Thời gian ước tính của một chu trình sục rửa, phân loại hạt điều:
- Thời gian cấp liệu: 30 giây.
- Thời gian di chuyển khung sục xuống bể nước: 2 giây.
- Thời gian ngâm, sục để rửa bùn đất: 130 giây.
- Thời gian di chuyển lên của khung sục lên trên: 2 giây.
- Thời gian đổ phôi: 30 giây.
- Thời gian di chuyển về lại vị trí cấp liệu: 2 giây.
- Độ trễ của xylanh nâng đổ phôi: 5 giây. Tổng thời gian:
𝑡 = 30 + 2 + 130 + 2 + 30 + 2 + 5 = 201 (𝑔𝑖â𝑦)
29 𝑚 = 800 ∗ 201
3600= 44.67 (𝑘𝑔)
Cho một lần đổ tối đa được 50kg hạt điều.
Trước khi tính toán cho các chi tiết khác như thùng chứa nước, khung sục, khung trên, …ta cần thiết kế khung phân loại trước vì nó liên quan tới năng suất yêu cầu.
3.1. Tính toán, thiết kế dung tích khung phân loại
Hình 3.2: Cơ cấu phân loại Yêu cầu thiết kế:
- Chia hạt điều thành 3 loại khác nhau theo độ chìm nổi của hạt điều khi được cho vào trong nước
- Phải đảm bảo là khung chịu được tối đa 50kg hạt điều (chưa kể tải trọng của nước) Khung chia trượt vào khung sục sau khi đã cấp liệu và hạt đã ngâm trong nước. Do đó ta cần phải thiết kế chiều dài trên l dài hơn chiều rộng từng ô b để dễ dàng kết nối với các phần trên.
Do hạt to nhỏ khác nhau nên trọng lượng cũng khác nhau, dẫn đến số lượng hạt trên một đơn vị khối lượng cũng khác nhau. Hiệp hội hạt điều quy ước số lượng hạt đếm được trên một pound hay 454g. Các loại hạt điều theo kích cỡ:
- Hạt điều loại W180: Cỡ Vua (King of Cashew), từ 170 đến 180 hạt.
30
- Hạt điều loại W240: Cỡ lớn vừa 220 – 240 hạt.
- Hạt điều loại W320: Cỡ vừa (cỡ trung) 300 – 320 hạt.
- Hạt điều loại W450: Cỡ nhỏ vừa 400 – 450 hạt.
- Hạt điều loại W500: Cỡ nhỏ 450 – 500 hạt.
Ở Việt Nam chúng ta hay mua nửa ký hoặc 1 kg nên số lượng hạt sẽ khác một chút (tăng thêm khoảng 10% số hạt theo tiêu chuẩn pound). Ta chọn hạt điều loại W210 cỡ lớn 200-210 hạt trên 454g để tính toán.
Với kích thước ước lượng của mỗi hạt điều tươi cộng thêm các khoảng trống khi chất chồng lên nhau là khoảng 2 cm3.
Số hạt tương đương trong 50kg điều:
50
0.454∗ 200 ≤ 𝑞ℎ ≤ 50
0.454∗ 210 22026.43 ≤ 𝑞ℎ ≤ 23127.75 Thể tích của mỗi ô chứa:
𝑉𝑜 ≥ 23127.75 ∗ 2 = 46256 (𝑐𝑚3)
31 Ta chọn kích thước khung phân loại {
𝑎 = 20 (𝑐𝑚) 𝑏 = 40 (𝑐𝑚) 𝑐 = 60 (𝑐𝑚) Thể tích: V=a.b.c ( CT 3.1.1 ) Với thể tích: 𝑉 = 20 ∗ 40 ∗ 60 = 48000 (𝑐𝑚3) > 𝑉𝑜 ( CT 3.1.2 )
Cho chiều cao: ℎ = 2𝑎 = 40 (𝑐𝑚) ( CT 3.1.3 )
Chiều dài: 𝑙 = 2𝑏 = 80 (𝑐𝑚) ( CT 3.1.4 )
Sau khi xác định được các khoảng cách, chiều dài các khung ta tiến hành phân tích lực và tính toán khung phân loại.
Lực tác dụng lên khung phân loại khi ở làm việc là trọng lượng của hạt điều, ở đây ta xét trường hợp tất cả 50kg điều được chọn vào cùng 1 ô chia.
Bên cạnh đó khi được kéo lên bề mặt trong khung phân loại đã được phủ hạt điều đầy khung thì bề mặt khung còn chịu áp lực của nước.
