Đồ án Cơ khí chế tạo máy: Design Young Coconut Peeling Machine and Manufacture Prototype of Machine

Đề tài đã tiến hành nghiên cứu, tính toán, thiết kế và lựa chọn ý tưởng khả thi nhất để tiến hành chế tạo thử nghiệm Máy gọt vỏ Dừa Tươi với mức giá phù hợp (dưới 6 triệu đồng) với đối tượng khách hàng là các hộ gia đình và các cửa hàng buôn bán Dừa Tươi mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu về: an toàn thực phẩm, tiết kiệm, an toàn lao động, tăng tính hấp dẫn cho Dừa, tăng năng suất gọt Dừa và giảm thời gian chờ đợi của khách hàng. Mời các bạn cùng tham khảo.

Design Young Coconut Peeling Machine and Manufacture Prototype of Machine Nguyen Nhu Son, Dang Thai Binh, Nguyen Ngoc That Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh, Việt Nam nnsonbht@gmail.com TĨM TẮT: Trên sở máy được chế tạo sử dụng người nước, kết hợp với nguyên lý Máy Tiện Nhóm tiến hành nghiên cứu, tính toán, thiết kế lựa chọn ý tưởng khả thi để tiến hành chế tạo thử nghiệm “Máy gọt vỏ Dừa Tươi” với mức giá phù hợp (dưới triệu đồng) với đối tượng khách hàng hộ gia đình cửa hàng bn bán Dừa Tươi mà đáp ứng yêu cầu về: an toàn thực phẩm, tiết kiệm, an toàn lao động, tăng tính hấp dẫn cho Dừa, tăng suất gọt Dừa giảm thời gian chờ đợi khách hàng Mô hình chế tạo thử nghiệm với kích thước chung: chiều dài ≤400 mm, chiều rộng ≤500 mm, chiều cao ≤700 mm Máy hoạt động nguồn điện lưới 220V, với động điện, Dao cắt gọt Trước gọt, Dừa kẹp vào Chấu Kẹp lực đẩy động 25w, thời gian gá kẹp khoảng 1÷2 (s) Sau Dừa quay tròn động điện công suất 0,75 Kw, với tốc độ quay 285 vòng/phút Khi Dừa quay, Dao gọt phần Thân tịnh tiến hướng tâm Dừa theo phương ngang để gọt vỏ, chiều sâu gọt từ 2÷10 mm, góc gá Dao diều chỉnh từ 82 ÷ 86 so với trục Z (phương thẳng đứng) Dao gọt phần Vai gá nghiêng góc 50 so với trục Y (phương ngang), chiều sâu gọt từ 2÷10 mm, Dao tịnh tiến lên – xuống để gọt vỏ, Dao làm thép không gỉ Sau gọt xong, Dừa lấy cắt phần vỏ Đầu chưa gọt Công suất mong đợi Máy 200 ÷ 300 trái/giờ Keywords: Young Coconut, trimming Coconut, peeling Coconut, Green Coconut, Coconut Machine INTRODUCTION Nước Dừa không giàu chất dinh cho người, mà loại thức uống giải khát nhiều Người ưu thích, tiêu thụ rộng rãi trở thành mặt hàng thiết yếu Nước Dừa sử dụng làm nước uống giải khát thường lấy từ Dừa Tươi (Dừa trưởng thành trưởng thành) lấy Nước nhiều cách khác nhau, chủ yếu gọt vỏ thủ cơng Do đó, suất gọt khơng cao, tiềm ẩn nhiều mối nguy hiểm cho Người, đặc biệt hình dáng sản phẩm chưa hấp dẫn lơi thời gian chờ đợi khách hàng lâu Từ tồn với mong muốn thiết kế - chế tạo mơ hình thử nghiệm đảm bảo tính cạnh tranh với sản phẩm