THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KHẢO NGHIỆM MÁY CHÀ VỠ NHÂN CA CAO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ  CÔNG NGHỆ


HÀ NGỌC BẰNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KHẢO NGHIỆM
MÁY CHÀ VỠ NHÂN CA CAO

Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ  CÔNG NGHỆ


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KHẢO NGHIỆM
MÁY CHÀ VỠ NHÂN CA CAO

Chuyên ngành: Cơ Khí Nông Lâm

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Thạc sĩ Nguyễn Văn Xuân

Hà Ngọc Bằng

Kỹ sư Nguyễn Đức Cảnh

Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


MINISTRY OF EDUCATION ANDTRAINING
NONG LAM UNIVERSITY
FACULTY OF ENGINEERING  TECHNOLOGY


DESIGNING, MANUFACTURING, TESTING CRUSHED
STUFFING OF COCOA GRAIN MACHINE

Speciality: Agricultural Engineering

Supervisors:

Student:

Master Nguyen Van Xuan

Ha Ngoc Bang

Engineer Nguyen Duc Canh

Hồ Chí Minh, city
August, 2008

LỜI CẢM ƠN
Sau gần bốn tháng thực hiện đề tài tốt nghiệp, đến nay công việc đã hoàn thành.
Trong quá trình làm việc, em đã học tập và rút ra cho mình nhiều kinh nghiêm có ích
cho công việc sau này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến:
Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh, ban chủ nhiệm
Khoa cùng quý thầy cô Khoa Cơ khí Công nghệ đã tận tình và dành hết lòng yêu
thương để dạy bảo và truyền đạt những kiến thức trong học tập cũng như những kinh
nghiệm sống quý báu cho em trong suốt thời gian em học ở trường. Đặc biệt em xin
chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy thạc sĩ Nguyễn Văn Xuân, kỹ sư Nguyễn Đức
Cảnh và tiến sĩ Nguyễn Văn Hùng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em thực hiện đề tài
này.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô của Trung tâm Năng lượng và Máy nông
nghiệp đã tạo mọi điều kiện về trang thiết bị, máy móc, nhà xưởng để em thực tập tại
xưởng.
Cuối cùng, gửi lời cảm ơn tới tập thể lớp 30A, là những người bạn thân thiết
với tôi trong suốt quá trình học tập.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 14/08/2008
Sinh Viên

Hà Ngọc Bằng

i


TÓM TẮT
1. Đề tài Thiết kế, chế tạo, khảo nghiệm máy chà vỡ nhân cacao năng suất 100
kg/giờ” được tiến hành tại Trung tâm Năng lượng và Máy nông nghiệp trường Đại học
Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh từ tháng 04 năm 2008 đến tháng 08 năm 2008.

2. Nội dung thực hiện:
Tra cứu tài liệu phục vụ đề tài.
Lựa chọn mô hình máy.
Thiết kế các bộ phận làm việc chính của máy.
Theo dõi chế tạo máy.
Khảo nghiệm.
3. Các thông số kỹ thuật của máy như sau:
Công suất động cơ 0,6 kW
Hộp giảm tốc với tỉ số truyền là 12
Kích thước bộ phận nghiền.
Dài 70 mm.
Rộng 240 mm.
Cao 265 mm.
Kích thước của máy.
Dài 360 mm.
Rộng 270 mm.
Cao 490 mm.
Đường kính ru lô nghiền 126 mm.
Số vòng quay của ru lô nghiền 120 rpm.
4. Kết luận: Đề tài đã thực hiện được các mục tiêu đề ra.
Giáo viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện :

Thạc sĩ Nguyễn Văn Xuân

Hà Ngọc Bằng

Kỹ sư Nguyễn Đức Cảnh

ii


SUMMARY
1. The thesis Designing, manufacturing, testing crushed stuffing of cocoa grain
machine” was done at Center for Agricultural Energy and Machinery Nong Lam
University from April 2008 to August 2008.
2. The thesis includes:
Searching through materials.
Choose model of machine.
Designed main parts of machine.
Followed the process of manufacture.
Test.
3. Machine has the technological parameters below:
Power on motor 0,6 kW
Transmission ratio 12
Dimensions of crushing component.
Length 70 mm.
Width 240 mm.
Hight 265 mm.
Dimensions of machine.
Length 360 mm.
Width 270 mm.
Hight 490 mm.
Diameter of rotor 126 mm.
Revolution of rotor 120 rpm.
4. Conclusions: The thesis had done the requested purposes.
Supervisors:

Student:

Master Nguyen Van Xuan

Ha Ngoc Bang

Engineer Nguyen Duc Canh

iii


MỤC LỤC
TRANG
Trang tựa
Lời cảm ơn

i

Tóm tắt

ii

Mục lục

iv

Danh sách các hình

vii

Danh sách các bảng

viii

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 2. TRA CỨU TÀI LIỆU SÁCH BÁO PHỤC VỤ ĐỀ TÀI

