4. Luận điểm khoa học
3.6 THIẾT KẾ CÁC BỘ PHẬN CỦA MẪU MÁY BLR-K50
3.6.1 Yêu cầu thiết kế
Để máy hoạt động tốt đúng theo mục đích đề ra là năng suất bóc đạt 40 – 60 kg/h và hiệu suất bóc cao hơn 95%. Các bộ phận của máy phải thiết kế và chế tạo phù hợp. Với phạm vi nghiên cứu của đề tài chúng tôi tính toán thiết kế và chế tạo một số
bộ phận chính của mẫu máy BLR-K50 bao gồm:
- Buồng bóc vỏ lụa hạt lạc rang.
- Phễu cấp liệu
- Khung máy
3.6.2 Thiết kế buồng bóc
Buồng bóc có dạng ống hình trụ được gắn đầu phun và ống thoát vỏ lụa sau khi
bóc. Thùng bóc phải đảm bảo quá trình bóc sạch vỏ khi có nguồn khí nén cung cấp với
áp lực từ 5 – 8 bar. Buồng bóc được liên kết với phễu cấp liệu thông qua cửa van để định lượng lạcrơi xuống buồng bóc bằng hệ thống điều khiển tự động chế độ cấp liệu
cho một mẻ bóc.
Vận tốc đầu vào của đầu phun: v = 63,23 m/s, áp suất khí cung cấp: P = 5 – 8 bar Vật liệu buồng bóc lựa chọn là ống inox hay tấm inox được uốn lại và hàn giáp
mí có độ dày 2mm (SUS304 theo tiêu chuẩn JIS) đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm. Đường kính ngoài và đường kính trong của buồng bóc lần lượt là 200 và 196 mm, chiều cao buồng bóc thiết kế 250 mm, góc đặt đầu phunlà 450. Đầu phun được làm bằng vật liệu đồng, gắn vào buồng bóc với góc nghiêng 450như trong hình 3.9.
Hình 3.9. Cấu tạo buồng bóc
3.6.3 Thiết kế phễu cấp liệu
Phễu cấp liệu phải đảm bảo lượng dự trữ lạc cần thiết để máy hoạt động liên tục đủ năng suất máy đạt 40 – 60 kg/h. Phễu cấp liệu có dạng hình côn gồm, các kích thước cụ thể của phễu cấp lựa chọn như sau: chiều rộng và chiều dài miệng phễu cấp lần lượt a = 0,6 m và b = 0,4 m. Đáy phễu cấp dạng hình vuông kích thước c = 0,119
m. Chiều cao phễu gồm hai phần có kích thước lần lượt là h1 = 0,05 m và h2 = 0,2 m
như trong bản vẽ 4.9. Thể tích phễuđược tính theo công thức 3.14
2 1 2 1 . . . . 3 V a b h a bc c a b h
Như vậy theo công thức 4.14 với các kích thước của phễu cấp được lựa chọn như trên thể tích phễu cấp liệu V = 0,017 m3.
Để đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm do đó việc lựa chọn vật liệu cho quá
trình chế tạo phải theo tiêu chuẩn nên vật liệu inox độ dày 2 mm (loại SUS 304 theo tiêu chuẩn TCVN) được sử dụng cho chế tạo phễu cấp liệu. Kích thước và thiết kế chi
tiết của phễu cấp liệu được trình ở hình 3.10 cũng như trong Bản vẽ phụ lục 1.
Hình 3.10. Cấu tạo phễu cấp liệu
3.6.4 Thiết kế khung máy
Yêu cầu khung máy: Khung máy thiết kế phải có kết cấu phù hợp, kích thước
máy dựa trên các kích thước thiết kế các bộ phận khác như buồng bóc, phễu cấp liệu
và máng thu sản phẩm.
Khung máy có dạng hình chữ nhật kích thước chiều dài x chiều rộng x chiều
cao là 760 x 540 x 1200 mm cụ thể như trong hình 3.11. Khung máy được làm từ thép
hộp hình vuông kích thước 40 x 40.
Hình 3.11. Cấu tạo khung máy
3.6.5 Thiết kế mạch điều điều khiển
Mạch điện điều khiển được thiết kế chế tạo và lắp đặt nhằm mục đích máy hoạt động tự động trong quá trình nạp liệu, bóc vỏ và thoát liệu của máy. Nguyên lý hoạt động chính là: Khi bật công tắc S1 chuyển sang chế độ tự động, các hạt lạc rang từ
phễu chứa liệu được xylanh cấp liệu mở, các hạt lạc rang rơi vào buồng bóc. Sau khoảng thời gian T1 xylanh cấp liệu đóng. Van điều khiển đầu phun hoạt động để thực
hiện quá trình bóc, sau khoảng thời gian T2 ngừng. Lúc này, xylanh cửa thoát mở để
các hạt lạc rang đã bóc sạch ra ngoài, sau khoảng thời gian T3 cửa xả liệu đóng lại.
