Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Tìm thêm phương án mới cho các sản phẩm hiện có trên thị trường, tìm được cơ cấu, mô hình phù hợp với điều kiện Việt Nam
Giúp người nông dân có thêm giải pháp để phân loại, sơ chế hạt điều.
Hướng phát triển
Ta có thể phát triển máy theo dây chuyền tự động, sau khi rửa, phân loại sẽ sấy khô, đóng gói, lưu kho
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 3
1 Lý do chọn đề tài 4
3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HẠT ĐIỀU 7
4 Giá trị dinh dưỡng của hạt điều thương phẩm 9
4.1 Hàm lượng các chất khoáng có trong nhân điều 9
5 Tình hình trồng trọt, sản xuất và tiêu thụ hạt điều ở Việt Nam 13
6.2 Xử lý nhân hạt điều: 14
6.3 Xử lý vỏ hạt điều: 15
7 Phân tích cơ sở và mục đích phân loại hạt điều của đề tài 15
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU, MỘT SỐ LOẠI MÁY PHÂN LOẠI ĐANG CÓ NGOÀI THỊ TRƯỜNG, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 17
2 Máy phân loại hạt bằng màu: 20
3 Phân loại hạt bằng sàng lắc 21
4 Phân loại, làm sạch bằng máy nhúng 22
5 Một số loại máy phân loại hạt điều trên thị trường 23
5.1 Máy phân loại màu hạt điều CCD-Q164 của Khải Thắng 23
5.2 Máy phân loại hạt điều SA320 của Khải Thắng 24
6 Lựa chọn phương án thiết kế 25
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU 27
3 Tính toán thiết kế máy phân loại hạt điều 28
3.1 Tính toán, thiết kế dung tích khung phân loại 29
3.2 Tính toán, thiết kế khung rửa 37
3.4 Tính toán, thiết kế khung xả 45
3.5 Tính toán thiết kế thùng chứa nước 56
3.8 Chọn các loại xy lanh khí nén 61
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 68
CHƯƠNG 5: LẮP RÁP, VẬN HÀNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 78
3 Bảo trì, bảo dưỡng máy 84
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HẠT ĐIỀU
Hạt điều
Đào lộn hột, hay còn gọi là Đào, có tên tiếng Anh là Cashew (tên khoa học: Anacardium occidentale L), là một loại cây công nghiệp lâu năm thuộc họ Xoài (Anacardiaceae) Cây này có nguồn gốc từ đông bắc Brasil và hiện nay được trồng rộng rãi ở các khu vực có khí hậu nhiệt đới Mục đích chính của việc trồng cây là để thu hoạch nhân điều phục vụ cho ngành thực phẩm, bên cạnh đó, cây còn cung cấp các sản phẩm phụ có giá trị như dầu vỏ hạt điều.
Phân bố
Điều/đào lộn hột có nguồn gốc từ đông bắc Brasil và đã được đưa vào châu Á cũng như châu Phi trong khoảng thời gian từ 1560 đến 1565, sau khi các đế quốc thực dân châu Âu khám phá ra châu Mỹ.
Cây này hiện đang được trồng rộng rãi như một loại cây công nghiệp tại các khu vực khí hậu nhiệt đới ở châu Mỹ, châu Phi, châu Á và châu Úc, chủ yếu để thu hoạch nhân hạt phục vụ cho ngành chế biến thực phẩm.
Cây điều đã được du nhập vào Việt Nam từ những năm 1980 và nhanh chóng trở thành loại cây công nghiệp đa mục đích Loại cây này không chỉ giúp phủ xanh đất trống đồi trọc mà còn được trồng rộng rãi ở các tỉnh Đông Nam Bộ, Tây Nguyên và Duyên hải Nam Trung Bộ, như Bình Phước, Đồng Nai, Bà Rịa – Vũng Tàu, Bình Thuận, Lâm Đồng, Đắk Lắk và Đắk Nông.
Kể từ năm 2006, Việt Nam đã vươn lên trở thành quốc gia hàng đầu thế giới trong xuất khẩu hạt điều, đồng thời đứng thứ ba về diện tích trồng điều, chỉ sau Ấn Độ và Bờ Biển Ngà.
Cấu tạo hạt điều
Hình 1.2 Mặt cắt ngang hạt điều
Chiếm từ 65-70% hạt, bao gồm:
Chiếm trung bình 3,5-5 trọng lượng nhân hạt điều, bao gồm:
Nhân điều, sản phẩm chủ yếu từ cây điều, mang lại giá trị kinh tế và xuất khẩu cao Đây là loại thực phẩm bổ dưỡng, thơm ngon, chứa nhiều chất dinh dưỡng thiết yếu.
Giá trị dinh dưỡng của hạt điều thương phẩm
4.1 Hàm lượng các chất khoáng có trong nhân điều
Chất khoáng Nhân đã bóc vỏ lụa Nhân chưa bóc vỏ lụa
Bảng 1.1: Hàm lượng các chất trong hạt điều
Nhân hạt điều có chứa hơn 20% protein thực vật, tương đương với lượng protein trong đậu nành và đậu phộng, nhưng về chất lượng thì tương đương với thịt, trứng và sữa.
10 a Hàm lượng các amino acid (tính theo % của protein trong nhân điều)
Hạt điều chứa khoảng 47% chất béo, trong đó hơn 80% là chất béo chưa bão hòa Tỷ lệ giữa chất béo chưa bão hòa và bão hòa là 4:1, điều này rất có lợi cho sức khỏe Chất béo chưa bão hòa không chỉ không tạo ra cholesterol mà còn giúp điều hòa và giảm lượng cholesterol trong máu, từ đó ngăn ngừa các bệnh tim mạch.
