Thiết kế máy nghiền bi gián đoạn nghiền nguyên liệu cho xương chén sứ dân dụng

ai Khoa công nghệ vật liệu Lớp VL04Si Mục lục : Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NGHIỀN. Khái niệm chung về quá trình nghiền. ……………………... 1 Khái niệm. 1 Các phương pháp tác dụng lực 1 Mức độ đập nghiền. 1 Các yêu cầu đối với quá trình đập nghiền. 2 Phân loại theo chu trình và phương pháp nghiền. 2 Cơ sở lý thuyết quá trình đập nghiền. ……………………... 3 Các lý thuyết về đập nghiền. 3 Định luật Bond về chỉ số công. 4 Chương 2 : GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU. Các tính chất cơ bản của vật liệu nghiền. …………………. 5 Độ cứng. 5 Độ giòn 5 Hệ số mài mòn 5 Trọng lượng riêng. 6 Độ bền 6 Hệ số khả năng đập nghiền 6 Kích thước hạt. 6 Thành phần nguyên liệu. …………………………………... 7 Đất sét. 7 Cao lanh. 7 Tràng thạch. 8 Cát. 8 Chương 3 : GIỚI THIỆU VỀ MÁY NGHIỀN BI GIÁN ĐOẠN. Giới thiệu cấu tạo máy nghiền bi gián đoạn. ……………….. 9 Giới thiệu sơ lược. 9 Nguyên lý hoạt động. 10 Một số chi tiết cơ bản của máy nghiền bi gián đoạn. 10 - thùng nghiền. 10 - tấm lót và bi nghiền. 10 Lý thuyết tính toán. ………………………………………… 14 Lượng bi nghiền nạp vào máy. 14 Tốc độ quay của thùng. 16 Lượng vật liệu nạp. 20 Chương 4 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN BI GIÁN ĐOẠN NGHIỀN XƯƠNG CHÉN SỨ NĂNG SUẤT 10 TRIỆU CHÉN/NĂM Tính cân bằng vật chất. ……………………………………. 21 Đơn phối liệu. 21 Qui trìmh sản xuất. 22 Bảng tính cân bằng vật chất. 23 Các thông số ban đầu. ……………………………………... 24 Thùng nghiền. ……………………………………………... 24 Kích thước thùng. 24 Gạch lót. 25 Bi nghiền. 27 Vỏ thép. 27 Cửa và đối trọng. 28 Cổ trục. 29 Tính toán chuyển động của máy. …………………………... 29 Hệ số đổ đầy bi đạn. 29 Vận tốc quay của thùng. 30 Sự chu chuyển của bi nghiền trong thùng. 30 1. Số chu kỳ chuyển động của bi. 31 Số bi trên quĩ đạo tròn và parabol 31 Công suất máy nghiền bi. …………………………………. 32 công suất tiêu hao để nghiền vật liệu. 32 công suất têu hao để thắng ma sát. 33 công suất tổng cộng của máy. 34 Bộ phận truyền động. ……………………………………… 34 Lựa chọn động cơ. 36 Hộp giảm tốc. 36 Dây đai cấp 1. 36 Dây đai cấp 2. 39 KIỂM TRA TÍNH BỀN 43 1. Thân thùng 43 2. Bulông ghép thân và đáy thùng. 45 3. Cổ trục thùng nghiền. 46 Tài liệu tham khảo 47 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NGHIỀN KHÁI NIỆM CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH NGHIỀN 1. Khái niệm : Nghiền là quá trình làm giảm kích thước cục vật liệu rắn dưới tác dụng của ngoại lực nhằm phá vỡ nội lực liên kết giữa các phần tử trong cục vật liệu, kích thước sản phẩm đầu ra là dạng hạt mịn (d ≤ 5 mm ) 2. Các phương pháp tác dụng lực : Nén ép Mài xiết nổ Va đập uốn Khi thiết bị làm việc có thể kết hợp nhiều phương pháp. Trong quá trình nghiền, lực tác dụng chủ yếu là lực mài xiết và lực va đập. 3. Mức độ đập nghiền : Mức độ đập, nghiền là tỉ số kích thước của cục vật liệu trước khi đập , nghiền (D) với kích thước của nó sau khi đập, nghiền (d) Đối với hỗn hợp vật liệu có kích thước khác nhau thì ta dùng lưới sàng phân loại và tính đường kính trung bình của khối hạt Từ đó ta tính được hệ số đập nghiền theo công thức 4. Các yêu cầu đối với quá trình đập nghiền : - Năng lượng tiêu tốn phải là nhỏ nhất, phụ thuộc: Lực liên kết giữa các phân tử vật liệu. Hình dạng của vật liệu. Kích thước hạt vật liệu. Thiết bị. Hệ số ma sát giữa vật liệu với bề mặt thiết bị đập nghiền. - Chỉ đập nghiền đến mức độ cần thiết, không nên nghiền quá yêu cầu, khi đạt đến độ mịn cần thiết thì thao ra khỏi máy ngay. - Các quá trình đập nghiền phải hoàn toàn tự do, không kèm theo các quá trình phụ khác trong quá trình đập nghiền. - Khi cần mức độ đập nghiền lớn thì phải thực hiện quá trình đập nghiền qua nhiều lần và sử dụng nhiều loại máy thích hợp. (VD: Để có được đá vôi dạng bột mịn có dtb<1mm từ các khối đá vôi lớn kích thước vài chục m3 ta phải thực hiện nhiều công đoạn: đập thô với máy đập hàm, đập mịn với máy đập búa, và cuối cùng là nghiền mịn với máy nghiền bi .) - Dễ sửa chữa và thay thế các chi tiết bị hư hỏng trong máy. - Sản phẩm thu được phải tương đối đồng đều về kích thước. - Phải có khả năng điều chỉnh mức độ đập nghiền dễ dàng. - Khi lựa chọn máy cần căn cứ vào tính chất vật liệu cần đập nghiền để lựa chọn máy thích hợp. …. 5. Phân loại theo chu trình và phương pháp nghiền: a. Phân loại theo chu trình làm việc: Làm việc theo chu trình hở: không có dòng hồi lưu. vật liệu đập nghiền sản phẩm vật liệu đập nghiền sản phẩm sản phẩm Làm việc theo chu trình kín: có dòng hồi lưu. vật liệu Phân loại dưới sàn sản phẩm Trên sàn đập nghiền sản phẩm Theo phương pháp nghiền: Nghiền khô: Ưu điểm: - Vật liệu sau khi nghiền không cần sấy lại. - Có thể kết hợp quá trình nghiền và sấy. Khuyết điểm: Tiêu tốn nhiều năng lượng. Sinh ra bụi Cần lực nghiền lớn. Do lực ma sát lớn nên sinh nhiều nhiệt làm nóng thiết bị. Vật liệu hay dính bết vào thành máy. Nghiền ướt: Ưu điểm: Không sinh ra bụi. Tiêu tốn năng lượng ít hơn nhờ có nước len vào các vết nứt có trong hạt vật liệu giúp chúng dễ nứt ra. Vật liệu không bị dính bết vào thiết bị. Giảm lực ma sát nên thiết bị ít bị nóng, tăng tuổi thọ. Khuyết điểm: Tiêu tốn năng lượng để sấy khô vật liệu sau khi nghiền. Năng suất bị giảm vì phải tốn một phần trọng lượng là nước CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ĐẬP NGHIỀN : 1. Các lý thuyết về nghiền: a. Thuyết diện tích bề mặt của Rittinger: Thuyết này được phát biểu như sau: “Công cần thiết để đập nghiền tỉ lệ với bề mặt mới tạo thành của vật liệu.” Công cần thiết để đập nghiền vật liệu theo thuyết bề mặt sẽ là : A1= 6.ArKD2(i-1) với: Ar: (N.cm/cm2) là công tiêu tốn riêng phá vỡ vật liệu theo một mặt phẳng có diện tích 1cm2. Được xác định bằng thực nghiệm. K: phụ thuộc vào hình dáng, tính chất vật liệu, và phương pháp sử dụng. Được xác định bằng thực nghiệm (K=1.2 ÷ 1.7 ) D: (cm2) là kích thước cạnh bên của cục vật liệu ban đầu khi giả sử cục vật liệu ban đầu có hình khối lập phương. i là mức độ đập nghiền. Công thức này thường được áp dụng cho quá trình nghiền, i << 1. Thuyết này chỉ mới xét đến công tiêu hao để tạo bề