Tính toán thiết kế máy nghiền răng

MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC BẢNG

2


DANH MỤC CÁC HÌNH

3


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu bột sắn
1.1.1 Tình hình chế biến sắn và ứng dụng sắn trong nước trong nước và trên thế
giới
Sắn là loại cây lương thực quan trọng ở các nước nhiệt đới như Brazil, Nigeria,
Thái Lan, Indonesia, Việt Nam… Củ sắn chứa nhiều tinh bột, hiện nay tại các nước trồng
sắn trên thế giới phần lớn sắn được sử dụng làm thức ăn người và gia súc. Một lượng nhỏ
sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp chế biến.
Trong năm 2006, kim ngạch nhập khẩu tinh bột sắn của EU tăng khoảng 18%, ước
đạt 14 triệu EUR, tương đương 32.000 tấn. Trong EU, nhập khẩu mặt hàng này lớn nhất
là Đức, chiếm 25% thị phần nhập khẩu của EU và có tốc độ phát triển hàng năm là 46%.
Đức nhập khẩu nhiều tinh bột sắn để làm nguồn nguyên liệu cho ngành sản xuất phụ gia
thực phẩm trong nước. Việc sản xuất tinh bột sắn từ các nước đang phát triển hiện đang
phải đối mặt với sự cạnh tranh gay gắt từ phía các cơng ty chế biến tinh bột của EU.
Thái Lan là nước cung cấp tinh bột sắn hàng đầu cho thị trường EU, chiếm 45% thị

phần nhập khẩu. Ngoài Thái Lan, các nước đang phát triển khác chỉ chiếm 2%, trong đó
Việt Nam chiếm 1,7% tổng thị phần nhập khẩu tinh bột sắn của EU. Ở nước ta sắn được
trồng khắp từ Nam tới Bắc, nhiều nhất là vùng trung du miền núi. Việt Nam hiện đang sản
xuất hàng năm hơn 2 triệu tấn sắn củ tươi, đứng hàng thứ 11 trên thế giới về sản lượng
sắn, nhưng lại là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng hàng thứ 3 trên thế giới sau Thái Lan
và Indonexia.
Trong chiến lược toàn cầu, cây sắn đang được tôn vinh là một trong những loại cây
lương thực dể dàng thích hợp với những vùng đất cằn cỗi và là loại cây cơng nghiệp triển
vọng có khả năng cạnh tranh cao với nhiều loại cây công nghiệp khác. Ở nước ta cây sắn
đang chuyển đổi nhanh chóng vai trị từ cây lương thục truyền thống sang cây cơng
nghiệp, sự hội nhập đang mở rộng thị trường sắn tạo nên những cơ hội chế biến tinh bột,
tinh bột biến tính bằng hóa chất và enzim,… góp phần vào sự phát triển kinh tế đất nước.
Từ cây lương thực “chống đói”, cây sắn Việt Nam đã có khối lượng xuất khẩu
đứng thứ 3 thế giới và trở thành cây "xóa đói giảm nghèo" của bà con nơng dân. Tuy
nhiên, cây sắn “lên ngôi” cũng đang nảy sinh nhiều vấn đề bất cập. Việt Nam có 41 nhà
máy chế biến tinh bột sắn đã và đang xây dựng với tổng công suất thiết kế khoảng 3.130
tấn bột/ngày. Nhưng với gần 264.000 ha sắn hiện có, 41 nhà máy cũng chỉ đáp ứng được
4


39,6% sản lượng. Trong khi Bộ NN-PTNN dự kiến diện tích trồng sắn sẽ đạt khoảng
300.000 ha vào năm 2005.
Triển vọng khả quan tại hội thảo về sắn Châu Á lần thứ 6 họp tại TP.HCM, Việt
Nam được đánh giá là nước có bước tiến lớn về phát triển cây sắn trong hơn 10 năm trở
lại đây. Nhờ áp dụng nhiều giống mới có năng suất cao và hàm lượng bột lớn như các
giống KM 60, KM 94, KM 98... Năng suất sắn bình quân cả nước từ 79,9 tạ/ha năm 1999
đã tăng lên 106,4 tạ/ha năm 2001 và tăng thêm 20 tạ cho mỗi ha vào năm 2002. Diện tích
trồng sắn cũng khơng ngừng mở rộng, từ 220.000 ha năm 1999 lên 263.900 ha năm 2001
và đến tháng 9/2002 đã có 270.000 ha. Hiện nay khối lượng sắn xuất khẩu của Việt Nam
đạt khoảng 200.000 tấn/năm, đứng hàng thứ ba thế giới, chỉ sau Thái Lan và Indonesia.

Nhu cầu của thế giới đối với tinh bột sắn ngày càng gia tăng, nhất là tại các thị
trường Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc và Nhật Bản, bên cạnh các thị trường tiêu thụ
sắn khô truyền thống là EU và Mỹ. Trong đó, sắn khơ chủ yếu làm lương thực (58%) và
thức ăn gia súc (28%). Tinh bột sắn nhiều công dụng hơn, ngồi việc làm thực phẩm trực
tiếp cịn là nguyên liệu không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp lớn như để làm hồ,
in, định hình và hồn tất trong cơng nghiệp dệt, làm bóng và tạo lớp phủ bề mặt cho công
nghiệp giấy. Đồng thời tinh bột sắn cịn dùng trong sản xuất cồn, bột nêm, mì chính, sản
xuất men và công nghệ lên men vi sinh và chế biến các thực phẩm khác như bánh phở, hủ
tiếu, mỳ sợi...

