Nghiên cứu đề xuất kết cấu và vật liệu để nâng cao tuổi bền mòn trục vít trong máy ép thanh củi trấu

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU ĐỂ NÂNG CAO

TUỔI BỀN MÒN TRỤC VÍT TRONG MÁY ÉP THANH CỦI TRẤU

STUDY AND SUGGEST THE STRUCTURE AND MATERIAL TO ENHAND

ABRASION RESISTANCE OF THE SCREW EXTRUDER BIOMASS BRIQUETTE

(BÀI BÁO DỰ THẢO)

Đặng Thiện Ngôn¹, Nguyễn Võ Danh²

¹Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh

²Học viên Cao học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh

TÓM TẮT

Trục vít ép máy ép củi trấu có tuổi thọ thấp do ma sát giữa đầu trục vít ép và vỏ trấu

trong quá trình ép đùn thanh củi trấu. Qua khảo sát, trục vít bị mòn nhanh ở phần ép là phần

có bước ren thay đổi. Bài báo nghiên cứu đề xuất giải pháp trục vít 3 phần gồm: phần 1 là

phần đầu côn; phần 2 là phần ép có 2 ren thường bị mòn; phần 3 là phần thân. Các phần này

được ghép nối với nhau bằng mối ghép then và mối ghép bulông. Đề xuất phần 2 (phần ép)

là phần bị mòn được chế tạo từ thép chịu mòn bền nhiệt SKD61 (nhiệt luyện 52 HRC) và từ

thép C45 phủ carbide wolfram. Kết quả thực nghiệm cho thấy, trục vít ép với phần 2 được

chế tạo từ thép SKD61 có tuổi bền gấp 1,5 lần, phần 2 phủ carbide wolfram có tuổi bền gấp

4,5 lần so với trục vít được chế tạo từ thép C45 hàn đắp bằng que hàn Cobarlarc 9E.

Từ khóa: máy ép thanh củi trấu trục vít; thép C45; thép SKD61; carbide wolfram

ABSTRACT

The screw extruder biomass briquette has a low life expectancy due to the friction

between the screw head and rice husk in the machining process. Throughout the survey, the

screws worn at the presses are the variable part of the thread. The new solution with third part

of screw was studied. It was: head cone, two threaded presses (worn) and body. All pats were

connected by bolt. An offer is the part 2 was created by SKD61 steel (52 HRC) and C45 with

wolfram carbide coating. The results show that, the abrasion resistance of part 2 (SKD61

steel) is 1.5 times more while the wolfram carbide coating is 4.5 times more than C45 steel

which was cover welding by Cobarlarc 9E.

Keywords: screw extruder biomass briquette; C45 steel, SKD61 steel, wolfram carbide

1

Trong thực tế tại các cơ sở sản xuất thanh

củi trấu, trục vít ép được chế tạo từ thép C45 sau

khi bị mòn thường được các cơ sở hàn đắp bằng

que hàn chịu nhiệt và chống mài mòn Cobalarc

9E sau khi hàn được mài sửa lại mới đưa vào hoạt

động được (hình 2). Tuổi bền mòn của trục vít

này đạt đến khoảng 18h, tuy nhiên việc hàn đắp

chỉ được 1 – 2 lần.

1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay nhờ các ưu điểm như khả năng

ép liên tục, ít hao tốn nguyên liệu…, máy ép củi

trấu sử dụng cơ cấu trục vít đã được sử dụng rộng

rãi trong sản xuất. Trong các bộ phận của máy ép

thanh củi trấu thì trục vít ép là một trong những

thành phần quan trọng, và nó quyết định đến năng

suất và chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên trục vít

ép cũng là bộ phận rất nhanh bị mài mòn do phải

làm việc trong môi trường áp suất, nhiệt độ và

ma sát lớn.

Để khắc phục hạn chế trên bài báo giới

thiệu giải pháp thay đổi kết cấu trục vít ép và ứng

dụng vật liệu mới chịu mòn nhiệt để chế tạo phần

trục vít hay bị mòn. Bên cạnh đó, giải pháp ứng

dụng chế tạo phần trục vít bị mòn bằng thép C45

được phun phủ wolfram carbide lên bề mặt nhằm

tăng tuổi bền mòn trục vít ép và giảm giá thành

sản xuất cũng được đề xuất và giới thiệu.

Theo một số nghiên cứu và theo khảo sát

tại các cơ sở sản xuất thanh củi trấu, hiện tượng

mòn trục vít ép chỉ xảy ra ở hai bước ren đầu của

trục vít ép (hình 1).