Các axit béo thiết yếu (EFAs) đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh sự cân bằng của chất béo bão hòa và cholesterol trong tế bào, giữ cho màng tế bào ở trạng thái lỏng Chúng không chỉ hỗ trợ hình thành màng tế bào mà còn giúp sửa chữa các mô Thiếu hụt EFAs có thể dẫn đến nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng như bệnh tiểu đường, hen phế quản, rối loạn thận và viêm khớp.
Nhân điều chứa khoảng 20% carbohydrate, trong đó 1% là đường hòa tan, góp phần tạo ra hương vị hấp dẫn mà không gây béo phì Điều này cho phép bệnh nhân tiểu đường và béo phì có thể sử dụng nhân điều một cách an toàn Bên cạnh đó, thành phần xơ trong nhân điều cũng mang lại lợi ích cho sức khỏe.
Nhân điều chứa thành phần xơ có lợi cho sức khỏe, giúp giảm cholesterol trong thực phẩm, hỗ trợ điều trị táo bón và bảo vệ cơ thể khỏi bệnh ung thư, các vấn đề về thận và viêm ruột thừa.
Nhân điều là nguồn thực phẩm giàu vitamin B, đặc biệt là thiamin (B1), có tác dụng kích thích cảm giác thèm ăn và hỗ trợ hệ thống thần kinh Ngoài ra, nhân điều còn chứa nhiều vitamin E, giúp chống lại tình trạng suy nhược và thiếu máu, đồng thời cung cấp các khoáng chất cần thiết cho cơ thể.
Nhân điều là nguồn thực phẩm giàu khoáng chất như canxi, selenium, magnesium, kẽm, phospho, đồng và sắt dưới dạng hữu cơ, giúp bảo vệ sức khỏe và hệ thần kinh của con người.
Năng lượng nhân điều cung cấp so với các thực phẩm khác
Loại thực phẩm Năng lượng/1 kg thực phẩm
Bảng 1.3: Hàm lượng dinh dưỡng
Nhân hạt điều không chỉ được sử dụng làm nhiên liệu mà còn có thể ép để sản xuất dầu carite quý giá, có màu vàng tươi và vị ngọt nhẹ Dầu này có giá trị dinh dưỡng cao, được ứng dụng rộng rãi trong thực phẩm và y học Bơ thực vật từ nhân hạt điều rất được ưa chuộng tại các nước phát triển, và bánh dầu hạt điều chứa nhiều chất dinh dưỡng.
Chất không đạm chiếm 43.63% trong dầu hạt điều, làm cho nó trở thành nguyên liệu quý giá cho ngành công nghiệp bánh kẹo Tuy nhiên, sản lượng dầu hạt điều lại rất hạn chế, chỉ đạt khoảng 3%-4% từ hạt điều, dẫn đến giá thành sản phẩm tương đối cao.
Nhân hạt điều được bao bọc bởi một lớp vỏ gồm ba lớp: lớp trong cùng, lớp giữa xốp và lớp ngoài dai Lớp vỏ giữa có cấu trúc tổ ong chứa chất lỏng sệt gọi là dầu vỏ hạt điều, chiếm tỷ lệ từ 23% đến 28% Dầu vỏ hạt điều là một chất nhựa màu nâu, không tan trong nước, rượu, ete nhưng tan mạnh trong acetone hoặc hexetoluen Trong dầu vỏ hạt điều có khoảng 70%-80% C22H22O3 với mùi nồng và thơm, cùng với khoảng 15-20% cadol.
C21H33O2 là một hợp chất không bay hơi và có khả năng gây bỏng da Khi chế biến ở nhiệt độ cao, các acid anacodic sẽ bị khử nhóm carboxyl, chuyển hóa thành canadol (C4H230), hợp chất quan trọng nhất quyết định giá trị thương mại của dầu vỏ hạt điều; tỷ lệ canadol càng cao thì giá trị dầu càng lớn.
Dầu vỏ hạt điều có rất nhiều công dụng:
- Làm thuốc nhuộm, chất cách điện, mỹ phẩm
- Làm keo dán và vật liệu bền ma sát
- Sơn chống thấm, sơn bảo vệ kim loại, sơn chống mặn bảo vệ tàu biển
- Sơn cách nhiệt và sơn chịu nhiệt dung môi đặc biệt
- Dùng chế nước sơn trong tranh sơn mài dùng làm chất phòng chống lão cho cao su
- Làm hóa dẻo các loại nhựa cứng
Tình hình trồng trọt, sản xuất và tiêu thụ hạt điều ở Việt Nam
Cây điều được trồng chủ yếu ở các tỉnh Đông Nam Bộ và Tây Nguyên với thủ phủ hạt điều là Bình Phước
Hiện nay tại Việt Nam có rất nhiều giống điều khác nhau được trồng nhưng phần lớn là
Có năm giống cây chính, mỗi giống thường cho ra chùm từ 5 đến 10 quả, với màu sắc chủ yếu là vàng Tuy nhiên, tỷ lệ nhân, kích thước hạt và năng suất của các giống này lại có sự khác biệt đáng kể.
