ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

THIẾT KẾ MÁY THÁI LÁT KHOAI TÂY

(Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất bột khoai tây)

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ.. 2

1.1.Giới thiệu chung. 2

1.1.1.Tổng quan về khoai tây. 2

1.1.2.Tổng quan về bột khoai tây. 2

1.2.Mục đích, yêu cầu kỹ thuật, phân loại máy cắt2

1.3.Một số loại máy thái trên thị trường hiện nay. 2

1.3.1.Máy thái bằng tay. 2

1.3.2.Máy cắt củ quả công nghiệp YL 90 - 4. 3

1.3.3.Máy cắt rau củ quả băng tải BTL – 02. 4

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KẾ HOẠCH THỰC HIỆN, BIỂU ĐỒ GANTT.5

2.1.Mô tả trình tự các bước tiến hành thiết kế. 5

2.2.Tổng hợp lịch trình làm việc bằng biểu đồ Gantt6

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH YÊU CẦU KỸ THUẬT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN.. 7

3.1.Xác định yêu cầu kỹ thuật7

3.2.Lựa chọn phương án thiết kế máy. 7

3.2.1. Phương án 1. 7

3.2.2. Phương án 2. 9

3.3. Kết luận và lựa chọn phương án. 10

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ SẢN PHẨM... 11

4.1.Tính toán số vòng quay của đĩa cắt11

4.2.Công suất cần thiết của máy. 11

4.3.Chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền. 14

4.4.Tính toán thiết kế bộ truyền đai15

4.4.1.Thông số ban đầu. 15

4.4.2.Tính toán thiết kế bộ truyền đai thang. 16

4.5. Tính toán thiết kế trục và then. 22

4.5.1.Chọn vật liệu trục. 22

4.5.2.Tính toán trục. 22

4.5.3.Thiết kế trục. 24

4.5.4.Kiểm nghiệm trục. 28

4.6.Chọn ổ lăn và nối trục. 30

4.7.Thiết kế cụm chi tiết dao cắt33

4.7.1.Đĩa cắt34

4.7.2.Lưỡi dao cắt34

4.7.3.Tấm kê. 35

4.8.Thiết kế các chi tiết khác. 36

4.8.1.Thiết kế khung máy. 36

4.8.2.Thiết kế thùng dẫn phôi37

4.8.3.Thiết kế khung bảo vệ. 37

4.9.Mô hình hóa, mô phỏng sản phẩm.. 38

CHƯƠNG 5:  KẾT LUẬN.. 41

5.1.Kết quả đạt được. 41

5.2.Ưu điểm và nhược điểm của thiết kế. 41

5.2.1.Ưu điểm.. 41

5.2.2.Nhược điểm.. 41

5.3.Hướng phát triển của thiết kế. 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 43

 

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

1.1. Giới thiệu chung

Đại dịch covid 19 đã làm thay đổi nhận thức của người tiêu dùng về vấn đề sức khỏe. Chính vì thế, nhu cầu về các sản phẩm bắt nguồn từ thực vật hay rau củ ngày một gia tăng. Thế nhưng để đảm bảo độ tươi và chế biến hương vị thích hợp là một bài toán nan giải. Không chỉ trong các sản phẩm ăn dặm dành cho trẻ,bột rau củ giờ đây là một nguyên liệu không thể thiếu trong các bữa ăn duy trì lối sống lành mạnh trong cuộc sống bận rộn. Đây dự kiến là sản phẩm tiềm năng, mang đến sự bùng nổ trong 10 năm tiếp theo.

Hiện nay, nói nếu dựa trên nguồn gốc thì trường bột rau quả toàn cầu được chia thành 2 phân khúc là bột trái cây và rau củ. Theo maximin market research, thì đường bột rau quả toàn cầu tăng trưởng với tốc độ ổn định.Tỉ lệ tăng trưởng kép hằng năm (CAGR) dự kiến sẽ đạt 9,1% trong giai đoạn 2019-2026

Trong khi Market Data Forecast, chỉ tính riêng ở nhóm bột trái cây tỷ lệ CAGR sẽ đạt khoảng 7% cho giai đoạn 20212026. Quy mô thị trường này bao gồm bột rau xanh dự đoán cán mốc khoảng 14,3 tỷ USD trong năm 2021 và 21,5 tỷ USD vào năm 2026

1.1.1.     Tổng quan về khoai tây

Tên gọi và nguồn gốc

Khoai tây (danh pháp hai phần: Solanum tuberosum), thuộc họ Cà (Solanaceae). Khoai tây là loài cây nông nghiệp ngắn ngày, trồng lấy củ chứa tinh bột. Chúng là loại cây trồng lấy củ rộng rãi nhất thế giới và là loại cây trồng phổ biến thứ tư về mặt sản lượng tươi – xếp sau lúa, lúa mì và ngô.

Khoai tây là cây lương thực quan trọng thứ ba trên toàn cầu sau gạo và lúa mì về mặt tiêu thụ của con người. Có hơn 4.000 loại khoai tây ăn được, chủ yếu được tìm thấy ở dãy Andes của Nam Mỹ. Ngoài ra còn có hơn 180 loài khoai tây hoang dã, mặc dù chúng quá đắng để ăn. Đa dạng sinh học quan trọng của chúng bao gồm khả năng chống chịu sâu bệnh, bệnh tật và điều kiện khí hậu một cách tự nhiên. Sự phát triển ở các khu vực sản xuất khoai tây đã nhanh chóng vượt qua tất cả các loại cây lương thực khác ở các nước đang phát triển. Nó là một yếu tố cơ bản trong an ninh lương thực cho hàng triệu người trên khắp Nam Mỹ, Châu Phi và Châu Á, bao gồm cả Trung Á. Hơn một tỷ người trên toàn cầu ăn khoai tây. So với các loại cây lương thực khác, khoai tây có ưu điểm là dễ bảo quản, cho năng suất cao, ít yêu cầu trồng, diện tích trồng rộng, giá trị dinh dưỡng cao

