Tp chớ Khoa hc v Phỏt trin 2011: Tp 9, s 4: 650 - 661 TRNG I HC NễNG NGHIP H NI
NGHIÊN CứU THIếT Kế HON THIệN MáY éP VIÊN PHÂN BóN
Research on Improving Design of a Fertilizer Pellet Machine
Hu Quyt, Bựi Vit c
Vin Phỏt trin Cụng ngh C in, Trng i hc Nụng nghip H Ni
a ch email tỏc gi liờn lc:
[email protected]
Ngy gi ng: 28.03.2011; Ngy chp nhn: 27.07.2011
TểM TT
Vi mc ớch thit k mỏy ộp viờn cú kh nng to ra viờn phõn cú hỡnh dng thun tin cho s
lm vic ca cỏc mỏy bún phõn viờn nộn, nhúm nghiờn cu thuc Vin Phỏt trin Cụng ngh C in,
Trng i hc Nụng nghip H Ni ó thit k, ch to mt mu mỏy ộp viờn kiu chy ci. Cỏc kt
qu th nghim mu mỏy trong iu kin sn xut ó cho thy nguyờn lý lm vic ca mỏy l hp lý,
cỏc b phn chớnh cú kh nng lm vic. Viờn phõn do mỏy to ra cú hỡnh dng gn nh hỡnh cu, cú
kớch thc v cht ỏp ng yờu cu nụng hc, rt thun tin cho s lm vic ca cỏc mỏy bún
phõn viờn nộn dỳi sõu. Tuy nhiờn, tin cy v nng sut ca mỏy cũn thp.
Bi bỏo ny trỡnh by mt s kt qu thit k hon thin mu mỏy ộp viờn núi trờn theo hng
nõng cao tin cy v nng sut ca mỏy, lm c s cho vic ch to mt mu mỏy mi cú kh nng
thng mi hoỏ, gúp phn gii quyt khõu c gii hoỏ bún phõn viờn nộn dỳi sõu cho lỳa v mt s
cõy trng nụng nghip khỏc.
T khúa: Mỏy ộp, phõn bún, phõn viờn nộn.
SUMMARY
To design a fertilizer pellet machine producing suitable pellet shapes for fertilizer spreader, a
research group of Institute for Engineering Development, Hanoi University of Agriculture has
designed and manufactured a model of fertilizer pellet machine (mortar-pestle principle). Testing
results in actual working conditions showed that the machine working principle and main part
designs are reasonable. The produced pellets have approximately spherical shape with size and
compression degree met agronomic requirements. The pellets are suitable for working of the
fertilizer spreader to bury them into the soil. However, the productivity and reliability of the machine
are still low.
This article presents some research results on improving design of the fertilizer pellet machine

(mẫu máy cơ sở) rất thuận tiện cho sự lm
việc của máy bón phân (Đỗ Hữu Quyết, 2008).
Các kết quả thử nghiệm cho thấy nguyên lý
lm việc v các thông số cơ bản của máy l
hợp lý. Mẫu máy có năng suất lý thuyết
12.000 viên/giờ. Viên phân do máy tạo ra có
dạng gần hình cầu, gồm phần thân hình trụ
v hai đầu đới cầu, có kích thớc đờng kính
x chiều cao D x H = 15 x 15 mm (Hình 1).
Tuy nhiên qua thử nghiệm trong điều
kiện sản xuất, mẫu máy có một số nhợc
điểm nh độ tin cậy cha cao v năng suất
máy còn thấp.
Để máy đáp ứng đợc yêu cầu của sản
xuất, có khả năng thơng mại, cần tính toán
thiết kế lại để máy đợc hon thiện hơn,
khắc phục các nhợc điểm đã nêu.
2. ĐốI TƯợNG V PHƯƠNG PHáP
NGHIÊN CứU
2.1. Đối tợng nghiên cứu
Máy ép viên kiểu chy cối ép trục đứng.
Nguyên liệu dùng để ép l hỗn hợp đạm, lân,
kali v một lợng nhỏ chất phụ gia với các tỷ
lệ phối trộn khác nhau.
2.2. Phơng pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu lý thuyết v nghiên
cứu thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết đợc
dùng để xác định các thông số của các bộ
phận chính của máy. Nghiên cứu thực
nghiệm đợc dùng để xác định các thông số