Quá trình này được lặp lại đi lặp lại liên tục theo chu kỳ thời gian được cài đặt sẵn, đảm bảo năng suất bóc vỏ lụa hạt lạc rang của máyđúng theo yêu cầu thiết kế từ 40 – 60 kg/h.
- Nguồn điện cung cấp: 220V AC. - Nguồn điện điều khiển: 24V DC.
Từ yêu cầu thiết kế ta có sơ đồ trạng thái của mạch điều khiển như sau:
Hình 3.12. Sơ đồ trạng thái mạch điều khiển
- Sơ đồ điều khiển mạch khí nén
Bảng 3.15. Qui trình thực hiện các bước trong quá trình vận hành
Nhịp 1 2 3 4 5 6
Xylanh/đầu phun A- A+ B+ B- C- C+
Công tắc hành trình SH4 SH5
Van điện từ Y1 Lò xo Y2 Lò xo Y3 Lò xo
3.7 CHẾ TẠO MẪU MÁY BLR-K50
Các thông số kỹ thuật chung của mẫu máy bóc vỏ lụa hạt lạc rang BLR-K50
như sau:
+ Kích thước máy: 760 x 560 x 1200 (mm).
+ Năng suất: 40 – 60 kg/h. + Áp suất do: 5 – 8 bar. + Nguồn điện: 220V – AC.
Các bộ phận chính đã được chế tạo đúng yêu cầu tính toán, thiết kế gồm: Buồng
bóc, phễu cấp liệu, khung máy, lắp đặt các phần tử điện điều khiển cho máy bóc.
3.7.1 Buồng bóc
Hình 3.14. Buồng bóc
- Thiết kế:
+ Vật liệu sử dụng: SUS304
- Chế tạo: Nguyên công 1 ta sử dụng máy cắt và máy uốn để uống tấm inox
SUS304 thành hình trụ đường kính 218 mm, và nguyên công 2 ta sử dụng công nghệ
hàn khí để hàn như mô hình bản vẽ buồng bóc. Ngoài bộ phận chính buồng bóc thì trên buồng bóc còn có phần thu vỏ lụa đường kính 49 mm được hàn vào buồng bóc như trong hình 3.14. Tuy nhiên thực tế chế tạo mẫu máy do mẫu máy đầu tiên và để
thử nghiệm nên chúng tôi sử dụng thép tấm dày 2mm thay thế vật liệu thiết kế inox
SUS304.
3.7.2 Phễu cấp liệu
Phểu cấp được thiết kế với các kích thước 680 x 480 x 250 với inox sử dụng
loại SUS304. Nhưng thực tế chế tạo chúng tôi sử dụng thép tấm 1,2mm. Việc đóng mở
cửa cấp liệu pittong đóng mở điều khiển thông qua mạch điều khiển như mô tả trong
phần 4.6.5. Phễu cấp liệu sau khi chế tạo được thể hiện như trong hình 3.15.
Hình 3.15. Phễu cấp liệu
3.7.3 Khung máy
Việc thiết kế khung máy với kích thước là 760 x 560 x 1200 mm. Sử dụng thép
tiêu chuẩn SS400 và chế tạo theo TCVN có kích thước 40x40 mm độ dày 2 mm. Quá trình chế tạo gồm 2 nguyên công. Nguyên công 1 ta sử dụng máy cắt để cắt các đoạn
thép theo yêu cầu được thiết kế trong các bản vẽ và nguyên công 2 ta sử dụng hàn điện để hàn như mô hình bản vẽ khung máy (Hình 3.16).
Hình 3.16. Khung máy BLR-K50 sau khi chế tạo và lắp đặt
3.7.4 Cấu tạo và lắp đặt các phần tử điện điều khiển.
Cấu tạo của mạch điều khiển bao gồm 3 rơ le thời gian, Kí hiệu: T48N-A của
hãng Hanyoung, Korea sản xuất như trong hình 3.17.
