Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số chính đến chi phí năng lượng của máy trộn thức ăn gia súc kiểu vít đứng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ………………………………………….. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY TRỘN THỨC ĂN GIA SÚC KIỂU VÍT ĐỨNG ĐỖ THỊ TÁM THÁI NGUYÊN-2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ………………………………………….. LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY TRỘN THỨC ĂN GIA SÚC KIỂU VÍT ĐỨNG Học viên : Đỗ Thị Tám Người HD khoa học: GS.TSKH Phạm Văn Lang THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI NÓI ĐẦU Theo thống kê của Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, hiện nay thức ăn chăn nuôi công nghiệp mới đạt 3,5 3,8 triệu tấn/năm, tức là chiếm khoảng 30% tổng số thức ăn sử dụng trong chăn nuôi, trong khi đó chỉ tiêu bình quân trên thế giới là 48%, các nước công nghiệp phát triển đạt 80 90% Việc nghiên cứu, cơ giới hóa khâu chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam (nói chung) và sản xuất thức ăn chăn nuôi ở vùng xa, vùng sâu phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội đang là vấn đề cấp bách. Qua phân tích tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam, những khó khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay, tình hình nghiên cứu và chuyển giao máy, thiết bị phục vụ chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam thời gian qua, thông qua khảo sát các loại mô hình đầu tư, tác giả thấy cần phải nghiên cứu sản xuất máy chế biến thức ăn gia súc tại Việt Nam (chủ yếu là máy trộn và nghiền) trong mô hình cơ sở chế biến phân tán, bán công nghiệp quy mô 1 – 2 tấn/h. Vì thế, sau thời gian học tập tại Khoa Sau đại học – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp, tác giả đã lựa chọn, thực hiện luận văn tốt nghiệp thạc sỹ chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy với đề tài: “NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CHÍNH ĐẾN CHI PHÍ NĂNG LƯỢNG CỦA MÁY TRỘN THỨC ẮN GIA SÚC KIỂU VÍT ĐỨNG” Nội dung luận văn tập trung nghiên cứu về máy trộn thức ăn gia súc trong mô hình sản xuất nói trên, nhằm đề xuất thiết kế dãy máy trộn hợp lý Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của GS.TSKH Phạm Văn Lang, người đã tạo mọi điều kiện từ nghiên cứu mô hình, tổ chức thực nghiệm và hướng dẫn chi tiết trong quá trình hoàn thành luận văn. Đồng thời, tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với các nhà khoa học của Viện cơ điện nông nghiệp & Công nghệ sau thu hoạch: Tiến sỹ Đậu Thế Nhu, Tiến sỹ Nguyễn Năng Nhượng, Tiến sỹ Nguyễn Sĩ Hiệt đã tận tình giúp đỡ, đặc biệt trong quá trình xem xét điều tra, xử lý số liệu qua thực nghiệm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tác giả chân thành cám ơn Ban chủ nhiệm HTX Dịch vụ - Chăn nuôi xã Quý Lộc – Huyện Yên Định – Thanh Hóa, đơn vị Anh hùng thời kỳ đổi mới. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp, Khoa Sau đại học của Trường đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong thời gian hoàn thành luận văn. Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, nên luận văn không tránh khỏi sai sót, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn Thái Nguyên, tháng 4 năm 2008 Học viên Đỗ Thị Tám Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Mục lục Trang Lời nói đầu Mục lục Mở đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục đích của đề tài 1 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 3 Chương I Tổng quan về tình hình nghiên cứu - ứng dụng các liên hợp máy chế biến thức ăn gia súc (trong đó có máy trộn) ở trong nước và trên thế giới 4 1.1. Khái quát tình hình sử dụng liên hợp máy chế biến thức ăn gia súc. 4 1.1.1.Khái quát tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam 4 1.1.2. Khó khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay 7 1.1.3.Tình hình nghiên cứu và chuyển giao máy, thiết bị phục vụ chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam 8 1.1.3.1.Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi 8 1.1.3.2 Quy mô phân tán 9 1.1.3.3.Quy mô tập trung 10 a, Quy mô 2 -5 tấn/h 10 b, Quy mô 10 – 30 tấn/giờ và lớn hơn 10 c, Mô hình đầu tư 11 Nhận xét 11 1.2. Tình hình nghiên cứu khoa học về máy trộn thức ăn gia súc 12 1.2.1.Tình hình và kết quả nghiên cứu máy trộn trên thế giới 12 1.2.2.Tình hình và kết quả nghiên cứu máy trộn ở Việt Nam 18 1.2.3 Những tồn tại trong nghiên cứu máy trộn thức ăn gia súc kiểu vít đứng 19 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Kết luận chương I 19 Chương II Nghiên cứu quy luật chyển động của khối hỗn hợp bột trong máy trộn vít đứng; Nghiên cứu lý thuyết đồng dạng – mô hình - thứ nguyên 21 2.1. Phương trình chuyển động của khối bột trong thùng trộn 21 a, Phương trình chuyển động của khối bột ở phần nón cụt 22 b) Phương trình chuyển động của khối bột ở phần thùng hình trụ 26 c) Chuyển động của khối bột trong ống bao 27 d) Điều kiện đảm bảo chuyển động liên tục của khối bột trong và ngoài ống bao. 30 Nhận xét 31 2.2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm 32 2.2.1.Ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm áp dụng trong nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố 33 2.2.2. Ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm áp dụng trong nghiên cứu đa yếu tố 36 2.2.2.1.Xác định các thông số chính ảnh hưởng đến máy trộn 36 2.2.2.2.Lập ma trận thí nghiệm, chọn phương án quy hoạch thực nghiệm 37 2.2.2.3. Xử lý kết quả - Xác định mô hình toán phương án bậc 1 40 2.2.2.4.Xác định mô hình toán bậc 2 43 2.2.2.5. Xác định giá trị tối ưu của các yếu tố hàm mục tiêu 46 2.2.2.6. Giải bài toán thương lượng các giá trị tối ưu giữa hai hàm mục tiêu chất lượng trộn YK và chi phí năng lượng riêng YN 46 2.2.2.7. Phương pháp xác định độ trộn đều và chi phí năng lượng riêng 47 a) Phương pháp xác định độ trộn đều 47 b) Phương pháp xác định chi phí năng lượng riêng 48 2.3. Cơ sở của lý thuyết đồng dạng - mô hình- thứ nguyên 49 2.3.1.Ứng dụng lý thuyết đồng dạng và mô hình trong phương pháp nghiên cứu về cơ điện nông nghiệp 49 2.3.2. Mô hình, bản chất và các dạng mô hình 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.3.3.Chuẩn số đồng dạng 52 2.3.4. Lý thuyết thứ nguyên 53 2.3.5.Nguyên lý của lý thuyết đồng dạng - Định lý đồng dạng 54 2.3.5.1.Định lý đồng dạng thứ nhất 54 2.3.5.2. Định lý đồng dạng thứ hai - định lý 55 2.3.5.3.Định lý đồng dạng thứ ba 55 2.3.6. Phương pháp xác định chuẩn số đồng dạng 56 Kết luận chương II 58 Chương III Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng trộn và chi phí năng lượng riêng của máy trộn TK – 1A 59 3.1.Giới thiệu tóm tắt đặc điểm kỹ thuật máy trộn TK – 1A 59 3.1.1. Các thông số cơ bản của máy trộn 59 3.1.2. Cấu tạo máy trộn TK – 1A 60 3.1.3.Tính toán thiết kế bộ truyền đai tốc độ 200v/ ph và 400v/ph cho máy trộn TK – 1A 61 3.2.Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố 63 3.2.1. Xác định ảnh hưởng của tốc độ vít trộn x1 tới chất lượng trộn yK và chi phí năng lượng riêng yN 63 a) Xác định ảnh hưởng của tốc độ vít trộn x1 tới chất lượng trộn yK 63 b) Xác định ảnh hưởng của tốc độ vít trộn x1 tới chi phí năng lượng riêng yN 65 Kết luận 66 3.2.2. Xác định ảnh hưởng của tải trọng q x2 tới chất lượng trộn yK và chi phí năng lượng riêng yN 67 a) Xác định ảnh hưởng của tải trọng q x2 tới chất lượng trộn yK 68 b) Xác định ảnh hưởng của tải trọng q x2 tới chất lượng trộn yN 70 Kết luận 71 3.3 Kết quả thực nghiệm đa yếu tố 73 3.3.1 Ảnh hưởng của vận tốc x1 và tải trọng x2 đến chi phí năng lượng riêng YN 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.3.2 Ảnh hưởng của vận tốc x1 và tải trọng x2 đến chất lượng trộn yK 76 3.3.3.Giải bài toán thương lượng giữa hàm chi phí năng lượng riêng YN và hàm chất lượng trộn YK 79 Kết luận chương III 80 Chương IV Ứng dụng lý thuyết đồng dạng, mô hình, tính toán lực cản chuyển động trong môi trường nhớt, dễ rơi và xác định dãy máy trộn 81 4.1. Những nguyên tắc chung của quá trình ứng dụng lý thuyết đồng dạng trong nghiên cứu máy trộn 81 4.2. Tính toán chi phí năng lượng trên đơn vị thể tích vật liệu của máy trộn (kiểu vít đứng) và đề xuất dãy máy trộn phù hợp qui mô sản xuất ở vùng nông thôn 85 Nhận xét 88 Kết luận chương IV 88 Kết luận chung 89 Nhận xét về mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài luận văn 90 Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp 91 Hợp đồng kinh tế Phụ lục (Một số hình ảnh thực nghiệm) Tài liệu tham khảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Đỗ Thị Tám Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên BẢNG KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ KÝ HIỆU Ý NGHĨA ĐƠN VỊ ĐO Hệ số chứa ống bao (hoăc ) Khối lượng riêng của hỗn hợp bột thức ăn chăn nuôi kg/m 3 µ Hệ số nhớt động học g/m.s d Đường kính cánh trộn m fcs Diện tích của cửa sổ (hình vuông) trong máy trộn m 2 g Gia tốc trọng trường m.s-2 l Chiều dài ống m N Công suất cần thiết cho bộ phận trộn kW n Số vòng quay của trục máy trộn min-1 p Chi phí áp suất trong ống N/m2 q Lưu lượng khối bột qua đáy của bộ phận trộn m3/h; kg/h Q Năng suất của liên hợp máy t/h; kg/s R Bán kính phần hình trụ (hoặc bán kính lớn của phần hình nón) m s Bước trục vít m v Tốc độ đầu cánh bộ phận trộn m.s-1 x1 Vận tốc vít trộn v/ph x2 Khối lượng hỗn hợp bột trong một mẻ trộn kg/mẻ YK Độ trộn đều % YN Mức chi phí điện năng riêng kWh/t Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -1- ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Tính cấp thiết của đề tài. Công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp nông thôn là một chủ trƣơng lớn của Đảng và nhà nƣớc nhằm thúc đẩy kinh tế phát triển, tạo công ăn việc làm, tăng thu nhập cho ngƣời dân, đƣa nông thôn nƣớc ta tiến lên văn minh, hiện đại. Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ X (4-2006) đã xác định: “…Sau những năm đổi mới, nông nghiệp nông thôn nƣớc ta đã thu đƣợc nhiều thành tựu đáng kể, tuy nhiên còn nhiều vấn đề về sản xuất, đời sống của nhân dân đang nổi lên gay gắt. Vì vậy nông nghiệp phải tạo ra đƣợc chuyển biến mạnh mẽ: vừa tiếp tục tăng trƣởng về số lƣợng, về nhịp độ, về tỷ suất hàng hoá đồng thời nâng cao chất lƣợng sản phẩm, tăng khả năng cạnh tranh, đảm bảo sản xuất có hiệu quả…” Cơ giới hoá - điện khí hoá nông nghiệp là một nhiệm vụ hết sức quan trọng trong toàn bộ sự nghiệp CNH-HĐH: từng bƣớc thực hiện cơ khí hoá các khâu sản xuất, chế biến sau thu hoạch. Đối với ngành nông nghiệp, Nghị quyết 09/2000/NC-CQ của Chính phủ nêu rõ: “ Ứng dụng rộng rãi thành tựu khoa học công nghệ mới và sản xuất nông nghiệp…phải đƣa trình độ KHCN của nhiều ngành trong nông nghiệp đuổi kịp các nƣớc trong khu vực và nâng mức đóng góp của khoa học công nghệ vào giá trị gia tăng của nông nghiệp từ 30% hiện nay lên trên 50% trong thập kỷ tới”. Để sớm đƣa chăn nuôi trở thành một ngành chính, một trong những nhân tố quan trọng là phát triển công nghiệp chế biến thức ăn gia súc với các qui mô nhỏ, vừa và lớn với trang thiết bị đồng bộ nhằm nâng cao chất lƣợng, giảm giá thành sản phẩm, trong đó có khâu nghiền, trộn thức ăn là quan trọng. Xuất phát từ đặc điểm tình hình nêu trên, việc nghiên cứu hoàn thiện một số cơ cấu của máy trộn thức ăn chăn nuôi đang là vấn đề cấp bách và có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục đích của đề tài Nghiên cứu, xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng và chi phí năng lƣợng riêng của máy trộn, trên cơ sở đó tìm dãy máy trộn phù hợp quy mô sản xuất hộ gia đình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -2- 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học Hiện nay, các loại máy trộn đƣợc chế tạo và sử dụng rất nhiều trong các dây chuyền chế biến thức ăn gia súc quy mô vừa và nhỏ. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các loại máy này chƣa mang tính toàn diện, chủ yếu dựa vào phƣơng pháp phân tích cấu trúc, thông qua thực nghiệm. Việc xác định các thông số của quá trình trộn và các quy luật trộn gặp nhiều khó khăn, chủ yếu là do nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến tính chất động lực học của máy trộn: nguyên lý trộn, cơ lý tính của các thành phần thức ăn, các chỉ số công nghệ…Trên cơ sở nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số cấu tạo và sử dụng (thời gian trộn, khối lƣợng một mẻ trộn, chi phí công suất, tốc độ của vít trộn), để sản phẩm đạt đƣợc hàm lƣợng khoa học, đề tài luận văn đã kết hợp nghiên cứu phƣơng pháp truyền thống và nghiên cứu hiện đại nhƣ điều tra, tập hợp thông tin, tham gia thiết kế cải tiến để trên cơ sở đó hoàn thiện công nghệ chế tạo. Đề tài đã áp dụng một số phƣơng pháp toán học trong nghiên cứu chế tạo máy cơ khí nhƣ: phƣơng pháp đồng dạng và phân tích thứ nguyên, phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm, sử dụng chƣơng trình tính toán trên máy tính nhằm tăng độ tin cậy và kết quả thu nhận đƣợc. b. Ý nghĩa thực tiễn - Đúc kết, lựa chọn xác định các thông số hợp lý của các loại máy trộn đang sử dụng tại Thái Nguyên và Thanh Hoá. - Đề xuất dãy máy trộn công suất 1 2 t/h cho quy mô hộ gia đình theo nhu cầu hiện nay. Dãy máy trộn đề xuất, thiết kế chế tạo (cùng Trung tâm Cơ điện nông nghiệp và ngành nghề nông thôn thực hiện) đã đƣợc cơ sở sản xuất ký hợp đồng lắp đặt. Điều này cho thấy mẫu máy trộn MT - 1, MT - 2 đang có thị trƣờng tiêu thụ với điều kiện chất lƣợng chế tạo và giá thành vừa phải. Từ thực tiễn của đề tài, cho thấy chúng ta hoàn toàn làm chủ đƣợc công nghệ chế tạo và có thể ứng dụng rộng trong sản xuất. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm, lý thuyết đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -3- 5. Đối tƣợng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu - Một số thông số chính của máy trộn bột khô, kiểu vít đứng TK-1A: Thời gian trộn, khối lƣợng một mẻ trộn, chi phí công suất, tốc độ của vít trộn... - Nghiên cứu chuyển động của khối hỗn hợp trong máy trộn. - Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết đồng dạng và phân tích thứ nguyên, đề xuất dãy máy trộn phù hợp với điều kiện thực tế. - Địa điểm nghiên cứu thực nghiệm : tại HTX Dịch vụ - Chăn nuôi xã Quý lộc, Huyện Yên Định, tỉnh Thanh Hóa. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -4- Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU - ỨNG DỤNG CÁC LIÊN HỢP MÁY CHẾ BIẾN THỨC ĂN GIA SÚC (TRONG ĐÓ CÓ MÁY TRỘN) Ở TRONG NƢỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1. Khái quát tình hình sử dụng liên hợp máy chế biến thức ăn gia súc. 1.1.1.Khái quát tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam. Giai đoạn 1986 – 1990 do ảnh hƣởng của nền sản xuất kế hoạch tập trung, sản xuất thức ăn chăn nuôi chủ yếu tập trung ở các xí nghiệp quốc doanh với thiết bị kỹ thuật của Đông Âu và Cuba nhƣ hệ thống thiết bị của Hungari công suất 2 tấn/h; Bungari, Cuba công suất 5 tấn/h; Nam Tƣ 10 tấn/h, phục vụ cho các xí nghiệp chăn nuôi quốc doanh. Giai đoạn này trên 80% đầu gia súc chăn nuôi quy mô nhỏ, quảng canh hộ gia đình theo phƣơng pháp truyền thống, tận dụng phụ phế phẩm trong nông nghiệp, chăn nuôi thâm canh hầu nhƣ chƣa phát triển; chăn nuôi hợp tác xã tổ chức các trại chăn nuôi nhỏ 20 30 con lợn, chủ yếu là lợn lai kinh tế, chăn nuôi công nghiệp và bán công nghiệp của các đơn vị quốc doanh có quy mô 500 1000 lợn, gia cầm 5000 10000 con đƣợc nhập giống từ Cuba và một số nƣớc khác nhƣng không nhiều. Chăn nuôi kém phát triển, do đó sản lƣợng thức ăn sản xuất thấp; chất lƣợng chƣa cao, thiết bị công nghệ lạc hậu. Từ năm 1990 - 1996 kinh tế phát triển nhanh, tốc độ tăng trƣởng GDP hằng năm bình quân 6 7 %, sản lƣợng nông nghiệp đạt đƣợc nhiều thành tựu đáng kể, tốc độ tăng trƣởng hàng năm bình quân đạt 4,5%. Chăn nuôi hàng hóa phát triển, nhu cầu thức ăn chăn nuôi lớn, do đó nhiều doanh nghiệp trong và ngoài nƣớc đã đầu tƣ sản xuất thức ăn chăn nuôi với nhiều loại thiết bị, công nghệ hiện đại, tiên tiến có công suất từ 30.000 200.000 tấn/năm. Giai đoạn này phát triển nhanh các dây chuyền có công suất từ 5000 10000 tấn/năm do trong nƣớc chế tạo, chủ yếu là thuộc sở hữu tƣ nhân, hoặc các trang trại chăn nuôi sản xuất tự cung cấp. Các công ty 100% vốn đầu tƣ nƣớc ngoài có dây chuyền đồng bộ thiết bị hiện đại, công nghệ tiên tiến, công suất 100000 200000 tấn / năm nhƣ Proconco; CP Group… Các hãng này có ƣu thế về công nghệ và thiết bị nên chất lƣợng sản phẩm ổn định, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -5- đặc biệt có kinh nghiệm trong chính sách tiếp thị, quảng cáo linh hoạt, nhạy bén. Các đơn vị sản xuất thức ăn trong nƣớc bị khủng hoảng, sản lƣợng thấp, thị phần sản phẩm chiếm khoảng 20% do thiết bị cũ, công nghệ lạc hậu, chất lƣợng sản phẩm chƣa cao. Giai đoạn 1997 – 2007 cùng với sự phát triển mạnh trong nông nghiệp, chăn nuôi hàng hóa phát triển nhanh, nhiều trang trại chăn nuôi đã hình thành, nhu cầu thức ăn lớn, đồng thời là lĩnh vực thu lợi nhuận cao. Do đó nhiều đơn vị trong và ngoài nƣớc đã đầu tƣ và sản xuất thức ăn chăn nuôi. Cargill, AFC (Mỹ); Biomin (Áo); Hàn Quốc; Đài Loan; Trung Quốc; Conffeed (Indonexia)…Các công ty Group (Thái Lan), Proconco (Pháp) thì mở rộng công suất; các cơ sở hợp tác sản xuất trong nƣớc đã đầu tƣ các dây chuyền đồng bộ hiện đại, thiết bị của Van – Aarsen (Hà Lan) nhƣ Bình Định, Đồng Nai, Tiền Giang… Nhiều đơn vị đã xây dựng thƣơng hiệu có uy tín bằng chất lƣợng, giá cả và đa dạng hóa sản phẩm nhƣ: thức ăn gia súc VINA, Thanh Bình, Long Châu (Đồng Nai) , DABACO (Bắc Ninh)… Theo kết quả tổng điều tra nông thôn, nông nghiệp và thủy sản năm 2006, công bố năm 2007 của Tổng cục thống kê, cho thấy yêu cầu thức ăn chăn nuôi ngày càng trở nên cấp bách do đó cần đầu tƣ trang bị, sử dụng nhiều máy chế biến thức ăn chăn nuôi (nghiền, trộn…). Tính đến nay, toàn quốc đã trang bị 38.264 máy chế biến thức ăn chăn nuôi (trong đó có khoảng 30% là máy trộn với công suất từ 1,5 2 t/h). Tính bình quân trên 100 hộ là 0,3 chiếc, tập trung nhiều ở các tỉnh Đông Bắc nhƣ Lạng Sơn, Bắc Giang, Cao Bằng…Đây là những loại máy có công suất nhỏ. Riêng các loại dây chuyền chế biến thức ăn gia súc ở Đông Nam Bộ, Đồng bằng sông Cửu long tuy số lƣợng bình quân nhỏ nhƣng công suất các loại máy là rất cao từ 8 30 t/h Bảng sau nêu kết quả đầu tƣ trang bị của từng vùng trong nƣớc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -6- Bảng 1.1. Mức độ trang bị máy chế biến thức ăn công nghiệp Đơn vị: chiếc /100 hộ TT Tên địa phƣơng Các loại máy Máy sấy Máy chế biến thức ăn chăn nuôi Máy chế biến lƣơng thực 1 Toàn quốc 0,64 0,30 1,96 2 Đồng bằng sông Hồng 0,10 0.18 1,13 3 Các tỉnh Đông Bắc 3,51 0,83 6,64 4 Các tỉnh Tây Bắc 0,14 0,26 5,24 5 Các tỉnh Bắc Trung Bộ 0,05 0,39 1,96 6 Duyên hải N. Trung Bộ 0,06 0,08 0,54 7 Tây nguyên 0,27 0,21 1,12 8 Đông Nam Bộ 0,06 0,13 0,32 9 Đồng bằng S. Cửu Long 0,22 0,15 0,17 Nguồn: Tổng cục thống kê 2007 Cũng từ kết quả điều tra tổng kết của Tổng cục thống kê và của đề tài “Qui hoạch cơ giới hóa sản xuất nông lâm nghiệp ở tỉnh Thái Nguyên của Trung tâm cơ điện nông nghiệp và ngành nghề nông thôn” cho thấy số lƣợng máy chế biến nông sản và thức ăn gia súc ở Thái Nguyên là tƣơng đối cao. Thái Nguyên Phú Thọ Cao bằng Tuyên Quang Yên Bái Bắc Kạn Cơ sở chế biến nông sản 5383 4951 153 3522 2788 673 Máy chế biến thức ăn chăn nuôi, chiếc 2033 763 3031 1214 500 469 Riêng Thanh Hóa có 4490 chiếc máy chế biến thức ăn gia súc, tính bình quân 0,61 chiếc/100 hộ. Đây là một trong những tỉnh miền Trung mặc dù có nguyên liệu thức ăn chăn nuôi rất dồi dào nhƣng lại là nơi thiếu nhiều máy chế biến thức ăn gia súc. Về cơ sở chế biến: toàn tỉnh có 10.754 cơ sở chế biến qui mô xã, bình quân 1,47 cơ sở chế biến /100 hộ, trong đó ở những vùng xa, vùng sâu yêu cầu chế biến thức ăn chăn nuôi cấp bách nhƣng mức độ đầu tƣ, trang bị máy còn rất thấp nhƣ: Thạch Thành, Vĩnh Lộc, vv… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -7- Theo thống kê của Viện Cơ điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch, hiện nay thức ăn chăn nuôi công nghiệp mới đạt 3,5 – 3,8 triệu tấn/năm, tức là chiếm khoảng 30% tổng số thức ăn sử dụng trong chăn nuôi, trong khi đó chỉ tiêu bình quân trên thế giới là 48%, các nƣớc công nghiệp phát triển đạt 80 – 90%. 1.1.2. Khó khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay - Thiếu nguyên liệu thức ăn chăn nuôi (thiếu nguyên liệu giàu năng lƣợng nhƣ ngô, thiếu nguyên liệu giàu Protein nhƣ bột cá chất lƣợng cao, khô dầu các loại hàng năm phải nhập khẩu 800 – 900 nghìn tấn khô dầu, đậu tƣơng; phải nhập khẩu các nguyên liệu nhƣ Vitamin, vi lƣợng, men tiêu hóa, kháng sinh…); - Sự phối hợp nghiên cứu liên ngành (nông nghiệp, công nghiệp, hóa dƣợc…) để tìm và tạo ra nguyên liệu mới chƣa đƣợc quan tâm; - Do ảnh hƣởng của tƣ duy cơ cấu nông nghiệp truyền thống, chăn nuôi tận dụng, một số vùng, một số ngƣời chậm đổi mới nhận thức, coi nhẹ chăn nuôi trong cơ cấu nông nghiệp hàng hóa, không coi thức ăn chăn nuôi là then chốt. Đây là khe hở trong đầu tƣ nghiên cứu, ứng dụng tiến bộ kỹ thuật và tổ chức sản xuất; - Giá thức ăn chăn nuôi còn cao khoảng 15 – 20 % so với khu vực và thế giới nên giá thành sản phẩm chăn nuôi chƣa cao.Vì thiếu nguyên liệu, máy móc thiết bị nhập khẩu giá thành cao, khấu hao lớn, cƣớc phí vận chuyển cao so với giá trị hàng hóa; - Chất lƣợng thức ăn chăn nuôi, nhất là ở các cơ sở vừa và nhỏ còn thấp và không ổn định. Nguyên nhân do công nghệ và thiết bị lạc hậu, thiếu vốn nên không chủ động đƣợc nguyên liệu; - Chi phí cho nguyên liệu chế biến thức ăn chăn nuôi khá cao (chiếm khoảng 75 – 80%; mặt khác cơ sở chế biến thức ăn nhỏ (doanh nghiệp, tƣ nhân) còn dùng nhiều lao động phổ thông cho nên chi phí chiếm gần 20%. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -8- Bảng 1.2. Chi phí cho sản xuất thức ăn chăn nuôi (cho 1 kg) ở một số vùng Nguyên liệu Lao động Năng lƣợng nhiên liệu Chi phí quản lý Loại hình vốn đầu tƣ 100% của nƣớc ngoài 80,3 7,4 2,5 9,8 Loại hình doanh nghiệp nhà nƣớc 80,6 7,1 2,6 9,7 Doanh nghiệp tƣ nhân 75,3 19,9 2,7 2,1 Nguồn: TS. Nguyễn Năng Nhượng (2004)-“Một số thành tựu khoa học công nghệ về cơ giới hoá chế biến thức ăn chăn nuôi sau 20 năm đổi mới” Thức ăn chăn nuôi chiếm 65-75% giá thành sản phẩm chăn nuôi, là nguyên nhân chính làm cho giá sản phẩm chăn nuôi ở Việt Nam cao hơn các nƣớc trong khu vực 15 – 20%. Để nâng cao và ổn định chất lượng, giảm giá thành cần luôn quan tâm đầu tư tạo đủ nguồn nguyên liệu, cải tiến công nghệ, thiết bị và áp dụng các thành tựu khoa học công nghệ mới nhất vào lĩnh vực chế biến thức ăn chăn nuôi. 1.1.3. Tình hình nghiên cứu và chuyển giao máy, thiết bị phục vụ chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam. 1.1.3.1.Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi Tuỳ thuộc vào giống, quá trình sinh trƣởng và phát triển của vật nuôi, nhu cầu dinh dƣỡng rất khác nhau. Do yêu cầu khắt khe về dinh dƣỡng và nguyên liệu đƣa vào chế biến rất đa dạng nên trong quy trình chế biến, dù rất hiện đại, thức ăn chăn nuôi vẫn phải chế biến theo mẻ. Theo cách chung nhất, thức ăn chăn nuôi đƣợc chế biến theo quy trình sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -9- Trong mỗi công đoạn chế biến có nhiều phƣơng án và giải pháp kỹ thuật khác nhau. Nhƣng nhìn chung dây chuyền thiết bị càng tiên tiến thì năng suất, chất lƣợng sản phẩm càng cao và ổn định. Trên cơ sở quy trình tổng quát, tuỳ thuộc vào mức độ cơ giới hoá và khả năng tài chính của mình mà các doanh nghiệp quyết định chọn quy trình công nghệ và máy móc, thiết bị phù hợp. 1.1.3.2 Quy mô phân tán Quy mô chế biến thức ăn chăn nuôi thƣờng có năng suất 300 – 1000 kg/h sản xuất các loại thức ăn tổng hợp dạng bột phục vụ chính cho cơ sở chăn nuôi hoặc làm dịch vụ tại các thôn xã. Mô hình này đã, đang và sẽ tiếp tục phát triển trong tƣơng lai, vì nó tận dụng đƣợc nguồn nguyên liệu sẵn có (cám, ngô, khoai, sắn…) ở địa phƣơng và thích hợp cho chăn nuôi phân tán, quy mô nhỏ ở nông thôn, miền núi, vùng sâu, vùng xa. Nguồn cung cấp vi lƣợng, đạm, chất bổ sung là thức ăn đậm đặc do các cơ sở quy mô sản xuất tập trung. Thiết bị trong các mô hình này chủ yếu là máy trộn và máy nghiền. Máy trộn thƣờng dùng máy trộn đứng công suất 100 - 300kg/mẻ do trong nƣớc chế tạo. Rất ít cơ sở dùng máy trộn ngang, mặc dù máy trộn ngang cho chất lƣợng đồng đều cao hơn, nhƣng tiêu tốn nhiều điện năng hơn và giá thành cũng cao hơn. H 1.1.Quy trình chế biến thức ăn chăn nuôi Nguyên liệu Định lƣợng Nghiền nhỏ Trộn đều Chất bổ sung Ép tạo viên Đóng bao Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -10- Máy nghiền thƣờng có công suất 300-1000kg/h do Việt Nam hoặc Trung Quốc chế tạo. Tuy nhiên, các loại máy nghiền thƣờng lấy sản phẩm ra bằng quạt hút, nên tăng đáng kể chi phí điện năng, máy hay bị tắc và bụi. Để khắc phục những tồn tại trên, trong những năm 1990 Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch đã nghiên cứu, chế tạo ra mẫu máy nghiền không sàng (sàng ngoài) và phần nào đã đáp ứng đƣợc yêu cầu của sản xuất. Có thể nói, các máy móc, thiết bị quy mô phân tán trong nƣớc hoàn toàn chế tạo đƣợc. Tuy nhiên do một thời gian dài ít đƣợc quan tâm nên chƣa có các cải tiến phù hợp với sản xuất hiện nay. 1.1.3.3.Quy mô tập trung Sản xuất thức ăn chăn nuôi ở quy mô tập trung thƣờng năng suất từ 2; 3; 5; 10; 15; 20; 30 tấn/h và lớn hơn. a, Quy mô 2 -5 tấn/h Các cơ sở vốn ít, nhất là các cơ sở mới thành lập thƣờng chọn quy mô 2; 3 hoặc 5 tấn/h để đầu tƣ. Sản phẩm chủ yếu là thức ăn tổng hợp và đậm đặc và dạng bột. Có một số cơ sở đầu tƣ sản xuất thức ăn viên nhƣng chƣa nhiều. Ở dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi dạng bột, ngoài một số thiết bị phụ trợ (gầu tải, vít tải, quạt hút…) thiết bị chủ yếu là máy nghiền và máy trộn đứng, nhƣng đƣợc bố trí hợp lý nên phát huy hiệu quả tƣơng đối cao. Đi tiên phong trong quy mô này là Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch. Từ năm 2000 đến nay trên 50 dây chuyền đã đƣợc chuyển giao vào sản xuất. b, Quy mô 10 – 30 tấn/giờ và lớn hơn Với quy mô 10 – 30 tấn/giờ, hiện tại ở Việt Nam cũng song song tồn tại hai quy trình công nghệ và theo đó là hệ thống máy móc thiết bị. Tuy nhiên, ở quy mô này hầu hết các máy và thiết bị đƣợc nhập khẩu đồng bộ từ nƣớc ngoài, công nghiệp trong nƣớc chƣa chế tạo đƣợc hoàn chỉnh. Thời gian gần đây, giá thành nhập đồng bộ dây chuyền cao, nhiều cơ sở chỉ nhập những thiết bị chính, còn các thiết bị phụ trợ nhƣ gầu tải, vít tải, thùng chứa…chế tạo trong nƣớc để giảm chi phí đầu tƣ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -11- c, Mô hình đầu tƣ + Đối với chăn nuôi truyền thống hộ gia đình, đây là hình thức chăn nuôi tận dụng các phụ phế phẩm trong nông nghiệp nhƣ xay xát kiêm nghiền ngô, khoai sắn ở nông thôn, vùng sâu, vùng xa phục vụ nội tiêu tại chỗ là chủ yếu. Ở đây sử dụng máy nghiền loại nhỏ công suất 200 – 300 kg/h và hầu nhƣ chƣa có máy trộn. Để nâng cao chất lƣợng thức ăn cần trang bị các máy trộn đứng công suất từ 100 – 300 kg/mẻ. + Ở các cơ sở chế biến phân tán, bán công nghiệp quy mô 1 – 2 tấn/h sản xuất chủ yếu thức ăn tổng hợp dạng bột phục vụ cho nhu cầu chăn nuôi của cơ sở mình hoặc dịch vụ nghiền trộn tại địa phƣơng. Thiết bị chủ yếu là máy nghiền, máy trộn đứng, vít tải, gầu tải, điều khiển thủ công và do trong nƣớc chế tạo. Dự báo trong thời gian tới mô hình này sẽ phát triển mạnh vì quy mô chăn nuôi tập trung phát triển và vốn đầu tƣ cho dây chuyền thấp. + Quy mô từ 2 – 5 tấn/h với sản phẩm là thức ăn tổng hợp và đậm đặc dạng bột, thiết bị chủ yếu là máy nghiền, máy trộn đứng và các thiết bị phụ trợ do trong nƣớc chế tạo. Mô hình này phát triển mạnh trong thời gian qua. Tuy nhiên để phù hợp với xu thế phát triển, mô hình này sẽ dần đƣợc thay thế bằng các dây chuyền đồng bộ quy mô 4 – 5 tấn/h với sản phẩm dạng bột và viên kết hợp với điều khiển tự động hoàn toàn hoặc tự động từng công đoạn. Ngoại trừ máy ép viên, tất cả các dây chuyền đều do trong nƣớc chế tạo, kể cả trung tâm điều khiển. + Đối với các cơ sở chế biến công nghiệp công suất từ 10 tấn trở lên, đây là quy mô đang phát triển mạnh. Các công ty có tên tuổi của nƣớc ngoài đầu tƣ quy mô công suất 20 – 40 tấn/giờ. Đây là các dây chuyền đồng bộ, thiết bị hiện đại, công nghệ tiên tiến với mức độ tự động hóa cao. Hiện các dây chuyền này đƣợc nhập đồng bộ hoặc các máy chính của nƣớc ngoài. Nhận xét Qua phân tích về tình hình phát triển thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam, những khó khăn tồn tại trong sản xuất thức ăn chăn nuôi hiện nay, và tình hình nghiên cứu và chuyển giao máy, thiết bị phục vụ chế biến thức ăn chăn nuôi ở Việt Nam thời gian qua, đặc biệt là qua phân tích mô hình đầu tƣ, tác giả thấy cần phải nghiên cứu sản xuất máy chế biến thức ăn gia súc tại Việt Nam, nhất là trong mô hình cơ sở chế Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -12- biến phân tán, bán công nghiệp quy mô 1 – 2 tấn/h. Nội dung luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu về máy trộn thức ăn gia súc trong mô hình sản xuất này, nhằm đề xuất thiết kế dãy máy trộn hợp lý. 1.2. Tình hình nghiên cứu khoa học về máy trộn thức ăn gia súc Trong sản xuất công nông nghiệp nói chung, máy trộn là máy công tác đƣợc dùng rộng rãi trong nhiều ngành: - Chế biến thức ăn gia súc; - Chế biến thực phẩm; - Công nghiệp hoá dƣợc; - Vật liệu xây dựng… Với nhiệm vụ: - Tạo ra hỗn hợp đồng đều gồm các thành phần có tính chất rắn, lỏng nhƣ nhau hoặc khác nhau do trộn đều hoặc hoà tan. Đối với ngành chế biến thức ăn gia súc phục vụ chăn nuôi trong nông nghiệp thì vấn đề này có vai trò quan trọng đối với chất lƣợng hỗn hợp thức ăn : các thành phần thức ăn ở dạng bột xay nghiền với độ nhỏ quy định, cần phải trộn đều với nhau thành hỗn hợp. Nhƣ vậy khi ta cho gia súc ăn, chủ yếu thức ăn ở dạng khô sống, phổ biến trong kỹ thuật chăn nuôi hiện nay, thì khối lƣợng mỗi khẩu phần ăn của vật nuôi luôn luôn đƣợc đảm bảo đủ tỷ lệ các thành phần theo thực đơn cho từng loại vật nuôi do ngành chăn nuôi quy định; - Tăng cƣờng các phản ứng hoá học hay sinh học khi chế biến thực phẩm hoặc thức ăn gia súc: trộn thức ăn với men để ủ, trộn các chế phẩm hoá dƣợc; - Tăng cƣờng các quá trình trao đổi nhiệt khi đun nóng hay làm lạnh: nhƣ khuấy sữa trong khi đun để chóng cô đặc. 1.2.1.Tình hình và kết quả nghiên cứu máy trộn trên thế giới Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại máy trộn, riêng về máy trộn thức ăn gia súc có thể phân loại: + Phân loại theo cấu tạo : - Máy trộn có bộ phận quay, thùng máy đứng yên; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -13- Phổ biến của nhóm này gồm các loại kiểu bộ phận trộn: vít, cánh gạt, hành tinh, cánh xoắn, vít đứng, ly tâm, nghiền trộn (kiểu va đập). Ƣu điểm là chất lƣợng trộn cao, dễ nạp và xả, dễ sử dụng, làm việc gián đoạn hoặc liên tục và có thể trộn ẩm. Nhƣợc điểm là khó khó làm sạch, mức tiêu thụ điện năng riêng cao, giá thành chế tạo máy cao… - Máy trộn có thùng quay; Nhóm này gồm các kiểu: trống (lập thể, chữ V…) kiểu nón đơn, nón kép… Nhóm này có ƣu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ làm sạch, công suất máy thấp…Nhƣợc điểm là tốc độ trộn đều thấp (n=50v/ph), chỉ làm việc gián đoạn, thể tích hữu ích thấp ( =50%), không trộn đƣợc vật liệu nhão, dính + Theo cách bố trí đặt máy: loại tĩnh tại và loại lƣu động; + Theo thời gian hoạt động: liên tục và gián đoạn; + Theo vị trí bộ phận trộn: ngang, nghiêng, đứng; + Theo tính chất cơ lý của thức ăn: khô, nhão, loãng; + Theo chế độ vận tốc: chậm, nhanh. MÁY TRỘN THỨC ĂN GIA SÚC TĨNH TẠI LƯU ĐỘNG LIÊN TỤC GIÁN ĐOẠN NGHIÊNG NGANG ĐỨNG T R Ố N G , L Ậ P P H Ư Ơ N G , C H Ữ V G IẢ I X O Ắ N P H Ố I H Ợ P K H Í Đ Ộ N G L Y T Â M H À N H T IN H C Á N H Q U Ạ T T H Ù N G N Ó N C Á N H G Ạ T V ÍT THỨC ĂN NHÃO THỨC ĂN BỘT KHÔ THỨC ĂN LỎNG H1.2. Phân loại máy trộn thức ăn gia súc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -14- So sánh ƣu nhƣợc điểm một số loại máy trộn thức ăn gia súc phổ biến trên thế giới: - Máy trộn cánh gạt: Trộn đƣợc nhiều loại thức ăn, tháo lắp và làm sạch thuận tiện, có khả năng bố trí vào liên hợp máy chế biến liên tục, mức tiêu thụ điện năng tƣơng đối cao; - Máy trộn vít đứng phổ biến cho các loại thức ăn bột khô, mức tiêu thụ điện năng riêng nhỏ, diện tích bố trí máy gọn, giá thành chế tạo và giá thành sản phẩm tƣơng đối thấp nhƣng chất lƣợng trộn không cao lắm; - Máy trộn hành tinh có cấu tạo phức tạp, năng suất thấp; - Máy trộn giải xoắn (ngƣợc dòng) phổ biến ở Mỹ, Pháp có chất lƣợng trộn tốt, trộn đƣợc nhiều loại thức ăn, nhƣng cấu tạo phức tạp, tiêu thụ điện năng riêng cao; Về phƣơng diện cấu tạo, đa số các tác giả tập trung nghiên cứu loại máy trộn cánh gạt, nằm ngang, làm việc gián đoạn hoặc liên tục, nhất là kiểu hai trục cánh trộn trong số các máy trộn thức ăn gia súc. Do máy trộn này có tính chất vạn năng, trộn đƣợc nhiều loại thức ăn gia súc có cơ lý tính khác nhau, đặc biệt là áp dụng tốt với thức ăn ẩm, nhão; Đối với thức ăn khô là loại phổ biến chủ yếu, chế biến rộng rãi ở các cơ sở, các xí nghiệp chế biến...Các kiểu máy trộn cánh gạt, nằm ngang, gián đoạn cũng đáp ứng đƣợc yêu cầu trên nhƣng còn nhiều nhƣợc điểm hơn so với máy trộn kiểu vít đứng. Ví dụ cùng một lƣợng tải và thời gian trộn thì máy trộn kiểu cánh gạt cho chất lƣợng trộn thƣờng thấp hơn, mức tiêu thụ điện năng riêng cao hơn; Về phƣơng diện lý thuyết tính toán, mặc dù khâu trộn vật liệu đã đƣợc phát triển rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất, nhƣng việc nghiên cứu vẫn chƣa toàn diện, chủ yếu mang tính chất thực nghiệm. Việc xác định các thông số của quá trình trộn và các quy luật trộn gặp khó khăn, chủ yếu là do nhiều yếu tố biến đổi ảnh hƣởng đến động lực học của máy trộn: cơ lý tính của các thành phần thức ăn, nguyên lý trộn và các chỉ số công nghệ khác... Kết quả của những công trình nghiên cứu về lý thuyết máy trộn của một số tác giả đƣợc công bố nhƣ sau: - Trong máy trộn khi làm việc diễn ra hai quá trình: trộn đều (quá trình thuận) và quá trình phân lớp (quá trình ngƣợc). Hai quá trình đó diễn biến theo thời gian trộn đến lúc hỗn hợp bột đạt tới trạng thái “cân bằng động lực”, thì tỷ lệ thành phần mà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -15- ta xét trong mẫu đo thực tế không thay đổi nữa dù có tiếp tục trộn thêm. Sau trạng thái “cân bằng động học” nếu tiếp tục thời gian trộn thì độ trộn đều lại có thể bị giảm đi. Pacкaтoвa E.A [ 3 ] đã đề xuất phƣơng trình động học của quá trình trộn dƣới dạng: VC = f1(t) + f2(t) Trong đó: - VC : Độ trộn không đều của hỗn hợp - f1(t) :Hàm đặc trƣng cho quá trình trộn thuận - f2(t): Hàm đặc trƣng cho quá trình trộn ngƣợc - Hiện tƣợng cân bằng động xảy ra khi f1(t) = f2(t) Một số tác giả khác cũng đã có những nhận xét tƣơng tự nhƣ vậy, đã coi quá trình trộn là sự thay đổi mật độ Ci của thành phần hỗn hợp, đã thành lập mối quan hệ giữa tốc độ quá trình trộn với sự thay đổi mật độ Ci trong một đơn vị thời gian tính theo công thức: dt tdf dt tdf dt dC V i 21 Một phƣơng hƣớng nghiên cứu máy trộn nữa là để nắm vững đƣợc bản chất thiết bị trộn và để điều khiển thiết bị hoạt động theo hƣớng tối ƣu, một số tác giả đã nghiên cứu thành lập đƣợc các mô hình toán học hoặc vật lý mô tả quan hệ đặc trƣng cho các quá trình xảy ra trong máy trộn (quá trình chuyển khối lƣợng, quá trình chuyển năng lƣợng nhiệt, quá trình chuyển động lƣợng thuỷ động) Những máy trộn dùng trong công nghiệp thực phẩm, công nghiệp hoá dƣợc đã đƣợc nhiều tác giả nƣớc ngoài nghiên cứu theo hƣớng trên, nhất là đối với các quá trình trộn lỏng, trộn các dung dịch nhũ tƣơng, huyền phù,... Đối với thiết bị trộn khô thì mô hình toán học biểu thị quá trình chuyển khối lƣợng đã đƣợc Damkoehler [10] mô tả bằng phƣơng trình bảo toàn động lƣợng với dạng 0)()( GgradDdivvdiv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -16- Trong đó: - là mật độ (khối lƣợng riêng); v - vận tốc hỗn hợp trong máy; Dp - Hệ số dẫn khối; - Hệ số cấp khối lƣợng; - Bề mặt chuyển pha riêng; G - Lƣợng biến đổi do nguồn khối lƣợng; Đối với mô hình máy trộn thức ăn gia súc, một số tác giả đã nêu lên mô hình toán nhƣ sau: - Mô hình toán của Pacкaтoвa E.A biểu thị chất lƣợng trộn trên cơ sở nghiên cứu máy trộn kiểu cánh