3

2.1. Sơ lược về cây cacao

3

2.1.1. Lịch sử nghề trồng cacao

3

2.1.2. Tình hình phát triển cây cacao

3

2.1.3. Đặc điểm trái – hạt cacao khi thu hoạch

5

2.2. Một số mẫu máy nghiền

7

2.2.1. Máy nghiền hạt kiểu búa trục ngang

7

2.2.2. Máy nghiền theo nguyên lý chà xát kiểu thớt ngang

7

2.2.3. Máy nghiền kiểu ép dập

7

2.2.4. Mẫu máy nghiền của Anh làm việc theo nguyên lý nén và chà xát vỡ

8

2.3. Lý thuyết về nghiền

8

2.3.1. Khái niệm nghiền

8

2.3.2. Các cơ sở vật lý của quá trình nghiền vỡ vật thể rắn

9

2.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá quá trình nghiền hạt

9

2.3.4. Các thuyết nghiền

11

2.3.5. Các tính chất cơ lý của nguyên vật liệu gia công

14

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN

15

3.1. Phương pháp thiết kế

15

3.1.1. Lựa chọn mô hình và nguyên lý làm việc của máy

15

3.1.2. Phương pháp tính toán thiết kế các bộ phận làm việc chính và phụ trợ

15

3.2. Phương pháp đo đạc

16

3.3. Phương pháp chế tạo

17
iv


3.4. Phương pháp khảo ngiệm

17

3.4.1. Chuẩn bị khảo nghiệm

18

3.4.2. Khảo nghiệm

18

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

19

4.1. Yêu cầu kỹ thuật của máy

19

4.2. Các số liệu tính toán ban đầu

19

4.3. Lựa chọn mô hình máy và sơ đồ truyền động

19

4.4. Tính toán máy chà vỡ nhân cacao năng suất 100 kg/h

21

4.4.1. Tính toán máng cấp liệu

21

4.4.2. Lựa chọn kích thước ru lô nghiền

22

4.4.3. Tính toán một số chỉ tiêu sử dụng của máy nghiền

23

4.5. Tính toán kiểm nghiệm hệ bánh răng và trục trong hộp giảm tốc,
lựa chọn hộp giảm tốc

25

4.5.1. Phân phối tỷ số truyền

25

4.5.2. Lập bảng thông số tỷ số truyền
(công suất, số vòng quay, và mô men xoắn) trên các trục

25

4.5.3. Thiết kế bánh răng trụ nghiêng cấp nhanh

26

4.5.4. Tính toán thiết kế trục và then

31

4.6. Tiến hành chế tạo máy

38

4.6.1. Lập dự toán vật tư chế tạo máy

38

4.6.2. Chế tạo chân máy

38

4.6.3. Chế tạo tấm kê

39

4.6.4. Chế tạo ru lô nghiền

39

4.6.5. Chế tạo buồng nghiền

39

4.6.6. Chế tạo bộ phận điều chỉnh khe hở

40

4.7. Khảo nghiệm

40

4.7.1. Khảo nghiệm không tải

40

4.7.2. Khảo nghiệm có tải

41

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

44

5.1. Kết luận

44

5.2. Đề Nghị

44
v


TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
TẬP BẢN VẼ

vi


Danh sách các hình
Hình

Trang

Hình 2.1. Trái cacao chưa chín

5

Hình 2.2. Trái cacao đã chín

6

Hình 2.3. Lớp cơm nhầy bao quanh hạt cacao

6

Hình 2.4. Hạt cacao sau khi đã tách lớp cơm nhầy ra

6

Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo máy nghiền kiểu búa trục ngang

7

Hình 2.6. Sơ đồ máy nghiền theo nguyên lý chà xát kiểu thớt ngang

8

Hình 2.7. Máy nghiền kiểu ép dập

8

Hình 2.8. Máy nghiền kiểu nén và chà xát vỡ

8

Hình 4.1. Các phương pháp đập nghiền

20

Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý máy chà vỡ nhân cacao năng suất 100 kg/h

21

Hình 4.3. Ru lô nghiền

22

Hình 4.4. Sơ đồ hộp giảm tốc

25

vii


Danh sách các bảng
Bảng

Trang

Bảng 2.1. Sản lượng cacao trên thế giới

4

Bảng 2.2. Tiêu thụ cacao trên thế giới

5

Bảng 4.1. Bảng dự toán vật tư chế tạo máy

38

Bảng 4.2. Kết quả khảo nghiệm ngày 15/06/2008

42

Bảng 4.3. Kết quả khảo nghiệm ngày 17/06/2008

42

Bảng 4.4. Kết quả khảo nghiệm ngày 01/08/2008

43

viii


Chương 1:
MỞ ĐẦU
Cacao là một trong những cây công nghiệp đang được chú trọng trong hệ thống
cây công nghiệp ở Việt Nam. Sản phẩm chính của cây cacao là hạt, cung cấp trực tiếp
cho công nghiệp chế biến và là sản phẩm bán hoàn chỉnh hay hoàn chỉnh cho các
ngành kỹ thuật và chế biến khác.
Sản phẩm từ cây cacao là hạt có giá trị dinh dưỡng rất cao. Hạt có chứa nhiều
chất bột, protein, chất béo và một số chất có tác dụng kích thích: theobromin, cafein và
một số tinh dầu có mùi thơm đặc biệt. Tinh bột được tán từ hạt cacao để làm Chocolat
hoặc để pha nước uống.
Theo dự án phát triển 100.000 ha đến năm 2010 chủ yếu tập trung ở 4 vùng:
Tây Nguyên, các tỉnh miền Đông Nam Bộ, duyên hải miền Trung Nam Bộ và Đồng
Bằng Sông Cửu Long . Đặc biệt là Tiền Giang, một tỉnh nằm ở miền Tây Nam Bộ
hiện nay với mô hình trồng cây cacao xen cây dừa và cây ăn trái của nông dân đang tỏ
ra có hiệu quả. Các hộ trồng cây cacao xen dưới tán cây dừa với mật độ 600 cây/ha sẽ
cho thu hoạch 1,5 - 2 tấn hạt cacao khô trên một ha. Hầu như tất cả các hệ thống chế
biến cacao hiện có ở Việt Nam đều được nhập ngoại hoặc nhập ngoại các thiết bị
chính với giá thành rất cao nên chưa phù hợp với người dân. Việc xây dựng các mô

hình chế biến cacao quy mô nhỏ là rất cần thiết và cấp bách phục vụ nhu cầu chế biến
hạt cacao loại không xuất khẩu được ở Tiền Giang nói riêng và trên cả nước nói
chung, nhằm tận dụng nguồn nguyên liệu và lao động tại chỗ nâng cao giá trị và chất
lượng sản phẩm, góp phần nâng cao đời sống người dân vùng nguyên liệu cacao.
Để tạo ra mẫu hệ thống chế biến cacao quy mô nhỏ phù hợp với vùng nguyên
liệu địa phương. Đề tài Thiết kế, chế tạo, khảo nghiệm máy chà vỡ nhân cacao năng
suất 100 kg/h” là một phần trong quy trình công nghệ chế biến hạt cacao ở Tiền Giang
được tiến hành với định hướng phát triển rộng rãi cho khu vực nguyên liệu cacao mà