Hình 1.1. Sơ đồ sản phẩm từ sắn của nước ta

5


1.1.2 Đặc điểm, cấu tạo, thành phần hóa học cơ bản của sắn
1.1.2.1 Đặc điểm
Sắn (hay còn gọi là khoai mì) có tên khoa học là Manihot
Esculenta là cây lương thực ưa ẩm, nó phát nguồn từ lưu vực sơng
Amazone

Nam

Mỹ.

Đến

thế

kỉ

XVI

mới

được

trồng ở châu Á và Phi. Ở nước ta, khoai mì được trồng ở khắp nơi từ
nam

chí

bắc

nhưng do q trình sinh trưởng và phát dục của khoai mì kéo dài, khoai
mì

giữ

đất

lâu nên chỉ các tỉnh trung du và thượng du Bắc Bộ như: Phú Thọ, Tun
Quang,

Hịa

Bình… là điều kiện trồng trọt thích hợp hơn cả. Khoai mì Việt Nam cũng
bao

gồm

nhiều loại giống. Nhân dân ta thường căn cứ vào kích tấc, màu sắc củ,
thân,

gân

lá

và

tính chất khoai mì đắng hay ngọt (quyết định bởi hàm lượng axit HCN
cao

hay

thấp)

mà tiến hành phân loại. Tuy nhiên trong công nghệ sản xuất tinh bột
người

ta

phân

thành hai loại: khoai mì đắng và khoai mì ngọt.
1.1.2.2 Cấu tạo
Củ sắn thường gồm 4 phần chính:
-

Vỏ gỗ chiếm từ 0,5-3% khối lượng củ. Lớp vỏ gỗ có thể có màu

trắng

,vàng

hoặc nâu. Vỏ gỗ gồm các tế bào sít, cấu tạo từ xenluloza hầu như
khơng

có

tinh

bột. Vỏ gỗ có tác dụng bảo vệ củ khỏi bị ảnh hưởng cảu ngoại
-

cảnh.
Vỏ cùi hay vỏ thịt, chiếm từ 5-20% khối lượng toàn củ. Vỏ cùi
mềm

gồm

các

tế

bào thành dày, ngồi xenluloza là chính cịn có các sắc tố, độc
tố

,emzim…Vì

vỏ

cùi chứa nhiều tinh bột (5-8%) nên khi chế biến nếu tách đi thì tổn
6


thất

tinh

bột

nếu khơng tách thì chế biến khó khăn vì nhiều chất trong mủ ảnh
hưởng
-

đến

màu

sắc tinh bột.
Thịt sắn là phần chủ yếu của sắn, bao gồm các tế bào nhu mô là
xenluloza,
pentozan, bên trong là các hạt tinh bột và nguyên sinh chất.
Lượng

tinh

bột

trong

thịt sắn phân bố không đều, nhiều nhất là ở lớp ngồi rồi giảm
dần
-

vào

trong,

kích thước hạt tinh bột sắn 15-80μm
Lõi sắn thường ở trung tâm dọc suốt từ cuống tới chuôi củ, ở
cuống

lõi

to

nhất

rồi nhỏ dần tới chuôi. Thành phần lõi gần như tồn bộ là xenluloza
và
hemixenluloza.
1.1.2.3 Thành phần hố học

Bảng 1.1. Thành phần hố học của sắn tính theo chất khơ
Thành phần
1. Độ ẩm trung bình
2. Tinh bột(Hydratcacbon)
3. Protein nhỏ hơn
4. Lipít lớn nhất

5. Tro tồn phần khơng lớn
hơn
6. Sợi sơ (Cenlyloza) không
lớn hơn
7. Kali không lớn hơn
8. Photpho
9. Hydrocyamic

Giá trị
(63-70)%
(18-35)%
1.18%%
0.08%
0.85%
4%
0.26 mg/kg
0.04 mg/kg
173 mg/kg

1.1.3 Ứng dụng của tinh bột sắn
Giá trị sử dụng
-

Trước hết, khoai mì có khả năng thay thế trực tiếp một phần khẩu
phần

gạo
7

của

nhân dân ta. Đó là thực phẩm dễ ăn, dễ chế biến, khả năng bảo
quản

cũng

tương đối ổn định nếu được chế biến thành bột hay những thành
phẩm
-

sơ

chế

khác như khoai mì lát, miếng khoai mì…
Với nhu cầu của cơng nghệ, khoai mì là nguồn nguyên liệu trong
các

ngành

kỹ

nghệ nhẹ, ngành làm giấy, ngành làm đường dùng hóa chất hay
men

thực

vật

để

chuyển hố tinh bột khoai mì thành đường mạch nha hay glucoza.
Rượu
-

và

cồn

đều có thể sử dụng khoai mì làm ngun liệu chính.
Khoai mì cịn là nguồn thức ăn tốt để cung cấp cho gia súc
Giá trị dinh dưỡng