gạt, nằm ngang: ),,,,()lg()( 2 11 t l g l l ftDtAV Bc Trong đó: A, B, D là hàm của các đại lƣợng không thức nguyên l1,l- kích thƣớc của các thành phần; ,1 - mật độ các thành phần; g - gia tốc trọng trƣờng; - vận tốc góc; - hệ số chứa của thùng máy trộn; t - thời gian trộn. - Stelmakh [10] đề xuất mô hình tính toán xác suất biểu thị quá trình trộn, cũng trên cơ sở nghiên cứu máy trộn kiểu cánh quạt nằm ngang, gián đoạn. Gọi mật độ trung bình của thành phần phụ gia (đƣợc trộn vào hỗn hợp để theo dõi xác định chất lƣợng trộn) bằng: 0 0 0 0/ 1/ ( ) ( ) ( )0 ( ) ( , ) (1 ) 1/ t v t t t t t t t e e e e Trong đó: t - thời gian trộn; - bán kính véc tơ từ tâm vị trí ban đầu của phần tử chất phụ gia; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -17- 0 - mật độ ban đầu của chất phụ gia ở thời điểm to; - mật độ trung bình của chất đó ở thời điểm t; , - các hệ số. Ngoài ra một số tác giả đã nghiên cứu đề xuất các phƣơng pháp tính toán và xác định chất lƣợng hỗn hợp để đánh giá độ trộn đều của các máy trộn (Kaфapoв B.B [1] và những tác giả khác). Trong thời gian gần đây, đã có các nghiên cứu về máy trộn dựa vào phƣơng pháp phân tích cấu trúc, thông qua thực nghiệm, nhất là việc ứng dụng quy hoạch thực nghiệm, lý thuyết đồng dạng phép phân tích thứ nguyên để đề xuất các mô hình toán học, mô hình vật lý. Tuy nhiên tác giả đƣợc biết những nghiên cứu theo phƣơng pháp này trên thế giới đối với loại máy trộn bột kiểu vít đứng chƣa đƣợc thực hiện cụ thể và rất ít loại tài liệu nghiên cứu đã công bố về loại máy trộn đó. Trong công nghiệp chế biến thức ăn gia súc, đại bộ phận là trộn hỗn hợp dạng bột khô với khối lƣợng lớn. Khi trộn vật liệu bột này, các hạt bột chịu tác động của những lực có xu hƣớng khác nhau ngẫu nhiên và chuyển động của các hạt bột chính là hệ quả của tổng hợp các lực đó. Theo Lecey P.H.C (Anh), trong máy trộn bột thƣờng có 5 quá trình cơ bản xảy ra: 1- Tạo các lớp trƣợt với nhau theo mặt phẳng - quá trình trộn cắt; 2- Chuyển dịch từng nhóm hạt bột từ vị trí này tới vị trí khác- quá trình trộn đối lƣu; 3- Thay đổi vị trí của từng hạt bột riêng rẽ - quá trình trộn khuếch tán; 4- Phân tán từng phần tử do va đập vào thành máy- quá trình trộn va đập; 5- Biến dạng và nghiền nhỏ các hạt- quá trình trộn nghiền. Tùy theo cấu trúc máy trột và tính chất cơ lý của các thành phần bột, có thể chỉ xuất hiện một hoặc một vài trong số những quá trình đã nêu. Cũng do tác động khác nhau rất ngẫu nhiên của các lực vào hạt bột và sự phụ thuộc của cấu trúc máy trộn vào phƣơng pháp thực hiện các quá trình, cho nên quá trình trộn bột khô rất khó mô tả đầy đủ bằng lý thuyết với các mô hình toán. Ở máy trộn kiểu vít đứng thì các quá trình chủ yếu là trộn khuếch tán và đối lƣu… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -18- 1.2.2.Tình hình và kết quả nghiên cứu máy trộn ở Việt Nam Trong nƣớc ta đã nhập và sử dụng một số loại máy trộn thức ăn gia súc từ những năm 1960 ở các nông trƣờng chăn nuôi và một số cơ sở chế biến thức ăn gia súc. Một số cơ quan nghiên cứu cơ giới hóa nông nghiệp, các nhà máy cơ khí phục vụ nông nghiệp cũng đã thiết kế chế tạo máy trộn thức ăn gia súc từ những năm 1970, quan tâm đến máy trộn kiểu vít đứng. Viện thiết kế máy nông nghiệp, Bộ cơ khí luyện kim đã chế tạo máy trộn bột vít đứng TK-0,5 năm 1974 (không ống bao, sau đó cải tiến có ống bao vít). Năm 1976 Trƣờng Đại học nông nghiệp 1 đã thiết kế chế tạo máy trộn bột vít đứng TB-1,0 với loại ống bao cải tiến có các cửa sổ, từ đó đã thiết kế chế tạo tiếp các mẫu máy TK-1A, TB - 1B. Viện công cụ cơ giới hóa Nông nghiệp, Bộ nông nghiệp thiết kế chế tạo máy trộn bột kiểu vít đứng TK-1A năm 1978 theo nguyên lý ống bao có các cửa sổ nhƣ mẫu máy TB-1,0. Kết quả thiết kế chế tạo, khảo nghiệm quốc gia và sử dụng kiểu máy trộn vít đứng ở nƣớc ta đã chứng tỏ kiểu máy trộn này có cấu tạo tƣơng đối đơn giản dễ sử dụng, đáp ứng tƣơng đối tốt chất lƣợng trộn, phù hợp với mô hình sản xuất phân tán quy mô 1-2 tấn/h hiện nay. Máy trộn kiểu vít đứng chủ yếu dùng để trộn bột khô, không đòi hỏi tính chất vạn năng cho cả thức ăn ẩm, nhão hay lỏng. Bảng 1.3. Xác định chỉ tiêu chất lượng các máy trộn tham gia khảo nghiệm T T Danh mục các chỉ tiêu Máy trộn tham gia khảo nghiệm TK-1A Viện CC & CGNN ĐHNN Hà Nội TK.0,5 VTKMNN 1 Tốc độ quay của máy trộn (v/min) 300 515 307 2 Khối lƣợng trộn một mẻ (Kg) 250 300 250 3 Thời gian nạp liệu (min) 1,37 3,21 5,4 4 Thời gian trộn (min) 7 7 7 5 Thời gian xả (min) 4,2 5,3 126 6 Độ trộn đều (%) 90,4 95,44 65,61 7 Loại động cơ 3 pha 3 pha 3 pha 8 Công suất động cơ (kwh) 2,7 2,7 1,7 9 Độ nhỏ trung bình của nguyên liệu 0,69 0,69 0.69 10 Độ ẩm trung bình của nguyên liệu (%) 13,43 13,43 13,43 Nguồn: TS. Nguyễn Năng Nhượng (2004)-“Một số thành tựu khoa học công nghệ về cơ giới hoá chế biến thức ăn chăn nuôi sau 20 năm đổi mới” Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -19- Từ bảng trên ta thấy rằng kiểu máy trộn vít đứng có ống bao cải tiến (mở thêm các hàng cửa sổ) ở mẫu máy TB-1 của Trƣờng Đại học Nông nghiệp 1 đã đạt đƣợc các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt hơn kiểu vít đứng thông thƣờng. Kết quả này cũng đạt tốt ở mẫu máy trộn TK - 1A của Viện công cụ và Cơ giới hoá nông nghiệp đã chế tạo theo nguyên lý đó. Cho đến nay việc nghiên cứu lý thuyết tính toán cũng nhƣ thực nghiệm cho máy trộn kiểu vít đứng vẫn chƣa đƣợc giải quyết đầy đủ và toàn diện để làm cơ sở thiết kế cải tiến thêm mẫu máy đó. 1.2.3 Những tồn tại trong nghiên cứu máy trộn thức ăn gia súc kiểu vít đứng Nhƣ trên đã trình bày, máy trộn kiểu vít đứng đã đƣợc thiết kế chế tạo và thông dụng ở nƣớc ta, nhƣng các thông số cấu tạo và sử dụng các loại máy này chủ yếu dựa vào các tài liệu mẫu máy của nƣớc ngoài. Vấn đề khảo nghiệm để nghiên cứu kiểu máy trộn này trong nƣớc ta cho đến nay rất ít ngƣời thực hiện (trƣớc đây PGS.TS Nguyễn Thị Minh Thuận đã nghiên cứu về mẫu máy này -1988). Hiện nay nhu cầu của ngành thiết kế chế tạo máy cũng nhƣ của ngành sử dụng máy đòi hỏi những máy đã thiết kế, chế tạo và sử dụng cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu khảo nghiệm, đƣợc xác định các thông số hợp lý để làm cơ sở cải tiến hoàn thiện hơn, nhằm đạt đƣợc những chỉ tiêu kỹ thuật tối ƣu về năng suất, chất lƣợng và mức tiêu thụ điện năng riêng… Thực tế, nhiều thông số thiết kế chế tạo máy trộn vít đứng còn chƣa đủ cơ sở khoa học để lựa chọn, chƣa đặt mối liên quan giữa các yếu tố cấu tạo và sử dụng cũng nhƣ trong điều kiện kinh tế xã hội ở địa phƣơng Hiện nay, chế độ vận tốc ở các máy trộn đã thiết kế khác nhau rất xa 300- 500v/ph, giải thời gian trộn khá lớn 7 – 15 ph/mẻ, khối lƣợng một mẻ trộn từ 200 – 300 kg…Vậy cần chọn cơ sở đảm bảo các thông số của máy trộn cho thật phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội. Ngoài ra, hiện nay xuất hiện nhu cầu trong sản xuất quy mô phân tán là sử dụng máy trộn có năng suất dƣới 1 tấn/h, nhằm thích hợp với ngƣời sử dụng quy mô gia trại, vì thế việc tìm ra các thông số hợp lý nhằm giúp cho việc thiết kế chế tạo dãy máy trộn bột vít cũng cần phải đƣợc nghiên cứu và giải quyết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -20- KẾT LUẬN CHƢƠNG I 1- Để đƣa chăn nuôi trở thành ngành chính, một trong những khâu quan trọng luôn đƣợc quan tâm là chế biến thức ăn phục vụ cho các loại hình chăn nuôi: trang trại, ngƣời làm dịch vụ, hộ chăn nuôi gia đình. 2- Trong điều kiện sản xuất ở nhiều vùng chăn nuôi còn phân tán cần mô hình chế biến thức ăn qui mô nhỏ từ 1 – 2 t/h với hệ thống thiết bị phù hợp (nghiền, trộn), đảm bảo chất lƣợng thức ăn, giá thành trang bị phù hợp với vốn đầu tƣ của nông dân đang là vấn đề rất cấp bách. 3- Nhiều công trình nghiên cứu của các tác giả nƣớc ngoài đều quan tâm đến chuyển động của khối hỗn hợp bột trong quá trình trộn, từ đó xác định đƣợc chất lƣợng trộn, làm cơ sở cho tính toán thông số cấu tạo của máy trộn. 4- Nghiên cứu ảnh hƣởng của một số thông số cấu tạo và sử dụng (thời gian trộn, tốc độ bộ phận trộn, khối lƣợng một mẻ trộn) tới độ trộn đều và mức tiêu thụ điện năng riêng của máy trộn vít đứng kiểu TK-1A do Trung tâm phát triển cơ điện và Trung tâm Cơ điện và ngành nghề nông thôn thiết kế chế tạo. Áp dụng phƣơng pháp quy hoạch hoá thực nghiệm, đề xuất các mô hình toán và phân tích xác định các giá trị thông số tối ƣu cho mẫu máy, làm cơ sở thiết kế chế tạo mẫu máy mới đạt các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt hơn; 5- Ứng dụng lý thuyết đồng dạng và phép phân tích thứ nguyên xác định một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của dãy máy trộn vít đứng trên cơ sở mẫu máy TK-1A. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -21- Chƣơng II NGHIÊN CỨU QUY LUẬT CHUYỂN ĐỘNG CỦA KHỐI HỖN HỢP BỘT TRONG MÁY TRỘN VÍT ĐỨNG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT ĐỒNG DẠNG - MÔ HÌNH - THỨ NGUYÊN 2.1. Phƣơng trình chuyển động của khối bột trong thùng trộn Đây là nghiên cứu dựa trên lý thuyết chuyển động của vật tơi trong thùng chứa do Tiến sỹ Ghiatrep (Liên Xô) công bố. Tác giả đã nghiên cứu về chuyển động của khối bột trong máy trộn vít đứng có ống bao gồm: - Chuyển động của khối bột ngoài ống bao (Chủ yếu theo quy luật tự chảy trong thùng chứa); - Chuyển động của khối bột trong ống bao do vít đẩy bột lên phía trên qua các cửa sổ ống bao và qua miệng trên của ống bao. Để đảm bảo cho khối hỗn hợp đƣợc nhanh đều và tải trọng tác động vào trục máy cũng nhƣ điện năng tiêu thụ ổn định hơn, hai phần chuyển động đó phải nối tiếp nhau liên tục. Khối bột phải đƣợc vít đẩy lên liên tục xáo trộn, khuếch tán liên tục qua các cửa sổ, không lúc nào bị ùn hay bị hẫng. Do đó, cần xác định quy luật và phƣơng trình chuyển động của khối bột trong và ngoài ống bao, xác định điều kiện bảo đảm tính liên tục, thể hiện ở mối quan hệ giữa một số thông số cấu tạo và sử dụng máy. Đồng thời có thể áp dụng kết quả để tính toán thiết kế cho mẫu máy trộn mới. Các giả thiết dựa trên lý thuyết chuyển động của vật tơi trong thùng chứa: - Khối hỗn hợp bao gồm các hạt hình cầu (tƣơng đƣơng) tuyệt đối rắn, đồng đều, sắp xếp thành những lớp vuông góc với trục máy. Trong khi chuyển động giữa thành thùng máy và thành ống bao, các lớp bột đảm bảo tính chất chảy tầng, và khối lƣợng thể tích không thay đổi đáng kể (tức là không bị nén đáng kể); - Lực ma sát nội tại giữa các hạt bột và lực ma sát của bột với thành thùng trộn đều tuân theo định luật Culông, tỷ lệ thuận với các lực pháp tuyến; - Thùng trộn và ống bao bảo đảm hình dạng tròn xoay khi trộn khối bột chứa trong máy cho mỗi mẻ trộn đảm bảo hệ số chứa tối đa cho phép ( =0,9), sẽ giữ ở mức A- A ngang với miệng trên của ống bao. Trong khi chuyển động ở ngoài ống bao các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -22- hạt bột lần lƣợt chuyển động xuống dƣới từ mức A-A tới mức B-B trong phần hình trụ, rồi tới mức C-C trong phần thùng hình nón cụt. Tới đó khối bột sẽ đƣợc vít đƣa lên theo dòng chuyển động của ống bao, tiếp ngay với chuyển động trên. Nhƣ vậy ở mức C-C lớp bột đƣợc coi nhƣ rơi tự do vào khoảng tác động của vít trộn, để nhập vào chuyển động theo vít trộn; - Tác dụng cản chuyển động của khối bột ở phần thùng hình trụ là do thành hình trụ của thùng trộn có chiều cao H2 với hệ số cản chuyển động k1H2 và thành hình trụ của ống bao ứng với chiều cao H2 và có các mái cửa sổ nghiêng một góc ( = 45 0) với hệ số cản chuyển động k2H2. Còn ở phần thùng nón cụt tác dụng cản là do thành nón cụt của thùng có chiều cao H1 và góc nghiêng ( = 18 0) với hệ số cản chuyển động k1H1 và thành hình trụ của ống bao ứng với chiều cao H1 và cũng có các mái cửa sổ nghiêng một góc với hệ số cản chuyển động k2H1 (các hệ số cản này đƣợc xác định bằng thực nghiệm hoặc tính toán bằng công thức do ячев . .B [2] đề xuất). Tính toán phƣơng trình chuyển động của khối bột ở phần thùng nón cụt trƣớc, rồi áp dụng phƣơng trình đó cho khối bột ở phần trụ bằng cách thay góc nón = 0 và thay hệ số cản, các áp lực tác động. (Hình 2.1) a, Phƣơng trình chuyển động của khối bột ở phần nón cụt d x x d x r y B B C C dP R dRx = K.P.dx O