GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hiện có 40 địa phương trồng chanh dây trên khoảng 10.500 ha, với tổng sản lượng ước đạt 222,3 nghìn tấn Năm tỉnh có diện tích lớn nhất là Gia Lai, Sơn La, Đắk Nông, Lâm Đồng và Đắk Lắk, chiếm 9.600 ha Từ 2015 đến 2019, sản lượng và kim ngạch xuất khẩu chanh dây tăng hơn 300%, đưa Việt Nam vào nhóm các quốc gia xuất khẩu lớn, cùng với Brazil, Peru và Ecuador Chanh dây hiện đứng thứ 17 trong các loại cây ăn quả tại Việt Nam, với sản phẩm chế biến chiếm 65% tổng giá trị xuất khẩu và có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất, tăng hơn 50% so với năm 2018.
Sản phẩm chế biến từ chanh dây rất phong phú, bao gồm bánh, nước giải khát, nước ép cô đặc, mứt sấy khô, siro và mứt dạng lỏng Trong số đó, mứt chanh dây dạng sệt đang được ưa chuộng và phổ biến trên thị trường.
Theo Cục Trồng trọt, các địa phương cần tập trung phát triển chanh dây theo hướng hàng hóa kết hợp với sơ chế và chế biến, đồng thời ứng dụng khoa học công nghệ để nâng cao năng suất và chất lượng, từ đó tăng thu nhập cho người dân Kể từ năm 2015, nhiều nhà máy chế biến chanh dây đã được thành lập, đặc biệt là các nhà máy chế biến mứt chanh dây quy mô vừa và nhỏ Tuy nhiên, điểm yếu lớn nhất của các nhà máy này là công nghệ máy móc còn hạn chế, phụ thuộc nhiều vào lao động thủ công, dẫn đến chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu cao cho xuất khẩu sang các thị trường như Mỹ, EU và Trung Đông Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về sản lượng và chất lượng, đầu tư vào máy móc thay thế nhân công là điều cần thiết.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Quy trình chế biến mứt chanh dây trong các nhà máy như sau: Quả chanh dây → Phân loại
→ Rửa → Lấy ruột chanh dây → Tách hạt → Pha trộn → Rót hũ → Đóng nắp và bao bì
Bước rót mứt chanh dây vào hũ là thách thức lớn nhất trong quy trình sản xuất, do tính dẻo và dính của mứt gây khó khăn cho công nhân trong thao tác thủ công Việc chiết rót bằng tay không chỉ làm giảm năng suất mà còn ảnh hưởng đến an toàn vệ sinh thực phẩm Do đó, nhu cầu về máy chiết rót mứt chanh dây tự động trở nên cấp thiết cho các cơ sở sản xuất quy mô vừa và nhỏ, mang lại ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ rệt.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Tính toán, thiết kế máy chiết rót mứt chanh dây tự động
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Sử dụng các phần mềm thiết kế như: AutoCAD, SolidWorks để thiết kế máy rót mứt chanh dây vào hũ tự động
Máy chiết rót mứt chanh dây tự động thực hiện quy trình chuyển hũ rỗng vào vị trí chiết rót, đảm bảo chiết đúng dung tích mứt đã được thiết lập Sau khi chiết rót, hũ mứt sẽ được chuyển đến bước tiếp theo Tuy nhiên, máy không bao gồm công đoạn cấp hũ vào băng tải và đóng nắp hũ.
Phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Cơ sở phương pháp luận ĐATN này dựa trên các khái niệm, công thức trong giáo trình, sách và các sản phẩm có trên thực tế để tính toán, lựa chọn kích thước các chi tiết từ đó hoàn thành mô hình máy hoàn chỉnh
1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Để thực hiện đề tài này, chúng em sử dụng một số phương pháp sau:
Phương pháp nghiên cứu tài liệu bao gồm việc tìm kiếm và tham khảo các nguồn tài liệu văn bản đáng tin cậy như sách, giáo trình, bài viết trên internet, cũng như catalog của các hãng sản xuất Những tài liệu này đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán và thiết kế các bộ phận của máy.
Phương pháp so sánh là một kỹ thuật hiệu quả để đánh giá các ưu và nhược điểm của các phương pháp định lượng chất lỏng cũng như phương pháp vận chuyển hũ Qua quá trình phân tích này, chúng ta có thể lựa chọn phương án thiết kế tối ưu, đảm bảo tính hiệu quả và phù hợp với yêu cầu cụ thể của dự án.
Kết cấu của ĐATN
ĐATN bao gồm 5 chương, trong đó:
- Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
- Chương 3: Cơ sở lý thuyết
- Chương 4: Phương hướng và các giải pháp thiết kế máy chiết rót mứt chanh dây tự động
- Chương 5: Tính toán, thiết kế máy chiết rót mứt chanh dây tự động
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Tổng quan về mứt chanh dây
2.1.1 Nguồn gốc cây chanh dây
Chanh dây, xuất xứ từ Nam Mỹ (Brazil, Argentina và Paraguay), đã được du nhập vào Việt Nam vào đầu thế kỷ 20 Loại trái cây này còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như chanh leo, mắc mát và lac tiên hoa tía.
Cây chanh dây ở Việt Nam chủ yếu có 2 loại:
- Chanh dây vỏ vàng: Có nguồn gốc từ Srilanka, Hawaii,
- Chanh dây vỏ đỏ: Có nguồn gốc từ Đài Loan và Australia
2.1.2 Phân loại mứt chanh dây hiện có trên thị trường
Mứt chanh dây hiện có nhiều loại với thành phần và công thức chế biến đa dạng Tuy nhiên, chúng có thể được phân loại chủ yếu theo nguyên liệu sử dụng Cụ thể, mứt chanh dây được chia thành hai loại: mứt làm từ vỏ chanh dây và mứt làm từ ruột chanh dây.
Mứt chanh dây được chế biến chủ yếu từ phần vỏ chanh dây, sau khi nạo sạch ruột Để tạo hương vị đặc trưng, người ta thường thêm đường, muối và các nguyên liệu khác Hình dáng và kích thước của mứt phụ thuộc vào quá trình sơ chế vỏ chanh dây.
Hình 2 1 Mứt chanh dây sấy dẻo [3]
Mứt chanh dây được làm từ ruột quả chanh dây đã loại bỏ hạt, kết hợp với đường và muối Sau khi trộn đều, mứt sẽ có dạng lỏng, sệt, vì vậy cần được rót vào chai hoặc hũ để bảo quản tốt hơn.
Mứt chanh dây dạng sệt được nghiên cứu từ ruột quả chanh dây, với thành phần chính tạo nên hỗn hợp này.
- Cốt chanh dây tươi khoảng 50%
- Các thành phần khác khoảng 10%
Tùy theo nhu cầu thị trường mà các thành phần trên có thể điều chỉnh cho phù hợp.
Quy trình làm mứt chanh dây từ ruột chanh dây
Sơ đồ 2 1 Quy trình làm mứt chanh dây từ ruột chanh dây
Sau khi thu hoạch, quả chanh dây sẽ được chuyển đến nhà máy để kiểm tra và phân loại Tại đây, các quả chanh dây được đánh giá dựa trên độ chín, màu sắc và các đặc điểm khác nhằm chọn ra những quả đạt tiêu chuẩn chất lượng Những quả không đạt yêu cầu sẽ bị loại bỏ trong quá trình này.
Sau khi phân loại, những quả chanh dây đạt tiêu chuẩn sẽ được chuyển đến quy trình làm sạch Tại đây, chúng sẽ được rửa kỹ để loại bỏ bụi bẩn, đất cát và vi sinh vật bám trên bề mặt quả.
Chanh dây được cắt ra để lấy phần ruột bên trong, vỏ bị loại bỏ
- Cho phần ruột chanh dây vào máy xay, xay nhuyễn Sau đó cho hỗn hợp qua ray để loại bỏ phần bã
Cho nước cốt chanh dây và đường vào nồi, nấu trên lửa vừa, khuấy đều cho đến khi hỗn hợp sệt lại Tắt bếp và để nguội Trong quá trình nấu, dùng vá vớt bọt để mứt được trong và ngon hơn.
Bước 5: Chiết rót vào hũ
Cho hỗn hợp mứt vào hũ với các hình dạng và thể tích đa dạng, đáp ứng nhu cầu mẫu mã sản phẩm của cơ sở sản xuất.
Sản phẩm được kiểm tra, đóng nắp, bọc màng co, dán tem nhãn để đưa đến tay người tiêu dùng
Trong quá trình chiết rót thủ công, bước chiết rót vào hũ gặp nhiều nhược điểm như thể tích chiết rót không chính xác, không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm (ATVSTP) và năng suất thấp, không đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng Để khắc phục những vấn đề này, chúng tôi đã nghiên cứu và thiết kế máy rót mứt chanh dây tự động, giúp nâng cao độ chính xác và năng suất chiết rót cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
Phương pháp chiết rót mứt chanh dây
2.3.1 Phương pháp chiết rót thủ công
Người công nhân sử dụng ca đong để định lượng hỗn hợp mứt chanh dây rồi cho lượng đã đong được vào hũ, chai theo yêu cầu
- Đơn giản, không cần máy móc phức tạp
- Thích hợp cho số lượng sản phẩm bán ra nhỏ lẻ
- Thể tích định lượng có độ chính xác không cao, mang tính cảm tính
- Tiếp xúc trực tiếp với hỗn hợp mứt chanh dây, có thể không đảm bảo vệ sinh ATVSTP
- Năng suất chiết rót không cao, phụ thuộc năng suất của công nhân
2.3.2 Phương pháp chiết rót bằng máy chiết rót mứt chanh dây tự động
Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về mứt chanh dây và khắc phục nhược điểm của phương pháp định lượng thủ công, việc phát triển máy chiết rót mứt chanh dây tự động là cần thiết nhằm tăng năng suất sản phẩm.
- Hỗn hợp mứt chanh dây được chứa trong thùng lớn, đậy kín giúp rót mứt vào hũ liên tục, đảm bảo vệ sinh ATVSTP
- Thể tích mứt được định lượng với độ chính xác cao Ngoài ra còn có thể thay đổi thể tích rót trong khoảng 200ml đến 300ml tùy nhu cầu
- Giảm chi phí thuê nhân công
- Năng suất chiết rót cao
Cần chi phí sản xuất máy ban đầu.
Tại sao cần ứng dụng công nghệ, máy móc vào ngành thực phẩm
Việt Nam sở hữu nhiều điều kiện thuận lợi cho phát triển nông nghiệp nhờ vào điều kiện tự nhiên, dân số đông và truyền thống sản xuất nông nghiệp Nền nông nghiệp nước ta không ngừng phát triển, đóng góp 5,11% vào tăng trưởng kinh tế với mức tăng 3,36% trong năm 2022 Đảng và Nhà nước xác định thúc đẩy nông nghiệp bền vững là một trong những nhiệm vụ quan trọng, cần gắn sản xuất nông nghiệp với công nghiệp chế biến thực phẩm Việc ứng dụng khoa học công nghệ vào sản xuất và chế biến nông sản sẽ nâng cao giá trị sản phẩm và lợi ích cho người nông dân.
Việc sử dụng máy móc trong chế biến nông sản không chỉ gia tăng năng suất sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế Điều này dẫn đến sự gia tăng số lượng sản phẩm tiêu thụ và nâng cao thu nhập cho người dân.