mặt mới mà chưa xét đến quá trình biến dạng của cục vật liệu nghiền. b. Thuyết thể tích của Kick: Được phát biểu như sau: “Công tiêu hao trong quá trình đập nghiền tỉ lệ với biến thiên thể tích”. Với: σ (N/cm2) là giới hạn bền nén của vật liệu. E (N/cm2) là modul đàn hồi của vật liệu ∆V (cm3) là hiệu số thể tích của vật liệu trước và sau đập nghiền. ∆V = D3 − d3 Thuyết này phù hợp với quá trình đập thô và đập vừa c. Thuyết tổ hợp của Rêbinderơ: “Công đập vật liệu gồm cả 2 phần là ; công tiêu hao để làm biến dang vật liệu và công để tạo ra bề mặt mới.” Thuyết bề mặt và thuyết thể tích là trường hợp riêng của thuyết tổ hợp. 2. Định luật Bond và chỉ số công: “công cần thiết để tạo nên hạt có đường kính d từ cục vật liệu ban đầu rất lớn tỉ lệ với căn bậc hai tỉ số diện tích bề mặt thể tích sản phẩm” Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU NGHIỀN 1. Độ cứng: Độ cứng là một thông số quan trọng trong quá trình đập nghiền, nó giúp ta lựa chọn vật liệu làm bi đạn và tấm lót thích hợp. yêu cầu độ cứng của bi nghiền và tấm lót phải bằng nhau và lớn hơn độ cứng lớn nhất của vật liệu cần nghiền. Hiện nay độ cứng thường được đo bằng thang Mohs gồm 10 bậc với 10 vật liệu chuẩn được xắp theo thứ tự từ cứng tới mền. Độ cứng Vật liệu chuẩn 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Kim cương Sapphire Topaz Quatz Tràng thạch Apatite Florite Cancite Thạch cao Talt Độ giòn : Đặc trưng cho khả năng bị phá huỷ dưới tác dụng va đập của vật liệu. dựa vào số lần va đập cần thiết để phá huỷ vật liệu người ta chia thành các loại sau: Rất giòn < 2 lần va đập Giòn 2 – 5 lần va đập Dai 5 – 10 lần va đập rất dai > 10 lần va đập Vật liệu càng giòn thì càng dễ đập nghiền, năng lượng tiêu tốn càng nhỏ. Hệ số mài mòn : Hệ số đặc trưng cho mức độ làm mòn các bộ phận tiếp xúc với nó trong quá trình làm việc. Đây là một thông số quan trọng trong nghiền ướt vật liệu cứng. Khả năng mài mòn của các loại vật liệu là khác nhau và được đo bằng hệ số tương đối so với bột mài là corundum (tinh thể nhôm). Biết được hệ số khả năng mài mòn của vật liệu ta sẽ tính được thời gian cần phải thay bi nghiền và tấm lót. Tuỳ theo độ bền cơ học ta chia làm 3 loại. giới hạn bền nén S, N/m2 vật liệu điển hình mềm < 9,81 . 106 thạch cao, than đá cứng trung bình 9,81 . 106 Aratit, sa thạch cứng > 49 . 106 Cát, kim cương, đá cẩm thạch 4. Trọng lượng riêng: Thông số này không quan trọng lắm nếu ta nghiền riêng từng loại vật liệu, nhưng nếu ta nghiền trộn hỗn hợp các vật liệu khác nhau thì nó trở nên rất quan trọng. Nếu trọng lượng riêng của các vật liệu khác nhau thì khi nghiền trộn chúng có thể bị phân lớp không hoà đều vào nhau. 5. Độ bền : Căn cứ vào dộ bền nén (σ - kG/cm2) ta chia vật liệu ra làm nhiều loại: σ < 100 vật liệu kém bền 100 < σ < 500 vật liệu bền trung bình. 500 < σ < 2500 vật liệu bền σ >2500 vật liệu rất bền 6. Kích thước hạt: Kích thước trung bình của một cục vật liệu được tính bằng trung bình cộng hoặc trung bình nhân kích thước ba chiều trong không gian của nó. Đối với vật liệu dạng tấm có thể bỏ qua chiều có kích thước rất nhỏ so với hai chiều còn lại. Đối với vật liệu dạng sợi chỉ tính kích thước theo chiều dài. Tính kích thước trung bình của : Nhóm vật liệu: Hỗn hợp nhóm vật liệu: ai : phần trăm khối lượng nhóm hạt thứ i. di : kích thước trung bình của nhóm hạt thứ i. 7. Hệ số khả năng đập nghiền: Là tỉ số của năng lượng tiêu hao riêng của vật chuẩn so với năng lượng tiêu hao riêng của vật nghiền ở cùng điều kiện trạng thái và mức độ đập nghiền. Vật liệu chuẩn: clinker của lò quay trung bình có K = 1 Năng suất đập nghiền Q0 (tấn/h) vật liệu hệ số khả năng đập nghiền Clinke lò quay trung bình Clinke lò quay dễ đập nghiền Clinke lò quay khó đập nghiền Clinke lò đứng tự động Clinke lò đứng thủ công diệp thạch xỉ lò cao trung bình cát đá vôi đá hoa cương to hạt đất sét khô tràng thạch vôi sống talt than đá đá Bazan Manhezit 1.0 1.12 0.8 – 0.9 1.15 – 1.25 1.3 – 1.4 0.9 1.0 0.6 – 0.7 1.0 0.9 1.51 – 2.03 0.8 – 0.9 1.64 1.04 – 2.02 0.75 – 1.34 0.75 0.69 – 0.99 Vật liệu nào có hệ số khả năng đập nghiền càng lớn (K > 1) thì càng dễ đập nghiền. Hệ số đập nghiền K1 < K2 Độ cứng H1 > H2 Năng lượng A1 > A2 Thời gian nghiền T1 > T2 Năng suất Q1 < Q2 THÀNH PHẦN NGUYÊN LIỆU : Đất sét: Là tên chung chỉ nguyên liệu đất chứa Alumo-Silicát ngậm nước có cấu trúc lớp, độ phân tán cao, khi hoà tan vào nước có tính dẻo, khi nung tạo sản phẩm kết khối rắn chắc. Ta sử dụng đất sét trong thành phần phối liệu nhầm giúp các hạt vật liệu liên kết lại với nhau, để có thể tạo hình cho mộc. hạt đất sét rất nhỏ (khoảng vài micromet) không cần phải nghiền, nhưng ta vẫn đưa đất sét vào máy nghiền bi chủ yếu để đánh tơi và trộn đều với các phối liệu khác. trọng lượng riêng của đất sét từ 2.5 ÷ 2.8 kg/dm3 Cao lanh: Cao lanh cũng là một loại đất sét nhưng có thành phần khoáng chủ yếu là Kaolinite (loại khoáng sét không có tính dẻo) nên tính dẻo của cao lanh rất thấp, không dùng để làm chất kết dính cho mộc. Độ cứng theo thang Mohr : 2 ÷ 2.5 Tràng thạch: Tràng thạch là hợp chất của các Alumo-silicat không ngậm nước. Ngoài ra trong thành phần của nó còn có thể có: Na2O (tràng thạch natri, hay albit), độ cứng 6 ÷ 6.5 K2O (tràng thạch kali, hay orthoclaz), độ cứng 6 ÷ 6.5 CaO (tràng thạch canxi, hay anortit), độ cứng 6 ÷ 6.5 Trong đó tràng thạch kali có vai trò quan trọng nhất vì tạo ra khoáng Leucit. Tràng thạch được coi là nguyên liệu gầy, không có tính dẻo, đóng vai trò làm chất chảy trong môc và men gốm sứ (tạo pha thuỷ tinh sau khi nung). Theo biểu đồ trạng thái pha lỏng xuất hiện trong khoảng nhiệt độ 950OC và chảy thành dòng ở khoảng 1530oC. Trong khoảng nhiệt độ chảy khá rộng này, nhờ có Leucit nên dộ nhớt pha lỏng cao nên dễ nung hơn và sản phẩm ít bị biến dạng. Tràng thạch kali là nguyên liệu không thể thiếu trong sản xuất các loại sản phẩm sứ và bán sứ. Độ cứng theo thang Mohr của tràng thạch từ 6 ÷ 6.5 Cát: Cát là nguyên liệu chính cung cấp SiO2, hàm lượng SiO2 trong cát chiếm 95 ÷ 99.5%. Trong cát, SiO2 tồn tại ở dạng thù hình bền ở nhiệt độ thấp là β-quắc. Cát đóng vai trò là