Luận văn Nghiên Cứu Xác Định Một Số Thông Số Tối Ưu Cho Máy Ép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

TRẦN QUANG PHONG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THƠNG SỐ
TỐI ƯU CHO MÁY ÉP VIÊN PHÂN BĨN
HỮU CƠ VI SINH KIỂU KHN VỊNG
CỐ ĐỊNH - CÁNH QUAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐỒNG NAI, 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP

TRẦN QUANG PHONG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THƠNG SỐ
TỐI ƯU CHO MÁY ÉP VIÊN PHÂN BĨN
HỮU CƠ VI SINH KIỂU KHN VỊNG
CỐ ĐỊNH - CÁNH QUAY

CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 60 52 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN NHƯ NAM

ĐỒNG NAI, 2014


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan, đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu , kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.
Tác giả luận văn

Trần Quang Phong


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này tôi xin chân thành cảm ơn đến:
- Thầy TS. Nguyễn Như Nam, Giảng viên bộ môn Máy Sau thu hoạch - Chế
biến, khoa Cơ khí – Cơng nghệ, Trường Đại học Nơng Lâm TP. Hồ Chí
Minh là Giáo viên hướng dẫn đề tài .Thầy đã tận tình chỉ bảo giúp đở tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm đề tài. Qua thời gian làm

việc cùng thầy, tơi đã có những kiến thức nghiên cứu khoa học, cách nhận
định đánh giá một vấn đề ...Đó là nền tảng cho tôi tiếp bước vững chắc trong
công tác giảng dạy của mình sau này.
- Thầy PGS.TS Nuyễn Phan Thiết : Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau đại học
Trường Đại Học Lâm Nghiệp
- Thầy PGS.TS Dương Văn Tài trưởng khoa sau Đại Học, Chủ nhiệm khoa
cơ điện và công trình,Chủ nhiệm bộ mơn máy chun dùng Trường Đại Học
Lâm Nghiệp.
- Ban Giám Hiệu , Phòng Đào tạo sau Đại Học Trường Đại Học Lâm Nghiệp
và toàn thể giảng viên giãng dạy và hướng dẫn các môn học ở chương trình
đào tạo sau Đai Học đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận văn
- Các Anh học viên lớp cao học khóa K20 năm 2012 – 2014 đã hổ trợ, giúp
đở, động viên chia sẻ kinh nghiệm trong học tập và làm việc.
- Xin cảm ơn quí Thầy, Cô phản biện đề tài cho những lời nhận xét q báu.
Qua những phản hồi đó tơi có thể để hồn thiện hơn q trình nghiên cứu.
Tác giả

Trần Quang Phong


iii

MỤC LỤC
ĐỀ MỤC
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Chương 1

1.1.
1.1.1.
1.1.2.
1.2.
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.3.
Chương 2
2.1.
2.1.1.
2.1.2.
2.2.
2.2.1
2.2.2
2.3.
2.4.
2.5.
2.5.1.
2.5.2.
2.6.
2.6.1.
2.6.2.
2.6.3.
Chương 3
3.1.

3.1.1.

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng luận các cơng trình đã công bố về vấn đề nghiên cứu
Tổng luận về công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ – vi
sinh dạng viên
Tổng luận các cơng trình về máy ép viên kiểu khn vịng
Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu
Cơng nghệ sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh
Lý thuyết ép viên
Cấu tạo và lý thuyết tính tốn máy ép viên kiểu khn
vịng cố định – cánh quay
Ý kiến thảo luận
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI, NỘI DUNG
VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát
Mục tiêu cụ thể
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Cách tiếp cận
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Phương pháp tối ưu hóa
Phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu
Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu
Giải các bài tốn tối ưu hóa

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu máy ép viên kiểu khn vịng – cánh quay
MEVKVCQ – 350 bằng phương pháp quy hoạch thực
nghiệm
Mơ hình thực nghiệm

Trang
i
ii
iii
vi
viii
ix
1
5
5
5
9
13
13
17
25
32
33
33
33
33
33
33
34

34
34
34
34
35
45
45
46
47
48
48

48


iv

3.1.2.
3.1.3.
3.1.4.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.3.
3.2.4.
Chương 4
4.1.
4.2.
Phụ lục 1
P.1.1

P.1.2
P.1.2.1
P.1.2.2
P.1.3
P.1.3.1
P.1.3.2
Phụ lục 2
P.2.1
P.2.2
P.2.2.1
P.2.2.2
P.2.2.3
P.2.2.4
P.2.3

P.2.3.1

Quy hoạch thực nghiệm theo phương án bậc I
Quy hoạch thực nghiệm theo phương án bậc II
Ý kiến thảo luận
Nghiên cứu tối ưu hóa máy ép viên kiểu khn vịng –
cánh quay MEVKVCQ – 350
Khái niệm thông số tối ưu và chỉ tiêu tối ưu
Kết quả xác định các thơng số tối ưu hóa đơn mục tiêu
Kết quả xác định các thông số tối ưu hóa đa mục tiêu theo
phương pháp trọng số
Kết quả thực nghiệm kiểm định tại miền tối ưu
KẾT LUẬN VA KIẾN NGHỊ
Kết luận
Kiến nghị