Ở đây ta xét trường hợp của tầng dưới. Cho mức nước có trong thùng chứa vừa ngập phần cao nhất của khung phân loại.
Áp suất nước ở tầng dưới:
𝑃 = 𝑑 ∗ ℎ = 10000 ∗ 0.4 = 4000 (𝑁 𝑚⁄ 2) (CT 3.1.5) Với 𝑑 = 10000 (𝑁 𝑚⁄ 3): Trọng lượng riêng của nước.
ℎ = 40 (𝑐𝑚) = 0.4 (𝑚)
Lực cản của nước lên bề mặt tầng dưới:
𝐹𝑆 = 𝑃 ∗ 𝑆 = 4000 ∗ 0.4 ∗ 0.6 = 960 (𝑁) (CT 3.1.6)
Vậy toàn bộ khung phân loại phải chịu tổng lực:
32
Hình 3.4. Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung phân loại.
➢ Chọn thép hộp vuông làm khung
Hình 3.5. Mặt cắt ngang của thép hộp vuông.
Ứng suất uốn xuất hiện ở thanh chịu uốn phẳng được xác định theo công thức sau:
𝜎𝑚𝑎𝑥 = |𝑀𝑥∗ 𝑦
33 Hình 3.6. Phân bố lực trên mặt cắt. Với: 𝑀𝑥 = 146000 (𝑁𝑚𝑚) 𝑦 = 𝑐 2 (𝑚𝑚) 𝐽𝑥 = 𝑐 4 12− (𝑐 − 2𝑡)4 12 (2) Chọn sơ bộ thép hộp 25x25x1.2mm theo bảng 3.2. 𝜎𝑚𝑎𝑥 = |𝑀𝑥 ∗ 𝑦 𝐽𝑥 | = | 146000 ∗ 25 2 254 12 − (25 − 2 ∗ 1.2)4 12 | = 168.79 (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2)
34
So sánh với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép ta thấy giới hạn chảy của loại thép ta chọn CT34 là: σ = 230 (N/mm^2 ), 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 168.79 (N mm⁄ 2) lớn hơn ứng suất sinh ra nên khung chịu lực đảm bảo điều kiện bền với kích cỡ thép chọn là 25x25x1.2.
Bảng 3.1. Bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép.
Tiêu chuẩn Standard Mác thép Grade Giới hạn chảy Yeild Point (N/𝑚𝑚2) Giới hạn đứt Tensile Strength (N/𝑚𝑚2) Độ giãn dài Elongation (%) TCVN 1651-85 (1765-85) CT 33 240 min CT 34 230 min 340 ÷ 440 32 min CT 38 250 min 380 ÷ 490 26 min CT 42 270 min 420 ÷ 540 24 min CT 51 290 min 510 ÷ 640 20 min TCVN 3104-79
25Mn2Si 392 min 590 min 14 min
35 Chiều dày ống (mm) 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.4 1.5 1.8 2.0 2.3 2.5 Kích thước (mm) 10x30 2.53 2.87 3.21 3.54 3.87 4.20 4.83 5.14 6.05 12x12 1.47 1.66 1.85 2.03 2.21 2.39 2.72 2.88 3.34 3.62 13x26 2.46 2.79 3.12 3.45 3.77 4.08 4.70 5.00 5.88 14x14 1.74 1.97 2.19 2.41 2.63 2.84 3.25 3.45 4.02 4.37 16x16 2.00 2.27 2.53 2.79 3.04 3.29 3.78 4.01 4.69 5.12 20x20 2.53 2.87 3.21 3.54 3.87 4.20 4.83 5.14 6.05 6.36 12x32 2.79 3.17 3.55 3.92 4.29 4.65 5.36 5.71 6.73 7.39 8.34 8.95 20x25 2.86 3.25 3.63 4.01 4.39 4.76 5.49 5.85 6.90 7.57 8.55 9.18 25x25 3.19 3.62 4.06 4.48 4.91 5.33 6.15 6.56 7.75 8.52 9.64 10.36 20x30 3.19 3.62 4.06 4.48 4.91 5.33 6.15 6.56 7.75 8.52 9.64 10.36 15x35 3.19 3.62 4.06 4.48 4.91 5.33 6.15 6.56 7.75 8.52 9.64 10.36 30x30 3.85 4.38 4.90 5.43 5.94 6.46 7.47 7.97 9.44 10.40 11.80 12.72 20x40 3.85 4.38 4.90 5.43 5.94 6.46 7.47 7.97 9.44 10.40 11.80 12.72 25x50 4.83 5.51 6.18 6.84 7.50 8.15 9.45 10.09 11.98 13.23 15.06 16.25 40x40 5.16 5.88 6.60 7.31 8.02 8.72 10.11 10.80 12.83 14.17 16.14 17.43
36
➢ Để hạt điều không rơi rớt ta chọn lưới mắt cáo 5x5mm để đảm bảo những các chất cặn bẩn được động lại ở dưới đáy của thùng
Hình 3.7. Lưới mắt cáo 5x5mm.
