PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN

4.1. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

4.1.1. Những yêu cầu cơ bản

Từ những yêu cầu kỹ thuật chế biến măng, khả năng làm việc và phương pháp vận hành máy cần có những yêu cầu cơ bản sau:

- Năng suất máy phù hợp đạt tối thiểu 100kg/h

- Thái được những kích thước thích hợp với việc chế biến thực phẩm - Độ đồng đều của các lát thái cao, ít tạo thành các mảnh vụn.

- Vận hành và vệ sinh máy dễ dàng. - Kích thước máy gọn nhẹ.

- Giá thành thấp.

4.1.2. Chọn phương án thiết kế

Chọn phương án thiết kế là phần rất quan trọng trong quá trình thiết kế. Quá trình đó bao gồm: tìm hiểu, nghiên cứu, tính toán, đưa ra các phương án sao cho thỏa mãn các yêu cầu về kinh tế cũng như về mặt kỹ thuật.

4.1.2.1. Các phương án chuyển động của dao

Trong quá trình làm việc dao cắt chuyển động theo hai hình thức đó là dao chuyển động tịnh tiến qua lại và dao chuyển động quay tròn.

a. Phương án cắt khi dao chuyển động tịnh tiến

Với phương thức này thì dao chuyển động qua lại còn vật liệu cần cắt chuyển động vuông góc với phương chuyển động của dao.

Hình 4.1. Dao chuyển động tịnh tiến

𝑉⃗ 1: Vận tốc của dao cắt

𝑉⃗ 2: Vận tốc của vật thái

S: Chiều dầy lát thái. b: Hành trình của dao.

Chu trình của dao là chuyển động từ trên xuống và dưới lên, khi thực hiện xong một chu trình thì thực hiện xong một lát cắt. Trong quá trình dao chuyển động đi xuống thì vật liệu đứng yên, nhưng khi dao chuyển động đi lên thì vật liệu cũng chuyển động với vận tốc 𝑉⃗ 2 để được khoảng S, và khi dao đi xuống thì cắt lát mới. Chu trình cứ lặp đi lặp lại như vậy.

b. Phương án cắt khi dao chuyển động quay tròn

Với hình thức chuyển động này thì dao thường được gắn trên một đĩa tròn và chuyển động quay tròn cùng trục, còn vật liệu cắt thì chuyển động có véc tơ vận tốc tạo với vận tốc dài của dao cắt 1 góc α.

𝑉⃗ 1: Vận tốc của vật liệu

𝑉⃗ 2: Vận tốc dài của điểm trên lưỡi cắt.

Nguyên lý: Lưỡi dao quay cùng đĩa dao nhờ trục dẫn động, khi vật thái trong phễu đi xuống gặp dao thái sẽ cắt vật liệu ra, khi lưỡi dao đi qua, vật thái tiếp tục chạy xuống và nằm chờ lát cắt tiếp theo. Quá trình này cứ lặp đi lặp lại như vậy.

Nhận xét: Qua quá trình khảo sát và kiểm nghiệm của hai hình thất chuyển động của dao nói trên nhận thấy rằng: phương án cắt khi dao quay vòng không cồng kềnh, không phức tạp dễ dàng trong thiết kế chế tạo, ít tốn kém và đặc biệt là cho năng suất cao hơn. Do đó tác giả chọn phương án cắt khi dao quay vòng làm cơ sở thiết kế máy thái măng.

