Về cơ tính nói chung bao gồm lực cắt, kéo, nén, xoắn, uốn… Nhưng trong giới hạn của đề tài chỉ tập trung nghiên cứu, thực nghiệm về lực cắt qua đó xác định được độ dai của vỏ chanh. Trong đó có 2 thành phần lực chính là lực cắt chính ( lực tiếp tuyến ) Pz và lực hướng kính Py, theo thực nghiệm thì Py = (0,4- 0,5) Pz . Do đó ta chỉ cần đo lực cắt chính Pz.
26
Tiến hành thí nghiệm ta tính toán được cơ tính (lực đủ lớn để gọt được vỏ chanh) của qủa chanh như sau:
Bảng 3.2. Bảng xác định cơ tính của vỏ chanh (N)
Tuy nhiên: Số liệu trên chỉ mang tính chất tương đối vì còn phụ thuộc vào tình trạng vỏ chanh còn tươi hay đã héo, vỏ dày hoặc mỏng.
3.4. Các thông số hình học của dao
Trong quá trình cắt gọt, dao cắt đóng vai trò quan trọng vì dao trực tiếp quyết định đến chất lượng thành phẩm... Nếu chất lượng dao không tốt lập tức ảnh hưởng đến đến năng suất lao động, độ ổn định của máy, chất lượng sản phấm, ,tiêu hao năng lượng…Do đó, dao được chế tạo phải đáp ứng một số yêu cầu cơ bản sau đây: gọt vỏ với năng suất cao, phôi vỏ thoát dễ dàng, êm ngọt không sượng, không rung động mạnh khi cắt, có khả năng chống mài mòn cao để tuổi thọ dao dài, giảm được số lần mài dao lẫn thời gian sử dụng, dễ chế tạo, lắp ráp đơn giản, gọn nhẹ.
Trong quá trình gọt vỏ, dao cắt phải qua hệ thống trung gian của bộ gá dao, khi thiết kế dụng cụ cắt không những thiết kế lưỡi dao mà còn phải thiết kế cả bộ gá. Cho nên bộ gá dao cũng phải được đơn giản hóa, gọn nhẹ, dễ chế tạo…và đặc biệt là tính kinh tế.
Số lần thực nghiệm Lực cắt Pz( Kgf) Lực Py (Kgf) Ghi chú 1 1,6 0,64 1(Kgf) = 9,807 (N) 2 1,8 0,72 3 1,8 0,72 4 1,6 0,64 5 2,0 0,8 6 1,6 0,64 7 1,8 0,72 8 1,4 0,56 9 1,6 0,64 10 1,8 0,72 Trung bình 1,7 (Kgf) 0,68 (Kgf)
27
Các dạng mặt cắt ngang của dao:
Hình 3.5. Các dạng mặt cắt của dao gọt vỏ
Chọn kiểu dao: Vì vỏ chanh có cấu tạo là chất xơ theo lớp nên ta chọn dao theo dạng 1 hoặc 3
Thông số hình học của dao:
- Lực cắt cần thiết Q(N):
28
Khi cắt thái các vật đàn hồi, áp suất riêng q (N/cm) gây ra hai giai đoạn: Đầu tiên là lưỡi dao nén ép vật thái một đoạn, rồi đến cắt đứt vật thái. Trong quá trình lưỡi dao đi vào vật thái còn phải khắc phục các lực ma sát T1 do áp lực cản của vật thái tác động vào mặt bên của dao và T2 do vật thái dịch chuyển bị ép tác động vào mặt vát của cạnh sắc lưỡi dao. Nếu gọi Pt là lực cản cắt thái và Q (N) là lực cắt cần thiết thì:
Q = Pt + T1 + T2 .cosσ
Với: σ – góc mài của lưỡi dao.
- Độ sắc s (mm) của cạnh sắc lưỡi dao:
Độ sắc s cũng chính là chiều dày của lưỡi dao. Độ sắc cực tiểu đạt tới 20 ÷ 40 μm. Đối với các máy trong chế biến thực phẩm không vượt quá 100 μm, nếu vượt quá giới hạn này coi như lưỡi dao đã bị cùn và cắt kém.