Thị trường khoai tây ngoài nước

Thị trường thế giới

Khoai tây được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau và không chỉ là một loại rau để nấu ăn tại nhà. Ít hơn 50% khoai tây trồng trên toàn cầu được tiêu thụ tươi. Số còn lại được chế biến thành các sản phẩm từ khoai tây và nguyên liệu thực phẩm, làm thức ăn cho gia súc, lợn, gà, chế biến thành tinh bột phục vụ công nghiệp. Theo Dữ liệu Nông nghiệp và Thực phẩm (FAOSTAT), các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ, Nga, Hoa Kỳ và Đức là những nhà sản xuất khoai tây lớn, chiếm 78,2 triệu tấn, 51,3 triệu tấn, 19,6 triệu tấn, Lần lượt là 18,8 triệu tấn và 11,7 triệu tấn vào năm 2020. Tiêu thụ khoai tây trên toàn cầu đang chuyển từ khoai tây tươi sang các sản phẩm thực phẩm chế biến có giá trị gia tăng. Một trong những mặt hàng chính trong danh mục đó là khoai tây đông lạnh, bao gồm hầu hết khoai tây chiên, phục vụ trong các nhà hàng và chuỗi thức ăn nhanh trên toàn cầu. Ở Đông Âu và Scandinavia, khoai tây nghiền được đun nóng để chuyển hóa tinh bột của chúng thành đường có thể lên men được sử dụng trong quá trình chưng cất đồ uống có cồn. Do đó, sản lượng và tiêu thụ khoai tây gia tăng ở các quốc gia khác nhau được dự đoán sẽ thúc đẩy tăng trưởng của thị trường trong giai đoạn dự báo.

Thị trường Châu Á – Thái Bình Dương

Trung Quốc hiện là nhà sản xuất khoai tây lớn nhất thế giới. Dựa trên dữ liệu từ FAOSTAT, sản lượng khoai tây của cả nước được báo cáo là 75.657.850 tấn vào năm 2019, tăng lên 78.236.596 tấn vào năm 2020. Diện tích thu hoạch là 4.038.885 ha vào năm 2019, tăng lên 4.218.188 ha vào năm 2020 Nhiều lý do giải thích cho việc tăng nhanh sản lượng khoai tây của Trung Quốc. Thời gian sinh trưởng ngắn và khả năng thích ứng rộng của khoai tây khiến chúng thích hợp với các vùng và kiểu khí hậu đa dạng ở Trung Quốc và cho phép trồng khoai tây quanh năm. Phần lớn khoai tây tươi của Trung Quốc được dùng để tiêu thụ trên bàn ăn.

Sản lượng khoai tây ở Ấn Độ đã tăng trưởng ổn định trong năm 2020. Điều này là do tiêu thụ khoai tây đang tăng nhanh ở nước này do quá trình công nghiệp hóa ngày càng tăng và sự tham gia của phụ nữ vào thị trường việc làm đã tạo ra nhu cầu về chế biến sẵn, ăn liền thực phẩm tiện lợi, đặc biệt là ở khu vực thành thị.

Do đó, sản lượng và tiêu thụ dự báo sẽ tăng và dự báo sẽ tăng trong giai đoạn dự báo, do khoai tây đã trở thành một trong những thực phẩm chủ lực trong khu vực, đồng thời cũng là điều kiện thuận lợi giúp sản xuất cao hơn mỗi năm.

Thị trường khoai tây trong nước

Tại Việt nam, khoai tây là thực phẩm chủ yếu phục vụ ăn tươi, một ít xuất khẩu sang Indonesia nên sản lượng không lớn. Trước đây, khoai tây có diện tích cũng khá lớn, khoảng 100.000 ha, nhưng giống khoai tây mẫn cảm với thời tiết và các loại sâu bệnh gây hại nên hiệu quả kinh tế thấp dần khi biến đổi khí hậu ngày càng tác động rõ rệt nên diện tích trồng khoai tây giảm xuống dưới 20.000 ha. Năng suất khoai tây đạt từ 13,5 – 15,9 tạ/ha

Nhu cầu khoai tây chế biến là thức ăn nhanh (snack) như khoai tây chiên ngày càng tăng, phải nhập khẩu từ nhiều nước, chủ yếu là Trung Quốc. Theo khảo sát, nhu cầu khoai tây nguyên liệu cho các nhà máy chế bến khoảng 180.000 tấn/năm, trong nước chỉ đáp ứng khoảng 30 – 40% còn lại phải nhập khẩu.

1.1.2. Tổng quan về bột khoai tây

Bột khoai tây là loại bột được chế biến từ nguyên liệu khoai tây 100% có công dụng tạo độ dính, nở và đặc cho món ăn. Loại bột này được sử dụng khá phổ biến trong các công thức chế biến món ăn và làm bánh như: nấu soup, thịt hầm, chiên rán, nước xốt… Ngoài ra, bột khoai tây còn là chất nền để các món ăn và bánh có thêm mùi thơm, màu sắc đẹp, có độ giòn.

Quy trình sản xuất bột khoai tây trong nhà máy

Bước 1: Bóc vỏ và rửa

Khoai tây sống được đưa đến hệ thống rửa sạch và loại bỏ đất đá để bảo vệ khỏi bị tổn thất đến thiết bị chế biến ở các công đoạn tiếp theo.  Sử dụng hệ thống gọt vỏ bằng phương pháp bào mòn bằng các trục lăn để tách lớp vỏ ra khỏi củ khoai, đồng thời nước sẽ được phun trực tiếp để loại bỏ lớp vỏ dính trên bề mặt khoai tây.