-

Khoai mì có giá trị dinh dưỡng cao như khoai tây, khoai môn,
khoai

lang…do

hàm lượng protein thấp nhưng nó chứa nhiều cacbonhydrat là
nguồn

cung

cấp

nhiều năng lượng cho cơ thể. Nó cịn là một nguồn tốt để cung
cấp

-

Kali

và

chất

xơ.
Khoai mì giúp duy trì quá trình cân bằng hàm lượng nước trong
máu.
Chất xơ giúp ngừa táo bón, có khuynh hướng thấp hơn hàm lượng
Cholesterol trong máu, ngăn ngừa những bệnh về tim mạch. Vì củ
mì

chứa

ít

protein

và

chất

béo nên khi dùng khoai mì trong khẩu phần ăn nên bổ sung thêm
các

loại

thực

phẩm giàu protein và lipit để khẩu phần được cân đối.

1.2 Giới thiệu về máy nghiền răng
1.1.4 Cấu tạo và phân loại
Quá trình nghiền trong máy nghiền răng là do tác dụng va đập của các răng với vật
liệu đem nghiền. Do đó máy này dùng để nghiền mịn hoặc rất mịn. Máy nghiền răng được
8


dùng trong cả ngành chế biến thức ăn gia súc (nghiền xương, vỏ sị, muối khống…),
trong các ngành hố chất và luyện kim. Trong sản xuất thường dùng hai loại máy nghiền
răng:
-

Loại có một roto quay
Loại có hai roto quay
Ở cả hai loại này đều gồm loại có lưới sàng và khơng có lưới sàng.

Hình 1.2. Máy nghiền răng loại một roto có lưới sàng
1. Lưới sàng; 2. Đĩa răng cố định; 3. Vỏ máy; 4. Roto; 5. Trục quay; 6. Răng nghiền
Máy nghiền răng loại một roto quay và có lưới sàng được giới thiệu ở hình trên.
Trên trục quay 5 của máy lắp roto 4 mà trên roto này có lắp các dãy răng nghiền 6 thành
các vịng tròn đồng tâm. Các răng này càng xa tâm quay thì bước răng càng giảm. Đối
diện với roto 4 là đĩa răng cố định 2 lắp với vỏ máy 3. Trên đĩa răng cố định cũng lắp các
răng thành vòng trịn đồng tâm có bước khơng đổi. Các vịng răng trên đĩa cố định nằm
xen giữa các vòng răng trên roto quay 4. Số răng và số vòng quay thay đổi tuỳ theo từng
loại máy với các yêu cầu công nghệ cụ thể khác nhau. Vật liệu đem nghiền nạp vào qua
miệng nạp liệu theo nhiều trục, khi rơi vào vòng răng thứ nhất được đập sang vòng răng

thứ hai của đĩa đối diện, rồi lại bị văng tiếp sang vòng thứ ba… Qua các lần bị va đập vật
liệu văng dần từ trong ra ngoài được đập nhỏ tới khi lọt qua được lưới sàng một để sang
bộ phận phân loại thu hồi bột thành phẩm.

9


Hình 1.3. Quá trình đập vật liệu trong máy nghiền
Quá trình vật liệu đem nghiền bị đập nhỏ dần được giới thiệu ở hình trên.
Với máy nghiền răng khơng có lưới sàng thì trong vỏ máy đã tạo trước rãnh hình
xoắn dạng vỏ quạt ly tâm để dùng quạt hút bột đạt quy cách ra khỏi máy nghiền.
Với máy nghiền răng có hai roto quay thì thường hai roto quay ngược chiều nhau
nhờ được truyền chuyển động quay từ hai trục đối lập. Các vòng răng của hai roto lần lượt
xen vào nhau tạo thành các lồng quay đồng tâm. Năng suất của máy nghiền răng hai roto
cao hơn máy có một roto, nó phụ thuộc vào loại vật liệu đem nghiền, loại răng, số răng,
cỡ hạt sản phẩm yêu cầu… và cũng tốn công suất hơn.
Vật liệu làm răng nghiền thường là thép đồng hoặc đun ra. Răng có dạng trịn hoặc
dạng vng cạnh, có độ cứng cao để không bị gãy khi va đập. Răng được lắp vào đĩa cố
định, vào roto và khi mòn được tháo ra thay thế. Cũng có loại máy mà các vịng răng
được hàn chặt vào đĩa cố định hoặc roto, khi mòn răng thì phải thay cả đĩa và răng cùng
lúc.