2.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1

Kết cấu trục vít ép ba phần

Kết cấu và các kích thước chính trục vít

máy ép củi trấu 600 – 700 kg/h điển hình được

xem xét nghiên cứu có kết cấu và các kích thước

chính như ở hình 3 [1].

Hình 1: Vị trí mòn của trục vít ép

Hình 2: Hàn đắp trục vít bằng que

Hình 3: Kết cấu, kích thước trục vít ép [1]

Cobalarc 9E

2

Như đã chỉ ra, trục vít chỉ bị mòn ở hai

bước ren đầu tiên dẫn đến phải thay thế để đảm

bảo chất lượng củi trấu nên kết cấu trục vít được

đề xuất có kết cấu như hình 4 gồm:

Mô phỏng trên phần mềm ANSYS với các

điều kiện biên:

- Lực tác dụng của bu lông: Fa = 873 N

- Mô men xoắn: Mx = 275027 N.mm

- Hệ số ma sát: µ = 0,2

- Phần 1 được chế tạo từ thép C45.

- Nhiệt độ: t = 300oC

- Phần 2 là đoạn hai bước ren hay bị mòn

thường phải thay thế được chế tạo từ vật liệu chịu

nhiệt, chịu mài mòn cao - thép SKD61 hoặc

phương án khác là được chế tạo từ thép C45 và

phủ wolfram carbide.

Ta có được chuyển vị lớn nhất là 0,369

mm, tập trung tại cánh vít của phần 2 khi có

mômen tác dụng làm trục xoắn theo phương X.

Ứng suất lớn nhất là 186,08 MPa tập trung tại

then và không có hiện tượng then bị phá hủy.

- Phần 3 được chế tạo từ thép C45.

2.2

Thiết kế và chế tạo

2.2.1 Phần 1 và phần 3 trục vít ép

- Phần 1 và phần 3 trục vít ép được chế tạo

bằng thép C45. Hai phần này được sử dụng lại

khi thay thế phần 2 bị mòn. Bản vẽ chi tiết và chi

tiết đã chế tạo của phần 1 được trình bày ở hình

6.

Hình 4: Kết cấu trục vít ép ba phần

Để ghép các phần 1, phần 2 với phần 3 ta

sử dụng (hình 5):

- Mối ghép trụ trơn cho phần 1 với phần 2;

- Mối ghép then bằng cho phần 2 với phần 3;

- Giữ chặt và đảm bảo được mômen xoắn của

các mối ghép ta sử dụng bulông M12×200.

a) Bản vẽ chi tiết của phần 1

b) Chi tiết phần 1 đã chế tạo

Hình 6: Bản vẽ thiết kế và chế tạo chi tiết phần 1

của trục vít ép

Hình 5: Trục vít ép sử dụng mối ghép then bằng

Mô men xoắn tính được [7]:

D

55

2

tb

M_x

F

10001

275027 Nmm

2

3

- Phần 3 trục vít ép được gia công từ thép C45

có các kích thước như ở hình 7.

Chi tiết sau khi gia công được nhiệt luyện

đạt độ cứng 52 – 54 HRC (hình 9)

a) Bản vẽ chi tiết của phần 3

a) Trước khi nhiệt luyện

b) Sau khi nhiệt luyện

Hình 9: Phần 2 trục vít ép trước và sau khi nhiệt

luyện

b. Phần 2 được chế tạo từ thép C45 phủ lớp

wolfram carbide WC10%Co4%Cr

b) Chi tiết phần 3 đã chế tạo

Gia công phần 2 của trục vít từ vật liệu

C45 theo kích thước như hình 8, biên dạng ngoài

của răng vít được gia công với kích thước nhỏ

hơn 0,5 mm theo 2 chiều để có lượng dư phủ lớp

wolfram carbide.

Hình 7: Bản vẽ thiết kế và chế tạo chi tiết phần 3

của trục vít ép

2.2.2 Phần 2 trục vít ép

Phần 2 của trục vít ép được đề xuất với hai

phương án:

Chi tiết sau khi gia công được phủ bên

ngoài 1 lớp wolfram carbide WC10%Co4%Cr

(Oerlikon) đạt chiều dày khoảng 0,5 mm (hình

10).

- Được chế tạo bằng vật liệu chịu mòn nhiệt

SKD61.

- Được

phủ

lớp

wolfram

carbide

WC10%Co4%Cr.

a) Trước khi phủ wolfram b) Sau khi phủ wolfram

carbide

Hình 10: Phần 2 trục vít ép trước và sau khi phủ

Hình 8: Các kích thước chính phần 2 trục vít ép

a. Phần 2 được chế tạo từ thép SKD61

carbide

4

sử dụng 78 giờ máy hoạt động sản xuất ra củi trấu

để tính toán hiệu quả kinh tế.

