Xem mẫu
Design Young Coconut Peeling Machine and
Manufacture Prototype of Machine
Nguyen Nhu Son, Dang Thai Binh, Nguyen Ngoc That
Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.Hồ Chí Minh, Việt Nam
nnsonbht@gmail.com
TÓM TẮT:
Trên cơ sở các máy được được chế tạo và sử dụng trong và người nước, kết hợp với nguyên lý Máy Tiện. Nhóm đã tiến hành nghiên cứu, tính
toán, thiết kế và lựa chọn ý tưởng khả thi nhất để tiến hành chế tạo thử nghiệm “Máy gọt vỏ Dừa Tươi” với mức giá phù hợp (dưới 6 triệu đồng)
với đối tượng khách hàng là các hộ gia đình và các cửa hàng buôn bán Dừa Tươi mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu về: an toàn thực phẩm, tiết
kiệm, an toàn lao động, tăng tính hấp dẫn cho Dừa, tăng năng suất gọt Dừa và giảm thời gian chờ đợi của khách hàng.
Mô hình chế tạo thử nghiệm với kích thước chung: chiều dài ≤400 mm, chiều rộng ≤500 mm, chiều cao ≤700 mm. Máy hoạt động bằng
nguồn điện lưới 220V, với 2 động cơ điện, 3 Dao cắt và gọt. Trước khi gọt, Dừa được kẹp vào Chấu Kẹp bằng lực đẩy của động cơ 25w, thời
gian gá và kẹp khoảng 1÷2 (s). Sau đó Dừa sẽ được quay tròn bằng động cơ điện công suất 0,75 Kw, với tốc độ quay 285 vòng/phút. Khi Dừa
quay, Dao gọt phần Thân sẽ tịnh tiến hướng tâm Dừa theo phương ngang để gọt vỏ, chiều sâu gọt từ 2÷10 mm, góc gá Dao có thể diều chỉnh từ
82 ÷ 86 so với trục Z (phương thẳng đứng). Dao gọt phần Vai được gá nghiêng góc 50 so với trục Y (phương ngang), chiều sâu gọt từ 2÷10
mm, Dao tịnh tiến lên – xuống để gọt vỏ, cả 2 Dao đều làm bằng thép không gỉ. Sau khi gọt xong, Dừa được lấy ra và cắt phần vỏ ở Đầu chưa
được gọt. Công suất mong đợi của Máy là 200 ÷ 300 trái/giờ.
Keywords: Young Coconut, trimming Coconut, peeling Coconut, Green Coconut, Coconut Machine
1. INTRODUCTION
Nước Dừa không chỉ giàu chất dinh cho con người, mà còn là
một loại thức uống giải khát được rất nhiều Người ưu thích,
tiêu thụ rộng rãi và trở thành một mặt hàng thiết yếu. Nước
Dừa sử dụng làm nước uống giải khát thường được lấy từ Dừa
Tươi (Dừa sắp trưởng thành và trưởng thành) và được lấy
Nước bằng nhiều cách khác nhau, nhưng chủ yếu được gọt vỏ
thủ công. Do đó, năng suất gọt không cao, tiềm ẩn nhiều mối
nguy hiểm cho Người, đặc biệt hình dáng sản phẩm chưa hấp
dẫn và lôi cuốn và thời gian chờ đợi của khách hàng khá lâu.
Từ những tồn tại đó và với mong muốn thiết kế - chế tạo mô
hình thử nghiệm đảm bảo được tính cạnh tranh với các sản
phẩm đã có, cũng như đảm bảo được các yêu cầu về cắt gọt và
tính thẩm mỹ của sản phẩm. Nhóm đã tiến hành phương pháp
nghiên cứu, phân tích, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình
thử nghiệm, cụ thể: Khảo sát nhu cầu khách hàng (hộ gia đình,
cửa hàng bán Dừa) và nghiên cứu các sản phẩm đã có để xác
định các yêu cầu kỹ thuật phù hợp của “Máy Gọt Vỏ Dừa
Tươi” trong giới hạn phạm vi nghiên cứu. Tổng hợp, phân tích
các nghiên cứu về đặc điểm cơ tính của Xơ Dừa: độ bền
= 131 ÷ 220 (
) , độ cứng lơn nhất có thể 38 HV
(HV~HB). Các nghiên cứu và thử nghiêm về: tốc độ cắt cho
phép là V = 5,75 (m/s) để không gây ra vết thâm (vết bầm)
trên phần vỏ trắng bên trong, lực cắt cần thiết để cắt tiết diện
S = 170x5 (mm) là F = 807 (N), lực chọc thủng cần thiết với
tiết diện S’= 3,14 (
) là 251 (N) – đối với Dừa Non với
mục đích lấy nước.
Ý tưởng thiết kế Máy được xây dựng dựa trên nguyên lý
Phương Pháp Tiện, có 5 ý tưởng thiết kế được đưa ra dựa trên
các yêu cầu kỹ thuật và chức năng chính của Máy (chức năng
Quay Dừa, chức năng Kẹp Dừa, chức năng Cắt Đầu Dừa, chức
năng Chạy Dao), nhưng chỉ có 1 ý tưởng tối ưu nhất được
chọn để thực hiện chế tạo thử nghiệm. Mô hình ý tưởng sẽ
được thiết kế, mô phỏng, kiểm bền trên phần mềm CATIA.
