BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
******************

NGUYỄN TRỌNG THẮNG

NGHIÊN CỨU MÁY ÉP VIÊN PHÂN HỮU CƠ VI SINH
KIỂU CÁNH QUAY CỐI VÒNG ĐỨNG YÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh
Tháng 12 năm 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
******************

NGUYỄN TRỌNG THẮNG

NGHIÊN CỨU MÁY ÉP VIÊN PHÂN HỮU CƠ VI SINH
KIỂU CÁNH QUAY CỐI VÒNG ĐỨNG YÊN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ khí
Mã số
: 60 - 5214

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT
Hướng dẫn Khoa học:
TS. NGUYỄN NHƯ NAM


5. Ủy Viên:

TS. NGUYỄN NHƯ NAM
Đại học Nông Lâm TP. HCM
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH
HIỆU TRƯỞNG

i


LÝ LỊCH CÁ NHÂN
Tên tôi là Nguyễn Trọng Thắng, sinh ngày 07 tháng 09 năm 1982 tại huyện Duy Tiên
tỉnh Hà Nam. Con ông Nguyễn Trọng Vịnh và Bà Phạm Thị Lạng.
Năm 2000 tốt nghiệp phổ thông trung học tại Trường Long Khánh tỉnh Đồng
Nai.
Năm 2005 tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Chế Biến Nông Sản Thực phẩm
Trường Đại học Nông Lâm, niên khóa 2000 – 2005.
Năm 2005 – 2007 đi làm công ty. Hiện nay đang công tác tại trường Cao Đẳng
Nghề Số 8, chức vụ giáo viên của Khoa Cơ Khí Động Lực.
Học cao học chuyên ngành cơ khí nông nghiệp tại Trường Đại học Nông Lâm
Thành Phố Hồ Chí Minh, niên khóa 2007 – 2010.
Tình trạng gia đình: Độc thân.
Địa chỉ liên lạc: Số nhà 157/1 Nguyễn Tri Phương, Phường Xuân An, Thị Xã
Long Khánh, Tỉnh Đồng Nai.
Điện Thoại: 0613782658 – 0918283792
Email: [email protected]

ii


yên” được tiến hành tại khoa Cơ khí – Công nghệ trường Đại học Nông Lâm Thành
phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 3 năm 2009 đến tháng 11 năm 2010.
Mục đích của đề tài là nâng cao hiệu quả ép viên trong dây chuyền công nghệ
sản xuất phân vi sinh.
Ý nghĩa khoa học của đề tài là từ cơ chế tạo hình bằng nén ép cơ học để đề xuất
nguyên lý làm việc nhằm giảm chi phí năng lượng riêng và nâng cao độ bền viên trong
công nghệ sản xuất phân vi sinh.
Nội dung nghiên cứu của đề tài là thiết kế chế tạo máy ép viên phân vi sinh kiểu
cánh gạt cối vòng đứng yên. Máy ép viên có nguyên lý làm việc là gạt và lùa nguyên
liệu vào khe hở giữa cánh gạt và bề mặt khuôn. Dựa trên mô hình thiết kế để nghiên
cứu thực nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm tối ưu.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là ứng dụng và kế thừa lý thuyết nén - ép,
phương pháp quy họach thực nghiệm tối ưu. Thí nghiệm được bố trí dạng bậc II kiểu
Box –Hunter. Bài toán tối ưu hóa được giải theo phương pháp giải tích và kiểm tra trên
máy tính theo thuật toán ngẫu nhiên kết hợp dò tìm trực tiếp.
Kết quả đã thiết kế, chế tạo máy ép viên kiểu cánh quay cối vòng đứng yên. Chế
độ tối ưu của máy: Số vòng quay của cánh gạt n = 307 vòng/ph; khe hở giữa cánh gạt
và bề mặt khuôn h = 10 mm; góc nghiêng cánh gạt theo phương hướng kính a = 78 độ;
lượng cung cấp q = 45,5 kg/ph.

v


SUMMARY
The study entitled “Research on the machine for pressing micro-organic fertilizer with
wing turns round- mortar round to keep still ”. It was performed at the Department of
Mechanics and Technology in Nong Lam University of Ho Chi Minh City from March
2009 to September 2010.
This research aims at upgrading the productivity of the machine in the line of
microbiological fertilizer producing technology.