1


chủ yếu phục vụ chế biến loại hạt không xuất khẩu thô được để nâng cao giá trị sản
phẩm, góp phần phát triển bền vững chương trình sản xuất cacao.
Do yêu cầu sản xuất đặt ra và được sự chấp thuận của Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ
khí Công nghệ cùng sự hướng dẫn của thầy thạc sĩ Nguyễn Văn Xuân, vì thế em thực
hiện đề tài Thiết kế, chế tao, khảo nghiệm máy chà vỡ nhân cacao”.
Đề tài được thực hiện tại Trung tâm Năng lượng và Máy nông nghiệp từ tháng
04 đến tháng 08 năm 2008.

2


Chương 2:
TRA CỨU TÀI LIỆU, SÁCH BÁO PHỤC VỤ TRỰC
TIẾP ĐỀ TÀI
2.1. Sơ lược về cây cacao [TL6]
2.1.1. Lịch sử nghề trồng cacao
Cây cacao có tên khoa học là Theobroma cacao L., thuộc họ Sterculiaceae, là
loài duy nhất trong số 22 loài của chi Theobroma được trồng sản xuất. Cacao có

nguồn gốc từ lưu vực sông Amazon nằm ở Nam Mỹ, từ Trung Mỹ và cũng đã được
trồng rộng rãi ở đây từ hơn 500 năm trước. Sinh thái tự nhiên của cây cacao là ở tầng
thấp trong những cánh rừng mưa nhiệt đới, nơi có cường độ ánh sáng thấp, ẩm độ
không khí cao, biên độ nhiệt giữa ngày và đêm cũng như giữa các tháng trong năm đều
hẹp. Từ xa xưa, thổ dân Aztec ở Mexico đã xem cacao là thực phẩm cao cấp, là thức
uống thiêng liêng dùng để dâng cúng và dành cho giới quý tộc. Linné đặt tên cho
giống cây này là thực phẩm của thần linh cũng nhằm phản ánh ý nghĩa này. (Theo
tiếng La Tinh, Theos: thần linh; broma: thực phẩm).
Các nước trồng cacao đều nằm trong vùng có vĩ độ trong khoảng 150 Bắc Nam.
Từ thế kỷ 16, cacao bắt đầu được phát triển rộng ra các nước khác trên thế giới, trước
hết là các nước Nam Mỹ và vùng biển Caribbe, như Venezuela, Jamaica, Haiti. Cacao
vượt Thái Bình Dương và được trồng ở Philippines vào đầu thế kỷ 17 sau đó tiếp tục
mở rộng qua Ấn Độ và Srilanka vài chục năm sau. Đầu thế kỷ 19 cacao bắt đầu được
xuất khẩu với quy mô 2.000 – 5.000 tấn từ các nước Nam Mỹ.
2.1.2. Tình hình phát triển cây cacao
- Trên thế giới: Theo nghiên cứu của tổ chức cà phê – cacao thế giới, nhu cầu
chế biến và tiêu thụ các sản phẩm từ cacao đang tăng khoảmg 4%/năm. Trong đó các
thị trường tiêu thụ nhiều nhất là Mỹ, Đức, Pháp, Anh, Nga…. Nhu cầu tăng nhưng
nguồn cung tại các nước đang phát triển lại đang trên đà giảm sút. Các nước ở Tây Phi
như Ghana, Bờ Biển Ngà, Nigieria…chiếm gần 60% sản lượng cacao thế giới, nhưng
3