nguyên liệu gầy trong gốm sứ, giúp tăng độ bền cơ của mộc, giảm độ co sấy và co nung. Độ cứng theo thang Mohr của cát là 7 → Ta nhận thấy cát là nguyên liệu có độ cứng cao nhất trong các nguyên liệu cần nghiền, ta phải tìm bi nghiền và tấm lót có độ cứng lớn hơn 7. Chương 3: GIỚI THIỆU VỀ MÁY NGHIỀN BI GIÁN ĐOẠN MÁY NGHIỀN BI GIÁN ĐOẠN: Giới thiệu sơ lược: Máy nghiền bi thùng ngắn làm việc gián đoạn có cấu tạo đơn giản gồm thùng quay hình trụ bằng thép quay trên 2 ổ đỡ. Máy quay nhờ động cơ truyền động qua đai (hay qua hộp giảm tốc) tới bộ ly hợp và cặp bánh răng truyền động. Vật liệu nghiền và bi được cho vào và lấy ra khỏi thùng qua của hông trên thân thùng. Bộ ly hợp giúp cho máy chạy êm và tránh quá tải tức thời. Quá trình nghiền vật liệu xảy ra nhờ lực va đập và ma sát của vật liệu với bi nghiền và thùng nghiền. Máy có thể dùng dể nghiền ướt hay khô, chu trình kín và hở. Máy làm việc gián đoạn theo từng mẻ nên năng suất thấp chỉ dùng cho qui mô nhỏ. Loại máy nghiền gián đoạn thường được dùng trong các nhà máy gốm sứ. Máy nghiền bi gián đoạn thường được dùng để nghiền ướt, không dùng để nghiền khô vì khó tháo liệu. Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, làm việc ổn định. Nghiền trộn tương đối đồng đều. Có thể kết hợp được quá trình sấy và nghiền (nếu nghiền khô) Vận hành dễ dàng, mức độ đập nghiền cao. Khuyết điểm: Thể tích sử dụng chỉ chiếm khoảng 50% thể tích thùng. Tất cả bi đạn không đồng thời tham gia làm việc. Kích thước lớn, cồng kềnh. Gây tiếng ồn khi làm việc. Mômen mở máy lớn, dễ cháy động cơ. Tiêu tốn năng lượng lớn vì ở cuối chu kỳ dù chỉ còn mộtb số ít hạt chưa đạt kích thước yêu cầu máy vẫn tiêu tốn năng lượng để nghiền toàn bộ vật liệu nẳm trong máy. Nguyên lý hoạt động: Vật liệu được cân sau đó cho vào máy, nước được bơm vào thùng nghiền qua một đường ống với lượng được tính trước bằng của ở thân thùng. động cơ được khởi động từ từ tránh quá tải khi mở máy. Khi thùng chuyển động quay tròn thì bi nghiền và vật liệu chịu lực ly tâm được đưa lên một độ cao nào đó rồi rơi xuống. Trong cả quá trình chuyển động tương đối với nhau giữa bi nghiền và vật liệu sinh ra lực ma sát làm mài nhỏ vật liệu. Đồng thời động năng sinh ra do bi đạn rơi tạo lực va đập đập nhỏ vật liệu. Bên cạnh đó vật liệu được mài nhỏ còn nhờ ma sát giữa vật liệu và tấm lót thân thùng nghiền. Sau một thời gian ta kiểm tra thấy vật liệu đã đạt được độ mịn yêu cầu thì cho tháo liệu. Ta thay của bằng một tấm ghi, và cho quay thùng sau cho miệng của hướng xuống. Vật liệu sẽ thoát ra qua lỗ ghi còn bi nghiền sẽ được giữ lại. Sau một thời gian có thể vật liệu không thể thoát ra ngoài được vì hai lý do: - Lỗ ghi bị bít do bi lấp kín miệng lỗ → giải quyết bằng cách lấy gậy đẩy bi ra. - Áp suất trong thùng cân bằng nên không tạo được lực dẩy vật liệu ra ngoài → giải quyết bằng cách thiết kế một lỗ nhỏ trên thân thùng để áp suất trong thân thùng tăng lên, giúp dẩy vật liệu ra ngoài. Một số chi tiết cơ bản của máy nghiền bi gián đoạn Thùng nghiền: Vỏ thép được chế tạo bằng thép với chiều dầy δ = (0.01 ÷ 0.015)D, với D là đường kính vỏ máy. Vỏ máy thường được hàn hay tán đinh rivê. Ngày nay người ta thường dùng phương pháp hàn vì làm giảm trong lượng vỏ máy, dễ lắp ghép tấm lót và vỏ máy, ít gây ăn mòn trong quá trình sử dụng. Tuy nhiên khi hàn sẽ gây ra ứng suất nội tạo vết nứt, vì thế sau khi hàn ta cần phải ủ. Trên thân thùng có khoét lỗ để làm của nhập liệu. Để đảm bảo cho thùng được cân bằng, tránh khi quay thùng bị nghiên gây gẫy trục ta phải có một đối trọng trên thân thùng ở vị trí đối xứng với cửa nạp liệu. Tấm lót và bi nghiền: Bề mặt trong của thùng nghiền chịu tác dụng của lực va đập và chà xát bởi vật liệu và bi nghiền nên bị bào mòn đi. Tấm lót và bi nghiền thường được làm từ cùng một loại vật liệu để tránh hiện tượng bào mòn lẫn nhau. Độ cứng của tấm lót và bi nghiền phải lớn hơn độ cứng lớn nhất của vật liệu cần nghiền. Thành phần hoá của bi nghiền phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến màu sắt và tính chất của nguyên liệu. Ở đây, độ cứng lớn nhất của vật liệu cần nghiền là 7 của cát vì thế ta sẽ lựa chọn vật liệu có độ cứng lớn hơn 7 để làm tấm lót và bi nghiền, ta chọn vật liệu steatite (sứ cứng).Có các tính chất: Hàm lượng sắt tuy có nhưng ít, không làm ảnh hưởng đến màu sắc của sản phẩm, có thể chấp nhận được. Tấm lót: tấm lót trong máy nghiền bi là các loại gạch hình côn được sắp khích vào nhau, kết dính lại bằng vữa chịu lực nếu cần. Hay có thể ở dạng tấm có lỗ ở giữa được nối vào thân thùng bằng cách bắt ốc. Kích thước của tấm lót được tính chính xác theo tiêu chuẩn. Phổ biến là loại gạch côn kích thước 150*65*55*50 Bảng tiêu chuẩn kích thước một số loại gạch lót Cách ghép gạch lót vào thân thùng Bề mặt của gạch lót có thể có nhiều hình dạng khác nhau nhằm tăng hiệu quả nghiền, nó giúp đưa vật liệu nghiền và bi lên độ cao thích hợp nhằm có được động năng lớn nhất. Cần đảm bảo mật độ chứa vật liệu cần nghiền lớn hơn 25% để tránh hiện tượng bi và tấm lót bào mòn lẫn nhau. Bi nghiền: Vật nghiền là bộ phận chính va đập và chà xát vật liệu. Vật nghiền có thể có nhiều hình dạng khác nhau tuỳ vào vật liệu cần nghiền. Có thể có các hình dạng như: hình cầu, trụ, vuông, lò xo… Tuy nhiên phổ biến nhất là bi cầu và bi trụ. Bi nghiền hình cầu và hình trụ Kích thước của vật nghiền phụ thuộc vào kích thước và độ bền của vật liệu đem nghiền. nếu kích thước và độ bền của vật liệu vào máy càng lớn thì vật nghiền sẽ càng lớn. Thực nghiện chứng minh thể tích thực của viên bi chỉ chiếm 62% thể tích mà nó chiếm chỗ, còn lại 38% là khe hở giữa các viên bi. Vì vậy để giảm thể tích khe hở, tăng độ tiếp xúc giữa các viên bi và vật liệu nghiền trong máy nghiền bi người ta dùng bi với kích thước khác nhau. Dựa vào kích thước hạt đầu vào và ra ta xác định được kích thước bi nghiền. một số đường kính bi trên thị trường LÝTHUYẾT TÍNH TOÁN: Lượng bi nghiền nạp vào máy: Theo khối lượng riêng của bi nghiền ta phân thành 3 loại bi nghiền như sau: Bi nghiền có khối lượng riêng thấp (2.4 ÷ 2.5 g/cm3): bi sứ, silic dioxyt thường. Bi nghiền có khối lượng riêng trung bình (2.6 ÷ 2.7 g/cm3): bi steatit, sứ chứa nhiều alumin… Bi nghiền có khối lượng riêng cao (3.4 ÷ 3.5 g/cm3): bi alumin dạng đá túp và alubit. Vật liệu có khối lượng riêng càng lớn thì động năng do nó sinh ra cũng lớn theo, tác động đập nghiền càng lớn. Sơ đồ sau miêu tả mối quan hệ giữa trọng lượng riêng của bi và thời gian nghiền. 