- Giống ES-04 (tỉ lệ nhân: 27,5%; kích thước hạt: 173 hạt/kg; năng suất hạt: 55–
- Giống EK-24 (tỉ lệ nhân: 28%; kích thước hạt: 120 hạt/kg; năng suất hạt: 35–
- Giống BĐ-01 (tỉ lệ nhân: 27%; kích thước hạt: 165 hạt/kg; năng suất hạt: 45–
- Giống KP-11 (tỉ lệ nhân: 27,5%; kích thước hạt: 150 hạt/kg; năng suất hạt: 45–
- Giống KP-12 (tỉ lệ nhân: 27%; kích thước hạt: 140 hạt/kg; năng suất hạt: 55–
Sơ chế hạt điều
Người ta chia quy trình công nghệ chế biến hạt điều ra làm 2 giai đoạn: xử lý hạt thô, xử lý nhân hạt điều và xử lý vỏ hạt
Hình 1.5 Quy trình xử lý hạt điều thô
6.2 Xử lý nhân hạt điều:
Hình 1.6 Quy trình xử lý nhân hạt điều
6.3 Xử lý vỏ hạt điều:
Hình 1.7 Quy trình xử lý vỏ hạt điều.
Phân tích cơ sở và mục đích phân loại hạt điều của đề tài
Hiện nay, trong quy trình sản xuất hạt điều, việc sơ chế và phân loại chủ yếu tập trung vào giai đoạn sau thành phẩm, trong khi quy trình phân loại hạt điều thô sau thu hoạch lại chưa được chú trọng.
Chỉ một số doanh nghiệp và hộ nông dân hiện đang thực hiện thủ công việc phân loại hạt điều sau thu hoạch bằng cách chia thành ba phần riêng biệt thông qua quy trình ngâm trong nước Khi hạt điều được ngâm, chúng ta có thể dễ dàng quan sát rằng chúng phân bố đều theo thể tích nước.
Theo nhiều nghiên cứu, khối lượng riêng của từng hạt điều khác nhau là nguyên nhân chính dẫn đến việc phân loại hạt điều thô Dựa vào kinh nghiệm, nông dân phân chia hạt điều thành ba loại riêng biệt để phù hợp với các công dụng khác nhau Cụ thể, hạt điều thô được phân loại thành ba loại chính: hạt điều chìm (hạt nặng), hạt điều nổi (hạt nhẹ) và hạt lơ lửng (hạt trung bình).
Hạt điều chìm là loại hạt có chất lượng cao, chắc mẩy, thường được bán với giá thành cao Chúng chủ yếu được sử dụng cho xuất khẩu hoặc trong sản xuất các sản phẩm từ điều nguyên hạt và bơ hạt điều.
Hình 1.8 Sản phẩm từ hạt điều
Hạt nổi trên bề mặt nước thường là do chứa nhiều hạt chưa chín, có không khí trong nhân điều, hoặc bị sâu, lép và hư hỏng Những hạt này chủ yếu được sử dụng trong quá trình chế biến dầu điều.
1.9 Sản phẩm dầu hạt điều
- Loại 3: Hạt điều lơ lửng
Hạt điều tầm trung là loại hạt lơ lửng trong nước, thường được sử dụng để sản xuất các sản phẩm từ điều với giá thành rẻ hơn Loại hạt này có thể được chế biến thành sản phẩm điều chất lượng hoặc dùng để ép dầu điều, tùy thuộc vào nhu cầu của người sử dụng.
❖ Bằng khảo sát thực tế nhóm đã đưa ra đánh giá cho các hạt điều chìm và hạt điều nổi
Hạt chìm: Hạt to, chắc, mẩy, đầy đặn => Chứa nhiều dinh dưỡng hơn
Hạt nổi: Hạt rỗng, lép => Chứa ít dinh dưỡng hơn hạt chìm
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU, MỘT SỐ LOẠI MÁY PHÂN LOẠI ĐANG CÓ NGOÀI THỊ TRƯỜNG, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Phân loại bằng tay
Sau khi thu hoạch hạt điều từ vườn, người dân cho hạt vào bồn chứa nước có thể tích nhất định Họ sử dụng sức lực để khuấy đều, nhằm làm sạch hạt điều Sau khi quá trình khuấy hoàn tất, hạt điều được vớt ra từng loại một.
- Tầng đầu tiên: Lớp trên cùng của bồn chứa (chiều sâu khoảng 100-200mm) cho ra
- Tầng thứ 2: hạt điều nằm ở giữa bồn chứa (200-750mm) cho ra loại thứ 2
- Tầng cuối cùng: đáy bồn chứa cho ra loại thứ 3 Ưu điểm: không có
- Năng suất lao động thấp
- Tốn nhiều nhân công cho 1 lần rửa và phân loại
- Tốn nhiều sức lao động
- Dễ tiếp xúc với nhựa của hạt điều tươi có tính axit gây ăn mòn tay
Máy phân loại hạt bằng màu
Sử dụng các cảm biến để phân loại các loại hạt điều dựa vào màu sắc trên bề mặt hạt điều
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu phân loại hạt điều bằng màu
Hạt điều được phân loại qua quy trình tự động, bắt đầu từ việc rơi xuống máng trượt và đi qua dãy camera cảm biến màu Các cảm biến sẽ phân tích màu sắc của hạt điều và so sánh với tiêu chuẩn Khi phát hiện hạt có màu sắc khác thường, tín hiệu sẽ được gửi tới súng hơi để đẩy hạt đó vào máng dẫn phế phẩm, trong khi các hạt đạt tiêu chuẩn sẽ tiếp tục rơi xuống máng dẫn thành phẩm Ưu điểm của quy trình này là đảm bảo phân loại chính xác.
- Chi phí đầu tư cao
Phân loại hạt bằng sàng lắc
1: Khung sàn 2: Động cơ 3: Chân sàn 4: Khớp quay 5: Bộ truyền đai 6: Thanh truyền 7: Sàng
Hình 2.4 Cấu tạo của sàng lắc
Dựa vào khối lượng của từng hạt, quá trình rung lắc với tốc độ cao giúp phân loại hạt hiệu quả Đồng thời, luồng gió mạnh sẽ loại bỏ các hạt lép, chỉ cho phép các hạt đạt tiêu chuẩn chất lượng tiếp tục qua băng chuyền đến quy trình xử lý tiếp theo.