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Thực nghiệm theo quy hoạch bậc I
Kết quả thực nghiệm theo quy hoạch bậc I
Kết quả xử lý số liệu cho hàm độ bền viên phân
Kết quả phân tích phương sai độ bền viên phân khi khơng
có số hạng chéo
Kết quả phân tích phương sai độ bền viên phân khi có số
hạng chéo (mã hóa)
Kết quả xử lý số liệu hàm mức tiêu thụ điện năng riêng (
mã hóa)
Kết quả phân tích phương sai hàm mức tiêu thụ điện năng
riêng khi khơng có số hạng chéo (mã hóa)
Kết quả phân tích phương sai hàm mức tiêu thụ điện năng
riêng khi có số hạng chéo (mã hóa)
Thực nghiệm theo quy hoạch bậc II
Kết quả thực nghiệm theo quy hoạch bậc II
Kết quả xử lý số liệu cho hàm độ bền viên( mã hóa)
Kết quả phân tích phương sai hàm độ bền viên lần I(mã
hóa)
Kết quả phân tích phương sai hàm độ bền viên lần II (mã
hóa)
Kết quả tính tốn hệ số hồi quy hàm độ bền viên ở dạng
mã hóa
Kết quả tính tốn hệ số hồi quy hàm độ bền viên ở dạng
thực
Kết quả xử lý số liệu cho hàm mức tiêu thụ điện năng
riêng (mã hóa)

50

55
67
67

Kết quả phân tích phương sai hàm mức tiêu thụ điện năng
riêng lần I (mã hóa)

93

67
67
70
73
77
77
78
79
83
83
83
84
84
85
86
86
87
89
89
90
90

91
92
92
93


v

P.2.3.2
P.2.3.3
P.2.3.4
Phụ lục 3
P.3.1
P.3.2
Phụ lục 4
P.4.1
P.4.1.1
P.4.1.2
P.4.2
Phụ lục 5

Kết quả phân tích phương sai hàm mức tiêu thụ điện năng
riêng lần II (mã hóa)
Kết quả tính tốn hệ số hồi quy hàm mức tiêu thụ điện
năng riêng ở dạng mã hóa
Kết quả tính tốn hệ số hồi quy hàm mức tiêu thụ điện
năng riêng ở dạng thực
Vẽ đồ thị biểu diễn các bề mặt đáp ứng
Các đồ thị biểu diễn các bề mặt đáp ứng của hàm độ bền
viên

Các đồ thị biểu diễn các bề mặt đáp ứng của hàm mức tiêu
thụ điện năng riêng
Kết quả tính tốn tối ưu hóa
Kết quả tính tốn tối ưu hóa đơn mục tiêu
Kết quả tính tốn tối ưu hóa hàm y1 (hay B)
Kết quả tính tốn tối ưu hóa hàm y2 (hay Ar)
Kết quả tính tốn tối ưu hóa đa mục tiêu
Một số hình ảnh thực hiện đề tài

94
94
95
96
96
100
103
103
103
103
104
109


vi

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Ký hiệu
A
Ar
Ar

B
B
f
Fms
G
h
Η
k
k1
k2
M
n
n
ntn
n0
N
p
q
Q
S1
S2
s
x1
x2
x3
x4
x5
y1
y2


R
Ω


Ý nghĩa
Điện năng tiêu thụ
Mức tiêu thụ điện năng riêng
Mức chi phí điện năng riêng để ép trung bình của mẫu
Độ bền viên phân bón
Độ bền viên phân ép trung bình của mẫu
Hệ số ma sát của vật với thành khuôn
Lực ma sát
Mô đun đàn hồi
Khe hở giữa cánh gạt và bề mặt khuôn ép
Độ nhớt động lực
Số yếu tố đầu vào
Hệ số cản trở và gián đoạn của vật liệu khi qua các lỗ
Hệ số
Khối lượng vật liệu ép
Số vòng quay
Dung lượng mẫu
Số thí nghiệm
Số thí nghiệm lặp ở tâm
Cơng suất điện sử dụng
Chỉ số rút gọn
LƯợNG cung cấp
Năng suất máy
Độ lệch tiêu chuẩn thực nghiệm độ bền viên phân bón
được ép của mẫu thí nghiệm
Độ lệch tiêu chuẩn thực nghiệm mức chi phí điện năng

riêng để ép của mẫu thí nghiệm
Chiều dày khn ép
Số vịng quay của trục máy (cánh quay) n ở dạng mã
hóa
Khe hở giữa đầu cánh và bề mặt khn h ở dạng mã
hóa
Bán kính cong cánh gạt Rc ở dạng mã hóa
Năng suất hay lượng cung cấp q ở dạng mã hóa
Bề dày khn s ở dạng mã hóa
Hàm hồi quy độ bền viên phân ép ở dạng mã hóa
Hàm hồi quy mức tiêu thụ điện năng riêng để ép
Hệ số Poisson
Bán kính cánh gạt
Vận tốc góc
Mức độ nén ép

Thứ nguyên
kWh
kWh/t
kWh/t
%
%
N
Pa
mm
pa.S
tấn, kg
vg/ph
kw
kg/ph

tấn/h, kg/ph
%
kWh/t
mm
%
kWh/t
m, mm
1/s
-


vii

Pđ
T
Z2
V
pc

1; 2
T
tp/2
p
τ0

Lực đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn
Thời gian biến dạng
Số lỗ khuôn
Vận tốc
Áp suất dư cạnh bên

Mức điểm sao
Các trọng số hay thông số điều khiển
Thời gian ép
Chuẩn số theo tiêu chuẩn student
Mức nghĩa
ứng suất ban đầu

N
s
cái
m/s
N/m2
h, ph
Pa


viii

Danh mục các bảng
Số bảng
Bảng 2.1.

Tên bảng
Ma trận thí nghiệm cho phương án thực nghiệm bậc I
(chưa ngẫu nhiên hóa).

Bảng 2.2.

Ma trận thí nghiệm cho phương án thực nghiệm bậc II (chưa
ngẫu nhiên hóa)Box – Hun ter .