Mô hình chế tạo với tốc độ quay Dừa là 285 (vòng/phút), động
cơ chính công suất 1 (HP), động cơ phụ 25 (W). Và sau đó
được thử nghiệm với các góc độ gá Dao khác nhau để xác
định góc tối ưu.
2. MATERIALS AND METHODS
2.1 Khảo sát nhu cầu và xác định các yêu cầu kỹ thuật
Nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành lấy mẫu đối với 20 cửa
hàng bán Dừa Tươi ở khu vực Quận 9 và Thủ Đức nhằm xác
định các thông tin về: mức độ sử dụng máy Gọt Vỏ Dừa, cảm
nhận về mức độ an toàn khi gọt thủ công, số lượng Dừa tiêu
thụ trong ngày, thời gian gọt Dừa, những yêu cầu sử dụng đối
với Máy gọt vỏ Dừa,…
Trên cơ sở đó, xây dựng các yêu cầu kỹ thuật đặc trưng của
Máy.
Bảng 1: Các yêu cầu kỹ thuật
Đặc điểm kỹ thuật
D/W
Wt
Yêu cầu kỹ thuật
Từ khóa
Hình dáng hình học:
D
W
H
W
H
W
M
W
W
W
W
L
M
M
L
Kích thước : chiều dài
≤ 400 mm, chiều rộng
≤ 500 mm, chiều cao
≤ 700 mm
Chiều sâu gọt: 2 – 10 mm
Chuyển động học:
Cơ cấu đơn giản, truyền động
tốt, ổn định và chính xác
Tốc độ cắt: hợp lý và đảm
bảo công suất 200 ÷ 300
trái/giờ
Lực tác dụng:
Trọng lượng máy: ≤ 50
Lực di chuyển máy: ≤ 500 N
Lực cắt, gọt vỏ Dừa: Nhỏ
Kích thước
Chiều sâu
Cơ cấu
Tốc độ cắt
Trọng lượng
Lực di
chuyển
Lực cắt
Lực kẹp
những kích thước liên quan đến vùng với tới: lấy theo ngưỡng
người thấp 5%.Khi thiết kế không gian choán chỗ: lấy theo
Lực kẹp chặt Dừa: Nhỏ
Năng lượng:
W
W
D
Công suất động cơ: ≤ 1
nhỏ hơn 1 ngựa)
Nguồn điện: 220V (1 pha)
Mức độ tiếng ồn: ≤ 70
L
L
(
Động cơ
Nguồn điện
Tiếng ồn
ngưỡng người lớn 95%. Kết hợp chặt chẽ khả năng điều chỉnh
nếu có thể. Đây là cơ sở khoa học quan trọng mà Ergonomics/
Yếu tố con người mang lại cho chúng ta trong công tác thiết
kế và sản xuất.
Vật liệu:
W
M
W
D
H
W
W
M
M
Đảm bảo vệ sinh-an toàn
thực phẩm: thép không rỉ
Tuổi bền: 5 năm
Đảm bảo độ bền và chịu
được lực tác dụng
Dễ tìm mua, thay thế, sữa
chữa
Nhẹ
Vệ sinh
Tuổi bền
Độ bền
Tiêu chuẩn
hóa
Nhẹ
Tín hiệu:
D
W
W
W
D
Điều khiển đơn giản
Chính xác, nhanh, ổn định
trong quá trình hoạt động
H
An toàn:
M
M
Điều khiển
Chính xác
Hình ..: Các kích thước cơ bản của Người
An toàn điện
An toàn cắt
Bảo vệ tự
động
W
W
W
W
W
L
M
H
H
L
Dễ thay thế
Thẩm mỹ
Bảo trì đơn
giản
Chi phí
Kinh tế:
Tổng chi phí chế tạo nhỏ hơn
6.000.000 đồng
( 6 triệu đồng)
Dựa trên các yêu cầu và chức năng máy xác định được yêu
cầu bắt buộc cần đạt được (Demand) và yêu cầu mong muốn
(Wish) khi thiết kế và chế tạo máy. Các yêu cầu và chức năng
của “Máy bóc vỏ Dừa Xanh” được xác định chi tiết theo bảng
dưới đây.
Trong đó,
D ( Demand ): là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc cần đạt
được của máy.
W ( Wish ): là yêu cầu mong muốn của sản phẩm
nhằm nâng cao giá trị và chất lượng của máy.
Wt ( Weighting ): là tỉ trọng chi phí tăng thêm khi
cần đạt yêu cầu mong muốn theo 3 mức độ .