bất ổn chính trị tại đây khiến nguồn cung tăng trưởng chậm. Giá cacao cũng đã tăng
gần gấp đôi trong vòng vài năm trở lại đây. Đặc biệt dự báo mới nhất của các ngân
hàng lớn trên thế giới cho thấy nguồn cung cấp cacao trong vụ 2007 – 2008 sẽ thiếu
hụt khoảng 5.000 tấn. Sản lượng cacao trên thế giới, sự tiêu thụ cacao trên thế giới
được trình bầy ở Bảng 2.1 và Bảng 2.2.
Bảng 2.1: Sản lượng cacao trên thế giới (ngàn tấn)
QUỐC GIA

2000/01

2001/02

2002/03

2003/04

Tây Phi

1947

1951

2158

2500

Bờ Biển ngà

1212

1265

1320

1405

Ghana

395

341

497

736

Nigeria

177

187

165

175

Cameroon

133

131

140

145

30

29

36

39

Châu Á / Thái Bình Dương

488

539

528

514

Indonesia

392

455

425

415

Mã Lai

35

25

40

35

Cac nước Châu Á khác

61

59

63

64

Châu Mỹ

418

371

416

438

Brazil

163

124

163

164

Cac nước Châu Mỹ khác

255

247

253

274

2861

2896

3084

3452

Các nước Châu Phi khác

THẾ GIỚI
TỔNG SỐ

Nguồn: ICCO Annual Report 2002/2003, 2003/2004
- Ở Việt Nam: Trong bối cảnh thị trường cacao trên thế giới diễn biến phức tạp,
thiếu nguồn cung thì Việt Nam nổi lên như một niềm hy vọng mới của các nhà chế
biến cacao trên thế giới. Từ năm 2000, Bộ Nông Nghiệp và Phát triển nông thôn đã có
chủ trương khôi phục và phát triển cây cacao, nhưng đến khoảng 2 – 3 năm trở lại đây,
cây cacao mới bắt đầu phát triển mạnh với sự hỗ trợ của dự án Success Alliance của tổ
chức ACDI/VOCA (Mỹ). Việt Nam hiện nay có sản lượng cacao còn khiêm tốn, mới
chỉ có khoảng 3.000 tấn, nhưng tiềm năng có thể phát triển lên đến 30.000 tấn và nhiều
hơn nữa.
4


Bảng 2.2: Tiêu thụ cacao trên thế giới (ngàn tấn)
QUỐC GIA

1999/00

2001/02

2003/04

Châu Âu

1336

1282

1360

Đức

215

195

225

Hà Lan

436

418

445

Các nước khác

685

669

690

Châu Phi

368

422

455

Bờ Biển Ngà

235

290

305

Các nước khác

133

132

150

Châu Mỹ

852

758

822

Brazil

202

173

202

Mỹ

448

403

410

Các nước khác

202

182

210

Châu Á Thái Bình Dương

404

413

540

Indonesia

92

105

120

Mã Lai

115

105

180

Các nước khác

197

203

240

Thế giới

2960

2875

3177

Nguồn: ICCO Annual Report 2003/04

2.1.3. Đặc điểm trái – hạt cacao khi thu hoạch
Hình dạng, kích thước và màu sắc của trái khá đa dạng. Trái chưa chín có màu
xanh (Hình 2.1), đỏ tím hoạc xanh điểm đỏ tím. Khi trái chín màu xanh chuyển sang
màu vàng (Hình 2.2); màu đỏ tím chuyển sang màu da cam.

