TT Tên bộ phận Phương án lựa chọn
1 Cụm cấp liệu PA 2 - Bánh ma sát
2 Cụm khía vỏ PA 1 - Bốn dao khía
3 Cụm bóc vỏ PA 2 - Bánh ma sát kết hợp lưỡi bóc
PA 3 - Bánh gai 2 hàng gai
3.3.2.4 Kết cấu thiết bị bóc vỏ chuối sứ
Từ nguyên lý, cơng nghệ bóc vỏ chuối đã trình bày và các phương án đã được phân tích lựa chọn, một kết cấu thiết bị bóc vỏ chuối được trình bày như hình 3.27.
2 3 1 1. Cụm cấp liệu 2. Cụm khía vỏ 3. Cụm bóc vỏ
Hình 3.27: Kết cấu thiết bị bóc vỏ chuối sứ 3.3.3 Tính tốn, thiết kế thiết bị bóc vỏ chuối 3.3.3 Tính tốn, thiết kế thiết bị bóc vỏ chuối
3.3.3.1 Cụm khía vỏ chuối
theo biên dạng chiều dài quả chuối để tạo thuận lợi cho cơ cấu bóc vỏ chuối ở bước tiếp theo. 1 2 3 4 5
1. Vành gá; 2. Tay gá dao; 3. Lị xo; 4. Dao khía; 5. Trục đỡ tay gá dao
Hình 3.28: Thiết kế cụm khía vỏ
a) Yêu cầu thiết kế
Qua các kết quả khảo sát về đặc điểm cơ lý tính của quả chuối ở chương 2 ta có các số liệu để làm cơ sở tính tốn như sau:
- Chiều sâu khía: 2 mm (tương ứng với chiều dày vỏ chuối lớn nhất bmax = 2 mm);
- Khoảng mở của tay gá dao: 17,5 mm (D1min = 13 mm, D2max = 48 mm);
- Lực ép lớn nhất của tay gá dao lên quả chuối: 9 N (do hai trụ trượt gá dao đối xứng nhau);
- Hình dáng hình học của dao khía vỏ là dạng V-Edge và góc một bên là 150, vật liệu chế tạo dao là thép gió.
3.3.3.2 Cụm bóc vỏ chuối
Cụm bóc vỏ chuối có nhiệm vụ bóc vỏ chuối sau khi đã được khía vỏ giúp thu thịt chuối. Hình 3.29 thể hiện 2 phương án thiết kế cụm bóc vỏ chuối đã được lựa chọn ở trên.
a) Yêu cầu thiết kế
Qua các kết quả khảo sát về đặc điểm cơ lý tính của quả chuối ở chương 2 ta có các số liệu để làm cơ sở tính tốn như sau:
- Lực ép lớn nhất của bánh ma sát lên quả chuối: 9 N. Đề xuất một số thơng số thiết kế:
- Đường kính bánh ma sát, bánh gai: 80 mm;
- Khối lượng bánh ma sát và cụm động cơ: 1,2 kg;
- Sử dụng 4 động cơ DC, bộ truyền động cơ là bộ truyền khớp nối.
1 2 3 4 5 8 6 7 9 1 2 3 4 5 6 7 8
1. Gối đỡ; 2. Bạc trượt; 3. Động cơ; 4. Lò xo; 5. Bánh ma sát; 6. Tấm gá bánh gai; 7. Thanh nối; 8. Tấm gá động cơ; 9. Lưỡi bóc
1. Gối đỡ; 2. Bạc trượt; 3. Động cơ; 4. Lò xo; 5. Bánh gai; 6. Tấm gá bánh gai;
7. Thanh nối; 8. Tấm gá động cơ
a) PA2 - Bánh ma sát kết hợp lưỡi bóc b) PA3 - Bánh gai 2 hàng gai
Hình 3.29: Thiết kế cụm bóc vỏ
b) Tính tốn động cơ
Lực tác động lên bánh ma sát được trình bày ở hình 3.30.
Fht
Fdc
Hình 3.30: Lực tác động lên bánh ma sát
Từ thí nghiệm ta có được lực ép tối đa để quả chuối không bị dập là 18 N. Đây được xác định là lực hướng tâm mà động cơ tạo ra để cuốn quả chuối đi qua.