43

Bảng 3.1.
Bảng 3.2.
Bảng 3.3.
Bảng 3.4.
Bảng 3.5.
Bảng 3.6.
Bảng 3.7.

Miền thực nghiệm theo phương án thực nghiệm bậc I.
Kết quả thực nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm bậc I.
Miền thực nghiệm theo phương án thực nghiệm bậc II.
Kết quả thực nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm bậc II.
Kết quả nhận dạng các đồ thị của hàm y1 (bề mặt đáp ứng).
Kết quả nhận dạng các đồ thị của hàm y2 (bề mặt đáp ứng.)
Kết quả thí nghiệm tại chế độ làm việc tối ưu.

50
51
56
57
63
66
74

Trang
41

ix

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Số hình

Tên hình

Hình 1.1.

Sơ đồ xử lý rác thải thành mùn hữu cơ làm nguyên liệu sản
xuất phân hữu cơ vi sinh
Sơ đồ xử lý mùn hữu cơ thành phân hũu cơ vi sinh
Sơ đồ sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ phân chuồng
Sơ đồ sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh từ than bùn
Mơ hình máy ép viên kiểu cối vịng con lăn
Kết cấu của buồng tạo viên
Máy ép viên kiểu khn vịng – con lăn của hãng Bliss (Mĩ)
Máy ép viên kiểu khn vịng – con lăn của hãng Myang
(Trung Quốc)
Sơ đồ tác dụng của phân hữu cơ vi sinh tới cây trồng (theo
Baumann E. 1969)
Quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh
Các nguyên lý ép viên
Độ bền lý thuyết và đặc tính liên kết phụ thuộc vào kích
thước các phần tử
Sự hình thành hạt theo phương pháp nén ép
Sơ đồ cấu tạo của máy ép viên khn vịng cố định – cánh
quay
Máy ép viên kiểu khn vịng – cánh quay phẳng của khoa

Cơ khí – Cơng nghệ trường đại học Nơng Lâm Thành phố
Hồ Chí Minh
Sơ đồ tạo hình trong rãnh hở của cánh gạt
Sơ đồ lực tác động tại một điểm bắt kì trên khn
Thước mét (dạng thước cuộn)
Thước kẹp
Đồng hồ đo số vòng quay DT – 2238
Đồng hồ bấm giây
Cân đĩa Nhơn Hòa loại 60 kg
Cân điện tử
Đồng hồ đo cường độ dòng điện KYORITSU – 2017
Công tơ điện 3 pha AMSYS OMWH – 345T – 1
Mơ hình bài tốn ‘Hộp đen’
Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy đến hàm
độ bền viên y1 dạng mã hóa.
Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy đến hàm
độ bền viên B dạng thực.
Đồ thị quan hệ B – n – h ở dạng không gian 3 chiều.
Đồ thị quan hệ B – n – h ở dạng phẳng.

Hình 1.2.
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.
Hình 1.7.
Hình 1.8.
Hình 1.9.
Hình 1.10.
Hình 1.11.

Hình 1.12.
Hình 1.13.
Hình 1.14.
Hình 1.15.
Hình 1.16.
Hình 1.17.
Hình 2.1.
Hình 2.2.
Hình 2.3.
Hình 2.4.
Hình 2.5.
Hình 2.6.
Hình 2.7.
Hình 2.8.
Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.
Hình 3.4.
Hình 3.5.

Trang
6
6
7
8
9
10
11
11
14

16
19
21
25
26
28

29
29
36
36
37
37
38
38
38
38
49
60
60
62
62


x

Hình 3.6.
Hình 3.7.
Hình 3.8.
Hình 3.9.

Hình P.1
Hình P.2
Hình P.3
Hình P.4
Hình P.5

Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy đến mức
tiêu thụ điện năng riêng để ép Ar dạng thực.
Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các hệ số hồi quy đến hàm
mức tiêu thụ điện năng riêng để ép y2 dạng mã hóa.
Đồ thị quan hệ Ar – n – h ở dạng không gian 3 chiều.
Đồ thị quan hệ Ar – n – h ở dạng phẳng.
Máy ép viên.
Kiểm tra máy ép viên trước khi vận hành.
Vận hành máy ép viên.
Thu sản phẩm.
Viên phân được làm khô.

64
64
66
66
109
109
109
110
110


1

MỞ ĐẦU
Phân bón cung cấp bổ sung cho đất các chất dinh dưỡng để thúc đẩy cây phát
triển, nâng cao năng suất và chất lượng. Phân bón thường được dùng rải trực tiếp
trên đất hay cũng được phun trên lá (dinh dưỡng qua lá). Phân bón được chia thành
phân bón hữu cơ và vô cơ, với sự khác biệt giữa chúng là nguồn gốc chứ không
phải là sự khác biệt trong thành phần dinh dưỡng.
Phân hữu cơ vi sinh bao gồm các loại phân có nguồn gốc là sản phẩm hữu cơ
như các loại phân chuồng, phân xanh, thân lá cây trồng, phụ phế phẩm trong sản
xuất thực phẩm ... Thành phần của phân hữu cơ vi sinh rất phong phú trong đó chứa
hầu hết các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng. Đây là nguồn nguyên liệu
phong phú, khơng bao giờ cạn, có mặt khắp nơi, đơi khi nếu không xử lý hết sẽ gây
ô nhiễm môi trường. Phân hữu cơ vi sinh rất thân thiện với cây trồng, con người,
đất. Cung cấp những chất dinh dưỡng cần thiết cho cây, không làm hại cho sức
khỏe con người và làm đất trồng tơi xốp, giúp cây phát triển tốt hơn.
Tuy nhiên khi bón cho cây trồng ở dạng bột thì phân tan nhanh, nếu bón ở
ruộng lúa nước thì phân hồ tan nhanh vào nước, cây khơng kịp hấp thụ hết chất
dinh dưỡng mà ta cung cấp, cịn nếu bón trên cánh đồng khơ thì tưới nước hay trời
mưa thì hầu như lượng phân bón sẽ theo dòng nước tập trung vào những nơi đất
trũng, vùng đất thấp. Chất dinh dưỡng trong phân tan nhanh không phù hợp với nhu
cầu sinh trưởng của cây trồng. Vì vậy, phân bón cần được tạo viên.
Có hai phương pháp tạo viên phân hữu cơ vi sinh chủ yếu là phương pháp vo
viên và phương pháp ép viên. Viên phân được sản xuất bằng phương pháp vo viên
cho độ bền viên kém hơn so với viên phân được sản xuất bằng phương pháp ép
viên, thời gian viên phân tan trong nước hay trong mơi trường có độ ẩm cũng thấp
hơn. Nhưng phương pháp vo viên lại có ưu điểm so với phương pháp ép viên là cấu
tạo thiết bị tạo viên đơn giản, năng suất cao, chi phí năng lượng riêng thấp hơn.
Mặt khác phân hữu cơ vi sinh là đối tượng gia cơng có tính dính, vón cục và
hệ số ma sát lớn. Đây là những đặc tính ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc
của tất cả các máy tạo viên, kể cả máy ép viên hay máy vo viên.

