Nguyên lý hoạt động của hệ thống rulo dẫn.
Hệ thống rulo dẫn được đặt nghiêng một góc so với mặt phẳng ngang như trong hình 1. Nguyên lý chính để giúp trái ca cao di chuyển dọc trục rulo là nhờ vào sự rung động giữ bề mặt tiếp xúc của rulo và trái ca cao bởi chuyển động quay ngược chiều với nhau của hai rulo dẫn. Ở trường hợp này cặp rulo chỉ có thể quay theo chiều như hình 6.1. Vì nếu quay theo chiều ngược lại, cặp rulo sẽ quay rất khó khăn và thậm chí còn gây ra hư hỏng hệ thống bởi khi quay theo chiều ngược lại trái ca cao sẽ có xu hướng bị kéo xuống giữa hai rulo, tạo ra lực ma sát lớn. Và nếu trái ca cao có kích thước nhỏ có thể sẽ chèn qua khe hở giữa hai rulo và gây cong vênh hệ thống.
Theo hình 6.1, trái ca cao tác dụng lên hệ thống rulo dẫn một lực P chính bằng trọng lượng của quả ca cao. Lực P này được phân tích thành hai thành phần lực: Px theo phương dọc trục và Py theo phương hướng kính của rulo dẫn.
Py là thành phần lực tác động trực tiếp lên cặp rulo dẫn và tạo ra lực ma sát chống lại chuyển động quay của cặp rulo. Vì vậy để rulo có thể quay được thì cần cung cấp mô
Trang 42
men quay có độ lớn sao cho lực vòng do nó sinh ra tại vị trí tiếp xúc có thể thắng được lực ma sát do quả ca cao tác dụng lên ống.
Px là thành phận lực có xu hướng kéo quả ca cao di chuyển dọc theo chiều trục của rulo để đến vùng cắt. tuy nhiên, để di chuyển được dọc theo chiều trục thì lực Px phải lớn hơn lực ma sát sinh ra giữa rulo và quả ca cao theo chiều dọc trục Fms1 , đồng nghĩa với việc góc nghiêng của hệ thống rulo dẫn so với mặt phẳng ngang phải lớn (Px = P.sin()). Tuy nhiên với ý tưởng thiết kế, hệ thống rulo dẫn sẽ nhận ca cao từ băng tải cấp liệu một cách ngẫu nhiên không được định hướng trước, vì vậy hệ thống rulo dẫn vừa đóng vai trò là nơi tiếp nhận, sửa hướng và dẫn ca cao vào vùng cắt nên góc nghiêng của cụm rulo so với mặt phải ngang không được quá lớn để tránh trường hợp ca cao rơi quá nhanh xuống vùng cắt gây khó khăn cho việc sửa hướng và có thể tạo ra phế phẩm. Do đó, ca cao sẽ không thể trượt xuống được khi chỉ với tác dụng của lực kéo Px.
Trang 43
Hình 6.2 Mô hình phân tích lực trái ca cao tác dụng lên cặp rulo dẫn
Nguyên nhân chính cho sự chuyển động dọc trục của trái ca cao:
Trong mặt cắt A-A theo phương hướng kính của rulo, ta có được các thành phần lực tương tác giữ trái ca cao và rulo như sau:
- Py là thành phần lực của trái ca cao tác dụng trực tiếp theo phương vuông góc với rulo. Thành phần lực này được phân thành hai thành phần lực bằng nhau Pt tác dụng vào 2 rulo theo phương thẳng đứng như hình 1. Tại vị trí tiếp xúc của 1 rulo và trái ca cao Pt
được phân tích thành 2 thành phần lực là Pt1 theo phương hướng kính và Pt2 theo phương tiếp tuyến với rulo.
- Pt2 tác dụng vào rulo theo hướng ngược với hướng của véc tơ vận tốc tại vị trái tiếp xúc nên thành phần này sẽ kềm hãm chuyển động quay của rulo.