Ta có: 𝐹ℎ𝑡 =𝑚𝑣𝑟2 = 18 N = P
Vì 2 bánh ma sát đặt đối diện nhau nên áp lực lớn nhất cho phép đặt lên quả chuối: 𝐹𝑙𝑛 <𝐹 2 = 9 𝑁 = P Theo hình 3.30, ta có Lực ma sát Fms = Fdc = Fht. = 9.0,2 = 1,8 N (với hệ số ma sát của bánh ma sát bằng thép và chuối là 0,2). => Vận tốc của bánh ma sát là: 𝑣 = √𝑃.𝑟 𝑚 = √9.0,04 1,2 = 0,548 m/s
Xác định vận tốc vòng n (vòng/phút) yêu cầu của động cơ như sau:
- Tốc độ quay vòng trên trục là:
𝑛 =60.1000.𝑣𝜋.𝐷 =60.1000.0,5483.14.80 = 130,89 (vịng/phút)
- Cơng suất làm việc:
𝑃 =𝐹𝑑𝑐.𝑣
1000 =1000𝑃.𝑣 =1,8.0,5481000 = 0,00099 (kW)
Tra bảng 2.3 [10], chọn sơ bộ hiệu suất của từng bộ truyền và các ổ lăn:
+ Bộ truyền khớp nối của hệ thống này đặt bên ngoài nên ta chọn hiệu suất là ηkn = 1.
+ Hiệu suất trên mỗi cặp ổ lăn ( gồm 1 cặp) là rất cao ta có thể lựa chọn hiệu suất trên mỗi cặp ổ là ηolan = 0,99.
- Hiệu suất truyền công suất từ động cơ tới bánh ma sát là: 𝜂 = 𝜂𝑘𝑛1 . 𝜂𝑜𝑙𝑎𝑛1 = 0,99
- Công suất yêu cầu của động cơ là: 𝑃𝑦𝑐 =𝑃
𝜂 =0,99
0,99 = 1 (W)
Do vậy chọn động cơ phải thỏa mãn 2 yếu tố sau: Pdc > Pyc = 1 w
Ndc > n = 130,89 vịng/phút
Vì tốc độ quay nhỏ nên chọn động cơ DC có hộp giảm tốc JGA25-371 với các thông số sau:
+ Điện áp làm việc: 3 – 12 V
+ 𝑃𝑑𝑐 = 1,25 (W) và 𝑛𝑑𝑐 = 168 (vịng/phút) + Đường kính trục: 4 mm
+ Tỉ lệ giảm tốc: 1 : 21 c) Tính tốn lị xo
Chọn vật liệu lị xo là thép nhiều cacbon bảng 15.1 [7] với 𝜎𝑏 = 1500 Mpa, 𝜏𝑏 = 1400 Mpa, 𝜏1 = 400 Mpa, 𝜏𝑐ℎ = 900 Mpa. Tải trọng thay đổi [𝜏] = 0.3𝜎𝑏 = 450 Mpa.
Do 2 bánh ma sát có lực đối nhau tác dụng lên quả chuối nên lực ép lớn nhất của mỗi bánh ma sát lên quả chuối là 9 N. Cơ cấu bóc vỏ sử dụng 1 cặp lị xo song song và có trọng lượng 1,2 kg nên lực tác dụng của 1 lò xo là
𝐹𝑚𝑎𝑥 = 12 + 92= 16,5 (N)
- Chuyển vị làm việc của lò xo là x = 17,5 mm
- Chọn chỉ số của lò xo c = D/d = 8, khi đó theo cơng thức 15.9 [7]: 𝐾𝜔 =4𝑐 − 1 4𝑐 − 4+ 0,615 𝑐 = 4.8 − 1 4.8 − 4+ 0,615 8 = 1,184
- Đường kính dây lị xo xác định theo cơng thức 15.12 [7]: 𝑑 = 1,6. √𝐾𝜔. 𝐹𝑚𝑎𝑥. 𝑐
[𝜏] = 1,6. √
1,184.16,5.8
450 = 0,94 𝑚𝑚
Chọn d = 1 mm.
- Đường kính trung bình của lị xo là D = c.d = 8.1 = 8 mm
- Số vịng làm việc của lị xo tính theo cơng thức 15.26 [7]:
𝑛 = 𝑥. 𝐺. 𝑑
8𝑐3. (𝐹𝑚𝑎𝑥 − 𝐹𝑚𝑖𝑛)=
17,5.8. 104. 1
8. 83. 16,5 = 20,72
Trong đó: G là mơ đun đàn hồi trượt, với lị xo bằng thép G = 8.104 MPa Chọn n = 21 vòng.