Tổng quan về máy rót chất lỏng dạng sệt trên thế giới và trong nước
2.5.1 Tổng quan về máy rót chất lỏng dạng sệt trên thế giới
Trên toàn cầu, các công ty chế biến thực phẩm quy mô lớn thường sử dụng máy chiết rót chất lỏng để đáp ứng nhu cầu ngành thực phẩm Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc chiết rót mứt chanh dây có độ sệt cao, do đó chỉ tìm hiểu các máy chiết rót chất lỏng dạng sệt với độ nhớt lớn.
Hình 2 4 Máy LM-ZXHS machine của công ty TNHH máy móc thiết bị Guangzhou Lianmeng
Hình 2 5 Máy chiết rót dầu thực vật của công ty TNHH máy đóng gói Guangzhou Rifu [6]
2.5.2 Tổng quan về máy chiết rót chất lỏng sệt tại Việt Nam
Hiện nay, Việt Nam đã phát triển các loại máy chiết rót đa năng, có khả năng chiết rót nhiều sản phẩm như rượu, giấm ăn, si rô, thuốc trừ sâu và thuốc thú y Những thiết bị này rất hữu ích trong các ngành thực phẩm, dược phẩm và hóa chất, mang lại hiệu quả cao trong quy trình sản xuất.
Hình 2 6 Máy chiết rót tự động 4 vòi của công ty cổ phần công nghệ máy Thiên Phú [7]
- Máy sử dụng băng tải có thể điều chỉnh tốc độ
- Thể tích chiết rót có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng
- Máy được chế tạo theo quy mô công nghiệp nên có độ chính xác và độ hoàn thiện cao
- 4 vòi chiết rót có thể điều chỉnh riêng biệt tùy theo nhu cầu sử dụng
- Có linh kiện thay thế ngay
Giá thành cao, chỉ phù hợp với các cơ sở sản xuất quy mô lớn.
Máy chiết rót mứt chanh dây dùng cho cơ sở sản xuất quy mô nhỏ
Hiện nay, các nhà chế biến thực phẩm dạng lỏng lớn tại Việt Nam đã áp dụng máy móc chiết rót tiên tiến trong sản xuất Những máy này có độ tin cậy cao và khả năng tùy chỉnh thể tích chiết rót đa dạng Tuy nhiên, giá thành của chúng rất cao, chỉ phù hợp với các nhà máy lớn, không đáp ứng được nhu cầu của cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
Máy chiết rót mứt chanh dây tự động quy mô nhỏ được thiết kế để hỗ trợ các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ trong việc ứng dụng công nghệ vào quy trình sản xuất Với dung tích chiết rót từ 200ml đến 300ml, máy đáp ứng nhu cầu chiết rót mứt chanh dây một cách hiệu quả Các cơ cấu của máy được đơn giản hóa, đảm bảo hiệu suất cao nhưng vẫn giữ giá thành hợp lý, giúp người dùng dễ dàng tiếp cận.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Độ nhớt
Trong quá trình di chuyển của mứt chanh dây qua các đường ống, van và xy lanh định lượng, độ nhớt là yếu tố cản trở chính Do đó, việc xác định độ nhớt là cần thiết để tính toán trở lực của mứt chanh dây Từ trở lực này, chúng ta có thể tính ra lực kéo và đẩy cần thiết mà xy lanh khí nén phải tác động lên xy lanh định lượng để đảm bảo quá trình chảy diễn ra suôn sẻ.
Người ta thường phân biệt chất lỏng thành chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton
Chất lỏng Newton là loại chất lỏng có độ nhớt không thay đổi khi áp suất biến đổi Các ví dụ điển hình của chất lỏng Newton bao gồm nước cất, bơ cacao nguyên chất và dầu thực vật nguyên chất.
Chất lỏng phi Newton là loại chất lỏng có độ nhớt biến đổi theo nhiều yếu tố như lực, áp suất và nhiệt độ Trong nghiên cứu này, hỗn hợp mứt chanh dây được xem như một chất lỏng phi Newton vì nó là hỗn hợp không nguyên chất, bao gồm ruột chanh dây và đường, và độ nhớt của nó thay đổi theo nhiệt độ Độ nhớt của chất lỏng phi Newton có thể được phân loại thành hai loại khác nhau.
- Độ nhớt động lực học μ (độ nhớt tuyệt đối): sức cản của chất lỏng đối với dòng chảy khi có ngoại lực tác dụng
Độ nhớt động học (v) được định nghĩa là tỷ số giữa độ nhớt động lực học và khối lượng riêng của chất lỏng Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc xác định độ nhớt động lực học.
Khối lượng riêng
Khi tính toán áp suất trong đường ống và xylanh định lượng, cần áp dụng phương trình thủy tĩnh cơ bản và phương trình Bernoulli Để thực hiện điều này, việc xác định trọng lượng riêng của mứt chanh dây là cần thiết, mà trọng lượng riêng có thể tính được từ khối lượng riêng.
Khối lượng riêng là đại lượng thể hiện mật độ khối lượng trên một đơn vị thể tích của vật chất Nó được xác định bằng cách chia khối lượng (kg) của vật chất cho thể tích (m³) của vật đó.
Công thức tính khối lượng riêng: ρ = m
Trong đó: ρ là khối lượng riêng (Kg/m 3 ) m: là khối lượng của vật (Kg)
Phương trình cơ bản thủy tĩnh [8]
Để xác định áp suất do mứt chanh dây tạo ra tại đáy thùng chứa, ta áp dụng phương trình cơ bản của thủy tĩnh, được biểu diễn bằng công thức: p 1 = p 0 + γ H 01 (Pa) Trong đó, p 1 đại diện cho áp suất của mứt chanh dây tại mặt 1-1, còn p 0 là áp suất của chất lỏng tại mặt thoáng, với p 0 = 0.
𝐻 01 : khoảng cách từ mặt thoáng không khí đến mặt 1-1 γ: trọng lượng riêng của chất lỏng γ = ρ g (N/m 3 ) (3)
Với ρ : khối lượng riêng của chất lỏng, (Kg/m 3 ) g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s 2 )
Phương trình Bernoulli đối với toàn dòng chất lỏng thực không nén được, chuyển động dừng [8]
Để tính toán lực cần thiết cho hai xy lanh khí nén và lực tác dụng lên lò xo của các van, việc xác định áp suất tại các mặt cắt khác nhau là rất quan trọng Do đó, phương trình Bernoulli sẽ được áp dụng cho dòng chất lỏng để thực hiện các tính toán này.
Hình 3 1 Dòng chất lỏng không nén chuyển động dừng
Phương trình Bernoulli là công cụ quan trọng để tính toán áp suất tại các tiết diện trong chuyển động của chất lỏng với điều kiện biến đổi đều Khi áp dụng phương trình này, người dùng không cần xem xét trạng thái chảy giữa hai mặt cắt, mà chỉ cần đảm bảo rằng dòng chảy tại hai mặt cắt đó là ổn định và biến đổi đều.
Trong đó: p 1 và p 2 lần lượt là áp suất tại mặt cắt 1-1 và 2-2; (Pa)
Vận tốc chất lỏng tại mặt cắt 1-1 và 2-2 lần lượt được ký hiệu là 𝑣1 và 𝑣2 (m/s) Trọng lượng riêng của chất lỏng được ký hiệu là γ (N/m³), trong khi gia tốc trọng trường g có giá trị 9,81 (m/s²) Độ cao của mặt cắt 1-1 và 2-2 so với gốc tọa độ lần lượt là z1 và z2 Hệ số không đồng đều động năng (hệ số Côriolit) được ký hiệu là α, với điều kiện nếu v i = v itb = const thì α = 1 Tổn thất năng lượng của chất lỏng khi dòng chất lỏng chuyển động được ký hiệu là h w (m), với công thức tính h w = h L + h c.
Với h L (m) là hệ số tổn thất dọc đường ống h c (m) là hệ số tổn thất cục bộ
Với: L i (m) chiều dài đoạn ống i v i (m/s) vận tốc của dòng chất lỏng khi qua đoạn ống i
D i (m 2 ) là diện tích ống dẫn i g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s 2 ) λ hệ số ma sát ống dẫn Đối với ống dạng hình tròn: λ = 64
Với: Hệ số khi qua van ξ 𝑣 = 0.5
Hệ số khi qua gấp khúc ξ 𝑔𝑘 = 0.3
Phương trình liên tục của chất lỏng [8]
Khi áp dụng phương trình Bernoulli, cần xác định vận tốc dòng chất lỏng tại các mặt cắt có diện tích khác nhau Các vận tốc này có thể được tính toán bằng phương trình liên tục của chất lỏng Để áp dụng phương trình này, giả thuyết rằng mứt chanh dây đã được đưa vào các xy lanh định lượng, các ống dẫn và van là cần thiết để thực hiện các phép tính.
PTLT dạng hữu hạn của chất lỏng không nén được:
Xét 2 mặt cắt 1-1 và 2-2, ta có:
Trong đó: 𝑣 1 là vận tốc trung bình của chất lỏng tại mặt cắt 1-1, (m/s)
𝑣 2 là vận tốc trung bình của chất lỏng tại mặt cắt 2-2, (m/s)
𝐴 1 là diện tích mặt cắt 1-1, (m 2 )
𝐴 2 là diện tích mặt cắt 2-2 (m 2 )
Lò xo xoắn ốc nén [9]
Trong các van một chiều và van chiết rót, lò xo đóng vai trò quan trọng trong việc tạo lực ép lên pít tông chặn, ngăn dòng mứt chanh dây khi chưa có lực hút hoặc đẩy từ xy lanh định lượng Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, cần xác định các thông số của lò xo xoắn ốc nén được sử dụng trong các van này.
Lò xo xoắn ốc có đường kính và bước lò xo không thay đổi, thường được thiết kế với tiết diện tròn hoặc chữ nhật Trong đó, lò xo có tiết diện tròn thường có giá thành thấp hơn và khả năng chịu xoắn tốt hơn, đặc biệt là khi sử dụng trong các van Vì lý do này, trong đề tài của chúng ta, lò xo tiết diện tròn được ưu tiên sử dụng.
3.6.1 Các thông số cơ bản của lò xo
- Đường kính dây d: được chọn theo tiêu chuẩn Từ 0,5 đến 1,6 mm cách nhau 0,1 mm; 1,8; 2; 2,3; 2,5; 2,8; 3; 3,5; 4; 4,5; 5;…
- Đường kính trung bình D, đường kính ngoài D+d, đường kính trong D-d của lò xo
- Bước của lò xo p: khoảng cách đo theo phương song song trục theo tâm của hai dây kế tiếp nhau
- Chiều cao của lò xo H
- Số vòng của lò xo n= 𝑥.𝐺.𝑑
- Bước của lò xo khi chưa chịu tải tính p= d + 1,1÷1,2 n λ max (10)
Để đảm bảo tải trọng tác động chính xác vào tâm lò xo, ta sử dụng lò xo có đầu dạng 2 được mài phẳng Chi tiết về các dạng đầu lò xo có thể tham khảo trong sách CSTKM ở các chương 15, 16 và 17.
- Các thông số khác xem chi tiết ở sách CSTKM chương 15,16,17
3.6.2 Tính toán lò xo theo độ bền
Lò xo xoắn ốc có thể gãy nếu không đủ độ bền, vì vậy việc tính toán và thiết kế lò xo theo độ bền cắt là rất quan trọng Ứng suất trên mặt trong của lò xo phải lớn hơn ứng suất trên mặt ngoài để đảm bảo an toàn Độ cong của lò xo cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế Để xác định ứng suất tiếp lớn nhất, chúng ta cần sử dụng công thức phù hợp.