Hình 2.1: Trái cacao chưa chín
5


Hình 2.2:Trái cacao đã chín

Hình 2.3: Lớp cơm nhầy bao quanh hạt cacao

Hình 2.4: Hạt cacao sau khi đã tách lớp cơm nhầy ra
6


Hình dạng trái thay đổi nhiều từ hình cầu đến dài nhọn hay hình trứng. Số
lượng rãnh và độ sâu của khía trên trái cũng thay đổi từ 5 – 10 rãnh, rãnh có thể sâu
nhiều, nông hoặc trơn nhẵn. Vỏ trái có thể dày từ 1 – 3 cm. Trọng lượng trái thay đổi
0,2 – 1 kg.
Mỗi trái cacao chứa từ 30 - 40 hạt. Mỗi hạt có lớp cơm nhầy bao quanh có vị
chua, ngọt, thơm và xếp thành 5 dãy. Hạt có vỏ mỏng màu hồng, nhiều đường gân.
Kích thước hạt thay đổi tùy theo giống và mùa vụ. Hạt phát triển trong mùa khô có
kích thước, trọng lượng nhỏ, hàm lượng chất béo thấp và tỉ lệ lép nhiều hơn so với
mùa mưa.
2.2. Một số mẫu máy nghiền [TL4] [TL8]
2.2.1. Máy nghiền hạt kiểu búa trục ngang
Quá trình nghiền hạt trong máy nghiền kiểu búa là do sự va đập của búa và hạt,
va đập giữa các hạt vào vỏ máy và do sự chà xát của hạt với búa hoặc với thành trong

vỏ máy.
4

3

2

5
1

6

Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo máy nghiền kiểu búa trục ngang.
1. Thân máy; 2. Rôto; 3. Chốt treo búa; 4. Má đập phụ; 5. Búa nghiền; 6. Sàng.
2.2.2. Máy nghiền theo nguyên lý chà xát kiểu thớt ngang
Bộ phận nghiền gồm một thớt cố định 1 và một thớt quay 2 với vận tốc 10  12
m/s, hai thớt úp mặt xay với nhau, mặt xay có khía các rãnh cong hoặc thẳng chéo từ
tâm ra ngoài; khe hở giữa hai mặt xay thường có thể thay đổi được để điều chỉnh độ
nhỏ hạt của bột.
2.2.3. Máy nghiền kiểu ép dập
Máy gồm hai trục cuốn nhẵn quay ngược chiều nhau với vận tốc dài bằng nhau
(V1 = V2). Hạt được kéo vào giữa khe của hai trục cuốn (do có ma sát giữa hạt với hai
mặt trục cuốn), rồi được ép dập vỡ ra.
7


2

1

Hình 2.6. Sơ đồ máy nghiền theo nguyên lý chà xát kiểu thớt ngang.

V1

V2 = V1

Hình 2.7. Máy nghiền kiểu ép dập.
2.2.4. Mẫu máy nghiền của Anh làm việc theo nguyên lý nén và chà xát vỡ
Gồm một ru lô trên mặt có những hàng răng thẳng quay nén chà xát hạt vào hai
tấm chặn sơ cấp và thứ cấp.

2


1

Hình 2.8. Máy nghiền kiểu nén và chà xát vỡ.
1. Ru lô nghiền; 2. Hai tấm chặn chà xát.
2.3. Lý thuyết nghiền [TL4]
2.3.1. Khái niệm 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.
8


Kết quả của quá trình nghiền là tạo nên nhiều phần tử cũng như hình thành nên
nhiều bề mặt mới.
2.3.2. Các 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 thể hiện cục bộ ra bề mặt ngoài. Chính vì có
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. Do đó có hai khái niệm độ
bền cùng tồn tại: độ bền phân tử và độ bền kỹ thuật. Trong kỹ thuật người thiết kế đặt
ra yêu cầu đầu tiên cho các nhà luyện kim là chế tạo kim loại thuần khiết. Quá trình
biến dạng của vật rắn được xảy ra với sự gia tăng của 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. Rõ ràng là,
có hai dạng năng lượng đóng vai trò trong quá trình phá hủy vật thể rắn: năng lượng
tích tụ của các biến dạng đàn hồi và năng lượng tự do. Tuy nhiên, có nhiều công trình
nghiên cứu đã chứng tỏ vai trò của năng lượng bề mặt trong quá trình nghiền thực ra
không đáng kể điều đó có nghĩa là phương pháp xác định giá trị năng lượng của vật
thể cứng bây giờ chưa tìm ra được.
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.
2.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá quá trình nghiền hạt
a. Diện tích riêng bề mặt
Chỉ tiêu diện tích riêng bề mặt được dùng để đánh giá một cách định lượng về
sự phân tán của các vật liệu rời. Diện tích riêng bề mặt của vật liệu chính là tỷ số của
9