10


Hình 1.4. Máy nghiền răng loại 1 roto

Hình 1.5. Máy nghiền răng loại 2 roto
1. Thân máy

6. Phễu cấp liệu

2. Giá lắp gối đỡ

7. Vỏ máy

3. Bánh đai

8. Đĩa

4. Trục

9. Răng

5. Moayơ
10.

11


CHƯƠNG 2

TÍNH TỐN THIẾT KẾ

1.2 Q trình đập nhỏ và phân ly nguyên liệu trong buồng nghiền
1.2.1 Quá trình đập nhỏ
Quá trình đập nhỏ nguyên liệu trong buồng nghiền của máy nghiền răng bao gồm
các va đập chính như sau: va đập của răng nghiền vào nguyên liệu, va đập của nguyên
liệu vào răng nghiền và va đập giữa nguyên liệu với ngun liệu. Ngồi ra trong q trình
làm việc cịn có hiện tượng chà xát giữa răng nghiền với vật liệu, chà xát giữa vật liệu với

vật liệu và hiện tượng bẻ gãy vật liệu của các răng nghiền do các cục vật liệu bị lọt vào
khe giữa các răng động và răng tĩnh.
Ứng suất va đập cực đại để phá vỡ vật thể (Theo lí thuyết nghiền của Rampt và
Friedrich kiểm tra bằng thực nghiệm đối với va đập vào nhau được xác định theo cơng
thức)
0,8



0,6
0,2

÷  1
2
1   m1.m2 
0,2
0,4
÷  + ÷ 
σ max = 0, 089 
÷ .v
1
1
 +
÷  E1 E2   m1 + m2 
E E ÷
 1
2 
2
= 500000(N/ m )

Trong đó: m-khối lượng, kg;
E-mơ đun đàn hồi;
R-bán kinh, mm;
v-vận tốc va đập, m/s;
1,2-chỉ số hai vật.
Khi xét trường hợp m, E, R là các đại lượng không đổi và C là hệ số ảnh hưởng
của chúng cũng không đổi. Ta có:
σ max = fcv

2
5

Khi đó ứng suất gây ra do va đập là một hàm của vận tốc va đập. Chính ứng suất
này là nguyên nhân chính làm phá vỡ nguyên liệu, cho nên đối với mỗi loại nguyên liệu

12


có cơ lý tính riêng biệt khi đem nghiền cần có một tốc độ va đập phù hợp để đạt được độ
nhỏ sản phẩm cần thiết.
1.2.1.1 Xác định vận tốc va đập trong máy nghiền răng
Cũng như búa đập trong máy nghiền búa, khi răng nghiền quay mang theo động
năng:
Gr vd2
Ed =
2g

(Nm)

Trong đó: Gr-trọng lượng răng nghiền, N;

vd- vận tốc vòng ban đầu trước khi va đập, m/s.
Khi va đập tự do, hiệu quả va đập phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc va đập chứ không
phụ thuộc vào dạng chuyển động tự do hay cưỡng bức. Động năng này một phần dùng để
đập vỡ vật nghiền, phần còn dư E c nằm lại ở răng nghiền đang chuyển động với vận tốc
cuối vc. Ta có:
Ec =

Gr vc2
2g

Như vậy động năng dùng để đập vỡ vật liệu nghiền là:
E = Ed − Ec =

Gr vd2 Gr vc2
−
2g
2g

= 75000

Công phá vỡ vật liệu nghiền Apv được xác định theo công thức:
Apv =

σ 2V σ 2Gv 5000002.0, 013 5
=
=
=
2E
2 Eγ
2.75000

3

Trong đó: V-thể tích cục vật liệu (m3);
E-mơ đun đàn hồi của vật liệu;
Gv-khối lượng cục vật liệu, (N);
γ-trọng lượng riêng của vật liệu nghiền, N/m3;
σ-ứng suất va đập cầ thiết để phá vỡ vật thể (N/m2).
13


Động năng dùng để nghiền tối thiểu phải bằng hoặc lớn hơn cơng phá vỡ vật liệu:
∆E ≥ Apv

Từ đó suy ra:
Gr 2 2 σ 2Gv
( vd − vc ) > 2Eγ
2g
Gr vd2
σ 2Gv
2
1
−
ε
>
(
) 2 Eγ
2g

Do đó ta có thể rút ra vận tốc va đập để phá vỡ vật thể của răng nghiền vào vật liệu
như sau:

vd ≥ σ

ε=

gGv (1 − ε 2 )
Eγ Gr

(m/s)

vc
vd

Trong đó:
= 0,3 là hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm răng nghiền, vật liệu
đem nghiền và được xác định bằng thực nghiệm.
1.2.2 Quá trinh lọc sản phẩm nghiền
1.2.2.1 Hiện tượng lưu chuyển và phân ly bột nghiền trong buồng nghiền
Nguyên liệu sau khi va đập với các răng động và răng tĩnh, nhờ lực li tâm và dịng
khơng khí do quạt lắp trên roto quay tạo nên đẩy bột tới mặt sàng. Sau đó ngun liệu
trượt trên mặt sàng (dạng cung trịn); dưới tác dụng của lực li tâm và tác động của dịng
khơng khí các hạt nhỏ được tách ra ngồi qua sàng. Lực li tâm làm sản phẩm ép sát vào
mặt sàng, tạo điều kiện cho việc phân ly bột nghiền dễ dàng nhưng nó cũng gây ra hiện
tượng phân lớp trong buồng nghiền (do các hạt to có lực li tâm lớn hơn chuyển động ra
phía ngồi, làm cản trở các hạt có kích thước nhỏ hơn u cầu được thốt ngay ra ngồi).
Khả năng lọc bột nghiền ξ trên một đơn vị diện tích sàng được xác định theo cơng thức:
ξ = χ k0

