Tổ hợp 3: Con người - Điện lưới – Định hình – Con người
Quay tròn Dừa bằng sức Người (bộ truyền xích), đầu Dừa được cắt bằng Dao cắt Đĩa (sử dụng điện lưới); cơ cấu kẹp Dừa bằng sức Người, Dừa được gọt theo sự định hình của dao cắt (cơ cấu Trượt và Thanh răng – Bánh răng).
Hình 4.3: Ý tưởng thiết kế Tổ Hợp 3 4.2.4 Phương án 4/ Ý tưởng 4
Tổ hợp 4: Điện lưới – Điện lưới – Định hình – Con người
Quay tròn Dừa và cắt đầu Dừa bằng nguồn điện lưới, vỏ Dừa được gọt theo sự định hình của Dao (cơ cấu Thanh răng – Bánh răng), Dừa được kẹp và giữ bằng sức người (cơ cấu Trượt).
72
Hinh 4.4: Ý tưởng thiết kế Tổ Hợp 4
4.2.5 Phương án 5/ Ý tưởng 5
Tổ hợp 5: Điện lưới – Con người – Định hình – Con người.
Dừa quay tròn nhờ nguồn điện lưới, Dừa được gọt theo định hình của Dao ( sử dụng sức người), cắt Đầu Dừa và kẹp Dừa bằng sức người (sử dụng cơ cấu Thanh răng – Bánh răng).
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
73
4.3 Đánh giá ý tưởng
Sau khi tổng hợp và đưa ra tổ hợp ý tưởng cho máy “Gọt vỏ Dừa Tươi”, tiếp tục tiến hành đánh giá ý tưởng thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật đặc trưng của máy và đưa ra quyết định lựa chọn ý tưởng tốt nhất để tiến hành thực thi ý tưởng thành sản phẩm cụ thể. Trong nhiều tài liệu thiết kế, cũng như thực nghiệm để đánh giá ý tưởng người ta sử dụng bảng ma trận đánh giá nhằm thu hẹp phạm vi và chọn lọc ý tưởng thiết kế dễ dàng và có chất lượng tốt. Bảng ma trận đánh giá được xây dựng năm 1980 bởi Stuart Pugh ([, nó được sử dụng rộng rãi và có độ tin cậy cao trong giai đoạn đánh giá và chọn lọc ý tưởng thiết kế. Dưới đây là bảng ma trận đánh giá theo các tiêu chuẩn đặc trưng ( các yêu cầu kỹ thuật mong muốn đạt được ) của máy “ Gọt vỏ Dừa Tươi” đối với các chức năng chính: chuyển
động quay tròn Dừa, cắt đầu Dừa, cơ cấu gọt vỏ ( chạy dao ), cơ cấu kẹp chặt Dừa. Trong bảng ma trận đánh giá :
Cột Tiêu chuẩn: là những từ khóa thể hiện các yêu cầu kỹ thuật .
Cột Tỉ trọng: là tỉ trọng chi phí tăng thêm khi cần đạt các yêu cầu mong muốn. Giá trị tỉ trọng được lấy từ cột tỉ trọng của bảng 1.
Chọn 1 yếu tố làm mốc tính toán các giá trị cho các yếu tố còn lại.
Cột Giá trị: là mức độ đánh giá giá trị của các yếu tố còn lại so với yếu tố được chọn làm mốc tính toán, được quy ước như sau:
Giá trị [0] : Giá trị tương đương với mốc tính toán
Giá trị [+1] : Tốt hơn so với mốc tính toán
Giá trị [+2] : Tốt hơn rất nhiều so với mốc tính toán
Giá trị [-1] : Kém hơn so với mốc tính toán
Giá trị [-2] : Kém hơn rất nhiều so với mốc tính toán
[Tỉ trọng giá trị] = [Tỉ trọng] x [Giá trị]
Chú ý: kết quả bảng ma trận mang tính tương đối và có sự chênh lệch giá trị.
Bảng 4.1: Đánh giá chức năng Chuyển động quay tròn Dừa
Tiêu chuẩn
Tỉ trọng
Con người Điện lưới Điện Ac-qui
Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Tuổi bền 3 +1 +3 +1 +3 Cơ cấu 3 +1 +3 +1 +3
74 Tốc độ cắt 2 Mốc tính toán +2 +4 +1 +2 Lực kẹp 1 -2 -2 -1 -1 Lực cắt 2 +2 +4 +1 +2 Nhẹ 2 0 0 0 0
Bảo trì đơn giản 3 -1 -3 -1 -3
Thẩm mỹ 3 0 0 0 0
An toàn cắt 2 -1 -2 -1 -2
Chính xác 3 +2 +6 +2 +6
Chi phí 1 -1 -1 -2 -2
Tổng tỉ trọng giá trị 0 +12 +8
Bảng 4.2: Đánh giá chức năng cắt gọt ( chạy dao):
Tiêu chuẩn Tỉ trọng Theo biên dạng Định hình Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Chiều sâu 3 Mốc tính toán +1 +3 Cơ cấu 3 +1 +3 Tốc độ cắt 2 -1 -2 Lực cắt 2 +1 +2 Vệ sinh 2 0 0 Tuổi bền 2 0 0
Tiêu chuẩn hóa 2 0 0
Nhẹ 2 -1 -2
Chính xác 3 +1 +3
An toàn cắt 2 -1 -2
Bảo trì đơn giản 3 +1 +3
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
75
Chi phí 1 +1 +1
Tổng tỉ trọng giá trị 0 +6
Bảng 4.3: Đánh giá chức năng kẹp – giữ Dừa
Tiêu chuẩn Tỉ trọng
Con người Điện lưới Khí nén
Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Giá trị Tỉ trọng giá trị Cơ cấu 3 Mốc tính toán +1 +3 -1 -3 Lực kẹp 2 +2 +4 +2 +4 Tuổi bền 3 +1 +3 +1 +3
Tiêu chuẩn hóa 2 +2 +4 +1 +2
Nhẹ 2 -2 -4 -2 -4
Chính xác 3 +1 +3 +1 +3
An toàn cắt 2 +1 +2 +1 +2
Dễ thay thế 2 +1 +2 -1 -2
Thẩm mỹ 3 -1 -3 -1 -3
Bảo trì đơn giản 3 +1 +3 -1 -3
Vệ sinh 2 -2 -4 -1 -2
Chi phí 1 -1 -2 -2 -4
Tổng tỉ trọng giá trị 0 +11 -7
4.4 Chọn ý tưởng thiết kế - chế tạo
Từ 3 bảng ma trận đánh giá với 4 chức năng quan trọng nhất của máy, cho thấy:
1. Tổ hợp ý tưởng 1:
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4 yếu tố ( chuyển động quay Dừa, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+29]
76
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4 yếu tố ( chuyển động quay Dừa, chuyển động quay Dao, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+12]
3. Tổ hợp ý tưởng 3:
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4yếu ( chuyển động quay Dừa, chuyển động quay Dao, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+6]
4. Tổ hợp ý tưởng 4:
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4 yếu tố ( chuyển động quay Dừa, chuyển động quay Dao, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+18]
5. Tổ hợp ý tưởng 5:
Có tổng tỉ trọng giá trị của cả 4 yếu tố ( chuyển động quay Dừa, chuyển động quay Dao, cơ cấu cắt gọt (chạy dao), cơ cấu kẹp chặt ) là [+14]
Kết luận:
Như vậy Tổ Hợp 1 có tổng tỉ trọng giá trị cao nhất. Cho nên Tổ Hợp 1 sẽ được lựa
chọn để tiến hành thiết kế và chế tạo thử nghiệm.
4.5 Kiểm tra khả năng tương thích giữ Ý tưởng thiết kế và Con Người
Sau khi mô phỏng sơ bộ, tiếp tục mô phỏng Máy với kích thước và hình dáng thiết kế thật so với Người, với các tư thế (Đứng, Cúi Người, Quỳ, Ngồi trên Ghế) như sau:
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
77
Hình 4.7: Tư thế Cúi Người
78
Hình 4.9: Tư thế ngồi trên Ghế
Thông qua các mô phỏng, cho thấy với kích thước Máy và các tư thế sử dụngMáy của Con
Người như vậy sẽ gây ra nhược điểm sau: Không duy trì được tư thế làm việc trong một khoản thời gian dài, người sử dụng sẽ cảm thấy mệt mỏi sau nhiều giờ làm việc với tư thế không thoải mái, đồng thời làm giảm giá trị của sản phẩm.
Thiết kế bộ phận hỗ trợ Máy
Sau khi xem xét sự tương thích của Máy và Người, để tăng khả năng sử dụng Máy dễ dàng và thoải mái hơn cần có một bộ khung hỗ trợ chiều cao của Máy phù hợp với tư thế vận hành.
Trong phần này sẽ xây dựng tư thế Ngồi phù hợp cho Người khi sử dụng máy, bởi vì tư thế Ngồi là tư thế có thể duy trì khả năng làm việc lâu nhất.
CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
79
Hình 4.10: Tư thế Ngồi phù hợp khi có cơ cấu hỗ trợ
Từ mô hình mô phỏng sẽ xác định được kích thước Khung hỗ trợ với độ chính xác tương đối như sau: Chiều dài 400 mm, chiều rộng 500 mm, chiều cao 300 mm.
80 CHƯƠNG 5
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
Sau khi đánh giá, lựa chọn được ý tưởng thiết kế tốt nhất và kiểm tra khả năng sử dụng
Máy của Con Người, tiếp theo trong chương 5 sẽ thực hiện các công việc tính toán thiết kế và chế tạo thử nghiệm cho ý tưởng được lựa chọn.
Nội dung chương 5 bao gồm các tính toán sau:
Tính toán, kiểm bền bộ truyền trục chính. Tính toán bộ, kiểm bền chạy dao bên. Tính toán, kiểm bền bộ chạy dao trên. Tính toán, kiểm bền Thân Máy.
Kiểm bền Khung Máy (cơ cấu hỗ trợ).
5.1 CÁC BỘ PHẬN CHÍNH VÀ TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN 5.1.1 Sơ đồ các bộ phận chính 5.1.1 Sơ đồ các bộ phận chính
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
81
Hình 5.2 : Các bộ phận chính
Các bộ phận chính máy ‘ Gọt Vỏ Dừa Tươi’ bao gồm các bộ phận : - Bộ truyền trục chính :
Thực hiện chức năng tạo chuyển động quay Dừa liên tục trong suốt quá trình gọt. Bao gồm : Trục, gối đỡ, ổ lăn, puly, chấu kẹp, động cơ…
- Khung :
Với vai trò lắp ráp các bộ phận, chi tiết của máy. - Bộ chạy dao bên :
Thực hiện chuyển động chạy dao tịnh tiến hướng tâm để gọt vỏ phần thân Dừa. Gồm : Vít me – đai ốc, thanh trượt – rãnh trượt, thanh đỡ, thanh truyền, dao…
- Bộ chạy dao trên :
Bộ chạy dao trên
Bộ chạy dao bên Thân Bộ truyền trục chính Bộ cắt đầu Dừa
82
Có nhiệm vụ tạo lực dọc trục đẩy Dừa ghim sâu vào chấu kẹp và chạy dao tự động. Bao gồm : Thanh răng – Bánh răng, Tay quay, Thanh trượt – Rãnh trượt, Chống tâm, Tấm dẫn hướng, ống lót, motor giảm tốc…
5.1.2 Trình tự tính toán
Trình tự tính toán các bộ phận máy :
Tính toán, kiểm bền bộ truyền trục chính. Tính toán bộ, kiểm bền chạy dao bên. Tính toán, kiểm bền bộ chạy dao trên. Kiểm bền Thân và Khung Máy.
5.2 TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN TRỤC CHÍNH 5.2.1 Sơ đồ cấu trúc (sơ đồ động)
Sơ đồ 5.1: Động bộ truyền trục chính 5.2.2 Trình tự tính toán
Tính toán tốc độ cắt, số vòng quay Trục Chính.
Tính toán lực cắt, công suất cắt và chọn công suất động cơ :
Phương án 1 : Theo lực cắt P
Phương án 2 : Theo lực cắt F Tính toán và chọn động cơ Tính toán bộ truyền Đai Thang. Tính toán, kiểm bền Trục Chính. Chọn then và kiểm tra bền. Chọn Ổ Lăn
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
83
5.2.3 Nội dung tính toán
5.2.3.1 Tính toán tốc độ cắt, số vòng quay Trục Chính: 5.2.3.1.1 Cơ sở tính toán
- Năng suất gọt: 200-300 trái/giờ
- Kích thước quả Dừa: đường kính từ 150-250 mm, chiều cao từ 150-250 mm
- Kích thước máy : chiều rộng ≤ 500 mm, chiều dài ≤ 400 mm, chiều cao ≤ 700 mm - Vật liệu: đảm bảo an toàn thực phẩm
Hình 5.3: Kích thước Dừa
- Cơ tính của Quả Dừa: Khối lượng riêng (g/ ) Độ bền (Mpa) Môđun đàn hồi (Gpa) Môđun riêng (MN.m/kg) Độ bền riêng (MN.m/kg) Biến dạng phá hủy (%) 1.25 131-220 4-6 2.5-5 0.14-0.2 15-25
Bảng 5.1: Cơ tính sợi xơ Dừa [4][32] [33]
∅250
84 - Độ cứng sợi xơ Dừa:
Độ cứng lớn nhất của một số sợi được tổng hợp từ sợi xơ Dừa và một số sợi hóa học:
Sợi Polyester Composite(85%) EPOXY RESIN (28%)
Độ cứng 37,8 (HV~HB) 30,03 (HRF)~40 (HB)
Tài liệu tham khảo [19] [25],[26]
Bảng 5.2: Độ cứng sợi xơ Dừa
Chọn độ cứng của xơ Dừa ~ 40 (HB) để thực hiện các tính toán.
Để thuận tiện trong tính toán theo các công thức và các thông số tiêu chuẩn từ các tài liệu
tính toán đã được áp dụng trong các giáo trình Công Nghệ Chế Tạo Máy, Chế Độ Cắt Gia Công Cơ Khí, Cơ Sở Công Nghệ Chế Tạo Máy…. chọn độ cứng của Dừa tương đương với độ cứng của Silumine ≤65 HB và hợp kim nhôm đúc có độ bền từ 300÷400 Mpa, (bảng 1-1, trang 14, [9]).
Dụng cụ cắt gọt là Thép dụng cụ cắt gọt (thép không gỉ) có độ cứng tương đương với Thép
Gió.
5.2.3.1.2 Thực hiện tính toán
Tốc độ chạy dao (tiện định hình với chiều sâu lớn 2 ÷6 mm): 0,025 mm/vòng (bảng 24-1, trang 28,[9]) Vận tốc cắt: V = . . (m/phút) (trang 9, [9]) (5.1) - = 328 (bảng 1-1, trang 14,[9]) - T = 60 (phút) ; m = 0,23 - S = 0,025 (mm/vòng) ; y = 0,25 = . . . (5.2) - = 1 (bảng 5-1, trang 16, [9]) - = 0,8 (bảng 7-1, trang 17, [9]) - = 1 (bảng 8-1, trang 17, [9])
Với góc nghiêng chính = : (bảng 9-1, trang 18,[9]) - = 1,4 - = 1 - = 0,94 - = 0,93 - = 0,96 (bảng 10-1, trang 18, [9]) => = 1.0,8.1.0,94.1,4.1.0,93.0,96 = 0,94
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY
85
V = . ,
, . , , = 131,8 (m/phút) ~ 2,2 (m/s)
Mặt khác, theo kết quả nghiên cứu từ tài liệu [24] để quá trình gọt vỏ Dừa Tươi không gây ra vết bầm (vết thâm) trên bề mặt đã gọt thì vận tốc cắt không được lớn hơn 5,75 (m/s). Như vậy, với vận tốc cắt 2,2 (m/s) thỏa mãn điều kiện trên.
Số vòng quay : n = . . (vòng/phút) (trang 10,[9]) (5.3) n = . . =167,8 ÷ 279,7 (vòng/phút) với D = 150 ÷ 250 (mm) Từ kết quả tính toán, chọn : n = 280 (vòng/phút) 5.2.3.2 Tính lực cắt, công suất cắt
5.2.3.2.1 Phương án 1: Tính toán theo lực cắt 5.2.3.2.1.1 Cơ sở tính toán
- Lực cắt:
Trong quá trình cắt gọt theo nguyên lý Tiện sẽ sinh ra lực cắt: , , . Trong đó:
- Pz : lực tiếp tuyến, trùng với phương vận tốc V, có giá trị lớn nhất. Dùng để kiểm nghiệm công suất tiêu thụ của máy.
- Py : lực chạy dao, có phương trùng với phương chạy dao s. Lực này tác dụng lên cơ cấu chạy dao của máy.
- Px: lực hướng kính, có phương trùng với phương chiều sâu cắt t. Lực này gây rung động trong mặt phẳng ngang. Với phương pháp tiện định hình, lực cắt
86 Hình 5.4: Sơ đồ lực cắt Hình 5.5: Lực cắt khi tiện định hình 5.2.3.2.1.2 Thực hiện tính toán Lực cắt chính : = . . . . (trang 10,[9]) (5.4) Trong đó : - : lực cắt chính theo phương Z - S : tốc độ chạy dao (mm/vòng) Py R Pz N Dao Py R Pz N Dao Px
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN MÁY 87 - t : chiều sâu cắt (mm) - V : tốc độ cắt (m/phút) - : hệ số điều chỉnh chung về lực cắt = . . . . (5.5) : hệ số xét đến ảnh hưởng của vật liệu gia công
, , , : hệ số xét đến thông số hình học của dao Tra bảng 11-1, trang 19, tài liệu [9], ta được :
xpz ypz npz
50 1 1 0
Tra bảng: 14-1, trang 21; 15-1, trang 22, [9], ta được :
1 1.08 1.15 1 0.87
=> = 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 không phức tạp lực cắt giảm 10% ÷ 15%, nên lực cắt sẽ là: = 135.0,85 = 114,75 (Kg) Lực chạy dao : = . . . . (trang 10,[9]) (5.6) Trong đó : - : lực cắt chính theo phương Y - S : tốc độ chạy dao (mm/vòng) - t : chiều sâu cắt (mm) - V : tốc độ cắt (m/phút) - : hệ số điều chỉnh chung về lực cắt = . . . .
: hệ số xét đến ảnh hưởng của vật liệu gia công
88
Tra bảng 11-1, trang 19, tài liệu [9], (Các giá trị trong bảng được lấy bằng đơn vị) ta được :
xpy ypy npy
1 1 1 1
Tra bảng: 12-1, 13-1, trang 21; 15-1, trang 22, [9], ta được :
0,34 1.63 1.6 1 0.66
=> = 0,34.1,63.1,6.1.0,66 = 0,59
Suy ra: = 1. 100 . 0,025 . 131,8 . 0,59 = 194,4 (kg)
Khi tiện định hình với biên dạng không phức tạp lực cắt giảm 10÷ 15%, nên lực cắt sẽ là:
= 194,4.0,85 = 165,2 (Kg)
Công suất cắt:
Công suất cắt tính theo lực cắt chính : N = .
. (trang 10, [9]) (5.7)
Trong đó :
- N (Kw) : Công suất cắt do lực cắt gây ra
- V (m/phút) : Tốc độ cắt
N = .
. = , . ,
. = 2,47 (Kw)
5.2.3.2.2 Phương án 2: Tính toán theo lực cắt F
Công suất cắt tính theo lực cắt thực nghiệm, [27]:
P = . (Kw) (CT 2.11, trang 20, tài liệu [10]) (5.8) Trong đó:
- P (Kw) : Công suất làm việc của trục chính - F (N) : Lực cắt cần thiết
- v = V (m/s) : Tốc độ cắt của trục chính