O1 c RC Y X 1 2 3 4 5 dG H 1 H 2 A A H2.1.Sơ đồ cấu tạo của máy trộn bột kiểu vít đứng và đường chuyển động của khối hỗn hợp bột trong máy 1 – Vít trộn; 2 - Ống bao; 3- Thùng trộn; 4 - Ống xả bột; 5 – Thùng cấp liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -23- Giả sử đặt gốc toạ độ 0 ở tâm lớp B-B, trục 0x hƣớng theo chiều chuyển động của khối bột (thẳng đứng, hƣớng phía dƣới), trục 0y nằm ngang. Ta xét chuyển động của một phần tử lớp bột ở khoảng cách x, bề dày dx. Hai lớp trên và dƣới của phần tử lớp đó chịu tác động ép của các lực P và Q ( Q = P + dP). Các phần lớp bột này là những hình vành khăn bao giữa thành thùng và thành ống bao có trọng tâm là O’. Phƣơng trình vi phân chuyển động của phần tử lớp bột đó có thể viết nhƣ sau: dm.a = dG – dGx – dP (2.1) Trong đó: dm : khối lƣợng của phân tử lớp bột; a : gia tốc của phần tử lớp đó; dG : trọng lực của phần tử lớp bột; dRx: lực cản chyển động do thành máy gây lên; dP: độ chênh lệch áp lực. Khối lƣợng của phần tử lớp bột đƣợc tính theo công thức: dxrbxR g dxry g dm 2222 )()( (2.2) Trong đó: - khối lƣợng thể tích của lớp bột hỗn hợp; g – gia tốc trọng trƣờng; R – bán kính của phần hình trụ hoặc bán kính lớn của phần hình nón; Rc – bán kính nhỏ của phần hình nón, ở C-C; b – có giá trị bằng tg ( : góc nghiên của phần hình nón); r – bán kính ống bao; y = R – bx, ở toạ độ (x,y). Để xét gia tốc a, ta gọi lƣu lƣợng của khối bột qua một tiết diện bất kỳ của thùng bằng q. Theo ячев . .B [2] đã công bố khi nghiên cứu lý thuyết chuyển động của vật tơi trong thùng chứa hình nón, lƣu lƣợng q phụ thuộc vào thời gian t và nhƣ vậy sẽ đạt trị số tới hạn sau một thời gian nhất định. )()()( 2222 tqvrbxRvryq (2.3) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -24- Trong đó dt dx v Nhƣ vậy ta sẽ có 3 22 2 2222 )(2' ( rbxR bxRbq rbxR q ry q dt d dt dv a (2.4) Trọng lực dG của phần tử lớp bột tính theo công thức: dxrbxRdxrygdmdG 2 222 )( ( .5) Lực cản chuyển động dRx do các thành phần của cơ cấu làm việc gây nên đƣợc xác định bằng tỷ lệ với áp lực dọc trục P theo chiều chuyển động ở tiết diện nào đó dịch chuyển một đoạn dx. Hệ số tỷ lệ đó gọi là hệ số cản k, nghĩa là: dRx = kPdx (2.6) Theo tiến sỹ ячев . .B [2], hệ số cản chuyển động k phụ thuộc vào góc ma sát giữa khối bột và thành máy, góc ma sát nội tại giữa các hạt bột, góc xếp đặt (trung bình) giữa các hạt bột ở các lớp, góc nghiêng của thành thùng hình nón và phụ thuộc vào độ nhỏ của bột (đƣờng kính trung bình d của các hạt bột). Hệ số cản chuyển động k đƣợc tính theo công thức: ,, cos)(1 )( ,, cos)()(1 )()( 1 2 1 1 m dtgtg tgtg k m dtgtg tgtg k (2.7) Thay các giá trị của dm, a, dG, dRx vào (2.1) đƣợc phƣơng trình vi phân : 222 2 22 )( )(2 ')( rbxRg bxRbq q g rbxRkP dx dP (2.8) Với điều kiện tƣơng đối nhỏ ( =180), để xác định hằng số C khi giải phƣơng trình vi phân, thay trị số áp lực ở lớp trên cùng B-B của phần nón cụt bằng PB (áp lực này sẽ tính theo khối bột chứa ở phần hình trụ gây nên), với toạ độ x =0, ta có: )0( )( 2' )0( 222 2 B rRgk Rbq kg q APC B (2.9) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -25- Với 222 222 2 22 22 2 222 )2( )( ) 2 1( 2 ) 2 ( 2 )( RbxrR rR x rR Rb xB k Rb k x k x x k b k RbxrR xA (2.10) kxkxkxkx B ebxB rRgk bq e kg q eAxAePP )0()( )( 2 )1()0()( 222 2' (2.11) Xét lớp bột cuối cùng C-C là chỗ khối bột tụt xuống hết phần nón cụt để đƣợc vít chuyển lên trong ống bao, với toạ độ x = H1 và PG = 0: 1111 )0()( )( 2 )1()0()( 222 2' 1 kHkHkHkH B ebxB rRgk bq e kg q eAHAePP ( 2.12) Qua quá trình biến đổi đã tính đƣợc: -Lƣu lƣợng q của khối bột qua đáy dƣới: tnmth m n q (2.13-1) - Thời gian chảy hết thể tích khối bột V01 chứa trong phần nón cụt (từ mức B-B tụt xuống mức C-C). Ta có: ))(2exp(11ln().( 1 0101 VVmVVm mn t (2.13-2) Cho V = 0 sẽ tìm ra thời gian t chảy hết thể tích V01 của hỗn hợp chứa trong phần nón cụt )2exp(11ln(. 1 0101 mVVm mn t (2.13-3) Trong đó: )12( )12( 2 22 222 RbHrRgm RbHrR Rb n (2.14) Thời gian t1 chảy hết toàn bộ thể tích V0 của hỗn hợp bột trong máy qua tiết diện C-C bằng: t V V t 01 0 1 (2.15) Vận tốc VH1 của lớp bột ở tiết diện C-C với toạ độ x = H1 đƣợc tính bằng: t RbHrR Rbg th Rb RbHrRg VH 12 2 2 )12( 2 2 1 (2.16) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -26- Gia tốc aH1 của lớp bột ở tiết diện C-C đƣợc tính theo công thức ) 12 2 1( 2 2 1 t RbHrR Rbg thgaH (2.17) b) Phƣơng trình chuyển động của khối bột ở phần thùng hình trụ Khối bột chuyển động của phần hình trụ có thể coi là trƣờng hợp riêng của phần nón cụt với 0 với hệ số cản chuyển động k = k1H2 + k2H2 (của thành hình trụ và của thành ống bao có các mái cửa sổ nghiêng một góc 045 ) Vẫn giữ trục toạ độ Oxy (hình 2.1), có áp lực ở toạ độ x = 0 và 0BP , nghĩa là ở mức B-B, do trọng lƣợng của khối bột chứa trong phần hình trụ luôn luôn đầy do vít đẩy lên đổ qua các cửa sổ ống bao. Áp lực ở toạ độ 2Hx sẽ bằng không (PA = C) vì nói chung là mặt thoáng. Theo công thức tính gia tốc a của phần tử lớp bột dx, với b = 0, ta có: )( 1 . )( ' 2222 rRdt dq rR q a (2.18) Phƣơng trình vi phân chuyển động của lớp bột: )1.().( 22 g a rRkP dt dP (2.19) Nghiệm tổng quát của phƣơng trình trên là: kxCe g a k grR P )1( )( 22 (2.20) Để tính bằng số C, thay trị số của toạ độ x = -H2 và P=PA= 0 2)1( )( 22 kH Ce g a k grR C (2.21) Suy ra: )(exp1)1( )( 1 22 Hxk g a k rR P (2.22) Tuy nhiên ta có thể nhận xét rằng chuyển động khối bột qua phần trụ tới phần nón cụt là liên tục ở mức B-B, ở phần nón cụt khối bột chuyển động chậm hơn do hệ số cản chuyển động lớn hơn, tiết diện đáy dƣới nhỏ hơn. Do đó chuyển động ở phần trụ phụ thuộc vào chuyển động ở phần nón cụt. Để tính toán điều kiện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -27- chuyển động liên tục của khối bột từ ngoài vào trong ống bao, ta chỉ cần quan tâm tính toán chuyển động của khối bột qua phần nón cụt. Khi a = 0 khối bột chuyển động đều hoặc đứng yên trong thùng trụ đó. Khi đó gọi trọng lƣợng P0x của khối bột chứa từ tiết diện A-A tới mức x, có chiều cao (x + H2), ta có: )()( 2 22 0 HxrRP x (2.23) Công thức (2.22) cho ta tính đƣợc áp lực Px ở mức x: )(exp1)1( )( 2 2 0 Hxk g a Hxk P P x (2.24) Ở mức B-B với x = 0 thì: )1( 2 2 0 kH B e kH P P (2.25) Trong đó PB là áp lực tác động vào đáy B-B của phần hình trụ và P0 là trọng lƣợng của toàn khối bột V02 chứa trong phần trụ c) Chuyển động của khối bột trong ống bao Hình 2.2. Quá trình chuyển động của bột trong ống bao a) Sơ đồ ống bao vít b) Sơ đồ mặt cắt ngang của vít và ống bao (để tính vận tốc của khối bột do vít đẩy qua các cửa sổ) c) Sơ đồ mặt cắt dọc của cửa sổ và vận tốc bột qua của sổ (b) (c)(a) 2rv 2r 2rt S CC Q H = H 1 + H 2 Vcs Vb AA n V/ph N N' H M M' Vt VtL K O n/30 aM Vtb Vcs r Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -28- Chuyển động của khối bột trong ống bao là nhờ vít đẩy lên trên theo quy luật chuyển động của vật liệu trong vít chuyền đứng. Với vận tốc Vb đều và lƣu lƣợng giây qvt không đổi, từ tiết diện C-C vào ống bao, ta có: btvvt vrrq .).( 22 (2.26) Trong đó: Vb= S.n/60 (m/s); s: Bƣớc vít; n: Tốc độ của vít (v/ph); rv, rt- bán kính của vít và bán kính của trục vít (m); - Hệ số chứa của ống bao; = 0,8 – 0,85. Trong khi khối bột đƣợc nâng lên, gặp các cửa sổ của ống bao, đƣợc vít gạt văng qua mặt cắt của cửa sổ với vận tốc vcs có diện tích bằng fcs.cos , trong đó: fcs - diện tích của mỗi cửa sổ vuông (fcs = a.a) - góc nghiêng của mái che ( = 450) Để đảm bảo phân tán đều khối bột qua các cửa sổ và qua miệng trên của ống bao, để đảm bảo độ trộn tối ƣu, số cửa sổ K và diện tích mỗi cửa sổ fcs đƣợc xác định để lƣu lƣợng giây qua các cửa sổ nhỏ hơn lƣu lƣợng qvt do vít đẩy lên và nhỏ hơn một lƣợng bằng số lƣu lƣợng văng qua một hàng cửa theo tiết diện ngang. Nếu mỗi hàng ngang có i cửa sổ thì ta có viết: cscsv vikfq )(cos. (2.27) Để xác định vận tốc vcs, ta nhận xét là do khe hở giữa vít và ống bao khá nhỏ, do đó có thể coi phần tử bột trƣợt trên mặt vít ra tới mép vít văng qua cửa sổ với vận tốc tiếp tuyến vt đều: 30 nr v vt (m/s) (2.28) Những phần tử ở mép vít từ điểm N’ đƣợc đẩy qua bề rộng aNN ' của cửa sổ ống bao Giá trị trung bình của vận tốc vtb các hạt bột văng qua điểm N có phƣơng hợp với đƣờng trung trực của NN’ một góc 1 và qua điểm N’ có phƣơng hợp với đƣờng OH một góc 2. Sau khi chiếu vận tốc vt đó lên các đƣờng OH, nghĩa là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -29- cos )cos(cos 2 21 tbcs t tb vv V v (2.29) Vậy: cos)cos(cos 60 )cos(cos 60 21 21 nr v nr v v cs v tb (2.30) Thời gian tb cần thiết đẩy lớp bột từ C-C lên tới A-A và thoát ra ngoài miệng trên ống bao, tức là chuyển động qua hết chiều cao H của ống bao với vận tốc vb, ta có: )( )(6060 21 s Sn HH Sn H tb (2.31) Thời gian t2 cần thiết để vít đẩy khối bột lên hết qua ống bao với thể tích tổng cộng bằng 0302010 VVVV (2.32) Trong đó V03 là thể tích bột chứa trong ống bao khi trộn, sẽ tính theo công thức btvvt vrr VVV q V t .).( 22 0302010 2 (2.33) Thể tích V03 đƣợc tính bằng cách giả thiết là lƣu lƣợng giây qvt của vít bị giảm dần đều do các cửa sổ bố trí dọc theo chiều cao H của ống bao tới miệng trên của ống bao ở mức A-A, lƣu lƣợng đó chỉ còn: cscsi ivfq .cos. (2.34) Giá trị qi chính là lƣu lƣợng còn lại qua miệng trên ống bao. Gọi x là độ cao bất kỳ ở mức từ mức C-C, tính lƣu lƣợng vít ở đó bằng; x H qq q ivtb (2.35) Thời gian dt để vít đẩy khối bột đi một đoạn dx với vận tốc vb bằng bv dx dt , trong khoảng thời gian này khối bột chứa trong ống bao dV là: dx H qq dtqdV vb ivt b (2.36) Lấy tích phân đƣợc: vb ivt H Hqq V )( 03 (2.37) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -30- d) Điều kiện đảm bảo chuyển động liên tục của khối bột trong và ngoài ống bao. Để đảm bảo hỗn hợp đƣợc trộn nhanh đều, hai chuyển động ở ngoài ống bao qua phần trụ và phần nón cụt, và ở trong ống bao do vít đẩy lên, phải đƣợc liên tục, tránh ùn, để toàn bộ khối bột đƣợc vít liên tục xáo trộn không bị thiếu bột vào ống bao. Điều đó đƣợc thoả mãn nếu thời gian t2 cần thiết để vít đẩy lên ống bao hết toàn bộ khối bột 0302010 VVVV phải bằng thời gian toàn bộ khối bột V0 đã chảy qua phần nón cụt ngoài ống bao (tức là qua đáy C-C), đó là điều kiện cần và đủ, nghĩa là t V V q VVV q V t tt vtvt 01 00302010 2 12 (2.38) Giá trị thời gian t1 và t2, các khối bột V0, V01, lƣu lƣợng giây qvt của vít phụ thuộc vào thông số cấu tạo và sử dụng của máy trộn. Do đó nếu chọn trƣớc một số cơ bản, có thể tính giá trị cần thiết của một thông số khác để đảm bảo điều kiện trên, làm cơ sở thiết kế cải tiến mẫu máy trộn vít đứng Thay các giá trị )12( )12( 2 22 222 RbHrRgm RbHrR Rb n Vào công thức )2exp(11ln(. 1 0101 mVVm mn t (2.39) 222 01 22 013222 )12( 4 exp11ln(. 2 12 )12( 2 RbHrR RbV Rbg RbHrR V RbHrRg Rb t (2.40) Ở đây trị số 222 01 )12( 4 exp RbHrR RbV khá nhỏ, nên có thể coi: 01 2 2 2 4 2 ln(1 1 exp ) ln 2 3( 2 1) RbV R r RbH Thể tích phần nón cụt V01 có thể tính bằng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -31- 1 233 01 )( 3 HrRR b V C (2.41) Trong đó: RC – Bán kính nhỏ của đáy nón cụt ở mức C-C; r - Bán kính của ống bao; tg H RR b C 1 ; Đặt các tỷ số: R r R RC ; thì )31( 3 221 2 01 HR V (2.42) Từ các kết quả trên có thể tính 1 )12( )1)(31( )1( 12(2 3 1 22 222 1 g H t (2.43) Thay giá trị t từ (2.39) và V01 từ (2.42) vào (2.38) sau khi biến đổi vtq V t 01 (qvt) là năng suất giây của vít trộn, theo công thức btvvt vrrq .).