CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
5.2. Tính toán, thiết kế cơ khí
Hệ thống máy xử lý và đóng gói mía gồm 3 bộ phận chính: Băng tải cấp mía, bàn xếp mía, khung nâng hạ thùng. Mỗi bộ phận đều có chức năng thực hiện khác nhau, có tính liên kết chặt chẽ với nhau, để đưa ra sản phẩm đạt đúng với yêu cầu đưa ra.
Hình 5. 2: Sơ đồ khối của hệ thống cơ khí
Sơ đồ khối thể hiện rõ về mặt quy trình thực hiện từ khâu cấp mía đầu vào, sau đó qua khâu xử lý để đưa ra sản phẩm đầu ra. Trong mỗi khâu xử lý đều có những thiết bị, cơ cấu chấp hành riêng thực hiện những chức năng khác nhau.
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
24 5.2.2. Băng tải vào mía
Băng tải vào mía sử dụng tính toán về chiều dài của mía khi mía đi qua các cảm biến bằng cách kết hợp sử dụng thuật toán Encoder.
Hình 5. 3: Thiết kế 3D băng tải mía
Với mục đích tính toán về chiều dài của mía với kích thước đưa ra LMía= 300mm, để tốt nhất cho việc Calibration kích thước, cũng như đo chiều dài khi chạy thì khoảng cách an toàn giữa 2 trục Roller là LRoller = 640mm với đường kính trục Roller DRoller = 30(mm)
Việc tính toán Calibration sẽ cần sử dụng 2 cảm biến để thực hiện, khoảng cách giữa 2 cảm biến cần lớn hơn kích thước chiều dài mía L2 Cảm biến > LMia. Vì thế, ta chọn khoảng cách giữa 2 cảm biến L2 Cảm biến = 370mm
Trên băng tải cấp mía sẽ bố trí 1 cơ cấu lùa mía dùng xy lanh đã đạt kích thước như yêu cầu để tiếp tục với quy trình. Cơ cấu xy lanh được bố trí như hình vẽ.
Vị trí để lùa mía sẽ đặt ở vị trí cách cảm biến thứ 2 bằng một nữa kích thước chiều dài mía:
LXy lanh−Cảm biến 2 =300
2 = 150(mm)
Từ kích thước đường kính Roller và khoảng cách giữa 2 trục Roller, Ta có chu vi của băng tải là:
2LRoller+ π ∙ DRoller = 2 ∙ 640 + π ∙ 30 = 1374,2(mm)
→ Ta chọn chu vi băng tải là 1374(mm)
Với kích thước đường kính của mía là 15mm ~ 20mm, nến bề rộng băng tải cần chọn đáp ứng với yêu cầu không được vướng, va chạm khi băng tải đang chạy, tránh việc tính toán sai không đúng với kích thước yêu cầu. Vì vậy, ta chọn bề rộng băng tải là 100mm.
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
25 5.2.3. Bàn xếp mía
Hình 5. 4: Thiết kế 3D bàn xếp mía
Với việc mô hình cần đáp ứng việc liên kết giữa nhiều khâu với nhau mang tính liên kết chặt chẽ, đồng bộ, linh hoạt giữa nhiều bộ phận băng tải và xếp mía. Vì vậy phần khung cần tính toán, thiết kế nhằm đạt với yêu cầu .
Bàn xếp mía được tính toán phù hợp với kích thước của mía được lùa, đồng thời đạt được yêu cầu tránh va chạm khi xếp mía và lùa mía vào thùng.
Khung được sử dụng nhôm định hình với kích thước 340x740x580(mm) dễ dàng trong phần lắp đặt, cũng như liên kết các bộ phận khác nhau. Phần băng tải sẽ được lắp trên khung bàn xếp để thuận tiện cho việc lùa mía vào. Bàn xếp mía sử dụng chất liệu Mica gắn trực tiếp vào khung với kích thước 340x520
Trên khung có 2 cơ cấu xy lanh nhằm mục đích xếp mía và lùa mía. Xy lanh xếp mía được chọn với hành trình ≤ kích thước của 1 lớp mía. Từ như trên vị trí đặt của bản vẽ, ta chọn Xy lanh để xếp mía có hành trình là 200mm.
Đối với xy lanh lùa mía vào thùng, dựa trên phần kích thước theo chiều dài của khung là d = 340mm, chọn có hành trình lớn kích thước chiều dài khung. Từ đó ta chọn xy lanh có hành trình là 400mm.
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
26 5.2.4. Khung nâng hạ thùng
Khung nâng hạ thùng gồm phần khung và bàn nâng hạ sử dụng cơ cấu Vit-me bi kết hợp với thanh trượt nhằm mục đích di chuyển thùng theo vị trí chính xác khoảng cách giữa các lớp.
Hình 5. 5: Thiết kế 3D khung nâng hạ thùng
Khung nâng hạ với kích thước là 460x340x600(mm) sử dụng thành nhôm định hình để tạo sự chắc chắn, cứng cáp, cố định vì bàn nâng hạ là cơ cấu di chuyển cùng với khối lượng thùng chứa mía thay đổi theo từng lớp, và cần sự chính xác để tránh gây hư hỏng, và không đạt được yêu cầu.