Trong đó: k0-hệ số phụ thuộc vào kích thước và chiều dày của lớp nguyên liệu trên
sàng;
14

χ-xác suất hạt lọt qua đơn vị diện tích sàng.
χ =ε

F0
= εµ
Fs

Khi đó:
ξ = χk0 = k0εμ
Trong đó:
ε-hệ số phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, chiều dày sàng,…
F0-tổng diện tích lỗ sàng, cm2;
Fs-tổng diện tích sàng, cm2;
μ-hệ số rơi của sàng.
Xét trường hợp khi nguyên liệu chuyển động trên sàng tại một điểm bất kỳ.
Gọi q1 là khối lượng của hạt đạt kích thước tiêu chuẩn trên sàng trước khi lọc và q 2
là khối lượng các hạt đạt kích thước tiêu chuẩn cịn lại trên lưới sàng có diện tích dF. Theo
Rosin-Ramler, mối quan hệ giữa khối lượng hạt lọt qua sàng q và diện tích sàng F được
thể hiện trên đồ thị dưới đây.

Hình 2.6. Đồ thị quá trình lọc sản phẩm
Khối lượng hạt được lọc dq qua phân bố diện tích lưới dF là:
dq = q1 – q2
Xác suất phân ly qF qua diện tích lưới lọc dF là:
15


qF = −

dq
q1

Chia cả hai vế cho dF ta có:
qF
1 dq
=− .
dF
q1 dF
qF
dF

là khả năng lọc trên một đơn vị diện tích lưới.

Ta có:

Suy ra:

qF
= ξ = χ k0
dF

dq
= −ξ q1
dF

Đây là phương trinh vi phân của quá trinh lọc sản phẩm.
Giải phương trình trên ta có:
q = Ce −ξ F

Trong đó: F-phần diện tích lưới lọc mà khối lượng nguyên liệu chuyển động qua,
2

cm ;
C-hằng số tích phân phụ thuộc vào điều kiện đầu. Khi F = 0, thì q = q 0, (q0-khối
lượng hạt đạt kích thước tiêu chuẩn trong hỗn hợp nguyên liệu có trong buồng nghiền,
kg/s); khi đó ta có C = q0.
• Khi F = 0, tức là diện tích sàng được sử dụng để lọc bằng khơng, khi đó:
q1 = q0
• Khi F = Fs tức là toan bộ diện tích mặt sàng được sử dụng để lọc, khi đó sẽ có
lượng hạt q3 đạt được kích thước tiêu chuẩn nhưng vẫn cịn lại trong buồng nghiền:
q3 = q0e −ξ Fs = q0 e − kεµ Fs

Vậy khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn được lọc qua toan bộ diện tích lọc được tinh
theo cơng thức:
16


qL = q1 − q3 = q0 (1 − e− kεµ Fs )
qL = q0 (1 − e− k0ε F0 )

Trong đó: F0-tổng diện tích lỗ sàng, cm2.
Hiệu suất lọc được đánh giá bằng tỉ số giữa khối lượng hạt đạt yêu cầu được lọc
trên tổng số khối lượng hạt đạt tiêu chuẩn có trong buồng nghiền.
U=

q
= 1 − e − kε F0
q0

Ta thấy hiệu suất phân li phụ thuộc vào yếu tố về cấu tạo sàng phân ly, tinh chất cơ
lý của nguyên liệu, kích thước, chiều dày lớp nguyên liệu, quá trình va đập và phân loại.
Do vậy để nâng cao hiệu quả làm việc của máy nghiền cần kết hợp hài hịa hai cơng đoạn
chính là đập nhỏ nguyên liệu và sàng lọc sản phẩm. Nhiều công trình nghiên cứu đã cố
gắng hạn chế hiện tượng lưu chuyển và hiện tượng phân ly của nguyên liệu trong buồng
nghiền. Người ta đã tạo ra các hốc trong buồng nghiền để nguyên liệu chuyển động qua
đó sẽ bị cản trở và đảo trộn do đó làm tăng vận tốc va đập, tăng khả năng đập nhỏ và thoát
sản phẩm. Để tăng khả năng phân ly người ta thường tăng diện tích sàng hoặc tăng hệ số
rơi của sàng.
1.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân ly sản phẩm nghiền
Các kết quả nghiên cứu về quá trình nghiền cho thấy khả năng sàng lọc sản phẩm
nghiền trong máy nghiền răng chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
-

Kích thước và hình dạng lỗ sàng.
Hệ số rơi của sàng.
Chiều dày sàng.
Khe hở giữa sàng với cạnh răng nghiền vịng răng ngồi cùng.
Chiều dày của lớp ngun liệu.

