Nghiên cứu và phát triển máy gọt dừa tự động để phục vụ xuất khẩu

Nội dung text: Nghiên cứu và phát triển máy gọt dừa tự động để phục vụ xuất khẩu

1. NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÁY GỌT DỪA TỰ ĐỘNG ĐỂ PHỤC VỤ XUẤT KHẨU RESEARCH AND DEVELOPMENT COCONUT PEELING MACHINE AUTOMATICALLY FOR EXPORT Nguyễn Thị Châu 1 và Nguyễn Ngọc Phƣơng 2 1 Học viên cao học khóa 2011-2013, Ngành Kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM 2 Khoa đào tạo chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM TÓM TẮT Dừa xiêm là một sản phẩm đặc thù của các tỉnh miền Tây Nam Bộ đã và đang được sử dụng như một sản phẩm nước giải khát bổ dưỡng cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu. Hiện tại, việc gọt lớp vỏ ngoài và tạo hình dạng côn được thực hiện bằng tay có năng suất thấp, kích thước không đồng nhất và khá nguy hiểm. Các nghiên cứu máy gọt dừa xiêm trên thế giới - chủ yếu ở Thái Lan, Đài Loan - cũng chỉ đạt được các kết quả khá khiêm tốn với các máy bán tự động. Các máy tương ứng chưa được nghiên cứu và chế tạo ở Việt Nam. Đề tài nghiên cứu máy cắt gọt vỏ dừa tự động đã đề xuất được nguyên lý, kết cấu động học và thiết kế chi tiết của máy. Các thông số hình học về dao gọt, chế độ hoạt động (số vòng quay, lực, ) được xác định bằng thực nghiệm trên máy được chế tạo thử nghiệm. Thiết kế chi tiết hệ thống máy có thể đưa vào chế tạo trong thực tiễn, được điều khiển tự động và có thể đạt được năng suất cao, dừa sản phẩm (sau gọt) đạt được các yêu cầu về kích thước và thẩm mỹ. Từ khóa: Dừa xiêm, máy gọt dừa. ABSTRACT Siamese coconut is a specific product for South Mekong Delta, has been used as a nutritious beverage product for the need of the country and export. The product peeled by hand do not give uniform size, aesthetic value and quite dangerous. The study of the Siamese coconut peeling machines in the world – mainly in Thailand, Taiwan only achieved the modest results with semi-automatic machines. Moreover, the kind of machine has not been studied and manufactured in Vietnam yet. The research topic for the fresh coconut peeling automatic machine has proposed the principle, kinetic structure and design of machine’s parts. The geometrical parameters of cutting tool, operating mode (revs, force ) are determined through experimental on the prototype machine. The design of machine’s parts can be manufactured in practice, control automatically and attain high productivity. Coconut products (after being peeled) reach the required size and aesthetics. Keywords: Siamese coconut, coconut peeling machines. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Dừa xiêm là loại cây ăn quả trồng phổ biến nhất ở Việt Nam và mang lại giá trị kinh tế cao. Quả gồm ba phần chính: vỏ; xơ; gáo, cơm và nước (hình 1). Quả dừa gần như có toàn bộ chất dinh dưỡng cần thiết cung cấp cho cơ thể, do đó dừa được dùng làm nguyên liệu để chế biến các món ăn thay thế cho các loại hoa quả. Đặc biệt, nước dừa được xem là loại nước giải khát kỳ diệu bổ sung nhiều khoáng chất cho cơ thể và là bài thuốc chữa bệnh tuyệt vời [4].
