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 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 D W W W W W W W H H M L M M L Hình dáng hình học:  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  Lực kẹp chặt Dừa: Nhỏ W W D W W D W W D W W W D W W W W W L L M H M M H M M L M H H L Năng lượng:  Công suất động cơ: ≤ 1 ( nhỏ hơn 1 ngựa)  Nguồn điện: 220V (1 pha)  Mức độ tiếng ồn: ≤ 70 Vật liệu:  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 Tín hiệu:  Điều khiển đơn giản  Chính xác, nhanh, ổn định trong quá trình hoạt động An toàn:  An toàn điện  An toàn trong quá trình cắt  Tự động cắt điện khi có sự cố Khoa học lao động:  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 Kinh tế:  Tổng chi phí chế tạo nhỏ hơn 6.000.000 đồng ( 6 triệu đồng) Động cơ Nguồn điện Tiếng ồn Vệ sinh Tuổi bền Độ bền Tiêu chuẩn hóa Nhẹ Điều khiển Chính xác An toàn điện An toàn cắt Bảo vệ tự động Dễ sử dụng Dễ thay thế Thẩm mỹ Bảo trì đơn giản Chi phí 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 cao (High): H=3  Mức độ trung bình (Medium): M=2  Mức độ thấp (Low): L=1 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 những kích thước liên quan đến vùng với tới: lấy theo ngưỡng người thấp 5%.Khi thiết kế không gian choán chỗ: lấy theo 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. Hình ..: Các kích thước cơ bản của Người Dấu hiệu Nam Nữ Cao đứng (cm) 160,7 150,3 Cao ngồi 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 Cao mỏm cùng vai 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 Dài tay 70,6 66,1 Dài chân 85,5 78,8 Vòng đùi 16,6 18,3 Chỉ số thân/ đầu 6,8 6,8 Chỉ số dầu 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: 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 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). e. Ý tưởng 5 2.3 Đánh giá và lựa chọn ý tưởng 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. a. Tư thế đứng b. Tư thế cúi người c. Tư thế quì gối d. Tư thế ngồi Ghế 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 : = 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 Suy ra: V = ., ,.,, = 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 = . . (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. 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). 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) 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. 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) 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. a. Góc gá Dao bên b. Góc gá Dao trên c. Các góc tạo biên dạng Dừa 2.5 Thiết kế và kiểm bền Hình..: Mô hình thiết kế − Biên dạng Dừa 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 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. Kiểm bền Dao gọt phần Thân 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 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 Hình.. : Mô phỏng ứng suất bộ gá 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. 1 2 3 7 6 4 5 Ứng suất lớn nhất : = 2,3.10 < [] = 1,025.10(Pa) , thỏa mãn điều kiện bền (vật liệu SUS304). Kiểm bền Thân Máy Hình.. : Kiểm bền Thân Máy Thép CT3kn với [] = 0,8. = 0,8.235 = 188 MPa (=235 MPa). Ứng suất lớn nhất = 1,56.10 < [] = 1,88.10(Pa), đảm bảo điều kiện bền. Kiểm bền Khung Hình.. : Kiểm bền Khung Ứng suất lớn nhất: = 1,65.10 < [] = 1,025.10(Pa), đảm bảo điều kiện bền (vật liệu SUS304). 3. RESULTS AND DISCUSSION 3.1 Mô hình chế tạo thử nghiệm a. Máy được chế tạo b. Dừa sau khi gọt thử nghiệm 3.2 Thực nghiệm các góc Gá Dao 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 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. Dao gọt phần Thân Dao gọt phần Vai Góc (độ) Thời gian gọt (s) Góc (độ) Thời gian gọt (s) 45 6,9 82 8,6 48 6,8 83 8,6 50 6,8 84 8,9 53 7 85 9,0 56 7,2 86 9,5 Bảng 1: Thực nghiệm các góc cắt (Gá đặt Dao) 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. ACKNOWLEDGMENT 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. [6] Onuegbu T. U., Umoh E.T. & Okoroh N. C, Tensile Behaviour and Hardness of Coconut Fibre-OrthoUnsaturated Polyester Composites, Global Journals Inc. [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.