- Bước của vòng lò xo chưa chịu tải tính theo cơng thức 15.27 [7]: 𝑝 = 𝑑 +(1,1 ÷ 1,2) 𝑛 . 𝜆𝑚𝑎𝑥 = 1 + 1,2 21. 17,74 = 2,01 𝑚𝑚 Trong đó: 𝜆𝑚𝑎𝑥= 8.𝑐 3 𝐺.𝑑 . 𝑛. 𝐹𝑚𝑎𝑥 = 8.83 8.104.1. 21.16,5 = 17,74
- Chọn lò xo có đầu dạng 4 [7], khi đó các thơng của lò xo xác định theo bảng 3.10. Bảng 3.10: Thơng số lị xo Dạng đầu lò xo Dạng 4 Số vòng đầu dây 𝑛𝑒 2 Số vịng tồn bộ 𝑛𝑜 n +2 = 21+2 = 23
Chiều cao ban đầu 𝐻𝑜 p.n+2d = 2,01.21+2.1 = 44,21
Chiều cao khi sít nhau 𝐻𝑠 d.𝑛𝑜 = 1.23 = 23 - Tỷ số 𝐻0𝐷 ≈ 44,21
8 ≈ 5,534 > 3, vậy phải lồng lò xo vào lõi. - Kiểm tra lị xo theo hệ số an tồn:
- Biên độ tải trọng và tải trọng trung bình xác định theo cơng thức 15.13 và 15.14 [7]: 𝐹𝛼 =𝐹𝑚𝑎𝑥 − 𝐹𝑚𝑖𝑛 2 = 16,5 − 0 2 = 8,25 𝑁 𝐹𝑚 =𝐹𝑚𝑎𝑥 + 𝐹𝑚𝑖𝑛 2 = 16,5 + 0 2 = 8,25 𝑁
Khi đó biên độ ứng suất và ứng suất trung bình xác định theo cơng thức 15.15 và 15.16 [7]: 𝜏𝛼 =8. 𝐹𝛼. 𝐾𝜔. 𝐷 𝜋. 𝑑3 =8.8,25.1,184.8 𝜋. 1 = 199 𝑀𝑃𝑎 𝜏𝑚 =8. 𝐹𝑚. 𝐾𝜔. 𝐷 𝜋. 𝑑3 =8.8,25.1,184.8 𝜋. 1 = 199 𝑀𝑃𝑎
Hệ số an toàn độ bền mỏi được kiểm nghiệm theo công thức Goodman: 1 𝑠𝑟 =𝜏𝛼 𝜏1 +𝜏𝑚 𝜏𝑏 =199 400+ 199 1400 = 0,64 → 𝑠𝑟 = 1,6 (nằm trong khoảng 1,5 – 2,2). 3.3.3.3 Cụm cấp liệu
Cụm cấp liệu có chức năng cuốn quả chuối vào khu vực khía và bóc vỏ. a) Yêu cầu thiết kế
Qua các kết quả khảo sát về đặc điểm cơ lý tính của quả chuối ở chương 2 ta có các số liệu để làm cơ sở tính tốn như sau:
- Lực ép lớn nhất của bánh ma sát lên quả chuối: 9 N;
- Tốc độ của bánh ma sát cụm cấp liệu bằng tốc độ bánh gai bóc vỏ. Đề xuất một số thông số thiết kế
- Đường kính bánh ma sát: 80 mm;
- Khối lượng bánh ma sát và cụm động cơ: 1,2 kg;
- Sử dụng 4 động cơ DC, bộ truyền động cơ là bộ truyền khớp nối.
Do các thông số thiết kế tương tự cụm bóc vỏ nên các số liệu tính tốn về động cơ, lị xo được sử dụng từ kết quả tính tốn ở cụm bóc vỏ (mục 3.3.3.2).
3.3.4 Chế tạo một số cụm chính
- Các cụm chính, chi tiết của mơ hình máy bóc vỏ chuối này được chế tạo bằng các phương pháp gia công như hàn, cắt, tiện, khoan, phay,... đảm bảo đúng các thông số kỹ thuật đã đề ra.