- Pt1 tác dụng vào rulo theo phương hướng kính và sinh ra phản lực N Tại vị trí tiếp xúc, có cùng độ lớn nhưng ngược hướng với Pt1. Tại vị trí tiếp xúc này sinh ra lực ma sát có phương tiếp tuyến với rulo và ngược chiều với véc tơ vận tốc tại vị trí đó khi rulo quay (cùng chiều với Pt2) và có độ lớn được tính như sau: Fms = N.μ
Trong đó: μ là hệ số ma sát giữa trái ca cao và vật liệu làm rulo.
Ta gọi Fctv đặt tại vị trí tiếp xúc giữ rulo và trái ca cao là lực vòng do rulo sinh ra khi quay tròn. Để rulo quay được thì Fctv phải lớn hơn tổng các thành phần có xu hướng chống lại chuyển động quay đó (Fms + Pt2).
Trang 44
Mô men quay cần thiết Mct của rulo là: Mct = Fctv . R1
Trong đó: R1 là bán kính củ a rulo.
Ta gọi Fdưv là lượng chênh lệch độ lớn của Fctv và tổng lực (Fms + Pt2) khi rulo quay. Lực này cùng hướng với Fctv và có độ lớn được tính như sau: Fdưv = Fctv - (Fms + Pt2)
Hình 6.3 Phân tích thành phần lực tạo ra rung động giữ ca cao ra rulo
Theo hình 2. Tại 2 vị trí tiếp xúc của cặp rulo và trái ca cao ta có 2 thành phần lực
Fdưv cùng độ lớn. Tổng hợp 2 thành phần này ta được Fdư theo phương thẳng đứng, đây là thành phần lực có xu hướng nhấc bổng trái ca cao lên khỏi vị trí tiếp xúc một khoảng rất nhỏ Δy.
Trang 45
Tổng hợp lực Fdư và Px ta được Fk. Thành phần lực này giúp trái ca cao di chuyển dọc theo trục rulo bằng cách nhảy cóc với vận tốc v như được thể hiện trong hình 3. Theo nguyên lý này thì lực Fms1 sẽ không ảnh hưởng đến việc di chuyển dọc trục của cao cao.
Như đã phân tích ở trên thì vận tốc trái ca cao chạy xuống dọc rulo theo một phương trình phức tạp. Nên nhóm tiến hành thực nghiệm chọn vận tốc quay của rulo cũng như góc nghiêng để ca cao xuống đều và ổn định.
Tuy nhiên việc thay đổi một lúc cả tốc độ quay lẫn góc nghiêng sẽ rất khó cho việc tính toán, để dễ dàng kiểm tra và tinh toán nhóm thay đổi lần lượt từng yếu tố trong quá trình thí nghiệm.
- Yêu cầu đặt ra:
+ ca cao xuống đều, không quá nhanh để dao có thể cắt được. + Đi đúng hướng.
+ Tránh trường hợp ca cao văng ra ngoài. + Đảm bảo dao cắt ít nhất 45 trái/phút. - Nhóm thí nghiệm như sau:
+ Dụng cụ thí nghiệm. Một bộ biến tần. Động cơ. Đồng hồ bấm giờ. Thước đo góc. Cách làm
Ta dùng biến tần thay đổi tốc độ động cơ từ 0 đến 1440 vòng/ phút, đồng thời thay đổi góc nghiêng của rulo lần lượt từ 00 đến 900. Nhóm tiến hành thí nghiệm trong một phút và đếm số lượng ca cao rớt xuống dao cắt, đồng thời kiểm tra xem tốc độ rớt của ca cao có đạt các yêu cầu đặt ra hay không.
Trang 46
Bảng 6.1 Kết quả thí nghiệm tốc độ của trái ca cao Tốc độ quay của rulo Góc nghiên 50 (v/ph) 100 (v/ph) 150 (v/ph) 200 (v/ph) 250 (v/ph) 300 (v/ph) 350 (v/ph) 400 (v/ph) 450 (v/ph) 500 (v/ph) 50 10 Q 15 Q 18 Q 20 Q 28 Q 35 Q - - - - 100 11 Q 16 Q 23 Q 25 Q 33 Q 40 Q - - - - 150 13 Q 16 Q 23 Q 26 Q 37 Q 60 Q - - - - 200 13 Q 19 Q 24 Q 26 Q 42 Q 65 Q - - - - 250 13 Q 21 Q 26 Q 29 Q - - - - 300 14 Q 23 Q 30 Q 35 Q - - - - 350 16 Q 24 Q 31 Q 37 Q - - - - 400 17 Q 26 Q 31 Q 39 Q - - - - 450 - - - - 500 - - - - 550 - - - - 600 - - - - - Chú thích
Q: Kí hiệu của từ quả
-: Với góc và tốc độ này thì ca cao sẽ bị văng ra ngoài.