Trong đó: 𝐾 𝑤 gọi là hệ số Wahl và được xác định theo công thức:
15 Độ bền của lò xo được đảm bảo khi ứng suất xoắn lớn nhất sinh ra ở thớ biên phía trong của lò xo thỏa mãn điều kiện:
Từ đó, có thể xác định đường đường kính dây lò xo d= 1,6 √ K.𝐹 𝑙𝑥𝑚𝑎𝑥 𝑐
Trong đó: [𝜏] (MPa) là ứng suất xoắn cho phép, phụ thuộc vào vật liệu và tính chất tải trọng
-Nếu tải trọng thay đổi, hỏng hóc không ảnh hưởng nghiêm trong đến máy [𝜏] = 0,3 σ b -Nếu tải trọng tĩnh (lò xo của van an toàn [𝜏] = 0,5 σ b
Với σ b giới hạn bền của vật liệu lò xo
Tải trọng thay đổi: Tải trọng lên lò xo thường có giá trị thay đổi
Biên độ tải trọng: F a = F lxmax − F lxmin
Tải trọng trung bình: F m = F lxmax + F lxmin
Khi đó biên độ ứng suất và ứng suất trung bình xác định theo các công thức:
Hệ số an toàn theo độ bền mỏi được kiểm nghiệm theo công thức Goodman:
Hệ số an toàn theo giới hạn chảy kiểm nghiệm theo công thức:
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MÁY CHIẾT RÓT MỨT
Thông số thiết kế
Mục đích của đề tài là thiết kế máy rót mứt chanh dây tự động cho cơ sở sản xuất vừa và nhỏ, với các yếu tố quan trọng như sử dụng nguồn điện 220V – 50Hz, áp suất khí nén phù hợp, và định lượng mứt chanh dây đủ dùng Ngoài ra, vật liệu chế tạo cần đảm bảo an toàn cho thực phẩm Dựa trên những yếu tố này, nhóm đã đưa ra các thông số thiết kế dự kiến cho máy.
Tên sản phẩm Máy chiết rót mứt chanh dây tự động
Nguồn cung cấp khí nén Khoảng 0,4 – 0,6 MPa
Khoảng định lượng 200ml – 300ml
Dung tích bồn chứa liệu 60 lít
Vật liệu chế tạo INOX SUS 304
Bảng 4 1 Thông số dự kiến của máy chiết rót chanh dây tự động
Phương hướng và giải pháp thực hiện
4.2.1 Các phương pháp định lượng mứt chanh dây
Trong đề tài chiết rót sản phẩm mứt chanh dây dạng lỏng, việc tìm hiểu các phương pháp định lượng chất lỏng là rất quan trọng Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện việc định lượng này.
17 a) Định lượng kiểu bình định mức
Hình 4 1 Định lượng kiểu bình định mức [10]
Lò xo ở đáy bình giữ van trượt ở vị trí thấp nhất, đảm bảo miệng bình định lượng nằm dưới mặt thoáng chất lỏng Trong chu kỳ rót, cam nâng van trượt lên, làm cho mặt thoáng bình định lượng cao hơn mặt thoáng bình chứa, đồng thời tạo sự trùng hợp giữa lỗ trên van trượt và ống rót, cho phép chất lỏng chảy vào chai Khi quá trình rót hoàn tất, bình định lượng hạ xuống, chất lỏng lại chảy đầy bình định lượng và chu kỳ tiếp tục lặp lại, với lượng chất lỏng chảy vào chai bằng thể tích của bình định lượng.
Do đó nếu cần thay đổi thể tích chiết rót cần phải thay bình định lượng khác với thể tích thích hợp
- Nguyên lý hoạt động đơn giản
- Dễ vận hành, bảo dưỡng, sửa chửa và vệ sinh khi cần
Chỉ thích hợp cho các chất lỏng có độ nhớt thấp như nước suối, sữa, và rượu, không phù hợp với chất lỏng có độ nhớt cao Phương pháp định lượng này được thực hiện bằng cách chiết xuất theo thời gian.
Phương pháp này cho phép chất lỏng chảy vào chai hoặc hũ trong một khoảng thời gian nhất định, với giả định rằng thể tích dung dịch không thay đổi.
18 Độ chính xác định lượng không cao c) Định lượng kiểu pít tông
Hình 4 2 Định lượng kiểu Pít tông
Nguyên lý hoạt động của định lượng kiểu pít tông dựa trên thiết kế pít tông – xy lanh, trong đó chất lỏng được lưu chuyển nhờ sự di chuyển của pít tông bên trong xy lanh Thể tích chất lỏng cần định lượng có thể được điều chỉnh linh hoạt bằng cách tăng hoặc giảm hành trình của pít tông.
- Có cấu tạo đơn giản
- Thể tích chiết rót có độ chính xác cao trong mỗi chu kỳ
- Áp dụng được với các chất lỏng có độ nhớt cao
- Cần kiểm tra, thay thế các vòng O-ring thường xuyên để tránh bị rò rỉ chất lỏng
- Chi phí cao hơn các cách định lượng khác
4.2.2 Phương pháp vận chuyển hũ mứt
Máy chiết rót mứt chanh dây tự động cần thiết phải có cơ cấu vận chuyển để đưa hũ mứt vào vị trí chiết rót và chuyển hũ đã chiết rót sang công đoạn tiếp theo Do đó, nghiên cứu các phương pháp vận chuyển chai và hũ phổ biến là rất quan trọng.
Hiện nay, có nhiều phương pháp để vận chuyển chai, hũ, ly vào vị trí chiết rót và tiếp tục vận chuyển hũ đã được chiết rót Trong số đó, băng tải là phương pháp phổ biến nhất, với băng tải đai PVC được sử dụng rộng rãi.
Băng tải đai là thiết bị quan trọng trong việc di chuyển hàng hóa và vật tư Cấu tạo của băng tải đai dẹt bao gồm các thành phần chính như tang trống chủ động, tang trống bị động, đai băng tải, cùng với rulo đỡ trên và rulo đỡ dưới.
Hình 4 3 Băng tải đai PVC
- Băng tải đai đặc biệt phù hợp với việc vận chuyển vật liệu nặng, cồng kềnh
- Băng tải đai giúp vận chuyển nhanh chóng, hiệu quả
- Chịu được độ ẩm, nhiệt độ cao
- Có thể vận chuyển hàng hóa theo phương có độ dốc
- Chạy tốc độ nhanh dễ bị hư hại con lăn do lệch trục
- Chi phí cao b) Băng tải xích inox
Xích tải là một loại xích được tạo thành từ nhiều mắc xích liên kết với nhau, trải dài theo đường dẫn Nó hoạt động nhờ sự dẫn động từ bánh răng và di chuyển theo đường dẫn, giúp vận chuyển vật liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Hình 4 4 Băng tải xích inox [11]
- Xích tải inox được làm từ vật liệu inox SUS 304 có độ cứng cao, chịu được nhiệt độ cao
- Tải trọng vận chuyển lớn
- Chịu mài mòn cao, chống gỉ, sử dụng được trong môi trường hóa chất, yêu cầu khắc nghiệt
- Mức độ tiếng ồn cao
- Khối lượng bản thân xích tải lớn làm cho mức tiêu hao năng lượng động cơ tăng c) Băng tải xích nhựa
Cấu tạo băng tải xích nhựa tương đương với băng tải inox
Xích nhựa được làm từ nhựa POM có độ cứng cao, bề mặt mịn, có độ ổn định nhiệt độ, không bị hấp thụ hơi ẩm
Hình 4 5 Băng tải xích nhựa [11]
- Bề mặt xích nhựa bằng phẳng giúp quá trình di chuyển hàng hóa được tối ưu Thích hợp vận chuyển chai, hũ, lọ
- Có thể thay đổi độ rộng băng tải để phù hợp với kích thước sản phẩm
Dây tải xích nhựa nhẹ hơn 40% so với xích tải kim loại, giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng động cơ.
- Mức ô nhiễm tiếng ồn giảm 80% so với dây chuyền băng tải kim loại
- Làm bằng vật liệu tổng hợp chịu mài mòn tốt nên không cần bôi trơn
- Đảm bảo được vấn đề vệ sinh trong vận chuyển thực phẩm, dễ dàng vệ sinh
- Chỉ dùng được trong môi trường nhiệt độ bình thường
- Tải trọng vận chuyển thấp hơn các loại băng tải khác
- Tốc độ tương đối chậm.
Lựa chọn phương án thiết kế
Sơ đồ 4.1 Sơ đồ động của máy chiết rót mứt chanh dây tự động
Hình 4 6 Máy chiết rót mứt chanh dây tự động
4.3.1 Cụm xy lanh định lượng
Sau khi phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp định lượng chất lỏng, nhóm đã xác định rằng mứt chanh dây có độ nhớt cao và cần được định lượng thể tích chiết rót một cách chính xác Do đó, nhóm quyết định lựa chọn cơ cấu định lượng bằng xy lanh.
Cụm băng tải Cụm van chiết rót Cụm xy lanh định lượng
Cụm xy lanh chặn và cảm biến
Hình 4 7 Cụm xy lanh định lượng
❖ Xy lanh - pít tông định lượng
Hình 4 8 Xy lanh định lượng
Thành xy lanh Đế xy lanh định lượng Pít tông
Nắp xy lanh Thanh nối
Phần ty pít tông kết nối với xy lanh khí nén qua thanh nối, giúp kéo lên và đẩy xuống để hút và đẩy mứt chanh dây vào xy lanh định lượng Thể tích mứt chanh dây có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi hành trình của xy lanh khí nén.
- Phần đế xy lanh định lượng sẽ được lắp vào khung thông qua 4 lỗ ốc
- Phần nắp của pít tông có bạc đồng thau để tránh mài mòn ty pít tông
Khi thực hiện quá trình hút liệu, lực hút từ xy lanh định lượng sẽ kéo pít tông bên trái, khiến lò xo nén lại, đồng thời cũng hút pít tông bên phải, ngăn không cho mứt chanh dây đi qua Trong giai đoạn này, mứt chanh dây sẽ được đưa vào van và tiếp tục di chuyển lên xy lanh định lượng.
Hình 4 9 Vị trí pít tông chặn khi hút mứt chanh dây
Khi lực đẩy từ xy lanh định lượng tác động vào pít tông bên trái, nó sẽ chặn mứt chanh dây không cho đi vào Đồng thời, lực này cũng nén lò xo bên phải bằng cách đẩy pít tông bên phải Kết quả là, dòng mứt chanh dây sẽ được đẩy ra và chảy xuống van chiết rót.
Hình 4 10 Vị trí pít tông chặn khi đẩy mứt chanh dây xuống hũ
Dòng mứt chanh dây đi vào
Dòng mứt chanh dây đi ra
Cụm xy lanh định lượng được kết nối với van một chiều thông qua rắc co, giúp dễ dàng tháo rời để kiểm tra và sửa chữa khi cần thiết.
Cụm chiết rót bao gồm 4 van chiết rót được gắn trên kẹp van di động, cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa các van Ngoài ra, bạc bi trượt và trục vít me giúp điều chỉnh độ cao của van chiết rót Tính năng này giúp cụm chiết rót phù hợp với nhiều kích thước hũ mứt chanh dây khác nhau.
