1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây,các nghành kinh tế nước ta có bước phát triển nhảy vọt, nghành nơng nghiệp có bước tăng trưởng nhanh lượng chất Nhiều mặt hàng nông sản dáp ứng nhu cầu nước mà phục vụ cho xuất gạo, cà phê… Cùng với việc phát triển sản xuất nơng nghiệp việc bảo quản chế biến nơng sản vấn đề cần phải đặc biệt quan tâm, nâng cao chất lượng sản phẩm , tạo sản phẩm có chất lượng cao phù hợp với nhu cầu thị trường nước, nhằm đạt hiệu kinh tế cao mang lại lợi ích thiết thực cho người dân, góp phần thực mục tiêu xóa đói giảm nghèo Trong thực tế , việc bảo quản chế biến nông sản nức ta gặp nhiều khó khăn, mặt cơng nghệ chậm đổi mặt khác trang thiết bị lạc hậu khơng đồng đặc biệtlà cịn thiếu thiết bị có hiệu cao quy trình cơng nghệ tiên tiến Vì , khơng gây thiệt hại khối lượng nông sản đáng kể mà nguyên nhân làm giảm chất lượng tăng giá thành sản phẩm, từ giảm khả cạnh tranh măt hàng nông sản nước ta trị trường Để góp phần khắc phục vấn đề việc tinh tốn sử dụng thiết bị phục vụ cho việc bảo quản chế biến nong sản cần thiết Vì việc thiết lập sở tính tốn máy nghiền theo ngun lý va đập vỡ tự phục vụ cho trình chế biến sản phẩm la cần thiết Máy nghiền loại máy làm nhỏ kích thước vật liệu ban đầu Các loại máy nghiền nghiền nhỏ vật liệu vài tác dụng học Tùy theo tính chất lý vật liệu mà chọn phương pháp nghiền thích hợp 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Vận tốc va đập cần thiết để phá vỡ vật thể Các máy nghiền kiểu búa thường làm việc theo nguyên lý va đập Vận tốc nghiền đập cần thiết để phá vỡ vật thể phải xác định dựa lý thuyết truyền sóng chấn động vật thể bị va đập lý thuyết bền vật thể Sơ đồ tính tốn thể hình Theo lý thuyết truyền sóng chấn động tác động vào vật thể lực P gây sóng chấn động phần tử truyền theo chiều va đập với vận tốc C vận tốc âm thanh: C= E ρ m/s (1) E- mô đuyn đàn hồi vật thể, m/s ρ - mật độ vật thể, N/m2 ρ= γ g γ - trọng lượng riêng ( N/m3) g- gia tốc trọng trường (m/s2) Hình Lực vận tốc va đập Muốn phá vỡ vật thể, lực vận tốc va đập phải đủ lớn để sóng chấn động truyền hết chiều dài l vật thể theo phương tác dụng lực thời gian ∆t , nghĩa là: l = C ∆t = ∆t E ρ (2) Theo định luật Huk ứng suất biến dạng đàn hồi xác định theo công thức: σ =E a l (3) a- đoạn lõm vào va đập (độ biến dạng đàn hồi) l - chiều dài vật thể theo phương tác dụng a = v ∆t (4) v - vận tốc va đập Thay (1) 2) vào (3), sau biến đổi ta có: σ = v Eρ (5) Để phá vỡ vật thể cần phải có điều kiện: σ ≥ σ pv v Eρ ≥ σ pv Từ ta rút vận tốc cần thiết để phá vỡ vật thể: σ pv v pv ≥ Eρ (6) (7) Thông thường vận tốc búa v0= (2 ÷3) v pv 2.2 Tính tốn búa nghiền Ở máy nghiền kiểu búa, búa nghiền lắp lỏng, lắp lệch tâm lắp tâm va đập (hình 2) Với cách lắp phát huy tượng va đập lệch tâm đảm bảo cho lực va đập khơng dội vào vị trí lắp búa, nhờ khơng gây vỡ búa, gẫy chốt đồng thời khơng gây tải trọng đột ngột cho trục máy Hình Phân tích tượng va đập lệch tâm búa nghiền Ta phân tích tượng va đập