Khoa học công nghệ ngành Công Thương

Thứ sáu, 06/08/2021 | 00:52

Thứ sáu, 06/08/2021 | 00:52

Tin KHCN

Cập nhật lúc 10:33 ngày 22/07/2021

Kết quả tính toán thiết kế máy sàng phân loại ngô quy mô công nghiệp, năng suất 45-50 tấn/h

Tóm tắt: Nội dung bài báo trình bày kết quả tính toán, thiết kế máy sàng phân loại ngô trong dây chuyền sản xuất ngô thương phẩm quy mô công nghiệp. Kết quả tìm được các thông số chính của máy như: đường kính 0,8m; chiều dài làm việc 7,5m; số vòng quay nằm trong khoảng 5-20v/ph; góc nghiêng làm việc khoảng 7º và năng suất khoảng 45-50 tấn/h. Bên cạnh đó kiểm tra sức bền, độ ổn định của máy bằng thuật toán chẩn đoán dựa trên mô hình phân tích kết cấu trên máy tính.
1. Đặt vấn đề
Ngô là loại cây lương thực lớn thứ 3 trên thế giới sau lúa mì và gạo[2]. Ở Việt Nam, cây ngô được coi là cây lương thực quan trọng thứ 2 sau cây lúa và được coi là một trong những cây trồng chủ lực trong định hướng chuyển đổi tại một số vùng có điều kiện phát triển phù hợp. Ngoài hình thành vùng nguyên liệu sản xuất thức ăn chăn nuôi, các sản phẩm từ ngô đang được phát triển theo hướng nâng cao tính cạnh tranh và khai thác để xuất khẩu.
Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, hầu hết các mô hình chuyển đổi sang trồng ngô đều đạt hiệu quả kinh tế cao hơn 2-3 lần so với trồng lúa. Năng suất ngô tại nhiều mô hình đạt 10-12 tấn/ha, có thể cạnh tranh với ngô nhập khẩu.
Nhưng từ lâu ở Việt Nam đã tồn tại nghịch lý, là quốc gia có diện tích sản xuất ngô lớn, song hàng năm Việt Nam vẫn phải nhập khẩu hàng triệu tấn ngô. Cụ thể, năm 2016, Việt Nam nhập khoảng 8,3 triệu tấn ngô với giá trị 1,65 tỷ USD bởi lượng sản xuất trong nước chỉ đạt 5,1 triệu tấn, đáp ứng 40% nhu cầu. Vẫn là nghịch lý khi nhiều doanh nghiệp phải nhập khẩu ngô thì ở vùng sản xuất ngô lớn như miền núi phía Bắc, Ðông Nam Bộ… việc tiêu thụ ngô gặp nhiều khó khăn, giá thấp, có thời điểm chưa đến 4.000 đồng/kg...[1,2].
Trước tình hình đó, Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn đã định hướng phát triển ngô thành cây trồng chủ lực phục vụ chế biến thức ăn chăn nuôi và xuất khẩu. Dự kiến đến năm 2020, cả nước gieo trồng 1,16 - 1,26 triệu hécta ngô, tập trung ở các vùng: Đồng bằng Sông Hồng, trung du miền núi phía Bắc, Đông Nam Bộ, Đồng bằng sông Cửu Long...[1,2].
Qua phân tích như trên, mặc dù với diện tích và sản lượng ngô lớn như vậy, ngoài việc tiêu thụ ngô trong nước và không cần nhập khẩu mà còn có thể xuất khẩu cạnh tranh vào thị trường quốc tế. Muốn vậy thì mặt hàng ngô xuất khẩu phải đảm bảo về chất lượng ngoài độ khô còn cần đảm bảo về độ sạch, độ đồng đều hạt. Vì thế trong quá trình chế biến ngô cần triển khai với quy mô công nghiệp và phải được phân loại/làm sạch mới đảm bảo được chất lượng sản phẩm và giá thành hợp lý. Do đó việc nghiên cứu tính toán thiết kế máy sàng phân loại/làm sạch ngô quy mô công nghiệp là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn.
2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
2.1. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát, đánh giá nguyên lý làm việc của một số mẫu máy phân loại ngô trong và ngoài nước từ đó làm cơ sở khoa học cho việc lựa chọn nguyên lý, kết cấu máy phù hợp.
- Tính toán, thiết kế tìm ra các thông số chính của mẫu máy quy mô công nghiệp năng suất rất lớn (45-50 tấn/h), kiểm tra kết quả tính toán thông qua độ bền, độ ổn định của mẫu máy nhờ phần mềm máy tính.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin, tài liệu tham khảo.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
- Phương pháp phần tử hữu hạn phân tích tính toán bằng phần mềm máy tính.
3. Kết quả nghiên cứu và bàn luận
3.1. Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy sàng phân loại ngô
