Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu cho máy làm sạch sơ bộ nilon từ nguồn rác thải MLSNLK – 100 năng suất 100 kg/h

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:105

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn nhằm xác định các thông số tối ưu cho máy làm sạch nilon có nguồn gốc từ rác thải MLSNL – 100 theo nguyên lý đập rũ đạt các chỉ tiêu độ sạch cao nhất và chi phí năng lượng riêng bé nhất. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu cho máy làm sạch sơ bộ nilon từ nguồn rác thải MLSNLK – 100 năng suất 100 kg/h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP CAO ANH PHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CHO MÁY LÀM SẠCH SƠ BỘ NILON TỪ NGUỒN RÁC THẢI MLSNLK – 100 NĂNG SUẤT 100 kg/h CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 60 5 2 01 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. TRẦN THỊ THANH ĐỒNG NAI, NĂM 2014
1 MỞ ĐẦU Túi nilon xuất hiện cách đây khoảng 150 năm do nhà hóa học Anh Alexander Parkes phát minh. Túi nilon được sản xuất từ nhựa polyethylene có nguồn gốc từ dầu mỏ và quá trình tự phân hủy của nó diễn ra rất chậm. Rác thải nilon chủ yếu ở dạng túi là phế thải được thải ra từ: sinh hoạt hằng ngày của con người (đi chơ ̣, siêu thi,̣ mua quầ n áo, dày dép, các vâ ̣t du ̣ng…), rác thải y tế , trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp…Vì vậy gọi là “ô nhiễm trắng”. Hiện nay ở các nước phát triển và một số nước đang phát triển đã có những biện pháp quản lý, chính sách, kỹ thuật phù hợp đã ngăn chặn cơ bản “ô nhiễm trắng” như: phân loại rác thải tại nguồn (hộ gia đình); thay thế vật liệu làm túi nilon polyethylene bằng vật liệu dễ phân hủy; có công nghệ tiên tiến để tái chế lại túi nilon polyethylene nhằm hạn chế lượng túi nilon polyethylene sử dụng trong xã hội. Ở nước ta, vào những năm 1980, lượng túi nilon được sử dụng hãy còn ít, việc thu gom, quản lý loại rác này rất đơn giản. Thời gian này, nhu cầu thị trường túi nilon cao gấp nhiều lần khả năng sản xuất, nên giá thành rất cao, yêu cầu đặt ra cho chất lượng túi nilon tái chế không khắt khe, người tái chế túi nilon có lãi cao. Ở các vùng đô thị, nơi có nhu cầu tiêu thụ lớn, đã xuất hiện và phát triển “nghề lượm bịch nilon” để làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp tái chế chất dẻo nói chung, đặc biệt là nilon. Tuy nhiên vào đầu thập niên 1990, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và sự hội nhập nhanh kinh tế trong nước với thế giới, thì giá nhiều nguyên liệu sản xuất trong nước, trong đó có hạt nhựa, nguyên liệu chính để sản xuất các sản phẩm nhựa giảm mạnh. Công nghệ tái chế nilon trong nước lúc này không còn khả năng cạnh tranh tốt với nguyên liệu nilon chính phẩm. “Ô nhiễm trắng” chính thức bắt đầu xuất hiện trong nước. Chính phủ và chính quyền nhiều địa phương (đặc biệt là ở các đô thị lớn) đã đưa ra nhiều giải pháp để ngăn chặn, khắc phục như các chính sách kinh tế hỗ trợ công tác tái chế, đầu tư khoa học công nghệ để nâng cao chất lượng nilon sau tái chế, giảm thiểu nguồn ô nhiễm phát sinh trong quá trình tái chế. Tại nhiều Bãi rác đô thị đã có cơ sở tái chế nilon từ rác thải thành
2 hạt nhựa nguyên liệu phục vụ cho các ngành công nghiệp chất dẻo với trang thiết bị chủ yếu do trong nước sản xuất. Như tại Bãi rác đô thị ở tỉnh Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Bà Rịa – Vũng Tàu, Thừa Thiên – Huế, Hải Dương ,…Ngoại trừ Bãi rác đô thị ở Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, hầu hết các Bãi rác còn lại, công đoạn làm sạch nilon phế thải đều làm sạch bằng thủ công rửa bằng tay, chỉ một số khâu như băm nhỏ và đùn ép là làm bằng cơ giới. Việc làm sạch nilon phế thải bằng thủ công như vậy vừa cho năng suất thấp, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người lao động, mà còn làm ảnh hưởng đến môi trường vì nước sau khi rửa là nguồn chất thải có nồng độ ô nhiễm rất cao. Báo chí trong nước đã có nhiều bài viết tố cáo tình trạng này. Với công nghệ tái chế lạc hậu như vậy đã làm ảnh hưởng không nhỏ đến việc giải quyết tốt tình trạng “ô nhiễm trắng”. Vào cuối năm 2008, công ty Cổ phần VIETSTAR (Thành phố Hồ Chí Minh) đã đầu tư một nhà máy xử lý rác thải kết hợp chôn lấp hiện đại theo công nghệ của Châu Âu. Trong nhà máy này có dây chuyền công nghệ hiện đại tái chế nilon từ nguồn rác thải làm nguyên liệu chất lượng cao cho ngành công nghiệp chất dẻo. Công đoạn làm sạch rác thải nilon được tiến hành bằng cách rửa có sử dụng hóa chất tẩy rửa. Như đã phân tích ở trên, việc sử dụng quá nhiều nước để làm sạch kéo theo hệ lụy là phát sinh thêm nguồn nước thải không nhỏ, có mức độ ô nhiễm cao. Như vậy, biện pháp quan trọng trong việc ngăn chặn “ô nhiễm trắng” là tái chế loại rác thải này trở thành nguyên liệu sản xuất. Trong công nghệ tái chế thì khâu làm sạch có vai trò hết sức quan trọng. Bởi vì đây là khâu công việc đảm bảo chất lượng sản phẩm nguyên liệu tái chế, vừa là nguồn tạo ra chất ô nhiễm mới, vừa là thành phần quyết định giá thành sản xuất. Để khác phục các tồn tại khâu làm sạch nilon, năm 2012 ThS. Nguyễn Thị Kiều Hạnh (trường đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh) đã đề xuất mẫu máy làm sạch nilon hoạt động theo nguyên lý đập dọc trục để làm sạch sơ bộ nilon bằng phương pháp khô. Kết quả nghiên cứu được tiến hành thông qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở mã số CS – CB12 – CK – 01 do tác giả làm chủ nhiệm đạ được nghiệm thu tháng 4 năm 2013. Do là nguyên lý làm sạch mới, nên lý thuyết tính toán, kết cấu và công nghệ máy làm sạch
3 nilon có nguồn gốc từ rác thải theo nguyên lý đập rũ chưa được hoàn chỉnh, nên không thể xác định được các thông số tối ưu bằng lý thuyết nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của máy. Vì vậy, việc xác định các thông số tối ưu cho loại máy làm sạch nilon có nguồn gốc từ rác thải theo nguyên lý đập dọc trục phục vụ tái chế rác thải nilon thành nguyên liệu sản xuất có tính cấp thiết và tính thời sự cao. Được sự chấp thuận của phòng Sau đại học, khoa Cơ điện và Công trình, Ban Giám hiệu trường Đại học Lâm nghiệp, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Thị Thanh, tôi xin thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu cho máy làm sạch nilon từ nguồn rác thải theo nguyên lý đập rũ MLSNL – 100 năng suất 100 kg/h”. Mục tiêu tổng quát của đề tài Nâng cao hiệu quả xử lý nilon có nguồn gốc từ rác thải làm nguyên liệu sản xuất theo hướng nâng cao hiệu quả quá trình tái chế và hạn chế ô nhiễm môi trường phát sinh. Đề tài góp phần nâng cao hiệu quả quá trình xử lý rác thải đô thị. Mục tiêu cụ thể của đề tài: Xác định các thông số tối ưu cho máy làm sạch nilon có nguồn gốc từ rác thải MLSNL – 100 theo nguyên lý đập rũ đạt các chỉ tiêu độ sạch cao nhất và chi phí năng lượng riêng bé nhất. Tính mới của đề tài: Máy làm sạch nilon theo nguyên lý đập rũ MLSNLK – 100 là thiết bị phân loại, làm sạch có tính mới về nguyên lý làm việc và ứng dụng trong công nghệ btái chế nilon từ rác thải. Nguyên lý làm sạch nilon có nguồn gốc từ rác thải kiểu đập rũ là nguyên lý làm việc mới. Nguyên lý này khác biệt với tất cả nguyên lý làm sạch nguyên liệu đã được công bố và hệ thống hóa ở trong và ngoài nước. Vì vậy các thông số kết cấu, thông số kỹ thuật và thông số công nghệ của máy làm sạch nilon có nguồn gốc từ rác thải kiểu đập rũ là nguyên lý chưa được nghiên cứu đầy đủ, sẽ là tính mới cho đề tài của luận văn
4 Tính khoa học của đề tài: Nguyên lý đập rũ là nguyên lý làm việc dùng để phân ly – tách hạt trong thu hoạch cây có hạt, chưa được dùng để phân ly – làm sạch. Nên nguyên lý làm việc của máy MLSNLK – 100 vừa mới về nguyên lý lẫn thiết bị. Các thông tin về máy MLSNLK – 100 cả về kết cấu lẫn quá trình làm việc mang tính chất “Hộp đen”. Vì vậy, phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng mô hình toán học là phương pháp nghiên cứu khoa học phù hợp, cho phép xác định các quy luật khoa học của máy. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Đề tài góp phần vào công tác xử lý chất thải, phát triển cơ khí phục vụ sản sản xuất và đời sống.
5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .1. Tổng luận các công trình đã công bố về vấn đề nghiên cứu .1.1. Tổng luận về công nghệ tái chế nilon thành nguyên liệu sản xuất từ rác thải Công nghệ tái chế nilon từ nguồn rác thải nilon (hình 1.1) ( [3], [4], [9], [10]) đã được các nước nghiên cứu hoàn thiện và phổ biến rộng rãi trên toàn thế giới để hạn chế tiêu cực nạn “ô nhiễm trắng”. Công nghệ tái chế này đã được một công ty Mỹ mang tên công ty Cổ phần VIETSTAR đầu tư vào nước ta đặt tại Khu xử lý chất thải rắn Tây Bắc Củ Chi (Thành phố Hồ Chí Minh). Rác thải sinh hoạt  Phân loại  Rác thải (chôn lấp, đốt hoặc làm phân bón) và nguyên liệu (kim loại,..)  Nilon  Rửa lần I bằng nước  Nước thải và các chất thải rắn  Băm nhỏ  Rửa lần II bằng hóa chất  Nước thải và các chất thải rắn  Rửa lần II bằng nước  Nước thải và các chất thải rắn  Sấy khô  Định lượng, phối trộn và đồng nhất  Tạo hình sản phẩm  Trộn và gia nhiệt  Nguyên liệu sản xuất (hạt nhựa) Hình 1.1: Sơ đồ công nghệ tái chế nilon từ nguồn rác thải xuất thành nguyên liệu.