Độ sắc s càng lớn thì áp suất riêng q (N/cm) càng lớn, làm tăng lực cắt, gây khó khăn trong cắt gọt…
Nếu gọi ứng suất cắt của vật cắt là 𝜎𝑐 thì:
q = s. 𝝈𝒄
- Góc cắt gọt 𝛼 là góc hợp bởi góc đặt dao 𝛽 và góc mài dao 𝜎 𝜶 = 𝜷 + 𝝈
Hình 3.7. Các góc độ của lưỡi dao
Vấn đề tính toán góc đặt dao β phải tính toán thiết kế sao cho lớp vỏ sau khi được thái xong và tiếp tục được cuốn vào, sẽ không chạm vào mặt dao, tránh ma sát vô ích. Góc đặt dao 𝛽 sẽ phụ thuộc vào vận tốc quay của dao, dạng cạnh sắc của lưỡi dao,…Thường ta chọn 𝜷 = 40.
29
Góc mài dao 𝜎 đã được Renznik N.E nghiên cứu và đề xuất năm 1975, công thức ảnh hưởng đến lực cắt: Qth = Pt + c.tg𝝈 , (N) - Trong đó: + Qth – lực cắt tới hạn cần thiết + Pt – lực cản cắt , (N) + c – hệ số thứ nguyên , (N/cm)
Góc mài dao 𝝈 nói chung nhỏ, nhưng vì độ bền của dao có hạn cho nên gó mài của máy cắt của quả thường lớn hơn hoặc bằng 120, đối với máy thái củ quả, 𝝈 = 180 ÷ 250
- Độ bền của vật liệu làm dao
Dao có chất lượng bền thì lâu cùn, thái tốt. Khi đó, công nén lớp vật thái do lưỡi dao tác động lúc ban đầu sẽ tốn ít hơn và công cản thái cũng nhỏ hơn.
- Vận tốc của dao cắt V (m/s)
Vận tốc dao gọt ảnh hưởng đến quá trình gọt vỏ, thể hiện cụ thể bằng những đồ thị thực nghiệm biểu diễn sự biến thiên của áp suất riêng q hoặc lực cắt thái Q và công cắt thái Nc với vận tốc của dao thái.
Hình 3.8. Quan hệ giữa vận tốc và áp suất riêng Theo Renzik, ta có thể tính theo công thức thực nghiệm:
Nc = 75.100,0019 . 2,6 40
v q
30
Hình 3.9. Mô hình gọt vỏ với lưỡi cắt có 𝜎 = 200. Cơ cấu dao gồm :
- Lưỡi cắt của dao làm bằng thép không gỉ vì đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, đồng thời nước chanh có tính acid nên dễ bị oxi hóa với vật liệu thông thường.
- Độ dày lưỡi dao là 1 mm và góc lưỡi dao mài 𝜎 = 180.
- Cán dao làm bằng thép, đầu cán dao có khoan lỗ để lắp lưỡi dao, đế cán dao có 1 chốt để gắn lò xo.
- Nguyên lý cắt gọt: Lưỡi dao luôn tựa vào quả chanh trong suốt quá trình cắt gọt nhờ vào lò xo bên dưới, cắt theo nguyên lý bao hình. Lò xo phải được tính toán để chọn vật liệu, đường kính từ lực cắt quả chanh Py ( khảo sát ở trên).
3.5. Lý thuyết cắt gọt vỏ
Theo nguyên lý gọt vỏ chanh trong đồ án áp dụng ( nêu ở chương 2) giống như phương pháp gia công tiện trong cơ khí nên dựa vào lý thuyết này làm nền tảng cho tính toán gọt vỏ chanh.
3.5.1. Các chuyển động trong cắt gọt vỏ
- Chuyển động cắt chính: là chuyển động cơ bản để gọt được vỏ chanh, chuyển động tạo lực cắt lớn nhất.
- Chuyển động chạy dao: là chuyển động của dao ra vào tự lựa để vỏ gọt được ra đều.