4.1.2.2. Chọn phương án thiết kế.

Thiết kế máy là một công việc rất quan trọng để tạo ra một sản phẩm đẹp, năng suất cao, phù hợp với các phương án sản xuất… Điều này đòi hỏi người thiết kế, phải tìm hiểu, tham khảo và phân tích nhiều phương án để chọn ra một phương án tốt nhất, đáp ứng được gần như các yêu cầu đặt ra. Từ đó tác giả chọn phương án như hình 4.3 làm phương án thiết kế, chế tạo máy thái măng

a. Cấu tạo:

1. Thùng máy 2. Khóa thùng 3. Phễu tiếp liệu 4. Đĩa dao 5. Dao 6. Ổ đỡ trục 7. Trục 8. Puly 9. Đai 10. Khung máy 11. Động cơ 12. Máng thu liệu

Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý máy thái măng

b. Nguyên lý làm việc

Khi máy bắt đầu hoạt động, tốc độ được truyền từ động cơ thông qua bộ truyền động đai, puli, trục làm cho đĩa và dao quay theo. Vật liệu được đặt trong phễu tiếp liệu, phễu tiếp liệu được đặt có độ nghiêng phù hợp, dưới tác dụng của trọng lực nên vật liệu chuyển động ra vị trí lưỡi dao và thực hiện quá trình cắt khi dao đi qua tạo thành các lát cắt và nó được đưa ra ngoài nhờ máng thu liệu.

Chiều dày của các lát cắt phụ thuộc vào chiều dầy đệm giữa dao và đĩa dao.

* Nhận xét.

-Ưu điểm:

+ Thao tác đơn giản, sử dụng dễ dàng. + Năng suất lao động cao.

+ Chế tạo các chi tiết đơn giản. + Sửa chữa và bảo dưỡng dễ dàng

- Nhược điểm:

- Giá thành thiết bị cao.

- Phụ thuộc mạng xoay chiều nên tính cơ động không cao.

4.2. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ 4.2.1. Cơ sở tính toán 4.2.1. Cơ sở tính toán

4.2.1.1. Chọn năng suất cho máy

Các cơ sở sản xuất măng trên thị trường hiện nay phần lớn là thái bằng thủ công do đó năng suất không cao, mặt khác khi vào vụ mùa các cơ sở cần nhiều nhân công mới đáp được nhu cầu công việc, dẫn đến chi phí thành phẩm cao không có lợi về mặt kinh tế. Do đó dựa vào điều kiện thực tế sản xuất và điều kiện đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng nên ta chọn năng suất của máy là 100kg/giờ.

4.2.1.2. Chọn loại và số lượng dao

a. Chọn loại dao

Hình 4.4. Một số loại dao cắt thái

Có nhiều loại dao dùng trong quá trình cắt thái nông sản như: dao phẳng lưỡi thẳng, dao thẳng lưỡi cong, dao phẳng có lưỡi răng lược, dao có hình gợn sóng… Trên thị trường hiện nay một số loại dao dùng nhiều được thể hiện trên hình 3.1. Tuy nhiên mỗi loại dao đều có ưu nhược điểm và công dụng riêng.

Dao ở hình a được sử dụng cho cắt dày, như cắt lát hành tây và rau quả hình dạng như bóng đèn và bề dày cắt là hơn 6mm. (hình 4.4.a).

Dao ở hình b được sử dụng cho cắt mỏng. được dùng như cắt lát hành tây và rau quả, hình dạng như bóng đèn và bề dày cắt là nhỏ hơn 5mm (hình 4.4.b).

Dao ở hình c được sử dụng để cắt dải mỏng và cắt hình chữ nhật của củ cà rốt, củ cải và băm củ hành. (hình 4.4.c).

Dao ở hình d được sử dụng để cắt rau ăn lá. Phạm vi cắt là 0,5 – 40 mm (hình 4.4.d)

Căn cứ vào yêu cầu của sản phẩm thái mà ta chọn kiểu dao phẳng có lưỡi cong (hình 4.4.b) dùng để thiết kế dao thái măng.

Măng dùng để thái có hình dạng và kích thước khác nhau đồng thời do yêu cầu về kích thước của sản phẩm. Để thái được những vật liệu này thì chiều dài làm việc của lưỡi dao phải lớn hơn đường kính và chiều dài cần thái của vật liệu. Từ đó ta chọn kết cấu và kích thước dao như hình 4.5.