6 Dựa theo công nghệ này, hầu hết các đơn vị tái chế nilon từ nguồn rác thải trong nước rút gọn bỏ đi một số công đoạn nhằm hạ giá thành sản phẩm và chi phí sản xuất như chỉ rửa 1 – 2 lần bằng nước, bỏ qua công đoạn băm nhỏ hay rửa bằng hóa chất. Việc rút gọn công nghệ tái chế nilon (hình 1.1) đã làm cho chất lượng sản phẩm kém chỉ dùng làm nguyên liệu sản xuất các mặt hàng nhựa kém chất lượng. Ở nhiều đơn vị sản xuất trong nước, hầu hết các công đoạn xử lý đều thực hiện bằng thủ công, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động và cộng đồng dân cư khu vực gần nơi xử lý. Trong công nghệ tái chế thì làm sạch là công đoạn quan trọng nhất, ảnh hưởng quyết định đến chất lượng sản phẩm và giá thành sản xuất. Vì rác thải nilon có lẫn nhiều chất bẩn (các chất khác), nên làm sạch là công đoạn không thể thiếu trong quy trình công nghệ tái chế nilon từ rác thải. Thực chất của quá trình làm sạch là loại bỏ các thành phần khác thành phần được “làm sạch” ra khỏi hỗn hợp. Như vậy, quá trình làm sạch bao giờ cũng gắn với quá trình phân loại. Để làm sạch các cấu tử bám vào nilon hay có lẫn ở dạng hỗn hợp rời có thể dùng các phương pháp làm sạch – phân loại đơn giản như sàng hay khí động,… để phân tách. Để tách các cấu tử là các thành phần hóa học dạng dầu, mỡ, hay dung dịch hóa học phải dùng phương pháp hóa học, kết hợp với nước để tẩy rửa. Vì vậy trong công nghệ làm sạch nilon từ nguồn rác thải bao giờ cũng phải tiến hành công đoạn rửa. Để tăng khả năng rửa sạch, người ta tiến hành băm nhỏ thành các mảnh nilon. Như vậy, chi phí nước rửa cũng như các hóa chất cần thiết làm sạch tỷ lệ với lượng chất bẩn có trong nguồn rác thải nilon cần làm sạch. Mặc dù trong công nghệ làm sạch nilon từ nguồn rác thải đều tiến hành phân tách các chất bẩn bằng sàng hay kết hợp cả khí động, nhưng tác động cơ học của các phương pháp này cho hiệu quả làm sạch sơ bộ kém. Việc chi phí nước và hóa chất làm sạch tăng sẽ kéo theo tăng chi phí tái chế và tăng nguồn ô nhiễm là nước thải. Thiết bị sàng tiến hành phân loại, làm sạch sơ bộ được dùng trong xử lý rác thải nói chung và rác thải nilon nói riêng là sàng thùng quay dạng lục lăng. Cấu tạo của sàng gồm một thùng có tiết diện ngang hình lăng trụ đặt nghiêng với mặt phẳng
7 nằm ngang một góc , để hỗn hợp trong thùng có thể di chuyển theo hướng dọc thùng. Xung quanh thùng là lưới sàng được chế tạo bằng thép tấm dập lỗ hay lưới kim loại. Thùng quay xung quanh trục thùng nhờ các vành tròn gắn cố định với vỏ thùng tì lên trên các con lăn. Truyền động cho thùng quay bằng truyền động xích hay bánh răng. Một số trường hợp người ta dùng truyền động ma sát. Khi thùng quay sẽ nâng hỗn hợp lên và đổ xuống thực hiện công tác rũ. Các thành phần có kích thước nhỏ chui qua lỗ sàng được đưa ra ngoài bằng băng tải. Phần trên sàng là những phần tử có kích thước lớn như rác nilon được gom lại ở đầu kia của sàng và được đưa đi băm nhỏ và làm sạch tiếp bằng cách rửa. Như vậy có thể thấy ở sàng lục lăng đã thực hiện vừa làm sạch bằng cách rũ, vừa phân loại. Tuy nhiên do tác động cơ học còn nhỏ lên khả năng rũ chưa lớn. Một số loại máy làm sạch khác có thể dùng làm sạch sơ bộ bằng phương pháp khô không dùng nước như máy rửa kiểu trống, máy rửa kiểu tay gạt (còn gọi là máy rửa họ Добровольсий), máy rửa kiểu sàng lắc. Ở các máy rửa khô kiểu trống, sàng lắc thì hiệu quả làm sạch kém do tác động cơ học lên các phần tử nilon chưa đủ lớn để có thể tách các cấu tử dính bám. Ở máy rửa kiểu tay gạt, do làm việc ở số vòng quay thấp nên đối với hỗn hợp có các phần tử làm sạch dạng sợi hay tấm mỏng mềm như nilon thì bị ùn tắc và trục quay bị bó cứng không làm việc được. Các thiết bị làm sạch này đã được Б. М. Азарова (1988) [28], Nguyễn Như Nam, Trần Thị Thanh (2000) [11] biên soạn về lý thuyết và cấu tạo khá đầy đủ. Như vậy các thiết bị làm sạch, phân loại truyền thống mặc dù được xây dựng khá hoàn chỉnh về lý thuyết và kết cấu nhưng khả năng làm sạch sơ bộ nilon từ nguồn rác thải bằng phương pháp khô có hiệu quả làm việc kém hay không làm việc được. Vì vậy, trong các dây chuyền công nghệ hiện đại vẫn phải làm sạch chủ yếu phương pháp rửa, vừa gây tốn kém vừa kéo theo thêm nguồn ô nhiễm nước. Một loại thiết bị khác có nguyên lý làm việc chưa được đưa vào làm sạch, phân loại là nguyên lý đập rũ ( đập dọc trục) sử dụng trong các máy thu hoạch cây có hạt. Nguyên liệu đưa vào máy đập là khối lúa gồm rơm là các thân cây (như các thân cây họ đậu), rơm (lúa), cùi ngô,… và các hạt bám vào các rơm. Có thấy hình