Từ kết quả thí nghiệm trên ta chọn góc từ 100 – 200, ứng với tốc độ quay của rulo từ 250 v/ph – 300 v/ph là tốt nhất, ta bắt đầu làm thí nghiệm một lần nữa trong khoảng góc và tốc độ như trên.
Kết quả quan sát ta chọn được ứng với góc là 140 và tốc độ quay của rulo là 280 v/ph thì vận tốc trái ca cao đạt kết quả tốt nhất theo yêu cầu đặt ra.
Trang 47
Tính toán hệ thống rulo dẫn
Góc của rulo và mặt phẳng ngang = 14º
Theo yêu cầu hoạt động của hệ thống rulo thì khe hở giữa hai rulo phải nhỏ hơn đường kính nhỏ nhất của trái ca cao (Ø70) để đảm bảo trái ca cao không lọt qua giữa khe hở khi rulo quay (ở đây ta chọn khe hở là 50). Đường kính của rulo được chọn theo các tiêu chuẩn ống tròn có trên thị trường để giảm giá thành khi chế tạo. đường kính rulo hợp lý là Ø90.
Tráica cao có đường kính trung bình (Ø70 ÷ Ø90). Tuy nhiên, để cho hệ thống rulo hoạt động đủ công suất ta chọn trái ca cao có kích thước Ø100 tương đương với quả ca cao nặng nhất (P = 1 KG = 10N) để tính toán lực cần thiết cho hệ thống rulo.
Theo hình 1. Với góc nghiêng là 14º ta có thể xác định được hai thành phần lực Px
và Py như sau: - Px = P.sin() = 10.sin(14º) = 2,42 N - Py = P.cos() = 10.cos(14º) = 9,7 N - Pt = Py 2= 9,7 2= 4,85 N
Với các kích thước ban đầu như trên ta có thể xác định được góc α = 47º theo hình 6.1.
- Pt1 = Pt.cos(α) = 4,85.cos(47º) = 3,31 N - Pt2 = Pt.sin(α) = 4,85.sin(47º) = 3,55 N - Fms = N.μ = Pt1. μ (**)
Xác định hệ số ma sát trượt μ giữa ca cao và vật liệu làm rulo (thép không gỉ). Tiến hành thí nghi ệm:
- Chọn ngẫu nhiên 10 trái ca cao. - Xác định trọng lượng P của từng trái.
- Đặt trái ca cao lên một tấm thép không gỉ phẳng, dùng một cân lò xo móc vào trái ca cao và kéo theo phương song song với mặt phẳng ngang để xác định lực ma sát trượt giữa ca cao và thép không gỉ.
- Xác định hệ số ma sát trượt μ (hình 4). Ta có Fms = N.μ = P.μ => μ = Fms
p
- Thực hiện đo 10 lần trên mỗi trái ca cao.
