2.2.3.1. Nguyên lý làm việc:
20
Hình 20: Kết cấu máy gọt vỏ nâu
1 – Động cơ giảm tốc II 2-9 – Bộ truyền xích 10-11 – Khung máy 12,13 – Thanh chỉnh ngang 14 – Máng hứng sản phẩm 15,16 – Lò xo chỉnh ngang 17 – Cụm quả cầu gai 18-19 – Giá chỉnh ngang 20-22 – Chỏm cầu gá dao 23 – Trục truyền dao 24 – Động cơ I 25-26 – Bộ truyền đai 27 – Giá đỡ động cơ I 28 – Giá đỡ ổ trục chính
Động cơ I có tốc độ quay 1440v/ph truyền chuyển động qua bộ truyền động đai (26) tạo momen xoắn lên trục truyền dao (23) quay → Cụm chỏm cầu dao cắt (20,21,22) quay → Dao cắt gọt vỏ cơm dừa. Cùng lúc đó, động cơ giảm tốc II (i = 30) gắn bánh xích Z26 (2) truyền động qua dây xích (3) truyền tới dĩa xích Z34 (9) tạo momen xoắn lên trục cầu gai (17) đưa cơm dừa vào chỏm cầu có gắn lưỡi dao (20,22) tiến hành quá trình cắt gọt lớp vỏ nâu cơm dừa. Dao quay tốc độ cao và
21
vuông góc với chiều quay của cầu gai làm miếng cơm dừa được gọt sạch theo nguyên tắc bao hình, sau đó tiếp tục được cuộn tới cung gạt sản phẩm và rơi vào máng hứng sản phẩm (14) đặt ở phía dưới. Phần vỏ nâu sẽ được hứng bằng một máng bố trí bên dưới của máy.
Ƣu, nhƣợc điểm:
- Ưu điểm:
Tạo ra thành phẩm miếng dừa sạch vỏ nâu nhanh chóng và tỷ lệ hao hụt thấp do chiều dày lớp vỏ nâu được gọt mỏng hơn nhiều lần so với thủ công gọt dừa bằng tay.
Dễ vận hành, dễ sử dụng.
Làm việc ổn định tiết kiệm thời gian và chi phí nhân công…
Có thể cải tiến nâng cao năng suất… - Nhược điểm:
Khó áp dụng tự động hóa do kích thước và hình dạng miếng cơm dừa không đều.
2.2.3.2 Tính toán công suất và chọn động cơ:
Lực đầu vào cầu gai:
- Dựa vào phương án thiết kế và bản vẽ bằng phần mềm solidworks ta tính được khối lượng quả cầu gai giữ cơm dừa tác dụng lên trục là N1=11,52 kg = N1=115,2N
Ngoài ra trọng lượng của bánh xích Z34 và một phần của trọng lượng dây xích cũng có tác động lên gối đỡ. Giả định rằng trọng lượng này có thể dự tính trọng lượng này khoảng 30% trọng lượng quả cầu hay N2=30% x 115,2 = 34,56N.
- Theo tính toán thực nghiệm khối lượng phôi cơm dừa tối đa là: N3 = γV = - ) = 1,3715 kg = 13,715 N
Với: r1 = 100 mm là bán kính cầu gai giữ cơm dừa
r2 = 120 mm là bán kính chỏm cầu dao cắt
γ=1.063 kg/ là khối lượng riêng của phôi cơm dừa Ta có lực pháp tuyến tỉnh tác động lên cặp ổ lăn là:
22
N=N1+N2+N3= 115,2+34,56+13,715 ≈ 163,5 N
Chọn v1 = 0,2 m/s là vận tốc dài của cầu gai giữ cơm dừa để tính toán. Hiệu suất của toàn bộ hệ thống (công thức 2.9 [4]):
η = ηol.ηx.ηbr = 0,992x0,96×0,98 = 0,922 tra bảng 2.3 [4] với
ηol hiệu suất một cặp ổ lăn ηx hiệu suất bộ truyền xích
ηbr hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ của hộp số
Từ 2.8, 2.10, 2.11 [4], ta có công suất cần thiết nhằm thắng lực cản do trọng lượng các chi tiết:
P1 = = 0,036 kw - Xác định lực ma sát:
Lực ma sát có thể xác định bằng công thức: Fms= f . N
Với: N là lực nén lên lò xo
f là hệ số ma sát giữa cơm dừa và kim loại, có thể chọn f= 0,07 để tính toán (theo www.tribology_abc.com, số liệu thực nghiệm ma sát giữa chất dẻo và kim loại là 0,04 đến 0,1.