( 22 có thể tính gần đúng: snrqvt 2 60 ta sẽ có: )31( 1 )12( 1 1 )12(1800 )31( 3 60 2222 24 222 1 22 2 1 ns gH sn H t (2.44) Nhƣ vậy, nếu chọn trƣớc một số đại lƣợng trong các đại lƣợng của công thức trên thì ta có thể xác định đƣợc một đại lƣợng khác để đảm bảo điều kiện cho khối bột chuyển động liên tục trong ống bao và thùng máy, nhờ đó trộn đƣợc nhanh đều hơn. Nhận xét Ứng dụng lý thuyết chuyển động của vật liệu tơi trong thùng chứa đã nghiên cứu chuyển động của khối bôt trong thùng máy trộn bột kiểu vít đứng có ống bao cải tiến với các hàng cửa sổ, đã xác định các phƣơng trình chuyển động của khối bột ngoài ống bao qua phần nón cụt: phƣơng trình vi phân (2.8) xác định áp lực P ở một Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -32- lớp bất kỳ trong khối bột với nghiệm tổng quát P tính theo công thức (2.11). Phƣơng trình tính lƣu lƣợng q của khối bột qua đáy dƣới của phần nón cụt biến đổi theo thời gian t, với công thức (2.13-1), xác định vận tốc VH1 (2.16) và gia tốc aH1 của lớp bột chuyển động qua đáy nón cụt nơi ta cần xét để khối bột rơi vào vít trộn. Đồng thời cũng tính đƣợc thời gian t theo công thức (2.13-2); (2.13-3) cần thiết để khối bột V01 chứa trong phần nón cụt chảy hết qua đáy dƣới. Xác định phƣơng trình chuyển động của khối bột ở phần trụ (2.19) và (2.22), chuyển động này phụ thuộc vào chuyển động của khối bột ở phần nón cụt, phƣơng trình này cho phép xác định áp lực P ở tiết diện bất kỳ của thùng trụ. Khi khối bột đứng yên hoặc chuyển động đều, ta có thể tính đƣợc áp lực P của khối bột tác động lên đáy thùng chứa hình trụ có chiều cao H2 và hệ số cản chuyển động k. Xác định phƣơng trình chuyển động của khối bột trong ống bao nhờ vít trộn (2.26) và vận tốc của khối bột văng qua các cửa sổ ống bao, khối lƣợng bột chứa trong ống bao dƣới tác dụng thoát bột của các cửa sổ (2.37) và thời gian t2 của vít đẩy khối bột (2.33) Nhƣ vậy điều kiện chuyển động liên tục của khối bột qua vít trộn trong ống bao và qua hai phần thùng ngoài ống bao, đã xác định mối liên quan giữa kích thƣớc cơ bản của thùng và vít trộn (2.44) Áp dụng kết quả trên để kiểm tra tỷ số của hai bán kính lớn và nhỏ của máy mô hình đảm bảo điều kiện chuyển động liên tục của bột trong máy, đồng thời kiểm tra khối bột cấp cho mỗi mẻ trên máy mô hình nhằm đảm bảo chất lƣợng và giảm chi phí năng lƣợng riêng. 2.2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết quy hoạch thực nghiệm Trong quá trình nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng làm việc và mức tiêu thụ điện năng riêng của máy trộn vít đứng, tác giả đã áp dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố. Với phƣơng pháp này cần xác định đƣợc các khoảng nghiên cứu, các mức biến thiên, khoảng biến thiên thích hợp. Vì vậy cần phải áp dụng kết quả thực nghiệm đơn yếu tố, trên nguyên tắc chung là cố định các yếu tố khác và thay đổi một yếu tố để xác định ảnh hƣởng của yếu tố biến thiên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -33- đó tới thông số mục “đầu ra”. Qua đó thăm dò đƣợc khoảng nghiên cứu cho phép của yếu tố và các ảnh hƣởng tới giá trị cực trị của hàm mục tiêu. 2.2.1. Ứng dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến độ trộn đều và mức tiêu thụ điện năng riêng đối với máy trộn thức ăm gia súc, trƣớc hết cần chọn các yếu tố ảnh hƣởng. Đó là các yếu tố: - Thời gian trộn ; - Tốc độ của vít trộn; - Khối lƣợng một mẻ trộn (hay hệ số chứa trong thùng trộn); - Kích thƣớc cấu tạo bộ phận trộn; - Độ nhỏ của nguyên liệu; - Độ ẩm của nguyên liệu… … Để lựa chọn những yếu tố chính, ta có thể dùng phƣơng pháp tìm hiểu thu thập thông tin qua các tài liệu tham khảo và ý kiến của chuyên gia, nhờ đó có thể loại bỏ bớt những yếu tố không cần thiết. Trong điều kiện và khuôn khổ của luận văn, tác giả chọn những thông số chính ảnh hƣởng đến độ trộn đều và mức tiêu thụ điện năng riêng, đó là: khối lƣợng một mẻ trộn (tải), tốc độ của vít trộn Trên cơ sở các yếu tố đƣợc chọn, tiến hành nghiên cứu thí nghiệm đơn yếu tố để xác định mức ảnh hƣởng của các yếu tố này, đồng thời tìm đƣợc khoảng biến thiên. Ký hiệu các yếu tố nhƣ sau: - x1: Tốc độ của vít trộn; - x2: Tải; - YK: Độ trộn đều; - YN: Mức tiêu thụ điện năng riêng. Từ thí nghiệm đơn yếu tố sẽ xác định ảnh hƣởng của từng yếu tố đến các thông số YK, YN. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -34- Ví dụ: YK = f1(x1) ; YN = f2(x1) với mức và khoảng biến thiên của x2 đƣợc chọn sơ bộ và không đổi. Khi đó có đƣợc giá trị YK(x1) và YN(x1) sẽ chấp nhận sơ bộ trị số x1 ứng với giá trị tƣơng đối tốt cho cả YK hoặc YN, hoặc chọn mức x1 cho chất lƣợng trộn YK, giá trị YN phải chấp nhận một cách tƣơng đối. Khi tiến hành xác định YK = f1(x2) ; YN = f2(x2) với mức cố định x1 đã chọn sơ bộ, ta sẽ chọn đƣợc trị số x2 làm mức trung tâm. Nếu trị số x2 trên tƣơng đối gần với trị số x2 mà ta đã chọn và giữ cố định khi xác định YK(x1) và YN(x1) thì thuận lợi. Nếu trị số x2 khác xa với trị số đã chọn và nằm ngoài vùng nghiên cứu thì phải tiến hành lại thí nghiệm để xác định lại YK(x1) và YN(x1) Từ đó sẽ xác định đƣợc các trị số x1, x2 làm các mức trung tâm cho phƣơng pháp quy koạch thực nghiệm, xác định lại khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu của các mức yếu tố cho phƣơng pháp này * Phƣơng pháp gia công số liệu - Các đại lƣợng đƣợc đo lặp 2 – 3 lần, đảm bảo xác suất tin cậy của dụng cụ thí nghiệm = 0,9 – 0,95 - Số lần lặp lại thí nghiệm n = 3, vì đối với máy nông nghiệp xác suất tin cậy là = 0,8 – 0,9 - Sau khi thí nghiệm, xác định độ tin cậy về ảnh hƣởng của mỗi yếu tố tới các thông số yK và yN, đánh giá tính thuần nhất của của phƣơng sai trong quá trình thí nghiệm, để chứng tỏ thực sự các ảnh hƣởng khác đối với thông số nghiên cứu là không đáng kể hoặc không có. Thuật toán phân tích phƣơng sai để xác định độ tin cậy và tính thuần nhất nhƣ sau: * Tính tổng bình phƣơng các sai lệch giữa giá trị trung bình tổng thể của yK và yN ( ký hiệu là y ..) với tổng giá trị của yK và yN ở mỗi lần đo ký hiệu là yij ứng với mỗi lần lặp lại thí nghiệm với mỗi mức của yếu tố x Xác định phƣơng sai tổng thể: 1 ..)( 1 1 2 2 N yy S n k ij tt (2.45) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -35- Trong đó: N- tổng số lần đo và N= nk = 3.2 = 6; n - số lần đo lặp lại; k- số mức biến thiên; N-1 : Bậc tự do; Phƣơng sai tổng thể gồm hai loại: phƣơng sai yếu tố và phƣơng sai thí nghiệm * Tổng bình phƣơng sai lệch ở từng thí nghiệm giữa giá trị trung bình tổng thể ..y với giá trị trung bình của y ứng với mỗi mức yếu tố x (ký hiệu là j y . ). Xác định phƣơng sai yếu tố S2yt với bậc tự do k-1 1 ..)( 1 2 . 2 k yy S k j yt (2.46) * Tổng bình phƣơng các sai số giữa giá trị trung bình ij y của y ứng với mỗi mức của yếu tố x và giá trị yij ứng với mỗi lần lặp lại thí nghiệm với mỗi mức yếu tố. Xác định phƣơng sai thí nghiệm nhƣ sau (với mỗi bậc tự do N-k) )1( ).().( 1 1 2 1 1 2 2 nk yy kN yy S k j n i jij k j n i jij tn (2.47) Sau đó dùng tiêu chuẩn Fisher đánh giá tỷ số F = S2yt/S 2 tn để kiểm nghiệm “giả định không” xem hai phƣơng sai đó bằng nhau hay khác nhau (ít hay nhiều). Nếu khác nhau nhiều, nghĩa là so sánh F với trị số Fb (tra trong bảng tiêu chuẩn Fisher với =0,5, 2 bậc tự do k-1 và N-k). Nếu F > Fb thì không chấp nhận giả định không và phƣơng sai S2yt là không đáng kể, nghĩa là ảnh hƣởng của yếu tố đƣợc tin cậy. Để đánh giá tính thuần nhất của phƣơng sai, ta cần tính từng phƣơng sai thí nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố, ký hiệu là S 2 j theo công thức: 1 ).( 1 2 2 n yy S n jij j (2.48) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -36- Ta có: n S S n j tn 1 2 2 (2.49) Và phƣơng sai của giá trị trung bình của thông số y sẽ bằng n S S tny 2 2 (2.50) Sau đó, vì số thí nghiệm lớn hơn 2, áp dụng chuẩn Cochran để đánh giá xem tỷ số G giữa phƣơng sai cực đại 2 maxjS với tổng phƣơng sai 2 jS có đảm bảo không vƣợt quá tiêu chuẩn Gb theo số liệu tra bảng với 2 bậc tự do là n-1 và k (với độ tin cậy 0,95 tức =0,05; hai bậc tự do n-1=2 và k=5). bk j j G S G G 1 2 2 max (2.51) Nhƣ vậy các phƣơng sai đƣợc coi là đồng nhất, không có phƣơng sai nào quá lớn, vƣợt quá nhiều so với phƣơng sai khác. 2.2.2. Ứng dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm trong nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố Ƣu điểm quan trọng của phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm là giảm đƣợc nhiều số lần thí nghiệm, xác định đầy đủ ảnh hƣởng của các yếu tố đến thông số cần nghiên cứu, đề xuất mô hình toán thích hợp từ đó xác định điều kiện tối ƣu của quá trình xảy ra và giá trị tối ƣu của các thông số. 2.2.2.1.Xác định các thông số chính ảnh hƣởng đến máy trộn Thông qua tài liệu tham khảo và kết quả áp dụng phƣơng pháp thực nghiệm đơn yếu tố, sơ bộ đánh giá ảnh hƣởng của một số yếu tố đến hai thông số tối ƣu là chất lƣợng trộn (độ trộn đều) và mức tiêu thụ điện năng riêng, đã xác định đƣợc các yếu tố chính ảnh hƣởng, tức là các thông số vào “hộp đen” máy trộn vít đứng, theo mô hình dƣới đây: Máy trộn vít đứng ( Hộp đen) x1:Tốc độ vít trộn x2 :Khối lƣợng yN: Độ trộn đều yK: mức tiêu thụ điện năng riêng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -37- Chọn các mức biến thiên của yếu tố và vùng thí nghiệm gồm có các mức trung bình, mức cơ sở, khoảng thí nghiệm và các mức biến thiên đối xứng qua mức cơ sở gọi là mức dƣới và mức trên, xác định khoảng biến thiên , nếu mô hình tuyến tính, chỉ chọn 2 mức trên và dƣới; nếu mô hình phi tuyến, phải thêm các mức bổ sung. Các giá trị thực xi của các mức đối với mỗi yếu tố đƣợc mã hoá thành: i ii i xx x 0 (2.52) Trong đó 0ix : Giá trị thực của mức cơ sở; i : Khoảng biến thiên; 2 idit i xx ; idit xx , - mức trên và mức dƣới; Nhƣ vậy idit xx , , 0ix có các giá trị mã hoá bằng 1;-1;0 2.2.2.2.Lập ma trận thí nghiệm, chọn phƣơng án quy hoạch thực nghiệm * Kế hoạch trung tâm hợp thành Kế hoạch này gồm 3 phần: - Phần cơ sở (còn gọi là phần hạt nhân) là thực nghiệm toàn phần 2n hoặc thực nghiệm rút gọn 2n-p đã nêu trong quy hoạch tuyến tính Yêu cầu này đặt ra khi xây dựng phần cơ sở phải tính đƣợc các hệ số hồi quy tuyến tính (bi) và tƣơng tác cặp đôi (bij) một cách riêng biệt. Tác động của chúng không bị trộn lẫn vào nhau. Yêu cầu này khống chế mức rút gọn có thể đƣợc, trong đề tài này do có hai thông số đầu vào n = 2, n 4, p = 0 tức là chỉ có thực nghiệm toàn phần 2n - Phần 2: Các điểm sao nằm ở vị trí cách tâm thực nghiệm một khoảng . Số thí nghiệm của phần này là nN 2 - Phần 3: Phần tâm bao gồm các thí nghiệm ở tâm miền quy hoạch, tại đó giá trị mã của các thông số bằng không. Số thí nghiệm 10N Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -38- Các giá trị 0, N đƣợc xác định tuỳ theo sự lựa chọn các chuẩn tối ƣu của thực nghiệm hồi quy. Do đó ngƣời ta chia ra hai loại kế hoạch: trực giao và tâm xoay. Trong đề tài này tác giả tiến hành thực nghiệm theo kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao. * Kế hoạch trung tâm hợp thành trực giao Các kế hoạch loại này đƣợc xây dựng theo chuẩn trực giao. Ma trận thông tin Fisher là ma trận đƣờng chéo. Để có đƣợc điều đó phải có các biện pháp đặc biệt, đảm bảo trực giao cặp của các cột trong ma trận các hàm cơ sở, ứng với các thành phần tự do bo và bình phƣơng bii n i n i n ij n i iiijjiijii xxbxxbxbby 1 1 1 1 1 22 0 ( (2.53) Trong đó N u pn iui N x N x 1 2 22 221 (2.54) N- tổng số thí nghiệm của kế hoạch. Do kế hoạch thí nghiệm trực giao số thí nghiệm ở tâm N0 thƣờng bằng 1 nên N = 2 n-p + 2n + 1 n i iii xbbb 1 2 0 ' 0 (2.55) Việc chuyển các biến bình phƣơng sang mô hình sang dạng trong (2.52) cho phép đảm bảo trực giao của các cột ứng với thành phần tự do b0 và bình phƣơng trong các ma trận các hàm cơ sở (bảng 2.1) 0 1 )()( 2 1 2 1 222 1 2 1 22' 0 iu N u iu N u iiui N u iu N u iiu x N NxxNxxxxxf (2.56) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -39- Bảng 2.1. Kế hoạch toàn phần n = 2 N u x0 x1 x2 x1x2 x 2 1 x 2 1 2 n-p (2 2 ) 1 +1 - 1 - 1 +1 1 1 2 +1 +1 - 1 - 1 1 1 3 +1 - 1 +1 - 1 1 1 4 +1 +1 +1 +1 1 1 2n (2.2) 5 +1 - 0 0 2 0 6 +1 + 0 0 2 0 7 +1 0 - 0 0 2 8 +1 0 + 0 0 2 N0 9 +1 0 0 0 0 0 Đẳng thức (2.55) trên đúng với mọi giá trị cụ thể. Nhƣng với tuỳ ý thì sẽ dẫn đến tính không trực giao của các cột trong ma trận hàm cơ sở mà chúng ứng với các biến bình phƣơng khác nhau. Vì thế trong trong kế hoạch thực nghiệm trực giao chọn giá trị sao cho: N u jjuiiu xxxx 1 2222 0 (i j, I,j = 1…n) (2.57) => 12 21222 pnpnpn n (2.58) Với n=2, p=0, = 1 Theo (2.2) và điều kiện đã nêu trên, ma trận thông tin Fisher là đƣờng chéo 2 4 2 2 2...000000 ........................ 0...200000 0...020000 ........................ 0...002000 0...000220 0...000...220 0...000...0 pn pn pn pn N (2.59) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -40- Và ma trận nghịch đảo cũng có dạng đƣờng chéo đơn giản: 2 4 2 2 1 2 1 ...000000 ........................ 