Mức độ trung bình (Medium): M=2
Mức độ thấp (Low): L=1
160,7
150,3
85,5
79,9
Chỉ số skélie (%)
87,9
88,1
Cao đầu
23,8
22,3
Dài đầu
18,9
18,2
Rộng đầu
15,4
14,1
130,2
121,7
Rộng vai
36,7
33,3
Rộng ngực
26,0
24,3
Rộng chậu
26,2
25,0
Rộng mông
29,5
28,8
70,6
66,1
Dài chân
85,5
78,8
Vòng đùi
16,6
18,3
Chỉ số thân/ đầu
6,8
6,8
81,6
77,5
Nặng (kg)
49,0
44,6
Bảng…: Tổng hợp số đo trung bình nhân trắc học tĩnh người
Việt Nam
2.2.2 Hình thành ý tưởng
Có 5 ý tưởng thiết kế được xây dựng dựa trên các đặc điểm
kỹ thuật và chức năng chính của Máy:
Mức độ cao (High): H=3
Cao đứng (cm)
Cao mỏm cùng vai
Dễ sử dụng
Nữ
Chỉ số dầu
Bảng điều khiển dễ dàng sử
dụng
Thay thế các bộ phận dễ
dàng
Thiết kế gọn, có tính thẩm
mỹ
Kết cấu máy dễ bảo trì, bảo
dưỡng
Nam
Cao ngồi
Khoa học lao động:
Dấu hiệu
Dài tay
An toàn điện
An toàn trong quá trình cắt
Tự động cắt điện khi có sự cố
2.2 Hình thành ý tưởng thiết kế
2.2.1 “Nhân Trắc Học - Ergonomics” trong thiết kế
Nhân trắc học có tính đến không gian chiếm chỗ, đặc biệt
trong thiết kế áp dụng 3 nguyên tắc vàng sau:Khi thiết kế
Ý tưởng 1:
Máy sử dụng nguồn Điện lưới để làm quay trái Dừa, cắt đầu
Dừa bằng tay người, sử dụng cơ cấu chạy dao định hình theo
hình dáng dao gọt (2 chế độ: tự động và thủ công thông qua bộ
truyền Thanh răng – Bánh răng, Vít – Đai ốc) và Dừa được
kẹp bằng lực đẩy của motor điện.
a. Ý tưởng 1
b. Ý tưởng 2
a. Tư thế đứng
b. Tư thế cúi người
c. Tư thế quì gối
d. Tư thế ngồi Ghế
Ý tưởng 2:
Quay tròn Dừa và cắt đầu Dừa sử sụng Điện lưới, cơ cấu
chạy dao chép hình (tịnh tiến bằng Thanh răng – Bánh răng),
có cơ cấu kẹp Dừa bằng tác dụng sức người (cơ cấu Vít – Đai
ốc).
Ý tưởng 3:
Quay tròn Dừa bằng sức Người (bộ truyền xích), đầu Dừa
được cắt bằng Dao cắt Đĩa (sử dụng điện lưới); cơ cấu kẹp
Dừa bằng sức Người, Dừa được gọt theo sự định hình của dao
cắt (cơ cấu Trượt và Thanh răng – Bánh răng).
c. Ý tưởng 3
d. Ý tưởng 4
Ý tưởng 4:
Quay tròn Dừa và cắt đầu Dừa bằng nguồn điện lưới, vỏ Dừa
được gọt theo sự định hình của Dao (cơ cấu Thanh răng –
Bánh răng), Dừa được kẹp và giữ bằng sức người (cơ cấu
Trượt).
Ý tưởng 5:
Dừa quay tròn nhờ nguồn điện
lưới, Dừa được gọt theo định
hình của Dao ( sử dụng sức
người), cắt Đầu Dừa và kẹp
Dừa bằng sức người (sử dụng
cơ cấu Thanh răng – Bánh
răng).
e. Ý tưởng 5
Khung hỗ trợ chiều cao tương thích với tư thế Ngồi sử
dụng Máy.
2.4 Tính toán
2.4.1 Tính toán tốc độ cắt, số vòng quay của Dừa
a. Tốc độ cắt V. […]
.
V=
(m/phút)
.
Trong đó :
Suy ra:
. ,
V=
,
bằng ma trận đánh giá của Stuart Pugh [5]. Sau khi đánh giá 5
ý tưởng bằng ma trận đánh giá, Ý tưởng 1 được chọn với tổng
số điểm cao nhất [+29] và được phân tích tương tác khả năng
tương thích với các tư thế của Người khi sử dụng Máy, sau đó
đưa ra bộ phận hỗ trợ tương với tư thế Ngồi.
,
. ,
= 131,8 (m/phút) ≈ 2,2 (m/s)
Ta thấy: V = 2,2 (m/s) < V = 5,75 (m/s), thỏa mãn.
b. Số vòng quay n
n=
2.3 Đánh giá và lựa chọn ý tưởng
Ưu điểm, nhược điểm của mỗi ý tưởng sẽ được cụ thể hóa
= 328 ; T = 60 (phút) ; m = 0,23 ;
S = 0,025 (mm/vòng) ; y = 0,25
=
.
.
.
.
.
.
.
= 1.0,8.1.0,94.1,4.1.0,93.0,96 = 0,94
=
.
(vòng/phút)
.
.
.
=167,8 ÷ 279,7 (vòng/phút)
với D = 150 ÷ 250 (mm)
2.4.2 Tính toán lực cắt, công suất cắt
Lực cắt sẽ được tính toán theo 2 phương án, sau đó được thử
nghiệm và tham khảo các Máy đã được chế tạo để chọn
phương án tính lực cắt hợp lý nhất.
a. Phương án 1: Tính theo lực cắt chính khi tiện
Với:
=
.
.
.
.
= 50; xpz = ypz = 1; npz = 0;
= 1.1,08.1,15.1.0.87 = 1.08
Suy ra:
= 50. 100 . 0,025 . 131,8 . 1,08 = 135 (Kg)
Khi tiện định hình với biên dạng không phức tạp lực cắt giảm
10% ÷ 15%, nên lực cắt sẽ là:
= 135.0,85 = 114,75 (Kg)
Công suất cắt:
N=
.
.
,
=
.
,
= 2,47 (Kw)
.
