Chương 2 : TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
2.4. Những đặc điểm cơ bản của cơ cấu vít me đai ốc bi
Ưu điểm:
- Tính đồng nhất năng lượng giữa phần điều khiển và phần chấp hành nên bảo
dưỡng, sửa chữa, tổ chức kĩ thuật đơn giản, thuận tiện.
- Sử dụng hệ thống truyền động của cơ cấu vít me có ma sát khơng đáng kể. - Đem lại hiệu suất truyền động lớn.
- Đảm bảo những chuyển động chính xác, mượt mà, ổn định, bền bỉ và lâu dài. - Trục vít me đai ốc bi có độ cứng vững dọc trục cao.
- Tuổi thọ lớn. Nhược điểm:
- Do đặc điểm cấu tạo mà trục vít me đai ốc bi có khả năng chịu tải kém hơn so với
các vít me thường.
- Môi trường làm việc bụi bẩn, vấn đề bôi trơn, kỹ thuật lắp đặt đều có thể rút ngắn
tuổi thọ của chúng.
- Gía thành trục vít me đai ốc bi khá đắt, gây tốn kém chi phí. 2.5. Các loại bơm dung dịch có độ nhớt cao:
2.5.1. Bơm bánh răng
Bơm bánh răng được chia làm 2 loại: + Bơm bánh răng ăn khớp trong. + Bơm bánh răng ăn khớp ngoài.
20 Nguyên lý hoạt động:
Các bánh răng chủ động, bị động sẽ được kết nối với trục quay của bơm. Khi bơm được đấu nối với động cơ và nguồn điện, trục quay làm bánh răng chủ động quay và kéo theo bánh răng bị động quay.
Hình 2.7: Bơm bánh răng ăn khớp ngoài ( Nguồn Internet )
21
Tại các rãnh nón hay rãnh V, dung dịch sẽ được chứa ở đó sẽ được vận chuyển từ buồng hút đến buồng đẩy theo vòng tròn của vỏ bơm. Ở khoang đẩy, sự chênh lệch áp suất sẽ diễn ra và dòng lưu chất sẽ được đẩy ra ngoài đi vào đường ống dẫn. Như vậy là chu kỳ của bơm kết thúc. Tương tự thì các chu trình tiếp theo của bơm sẽ diễn ra cho đến khi bơm ngừng hoạt động.
Ưu điểm:
- Tuổi thọ bơm bánh răng cao.
- Cấu tạo giúp dễ dàng vệ sinh, bảo trì-bảo dưỡng bơm.
- Thiết kế gọn gàng tiện cho việc lắp đặt và đấu nối, dễ phát hiện khi có sự cố hoặc lỗi.
- Bơm bánh răng ăn khớp ngoài phù hợp với chất lỏng có độ đặc và độ nhớt cao.
Nhược điểm:
- Tuy có cấu tạo đơn giản nhưng bơm lại có kích thước lớn khó di chuyển, lắp đặt hơn so với các loại bơm khác.
- Khi vận hành, bơm phát ra tiếng ồn lớn.
2.5.2. Bơm trục vít
22 Nguyên lý hoạt động:
Máy bơm trục vít hoạt động chủ yếu dựa vào chuyển động quay của trục vít. Khi trục vít quay trong buồng bơm sẽ kéo theo chất lỏng từ cổng vào, chất lỏng được dẫn đến đến cổng ra và đẩy chất bơm ra ngoài theo các rảnh trên trục.
Ưu điểm:
- Máy có độ bền cao.
- Thiết kế bơm nhỏ gọn, thân bơm chắc chắn.
- Bơm hoạt động ở nhiều tần số khác nhau khi lắp đặt với biến tần.
- Máy bơm trục vít hoạt động khá êm, lưu lượng dịng chảy đều và ổn định. - Hiệu quả bơm làm việc cao.
- Có khả năng ứng dụng để bơm nhiều loại chất lỏng khác nhau như: polyme, bùn đặc, hóa chất lỗng,…
Nhược điểm:
- Quy trình chế tạo máy khá phức tạp.