lệch tâm sau: đầu búa va đập vào vật nghiền tác động vào búa lực nhờ có khớp lề buá quay ngược lại theo chiều quay đĩa nghiền Giả sử lực va đập P tác động vào búa điểm A Vì điểm va đập A khơng trùng với trọng tâm C búa nghiền nên sau va đập búa chịu chuyển động tức phức tạp Chuyển động tức phức tạp phân tích thành chuyển động đơn giản cách đặt thêm lực trực đối P P2 lực P trọng tâm C mà hệ lực không thay đổi Lực P gây chuyển động tịnh tiến với vận tốc v1 Vận tốc hiệu số vận tốc đầu búa lúc chưa va đập v0 vận tốc sau va đập vc: v1 = v0 - vc Cặp ngẫu lực P, P2 gây chuyển động quay xung quanh trọng tâm C với vận tốc góc ω vận tốc đầu v2 có trị số tích vận tốc góc với khoảng cách từ điểm AB tới trọng tâm C Biểu đồ vận tốc v v2 Hình Theo biểu đồ ta tìm thấy búa điểm mà vận tốc v1 v2 ngược chiều, nghĩa hợp vận tốc gây Đó điểm O đoạn AB gọi tâm va đập Nếu lắp búa vào chốt điểm O theo khớp lề va đập trạng tháI chuyển động búa thay đổi khơng gây tượng thay đổi vận tốc điểm lắp búa Do lực va đập không tác động vào chốt búa tránh tượng gẫy vỡ Trên sở phân tích tượng va đập lệch tâm, để đảm bảo an toàn cho búa chốt lắp búa q trình nghiền cần xác định kích thước búa nghiền làm sở cho việc chế tạo búa nghiền máy nghiền Trước hết ta xác định tâm va đập O Trên hình vẽ giả sử AC = l 1; OC = l2, ta phải xác định l2 để tìm tâm O Áp dụng phương trình động lực học động lượng xung lượng cho chuyển động búa, ta có: Đối với chuyển động tịnh tiến: P∆t = m( v − vc ) = mv1 (8) Đối với chuyển động quay : Pl1 ∆t = Jω = mρ 2ω (9) Trong đó: J- mơ men qn tính búa trục qua trọng tâm: J = mρ m - khối lượng búa ρ - bán kính quán tính Mặt khác tâm va đập, ta có: v1 = − v = ω l Ta rút ra: ω= v1 l2 ( 10 ) Thay vào phương trình (9) ta được: Pl1 ∆t = mρ v1 l2 (11) Chia phương trình (8) cho (11) rút gọn ta được: ρ = l1l (2.145) Nhờ hệ thức ta tìm tâm va đập O sau: Nếu búa hình chữ nhật chiều dài a, chiều rộng b, trọng tâm C tâm búa Ta có bán kính qn tính trọng tâm C là: a2 + b2 12 ρ= Theo kết cấu búa: l1 = Do đó: Ta rút ra: a a2 + b2 a = l1l = l 12 2 a +b l2 = 6a ρ2 = (12) 2.3 Năng lượng nghiền Để phân tích q trình nghiền đập biểu diễn lượng nghiền, Gơriatskin V.P đề xuất đồ thị biểu diễn phân bố lượng nghiền đập trường hợp vật nghiền va đập khơng đàn hồi đàn hồi - Tính lượng nghiền trường hợp va đập không đàn hồi Xét trường hợp va đập hạt, cục riêng rẽ với giả thuyết vật nghiền không đàn hồi Các ký hiệu để tính tốn: m - khối lượng vật nghiền (từng cục, hạt) M - khối lượng búa đập v0, vc - vận tốc ban đầu vận tốc cuối va đập búa vh, vk - vận tốc ban đầu vận tốc cuối hạt Ao - động ban đầu búa hay lượng toàn phần Ab - động búa cuối va đập Abd- động biến dạng tiêu thụ để nghiền Ah - động hạt cuối va đập A - cơng tồn phần để nghiền hạt Khi búa đập vào hạt, vận tốc búa giảm dần từ v o đến vc hạt tăng vận tốc từ vh đến vk Giả sử lúc đầu hạt rơi vng góc với quỹ đạo đầu búa vh = coi hạt khơng đàn hồi vận tốc hạt vận tốc búa Xung lượng lực va đập P gây thời