- Chi phí đầu tư cao
Phân loại, làm sạch bằng máy nhúng
Cũng giống như phương pháp phân loại bằng tay mà ta trước nay vẫn hay sử dụng, tuy nhiên sử dụng các loại cơ cấu để rửa tự động
Hình 2.5: Hệ thống phân loại hạt điều bằng máy nhúng
Hạt điều rỗng và lép sẽ nổi lên trên, trong khi những hạt chắc sẽ chìm xuống dưới Quá trình này giúp phân loại hạt điều thành ba loại khác nhau, với các cơ cấu di chuyển để tách biệt chúng Ưu điểm của phương pháp này là nâng cao hiệu quả phân loại hạt điều.
- Cơ cấu đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng
- Giá thành đầu tư thấp
- Giảm nguy cơ axit của hạt điều làm hỏng da tay
- Hạt điều được rửa sạch ngay sau khi thu hoạch về
Một số loại máy phân loại hạt điều trên thị trường
5.1 Máy phân loại màu hạt điều CCD-Q164 của Khải Thắng
Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật
Hình 2.6 Máy phân loại màu hạt điều CCD-Q164
Công suất 200-800 kg/h Độ chính xác 99.50% Điện năng 0.8 kw Điện áp 220V/50 Hz
5.2 Máy phân loại hạt điều SA320 của Khải Thắng
Hình 2.7 Máy phân loại hạt điều SA320
Công suất Độ chính xác
Hệ số sai sót Điện năng Điện áp Kích cỡ máy Trọng lượng
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Ngoài những loại máy trên, ở thị trường Việt Nam vẫn còn rất nhiều loại máy phân loại hạt điều khác
Lựa chọn phương án thiết kế
6.1 Cơ sở khoa học phân loại
Tổng quan về lực đẩy Acsimet:
Vật sẽ nổi khi "trọng lượng riêng tổng hợp" của nó nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước, giải thích tại sao tàu lớn và nặng vẫn có thể nổi trong khi kim nhẹ nhưng chiếm thể tích nước nhỏ Tàu có thể tích lớn nên "trọng lượng riêng tổng hợp" của nó nhỏ hơn, mặc dù nặng hơn kim Kết cấu thân vỏ tàu thường làm bằng thép với lớp tôn bên ngoài hoàn toàn "rỗng", giúp tăng thể tích chiếm nước Lực Acsimet đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng này.
- Cùng phương và ngược hướng với trọng lực
- Chúng quyết định đến sự nổi hay chìm của một vật
Nếu như ta thả một vật ở trong lòng chất lỏng thì sẽ có những trường hợp xảy ra như sau:
• Vật chìm xuống khi lực đẩy acsimet nhỏ hơn trọng lượng: FA < P
• Vật nổi khi: FA > P và dừng nổi khi FA = P
• Vật lơ lửng trong chất lỏng (hoặc trên mặt thoáng) khi: FA = P
Lực đẩy Ác-si-mét được xác định bằng công thức: FA=d.V
Trong đó: d: Là trọng lượng riêng của chất lỏng
V: thể tích phần chất lỏng bị vật chiếm chỗ
Ví dụ: Một miếng gỗ hình hộp chữ nhật chiều dài 3m; rộng 1m; cao 0.1m có khối lượng 10kg Ngập hoàn toàn trong nước
F gỗ > P gỗ => Miếng gỗ sẽ nổi
Lực đẩy Acsimet phụ thuộc vào thể tích, điều này được chứng minh qua thí nghiệm khi đổ hạt điều vào nước Dù ba hạt điều có cùng thể tích, chúng vẫn có thể thuộc về ba loại khác nhau.
- Hạt chưa chín, lép => Nổi
- Hạt trung bình => Lơ lửng trong nước
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp phân loại tương đối không hoàn toàn phụ thuộc vào thể tích, điều này gây khó khăn trong việc đánh giá bằng lực đẩy Acsimet Họ tập trung vào việc thiết kế máy móc dựa trên nguyên lý hiện có từ một số doanh nghiệp và hộ nông dân đang thực hiện công việc này một cách thủ công.
Sau khi nghiên cứu các cơ cấu và nguyên lý phân loại hạt điều, cùng với việc tìm hiểu các máy phân loại hiện có trên thị trường, nhóm chúng em đã xem xét tình hình thu hoạch, phân loại và bảo quản hạt điều của nông dân trồng điều Từ đó, chúng em đã đưa ra những yêu cầu cho đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống phân loại hạt điều”.
- Cơ cấu đơn giản, dễ thiết kế, chế tạo
- Nguyên vật liệu dễ tìm, phụ tùng dễ kiếm, dễ thay thế
- Giá thành sản xuất, chi phí đầu tư rẻ
- Phù hợp với quy mô nhà vườn, hộ kinh doanh thu mua vừa và nhỏ,
Từ những yêu cầu trên nhóm chúng em quyết định thiết kế chế tạo máy phân loại hạt điều theo phương pháp nhúng
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI HẠT ĐIỀU
Yêu cầu của máy
- Máy hoạt động ổn định
- Đảm bảo độ cứng vững, ít rung lắc
- Có tính cơ động cao, dễ dàng tháo lắp, dễ di chuyển
- Các hệ thống điện, khí nén hoạt động tốt, ổn định
- Hệ thống điện phải đảm bảo an toàn, cách nước, có cơ cấu đóng ngắt khẩn cấp khi có sự cố
- Năng suất yêu cầu: 800kg/giờ.