Bước 2: Cắt lát

Khoai tây đã được làm sạch sẽ được đi qua hệ thống cắt rửa, trục cắt quay vòng cắt liên tục thành những lát khoai tây mỏng có độ dày từ 0.066-0.072 inch (1.7-1.85 mm). Khoai tây được cắt thành lát mỏng để quá trình phơi, sấy diễn ra nhanh hơn

Bước 3: Sấy khô

Tách một lượng lớn nước ra khỏi bán thành phẩm ướt vừa được tinh sạch, đưa về trạng thái khô. Ở trạng thái đó, việc bảo quản được trong thời gian lâu hơn, dễ dàng đóng gói và vận chuyển đi xa để phục vụ cho nhiều ngành sản xuất khác.

Bước 4: Nghiền bột

Nhằm thu dạng thành phẩm là bột, tiến hành nghiền mịn ở thiết bị nghiền thich hợp tạo thành phẩm cuối cùng

Bước 5: Dò kim loại và đóng gói

Bột khoai tây được chuyển đến một máy đóng gói. Trọng lượng cân bột đã được cài đặt sẵn, đồng thời máy dò kim loại sẽ kiểm tra thành phẩm thêm một lần nữa để tránh các vật lạ như mảnh kim loại rớt ra từ thiết bị trong suốt quá trình chế biến có thể lẫn vào bột khoai tây

1.2. Mục đích, yêu cầu kỹ thuật, phân loại máy cắt

Mục đích

Cắt thái là quá trình phân chia nguyên liệu thành các phần tử có hình dạng và kích thước phù hợp với mục đích chủ yếu là chuẩn bị cho quá trình tiếp theo như nấu chín, chiên, sấy,…

Yêu cầu kỹ thuật

-       Có tính vạn năng: có thể thái được nhiều loại vật liệu khác nhau

-       Có thể điều chỉnh để thái được nhiều kích thước khác nhau phù hợp với nhu cầu

-       Khi thái củ quả ít bị gãy vụn, không bị ép mất nước, thái được các củ quả cứng

-       Có thể làm việc tự động không cần nhiều nhân công trong quá trình vận hành

-       Năng suất và tuổi thọ cao

-       Mức tiêu thụ năng lượng thấp

-       Cấu tạo đơn giản, sử dụng thuận tiên, dễ bảo trì bảo dưỡng

Phân loại

-       Theo nhiệm vụ: máy cắt thái rau cỏ, máy cắt thái củ quả, máy cắt thái thịt cá

-       Theo cấu tạo của bộ phận cắt: mát thái kiểu đĩa, máy thái kiểu trống, máy thái kiểu ly tâm

-       Theo vị trí của bộ phận làm việc: máy thái có bộ phận làm việc thẳng đứng, máy thái có bộ phận làm việc nằm ngang

-       Theo nguyên tắc sử dụng: máy thái cố đinh, máy thái di động

Nguyên lý thiết kế máy thái củ quả

• Thái kiểu trống

• Thái kiểu đĩa
• Thái kiểu ly tâm

1.3. Một số loại máy thái trên thị trường hiện nay

1.3.1.     Máy thái bằng tay

Hình 1.1 Máy thái rau củ bằng tay

-       Kích thước máy: 24*12*31cm

-       Kích thước lưỡi dao : 7cm 

-       Chiều dài tay quay : 13cm

-       Trọng lượng : 2kg

Ưu điểm:

-       Máy được thiết kế với kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, người dùng sự tự tin và thoải mái khi sử dụng

-       Lưỡi dao của máy thái hành cực sắc bén giúp thái lát cực nhanh, các lát cực đều nhau và đẹp. Hành tỏi thái ra vẫn giữ nguyên được hương vị hành tỏi, không hao hụt hay dập nát.

-       Ngoài thái lát hành tỏi, người ta còn sử dụng máy thái hành để bào hành tím, thái cà rốt, khoai tây, …

Nhược điểm:

-       Do vận hành thủ công nên công suất thấp khối lượng cắt không nhiều, ứng dụng cho hộ gia đình với nhu cầu thấp

-       Khó khăn trong việc cắt những thực phẩm lớn, cứng

1.3.2.     Máy cắt củ quả công nghiệp YL 90 - 4

Hình 1.2 Máy cắt củ quả công nghiệp YL 90 - 4

-       Công suất: 1500W

-       Điện áp: 220V/50Hz

-       Trọng lượng: 45Kg

-       Chất liệu: Inox

-       Năng suất: 200Kg/h

-       Kích thước: 800x460x910 mm

-       Kích thước thái:
+ Thái lát: 2 – 10 mm
+ Thái sợi: 2/3/4/6/8/9 mm
+ Thái hạt lựu: 8/10/12/15/20/25/30 mm

Ưu điểm:

-       Năng suất cao lên đến 200kg/h

-       Sản phẩm tự động hoàn toàn. Bạn chỉ cần bật công tắc và thả rau củ quả vào là được.

-       Thái củ quả nhanh không bị nát

-       Máy có 3 bộ dao cắt: kiểu tròn, kiểu vuông, kiểu hạt lựu

...

1.3.1.     Máy cắt rau củ quả băng tải BTL – 02

Hình 1.3 Máy cắt rau củ quả băng tải BTL - 02

-       Điện áp: 220V/50Hz

-       Công suất: 1.5kW + 1.1kW + 0.55kW

-       Trọng lượng máy: 140kg

-       Kích thước máy: 1160*530*1300 mm

-       Kích thước thái:
+ Thái lát: 2 – 10 mm
+ Thái sợi: 2/3/4/6/8/9 mm
+ Thái hạt lựu: 8/10/12/15/20/25/30 mm

-       Năng suất: 600-1000kg/300-1000kg

Ưu điểm:

-       Máy cắt mạnh mẽ, năng suất cao, thuận tiện, hoạt động đơn giản. Các thông số có thể điều chỉnh thông qua các núm vặn và công tắc tại bảng điều khiển rời, có biến tần.