Sau khi tính toán ta tiến hành thiết kế, dựng các bản vẽ 2D, 3D, ta tính toán được khối lượng của khung phân loại là: 6.848kg.
37
Hình 3.8. Hình ảnh khung phân loại trong phần mềm INVENTOR.
3.2. Tính toán, thiết kế khung rửa
Khung rửa có nhiệm vụ rửa hạt điều và mang theo khung phân loại.
Lực tác dụng chủ yếu lên khung rửa là trọng lượng khung phân loại, trọng lượng hạt điều và lực cản của nước.
Trọng lượng khung phân loại: 68.48N Trọng lượng hạt điều: 500N
Lực của của nước: 960N
𝐹1 =68.48 + 500 + 960
38
Kích thước của khung rửa ta cho rộng hơn kích thước khung phân loại.
Hình 3.9. Kích thước khung rửa
Hình 3.10. Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung chia.
Dựa vào công thức (1), (2) và bảng 3.2 ta chọn sơ bộ thép hộp 20x20x1.2mm.
𝜎𝑚𝑎𝑥 = |𝑀𝑥∗ 𝑦 𝐽𝑥 | = | 38212 ∗ 20 2 204 12 − (20 − 2 ∗ 1.2)4 12 | = 71.59 (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2)
So sánh với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép ta thấy giới hạn chảy của loại thép ta chọn CT34 là: σ = 230 (N/mm^2 ), 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 71.59 (N mm⁄ 2) lớn hơn ứng suất sinh ra nên khung chịu lực đảm bảo điều kiện bền với kích cỡ thép chọn là 20x20x1.2.
39
Hình 3.11. Hình ảnh khung rửa sơ bộ trong phần mềm INVENTOR.
Lúc này trọng lượng của khung rửa là: 90.43N.
Vậy tại điểm A chịu trách nhiệm là vị trí kéo của xy lanh kéo rửa sẽ chịu một lực là:
40
Hình 3.12. Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung rửa.
Dựa vào công thức (1), (2) và bảng 3.2 ta chọn sơ bộ thép hộp 25x25x1.2mm.
𝜎𝑚𝑎𝑥 = |𝑀𝑥 ∗ 𝑦 𝐽𝑥 | = | 161891 ∗ 25 2 254 12 − (25 − 2 ∗ 1.2)4 12 | = 187.16 (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2)
So sánh với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép ta thấy giới hạn chảy của loại thép ta chọn CT34 là: σ = 230 (N/mm^2 ), 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 187.16 (N mm⁄ 2) lớn hơn ứng suất sinh ra nên khung chịu lực đảm bảo điều kiện bền với kích cỡ thép chọn là 25x25x1.2.
41
Hình 3.13. Hình ảnh khung rửa trong phần mềm INVENTOR.
Giữa khung rửa và khung phân loại ta đặt gối đỡ - ray trượt để khung phân loại được tự do tịnh tiến qua lại. Hiện nay ray trượt thường được chế tạo từ các loại hợp kim không gỉ có độ bền độ cứng bề mặt rất tốt, có 2 loại là thanh trượt tròn và thanh trượt mang cá. Ta chọn loại loại ray BSG loại có độ rộng B=20mm theo hình 3.13.
42
43
3.3. Cửa xả
Cửa xả có nhiệm vụ đóng mở cửa xả hạt điều sau khi đã ngâm sục, phân loại.
Khi khung xả nghiêng một góc 60o để chuẩn bị xả thì lúc này cửa xả sẽ chịu tải trọng lớn nhất. Cửa xả sẽ chịu tải trọng của toàn bộ khối lượng hạt điều.
Hình 3.15. Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung rửa.
Dựa vào công thức (1), (2) và bảng 3.2 ta chọn sơ bộ thép hộp 10x10x1.2mm.
𝜎𝑚𝑎𝑥 = |𝑀𝑥 ∗ 𝑦 𝐽𝑥 | = | 15625 ∗ 10 2 104 12 − (10 − 2 ∗ 1.2)4 12 | = 140.68 (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2)
So sánh với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép ta thấy giới hạn chảy của loại thép ta chọn CT34 là: σ = 230 (N/mm^2 ), 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 140.68 (N mm⁄ 2) lớn hơn ứng suất sinh ra nên khung chịu lực đảm bảo điều kiện bền với kích cỡ thép chọn là 10x10x1.2.