Hình 5. 6: Bàn nâng hạ thùng
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
27
Bàn nâng hạ thùng, lựa chọn và thiết kế gia công sao phù hợp so với thùng khi đặt vào.
Vì thùng chứa mía có kích thước là 250x250x300(mm), nên kích thước của nhóm thiết kế bàn nâng sẽ là 270x320x2(mm).
Đối với phần Vitme kết hợp với thanh trượt để nâng hạ, sử dụng Vitme bi với một số ưu điểm như: có ma sát nhưng độ lớn thì không đáng kể, về hiệu suất truyền động lớn, có tính chính xác, mượt mà, ổn định, và có độ vững dọc trục cao, nhưng khả năng chịu lực sẽ kém hơn so với Vitme đai ốc thường.
Bàn trượt nhôm đã tính toán thiết kế sao cho phù hợp với lại khung nâng hạ nhằm tối ưu hóa được trong phần kích thước, với kích thước 230x630x6 (mm) và sử dụng chất liệu nhôm. Để đáp ứng kích thước của bàn trượt, nhóm đã chọn cặp thanh trượt với chiều dài 520mm.
5.2.5. Xy lanh băng tải cấp mía, bàn xếp
Dựa vào kích thước và cân nặng thực tế trong quá trình thực hiện, nhóm thực hiện đề tài thấy khối lượng lớn nhất mà mía đạt được là 𝑚𝑀𝑖𝑎 = 500g.
Hình 5. 7: Sơ đồ phân bố lực lên mía Ta có công thức trọng lượng của mía là:
+ Chọn gia tốc trọng trường g = 9,8(m/s2)
PMia = mmía∙ g = 0,5 ∙ 9,8 = 4,9(N) [19]
Dựa vào định luật Newton, để có thể đẩy được mía thì ta cần 𝐹đẩ𝑦 > 𝐹𝑚𝑎 𝑠á𝑡, bởi vì mía là hình dạng trụ tương đối tròn, nên hệ số ma sát lăn là rất thấp so với hệ số ma sát trượt.
Đối với hệ số ma sát nằm trong phạm vi từ 0 – 1. Vì vậy ta chọn hệ số ma sát lăn 𝜇 = 0.1
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
28 + Từ hệ số ma sát lăn ta có được:
Fđẩy > Fma sát = μ ∙ Pmía = 0,1 ∙ 4,9 = 0,49(N) [19]
+ Đối với áp suất được sử dụng thông dụng trong các máy nén khí hiện nay thường là p = 5 (bar)~ 5,0986 (kgf
cm2) = 0,5(N/mm2) [19]
Vì thế tải trọng cần đáp ứng là F = 0,49 ≈ 0,49
9,8 ≈ 0,05(kgf) [19]
+ Diện tích bề mặt piston xy lanh: S = π ∙ (D
2)2 (*)
+ Lực đẩy tối đa của xy lanh là: F = p ∙ S (**)
Từ (*) và (**), ta có được lực đẩy tối đa (kg) mà xy lanh có thể là:
P = F
10> 0,5(kg) ⇔
π ∙ p ∙ (D 2)
2
10 =
π ∙ 0,5 ∙ (D 2)
2
10 > 0,5 → D > 3,6(mm) [19]
⇒ Vậy để có thể đẩy được mía có khối lượng tối đa là 0,5kg thì cần xy lanh có đường kính D > 3,6(mm)
Vì thế để giảm về mặt chi phí, nhóm thực hiện đề tài tận dụng xy lanh có sẳn với đường kính D = 5mm để đáp ứng bài toán đưa ra.
5.2.6. Xy lanh đẩy mía vào thùng
Đối với xy lanh đẩy mía vào thùng khi đã đủ mía, với số lượng mía là 4 cây thì khối lượng lớn nhất của mía cũng tăng lên 4 lần, cùng với việc ma sát giữa mía và bàn sẽ là ma sát trượt.
Theo như hình .. trên, ta có công thức trọng lượng của mía là:
+ Chọn gia tốc trọng trường g = 9,8(m/s2)
𝑃𝑀𝑖𝑎 = 4 ∙ 𝑚𝑚𝑖𝑎∙ 𝑔 = 4 ∙ 0,5 ∙ 9,8 = 19,6(N) [19]
+ Ta có, hệ số ma sát trượt trong phạm vi từ 0 – 1. Vì vậy, chọn hệ số ma sát trượt 𝜇 = 0,7 Từ hệ số ma sát trượt ta có được:
Fđẩy > Fma sát = μ ∙ Pmía = 0,7 ∙ 19,6 = 13,72(N) [19]
+ Ta lại có, lực đẩy tối đa (kg) mà xy lanh có thể đẩy là:
P = F
10> 2(kg) ⇔ π ∙ p ∙ (D 2)
2
10 =π ∙ 0,5 ∙ (D 2)
2
10 > 2 → D > 7,13(mm) [19]
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
29
⇒ Vậy với mía có khối lượng tối đa là 2kg thì cần xy lanh có đường kính D > 7,13(mm) Vì thế để giảm về mặt chi phí, nhóm thực hiện đề tài tận dụng xy lanh có sẳn với đường kính D = 10mm để đáp ứng bài toán đưa ra.