Qua các thử nghiệm kiểm tra khả năng cắt gọt cho thấy việc
gá đặt góc Dao sẽ quyết định năng suất cắt gọt và độ bền của
Dao. Hơn nữa, để đảm có thể gọt được lượng Xơ Dừa nhiều
nhất, nhưng vẫn đảm bảo được tính thẩm mỹ và không làm hư
hỏng sản phẩm. Do vậy, cần gá đặt Dao với các góc cắt như
sau :
Đối với Dao gọt phần Thân : Góc gá đặt Dao ( ) sẽ
được điều chỉnh trong phạm vi = 82 ÷ 86 (hình..).
Góc gá Dao trên cũng được xác định từ các kết quả thực
nghiệm và dựa theo cấu tạo , kích thước của Dừa. Đối
với Dao gọt phần Vai : Góc gá Dao ( ) hiệu quả trong
phạm vi = 50 ÷ 56 (hình ..). Các góc mài Dao cũng
được chọn giống Dao gọt phần thân.
b. Phương án 2: Tính theo lực cắt F
F là lực cắt cần thiết để cắt tiết diện S = 170x5 (mm), F =
807 (N).
Lực cắt cần thiết: F =
.
=
. ,
,
= 237,4 (N)
Với S là tiết diện cắt tính toán của Dao:
S = [chiều dài cắt lớn nhất] x [chiều sâu cắt lớn nhất]
= 10 x 0,25 = 2,5 (cm )
Công suất cắt:
P =
, . ,
= 0,52 (Kw)
Kết luận:
So sánh 2 công suất cắt cho thấy có sự chênh lệch khá lớn, sự
chênh lệch này là do một số nguyên nhân sau:
Công suất cắt tính theo lực cắt với độ bền Xơ Dừa
(Dừa già) từ 131÷ 220 MPa, nhưng thực tế đối với Dừa
Tươi (Dừa non) có độ bền nhỏ hơn. Việc tính toán chọn
độ cứng cũng tương tự, độ cứng lớn nhất của Xơ Dừa
là 40 HB, [15].
Khi tính toán theo lực cắt với khoảng sai số tính toán
khá lớn nên phạm vi kết quả cũng chênh lệch lớn
Từ các đề tài đã nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn cho
thấy với động cơ có công suất 0,76 (KW) ~ 1 (HP) đủ
công suất để cắt gọt được vỏ Dừa Tươi [20] [26]. Mặt
khác, qua các thử nghiệm với động cơ 0,5 (HP) và 0,75
(HP) không đảm bảo yêu cầu cắt gọt và không đủ công
suất tải. Vậy nên, động cơ công suất nhỏ hơn 1 (HP) sẽ
được chọn để chế tạo máy.
a. Góc gá Dao bên
−
Biên dạng Dừa
b. Góc gá Dao trên
c. Các góc tạo biên dạng Dừa
2.5 Thiết kế và kiểm bền
2.4.3 Tính toán chọn động cơ
a. Động cơ chính
Từ các tính toán lực cắt, công suất cắt và một số tính toán cơ
bản, chọn động cơ chính với công suất 1 (HP), tốc độ quay lớn
nhất 1000 (vòng/phút), được lắp qua bộ truyền đai thang với tỉ
số truyền 3,5. Như vậy, tốc độ quay của Dừa tương đương
285,7 (vòng/phút).
b. Động cơ phụ
Động cơ phụ thực hiện chức năng đẩy Dừa vào chấu kẹp.
Động cơ phụ được tính toán, thử nghiệm và lựa chọn với công
suất 25 (W), tốc độ quay n = 4 (vòng/phút).
2.4.4 Tính toán góc gá Dao
a. Góc gá Dao gọt phần Thân (Dao bên)
Hình..: Mô hình thiết kế
1- Thân Máy,
4
2- Động cơ chính,
3- bộ truyền Đai,
5
4- Bộ chạy dao trên,
5- Động cơ phụ,
6- Bộ chạy dao bên,
7- Bộ cắt đầu Dừa.
6
3
2
1
7
Hình..: Sơ đồ cấu tạo một số bộ phận chính của Máy
Kiểm bền một số chi tiết quan trọng:
Kiểm bền Trục Chính
Hình.. : Mô phỏng ứng suất Dao
Ứng suất lớn nhất :
= 1,28.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa)
, thỏa mãn điều kiện bền (vật liệu SUS304).
Kiểm bền Dao gọt phần Vai
Hình..: Mô phỏng ứng suất Trục
Trục inox 304 (SUS304):
Môđun đàn hồi (Elastic Modulus): 193 GPa
Hệ số Posion: 0,28
Giới hạn bền chảy: ≥ 205 MPa
Khối lượng tiêng : 7,8 g/
Giới hạn bền cho phép: [ ] =
= 102,5 (MPa) –
đối với vật liệu dẻo.
Ứng suất lớn nhất :
= 4,07.10 < [ ] = 1,025.10
(N/ ) , thỏa mãn điều kiện bền.
Hình.. : Mô phỏng ứng suất Dao
Ứng suất lớn nhất:
= 7,98.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa),
Dao đảm bảo điều kiện bền (vật liệu SUS304).
