Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy rửa rau củ quả đa năng ứng dụng ở điều kiện việt nam báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp trường

Vì vậy trong đề tài này các tác giả đã nghiên cứu và đề xuất một loại máy rửa rau củ kiểu mới, phù hợp với điều kiện trồng trọt ở nước ta.. Phương pháp nghiên cứu - Toàn bộ quá trình th

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy rửa rau - củ

quả đa năng ứng dụng ở điều kiện Việt Nam

Mã số đề tài: 19.1CK02

Chủ nhiệm đề tài: ThS.GVC Nguyễn Thị Thúy Nga

Đơn vị thực hiện: Khoa Công nghệ Cơ khí

LỜI CÁM ƠN

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM, phòng Quản lý Khoa học và Hợp tác Quốc tế, Khoa Công nghệ

Cơ khí, đã tạo điều kiện để chúng tôi thực hiện và hoàn thành đề tài

Xin chân thành cảm ơn sự hợp tác nghiên cứu của Bộ môn Tự động hóa quá trình sản xuất trường Đại học Tổng hợp Kỹ Thuật Matxcơva mang tên N.E Bauman, GS TSKH Gavriuhsin S.S., đã có những đóng góp về mặt nội dung khoa học cho đề tài

Xin được gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Đức Nam Nhân trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM, TS Lê Tuấn Phương Nam trường đại học Tôn Đức Thắng,

TS Ao Hùng Linh trường đại học Công nghiệp Tp.HCM, TS Nguyễn Hữu Thọ trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm và TS Trần Trọng Nhân trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM cùng các đồng nghiệp khác đã góp ý cho chúng tôi về mặt chuyên môn, những thiếu sót để chúng tôi hoàn thành được đề tài đúng tiến độ

Cuối cùng, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn động

viên, chia sẻ và hỗ trợ chúng tôi

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

I Thông tin tổng quát

1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm máy rửa rau - củ quả

đa năng ứng dụng ở điều kiện Việt Nam

1 ThS.GVC Nguyễn Thị Thúy Nga IUH Chủ nhiệm đề tài

chính

4 TS Phùng Văn Bình Học viện KTQS Thành viên

7 NCS Bùi Văn Phương

ĐH Kỹ thuật tổng hợp Mátxcơva mang tên Bauman,

Liên Bang Nga

Thành viên

8

Nhóm 9 sinh viên IUH làm đồ

án/luận văn tốt nghiệp:

Trần Hiền Thọ 15064081

Lý Trần Anh Tuấn 15016171

Nguyễn Văn Thanh 15065661

Nguyễn Tiến Trung 15065361

Nguyễn Thanh Thuận 15068811

1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Công nghệ Cơ khí

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 10 năm 2019 đến tháng 10 năm 2020

1.5.2 Gia hạn (nếu có): không

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 08 năm 2018 đến tháng 02 năm 2020

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):

II Kết quả nghiên cứu

có một số loại máy rửa rau, củ, quả ứng dụng các công nghệ mới Tuy nhiên chúng chưa thực sự phù hợp với đặc điểm rau củ quả ở Việt Nam Vì vậy trong đề tài này các tác giả đã nghiên cứu và đề xuất một loại máy rửa rau củ kiểu mới, phù hợp với điều kiện trồng trọt ở nước ta Máy sử dụng các kết cấu cơ khí độc đáo kết hợp với công nghệ điện-điện tử hiện đại giúp điều chỉnh được các chế độ làm sạch khác nhau Điều này tạo sự thuận tiện và tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng Các cơ chế hoạt động của máy sẽ được thực nghiệm thông qua mô phỏng và các mô hình

cỡ nhỏ, làm tiền đề cho việc tính toán và thiết kế tối ưu về sau Sản phẩm đầu ra của

đề tài sẽ là một mô hình máy thử nghiệm hoạt động với năng suất rửa 2-3 kg rau củ trong vòng 5-6 phút cho một lần rửa và một bài báo Scopus Đề tài có ý nghĩa về

mặt khoa học và ứng dụng thực tiễn trong đời sống xã hội

2 Mục tiêu

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một máy rửa rau – củ quả đa năng kiểu

mới quy mô công nghiệp ứng dụng cho các bếp ăn tập thể đông người ở Việt Nam

3 Phương pháp nghiên cứu

- Toàn bộ quá trình thiết kế máy được thực hiện dựa trên quy trình PAMMS (Procedure for Automation of Mathematical Modeling and Solution) được các tác giả đề xuất

- Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến máy rửa rau củ - quả kiểu mới, như: động lực

học máy (phản lực động tại các khớp và chân máy, tính công suất động cơ, lựa chọn thông số lò xo, tính toán bộ truyền cardan, tính toán ổ lăn và gối đỡ, khảo sát dao động của khung máy, lồng rau, bể nước, v.v…), xây dựng mô hình toán cho máy, v.v… được nghiên cứu và giải quyết bằng các phương pháp Phương pháp cơ học cổ điển của sức bền vật liệu, phương pháp năng lượng, v.v

- vấn đề nghiên cứu lực cản của nước được thực hiện dựa trên phần mềm mô phỏng ABAQUS

- Chế tạo mô hình máy rửa rau củ quả kiểu mới, dựa trên nền tảng các môn học

nguyên lý chi tiết máy, các phương pháp gia công, điều khiển máy, v.v…

- Việc tìm bộ thông số rửa phù hợp được thực hiện dựa trên phương pháp thực nghiệm khi thay đổi các thông số hệ thống điều khiển để vận hành máy

4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Đề tài đã hoàn thành 100% khối lượng công việc như trong bản thuyết minh Cụ thể là:

- Một bài báo SCOPUS

- Một mô hình máy rửa rau-củ quả đa năng

- Các bản vẽ thiết kế

- Đào tạo bậc đại học

5 Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận

Các tác giả đã thực hiện đề tài nghiên cứu nghiêm túc và đúng tiến độ Trên thực tế công việc của đề tài đã được thực hiện trước khi ký hợp đồng 1 năm Nên chỉ sau 5 tháng kể từ khi ký hợp đồng nhóm tác giả đã hoàn thành đề tài này

Kết quả khoa học quan trọng nhất (Theo ý kiến của hội đồng Ban giám hiệu nhà trường) là bài báo SCOPUS đã được đăng cuối tháng 01/2020

Mô hình thử nghiệm của máy dùng để thực nghiệm nguyên lý và khả năng rửa đã được thiết kế và chế tạo đầy đủ cả phần Cơ khí và điều khiển Kết quả vận hành và thực nghiệm cho thấy nguyên lý làm việc đúng như thiết kế ban đầu Đã sử dụng chúng để tìm ra được các thông số rửa rau ăn lá thân cứng, thân mềm, rửa củ, vắt rau Tuy nhiên để hoàn thiện hơn mô hình máy và để có bản vẽ thiết kế hàng loạt một cách hoàn chỉnh, đề tài này vẫn cần được đầu tư thêm kinh phí để tiếp tục

nghiên cứu và phát triển

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy rửa rau - củ quả đa năng ứng dụng ở điều kiện Việt Nam” được triển khai nhằm tìm ra một cơ cấu máy rửa rau củ quả tự động kiểu mới giúp tiết kiệm nước, năng lượng và giảm sức lao động của con người Sau khi thực hiện đề tài, nhóm tác giả đã thu được các kết quả, thể hiện trong mục 4 Các kết quả này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn giúp chế tạo ra những máy rửa rau củ qua kiểu mới có chất lượng và độ cạnh tranh cao Chi tiết nội dung của các kết quả sẽ được thể hiện ở các mục dưới và phụ lục

III Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1 Kết quả nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3)

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu

kinh tế - kỹ thuật

- Năng suất dự kiến:

rửa 2-3 kg rau/củ

trong vòng 5-6’

- Kích thước 1.018 x 1.05 x 1.029 m

- Năng suất 2 kg rau

và củ / 2’

2 Bản vẽ thiết kế

Các bản vẽ chi tiết

và bản vẽ lắp các bộ phận máy, bản vẽ 3D của mô hình máy rửa rau củ kiểu mới

Đã đạt được

3 Một bài báo Scopus

Dựa trên một trong các chủ đề trong mục nội dung của thuyết minh

“Dynamic Analysis and Multi-Objective Optimization of Slider-Crank

Mechanism for An Innovative Fruit and Vegetable Washer”

Không nằm trong đăng ký đề tài nhưng

đã làm được trong quá trình thực hiện đề tài

“Requirement – Object – Parameter”

for Design Automation of Complex Mechanical System”