-       Máy rất dễ vệ sinh và bảo quản, các chi tiết lưỡi dao có thể tháo rời để vệ sinh sau khi dùng xong, phơi ráo nước. Nếu lâu không sử dụng tới, bạn có thể phết lớp dầu ăn để chống gỉ. Trước khi thái rau củ, nên thái trước vài lát thơm để làm sạch lưỡi dao.

-       Hơn thế nữa, máy thái rau củ công nghiệp hai đầu vừa thái được củ quả. Vừa thái được cả rau với đa dạng độ dài, kích thước nên phù hợp cho nhiều loại nguyên liệu mà máy khác không thái được

 

CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KẾ HOẠCH THỰC HIỆN, BIỂU ĐỒ GANTT.

2.1. Mô tả trình tự các bước tiến hành thiết kế

Bước 1: Xác định yêu cầu của khách hàng

-       Tiến hành thu thập thông tin: các công ty về thực phẩm, hộ kinh doanh vừa và nhỏ, nhu cầy thị trường

-       Thu thập thông tin về máy: các thông số kỹ thuật, giá thành, sự đáp ứng nhu cầu của các dòng sản phẩm tương tự

Bước 2: Xác định mức độ quan trọng của các mối liên quan

-       Tính an toàn: hệ thống vận hành an toàn, không gây hiểm cho người sử dụng,..

-       Năng suất phù hợp: liên quan đến kết cấu, động cơ, dễ chế tạo, lắp ráp,..

-       Dễ sửa chữa, bảo trì

-       Điều khiển dễ dàng: liên quan tới bộ phận điều khiển, lực vận hành

-       Có thể làm việc tự động không cần nhiều nhân công trong quá trình vận hành

-       Mức tiêu thụ năng lượng thấp

-       Cấu tạo đơn giản, sử dụng thuận tiên, dễ bảo trì bảo dưỡng

-       Tuổi thọ: liên quan đến độ bền, độ mài mòn của vật liệu

Bước 3: Từ tổng hợp ý kiến của khách hàng và khảo sát đưa ra các thông số kỹ thuật cho máy

Bước 4: Tiến hành tính toán thiết kế máy

-       Đưa ra các phương án thiết kế, nguyên lí

-       Tính toán các bộ phận của máy

-       Mô phỏng, hoàn tất hồ sơ thiết kế (bản vẽ, thuyết minh)

Bước 5: Kết thúc dự án

2.2. Tổng hợp lịch trình làm việc bằng biểu đồ Gantt

Bảng 2.1 Biểu đồ Gantt tổng hợp tiến độ thiết kế

STT	Công việc	Thời gian (tuần)
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	Tìm hiểu vấn đề, chọn đề tài, lập kế hoạch thực hiện
2	Tìm hiểu các loại máy trên thị trường, chọn phương án thiết kế
3	Lập sơ đồ động cho hệ thống
4	Tính toán công suất, động lực học của máy
5	Tính toán cụm công tác
6	Tính toán cụm truyền động
7	Mô hình hóa, mô phỏng sản phẩm
8	Kiểm tra tính toán lại các yếu tố chưa phù hợp
9	Xuất bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp
10	Lập quy trình gia công 1 chi tiết
11	Hoàn chỉnh thuyết minh, các bản vẽ 2D, mô hình 3D
12	Bảo vệ

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH YÊU CẦU KỸ THUẬT VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

3.1.  Xác định yêu cầu kỹ thuật

Yêu cầu kỹ thuật

-       Năng suất: 250 kg/giờ

-       Có thể thái lát mỏng từ 1.5 – 6 mm tùy nhu cầu

-       Khi thái củ quả ít bị gãy vụn, không bị ép mất nước

-       Có thể làm việc tự động không cần nhiều nhân công trong quá trình vận hành

-       Tuổi thọ máy cao

-       Mức tiêu thụ năng lượng thấp

-       Cấu tạo đơn giản, sử dụng thuận tiên, dễ bảo trì bảo dưỡng

3.2.  Lựa chọn phương án thiết kế máy

3.2.1.  Phương án 1

-        Cắt củ thành lát bằng lưỡi dao dạng đĩa, lưỡi dao thẳng đứng

-        Hệ thống cấp phôi dạng băng tải

-        Hai động cơ điều khiển tốc độ hoạt động độc lập

Sơ đồ nguyên lý

Trong đó:

1. Động cơ
2. Bộ truyền đai
3. Trục
4. Lưỡi cắt
5. Thùng dẫn phôi

Cách thức hoạt động:

Sau khi cấp nguồn, khởi động động cơ (1) chuyển động quay truyền chuyển động đến lưỡi dao cắt (4) thông qua bộ truyền dai (2), trục (3) và các gối đỡ, ổ trục. Lưỡi dao cắt được gắn trên mâm quay với tốc độ cao cắt nguyên liệu thành lát, thành phẩm được rơi ra từ khe hở phía dưới và chạy theo máng đến nguyên công kế tiếp. Nguyên liệu đầu vào được cung cấp thông qua thùng chứa (5).

Độ dày mỏng của lát cắt có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi tốc độ cắt và độ dày khe hở của lưỡi dao.

Ưu điểm:

-       Máy hoạt động được với năng suất cao

-       Có thể điều chỉnh được kích thước, chiều dày lát cắt

-       Bộ truyền đai hoạt động ít gây tiếng ồn, hoạt động ổn định, tuổi thọ cao

Nhược điểm:

-       Các lát cắt không đều nhau

3.2.2.  Phương án 2

-         Cắt củ thành lát bằng lưỡi dao dạng đĩa, lưỡi dao nằm ngang

-         Hệ thống cấp phôi dạng thùng

-         Một động cơ điều khiển bánh năng côn trụ

Sơ đồ nguyên lý

Trong đó:

1. Động cơ
2. Bộ truyền bánh răng côn trụ
3. Lưỡi dao cắt dạng đĩa
4. Thùng dẫn phôi đầu vào
5. Thùng chứ phôi đầu ra

Cách thức hoạt động:

Sau khi cấp nguồn  động cơ (1) chuyển động quay truyền chuyển động đến lưỡi dao cắt (3) thông qua bộ truyền bánh răng côn trụ (2) và các gối đỡ, ổ trục. Lưỡi dao cắt được gắn trên mâm quay với tốc độ cao cắt nguyên liệu thành lát, thành phẩm được rơi ra vào thùng chứa (5) và đi ra từ khe hở phía dưới và chạy theo máng đến nguyên công kế tiếp. Nguyên liệu cấp vào thôn qua thùng dẫn phôi (4) phía trên lưỡi cắt

Độ dày mỏng của lát cắt có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi tốc độ cắt và độ dày khe hở của lưỡi dao.