trên, các chy dới cùng vnh cối v các
vnh đỡ chy. Khi trống quay, các chy
chuyển động quay theo trống, đồng thời
chuyển động lên xuống nhờ các mặt cam
tơng ứng. Sau một vòng quay của trống,
máy thực hiện đợc 1 chu kỳ, bao gồm các
pha thao tác: nạp liệu, ép tạo viên, tháo sản
phẩm v chuyển tiếp. Mỗi thao tác đợc thực
hiện tại một cung tơng ứng trên máy. Biểu
đồ chu kỳ của máy thể hiện qua hnh trình
khai triển của các chy (Hình 3). Trên biểu
đồ ny, trục tung thể hiện chuyển vị của các
đầu chy ép theo phơng thẳng đứng, trục
honh thể hiện chuyển vị của các chy trong
chuyển động quay theo trống, đo bằng chiều
di cung quỹ đạo của chy trong mặt trụ đi
qua tâm các chy ép.
Máy hoạt động nh sau: Tại cung nạp
liệu, chy trên đợc nâng lên đến vị trí cao
nhất, còn chy dới chặn không cho nguyên
liệu thoát ra khỏi lỗ cối. Khi trống quay,
vnh cối quét qua mặt dới họng nạp liệu,
hỗn hợp nguyên liệu chảy theo ống nạp liệu
lấp đầy các lỗ trên vnh cối nhờ trọng lợng
bản thân. Lợng nguyên liệu nạp vo lỗ cối
đợc điều chỉnh nhờ cơ cấu định lợng. Trên
cung ép tạo viên, chy dới giữ nguyên độ
cao trong khi chy trên hạ xuống. Quá trình
ép thực sự xảy ra khi đầu dới của chy trên
bắt đầu chạm vo khối hỗn hợp phân trong
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý lm
việc (a) v sơ đồ cấu tạo (b)
của máy ép viên phân
1- Vnh cam dới, 2- Chy dới,
3- Vnh cối, 4- ống nạp liệu,
5- Chy trên, 6- Vnh cam trên,
7- ống thoát sản phẩm

Hình 3. Hnh trình khai triển của các chy trong một chu kỳ
652
Nghiờn cu thit k hon thin mỏy ộp viờn phõn bún
3.2. Hiện tợng mi mòn cơ học các bề
mặt lm việc v biện pháp khắc phục
Trên mẫu máy cơ sở, hnh trình của các
chy ép đợc thực hiện nhờ cơ cấu cam trụ
cần đẩy. Ưu điểm nổi trội của cơ cấu cam l
quy luật chuyển động của các chy đợc thực
hiện rất chặt chẽ, chính xác đảm bảo sự phối
hợp nhịp nhng giữa các chy tại các pha
lm việc. Tuy nhiên do giữa mặt cam v các
đuôi chy ép có ma sát trợt v chịu lực ép
lớn nên các bề mặt tiếp xúc của cam v chy
ép bị mòn nhanh lm giảm độ tin cậy v tuổi
thọ của máy (Hình 4). Bằng cách chọn vật
liệu chế tạo kết hợp với nhiệt luyện mặt cam
v đuôi chy ép, có thể giảm đợc tốc độ mi
mòn cơ học của chúng. Tuy nhiên, các thử
nghiệm thăm dò theo hớng ny cho thấy

đáng kể. Các phần cam còn lại chịu lực ép
rất nhỏ nên cam v đuôi chy ép hầu nh
không bị mi mòn.
Từ những phân tích trên, giải pháp
giảm cờng độ mi mòn cơ học bề mặt tiếp
xúc giữa cam v chy ép đợc chọn l sử
dụng bánh ép thay cho mặt cam ép tại pha
ép viên.
Hình 4. Hiện tợng
mòn bề mặt cam Hình 5. Giải pháp dùng cần đẩy con lăn (a) v dùng bánh ép (b)
653
Hu Quyt, Bựi Vit c
3.3. Xây dựng biểu đồ chu kỳ của máy
3.3.1. Biểu đồ chu kỳ sơ bộ
Biểu đồ chu kỳ đóng vai trò quan trọng
đối với các máy hoạt động theo chu kỳ, thể
hiện quy luật hoạt động v l cơ sở cho việc
thiết kế máy. Trong quá trình lm việc của

ép cho phép tạo ra hnh trình của các chy ép
trên v chy ép dới tơng đơng nhau, giúp
cho việc thiết kế cam, chy ép v hệ lò xo
đóng khớp cho các chy đợc dễ dng hơn.
3.3.2. Xác định chuyển vị thẳng đứng v
chiều di cung tơng ứng với các
pha thao tác
Chuyển vị thẳng đứng của các chy
trong các pha thao tác phụ thuộc chủ yếu
vo chiều cao vnh cối, khoảng cách an ton
giữa đầu dới của chy trên đến ống nạp liệu
v hệ số nén khối nguyên liệu để tạo thnh
viên phân (Hình 7).