3.

THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ

Phần 2 của trục vít được gia công chế tạo

3 chi tiết, trước khi đưa vào hoạt động 3 phần của

trục vít được lắp rắp lại với nhau như hình 10.

Chi phí chế tạo trục vít và tuổi bền mòn

thể hiện qua bảng 3.2.

Bảng 3.2: Chi phí chế tạo và tuổi bền mòn

Tuổi

Số

lượ

ng

bền

trung

bình

(h)

Chi phí

chế tạo (đ)

Tổng chi

phí (đ)

Trục vít

Hình 11: Trục vít ép có phần 2 được chế tạo từ thép

C45 phủ wolfram carbide

C45

2.500.000 03

700.000 05

1.530.000 01

18

11.000.000

10.530.000

Hàn đắp

Phần 1 và

phần 3

Phần 2

SKD61

Phần 1 và

phần 3

Phần 2 phủ

carbide

Tiến hành thực nghiệm 03 trục vít mới

(phần 2 là C45 phủ wolfram carbide) trên máy ép

thanh củi trấu năng suất 600 – 700 kg/h đang hoạt

động tại DNTN Châu Hưng (Sóc Trăng). Được

đánh giá về tuổi bền mòn và hiệu quả kinh tế so

với trục vít được hàn đắp bằng que hàn Cobalarc

9E đang sử dụng tại cơ sở này.

78

3.000.000 03

1.530.000 01

79,5

9.030.000

7.500.000 01

wolfram

3.1

So sánh về tuổi bền mòn

Tuổi bền mòn qua thực nghiệm được thể

Chi phí sản xuất củi trấu tại DNTN Châu

Hưng được thể hiện qua bảng 3.1.

hiện qua biểu đồ hình 12.

Bảng 3.1: Chi phí sản xuất 1 kg ủi trấu (1/2018) [1]

Vận

chuyển công

(đ/kg) (đ/kg)

Nhân

Tổng

cộng

(đ)

Trấu

(đ/kg) (đ/kg)

Điện

1.600

1000 250

200

150

Với năng suất của máy 620 kg/h thì tiền

lãi trong một giờ là:

(2.200 – 1.600)  620 = 372.000 đ/h

Hình 12: Tuổi bền trục vít hàn đắp Cobalarc 9E,

SKD61và C45 phủ wolfram carbide

Thực nghiệm cho phần ép trục vít phủ

carbide wolfram có tuổi bền đạt trung bình 79,5

giờ. Để dễ so sánh các phương án khác nhau, ta

5

(78372.00010.830.000) 

3.2

So sánh hiệu quả kinh tế

(78372.00010.830.000)





- Trục vít C45 hàn đắp bằng que hàn

3 17.512.444









81

Cobarlarc 9E:

Để máy hoạt động 78 giờ thì phải sử dụng

- Trục vít có phần 2 được chế tạo từ C45 phủ

wolfram carbide

Để máy hoạt động trong 78 giờ với phần 2

3 trục vít C45 hàn đắp 5 lần với tổng chi phí là

11.000.000 đ và mất thêm 20 giờ thay thế và lắp

rắp (do phải hàn đắp chỉnh sửa). Do vậy tổng thời

gian thực tế sẽ là 94 giờ, khi đó chi phí vận hành

sẽ bao gồm chi phí gia công và chi phí công thợ

để lắp ráp thay thế:

của trục vít được gia công từ thép C45 phủ

carbide thì ta chỉ cần 1 trục vít và mất thêm 1 giờ

để lắp ráp và thay thế phần 2 cho trục vít ép. Do

vậy tổng thời gian thực tế sẽ là 79 giờ, khi đó chi

phí vận hành sẽ bao gồm chi phí gia công và chi

phí công thợ để lắp ráp thay thế:

11.000.000 + 5×100.000 = 11.500.000 đ

Tiền lãi cho 78 giờ sau khi trừ đi chi phí

vận hành và thiệt hại khi dừng máy để thay thế

(20 giờ):

9.030.000 + 1×100.000 = 9.130.000 đ

Tiền lãi cho 78 giờ sau khi trừ đi chi phí

vận hành:

(78372.00011.500.000) 

(78372.00011.500.000)





20 13.941.306









(78372.00011.500.000)





98

20 13.941.306









98

- Trục vít có phần 2 được chế tạo từ SKD61:

Qua tính toán về lợi nhuận của các trục vít,

Để máy hoạt động trong 78 giờ với trục vít

biểu đồ so sánh về chi phí và lợi nhuận được được

thể hiện ở hình 11.