- Để sửa chữa và phục hồi bơm cực kỳ khó trong tình trạng bơm bị lỗi. Chính vì lí do đó cần có tay nghề kỹ thuật cao mới có khả năng sửa chữa được.
2.6. Lý thuyết tính tốn 2.6.1. Thể tích 2.6.1. Thể tích V = A.h = π.D2/4.h ( 2.1 ) Trong đó: - A: Tiết diện (m2). - h: Chiều cao (m). - D: Đường kính (m). 2.6.2. Khối lượng m = ρ.V ( 2.2 ) Trong đó: - m: Khối lượng (kg).
23 - ρ: Khối lượng riêng (kg/m3).
- V: Thể tích (m3).
2.6.3. Lực đẩy của Xylanh
F = P.A = P.π.D2/4 ( 2.3 ) Trong đó:
- F: Lực của xylanh cần đẩy (N).
- P: Áp suất của khí nén cung cấp vào (Pa). - A: Tiết diện của piston (m2).
- D: Đường kính xylanh (m). 2.6.4. Trọng lực P=m.g ( 2.4 ) Trong đó: - P: Trọng lực. - m: Khối lượng (kg). - g: Gia tốc trọng trường (m/s2). 2.6.5. Lực ma sát Fms =µt.N ( 2.5 ) Trong đó - Fms: Lực ma sát (N). - µt: Hệ số ma sát. - N: Phản lực (N).
2.6.6. Lưu lượng khí cấp vào xylanh
Q = V.A ( 2.6 ) Trong đó:
- Q là lưu lượng khí cung cấp (m3/s).
- V là vận tốc khí (m/s). - A là tiết diện của ống (m2).
24
2.6.7. Tổn thất áp suất trong quá trình bơm - Tổn thất dọc đường: - Tổn thất dọc đường:
hd = λ.L.v2/(2.D.g) ( 2.7 ) Trong đó:
- λ: Hệ số ma sát.
- L: Chiều dài đường ống (m). - v: Vận tốc dòng chảy (m/s). - D: Đường kính ống dẫn (m). - Tổn thất cục bộ: hc = ξ.v2/(2.g) ( 2.8 ) Trong đó: ξ: hệ số ma sát cục bộ. Bảng 2.1: Hệ số ma sát cục bộ
25
Bảng 2.2: Hệ số ma sát cục bộ đối với dạng ống thu hẹp đột ngột - Tổng tổn thất áp suất: hf = hd + hc ( 2.9 ) - Tổng tổn thất áp suất: hf = hd + hc ( 2.9 )
2.6.8. Cơng suất bơm
- Cơng suất tính tốn: Ntt = ρ.g.Q.Hb ( 2.10 ) Trong đó:
- Ntt: cơng suất tính tốn (kW). - Q: lưu lượng bơm (m3/giây).
- Hb: chiều cao cột áp (m).
- Công suất cần thiết: Nct = ( 2.11 ) Trong đó:
- Nct: Cơng suất cần thiết (kW). - Ntt: Cơng suất tính tốn (kW).
26
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1. Nội dung thực hiện
- Tìm hiểu quy trình chế biến mứt chanh dây.
- Tìm hiểu, tham khảo nguyên lý của các mẫu máy rót khn trên thị trường. - Tiến hành chế tạo máy.
- Khảo nghiệm máy.
3.2. Phương pháp nghiên cứu
3.2.1. Phương pháp tìm hiểu quy trình chế biến mứt chanh dây
Tìm thơng tin về quy trình chế biến mứt chanh dây trên internet
3.2.2. Phương pháp tìm hiểu ngun lý các mẫu máy rót khn trên thị trường
Tìm hiểu thơng qua internet, sách báo. Từ đó lựa chọn nguyên lý máy phù hợp với yêu cầu.
3.2.3. Phương pháp thiết kế
3.2.3.1. Phương pháp thiết kế khuôn mứt chanh dây
Thiết kế khuôn dựa vào u cầu về hình dạng và kích thước của bánh chanh dây sau khi rót khn. Chọn kích thước của một lỗ khuôn và tổng số lỗ phù hợp để đảm bảo cho máy vận hành hiệu quả, êm diệu và đạt được năng suất yêu cầu 30kg/giờ.