ii

Lời cam đoan

iii

Lời cảm tạ

iv

Tóm tắt

v

Summary

vi

Mục lục

vii

Danh sách các ký hiệu

x

Danh sách các hình

xii


8

2.3. Cơ sở lý thuyết của quá trình nén ép vật thể

9

2.3.1. Khái niệm

9

2.3.2. Các phương pháp nén – ép

10

2.3.3. Các hình thái liên kết ẩm với vật rắn

11

2.3.4. Quá trình tạo phôi kết dính

11

2.3.5. Các phương pháp tạo viên

13

2.3.6. Phương trình ép cơ bản

13


19

2.4.6. Năng suất máy ép viên

19

2.4.7. Công suất của máy ép viên xác định theo công thức

20

2.5. Ý kiến thảo luận

20

3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

22

3.1. Mô hình máy nghiên cứu

22

3.2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

23

3.2.1. Phương pháp tối ưu hoá

23


4.1.1.2. Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm

29

4.1.1.3. Công nghệ và thiết bị

29

4.1.1.4. Vật liệu chế tạo máy

30

viii


4.1.1.5. Các máy tham gia chế tạo máy

30

4.1.1.6. Lựa chọn mô hình máy ép viên phân vi sinh

31

4.2. Nghiên cứu máy ép viên bằng phương pháp quy hoạch
thực nghiệm cực trị

34

4.2.1. Lựa chọn các thông số nghiên cứu thực nghiệm


4.2.3.1. Khái niệm thông số tối ưu và chỉ tiêu tối ưu

61

4.2.3.2. Phát biểu các bài toán tối ưu

61

4.2.3.3. Xác định các thông số tối ưu theo chỉ tiêu mức tiêu thụ
điện năng thấp nhất

62

4.2.3.4. Xác định các thông số tối ưu theo chỉ tiêu mức
độ bền viên cao nhất

63

4.2.3.5. Nghiên cứu các thông số tối ưu đa mục tiêu

63

4.3. Ý kiến thảo luận

64

5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

65




Độ nén ép

h0

Chiều cao lớp hỗn hợp trước khi ép

m

h1

Chiều cao lớp hỗn hợp sau khi ép

m

V

Thể tích của hỗn hợp trước khi ép

m3

V1

Thể tích của hỗn hợp sau khi ép

m3

0


g

Gia tốc trọng trường

m/s2

m

Khối lượng vật liệu

kg

d0

Đường kính của lỗ khuôn

m



Hệ số Poisson

Pt

Lực ma sát trượt với thành của lỗ ép

N/m2

Ph



d0

Đường kính lỗ khuôn

mm

v

Vận tốc của vật liệu bị ép qua lỗ khuôn

m/s

r

Bán kính con lăn

m

t

Thời gian biến dạng

s

1

Góc kẹp

N


Thời gian ép

h

Ar

Chi phí năng lượng

kWh/tấn

A

Điện năng tiêu thụ để sản xuất M (tấn) vật liệu

kWh

B

Độ bền viên

%

m1

Khối lượng viên không bị bể

kg

m2


Cánh tay đòn

y1

Hàm mức tiêu thụ điện năng

y2

Hàm mức độ bền viên

kW

xi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1 Phân vi sinh bón cho cây

4

Hình 2.2 Quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh

8

Hình 2. 3 Các nguyên lý ép viên


54

Hình 4.5 Đồ thị quan hệ Ar – n – h ở dạng phẳng

54

Hình 4.6 Đồ thị ảnh hưởng của các hệ số hồi qui đến
độ bền viên ở dạng thực

59

Hình 4.7 Đồ thị quan hệ B – n – h ở dạng không gian 3 chiều

60

Hình 4.8 Đồ thị quan hệ B – n – h ở dạng phẳng

60

xii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 4.1 Miền thực nghiệm theo phương án thực nghiệm bậc I