có, đảm bảo yêu cầu cắt gọt tính thẩm mỹ sản phẩm Nhóm tiến hành phương pháp nghiên cứu, phân tích, tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình thử nghiệm, cụ thể: Khảo sát nhu cầu khách hàng (hộ gia đình, cửa hàng bán Dừa) nghiên cứu sản phẩm có để xác định yêu cầu kỹ thuật phù hợp “Máy Gọt Vỏ Dừa Tươi” giới hạn phạm vi nghiên cứu Tổng hợp, phân tích nghiên cứu đặc điểm tính Xơ Dừa: độ bền = 131 ÷ 220 ( ) , độ cứng lơn 38 HV (HV~HB) Các nghiên cứu thử nghiêm về: tốc độ cắt cho phép V = 5,75 (m/s) để không gây vết thâm (vết bầm) phần vỏ trắng bên trong, lực cắt cần thiết để cắt tiết diện S = 170x5 (mm) F = 807 (N), lực chọc thủng cần thiết với tiết diện S’= 3,14 ( ) 251 (N) – Dừa Non với mục đích lấy nước Ý tưởng thiết kế Máy xây dựng dựa nguyên lý Phương Pháp Tiện, có ý tưởng thiết kế đưa dựa yêu cầu kỹ thuật chức Máy (chức Quay Dừa, chức Kẹp Dừa, chức Cắt Đầu Dừa, chức Chạy Dao), có ý tưởng tối ưu chọn để thực chế tạo thử nghiệm Mơ hình ý tưởng thiết kế, mơ phỏng, kiểm bền phần mềm CATIA Mơ hình chế tạo với tốc độ quay Dừa 285 (vòng/phút), động cơng suất (HP), động phụ 25 (W) Và sau thử nghiệm với góc độ gá Dao khác để xác định góc tối ưu MATERIALS AND METHODS 2.1 Khảo sát nhu cầu xác định yêu cầu kỹ thuật Nhóm thực đề tài tiến hành lấy mẫu 20 cửa hàng bán Dừa Tươi khu vực Quận Thủ Đức nhằm xác định thông tin về: mức độ sử dụng máy Gọt Vỏ Dừa, cảm nhận mức độ an toàn gọt thủ công, số lượng Dừa tiêu thụ ngày, thời gian gọt Dừa, yêu cầu sử dụng Máy gọt vỏ Dừa,… Trên sở đó, xây dựng yêu cầu kỹ thuật đặc trưng Máy Bảng 1: Các yêu cầu kỹ thuật Đặc điểm kỹ thuật D/W Wt u cầu kỹ thuật Từ khóa Hình dáng hình học: D W H W H W M W W W W L M M L  Kích thước : chiều dài ≤ 400 mm, chiều rộng ≤ 500 mm, chiều cao ≤ 700 mm  Chiều sâu gọt: – 10 mm Chuyển động học:  Cơ cấu đơn giản, truyền động tốt, ổn định xác  Tốc độ cắt: hợp lý đảm bảo công suất 200 ÷ 300 trái/giờ Lực tác dụng:  Trọng lượng máy: ≤ 50  Lực di chuyển máy: ≤ 500 N  Lực cắt, gọt vỏ Dừa: Nhỏ Kích thước Chiều sâu Cơ cấu Tốc độ cắt Trọng lượng Lực di chuyển Lực cắt Lực kẹp kích thước liên quan đến vùng với tới: lấy theo ngưỡng người thấp 5%.Khi thiết kế khơng gian chốn chỗ: lấy theo  Lực kẹp chặt Dừa: Nhỏ Năng lượng: W L W D L  Công suất động cơ: ≤ nhỏ ngựa)  Nguồn điện: 220V (1 pha)  Mức độ tiếng ồn: ≤ 70 ( Động Nguồn điện Tiếng ồn ngưỡng người lớn 95% Kết hợp chặt chẽ khả điều chỉnh Đây sở khoa học quan trọng mà Ergonomics/ Yếu tố người mang lại cho công tác thiết kế sản xuất Vật liệu: W M W D H W W M M  Đảm bảo vệ sinh-an tồn thực phẩm: thép khơng rỉ  Tuổi bền: năm  Đảm bảo độ bền chịu lực tác dụng  Dễ tìm mua, thay