Không nằm trong đăng ký đề tài nhưng

đã làm được trong quá trình thực hiện đề tài

6 Bằng sáng chế “Máy rửa rau củ

quả đa năng”

Đã được thông qua về mặt hình thức, đang trong quá trình thẩm định nội dung Không nằm trong đăng ký đề tài nhưng đã làm được trong quá trình thực hiện đề tài

Ghi chú:

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp HCM đã cấp kính phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính

và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)

3.2 Kết quả đào tạo

TT Họ và tên

Thời gian thực hiện đề tài

28/12/2019

- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)

IV Tình hình sử dụng kinh phí

T

Kinh phí được duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí thực hiện

(triệu đồng)

Ghi chú

A Chi phí trực tiếp

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con

V Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

Đây là một loại máy mới (về mặt nguyên lý) trên thị trường hiện chưa có, nên với kinh phí được cấp trong đề tài (59.155 triệu) nhóm tác giả chưa thể nghiên cứu và phát triển thiết kế ở mức sản xuất hàng loạt Mô hình được thiết kế và chế tạo chỉ dừng ở mức thử nghiệm, còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu, thực nghiệm và cải tiến để loại máy này có thể phát triển ở mức thương mại hóa Vì lý do đó, nhóm tác giả kiến nghị khoa Công nghệ cơ khí cho phép để mô hình lại ở xưởng thực hành để các nhóm Sinh viên tiếp theo tiếp tục nghiên cứu phát triển, đồng thời cho phép cấp kinh phí cho những đề tài NCKH tiếp theo của nhóm tác giả liên quan đến loại máy này

VI Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

- Hình ảnh về mô hình máy thử nghiệm

- Minh chứng bài báo scopus

- Minh chứng hội nghị toàn quốc lần I về Động lực học và điều khiển

- Minh chứng hội nghị Quốc tế The International Symposium on Computer Science, Digital Economy and Intelligent Systems

- Bản chụp hình giấy chấp nhận hình thức của Cục sở hữu trí tuệ cho bằng

sáng chế “Máy rửa rau củ quả đa năng”

Tp HCM, ngày 02 tháng 03 năm 2020

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)

Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký)

PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

(báo cáo tổng kết sau khi nghiệm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng nghiệm thu)

II.1 Thiết kế ý tưởng

II.1.1 Phát triển ý tưởng

Qua quá trình tìm hiểu về nhu cầu thị trường cũng như khảo sát nhu cầu của người sử dụng ở chương I, tác giả rút ra được kết luận: Hiện tại ở thị trường thế giới nói chung và thị trường Việt Nam nói riêng, nhu cầu sử dụng máy rửa rau ở quy mô vừa và nhỏ, đáp ứng được đồng thời nhiều tiêu chí quan trọng về giá thành, mức độ tự động hóa, tiêu chí tiết kiệm năng lượng, nước,…là khá cấp thiết Từ đó tác giả nhận thấy rằng cần xây dựng một quy trình thiết kế máy theo nhiều mục tiêu

và các yêu cầu của người sử dụng, dựa trên những nghiên cứu đã có tác giả đã xây dựng quy trình như sau để tận dụng các ý tưởng và phát triển nó một cách hợp lý

Hình 1: Các bước phát triển ý tưởng

1) Xây dựng sơ đồ cây mục tiêu WHW (Why-How-What/What Do)

Dựa trên những khảo sát có được ta cần xây dựng sơ đồ cây mục tiêu để hình

ban đầu đặt ra Bên cạnh đó, sơ đồ cây mục tiêu có thể giúp ta tìm ra những cơ cấu mới, lựa chọn những nguyên lý và phương pháp để sao cho không trùng lặp, hoặc