tổng diện tích bề mặt của tất cả các phần tử được chứa trong một đơn vị khối lượng
(m2/kg) hay một đơn vị thể tích (m2/m3).
Trong lý thuyết người ta xác định:
Diện tích riêng bề mặt thể tích:
S rv 

6
, (m2/m3)
d

Diện tích riêng bề mặt khối lượng:
S rm 

6
, (m2/kg)
d

Trong đó:
d – kích thước trung bình của phần tử, (m).
 – khối lượng riêng, (kg/m3).

Từ hai công thức trên cho thấy để xác định diện tích riêng bề mặt vật liệu cần
thiết phải biết kích thước dài của phần tử vật liệu đó.
b. Mức độ nghiền
Các kích thước tuyệt đối, độ hạt của các phần tử có được khi nghiền thức ăn
chăn nuôi được yêu cầu bởi các yêu cầu kỹ thuật chăn nuôi. Người ta thường sử dụng
chúng để đánh giá chất lượng sản phẩm nghiền. Ngoài ra, người ta còn dùng mức độ
nghiền để đánh giá năng lượng. Với chỉ tiêu này, nó đã phản ánh được chiều sâu của
quá trình phân tán.
Trong trường hợp chung, dung tích năng lượng của quá trình công nghệ nghiền

phụ thuộc vào sự gia tăng diện tích bề mặt S của vật liệu. Nghĩa là:
S = Sc - Sđ
Trong đó:
Sc – diện tích riêng bề mặt của các phần tử vật liệu kết thúc quá trình nghiền.
Sđ – diện tích riêng bề mặt của các phần tử vật liệu đầu quá trình nghiền.
Cùng với sự giảm kích thước của các phần tử thì diện tích riêng bề mặt tăng lên,
vì vậy chỉ số mức độ nghiền S là tỷ số diện tích riêng bề mặt của các phần tử vật liệu
cuối quá trình nghiền và diện tích riêng bề mặt của các phần tử ban đầu:


Sc
Sđ
10


Theo lý thuyết mức độ nghiền  của vật liệu thường được đánh giá qua tỷ số
giữa kích thước trung bình D của vật liệu trước khi nghiền và kích thước trung bình d
của phần tử sản phẩm nghiền.


D
d

Mức độ nghiền  là đặc tính cơ bản để đánh giá quá trình nghiền.
2.3.4. 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 (sự gia tăng diện tích riêng bề mặt).
Thuyết bề mặt được áp dụng nhiều hơn để đánh giá quá trình nghiền mịn, khi
đó sản phẩm nghiền được với diện tích riêng bề mặt phát triển cao.
Khi nghiền các nguyên liệu hạt làm thức ăn gia súc có sản phẩm dạng bột
nghiền mịn (d  0,4  0,6 (mm) và   7) thì sự phụ thuộc giữa chi phí và mức độ
nghiền có dạng tuyến tính.
b. Thuyết thể tích
Thuyết thể tích được nhà cơ hoc 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
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”.
As = f (V), (J)
Trong đó:
Av – công chi phí để nghiền vỡ vật thể, (J).
11


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 = kv’.m
Trong đó:
kv và kv’ – các hệ số tỷ lệ trong các công thức theo thuyết thể tích.