Trang 48
Hình 6.5 Mô hình xác định hế số ma sát trượt Bảng 6.2 Trọng lượng quả ca cao cần thí nghiệm
Mẫu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Trọng lượng (N) 10 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5 4 Bảng 6.3 Kết quả tính hệ số ma sát 1 2 3 4 5 Tổng μ Fms (N) Μ Fms (N) μ Fms (N) μ Fms (N) μ Fms (N) μ 1 3,7 0,37 3,8 0,38 3,6 0,36 3,6 0,36 3,8 0,38 1,85 2 3,1 0,34 3,2 0,35 3,2 0,35 3,3 0,36 3,5 0,38 1,78 3 2,9 0,34 3,1 0,36 2,8 0,33 3 0,35 2,9 0,34 1,72 4 2,7 0,34 2,8 0,35 2,6 0,33 2,8 0,35 2,9 0,36 1,73 5 2,7 0,36 2,8 0,37 2,8 0,37 2,9 0,39 2,6 0,35 1,84 6 2,4 0,34 2,4 0,34 2,6 0,37 2,3 0,33 2,5 0.36 1,74 7 2,3 0,35 2,4 0,37 2,2 0,34 2,3 0,35 2 0,3 1,71 8 2 0,33 2,2 0,36 2,1 0,35 1,9 0,32 2,2 0,36 1,72 9 1,8 0,36 1,7 0,34 1,7 0,34 1,9 0,38 1,7 0,34 1,76 10 1,5 0,37 1,4 0,34 1,5 0,37 1,3 0,33 1,4 0,35 1,76 6 7 8 9 10 Fms (N) Μ Fms (N) μ Fms (N) μ Fms (N) μ Fms (N) μ 1 3,7 0,37 3,5 0,35 3,5 0,35 3,4 0,34 3,6 0,36 1,77 2 3.1 0,34 3 0,33 3,2 0,35 3 0,33 3,2 0,35 1,7 3 2,9 0,34 2,8 0,33 3 0,35 3 0,35 3,1 0,36 1,73 4 2,8 0,35 2,9 0,36 2,8 0,35 2,7 0,34 2,9 0,36 1,76
Trang 49 5 2,6 0,35 2,7 0,36 2,6 0,35 2,8 0,37 2,4 0,32 1,75 6 2,4 0,34 2,5 0,36 2,4 0,34 2.3 0,33 2,6 0,37 1,74 7 2,2 0,34 2,1 0,32 2,4 0,37 2,3 0,35 2,5 0,38 1,76 8 2,1 0,35 2,2 0,37 2 0,33 2,1 0,35 2 0,33 1,73 9 1,8 0,36 1,7 0,34 1,9 0,38 1,8 0,36 1,7 0,35 1,79 10 1,4 0,35 1,5 0,38 1,4 0,35 1,3 0,33 1,5 0,38 1,79 μ̅ 0.35 Từ công thức (**) ta có: Fms = Pt1. μ = 3,31. 0,35 = 1.16 (N) Fctv ˃ Fms + Pt2 Fctv ˃ 1.16 + 3,55 = 4.71 (N) => Chọn Fctv= 5 (N) => Mct = Fctv . R1 = 5.45 = 225 (N.mm) = 0,225 (N.m) => Fdưv = Fctv - (Fms+ Pt2) = 5 – (1.16 + 3,55) = 0,29 (N)
Chiều dài của rulo được chọn là L = 1200 mm để đảm bảo cho trái ca cao được định hướng và cấp đều vào vùng cắt.
Với chiều dài trung bình của một trái ca cao lớn là khoảng 200 mm. thì một cặp rulo có thể chứa tối đa năm trái ca cao trên suốt chiều dài.
Từ đó ta thấy được rằng mô men cần thiết trên mỗi rulo là: Mtrục = Mct. 5 = 0,225.5 = 1,125 (N.m)
Để máy đạt năng suất cao thì việc bố trí nhiều cặp rulo song song nhau trên một máy là điều cần thiết. Ở đây máy được thiết kế 4 cặp rulo song song nhau đồng nghĩa với việc sẽ có 4 hệ thống tách vỏ cứng trái ca cao trên cùng một máy.
Theo nguyên lý mắc xích như trên hình 5 (bánh xích chủ động sẽ truyền chuyển động cho tất cả các bánh xích bị động quay theo chiều như trong hình chỉ bằng một dây xích với tỉ số truyền 1:1) thì mô men cần thiết cho động cơ sẽ bằng tổng mô men các trục rulo (8 trục).
Trang 50
Hình 6.6 Nguyên lý truyền động xích cho các cặp rulo đặt song song nhau
P = 𝐌𝐭ổ𝐧𝐠.𝐧 𝟗,𝟓𝟓.𝟏𝟎𝟔 = 𝟗𝟎𝟎𝟎.𝟐𝟖𝟎 𝟗,𝟓𝟓.𝟏𝟎𝟔 = 0,264 (kW) Pct = 𝑃 ɳ= 0,264 0.9 = 0,29 (kW)
Chọn động cơ cho rulo dẫn là 0,4 (kW)