Nguyên lý làm việc
Sau khi cấp liệu vào bồn rửa, khung sục sẽ thực hiện 10 lần sục và ngâm hạt điều trong 10-15 giây để lắng đọng cặn bẩn Khung chia sẽ được kéo sát vào khung sục, giúp hạt điều nặng lắng xuống đáy, trong khi hạt lép nổi lên trên Sau đó, khung sục được kéo lên và khung xả nghiêng 60 độ, cửa trượt được đẩy xuống để hạt điều được đổ ra vào ba phễu phân loại.
Hình 3.1 Sơ đồ cơ cấu.
Tính toán thiết kế máy phân loại hạt điều
Thời gian ước tính của một chu trình sục rửa, phân loại hạt điều:
- Thời gian cấp liệu: 30 giây
- Thời gian di chuyển khung sục xuống bể nước: 2 giây
- Thời gian ngâm, sục để rửa bùn đất: 130 giây
- Thời gian di chuyển lên của khung sục lên trên: 2 giây
- Thời gian đổ phôi: 30 giây
- Thời gian di chuyển về lại vị trí cấp liệu: 2 giây
- Độ trễ của xylanh nâng đổ phôi: 5 giây
Khối lượng hạt trung bình cho một lần rửa:
Cho một lần đổ tối đa được 50kg hạt điều
Trước khi tính toán cho các chi tiết khác như thùng chứa nước, khung sục, khung trên,
…ta cần thiết kế khung phân loại trước vì nó liên quan tới năng suất yêu cầu
3.1 Tính toán, thiết kế dung tích khung phân loại
Hình 3.2: Cơ cấu phân loại Yêu cầu thiết kế:
- Chia hạt điều thành 3 loại khác nhau theo độ chìm nổi của hạt điều khi được cho vào trong nước
Khung cần được thiết kế để chịu tải tối đa 50kg hạt điều, chưa tính đến trọng lượng của nước Sau khi cấp liệu và ngâm hạt trong nước, khung chia sẽ trượt vào khung sục Do đó, chiều dài của khung trên cần phải lớn hơn chiều rộng của từng ô b để thuận tiện cho việc kết nối các phần.
Hạt điều có kích thước và trọng lượng khác nhau, do đó số lượng hạt trong một đơn vị khối lượng cũng không giống nhau Hiệp hội hạt điều quy định số lượng hạt được đếm trong một pound (454g) để phân loại Các loại hạt điều được phân loại theo kích cỡ.
- Hạt điều loại W180: Cỡ Vua (King of Cashew), từ 170 đến 180 hạt
- Hạt điều loại W210: Cỡ Lớn (Jumbo), 200 – 210 hạt
- Hạt điều loại W240: Cỡ lớn vừa 220 – 240 hạt
- Hạt điều loại W320: Cỡ vừa (cỡ trung) 300 – 320 hạt
- Hạt điều loại W450: Cỡ nhỏ vừa 400 – 450 hạt
Hạt điều loại W500 có kích thước nhỏ, từ 450 đến 500 hạt mỗi kg Tại Việt Nam, khi mua hạt điều, thường chọn nửa ký hoặc 1 kg, dẫn đến số lượng hạt có thể tăng thêm khoảng 10% theo tiêu chuẩn pound Đối với hạt điều loại W210, kích thước lớn hơn, với 200-210 hạt trên 454g, là lựa chọn phổ biến để tính toán.
Với kích thước ước lượng của mỗi hạt điều tươi cộng thêm các khoảng trống khi chất chồng lên nhau là khoảng 2 cm 3
Số hạt tương đương trong 50kg điều:
Thể tích của mỗi ô chứa:
Hình 3.3 Kết cấu khung phân loại
Ta chọn kích thước khung phân loại {
Sau khi xác định được các khoảng cách, chiều dài các khung ta tiến hành phân tích lực và tính toán khung phân loại
Khi khung phân loại hoạt động, lực tác dụng chủ yếu là trọng lượng của hạt điều Trong trường hợp này, chúng ta xem xét tình huống khi tất cả 50kg hạt điều được chọn vào cùng một ô chia.
Khi khung phân loại được kéo lên bề mặt và đã được phủ hạt điều, bề mặt khung sẽ chịu áp lực từ nước Đặc biệt, trong trường hợp tầng dưới, áp suất nước sẽ được xem xét khi mức nước trong thùng chứa vừa đủ để ngập phần cao nhất của khung phân loại.
Với 𝑑 = 10000 (𝑁 𝑚⁄ 3 ): Trọng lượng riêng của nước
Lực cản của nước lên bề mặt tầng dưới:
Vậy toàn bộ khung phân loại phải chịu tổng lực:
Hình 3.4 Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung phân loại
➢ Chọn thép hộp vuông làm khung
Hình 3.5 Mặt cắt ngang của thép hộp vuông Ứng suất uốn xuất hiện ở thanh chịu uốn phẳng được xác định theo công thức sau:
Hình 3.6 Phân bố lực trên mặt cắt
Chọn sơ bộ thép hộp 25x25x1.2mm theo bảng 3.2
So với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép, giới hạn chảy của thép CT34 là σ = 230 N/mm² và 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 168.79 N/mm², cho thấy ứng suất sinh ra nhỏ hơn giới hạn chảy Do đó, khung chịu lực được thiết kế với kích thước thép 25x25x1.2 đảm bảo điều kiện bền vững.