Van chiết rót Tay quay
Trục vít me Đế cụm chiết rót Kẹp van Ổ bi côn
Van chiết rót được thiết kế với cơ chế tự đóng kín nhờ lò xo, giúp ngăn chặn việc mứt bị rò rỉ ra ngoài, từ đó giảm thiểu lãng phí và đảm bảo vệ sinh Khi xy lanh định lượng được đẩy xuống, lực tác động sẽ làm nén lò xo và cho phép mứt chảy xuống hũ Khi quá trình rót kết thúc, lò xo sẽ tự động đẩy pít tông chặn lên, đóng kín van chiết rót Bên cạnh đó, các vòng o-ring được sử dụng để tăng cường khả năng kín khít, ngăn ngừa hiện tượng rò rỉ mứt.
Hình 4 13 Cơ cấu đóng kín của van chiết rót
Hình 4 14 Van chiết rót chống nhiễu
Hướng di chuyển của dòng mứt
❖ Cơ cấu điều chỉnh độ cao
Hình 4 15 Tay quay điều chỉnh độ cao của vòi chiết rót
Cụm van chiết rót cho phép điều chỉnh khoảng cách và độ cao của các van dễ dàng bằng cách vặn lỏng 4 bu lông lục giác (màu xanh dương) Để phù hợp với các loại hũ có chiều cao khác nhau, người dùng có thể xoay tay quay ở trên, giúp trục vít me di chuyển đai ốc vít me lên xuống, từ đó điều chỉnh các van chiết rót Hệ thống còn được trang bị 2 bạc bi trượt, đảm bảo quá trình điều chỉnh độ cao diễn ra mượt mà và hiệu quả.
4.3.3 Cụm băng tải xích nhựa
Hũ mứt chanh dây có trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ, vì vậy nhóm đã quyết định sử dụng băng tải xích nhựa để vận chuyển hũ từ vị trí chiết rót đến các bước tiếp theo, dựa trên các ưu nhược điểm đã phân tích.
Hũ mứt chanh dây có dung tích từ 200 – 300 ml, với khối lượng hũ thủy tinh rỗng khoảng 200 gram và khối lượng khi đầy mứt dao động từ 400 – 500 gram tùy theo thể tích Đường kính của hũ dưới 80 mm Trong quá trình chiết rót trên băng tải, một chu kỳ sẽ có khoảng 4 hũ rỗng và 8 hũ đầy mứt, dẫn đến khối lượng vận chuyển khoảng 4,8 kg cho mỗi chu kỳ.
Hình 4 17 Băng tải xích nhựa
❖ Tăng chỉnh độ căng xích
Xích có thể điều chỉnh độ căng thông qua vặn đai ốc M12 ở cụm tăng độ căng xích, đảm bảo cho xích không bị chùng
Hình 4 18 Cụm tăng độ căng xích Đai ốc M12
Xích tải nhựa sẽ trượt trên thanh trượt chống mòn làm từ vật liệu HDPE (màu xanh lá trong hình), giúp duy trì đường đi thẳng cho xích tải mà không gây mài mòn cho nó.
Hình 4 19 Thanh trượt chống mòn HDPE
❖ Thanh lan can băng tải
Bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa hai thanh lan can bằng cách vặn lỏng các núm vặn đai ốc, bạn có thể thay đổi độ rộng băng tải để phù hợp với kích thước của các loại hũ mứt chanh dây khác nhau.
Hình 4 20 Thay đổi độ rộng băng tải xích nhựa
4.3.4 Cụm cảm biến và xy lanh chặn hũ
Sau khi xem xét, tham khảo một số máy có trên thị trường nhóm quyết định dùng:
- 2 cảm biến tiện cận để phát hiện hũ vào và ra khu vực chiết rót
- 2 xy lanh khí nén loại 2 ty pít tông để chặn hũ trong quá trình chiết rót
- Ngoài ra, khoảng cách của các xy lanh chặn có thể được điều chỉnh thông qua việc núm vặn trục vít me
Hình 4 21 Cụm xy lanh chặn và cảm biến
Máy chiết rót mứt chanh dây tự động được thiết kế đặc biệt cho các cơ sở sản xuất nhỏ, với thể tích chứa liệu của thùng chứa là 60 lít, nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng hiệu quả và tiết kiệm.
Với thể tích mỗi hũ mứt khoảng 200 - 300 ml, một lần cấp liệu vào thùng chứa có thể sản xuất khoảng 200 - 300 hũ thành phẩm Do đó, thùng chứa dung tích 60 lít là lựa chọn phù hợp cho quy trình này.
Dưới đáy thùng chứa có 4 đuôi chuột ∅14 để nối vào ống dẫn mứt sang van 1 chiều
Hình 4 23 Nối đuôi chuột ở đáy thùng chứa mứt chanh dây
Bàn máy chiết rót mứt chanh dây tự động được thiết kế với kích thước tối ưu, đủ để chứa các cụm chi tiết của máy Đặc biệt, bàn máy có 4 bánh xe giúp dễ dàng di chuyển, cùng với 4 chân giữ để đảm bảo máy luôn được cố định và ổn định trong quá trình sử dụng.
Phần khung máy có các thanh sắt V ở vị trí đỡ các cụm chi tiết ở trên, giúp tăng độ cứng vững của bộ khung
Hình 4 26 Phần khung của bàn máy
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY CHIẾT RÓT MỨT CHANH DÂY TỰ ĐỘNG
Tính toán, thiết kế phần cơ khí máy chiết rót mứt chanh dây tự động
5.1.1 Xác định khối lượng riêng và độ nhớt của mứt chanh dây a) Khối lượng riêng
Hình 5.1 Mứt chanh dây Dalat Pasion Fruit Jam [14]
Hũ mứt chanh dây của DALAT PASSION FRUIT JAM có trọng lượng ℮ 7.4 Oz (210g), tương tự như loại mứt được sử dụng trong đề tài chiết rót Nhóm nghiên cứu đã dựa vào thông số này để tính toán khối lượng riêng của mứt chanh dây.
Với 1 Oz = 29.57 ml (theo chuẩn US)
Hũ mứt 210g = 0,21 (kg) có dung tích 2,18818 10 −4 (m 3 )
Vì vậy, khối lượng riêng của mứt chanh dây được lấy bằng 𝜌 = 0,21
Khi áp dụng phương trình Bernoulli trong thủy động học, việc xác định độ nhớt động lực học là rất quan trọng Để đo chính xác độ nhớt này, thường cần đến máy đo chuyên dụng Tuy nhiên, do điều kiện thực tế không có máy đo, nhóm sẽ sử dụng phương pháp so sánh thời gian chảy với một chất lỏng có độ nhớt động lực học đã biết, cụ thể là mật ong.
- 2 bình rót có kích thước bằng nhau
- 2 chai thủy tinh đựng chất lỏng chảy xuống
Bước 1: Định lượng đúng 100 ml mật ong và mứt chanh dây đổ vào bình rót
Hình 5.2 100 ml mứt chanh dây và 100 ml mật ong
Bước 2: Cho lần lượt 2 bình rót chứa mật ong và mứt chanh dây dựng đứng chảy vào chai đựng Ngay lập tức bắt đầu bấm giờ
Bước 3: Khi mật ong và mứt chanh dây chảy hết, ngắt đồng hồ bấm giờ
Hình 5.3 Thí nghiệm đo thời gian chảy của mứt chanh dây và mật ong
- Để chảy hết 100 ml mật ong cần 8 phút 34s = 514s
- Để chảy hết 100 ml mứt chanh dây cần 8 phút 53s = 533s
Ta đã biết mật ong có độ nhớt động lực học là 1500 cp = 1,5 (Pa.s)
So sánh tỉ lệ, ta có thể ước tính mứt chanh dây có độ nhớt động lực học khoảng
5.1.2.Tính toán lực cần thiết để hút mứt chanh dây từ thùng chứa vào xy lanh định lượng
Sơ đồ 5 1 Sơ đồ dòng chảy của mứt chanh dây trong máy
Chọn thể tích tối đa một xy lanh có thể định lượng là V = 300 (ml) = 3 10 −4 (m 3 ); đường kính trong của xy lanh định lượng D = 40 (mm) = 0,04 (m)
𝜋.0,04 2 ≈ 0,239 (m) Vậy hành trình pít tông S = 0,239 (m)
Chọn thời gian hút là 5 giây, tương ứng với năng suất máy khoảng 12 sản phẩm mỗi phút, phù hợp cho cơ sở sản xuất nhỏ, trong khi các máy trên thị trường thường có năng suất từ 20 đến 30 sản phẩm mỗi phút.
Từ đó, vận tốc của pít tông 𝑣 ℎ = 𝑠
Sơ đồ 5 2 Lực khi xy lanh định lượng đi lên
Dựa vào sơ đồ (5.2) ta có: F⃗⃗⃗⃗ + p h ⃗⃗⃗⃗ A + F 2 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 0⃗ ms
Chọn trục tọa độ hướng từ dưới lên, ta được:
F h = p 2 A + 0,1 p 2 A = 1,1p 2 A (N) Với: 𝐹 ℎ là lực kéo cần pít tông p 2 (Pa) là áp suất mứt chanh dây tại mặt 2-2
A (m 2 ) là diện tích đáy pít tông định lượng; A= 𝜋𝐷 2
Vì hiệu suất cơ khí trong xy lanh thủy lực: ƞc = 0,85 ÷ 0,97 nên F ms = (0,03 ÷
Mứt chanh dây là một chất lỏng tĩnh, không nén được, với đường ống được lấp đầy hoàn toàn bằng dịch chanh dây Để tính áp suất tại mặt cắt 1-1, áp dụng phương trình cơ bản của thủy tĩnh: p1 = p0 + γ.H01 Trong đó, p1 là áp suất mứt chanh dây tại mặt 1-1, p0 là áp suất chất lỏng tại mặt thoáng, với p0 = 0 Tính toán cho thấy p1 = 0 + 9414,66 * 0,473 = 4453 Pa.
𝐻 01 : khoảng cách từ mặt thoáng không khí đến đáy bồn chứa dịch mứt chanh dây;
𝐻 01 = 473 mm = 0,473 m (đo bằng Evaluate trong phần mềm SolidWorks) γ: trọng lượng riêng của dung dịch chanh dây γ = ρ g = 959,7 9,81 = 9414,66 (N/m 3 )
Khối lượng riêng của mứt chanh dây được xác định là ρ = 959,7 kg/m³ và gia tốc trọng trường là g = 9,81 m/s² Áp dụng phương trình cân bằng thủy động (Bernoulli) cho chất lỏng thực, không nén, ta có thể tính áp suất tại mặt cắt 2-2 bằng công thức: p₁/γ + v₁²/(2g) + z₁ + hₕ = p₂/γ + v₂²/(2g) + z₂.