44
45
3.4. Tính toán, thiết kế khung xả
Hình 3.17: Khung xã
Khung xả chịu trách nhiệm xả hạt điều sau khi đã rửa và phân loại. Khung xả liên kết vào thùng nước.
Yêu cầu các mối hàn phải đảm bảo đúng tiêu chuẩn để không bị đứt mối hàn dễ hư hỏng, cần phải mài kỹ các ba via sơn lót chống gỉ do thường xuyên tiếp xúc với nước.
Khung xả phải chịu được tổng trọng lượng của khung rửa, khung phân loại, cửa, lực cản của nước, trọng lượng hạt điều và các chi tiết khác.
Với:
▪ Trọng lượng khung rửa: 91.07N ▪ Trọng lượng khung phân loại: 68.48N ▪ Trọng lượng cửa: 15.21N ▪ Lực cản của nước: 960N ▪ Trọng lượng hạt điều: 500N ▪ Các chi tiết khác: 20N 𝐹 = 91.07 + 68.48 + 15.21 + 960 + 500 + 20 = 1654.76 (𝑁) Khung xả Bồn chứa nước
46
Hình 3.18. Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của khung xả.
Dựa vào công thức (1), (2) và bảng 3.2 ta chọn sơ bộ thép hộp 25x25x1.2mm.
𝜎𝑚𝑎𝑥 = |𝑀𝑥 ∗ 𝑦 𝐽𝑥 | = | 141688.83 ∗ 25 2 254 12 − (25 − 2 ∗ 1.2)4 12 | = 163.80 (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2)
So sánh với bảng quy chuẩn cơ tính chất lượng thép ta thấy giới hạn chảy của loại thép ta chọn CT34 là: σ = 230 (N/mm^2 ), 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 163.80 (N mm⁄ 2) lớn hơn ứng suất sinh ra nên khung chịu lực đảm bảo điều kiện bền với kích cỡ thép chọn là 25x25x1.2.
47
Hình 3.19. Khung xả.
48
❖ Tính toán trục xoay của khung xả:
Hình 3.20. Vị trí lắp trục xoay khung xả.
Trục xoay khung xả phải chịu được lực tối thiểu là tổng lực của trọng lượng khung xả, trọng lượng khung rửa, trọng lượng khung phân loại, trọng lượng cửa, trọng lượng hạt điều và trọng lượng các chi tiết khác:
Với:
▪ Trọng lượng khung xả: 108.05N ▪ Trọng lượng khung rửa: 91.07N ▪ Trọng lượng khung chia: 68.48N ▪ Trọng lượng cửa: 15.21N
▪ Trọng lượng hạt điều: 500N ▪ Các chi tiết khác: 20N
49
Hình 3.21. Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của trục xoay.
Chọn vật liệu làm trục là CT5.
Theo công thức (10.17) trang 194 sách TTTKHDĐCK tập 1 của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển. 𝑑 = √ 𝑀𝑡đ 0.1[𝜎] 3 = √1254.38 0.1 ∗ 58 3 = 6 (𝑚𝑚) Trong đó: ▪ 𝑀𝑡đ = 1254.38 (𝑁𝑚𝑚) ▪ [𝜎] = 58 𝑀𝑃𝑎 (tra bảng 10.5, trang 195 sách TTTKHDĐCK tập 1)
Chọn trục xoay khung xả có đường kính D=8 (mm). ❖ Tính toán trục nâng khung xả
Trục nâng khung xả phải chịu được lực tối thiểu là tổng lực của trọng lượng khung xả, trọng lượng khung rửa, trọng lượng khung phân loại, trọng lượng cửa, trọng lượng hạt điều, lực cản của nước và trọng lượng các chi tiết khác:
50
Hình 3.22: Vị trí lắp trục nâng khung xả
Với:
▪ Trọng lượng khung xả: 108.05N ▪ Trọng lượng khung rửa: 91.07N ▪ Trọng lượng khung phân loại: 68.48N ▪ Trọng lượng cửa: 15.21N
▪ Trọng lượng hạt điều: 500N ▪ Lực cản của nước: 960 N ▪ Các chi tiết khác: 20N
𝐹 = 108.05 + 91.07 + 68.48 + 15.21 + 500 + 960 + 20 = 1762.81 (𝑁)
51
Chọn vật liệu làm trục là CT5.