phương pháp vo viên. Trong một số trường hợp như nguyên liệu đưa vào tạo viên ẩm,
có độ dính cao thì phương pháp vo viên không thực hiện được. Đối tượng thuộc loại
này gồm các nguyên liệu như phân chuồng (phân trâu, bò, heo, gà,..), hay phân rác,
phân mùn. Đây là nguồn nguyên liệu phong phú, hầu như không bao giờ cạn trên trái
đất. Đôi khi nếu quá dư thừa sẽ trở thành vấn nạn gây ô nhiễm môi trường. Các
nguyên liệu này sản xuất ra phân hữu cơ vi sinh.
Một ưu điểm quan trọng của phân hữu cơ vi sinh là rất thân thiện với cây trồng
và con người. Sự phát triển của xã hội đã tạo ra những yêu cầu mới trong sản xuất
nông nghiệp. Một trong những yêu cầu đó là người lao động tham gia sản xuất nông
nghiệp không muốn sử dụng phân bón dạng bột theo hai lý do:
+ Phân dạng bột khi bón trực tiếp gây ô nhiễm môi trường, tác động có hại
trực tiếp ngay tới người lao động.
+ Phân bón dạng bột phân huỷ nhanh, không phù hợp với nhu cầu sinh lý của
cây trồng. Vì nguồn dinh dưỡng cây trồng cần thường xuyên chứ không cần đột ngột
tại thời điểm bón. Với độ bền vừa đủ, phân bón dạng viên giúp cây trồng lấy được
chất dinh dưỡng do phân bón mang lại từ từ.
Với viên phân bón được tạo hình bằng cách vo viên có độ bền rất thấp, gặp
nước hay ẩm độ cao thì tan nhanh. Vì vậy, công nghệ sản xuất phân bón dạng viên

-1-


đang được các nhà khoa học nghiên cứu theo hai hướng. Đó là dùng chất dính kết để
tăng độ bền viên hoặc dùng phương pháp ép bằng tác động cơ học.
Máy để tạo ra viên bằng phương pháp ép gọi là máy ép viên. Đặc điểm quan
trọng khi ép viên trong công nghệ sản xuất phân vi sinh là đối tượng gia công có tính
dính, vón cục và hệ số ma sát rất lớn. Đây là những đặc tính ảnh hưởng rất lớn đến
khả năng làm việc của tất cả các máy tạo viên, kể cả máy ép viên hay máy vo viên.
Các nguyên lý ép viên kiểu thức ăn gia súc như cối vòng con lăn hay ép trục định
hình không áp dụng được cho đối tượng phân vi sinh. Nguyên lý ép vít cho năng suất

than bùn mới được hoàn thiện và đến năm 1991 đã có hơn 10 đơn vị trong cả nước
tập trung nghiên cứu phân vi sinh vật. Các nhà khoa học đã phân lập được nhiều
chủng vi sinh vật cố định đạm và một số VSV phân giải lân.

Hình 2.1. Phân vi sinh bón cho cây
 Hiện nay phân vi sinh thường được chia làm 3 loại là:

-3-


2.1.1.1 Phân vi sinh cố định đạm
Đây là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống, đã được tuyển
chọn với mật độ đạt theo tiêu chuẩn hiện hành có khả năng cố định nitơ từ không khí
cung cấp các hợp chất chứa nitơ cho đất và cây trồng, tạo điều kiện nâng cao năng
suất và chất lượng nông sản, tăng độ màu mỡ của đất. Phân vi sinh vật cố định nitơ
và các chủng vi sinh vật này không gây ảnh hưởng xấu đến người, động thực vật, môi
trường sinh thái và chất lượng nông sản. Vi sinh vật cố định nitơ là vi sinh vật sống
cộng sinh hay hội sinh với cây trồng, hoặc vi sinh vật sống tự do trong đất, nước,
không khí.
2.1.1.2 Phân vi sinh phân giải phosphat khó tiêu
Đây là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống, đã được tuyển
chọn với mật độ đạt theo tiêu chuẩn hiện hành có khả năng chuyển hoá hợp chất
photpho khó tan thành dạng dễ tiêu cung cấp cho đất và cây trồng, tạo điều kiện nâng
cao năng suất và chất lượng nông sản. Phân lân vi sinh và các chủng vi sinh vật này
không ảnh hưởng xấu đến người, động thực vật, môi trường sinh thái và chất lượng
nông sản.
2.1.1.3 Phân bón vi sinh vật phân giải xenluloza (Tên thường gọi: Phân vi sinh
phân giải xenluloza)
Đây là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống, đã được tuyển
chọn với mật độ đạt theo tiêu chuẩn hiện hành có khả năng phân giải xenluloza, để