2

Có nhiều ngun lý ép viên như: ép bằng píttơng, ép bằng vít, ép bằng trục
cán, ép kiểu dập, ép bằng rulo, ép bằng băng tải, ép kiểu trục có khn ép vịng, ép
kiểu trục có khn ép phẳng.
Ngun lý ép viên kiểu pittơng được dùng chủ yếu để đóng bánh thức ăn
chăn nuôi, ép tách pha lỏng, ép tạo hình sản phẩm dạng sợi trong một số cơng nghệ
sản xuất. Năm 2011, Đỗ Hữu Quyết và Bùi Việt Đức [16, tr.650 – 661] đã áp dụng
nguyên lý ép viên kiểu pittơng để ép viên phân bón kiểu “dúi”. Do cịn những tồn
tại về mặt cơng nghệ bởi chính ngun lý ép pittông là độ cứng, độ chặt viên quá
lớn khơng thích hợp cho đa số cây trồng hiện nay. Mặt khác ép bằng pittông lại cho
năng suất thấp, chi phí năng lượng riêng cao, nguyên lý làm việc phức tạp,…nên
thiết bị ép viên này mới dừng lại ở thử nghiệm.
Nguyên lý ép vít được dùng chủ yếu để ép viên thức ăn thủy sản (dạng viên
nổi hoặc chìm), ép tạo hình sản phẩm dạng sợi trong một số cơng nghệ sản xuất như
ép bún tươi, chất dẻo, phân bón hữu cơ hoặc hữu cơ vi sinh,.…Trong giai đoạn từ
năm 1980 – 2000, đã có nhiều cơng ty sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh như cơng ty
Sơng Gianh (Quảng Bình), Thiên Sinh (Thành phố Hồ Chí Minh),…sử dụng máy
ép viên phân hữu cơ vi sinh kiểu vít. Nhưng các loại máy ép viên phân bón này
cũng có nhược điểm là năng suất thấp, chi phí năng lượng riêng và giá thành sản
xuất cao, nên hầu hết các đơn vị này đều quay về với phương pháp vo viên truyền
thống.
Nguyên lý ép bằng trục cán được dùng nhiều trong sản xuất hóa chất, năng
lượng, dược phẩm như phân bón vơ cơ, viên thanh đốt có nguồn gốc thực vật hay
năng lượng hóa thạch, thuốc chữa bệnh. Nguyên lý ép này có u cầu cơng nghệ
chế tạo cơ khí cao, khó làm sạch trục cán cho đối tượng có độ dính và hệ số ma sát
lớn nên chưa được ứng dụng trong cơng nghệ sản xuất viên phân bón hữu cơ vi sinh
ở trong nước.

Nguyên lý ép kiểu dập chỉ thích hợp cho sản phẩm viên có u cầu độ bền,
độ cứng cao như thuốc chữa bệnh.
Nguyên lý ép bằng rulo chỉ được dùng để đóng bánh rơm, cỏ để bảo quản, dự
trữ làm thức ăn cho đại gia súc.


3

Nguyên lý ép bằng băng tải chỉ được dùng để ép tách nước sơ bộ.
Nguyên lý ép kiểu trục có khn ép vịng và ép kiểu trục có khn ép phẳng
được dùng chủ yếu trong sản xuất thức ăn chăn nuôi, tạo viên chất đốt. Sử dụng
nguyên lý ép này trong sản xuất phân bón hữu cơ cho năng suất thấp, khi hỗn hợp
ép có độ ẩm, độ dính cao thì khơng thể tạo viên được.
Để khác phục các tồn tại của phương pháp ép viên trong công nghệ sản xuất
phân bón hữu cơ vi sinh kiểu khn vịng, năm 2007 hai tác giả Trần Thị Thanh và
Nguyễn Thị Kiều Hạnh đã đề xuất nguyên lý ép viên mới là ép kiểu khn vịng cố
định – cánh ép quay cải tiến từ ngun lý ép kiểu trục có khn vịng quay. Nhờ
khắc phục được các tồn tại công nghệ của các phương pháp ép trước đó là độ bền,
năng suất và dạng cấu trúc thiết bị nên nguyên lý ép cải tiến này đã được triển khai
ở hầu hết các vùng miền trong nước. Do là nguyên lý ép mới, nên lý thuyết tính
tốn, kết cấu và cơng nghệ máy ép viên chưa được hồn chỉnh, nên khơng thể xác
định được các thông số tối ưu bằng lý thuyết để nâng cao hiệu quả sản xuất. Vì vậy,
việc xác định các thông số tối ưu cho loại máy ép viên phân bón hữu cơ vi sinh này
để nâng cao hiệu quả sản xuất có tính cấp thiết và tính thời sự cao. Được sự chấp
thuận của phòng Sau đại học, khoa Cơ điện và Cơng trình, Ban Giám hiệu trường
Đại học Lâm nghiệp, dưới sự hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Như Nam, tôi thực
hiện đề tài:
“ Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu cho máy ép viên phân bón
hửu cơ vi sinh kiểu khn vịng cố định - cánh quay”
* Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