1 2 3 Bi có trọng lượng riêng thấp. Bi có trọng lượng riêng trung bình. Bi có trọng lượng riêng cao. Kích thước hạt thời gian nghiền t1 t2 t3 Bđ2-mối liên hệ giữa trọng lượng riêng bi với thời gian nghiền Từ đồ thị ta nhận thấy khi nghiền đến cùng một kích thước hạt thì với: ρ1 < ρ2 < ρ3 t1 > t2 > t3 Vậy với các vật liệu có độ cứng phù hợp ta sẽ lựa chọn loại vật liệu có khối lượng riêng lớn nhất để có hiệu quả đập nghiền tốt nhất. Thể tích bi nạp Khối lượng bi nạp vào máy có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian nghiền vật liệu. Ttheo kết quả nghiên cứu của P.I.E thời gian nghiền sẽ nhanh nhất khi thề tích bi nghiền chiếm khoảng 60% thể tích thùng nghiền. Ta có sơ đồ sau thể hiện mối quan hệ giữa thể tích vật nghiền và thời gian nghiền: Vbi/Vthùng thời gian nghiền 1/4 1/3 1/2 2/3 3/4 Bđ3-mối quan hệ giữa thể tích bi và thời gian nghiền Góc kẹp: θ R r Góc kẹp là góc kẹp bởi 2 tiếp tuyến tại 2 điểm tiếp xúc giữa các viên bi và hạt vật liệu. Nó phụ thuộc vào bán kính R của viên bi và r của hạt vật liệu. Các kết quả tính toán (tài liệu secmi) cho thấy góc kẹp cho hiệu quả nghiền tốt nhất là θ = 17o Có nghĩa là R ≈ 90r. Tuy nhiên sau một khoảng thời gian thì hiệu quả nghiền sẽ giảm do r giảm. Vì vậy ta phải có cùng lúc nhiều loại bi trong thùng để đảm bảo góc kẹp là tốt nhất. Thể tích rỗng: Khi nạp bi vào thùng nghiền, do thể tích bi là hình cầu nên không thể nào lấp đầy khoảng không gian mà nó chiếm chỗ vì thế nên sinh ra các khoảng trống trong vùng thể tích bi chiếm chỗ. Thể tích thực bi chiếm khoảng 52.4 ÷ 74% toàn không gian bi chiếm. Ta dùng nhiều kích thước bi cũng nhằm giảm thể tích lỗ rỗng giữa các bi. Phân bố bi trong thùng nghiền: Để hiệu quả nghiền tốt nhất ta phải tăng điểm tiếp xúc giữa các viên bi và vật liệu. Có nghĩa là bi phải tiếp xúc với nhau tại nhiều điểm, giảm lỗ rỗng giữa các bi, kích thước bi phải phù hợp với kích thước vật liệu. Để đảm bảo các điều kiện trên thì bi nạp thường gổm 3 loại với tỉ lệ như sau: 15 ÷ 50% bi có đường kính nhỏ. 25 ÷ 30% bi có đường kính trung bình. 23 ÷ 30% bi có đường kính lớn. Ngoài ra phải đảm bảo tỉ lệ R ≈ 90r Hệ số đổ đầy bi đạn: (φ) Có một hệ số đổ đầy cho ta thời gian nghiền tối thiểu để đạt kích thước yêu cầu. Trong nghiền gián đoạn thì hệ số đó thường bằng 0.5 Có 2 cách tính hệ số đổ đầy φ: φ là tỷ số giữa tiết diện bi đạn và tiết diện thùng nghiền. φ là tỷ số giữa trọng lượng thực của bi đạn và trọng lượng của bi đạn nếu đổ đầy máy Với: G- Trọng lượng bi đạn làm việc trong máy (tấn). μ- Hệ số rỗng khi đổ bi đạn (0.524 ÷ 0.74) ρ- Trọng lượng riêng của vật liệu làm bi R- bán kính trong của thùng nghiền. L- chiều dài thùng nghiền. Tốc độ quay của thùng nghiền: Khi máy chuyển động thì theo quán tính các viên bi cũng sẽ chuyển động theo máy đến một độ cao nào đó. Đặc tính chuyển động của bi trong thùng phụ thộc vào số vòng quay của thùng và hệ số ma sát giữa bi với bề mặt thùng. Vận tốc quay của thùng sẽ ảnh hưởng đến chế độ chuyển động của vật liệu và bi trong thùng nghiền.Có 4 chế độ chuyển động của bi đạn trong thùng nghiền là: Bi trượt trên thành thùng. Chỉ có lực mài xiết, không có lực va đập. Bi chuyển động cùng với thùng, do lực ly tâm lớn hơn trọng lượng. Quá trình đập nghiền không xảy ra. Bi chuyển động dạng thác nước. Vừa có lực mài xiết vừa có lực va đập. Quá trình nghiền xảy ra tối ưu. Bi chuyể động dạng tầng lớp. Có lực mài xiết, không có lực va đập. Các chế độ chuyển động của vật liệu trong thùng nghiền Ta có thể nhận thấy chế độ chuyển động hiệu quả nhất là chuyển động dạng thác nước. Sau đây ta sẽ tìm góc nâng tối ưu cho quá trình nghiền và vận tốc quay để đạt được góc nâng đó. T G2 G1 G α A B T-lực ly tâm G-trọng lực G1=Gcosα G2=Gsinα α = góc rơi R-bán kính thùng R v Để đơn giãn trong tính toán ta có một số điều kiện: chỉ tính cho 1 viên bi. Xem bề mặt bên trong máy là nhẵn hoàn toàn, xem như không có lực ma sát. Kích thước bi rất bé so với kích thước thùng. Ta có : Số vòng quay tới hạn của thùng : (bi gắn chặt vào máy) điều kiện α = 0o Khi đó: Khi thùng quay với vận tốc tới hạn này thì chỉ có những viên bi lớp ngoài cùng mới quay theo máy, còn các viên bi lớp trong vẫn rơi xuống theo hình parapol. Số vòng quay tới hạn cần thiết để tất cả bi đều ly tâm Nếu tốc độ thùng quay tăng thì đến một lúc nào đó toàn bộ bi trong thùng sẽ quay theo máy. Thể tích lớp bi khi chúng ly tâm hoàn toàn là thể tích của hình ống trụ rỗng có tiết diện hình vành khăn, cũng bằng thể tích bi nghiền trong thùng có tiết diện F: R2 R1 F Ta xem nên ta có: Rút ra: Tốc độ quay tới hạn cần thiết để cho viên bi ở lớp trong cùng cũng quay ly tâm theo thùng là: Khi đó vận tốc để toàn bộ bi đều quay theo thùng sẽ bằng: Với φ là hệ số chứa bi đạn Vậy số vòng quay thích hợp cho máy là n với n thuộc khoảng nth < n <nmax Số vòng quay thích hợp: Chế độ làm việc của tải trọng bi được đặc trưng bằng góc α phụ thuộc vào số vòng quay và bề mặt tấm lót. Khi viên bi lên đến điểm rời A thì lực ly tâm T sẽ cân bằng với thành phần hướng tâm G1 của trọng lượng G. Mà Nên Rút ra Vì nên Vậy n là số vòng quay của thùng để viên bi ở lớp có bán kính R rơi theo góc rời α.Vì thế muốn bi chuyển động dạng thác nước ta phải tìm được góc rời α thích hợp Để lực đập sinh ra lớn nhất thì chiều cao rơi của bi phải là lớn nhất, ta tìm được góc rơi thích hợp là: α = 54o40’ Từ đây ta rút ra được số vòng quay thích hợp nhất cũng là số vòng quay làm việc của thùng nghiền là: Số vòng quay thích hợp có sét đến hệ số đổ đầy φ: Công thức tính số vòng quay trên chưa xét đến hệ rố đổ đầy φ, đó chỉ là trường hợp riêng của công thức quan hệ giữa số vòng quay n với hệ số đổ đầy φ và đường kính thùng nghiền D sau đây: Ta sẽ dùng công thức trên để tính số vòng quay thích hợp cho thùng