Khả năng sàng lọc sản phẩm của máy nghiền tỉ lệ thuận với tổng diện tích lỗ sàng
F0 hoặc hệ số rơi của sàng μ. Khi tăng diện tích lỗ sàng tức là tăng khả năng lọc sản phẩm.
Kích thước lỗ sàng căng lớn thì khả năng lọc sản phẩm càng tăng nhưng đồng thời khi đó
cũng tăng kích thước sản phẩm. Hệ số rơi của sàng lớn khả năng lọc sản phẩm càng tăng,
khe hở giữa sàng và cạnh răng vịng răng ngồi cùng cũng ảnh hưởng tới khả năng lọc sản
phẩm. Theo các tài liệu nghiên cứu thì khi khe hở giữa sàng và vịng răng ngồi cùng
càng nhỏ (trong giới hạn cho phép) thì khả năng lọc sản phẩm càng tăng vì lớp bột đọng
17

trên sàng càng mỏng càng thuận lợi cho việc các hạt bột đạt kích thước tiêu chuẩn đi qua
sàng.
Nghiên cứu quá trình làm việc của máy nghiền, các tác giả đã xác định được hai
nhược điểm chinh của máy nghiền búa là:
-

-

Hiện tượng lưu chuyển: lớp nguyên liệu chuyển động trong buồng nghiền quay
theo chiều quay của roto, điều đó làm giảm vận tốc va đập của búa nghiền vào vật
liệu, giảm khả năng đập nhỏ sản phẩm và làm tăng tiêu tốn năng lượng vơ ích.
Hiện tượng phân ly: các hạt ngun liệu có kích thước lớn cần phải được đập nhỏ
nhiều hơn nhưng do chúng có khối lượng lớn nên lực li tâm lớn, tác dụng của lực li
tâm làm chúng chuyển động ra phía ngồi ép sát với mặt sàng nên chúng ít bị va
đập đồng thời làm cản trở các hạt nhỏ thốt ra ngồi. Các hạt nhỏ có kích thước đạt
u cầu nhưng khơng thốt được qua sàng ra ngoài lại bị đập quá nhỏ gây lãng phí
năng lượng, tạo bụi bột nhiều làm giảm chất lượng sản phẩm.

Đối với máy nghiền răng, các răng tĩnh có tác dụng cản trở dịng chuyển động của
ngun liệu quay theo roto nên khả năng va đập của răng nghiền vào nguyên liệu tốt hơn
và khả năng sản phẩm lọt qua sàng cũng tốt hơn.
Như vậy, đối với máy nghiền răng muốn tăng khả năng và hiệu suất lọc của máy
thì biện pháp có hiệu quả nhất là tăng diện tích sàng hoặc tăng hệ số rơi của sàng đồng
thời giảm khe hở giữa cạnh răng và mặt sàng.

1.3 Xác định năng lượng nghiền
1.3.1 Cơ sở lí thuyết xác định năng lượng nghiền
Khi nguyên liệu bị răng nghiền va đập, chúng sẽ bị biến dạng. Sơ đồ hạt nguyên
liệu bị biến dạng do va đập và quan hệ giữa lực tác dụng P với biến dạng

hiện như sau:

18

∆l

được thể


Hình 2.7. Sơ đồ hạt nguyên liệu bị biến dạng do va đập

Hình 2.8. Quan hệ giữa lực tác dụng P với biến dạng
Dưới tác dụng của lực va đập P, hạt bị biến dạng một đoạn
∆l

biến dạng ( =0) cho đến khi hạt đạt đến điểm biến dạng lớn nhất (
liệu bị phá vỡ thì lực P tăng từ giá trị p = 0 đến p = Pmax.
Ta có:
∆l =

Pl
6, 75.10
=
=9
EF 75000.0, 012

Trong đó: P-lực tác dụng phá vỡ nguyên liệu;
l-kích thước cạnh hạt nguyên liệu:
∆l

-đoạn biến dạng của hạt nguyên liệu;

E-mô đun đàn hồi của nguyên liệu;
F-tiết diện vng góc với lực tác dụng.
19

(mm)

∆l

∆l

. Từ khi hạt chưa

∆l ∆lmax

=

) và nguyên


Công tiêu hao A sau một nhát đập:
p

p

0

0

A = ∫ ∆l.dP = ∫

σ=

Thay cơng thức tính ứng suất

P
F

A=

Pl
P 2l
dP =
EF
2 EF

vào ta có:
σ 2 .F .l
2E

Nếu coi nguyên liệu là một khối lập phương có cạnh là D thì ta có:
σ 2 .D3 5000002.0, 013 5
A=
=
=
2E
2.75000
3

(N/m)

Trong q trình nghiền, ngun liệu được va đập nhiều lần do đó chúng bị vỡ nhỏ
từ kích thước nguyên liệu D xuống thành kích thước sản phẩm d. Mức độ nghiền nhỏ của
máy nghiền λ được tinh như sau:
λ=