Ưu điểm:

-       Chi phí rẻ, dễ chế tạo và sử dụng

-       Nguyên lý cắt, kết cấu máy đơn giản, nhỏ gọn

-       Có thể điều chỉnh được kích thước, chiều dày lát cắt

Nhược điểm:

-       Năng suất không được cao

-       Khó kiểm soát được lượng nguyên liệu cấp vào thùng chứa

-       Các lát cắt không đều nhau

3.3.  Kết luận và lựa chọn phương án

Dựa trên những ưu nhược điểm của hai phương án thiết kế kết hợp với tham khảo các dòng máy trên thị trường, phương án số 1: Cắt rau củ thành lát dạng đĩa, lưỡi dao thẳng đứng là phương án tối ưu hơn

 

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ SẢN PHẨM

4.1. Tính toán số vòng quay của đĩa cắt

Thông số yêu cầu:

-       Năng suất: 1000 kg/giờ

-       Có thể thái lát mỏng từ 1.5 – 6 mm tùy nhu cầu

-       Khi thái củ quả ít bị gãy vụn, không bị ép mất nước

-       Khối lượng cần cắt được trong 1s:

Chọn khối lượng cần+ cắt được trong 1s là

Khối lượng trung bình một lát khoai tây thực tế khoảng 10g

Trên đĩa được gắn 2 dao đối xứng với nhau nên mỗi vòng quay máy thực hiện cắt được 2 lát

Khối lượng máy cắt được:

Số vòng quay cần thiết trong một giây để có thể cắt được :

Do trong quá trình vận hành tốc độ nạp liệu không đồng đều nên cần số vòng quay lớn hơn

Chọn

Chọn đĩa có đường kính 40 cm, vận tốc dài của đĩa:

4.2. Công suất cần thiết của máy

Công suất tiêu thụ của máy cắt được tính bằng tổng của các công suất thành phần:

Ta có:

Trong đó:

P₁ : Công suất để thái củ quả

P₂ : Công suất triệt tiêu ma sát của củ quả bám vào mặt đĩa có bán kính r

P₃ : Công suất đẩy lát cắt ra ngoài

Với:

Trong đó:

 Hệ số ảnh hưởng của vận tốc

Hệ số phụ thuộc vào độ bền cơ học của củ quả (Khoai tây B= 6,5)

: Chọn sơ bộ bề dày lưỡi dao

: Hệ số mũ của khoai tây

 Hệ số biến dạng

: Chiều dày lát thái thành phẩm

: Chọn sơ bộ độ dài lưỡi dao

 được xác định theo công thức sau

Với : góc ma sát của vật thái với cạnh dao

Do lực cắt thái phụ thuộc không đáng kể vào góc mài  nên bỏ qua  trong quá trình tính toán

: Lực cản biến dạng của lát thái và ma sát ở mặt trước và mặt sau của lưỡi dao, có thể tính được theo công thức thực nghiệm sau:

Trong đó:

: Ứng suất kéo của củ quả (Khoai tây  chọn )

: Ứng suất nén của củ quả (Khoai tây  chọn )

Do lực cản cắt thái riêng phụ thuộc không đáng kể vào góc mài  nên bỏ qua  trong quá trình tính toán. Vì vậy:

: Lực cản do ảnh hưởng của vận tốc thái, với

Do trong quá trình vận hành tốc độ nạp liệu không đồng đều nên trong tăng lực cần thiết lên để đảm bảo thiết bị hoạt động được bình thường

: Công suất triệt tiêu ma sát của củ quả vào mặt đĩa có bán kính r

: Công suất đẩy lát cắt ra ngoài

Công suất để đẩy lát cắt ra ngoài thường không lớn do được trợ giúp bằng lực quán tính trong quá trình mát cắt hoạt động nên trong quá trình tính toán ta bỏ qua công suất này

Theo khảo sát thực nghiệm ta có:

4.3. Chọn động cơ và phân phối tỉ số truyền

Hiệu suất chung của hệ thống truyền động:

_ch = _đ . _ol

Trong đó:

đ  = 0,95	:	hiệu suất bộ truyền đai
ol = 0,99	:	hiệu suất một cặp ổ lăn

_ch

Công suất cần thiết của động cơ:

Trong quá trình hoạt động của máy từ lúc khởi động đến lúc máy ổn định cần tiêu hao công suất cho quá trình khởi động, thắng các lực ma sát giữ các bộ phận máy,... vì thế ta chọn động cơ có công suất lớn hơn so với công suất tính toán.

Chọn động cơ điện 3 pha thuộc hãng  JUMAR MOTOR

Công suất: 1,1 kW – 1,5 HP, 2 cực điện

Tốc độ vòng quay:

Tổng chiều dài 340 mm; tổng cao 241 mm; trục cốt 24 mm

Phân phối tỷ số truyền chung của hệ

Tỷ số truyền của bộ truyền đai

Số vòng quay các trục

Tính toán moment xoắn trên các trục

Hình 4.1 Bảng đặc trị

	Động cơ	Công tác
Công suất P (kW)	1,1	0,72
Tốc độ n (v/p)	2800	1080
Tỉ số truyền u	2,59
Momen xoắn T (N.m)	3,752	6,367

4.4.          Tính toán thiết kế bộ truyền đai

4.4.1.     Thông số ban đầu

Công suất:

Tỉ số truyền:

Số vòng quay:

Chọn điều kiện làm việc: làm việc 2 ca trong ngày, quay một chiều, tải va đập nhẹ, 1 ca làm việc 8 giờ.