- Mục tiêu tổng quát: Nâng cao hiệu quả sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh dạng
viên bằng máy ép viên kiểu khn vịng cố định – cánh quay.
- Mục tiêu cụ thể: Xác định một số thông số tối ưu cho máy ép viên kiểu khn
vịng cố định – cánh quay theo các chỉ tiêu độ bền viên phân cao nhất và chi phí
năng lượng riêng bé nhất.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Máy được nghiên cứu trên mơ hình máy thực, tìm ra một số thơng số tối ưu.
- Góp phần giải quyết vấn đề sản xuất phân bón trong nước hiện nay.


4

* Tính mới của đề tài:
Nguyên lý tạo viên phân hữu cơ vi sinh kiểu khn vịng cố định, cánh ép
quay là nguyên lý làm việc mới. Nguyên lý này khác biệt với nguyên lý ép viên
kiểu khuôn quay, trục quay dùng tạo viên trong sản xuất thức ăn chăn ni. Vì vậy
các thơng số kết cấu, thơng số kỹ thuật và thông số công nghệ của máy ép viên theo
nguyên lý chưa được nghiên cứu đầy đủ, sẽ là tính mới cho đề tài của luận văn.
Đề tài được nghiên cứu dưới dạng luận văn thạc sĩ nên bị hạn chế về thời
gian, kinh phí. Được tiến hành thực nghiệm trên mơ hình máy thực nên gặp trở ngại
về thời gian tổ chức thực nghiệm, kinh phí thực hiện.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến sự quan tâm giúp đỡ của q thầy, cơ trong
và ngồi trường, các bạn đồng nghiệp, các cơ quan hữu quan đã động viên, giúp đỡ
tơi trong q trình hồn thành luận văn thạc sĩ .


5

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1.

Tổng luận các cơng trình đã cơng bố về vấn đề nghiên cứu

1.1.1. Tổng luận về cơng nghệ sản xuất phân bón hữu cơ – vi sinh dạng viên
Trên thế giới, phân hữu cơ nói chung và phân hữu cơ vi sinh nói riêng đã
được nghiên cứu và ứng dụng trong canh tác cây trồng từ lâu. Với ưu điểm là nguồn
nguyên liệu dồi dào, góp phần tận dụng các nguồn chất thải trong xử lý mơi trường,
tham gia vào q trình cải tạo đất trồng, công nghệ sản xuất đơn giản, giá thành rẻ,
khá thân thiện với môi trường, nên phù hợp cho các nước đang phát triển. Với việc
chủ động bổ sung và tạo môi trường thuận lợi để vi sinh vật có ích cho cây trồng
nên các nhà khoa học đã nghiên cứu phát triển từ phân bón hữu cơ thành phân bón
hữu cơ vi sinh. Cơng nghệ sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh dần được hồn thiện về
công nghệ, dây chuyền thiết bị sản xuất. Do đơn giản về dây chuyền thiết bị, giá
thành sản phẩm là phân bón hữu cơ vi sinh rẻ, thời gian bảo quản ngắn, u cầu mơi
trường bảo quản mang tính địa phương, nên hầu hết công nghệ, dây chuyền thiết bị
đều do các nước tự nghiên cứu, sản xuất. Vì vậy lợi nhuận chuyển giao công nghệ,
và sản xuất dây chuyền thiết bị thấp, cạnh tranh với sản phẩm và dây chuyền thiết bị
sản xuất phân bón cơng nghiệp (như các loại phân hóa học, vơ cơ,…) nên khơng
được các nhà sản xuất, thương mại quan tâm.
Ở Việt Nam, phân vi sinh vật cố định đạm cây họ đậu và phân vi sinh vật
phân giải lân đã được nghiên cứu từ năm 1960 và đến năm 1987 phân Nitragin trên
nền chất mang than bùn mới được hoàn thiện và đến năm 1991 đã có hơn 10 đơn vị
trong cả nước tập trung nghiên cứu phân vi sinh vật. Các nhà khoa học đã phân lập
được nhiều chủng vi sinh vật cố định đạm và một số vi sinh vật phân giải lân.
Phân hữu cơ vi sinh trong nước được sản xuất dựa trên 3 nguồn nguyên liệu
cơ bản là : rác thải, chất thải trong chăn nuôi, than bùn.