ưu việt hơn những hệ thống đã có trên thị trường

Theo sơ đồ hình 2, ở cột WHY, chúng ta dựa vào nhu cầu và yêu cầu từ thị trường, từ đơn đặt hàng để liệt kế ra tất cả những yêu cầu về tính năng, chất lượng, đặc điểm đầu ra của hệ thống cơ khí cần chế tạo Ví dụ như chất lượng rửa, giá thành sản xuất, vận hành, bảo trì, kích thước và năng suất của máy Dựa vào những yêu cầu này, ở cột HOW, chúng ta sẽ tìm kiếm sơ bộ những nguyên lý, những cơ cấu, những giải pháp để đạt được các yêu cầu ở cột WHY Nếu như những nguyên

lý này đã có ở những hệ thống cơ khí hiện hành, thì chúng ta nên hướng tới những phương pháp mới Do đó để thực hiện những nguyên lý mà ta lựa chọn, ở cột WHAT / WHAT DO cần liệt kê những chi tiết, cụm chi tiết, hệ thống cơ khí “cơ bản”, ví dụ như những cơ cấu kinh điển trong thư viện cơ học nguyên lý máy, những mối ghép cơ bản trong lĩnh vực chi tiết máy, v.v… nhưng cụ thể ở đây ta lựa chọn những cơ cấu mà ta đã lên ý tưởng sau đó xem cơ cấu nào là tối ưu và phù hợp các mục tiêu ban đầu để tiến hành

Sau khi lựa chọn được một cơ chế rửa phù hợp ta tiến hành phân tách cơ chế đó bằng cách xây dựng các sơ đồ cây mục tiêu riêng cho từng hệ thống cơ khí được sử dụng để điều khiển quá trình rửa rau Trong khuôn khổ báo cáo này, tác giả trình bày sơ đồ cây mục tiêu trong đó hạt nhân là cơ chế tạo chuyển động dập dềnh theo phương ngang

Hình 2: Sơ đồ cây mục tiêu cơ chế máy rửa rau

Hình 3: Sơ đồ cây mục tiêu cơ cấu trong máy rửa rau

Cơ chế dập dềnh theo phương ngang có thể được thực hiện với sự hỗ trợ của cơ cấu cam hoặc tay quay con trượt Qua quá trình so sánh phân tích, cơ cấu tay quay con trượt được lựa chọn bởi những ưu điểm mà cơ cấu cam còn hạn chế (giảm tiếng

ồn và giảm công suất động cơ) Song song với chuyển động dập dềnh theo phương ngang để tăng hiệu quả sạch rau, trong quá trình rửa cần một động tác xoay lồng để đảo cho phần rau còn lại ngập trong nước Tác giả đã dùng bộ truyền Cardan để truyền momen quay cho lồng trong khi vẫn đảm bảo chuyển động dập dềnh theo phương ngang

Bên cạnh đó nhận thấy cơ chế ban đầu là dập dềnh phương ngang đồng thời xoay lồng để đảo rau là chưa đủ để đáp ứng yêu cầu chất lượng rửa ở cột WHY

(hình 3), do đó chưa thể đáp ứng được tiêu chí tiết kiệm nước Vì vậy tác giả đã kết

hợp thêm các cơ chế phụ là cấp và xả nước liên tục với lượng nước bằng nhau với mục đích tạo ra luồng xoáy nước cuốn trôi bùn đất ra ngoài theo lỗ thoát nước ở đáy

bể, từ đó đảm bảo được độ sạch của rau

Như vậy chúng ta đã tìm được một cơ chế rửa rau phù hợp với các yêu cầu ở cột WHY nhưng để thiết kế được ta cần phân tích từng cơ cấu, từng bộ phận tìm các ưu và nhược điểm của từng cơ cấu, tận dụng ưu điểm và hạn chế nhược điểm để xây dựng hệ thống cơ khí phù hợp nhất

Hình 4: Sơ đồ cây mục tiêu cụm tay quay con trượt

Cơ cấu tay quay con trượt có tác dụng tạo nên chuyển động dập dềnh theo phương ngang nhờ chuyển động của con trượt nhưng một cơ cấu tay quay con trượt thuần túy chưa đáp ứng được yêu cầu của máy rưa rau kiểu mới, vì vậy bên cạnh đó chúng ta cần cải tiến để bổ sung thêm khả năng thay đổi biên độ dao động của con trượt, giảm ma sát, giảm công suất động cơ, v.v Xuất phát từ yêu cầu này, tác giả

đề xuất phương án sử dụng bánh đà có rãnh giữa và khoan các lỗ trên bề mặt để thay đổi biên độ dao động của quá trình dập dềnh Kế tiếp ta dùng ma sát lăn để thay ma sát trượt, cụ thể là ta dùng hệ thống sóng trượt trụ có bi lăn để làm con trượt, mục đích để giảm tối đa ma sát gây ra trong quá trình chuyển động Mặt khác,

các phản lực khớp động gây nên trong cơ cấu, điều này đã được chứng minh[14] (Hình 4)