2. (iii) (i) Vỏ (ii) Chóp Gáo Thân Cơm Xơ Cuống Nước g Hình 1: (i) Trái dừa nguyên liệu; (ii) Trái dừa sản phẩm, (iii) Mặt cắt của trái dừa sản phẩm Ở Việt Nam, dừa xiêm được trồng nhiều ở Nam Trung Bộ và Nam Bộ ước tính khoảng 200,000 ha [5] , đặc biệt là ở các tỉnh: Bến Tre, Tiền Giang, Trà Vinh, Hậu Giang, Quy trình gọt vỏ và cắt đáy dừa bằng phương pháp thủ công đòi hỏi người lao động cần có tay nghề cao và không đảm bảo được an toàn lao động. Tình trạng thiếu lao động có tay nghề cao và chi phí sản xuất đã tạo ra một nhu cầu cấp thiết để ra đời các máy cắt gọt cơ khí.Với các nỗ lực để đáp ứng các thông số kỹ thuật cũng như khối lượng của sản phẩm dừa sau khi gọt vỏ và cắt đáy thì các máy gọt dừa bán tự động đã được thiết kế. Tuy nhiên, quá trình này không được coi là thành công theo yêu cầu đã đề ra. Do đó việc nguyên cứu và phát triển máy gọt dừa tự động để hoàn thiện quy trình gọt vỏ và cắt đáy là vấn đề cấp thiết nhất hiện nay. Bài báo trình bày các kết quả xử lý số liệu thực nghiệm để xác định các thông số của dao gọt và chế độ hoạt động của máy thông qua máy thử nghiệm được chế tạo. Qua đó trình bày các kết quả nghiên cứu và thiết kế máy gọt dừa tự động để phục vụ xuất khẩu. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu Dừa xiêm xanh và dừa xiêm đỏ là hai giống dừa uống nước phổ biến nhất ở đông bằng sông Cửu Long, ra hoa từ rất sớm sau 2,5 ÷ 3 năm trồng, năng suất bình quân 140÷150 trái/cây/năm, vỏ mỏng, nước có vị ngọt và thanh (7÷7,5 % đường), thể tích nước 250 ÷ 350 ml/trái, khối lượng 1,6 ÷ 1,8 kg [5]. b2 α1 h H 2 h α2 h 1 b1 a1 a2 d1 d D Hình 2: Các thông số của trái dừa (a) Trái dừa nguyên liệu; (b) Trái dừa sản phẩm Trái dừa nguyên liệu: d: đường kính gáo (cm); D: đường kính trái (cm); h: chiều cao gáocm); H: chiều cao trái (cm); a1: khoảng cách từ vỏ đến gáo (phía trái, cm);
3. a2: khoảng cách từ vỏ đến gáo (phía phải, cm); b1: khoảng cách từ cuống đến gáo (cm); b2: khoảng cách từ gáo đến chỏm (cm). Trái dừa sản phẩm: d1: đường kính đáy (cm); d2: đường kính thân (cm); h1: chiều cao thân (cm); h2: chiều cao trái (cm); α1: góc gọt chóp (cm); α2: góc gọt đáy (cm). 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.2.1. Các thông số hình học của dao gọt Hình 3: Các thông số của dao gọtHình 4: Góc đặt dao của dao gọt thân và gọt chóp Kết cấu của dao gọt vỏ dừa giống như dao tiện gỗ [1]. Trong trường hợp này chỉ thay đổi góc cắt β (hình 3) và góc đặt dao: α1 và α2 theo biên dạng của sản phẩm (hình 4). 2.2.2. Xây dựng thiết bị thực nghiệm, thực nghiệm và xử lý số liệu Thiết bị thực nghiệm gồm: cụm định vị, cụm gọt vỏ thân, cụm gọt vỏ chóp và cụm cắt đáy. Công suất của động cơ 0,75. Số vòng quay 300 ÷ 500 v/ph, được điều khiển bằng biến tần. (a) (b) Cụm cắt Cụm đáy định Cụm gọvt ị chóp (c) C Hình 6: Trái dừa (d) Cụm gọt nguyên liệu thân ụm gọt chóp Hình 5: Mô hình thiết bị thí nghiệm CHình 7: Quá trình thực nghiệm gọt vỏ và cắt đáy dừa; (a) định vị ; (b) gọt thân; (c) gọt chóp; (d) cắt đáy Thực nghiệm để xác định các thông số hình học của dao gọt vàụm cácgọt chóptốc đ ộ liên quan để cho quá trình gọt vỏ và cắt đáy đạt hiệu quả cao. Nguyên liệu thực nghiệm là dừa xiêm xanh ở độ tuổi thu hoạch được khảo sát và đo kiểm tại cơ sở dừa Nam Long ở quận Gò Vấp, Tp. HCM. Đường kính D = 15 ± 1.0 cm và chiều cao H = 17 ± 1.0 cm được đo bằng thước cặp. Cân khối lượng 1,7 ± 0,1 kg (hình 6).