gian ∆t biến thiên động lượng: P∆ t = M ( v0 − vc ) = m( v k − v h ) = mvc (13) Từ rút ra: vc = v0 1+ (14) m M Như với vo khơng đổi vận tốc cuối va đập búa phụ thuộc vào tỷ số m theo quy luật hypecbol M Theo định luật bảo toàn lượng, động búa sau va đập là: A0 = Ab + Ah + Ahd (15) Với : A0 = Mv0 Mvc2 mv c2 , Ab = , Ah = 2 Công biến dạng để nghiền vỡ vật thể: Abd = A0 − ( Ab + A) = Mvo  Mvc2 mv c2   −  +    (16) Thay M(v0-vc) =mvc từ (13) vào (16) rút gọn, ta có: mvo vc (17) m Ta thấy rằng, tỉ số lớn vận tốc cuối v c nhỏ M Abd = phần động để trở thành công biến dạng lớn Như trường hợp hạt bột đập vào đập (hay mặt sàng) v c ≈ Ngược lại m/M nhỏ vc ≈ v0, đó: Abd ≈ m vo Sau búa va đập truyền cho hạt bột động A h, động khơng vơ ích mà biến thành cơng phá vỡ hạt bột va đập vào sàng hay nhám Vì cơng tồn phần A tính sau: vc v c2 A = Abd + Ah = mv0 + m (18) 2  v0 − v c   từ (13) vào (18) rút gọn ta được: Thay m = M    M A= v0 − v c2 (19) ( ) Cần ý cơng thức tính toán trường hợp búa hạt chuyển động tịnh tiến, thực tế búa hạt chuyển động quay Vì vậy, tính tốn lượng phải thay khối lượng M m mơ men qn tính búa hạt Trên hình đồ thị Gơriaskin V.P biểu diễn q trình nghiền đập Ở góc phần tư IV vẽ đường biểu diễn vận tốc cuối v c phụ thuộc vào tỷ số m/M: đường hypebol Ở góc phần tư I vẽ đường biểu diễn cơng tồn phần A phụ thuộc vào vận tốc cuối v c đường parabôl, đường biểu diễn công biến dạng Abd phụ thuộc vào vận tốc cuối vc đường thẳng Đường parapol đường thẳng chia góc phần tư thứ I đồ thị thành ba miền Ứng với giá trị vận tốc cuối v c (tương ứng với trị số m/M) ta xác định thành phần Ab, Ah, Abd Hình Phân tích vận tốc trước sau va đập Mặc dù phương pháp đồ thị V.P Gơriatskin nghiên cứu lượng máy nghiền búa dùng để xác định lượng cho trường hợp nghiền khác Ví dụ: trường hợp nện giã chày lượng dự trữ ban đầu A tiêu thụ hết để nghiền vỡ, chế độ tương ứng với điểm gốc toạ độ Còn điểm bên phải v0 tương ứng với chế độ chạy không phận nghiền Các chế độ trung gian khác tương ứng với nhiều kiểu máy nghiền khác Ví dụ: máy nghiền kiểu búa làm việc với vận tốc tương đối cao chế độ làm việc thuộc miền đồ thị có vận tốc v c lớn (phía bên phải đồ thị ) cịn máy nghiền kiểu trục cuốn, máy xay tương ứng với miền vc thấp (ở bên trái đồ thị ) - Tính lượng nghiền trường hợp va đập đàn hồi Trong thực tế, sản phẩmhạt, rau cỏ vật thể đàn hồi Vì vậy, tính thành phần lượng cần phải kể đến tượng va đập đàn hồi Sơ đồ phân tích vận tốc trước sau va đập thể Hình Tính chất va đập đàn hồi đặc trưng hệ số phục hồi k: k= , (20) v’n vn,- môđuyn vận tốc pháp tuyến vận tốc tới (trước va đập ) vận tốc phản xạ (sau va đập) Nếu vật thể không đàn hồi: k = 0, vận thể đàn hồi tuyệt đối k =1 Hình Phân tích vận tốc trước sau va đập α- góc tới;β - góc phản xạ Hệ số phục hồi k xác định thực nghiệm sau: thả vật từ độ cao ho, va đập vào mặt phẳng nằm ngang (hình 5), hạt nảy lên độ cao h thì: k= , = gh gh0 = h h0 (21) Thường chọn h0 = 1m Thực nghiệm ngơ hạt có độ ẩm 