Ngoài ra cấu tạo của bộ điều khiển còn có 5 rơ le trung gian có chức năng
chuyển mạch tín hiệu điều khiển và chịu tải trung gian cho các cảm biến, và ngõ in out với PLC….được lắp đặt ở vị trí trung gian giữa bộ nguồn và 3 rơ le thời gian. Bộ
nguồn sử dụng loại chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220VAC thành nguồn một
chiều 24 VDC để cung cấp cho mạch điều khiển làm việc theo các chế độđượccài đặt
theo yêu cầu thiết kế trong quá trình vận hành máy. Bộ phận điều khiển theo sơ đồ
trạng thái trong hình 3.13 và được lắp đặt như trong hình 4.17 điều khiển thông qua
các chế độ như trong hình 3.18
Hình 3.18. Rơ le thời gian T48N-A
Hình 3.19. Mặt trước của hệ thống điều khiển mẫu máy BLR-K50
Các rơ le thời gian làm việc theo sơ đồ mạch trong hình 4.12 để điều khiển cụm
van cung cấp khí từ máy nén khí cho quá trình bóc vỏ lụa hạt lạc rang thông qua điều
khiển đóng mở xy lanh cửa nạp (T1) và dòng khí cung cấp vào buồng bóc thông qua đóng mở (T2) và đóng mở xy lanh cho bộ phận thu sản phẩm (T3), thời gian cả 3 quá
trình từ khi nạp liệu, bóc và thu sản phẩm là 24 giây. Tuy nhiên thực tế cho thấy rằng
việc cài đặt các chế độ thời gian T1, T2 và T3 có thể thay đổi tùy theo từng loại lạc
Hình 3.20. Lắp đặt cụm van cung cấp khí cho máy hoạt động
3.7.5 Máy bóc vỏ lụa hạt lạc rangđược chế tạo hoàn chỉnh
Hình 3.21. Máy bóc vỏ lụa hạt lạc rang BLR-K50
Sau quá trình chế tạo các bộ phận của máy, mẫu máy BLR-K50 được lắp đặt
Bảng 3.16. Các thông số kỹ thuật chính của mẫu máy BLR-K50 Bộ phận Thông số kỹ thuật Buồng bóc vỏ Kích thước: Ø200 x 250 (mm) Ống thoát: Ø49 (mm) Đầu phun khí
4 đầu phun để làm cho không khí xoay vòng
Góc nghiêng đầu phun: 45o
Khoảng cách đặt 4 đầu phun cách đáy buồng bóc: h= 8mm Áp suất dòng khí cung cấp 5 – 8 bar Thời gian bóc 20 giây Khối lượng bóc/mẻ 300g Kích thước
toàn máy Dài x Rộng x Cao = 760 x 560 x 1200 mm Trọng lượng
máy (không kể
máy nén khí)
30 kg
3.7.6 Lựa chọn máy nén khí
Để đảm bảo áp suất dòng khí cung cấp cho máy bóc vỏ máy nén khi phải đảm bảo từ 5 – 8 bar và ổn định làm việc tốt nhất tại áp suất nén 7 bar. Do dó máy nén khí có thể lựa chọn loại máy nén khí Jucai AV808 của hãng Jucai sản xuất có các thông số chính như trong bảng 3.2 và hình 3.3.
3.8 KẾT QUẢ KHẢO NGHIỆM MẪU MÁY BLR-K50
Để đánh giá hiệu quả và khả năng bóc vỏ của mẫu máy BLR-K50 sau khi chế
tạo và lắp đặt, quá trình khảo nghiệm được thực hiện tại Khoa Cơ khí – Chế tạo, trường Cao đẳng Cơ điện – Xây dựng và Nông Lâm Trung Bộ trong thời gian từ tháng
3-5 với nhiều lần thực hiện và hoàn thiện mẫu máy cụ thể như sau:
-Áp suất dòng khí cung cấp cho máy từ máy khí nén Hitachi có sẵn tại khoa Cơ
-Khối lượng lạc rang đưa vào khảo nghiệm cho mỗi lần bóc theo chế độ được cài đặt sẵn là 300 g với thời gian bóc mỗi mẻ là 20 giây.
Hình 3.22. Lạc rang định lượng trước khi đưa vào máy bóc vỏ lụa hạt lạc
- Thí nghiệm được tiến hành lặp lại 3 lần để đánh giá hiệu quả bóc vỏ lụa của
hạt lạc rang kết quả phân tích so sánh bằng phương pháp One-Way Anova cho giá trị
trung bình hiệu suất bóc vỏ của mẫu máy BLR-K50 ở các giá trị áp suất dòng khí 5, 6, 7 và 8 bar được thể hiện như trong bảng 3.17.
