bằng:
Nn = qc.An
17

(2.29)