8 ảnh tương đồng rơm là nilon còn hạt là các thành phần “bẩn” bám theo rơm. Dưới tác động của trống vào khối lúa mà hạt được bứt ra khỏi rơm. Lưới sàng nằm dưới trống làm nhiệm vụ sàng phân ly. Theo E.C. Босoй (1978) [29], các lớp của khối lúa theo phương bán kính có chuyển động góc khác nhau, cùng với tác động của các cánh đập (tương tự như cánh gạt ở máy rửa kiểu tay gạt, nhưng với vận tốc lớn hơn nhiều lần ), sự chà xát với bề mặt lưới sàng mà các hạt (tương tự như các cấu tử bám vào nilon) bứt ra khỏi khối lúa. Quá trình đập này còn kéo theo quá trình rũ tách các tạp chất cơ học khác ra khỏi khối lúa. Tuy nhiên cho tới thời điểm hiện tyại thì nguyên lý đập rũ hiện chưa được đưa vào khâu làm sạch rác thải nilon. .1.2. Tổng luận về máy đập rũ .1.2.1. Các kết quả nghiên cứu ngoài nước về máy đập rũ Về lý thuyết máy đập đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, xây dựng và biên soạn, trong đó tiêu biểu là B. П. Горячкпн (1935) [31], E.C. Босoй (1978) [29], J.M. Gregory (1988) [17], Xu Lizhang và Li Yaoming (2011) [18], Petre I. Miu, Heinz – Dieter Kutzbach (2007 và 2008) [19 và 20], Christian Okechukwu Osueke (2011) [21], Sigitas Petkevicius (2007) [22], A.C. Ukatu (2006) [23], … Hình 1.2: Máy đập hướng trục Schlayet Hình 1.3: Máy đập hướng trục Embal – Heliats của Cộng Hòa Liên Bang Đức. của Cộng Hòa Liên Bang Đức. Ở Cộng Hòa Liên Bang Đức, máy đập hướng trục cũng được nghiên cứu và ứng dụng vào thu hoạch cây có hạt. Hình 1.2 giới thiệu máy đập hướng trục
9 Schlayet – Heliats và hình 1.3 giới thiệu máy đập hướng trục Embal dùng trong thu hoạch lúa và đã được thương mại sang nhiều nước trên thế giới. Mặc dù nilon là sản phẩm được sử dụng đầu tiên và phổ biến ở nhiều nước phát triển, có kinh nghiệm trong xử lý rác thải nilon, nhưng chưa có bất kỳ công bố nào về việc sử dụng nguyên lý đập – rũ để làm sạch rác thải nilon bằng phương pháp khô. .1.2.2. Các kết quả nghiên cứu trong nước về máy đập rũ Nguyên lý đập rũ ứng dụng trong các máy đập để thu hoạch cây có hạt được ứng dụng ở các địa phương Phía Nam từ trước năm 1975, với tên gọi là máy đập dọc trục hay chính xác hơn là máy đập dọc trục răng bản. Vào thời điểm này chưa có bất kỳ một công bố hay ứng dụng nào về máy đập dọc trục ở các địa phương Phía Bắc. Nguyên lý làm việc đập dọc trục làm cho kết cấu máy đập lúa hay máy gặt đập liên hợp có kết cấu gọn nhẹ hơn. Chính vì vậy mà máy đập dọc trục răng bản hiện đã ứng dụng rộng rãi trong thu hoạch lúa ở cả nước, và đã có nhiều máy xuất khẩu sang các nước. Với máy đập dọc trục răng trụ được ứng dụng tốt trong máy đập bắp. Cho đến nay, các nghiên cứu hướng tới cải tiến về mặt kết cấu và ứng dụng của máy đập dọc trục chủ yếu diễn ra trong sản xuất. Các nhà sản xuất tự mày mò, rút kinh nghiệm, học hỏi lần nhau, sao chép lại và để hoàn thiện máy. Chính vì vậy mà hầu hết các địa phương Phía Nam đều tự thiết kế, sản xuất và ứng dụng máy đập dọc trục mà không cần có một sự hỗ trợ nào về kỹ thuật của các nhà khoa học. Với các mẫu máy đập dọc trục chuyển từ Phía Nam ra, hiện một số địa phương Phía Bắc cũng đã tự chế tạo được theo kiểu chép mẫu. Về mặt lịch sử kỹ thuật ở Việt Nam thật khó tìm ra ai là tác giả của máy đập dọc trục. Trước năm 1975, các công bố khoa học về loại máy đập dọc trục nói chung và máy đập dọc trục răng bản nói riêng rất ít. Ngoại trừ luận văn thạc sĩ, công bố năm 1973 của tác giả Phan Hiếu Hiền (lúc đó là học viên cao học tại Viện nghiên cứu lúa quốc tế IRI, Philipin) về xây dựng phương trình phân ly của hạt trong máy đập, thì hầu như không có một công bố nào của tác giả trong nước về loại máy đập này.