có phần 2 được gia công từ thép SKD61 thì ta

phải thay thế 3 lần, mỗi lần mất 1h để lắp ráp và

thay thế phần 2 cho trục vít ép. Do vậy tổng thời

gian thực tế sẽ là 81 giờ, khi đó chi phí vận hành

sẽ bao gồm chi phí gia công và chi phí công thợ

để lắp ráp thay thế:

10.530.000 + 3×100.000 = 10.830.000 đ

Tiền lãi cho 78 giờ sau khi trừ đi chi phí

vận hành và thiệt hại khi dừng máy để thay thế

(3h):

a) So sánh chi phí chế tạo

6

4.

KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu, thực nghiệm cho

thấy:

- Phần 1 với phần 2 được ghép nối bằng mối

ghép trụ trơn, phần 2 được ghép với phần 3 bằng

mối ghép then bằng, 3 phần được ghép lại với

nhau bằng bu-lông M12×200. Với đề xuất kết cấu

lắp ghép nên việc thay thế phần bị mòn một cách

dễ dàng và nhanh chóng.

b) So sánh lợi nhuận kinh tế

- Tuổi bền mòn của trục vít ép có phần 2 được

chế tạo từ thép SKD61 gấp khoảng 1,5 lần tuổi

bền mòn của trục vít C45 hàn đắp bằng que

Cobarlarc 9E

Hình 11: Chi phí, lợi nhuận trục vít hàn đắp

Cobalarc 9E, SKD61và C45 phủ wolfram carbide

Qua tính toán về kinh tế ta thấy phương án

sử dụng trục vít có phần 2 được chế tạo từ thép

C45 phủ wolfram carbide mang lại lợi nhuận kinh

tế cao hơn (sau khi trừ các chi phí) các phương

án khác. Cụ thể trong 78 giờ làm việc trục vít có

phần 2 được chế tạo từ thép C45 phủ wolfram

carbide mang lại lợi nhuận hơn trục vít có phần 2

được chế tạo từ SKD61 là 2.121.834 đ, hơn trục

vít C45 hàn đắp Cobalarc 9E là 5.692.972 đ.

- Tuổi bền mòn của trục vít ép có phần 2 được

chế tạo từ thép C45 phủ wolfram carbide tăng

đáng kể gấp gần 4,5 lần tuổi bền mòn của trục vít

C45 hàn đắp bằng que Cobarlarc 9E

- Giải pháp trục vít có kết cấu 3 phần và phần

2 được chế tạo từ thép C45 phủ wolfram carbide

phù hợp với điều kiện công nghệ Việt Nam, có

tính khả thi và ứng dụng cao trong thực tiễn.

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn DNTN Châu Hưng

(Sóc Trăng) đã giúp đỡ tác giả thực hiện nghiên

cứu này.

7

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Báo cáo hoạt động sản xuất thanh củi trấu, DNTN Châu Hưng, 2015

[2] Tôn Thất Minh, Cơ sở tính toán thiết kế máy và thiết bị thực phẩm, NXB Bách khoa Hà

Nội, 2012

[3] Dương Vĩnh Nghi, Nguyễn Nhật Phi Long, Nghiên cứu khả năng ứng dụng thép SKD61

để nâng cao tuổi bền trục vít ép trong máy ép thanh củi trấu, Trường Đại học Sư Phạm

Kỹ Thuật Tp. HCM, 2017.

[4] S. C. Bhattacharya, S. Kumar, Screw-press briquetting machines and briquettefired

stoves, Asian Institute of Technology, Regional Energy Resources Information Center

(RERIC), 2010.

[5] John Wiley & Sons, Ltd, The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings: Second

[6] Mridaney S. Poudel, Krishna R Poudel, Krishna R. Shrestha và Ramesh

M. Singh, Scerew Extruder Biomass Briquetting, Rentech Symposium Compendium,

Volume 1, March 2012, pp. 27-31.

[7] Khurmi RS, Gupta JK, A Textbook of Machine Design, (14thedn), Eurasia Publishing

house (PVT) LTD, Ram Nagar, New Delhi (2005).

[8] Material Product Data Sheet Tungsten Carbide – 10% Cobalt 4 % Chromium Powders –

Oerlikon.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:

Họ tên: Nguyễn Võ Danh

Đơn vị: Trường Cao Đẳng Kỹ thuật Đắk Lắk

Điện thoại: 0912.144.747

Email:[email protected]

XÁC NHẬN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

8

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bảnquyềntác phẩm đã được bảo hộ bởiLuậtxuất bảnvà LuậtSở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm

cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.