nghiền. Ta nhận thấy rằng, lúc đầu khi tăng vận tốc quay sẽ rút ngắn được thời gian nghiền. Nhưng sau đó nếu vận tốc vượt quá giới hạn, đạt tới nmax thì tác dụng nghiền không xảy ra do ảnh hưởng của lực ly tâm tác động lại vật liệu nghiền. Vì vậy ta sẽ có một vận tốc mà tại đó thời gian nghiền là ngắn nhất. thời gian nghiền vận tốc quay tmin n Bđ1-thời gian nghiền và vận tốc quay Lượng vật liệu nạp: Lượng vật liệu nạp vào buồng nghiền ít nhất phải phủ kín được toàn bộ các bi nghiền. Nếu nạp vật liệu quá ít sẽ làm bi nghiền và tấm lót bị mài mòn nhanh chóng. Lượng vật liệu ít nhất phải lấp đầy các khoang trống giữa các bi nghiền, tuy nhiên ta nên nạp dư một ít so với lượng dó để tạo tấm đệm tránh việc bi nghiền rơi trực tiếp lên bề mặt tấm lót. Ví dụ nếu nạp bi đạn đến 50% thể tích thùng thì có thể tích lỗ trống khoảng 20%, vì vậy lượng vật liệu ít nhất ta nạp vào phải chiếm 20% thể tích thùng nghiền. Tuy nhiên để tạo tác dụng đệm ta nạp lượng bằng 25% thể tích thùng nghiền. Vậy tổng thể tích của bi và vật liệu nghiền chiếm 30% + 25% = 55% thể tích thùng. Để bi nghiền chiếm hơn ½ thể tích thùng nghiền cần tỷ số chất tải (bi nghiền và vật liệu cần nghiền) như sau: 700 ÷ 800 kg/m3 đối với bi nghiền có khối lượng riêng thấp. 800 ÷ 900 kg/m3 đối với bi nghiền có khối lượng riêng trung bình. 1000 ÷ 1100 kg/m3 đối với bi nghiền có khối lượng riêng cao. Vậy ta sẽ nạp một lượng vật liệu có thể tích thực bằng 25% thể tích thùng nghiền Chương IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY NGHIỀN BI CÓ NĂNG SUẤT 10 TRIỆU CHÉN/NĂM TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT: Đơn phối liệu: Nguyên liệu %Oxit %MKN SiO2 Al2O3 K2O Na2O CaO MgO Fe2O3 TiO2 Đất sét 59.92 26.63 3.01 0.49 0.1 1.59 1.17 0.87 6.22 Cao lanh 49.97 34.20 0.93 0.28 0.09 0.59 1.86 0.09 11.99 Tràng thạch 66.77 18.69 11.2 2.49 0.25 0.18 0.08 - 0.34 Cát 99.42 0.17 0.08 - 0.08 - - 0.08 0.17 Thành phần % của phối liệu ban đầu: Nguyên liệu Thành phần % % MKN Đất sét 15 0.933 Cao lanh 35 4.1965 Tràng thạch 20 0.068 Cát 30 0.051 Tổng 100 5.2485 Qui trình sản xuất: Nguyeân lieäu Lọc ép khung bảng Máy nghiền bi ướt gián đoạn Tạo hình dẻo Máy đùn ép Lento Kho ủ Sấy Sửa mộc Nung lần 1 Tráng men Nung lần 2 Trang trí thiết bị định lượng Sàng rung + khử từ Bể chứa Hấp màu Kiểm tra Nước Thành phẩm Bảng tính cân bằng vật chất: Năng suất nhà máy: 6 triệu chén/năm Khối lượng 1 chén : 0.2 Kg Men chiếm 8% = 0.016 Kg Xương chiếm 92% = 0.184 Kg Xương trước khi nung lần 1 = 0.190 Kg Công đoạn Độ ẩm % Hao hụt % Hồi lưu % Khối lượng nguyên liệu Khối lượng hồi lưu Năng suất (triệu chén) Khô (tấn) Ướt (tấn) Khô (tấn) Ướt (tấn) Thành phẩm 0 0 0 6 1200 - - - Kiểm tra 0 2 0 6.120 1224 - - - Hấp màu - - 0 6.120 1224 - - - Trang trí - 1 0 6.181 1236.240 - - - Nung lần 2 30 5 0 6.490 1298.052 1854.360 - - Tráng men 0 2 0 6.620 1323.960 1323.960 - - Nung lần 1 3 5 0 6.951 1390.200 1433.196 - - Sửa mộc 3 3 90 7.160 1431.906 1476.192 38.661 39.857 Sấy 25 3 90 7.375 1474.960 1966.613 39.824 53.099 Tạo hình 25 1 90 - 1489.710 1986.279 13.407 17.876 Ủ 25 1 90 - 1504.607 2006.143 13.541 18.055 Đùn Lento 25 1 90 - 1519.653 2023.204 13.677 18.209 Lọc ép khung bản 50 1 90 - 1534.850 3069.699 13.814 27.627 Bể chứa 50 1 90 - 1550.199 3100.397 13.952 27.904 Khử từ 50 0.002 0 - 1550.230 3100.460 - - Sàng 50 2 90 - 1581.235 3162.469 28.462 56.924 Nghiền ướt 50 1 90 - 1597.047 3194.095 14.373 28.747 Cân 4 4 90 - 1660.929 1730.134 59.793 62.285 Khối lượng khô phải nghiền : 1597.047 tấn/năm Khối lượng ướt phải nghiền : 3194.095 tấn/năm Một năm làm việc 300 ngày, một ngày làm 1 ca 14 tiếng.Trong đó nghiền 10 tiếng, tháo và nhập liệu 4 tiếng. Vậy một ngày ta cần nghiền : =10.415 tấn/ngày Chia thành 2 máy nghiền, vậy mỗi máy cần nghiền 5.2 tấn/ngày Việc ta chia thành 2 máy nghiền tuy có tăng thêm chi phí về năng lượng nhưng lại lợi về thời gian nghiền, và trong quá trình vận hành nếu 1 máy bị hư hỏng thì vẫn không ảnh hưởng lớn đến các công đoạn tiếp theo. E Yêu cầu thiết kế máy nghiền bi nghiền phối liệu cho xương chén sứ dân dụng với năng suất 5.2 tấn/ngày Các thông số: Ta có một số thông số ban đầu như sau: Khối lượng vật liệu 1 lần nghiền (độ ẩm 50%): 5.2 tấn Trọng lượng riêng của bi: 2.7 kg/dm3 Kích thước hạt đầu vào: 6 mm Kích thước hạt đầu ra: 0.3 mm Trọng lượng riêng của vật liệu cần nghiền: 1.62 kg/dm3được tính như sau: Trọng lượng riêng (ρ) Kg/dm3 Phần trăm khô (n) % Đất sét 2.5 15 Cao lanh 2.2 35 Tràng thạch 2.6 20 Cát 1.9 30 Hồ khô 100 Hồ + nước THÙNG NGHIỀN: Kích thước thùng: Ta chọn thể tích thùng nghiền sao cho thể tích bi và vật liệu trong thùng chỉ chiếm 55% thể tích thùng. Thể tích khối vật liệu nghiền: (dm3) Ta lấy Vvl = 3210 dm3 Thể tích bi nghiền: Ta chọn 3 kích thước bi với đường kính và phần trăm như sau: 50% bi có đường kính: 30 mm 25% bi có đường kính: 60 mm 25% bi có đường kính: 90 mm Ta có (dm3) Ta lấy Vbi = 3852 dm3 Tổng thề tích bi và vật liệu nghiền chiếm chỗ: (dm3) Thể tích thùng nghiền: (dm3) Vậy ta có được thể tích thùng nghiền là: Vt = 12840 dm3 Đường kính thùng: Chọn tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính thùng : Ta có (dm) Vậy: (dm) Kết luận ta có: Dt = 2.0 m L = 4.0 m Thể tích thùng thực tế là: (dm3) Gạch lót: Gạch vòng thân: Chọn loại gạch hình côn có: l = 150 mm, H = 65 mm, W2 = 55 mm Yêu cầu thân thùng có R = 1.0 m = 1000 mm Mà (mm) Vậy ta sẽ chọn loại gạch: l*H*W1*W2 = 150*65*59*55 Chu vi mặt trong thùng (m) Ta tính được: Số gạch trên 1 vòng: (viên) Số gạch theo chiều dài: (viên) Tổng số gạch vòng thân bằng: (viên) Gạch lót mặt đáy: Chọn gạch chữ nhật có L*H*W = 150*65*55 Diện tích mặt bên: (m2) Số gạch cần trên 1 mặt đáy: (viên) Số gạch cần cho cả 2 mặt đáy là: (viên) Vậy số gạch cần cho toàn thùng là: (viên) Thể tích lớp gạch lót trong thùng là: Với (m3) V = 12.566 (m3) Vậy (m3) Trọng lượng lớp gạch lót: (cả phần khuyết) (kg) =5.805 (tấn) Bi nghiền: Tổng khối lượng bi nghiền: (kg) (tấn) Trong đó có: đường kính bi (mm) 30 60 90 phần trăm(%) 50 25 25 trọng lượng 1 viên (kg) 0.038 0.305 1.031 khối lượng chiếm (kg) 5200 2600 2600 Số lượng (viên) 136842 8525 