10 Năm 1994, tác giả Phan Hòa ( nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Viện Công cụ và Cơ giới hóa Nông nghiệp) [6] đã bảo vệ thành công luận án phó tiến sĩ khoa học kỹ thuật “ Nghiên cứu một số thông số tối ưu bộ phận đập dọc trục răng bản của máy đập lúa (Đường kính trống 500 mm, sử dụng trong thu hoạch lúa tại các tỉnh miền Trung)”. Các công bố đã được đăng tải trên một số bài báo chuyên ngành và luận án. Về kết quả nghiên cứu lý thuyết, tác giả đã xác định khả năng thông qua bộ phận đập, quy luật phân ly hạt trong bộ phận đập dọc trục, thông số động học của trống đập với tải trọng ngẫu nhiên và mô men quán tính của trống đập bằng phương pháp không tải. Theo Phan Hòa (1994), khả năng thông qua bộ phận đập dọc trục răng bản qmax là: pd .( f1  f 2 ).b.z.v.g. . .B.. sin  . sin  . cos qmax = (1.1)  .D.(v  u. sin  ) Trong đó: pd – lực đập của răng trống đập; f1, f2 – hệ số ma sát giữa khối lúa với răng trống đập và máng trống; b – bề rộng làm việc của răng bản; z – số đường xoắn lắp răng; v – vận tốc đầu răng trống đập; g – gia tốc trọng trường;  – góc giữa mặt phẳng với đường sinh trống đập;  – góc giữa cạnh răng với đường sinh trục trống đập;  – góc giữa mặt phẳng răng với phương pháp tuyến; D – đường kính trống đập;  – góc giữa phương chuyển động của khối lúa với phương trống đập. Công thức 1.1 được phát triển từ công thức xác định lượng cung cấp cho trống đập của Ie. S. Basoi (1978) [29]. Từ công thức 1.1 xác định được ảnh hưởng của các thông số về cấu tạo và chế độ làm việc tới năng suất của bộ phận đập lúa dọc trục răng bản.
11 Theo Phan Hòa (1994) [6], hệ số phân ly  của bộ phận đập dọc trục biểu diễn theo công thức:  = (1/L).ln(Q1/YT) (1.2) Trong đó: L – chiều dài trống đập; Q1 – lượng hạt phân ly tại phần chiều dài trống đập ở cửa cung cấp; YT – lượng thóc (hạt) theo rơm. Phương trình (1.2) khá giống với phương trình phân ly hạt của máy đập dọc trục mà tác giả Phan Hiếu Hiền công bố năm 1973, và của các nhà khoa học Liên Xô (cũ) khác là N. P. Krutrikov, Y. Y. Smyrnov, K. Ph. Txerbakov và Y. Ph. Popov (1951), V. P. Gơriatskin (1965) [29], Ie. S. Basoi (1967, 1978) [29],... Cũng theo Phan Hòa (1994), phương sai vận tốc góc trống đập D là: n 2 k 2 .Dq .1 .v.[m. 1 .v 2  (m  v. 2.( 2   1 ). 1 .v 2 ] D =  (1.3) 2m m. 1 .v 2  [m  v. 2.( 2   1 ) ].[(m.v. 2.( 2   1 )   1 .v] Công thức 1.3 được phát triển từ công thức xác định vận tốc góc trống đập của Ie. S. Basoi (1978)[29]. Cũng theo Phan Hòa (1994), mô men quán tính của trống đập xác định theo công thức: Jx = JM . [t1/ (t2 – t1 ) ] (1.4) Trong đó: Jx – mô men quán tính cần xác định của trống đập; JM – mô men quán tính đã biết của trục quay với trống đập; t1, t2 – thời gian máy dừng tương ứng với vận tốc góc chạy không tải của trống đập 1 và 2. Công thức 1.4 cũng được phát triển từ công thức xác định mô men quán tính trống đập của Ie. S. Basoi (1978)[29]. Theo Phan Hòa (1994), tần số dao động riêng của trống đập là: 4 3.E.J = . (1.5) L M .L Trong đó: L – chiều dài trống đập;
12 EJ – độ cứng chống uốn của các bán trục; M – khối lượng của trống đập. Và để đảm bảo trống đập làm việc ổn định, không gây ra cộng hưởng thì vận tốc góc của trống đập phải đảm bảo điều kiện:   . Về thực nghiệm, Phan Hòa (1994) đã xây dựng mô hình thống kê thực nghiệm mô tả sự ảnh hưởng của 4 thông số là 3 góc không gian của răng bản , ,  và bề rộng răng bản b đến chi phí năng lượng riêng và tổng hao hụt hạt do độ đập sót và độ thóc bị thổi theo rơm dưới dạng hàm đa thức bậc II. Cũng dựa trên công trình biên soạn của Ie. S. Basoi (1978) [29], nghiên cứu sinh Hoàng Bắc Quốc (1999) [15] đã phát triển thành luận án tiến sĩ kỹ thuật của mình là “Nghiên cứu các thông số chính của bộ phận đập dọc trục trống răng bản làm cơ sở thiết kế máy thu hoạch lúa cho vùng Đồng bằng Sông Cửu Long”. Các kết quả nghiên cứu về mặt lý thuyết của Hoàng Bắc Quốc là nghiên cứu chuyển động của khối lúa trong buồng đập theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo đỉnh răng và lý thuyết tính toán động lực học máy đập dọc trục tĩnh tại đường kính 600 mm. Cũng nghiên cứu về máy đập dọc trục răng bản, nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Hựu (2000) [8] đã bảo vệ thành công luận án tiến sĩ kỹ thuật về đề tài “Nghiên cứu một số thông số cơ bản của bộ phận đập lúa dọc trục cỡ nhỏ loại răng bản”. Các công bố của các tác giả Hoàng Bắc Quốc (1999), Nguyễn Văn Hựu (2000) đều tương tự như các công bố của Phan Hòa (1994) đều phát triển từ công trình biên soạn của Ie. S. Basoi (1978)[29] nhưng bằng cách tiếp cận và dạng biểu diễn khác. Trong tất cả các đề tài luận án tiến sĩ kỹ thuật (phó tiến sĩ khoa học kỹ thuật trước đây) về máy đập dọc trục răng bản các tác giả đều áp dụng phương pháp động lực học máy để nghiên cứu lý thuyết thông qua khảo sát động lực học máy đập và các quá trình động lực xẩy ra trong buồng đập. Về nghiên cứu thực nghiệm, các nghiên cứu sinh đều sử dụng phương pháp Quy hoạch thực nghiệm để xây dựng các mô hình thống kê thực nghiệm.