Hình 4.5. Kích thước dao

b. Chọn số lượng dao

Độ dày của lát cắt rất cần thiết đó cũng là một công việc rất quan trọng trong tính toán thiết kế. Để cắt được một lát cắt đúng độ dày thì thời gian vật liệu di chuyển trên mặt nghiêng đi được một quãng đường từ mặt lưỡi cắt đến đĩa cắt phải nhỏ hơn thời gian lưỡi cắt chuyền động của lưỡi cắt đến vị trí cắt.

Thời gian chuyển động của hai lưỡi cắt kế tiếp nhau phụ thuộc vào tốc độ quay và số lượng lưỡi cắt bố trí trên đĩa. Còn thời gian di chuyển của vật liệu phụ thược vào các yếu tố như độ nghiêng của phễu, hệ số ma sát giữa vật liệu và phễu, số lượng vật liệu có trong phễu…

Từ những phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến bề dày của lát cắt nên ta chọn số lượng dao bố trí trên đĩa là 2 dao.

4.2.1.3. Chọn đĩa cắt

Đĩa cắt là chi tiết được gắn và cùng quay với trục. Đĩa cắt được khoét rãnh và dao gắn trên đó để cắt và thoát liệu. Bề mặt đĩa cắt là nơi vật liệu tì lên đó để cắt, khoảng cách từ mặt tựa đến dao cắt chính là bề dày lát cắt và bề dày này hoàn toàn có thể điều chỉnh được thông qua các đệm có độ dày mõng khác nhau. Ngoài ra đĩa cắt còn có chức năng như một bánh đà. Do đó đĩa cắt cần chọn có độ dày phù hợp thông thường khoảng từ 8 đến 10 mm.

Hình 4.6. Đĩa dao cắt

4.2.2. Tính toán động lực học thiết bị

4.2.2.1. Tính chọn số vòng quay của đĩa cắt

Máy được thiết kế với năng suất đặt ra là 100kg/h, với chiều dày lát cắt là 1mm. Như vậy số lát cắt được hiều là số lần dao đi qua họng thái.

Trên thực tế khối lượng trung bình của một lát măng nặng khoảng 4 g = 0,004kg Với năng suất 100kg/h tương ứng với số lát cắt sau một giờ là:

X 25000 004 , 0 100   (lát/h) (X là số lát cắt) Số lát cắt sau một phút là: X 416,66 60 25000   (lát/phút)

Như phần chọn dao ở trên ta chọn số dao được gắn trên đĩa là 2. Do đó sau mỗi vòng quay thì cắt được 2 lát. Vậy X = 416,66 (lát/phút) thì số vòng quay trong 1 phút là: ntt 208,33 2 66 , 416   (vòng/phút)

Giá trị ntt là số vòng quay tối thiểu của máy để đạt năng suất 0,1 (t/h). Vậy để tăng năng suất của máy thì ta tăng số vòng quay của máy. Tuy nhiên nếu số vòng quay quá lớn sẽ không đảm bảo được bề dày của lát cắt, độ bền của máy. Trong quá trình sản xuất đôi khi theo nhu cầu của sản phẩm mà độ dày lát cắt có thể thay đổi và tăng lên. Giá trị vòng quay để đạt năng suất cao nhất và đảm bảo bề dày lát cắt là giá trị số vòng quay tối đa, và ở đây được tính cho bề dày là 3 (mm).

Hình 4.8. Góc trượt của vật liệu

trong phễu tiếp liệu như là cục vật liệu chuyển động trên mặt phẳng nghiêng góc α = 450

(góc đặt nghiêng của phễu ).

Gọi S1S2là đoạn đường mà vật liệu di chuyển để đạt được bề dày 3 (mm) của lát thái.