thế, sữa chữa  Nhẹ Vệ sinh Tuổi bền Độ bền Tiêu chuẩn hóa Nhẹ Tín hiệu: D W W W D  Điều khiển đơn giản  Chính xác, nhanh, ổn định q trình hoạt động H An tồn: M M  An tồn điện  An tồn q trình cắt  Tự động cắt điện có cố Điều khiển Chính xác Hình : Các kích thước Người An toàn điện An toàn cắt Bảo vệ tự động Khoa học lao động: W W W W W L M H H  Bảng điều khiển dễ dàng sử dụng  Thay phận dễ dàng  Thiết kế gọn, có tính thẩm mỹ  Kết cấu máy dễ bảo trì, bảo dưỡng L Dễ sử dụng Dễ thay Thẩm mỹ Bảo trì đơn giản Chi phí Kinh tế:  Tổng chi phí chế tạo nhỏ 6.000.000 đồng ( triệu đồng) Dựa yêu cầu chức máy xác định yêu cầu bắt buộc cần đạt (Demand) yêu cầu mong muốn (Wish) thiết kế chế tạo máy Các yêu cầu chức “Máy bóc vỏ Dừa Xanh” xác định chi tiết theo bảng Trong đó,  D ( Demand ): yêu cầu kỹ thuật bắt buộc cần đạt máy  W ( Wish ): yêu cầu mong muốn sản phẩm nhằm nâng cao giá trị chất lượng máy  Wt ( Weighting ): tỉ trọng chi phí tăng thêm cần đạt yêu cầu mong muốn theo mức độ  Mức độ cao (High): H=3   Mức độ trung bình (Medium): M=2 Mức độ thấp (Low): L=1 2.2 Hình thành ý tưởng thiết kế 2.2.1 “Nhân Trắc Học - Ergonomics” thiết kế Nhân trắc học có tính đến không gian chiếm chỗ, đặc biệt thiết kế áp dụng nguyên tắc vàng sau:Khi thiết kế Dấu hiệu Nam Nữ Cao đứng (cm) 160,7 150,3 Cao ngồi 85,5 79,9 Chỉ số skélie (%) 87,9 88,1 Cao đầu 23,8 22,3 Dài đầu 18,9 18,2 Rộng đầu 15,4 14,1 Cao mỏm vai 130,2 121,7 Rộng vai 36,7 33,3 Rộng ngực 26,0 24,3 Rộng chậu 26,2 25,0 Rộng mông 29,5 28,8 Dài tay 70,6 66,1 Dài chân 85,5 78,8 Vòng đùi 16,6 18,3 Chỉ số thân/ đầu 6,8 6,8 Chỉ số dầu 81,6 77,5 Nặng (kg) 49,0 44,6 Bảng…: Tổng hợp số đo trung bình nhân trắc học tĩnh người Việt Nam 2.2.2 Hình thành ý tưởng Có ý tưởng thiết kế xây dựng dựa đặc điểm kỹ thuật chức Máy: Ý tưởng 1: Máy sử dụng nguồn Điện lưới để làm quay trái Dừa, cắt đầu Dừa tay người, sử dụng cấu chạy dao định hình theo hình dáng dao gọt (2 chế độ: tự động thủ công thông qua truyền Thanh – Bánh răng, Vít – Đai ốc) Dừa kẹp lực đẩy motor điện a Ý tưởng b Ý tưởng a Tư đứng b Tư cúi người c Tư quì gối d Tư ngồi Ghế Ý tưởng 2: Quay tròn Dừa cắt đầu Dừa sử sụng Điện lưới, cấu chạy dao chép hình (tịnh tiến Thanh – Bánh răng), có cấu kẹp Dừa tác dụng sức người (cơ cấu Vít – Đai ốc) Ý tưởng 3: Quay tròn Dừa sức Người (bộ truyền xích), đầu Dừa cắt Dao cắt Đĩa (sử dụng điện lưới); cấu kẹp Dừa sức Người, Dừa gọt theo định hình dao cắt (cơ cấu Trượt Thanh – Bánh răng) c Ý tưởng d Ý tưởng Ý tưởng 4: Quay tròn Dừa cắt đầu Dừa nguồn điện lưới, vỏ Dừa gọt theo định hình Dao (cơ cấu Thanh – Bánh răng), Dừa kẹp giữ sức người (cơ cấu Trượt) Ý tưởng 5: Dừa quay tròn nhờ nguồn điện lưới, Dừa gọt theo định hình Dao ( sử dụng sức người), cắt Đầu Dừa kẹp Dừa sức người (sử dụng cấu Thanh – Bánh răng) e Ý tưởng Khung hỗ trợ chiều cao tương thích với tư Ngồi sử dụng Máy 2.4 Tính tốn 2.4.1 Tính tốn tốc độ cắt, số vòng quay Dừa a Tốc độ cắt V […] V= (m/phút) Trong : Suy ra: , V= , ma trận đánh giá Stuart Pugh [5] Sau đánh giá ý tưởng ma trận đánh giá, Ý tưởng chọn với tổng số điểm cao [+29] phân tích tương tác khả tương thích với tư Người sử dụng Máy, sau đưa phận hỗ trợ tương với tư Ngồi , , = 131,8 (m/phút) ≈ 2,2 (m/s) Ta thấy: V = 2,2 (m/s) < V = 5,75 (m/s), thỏa mãn b Số vòng quay n n= 2.3 Đánh giá lựa chọn ý tưởng Ưu điểm, nhược điểm ý tưởng cụ thể hóa = 328 ; T = 60 (phút) ; m = 0,23 ; S = 0,025 (mm/vòng) ; y = 0,25 = = 1.0,8.1.0,94.1,4.1.0,93.0,96 = 0,94 = (vòng/phút) =167,8 ÷ 279,7 (vòng/phút) với D = 150 ÷ 250 (mm) 2.4.2 Tính tốn lực cắt, cơng suất cắt Lực cắt tính tốn theo phương án, sau thử nghiệm tham khảo Máy chế tạo để chọn phương án tính lực cắt hợp lý a Phương án 1: Tính theo lực cắt tiện Với: = = 50; xpz = ypz = 1; npz = 0; = 1.1,08.1,15.1.0.87 = 1.08 Suy ra: = 50 100 0,025 131,8 1,08 = 135 (Kg) Khi tiện định hình với biên dạng khơng phức tạp lực cắt giảm 10% ÷ 15%, nên lực cắt là: = 135.0,85 = 114,75 (Kg) Công suất cắt: N= , = , = 2,47 (Kw) Qua thử nghiệm kiểm tra khả cắt gọt cho thấy việc gá đặt góc Dao định suất cắt gọt độ bền Dao Hơn nữa, để đảm gọt lượng Xơ Dừa nhiều nhất, đảm bảo tính thẩm mỹ khơng làm hư hỏng sản phẩm Do vậy, cần gá đặt Dao với góc cắt sau :  Đối với Dao gọt phần Thân : Góc gá đặt Dao ( ) điều chỉnh phạm vi = 82 ÷ 86 (hình )  Góc gá Dao xác định từ kết thực nghiệm dựa theo cấu tạo , kích thước Dừa Đối với Dao gọt phần Vai : Góc gá Dao ( ) hiệu phạm vi = 50 ÷ 56 (hình ) Các góc mài Dao chọn giống Dao gọt phần thân b Phương án 2: Tính theo lực cắt F F lực cắt cần thiết để cắt tiết diện S = 170x5 (mm), F = 807 (N) Lực cắt cần thiết: F = = , , = 237,4 (N) Với S tiết diện cắt tính tốn Dao: S = [chiều dài cắt lớn nhất] x [chiều sâu cắt lớn nhất] = 10 x 0,25 = 2,5 (cm ) Công suất cắt: P = , , = 0,52 (Kw) Kết luận: So sánh cơng suất cắt cho thấy có chênh lệch lớn, chênh lệch số ngun nhân sau:  Cơng suất cắt tính theo lực cắt với độ bền Xơ Dừa (Dừa già) từ 131÷ 220 MPa, thực tế Dừa Tươi (Dừa non) có độ bền nhỏ Việc tính tốn chọn độ cứng tương tự, độ cứng lớn Xơ Dừa 40 HB, [15]  Khi tính tốn theo lực cắt với khoảng sai số tính tốn lớn nên phạm vi kết chênh lệch lớn  Từ đề tài nghiên cứu ứng dụng thực tiễn cho thấy với động có công suất 0,76 (KW) ~ (HP) đủ công suất để cắt gọt vỏ Dừa Tươi [20] [26] Mặt khác, qua thử nghiệm với