Kiểm bền bộ gá Dao Bên
Kiểm bền Dao gọt phần Thân
Hình.. : Mô phỏng ứng suất bộ gá Dao Bên
nguon tai.lieu . vn
Manufacture Prototype of Machine
Nguyen Nhu Son, Dang Thai Binh, Nguyen Ngoc That
Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.Hồ Chí Minh, Việt Nam
nnsonbht@gmail.com
TÓM TẮT:
Trên cơ sở các máy được được chế tạo và sử dụng trong và người nước, kết hợp với nguyên lý Máy Tiện. Nhóm đã tiến hành nghiên cứu, tính
toán, thiết kế và lựa chọn ý tưởng khả thi nhất để tiến hành chế tạo thử nghiệm “Máy gọt vỏ Dừa Tươi” với mức giá phù hợp (dưới 6 triệu đồng)
với đối tượng khách hàng là các hộ gia đình và các cửa hàng buôn bán Dừa Tươi mà vẫn đáp ứng được các yêu cầu về: an toàn thực phẩm, tiết
kiệm, an toàn lao động, tăng tính hấp dẫn cho Dừa, tăng năng suất gọt Dừa và giảm thời gian chờ đợi của khách hàng.
Mô hình chế tạo thử nghiệm với kích thước chung: chiều dài ≤400 mm, chiều rộng ≤500 mm, chiều cao ≤700 mm. Máy hoạt động bằng
nguồn điện lưới 220V, với 2 động cơ điện, 3 Dao cắt và gọt. Trước khi gọt, Dừa được kẹp vào Chấu Kẹp bằng lực đẩy của động cơ 25w, thời
gian gá và kẹp khoảng 1÷2 (s). Sau đó Dừa sẽ được quay tròn bằng động cơ điện công suất 0,75 Kw, với tốc độ quay 285 vòng/phút. Khi Dừa
quay, Dao gọt phần Thân sẽ tịnh tiến hướng tâm Dừa theo phương ngang để gọt vỏ, chiều sâu gọt từ 2÷10 mm, góc gá Dao có thể diều chỉnh từ
82 ÷ 86 so với trục Z (phương thẳng đứng). Dao gọt phần Vai được gá nghiêng góc 50 so với trục Y (phương ngang), chiều sâu gọt từ 2÷10
mm, Dao tịnh tiến lên – xuống để gọt vỏ, cả 2 Dao đều làm bằng thép không gỉ. Sau khi gọt xong, Dừa được lấy ra và cắt phần vỏ ở Đầu chưa
được gọt. Công suất mong đợi của Máy là 200 ÷ 300 trái/giờ.
Keywords: Young Coconut, trimming Coconut, peeling Coconut, Green Coconut, Coconut Machine
1. INTRODUCTION
Nước Dừa không chỉ giàu chất dinh cho con người, mà còn là
một loại thức uống giải khát được rất nhiều Người ưu thích,
tiêu thụ rộng rãi và trở thành một mặt hàng thiết yếu. Nước
Dừa sử dụng làm nước uống giải khát thường được lấy từ Dừa
Tươi (Dừa sắp trưởng thành và trưởng thành) và được lấy
Nước bằng nhiều cách khác nhau, nhưng chủ yếu được gọt vỏ
thủ công. Do đó, năng suất gọt không cao, tiềm ẩn nhiều mối
nguy hiểm cho Người, đặc biệt hình dáng sản phẩm chưa hấp
dẫn và lôi cuốn và thời gian chờ đợi của khách hàng khá lâu.
Từ những tồn tại đó và với mong muốn thiết kế - chế tạo mô
hình thử nghiệm đảm bảo được tính cạnh tranh với các sản
phẩm đã có, cũng như đảm bảo được các yêu cầu về cắt gọt và
tính thẩm mỹ của sản phẩm. Nhóm đã tiến hành phương pháp
nghiên cứu, phân tích, tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình
thử nghiệm, cụ thể: Khảo sát nhu cầu khách hàng (hộ gia đình,
cửa hàng bán Dừa) và nghiên cứu các sản phẩm đã có để xác
định các yêu cầu kỹ thuật phù hợp của “Máy Gọt Vỏ Dừa
Tươi” trong giới hạn phạm vi nghiên cứu. Tổng hợp, phân tích
các nghiên cứu về đặc điểm cơ tính của Xơ Dừa: độ bền
= 131 ÷ 220 (
) , độ cứng lơn nhất có thể 38 HV
(HV~HB). Các nghiên cứu và thử nghiêm về: tốc độ cắt cho
phép là V = 5,75 (m/s) để không gây ra vết thâm (vết bầm)
trên phần vỏ trắng bên trong, lực cắt cần thiết để cắt tiết diện
S = 170x5 (mm) là F = 807 (N), lực chọc thủng cần thiết với
tiết diện S’= 3,14 (
) là 251 (N) – đối với Dừa Non với
mục đích lấy nước.
Ý tưởng thiết kế Máy được xây dựng dựa trên nguyên lý
Phương Pháp Tiện, có 5 ý tưởng thiết kế được đưa ra dựa trên
các yêu cầu kỹ thuật và chức năng chính của Máy (chức năng
Quay Dừa, chức năng Kẹp Dừa, chức năng Cắt Đầu Dừa, chức
năng Chạy Dao), nhưng chỉ có 1 ý tưởng tối ưu nhất được
chọn để thực hiện chế tạo thử nghiệm. Mô hình ý tưởng sẽ
được thiết kế, mô phỏng, kiểm bền trên phần mềm CATIA.