Hình 5: Sơ đồ cây mục tiêu cơ cấu xoay lồng Song song với dập dềnh là xoay lồng, ứng với các yêu cầu vừa xoay vừa tịnh tiến, truyền momen quay, thay đổi biên độ, công suất động cơ, tác giả nhận thấy

bộ truyền Cardan có thể giải quyết được các yêu cầu trên và có sẵn trên thị trường, hơn nữa bộ truyền đã được tiêu chuẩn hóa nên giảm được chi phí gia công lắp ráp (hình 5)

Bên cạnh các hệ thống cơ khí trong máy việc cấp nước và xả nước cũng chiếm vai trò quyết định trong các yêu cầu ban đầu ta đặt ra cũng như những yêu cầu quyết định của người sử dụng đó là có tiết kiệm nước hay không? Để trả lời cho câu hỏi trên tác giả đã xây dựng một sơ đồ cụ thể để đặt ra các yêu cầu và tìm các hướng giải quyết sao cho phù hợp nhất với các mục tiêu đã đề ra (Hình 6)

Hình 6: Sơ đồ cây mục tiêu cơ chế cấp xả nước

Hệ thống cấp xả nước liên tục là một cơ chế rửa mới, lượng bùn đất bám vào rau được vòi phun có lưu lượng phù hợp phun trực tiếp vào rau khiến cho bùn đất được cuốn trối qua các lỗ xả ở đáy thùng, tại đây có các van đo lưu lượng để lượng nước cấp vào bằng với lượng nước xả ra, theo đó bùn đất được xả ra ngoài mà mực nước vẫn đủ để rửa rau Từ hình 6 dễ dàng nhận thấy dạng bể hình elip khá phù hợp, đáp ứng được yêu cầu tiết kiệm nước và thoát nước nhanh

2) Xây dựng sơ đồ YBT (Yêu cầu-Bộ phận-Tham biến)

Từ những hệ thống cơ khí được đưa ra và cũng từ những yêu cầu ban đầu kết hợp với những ràng buộc về mặt kết cấu như về mức độ rung lắc máy, sức bền Ta xây dựng sơ đồ Yêu cầu-Bộ phận-Tham biến, gồm những yêu cầu được đặt ra, những bộ phận quan trọng nhất của máy và những tham biến của các bộ phận đó

Hình 7: Sơ đồ YBT

Từ sơ đồ trên hình 7 những yêu cầu được đặt ra để tìm ra các bộ phận quan

trọng nhất trong cơ cấu máy, mà những thay đổi trên bộ phận đó sẽ ảnh hưởng đến

các bộ phận khác cũng như thay đổi các mục tiêu ban đầu Ta thấy được thùng nước

và lồng rau chiếm vai trò quan trọng nhất trong cơ cấu máy Cụ thể nếu đặt vấn đề

và nghiên cứu hợp lý thì thùng nước và lồng rau sẽ giải quyết được các yêu cầu về

kích thước máy nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm nước, hạn chế lực tác động

của nước lên thùng, sạch rau, khối lượng nhẹ, từ đó ta có thể định hướng được

chi tiết cần thiết kế đầu tiên dựa theo điều kiện sản xuất cụ thể Mặt khác từng loại

rau cũng ảnh hưởng đến chất lượng rửa, mức tiêu thụ năng lượngvà nước Bên cạnh

đó các chi tiết cơ khí cũng góp phần không nhỏ trong các yêu cầu đặt ra cụ thể là lò

xo và bánh đà Lò xo được dùng để giảm chấn cho chuyển động dập dền cũng như

làm giảm công suất động cơ, tiết kiệm năng lượng cũng như tăng độ bề cho các

khâu khớp Bánh đà có các biên độ dao động khác nhau làm thay đổi được chế độ

rửa cho phù hợp với từng loại rau Qua đó định hướng cho các kĩ sư nắm được

những tham biến nào là quyết định và ảnh hưởng đến toàn bộ kết cấu

Từ sơ đồ trên kết hợp với yêu cầu sản xuất trong bối cảnh cụ thể chúng ta hoàn toàn có thể xây dựng đƣợc một quy trình thiết kế chi tiết một dạng máy rửa rau kiểu mới