Bảng 3.1 Bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép
Giới hạn chảy Yeild Point (N/𝑚𝑚 2 )
Giới hạn đứt Tensile Strength (N/𝑚𝑚 2 ) Độ giãn dài Elongation (%)
25Mn2Si 392 min 590 min 14 min
Bảng 3.2: Quy chuẩn trọng lượng ống thép vuông – chữ nhật, Đơn vị tính: kg/ cây 6m
➢ Để hạt điều không rơi rớt ta chọn lưới mắt cáo 5x5mm để đảm bảo những các chất cặn bẩn được động lại ở dưới đáy của thùng
Hình 3.7 Lưới mắt cáo 5x5mm
Sau khi tính toán ta tiến hành thiết kế, dựng các bản vẽ 2D, 3D, ta tính toán được khối lượng của khung phân loại là: 6.848kg
Hình 3.8 Hình ảnh khung phân loại trong phần mềm INVENTOR
3.2 Tính toán, thiết kế khung rửa
Khung rửa có nhiệm vụ rửa hạt điều và mang theo khung phân loại
Lực tác dụng chủ yếu lên khung rửa là trọng lượng khung phân loại, trọng lượng hạt điều và lực cản của nước
Trọng lượng khung phân loại: 68.48N
Kích thước của khung rửa ta cho rộng hơn kích thước khung phân loại
Hình 3.9 Kích thước khung rửa
Hình 3.10 Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung chia
Dựa vào công thức (1), (2) và bảng 3.2 ta chọn sơ bộ thép hộp 20x20x1.2mm
So sánh với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép, loại thép CT34 có giới hạn chảy là σ = 230 N/mm² và 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 71.59 N/mm², cho thấy ứng suất sinh ra nhỏ hơn giới hạn chảy Điều này đảm bảo rằng khung chịu lực với kích cỡ thép 20x20x1.2 sẽ đảm bảo điều kiện bền vững.
Hình 3.11 Hình ảnh khung rửa sơ bộ trong phần mềm INVENTOR
Lúc này trọng lượng của khung rửa là: 90.43N
Vậy tại điểm A chịu trách nhiệm là vị trí kéo của xy lanh kéo rửa sẽ chịu một lực là:
Hình 3.12 Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung rửa
Dựa vào công thức (1), (2) và bảng 3.2 ta chọn sơ bộ thép hộp 25x25x1.2mm
So với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép, giới hạn chảy của thép CT34 là σ = 230 N/mm² và 𝜎_max = 187.16 N/mm², cho thấy ứng suất sinh ra nhỏ hơn giới hạn cho phép Do đó, khung chịu lực được thiết kế với kích cỡ thép 25x25x1.2 đảm bảo điều kiện bền vững.
Hình 3.13 Hình ảnh khung rửa trong phần mềm INVENTOR
Giữa khung rửa và khung phân loại, gối đỡ - ray trượt được lắp đặt để khung phân loại có thể di chuyển tự do qua lại Hiện nay, ray trượt thường được sản xuất từ các hợp kim không gỉ với độ bền và độ cứng bề mặt cao Có hai loại ray trượt phổ biến là thanh trượt tròn và thanh trượt mang cá Chúng ta sẽ chọn ray BSG với độ rộng B mm theo hình 3.13.
Hình 3.14 Thanh trượt - gối trượt
Cửa xả có nhiệm vụ đóng mở cửa xả hạt điều sau khi đã ngâm sục, phân loại
Khi khung xả nghiêng một góc 60 độ để chuẩn bị xả, cửa xả sẽ phải chịu tải trọng lớn nhất, tương ứng với toàn bộ khối lượng hạt điều.
Hình 3.15 Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung rửa
Dựa vào công thức (1), (2) và bảng 3.2 ta chọn sơ bộ thép hộp 10x10x1.2mm
So với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép, loại thép CT34 có giới hạn chảy là σ = 230 N/mm² và 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 140.68 N/mm², cho thấy ứng suất sinh ra nhỏ hơn giới hạn chảy Điều này đảm bảo rằng khung chịu lực với kích cỡ thép 10x10x1.2 sẽ đáp ứng tiêu chí bền vững.
3.4 Tính toán, thiết kế khung xả
Khung xả chịu trách nhiệm xả hạt điều sau khi đã rửa và phân loại Khung xả liên kết vào thùng nước
Để đảm bảo độ bền cho các mối hàn, cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nhằm tránh tình trạng đứt gãy Việc mài kỹ các ba via và sơn lót chống gỉ là rất quan trọng, đặc biệt khi mối hàn thường xuyên tiếp xúc với nước.
Khung xả phải chịu được tổng trọng lượng của khung rửa, khung phân loại, cửa, lực cản của nước, trọng lượng hạt điều và các chi tiết khác
▪ Trọng lượng khung phân loại: 68.48N
Hình 3.18 Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung xả
Dựa vào công thức (1), (2) và bảng 3.2 ta chọn sơ bộ thép hộp 25x25x1.2mm
Theo bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép, giới hạn chảy của thép CT34 là σ = 230 (N/mm²) và 𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 163.80 (N/mm²), lớn hơn ứng suất sinh ra Điều này cho thấy khung chịu lực đảm bảo bền vững với kích thước thép 25x25x1.2.
Sau khi đã tính toán thiết kế trên INVENTOR thì khối lượng khung xả là 10.805kg
❖ Tính toán trục xoay của khung xả:
Hình 3.20 Vị trí lắp trục xoay khung xả
Trục xoay khung xả cần phải chịu được lực tối thiểu bằng tổng trọng lượng của khung xả, khung rửa, khung phân loại, cửa, hạt điều và các chi tiết khác.
Hình 3.21 Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của trục xoay
Chọn vật liệu làm trục là CT5
Theo công thức (10.17) trang 194 sách TTTKHDĐCK tập 1 của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển
▪ [𝜎] = 58 𝑀𝑃𝑎 (tra bảng 10.5, trang 195 sách TTTKHDĐCK tập 1)
Chọn trục xoay khung xả có đường kính D=8 (mm)
❖ Tính toán trục nâng khung xả
Trục nâng khung xả cần có khả năng chịu đựng lực tối thiểu bằng tổng trọng lượng của khung xả, khung rửa, khung phân loại, cửa, hạt điều, cùng với lực cản của nước và trọng lượng các chi tiết khác.