13% hệ số phục hồi k = 0,4÷0,6 Hình Sơ đồ xác định hệ số phục hồi k Nếu kể đến tượng va đập đàn hồi lượng nghiền tính sau: a) Trường hợp búa va đập hạt Nếu gọi vb,vh vận tốc búa hạt trước va đập vb’,vh’ vận tốc búa hạt sau va đập Theo định luật bảo tồn lượng, ta có: Mvb+ mvb = Mvb’ + mvb’ 22) Do tính chất đần hồi hạt nên: vh’- vb’= k(vb-vh) (23) Như vậy, sau va đập vận tốc hạt lớn vận tốc búa Biến thiên động vật (búa hạt ) công biến dạng Abd: 2 Mvb mv h Mv'b mv' h Abd = To − T = ( + )−( + ) 2 2 (24) Từ hai phương trình (22) (23) ta tính được: v' b = ( M − mk ) vb + m(1 + k )v h M +m M (1 + k )vb + (m − Mk )v h v' h = M +m Thay giá trị vào (24), sau rút gọn ta được: ( v − vh ) Mm 1− k b M +m Nếu coi m nhỏ so với M vh ≈ 0, thì: v2 ≈ m(1- k2) b Abd Abd = ( ) (25) (25) Lúc cuối va đập: v' b ≈ vb vh’= (1+k)vb (26) Sau va đập hạt thu động năng: m (1 + k ) vb 2 Ah = (27) Cơng tồn phần búa truyền cho hạt là: 2 vb vb A = Abd + Ah = m(1 − k ) + m(1 + k ) = m(1 + k )vb 2 (28) Như với tính chất đàn hồi hạt, công búa truyền cho hạt (với vận tốc vb) lớn đại lượng mkv b2 so với trường hợp v0 tính trường hợp vật khơng đàn hồi Khi nghiền hạt có hệ số phục hồi k cao loại hạt có độ ẩm thấp trình nghiền thuận lợi ngược lại b) Trường hợp hạt va đập vào nhám mặt sàng Sơ đồ tính tốn dược trình bày hình Hình Sơ đồ hạt va đập vào nhám Giả sử với góc tới α , vận tốc tới vh’=(1+ k)vb, hệ số phục hồi k tính theo cơng thức: k= , u hn (29) , v hn Coi mặt phẳng nhẵn, hệ số ma sát tức thời λ = nên: (30) , , v ht = u ht , u hn , u ht tgα k= , = vhn tgβ , vht (31) , ' , u hn = kv hn = k v h cos α = k (1 + k ) vb cos α (32) Ta có: Cơng biến dạng tính theo động hao tổn bằng: Abd = T0 − T = mv ' m.u ' mv' mu ' h h hn hn − = − 2 2 Abd = mv' mkv' m hn hn − = − k v' hn 2 Abd = m 2 − k cos αvb (1 + k ) (33) ( ( ) ) (34) Như vậy, góc tới α nhỏ cơng biến dạng Abd’ tăng (nếu k = 0,4 α = 0) Abd’ đạt tới giá trị lớn gấp hai lần công biến dạng búa va đập vào hạt Nếu mặt va đập nhám có khía với α 1= 40÷450; β đảm bảo cho mặt va đập khía vng góc với hướng l=55÷60 vận tốc tới vh’ hạt, q trình nghiền có hiệu nhiều (hình 7) Hình Sơ đồ nhám có khía d) Động lực học máy nghiền búa Dựa theo lý thuyết trống đập V.P Gơriatskin, áp dụng phương trình trống đập cho máy nghiền kiểu búa với rôto nghiền dạng đĩa hay trống: N = J zω qvb dω = dt − f c (35) N - công suất động cơ, kW Jz - mơ men qn tính roto nghiền, kgm2 dω dω gia tốc góc, thường lấy = 10 ÷ 17rad/s2 dt ω - vận tốc góc, rad/s; dt q- lượng cấp liệu, kg/s; vb- vận tốc đầu búa, m/s; fc- hệ số chà sát (hệ số cản lớp bột) Khi chạy không, lượng tiêu thụ cho trống nghiền để khắc phục lực cản Nc vơ ích khác, đó: N = J zω dω + Nc dt Với Nc - công suất để thắng lực cản vơ ích: N c = Aω + Bω A ω - công suất thắng ma sát gối đỡ B ω 3- cơng suất thắng lực cản khơng khí (36) (37) Xuất phát từ lượng tiêu thụ riêng A n để nghiền, ta tính cơng suất cần thiết qAn Từ suy mơ men qn tính J z rơto nghiền: J zω dω = qAn dt (38) Jz = k z qAn ω (39) Do : kz- hệ số tỷ lệ dω Với =10 ÷ 17 rad/s2 kz = ÷ 10 dt Đặc tính động học quan trọng trống nghiền độ quay khơng δ tính theo cơng thức: ω max − ω (40) ωtb Độ quay không δ máy nghiền chủ yếu lực tải P dao động δ= tính chất vật nghiền việc cấp liệu vào máy Thơng thường chấp nhận δ = 0,04 ÷ 0,07 Ngồi búa nghiền thường không lắp cứng mà lắp khớp lề vào đĩa nghiền, làm việc chịu dao động lắc quanh chốt lắp búa làm cho mơmen qn tính đĩa nghiền khơng cố định Tác dụng hãm ngoại lực cản phần chuyển động cho trục máy phần bù mơ men qn tính giảm Vì vậy, δ máy nghiền cịn phải xét đến độ khơng mơ men qn tính δ j xác định theo công thức: δj = J max − J J tb 2.4 Năng suất máy nghiền kiểu búa 60 Qlt = 3600 DLvrγc (kg/h) π Trong : D : đường kính đĩa hay trống nghiền, (m); L : chiều dài đĩa hay trống nghiền, (m); vr : vận tốc vòng đĩa hay trống nghiền, (m/s); γ : khối lượng thể tích sản phẩm nghiền, (kg/m3); c : hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào tính chất lý sản phẩm nghiền, hình dạng kích thước lỗ sàng, khe hở búa sàng, chiều dày số lượng búa đĩa hay trống 3.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới q trình nghiền xuất phát từ tính chất vật nghiền máy nghiền: Tính chất vật nghiền: độ bền, độ cứng, độ nhớt, độ ẩm, kích thước hình dạng, trạng thái dạng bề mặt, hệ số ma sát độ đồng … Tính chất máy nghiền: cấu tạo phận nghiền, số lượng, kích thước khối lượng phận nghiền, hình dạng trạng thái bề mặt nghiền, hệ số ma sát bề mặt nghiền vật nghiền, vận tốc phận nghiền, lượng tải cung cấp, diều kienj khí động … Hiện việc nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố nghiền chưa tồn diện, đầy đủ Hơn có nhieuf yếu tố mang tính chất ngẫu nhiên phức tạp Nói chung nghiên cứu trình nghiền thường tập trung vào vấn đề nâng cao chất lượng nghiền vấn đề giảm lượng tiêu thụ riêng, trình nghiền vỡ vật thể trình kĩ thuật tiêu tốn lượng nhiều Nguyên lý chung không nên nghiền thừa , nhỏ mức cần thiết, có giảm tiêu thụ lượng riêng , tăng suất máy giảm hao mòn máy Trên nghiên cứu lý thuyết máy nghiền theo nguyên lý va đập vỡ tự Để ứng dụng lý thuyết cần nghiên cứu thử nghiệm để chế tạo loại máy phù hợp với yêu cầu sử dụng, nhằm phục vụ hiệu cho việc bảo quản nâng cao chất lượng biến nông sản Những nghiên cứu mang tính lý thuyết cịn nhiều thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo bạn sinh viên lớp ... va đập lệch tâm búa nghiền Ta phân tích tượng va đập lệch tâm sau: đầu búa va đập vào vật nghiền tác động vào búa lực nhờ có khớp lề buá quay ngược lại theo chiều quay đĩa nghiền Giả sử lực va. .. (12) 2.3 Năng lượng nghiền Để phân tích q trình nghiền đập biểu diễn lượng nghiền, Gơriatskin V.P đề xuất đồ thị biểu diễn phân bố lượng nghiền đập trường hợp vật nghiền va đập không đàn hồi... tích tượng va đập lệch tâm, để đảm bảo an toàn cho búa chốt lắp búa trình nghiền cần xác định kích thước búa nghiền làm sở cho việc chế tạo búa nghiền máy nghiền Trước hết ta xác định tâm va đập