m – khối lượng cục vật lịêu 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.
Những người ủng hộ thuyết bề mặt và thuyết diện tích đã tranh luận gay gắt với
nhau hơn nửa thế kỷ, nhưng họ không thành công kể cả thuyết thứ nhất lẫn thuyết thứ
hai. Bởi vì họ mắc sai lầm, chỉ đúng về một phía và không chú ý đến ảnh hưởng của
các điều kiện cụ thể của quá trình nghiền và dung tích năng lượng của nó (mức độ
phân tán vật liệu, cấu tạo và chế độ nghiền,…).
c. Thuyết dung hòa
Hai thuyết diện tích và thể tích có nhược điểm như đã nêu cho nên Ph. C. Bon
đã đề xuất một thuyết nghiền thứ ba để dung hòa hai thuyết trên vào năm 1952. Nội
dung của thuyết dung hòa cho rằng: Công nghiền tỷ lệ với trung bình nhân giữa thể
tích (V) và bề mặt (S) của vật liệu đem nghiền”.
Adh  k V .S  k k v D 3 . k s .D 2

Adh  k dh .D 2,5

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

12

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
phương trình:
dA  c.d

d
z

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 trên và sau khi cho các giá trị rời rạc z = 1; 2; 3/2,
bằng sự tính toán đến giá trị cuối cùng của các kích thước chúng ta sẽ nhận được giá
trị gần đúng tích phân có dạng:
A = k.Dq
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 xung cho nhau. Nếu nghiền tương đối to (nghiền thô) thì phần diện tích riêng được
tạo ra nhỏ, có thể bỏ qua nghĩa là áp dụng thuyết thể tích. Đồng thời qua nghiên cứu
cho chúng ta thấy quá trình nghiền là quá trình phức tạp bao gồm nhiều biến đổi cơ lý
của vật liệu trong khi nghiền.
Như vậy các thuyết nghiền nêu trên chỉ là gần đúng để nghiên cứu và được hiệu
chỉnh về mặt thực nghiệm.
d. Thuyết tổng hợp

Do chỗ thiếu xót của cả hai thuyết diện tích và thể tích khi dựa vào những tính
chất cơ lý của vật liệu nghiền trong biến dạng. Viện sĩ người Nga P.A. Rebinder lần
đầu tiên vào năm 1928 đã đưa ra thuyết nghiền tổng hợp còn gọi là thuyết nghiền cơ
bản với nội dung như sau: Công nghiền vật liệu bao gồm công tiêu hao để tạo ra bề
mặt mới và công để làm biến dạng vật liệu” và được thể hiện bằng biểu thức sau:
13


Ath = f (V) + f (S)
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 chí phí cho sự biến dạng của vật liệu.
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.
Từ phương trình trên cho thấy công đầy đủ để nghiền vỡ vật thể bằng tổng các
công chí phí cho biến dạng lẫn tạo ra bề mặt mới.
2.3.5. Các tính chất cơ lý của nguyên vật liệu gia công
Các tính chất cơ lý của nguyên vật liệu liên quan đến việc lựa chọn phương
pháp nghiền. Tùy theo cấu tạo cơ học và tính chất cơ lý cũng như đặc điểm riêng của
các hạt mà việc nghiền được tiến hành trên những máy có cấu tạo khác nhau.
Các yếu tố đặc trưng cho tính chất kỹ thuật của hạt như: loại, giống, hạt to –
nhỏ, độ ẩm của hạt… ảnh hưởng đến hiệu suất nghiền.
Đặc điểm hình học của vật liệu thể hiện qua kích thước hình học của vật liệu.
Các kích thước này là cơ sở để tính toán thiết kế máy.
Độ cứng, độ bền của vật liệu liên quan đến việc lực chọn chế độ làm việc của
máy và lực tác dụng cần thiết tác động lên vật liệu để làm phá vỡ lớp vỏ vật liệu.

Độ bền của hạt được đánh giá bởi ứng suất phá vỡ  fv (N/m2) và được xem như
bằng với ứng suất phá vỡ khi nén hạt.

14