Hình 3.22: Vị trí lắp trục nâng khung xả
▪ Trọng lượng khung phân loại: 68.48N
Hình 3.23 Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của trục nâng
Chọn vật liệu làm trục là CT5
Theo công thức (10.17) trang 194 sách TTTKHDĐCK tập 1 của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển
▪ [𝜎] = 58 𝑀𝑃𝑎 (tra bảng 10.5, trang 195 sách TTTKHDĐCK tập 1)
Chọn trục nâng khung xả có đường kính D (mm)
❖ Tính toán thanh nhôm định hình dẫn hướng
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ giải thuật điện:
Hình 4.1 Sơ đồ giải thuật
Hình 4.2 Giải thuật chế độ manual
Chế độ Auto 1 chu trình:
Hình 4.3 Giải thuật chế độ auto
4.1 Hệ thống điều khiển 4 cơ cấu
Cơ cấu 1: Khung xả Cơ cấu 3: Làm sạch nguyên liệu và vớt
Cơ cấu 2: Khung phân loại Cơ cấu 4: Cửa xả
4.2 Lựa chọn van điện từ điều khiển xilanh
Xilanh 1 và xilanh 3 hoạt động với trọng tải nặng, để đảm bảo an toàn khi có sự cố xảy ra chọn van điện từ 5/3
Chọn van 5/2 để điều khiển xilanh 2 và xilanh 4
4.3 Nguyên lý vận hành của hệ thống – 1 chu trình
Máy ở trạng thái ban đầu
Cơ cấu 2 thay đổi sang vị trí (B-)
Nguyên liệu được cấp vào hệ thống, cơ cấu 2 đi vào vị trí (B+)
Cơ cấu 2 hoạt động ở vị trí B+ và cơ cấu 3 thực hiện quá trình làm sạch nguyên liệu Cơ cấu này sử dụng xilanh để sục nguyên liệu lên xuống với số lần được cài đặt sẵn Sau khi hoàn tất quá trình làm sạch, cơ cấu 3 sẽ trở về vị trí C-.
Sau khi cơ cấu 3 chuyển đến vị trí C-, cơ cấu 2 sẽ trở về vị trí B- và giữ nguyên trong một khoảng thời gian được cài đặt Thời gian này cho phép nguyên liệu tĩnh lại, giúp cặn bẩn lắng xuống và các hạt điều phân tầng trong nước Khi hết thời gian quy định, cơ cấu 2 sẽ di chuyển về vị trí B+ để tiến hành phân loại hạt điều.
Khi kết thúc bước 1,2,3, cơ cấu 3 di chuyển tới vị trí (C+) để vớt hạt điều lên
Sau khi cơ cấu 3 tới vị trí (C+), cơ cấu 1 di chuyển tới vị trí (A-) đổ nguyên liệu với 1 góc nghiêng 60 0
Cơ cấu 1 tới vị trí (A-), cơ cấu 4 di chuyển tới vị trí (D-) mở cửa xả, nguyên liệu được đổ ra hệ thống hứng
Hết nguyên liệu trong hệ thống thì tất cả các cơ cấu về vị trí ban đầu và kết thúc 1 chu trình làm việc
4.4 Nguyên lý vận hành của mạch điện
Hình 4.4 Vị trí cảm biến
Trạng thái ban đầu, cảm biến 1,3,4,6 tác động
• Nhấn nút 1, xilanh 2 đi ra vị trí để cấp hạt điều
Sau khi cấp hạt điều xong, nhấn nút 1
• Xilanh 2 đi về kích cảm biến 3 khởi động quá trình chạy tự động
• Xilanh 3 di chuyển lên xuống trong khoảng vị trí của cảm biến 7 và 8 (15 lần), sau khi xong thì xilanh 3 về vị trí (C-) kích cảm biến 6
• Xilanh 2 đi ra chờ hạt điều tĩnh lại (10 giây) Khi hết thời gian xilanh 2 đi về kích cảm biến 3
• Xilanh 3 đi lên, kích cảm biến 9
• Xilanh 1 đi ra đổ nguyên liệu với góc 60 0, kích cảm biến 2
• Nhấn nút 2, xilanh 4 được gắn với cơ cấu cửa xả đi ra, kích cảm biến 5 lúc này nguyên liệu được đổ ra hệ thống hứng
• Nhấn nút 2, hệ thống tự động trở về trạng thái ban đầu lần lượt:
❖ Nhấn E-stop, máy dừng khẩn cấp ở bất kì vị trí, sau đó nhấn Reset máy trở về trạng thái ban đầu
❖ Đèn báo sáng khi máy có điện và nhấp nháy khi nhấn E-stop
❖ Màn hình LCD hiển thị cài đặt số lần rửa và thời gian chờ tĩnh
Hình 4.5 Hệ thống điều khiển
LẮP RÁP, VẬN HÀNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Lắp ráp máy
Trước khi lắp ráp, việc kiểm tra chất lượng các chi tiết là rất quan trọng Cần chú ý đến từng mối hàn và bề mặt, đảm bảo mối hàn phải đẹp và đúng kỹ thuật Đồng thời, bề mặt không được có ba via để đảm bảo hiệu suất và độ bền của sản phẩm.