2522 Vỏ thép: Thông thường chiều dày vỏ thép δ=(0.01 ÷ 0.015)*D ( D là đường kính trong của thùng nghiền.) Ta chọn : δ = 0.0125*D = 0.0125*2.0 = 0.025 (m) Chọn vật liệu làm vỏ thùng là thép hợp kim 40XHMA có: σchảy = 850 N/mm2 σbền = 1000 N/mm2 ρthép = 7.87 kg/dm3 Ta sẽ đúc thân thùng riêng sau đó hàn thân thùng với 2 mặt đáy qua 2 mặt bích. Mối hàn phải tròn, sau khi hàn ta phải ủ một thời gian để khử ứng suất nội. Trên thân thùng khoét một lỗ kích thước (60x50)cm để làm lỗ nhập và tháo liệu, đồng thời cũng đủ lớn để công nhân ra vào sửa chữa. Thể tích trong của vỏ thép: Vin = 14.716 (m3) Thể tích ngoài của vỏ thép: = (m3) Với (m) là chiều dày lớp vỏ thép. Thể tích của toàn lớp thép: (trừ phần cổ trục) (m3) Trọng lượng của vỏ thép: (cả phẩn khuyết) (kg) Đường kính ngoài của thân thùng là: (mm) Cửa và đối trọng: Lỗ ra vào kích thước (600x500) mm Cửa trên thân thùng gồm có: nắp + viền thép + thanh chặn. Thanh chắn: thể tích thanh: (mm3) =4.352 (dm3) thể tích chốt: (mm3) =0.110 (dm3) trọng lượng toàn thanh: (kg) Viền: (xem nó gần như nằm trên mặt phẳng) (mm3) = 3.928 (dm3) (kg) Nắp: Nắp gồm có gạch lót và thép: Gạch: (kg) Thép: (mm3) =10.572 (dm3) (kg) Vậy trọng lượng toàn cửa là: (kg) Trọng lượng phần khuyết: (kg) Đối trọng: (kg) Cổ trục: (gồm mặt bít và trục) (mm3) =27.143 (dm3) (mm3) =45.140 (dm3) tổng thể tích của trục và mặt bít là: (dm3) Tổng thể tích của cả 2 cổ trục là: (kg) Trong lượng của toàn bộ thùng nghiền gồm cả bi nghiền và vật liệu : G = 10400.4 + 5200 + 5805 + 6972.82 + 2*25.751 + 1137.734 = 23762.456 (kg) G = 23.762 (tấn) Tính toán chuyển động của máy: Hệ số đổ đầy bi đạn: Ta sẽ tính hệ số đổ đầy bi đạn theo công thức số 2: Với Gbi = 10400.4 (kg) R = 1 (dm) L = 4 (dm) φ = 2.7 (kg/dm3) μ hệ số rỗng cho μ = 0.7 Vậy hệ số đổ đầy sẽ bằng: Vận tốc quay của thùng: Số vòng quay tới hạn: Số vòng quay để lớp bi chuyển động theo máy: (vòng/phút) Số vòng quay để bi ly tâm hoàn toàn: (vòng/phút) Số vòng quay thích hợp: (vòng/phút) Số vòng quay có xét đến hệ số đổ đầy φ: (vòng/phút) Vậy ta sẽ chọn tốc độ quay cho máy là: n = 23 (vòng/phút) Dựa vào số vòng quay vừa tìm được ta tính được góc rơi của bi theo công thức: Sự chu chuyển của bi nghiền trong thùng: Số chu kỳ chuyển động của bi: Chu kỳ chuyển động của bi là một đường khép kính gồm có quỹ đoạ tròn khi bi qua theo thùng và quỹ đạo parabol khi bi rơi. Thời gian bi đi theo quỹ đạo tròn: Với α là góc rơi của bi. α = 54o = 0.942 rad tn là thời gian thùng quay được một vòng. (phút) (s) Vậy thời gian bi đi theo quỹ đạo tròn bằng: (s) Thời gian bi đi theo quỹ đạo parabol: (s) Thời gian một chu kỳ chuyển động của viên bi: (s) Số chu kỳ bi thực hiện được sau khi thùng quay được một vòng: (vòng) Số lượng bi trên quỹ đạo tròn và parabol: Phần trăm bi trên quỹ đạo tròn: Phần trăm bi trên quỹ đạo parabal: Ta sẽ dùng %Nc = 57 % để tính cho các công thức sau. Công suất máy nghiền bi: Công suất tiêu hao cho máy nghiền bi gồm hai phần: Công suất tiêu hao để nghiền vật liệu Nn Công suất tiêu hao để thắng ma sát gối đỡ Nms Vậy công suất tổng của máy là: (kW) Công suất tiêu hao để nghiền vật liệu: (Nn) (kW) Với η Phần trăm trong lượng vật liệu và bi quay theo thùng η = 57 %=0.57 Gbi Trọng lượng của bi nghiền có trong máy (N) Gbi = 10400.4 (kg) Gvl Trong lượng vật liệu có trong máy (N) Gvl = 5200 (kg) v Thành phần thẳng đứng của tốc độ quay ở tâm tải trọng bi (m/s) Được tính theo công thức sau: Với a là khoảng cách từ trong tâm tải trọng đến tâm nghiền theo phương đứng. Trong đó r là khoảng cách từ tâm tải trọng bi đến tâm thùng. Trong đó Với hệ số chứa bi φ = 0.438 thì: Góc Vậy Góc φ = 45o Vậy Cuối cùng ta tìm được giá trị của v: Ta tính được công suất tiêu hao để nghiền vật liệu: (kW) Công tiêu hao để thắng ma sát: (Nms) (kW) Với f hệ số ma sát ở hai cổ truc máy nghiền với ổ đỡ. Thường lấy f = 0.07 ÷ 0.1 chọn f = 0.07 vc vận tốc vòng của cổ trục.(m/s) Rc bán kính ngoài của cổ trục vòng nghiền.(m) Rc = 0.1R1 = 0.1*1.0 = 0.1 (m) n số vòng quay của thùng nghiền. n = 23 (vòng/phút) Vậy (m/s) P tổng tải trong tác dụng lên gối đỡ. G trọng lượng của bản thân thùng. G = 31134.919 (kg) = 305433.555 (N) Q trọng lượng bi và vật liệu quay theo thùng. Q = 0.57(Gbi + Gvl) = 0.57*(10400.4+5200) = 8892.228 (kg) = 87232.575 (N) Plt lực ly tâm do tải trọng bi gây nên. (N) θ góc tạo bởi Plt và trục thẳng đứng của đường kính thùng. θ = 60o Vậy tổng tải trọng tác dụng lên gối đỡ bằng: P = 587837.811 (N) Vậy công tiêu hao để thắng ma sát tương đương: (kW) Công suất tổng cộng của máy: (N) Với K hệ số dự trữ. (K = 1.1 ÷ 1.15) lấy K = 1.10 η hiệu suất bộ truyền động. Vậy tổng công suất của máy bằng: (kW) Lấy công suất động cơ : (kW) VI. Bộ phận truyền động: (Sách “tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1”, tác giả Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) Hệ thống truyền động trong máy được dùng để thực hiên một số chức năng sau: - truyền công suất ,chuyển động từ động cơ đến các bộ phận khác. - Giảm vận tốc quay của dộng cơ đến vận tốc quay cần. - Thay đổi quy luật truyền động: liên tục thành gián đoạn, quay thành tịnh tiến. - Thay đổi phương chiều chuyển động. Ta sử dụng hệ thống truyền động qua ba bước giảm tốc: hộp giảm tốc cấp 1 Đai thang Đai dẹt động cơ So sánh hai bộ truyền thông dụng: Đai Bánh răng Giới thiệu chung Truyền động đai thường dùng để truyền động giữa các trục xa nhau. Đai được mắc trên hai bánh, chuyển động nhờ lực căng ban đầu tạo ra lực ma sát trên bề mặt ma sát giữa bánh đai và đai. Được dùng để truyền động giữa các trục theo nguyên lý ăn khớp, thông thường có kèm theo sự thay đổi về trị số và chiều của vận tốc cũng như moment. Phân loại Đai được làm từ: da, vải cao su, vải bông, sợi len, và sợi tổng hợp. Theo hình dạng tiết diện ta có: Đai dẹt (tiết diện hình chữ nhật). Đai hình thang (tiết diện hình chêm). Đai nhiều chêm (tiết diện hình lược). Đai răng. Theo vị trí tương đối của các trục ta phân ra: Truyền động giữa các trục song song: dùng bánh răng trụ (thẳng, nghiên, chữ V). Truyền động giữa các trục giao nhau: bánh răng côn (thẳng, nghiên, cung tròn) Truyền động giữa các trục chéo nhau: bánh răng trụ chéo hoặc bánh răng côn chéo. Giới hạn công suất Có thể dùng đến 1500 kW nhưng thường được dùng từ 0.3 ÷ 500 kW. Công suất lên đến vài chục ngàn kW. Làm việc với vận tốc lớn. Tỷ số truyền Đai dẹt từ 2 ÷ 6 Đai thang từ 3 ÷ 5 Bánh răng trụ: 4 ÷ 6 Bánh răng côn: 2÷ 3 Ưu diểm Bộ truyền động đai làm việc êm, thích hợp với vận tốc lớn. Có thể làm việc ở khoảng cách xa. Dễ thay thế, giá thành thấp. Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn. tỷ số truyền ổn định và không thay đổi do không có trượt. Độ tinh cậy cao. Làm việc có tuổi thọ cao (30000 h). Khuyết điểm Kích thước lớn hơn bộ truyền bánh răng có cùng công suất (>5 lần) Tỷ số truyền bị thay đổi do trượt đàn hồi và dây đai bị dãn trong quá trình sử dụng. Lực tác dụng trên trục lớn do có lực căng đai Tuổi thọ thấp (1000 ÷ 5000 h) Chế tạo phức tạp, chi phí cao. Đòi hỏi độ chính xác cao. vận hành với vận tốc lớn gây ra ồn. Ta không cần chuyển chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, không đỏi hỏi độ chình xác cao, và do kích thước máy lớn, nhằm giảm phần nào trọng lượng thùng nên ta sẽ sử dụng dây đai để truyền dộng. Truyền động dây đai giảm giúp giá thành đầu tư ban đầu, thuận tiện cho việc thay thế sửa chữa, không làm gián đoạn quá trình sản xuất nếu có hư hỏng ở dây đai. Lựa chọn động cơ: Sử dụng động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ rôto ngắn mạch. Với công suất cần có là 110 kW, ta sẽ sử dụng độn cơ 4A280S2Y3 có các thông số kỹ thuật như sau: Kiểu động cơ Công suất (kW) vận tốc quay (v/ph) cosφ hiệu suất truyền η% 4A280S2Y3 110 1500 0.90 92.5 2.0 1.2 bảng 4.1 – thông số kỹ thuật của động cơ Vận tốc quay của động cơ lớn, ta cần phải giảm tốc để có được số vòng quay yêu cầu là 23 (v/ph). Để giảm từ 1500 (v/ph) xuống 25 (v/ph) ta cần tỉ số truyền tổng là: chọn tỉ số truyền tổng u = 65.2 với Hộp giảm tốc: Chọn hộp giảm tốc có tỉ số truyền ugt = 3.15 Sử dụng hộp giảm tốc bánh răng trụ một cấp. Sau khi qua hộp giảm tốc vận tốc quay còn: (vòng/phút) Đó cũng bằng vận tốc của bánh đai nhỏ n1 = 476.190 (v/ph) Dây đai cấp 1: Ta sử dụng đai thang thường có tỉ số truyền ud1 = 3.5 Chọn đường kính bánh đai nhỏ d1 = 400 (mm) Ta có các thông số của đai hình thang hẹp khi đường kính bánh đai nhỏ là 400mm Ký hiệu a b h y diện tích tiết diện A, mm2 đường kính bánh đai nhỏ d1, mm chiều dài giới hạn l, mm Г 27 32 19.0 6.9 476 315 - 630 3150 - 15000 bảng 4.2 – thông số kỹ thuật của đai thang bộ truyền đai cấp 1 Vận tốc đai: (m/s) Nhận thấy vận tốc này nằm trong vận tốc an toàn của đai thang thường v < 25 (m/s). Đường kính bánh đai lớn: với ε là hệ số trượt, chọn ε = 0.01 (mm) Chọn đường kính bánh đai lớn là d2 = 1400 mm kiểm tra lại tỉ số truyền ta được Khoảng cách trục a: Khoảng cách trục a được lựa chọn dựa vào tỉ số truyền cho theo bảng 4.3 : u 1 2 3 4 5 a/d2 1.5 1.2 1.0 0.95 0.9 0.85 bảng 4.3 - tỉ lệ giữa khoảng cách trục và đường kính bánh đai lớn theo tỉ số truyền Với tỉ số truyền u = 3.465 ta chọn sơ bộ a = d2 = 1400 mm Chiều dài đai l : (mm) Vậy chiều dài đai (theo tiêu chuẩn) là l = 6300 (mm) = 6.3 (m) Kiểm nghiệm đai về tuổi thọ: Ta nhân thấy I thỏa điều kiện Tính lại khoảng cách trục a: Với Vậy (mm) Chọn a = 1700 mm Góc ôm α1 trên bánh đai nhỏ: Thoả điều kiện Chọn số đai z = 5. Chiều rộng bánh đai được xác định theo công thức: Với loại đai đã chọn ta có : H = 22.5 , t = 40.2 , e = 22.6 , ho = 11.4 (mm) Đường kính ngoài của bánh đai: Vậy (mm) (mm) Tóm lại sau cùng ta sẽ chọn bộ 5 đai hình thang có các thông số cho như bảng 4.4: đường kính bánh đai nhỏ d1 và da1, mm đường kính bánh đai lớn d2 và da2, mm khoảng cách trục a, mm chiều dài đai l, mm chiều rộng bánh đai B, mm Góc ôm trên bánh đai nhỏ tỉ số truyền u 400 / 422.8 1400 / 1422.8 1700 6300 206 146.47o 3.465 bảng 4.4 – các thông số thiết kế của đai thang bộ truyền động cấp 1 Vận tốc quay của bánh đai lớn cũng bằng vận tốc quay bánh đai nhỏ cấp 2 và bằng: (v/ph) Dây đai cấp 2 : Ta dùng đai dẹt làm từ vải cao su gồm nhiều lớp vải bông và cao su sulfat hóa, được xếp từng lớp cuộn từng vòng kín hoạc xoắn ốc. Đặc tính: bền, dẻo, ít bị ảnh hưởng của độ ẩm và sự thay đổi nhiệt độ. Số lớp chiều rộng đai b, mm Kí hiệu đai B-800 và B-820 BKHJI-65 và BKHJI-65-2 chiều dày đai δ, mm Có lớp lót Không có lớp lót Có lớp lót Không có lớp lót 3 4 5 6 20 … 112 20 … 250 20 … 250 80 … 250 4.5 6.0 7.5 9.0 3.75 5.00 6.25 7.50 3.0 4.8 6.0 7.2 3.0 4.0 5.0 6.0 Chú thích : Chiều rộng tiêu chuẩn của đai: 20 ; 25; (30) ; 32 ; 40 ; 50 ; 60; 63 ; (70) ; 71 ; (75) ; 80 ; (86) ; 90 ; 100 ; 112 ; (115) ; (120) ; 125 ; 140 ; (150) ; (160) ; (175) ; 180 ; 200 ; 224 ; (225) ; 250 (kích thước trong dấu ngoặc ít sử dụng) Bảng4.5 - thông số đai dẹt sợi vải cao su Thiết kế bộ truyền động đai dẹt có tỉ số truyền Đường kính ngoài của thùng nghiền có giá trị Dout = 2180 (mm) Đường kính bánh đai lớn cũng chính là đường kính thùng nghiền: d2 = Dout = 2180 mm Với tỉ số truyền cần có thì dường kính bánh đai nhỏ sẽ bằng: (mm) đường kính bánh đai nhỏ d1 được chọn theo tiêu chuẩn và phải lớn hơn dmin trong bảng 4.6 : δ, mm 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 dmin, mm 28 36 45 56 63 71 80 90 100 bảng 4.6 – liên hệ giữa bề dày đai δ và đường kính bánh đai nhỏ dmin Vậy chọn bánh đai nhỏ cấp 2 có đường kính d1 = 360 mm Tính lại tỉ số truyền ta có: Vận tốc quay của thùng là: (vòng /phút) Vậy hệ thống truyền động đã giảm tốc được vận tốc quay của động cơ đến vận tốc cần. vận tốc đai: (m/s) khoảng cách trục a: Đối với bộ truyền có vận tốc trung bình ta chọn hệ số là 1.5, vậy a được tính theo công thức sau: (mm) chọn a = 3690 mm Chiều dài đai l: (mm) Chọn dây dài l = 11500 mm = 11.5 m Kiểm tra về tuổi thọ: Thoả điều kiện về tuổi thọ đai. Tính lại khoảng cách trục a: Với → (mm) Vậy a = 3725 mm = 3.725 m Góc ôm bánh đai nhỏ: Vậy α1 = 153.5o , thoả điều kiện Số đai z: Ta chọn số đai z = 5 Xác định tiết diện đai dẹt: Diện tích tiết diện đai dẹt được xác định từ chỉ tiêu về khả năng kéo của đai: Với -b là chiều rộng dây đai. (mm) -δ là chiều dày dây đai. (mm) Chiều dày đai được chọn theo tì số δ/d1 sao