Mô hình chế tạo với tốc độ quay Dừa là 285 (vòng/phút), động
cơ chính công suất 1 (HP), động cơ phụ 25 (W). Và sau đó
được thử nghiệm với các góc độ gá Dao khác nhau để xác
định góc tối ưu.
2. MATERIALS AND METHODS
2.1 Khảo sát nhu cầu và xác định các yêu cầu kỹ thuật
Nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành lấy mẫu đối với 20 cửa
hàng bán Dừa Tươi ở khu vực Quận 9 và Thủ Đức nhằm xác
định các thông tin về: mức độ sử dụng máy Gọt Vỏ Dừa, cảm
nhận về mức độ an toàn khi gọt thủ công, số lượng Dừa tiêu
thụ trong ngày, thời gian gọt Dừa, những yêu cầu sử dụng đối
với Máy gọt vỏ Dừa,…
Trên cơ sở đó, xây dựng các yêu cầu kỹ thuật đặc trưng của
Máy.
Bảng 1: Các yêu cầu kỹ thuật
Đặc điểm kỹ thuật
D/W
Wt
Yêu cầu kỹ thuật
Từ khóa
Hình dáng hình học:
D
W
H
W
H
W
M
W
W
W
W
L
M
M
L
Kích thước : chiều dài
≤ 400 mm, chiều rộng
≤ 500 mm, chiều cao
≤ 700 mm
Chiều sâu gọt: 2 – 10 mm
Chuyển động học:
Cơ cấu đơn giản, truyền động
tốt, ổn định và chính xác
Tốc độ cắt: hợp lý và đảm
bảo công suất 200 ÷ 300
trái/giờ
Lực tác dụng:
Trọng lượng máy: ≤ 50
Lực di chuyển máy: ≤ 500 N
Lực cắt, gọt vỏ Dừa: Nhỏ
Kích thước
Chiều sâu
Cơ cấu
Tốc độ cắt
Trọng lượng
Lực di
chuyển
Lực cắt
Lực kẹp
những kích thước liên quan đến vùng với tới: lấy theo ngưỡng
người thấp 5%.Khi thiết kế không gian choán chỗ: lấy theo
Lực kẹp chặt Dừa: Nhỏ
Năng lượng:
W
W
D
Công suất động cơ: ≤ 1
nhỏ hơn 1 ngựa)
Nguồn điện: 220V (1 pha)
Mức độ tiếng ồn: ≤ 70
L
L
(
Động cơ
Nguồn điện
Tiếng ồn
ngưỡng người lớn 95%. Kết hợp chặt chẽ khả năng điều chỉnh
nếu có thể. Đây là cơ sở khoa học quan trọng mà Ergonomics/
Yếu tố con người mang lại cho chúng ta trong công tác thiết
kế và sản xuất.
Vật liệu:
W
M
W
D
H
W
W
M
M
Đảm bảo vệ sinh-an toàn
thực phẩm: thép không rỉ
Tuổi bền: 5 năm
Đảm bảo độ bền và chịu
được lực tác dụng
Dễ tìm mua, thay thế, sữa
chữa
Nhẹ
Vệ sinh
Tuổi bền
Độ bền
Tiêu chuẩn
hóa
Nhẹ
Tín hiệu:
D
W
W
W
D
Điều khiển đơn giản
Chính xác, nhanh, ổn định
trong quá trình hoạt động
H
An toàn:
M
M
Điều khiển
Chính xác
Hình ..: Các kích thước cơ bản của Người
An toàn điện
An toàn cắt
Bảo vệ tự
động
W
W
W
W
W
L
M
H
H
L
Dễ thay thế
Thẩm mỹ
Bảo trì đơn
giản
Chi phí
Kinh tế:
Tổng chi phí chế tạo nhỏ hơn
6.000.000 đồng
( 6 triệu đồng)
Dựa trên các yêu cầu và chức năng máy xác định được yêu
cầu bắt buộc cần đạt được (Demand) và yêu cầu mong muốn
(Wish) khi thiết kế và chế tạo máy. Các yêu cầu và chức năng
của “Máy bóc vỏ Dừa Xanh” được xác định chi tiết theo bảng
dưới đây.
Trong đó,
D ( Demand ): là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc cần đạt
được của máy.
W ( Wish ): là yêu cầu mong muốn của sản phẩm
nhằm nâng cao giá trị và chất lượng của máy.
Wt ( Weighting ): là tỉ trọng chi phí tăng thêm khi
cần đạt yêu cầu mong muốn theo 3 mức độ .