- Các thiết bị tiêu chuẩn khác được nhập khẩu từ nước ngoài và thị trường trong nước.
- Để hoàn thành được các nội dung này đề tài tiến hành chế tạo một số cụm chính của thiết bị như sau:
3.3.4.1 Cụm khía vỏ
Danh mục chi tiết cụm khía vỏ được trình bày trong bảng 3.11. a) Chức năng
- Khía vỏ quả chuối thành 4 phần theo chu vi dọc theo biên dạng chiều dài quả chuối.
a) Thiết kế b) Chế tạo
b) Yêu cầu chế tạo
- Cụm khía vỏ được chế tạo đúng các thông số kỹ thuật đã thiết kế; - Tháo lắp, thay thế, điều chỉnh và sửa chữa dễ dàng;
- Đảm bảo chiều sâu khía ổn định, chính xác.
Bảng 3.11: Danh mục chi tiết cụm khía vỏ
STT Tên chi tiết Số lượng Vật liệu
1 Vành gá 01 SUS304
2 Tay gá dao 04 SUS304
3 Lò xo 04 Thép S60C
4 Dao khía 04 Thép gió
5 Trục đỡ tay gá dao 04 Thép mạ crom
3.3.4.2 Cụm bóc vỏ
Cả hai phương án kết cấu cụm bóc vỏ đều có tính khả thi, do vậy cần kiểm nghiệm trong thực tế để quyết định kết cấu hoạt động hiệu quả hơn. Ở phần này sẽ trình bày kết quả thử nghiệm phương án kết cấu cụm bóc vỏ ma sát kết hợp lưỡi bóc và phương án bánh gai hai hàng gai.
a) Phương án bánh ma sát kết hợp lưỡi bóc
Danh mục chi tiết cụm bóc vỏ được trình bày trong bảng 3.12. - Chức năng:
+ Cuốn quả chuối vào vùng bóc;
+ Bóc vỏ chuối sau khi đã khía vỏ để thu được thịt chuối.
- Yêu cầu chế tạo:
+ Cụm bóc vỏ được chế tạo đúng các thơng số kỹ thuật đã thiết kế; + Tháo lắp, thay thế, điều chỉnh và sửa chữa dễ dàng;
+ Cụm gồm 4 bánh ma sát được truyền chuyển động bằng động cơ;
+ Kết cấu đảm bảo vững chắc, hoạt động của bánh ma sát ổn định, chính xác;
+ Các trụ đỡ bộ bánh ma sát và động cơ được lắp bạc trượt ở một đầu trục.
Bảng 3.12: Danh mục chi tiết cụm bóc vỏ bánh ma sát kết hợp lưỡi bóc
STT Tên chi tiết Số lượng Vật liệu
1 Động cơ DC 12 V 04 2 Lò xo 08 Thép S60C 3 Lưỡi bóc 04 SUS304 4 Bánh ma sát 04 Nhôm 6061 5 Tấm gá động cơ 04 Nhôm 6061 6 Tấm gá bánh gai 04 Nhôm 6061 7 Bạc trượt LMF10UU 04 8 Bạc trượt LM5UU 08 9 Gối đỡ 04 Nhôm 6061
10 Thanh nối 16 Nhôm 6061
b) Phương án bánh gai với hai hàng gai
Danh mục chi tiết cụm bóc vỏ được trình bày trong bảng 3.13. - Chức năng:
+ Bóc vỏ chuối sau khi đã khía vỏ để thu được thịt chuối. - Yêu cầu chế tạo:
+ Cụm bóc vỏ được chế tạo đúng các thông số kỹ thuật đã thiết kế; + Tháo lắp, thay thế, điều chỉnh và sửa chữa dễ dàng;
+ Cụm gồm 4 bánh gai với hai hàng gai nghiêng được truyền chuyển động bằng động cơ;
+ Kết cấu đảm bảo vững chắc, hoạt động quay của bánh ma sát ổn định, chính xác;
a) Thiết kế b) Chế tạo
Hình 3.33: Cụm bóc vỏ bánh gai 2 hàng gai
Bảng 3.13: Danh mục chi tiết cụm bóc vỏ bánh gai 2 hàng gai
STT Tên chi tiết Số lượng Vật liệu
1 Động cơ DC 12 V 04 2 Lò xo 08 Thép S60C 3 Bánh gai 04 SUS304 4 Tấm gá động cơ 04 Nhôm 6061 5 Tấm gá bánh gai 04 Nhôm 6061 6 Bạc trượt LMF10UU 04 7 Bạc trượt LM5UU 08 8 Gối đỡ 04 Nhôm 6061
9 Thanh nối 16 Nhôm 6061
3.3.4.3 Cụm cấp liệu
Từ kết quả tính tốn, thiết kế cho cụm cấp liệu ở trên (3.3.3.3) ta lấy các dữ liệu chế tạo từ cụm bóc vỏ sử dụng bánh gai nghiêng để làm dữ liệu chế tạo cụm cấp liệu. Chỉ thay thế bánh gai ghiêng thành bánh gai thường (khơng nghiêng) với hình ảnh thiết kế và chế tạo như hình dưới.