3) Xây dựng quy trình thiết kế

Hình 8: Quy trình thiết kế

Theo sơ đồ YBT chúng ta xây dựng một quy trình thiết kế máy dựa trên các tham biến của chi tiết và các điều kiện bắt buộc phải thực hiện để đáp ứng các mục

tiết, mỗi tham biến được thiết kế đều phải dựa trên một điều kiện và yêu cầu nhất định, ví dụ việc lựa chọn và thiết kế các thông số của bể nước cần phải dựa trên các điều kiện về tiết kiệm nước (1) và lực cản của nước theo đó các điều kiện ảnh hưởng trực tiếp đến các tham số dạng bể, bề dày, chiều dài, chiều cao Bên cạnh đó việc lựa chọn và thiết kế bánh đà cũng được thực hiện theo yêu cầu về thay đổi biên

độ dao động của cụm trượt đảm bảo được độ bền (2) Cũng như các điều kiện về năng lượng, giảm phản lực khớp động và kích thước máy đòi hỏi phải thiết kế bộ phận đàn hồi là lò xo với các tham số về độ cứng, chiều dài, và đường kính phù hợp đáp ứng được tiêu chí tiết kiệm năng lượng (3) Từ đó ta thấy được các chi tiết trên

là các bộ phận quan trọng nhất trong việc hình thành máy Cuối cùng, cực tiểu hóa khối lượng máy (4) là một yêu cầu quan trọng cho khung máy và các chi tiết còn lại Qua đó ta thấy được các tiêu chuẩn và ràng buộc (1) - (4) là những yêu cầu cụ thể và cơ bản nhất mà một kĩ sư thiết kế cần hướng đến và xây dựng, nếu thỏa mãn được những yêu cầu này ta đi đến bước cuối cùng là tính toán, chọn động cơ và chế tạo lắp ráp máy, trong trường hợp các tiêu chuẩn và ràng buộc không được đáp ứng,

ta quay lại bước đầu chọn các tham biến cho bể nước theo quy trình thiết kế trên

4) Kết luận

Quá trình phát triển ý tưởng thiết kế không chỉ đơn thuần là đưa ra các ý tưởng

và giải quyết chúng mà không có một quy trình cụ thể sẽ rất khó để đến mục tiêu cuối cùng Trên đây là quá trình xây dựng mô phát triển ý tưởng và thiết kế đa mục tiêu, vốn là một vấn đề phức tạp trong thiết kế và chế tạo các hệ thống cơ khí Ưu điểm của phương pháp này có thể kể đến như: tất cả các yêu cầu, bộ phận chi tiết máy, các hiện tượng vật lý, các tham biến điều khiển, các cơ sở lý thuyết, v.v… đều được sắp xếp vào các sơ đồ lược giải rõ ràng và tường minh, giúp chúng ta dễ nhận biết và quản lý, thay đổi trong mọi tình huống và bối cảnh sản xuất khác nhau Sơ

đồ cây mục tiêu là một công cụ hỗ trợ thiết kế, khi cần tìm các cơ cấu và nguyên lý làm việc mới cho máy cơ khí Do vậy có thể nói phương pháp này có thể áp dụng

để thiết kế nhiều hệ thống cơ khí phức tạp khác

II.1.2 Thiết kế máy rửa rau

1) Nguyên lý hoạt động của máy rửa rau/củ

Như vậy, trên cơ sở thiết kế ý tưởng đã có, cơ cấu máy rửa rau kiểu mới được hình thành như sau (hình 9)

Hình 9: Cơ cấu máy rửa rau-củ thế hệ mới Nguyên lý làm việc của máy dựa trên 5 cơ chế đồng thời phối hợp để làm sạch rau như sau:

- Chuyển động dập dềnh qua lại của lồng chứa

- Chuyển động xoay của lồng chứa

- Hệ thống vòi phun dạng tia nước áp lực cao có thể tùy chỉnh

- Cơ chế cấp-xả tạo luồng dẫn thoát nước

- Cơ chế chà xát giữa chổi và củ quả

Nguyên lý hoạt động của máy rửa rau thế hệ mới như sau: Đầu tiên ta cho rau vào lồng (6) và đậy nắp để đảm bảo nước không bị bắn ra ngoài Hệ thống vòi (5)