6



Sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ rác thải
Sơ đồ công nghệ sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ nguồn rác thải trình bày

như hình 1.1 (chế biến thành nùn hữu cơ) và hình 1.2 (từ mùn hữu cơ chế biến
thành phân hữu cơ vi sinh) [19, (2006)].
Xúc tác sinh học

Rác tươi 

Ủ hoai  Than bùn


Phân loại kích thước bằng sàng rung
Phế thải nằm trên sàng 20 mm

Phân lọt qua sàng  20 mm


Loại nặng

 Phân loại theo trọng lượng

Loại nhẹ (Mùn hữu cơ)

Hình 1.1: Sơ đồ xử lý rác thải thành mùn hữu cơ làm nguyên liệu sản xuất
phân hữu cơ vi sinh. (Theo [10], [19], [23], [24])
Chủng vi sinh

(Azobacter và PSM)
Nuôi cấy

Mùn hữu cơ
Bổ sung N, P, K, vi lượng
phối trộn

Vo viên

Phân hữu cơ
dạng viên

Hình 1.2: Sơ đồ xử lý mùn hữu cơ thành phân hũu cơ vi sinh.
(Theo [10], [19], [23], [24])
Đặc điểm của dây chuyền chế biến rác thành phân:
Xử lý rác theo phương pháp ủ kỵ khí: trong điều kiện khí hậu nóng và ẩm
ướt ở Việt Nam thì q trình phân hủy các chất hữu cơ được tiến hành nhờ tác đụng
của các vi sinh kỵ khí là thích hợp và tối ưu nhất, nhiệt độ trong đống rác có thể lên


7

tới 50 ÷ 600C. Để thời gian ủ rút ngắn 3 ÷ 4 tuần, nên đưa vào một lượng nhỏ chất
hoạt hóa vi sinh vào trong rác hay vi khuẩn chịu nhiệt.
Sau khi rác thành mùn hữu cơ thì quá trình tách lọc và loại bỏ tạp chất được
thực hiện qua sàng rung. Công đoạn chế biến mùn hữu cơ thành phân bón: tiếp theo
là cơng đoạn phối trộn các vi sinh vật có khả năng sinh chất kích thích sinh trưởng,
thực vật, cố định Nitơ, phân giải hợp chất chống phốt phát khó tan và tạo viên phân.


Sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ phân gia súc, gia cầm
Sơ đồ công nghệ sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ phân chuồng trình bày như

Hình 1.3.
Phân chuồng

Chất dinh
dưỡng, chất
khử mùi

Ủ
Phơi nắng
Nghiền

Phân hữu cơ vi sinh

Vi sinh vật phân
giải chất hữu cơ

Sấy khơ

Phối trộn

Vi sinh vật

Vo viên

Hình 1.3: Sơ đồ sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ phân chuồng.
(Theo [10], [19], [23], [24])


Sản xuất phân hữu cơ từ than bùn
Sơ đồ công nghệ sản xuất phân hữu cơ vi sinh từ than bùn trình bày như

Hình 1.4.
Đặc điểm cơng nghệ : ngun liệu sản xuất phân bón hữu cơ là than bùn và
mùn rác thải, trong đó chủ yếu là than bùn, mùn cưa, mùn rác thải, bã thải (như mùn
cưa, bã mía, vỏ cà phê,…). tất cả các nguyên liệu này lần lượt được xử lý qua các
bước lý hóa, sinh hóa. Trước hết là phương pháp vật lý bao gồm phối tải và nghiền
nhỏ. Tiếp theo là xử lý về mơi trường để có độ pH thích hợp. Tác nhân hóa học
gồm photphoric, lân nung chảy, đạm , kali, hoặc vôi bột. Cuối cùng là xử lý vi sinh


8

nguồn nguyên liệu vi sinh bằng vi khuẩn phân hủy xenlulo hoặc phân giải lân ủ với
thời gian nhất định.
Than bùn, mùn hữu cơ

Xử lý nhiệt

Men vi sinh 3 loại
Xử lý cơ học


Nhân giống C1
Xử lý hóa học


Nhân giống C2

Ủ vi sinh

Nghiền, đập

Dịch men vi sinh
Phối trộn

Đóng bao
Phân hữu cơ vi sinh dạng bột

Tạo viên

Sấy hạt

Phân loại

Đa lượng

Dung dịch N, P, K

Vi lượng

Đóng bao

Hình 1.4: Sơ đồ sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh từ than bùn.
(Theo [10], [20], [23], [24])
Theo Cục Trồng trọt [23], chỉ trong thời gian từ năm 2004 ÷ 2007, Bộ Nơng
nghiệp và Phát triển Nông Thôn đã công nhận 74 sản phẩm phân hữu cơ vi sinh.
Trong số sản phẩm này có một số loại phân hữu cơ vi sinh thông dụng là:
Phân hữu cơ sinh học Sông Gianh: hàm luợng hữu cơ > 12%; P2O5 > 3%; vi

sinh vật cố định nitơ, phân giải xenluloza, vi sinh vật phân giải các hợp chất
photpho khó tan; vi sinh vật tổng số 5.106 con/gam; ngồi ra cịn có các ngun tố
vi lượng. Phân hữu cơ vi sinh Thiên Sinh (KOMIX); hữu cơ >15%; vi sinh phân
giải hợp chất photpho khó tan> 6.106 con/gam. Loại này sử dụng nhiều ở các vùng
mía Tây Ninh.


9

1.1.2. Tổng luận các cơng trình về máy ép viên kiểu khn vịng
Máy ép viên kiểu khn vịng ép có cơ chế ép kiểu trục trên khn ép vịng
chuyển động quay gồm 4 dạng chính (theo [10], [16]) là : cối vịng – con lăn, 2 cối
vịng tiếp xúc ngồi, 2 cối vòng tiếp xúc trong và cối vòng – cam ép. Trong đó máy
ép viên kiểu cối vịng – con lăn là loại máy ép viên phổ biến hơn cả, được sử dụng
phổ biến trong công nghiệp sản xuất thức ăn gia súc, thức ăn thủy sản. Máy ép viên
kiểu khn vịng – con lăn có sơ đồ cấu tạo như hình 1.5 và kết cấu của buồng ép,
được thể hiện rõ trên hình 1.6.