Chọn gốc tọa độ tại mặt cắt 1-1, nên z 1 = 0; z 2 = H 12 = 70 mm = 0,07 m p 1 = 4453 (Pa) γ: trọng lượng riêng của dung dịch chanh dây; γ = 9414,66 (N/m 3 )
𝑣 1 vận tốc dòng chảy mứt chanh dây tại 1-1
𝑣 2 vận tốc dòng chảy mứt chanh dây tại 2-2
𝐴 1 là diện tích mặt cắt tại 1-1; A 1 = πD 1 2
A 2 là diện tích mặt cắt tại 2-2; A 2 = πD 2
Sử dụng phương trình liên tục:
3,6𝜋.10 −5 = 0,53 (m/s) h w tổn thất chất lỏng khi dòng chất lỏng chuyển động h w = h L + h c = 9,73 +0,01 ≈ 9,74 (m) Với h L (m) là hệ số tổn thất dọc đường ống h c (m) là hệ số tổn thất cục bộ
Theo công thức Dacxy, ta có:
• Tổn thất dọc theo ống dẫn: Ống dẫn từ thùng chứa dịch chanh dây đến van 1 chiều có đường kính 𝐷 = ∅12 (mm)
Chiều dài ống dẫn L (tính cả phần rắc co đến xy lanh định lượng) dài khoảng 500 mm; 𝐿 = 500 mm = 0,5 (m)
Vận tốc chảy qua ống dẫn chính là vận tốc ở mặt cắt 1-1 nên 𝑣 = 0,53 (m/s)
Hệ số ma sát ống tròn của ống dẫn λ = 64
𝜇 là hệ số độ nhớt động lực học của mứt chanh dây; 𝜇 = 1,55 (Pa.s)
• Tổn thất dọc theo xy lanh định lượng:
Hành trình xy lanh định lượng L = S= 0,239 (m), đường kính D = 0,04 (m)
Vận tốc chảy qua xy lanh định lượng chính là vận tốc hút nên 𝑣 = 0,0478 (m/s)
Hệ số ma sát ống tròn của xy lanh định lượng λ = 64
2.9,81 = 0,01 (m) Với: Hệ số khi qua van ξ 𝑣 = 0.5
Hệ số khi qua gấp khúc ξ 𝑔𝑘 = 0.3
Vận tốc chảy qua ống dẫn chính là vận tốc ở mặt cắt 1-1 nên 𝑣 = 0,53 (m/s)
Vậy ta tính ra được lực hút của một xylanh định lượng:
Vì có 4 xy lanh định lượng nên lực hút tổng
5.1.3 Tính toán lực cần thiết để đẩy mứt chanh dây từ xy lanh định lượng ra hũ
Thể tích mứt chanh dây cần đẩy cũng bằng thể tích chanh dây đã hút: V= 300ml= 3 10 −4 (𝑚 3 )
Chọn thời gian đẩy 𝑡 đ = 5 giây, vì máy trên thị trường có năng suất khoảng 20 – 30 sản phẩm mỗi phút Để phù hợp với mục đích của đề tài cho cơ sở sản xuất nhỏ, nhóm quyết định chọn năng suất máy khoảng 12 sản phẩm mỗi phút, từ đó suy ra thời gian đẩy là 5 giây.
Từ đó, vận tốc của pít tông 𝑣 đ = s t đ = 0,239
Sơ đồ 5 3 Lực khi xy lanh định lượng đi xuống
Dựa vào sơ đồ (5.3), ta có: 𝐹⃗⃗⃗ + 𝑝 đ ⃗⃗⃗⃗ 𝐴 + 𝐹 3 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 0⃗ 𝑚𝑠
Chọn trục tọa độ hướng từ dưới lên, ta được:
−F đ + p 3 A + F ms = 0 Trong đó: F đ (N) là lực đẩy pít tông
F ms = (0,03 ÷ 0,15) p 3 A (N), chọn F ms = 0,1 p 3 A (N) p 3 (Pa) là áp suất mứt chanh dây tại mặt cắt 3-3
Xét mứt chanh dây là một chất lỏng tĩnh, không nén được và đường ống dẫn đã được lấp đầy bằng mứt chanh dây
40 Áp dụng phương trình cân bằng thủy động( Bernoulli) để tính áp suất mứt chanh dây tại mặt cắt 3-3: p 3
=> p 3 = 48502 (Pa) Trong đó: p 4 là áp suất bên ngoài không khí; p 4 = 0 γ: trọng lượng riêng của mứt chanh dây; γ= 9414,66 (N/m 3 )
Chọn gốc tọa độ tại mặt cắt 3-3, nên 𝑧 3 = 0
𝑣 3 vận tốc dòng chảy mứt chanh dây tại 3-3
𝑣 4 vận tốc dòng chảy mứt chanh dây tại 4-4
Vận tốc dòng mứt chanh dây tại mặt cắt 3-3: 𝑣 3 = 𝑣 đ = 0,0478 (m/s) Áp dụng phương trình liên tục: 𝑣 3 𝐴 3 = 𝑣 4 𝐴 4
𝜋.10 −4 = 0,19 (m/s) Trong đó: 𝐴 3 là diện tích mặt cắt tại 3-3; A 3 = A 2 = 4π 10 −4 (m 2 )
A 4 là diện tích mặt cắt tại 4-4; A 4 = πD 4 2
4 = π 10 −4 (m 2 ) h w tổn thất chất lỏng khi dòng chất lỏng chuyển động h w = h L + h c = 5,47 +2,39.10 −3 ≈ 5,47 (m) Với h L là hệ số tổn thất dọc đường ống h c là hệ số tổn thất cục bộ
• Tổn thất dọc theo xy lanh định lượng:
Hành trình xy lanh định lượng L = S= 0,239 (m); đường kính D = 0,04 (m)
Vận tốc chảy qua xy lanh định lượng chính là vận tốc hút nên 𝑣 = 0,0478 (m/s)
Hệ số ma sát ống tròn của xy lanh định lượng λ = 64
• Tổn thất dọc theo ống dẫn: Ống dẫn từ xy lanh định lượng đến đáy van chiết rót có 𝐷 = ∅12 (mm);
L= 780 (mm) = 0,78 (m) (đo bằng Evaluate trong SolidWorks)
Vận tốc chảy qua ống dẫn lấy bằng vận tốc ở mặt cắt 4-4 nên 𝑣 = 0,19 (m/s)
Hệ số ma sát ống tròn của ống dẫn λ = 64
2.9,81 = 2,39.10 −3 (m) Với: Hệ số khi qua van ξ 𝑣 = 0.5 (đi qua 2 van)
Hệ số khi qua gấp khúc ξ 𝑔𝑘 = 0.3
𝑣 là vận tốc chảy qua ống; 𝑣 = 0,19 (m/s) Vậy lực đẩy của 1 xylanh định lượng là:
Vì có 4 xy lanh định lượng nên lực đẩy tổng
5.1.4 Tính toán, lựa chọn xy lanh khí nén cho cụm định lượng và xy lanh khí nén chặn hũ a) Tính toán, lựa chọn xy lanh khí nén cho cụm định lượng
F daytong = 4.67 = 268 (N) Ở máy chiết rót mứt chanh dây tự động này nhóm sử dụng 2 xy lanh khí nén để đẩy 4 xy lanh định lượng nên:
Áp suất đầu vào được chọn là 5 bar, tương đương với 134 N Tuy nhiên, đây là áp suất tuyệt đối, do đó cần tính thêm áp suất khí quyển khoảng 1 bar (1 atm) Khi áp dụng công thức, chúng ta phải trừ đi áp suất khí quyển để có kết quả chính xác.
Lực kéo của xy lanh khí nén được xác định bởi công thức:
S (mm 2 ) diện tích mặt pít tông làm việc khi kéo
Hành trình xy lanh khí nén phải lớn hơn hoặc bằng hành trình pít tông trong xy lanh định lượng là s = 0,239 (m) = 239 (mm)
Dựa vào kích thước xy lanh có trên thị trường chọn xy lanh Airtac SCJ32x250 có D= 32 (mm); d = 12 (mm) và hành trình S = 250 (mm), hành trình có thể điều chỉnh được
Hình 5 4 Xy lanh Airtac dòng SCJ có thể thay đổi hành trình cơ học [15]
❖ Kiểm nghiệm lại xy lanh khí nén đã chọn
Ta thấy với áp suất đầu vào p = 4 (bar) xy lanh Airtac SCJ32x250 có:
4 = 321,7 (N) > 134 (N) Vậy chọn xy lanh khí nén Airtac SCJ32x250 là phù hợp b) Lựa chọn xy lanh khí nén dùng để chặn hũ trên băng tải
Dựa trên các xy lanh chặn hay dùng trên thị trường ta chọn xy lanh khí nén 2 pít tông Airtac TN16x60S
Hình 5 5 Lực đẩy theo áp suất của Airtac TN Series [16]
Với áp lực khí cung cấp là 0,4 MPa sẽ tạo ra lực đẩy là 160,8 N và lực kéo xy lanh về là 120,6
N, ta thấy mức độ như vậy là phù hợp với cơ cấu chặn hũ mứt chanh dây
5.1.5 Tính toán lò xo van một chiều và van chiết rót Ở phần tính toán lựa chọn xy lanh khí nén, nhóm đã tính được lực tác dụng của 1 xy lanh khí nén là:
Máy chiết rót mứt chanh dây tự động sử dụng hai xy lanh khí nén để điều khiển bốn xy lanh định lượng, giúp tạo ra lực tác động hiệu quả lên từng xy lanh định lượng.
4 = 160,85 (N) Suy ra áp suất thực tế tại mặt cắt 2-2 và 3-3 là: p 2 = F htt
Với A 2 = A 3 : diện tích đáy pít tông định lượng (d = 40 mm) a) Tính toán lò xo van một chiều
Lực tác dụng lên lò xo bằng tổng lực đẩy do dòng mứt đẩy từ thùng chứa qua và lực kéo do pít tông định lượng gây ra
❖ Lực do dòng mứt đẩy từ thùng chứa đẩy qua
4 = 0,5 (𝑁) Trong đó: p 1 là áp suất mứt chanh dây tại đầu vô van 1 chiều, ta lấy bằng áp suất tại mặt cắt 1- 1; p 1 = 4453 (Pa)
A diện tích mặt đầu pít tông chặn van 1 chiều, mặt đầu có đường kính 12 (mm)
❖ Lực kéo do pít tông định lượng gây ra
Sơ đồ mặt cắt của xy lanh định lượng cho thấy áp dụng phương trình cân bằng thủy động để tính toán áp suất tại các mặt cắt khác nhau Cụ thể, phương trình được biểu diễn như sau: \( p_2 \gamma + \frac{v_2^2}{2g} + z_2 + h_w = p_5 \gamma + \frac{v_5^2}{2g} + z_5 \) Điều này giúp xác định mối quan hệ giữa áp suất, vận tốc và độ cao trong dòng chất lỏng thực.