xả nước xuống thật nhanh sao cho nửa khung lồng có rau được ngập trong bể nước (7) Sau đó động cơ (10) sẽ quay Thông qua cơ cấu tay quay con trượt (8) để tạo

chuyển động được truyền qua cơ cấu Cardan (3) để xoay lồng và đảo rau Cấu tạo của (3) cần có các rãnh then hoa vừa cho phép sự trượt tương đối giữa các phần của

cơ cấu Cardan với nhau, vừa có thể truyền mô men xoắn đến trục của lồng, nhờ vậy lồng rau có thể thực hiện đồng thời 2 chuyển động là lắc ngang và xoay tròn Bể chứa nước (7) cố định có khe dẫn hướng cho phép lồng chuyển động lắc ngang Để giảm phản lực động của hệ chuyển động lắc ngang, các lò xo đã được gắn với trục của sống trượt trụ bi Trong quá trình rửa rau thì vòi (5) liên tục phun nước với một lưu lượng vừa đủ bằng với lưu lượng nước được thoát ra ở dưới đáy bể (7) Cơ chế này vừa đảm bảo lượng nước trong bể luôn luôn chỉ ngập nửa lồng, vừa tạo ra một luồng dẫn nước đi xuống để đưa cặn bẩn theo đó thoát ra ngoài, không cho bám ngược trở lại vào rau, đồng thời cặn bẩn luôn có xu hướng được xối nước trôi xuống phía dưới Như vậy, khi rửa rau, cơ chế lắc ngang là chủ đạo, chuyển động xoay lồng chỉ có ý nghĩa đảo đều rau để các lớp rau được tuần tự ngập dưới đáy bể nước Thông qua chuyển động lắc ngang thì cặn bẩn sẽ dễ dàng được rớt ra Sau khi rửa rau xong, chuyển động lắc ngang sẽ dừng lại (động cơ (10) dừng), chỉ để động

cơ (1) hoạt động với tốc độ cao để vắt khô rau trước khi lấy rau ra Để nước thoát ra nhanh và sạch, đáy bể được thiết kế là một bề mặt cong lồi để đảm bảo tất cả đất và sạn sẽ dễ dàng trôi dạt xuống vị trí thấp nhất và thoát ra lỗ xả

Đối với nhiệm vụ rửa củ-quả chỉ cần thay lồng rỗng ở trường hợp rửa rau bằng lồng có gắn sẵn các chổi như trong hình 48 Khi đó, chỉ có chuyển động xoay lồng được thực hiện, hoặc ta có thể cho lắc nhẹ với tần số thấp để hỗ trợ làm bong các mảng đất cát bám trên vỏ củ/quả Nhờ vào sự ma sát của các lông chổi vào lớp vỏ ngoài của củ quả sẽ giúp cọ sạch bùn đất bám trên chúng Hệ thống cấp xả nước liên tục vẫn được duy trì trong nhiệm vụ này như ở trường hợp rửa rau

Hình 10: Lồng có chổi rửa củ

Trên đây là nguyên lý rửa củ kiểu mới được tác giả đề xuất, tuy nhiên trong khuôn khổ đề tài này tác giả tập trung khảo sát, nghiên cứu, thiết kế, tính toán và

mô phỏng cho nhiệm vụ rửa rau

2) Nguyên lý hoạt động cơ cấu tay quay con trượt

Cơ cấu tay quay con trượt là bộ phận quan trọng của máy rửa rau kiểu mới đề

xuất trong luận văn, được phát triển để phù hợp với cơ cấu máy rửa rau:

Hình 11: Cơ cấu tay quay con trượt Nguyên lý hoạt động của cơ cấu tay quay con trượt trong máy rửa rau kiểu mới: Bánh đà (6) được tạo rãnh bên để gắn với bánh đai nối với động cơ, khi bánh đà quay qua thanh truyền (5) nối với trục nối (4) tạo chuyển động qua lại theo phương ngang Hai đầu của trục nối gắn với 2 bệ đỡ (2), trên hai đầu của bệ đỡ có gắn các

bộ sóng trượt trụ để giảm tối đa ma sát giữa sóng trượt và trục của sóng trượt (3) Bên cạnh việc giảm ma sát, bộ 8 lò xo (1) có nhiệm vụ giảm chấn, giảm công suất động cơ và giảm phản lực khớp động của cơ cấu