Hình 6. Biểu đồ chu kỳ dự kiến của máy đang thiết kế lại
AB- Pha nạp liệu; BE- Pha ép viên; EG- Pha dỡ liệu; GH- Pha chuyển tiếp

Hình 7. Cơ sở chọn chuyển vị thẳng đứng của các chy ép trên v chy ép dới
654
Nghiờn cu thit k hon thin mỏy ộp viờn phõn bún
Chiều cao vnh cối phụ thuộc độ nhô của
đầu trên chy dới trong lỗ cối ở pha nạp
liệu v thể tích khối nguyên liệu cần nạp vo
trong lỗ cối để sau khi nén lại ta đợc viên
phân có kích thớc mong muốn.
Căn cứ theo kết quả thử nghiệm khi ép
viên với tỷ lệ các thnh phần hợp thnh khác
nhau, ta thấy việc ép viên N,P,K l trờng
hợp khó khăn nhất do độ linh động của khối
nguyên liệu kém nhất v độ xốp của khối

ống nạp liệu 55
o
khe hở giữa vnh đỡ chy
trên v ống nạp liệu tối thiểu 5 mm, bề rộng
ống nạp liệu 25 mm, bằng phơng pháp vẽ ta
xác định đợc chiều cao giữa mặt dới vnh
đỡ chy trên v mặt trên vnh cối l 40 mm
(Hình 7a). Trong pha ép tạo viên, ban đầu
chy trên hạ xuống hết hnh trình tự do từ
vị trí cao nhất đến khi chạm vo mặt trên
vnh cối trong khi chy dới vẫn giữ nguyên
độ cao (Hình 7b). Sau đó l giai đoạn ép tích
cực: chy trên đi xuống còn chy dới đi lên
những khoảng bằng nhau (Hình 7c). Từ hình
vẽ ta xác định đợc hnh trình tự do của
chy trên l 40 mm, ở giai đoạn ép tích cực,
chy trên đi xuống 9 mm, đồng thời chy
dới đi lên một đoạn 9 mm.
Để chuẩn bị cho thao tác dỡ liệu, sau pha
ép viên, chy trên sẽ đợc nâng lên đến vị trí
cao nhất còn chy dới nâng lên đồng thời đội
viên phân lên sao cho mặt trên của chy dới
đúng bằng độ cao mặt trên vnh cối (Hình 7d).
Việc để cho đầu chy dới nhô cao hơn hoặc
thấp hơn mặt trên vnh cối đều gây khó khăn
cho sự lm việc của bộ phận dỡ liệu. Sau khi
viên phân đợc đa ra khỏi máy, chy trên
vẫn giữ nguyên độ cao, còn chy dới hạ
xuống vị trí thấp nhất chuẩn bị cho thao tác
nạp liệu của chu kỳ mới. Biểu đồ chu kỳ với

= 80 mm.
Trong các giai đoạn BC, EF, GH, các
chy đợc nâng hạ nhờ các mặt cam tơng
ứng. Điều kiện để cam đẩy cho chy ép
chuyển động đợc l góc nâng của cam
phải không lớn hơn góc áp lực giới hạn.

Sơ đồ tính toán góc nâng giới hạn của
mặt cam trên trong các giai đoạn ny hon
ton giống nh cơ cấu cam đầy mũi nhọn
hoặc tính toán theo ma sát trên rãnh trợt
khi bỏ qua ma sát giữa cam v đuôi chy
( . ., . . 1967) (Hình 9).
Khi cơ cấu cam lm việc, tại điểm tiếp
xúc A của chy xuất hiện lực ton phần Ptp
do cam tác dụng lên chy, có phơng vuông
góc với bề mặt cam tại điểm tiếp xúc. Phân
tích Ptp thnh các lực Pt v Pn. Lực ngang
Pt cản trở sự quay của trống v lực dọc Pn
lm chy chuyển động theo phơng dọc trục.
Gọi góc nâng của mặt cam l , đó cũng
chính l góc áp lực trong cơ cấu cam đang
xét, ta có:
Pt= Ptp.sin,
Pn= Ptp.cos. (1)
Khi đuôi chy trợt trên mặt cam, tại
điểm tiếp xúc A giữa chy v mặt cam sẽ
xuất hiện lực ma sát FmsA, có phơng tiếp
tuyến với mặt cam v ngợc chiều chuyển
động của chy. Ký hiệu f l hệ số ma sát giữa