- Chuẩn bị đầy đủ các dụng cụ để lắp ráp
- Đảm bảo các linh kiện, chi tiết trong máy phải đầy đủ, sắp xếp ngay ngắn, thuận tiện cho việc lắp ráp
- Tuân thủ các tiêu chí an toàn trong lắp ráp
Bước Đối tượng thực hiện
Cách thực hiện Hình ảnh minh họa
Hàn cố định các thanh sắt với nhau thành 1 khối nhất định theo yêu cầu bản vẽ
Hàn cố định các thanh sắt, đính phễu chấn vào khung và lắp các chi tiết khác
Hàn cố định các thanh sắt với nhau (đảm bảo mối hàn phải đẹp) thành 1 khối nhất định theo yêu cầu bản vẽ
Hàn cố định các thanh sắt, đính lưới vào khung tạo thành 1 khối theo yêu cầu kỹ thuật
Thanh trượt được lắp dưới hình thức lắp ráp cố định vào khung phân loại (dẫn hướng)
Hàn đảm bảo mối hàn không bị rã khi đang hoạt động
Khung xả được lắp thêm bánh xe V slot để dẫn hướng cho khung rửa
Lắp hệ thống phân loại
Hệ thống phân loại được lắp vào khung rửa Đảm bảo lắp ráp theo yêu cầu bản vẽ để không bị ma sát trong lúc hoạt động
Hệ thống xả được lắp các bộ phận lại với nhau theo đúng yêu cầu bản vẽ
Cửa xả Cửa xả được lắp vào khung phân loại Đảm bảo trong quá trình hoạt động nguyên liệu không được rơi rớt ra ngoài
Xilanh Cố định xilanh, đảm bảo xilanh hoạt động bình thường
Lắp ráp các chi tiết hoặc cụm chi tiết cần đảm bảo kích thước chính xác và không xảy ra va chạm trong quá trình hoạt động.
Kiểm tra và đấu nối các chi tiết trong hệ thống điện khí nén, bao gồm van điện từ, van chỉnh áp và vi mạch, là rất quan trọng Đảm bảo rằng mạch điện không bị hở mối giúp ngăn ngừa rò rỉ điện, cả khi hệ thống đang hoạt động hay không hoạt động.
Các đường ống khí cần được lắp ráp đúng kỹ thuật để tránh rò rỉ khí Cần lưu ý không lắp đặt cụm van khí nén trong cùng tủ điện với mạch điện, vì khi hoạt động, van khí nén sẽ xả khí liên tục, trong đó có hơi nước, có thể gây hỏng hóc và chập mạch điện.
Vận hành máy
- Trước khi vận hành máy phải đảm bảo máy được đặt ở vị trí sạch sẽ, bề mặt phẳng không gồ ghề
- Kiểm tra kỹ các đường ống dẫn khí, các đường dây điện
- Kiểm tra, bôi mỡ cho các ổ trượt
- Cho máy chạy ở điều kiện không tải trước
Bảo trì, bảo dưỡng máy
- Thường xuyên kiểm tra các cơ cấu thanh trượt, bôi mỡ thường xuyên
- Sau mỗi ca làm việc cần phải vệ sinh máy
- Liên tục kiểm tra và đảm bảo an toàn về điện
- Bảo quản ở nơi quy định.
Kết quả thực nghiệm
❖ Tiêu chí đánh giá kết quả thực nghiệm:
- Độ chính xác phân loại
- Có hư hỏng hạt do máy gây ra không
Máy phân loại hạt điều có năng suất tối thiểu 400kg/h, cho phép đánh giá độ chính xác và hiệu quả của hệ thống Mỗi chu trình phân loại máy có khả năng xử lý 50kg trong vòng 201 giây Do nhóm chế tạo mô hình sử dụng dung tích bằng một nửa so với máy thực tế, nên trong quá trình thử nghiệm, 25kg hạt điều tươi được sử dụng để đảm bảo độ chính xác của kết quả.
− Khảo sát với 25kg điều được phân loại trong 201(giây) theo nhiều mẫu khác nhau và kiểm tra sai số theo số lần của từng mẫu
Để đảm bảo độ chính xác và tối ưu cho quy trình thực nghiệm, chúng tôi đã sử dụng 3 mẫu khác nhau, mỗi mẫu được thực hiện 3 lần Điều này giúp kiểm tra tính thống nhất của từng kết quả theo từng mẫu.
Sau mỗi lần máy phân loại cho ra thành phẩm, hãy chuẩn bị một thùng nước để đổ lần lượt các loại hạt điều đã được phân loại Quan sát kỹ lưỡng để xác định độ chính xác của quá trình phân loại mà máy thực hiện.
85 Độ chính xác trung bình của các mẫu:
Với yêu cầu độ chính xác tương đối thì hệ thống đạt chỉ tiêu đề ra
− Sau khi thực hiện phân loại theo 3 mẫu khác nhau số lượng hạt hư hỏng do quá trình hệ thống hoạt động là không đáng kể chiếm 1%
− Hệ thống hoạt động chính xác với số lần khác nhau chiếm 93%
− Sau mỗi lần rửa hệ thống làm sạch hạt
− Máy chạy một chu trình trung bình hết 205s đảm bảo được khối lượng năng xuất
Hạt lơ lửng 5kg Hạt nổi 10kg
Hạt lơ lửng 5.5kg Hạt nổi 9.5kg
Hạt lơ lửng 5kg Hạt nổi 9kg
Hạt lơ lửng 11kg Hạt nổi 8.5kg
Hạt lơ lửng 10kg Hạt nổi 9.7kg
Hạt lơ lửng 10kg Hạt nổi 9kg
Hạt lơ lửng 7kg Hạt nổi 3kg
Hạt lơ lửng 9kg Hạt nổi 3kg
Hạt lơ lửng 7.5kg Hạt nổi 3.5kg