động 0,5 (HP) 0,75 (HP) không đảm bảo yêu cầu cắt gọt không đủ công suất tải Vậy nên, động công suất nhỏ (HP) chọn để chế tạo máy a Góc gá Dao bên − Biên dạng Dừa b Góc gá Dao c Các góc tạo biên dạng Dừa 2.5 Thiết kế kiểm bền 2.4.3 Tính tốn chọn động a Động Từ tính tốn lực cắt, cơng suất cắt số tính tốn bản, chọn động với công suất (HP), tốc độ quay lớn 1000 (vòng/phút), lắp qua truyền đai thang với tỉ số truyền 3,5 Như vậy, tốc độ quay Dừa tương đương 285,7 (vòng/phút) b Động phụ Động phụ thực chức đẩy Dừa vào chấu kẹp Động phụ tính tốn, thử nghiệm lựa chọn với công suất 25 (W), tốc độ quay n = (vòng/phút) 2.4.4 Tính tốn góc gá Dao a Góc gá Dao gọt phần Thân (Dao bên) Hình : Mơ hình thiết kế 1- Thân Máy, 2- Động chính, 3- truyền Đai, 4- Bộ chạy dao trên, 5- Động phụ, 6- Bộ chạy dao bên, 7- Bộ cắt đầu Dừa Hình : Sơ đồ cấu tạo số phận Máy Kiểm bền số chi tiết quan trọng: Kiểm bền Trục Chính Hình : Mơ ứng suất Dao Ứng suất lớn : = 1,28.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa) , thỏa mãn điều kiện bền (vật liệu SUS304) Kiểm bền Dao gọt phần Vai Hình : Mơ ứng suất Trục Trục inox 304 (SUS304):  Môđun đàn hồi (Elastic Modulus): 193 GPa  Hệ số Posion: 0,28  Giới hạn bền chảy: ≥ 205 MPa  Khối lượng tiêng : 7,8 g/  Giới hạn bền cho phép: [ ] = = 102,5 (MPa) – vật liệu dẻo Ứng suất lớn : = 4,07.10 < [ ] = 1,025.10 (N/ ) , thỏa mãn điều kiện bền Hình : Mô ứng suất Dao Ứng suất lớn nhất: = 7,98.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa), Dao đảm bảo điều kiện bền (vật liệu SUS304) Kiểm bền gá Dao Bên Kiểm bền Dao gọt phần Thân Hình : Mô ứng suất gá Dao Bên Ứng suất lớn : = 2,3.10 < [ ] = 1,025 10 (Pa) , thỏa mãn điều kiện bền (vật liệu SUS304) độ, Dao gọt phần Vai có góc cắt hiệu 82 độ Như vậy, tùy theo yêu cầu thẩm mỹ suất mong muốn Kiểm bền Thân Máy sản phẩm mà điều chỉnh góc cắt theo nhiều góc độ khác Dao gọt phần Thân Hình : Kiểm bền Thân Máy Thép CT3kn với [ ] = 0,8 = 0,8.235 = 188 MPa ( =235 MPa) Ứng suất lớn = 1,56.10 < [ ] = 1,88.10 (Pa), đảm bảo điều kiện bền Kiểm bền Khung Dao gọt phần Vai Góc (độ) Thời gian gọt (s) Góc (độ) Thời gian gọt (s) 45 6,9 82 8,6 48 6,8 83 8,6 50 6,8 84 8,9 53 85 9,0 56 7,2 86 9,5 Bảng 1: Thực nghiệm góc cắt (Gá đặt Dao) CONCLUSIONS Mặc dù kết thực đề tài chưa thực đạt yêu cầu kích thước, suất mục tiêu đề ra, đảm bảo yêu cầu cắt gọt với suất trung bình trái/30s (120 trái/giờ) sử dụng động công suất phù hợp Tuy nhiên, với lần đầu thử nghiệm nên số chi tiết, phận máy chưa tối ưu kích thước, cần tiếp tục cải tiến hồn thiện ACKNOWLEDGMENT Hình : Kiểm bền Khung Ứng suất lớn nhất: = 1,65.