0... 2 1 00000 0...0 2 1 0000 ........................ 0...00 2 1 000 0...000 22 1 0 0...000... 22 1 0 0...000...0 pn pn pn pn N (2.60) Từ đó thấy ngay rằng ma trận tƣơng quan của các ƣớc lƣợng hệ số hồi quy cũng là đƣờng chéo: 12 eC . Do đó các ƣớc lƣợng hệ số hồi quy ở kế hoạch trực giao không bị chập lẫn. Phƣơng sai các ƣớc lƣợng đó là: 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 2 ; 2 ; 22 ;' e biipn e bijpn e bi e b N (2.61) 2.2.2.3. Xử lý kết quả - Xác định mô hình toán phƣơng án bậc 1 Trong trƣờng hợp mô hình toán tuyến tính không thích ứng, qua hệ phi tuyến giữa hàm mục tiêu và các yếu tố rõ rệt, thì tiến hành thực nghiệm. Từ kết quả thí nghiệm xác định mô hình toán thể hiện mối quan hệ hàm số giữa các thông số ra yK, yN với các yếu tố xi biểu diễn bằng phƣơng trình hồi quy: k i k ji jiijii xxbxbby 1 0 (2.62) Các hệ số hồi quy tính theo công thức: N y b N u 1 0 (2.63) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -41- ki N yx b N u iuiu i ,1; 1 (2.64) kji N yxx b N u ujuiu ij ,1,; 1 (2.65) * Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student Trƣớc hết ta tính phƣơng sai của các hệ số: N S S y bi 2 2 (2.66) Trong đó Sy là phƣơng sai thí nghiệm )1( )( 1 1 2 2 nN yy S N u n i uiu y (2.67) n = 3 : Số lần lặp lại Tính tỷ số tb của các sai số hệ số Sbi (lấy khoảng sai lệch tính toán ibi b bi i b S b t (2.68) Đối chiếu với tiêu chuẩn Student, tra bảng tìm giá trị t với 05,0 , bậc tự do )1(nNf , nếu tb> t thì giá trị ib lớn hơn khoảng tin cậy tbSbi. Nhƣ vậy bi có ý nghĩa và ngƣợc lại thì vô nghĩa, ta loại bỏ hệ số đó. * Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán: Trong điều kiện cụ thể, nếu kết quả nghiên cứu đơn yếu tố đã sơ bộ thể hiện quan hệ của một số yếu tố với thông số ra không phải là tuyến tính, thì ta phải kiểm tra ngay tính thích ứng của mô hình tuyến tính này trƣớc khi xử lý tiếp. Muốn vậy phải tính phƣơng sai thích ứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -42- ' )( 2 2 kN yyn S N iu uu tu (2.69) k’- số hệ số hồi quy có ý nghĩa. So sánh với phƣơng sai thí nghiệm, tính tỷ số: 2 2 y tu S S F (2.70) Theo tiêu chuẩn Ficher, đối chiếu với giá trị bảng F , với 05,0 , bậc tự do ).1(; 2 ' 1 nNfkNf Nếu F < F , mô hình thích ứng và ngƣợc lại thì không thích ứng Kiểm tra độ sai lệch 00 yb giữa hệ số b0 và giá trị trung bình của hàm mục tiêu 0 y ở trung tâm các thí nghiệm rồi so sánh với sai số của hệ số đó N S S y b 2 0 (2.71) Tính tỷ số: NS yb tb / 00 0 (2.72) Dùng chuẩn Student tra bảng tìm giá trị của t với 05,0 , bậc tự do f = N(n-1). Nếu ttb0 mô hình tuyến tính thích ứng. Có nghĩa là 00 yb ,không có “không trộn với” các ảnh hƣởng của các mức bậc 2 ( 0iib ). Để giải quyết các trị số y0 phải bổ sung một vài thí nghiệm ở mức cơ sở của các yếu tố và: 0 1 0 0 N y y N u uo (2.73) Tiếp tục nghiên cứu vùng tối ƣu và có thể áp dụng phƣơng pháp “leo dốc” của mô hình toán tới giá trị tối ƣu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -43- 2.2.2.4.Xác định mô hình toán bậc 2 Mô hình toán biểu thị bằng phƣơng trình hồi quy bậc 2 là: n i n i iii n ki jiijii xbxxbxbby 1 1 2 1, 0 (2.74) N u u n j N u ujuu N u iujj uju N u iuij u N u iui u N u n i N u iuu ykyxkyxkb yxxkb yxkb yxkykb 1 2 1 1 2 6 1 2 5 1 4 1 3 1 1 1 2 210 ; ; ; (2.75) Các hệ số k1…k6 đƣợc lấy theo bảng tính sẵn (bảng 5.3 giá trị các hằng số k [1]) Ứng với n=2; N=9, hoặc tính theo công thức các giá trị k nhƣ sau: 21875,0)125,0125,0.5,0.9( 2 1 )( 1 125,0 4.2 1 2 1 25,0 4 11 125,0 8 1 )2( 1 ;5,0 2 11 ;1 1 11 5326 25 24 3 0 2 0 1 kkNk n k n k n k nn k nN k N k (2.76) Với sự phát triển của máy tính có thể dễ dàng lập đƣợc chƣơng trình tổng quát để tính hệ số hồi quy. Sau khi tính xong các hệ số hồi quy cần phải đánh giá mô hình, trong đó phải kiểm tra tính tƣơng thích của mô hình so với kết quả thực nghiệm, kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số đã tính. Không thể không kiểm tra tính tƣơng thích của mô hình so với thực nghiệm. Chỉ khi khẳng định về mặt thống kê rằng mô Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -44- hình vừa xây dựng cho giá trị hàm y sai khác không đáng kể so với thực nghiệm, chúng ta mới đƣợc phép sử dụng mô hình trong các giai đoạn tiếp theo: tìm độ tối ƣu, phân tích và điều khiển quá trình * Kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn student Phƣơng sai và sai số của thí nghiệm có thể tính theo các giá trị của thông số ra u y ở các mức cơ sở x0i của các yếu tố: 1 )( 0 1 0 2 0 N yy S N u u y (2.77) n y y N0 1 0 0 (2.78) Sai số của các hệ số hồi quy đƣợc tính: 10 kSS yb ; 3kSS ybi (2.79) 4kSS ybij ; 65 kkSS ybii (2.80) Tính các tỷ lệ: ; 0 0 0 b b S b t bi i bi S b t (2.81) bij ij bij S b t ; bii ii bii S b t (2.82) Đối chiếu với chuẩn Student, tra bảng tb với 05,0 ; Số bậc tự do N0-1. Các giá trị hệ số hồi quy có ý nghĩa khi ttb , loại bỏ những hồi số hồi quy vô nghĩa. * Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán trƣớc hết tính phƣơng sai thích ứng: )1(')1(' )()( 0 22 0 1 1 2 0 2 2 0 NkN SS NkN yyyy S ER N u N u uuu tu (2.83) k’ - Số hệ số hồi quy có ý nghĩa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -45- So sánh với phƣơng sai thí nghiệm 2 yS , tính tỷ số 2 y 2 S tuSF , theo tiêu chuẩn Fisher tra bảng Fb với 05,0 , số bậc tự do 1);1(' 0201 NfNkNf . Nếu bFF thì mô hình bậc 2 thích ứng. Nếu không thích ứng thì có thể chuyển sang ứng dụng phƣơng án bậc 3… Giải mã và viết phƣơng trình hồi quy theo các trị số thực xi của các yếu tố, trên cơ sở thay các giá trị mã hoá: i ii i XX x 0 Vào phƣơng trình hồi quy dạng đa thức y với: Xi: Giá trị thực của các yếu tố; X0i: Giá trị của các yếu tố ở mức không (0); I : Khoảng biến thiên của mỗi yếu tố. Rút gọn đƣợc phƣơng trình dạng thực: n i n i iii n ki jiijii xBxxBxBBy 1 1 2 1, 0 (2.84) k i k ji ji ii ij i i i XX b X b bB 1 00000 (2.85) k j j j ii ij i i ii i i i X b X bb B 1 1 002 2 (2.86) ijB ii ijb (2.87) 2 i ij ii b B (2.88) Phƣơng trình hồi quy dạng đa thức có thể chuyển thành phƣơng trình dạng mũ trên cơ sở đạt giá trị mã hoá xi bằng: 1 lnln ln(ln2 d i t i t ii i XX XX x (2.89) Thay vào phƣơng trình hồi quy dạng đa thức y với: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -46- xi – giá trị thực của các yếu tố; xi t và x d i – giá trị thực của mỗi yếu tố ở mức trên và mức dƣới. Sau khi bỏ các hệ số tƣơng tác của các yếu tố vào (bij=0, i j) và thay y = ln X * phƣơng trình dạng mũ theo phƣơng án quy hoạch bậc 2 là: 1 ln* 0 i XCa i k X iiiXeY (2.90) Hệ số của phƣơng trình đƣợc tính bằng các công thức biến đổi sau: 2 2 11 1 00 )ln(ln ln 4 lnln ln )2(2)( d i t i t i k i iid i t i t i iii k k k i iii XX X b XX X bbbbbX (2.91) 2)ln(ln ln 8 lnln )2(2 d i t i t i iid i t i iii i XX X b XX bb a (2.92) 2)ln(ln 4 d i t i ii i XX b C (2.93) Các phƣơng trình hồi quy dạng thực và dạng mũ đều phải đƣợc kiểm nghiệm giá trị thực của hàm mục tiêu, bằng cách thay giá trị thực của các mức yếu tố trong một số thí nghiệm, và so sánh với giá trị đo đạc đƣợc trong thực tế cũng nhƣ trong tính toán. 2.2.2.5. Xác định giá trị tối ƣu của các yếu tố hàm mục tiêu Sau khi đã lập đƣợc phƣơng trình hồi quy y = f(xi) có thể xác định đƣợc cực trị của y bằng cách lấy đạo hàm riêng đối với mỗi yếu tố và cho đạo hàm đó bằng 0, sẽ đƣợc một hệ phƣơng trình tuyến tính ;0;0 21 x y x y Giải phƣơng trình sẽ xác định đƣợc các giá trị của các yếu tố x1,x2 ứng với giá trị y, thay vào phƣơng trình hồi quy sẽ đƣợc giá trị của y. 2.2.2.6. Giải bài toán thƣơng lƣợng các giá trị tối ƣu giữa hai hàm mục tiêu chất lƣợng trộn YK và cho phí năng lƣợng riêng YN Nói chung có thể áp dụng các phƣơng pháp giải quyết vấn đề thƣơng lƣợng có điều kiện. Chọn hàm điều kiện là độ trộn đều YK và tìm cực trị của hàm mục tiêu YN là mức tiêu thụ điện năng riêng. Kết quả sẽ xác định đƣợc giá trị thƣơng lƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -47- của 2 yếu tố cho độ trộn đều YK cần thiết và mức tiêu thụ điện năng riêng YN tƣơng đối nhỏ nhất. 2.2.2.7. Phƣơng pháp xác định độ trộn đều và chi phí năng lƣợng riêng. a) Phƣơng pháp xác định độ trộn đều. Theo định nghĩa chung độ trộn đều là một đặc trƣng định lƣợng của quá trình trộn, đƣợc xác định bằng tỷ số khối lƣợng của một chất thành phần trong mẫu phân tích với khối lƣợng của thành phần chất đó đƣợc quy định trong hỗn hợp. Việc xác định chất lƣợng đồng đều của thức ăn chăn nuôi đƣợc thực hiện theo tiêu chuẩn ngành 10TCN 860 : 2006: “ Thức ăn chăn nuôi – độ dao động phân tích cho phép đối với các chỉ tiêu chất lƣợng” của Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn ban hành năm 2006 [5] Mục đích của tiêu chuẩn này là xây dựng nguyên tắc hƣớng dẫn để hỗ trợ các cơ quan kiểm soát chất lƣợng thức ăn chăn nuôi, đƣa ra những quyết định liên quan đến xem xét các sản phẩm với khoảng dao động trong phạm vi có thể chấp nhận đƣợc. Các tiêu chuẩn – phƣơng pháp xác định hàm lƣợng một số thành phần chính trong bột thức ăn chăn nuôi [5]: - TCVN 4328:2001(ISO 6496:1999). Thức ăn chăn nuôi - Xác định hàm lƣợng nitơ và tính hàm lƣợng protein thô- Phƣơng pháp Kjeldahl. - TCVN 4329 (ISO 6865:2000). Thức ăn chăn nuôi - Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng xơ thô. - TCVN 4331:2001 (ISO 6492:1999) Thức ăn chăn nuôi - Xác định hàm lƣợng chất béo thô. - TCVN 4327 Thức ăn chăn nuôi - Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng tro. - TCVN 1526 Thức ăn chăn nuôi - Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng canxi. - ISO 6490/1. Thức ăn chăn nuôi - Xác định hàm lƣợng canxi - Phần 1: Phƣơng pháp chuẩn độ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -48- - TCVN 1525:2001 (ISO 6491:1998). Thức ăn chăn nuôi - Xác định hàm lƣợng photpho - Phƣơng pháp chuẩn độ. - TCVN 4806 (ISO 6495) Thức ăn chăn nuôi - Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng hàm lƣợng clorua hòa tan trong nƣớc. - ISO 5510. Thức ăn chăn nuôi - Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng lysine có sẵn (mục 8.3). - TCVN 4326: 2001 (ISO 6496:1999). Thức ăn chăn nuôi - Xác định độ ẩm và hàm lƣợng chất bay hơi. - ISO 6869:2000. Thức ăn chăn nuôi - Xác định hàm lƣợng canxi, đồng, sắt, magiê, mangan, kali, natri và kẽm - Phƣơng pháp sử dụng quang phổ hấp thụ nguyên tử. Đối với các cơ sở sản xuất thức ăn chăn nuôi tập trung (quy mô 5 – 7 tấn/h trở lên), vì khối lƣợng mỗi mẻ trộn là rất lớn, để xác định chất lƣợng sau khi trộn ngƣời ta dùng các máy phân tích công nghiệp, ví dụ nhƣ công ty Nutriwa ( Địa chỉ 1: 238 Quốc lộ 1A Tân Hiệp, Biên Hòa, Đồng Nai; Địa chỉ 2: 69 Bà Triệu, Quận Hai Bà Trƣng, Hà Nội) chuyên phân tích độ đồng đều các mẫu thức ăn chăn nuôi, hóa phẩm… Việc xác định độ đồng đều của các mẫu bột thức ăn trong luận văn này đƣợc thực hiện tại Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch. b) Phƣơng pháp xác định chi phí năng lƣợng riêng Mức tiêu thụ điện năng riêng Wr đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo điện thông dụng: - Dùng công tơ điện để đo điện năng W trong mỗi lần thí nghiệm - Watt kế để xác định công suất cần thiết N - Đồng hồ điện, Vôn kế, Ampe kế, Cos -kế (Các chỉ số này cho phép kiểm tra điện áp, tính toán công suất và điện năng, kiểm tra đối chiếu với chỉ số của Watt kế và công tơ điện Sau mỗi lần thí nghiệm sẽ ghi đƣợc số vạch công tơ C: C = Cnạp + Ctrộn + Cxả (2.107) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -49- Đồng thời xác định thời gian t: t = tnạp + ttrộn + txả (2.108) Biết khối lƣợng mỗi mẻ trộn là q kg, sẽ tính đƣợc mức tiêu thụ điện năng riêng nhƣ sau: - Tính riêng cho khâu trộn: q Ctron rW (Wh/tạ) (2.109) - Tính chung cho một mẻ trộn là q CCC xatronnap rW (Wh/tạ) (2.110) Công thức kiểm tra: q tUI 3 .cos5 Wr (Wh/tạ) (2.111) V A W Cos 2.3. Cơ sở của lý thuyết đồng dạng - mô hình - phép phân tích thứ nguyên 2.3.1.