13 Dựa theo các tài liệu của nước ngoài mà chủ yếu là của Liên Xô (cũ) và các kết quả nghiên cứu đã công bố ở trong nước, các nhà khoa học trong nước đã biên soạn và tái bản các công trình biên soạn trong đó có phần đối tượng là các loại máy đập làm giáo trình giảng dạy ở các trường đại học có đào tạo ngành Cơ khí nông nghiệp. Tiêu biểu là Đoàn Văn Điện, Nguyễn Bảng (1963, 1973, 1987) [2] đã biên soạn về cấu tạo, lý thuyết tính toán máy đập dùng thu hoạch cây có hạt trong giáo trình “Cấu tạo và lý thuyết tính toán máy thu hoạch cây có hạt” và “Lý thuyết tính toán máy nông nghiệp”; Phạm Văng Lang và Nguyễn Huy Mỹ (1992) với công trình biên soạn “Phương pháp điều khiển học kỹ thuật và ứng dụng trong nông nghiệp” trong đó có trình bày phương pháp mô phỏng máy và quá trình các loại máy nông nghiệp làm cơ sở cho điều khiển tự động chúng; Trong công trình biên soạn “Động lực học máy thu hoạch”, Đào Quang Triệu (2002) [14] đã sử dụng các công cụ như ma trận chuyển tiếp, xác suất và động lực thống kê, toán tử và mô hình hóa, để tính toán lý thuyết động lực các máy gặt đập liên hợp thu hoạch lúa;... Cũng như các công bố về máy đập dọc trục ở ngoài nước, các công bố về ứng dụng nguyên lý đập rũ để làm sạch nguyên liệu nói chung và nilon thu gom từ nguồn rác thải cho đến chỉ mới có công trình của ThS. Nguyễn Thị Kiều Hạnh [4] . .2. Cơ sở lý luận của vấn đề nghiên cứu 1.2.1. Máy đập rũ .2.1.1. Khái niệm chung Máy đập rũ (còn gọi là máy đập dọc trục) là thiết bị chính dùng trong thu hoạch cây có hạt. Nguyên liệu đưa vào máy đập là khối lúa gồm rơm là các thân cây (như các thân cây họ đậu), rơm (lúa), cùi ngô,… và các hạt bám vào các rơm. Máy thực hiện việc tách hạt ra khỏi bông. Để tách hạt ra khỏi bông có thể dùng nguyên lý tuốt (máy tuốt) hoạt động theo theo cơ chế ma sát trượt hoặc đập (máy đập) hoạt động theo cơ chế đập kết hợp ma sát trượt. Ở máy tuốt, cũng có quá trình tác động tách hạt theo cơ chế đập nhưng nhỏ hơn rất nhiều so với cơ chế ma sát trượt. Tốc độ quay của trống tuốt nhỏ, nên ở các máy tuốt lúa kết hợp thủ công như máy tuốt lúa đạp chân hay máy tuốt đậu phộng đạp chân, có thể dùng nguồn động lực là sức đạp
14 của của con người. Còn ở máy đập, tốc độ quay của trống đập khá lớn nên truyền động cho trống quay phải bằng động cơ. Trống thực hiện việc tách hạt ra khỏi bông nhờ tác động đập vào trong khối lúa ở trong buồng đập và sự trượt của khối lúa lên nhau hoặc lên các bề mặt cơ khí. Tác động trượt này lớn hơn rất nhiều so với máy tuốt. Vì vậy máy cần động năng, và tốc độ quay lớn hơn, cho năng suất cao hơn rất nhiều so với máy tuốt. Ngày nay, trong sản xuất chủ yếu là dùng máy đập và ít dùng máy tuốt. .2.1.2. Phân loại máy đập Hiện nay việc phân loại máy đập theo nhiều cách khác nhau [4, 6, 8, 12, 15]. Căn cứ vào mức độ phức tạp của máy đập chia ra: - Máy đập loại đơn giản. - Máy đập loại nửa phức tạp. - Máy đập loại phức tạp. Ở máy đập loại đơn giản thường chỉ có bộ phận đập. Sản phẩm sau khji đập là một hỗn hợp gồm hạt và các tạp chất nhỏ. Theo công nghệ làm sạch nilon từ nguồn rác thải thì nguyên lý làm việc của loại máy đập đơn giản không nên áp dụng, vì không đáp ứng đầy đủ mục đích làm sạch. Ở máy đập loại nửa phức tạp gồm bộ phận đập, bộ phận rũ rơm và hệ thống làm sạch sơ bộ. Sản phẩm sau khi đập là thóc đã làm sạch sơ bộ khỏi các tạp chất lớn, rơm và vụn rơm riêng. Với máy đập này sẽ gây nên ô nhiễm môi trường không khí rất lớn khi áp dụng để làm sạch nilon vì bụi sản sinh ở bộ phận rũ rơm khó có thể thu gom. Ở máy đập loại phức tạp tương tự như ở máy đập loại nửa phức tạp, nhưng có nhiều hệ thống làm sạch. Sản phẩm sau khi làm sạch là thóc tương đối sạch (tương tự nilon khá sạch), rơm và cụn rơm riêng (tương tự như đất, cát, đá và các tạp chất không phải là nilon). Tuy nhiên với hệ thống phức tạp như vậy thì nguy cơ gây nên ô nhiễm môi trường không khí càng cao. Căn cứu vào đặc điểm cấu tạo bộ phận đập chia máy đập thành: - Máy đập kiểu trống răng.