- Chuyển động phụ: đưa dao vào, lùi dao ra…
a) Đặc trưng của chuyển động cắt chính
- Vận tốc cắt V ( tại 1 điểm) hay còn gọt là tốc độ cắt: là lượng dịch chuyển tương đối giữa lưỡi cắt và quả chanh trong một đơn vị thời gian.
31
Do đó tốc độ cắt được hợp bởi tốc độ vòng của quả chanh và tốc độ của chuyển động chạy dao:
𝐕̅ = 𝐕̅n + 𝐕̅S
Trong đó:
𝐕̅n : Tốc độ vòng của quả chanh 𝐕̅S : Tốc độ chuyển động chạy dao
Thực tế thì chuyển động chạy dao rất bé nên thường bỏ qua. Do đó, vận tốc cắt: V = 𝛑.𝐃.𝐧
𝟏𝟎𝟎𝟎 (m/phút)
Nếu chuyển động cắt chính là chuyển động tịnh tiến thì giữa vận tốc cắt V(m/phút), số hành trình kép n(htk/phút) và chiều dài L (mm) có quan hệ sau:
V = 𝛑.𝐋.𝐧
𝟏𝟎𝟎𝟎 (m/phút)
b) Đặc trưng của chuyển động chạy dao
- Lượng chạy dao khi tiện là khoảng dịch chuyển của dao theo phương chuyển động chạy dao trong một vòng quay của quả chanh.
- Lượng chạy dao có thể là lượng chạy dao vòng Sv (mm/vòng), lượng chạy dao phút Sph (mm/phút).
3.5.2. Lực cắt và cơ sở để chọn động cơ dựa vào lực cắt:
- Lực cắt: Muốn gọt được vỏ thì cần phải tác dụng vào dao một lực để thắng được lực liên kết giữa vỏ và múi của quả chanh.
32
- Khi gọt vỏ, các thành phần lực cắt có phương trùng với phương của các chuyển động cắt gọt.
+ PZ : lực tiếp tuyến, trùng với phương vận tốc V, có giá trị lớn nhất.
+ PY: lực hướng kính, có phương trùng với phương chiều sâu cắt t. Lực này gây rung động trong mặt phẳng ngang, dao có bị đẩy vào hoặc lùi ra. + PX : lực chạy dao, có phương trùng với phương chạy dao S. Lực này tác
dụng lên cơ cấu chạy dao
Lúc này ta có hợp lực: , do vậy việc đo các thành phần lực được tiến hành dễ dàng. 𝐑̅ = 𝐏̅X + 𝐏̅Y + 𝐏̅Z
Hay R = √𝐏𝐗𝟐+ 𝐏𝐘𝟐+ 𝐏𝐗𝟐
Đây là phương pháp phân tích lực phổ biến, bởi vì phương các chuyển động cắt là hoàn toàn xác định
- Công suất cắt:
Công suất tiêu hao khi cắt phụ thuộc vào lực PZ và PX ( PY không sinh công vì theo phương PYkhông có chuyển vị)
Công suất cắt được tính theo công thức:
NC = 𝐏𝐙.𝐧
𝟔𝟎.𝟏𝟎𝟐 (kW)
Công suất toàn phần: NCtp = NC + NCd = NC (NCd rất bé nên có thể bỏ qua). Công suất cần thiết của động cơ được xác định theo công thức:
NCt = 𝑵𝑪
𝜼 ( kW) Trong đó: 𝜼 là hiệu suất.
3.6. Lý thuyết chọn xy lanh khí nén 3.6.1. Đơn vị đo áp suất:
Đơn vị thường dùng là Pascal (Pa). 1 Pascal là áp suất phân bố đều trên bề mặt có diện tích 1 m2 với lực tác dụng vuông góc lên bề mặt đó là 1N
1 Pa = 1N/m2
Trong thực tế còn dùng đơn vị bội số của Pascal là Mpa (Mêga pascal) = 106 Pa Đơn vị bar: 1 bar = 105 Pa và coi 1bar ~ 1atm
33
Áp suất khí nén là lực tác động trên một đơn vị diện tích.