Ứng dụng lý thuyết đồng dạng và mô hình trong phƣơng pháp nghiên cứu về máy móc dùng nông nghiệp Nhƣ ta đã biết, nhiều quá trình tác động do những bộ phận máy thực hiện đƣợc đặc trƣng bởi cùng một hiện tƣợng vật lý. Tính đa dạng của các quá trình là do hình dạng bề mặt làm việc, chế độ và phƣơng thức tác động của bộ phận máy không giống nhau, xuất phát từ yêu cầu thuần tuý về mặt công nghệ. Do đó để tìm ra quy luật tổng quát của cho mỗi quá trình, cần phải chọn phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm nào mà chính nó đã đƣợc xây dựng trên một cơ sở lý thuyết xác định. Có thể dùng lý thuyết đồng dạng và mô hình để tạo ra cơ sở đó. Nó tạo điều kiện để thực nghiệm với lý thuyết, gắn nghiên cứu trong điều kiện sản xuất với nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -50- trong phòng thí nghiệm, qua đó rút ra đƣợc những kết luận cần thiết. Mặt khác từ những quá trình kết hợp này cũng có thể tìm ra những công thức giúp ta xác định đƣợc đặc điểm và bản chất vật lý của quá trình. Khi nghiên cứu quá trình làm việc của máy móc nông nghiệp, trong một số trƣờng hợp, ta lập đƣợc các phƣơng trình vi phân rất khó giải hoặc không giải đƣợc. Lý thuyết đồng dạng và thứ nguyên có khả năng mô tả đƣợc mối liên quan giữa những đại lƣợng cơ bản mà không cần phải giải các phƣơng trình vi phân. Các đại lƣợng cơ bản này đƣợc gọi là các chuẩn số đồng dạng, và đƣợc xem là những thông số phức hợp thể hiện ảnh hƣởng tổng hợp của các yếu tố riêng rẽ đối với quá trình. Sử dụng các chuẩn số đồng dạng cho phép giảm bớt số lƣợng các biến số và từ đó giảm nhẹ công việc nghiên cứu. Bởi vì giá trị không đổi của các chuẩn số sẽ ứng với rất nhiều tổ hợp khác nhau của các đại lƣợng cơ bản, nên khi đó thực chất không phải ta đi vào nghiên cứu từng trƣờng hợp riêng lẻ mà là trƣờng hợp tổng quát, và các qui luật rút ra cũng sẽ đúng với cả nhóm đối tƣợng cùng loại, từ đó có thể sắp xếp các máy có cùng qui luật chung thành từng họ, tức là trên cơ sở nghiên cứu một máy đƣợc coi là mô hình để dự đoán những chỉ tiêu của các cơ máy cần thiết khác nằm trong cùng hệ thống. 2.3.2. Mô hình, bản chất và các dạng mô hình Mô hình là một trong những phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm hiện đại dùng để nghiên cứu các hiện tƣợng khác nhau. Phƣơng pháp mô hình dùng để xác định quá trình xảy ra và thiết lập mối quan hệ nghiên cứu hệ thống. Khả năng tạo ra hệ thống mang tính tƣơng tự đƣợc hình thành bởi sự thống nhất vật chất của các quá trình với những hiện tƣợng vật lý khác nhau. Mục đích và ý nghĩa của phƣơng pháp mô hình bao gồm đánh giá về mặt định tính và định lƣợng các loại mẫu máy theo kết quả thực nghiệm trên mô hình. Mô hình không phải là phƣơng pháp dùng riêng trong một vài ngành khoa học kỹ thuật, mà là phƣơng pháp phổ biến dùng để nghiên cứu khoa học, cho phép xác định và giải thích những qui luật tổng quát của hiện tƣợng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -51- Để mô hình hoá thƣờng làm thí nghiệm nhằm dự đoán những đặc tính của một số hệ thống cơ bản. Mô hình là quá trình tạo ra đối tƣợng nghiên cứu, mà đối tƣợng này sẽ thay thế đối tƣợng nghiên cứu thực. Khái niệm về đồng dạng và mô hình liên quan chặt chẽ với nhau, vì mỗi đồng dạng trả lời một mô hình. Với ý nghĩa đó, phân loại đồng dạng và mô hình là thống nhất, mặc dù mô hình đƣợc coi nhƣ công cụ thực tế tạo ra trên cơ sở đồng dạng. Mô hình có thể là đồng dạng hoàn toàn, không hoàn toàn và gần đúng. Mô hình vật lý (đồng dạng) là mô hình dùng để nghiên cứu hiện tƣợng trong dạng thực và bảo đảm điều kiện vật lý của mô hình. Mô hình vật lý cho khả năng kiểm tra lại lý thuyết, làm chính xác hơn các công thức toán học và nhận đƣợc các kết quả thức nghiệm, kiểm tra và giải thích những cơ cấu làm việc của máy móc đƣợc thiết kế, chế tạo, đề ra sơ đồ các quá trình công nghệ đạt kết quả hơn, xác định đặc điểm chung của các quá trình khác nhau. Những ƣu điểm của mô hình vật lý (đồng dạng) - Đƣa ra một cách đầy đủ và chính xác tính chất của hệ thống động học; - Đảm bảo độ chính xác các quá trình nghiên cứu và làm đơn giản cách mô tả toán học; - Tạo điều kiện để thay đổi một số thông số trong mô hình với giới hạn rộng hơn so với môi trƣờng thực. Dùng mô hình đồng dạng vật lý trong máy móc nông nghiệp nói chung và đối với máy chế biến nông lâm thủy sản nói riêng, có thể thực hiện với đối tƣợng thực (cơ cấu làm việc của máy hoặc toàn máy…) để nghiên cứu mô hình. Vì vậy mô hình có thể lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn vật thực. Quá trình mô hình hoá gồm: - Đối tƣợng nghiên cứu; - Giải thích các bài toán đặt ra; - Thực nghiệm trên mô hình; - Xử lý kết quả thực nghiệm và nhận đƣợc lời giải bài toán. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -52- Những giai đoạn chính bao gồm: - Thiết lập bài toán, xác định tính chất cụ thể và quan hệ đối với đối tƣợng nghiên cứu; - Xác định mối quan hệ trực tiếp của đối tƣợng nghiên cứu; - Chọn mô hình; - Nghiên cứu mô hình theo tính chất, qui luật và thông số; - Giải thích kết quả thu đƣợc qua mô hình; - Kiểm tra độ chính xác qua mô hình cũng nhƣ qua vật thực. Nhiệm vụ của mô hình vật lý: - Xác định các quá trình cơ bản của hệ thống; - Xác định qui luật của mô hình và hệ số tỷ lệ của đặc điểm của hệ thống; - Tạo ra các thiết bị thực nghiệm; - Đánh giá độ tin cậy. 2.3.3.Chuẩn số đồng dạng Cơ sở của mô hình hoá là sự đồng dạng của đối tƣợng đƣợc tổng quát theo những phƣơng trình, công thức và đƣợc gọi là chuẩn số đồng dạng. Những tập hợp này bao gồm các thông số vật lý đặc trƣng cho đối tƣợng nghiên cứu. Vì vậy lý thuyết đồng dạng là học thuyết về phƣơng pháp nghiên cứu hiện tƣợng, thể hiện bởi những tập hợp không thứ nguyên. Những qui luật tổng thể của đại lƣợng ban đầu thƣờng đƣa đến hiều phƣơng trình phi tuyến phức tạp, điều này không cho phép xác định mối quan hệ cụ thể giữa những biến số. Vấn đề cần quan tâm là khả năng khái quát bài toán ở các đại lƣợng chung, tƣơng ứng với hiện tƣợng vật lý của đối tƣợng xem xét. Lý thuyết đồng dạng cho phép dẫn ra những đặc trƣng tổng quát dùng để nghiên cứu hiện tƣợng. Đặc tính chung có thể đƣợc xem nhƣ là đại lƣợng thay đổi theo bƣớc của quá trình diễn ra. Sự phụ thuộc hàm số vào đặc trƣng tổng thể (chuẩn số đồng dạng) là phƣơng trình chuẩn số. Chuẩn số đồng dạng thể hiện bản chất lý thuyết đồng dạng và có thể biểu diễn bằng: - Chuẩn số đồng dạng thông số: Mô tả quan hệ không thứ nguyên các thông số kích thƣớc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -53- - Chuẩn số đồng dạng giải tích: là tập hợp những quan hệ không thứ nguyên của các đại lƣợng vật lý (Chuẩn số đồng dạng Niu tơn-Ne; Chuẩn số Râynôn-Re; Chuẩn số Frut-Fr và chuẩn số Galilê-Ga) Theo định lý thứ nhất về đồng dạng, chuẩn số đồng dạng là nhƣ nhau, tức là =idem 2.3.4. Lý thuyết thứ nguyên Mô hình hoá của quá trình nào đó bao gồm mô hình hoá các thông số hình học, cơ – lý khác nhau. Thông thƣờng các quá trình mô tả vật thực (thể hiện từ mô hình) đƣợc mô tả bằng phƣơng trình hàm số. Để nêu rõ ý nghĩa vật lý trong các hàm số, cần trình bày bằng sự phụ thuộc giữa các đại lƣợng riêng rẽ và đầy đủ thứ nguyên của hệ thống. Do đó khi một biểu thức toán học muốn thể hiện đầy đủ ý nghĩa vật lý của quá trình thì điều kiện cần thoả mãn là tính chất đồng nhất các loại đại lƣợng, nghĩa là tất cả các thành phần trong trong biểu thức bắt buộc phải thể hiện bằng các đại lƣợng vật lý (cần có một và chỉ một thứ nguyên). Trong cơ học, đại lƣợng cơ bản thƣờng lấy là khối lƣợng M, chiều dài L, thời gian T… Các đại lƣợng dẫn xuất từ các đại lƣợng đo cơ bản đƣợc gọi là thứ nguyên. Thứ nguyên đƣợc viết bằng ký hiệu ở dạng công thức. Ví dụ thứ nguyên của diện tích là L 2, vận tốc là L/T, lực ML/T2… Dùng công thức thứ nguyên thuận tiện để tính giá trị bằng số của đại lƣợng có thứ nguyên khi chuyển từ một hệ đơn vị đo này sang hệ đơn vị đo khác. Công thức thứ nguyên có dạng mũ tổng quát: (2.112) Trong đó: M,L,T-Khối lƣợng, chiều dài, thời gian; ,, - số mũ. Lý thuyết thứ nguyên đƣợc ứng dụng trong lý thuyết đồng dạng nhằm xác định tỷ lệ giữa các thông số của mô hình và vật thực, cho khả năng xử lý đối tƣợng thực nghiệm và xác định qui luật phổ biến về thông tin nhận đƣợc từ thực nghiệm mô hình. Một số trƣờng hợp mà thông tin nhận đƣợc từ thực nghiệm (nhiều trƣờng hợp TLMx .. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -54- phức tạp) có thể phân tích thứ nguyên để xác định mối liên hệ biện chứng giữa các yêu tố ảnh hƣởng trong công thức. Lý thuyết thứ nguyên cũng đƣợc dùng một cách có hiệu quả trong qui hoạch thực nghiệm, nhất là khi mối quan hệ toán học không rõ ràng hoặc rất phức tạp. Lý thuyết thứ nguyên có thể biểu diễn dƣới dạng hàm số: U =j(x1,x2,…xn) (2.113) Hay dƣới dạng hàm mũ: nn n nnn xxxxCU 1 3 3 2 2 1 1 .... (2.114) Trong đó: n1,n2,…n3 là số mũ cần tìm. Nếu có hàm số U = f(x, y, z) Thì có thể đƣa về dạng: zyxCU . (2.115) Trong đó: ,, đƣợc xác định từ phân tích thứ nguyên; C đƣợc tìm từ thực nghiệm. 2.3.5.Nguyên lý của lý thuyết đồng dạng - Định lý đồng dạng Các dạng đồng dạng đƣợc mô tả bởi những qui định chung đó là các định lý đồng dạng. Điều kiện để ứng dụng đồng dạng rất nhiều. Các định lý đồng dạng có thể xem nhƣ những quan điểm khác nhau trong nhiều phƣơng án khác nhau nhằm mô tả đúng hiện tƣợng. Ba định lý cơ bản về đồng dạng đƣợc sử dụng để giải những bài toán cụ thể sau: 1. Những đại lƣợng nào cần xác định khi thực hiện; 2. Cần thể hiện kết quả thí nghiệm ở dạng nào; 3. Để tính toán và thực nghiệm trong sản xuất, ở những điều kiện nhƣ thế nào thì có thể dùng những kết quả thu nhận đƣợc. 2.3.5.1.Định lý đồng dạng thứ nhất Hai hệ số đồng dạng với nhau chúng có chung chuẩn số đồng dạng, ký hiệu idemi , tức là chuẩn số đồng dạng nhƣ nhau. Chuẩn số đồng dạng của một hệ nào đó có thể đƣợc tạo thành từ một dạng khác qua nhân, chia, khai căn, luỹ thừa… Khi cần thiết (đƣa ra các chuẩn số ở dạng tƣơng đối phù hợp cho công tác nghiên cứu) có thể phối hợp các chuẩn số khác nhau, nhƣng chuẩn số phối hợp độc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -55- lập cần bằng số chuẩn số xuất phát. Những chuẩn số dẫn xuất nhận đƣợc sẽ giúp chúng ta thực nghiệm, phân tích các kết quả. Sự hình thành và sử dụng các chuẩn số dẫn xuất đôi khi mang ý nghĩa lý thuyết. Các chuẩn số đó sẽ cho khả năng để phối hợp các chuẩn số ban đầu. Khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cần phải chú ý những chuẩn số chính, trƣớc hết là chúng đặc trƣng cho hiện tƣợng, quá trình. Giảm bớt số lƣợng chuẩn số tạo khả năng làm gần đúng mô hình; các chuẩn số có ảnh hƣởng không đáng kể có thể bỏ qua. Biến đổi khác của định lý thứ nhất là: Các hiện tƣợng đồng dạng, chỉ số đồng dạng là bằng nhau và bằng đơn vị 2.3.5.2. Định lý đồng dạng thứ hai - định lý Định lý này của Pheđecman – Buckingam trả lời vấn đề cần phải gia công kết quả thực nghiệm nhƣ thế nào. Mỗi một phƣơng trình vật lý đƣợc mô tả trong một hệ thống đo nhất định có thể biểu diễn dƣới dạng hàm số của chuẩn số đồng dạng: )...,,,( 4321 km (2.116) Trong đó: m- Số đại lƣợng trong phƣơng trình; k- Số đơn vị cơ bản cần chọn khi xác định hệ thống. Phƣơng trình chuẩn số nhận đƣợc, thể hiện ở dạng hàm ẩn. Dạng tƣờng minh của hàm này không thể xác định từ lý thuyết đồng dạng mà còn từ con đƣờng thực nghiệm, sau khi nhận đƣợc các chuẩn số có liên quan đến đến lời giải của bài toán. Ngoài ra một số chuẩn số có ít ảnh hƣởng đến quá trình ta có thể bỏ qua. 2.3.5.3.Định lý đồng dạng thứ ba Định lý này trả lời cho câu hỏi điều kiện cần và đủ để các quá trình và hiện tƣợng là đồng dạng. Những kết quả thực nghiệm thể mở rộng ra các hiện tƣợng đồng dạng mang tính chất chung. Sự khác nhau về tính chất của các hiện tƣợng đƣợc xác định bởi tính chất đồng nhất. Vì vậy điều kiện cần cho tính đồng dạng là đồng dạng của các điều kiện của tính đồng nhất. Nếu là đồng dạng, chúng có đồng dạng vật lý của hệ thống. Vì vậy, khi xác định các chuẩn số đồng dạng cần thiết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên -56- phải tìm mối quan hệ với điều kiện đồng nhất. Nói cách khác, hai hiện tƣợng có chung chuẩn số đồng dạng thì đồng dạng nhau. Đây là cơ sở của mô hình hoá. 2.3.6. Phƣơng pháp xác định chuẩn số đồng dạng Khi xác định chuẩn số đồng dạng sẽ xảy ra hai trƣờng hợp: - Khi phƣơng trình ng