-5-


nguyên liệu, ở đây các nguyên liệu được điều chỉnh để đạt được tỷ lệ :

C
 30  40 ,
N

độ ẩm đạt được từ 60 – 70 %, độ pH = 6,8 – 7,5.
Sau khi trộn xong, phối liệu được đưa vào hầm ủ, kết hợp phun dịch vi sinh
vật hoạt hóa và cấp khí bằng quạt công nghiệp cao tốc. Nhiệt độ đống ủ sau 5 – 7
ngày đạt được từ 55 – 650 C, có thể lên tới 70 – 750 C vào ngày thứ 9 và 10, sau đó
giảm dần. Thời gian ủ (háo khí) thường kéo dài từ 15 – 20 ngày. Giai đoạn ủ chín,
thổi khô từ 10 – 15 ngày.

-6-


Hình 2.2. Quy trình sản xuất phân hữu cơ vi sinh
Trong suốt quá trình ủ, phân được đảo trộn định kỳ từ 5 – 7 ngày một lần, khi
nhiệt độ đống phân xuống bằng hoặc thấp hơn nhiệt độ hầm ủ, ẩm độ còn từ 28 – 30
%, không còn mùi khó chịu, không có các loại côn trùng và xuất hiện màu trắng hay
màu xám trắng của các sợi của Actinomyces (xạ khuẩn), phân đã hoại, được đưa đi
nghiền, sàng, trộn các chất phụ gia (theo nhu cầu) và tạo hạt (nếu cần), sau đó đóng
bao thành phẩm.

-7-



Kích thước viên: Các viên tạo ra có thể có dạng hình trụ, lăng trụ hoặc viên
định hình, đường kính từ 2,5 - 8 mm hoặc lớn hơn. Độ dài của viên được xác định
phụ thuộc vào đường kính của viên.
Độ cứng của viên: Đóng vai trò quan trọng, không quá cứng, không quá mềm.
Nếu cứng quá khó tan, không đủ độ cứng viên dễ bị vỡ nát.
Viên cần có độ đồng đều cao.
Viên đưa vào đóng gói phải có độ ẩm ở chế độ bảo quản, nhiệt độ của viên
bằng với nhiệt độ môi trường.
Yêu cầu kỹ thuật đối với một máy ép viên là: Năng suất máy cao; chi phí năng
lượng riêng thấp; có khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao.
Việc lựa chọn phương pháp ép viên, dạng máy ép viên phụ thuộc vào các tính
chất cơ lý và cỡ hạt của sản phẩm ép viên bao gồm:
- Kích thước cấu tử, khối lượng thể tích, độ linh động (độ xốp), độ ẩm, sự dính
kết.
- Khối lượng riêng, độ nhớt, độ dính, sự có mặt các hạt huyền phù đối với sản
phẩm lỏng.
- Khối lượng thể tích, độ đặc, độ dính, độ linh động, tính đàn hồi đối với dạng
sản phẩm bột nhão và bột nhào.
2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình nén ép vật thể
2.3.1 Khái niệm
Nén ép là quá trình làm xích lại gần của các phân tử nguyên liệu dưới tác dụng
của ngoại lực, kết quả là khối lượng riêng được tăng lên.
Nhìn từ góc độ sản phẩm thì quá trình nén ép là quá trình tạo ra khối sản phẩm
phụ thuộc vào khối lượng riêng và độ sệt của nó. Khối sản phẩm tạo ra có thể giữ
được hình dạng dưới ảnh hưởng của nội lực liên kết hay phản lực ngoài từ các vật
giới hạn (bởi các bộ phận làm việc của máy như thành bình, thành máng…).
Mục đích của quá trình nén ép là ngoài công việc tách pha lỏng, lèn chặt sản
phẩm nhằm cải tiến điều kiện vận chuyển, nó còn làm cho sản phẩm có hình dạng
nhất định.