⟹ 𝑆1𝑆2 = 3

𝑠𝑖𝑛(450) = 0,004243 (𝑚𝑚)

Gọi t1 là thời gian để cục vật liệu đi đoạn S1 S2. Từ hình vẽ ta có phương trình:

𝐹 = 𝑃2− 𝐹𝑚𝑠 ⟺ 𝑃. 𝑆𝑖𝑛(450) − 𝑓. 𝑃. 𝐶𝑜𝑠(450) ⟹ 𝑚. 𝑎 = 𝑚. 𝑔. 𝑆𝑖𝑛(450) − 𝑓. 𝑚. 𝑔. 𝐶𝑜𝑠(450) ⟹ 𝑎 = 𝑔. (𝑆𝑖𝑛(450) − 𝑓. 𝐶𝑜𝑠(450))

Tích phân 2 lần phương trình trên ta được:

𝑆 = 1 2𝑔. 𝑡1(𝑆𝑖𝑛(450) − 𝑓. 𝐶𝑜𝑠(450)) ⟹ 𝑡1 = √ 2. 𝑆 𝑔. (𝑆𝑖𝑛(450) − 𝑓. 𝐶𝑜𝑠(450)) ⟹ 𝑡1 = √ 2.0,004243 10. (0,707107 − 0.4.0,707107) ⟹ 𝑡1 = 0,0743 𝑆

Với: f = 0,4 là hệ số ma sát giữa vật liệu và thành tiếp liệu.

Thời gian cần thiết để t2 quay một nữa vòng quay là (vì đĩa lắp 2 dao) t2=

tđ n 30 Để đảm bảo độ dầy thì 𝑡2 ≥ 𝑡1  403,6 0743 , 0 30 0743 , 0 30      tđ tđ tđ n n n (v/p) Kết hợp hai giá trị 𝑛𝑡𝑡 ≥ 208,33 (vòng/phút); 𝑛𝑡đ ≤ 403,6 (vòng/phút) Ta chọn n = 250 (vòng/phút) 4.2.2.2. Tính lực cản cắt

Với mỗi loại vật liệu khác nhau thì có lực cắt thái của vật liệu đó cũng khác nhau, trong nội dung này chúng ta nghiên cứu tới lực cắt thái của củ măng.

P = P0 + kbh + εbhv2 Trong đó:

P: Lực cản tổng cộng P0: Lực cản cố định

K: Hệ số tính trên 1 đơn vị diện tích mặt cắt ngang của lớp thái. b và h: Chiều rộng và chiều đầy của lớp thái theo mặt cắt ngang. ε: Hệ số.

V: Vận tốc cắt thái (m/s).

B : Hệ số phụ thuộc vào độ bền cơ học của củ quả chọn B = 12,4

∆𝑆: Chiều dài đoạn dao thái 160 mm

S: Độ dày của lưỡi dao (độ sắt), S= 0.005cm m: Hệ số mũ, với măng m = 0,55   3 0,5.cos . os 2 0,34 0, 026 0,5 os 2 c a l h c                          [7]

φ - góc ma sát của vật thái với cạnh dao ;  = 300

Do lực cản cắt thái riêng phụ thuộc rất ít vào góc mài α [7] nên ta có thể bỏ qua giá trị của nó trong công thức tính trên. Từ đó ta có:

𝛿 = 0,5. cos(30

0) . cos (150)

(0,34 + (0,5.0,1). 𝑐𝑜𝑠3(150)= 0.958

P0 = 12,4.160.(0,005)0,55.0,958= 29,06 (N)

Số hạng thứ hai Pbd = kbh là lực cản biến dạng của lát thái và ma sát ở mặt trước mặt sau của lưỡi dao, có thể tính theo công thức thực nghiệm như sau:

    3 5 0, 2 sin 2 os 2 0,34 0, 026 0,5 os 2 bd k c P bh h c                         

k1: ứng suất kéo của củ quả (N/cm2 ); k2= ứng suất nén của củ quả (N/cm2);

k3= ứng suất cắt thái giới hạn; 3 1 1. 2 2 k  k k Với k1 = 60 (N/cm2), k2 = 94 (N/2 cm) → k3 = 1 2√60.94= 37,55 (N/cm2) 𝑃𝑏𝑑 =0,2.37,55 . sin(60 0) . cos (150) (0,34 + 0,5.0,1). cos5(150) . 160.1 𝑃𝑏𝑑 = 33,04 (N)