D 10
=
= 10
d
1

Theo lí thuyết “Nghiền thể tích” với vận tốc va đập như nhau thì mức độ nghiền
một lần λ0 là không đổi:
λ0 =

d
D d1
10
=
= ... = i −1 = = 2
d1 d 2
di
5

Mức độ nghiền một lần theo thể tích a0 được tinh:
a0 =

di3−1

D3 d13
=
=
...
=
= λ03 = 23 = 8
3
3
3
d1
d2
di

Số lượng hạt sản phẩm tạo r Zi sau khi nghiền một hạt nguyên liệu từ kích thước D
xuống thanh kích thước sản phẩm d được tinh như sau:
Zi =

D3
= λ 3 = a0i = (i.λ0 )3 = 103 = 1000
3
d

Trong đó: D- kích thước hạt nguyên liệu đem nghiền, mm;
20


d- kích thước sản phẩm nghiền, mm;
λ0- mức độ nghiền sau một lần va đập
a0- mức độ nghiền một lần theo thể tích;
i-số lần va đập cần thiết để đập nhỏ nguyên liệu từ kích thước D của nguyên liệu

xuống kích thước d của sản phẩm;
Ta có: 3lg λ = i.lg a0 = 3.lgi.λ0 = 3
Do đó số lần va đập cần thiết được tinh như sau:
i=

λ 10
= =5
λ0 2

Như vậy ứng với một lần va đập của răng nghiền vào hạt ngun liệu kích thước D
thì tốn một cơng A; vậy công va đập A 1 để đập vỡ một hạt nguyên liệu từ kích thước D
xuống kích thước d ứng với số lần va đập cần thiết i là:
A1 = A.i =

σ 2 D 3λ 25
=
2 Eλ0
3

(N.m)

Nếu số lượng hạt có trong một khối lượng nguyên liệu G(kg) là m thì cơng tiêu hao
Ag để đập vỡ một khối nguyên liệu từ kích thước hạt D xuống kích thước d sản phẩm là:
Ag = m. A1 =

m=

Trong đó:
Ag =

Ta có:

G
200
25
A =
. = 1, 7.106
3 1
3
γD
981.0, 01 3

G
γ D3

σ 2 D3 G λ σ 2iG
=
2 ED3γλ0
2 Eγ

Trong đó: γ-khối lượng riêng của nguyên liệu, kg/m3;
1.3.2 Công suất tiêu hao để đập vỡ nguyên liệu
Công suất tiêu hao N để đập vỡ nguyên liệu từ kích thước D xuống kích thước d
với lượng cung cấp nguyên liệu q (kg/s) được xác định theo công thức sau:

21


N=

σ 2iq 5000002.5.200
=
= 1, 7.106
2 Eγ
2.75000.981

Nếu không kể mất mát bụi bột bay ra ngồi trong q trình nghiền thì lượng cung
cấp nguyên liệu q(kg/s) vào máy nghiền đúng bằng lượng nguyên liệu lọt qua sàng phân
ly qL (kg/s). Ta có:
N=

σ 2iq0 ( 1 − e − k0ε F0 )
2 Eγ

Công thức trên thể hiện mối quan hệ giữa công suất nghiền với lượng cung cấp
nguyên liệu q và số lần va đập i.

1.4 Xác định các thông số cơ bản của máy nghiền răng
1.4.1 Xác định số vòng răng cần thiết và bán kính lớn nhất của roto nghiền
1.4.1.1 Xác định số vòng răng cần thiết của roto nghiền
Gọi λ = 2 là mức độ nghiền sau mỗi lần va đập, giả sử cục vật liệu ban đầu (sau khi
được nghiền nhỏ) có kích thước D = 10mm, sau một lần va đập kích thước trung binh cục
vật liệu giảm xuống và bằng d1:
d1 =

D 10
= =5
λ 2

Nếu gọi dn = 1mm là cỡ sản phẩm cần đạt sau i lần va đập; ta có:

dn =

D
λi

Số lần va đập i được tính theo cơng thức:
i=

D
10
=
=5
λ d n 2.1

Vậy số vòng răng cần thiết của roto là n = 5.
1.4.1.2 Xác định bán kính lớn nhất của roto nghiền
Gọi a là khoảng cách các vòng răng, R1 là bán kinh vòng răng trong cùng.
22


Căn cứ kích thước cục vật liệu lớn nhất và khả năng cung cấp nguyên liệu vào máy
nghiền, ta chọn: a = 30mm; R1 = 80mm.
Khi đó bán kính vịng răng ngoài cùng được xác định như sau:
Rn = R1 + a(i - 1) = 80 + 30(5 - 1)=200 mm
1.4.2 Xác định số vòng quay cần thiết của roto.
Số vòng quay cần thiết của roto máy nghiền răng được xác định trên cơ sở tính vận
tốc va đập cần thiết để phá vỡ vật liệu nghiền. Sơ đồ tính tốn được thể hiện trên hình sau:

Hình 2.9. Sơ đồ xác định vận tốc va chạm của vật liệu với các răng nghiền
Trong trường hợp tổng quát, ta xác định số vịng quay của roto nghiền khi máy có

1 đĩa răng chuyển động với số vòng quay n như sau:
Giả thiết vận tốc nạp liệu vào trong máy nghiền bằng khơng vì nó rất nhỏ so với
vận tốc của các răng nghiền. Do đó, khi cục vật liệu vào máy gặp răng nghiền của vịng
răng trong cùng có bán kinh R 1 đang quay với số vòng quay n 1 (v/phút) tương ứng với số
vịng quay n1 sẽ có vận tốc va chạm w1:

V1 = w 1 =

π R1n1 3,14.0, 22.1155
=
= 26, 6(m / s )
30
30

Cục vật liệu bị văng ra theo phương tiếp tuyến và gặp răng nghiền của vòng răng
kế tiếp đang đứng yên nên vận tốc va chạm của cục vật liệu với răng nghiền của đĩa răng
đứng yên chính là vận tốc văng v1:
V1 = w 2
Đối với máy nghiền răng có một roto quay với số vịng quay n(v/phút) ta có:
23


π nRi
g
>σ
30
Eγ (1 − ε 2 )

Như vậy số vòng quay cần thiết n của roto nghiền được xác định như sau:
n>

30σ
π Ri

g
Eγ (1 − ε 2 )

Với E = 75000 (N/m2)
γ = 9810 (N/m3)
σ = 500000 (N/m2)
 n = 1155 V/p

1.5 Tính tốn thiết kế các bộ phận chính của máy nghiền răng
1.5.1 Tính tốn thiết kế bộ phận nghiền
Bộ phận nghiền là bộ phận quan trọng nhất của máy nghiền. Đối với máy nghiền
thiết kế, bộ phận nghiền gồm một đĩa răng động (roto), một đĩa răng tĩnh. Các đĩa răng
được chế tạo bằng thép tấm có độ dày khoảng mm, trên đó có gia cơng các lỗ ren để lắp
răng nghiền.
-

-

Đĩa răng động được lắp chặt với đầu trục quay côn bằng lỗ côn ở tâm đĩa; mặt
sau của đĩa có gia cơng các đường gân lồi để tăng cường độ cứng và độ ổn
định khi roto làm việc. Để đảm bảo độ nhỏ bột nghiền theo yêu cầu; ta chọn
số vòng răng cần thiết của roto nghiền là 5 vịng và bán kinh vịng răng ngồi
cùng là 200mm. Các răng nghiền được lắp thành 5 vòng trịn đồng tâm. Vịng
răng trong cùng của roto có khoảng cách giữa các răng lớn nhất để thuận tiện
cho việc nạp liệu; các vịng răng kế tiếp có khoảng cách giữa các răng giảm
dần để tăng khả năng đập nhỏ và lọc bột nghiền.

Đĩa răng tĩnh được lắp cố định với nắp của máy nghiền. Về cấu tạo, đĩa răng
tĩnh cũng tương tự như đĩa răng động. Điểm khác biệt so với đĩa răng động là
trên đĩa răng tĩnh có lỗ ở tâm có kích thước đủ lớn để nạp liệu vào trong
buồng nghiền; mặt trong của đĩa có lắp các răng tĩnh, mặt ngồi của đĩa có lắp
phễu nạp liệu.
Bảng 2.2. Các thông số cơ bản của bộ phận nghiền

Các thông số kết cấu

Đĩa răng động

Đĩa răng tĩnh

Số lượng răng

106

83

24


Bán kính các vịng răng (mm)
Vịng răng 1

R1 = 80

R1 = 95

Vòng răng 2

R2 = 110

R2 = 125

Vòng răng 3

R3 = 140

R3 = 155

Vòng răng 4

R4 = 170

R4 = 185

Vòng răng 5

R5 = 200

Bề dày đĩa răng (mm)

20

20

Bán kính đĩa răng

220

240

Bán kính buồng nghiền

240

1.5.2 Tính tốn thiết kế răng nghiền
Răng nghiền là bộ phận trực tiếp tác động vào vật nghiền. Do lực va đập vào vật
liệu nghiền rất lớn nên răng nghiền được chế tạo bằng thép và được tơi cứng bề mặt để
tăng khả năng chống mài mịn. Răng nghiền có dạng hình trụ, phần chân răng được tiện
ren để lắp với đĩa nghiền, thuận lợi cho việc thay thế. Khi lắp vào đĩa nghiền, các đỉnh
răng của mỗi vòng răng được liên kết với nhau bởi mặt bích dạng hình vành khăn nhằm
tăng độ cứng. Chiều dài răng 100mm, trong đó phần làm việc là 80mm, chiều dài phần
ren được lấy bằng độ dày của đĩa răng là 20mm. Số lượng răng lắp trên đĩa động là 106
chiếc và trên đĩa tĩnh là 83 chiếc; Số lượng răng trên các vòng răng được phân bố như
sau:
-

-

-

Trên đĩa răng động:
o vòng I: 6 chiếc
o vòng II: 10 chiếc
o vòng III: 20 chiếc
o vòng IV: 30 chiếc
o vòng V: 40 chiếc
Trên đĩa răng tĩnh:

o vòng I: 8 chiếc
o vòng II: 15 chiếc
o vòng III: 25 chiếc
o vòng IV: 35 chiếc
Các kích thước cơ bản của răng như sau:
o Chiều dài răng: Lr = 100mm
o Đường kính răng: mm
o Chiều dài phần ren: 20mm
25