=> p 5 = 120827 (Pa) Trong đó: Ta có áp suất tại mặt cắt 2-2, p 2 = 110016 (Pa)
𝛾: trọng lượng riêng của dung dịch chanh dây
Chọn gốc tọa độ tại đầu van 1 chiều, nên 𝑧 5 = 0 z 2 = H 15 = 70 (mm) = 0,07 (m)
𝑣 2 vận tốc dòng chảy mứt chanh dây tại 2-2; 𝑣 2 = 𝑣 ℎ = 0,0478 (m/s)
𝑣 5 vận tốc dòng chảy mứt chanh dây tại 5-5
A 2 là diện tích mặt cắt tại 2-2; A 2 = πD 2 2
A 5 là diện tích mặt cắt tại 5-5 ; A 5 = πD 5 2
4 = π 10 −4 (m 2 ) Áp dụng phương trình liên tục: 𝑣 2 𝐴 2 = 𝑣 5 𝐴 5
𝜋.10 −4 = 0,19 (m/s) h w tổn thất chất lỏng khi dòng chất lỏng chuyển động h w = h L + h c = 1,08 +5,52.10 −4 ≈ 1,08 (m) Trong đó: ℎ 𝐿 là hệ số tổn thất dọc đường ống
ℎ 𝑐 là hệ số tổn thất cục bộ
Tổn thất dọc theo đường ống h L = λ L
2.9,81 = 1,08 (m) Với: Chiều dài L dài khoảng 432 mm; L = 432 (mm) = 0,432 (m) Đường kính D lấy bằng đường kính van 1 chiều D = ∅20 (mm)
Vận tốc ở đây chính là vận tốc ở mặt cắt 5-5 nên 𝑣 = 0,19 (m/s)
Hệ số ma sát ống tròn λ = 64
2.9,81 = 5,52 10 −4 (m) Với: Hệ số khi qua gấp khúc ξ 𝑔𝑘 = 0.3
𝑣 vận tốc khi qua đoạn gấp khúc; 𝑣 = 0,19 (m/s)
Ta tính được áp suất dòng mứt chanh dây tại mặt cắt 5-5: p 5 = 120827 (Pa)
Với đường kính đáy côn van chặn là A = 20 (mm)
Suy ra, lực do xy lanh định lượng tác dụng lên lò xo F lx2 = p 5 A = 120827 π.0,02 2
❖ Tính toán lò xo van một chiều
1 Chọn vật liệu làm lò xo là thép crom - vanadi, theo bảng 15.1 (sách CSTKM) ta được: σ b = 1600 MPa; τ b = 1300 (MPa); τ −1 = 500 (MPa); τ ch = 900 (MPa)
Với tải trọng thay đổi [τ] = 0,3 σ b = 0,3.1600 = 480 (MPa)
2 Chọn chuyển vị làm việc lò xo x= 5 (mm)
3 Chọn chỉ số của lò xo c= D/d = 6, khi đó:
4 Đường kính dây lò xo xác định theo công thức (14) d= 1,6 √ K.𝐹 𝑙𝑥𝑚𝑎𝑥 𝑐
480 = 1,24 (mm) Chọn d = 1,3 (mm), như vậy giữa d và c có sự phù hợp Đường kính trung bình D = 1,3.6 = 7,8 (mm)
5 Số vòng làm việc của lò xo xác định theo công thức (9) n= 𝑥.𝐺.𝑑
G : môđun đàn hồi trượt; với lò xo bằng thép G= 8.10 4 MPa
6 Bước của lò xo khi chưa chịu tải, theo công thức (10): p= d + 1,1÷1,2 n λ max = 1,3 + 1,1.5,12
7 Chọn dạng đầu dây lò xo dạng 2 Khi đó các thông số hình học lò xo như sau:
Số vòng đầu dây 𝑛 0 n+1 = 8+1 = 9 vòng
Chiều cao ban đầu 𝐻 0 p.(n + 1) = 2.(8 + 1) = 18 mm
Chiều cao khi sít nhau 𝐻 𝑠 d n 0 = 1,3 9 = 11,7 mm
8 Kiểm tra lò xo theo hệ số anh toàn:
Giá trị trung bình và cường độ tải trọng theo công thức (15) và (16):
2 = 19,5 (N) Khi đó biên độ ứng suất và ứng suất trung bình xác định theo các công thức (17) và (18):
Hệ số an toàn theo độ bền mỏi được kiểm nghiệm theo công thức Goodman:
1300 = 0,6 Suy ra 𝑠 𝑟 = 1,67 nằm trong khoảng 1,5÷ 2,2; lò xo đủ bền
Kiểm tra hệ số an toàn theo giới hạn chảy theo công thức (19)
Hình 5 6 Lò xo van 1 chiều
48 b) Tính toán lò xo van chiết rót
❖ Lực tác dụng lên lò xo
Lực tác dụng lên lò xo van chiết rót chính là lực đẩy do dòng mứt gây ra khi pít tông định lượng được đẩy xuống
Để xác định lực đẩy do dòng mứt tác động tại mặt đầu van chặn, cần tính toán áp suất của dòng mứt tại mặt cắt 6-6.
Sơ đồ 5 5 Sơ đồ mặt cắt khi xy lanh định lượng đi xuống
Lực do dòng mứt đẩy đẩy
49 Áp dụng phương trình cân bằng thủy động để tính áp suất tại mặt cắt 6-6:
=> P 6 = 68755 (Pa) Trong đó: Ta có áp suất tại mặt cắt 3-3, P 3 = 128000 (Pa) γ: trọng lượng riêng của mứt chanh dây; γ= 9414,66 (N/m 3 )
Chọn gốc tọa độ tại mặt cắt 3-3, nên z 3 = 0 z 6 = −H 36 = −300 (mm) = −0,3 (m) (đo bằng Evaluate trong Solidworks)
𝑣 3 vận tốc dòng chảy mứt chanh dây tại 3-3; 𝑣 3 = 𝑣 đ = 0,0478 (m/s)
𝑣 6 vận tốc dòng chảy mứt chanh dây tại 6-6
𝐴 3 là diện tích mặt cắt tại 3-3; 𝐴 3 = 𝜋𝐷 2 2
𝐴 6 là diện tích mặt cắt tại 5-5 ; 𝐴 6 = 𝜋𝐷 5 2
Sử dụng phương trình liên tục của chất lỏng: 𝑣 3 A 3 = 𝑣 6 A 6
8,1𝜋.10 −5 = 0,24 (m/s) h w : tổn thất chất lỏng khi dòng chất lỏng chuyển động h w = h L + h c = 6,59 +2,35.10 −3 ≈ 6,59 (m) Trong đó: h L là hệ số tổn thất dọc đường ống h c là hệ số tổn thất cục bộ
• Tổn thất dọc theo ống dẫn
Chiều dài L dài khoảng 750 mm; 𝐿 = 750 (𝑚𝑚) = 0,75 (𝑚) (đo bằng Evaluate trong SolidWorks) Đường kính D lấy bằng đường kính ống dẫn 𝐷 = ∅12 (mm)
Vận tốc ở đây chính là vận tốc ở mặt cắt 6-6 nên 𝑣 = 0,24 (m/s)
Hệ số ma sát ống tròn λ = 64
2 9,81 = 2,35.10 −3 (m) Sau khi tính ta có áp suất tại mặt cắt 6-6 là p 6 = 68755 (Pa)
Với đường kính đáy côn van chặn của van chiết rót là 18 (mm)
4 = 17,5 (𝑁) Lực tác dụng lên van chống nhiễm chiết rót khi pít tông định lượng ở vi trí trên cùng của hình trình là rất nhỏ nên lấy 𝐹 𝑙𝑥𝑚𝑖𝑛 = 0 𝑁
❖ Tính toán lò xo van chiết rót
1 Chọn vật liệu làm lò xo là thép cacbon cao, theo bảng (15.1) (sách CSTKM), ta có: σ b 1500 (MPa); τ b = 1400 (MPa); τ −1 = 400 (MPa); τ ch = 900 (MPa)
Với tải trọng thay đổi [τ] = 0,3 σ b = 0,3.1500 = 450 (MPa)
2 Chọn chuyển vị làm việc lò xo x= 5 (mm)
3 Chọn chỉ số của lò xo c= D/d = 7, khi đó:
4 Đường kính dây lò xo xác định theo công thức (14) d= 1,6 √ K.𝐹 𝑙𝑥𝑚𝑎𝑥 [𝜏] 𝑐 = 1,6 √1,21 17,5 7
450 = 0,92 (mm) Chọn d= 1 (mm), như vậy giữa d và c có sự phù hợp Đường kính trung bình D= 1 7 = 7 (mm)
5 Số vòng làm việc của lò xo theo công thức (9), ta được: n= 𝑥.𝐺.𝑑
G : môđun đàn hồi trượt; với lò xo bằng thép G= 8.10 4 𝑀𝑃𝑎
6 Bước của lò xo khi chưa chịu tải tính theo (10): p= d + 1,1÷1,2 n λ max = 1 + 1,1.5,1
7 Chọn dạng đầu dây lò xo dạng 2 Khi đó các thông số hình học lò xo van chiết rót:
Số vòng đầu dây 𝑛 0 n+1 = 8,5+1 = 9,5 vòng
Chiều cao ban đầu 𝐻 0 p.(n + 1) = 1,66 (8,5 + 1) = 15,77 mm
Chiều cao khi sít nhau 𝐻 𝑠 d𝑛 0 = 1 9,5 = 9,5 mm
8 Kiểm tra lò xo theo hệ số anh toàn:
Giá trị trung bình và cường độ tải trọng xác định theo công thức (15) và (16):
2 = 8,75 (N) Khi đó biên độ ứng suất và ứng suất trung bình xác định theo các công thức (17) và (18):
Hệ số an toàn theo độ bền mỏi được kiểm nghiệm theo công thức Goodman
1400 = 0,61 Suy ra s r = 1,65 nằm trong khoảng 1,5÷ 2,2, lò xo bền
Kiểm tra hệ số an toàn theo giới hạn chảy theo công thức (20)
5.1.6 Tính toán, lựa chọn các chi tiết trong băng tải xích nhựa a) Lựa chọn các chi tiết tiêu chuẩn
Băng tải xích nhựa sử dụng mắc xích có bước xích theo tiêu chuẩn phổ thông của các dòng xích sên truyền động, với kích thước bước xích chung là p = 38,1 mm Do khối lượng vận chuyển nhỏ, băng tải xích nhựa là lựa chọn phù hợp cho hệ thống vận chuyển.
Mỗi dòng băng tải xích nhựa đều có bản rộng tiêu chuẩn, được chỉ định sau chữ K trong mã hàng Hai ứng dụng phổ biến nhất là băng tải xích nhựa chạy thẳng với mã 820 và băng tải xích nhựa chạy cong với mã 880 Ví dụ, trong việc vận chuyển hũ mứt chanh dây, băng tải sử dụng là loại chạy thẳng với mã 820 K325.
Thông số kỹ thuật của xích nhựa 820 K325
• Bước xích tiêu chuẩn: 38,1 mm
• Bản rộng tiêu chuẩn: 82,6 mm
• Độ dày tấm nhựa: 3 mm
• Chất liệu ty: inox SUS 201
Khối lượng của một mắc xích
Vật liệu của mắc xích là nhựa POM có khối lượng riêng 1390 (kg/m 3 )
Hình 5 9 Khối lượng của 1 mắc xích nhựa 820 K325 Đo khối lượng bằng phần mềm SolidWorks, ta có: m 1mx = 16,37 (g)
Với xích nhựa 820 K325 ta sẽ có ty xích có: đường kính d = 6 (mm) và dài h = 42 (mm)
Khối lượng của một ty xích
Ty xích làm bằng vật liệu Inox 201 có khối lượng riêng 7959,99 (kg/m 3 )
Hình 5 11 Khối lượng của 1 ty xích Đo khối lượng bằng phần mềm SolidWorks, ta có: m 1cx = 9,3 (g)
Khối lượng của dây xích nhựa trong băng tải vận chuyển hũ mứt chanh dây được tính toán dựa trên 135 mắc xích và 135 chốt xích.