3.2.3.2. Phương pháp thiết kế khung máy
Khung máy được thiết kế sao cho phù hợp với khuôn mứt, đủ chiều rộng để đặt khn mứt vào, có chiều dài đủ cho hành trình di chuyển của khn và có chiều cao phù hợp với người vận hành đảm bảo thao tác của người vận hành dễ dàng nhất. Khung máy phải đảm bảo việc lắp ghép các bộ phận làm việc, các bộ phận không va chạm vào nhau
27
trong quá trình hoạt động. Đủ chắc chắn cho máy hoạt động ổn định đồng thời cũng phải đảm bảo tính thẩm mỹ.
3.2.3.3. Phương pháp thiết kế bộ phận đẩy khuôn
Bộ phận đẩy khuôn được thiết kế sao cho khuôn được đẩy một cách êm dịu, liên tục và đúng thời gian qui định. Đồng thời đảm bảo công nhân lắp khuôn vào máy dễ dàng.
3.2.3.4. Phương pháp thiết kế bộ rót mứt vào khn
Bộ rót mứt chanh dây được thiết kế sao cho đảm bảo mứt chanh dây được rót liên tục, lưu lượng rót đồng đều nhau trên tất cả các nhánh rót. Tránh tình trạng các nhánh rót mứt khơng đều gây ra hiện tượng khơng điền đầy các khn. Đường kính ống dẫn mứt và các ống rót mứt phải đảm bảo rót đầy khn trong thời gian u cầu để đạt năng suất mong muốn.
3.2.3.5. Phương pháp thiết kế phễu cấp liệu
Phễu cấp liệu được thiết kế sao cho đảm bảo thể tích chứa để máy đạt năng suất yêu cầu. Hạn chế số lần lần cấp liệu tối đa nhưng vẫn giữ được hiệu suất làm việc của máy. Khi làm việc thì mứt chanh dây trên phễu phải tự chảy xuống và khơng rơi ra ngồi. Đồng thời phễu cấp liệu phải dễ dàng trong việc cấp liệu cho người vận hành máy.
Để thiết kế được phếu cấp liệu, ta cần thực hiện thí nghiệm xác định cơ tính của mứt chanh dây:
Địa điểm: Cơng ty TNHH Cơ Khí Nơng Nghiệp Việt Nam. Thời gian: Ngày 15/4/2021.
Thông số cần xác định:
- Khối lượng riêng của chanh dây
Tiến hành bố trí thí nghiệm để xác định khối lượng riêng của hỗn hợp chanh dây: Dụng cụ: cân điện tử có độ chính xác 0.2g, 1 cái cốc có thể tích 500ml.
Quy trình bố trí thí nghiệm: Cho nước vào cốc và đánh dâu mực nước trên cốc, sau đó đem cân và ghi lại kết quả. Tiếp theo cho nước ra và cho hỗn hợp chanh dây vào cốc đến mực đã đánh dấu trước đó, đem cân và ghi lại kết quả. Từ khối lượng của nước và
28
hỗn hợp chanh dây có cùng thể tích ta tính được khối lượng riêng của hỗn hợp chanh dây.
- Góc trượt của hỗn hợp chanh dây
Tiến hành bố trí thí nghiệm để xác định góc trượt giữa hỗn hợp chanh dây so với vật liệu thiết kế phểu cấp liệu.
Dụng cụ: thước đo chiều dài độ chính xác 0,5mm, thước đo góc độ chính xác 10. Quy trình bố trí thí nghiệm: Cho hỗn hợp mứt chanh dây lên vật liệu thiết kế thùng chứa ở dạng mặt phẳng nằm ngang. Từ từ nâng một đầu của vật liệu lên để tăng góc ma sát cho đến khi hỗn hợp chanh dây bắt đầu trượt thì cố định góc nghiêng lại. Dùng thước đo khoảng cách a từ đầu được nâng của vật liệu đến mặt phẳng nằm ngang, từ đó xác định được góc ma sát giữa hỗn hợp chanh dây so với vật liệu thiết kế thùng chứa.