15 - Máy đập kiểu trống thanh. Căn cứ vào kiểu sắp xếp trống chia máy đập thành: - Máy đập kiểu một trống (hay đập một pha). - Máy đập kiểu hai trống (hay đập hai pha). - Máy đập kiểu nhiều trống. .2.1.3. Cấu tạo, nguyên tắc làm việc của bộ phận đập Bộ phận đập là bộ phận làm việc chính của máy đập. a) Bộ phận đập loại răng Bộ phận đập loại răng đước áp dụng khá phổ biến trong sản xuất. Nó có ưu nhiều điểm như: khả năng cung cấp khá lớn, nên trong loại bộ phận đập này thường phía trước không cần bố trí thêm trục cung cấp lúa (nguyên liệu đập). Đối với giống lúa thân dài, độ ẩm cao thì khả năng thoát tải tốt. Tốc độ trống ổn định so với bộ phận đập loại thanh khía. Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm như: quá trình đập làm nát rơm, chất lượng đập không tốt bằng bộ phận đập loại trống thanh. Tuy nhiên tồn tại này có thể khác phục theo nguyên lý đập hướng trục (đập rũ). Bộ phận đập gồm trống đập và máng trống. Bộ phận đập trống răng có cấu như hình 1.4.  Trống đập: Hình 1.4: Bộ phận đập loại trống răng.
16 Trống đập là một khối hình trụ. Trên trục trống lắp cố định các đĩa trống và các vòng đỡ giữa. Các thanh trống bố trí theo chu vi, cùng các thanh lót có cắm các răng. Các răng trống phân bố theo quy luật vít nhiều đầu ren. Số lượng thanh trống và răng trống thay đổi tùy theo yêu cầu và đối tượng đem đập. Thông thường số lượng thanh trống thay đổi trong khoảng 6 – 8 – 10 – 12 thanh. Ở một số máy đập kiểu hướng trục, trống đập không sử dụng thanh trống mà vỏ trống là hình trụ tròn xoay đúc hay cuốn bằng thép tấm. Răng trống là một chi tiết làm việc quan trọng có ảnh hưởng lớn tới chất lượng đập và năng suất của bộ phận đập. Cấu tạo chung của răng gồm 3 phần, phần làm việc gọi là thân răng; phần lắp vào thanh lót là cổ răng; phần dưới răng có ren để lắp đai ốc. Răng trống trong trường hợp này có thể thay thế dễ dàng khi bị hư hỏng hay mòn, nhưng việc gia công phức tạp. Trong điều kiện sản xuất cơ khí khá phổ biến ở nước ta, răng trống đập thường có dạng răng bản nên được hàn trực tiếp với mặt trống đập. Theo tiêu chuẩn Liên Xô (cũ) thì răng trống đập có 3 kiểu chính là răng hình kiếm, răng hình nêm và răng có hình đối xứng. Ở máy đập bắp không lột vỏ người ta còn sử dụng răng hình trụ thẳng. Tất cả các kiểu răng đập này trong mặt phẳng chuyển động đều có dạng hình nêm. Góc giữa mặt mặt bên ở đỉnh răng đối với răng hình kiếm và hình đối xứng là 40  50, đối với răng hình nêm là 470. Ở bộ phận đập để đập lúa với độ ẩm cao, thân dài thường dùng răng hình nêm. Các thực nghiệm trong thu hoạch cây có hạt cho thấy chiều cao răng đập thích hợp trong khoảng 50  60 mm. Gần đây Gieligovski (trich dẫn bởi Phạm Xuân Vượng, 1999 [12]) đã đề xuất một dạng răng mới mà bề mặt làm việc có dạng đường cong lôgarit. Răng lôgarít có đặc điểm: - Không xảy ra hiện tượng cuốn rơm quanh trống với bất kỳ chế độ tốc độ nào của trống; - Độ nát rơm ít nhất; - Năng suất tính trên một đơn vị tiêu thụ năng lượng cao (hay chi phí năng lượng riêng thấp).