Mức độ trung bình (Medium): M=2
Mức độ thấp (Low): L=1
160,7
150,3
85,5
79,9
Chỉ số skélie (%)
87,9
88,1
Cao đầu
23,8
22,3
Dài đầu
18,9
18,2
Rộng đầu
15,4
14,1
130,2
121,7
Rộng vai
36,7
33,3
Rộng ngực
26,0
24,3
Rộng chậu
26,2
25,0
Rộng mông
29,5
28,8
70,6
66,1
Dài chân
85,5
78,8
Vòng đùi
16,6
18,3
Chỉ số thân/ đầu
6,8
6,8
81,6
77,5
Nặng (kg)
49,0
44,6
Bảng…: Tổng hợp số đo trung bình nhân trắc học tĩnh người
Việt Nam
2.2.2 Hình thành ý tưởng
Có 5 ý tưởng thiết kế được xây dựng dựa trên các đặc điểm
kỹ thuật và chức năng chính của Máy:
Mức độ cao (High): H=3
Cao đứng (cm)
Cao mỏm cùng vai
Dễ sử dụng
Nữ
Chỉ số dầu
Bảng điều khiển dễ dàng sử
dụng
Thay thế các bộ phận dễ
dàng
Thiết kế gọn, có tính thẩm
mỹ
Kết cấu máy dễ bảo trì, bảo
dưỡng
Nam
Cao ngồi
Khoa học lao động:
Dấu hiệu
Dài tay
An toàn điện
An toàn trong quá trình cắt
Tự động cắt điện khi có sự cố
2.2 Hình thành ý tưởng thiết kế
2.2.1 “Nhân Trắc Học - Ergonomics” trong thiết kế
Nhân trắc học có tính đến không gian chiếm chỗ, đặc biệt
trong thiết kế áp dụng 3 nguyên tắc vàng sau:Khi thiết kế
Ý tưởng 1:
Máy sử dụng nguồn Điện lưới để làm quay trái Dừa, cắt đầu
Dừa bằng tay người, sử dụng cơ cấu chạy dao định hình theo
hình dáng dao gọt (2 chế độ: tự động và thủ công thông qua bộ
truyền Thanh răng – Bánh răng, Vít – Đai ốc) và Dừa được
kẹp bằng lực đẩy của motor điện.
a. Ý tưởng 1
b. Ý tưởng 2
a. Tư thế đứng
b. Tư thế cúi người
c. Tư thế quì gối
d. Tư thế ngồi Ghế
Ý tưởng 2:
Quay tròn Dừa và cắt đầu Dừa sử sụng Điện lưới, cơ cấu
chạy dao chép hình (tịnh tiến bằng Thanh răng – Bánh răng),
có cơ cấu kẹp Dừa bằng tác dụng sức người (cơ cấu Vít – Đai
ốc).
Ý tưởng 3:
Quay tròn Dừa bằng sức Người (bộ truyền xích), đầu Dừa
được cắt bằng Dao cắt Đĩa (sử dụng điện lưới); cơ cấu kẹp
Dừa bằng sức Người, Dừa được gọt theo sự định hình của dao
cắt (cơ cấu Trượt và Thanh răng – Bánh răng).
c. Ý tưởng 3
d. Ý tưởng 4
Ý tưởng 4:
Quay tròn Dừa và cắt đầu Dừa bằng nguồn điện lưới, vỏ Dừa
được gọt theo sự định hình của Dao (cơ cấu Thanh răng –
Bánh răng), Dừa được kẹp và giữ bằng sức người (cơ cấu
Trượt).
Ý tưởng 5:
Dừa quay tròn nhờ nguồn điện
lưới, Dừa được gọt theo định
hình của Dao ( sử dụng sức
người), cắt Đầu Dừa và kẹp
Dừa bằng sức người (sử dụng
cơ cấu Thanh răng – Bánh
răng).
e. Ý tưởng 5
Khung hỗ trợ chiều cao tương thích với tư thế Ngồi sử
dụng Máy.
2.4 Tính toán
2.4.1 Tính toán tốc độ cắt, số vòng quay của Dừa
a. Tốc độ cắt V. […]
.
V=
(m/phút)
.
Trong đó :
Suy ra:
. ,
V=
,
bằng ma trận đánh giá của Stuart Pugh [5]. Sau khi đánh giá 5
ý tưởng bằng ma trận đánh giá, Ý tưởng 1 được chọn với tổng
số điểm cao nhất [+29] và được phân tích tương tác khả năng
tương thích với các tư thế của Người khi sử dụng Máy, sau đó
đưa ra bộ phận hỗ trợ tương với tư thế Ngồi.
,
. ,
= 131,8 (m/phút) ≈ 2,2 (m/s)
Ta thấy: V = 2,2 (m/s) < V = 5,75 (m/s), thỏa mãn.
b. Số vòng quay n
n=
2.3 Đánh giá và lựa chọn ý tưởng
Ưu điểm, nhược điểm của mỗi ý tưởng sẽ được cụ thể hóa
= 328 ; T = 60 (phút) ; m = 0,23 ;
S = 0,025 (mm/vòng) ; y = 0,25
=
.
.
.
.
.
.
.
= 1.0,8.1.0,94.1,4.1.0,93.0,96 = 0,94
=
.
(vòng/phút)
.
.
.
=167,8 ÷ 279,7 (vòng/phút)
với D = 150 ÷ 250 (mm)
2.4.2 Tính toán lực cắt, công suất cắt
Lực cắt sẽ được tính toán theo 2 phương án, sau đó được thử
nghiệm và tham khảo các Máy đã được chế tạo để chọn
phương án tính lực cắt hợp lý nhất.
a. Phương án 1: Tính theo lực cắt chính khi tiện
Với:
=
.
.
.
.
= 50; xpz = ypz = 1; npz = 0;
= 1.1,08.1,15.1.0.87 = 1.08
Suy ra:
= 50. 100 . 0,025 . 131,8 . 1,08 = 135 (Kg)
Khi tiện định hình với biên dạng không phức tạp lực cắt giảm
10% ÷ 15%, nên lực cắt sẽ là:
= 135.0,85 = 114,75 (Kg)
Công suất cắt:
N=
.
.
,
=
.
,
= 2,47 (Kw)
.
Qua các thử nghiệm kiểm tra khả năng cắt gọt cho thấy việc
gá đặt góc Dao sẽ quyết định năng suất cắt gọt và độ bền của
Dao. Hơn nữa, để đảm có thể gọt được lượng Xơ Dừa nhiều
nhất, nhưng vẫn đảm bảo được tính thẩm mỹ và không làm hư
hỏng sản phẩm. Do vậy, cần gá đặt Dao với các góc cắt như
sau :
Đối với Dao gọt phần Thân : Góc gá đặt Dao ( ) sẽ
được điều chỉnh trong phạm vi = 82 ÷ 86 (hình..).
Góc gá Dao trên cũng được xác định từ các kết quả thực
nghiệm và dựa theo cấu tạo , kích thước của Dừa. Đối
với Dao gọt phần Vai : Góc gá Dao ( ) hiệu quả trong
phạm vi = 50 ÷ 56 (hình ..). Các góc mài Dao cũng
được chọn giống Dao gọt phần thân.
b. Phương án 2: Tính theo lực cắt F
F là lực cắt cần thiết để cắt tiết diện S = 170x5 (mm), F =
807 (N).
Lực cắt cần thiết: F =
.
=
. ,
,
= 237,4 (N)
Với S là tiết diện cắt tính toán của Dao:
S = [chiều dài cắt lớn nhất] x [chiều sâu cắt lớn nhất]
= 10 x 0,25 = 2,5 (cm )
Công suất cắt:
P =
, . ,
= 0,52 (Kw)
Kết luận:
So sánh 2 công suất cắt cho thấy có sự chênh lệch khá lớn, sự
chênh lệch này là do một số nguyên nhân sau:
Công suất cắt tính theo lực cắt với độ bền Xơ Dừa
(Dừa già) từ 131÷ 220 MPa, nhưng thực tế đối với Dừa
Tươi (Dừa non) có độ bền nhỏ hơn. Việc tính toán chọn
độ cứng cũng tương tự, độ cứng lớn nhất của Xơ Dừa
là 40 HB, [15].
Khi tính toán theo lực cắt với khoảng sai số tính toán
khá lớn nên phạm vi kết quả cũng chênh lệch lớn
Từ các đề tài đã nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn cho
thấy với động cơ có công suất 0,76 (KW) ~ 1 (HP) đủ
công suất để cắt gọt được vỏ Dừa Tươi [20] [26]. Mặt
khác, qua các thử nghiệm với động cơ 0,5 (HP) và 0,75
(HP) không đảm bảo yêu cầu cắt gọt và không đủ công
suất tải. Vậy nên, động cơ công suất nhỏ hơn 1 (HP) sẽ
được chọn để chế tạo máy.
a. Góc gá Dao bên
−
Biên dạng Dừa
b. Góc gá Dao trên
c. Các góc tạo biên dạng Dừa
2.5 Thiết kế và kiểm bền
2.4.3 Tính toán chọn động cơ
a. Động cơ chính
Từ các tính toán lực cắt, công suất cắt và một số tính toán cơ
bản, chọn động cơ chính với công suất 1 (HP), tốc độ quay lớn
nhất 1000 (vòng/phút), được lắp qua bộ truyền đai thang với tỉ
số truyền 3,5. Như vậy, tốc độ quay của Dừa tương đương
285,7 (vòng/phút).
b. Động cơ phụ
Động cơ phụ thực hiện chức năng đẩy Dừa vào chấu kẹp.
Động cơ phụ được tính toán, thử nghiệm và lựa chọn với công
suất 25 (W), tốc độ quay n = 4 (vòng/phút).
2.4.4 Tính toán góc gá Dao
a. Góc gá Dao gọt phần Thân (Dao bên)
Hình..: Mô hình thiết kế
1- Thân Máy,
4
2- Động cơ chính,
3- bộ truyền Đai,
5
4- Bộ chạy dao trên,
5- Động cơ phụ,
6- Bộ chạy dao bên,
7- Bộ cắt đầu Dừa.
6
3
2
1
7
Hình..: Sơ đồ cấu tạo một số bộ phận chính của Máy
Kiểm bền một số chi tiết quan trọng:
Kiểm bền Trục Chính
Hình.. : Mô phỏng ứng suất Dao
Ứng suất lớn nhất :
= 1,28.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa)
, thỏa mãn điều kiện bền (vật liệu SUS304).
Kiểm bền Dao gọt phần Vai
Hình..: Mô phỏng ứng suất Trục
Trục inox 304 (SUS304):
Môđun đàn hồi (Elastic Modulus): 193 GPa
Hệ số Posion: 0,28
Giới hạn bền chảy: ≥ 205 MPa
Khối lượng tiêng : 7,8 g/
Giới hạn bền cho phép: [ ] =
= 102,5 (MPa) –
đối với vật liệu dẻo.
Ứng suất lớn nhất :
= 4,07.10 < [ ] = 1,025.10
(N/ ) , thỏa mãn điều kiện bền.
Hình.. : Mô phỏng ứng suất Dao
Ứng suất lớn nhất:
= 7,98.10 < [ ] = 1,025.10 (Pa),
Dao đảm bảo điều kiện bền (vật liệu SUS304).
Kiểm bền bộ gá Dao Bên
Kiểm bền Dao gọt phần Thân
Hình.. : Mô phỏng ứng suất bộ gá Dao Bên