Hình 1.5: Mơ hình máy ép viên kiểu cối vòng con lăn .
(Theo [10], [11], [12], [16], [41])
1. Thân máy; 2. Động cơ chính; 3. Ổ trục; 4. Đai ốc cố định trục;
5. Giá đỡ động cơ điện; 6. Động cơ điện; 7.Bộ truyền động đai; 8. Bạc đạn;
9. Cánh trộn; 10.Giá đỡ; 11. Động cơ điều tốc; 12. Hộp giảm tốc; 13. Khớp nối;
14. Bích ; 15. Cửa nạp liệu; 16. Vỏ vít tải;17. Cánh vít; 18. Trục vít tải;
19. Bạc đạn; 20. Cánh trộn; 21, 22. Vỏ vít trộn; 23.Nắp đầu;
24. Máng xuống liệu; 25. Buồng tạo viên; 26. Cửa quan sát;
27. Cửa phòng quá tải; 28. Cơ cấu điều chỉnh cửa quá tải; 29. Cửa ra sản phẩm;
30. Bộ truyền động đai.

10

Hình 1.6: Kết cấu của buồng tạo viên.
(Theo [10], [11], [12], [16], [41])
1. Khuôn; 2,13. Dao gạt liệu vào; 3. Ngun liệu; 4. Đai ốc khóa;
5. Bích chỉnh con lăn;6, 7, 8, 9, 16, 17, 18, 19. Bulông kẹp chặt; 10, 20. Con lăn;
11, 12, 22, 23. Bulông cố định dao gạt; 14. Dao cắt viên; 15. Viên thức ăn;
21. Bích đỡ con lăn.
Đây là loại máy ép viên hình trụ theo dạng lỗ khuôn từ hỗn hợp dạng bột ứng
dụng trong các công nghệ sản xuất thức ăn gia súc, thức ăn chìm cho một số thủy
sản, viên thực phẩm chức năng như viên cốm can xi cho người,... Trong vài năm
gần đây nguyên lý này dùng tạo viên chất đốt từ các nguyên liệu có nguồn gốc từ
thực vật như trấu, mùn cưa,. ..
Máy ép viên kiểu khuôn vịng – con lăn (pellet mill) được nghiên cứu hồn
chỉnh cả về lý thuyết tính tốn, thiết kế, chế tạo và là sản phẩm thương mại hóa từ
lâu ở các nước phương tây với những tên tuổi lớn như các công ty: Bliss (Mĩ), La
Meccanica (ý), Buchumer (Đức), VanAarsen (Hà Lan)… Dựa vào các thiết kế của
các nước Châu Âu, một số nước ở Châu Á như: Trung Quốc ( Chính Xương,
Mynhang…), Thái Lan (CPM), Việt Nam,…đã thiết kế, chế tạo chép mẫu. Máy ép
viên kiểu khn vịng – con lăn được sử dụng cho rất nhiều các sản phẩm nông
nghiệp khác nhau từ chế biến thức ăn cho người và gia súc đến ép viên phế thải
nông nghiệp (rơm, cỏ khô, mùn cưa…) hay rác thải… ở mỗi một đối tượng khác
nhau lại đòi hỏi các thiết bị ép viên phù hợp. Hình 1.7 giới thiệu máy ép viên của
hãng Bliss (Mĩ) và hình 1.8 giới thiệu máy ép viên của hãng Myang ( Trung Quốc).


11

Hình 1.7: Máy ép viên kiểu khn

Hình 1.8: Máy ép viên kiểu khn vịng –

vịng – con lăn của hãng Bliss (Mĩ).

con lăn của hãng Myang ( Trung Quốc).

(Theo [10], [11], [12], [16])

(Theo [10], [11], [12], [16])

Tất cả các máy ép viên kiểu khn vịng – con lăn đều giống nhau về cấu
tạo, nguyên lý làm việc. Sự khác biệt chủ yếu là về chất lượng chế tạo, độ tin cậy,
hệ thống đảm bảo an tồn và trình độ tự động hóa.
Nguyên tắc làm việc của máy ép viên kiểu khn vịng – con lăn như sau:
Dưới tác động của lực ly tâm và trọng lực lên hỗn hợp làm hỗn hợp ép chuyển động
quay cùng với bề mặt khuôn. Khi đi qua khe hở hình nêm cong giữa con lăn và bề
mặt khn trong khối hỗn hợp sẽ hình thành lên buồng ép do thay đổi tiết diện của
khối hỗn hợp chuyển động vào khe hở này và tác động của lực ma sát giữa bề mặt
khuôn và bề mặt con lăn lên khối hỗn hợp. Lực ép sinh ra trong buồng ép sẽ tạo ra
sự phun trào qua các lỗ của khuôn để tạo viên. Khả năng phun trào tùy thuộc áp lực
sinh ra lớn hay bé để thắng lực ma sát giữa khối thức ăn nằm trong lỗ khn với bề
mặt lỗ khn. Kích thước viên bị quyết định bởi đường kính lỗ khn. Độ bền của
viên khi gia công ép bằng máy ép viên kiểu khuôn vịng – con lăn phu thuộc vào
các thơng số cơng nghệ và đặc tính kỹ thuật của bộ phận ép.
Các thơng số cơng nghệ gồm có các đặc tính cơ lý của hỗn hợp ép như thành
phần, kích thước, độ ẩm, các tính chất về nhiệt của hỗn hợp ép, nhiệt độ ép, kích
thước viên sản phẩm, phương pháp gia cơng trước và sau khi ép, lượng cung
cấp,…Thí dụ kích thước các phần tử của hỗn hợp ép càng nhỏ thì độ bền viên càng
nâng cao.