4.4.2.     Tính toán thiết kế bộ truyền đai thang

4.4.2.1.          Chọn loại đai

Dựa vào các thông số đầu vào công suất , số vòng quay  và hình 4.1 trang 59 tài liệu [1], ta chọn đai thang loại A.

Dựa vào bảng 4.13 trang 59 tài liệu [2] ta có các thông số kĩ thuật của đai thang loại A như sau:

4.4.2.2.          Đường kính bánh dẫn d₁

Theo tiêu chuẩn trang 60 tài liệu [2] ta chọn:

4.4.2.3.          Vận tốc đai

 đối với đai thang thường theo tiêu chuẩn trang 142 tài liệu [1].

 

4.4.2.4.          Đường kính bánh đai lớn d₂

Với : là hệ số trượt tương đối

Theo tiêu chuẩn ta chọn

4.4.2.5.          Tỉ số truyền

Sai lệch so với thông số chọn trước1,7 %

4.4.2.6.          Khoảng cách trục

Ta có  dựa vào bảng 4.14 trang 60 tài liệu [1] ta chọn:

4.4.2.7.          Chiều dài đai

Theo tiêu chuẩn bảng 4.13 trang 59 tài liệu [2] chọn sơ bộ

4.4.2.8.          Số vòng chạy của đai trong 1s

 Chưa thoả điều kiện

Để thỏa điều kiện cần tăng chiều dài đai  

 Thoả điều kiện

4.4.2.9.          Tính lại khoảng cách trục a

Trong đó:

Vậy:

Giá trị a vẫn thoả mãn trong khoảng cho phép.

4.4.2.10.       Góc ôm đai α₁ trên bánh đai nhỏ

4.4.2.11.       Số dây đai Z

Hệ số xét đến ảnh hưởng góc ôm đai: với  

Hệ số xét đến ảnh hưởng đến vận tốc

Hệ số xét đến ảnh hưởng tỉ số truyền u: theo bảng 4.17 tài liệu [2] ta chọn  vì .

Hệ số xét đến ảnh hưởng số dây đai: theo bảng 4.18 tài liệu [2] ta chọn sơ bộ .

Hệ số xét đến ảnh hưởng của chế độ tải trọng động

Hệ số xét đến ảnh hưởng chiều dài đai:

Trong đó:

: chiều dài đai thực nghiệm theo bảng 4.8 tài liệu [1].

Công suất cho phép: dựa vào bảng 4.8 tài liệu [1] ta chọn .

Số dây đai được xác định theo công thức:

Chọn đai.

4.4.2.12.       Chiều rộng bánh đai

Với  theo bảng 4.21 tài liệu [2]

4.4.2.13.       Đường kính ngoài bánh đai nhỏ

Với  theo bảng 4.21 tài liệu [1]

4.4.2.14.       Đường kính ngoài bánh đai lớn

Với  theo bảng 4.21 tài liệu [1]

4.4.2.15.       Lực căng ban đầu

Với  đối với bộ truyền đai thang.

Lực căng mỗi dây đai:

Trong đó:

: Lực căng do lực li tâm sinh ra

4.4.2.16.       Lực tác dụng lên trục

4.4.2.17.       Lực vòng có ích

Lực vòng trên mỗi dây đai:

4.4.2.18.       Hệ số ma sát

Từ công thức:

Suy ra:

Hệ số ma sát nhỏ nhất để bộ truyền không bị trượt trơn: chọn góc biên dạng của đai  = 38

4.4.2.19.       Tính ứng suất lớn nhất cho phép

4.4.2.20.       Tính tuổi thọ đai

Ta chọn giới hạn mỏi của đai:

Số mũ đường cong mỏi đối với đai thang:

Bảng 4.2 Bảng thông số cho bộ truyền đai thang

Thông số	Kí hiệu	Giá trị	Đơn vị
Loại đai	A
Khoảng cách trục	a	378	mm
Số dây đai	z	1	Sợi
Đường kính bánh đai dẫn	d1	125	mm
Vận tốc đai	v	18,32	m/s
Đường kính bánh đai bị dẫn	d2	315	mm
Đường kính ngoài bánh dẫn	131	mm
Đường kính ngoài bánh bị dẫn	321	mm
Chiều rộng bánh đai	B	20	mm
Chiều dài đai	L	2000	mm
Góc ôm bánh đai	a1	163,26	độ
Lực căng ban đầu	F0	167	N
Lực tác dụng lên trục	Fr	321	N
Lực vòng có ích	60	N
Hệ số ma sát tương đương	f	0,047
Ứng suất lớn nhất trong dây đai	5,8	Mpa
Tuổi thọ đai	Lh	13895	giờ

 

4.5.  Tính toán thiết kế trục và then

Thông số đầu vào

	Động cơ	Công tác
Công suất P (kW)	1,1	0,72
Tốc độ n (v/p)	2800	1080
Tỉ số truyền u	2,59
Momen xoắn T (N.m)	3,752	6,367

4.5.1. Chọn vật liệu trục

Vật liệu làm trục phải có độ bền cao, ít tập trung ứng suất, có thể nhiệt luyện và dễ gia công. Ta chọn thép C45 thường hóa, với:

Giới hạn bền:

Giới hạn chảy:

Ứng suất xoắn cho phép:

4.5.2. Tính toán trục

4.5.2.1. Tính sơ bộ đường kính trục

Theo tiêu chuẩn đường kính cho thân trục ta chọn

 

Từ đường kính d có thể xác định sơ bộ gần đúng chiều rộng ổ lăn b theo bảng 10.2 tài liệu [1]:

d, mm	20	25	30	35	40	45	50	55	60
b0, mm	15	17	19	21	23	25	27	29	31

Ta có:

4.5.2.2.  Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực

Chọn sơ bộ kích thước dọc trục:

Theo kết cấu chọn

Chiều dài L được tính theo công thức:

Trong đó:

n: Tốc độ quay của trục công tác

C: Hệ số tải trọng của trục

d: đường kính ngoài của trục

Chọn chiều dài sơ bộ của trục như sau:

4.5.3. Thiết kế trục

Lực căng đai của bộ truyền đai:

Lực cắt của dao tác dụng lên trục:

Phương trình cân bằng moment:

 

Moment xoắn:

 

 

Moment uốn tổng Mi tại các tiết diện i:

Theo bảng 10.5 tài liệu [2] ta có Trị số của ứng suất cho phép

Tính đường kính các đoạn trục:

Do vị trí A  lắp bánh đai có rãnh then nên chọn

Do vị trí B  lắp ổ lăn nên chọn

Tương tự vị trí C có lắp ổ lăn nên chọn

Vị trí D nối với bánh cắt để đảm bảo kết cấu trục chọn

4.5.4. Kiểm nghiệm trục

4.5.4.1 Kiểm nghiệm về độ bền mỏi

Kiểm nghiệm hệ số an toàn theo công thức 10.16 tài liệu [1]:

Hệ số an toàn cho phép, chọn  để không cần kiểm nghiệm trục theo độ cứng

 Hệ số an toàn xét riêng về ứng suất uốn

Hệ số an toàn xét riêng về ứng suất xoắn

Giới hạn mỏi của vật liệu được tính theo công thức 10.19 tài liệu [1]:

Do trục quay nên ứng suất uốn thay đổi theo chu kỳ đối xứng

 là moment cản uốn

Ứng suất xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động khi trục quay một chiều:

Theo bảng 10.7 tài liệu [2]:

Hệ số kích thước  tra theo bảng 10.4 tài liệu [1]

Hệ số tăng bền bề mặt  tra theo bảng 10.5 tài liệu [1]:

Bảng 4.3 Bảng thông số then

Vị trí tiết diện	Then	W
449,5	1284,9	0,91	0,89	7,30	2,97	37,14	12,87	12,16
957,2	2314,3	0,91	0,89	3,43	1,65	77,31	27,40	25,83
957,2	2314,3	0,91	0,89	3,43	1,65	77,31	27,40	25,83
449,5	1284,9	0,91	0,89	7,30	2,97	37,14	12,87	12,16

Như vậy ta có tất cả các giá trị

Nên trục thỏa điều kiện bền mỏi

Hệ số an toàn cho phép  nằm trong khoảng , do đó ta có thể lấy bằng . Khi  ta không cần kiểm nghiệm trục theo độ cứng

4.5.1.2 Kiểm nghệm trục về độ bền tĩnh

Theo công thức 10.26 tài liệu [1] ta có:

Như vậy trục thỏa điều kiện về độ bền tĩnh

4.6.  Chọn ổ lăn và nối trục

Thông số đầu vào:

-     Đường kính trục

-       Số vòng quay: 1080 vòng/phút

Chọn ổ lăn

Lực hướng tâm tại vị trí các ổ:

Chọn sơ bộ ổ lăn như sau

Kí hiệu	d (mm)	D (mm)	B (mm)	r (mm)	α	C (kN)	(kN)
UCP 205	25	52	15	1,5	7,49	11,0	7,09

 

Kí hiệu gối	Đường kính trục	Rộng chân	Dài trục bi	Cao tâm trục	Dày chân	Cao tổng	Tâm lỗ ốc	Dài chân	Lỗ ốc rộng	Lỗ ốc dài	Trọng lượng
UCP	D (mm)	A (mm)	B (mm)	H (mm)	H1 (mm)	H2 (mm)	J (mm)	L (mm)	N (mm)	N1 (mm)	Kg
UCP 205	25	140	34,1	36,5	16	70	105	38	16	13	0,79

 

Lực dọc trục tại B:

Lực dọc trục tại C:

Theo bảng 11.4 tài liệu [2] ta có:

Theo bảng 11.4 tài liệu [2] ta có:

Tải trọng trên ổ:

Trong đó:

-      : Vòng trong quay

-       Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ

-       áp dụng cho chế độ làm việc tải va đập nhẹ, quá tải ngắn hạn, tra bảng 11.3 tài liệu [2]

Vì  nên ta tính toán ổ theo thông số tại B

Thời gian làm việc tính bằng triệu vòng:

 : Đối với các máy làm việc trong thời gian ngắn, làm việc 1 ca không sử dụng hết tải

Khả năng tải động:

Khả năng tải tĩnh:

Theo bảng 11.6 tài liệu [2] đối với ổ đũa côn ta có:

Theo công thức 11.6 tài liệu [2] ta có:

Khả năng quay nhanh của ổ

Số vòng quay tới hạn của ổ được tính theo công thức:

Trong đó:

 : thông số vận tốc quy ước, đặc trưng cho khả năng quay nhanh tới hạn của ổ chọn theo bảng 11.7 tài liệu [2]

: Đường kính vòng trong qua tâm các con lăn

: hệ số kích thước

: hệ số cỡ ổ với ổ siêu nhẹ  tra bảng 11.8 tài liệu [2]

: hệ số tuổi thọ  khi  

Ta có

Ổ được chọn thỏa mãn điều kiện hoạt động bình thường

4.7.  Thiết kế cụm chi tiết dao cắt

 

 

Cấu tạo cụm đĩa cắt:

STT	Tên chi tiết	Số lượng	Vật liệu
1	Đĩa cắt	1	Inox
2	Vít M5	6
3	Lưỡi dao cắt	2	Inox
4	Tấm kê	2	Inox

4.7.1. Đĩa cắt

4.7.2. Lưỡi dao cắt

4.7.3. Tấm kê

4.8. Thiết kế các chi tiết khác

4.8.1. Thiết kế khung máy

• Chọn vật liệu

Sắt hộp 30×30 được sản xuất từ thép, cacbon và một số nguyên liệu phụ gia được phối trộn theo tỉ lệ chuẩn. Vì vậy, sản phẩm này không chỉ sở hữu nhiều tính năng của nguyên liệu phối trộn mà còn có nhiều ưu điểm nổi bật như: 

-       Có tính dẻo, dễ dàng uốn nắn, định hình tùy theo nhu cầu sử dụng của khách hàng.