❖ Bánh nhông dẫn và bánh nhông bị dẫn
Xích nhựa 820 K325 sử dụng bánh nhông tiêu chuẩn có kích thước:
• Lỗ gắn vào trục: D = 25 mm hoặc D = 30 mm (dùng loại có D = 25 mm)
Hình 5 12 Bánh nhông tiêu chuẩn 21 răng dùng cho xích nhựa 820 K325
Tính toán, thiết kế phần điều khiển máy chiết rót mứt chanh dây tự động
5.2.1 Cấu tạo hệ thống điện
Hệ thống điện máy chiết rót mứt chanh dây tự động bao gồm những linh kiện sau:
- Cảm biến hành trình xy lanh
- Bộ điều khiển lập trình PLC
Dựa trên kết quả công suất cần thiết đã xác định, chúng tôi lựa chọn động cơ cảm ứng Oriental 15 W với mã 3IK15GN-CW2E, kết hợp với hộp giảm tốc 3GN100K có tỉ số truyền 100:1.
Hình 5 29 Động cơ Oriental 15W 3IK15GN-CW2E [21]
Hãng sản xuất Oriental Motor
Loại động cơ Cảm ứng
Kích thước khung động cơ 70 mm
Công suất đầu ra 15 W (1/50 HP) Điện áp (V AC) Một pha 220/230V AC
Loại trục / bánh răng Đầu bánh răng trục song song
Tỷ số truyền (X: 1) 100:01 Đường kính trục đầu ra 10 mm
Mô-men xoắn định mức 5 N.m
Tốc độ định mức (vòng / phút) 15 [50 Hz]
Quán tính tải trọng cho phép 350 x 10-4 kg.m²
Tải trọng quá mức cho phép 10 mm từ đầu trục = 150 N
Tải trọng lực đẩy cho phép 40 N
Tiêu chuẩn an toàn UL/CSA/CCC/EN/CE
Lớp cách nhiệt Loại B (130ºC)
Bảo vệ quá nhiệt với tính năng bảo vệ nhiệt tự động tích hợp, hoạt động hiệu quả trong phạm vi nhiệt độ môi trường từ -10ºC đến 40ºC (không đóng băng) và độ ẩm tối đa 85% (không ngưng tụ).
Mức độ bảo vệ IP20
Bảng 5 8 Thông số kỹ thuật động cơ Oriental 3IK15GN-CW2E 15W [21]
5.2.3.Xy lanh khí nén a) Xy lanh khí nén của cơ cấu định lượng
Như đã tính toán được ở phần (5.1) sử dụng 2 xy lanh khí nén Airtac SCJ32x250 có:
D= 32 mm; d = 12 mm và hành trình S = 250 mm
Hình 5 30 Xy lanh Airtac SC32X250 có thể thay đổi hành trình
Thông số kỹ thuật xy lanh Airtac SCJ32x250
• Xi lanh tiêu chuẩn dòng SCJ
• Kiểu thanh đơn, tác động kép, giảm chấn đệm cao su
• Loại đệm có thể điều chỉnh 21 (mm)
• Đường kính xy lanh: 32 (mm)
• Độ dài pít tông: 12 (mm)
• Kích thước cổng: PT 1/8", ren 9.6 (mm)
• Lưu chất: không khí, lọc tạp chất 40 (μm)
• Áp lực vận hành: 0.15 ~ 1.0 MPa (22 ~ 145 Psi / 1.5 ~ 10 Bar)
• Áp lực kiểm chứng: 1.5 MPa (215 Psi / 15 Bar)
• Lực tác động: lực đẩy 804 (mm²) - lực kéo 690 (mm²)
• Tốc độ pít tông: 30~800 (mm/s)
* Ống xy lanh: Thép không gỉ
* Cần pít tông: Thép Carbon Đai ốc để tăng chỉnh
• Kích thước sản phẩm: 45 x 45 x 182 (mm) b) Xy lanh chặn hũ
Sử dụng 2 xy lanh khí nén AIRTAC TN16x60S với đường kính 16mm và hành trình 60mm để chặn hũ đựng mứt trên băng tải, như đã trình bày trong phần (5.1).
• Xi lanh kép 16 mm 1 MPa
• Xi lanh khí nén có dẫn hướng từ tính, thanh truyền kép, tác động kép
• Đường kính xi lanh: 16 (mm)
• Điều chỉnh hành trình: -10 ~ 0 (mm)
• Đường kính ren nối ống: M5 x 0.8 (mm)
• Chất liệu sản phẩm: Hợp kim nhôm
• Áp suất thử nghiệm: 1.5 (MPa)
• Áp suất hoạt động: 0.1~1.0 (MPa)
Hình 5 31 Xy lanh khí nén AIRTAC TN16x60S [16]
5.2.4.Các cảm biến trên máy chiết rót mứt chanh dây a) Cảm biến phát hiện hũ mứt chanh dây
Cảm biến tiệm cận PR30-15DN 15 mm NO 12-24V DC được sử dụng để đếm số lượng hũ đựng di chuyển trên băng tải vào và ra khu vực rót, nhằm cung cấp tín hiệu cho PLC.
Hình 5 32 Cảm biến tiệm cận PR30-15DN [24]
Loại dây và nguồn DC 2 dây 12-24V DC Đường kính cạnh phát hiện M30
Khoảng cách phát hiện 15mm
Cài đặt Không có tấm chắn (phẳng)
Tần số đáp ứng 200Hz
Thông số dòng Dòng tiêu thụ: Max 10mA
Ngõ ra điều khiển NO
Chất liệu Đồng thau (mạ niken)
Tiêu chuẩn/Chất liệu cáp Cáp tiêu chuẩn
Cấu trúc bảo vệ IP67
Chiều dài thân Loại tiêu chuẩn
Nhiệt độ xung quanh -25 đến 70℃, bảo quản: -30 đến 80℃ Độ ẩm xung quanh 35 đến 95% RH, bảo quản: 35 đến 95% RH Độ trễ Max 10% khoảng cách phát hiện Điện áp dư Max 1.5V
Trọng lượng Xấp xỉ 207g (Xấp xỉ 170g)
Bảng 5 9 Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cận PR30-15DN b) Cảm biến hành trình xy lanh
Sử dụng 6 cảm biến từ AIRTAC CS1-U để theo dõi hành trình của các xylanh khí nén trong cụm xy lanh định lượng và xylanh khí nén chặn hũ trên băng tải đến PLC Đây là loại cảm biến chuyên dụng cho các dòng xylanh khí nén của hãng AirTAC, với thiết kế cảm biến từ đặc trưng.
81 nhận tín hiệu nam châm được tích hợp trong cái xi lanh của AIRTAC để cấp tín hiệu đầu vào PLC
Hình 5 33 Cảm biến hành trình AIRTAC CS1-U [25]
• Cảm biến logic: Kiểu thường mở STSP
• Điện áp hoạt động: 5 – 240 AC/DC
• Điện áp drop: 2.5 V Max 100 mA DC
• Dây cáp: phi 4.0, 2C màu xám chống dầu PVC
• Đèn cảm biến: LED đỏ cho CS1-U và không có đèn cho CS1-UX
• Độ nhạy của cảm biến: 60 – 75
• Tần số lớn nhất: 200 Hz
• Cấp độ bảo vệ: IP67 (NEMA6)
5.2.5 Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi
Máy rót mứt chanh tự động là một hệ thống đơn giản với tín hiệu điều khiển và tín hiệu ra không quá phức tạp Để điều khiển hệ thống này, nhóm đã sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX1N-24MR.
Relay In/Out 10 là thiết bị giám sát các giá trị đầu vào từ nút nhấn và cảm biến, đồng thời tạo ra các đầu ra cho hoạt động của bộ chấp hành dựa trên chương trình đã được lập trình sẵn.
Hình 5 34 PLC Mitsubishi FX1N-24MR [26]
❖ Model: Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng FX1N, loại 24 I/O:
- FX1N-24MR-001: Nguồn cấp 220V, ngõ vào cấp sẵn nguồn nội 24V DC của PLC
- FX1N-24MR-001: 14 ngõ vào cách ly/ 10 ngõ ra relay
- Bộ nhớ chương trình: 8000 bước lệnh, sử dụng EEPROM
- Chu kỳ xử lý lệnh: 0.55 – 0.7 às
- Relay phụ: 1536 points, Timer: 256 points, Counter: 235 points, Thanh ghi: 8000 points
- Bộ đếm xung tốc độ cao (HSC)
• 1 phase: 6 input for max 60 kHz
• 2 phases: 2 inputs for max 30 kHz
- Board mở rộng giúp kết nối RS232C, RS485, RS422 dễ dàng
- Board mở rộng có thể cung cấp 2 kênh ngõ vào analog và 1 kênh ngõ ra analog
- Module hiển thị có thể theo dõi/chỉnh sửa bộ định thời, bộ đếm, thanh ghi dữ liệu và có thể sử dụng cùng với board mở rộng
- Tích hợp 02 biến trở điều khiển có thể cài đặt bộ định thời
❖ Phần mềm sử dụng để lập trình: GX-Works 2
Utilize three Schneider XA2EA31 22mm push buttons, one Hanyoung MRF-RA1R 22mm momentary switch, and a Schneider XA2EVB5LC indicator light to signal that the system is operational.
Hình 5 35 Nút nhấn nhả Schneider XA2EA31 22mm [27]
Hình 5 36 Nút nhấn giữ Hanyoung MRF-RA1R 22 mm [27]
Hình 5 37 Đèn báo Schneider XA2EVB5LC [27]
❖ Chức năng của các nút
Hình 5 38 Bảng nút điều khiển máy chiết rót chanh dây
- Nút nhấn nhả xanh lá: Nhấn nhả để khởi động máy rót
- Nút nhấn nhả vàng: Dùng để SET điện hệ thống
- Nút nhấn nhả xanh dương: Dùng để đặt lại máy về trạng thái ban đầu
- Nút dừng khẩn cấp (đỏ): Nhấn để ngắt điện hệ thống trong trường hợp khẩn cấp
- Đèn báo (cam) để báo máy đang hoạt động
Sử dụng relay bán dẫn DA SSR25DA 25A - A10H1 để điều khiển động cơ băng tải thông qua tín hiệu output từ PLC
Hình 5 39 Relay bán dẫn DC-AC SSR-25DA [28]
Sơ đồ 5 7 Sơ đồ nguyên lý của Relay [28]
Máy sử dụng cảm biến tiệm cận cần nguồn điện 24V, do đó cần có bộ nguồn chuyển đổi từ điện xoay chiều 220V sang điện một chiều 24V Giải pháp hiệu quả là sử dụng nguồn tổ ong 24V-5A để thực hiện quá trình chuyển đổi này.
• Điện áp đầu vào: AC 220V (Chân L và N trong ảnh)
• Điện áp đầu ra: DC 24V 5A
• Điện áp ra điều chỉnh: +/-10%
• Phạm vi điện áp đầu vào: 85~132V AC / 180~264V AC
• Khả năng chống sốc: 10 ~ 500Hz, 2G 10min / 1 chu kỳ, thời kỳ cho 60 phút mỗi trục
• Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm: -10 ℃ ~ + 60 ℃, 20% ~ 90% RH
• Nhiệt độ bảo quản, nhiệt độ: -20 ℃ ~ + 85 ℃, 10% ~ 95 RH
Hình 5 40 Nguồn tổ ong 24V DC [29]
Van điện từ khí nén AIRTAC 4V320-10 là loại van 5/2 với 5 cổng và 2 vị trí, được trang bị 2 đầu coil điện Loại van này thường được sử dụng để điều khiển xi lanh khí nén hiệu quả.