3.2.3.6. Phương pháp thiết kế bộ gạt mứt thừa
Bộ gạt mứt thừa được thiết kế sao cho gạt tồn bộ diện tích khn, đảm bảo gạt hết lượng mứt thừa.
3.2.4. Phương pháp chế tạo
3.2.4.1. Các chi tiết dùng chung
- Là các chi tiết có sẵn trên thị trường theo số liệu đã tính tốn, thiết kế và được tiêu chuẩn hóa. Một số chi tiết như là:
+ Bu lông – đai ốc nằm trong các mối ghép giữa các bộ phận với nhau. + Khớp nối liên kết ống.
+ Động cơ sau khi được tính tốn. + Ống inox vi sinh.
3.2.4.2. Các chi tiết chế tạo
Trước khi chế tạo chi tiết loại này cần chuẩn bị phôi, gia công thô, gia công tinh, khoan lỗ, cắt, hàn, mài và đánh bóng… theo thiết kế ban đầu. Các chi tiết loại này bao gồm: Khung máy, phểu cấp, thanh gạt mứt thừa, bộ rót mứt vào khn, bao che,…
29 3.2.5. Phương pháp khảo nghiệm
Đối tượng khảo nghiệm: Hỗn hợp mứt chanh dây.
3.2.5.1. Khảo nghiệm tính cơ lý của hỗn hợp mứt chanh dây
Mục đích khảo nghiệm để xác định khối lượng thể tích, độ nhớt, góc ma sát của hỗn hợp mứt chanh dây.
3.2.5.2. Khảo nghiệm máy bơm
Mục đích khảo nghiệm máy bơm là để kiểm tra các thông số: Số vòng quay, lưu lượng bơm, áp suất bơm.
3.2.5.3. Khảo nghiệm bộ rót mứt vào khn
Mục đích khảo nghiệm bộ rót mứt vào khn là để kiểm tra các thơng số: Lưu lượng ở từng nhánh rót, độ chênh lệch lưu lượng ở các nhánh bơm.
3.2.5.4. Khảo nghiệm cơ cấu vít me đẩy khn
Mục đích khảo nghiệm vít me đẩy khn là để kiểm tra các thơng số: Lực đẩy của vít me, tốc độ đẩy của vít me, tốc độ thu về.
30
Chương 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1. Yêu cầu kĩ thuật
- Năng suất: 30 Kg/h.
- Sản phẩm khi rót khn: Các khn phải được rót đầy hồn tồn, khơng cịn mứt thừa.
4.2. Lựa chọn phương án thiết kế
- Lựa chọn phương pháp định lượng.
Dựa vào kích thước mứt chanh dây sau khi rót và các phương pháp định lượng ta lựa chọn phường pháp định lượng theo thể tích khn vì:
+ Có thể định lượng nhiều khn cùng lúc.
+ Phương pháp này có cấu tạo đơn giản, chi phí đầu tư thấp. + Thể tích sau khi định lượng có độ chính xác cao.
- Lựa chọn phương pháp di chuyển khuôn.
Dựa vào điều kiện làm việc ta lựa chọn phương pháp di chuyển khn bằng vít me vì:
+ Kích thước nhỏ, gọn.
+ Điều khiển một cách dễ dàng.
+ Cấu tạo đơn giản, thực hiện được dịch chuyển chậm. + Dễ bảo dưỡng, sửa chữa.
- Lựa chọn bơm.
Dựa vào tính chất cơ lý của hỗn hợp mứt chanh dây ta lựa chọn bơm trục vít vì: + Hỗn hợp mứt chanh dây có độ nhớt cao.