4. Tiến hành thực nghiệm trái dừa được cấp bằng tay (cuống dừa ở vị trí phía dưới) lên bàn chông, điều chỉnh vitme cho chụp dừa đi xuống. Động cơ truyền moment xoắn làm cho trái dừa xoay (tốc độ xoay có thể được điều khiển bằng bộ biến tần). Dao định hình gọt vỏ thân và gọt vỏ chóp lần lượt tịnh tiến ngang đi vào để gọt vỏ và sau đó cắt đáy (hình 7). Tiến hành thực nghiệm ứng với 3 mức của hai thông số tốc độ quay của động cơ và góc cắt β của dao. Ứng với mỗi mức được thực hiện 3 lần và mỗi lần thực nghiệm 3 trái dừa nguyên liệu. Bảng 1: Số liệu với góc β =300Bảng 2: Số liệu với góc β =350 Bảng 3: Số liệu với góc β =400 Xử lý số liệu thực nghiệm Để chọn số vòng quay hợp lý ta chọn phương án thực nghiệm yếu tố toàn phần [2], yếu tố ảnh hưởng đến quá trình góc cắt (Z1) và số vòng quay (Z2). Ứng với 3 mức: mức dưới (số
5. vòng quay: 300 v/ph; góc cắt: 300); mức cơ sở (số vòng quay: 400 v/ph; góc cắt: 350); mức trên (số vòng quay: 500 v/ph; góc cắt: 400). Nhận xét: theo [2] với kết quả xử lý ta tính được hệ số xác định 32,5 = 1 − = 0,95 650,68 Với R2 tiến gần tới 1, ta thấy hai yếu tố tốc độ vòng quay và góc cắt ảnhhưởng đến quá trình gọt vỏ và cắt đáy dừa. Ta chọn n = 500 v/ph, góc cắt =400. 2.3. Đề xuất công nghệ gọt vỏ và cắt đáy dừa tự động và trình bày phƣơng án thiết kế Qua nghiên cứu công nghệ để gọt vỏ và cắt đáy dừa được đề xuất gồm 4 công đoạn (hình 8): định vị dừa trên bàn chông, gọt vỏ thân, gọt vỏ chóp, cắt đáy. (1) Khung máy; (2) Bàn máy; (3) Cụm định vị và cắt đáy; (4) Puli dẫn động; (5) Cụm gọt chóp; Hình 8: Quy trình gọt vỏ và cắt (6) Cụm gọt thân; (7) Động cơ điện đáy dừa tự động Hình 9: Máy gọt vỏ và cắt đáy dừa tự động Phƣơng ánụm thigọtế tchóp kế: Với định hướng thiết kế máy gọt vỏ và cắt đáy dừa để phục vụ cho nhu cầu xuất khẩu nên máy được thiết kế theo các yêu cầu sau:ụm g ọNăngt chóp su ất 150 ÷ 180 trái/h; Cấp liệu và lấy sản phẩm bằng tay, Tự động hoàn toàn khâu gọt vỏ và cắt đáy dừa; Đảm bảo an toàn lao động; Cơ cấu được sử dụng cho máy thiết kế bao gồm: cụm định vị, cụm gọt vỏ thân, cụm gọt vỏ chóp, cụm cắt đáy (hình 9).