Bảng 3.3. Chuyển đổi giữa các đơn vị áp suất.
Pa bar KG/cm3 atm mmHg psi
Pa 1 1x10-5 1,01972x10-5 9,86923x10-8 7,50062x10-3 1,45038x10-8 bar 1x105 1 1,01972 9,86923x10-1 7,50062x102 1,45048x10 KG/c m3 9,80665x104 9,80665x10-1 1 9,67841x10-1 7,35559x102 1,42234x10 atm 1,01325x105 1,01325 1,03323 1 7,6x102 1,4696x10 mmHg 1,33322x102 1,33322x10-5 1,35951x10-3 1,31579x10-3 1 1,93368x10-2 psi 6,89473x103 6,89473x10-2 7,03065x10-2 6,80457x10-2 5,17147x10 1
3.6.2. Các thông số đầu vào cần để chọn xy lanh - Hành trình xy lanh LXL.
- Thời gian dẩn động T.
- Tải trọng đáp ứng F.
3.6.3. Tính toán chọn xy lanh
Lực đẩy hay kéo của Piston gây bởi tác dụng của khí nén có áp suất P được tính theo công thức:
Hình 3.11. Phân tích lực pit tông F = P.A (N)
Trong đó:
34
- A: là diện tích bề mặt Piston (m2) A = 𝝅.𝑫𝟐 𝟒
- F: lực tác dụng vuông góc với bề mặt Piston (N)
Trong hình vẽ, các diện tích A1, A2 khác nhau (A2 = A1 –A3), A3 là diện tích tiết diện của cần piston, nên các lực tác dụng cũng khác nhau tại cùng một nguồn khí nén có áp suất P. F1 = P.A1 = P.𝛑.𝐃𝟏 𝟐 𝟒 . F2 = P.A2 = P.𝛑.𝐃𝟏𝟐− 𝐃𝟑𝟐 𝟒 .
- Áp suất khí nén của máy nén khí thông dụng là 6 bar (6,1183 Kgf/cm2) - Chọn đường kính xy lanh D, áp dụng theo công thức:
D = √𝐅.𝟒
𝐏.𝛑 (cm)
- Chọn đường kính xy lanh theo dãy tiêu chuẩn sau:
+ Đường kính thị trường bán: D = 32, 40, 50, 63, 80, 100.
+ Hành trình chuẩn: LXL = 25, 50, 75, 80, 120, 150, 200, 225, 250…
3.7. Luyết thuyết về tính lò xo
3.7.1 Tham số lò vủa lò xo xoắn
35
- d (đường kính dây) : tham số này cho biết đường kính của dây kim loại được dùng để làm lò xo
- Dd(trục) : tham số này tương ứng với đường kính tối đa của một trục có thể đưa vào trong lò xo. Dung sai của nó là +/- 2 % (chỉ định).
- Di (đường kính trong) : để tính đường kính trong của lò xo, ta lấy đường kính ngoài trừ đi 2 lần đường kính dây. Trong quá trình sử dụng, đường kính trong có thể giảm bằng với đường kính của trục . Dung sai của đường kính trong là +/- 2 % (chỉ định).
- De(đường kính ngoài) : Để tính đường kính ngoài của lò xo, ta lấy đường kính trong cộng với 2 lần đường kính dây. Trong quá trình sử dụng, đường kính ngoài của lò xo giảm dần. Dung sai của đường kính ngoài là +/- 2 % với sai số là +/- 0,1 mm.
- L0 (chiều dài tự nhiên) : CHÚ Ý : Chiều dài tự nhiên giảm dần trong quá trình sử dụng. Dung sai : +/- 2 % (chỉ định).
- LS(Chiều dài nhánh ) : chiều dài này được đo từ trung tâm của phần thân đến đầu mút của nhánh. Dung sai : +/- 2 % (chỉ định).
- An(Góc lớn nhất) : góc quay lớn nhất (tính bằng độ) của lò xo xoắn. Dung sai : +/- 15 độ (chỉ định).