12

Đặc tính kỹ thuật của bộ phận ép gồm có kích thước khn vịng (gồm
đường kính, bề dày khn, kích thước lỗ khn), mật độ lỗ (hay diện tích tiết diện
sống của khn), đường kính con lăn, trạng thái bề mặt của khn vịng và con lăn,
số lượng con lăn, số vịng quay của khn vịng, cơng suất động cơ và công suất
truyền động,...
Đối với hỗn hợp ép là thức ăn chăn nuôi với thành phần hỗn hợp ép chủ yếu
là các hạt lương thực, hỗn hợp trước khi đưa vào ép được gia nhiệt trực tiếp bằng
hơi nước để tạo ra sự hồ hóa nhằm nâng cao sự kết dính hay độ bền viên. Ở một số
hỗn hợp, khi ép không gia nhiệt cần thiết phải bổ sung chất kết dính là các polymer.
Trong một số trường hợp như ép viên củi đốt, nhờ ma sát và hỗn hợp ép trước khi
đưa vào ép được nghiền nhỏ sẽ tạo ra sự dính kết do hắc ín được tạo ra trong quá
trình ép.
Khi hỗn hợp ép là thức ăn chăn ni có độ ẩm cao hay hệ số ma sát ngồi với
bề mặt khn và bề mặt con lăn q nhỏ thì áp lực lên khối nguyên liệu ép trong
buồng ép bé không đủ tạo lên áp lực ép cần thiết để đẩy hỗn hợp ép qua lỗ khuôn
của khuôn vịng. Đồng thời hình thành quanh bề mặt khn vịng một lớp hỗn hợp
ép dẻo như một màng ngăn chặn hỗn hợp ép chui vào lỗ khuôn. Chiều dày của
màng, nếu khơng tính đàn hồi bằng đúng khe hở giữa bề mặt khn vịng và con
lăn. Nếu khơng ngừng tiếp liệu sẽ gây nên hiện tượng quá tải động cơ hoặc bộ phận
truyền động cho khn vịng. Ngược lại, nếu độ ẩm của hỗn hợp ép quá thấp, sẽ tạo
ra ma sát giữa viên trong lỗ khuôn với bề mặt lỗ khuôn lớn ngăn cản sự chuyển
động của viên trong lỗ khuôn. Nếu việc cấp liệu vượt quá khả năng lưu thông qua lỗ
khuôn (lúc này lưu thông qua lỗ khuôn rất thấp) sẽ gây quá tải cho động cơ và bộ
phận truyền động và tạo lên một lớp màng rất cứng do sự phát nhiệt làm hỗn hợp bị
cháy.
Ở máy ép viên kiểu khn vịng – con lăn, chiều dài viên ép được điều chỉnh
bằng khe hở của dao cắt 14 (hình 1.6).

Mặc dù được ứng dụng trong nhiều ngành sản xuất như thức ăn chăn nuôi,
hay sản xuất viên đốt từ phế thải thực vật, nhưng cho đến thời điểm hiện tại nguyên


13

lý ép viên kiểu kiểu khn vịng – con lăn chưa được ứng dụng để ép viên phân bón
hữu cơ vi sinh. Ngun nhân chính là:
1) Hỗn hợp phân bón hữu cơ vi sinh có độ nhớt cao, độ ẩm lớn làm hệ số ma sát
ngồi (với bề mặt khn và con lăn) nhỏ. Vì vậy khi khn quay, ma sát giữa
nguyên liệu ép (là hỗn hợp phân bón) với con lăn không đủ lớn để kéo nguyên liệu
vào vùng ép (vùng nêm ép), giống như hiện tượng trượt lăn (còn gọi là patine) của
bánh xe quay. Trong ép viên hỗn hợp thức ăn chăn nuôi cũng xẩy ra hiện tượng này
khi độ ẩm nguyên liệu ép quá cao.
2) Để khắc phục hiện tượng trượt lăn, cần tăng đường kính con lăn nhằm làm tăng
lực ma sát kéo nguyên liệu ép vào vùng ép. Tuy nhiên hướng khắc phục này khơng
khả thi vì bị giới hạn bởi khơng gian (hay đường kính) khn vịng.
Năm 2007, PGS.TS. Trần Thị Thanh (trường đại học Nơng Lâm Thành phố
Hồ Chí Minh) đưa ra ý tưởng máy ép viên theo nguyên lý máy ép viên kiểu khn
vịng cố định – cánh quay dạng phẳng. Năm 2009. ThS.Nguyễn Thị Kiều Hạnh đã
thực nghiệm chế tạo thử thành công mẫu máy ép viên này và đưa vào ứng dụng. Kết
quả cơng trình cơng bố trong hội nghị khoa học sinh viên và giáo viên trẻ tháng
4/2010. Bước đầu cho thấy máy ép viên kiểu khn vịng cố định – cánh quay dạng
phẳng có năng suất cao hơn hẳn so với các nguyên lý ép vít hay ép kiểu khn vịng
– con lăn, độ bền viên cao hơn nhiều so với vo viên. Với những ưu điểm này, máy
đã được sản xuất chấp nhận và đưa vào triển khai ứng dụng. Nhưng máy ép viên
kiểu khn vịng cố định – cánh quay dạng phẳng hãy còn những tồn tại cần phải
khắc phục là:
1) Nguyên lý làm việc mới nhưng chưa có lý thuyết tính tốn. Vì vậy các tính tốn
thiết kế mang tính mị mẫm.

2) Các thơng số làm việc của máy bao gồm các thông số kết cấu và công nghệ chưa
được kiểm định xác định chế độ tối ưu.
1.2.

Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu

1.2.1. Cơng nghệ sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh
1.2.1.1.

Phân hữu cơ vi sinh

a) Khái niệm phân hữu cơ vi sinh [19, (2006)]