Vì trị số của a rất nhỏ so với x v l nên
có thể bỏ qua, khi ny phơng trình 3 có
dạng:
NB- (Pt+ FmsAt) - NC = 0;
(Pt+ FmsAt).x - NC.l = 0 (5)
Phơng trình cân bằng hình chiếu của
các lực theo phơng chuyển động của chy có
dạng:
Pn= FmsB+ FmsC+FmsAn (6)
Giải các phơng trình (1), (2), (3), (5), (6)
v rút gọn ta đợc:

22
l f .l 2.x.f
tg ;
2.f.l 2,.f.x

=
+

Hay

22
gh
lf.l2.x.f
arctg ;
2.f.(l x)

=
+

61

= 43 mm
(Hình 10a).
Trong thực tế, khi chọn hnh trình các
chy theo chiều cao, cần chọn lớn hơn trị số
tính toán để đảm bảo độ chặt của viên phân.
Giả định hnh trình theo chiều cao của các
chy trong giai đoạn ép tích cực l 12 mm,
ứng với góc áp lực 45
o
, ta có đờng kính bánh
ép Db
.e
= 82 mm v chiều di cung ép tích cực
khai triển l lCE
82

= 58 mm (Hình 10b).
Các thử nghiệm không tải tiến hnh
trên máy ép với bánh ép l ổ bi đỡ mã hiệu
311, có đờng kính ngoi 120 mm, bề rộng
29 mm, cho thấy các chy dịch chuyển ổn
định, không có hiện tợng tự hãm chy trong
rãnh trợt v trống quay đều. Tuy nhiên khi
thử nghiệm có tải, có hiện tợng trống
chuyển động không đều. Nguyên nhân của
hiện tợng ny l do sau khi ép tạo viên
phân, lực đn hồi của lò xo nén thông qua bề
mặt bánh ép tạo ra lực ngang đẩy cho trống

= Ptp.cos;
Pt

= Pn.tg;
Thnh phần Pn gây nén các chy, còn
thnh phần Pt có tác dụng đẩy trống ép theo
chiều quay của nó. Thnh phần Pt xuất hiện
lm cho trống quay không đều v phát sinh
hiện tợng rung động của trống ép.
Góc thay đổi trong giới hạn từ 0 đến
một trị số no đó phụ thuộc đờng kính bánh
ép, hnh trình ép trong giai đoạn ép tích cực
v mức độ biến dạng của lò xo của cơ cấu an
ton. Giả sử rằng các chy luôn bị ép trong
quá trình các chy dời xa nhau cho đến khi
các chy không tiếp xúc với bánh ép, lúc đó
góc chỉ phụ thuộc đờng kính bánh ép v
hnh trình của các chy trong pha ép tích
cực v biến thiên trong khoảng [0,
max
].
Từ quan hệ giữa các lực, có thể thấy khi
góc cng lớn thì thnh phần Pt cng lớn.
Đồ thị biến đổi của lực Pt theo góc khi

max
= 45
o
với lực Pn


Alpha ,
Pt, kN

Hình 12. Đồ thị biến thiên của Pt theo góc
658
Nghiờn cu thit k hon thin mỏy ộp viờn phõn bún
Vì vậy, khi chọn đờng kính bánh ép
Db
.ép
= 120 mm, với hnh trình ép của các
chy 12mm, góc áp lực lớn nhất tại điểm chy
bắt đầu tiếp xúc với bánh ép đạt khoảng 37
o
,
hon ton thoả mãn điều kiện tự hãm của
chy ép, nhng xuất hiện hiện tợng trống
quay không đều do lực Pt có giá trị lớn. Hiện
tợng trống quay không đều sẽ bị hạn chế
nếu chọn góc đủ nhỏ, bố trí 2 bánh ép đối
xứng trên trống v chọn số chy ép hợp lý hơn.
Từ thực nghiệm rút ra nhận xét, để
giảm hiện tợng chuyển động không đều của
trống, ta chọn bánh ép có đờng kính 200
mm. Khi ny góc áp lực tại điểm bắt đầu tiếp
xúc giữa chy v bánh ép l 27
o
, chiều di
cung ép tích cực khai triển l 100 mm (Hình
10c). Chiều di cung khai triển ứng với pha
dỡ liệu đợc xác định bằng thực nghiệm.