Để tính được lực nén tác dụng lên lò xo, ta cần xác định độ cứng của lò xo và khoảng nén của lò xo.
- Độ cứng lò xo k có thể xác định theo công thức: k =
G = 0,81x1011 (N/m2) là Mô đun đàn hồi trượt của lò xo d =8mm= 8x10-3 m là đường kính dây quấn
D=59,6mm=59,6x10-3 m là đường kính trung bình của lò xo nlv=9 là số vòng làm việc của lò xo
23
- Trong quá trình làm việc biên độ dao động của lò xo thay đổi theo bề dày của miếng cơm dừa, độ cân chỉnh khe hở ban đầu của quả cầu gai và lòng trong của chỏm cầu gắn dao cắt và đảm bảo có lực ép liên tục trên miếng cơm dừa. Ta có thể chọn số liệu ban đầu khoảng nén của lo xo x≈10mm trong khi hoạt động. Ta có lực nén tác dụng lên lò xo:
N= k.x= 21.200 x 10x10-3= 212 N Như vậy, ta có thể xác định lực ma sát:
Fms= f.N= 0,07 x 212 x 2= 29,68N Công suất cần thiết để thắng được lực ma sát là:
Từ 2.8, 2.10, 2.11 [4], ta có công suất cần thiết nhằm thắng lực cản do ma sát giữa miếng cơm dừa và lòng trong của bán cầu gắn dao cắt:
P2 =
Với v2 là vận tốc dài của bán cầu gắn dao cắt: v2= π.D.n/1000/60= 13,6 m/s
P2 = = 0,438 kw
Tổng công suất cần thiết để quay trục gá quả cầu là:
PII = P1 + P2 = 0,036+ 0,438 = 0,474 kw (≈ 0,65 Hp) Để hệ thống hoạt động được an toàn, ta chọn mô tơ dẫn động quả cầu gai giữ miếng cơm dừa có công suất 1 Hp, có phối hợp thêm bộ inverter điều chỉnh tốc độ.
Lực đầu vào chỏm cầu dao cắt vỏ nâu cơm dừa
Theo thiết kế dao cắt vỏ nâu cơm dừa có bề rộng là 10 mm, bán kính cầu gai giữ cơm dừa r=100mm vậy chu vi vòng quay của phôi cơm dừa CV1=2× ×r=628mm
Nhằm giảm tiêu hao nguyên liệu, ta chọn độ chồng bước cắt là 0.5mm như vậy mỗi lần dao cắt được bề rộng 9.5 mm
24
Với chu vi bước tiến của phôi như trên, cầu gai giữ cơm dừa đưa phôi quay được một vòng thì dao cắt yêu cầu tối thiểu phải quay được 628/9,5= 67 vòng
Trên cơ sở đó ta chọn bộ truyền đai thang thích hợp truyền chuyển động từ mô tơ I đến trục chính có gắn bán cầu gắn dao với số vòng quay dao cắt chọn ban đầu là 1200 v/ph.
Lực cắt tách vỏ nâu của miếng cơm dừa N1=60 N (qua thực nghiệm), Dựa vào phương án thiết kế và bản vẽ bằng phần mềm solidwork ta tính được khối lượng trục quay dao cắt là: N2= 3,24 kg = 32,4 N
Tổng lực tác dụng lên hệ trục là N= N1 + N2= 60+32,4 = 92,4 N Chu vi của chỏm cầu gắn dao cắt gọt: CV2=2× ×r= 618,4mm
Vận tốc v2được xác định:
v2 = = = 13,6 m s
Theo (2.11) [4] ta có: (sửa lại công thức) PI =
Trong đó η = ηd x ηol = 0,94 0,995 = 0,935 ηđ =0,94 – Hiệu suất bộ truyền đai
ηol = 0,995 – Hiệu suất của 1 cặp ổ lăn PI = = 1,344 kw (≈ 1,79 Hp)
Để hệ thống truyền động dao cắt hoạt động tốt, ta chọn mô tơ dẫn động bán cầu gai mang dao cắt gọt có công suất 2 Hp, có phối hợp thêm bộ inverter điều chỉnh tốc độ.
Chọn kiểu động cơ:
- Động cơ I: Công suất cần thiết PI= 1,344 kw, ta chọn động cơ có công suất 1,5 kw (2Hp) với số vòng quay 1.425 v/ph
- Động cơ II: Công suất cần thiết PII= 0,474 kw, ta chọn động cơ có công suất 0,75 kw (1Hp) với số vòng quay 705 v/ph, hệ số giảm tốc 30.
25 Bảng 3 Kiểu động cơ Công suất Vận tốc quay η % cos Ф Khối lượng kw Mã lực 50 hz 60 hz K112L4 1,5 2 1425 1710 79,0 0,8 2,3 5,9 24 4A90LA8Y3 0,75 1 705 - 0,68 0,62 1,7 1,6 17
Bảng thông số được sử dụng để tính toán:
Bảng 4
Thông số cần thiết Động cơ I Trục I
Công suất (kw) 1,5 1,344
Tỉ số truyền 1,2
Số vòng quay nđcI=1425 nI=1187,5
Bảng 5 Thông số cần thiết Động cơ II Trục II
Công suất (kw) 0,75 0.474
Tỉ số truyền 30 x 1,3
Số vòng quay nđcII=705 nII=18,07
Số vòng quay trục I (trục gắn bán cầu gá dao cắt gọt) là nI=1187,5 và số vòng quay của trục II (trục gắn quả cầu gai) là nII=18,07 là số vòng quay ban đầu theo tính toán lý thuyết khi chưa qua điều chỉnh của inventor.
Trong quá trình vận hành, các thông số trên sẽ tiếp tục điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện thực tế của nguyên liệu.
26
Giả định mỗi vòng quay của quả cầu gai sẽ gọt được 2 miếng cơm dừa với kích thước chiều dài trung bình là 150mm và bề ngang trung bình là 50mm (mỗi quả cắt thành 6 miếng).
Tốc độ quay của quả cầu ban đầu là 18vòng/phút nên trong 1 phút số miếng cơm dừa sẽ được cắt: 2 x 18 = 36 miếng /phút
Trọng lượng cơm dừa chiếm 28% trọng lượng quả dừa nên bình quân 1 trái dừa sẽ có khoảng 0,225 kg cơm dừa nên trọng lượng bình quân 1 miếng cơm dừa tương ứng: 0,225kg : 6 = 0,0375kg
Năng suất lý thuyết có thể xác định:
N= 0,0375kg x 36 x 60 = 81kg/giờ (so với dự kiến 60-70 kg/giờ) Tùy theo tình hình thực tế năng suất có thể gia giảm tùy thuộc vào chủng loại, tuổi dừa cũng như thời gian thao tác của người công nhân. Để có thể điều chỉnh các chế độ hoạt động của máy, bố trí thêm 1 Inverter để điều chỉnh được tốc độ cho từng loạt sản phẩm theo điều kiện thực tế.
Căn cứ vào sơ đồ khối, ta có thể chọn sơ bộ các thông số để làm cơ sở thiết kế và tính toán các bộ truyền động như sau:
- Uh = 30 hệ số giảm tốc của động cơ II
- Uđ = 1,2 tỉ số bộ truyền đai thang, D1= 87mm (puly gắn vào đầu trục mô tơ I, D2= 107mm (puly gắn vào đầu trục chính)
- Ux = 1,3 tỉ số truyền xích, chọn Z1= 26 (đĩa xích gắn đầu trục mô tơ II), Z2= 34 (đĩa xích gắn đầu trục gắn quả cầu gai)
2.2.3.3 Tính toán bộ truyền đai :
Thiết kế bộ truyền đai thang với công suất động cơ điện N= 1,5kw, số vòng quay của trục dẫn n0= 1425 vòng/phút, trục bị dẫn nI= 1187,5vòng/phút tải trọng ổn định làm việc 2 ca.
Chọn loại đai: Vận tốc đai v=5,53>5m/s có thể dùng đai loại A (bảng 5.13 trang 93 [3])
- Tiết diện đai: a x h (mm), tra bảng 5-11 trang 92 [3]: a=13, =11, h=8 - Diện tích tiết diện đai: F=81 mm2
27
Xác định đường kính bánh đai nhỏ: tra bảng 5-14 trang 93 [3] ta chọn được D1=90 mm.
Kiểm nghiệm vận tốc đai: Áp dụng 5.18 trang 93 [3]:
V = = = 6,705 m/s
V=6,705 < Vmax = (30÷35) m/s (thỏa điều kiện) Xác định đường kính D2 của bánh lớn
D2 = (1 – 0,02)90= 105,84 mm
Theo bảng 5-15 trang 93 [3] và do thuận tiện trong việc chế tạo và tính toán tỉ số truyền chọn D2=120 mm.
Số vòng quay thực của trục I là:
nI= (1 – 0,02).1425 = (1-0,02).1425 = 1187,5 vòng/phút
i = = 1,2 Khoảng cách trục thỏa mãn điều kiện:
0,05.(D1 + D2) +h ≤ A≤ 2.(D1 + D2) 0,5(90+105,84)+8 ≤ A≤ 2.(90+105,84)
97,92 ≤ A≤ 391,68 . Ta chọn A = 300mm Chiều dài L đai theo khoảng cách trục A sơ bộ:
L= 2A + (D1+ D2) + = 907,8 mm
Lấy L theo tiêu chuẩn của bảng 5-12 trang 92 [3] hoặc bảng 4.23 trang 65 sách thiết kế chi tiết máy ta chọn L= 950 mm
Kiểm nghiệm số vòng chạy u trong 1 giây u = = = 7,06 umax =10
Xác định chính xác khoảng cách trục A theo chiều dài đai đã lấy theo tiêu chuẩn công thức 5-2 trang 83 [3], ta có:
28
A=
A=
= 320,99 321mm
Khoảng cách nhỏ nhất cần thiết để mắc đai (phần 6 trang 100 [3]): Amin =A - 0,015L= 321 – 0,015x950 = 306,75 mm
Khoảng cách lớn nhất cần thiết để tạo lực căng:
Amax = A + 0,032L= 321 + 0,032*950 = 351,4 mm
Tính góc ôm 1 :
1 = 1800 – 570 =175,410, góc ôm thỏa điều kiện 1 120 0
Xác định số đai cần thiết : Ta có công thức:
Z Trong đó:
F là diện tích tiết diện đai trong bảng 5-11[3]: F=81mm2
Vận tốc đai v =6,705 m/s
N =1,5 công suất lên trục đai dẫn (công suất trên trục động cơ)
[ p]o =1,51(+12%)=1,69N/mm2 ứng suất có ích cho phép (tra bảng 5-17 [3])
= 0,7: hệ số xét đến ảnh hưởng của chế độ tải trọng (tra bảng 5-6 trang 89 [3])
=0,94: hệ số xét đến ảnh hưởng của góc ôm (tra bảng 5.7 trang 90 [3])
=1: hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc (tra bảng 5-8 trang 90 [3])
29
Z = 1,21
ta chọn số đai Z=1 Xác định các kích thước chủ yếu của bánh đai.
Ta tra bảng 10-3 [3], ta được: t = 16 ; s = 8,5 ; h0 = 3,5 Chiều rộng bánh đai:
B =(Z – 1).t + 2s = ( 1 – 1).16 + 2.8,5 = 17 mm Tính lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục:
Lực căng ban đầu với mỗi đai : S0 = 0. F = 1,2. 81 = 97,2 N
trong đó:
- 0 là ứng suất căng ban đầu - F : diện tích tiết diện đai. Lực tác dụng lên trục:
R = 3. . Z . = 3 . 97,2 . 1 . = 62,3276 N 2.2.3.4 Tính toán bộ truyền xích:
Chọn loại xích ống con lăn vì rẻ hơn xích răng và yêu cầu bộ truyền không phải làm việc êm, không ồn.
Định số răng đĩa xích:
chọn Z1 = 26 ; Z2 = 34 (công thức 6-5 trang 105 [3]) i = = 1,307
Định bước xích (t):
Tra bảng 6-4 trang106 [3] ta chọn được xích ống con lăn 1 dãy có bước t = 12,7 mm, f = 50,3 mm2
Tra bảng 6-1 trang 103 [3] ta tìm được kích thước chủ yếu của xích: - Tải trọng phá hủy: Q = 18000 N
- Khối lượng 1 m xích: q = 0,71 kg Định khoảng cách trục A và số mắc xích X.
30
Chọn sơ bộ khoảng cách trục A
Amin= ( 30 50 )t = ( 30 50).12,7 = 381 635
ta chọn giá trị trung bình A = 580 nằm trong phạm vi cho phép Tính số mắt xích theo A sơ bộ (công thức 6-4 trang 102 [3]):
X + = + +
= 136.374
Ta chọn X=136
Kiểm nghiệm số lần va đập trong 1 giây :
u = = [ u ] (công thức 6-16 trang 108 [3]).
U = = 0,2995<[ u ]=60 (bảng 6-7 trang 109 [3]) điều kiện được thõa mãn Tính chính xác khoảng cách trục A theo số mắt xích . A = [X – + ] A = [ 136 – + ] A = [ 136 -30+ 105,9387 ] = 672,9 Chọn A = 670 mm
Tính đường kính vòng chia của đĩa xích : dc = (công thức 6-1 trang 102 [3])
- Đĩa dẫn: dc1 = = 105,36 mm
- Đĩa bị dẫn: dc2 = = 137,64 mm
31
Rx = Kt. P = = = 122,8638 N
trong đó: Kt là hệ số xét đến tác dụng của trọng lượng xích lên trục phụ thuộc độ nghiêng của bộ truyền
32
2.2.3.5 Thiết kế dao gọt vỏ nâu:
Quá trình cắt (gọt) lớp vỏ nâu về cơ bản là quá trình tách lớp vỏ nâu và phần thịt của cơm dừa, nhưng thông thường là sự phá hủy mối liên kết giữa các phần vật liệu của cơm dừa do lớp vỏ nâu sau khi tách ra thường còn dính một phần mỏng của cơm dừa. Quá trình cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dáng hình học của dao cắt (độ sắc, góc mài, chày dày dao, góc cắt...), đặc tính của vật liệu cắt cũng như chế độ động học của bộ phận cắt...
Vật liệu: Có thể dùng thép gió hoặc inox
Dao được thiết kế với dạng nêm phẳng, góc cắt tạo thành bởi mặt vát nghiêng (góc mài) σ=180-250 và được bố trí sao cho lưỡi cắt tiếp tuyến với mặt cong phía trong của chỏm cầu gắn dao cắt và hoạt động theo phương pháp cắt thái có trượt (vt ≠ 0). Độ sắc của lưỡi dao được đo bằng bề dày y của cạnh sắc lưỡi dao, yêu cầu độ sắc y luôn duy trì 20 ÷ 40 µm, về mặt lý thuyết thì nếu y ≥ 100 µm thì việc cắt sẽ khó khăn nên cần phải mài lại. Chú ý khi mài lại cần sử dụng loại đá mài mềm, có hạt mịn ký hiệu 180-220 nhằm giảm độ nhấp nhô trên bề mặt lưỡi cắt.
33
Để điều chỉnh bề dày lớp vỏ nâu tách ra khỏi miếng cơm dừa, ta chỉnh khe hở δ của lưỡi dao so với mặt cầu bên trong của chỏm cầu. Khi δ càng nhỏ thì chiều dày lớp cắt sẽ càng bé tuy nhiên nếu khe hở quá bé dễ dẫn đến lực ma sát tăng cao không tốt cho quá trình cắt. Cần phải nghiên cứu phối hợp thêm với góc cắt thái α (góc tạo thành giữa góc mài σ và góc nghiêng đặt dao β) nhằm đảm bảo áp suất cắt bé nhất và điều kiện thoát vỏ nâu thuận tiện nhất.
Chuyển động tương đối của quá trình cắt được tạo thành bởi sự phối hợp giữa chuyển động quay tròn dao cắt gắn trên chỏm cầu gá dao cắt và chuyển động quay tròn của quả cầu gai đưa miếng cơm dừa vào vùng cắt gọt. Đây là một