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa), đảm bảo điều kiện bền (vật liệu SUS304) RESULTS AND DISCUSSION 3.1 Mơ hình chế tạo thử nghiệm REFERENCES [1] [2] [3] [4] [5] a Máy chế tạo b Dừa sau gọt thử nghiệm 3.2 Thực nghiệm góc Gá Dao Kết thử nghiệm góc độ gá Dao khác cho thấy: Dao gọt phần Thân có góc gá Dao thích hợp từ 48-50 [6] Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình, Chế độ cắt gia cơng khí, NXB Đã nẵng,2002 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí, Tập 1, NXB Giáo Dục, 2006 Nguyễn Viết Tiến, Lý thuyết thiết kế sản phẩm công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 Ken Wallance, John Clarkson, An introduction to design the process, University of Cambridge, 1999 Fairuz I Romlia, Ahmad Nizam Aliasb, Azmin Shakrine Mohd Rafiec, Dayang Laila Abang Abdul Majidd, Factorial Study on the TensileStrength of a Coir berReinforced Epoxy Composite, 2012 AASRI Conference on Modelling, Identification and Control Onuegbu T U., Umoh E.T & Okoroh N C, Tensile Behaviour and Hardness of Coconut Fibre-OrthoUnsaturated Polyester Composites, Global Journals Inc [7] S.Yahya and I Mohd Zainal, Design and performance of young coconut shaping machine, Mechanisation and Automation Research Centre,2014, Malaysia [8] B Jarimopas, N.Ruttanadat, Development of a young coconut fruit trimming machine, Department of Agricultural Engineering, Kamphaeng Saen Engineering Faculty, Kasetsart University, Kamphaeng Saen Campus,Nakohn Pathom 73140, Thailand [9] Mownesh R, Dr Ashosk Mehatha, International Journal of Engineering Reasearch and General Scicen Volume 3, Issue 4, Design and Fabrication of Punch Cum Splitter For Tender Coconut, 2015 A.Ticoalu, T.Aravinthan & F.Cardona, A review of current development in natural fiber composites for structural and infrastructure applications, Southern Region Engineering Conference 11-12 November 2010, Toowoomba, Australia [10] R.Udhayasankar and B Karthikeyan, A Review on Coconut Shell Reinforced Composites, International Journal of ChemTech Research, Vol.8, No.11, pp 624-637, 2015  ... Design and performance of young coconut shaping machine, Mechanisation and Automation Research Centre,2014, Malaysia [8] B Jarimopas, N.Ruttanadat, Development of a young coconut fruit trimming machine, ... Kinh tế:  Tổng chi phí chế tạo nhỏ 6.000.000 đồng ( triệu đồng) Dựa yêu cầu chức máy xác định yêu cầu bắt buộc cần đạt (Demand) yêu cầu mong muốn (Wish) thiết kế chế tạo máy Các yêu cầu chức... Journal of Engineering Reasearch and General Scicen Volume 3, Issue 4, Design and Fabrication of Punch Cum Splitter For Tender Coconut, 2015 A.Ticoalu, T.Aravinthan & F.Cardona, A review of current