tiện m chúng có mối quan hệ với nhau
thông qua thông số đờng kính trống.
Số chu kỳ ép
Khi các thông số khác không đổi, nếu
tăng số chu kỳ ép sẽ tăng đợc năng suất
máy. Từ các nhận xét khi thử nghiệm, nhận
thấy nên chọn số chu kỳ ép p= 2. Nhờ đó, kết
hợp với cách chọn số chy lẻ, ta còn có thể
khắc phục đợc hiện tợng trống quay không
đều bằng cách bố trí các pha lm việc của hai
cặp bánh ép lệch nhau.
Đờng kính trống, số vòng quay của trống
trong một phút
Chọn số vòng quay của trống 15
vòng/phút. Với số chu kỳ ép p= 2, chu vi của
hình trụ đi qua tâm các chy ép phải thoả
mãn bất đẳng thức:
L 2. Lck = 2. 345 = 690 mm.

Hình 13. Biểu đồ chu kỳ với hnh trình triển khai đầy đủ của các chy ép
659
Hu Quyt, Bựi Vit c
Đờng kính mặt trụ phân bố chy trên
trống, gọi l đờng kính trống Dt, phải
không nhỏ hơn đờng kính tối thiểu Dmin:
Dt Dmin = 690/ = 220 mm.
Chọn đờng kính trống 260 mm, với số
chu kỳ ép p= 2, có chiều di khai triển thực
tế cho mỗi chu kỳ l 408 mm, trong khi chiều
di khai triển cần thiết cho một chu kỳ chỉ

các bộ phận lm việc cần thiết v lắp ngay
trên mẫu máy cơ sở (Hình 14). Do việc chế
tạo cụm trống tốn rất nhiều công sức v thời
gian nên nghiên cứu đã sử dụng lại vnh
trống cũ của máy cơ sở, thiết kế lại hệ thống
cam có khả năng thay đổi chiều di các đoạn
cung cam, hệ thống bánh ép v hệ thống
truyền động. Với các thay đổi nh vậy trên
mẫu máy kiểm chứng có thể đánh giá khả
năng lm việc của bộ phận ép mới thiết kế,
xác định đợc chiều di cần thiết của các
cung cam tơng ứng với các pha thao tác, đặc
biệt kiểm chứng khả năng đong đầy lỗ cối
khi nâng cao số vòng quay của trống.

Hình 14. Mẫu máy kiểm chứng
Mẫu máy kiểm chứng có các thông số kỹ
thuật nh sau:
Số chy ép: 10. Số vòng quay của trống
thay đổi đợc trong khoảng 10 - 17,5
vòng/phút nhờ thay đổi các bánh đai, với các
trị số cụ thể: 10; 12,5; 15,2 v 17,5 vòng phút.
Sau 1 vòng quay của trống, máy thực
hiện đợc 1 chu kỳ ép.
Từ các kết quả thử nghiệm mẫu máy
kiểm chứng, có thể rút ra các nhận xét sau:
ở tất cả các chế độ quay của trống, hệ
thống cam v bánh ép đều lm việc ổn định,
nhịp nhng. Khả năng hạn chế hiện tợng
quay không đều của trống cha kiểm chứng

Năng suất của mẫu máy kiểm chứng đạt
9.130 viên/giờ, tơng ứng với số vòng quay
của trống n = 15,2 vòng/phút, số chy ép Z =
10 v số chu kỳ ép p = 1. Nh vậy, nếu chế
tạo mẫu máy mới với n = 15 vòng/phút, Z =
21, p = 2 thì sẽ đạt đợc năng suất 37.800
viên/giờ nh đã thiết kế.
Nhìn chung, các kết quả thử nghiệm trên
mẫu máy kiểm chứng cho thấy máy hoạt
động ổn định, viên phân đợc ép ra đảm bảo
yêu cầu nông học. Nhóm nghiên cứu đang chế
tạo mẫu máy mới theo các thông số đã thiết
kế để tiếp tục thử nghiệm đánh khả năng lm
việc, đặc biệt l giải pháp hạn chế mi mòn cơ
học các bề mặt lm việc của máy v tăng mức
độ thuận tiện khi vận hnh máy.
4. KếT LUậN V Đề NGHị
Từ phân tích nguyên nhân giảm độ tin

cậy của mẫu máy cơ sở, đã thiết kế lại biểu
đồ chu kỳ của máy v tính toán thiết kế lại
một số bộ phận lm việc chính nhằm nâng
cao độ tin cậy v năng suất của máy.
Thiết kế, chế tạo các bộ phận cải tiến v


661