6. Hình 10: Sơ đồ nguyên lý máy gọt dừa tự động Nguyên lý: Dừa nguyên liệu được cấp bằng tay lên bàn chông ở vị trí làm việc số 1. Piston tịnh tiến đi xuống để định vị dừa trên bàn chông sau đó tịnh tiến đi lên. Mở máy, bàn xoay 1200 trái dừa nguyên liệu được dịch chuyển sang vị trí gọt vỏ thân lúc này dao gọt thân tịnh tiến đi vào và tiến hành quá trình gọt vỏ. Sau khi hoàn thành dao lùi về vị trí ban đầu. Tắt máy và cấp dừa nguyên liệu vào vị trí làm việc số 1. Quá trình định vị dừa trên bàn chông giống như ban đầu. Mở máy, bàn xoay 1200 lúc này trái dừa số 1 được chuyển sang vị trí là việc số 3 để gọt chóp, piston tịnh tiến khung dao đi xuống để gọt chóp, sau khi hoàn thành khung dao tịnh tiến đi lên. Tắt máy, tiếp tục cấp trái dừa số 3 vào vị trí làm việc số 1. Quá trình định vị dừa trên bàn chông thực hiện tương tự như ban đầu. Mở máy, bàn xoay 1200 trái dừa số 1 được di chuyển về vị trí làm việc số 1 và tiến hành cắt đáy dừa. Quá trình cắt đáy được mô tả như sau: cơ cấu xy lanh ở 2 bên tịnh tiến ngang đi vào để kẹp chặt dừa qua cơ cấu tay kẹp. Đồng thời piston khung cơ cấu này tịnh tiến lên một khoảng H, lúc này trái dừa rời khỏi bàn chông. Dao cắt đáy quay và tịnh tiến đi vào để tiến hành cắt đáy. Quy trình cắt gọt dừa hoạt động liên tục theo một khâu kép kín. Sau 20 giây ta thu được sản phẩm dừa xuất khẩu hoàn chỉnh và sau đó cấp dừa nguyên liệu. Cụm định vị: Bộ phận phát động là xy lanh khí nén được gắn trên khung máy đồng tâm với trục của bàn chông và tịnh tiến theo phương thẳng đứng để ép dừa định vị trên bàn chông ( hình 11). Cụm gọt vỏ thân: Xy lanh khí nén tịnh tiến theo phương thẳng đứng để định vị dừa ở vị trí cắt thân đồng thời xy lanh khí nén (1) sẽ thực hiện hành trình tịnh tiến ngang một khoảng S để đẩy dao vào gọt vỏ thân (hình 12). Cụm gọt vỏ chóp: Piston sẽ tịnh tiến đi xuống một khoảng S đẩy khung dao để gọt chóp dừa (hình 13). Cụm cắt đáy: Hai piston bố trí theo phương ngang đi vào kẹp chặt dừa đồng thời piston phía dưới đẩy dừa rơi khỏi bàn chông. Dao đĩa đi vào cắt đáy (hình 14).
7. 1Kh ớp nối 4. Phểu chụp 5. Bàn chông 6. 1. Piston 2. Dao 3. Khung định vị dao Trục . Xy lanh khí nén 2. Tấm đỡ xy lanh 3. 4. Trái dừa 5. Bàn chông 6. Trục bàn chông bàn chông 7. Puli 8. Ổ bi SKF 51204 9. Ổ Hình 12: Cụm gọt vỏ thân bi SKF 61904- 2R51 Hình 11: Cụm định vị dừa ụm gọt chóp ụm gọt chóp 1. Piston 2. Tấm kẹp 3. Trái dừa 4. Dao đĩa 1. Piston 2. Khung lắp dao 3. Dao Hình 14: Cụm cắt đáy 4. Trái dừa 5. Bàn chông 6. Trục bàn chông Hình 13: Cụm gọt vỏ chóp 3. KẾT LUẬN ụm gọt chóp Bài báo đã đề xuất được quy trình công nghệ gọt vỏ dừa tự độngụm gvàọt chóptrình bày nguyên lý thiết kế và thiết kế hoàn chỉnh máy gọt dừa tự động thông qua các số liệu thực nghiệm trên máy chế tạo thực nghiệm. Máy có đặc tính: Năng suất đạt 150 ÷ 180 trái/h; Tự động hóa hoàn toàn khâu gọt vỏ và cắt đáy dừa; Hoạt động theo một chu trình khép kín; Kết cấu máy dễ chế tạo và dễ vận hành.
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Máy và thiết bị gia công gỗ - tập 1: Nguyên lý cắt gọt gỗ và vật liệu gỗ/ Xuân Niên]. [2] PGS.TS. Phùng Hân, Quy hoạch thực nghiệm ứng dụng, NXB Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM. [3] Hệ thống điều khiển tự động khí nén - Nguyễn Ngọc Phương, Nguyễn Trường Thịnh WEBSITE [4] Giá trị dinh dưỡng của dừa [5] Tìm hiểu về cây dừa, http:// www.thuongmai.vn/dua-viet-nam.html Xác nhận Bài báo đạt yêu cầu PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.