Đối với nguyên liệu ngô hạt sau khi được tẽ tươi, trong thực tiễn sản xuất không thể sử dụng các máy phân loại, làm sạch dạng sàng phẳng chuyển động tịnh tiến/song phẳng qua lại vì có lẫn nhiều tạp chất có kích thước nhỏ, nhẹ như bụi, vụn, mày ngô, dâu ngô, cùi ngô vỡ vụn,...hoặc do yêu cầu năng suất lớn, rất lớn, hoặc “siêu lớn” thì sàng phẳng cũng không thể đáp ứng được, khi đó sử dụng máy sàng theo nguyên lý trống quay mới phù hợp.
Ở đây với kết cấu máy sàng kiểu rô to/lồng quay thì mặt sàng cũng chính là thân rô to được gia công dưới dạng hình trụ (hình 1) bằng lưới đan. Tuy nhiên kích thước lỗ sàng cần phải thay đổi theo chiều dài làm việc của trống, sàng sẽ được đặt nghiêng một góc hợp lý để tăng hiệu quả phân loại/làm sạch.
Với nguyên lý này khi rô to quay, hỗn hợp vật liệu được nâng lên đến một độ cao nào đó rồi trượt xuống, trong quá trình được nâng lên và trượt xuống đó, những vật có kích thước nhỏ hơn lỗ lưới thì chui xuống gọi là sản phẩm dưới lưới, còn hạt vật liệu nào có kích thước lớn hơn lỗ lưới thì di chuyển dần theo mặt sàng và đi ra ngoài. Các tạp chất như bụi, mày ngô, dâu ngô và các tạp chất nhẹ khác được đưa ra ngoài qua ống hút bụi nhờ hệ thống quạt hút, như vậy sản phẩm sẽ được làm sạch triệt để hơn.
3.2. Kết quả tính toán sàng quay phân loại ngô
3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn góc nghiêng sàng quay [2-8]
Đối với vật liệu cần phân loại và làm sạch ở đây là ngô hạt tươi sau tẽ, việc xác định góc nghiêng của sàng trống trực tiếp ảnh hưởng đến khoảng cách dọc trục khi vật liệu hỗn hợp ngô sau tẽ hoàn thành một chu kỳ bổ sung trong lòng trống, điều này tiếp tục ảnh hưởng đến thời gian « đứng lại » của vật liệu hỗn hợp ngô sau tẽ trong trống tại một thời điểm nào đó trong quá trình làm việc có ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của sàng trống cũng như hiệu suất phân loại và sàng lọc. Bởi vậy dựa trên một số tài liệu như [2-8] góc nghiêng của sàng trống đối với loại vật liệu rời rác như hạt ngô thường được lựa chọn là 7o (β = 7o).
3.2.2. Nghiên cứu lựa chọn đường kính sàng quay [4,7]
Tính theo phương trình thực nghiệm ta có:
Đối với hỗn hợp ngô sau tẽ có lẫn nhiều tạp chất, vì vậy để đạt được tỷ lệ phân loại/làm sạch cao, cần phải điều tiết hợp lý lượng nguyên liệu làm đầy đưa vào trống sàng. Đồng thời xem xét việc mở rộng thiết bị, đường kính sàng quay của trống được tính toán, lựa chọn sao cho ³0,8m, trong trường hợp này chọn D = 800mm.
3.2.3. Nghiên cứu lựa chọn chiều dài sàng quay [4,6,9]
Kết quả tính toán các thông số chính của sàng làm cơ sở cho việc xây dựng bản vẽ thiết kế được trình bày như trong bảng 1:
Kết quả tính toán các thông số chính dựa theo phương pháp lý thuyết được trình bày như trên bảng 1. Tuy nhiên kết quả trong quá trình tính toán theo các phương trình nêu trên không tránh khỏi vẫn còn có sai số làm tròn giữa mỗi lần chọn hệ số an toàn, nên ảnh hưởng tới quá trình thiết kế sau này. Để giảm thiểu đi sự ảnh hưởng đó nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm hỗ trợ tính toán nhằm hạn chế giá trị sai số, hơn nữa đảm bảo độ chính xác khi thiết kế. Cụ thể kết quả được trình bày tóm lược như dưới đây.
3.2.6. Kết quả tính toán trên phần mềm máy tính
Từ việc lựa chọn được nguyên lý, kết cấu, kiểu dáng máy sàng phân loại phù hợp để đảm bảo quá trình tính toán lựa chọn thông số kỹ thuật cho máy hợp lý. Từ các thông số đã tính toán đưa vào phần mềm phân tích, đánh giá, kiểm tra sự «biến dạng» của sàng phân loại khi chịu tải tác dụng, vì khi làm việc sàng sẽ chịu tải tác dụng lên bề mặt sàng. Ngoài ra còn cho thấy được trường ứng suất phân bố trên sàng, từ đó là cơ sở để lựa chọn vật liệu khi thiết kế, kích thước, kiểu lỗ sàng,... Trên hình 3 và hình 4 dưới đây trình bày kết quả phân tích sự ổn định của máy sàng phân loại trên phần mềm máy tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
  
Căn cứ vào sự biến dạng của lưới sàng khi chịu tải trọng và trường phân bố ứng suất để nhóm nghiên cứu thiết kế và gia công các thanh tăng cứng/thanh chịu lực đối với trống sàng.
Hơn nữa trên phần mềm máy tính phân tích cho ra kết quả về độ biến dạng, tính ổn định của máy sàng phân loại. Từ kết quả mô phỏng sự phân bố và chịu tải trọng ứng suất cho thấy tính ổn định về kết cấu của máy sàng chưa cao. Chính vì thế tác giả dùng phần mềm với lập trình VBA Excel Macro hỗ trợ tính toán để kiểm tra, đánh giá về kết cấu, kích thước của máy sàng khi làm việc đảm bảo tuổi thọ, độ bền theo năng suất tính toán. 
Khi tính toán trên phần mềm, nhóm tác giả lựa chọn vật liệu sàng thuộc nhóm A, nhóm thép các bon kết cấu thông thường có độ bền kéo giới hạn min-max từ 350-700MPa. Trong khi đó dựa vào tài liệu [11], tra bảng 2.1 trang 116 có được kết quả đối với vật liệu thép CT38 có cơ tính như độ bền kéo  Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả lựa chọn cho vật liệu sàng là thép CT38 và chọn độ bền kéo giới hạn là  . Khi đó giới hạn chảy khi kéo của vật liệu là 267MPa, giới hạn chảy khi uốn là 347MPa, giới hạn chảy khi cắt là 187MPa như hình 5 dưới dây.
Qua tính toán bằng phần mềm đối với vật liệu sàng là CT38 có cơ tính như kết quả trên hình 5 thì kết quả tính toán được trình bày tóm tắt như hình 6 đến hình 8 dưới đây.
Kết quả tính toán cho kết cấu sàng bằng phần mềm (hình 6) cho thấy ứng suất uốn lớn nhất  ; ứng suất cắt lớn nhất  ; độ võng lớn nhất  ; góc xoắn lớn nhất  . So sánh các kết quả tính toán trên với kết quả trên hình 5 nhận thấy các ứng suất tính toán nhỏ hơn giới hạn cho phép.
Kết quả tính toán đã cho thấy kết cấu sàng đảm bảo khả năng chịu tải, tuy nhiên nâng cao tuổi thọ của máy nhóm tác giả đã gia cố các thanh tăng cứng, chịu lực, chịu được tải trọng và ứng suất tại những vị trí tập trung ứng suất để đảm bảo cho thiết bị/máy đủ bền, ổn định không bị hư hỏng trong quá trình làm việc. Sau khi gia cố tác giả đã tính toán lại thiết bị, cụ thể kết quả tính toán như hình 9 dưới đây.
3.3. Kết quả thiết kế
Từ kết quả tính toán lý thuyết dựa trên các phương trình và kết quả phân tích trên phần mềm máy tính làm cơ sở để tác giả đã xây dựng được bản vẽ thiết kế cho mẫu thiết bị sàng phân loại làm sạch ngô năng suất cao 45-50 tấn/h như trên hình 8.
4. Kết luận
- Đã tính toán, thiết kế đưa ra được mẫu máy sàng phân loại/làm sạch ngô quy mô công nghiệp đáp ứng yêu cầu của sản xuất với các thông số chính của máy: đường kính sàng 0,8m; chiều dài làm việc 7,5m; số vòng quay nằm trong khoảng 5-20v/ph; góc nghiêng làm việc khoảng 7º và năng suất khoảng 45-50 tấn/h.
- Mẫu máy đã được khảo sát lý thuyết thông qua phân tích kết cấu máy, xác định trường ứng suất phân bố trên sàng, moment uốn, xoắn của trống sàng, đánh giá độ bền, độ ổn định trước khi xây dựng bản vẽ thiết thiết kế, chế tạo nhằm giảm thiểu thời gian, công sức, chi phí cho chế tạo, nâng cao giá trị sử dụng và giảm giá thành khi chế tạo mẫu máy.
Tài liệu tham khảo
[1]. http://hanoimoi.com.vn/Tin-tuc/Kinh-te/877521/canh-tac-ngo-huong-den-xuat-khau
[2]. Nguyễn Đình Tùng (2016). Hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết bị trong dây chuyền chế biến ngô giống năng suất Q = 100 ÷ 120 tấn/mẻ. Báo cáo tổng kết dự án sản xuất thử nghiệm - Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp.
[3]. Tôn Thất Minh (2010). “Máy và thiết bị chế biến lương thực” Nhà xuất bản bách khoa Hà Nội.
[4]. Mathias Stiess (2013). Mechanische Verfahrenstechnik - Partikeltechnologie 1, 3Aufl. Springverlag
[5]. Stark, U. (2011). Mechanische Verfahrenstechnik, Vorlesung-Kap.9, Universitaet – Weimar.
[6]. TOMAS, J. (2015). Mechanische Verfahrenstechnik. Skript zur Vorlesung. Universität Magdeburg, Deutschland.
[7]. BOHNET, M. (2004): Mechanische Verfahrenstechnik. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, Weinheim 2004.
[8]. Stark, U. (2011). Mechanische Verfahrenstechnik, Vorlesung-Kap.9, Universitaet – Weimar.
[9]. Glaub,J. C.,Jones, D. B.,Tleimat,J. U. and Sav­ age,G.  M., (1981): Trommel Screen   Research and Development for Applications in Resource Recovery, Final Report under U.S. DOE Contract No. DE-AC63-79CS20490. 
[10] . Jansen, M. L., and Glastonbury, J. R. (1967, 1968): "The Size Separation of Particles by Screening," Powder Technology, Vol.  1, pp. 334-343.
[11]. Hà Văn Vui, Nguyễn Chỉ Sáng, Phan Đăng Phong (2006). “Sổ tay thiết kế cơ khí tập 1”. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật.
PGS.TS. Nguyễn Đình Tùng - Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp, Bộ Công Thương
TS. Lê Minh Lư - Học viện nông nghiệp Việt Nam, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
Tạp chí Công nghiệp Nông thôn, Hội Cơ khí Nông nghiệp Việt Nam; số 27, năm 2017
lên đầu trang