cho tỉ số này không vượt quá một giới hạn cho phép nhằm hạn chế ứng suất uốn sinh ra trong đai và tăng tuổi thọ của đai. Trị số dược cho trong bảng 4.7 : Loại đai dẹt tỉ số Nên dùng Cho phép Đai vải cao su Đai da Đai sợi bông Đai sợi len Đai sợi tổng hợp 1/40 1/35 1/30 1/30 1/50 … 1/70 1/30 1/25 1/25 1/25 1/100 … 1/150 bảng 4.7 - tỉ số của chiều dày đai và đường kính bánh đai nhỏ Ta chọn tỉ số δ/d1 = 1/35 , vậy chiều dày đai sẽ là δ = d1/35 = 360/35 = 10.286 Vậy chiều dày đai tối đa δmax = 10.286 (mm) Chọn chiều dày đai δ = 7.5 (mm). (theo Chọn chiều rộng dây đai b = 100 (mm). Vậy tiết diện đai A = 7.5*100 =750 (mm2) Tóm lại sau cùng ta sẽ chọn bộ 5 đai dẹt có các thông số cho như bảng 4.8 : đường kính bánh đai nhỏ d1, mm đường kính bánh đai lớn d2, mm khoảng cách trục a, mm chiều dài đai l, mm chiều rộng dây đai B, mm chiều dày đai δ, mm Góc ôm trên bánh đai nhỏ tỉ số truyền u 360 2090 3725 11500 + 200 100 7.5 153.5o 5.965 bảng 4.8 – các thông số thiết kế của đai dẹt bộ truyền động cấp 2 hộp giảm tốc cấp 1 Đai thang Đai dẹt động cơ Thùng nghiền Công suất: 110 kW số cực: 2p = 4 số vòng quay đồng bộ: nđp = 1500 v/ph loại động cơ: 4A280S4Y3 Tỉ số truyền ugt = 3.15 Loại: hộp giảm tốc bánh răng trụ một cấp Tỉ số truyền ud1 = 3.465 d1 = 400mm, d2 = 1400mm n1 = 467,190 v/ph Đai thang thường tiết diện A = 476mm2 l = 3600mm, a = 1700 mm đai làm từ vải cao su Tỉ số truyền ud2 = 5.965 d1 = 360 mm, d2 = 2180 mm n1 = 137,429 v/ph Đai dẹt tiết diện A = 750 mm2 δ = 7,5 mm, b = 100 mm l = 11,500 m, a = 3,725 m đai làm từ vải cao su Số vòng quay: n = 23 v/ph khối lượng thùng: G = 8 tấn hệ số đổ đầy: φ = 0,438 D = 2 m, L = 4 m Dn = 2,180 m , Ln = 4,210 m KIỂM TRA TÍNH BỀN Thân thùng: Ta xem thùng nghiền như một cái dầm đặt trên hai gối đỡ, thùng chịu tác dụng của mômen uốn và mômen xoắn theo thuyết ứng suất tiếp lớn nhất. Ta xem trọng lượng bản thân thùng, trọng lượng bi nghiền và vật liệu như tải trong phân bố đều suốt chiều dài thùng. Còn trọng lượng hai mặt đáy và cố trục là tải trong tập trung. Theo các tính toán ở phần trên cho thấy chỉ có 57% bi nghiền và vật liệu quay theo thùng. Tổng tải trong tác dụng lên thùng: G = 10400.4 + 5200 + 5805 + 6972.82 + 2*25.751 + 1137.734 = 23762.456 (kg) G = 237,625 (kN) Gọi Plt là lực ly tâm do bi và vật liệu cùng quay với thùng sinh ra. Plt1 G Plt2 Plt 250 60o (N) Với Gbi = 104004 (N) Gvl = 52000 (N) n = 23 (v/ph) r = 0,750R = 0.750 (m) Vậy lực ly tâm bằng: (N) Phương của lực ly tâm là phương từ tâm thùng đến tâm của khối vật liệu quay. Góc tạo bởi phương của lực ly tâm và phương của trọng lực là φ = 60o Hợp lực Q giữa lực ly tâm và trọng lực gây nên lực uốn ở thân thùng. (kN) Ta có được momen uốn tác dụng lên thân thùng: Với L là khoảng cách tâm của hai gối đỡ. L = 4,840 m Mômen uốn của thân thùng bằng: (N.m) - Mômen chống uốn của thân thùng: Với Rn, Rt là bán kính ngoài và trong của thân thùng. Rn = 1,090 m Rt = 1,000 m (m3) Vì trên thân thùng có khoét lỗ làm cửa nên cần giảm mômen chống uốn đi 10%. - Vậy ứng suất uốn sẽ bằng: (N/m2) =587,572 (kN/m2) Mômen xoắn tác dụng lên thân thùng: Với: N là công suất tiêu hao cho máy. N = 110 kW n là số vòng quay của thùng. n = 23 v/p (N.m) Mômen chống xoắn của thân thùng gấp 2 lần mômen chống uốn. (m3) - Ứng suất tiếp sinh ra do mômen xoắn. (N/m2) Vậy ứng suất sinh ra ở thân thùng do uốn và xoắn bằng: (N/m2) Ta có giới hạn bền [σ] = 1000 N/mm2 = 1000*106 N/m2 Nhận thấy σ < [σ] , nên thân thùng thỏa điều kiện về bền. Bulông ghép thân và đáy thùng: Hai mặt đáy được nối với thân thùng nhờ bulông. Khi máy làm việc thì bulông chịu lực cắt do mômen xoắn và tổng tải trọng của thùng gây ra. Lực tổng gây ra cắt bulông: P = P1 + P2 P1 là lực cắt sinh ra do ảnh hưởng của trọng lượng và lực ly tâm. Với - RB là phản lực ở gối đỡ. (N) RB = Plt1 + G RB = Plt.cos60o + G RB = 39438.079.cos60o + 237625 =257344,040 (N) - l là khoảng cách nối tâm gối đỡ với thân thùng. l = 350 mm - r là bán kính vòng phân bố bulông. r = 1115 mm Vậy lực cắt do trọng lực và lực ly tâm sinh ra có giá trị (N) P2 là lực cắt sinh ra do ảnh hưởng của lực vòng. (N) Vậy ta có lực cắt tổng cộng lên bulông là: P = 80780.640 + 41778.124 = 122558.764 (N) Ứng suất ở bulông do lực cắt gây ra là: Với m là số lượng bulông. m = 20 d là đường kính bulông. d = 3.6 cm vậy ứng suất sinh ra sẽ bằng: (N/cm2) Ứng suất cắt cho phép: [τc] = (0.2 – 0.3)σch Với vật liệu làm bulông là thép hợp kim 25XHBA có σch = 950N/mm2 = 95000 N/cm2 Vậy [τc] = 0.2*95000 = 19000 N/cm2 Ta nhận thấy τc < [τc], vậy bulông thỏa về tính bền. Cổ trục thùng nghiền: Cổ thùng nghiền chính là nơi dễ đứt gãy nhất trong toàn bộ kết cấu thùng, tiết diện nguy hiển nhất chính là tiết diện tiếp giáp giữa cổ và đáy thùng, nơi thường có khuyết tật do đúc gây ra. Mônmen uốn tại tiết diện A – A là: Mu = RA.l Trong đó - RA là phản lực gối đỡ. RA = ½.RB = 128672.02 (N) l là khoảng cách từ tâm cổ đến tiết diện A – A. l = 100 mm = 0.1 m Vậy Mu = 128672.02*10 = 12867.202 (N.m) Mômen xoắn tác dụng lên cổ trục: Mx = 46582.609 (N.m) Mômen tương đương bằng: (N.m) Mômen chống uốn bằng: Với D là đường kính ngoài của cổ thùng. D = 0.12 m D là đường kính trong của cổ thùng nghiền. d = 0.06 m = 1.590*10-4 (N.m) Ứng suất tại tiết diện A –A bằng: (N/m2) = 30386.133 (N/cm2) Ta có [σ] = 1000 N/m2 = 1000*104 N/cm2 Nhận thấy σ < [σ] nên cổ trục thỏa điều kiện về bền. TÀI LIỆU THAM KHẢO: KỸ THUẬT SẢN XUẤT VẬT LIỆU GỐM SỨ. Tác giả : TS Đỗ Quang Minh. Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh – 2006 CÁC MÁY GIA CÔNG VẬT LIỆU RẮN VÀ DẺO (tập 1) Tác giả : Hồ Lê Viên. Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội THIẾT BỊ CÁC NHÀ MÁY SILICAT (tập 1) Nhiều tác giả Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, khoa Silicat CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GẠCH ỐP LÁT CỦA SACMI (tập 2) Tác giả : các kỹ sư của trung tâm thực nghiệm SACMI TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CƠ KHÍ (tập 1) Tác giả : Trịnh Chất – Lê Văn Uyển Nhà xuất bản Giáo Dục CÁC TRANG WEB THAM KHẢO www.crossleyeconomy.com www.ceramic-media.com www.jyoticeramic.com