II.1.3 Tính mới và khoa học của máy rửa rau kiểu mới

- Sự phối hợp đồng thời của 4 cơ chế trong máy là một tính mới quan trọng của đề

dẫn thoát nước Ưu điểm nổi bật của máy rửa rau kiểu mới là không ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe người sử dụng

- Sự phối hợp giữa 2 chuyển động quay và dập dềnh cùng áp lực vòi phun nước một cách linh hoạt, tùy biến (về tốc độ, tần số, độ lớn, v.v…) cho phép chọn những chế độ rửa phù hợp với nhiều loại rau khác nhau là một đặc tính khá độc đáo của máy rửa rau kiểu mới

- Ngoài chức năng làm sạch rau bằng chuyển động lắc ngang và xoay lồng, máy rửa rau kiểu mới còn có chế độ vắt để làm khô rau khi dừng tất cả các cơ chế và chỉ để lại chuyển động quay lồng Đây là điều mà không nhiều loại máy rửa rau khác trên thị trường làm được

- Ứng dụng phương pháp thiết kế theo tham số để tự động hóa quá trình thiết kế và tối ưu cơ cấu máy

- Áp dụng công nghệ biến tần để tiết kiệm tối đa điện năng lên đến 60% [15]

II.2 Tính toán các kết cấu cơ khí trong máy rửa rau kiểu mới

II.2.1 Khối lượng

1) Khối lượng thùng nước

Hình 12 mô tả dạng thùng nước được sử dụng trong cơ cấu máy rửa rau kiểu mới, các tham số chi tiết được liệt kê như sau:

Hình 12: Tham biến thùng nước Trong đó:

a: bán kính trục lớn của elip

Hình 13: Tham biến khung máy Khung máy gồm các thanh có 2 tiết diện chính là S1 và S2

Tổng chiều dài của thanh có tiết diện S1

Hình 14: Tham biến cơ cấu tay quay con trƣợt

 Con trƣợt có khối lƣợng mtq3  const

 Thanh nối có chiều dài 4

Hình 15: Tham biến thanh ti (trục sóng trƣợt)

4 thanh ti lắp sóng trƣợt có chiều dài 2a và diện tích Ss

 2 tấm lắp thanh nối có khối lƣợng m2 const

 2 tấm giữa có tiết diện Sb=const và chiều dài b

 0 

0

5

1 6

chúng ta kiểm soát được sự thay đổi kích thước của các bộ phận khác khi cần thay đổi các tham số kích thước của thùng nước

II.2.2 Động học và động lực học trong cơ cấu tay quay con trượt

Hình 20 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy rửa rau thế hệ mới

1-Cụm cơ cấu tạo chuyển động xoay lồng; 2- Hệ tay quay con trượt – lò xo; 3- Lồng

rau

Cơ cấu tay quay quay con trượt dùng bánh đà quay quanh tâm, liên kết với thanh truyền có thể thay đổi biên độ dao động, con trượt được nối với song trượt

vuông và sóng trượt trụ để hạn chế tối đa ma sát

Như đã phân tích bên trên, chuyển động dập dềnh theo phương ngang đóng vai trò quyết định tới chất lượng rửa của máy, do đó việc phân tích động học và động lực học cơ cấu này là vấn đề quan trọng, đảm bảo cho máy làm việc ổn định, hiệu quả Dựa trên những nghiên cứu đã được chứng minh và kiểm nghiệm [14], ta có

thể áp dụng các phương trình sau:

- Các phản lực tại khớp O:

sin y A ; cos 1 sin

1 5 2

6 10 2

G lần lƣợt

(24)

của con trƣợt B tại thời điểm t bất kỳ Khi

Hình 21: Phản lực khớp động tại O theo phương x

Hình 22: Phản lực khớp động tại O theo phương y

Hình 23: Phản lực khớp động tại A theo phương x

Hình 24: Phản lực khớp động tại A theo phương y

Hình 25: Phản lực khớp động tại B theo phương x

Hình 26: Phản lực khớp động tại B theo phương y

Hình 27: Phản lực con trƣợt N3

Hình 28: Momen M theo thời gian

Hình 29: Công suất P theo thời gian

Hình 30: Vị trí con trƣợt B theo thời gian

Hình 31: Vận tốc con trƣợt B theo thời gian

Hình 32: Gia tốc con trƣợt B theo thời gian

Hình 33: Vận tốc góc khâu AB theo thời gian