31
Theo tìm hiểu một số máy đã có trên thị trường và các ngun lý rót khn thì ta chọn thiết kế máy có sơ đồ như sau:
1: Thùng đậy vitme 9: Ống rót mứt 2: Tủ điện 10: Xylanh nâng hạ gạt mứt 3: Khung máy 11: Khay 4: Tủ điều khiển 12: Cảm biến 3
5: HMI 13: Phiễu hứng mứt thừa 6: Nút Emergency Stop 14: Phiễu chứa mứt thừa 7: Cảm biến 1 15: Ống dẫn mứt
8: Cảm biến 2 16: Bơm trục vít
32 Nguyên lý hoạt động:
Hỗn hợp mứt chanh dây sẽ được cấp vào phểu chứa (14). Khi máy hoạt động, công nhân đặt khay (11) vào máy, cảm biến 1 (7) nhận tín hiệu, thơng qua PLC điều khiển cho vít me đẩy khay (11) đi ra. Khi đến cảm biến 2 (8), Cảm biến 2 nhận được tín hiệu điều khiển bơm chạy dẫn mứt từ phểu chứa (14) đến các ống rót (9), đồng thời xylanh (10) hạ khung gạt mứt xuống. Lượng mứt thừa được gạt xuống phểu (13) trở lại phểu chứa (14). Khi các lỗ khn được rót đầy và khay di chuyển đến cảm biến 3 (12), lúc này bơm dừng hoạt động, xylanh chặn (10) rút về, vít me đẩy khay (11) rút về, công nhân lấy khuôn ra khỏi máy. Người vận hành điểu chỉnh các thông số của máy thơng qua màng hình HMI (5) trên tủ điều khiển (4).
4.3. Tính tốn thiết kế cơ khí 4.3.1. Khay 4.3.1. Khay
Dựa trên yêu cầu về năng suất máy là 30kg/h, hình dạng bánh chanh dây sau khi rót ta chọn kích thước khay như sau:
33
- Khn rót có chiều cao 5mm và đường kính của khn 40mm. - Kích thước khay: Khay có chiều dài 594 mm, chiều rộng 450 mm. - Để đáp ứng yêu cầu vệ sinh thực phẩm, chọn vật liệu chế tạo: Inox 304. - Khối lượng riêng của inox: ρk = 7930 kg/m3
- Thể tích 1 bánh mứt chanh dây xác định theo công thức:
V1bánh= h.π.D2/4 ( 4.1 ) = 6285,18 mm3
= 0,0063 (lít)
- Thể tích tất cả các khn trên khay:
Vkhuôn = V1bánh.n ( 4.2 ) n = 11.8 = 88 (Khuôn) VKhuôn = 0,0063.88 = 0,55 (Lít) - Thể tích của khay: Vk= a.b.h – Vkhuôn ( 4.3 ) = 0,45.0,594.0,005 + 2.0,45.0,005.0,035 - 0,55.10-3 ≈ 0,00094 m3
- Khối lượng khay được xác định theo công thức:
mk = ρk.Vk ( 4.4 ) = 7930.0,00094185
≈7,45 kg
4.3.2. Phễu chứa
Phễu chứa dùng để chứa hỗn hợp mứt chanh dây.
Năng suất yêu cầu 30kg/h, chọn một giờ cung cấp một lần tương đương một lần cung cấp 30kg hỗn hợp mứt.
Để thiết kế phễu chứa cần thực hiện các thí nghiệm các định cơ tính mứt chanh dây:
34
Lần thực hiện Khối lượng nước (g) Khối lượng hỗn hợp chanh dây (g)
Lần 1 311,8 403,4
Lần 2 302,4 415,6
Lần 3 335,4 394,4
Trung bình 316,5 404,4
Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm thực hiện xác định khối lượng thể tích mứt chanh dây - Từ 1 lít nước = 1000g
=> 316,5g nước = 316,5 cm3
- Khối lượng riêng của mứt chanh dây xác định theo công thức:
ρ = m/V = 404,4/316,5= 1,27 g/cm3 = 1270kg/m3 ( 4.5 )
- Thể tích cần thiết để đáp ứng khối lượng yêu cầu N:
Vct = M/ρ ( 4.6 ) = 30/1270
= 0.0236 m3
= 23,6 lit
Xác định góc trượt hỗn hợp mứt chanh dây
Lần thực hiện a (mm) b (mm)
Lần 1 117 200