17 Ngoại trừ răng đập lôgarit, các răng đập còn lại kể trên đều xảy ra hiện tượng nilon bị giắt vào răng trống nên máy làm sạch nilon không làm việc được. Với răng đập có biên dạng góc ở đỉnh có dạng cong tròn khá phù hợp với biên dạng răng lôgarit, quá trình đập – rũ nilon hoàn toàn giống như các ý kiến của Gieligovski.  Máng trống: Ở cấu trúc máy cũ, thường máng trống răng là loại máng liền, không cho hạt chui qua đó. Trên máng trống lắp tới hai hoặc ba hàng răng xen kẽ với răng trống. Góc bao của máng thường từ 700  800. Trên cấu trúc bộ phận đập loại răng gần đây, máng trống thường là tấm tôn đục lỗ dài. Răng máng lắp trên một mảng riêng, có thể dễ dàng chui qua khi điều chỉnh bằng cách nâng hạ máng răng. Hoặc ở máy đập dọc trục với loại trống răng, máng trống được chế tạo từ các thanh thép tròn hàn vuông góc với nhau thành lưới sàng (dạng thanh ghi). b) Bộ phận đập loại thanh khía Trên các máy đập lúa và các máy gặt đập liên hợp của các nước (Châu Âu và Bắc Mỹ) thường bố trí bộ phận đập loại thanh khía. Ưu điểm của bộ phận đập này là ở chỗ chất lượng làm việc tốt trong điều kiện làm việc bình thường. Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Bộ phận đập gồm trống đập và máng trống.  Trống đập: Trống đập (hình 1.5) là một khối hình trụ lắp trên trục trống là các đĩa trống và vòng đỡ giữa. Các thanh lót và thanh khía lắp trên các đĩa và vòng đỡ đều theo chi vi trống. Số lượng thanh khía tùy theo yêu cầu và đối tượng đem đập có thể là 6 – 8 – 10 – 12 thanh khía. Nhưng phổ biền là 8 – 10 – 12 thanh khía. Để cho quãng đường di chuyển của khối nguyên liệu trong khe hở ở giữa trống và máng trống được kéo dài thì hai thanh khía kề nhau có chiều khía ngược nhau. Đồng thời còn tránh hiện tượng nguyên liệu đập dồn về một đầu trống, có thể gây kẹt trống. Về cấu tạo thanh khía có nhiều kiểu khác nhau. Thí dụ trên các máy đập và máy gặt đập liên hợp của Liên Xô (cũ), thường thanh khía có dạng đường gân phức tạp. Tiết diện ngang của đường gân thay đổi. Hướng của các rãnh cũng không hoàn
18 toàn song song với nhau. Cấu trúc như thế của thanh khía làm cho quá trình di chuyển lớp nguyên liệu đập cũng phức tạp, hiệu quả đập tốt. Thanh khía thường chế tạo bằng thép 20. Hình 1.5: Bộ phận đập kiểu trống thanh. 1.Bánh đà; 2.Bu lông hãm; 3.Giá đỡ; 4, 21.Đệm tựa; 5.Bạc; 6, 8 Đĩa bánh đai; 7, 22.Then; 9.Trục trống;10.Vòng tựa; 11.Đĩa trống; 12.Đai ốc; 13.Đệm hãm; 14.Thanh khía; 15.Bu lông đặc biệt; 16.Đệm điều chỉnh; 18.Thanh lót; 19.Đệm phẳng; 20.Moay ơ; 23.Ngấn tựa của bạc; 24.Gu jông điều chỉnh; 25. Đai ốc đặc biệt. Ở một số máy đập tĩnh tại loại nhỏ của Trung Quốc và nước ta, thanh khía có cấu tạo đơn giản hơn, tiết diện ngang thanh khía có hình bán nguyệt. Trên bề mặt làm việc của thanh khía có phay các rãnh nghiêng có hướng song song với nhau. Thanh khía loại này cũng được chế tạo bằng thép 20 hay gang dẻo. Để tăng cường khả năng cung cấp của trống đập, một số máy đập có bộ phận đập loại thanh khía còn tarng bị thêm các thanh răng bằng thép góc L xen kẽ giữa
19 thanh khía, hoặc tăng chiều cao của thanh khía bằng cách thay tahnh lót bằng thanh thép U lồi. Cấu tạo như vậy ngoài tác dụng tăng lượng cung cấp của trống đập còn làm tăng độ cứng vững của trống đập lên rất nhiều.  Máng trống: Đối với bợ phận đập loại thanh khía, máng trống có cấu tạo máng sàng. Máng trồng gồm hai má hai bên và một số má đỡ ở giữa. Các thanh ngang (thanh ghi) hàn vào các má, song song với nhau. Trên các thanh ngang có các lỗ cách đều nhau cho dây thép luồn qua. Cấu tạo như thế, máng trống tương tự như một cái sàng, vì vậy còn gọi là máng sàng (hình 1.6). Toàn bộ máng trống đỡ bằng hai trục lồng qua các lỗ trên má, liên kết với khung máy thông qua cơ cấu điều chỉnh khe hở giữa trống và máng. Hình 1.6: Máng sàng. 1.Tấm nối; 2.thang ngang chính; 3.Má sàng; 4. Thanh ngang; 5.Dây thép; 6. Má giữa; 7.Tấm chuyển tiếp. Khối nguyên liệu đập di chuyển qua khe hở giữa trống và máng (giảm dần từ khi vào tới khi ra). Ngoài tác dụng va đập của thanh khía lên khối nguyên liệu, khối nguyên liệu còn chịu sự tác dụng chà xát với trồng và máng trống, đồng thời chà xát giữa khối nguyên liệu với nhau gây ra rụng và phân ly hạt qua lỗ máng sàng. Mức độ phân ly khi đập lúa qua máng trống từ 75  80 % tùy theo cấu trúc máng. Số hạt còn lại lẫn trong rơm sẽ được tiếp tục phân ly nhời bộ phận rũ rơm. Độ phân ly hạt qua máng phụ thuộc vào hệ số diện tích của máng sàng (tỷ số giữa diện tích các lỗ