Theo công thức (10.17) trang 194 sách TTTKHDĐCK tập 1 của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển. 𝑑 = √ 𝑀𝑡đ 0.1[𝜎] 3 = √15424.59 0.1 ∗ 58 3 = 13.85 (𝑚𝑚) Trong đó: ▪ 𝑀𝑡đ = 15424.59 (𝑁𝑚𝑚) ▪ [𝜎] = 58 𝑀𝑃𝑎 (tra bảng 10.5, trang 195 sách TTTKHDĐCK tập 1)
Chọn trục nâng khung xả có đường kính D=14 (mm). ❖ Tính toán thanh nhôm định hình dẫn hướng
Trên khung xả ta gắn vào một thanh nhôm định hình làm nhiệm vụ là thanh trượt cho khung rửa di chuyển lên xuống và đảm bảo không bị rung lắc.
52
Thanh nhôm chịu tải trọng lớn nhất khi máy ở trạng thái chuẩn bị xả hạt điều. Lúc này thanh nhôm định hình sẽ chịu một lực là tổng lực của:
▪ Trọng lượng khung xả: 108.05N ▪ Trọng lượng khung rửa: 91.07N ▪ Trọng lượng khung phân loại: 68.48N ▪ Trọng lượng cửa: 15.21N
▪ Trọng lượng hạt điều: 500N ▪ Các chi tiết khác: 20N
𝐹 =108.05 + 91.07 + 68.48 + 15.21 + 500 + 20
53
54
Chọn nhôm hợp kim định hình 6063-T5 20x20 có tiết diện như hình 3.22.
Độ bền kéo của hợp kim nhôm 6063 là >150N/mm2 .
Moment quán tính: 𝐽𝑥 = 0.7 (𝑐𝑚4) = 7000 (𝑚𝑚4)
Hình 3.26. Mặt cắt ngang của thép hộp vuông.
Dựa vào công thức (1)
𝜎𝑚𝑎𝑥 = |𝑀𝑥∗ 𝑦
𝐽𝑥 | = |14049.28 ∗ 20
2
7000 | = 20.07 (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2)
So sánh với giới hạn chảy của nhôm hợp kim 6063 là: σ = 150 (N/mm^2 ), 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 20.07 (N mm⁄ 2) lớn hơn ứng suất sinh ra nên thanh nhôm định hình 20x20 ta chọn là đảm bảo độ bền.
55
❖ Xác định điểm đặt xilanh xả
Xy lanh xả có hai trạng thái chính là trạng thái không đẩy, góc nghiêng khung xả là 0o và trạng thái đẩy góc nghiêng khung xả là 60o.
Sau khi thiết kế và vẽ các khung ở trên. Ta có được kích thước tâm xoay khung xả và tâm xoay của xy lanh khung xả như hình 3.32.
Hình 3.27. Kích thước tâm xoay khung xả và tâm xoay xy lanh xả.
Chiều cao ở chiều cao thấp nhất của xy lanh xả sau khi gắn vòng bi mắt trâu Ø14 là 588mm, chiều cao lớn nhất của xy lanh là 1088mm.
Do đó ta xác định tọa độ của điểm đặt xy lanh xả như hình 3.33.
56
3.5. Tính toán thiết kế thùng chứa nước
Yêu cầu:
- Chống thấm, không rò rỉ nước ra bên ngoài
- Thùng chứa rộng rãi các cơ cấu của máy dễ dàng hoạt động.
- Đáy thùng phải cách mặt làm việc một khoảng 200mm. để các chất bẩn, bùn đất lắng xuống.
- Đường ống thoát nước dễ dàng.
- Dễ dàng vệ sinh, bảo quản thùng nước.
- Có gắn bánh xe để dễ dàng di chuyển, tăng tính cơ động của máy. Ta có kích thước sơ bộ của thùng chứa nước.
Hình 3.29. Kích thước sơ bộ của thùng chứa nước.
Nếu đổ đẩy thùng chứa thì áp suất dưới đáy thùng sẽ là:
𝑃 = 𝑑 ∗ ℎ = 10000 ∗ 0.725 = 7250 (𝑁 𝑚⁄ 2) (CT 3.5.1) Với 𝑑 = 10000 (𝑁 𝑚⁄ 3): Trọng lượng riêng của nước.
57
Áp lực của nước lên mặt đáy thùng chứa nước:
𝐹𝑆 = 𝑃 ∗ 𝑆 = 7250 ∗ 0.685 ∗ 1 = 4966.25 (𝑁) (CT 3.5.2)
Hình 3.30. Biểu đồ nội lực dầm chịu uốn phẳng của thùng chứa nước.