- Fn (Lực tối đa) : lực lớn nhất có thể tác dụng lên đầu mút của nhánh. Dung sai : +/- 15 % (chỉ định).
- Mn(Momen tối đa) : momen tối đa cho phép (Newton * mm). Dung sai +/- 15 % (chỉ định).
- R (Độ cứng góc) : tham số này xác định độ đàn hồi của lò xo trong quá trình sử dụng. Đơn vị của độ cứng góc là newton * mm/độ. Dung sai : +/- 15 % (chỉ định).
- A1 & F1 & M1 : (góc momen hoặc góc lực) : công thức sau cho phép tính góc theo momen : A1 = M1/R. Để tính momen khi biết lực, ta sử dụng công thức sau :M = F*LS
- Vị trí tự nhiên của nhánh : có 4 vị trí tự nhiên của nhánh : 0, 90, 180 hoặc 270 độ (xem hình bên trên).
- Chiều quấn : chiều quấn bên phải cho phép thực hiện chuyển động xoắn ngược chiều kim đồng hồ. Chiều quấn bên trái cho phép thực hiện chuyển động xoắn cùng chiều kim đồng hồ. Đối với mỗi mẫu lò xo xoắn, chúng tôi đều có cả hai chiều quấn.
- Mã số : mỗi lò xo đều có một mã số duy nhất : loại . (De * 10) . (d * 100) . (N * 100) . Đối với lò xo có chiều quấn bên phải, loại tương ứng với ký tự D. Đối với lò xo có chiều quấn bên trái, loại tương ứng với ký tự G. Ký tự N chỉ số vòng xoắn. Ví dụ : mã số D.028.020.0350 là lò xo xoắn có chiều quấn bên phải, đường kính ngoài là 2,8 mm, dây inox có đường kính 0,9 mm và có 3,5 vòng xoắn.
36
3.7.2. Nguyên liệu
I (Inox) 18/8 theo tiêu chuẩn Z10 Cn 18.09
3.7.3. Dung sai
- Gốc tự do: ± 150.
37
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ GỌT VỎ CHANH 4.1. Yêu cầu đề tài
- Gọt sạch vỏ ít nhất 90%
- Năng suất cho cho các cơ sở nhỏ và vừa
- Gọt hết vỏ một quả chanh mất khoảng 5 – 8 giây. - Tránh thất thoát tinh dầu.
4.2. Phương hướng và giải pháp thực hiện
Từ phương pháp gọt vỏ như đã nêu ở chương 2, dựa vào các ưu nhược điểm đã phân tích ta chọn phương án gọt vỏ chanh theo phương pháp tiện, vì phương pháp này là tối ưu và hiệu quả nhất.
4.2.1. Phương án 1
a) Phương án: Máy sử dụng động cơ chính và động cơ chạy dao
STT Tên gọi
1 Băng tải mang mũi tâm 2 Quả chanh 3,7,10 Xylanh 4 Bộ phận dao cắt 5,6,9 Động cơ 8 Trục vít me Hình 4.1. Phương án 1
38
b) Nhận xét:
- Ưu điểm
+ Cơ cấu chạy dao hoạt động ổn định, chính xác. + Êm ái, không gây ồn.
- Nhược điểm
+ Kết cấu phức tạp và cồng kềnh. + Chi phí cao.
4.2.2. Phương án 2
a) Phương án: Máy sử dụng động cơ và dao cắt chạy độc lập bằng xylanh khí nén
STT Tên gọi
1 Băng tải mang mũi chống tâm
2 Quả chanh
3, 6, 7, 9 Xylanh
4 Bộ phận dao cắt 5, 8 Động cơ
39
b) Nhận xét:
- Ưu điểm
+ Kết cấu đơn giản và tinh gọn.
+ Do dao hoạt động độc lập với động cơ nên dễ dàng hiệu chỉnh. + Chi phí thấp.
- Nhược điểm
+ Nếu áp suất khí không đều thì bước chạy dao sẽ không đều, kém ổn định.
+ Gây ồn do phải sử dụng khí nén.