Thiết kế Chế tạo
Thiết kế Chế tạo
Hình 3.35: Cụm cấp liệu
3.4 Thử nghiệm đánh giá hoạt động cụm khía, cụm bóc vỏ chuối sứ 3.4.1 Cụm khía vỏ 3.4.1 Cụm khía vỏ
3.4.1.1 Mục đích
Đánh giá khả năng hoạt động của cụm khía vỏ và khả năng khía vỏ của dao khía và hiệu chỉnh cụm khía.
3.4.1.2 Thời gian thí nghiệm
Từ ngày 12/6/2017 đến 18/6/2017 tại phịng thí nghiệm REMELab, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM.
3.4.1.3 Vật liệu, dụng cụ
- Chuối sứ chín thành phẩm;
- Các dụng cụ cơ khí để đo đạc, hiệu chỉnh.
3.4.1.4 Kết quả thử nghiệm đánh giá hoạt động
a) Bố trí các tay gá dao vng góc với hướng đi vào của quả chuối
- Cụm khía vỏ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, có thể khía được 4 rãnh dọc theo biên dạng quả chuối với chiều sâu khía khơng đổi và bằng bề dày vỏ chuối (có thể điều chỉnh được).
- Với cách bố trí này lực đẩy quả chuối đi vào vng góc với các trụ trượt gá dao gây nên phản lực làm biến dạng quả chuối hoặc làm các trụ trượt không dịch chuyển gây nên tình trạng bị kẹt quả chuối tại đây.
Hình 3.36: Thử nghiệm cụm khía vỏ (tay gá dao vng góc)
b) Bố trí các tay gá dao theo hình nón (cơn)
- Cụm khía vỏ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, có thể khía được 4 rãnh dọc theo biên dạng quả chuối với chiều sâu khía khơng đổi và bằng bề dày vỏ chuối (có thể điều chỉnh được).
- Độ dịch chuyển/mở của tay gá dao dễ dàng theo biên dạng quả chuối (nhờ góc cơn và lị xo) giúp dao khía vỏ quả chuối dễ dàng, không làm kẹt hoặc gây biến dạng quả chuối.
Hình 3.37: Bố trí dao theo hình côn
c) Lựa chọn phương án kết cấu
Từ kết quả khảo nghiệm ở trên, ta lựa chọn kết cấu cụm khía vỏ theo phương án bố trí các tay gá dao theo hình cơn để lắp ráp hồn thiện máy.
3.4.2 Cụm bóc vỏ 3.4.2.1 Mục đích
Đánh giá khả năng hoạt động của cụm bóc vỏ, khả năng bóc vỏ và hiệu chỉnh cụm bóc vỏ.
3.4.2.2 Thời gian thí nghiệm
Từ ngày 19/6/2017 đến 25/6/2017 tại phịng thí nghiệm REMELab, trường Đại học sư phạm Kỹ thuật TP. HCM.
3.4.2.3 Vật liệu, dụng cụ khảo nghiệm
- Chuối sứ chín thành phẩm;
- Các dụng cụ cơ khí để đo đạc, hiệu chỉnh.
3.4.1.4 Kết quả thử nghiệm
a) Phương án bánh ma sát kết hợp lưỡi bóc
- Bánh ma sát (lăn nhám) nhiều lúc không cuốn được quả chuối vào mà chỉ trượt trên bề mặt quả chuối do lực ma sát giữa bánh ma sát - quả chuối không đủ lớn.