Bảng 3.17. Hiệu suất bóc vỏ trung bình của máy BLR-K50 khi thay đổi áp suất dòng khí cung cấp từ 5 – 8 bar Áp suất dòng khí (bar) Thời gian bóc (giây) Khối lượng bóc (g) Hiệu suất nhỏ nhất (%) Hiệu suất lớn nhất (%) Hiệu suất bóc vỏ trung bình (%) 5 20 300 85,0 88,3 86,7±1,7a 6 20 300 90,0 95,0 92,2±2,6b 7 20 300 95,7 97,0 96,2±0,7b 8 20 300 93,3 94,7 94,0±0,7b *
Các giá trị trong cùng một cột có chữ cái khác nhau thì khác biệt có ý nghĩa
thống kê (p<0,05); số lần lặp n=3
Từ kết quả phân tíchở bảng 3.17 cho thấy hiệu suất bóc vỏ của mẫu máy BLR- K50 ở áp suất dòng khí cung cấp 7 bar (96,2%) là cao hơn so với hiệu suất máy khi
áp suất dòng khí cung cấp từ 6 – 8 bar thì hiệu suất bóc vỏ lụa của máy có sự khác nhau nhưng giá trị không lớn và sự sai khác không có ý nghĩa về mặt thống kê với
mức ý nghĩap>0,05. Trong khi đó hiệu suất của máy tại các áp suất dòng khí từ 6-8
bar cao hơn tại áp suất 5 bar và có ý nghĩa về mặt thống kê (p<0,05). Mặt khác, kết
quả khảo nghiệm cũng cho thấy rằng nếu áp suất dòng khí cung cấp lên 8 bar không chỉ hiệu suất bóc vỏ lụa có xu thế giảm hơn so với áp suất 7 bar mà khả năng vỡ hạt
sau quá trình bóc vỏ lụa có xu thế tăng lên (Hình 3.23).
(a) (b)
Hình 3.23. Lạc sau khi bóc vỏ lụa ở áp suất dòng khí 7 bar (a) và 8 bar (b)
Việc bóc vỏ lụa lạc rang với áp suất dòng khí cung cấp lớn (8 bar) có khả năng
làm vỡ hạt cao, nguyên nhân có thể do khi dòng khí cung cấp lớn sẽ tăng khả năng va đập của các hạt với nhau cũng như của hạt lạc với thành trong của buồng bóc. Bởi vì quá trình bóc vỏ lụa hạt lạc trong buồng bóc xẩy ra hai giai đoạn là giai đoạn đầu các
hạt va đập vào thành buồng bóc, giai đoạn sau các hạt va đập, chà xát với nhau theo
dòng khí cung cấp dạng xoắn ốc (do 4 đầu phun với góc đặt đầu phun 450). Bên cạnh đó việc tăng áp suất dòng khí sẽ làm cho vận tốc các hạt di chuyển trong buồng bóc tăng lên đồng thời độ xoáy của các hạt sau khi được bóc vỏ lụa cũng tăng theo. Trong khi các hạt lạc rất dễ vỡ sau khi lớp vỏ lụa không còn nữa vì lớp vỏ lụa như là lớp bảo
vệ tăng cường sự liên kết của hạt. Mặt khác việc sử dụng dòng khí có áp suất lớn đòi hỏi máy nén khí có công suất lớn, số lượng xylanh nén tăng đồng thời tăng thêm chi phí cho việc lắp đặt máy. Chính vì vậy việc sử dụng áp suất dòng khí cung cấp cho
máy cần ổn định ở mức 7 bar để đảm bảo cho hiệu suất bóc vỏ cũng như chất lượng
của hạt lạc sau khi bóc. Tuy nhiên qua kết quả khảo nghiệm cho thấy rằng với áp suất
một tỷ lệ khá cao. Do đó cần có nghiên cứu để hạn chế tỷ lệ vỡ đôi hạt lạc sau khi bóc
vỏ lụa để đáp ứng yêu cầu về đa dạng hóa sản phẩm lạc rang cho chế biến thực phẩm,
bánh kẹo…..
3.9 ĐÁNH GIÁ CHUNG MẪU MÁY BLR-K50
Qua kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm bước đầu cho thấy
mẫu máy bóc vỏ lụa hạt lạc rang BLR-K50 làm việc theo nguyên lý khí động có kết
cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt. Kích thước máy phù hợp chiếm ít diện tích, trọng lượng máy nhẹ dễ vận chuyển khi cần thiết và có thể giảm trọng lượng nếu sử dụng vật
liệu chế tạo các bộ phận chính là Inox như trong thiết kế. Máy làm việc ổn định, vận hành đơn giản, dễ sử dụng và có thể thay đổi điểu chỉnh chế độ làm việc để phù hợp
với điều kiện sản xuất thực tế. Năng suất máy bảo đảm từ 40 – 60 kg/h, chi phí điện năng thấp. Tuy nhiên, nhằm giảm chi phí sản xuất mẫu máy BLR – K50 chúng tôi sử
dụng vật liệu thép thay thế vật liệu thiết kế (Inox SUS304) cho các bộ phận làm việc
chính tiếp xúc trực tiếp với lạc rang như buồng bóc, phễu cấp liệu, máng thu sản phẩm do đó chưa thực sự đảm bảo được yêu cầu về vệ sinh an toàn thực phẩm.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Sau quá trình triển khai thực hiện đề tài để hoàn thành luận văn, với sự giúp đỡ