-       Khả năng chịu lực tốt, hạn chế tình trạng cong vênh khi chịu tác động lực lớn.

-       Trọng lượng nhẹ dễ dàng vận chuyển, thi công, lắp đặt.

-       Đa dạng độ dày, phù hợp với nhu cầu và mục đích sử dụng khác nhau của quý khách hàng.

-       Sắt hộp 30×30 mạ kẽm có khả năng chống oxy hóa, ngăn chặn tình trạng rỉ sét, tuổi thọ rất cao, giúp tiết kiệm được nhiều chi phí mua nguyên, vật liệu thi công.

-       Có thể điều chỉnh độ dài sao cho phù hợp với nhu cầu và mục đích sử dụng.

• Phương pháp gia công: hàn kim loại

4.8.2. Thiết kế thùng dẫn phôi

Thùng dẫn phôi đầu vào và đầu ra

Chọn vật liệu: inox

Phương pháp gia công: Chấn kim loại tâm kết hợp Hàn kim loại

4.8.3. Thiết kế khung bảo vệ

Vật liệu: Inox

Phương pháp gia công: Chấn kim loại tâm kết hợp Hàn kim loại

4.9. Mô hình hóa, mô phỏng sản phẩm

 

Bảng 4.4 Bảng kê chi tiết

STT	Tên chi tiết
1	Khung đỡ máy
2	Đỡ trục
3	Bộ truyền đai
4	Trục
5	Gối đỡ
6	Thùng dẫn phôi đầu vào
7	Cụm dao cắt
8	Vít M8x25
9	Khung chắn trước
10	Khung chắn sau
11	Tủ điện
12	Dẫn phôi đầu ra
13	Lò xo
14	Đai ốc M10
15	Giới hạn vị trí động cơ trên
16	Giới hạn vị trí động cơ dưới
17	Đỡ động cơ
18	Vòng đệm
19	Vít M8x30
20	Động cơ 1.1 Kw
21	Đai ốc M8
22	Đỡ khung chắn trước
23	Vít M8x20
24	Đai ốc M12
25	Vít M12x30

 

CHƯƠNG 5:  KẾT LUẬN

5.1. Kết quả đạt được

Thông qua quá trình thiết kế cũng như tham khảo các thiết bị có sẵn trên thị trường thiết kế “Máy thái lát khoai tây” em đã được tiếp cận với các vấn đề liên quan đến đề tài và phần nào hiểu được về quy trình thiết kế máy nói chung và thiết kế máy công cụ nông nghiệp nói riêng. Sau thời gian hoàn thành Đồ án chuyên ngành, em đã đạt được một số kết quả như sau:

-       Tìm hiểu được nguyên lý các loại máy cắt thái rau củ trên thị trường, lên kế hoạch thiết kế một phương án thiết kế phù hợp với nhu cầu

-       Tìm hiểu tính toán thiết kế máy

-       Tính toán, thiết kế động cơ, cụm công tác, bộ truyền của máy

-       Ứng dụng phần mềm 2D và 3D đề mô hình hóa, mô phỏng sản phẩm, xuất các bản vẽ, yêu cầu kỹ thuật,…

-       Lập quy trình gia công chi tiết trục máy

5.2. Ưu điểm và nhược điểm của thiết kế

5.2.1. Ưu điểm

Sau khi tính toán thiết kế, xây dựng mô hình sơ bộ của máy và tham khảo một số thiết kế có sẵn trên thị trường, thiết kế đạt được một số ưu điểm như sau:

-       Thiết kế nhỏ gọn phù hợp với không gian nhà xưởng nhỏ

-       Giá thành thấp hơn so với các thiết kế cùng công suất

-       Công suất máy lớn cắt được nhiều kích cỡ khác nhau, điều chỉnh được chiều dày lát cắt

-       Có thể mở rộng cắt các thực phẩm khác tương tự như: Khoai lang, khoai mì,…

5.2.2. Nhược điểm

Bên cạnh một số ưu điểm của máy đạt được thì trong quá trình thiết kế máy vẫn còn tồn tại một số nhược điểm chưa hoàn toàn khắc phục được như:

-       Một số tính toán còn chưa phù hợp

-       Hệ thống cấp và lấy phôi chưa tự động

-       Diện tích các lát cắt chưa đều nhau do bản chất của vật cắt là hình gần elip

5.3. Hướng phát triển của thiết kế

Vì thời gian nghiên cứu thực hiện còn hạn chế cũng như còn thiếu kiến thức, kinh nghiệm trong thiết kế, từ những ưu nhược điểm em có một số hướng phát triên của thiết kế như sau:

-       Cải tiến bổ sung hệ thống cấp và lấy phôi tự động

-       Thiết kế lưỡi dao cắt với biên dạng khác phù hợp với nhu cầu khách hàng

-       Thiết kế máy phù hợp với dây chuyền sản xuất tự động kết hợp với các máy móc khác như: máy rửa củ quả, máy sấy, máy chần,…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển (2016), Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Tập 1&2, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam. 

[2] Nguyễn Hữu Lộc (2020), Thiết kế máy và chi tiết máy, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM. 

[3] Nguyễn Hữu Lộc (2018), Giáo trình cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM. 

[4] Ninh Đức Tốn (2015), Dung sai và lắp ghép, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam. 

[5] Ninh Đức Tốn, Nguyễn Thị Xuân Bảy, Dung sai lắp ghép và kỹ thuật đo lường, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam