Design young coconut peeling machine and manufacture prototype of machine
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
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
82ꢀ ÷ 86ꢀ so với trục Z (phương thẳng đứng). Dao gọt phần Vai được gá nghiêng góc 50ꢀ 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
được thử nghiệm với các góc độ gá Dao khác nhau để xác
định góc tối ưu.
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.
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,…
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 (ꢂꢃꢄ) , độ cứng lơn nhất có thể 38 HV
(HV~HB). Các nghiên cứu và thử nghiêm về: tốc độ cắt cho
phép là Vꢀ = 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
Sꢅ = 170x5 (mm) là Fꢅ = 807 (N), lực chọc thủng cần thiết với
tiết diện S’= 3,14 (ꢆꢇꢈ) là 251 (N) – đối với Dừa Non với
mục đích lấy nước.
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:
Kích thước
: chiều dài
D
Kích thước
Chiều sâu
≤ 400 mm, chiều rộng
≤ 500 mm, chiều cao
≤ 700 mm
W
H
Chiều sâu gọt: 2 – 10 mm
Chuyển động học:
W
W
H
Cơ cấu
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
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
M
Tốc độ cắt
Trọng lượng
Lực di
chuyển
Lực cắt
Lực kẹp
Lực tác dụng:
W
W
W
W
L
M
M
L
Trọng lượng máy: ≤ 50 ꢉꢊ
Lực di chuyển máy: ≤ 500 N
Lực cắt, gọt vỏ Dừa: Nhỏ
Lực kẹp chặt Dừa: Nhỏ
những kích thước liên quan đến vùng với tới: lấy theo ngưỡng
người thấp 5%.Khi thiết kế không gian choán chỗ: lấy theo
Năng lượng:
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.
Công suất động cơ: ≤ 1 ꢋꢃ (
nhỏ hơn 1 ngựa)
Nguồn điện: 220V (1 pha)
Mức độ tiếng ồn: ≤ 70 ꢌꢍ
W
L
L
Động cơ
W
D
Nguồn điện
Tiếng ồn
Vật liệu:
W
M
H
Vệ sinh
Đảm bảo vệ sinh-an toàn
thực phẩm: thép không rỉ
Tuổi bền: 5 năm
W
D
Tuổi bền
Độ bền
Đảm bảo độ bền và chịu
được lực tác dụng
Dễ tìm mua, thay thế, sữa
chữa
W
W
M
M
Tiêu chuẩn
hóa
Nhẹ
Nhẹ
Tín hiệu:
D
W
Điều khiển
Chính xác
Điều khiển đơn giản
H
Chính xác, nhanh, ổn định
Hình ..: Các kích thước cơ bản của Người
trong quá trình hoạt động
An toàn:
W
W
D
M
M
An toàn điện
An toàn cắt
Bảo vệ tự
động
Dấu hiệu
Cao đứng (cm)
Cao ngồi
Nam
160,7
85,5
87,9
23,8
18,9
15,4
130,2
36,7
26,0
26,2
29,5
70,6
85,5
16,6
6,8
Nữ
150,3
79,9
88,1
22,3
18,2
14,1
121,7
33,3
24,3
25,0
28,8
66,1
78,8
18,3
6,8
An toàn điện
An toàn trong quá trình cắt
Tự động cắt điện khi có sự cố
Khoa học lao động:
Chỉ số skélie (%)
Cao đầu
W
W
W
W
L
Dễ sử dụng
Bảng điều khiển dễ dàng sử
M
H
H
dụng
Dễ thay thế
Thẩm mỹ
Bảo trì đơn
giản
Thay thế các bộ phận dễ
Dài đầu
dàng
Thiết kế gọn, có tính thẩm
Rộng đầu
mỹ
Cao mỏm cùng vai
Rộng vai
Kết cấu máy dễ bảo trì, bảo
dưỡng
W
L
Chi phí
Kinh tế:
Rộng ngực
Rộng chậu
Rộng mông
Dài tay
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.
Dài chân
Vòng đùi
Chỉ số thân/ đầu
Chỉ số dầu
Nặng (kg)
81,6
49,0
77,5
44,6
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
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:
cần đạt yêu cầu mong muốn theo 3 mức độ .
Mức độ cao (High): H=3
Ý tưởng 1:
Mức độ trung bình (Medium): M=2
Mức độ thấp (Low): L=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.
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
c
c
ố
Ý
đ
D
c
ử
Ý
đ
B
T
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).
ꢖ
ꢅꢀꢀꢀ.ꢧ
n =
(vòng/phút)
ꢨ.ꢩ
2.3 Đánh giá và lựa chọn ý tưởng
ꢅꢀꢀꢀ.ꢧ
=
=167,8 ÷ 279,7 (vòng/phút)
Ưu điểm, nhược điểm của mỗi ý tưởng sẽ được cụ thể hóa
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.
ꢨ.ꢩ
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.
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 :
a. Phương án 1: Tính theo lực cắt chính khi tiện ꢪꢫ
ꢃ = ꢕꢭꢬ. ꢮꢯꢭꢬ. ꢰꢱꢭꢬ. ꢲꢳꢭꢬ. ꢉꢭꢬ
ꢬ
Với: ꢕꢭꢬ = 50; xpz = ypz = 1; npz = 0;
ꢉꢭ = 1.1,08.1,15.1.0.87 = 1.08
Suy ra:
ꢃ = 50. 100ꢅ. 0,025ꢅ. 131,8ꢀ. 1,08 = 135 (Kg)
Đối với Dao gọt phần Thân : Góc gá đặt Dao (ꢽ ) sẽ
được điều chỉnh trong phạm vi ꢽ = 82ꢀ ÷ 86ꢀ(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 ꢾ = 50ꢀ ÷ 56ꢀ (hình ..). Các góc mài Dao cũng
được chọn giống Dao gọt phần thân.
ꢬ
Khi tiện định hình với biên dạng không phức tạp lực cắt giảm
10% ÷ 15%, nên lực cắt sẽ là:
ꢃ = 135.0,85 = 114,75 (Kg)
ꢬ
Công suất cắt:
ꢴ .ꢶ
ꢅꢅꢠ,ꢷꢥ.ꢅꢝꢅ,ꢞ
ꢅꢀꢈ.ꢡꢀ
ꢵ
N =
=
= 2,47 (Kw)
ꢅꢀꢈ.ꢡꢀ
b. Phương án 2: Tính theo lực cắt F
Fꢅ là lực cắt cần thiết để cắt tiết diện Sꢅ = 170x5 (mm), Fꢅ =
807 (N).
ꢿ
ꢸ .ꢺ
ꢹ
ꢞꢀꢷ.ꢀ,ꢈꢥ
ꢞ,ꢥ
ꢹ
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 (cmꢈ)
Công suất cắt:
ꢿ
ꢈꢝꢷ,ꢠ.ꢈ,ꢈ
P =
ꢻꢼ
= 0,52 (Kw)
ꢅꢀꢀꢀ
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 ꢃ với độ bền Xơ Dừa
ꢬ
ꣃ
(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 ꢃ với khoảng sai số tính toán
ꢬ
ꣀꣁ − ꣂ
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.
Biên dạng Dừa
2.5
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
Hình..: Mô hình thiết kế
a. Góc gá Dao gọt phần Thân (Dao bên)
1- Thân Máy,
2- Động cơ chính,
3- bộ truyền Đai,
4- Bộ chạy dao trên,
5- Động cơ phụ,
6- Bộ chạy dao bên,
7- Bộ cắt đầu Dừa.
5
2
1
7
Ki
Ki
)
Tr
),
Ứn
(N
Ki
ꢷ
ꢞ
[ ]
độ, Dao gọt phần Vai có góc cắt hiệu quả là 82 độ. Như vậy,
tùy theo yêu cầu về thẩm mỹ và năng suất mong muốn của
sản phẩm mà có thể điều chỉnh góc cắt theo nhiều góc độ
khác nhau.
Ứng suất lớn nhất : ꢁꣅꢱ = 2,3.10 < ꢁ = 1,025. 10 (Pa)
, thỏa mãn điều kiện bền (vật liệu SUS304).
Kiểm bền Thân Máy
Dao gọt phần Thân
Dao gọt phần Vai
Góc (độ)
Thời gian
gọt (s)
Góc (độ) Thời gian
gọt (s)
8,6
45
48
50
53
56
6,9
6,8
6,8
7
82
83
84
85
86
8,6
8,9
9,0
7,2
9,5
Bảng 1: Thực nghiệm các góc cắt (Gá đặt Dao)
T
(ꢁ
Ứ),
đả
4. CONCLUSIONS
Mặc dù kết quả thực hiện đề tài chưa thực sự đạt được yêu
cầu về kích thước, năng suất như mục tiêu đề ra, nhưng vẫn
đảm bảo được yêu cầu cắt gọt với năng suất trung bình 1
trái/30s (120 trái/giờ) và sử dụng các động cơ công suất phù
hợp. Tuy nhiên, với lần đầu thử nghiệm nên một số chi tiết,
bộ phận máy chưa được tối ưu kích thước, và cần được tiếp
tục cải tiến hoàn thiện hơn.
K
ACKNOWLEDGMENT
Ứ),
đả
3.
3.
REFERENCES
[1] Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế San, Hồ Viết Bình, Chế độ cắt gia công
cơ khí, NXB Đã nẵng,2002.
[2] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ
khí, Tập 1, NXB Giáo Dục, 2006.
[3] Nguyễn Viết Tiến, Lý thuyết thiết kế sản phẩm công nghiệp, NXB
Khoa học và kỹ thuật, 2005.
[4] Ken Wallance, John Clarkson, An introduction to design the process,
University of Cambridge, 1999.
[5] Fairuz I. Romlia, Ahmad Nizam Aliasb, Azmin Shakrine Mohd
Rafiec, Dayang Laila Abang Abdul Majidd, Factorial Study on the
TensileStrength of a Coir berReinforced Epoxy Composite, 2012
AASRI Conference on Modelling, Identification and Control.
a. Máy được chế tạo
b. Dừa sau khi gọt thử nghiệm
3.2 Thực nghiệm các góc Gá Dao
[6] Onuegbu T. U., Umoh E.T. & Okoroh N. C, Tensile Behaviour and
Hardness of Coconut Fibre-OrthoUnsaturated Polyester Composites,
Global Journals Inc.
Kết quả thử nghiệm các góc độ gá Dao khác nhau cho
thấy: Dao gọt phần Thân có góc gá Dao thích hợp từ 48-50
[7] S.Yahya and I. Mohd Zainal, Design and performance of young
coconut shaping machine, Mechanisation and Automation Research
Centre,2014, Malaysia.
[8] B. Jarimopas, N.Ruttanadat, Development of a young coconut fruit
trimming machine, Department of Agricultural Engineering,
Kamphaeng Saen Engineering Faculty, Kasetsart University,
Kamphaeng Saen Campus,Nakohn Pathom 73140, Thailand.
[9] Mownesh. R, Dr. Ashosk Mehatha, International Journal of
Engineering Reasearch and General Scicen Volume 3, Issue 4,
Design and Fabrication of Punch Cum Splitter For Tender
Coconut, 2015.
A.Ticoalu, T.Aravinthan
& F.Cardona, A review of current
development in natural fiber composites for structural and
infrastructure applications, Southern Region Engineering
Conference 11-12 November 2010, Toowoomba, Australia.
[10] R.Udhayasankar and B. Karthikeyan, A Review on Coconut Shell
Reinforced Composites, International Journal of ChemTech
Research, Vol.8, No.11, pp 624-637, 2015.
7 trang
20280
Free
Bạn đang xem tài liệu "Design young coconut peeling machine and manufacture prototype of machine", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- design_young_coconut_peeling_machine_and_manufacture_prototy.pdf