Hình 5 41 Van điện từ khí nén AIRTAC 4V320-10 [30]
• Kích thước cổng xả: 1/4’’ (ren 13)
• Áp suất hoạt động: 0,15 – 0,8 MPa
• Loại van hơi 5 cửa 2 vị trí (van 5/2)
• Nhiệt độ hoạt động: Từ - 20~70°C
• Xuất Xứ: Airtac (Đài Loan)
5.2.10 Nguyên lý điều khiển a) Thiết kế mạch động lực khí nén
Sơ đồ 5.8 Mạch động lực khí nén b) Thiết kế mạch điều khiển xy lanh
❖ Trình tự hoạt động của các xy lanh
Bước 1: Hai xy lanh hút liệu đi lên hết hành trình, động cơ băng tải hoạt động
Bước 2: Cảm biến tiệm cận 1 phát hiện 1 hũ đi qua, xy lanh chặn 2 đi ra
Cảm biến tiệm cận 1 phát hiện 4 hũ đi qua, sau đó xy lanh chặn 1 hũ đi ra và động cơ băng tải dừng lại Tiếp theo, xy lanh hút liệu đi xuống để rót liệu vào hũ.
Bước 5: Xy lanh chặn 2 đi vào, động cơ băng tải hoạt động
Bước 6: Cảm biến tiệm cận 2 phát hiện 4 hũ đi qua, động cơ băng tải dừng
Bước 7: Xy lanh chặn 1 đi vào, kết thúc chu trình
❖ Bảng địa chỉ Địa chỉ Biểu tượng Mô tả
X1 S1 Cảm biến hành trình xy lanh hút liệu IN
Cảm biến hành trình xy lanh hút liệu OUT
X3 S3 Cảm biến hành trình xy lanh chặn 1 IN
Cảm biến hành trình xy lanh chặn 1 OUT
X5 S5 Cảm biến hành trình xy lanh chặn 2 IN
Cảm biến hành trình xy lanh chặn 2 OUT
X7 CBI Cảm biến điện dung IN
X10 CBbc Cảm biến báo cạn liệu
X11 RESET Nút nhấn Reset xy lanh
X12 STOP Nút nhấn dừng hệ thống
X13 SET Nút SET điện hệ thống
X14 CBO Cảm biến điện dung OUT
Y1 A+ Cuộn coil xy lanh hút liệu OUT
Y2 A- Cuộn coil xy lanh hút liệu IN
Y3 B+ Cuộn coil xy lanh chặn 1 OUT
Y4 B- Cuộn coil xy lanh chặn 1IN
Y5 C+ Cuộn coil xy lanh chặn 2 OUT
Y6 C- Cuộn coil xy lanh chặn 2 IN
Y7 ĐB Đèn báo hệ thống đang hoạt động
Bảng 5.10 Bảng địa chỉ các tín hiệu khí nén
Sơ đồ 5 9 Sơ đồ đấu nối bộ điều khiển
❖ Sơ đồ hành trình bước:
Sơ đồ 5.10 Sơ đồ hành trình bước
5.2.11 Lập trình code cho PLC
Nhóm sử dụng phần mềm GX work2 để lập trình điều khiển hệ thống điện máy chiết rót mứt chanh dây tự động bằng ngôn ngữ Ladder
Sơ đồ 5 11 Code PLC điều khiển máy (phần 1)
Sơ đồ 5 12 Code PLC điều khiển máy (phần 2)
Sơ đồ 5 13 Code PLC điều khiển máy (phần 3)
(Chi tiết code PLC sẽ được gởi file đính kèm)
Ước tính chi phí máy chiết rót mứt chanh dây tự động
5.3.1.Ước tính chi phí phần cơ khí
Số lượng Bảng giá Thành tiền
1 https://thepmanhtienphat.com/san-pham/thep-hop-40x40 ≈ 180.000 đ
1 https://hoangkimexim.com/gia-inox-tam ≈ 1.056.000 đ
1 https://thepmanhtienphat.com/san-pham/thep-hop-40x40 ≈ 130.000 đ
1 https://hoangkimexim.com/gia-inox-tam ≈ 720.000 đ
Khung đỡ xy lanh định lượng
1 https://thaihoaphat.net/thep-tam-5-ly ≈ 360.000 đ
1 https://dailysatthep.com/gia-thep-tam-ma-kem ≈ 380.000 đ
Bộ xích nhựa và bánh nhông băng tải
1 https://bangtaivietphat.com/danh-muc/phu-kien-bang-tai ≈1.500.000 vnđ
1.500.000 đ Ống nhựa mềm lõi thép
Bảng 5.11 Ước tính chi phí phần cơ khí máy chiết rót mứt chanh dây tự động
5.3.2 Ước tính chi phí phần điện và điều khiển
Số lượng Bảng giá Thành tiền
Bộ điều khiển lập trình PLC
1 https://codienhaiau.com/product/bo-dieu-khien- lap-trinh-plc-mitsubishi-fx1n-24mr-001/
3 https://codienhaiau.com/product/nut-nhan-nha- schneider-xa2ea31
1 https://codienhaiau.com/product/nut-nhan-tu-giu- hanyoung-mrf-ra1r-22mm-mau-do
1 Đèn báo Schneider XA2EVB5LC, 22mm 24V AC/DC - Codienhaiau.com
1 https://linhkienvietnam.vn/relay-ban-dan-ssr-25da- ssr25da-25a-a10h1
1 https://diennangluongmattroi.vn/nguon-to-ong- 24v-3a
Cảm biến tiệm cận điện dung
2 https://linhkienvietnam.vn/cam-bien-tiem-can- pr30-15dp-15mm-no-pnp-12-24vdc-chinh-hang
1 https://catalog.orientalmotor.com/item/world-k- series-single-phase-ac-motors/15w-world-k-series- single-phase-ac-gear-motors/3ik15gn-cw2e-
2 https://okmarts.com/airtac-air-cylinder-scj32x250- 75s.html
2 Airtac TN: Dual Rod Guided Air Cylinder - TN16X60S | Trimantec
Cảm biến hành trình xy lanh
Bảng 5.12 Ước tính chi phí phần điện và điều khiển máy chiết rót mứt chanh dây tự động
Vậy ước tính chi phí máy các bộ phận máy chiết rót mứt chanh dây tự động vào khoảng 24 triệu đồng.
Trình tự vận hành máy chiết rót mứt chanh dây tự động
Bước 1: Thiết lập thể tích chiết rót (trong phạm vi 200 – 300 ml), bằng cách điều chỉnh hành trình của 2 xy lanh khí nén
Hình 5 42 Điều chỉnh hành trình xy lanh khí nén
Bảng 5 13 Bảng tra tương quan giữa thể tích chiết rót và hành trình xy lanh khí nén
Dùng cờ lê M8 vặn để điều chỉnh hành trình
Bước 2: Đổ mứt chanh dây vào thùng chứa
Hình 5 43 Đổ mứt chanh dây vào thùng chứa
Để khởi động máy, đầu tiên hãy bật CB để cung cấp điện và khí nén Tiếp theo, nhấn nút SET để thiết lập điện cho toàn bộ hệ thống, sau đó ấn nút START để khởi động máy.
Bước 4: Cấp hũ đựng mứt vào đầu băng tải
Bước 5: Nhận hũ mứt đã được chiết rót ở cuối băng tải
Khi mứt trong thùng chứa sắp cạn cần tắt máy, bổ sung mứt và tiếp tục lại từ bước 3 (nếu không thay đổi thể tích cần định lượng)
Trong quá trình vận hành, nếu xảy ra sự cố, hãy nhấn nút STOP để dừng máy Sau khi khắc phục các vấn đề, nhấn nút SET và START để máy tiếp tục hoạt động.
Trình tự hoạt động của máy chiết rót mứt chanh dây tự động
Khi máy chiết rót mứt chanh dây hoạt động, trình tự hoạt động của các chi tiết trong máy như sau:
Trong bước đầu tiên, hai xy lanh khí nén trong cụm xy lanh định lượng sẽ hút mứt chanh dây từ thùng chứa qua van một chiều vào xy lanh định lượng Đồng thời, băng tải hoạt động để chuyển hũ đến vị trí chiết rót.
Hình 5 44 Xy lanh định lượng hút mứt vào
Khi cảm biến tiện cận 1 phát hiện hũ đi qua, xy lanh chặn 2 sẽ hoạt động để ngăn hũ đựng mứt không rời khỏi khu vực chiết rót.
Hình 5 45 Xy lanh chặn 2 đẩy ra khi cảm biến 1 phát hiện 1 hũ
Khi cảm biến tiện cận 1 phát hiện 4 hũ đi qua, xi lanh chặn 1 sẽ hoạt động để ngăn không cho hũ tiếp tục vào khu vực chiết rót, đồng thời băng tải cũng sẽ dừng lại.
Hình 5 46 Xy lanh chặn 1 đẩy ra khi cảm biến 1 phát hiện 4 hũ
Bước 4: 2 xy lanh khí nén đi xuống sẽ đẩy mứt chanh dây từ xy lanh định lượng → van 1 chiều
→ van chiết rót → hũ mứt chanh dây
Hình 5 47 Mứt chanh dây được đẩy xuống để đưa ra hũ
Hình 5 48 Mứt chanh dây được rót vào hũ
Sau khi quá trình rót hoàn tất, xy lanh chặn 2 sẽ thu vào và động cơ băng tải sẽ khởi động lại, đưa hũ mứt chanh dây đã được chiết rót về phía cuối băng tải.
Hình 5 49 Sau khi rót xong, xy lanh chặn 2 thu lại, băng tải chạy
Bước 6: Cảm biến tiệm cận 2 phát hiện 4 hũ mứt đi qua, động cơ băng tải dừng lại
Hình 5 50 Hũ mứt di chuyển sau khi được rót đầy
Bước 7: Xy lanh chặn 1 được thu vào Một chu trình mới lại bắt đầu
Hình 5 51 Xy lanh chặn 1 đi vào
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Sau khi nghiên cứu và thực hiện đề tài “Tính toán, thiết kế máy chiết rót mứt chanh dây tự động”, nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian quy định, nhờ sự chỉ dẫn tận tình của giảng viên và nỗ lực cá nhân Nội dung chính của đồ án bao gồm các phương pháp tính toán và thiết kế để tạo ra máy chiết rót hiệu quả cho sản phẩm mứt chanh dây.
- Tìm hiểu về mứt chanh dây và quy trình làm mứt chanh dây
- Tính toán, thiết kế máy trên phần mềm SolidWorks và lập trình PLC trên GT Works2
- Từ bản vẽ 3D xuất sang bản vẽ 2D để quan sát cụ thể các chi tiết của máy
Quá trình thực hiện đề tài đã giúp chúng em củng cố kiến thức đã học và tiếp thu nhiều kiến thức mới, đặc biệt là về áp suất chất lỏng cũng như các thiết bị tự động và hệ thống điều khiển máy móc.
Trong quá trình thiết kế máy chiết rót mứt chanh dây, nhóm em nhận thấy kiến thức còn hạn chế, dẫn đến một số sai sót trong nội dung Chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo và ý kiến đóng góp từ thầy cô và bạn bè để hoàn thiện đề tài này.
Từ những số liệu đã có được, đề tài có thể được nghiên cứu nhằm hoàn thiện hơn nữa bằng cách:
Kết hợp mô hình máy hiện có với các hệ thống tự động hóa khác, như hệ thống cấp mứt vào bồn chứa, máy cấp hũ và máy đóng nắp, nhằm tạo ra một quy trình sản xuất hoàn toàn tự động.
- Nâng cấp hệ thống tăng chỉnh chiều cao van chiết rót sang cơ cấu tự động