Số hạng thứ ba Pv = εbhv2 là lực cản do ảnh hưởng của vận tốc cắt thái, có thể tính toán với ε = 0,025; v = 5,88 m/s

Pv = 0,025.16.0,1.5,882 = 13,83 N Vậy lực cản cắt thái tổng hợp bằng: P = 29,06 + 33,04 + 13,83 = 75,93N

Lực cản cắt thái riêng, tính cho một chiều rộng đơn vị lát thái b và cũng là đoạn lưỡi dao S sẽ bằng: 2 / . . 0, 025    m   p P S B s  kh hv (N/cm) k=0.30 p = 12,4*0,00050,55.0,958+0,30.0,001+0.025.0,001.5,882 p = 0.182 (N/cm)

4.2.2.3. Tính công suất cần thiết cho máy [7]

Công suất cần thiết cho máy thái củ quả được tính theo công thức: Nct = N1 + N2 + N3 + N4

Trong đó:

N1: Công suất tiêu thụ để thái củ quả (kW) N1 = . . . .1

1000

p L k k v

, kW

P: lực cản cắt thái riêng, N/cm; L: chiều dài lưỡi dao, cm; L = 16cm v: vận tốc cắt thái, m/s; v=38m/s

N1 =0.182.320.0,3.0,75.38

N2: Công suất khắc phục ma sát của củ quả vào mặt đĩa dao có bán kính r. 2 2 3 30.1000 Gf r n N   , kW

G: áp lực của củ quả vào mặt đĩa, có thể tính theo công thức sau: sin



G Q cos, N

Q: trọng lượng của củ quả trong thùng, N; Q = 15 N F: hệ số ma sát ; f = 0,4

: góc nghiêng của phểu tiếp liệu so với mặt thẳng đứng β=450 G=15.sin450.cos450 = 7,497 N N2 =7,497.0,4. 2 3 0,275.3,14.250 30.1000 N2 = 0,0144 kW

N3: công suất chi phí cho truyền động được tính theo hiệu suất truyền động ηm. N4: công suất tiêu thụ dùng để hất văng lát thái ra ngoài. Chi phí này thường không nhiều do lát thái 1 phần đã tự văng do lực quán tính khi dao quay và thái. Ta có thể chọn N4 = 0,001kW

Với: N1 + N4 = 60% Nct, và N2+ N3 = 40% Mà: N1 + N4 = 0,498 + 0,001 = 0,499 kW Nên: N2+ N3= 0,3327 kW

Nct = 0,499 + 0,3327 = 0,8317 kW

4.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY 4.3.1. Chọn động cơ dẫn động 4.3.1. Chọn động cơ dẫn động

4.3.1.1. Chọn quy cách động cơ.

Từ kết qura tính toán ở trên, tra theo bảng phụ lục 2P [3], ta chọn được động cơ có:

- Kiểu động cơ : A02 - 21 - 4 - Công suất động cơ : 1,1 (kW) - Vận tốc quay: 1400 (v/ph)

4.3.1.2. Xác định tỷ số truyền động của toàn hệ thống, công suất, mômen a. Xác định tỷ số truyền ut của hệ thống dẫn động a. Xác định tỷ số truyền ut của hệ thống dẫn động dc t lv n u n 

Trong đó: ndc= 1400 (v/ph) - là số vòng quay của động cơ

nlv = 250 (v/ph) - là số vòng quay của trục mang đĩa quay

Thay số ut 1400 5,6

250

 

b. Xác định công suất, mômen và số vòng quay trên trục.

Dựa vào Pct và sơ đồ hệ thống dẫn động, có thể tính được công suất, mômen,

số vòng quay trên các trục, phục vụ các bước tính toán thiết kế các bộ truyền, trục và ổ.

Ta có : Pct = 1,1 (kW)

nđc = 1400 (vòng/phút)

Tính toán đối với trục 1 ta được :