GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu và chế tạo máy đóng gói cà phê tự động sử dụng cơ cấu đơn giản, kết hợp công nghệ và kiến thức thực tiễn Máy được thiết kế để đáp ứng nhu cầu thị trường Việt Nam với chi phí sản xuất thấp, dễ sử dụng và hiệu quả.
Chế tạo máy đóng gói tự động đáp ứng nhu cầu trong nước, tạo ra sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam, đồng thời giúp áp dụng kiến thức đã học vào thực tiễn.
4 Tìm hiểu về sản phẩm
Từ “cà phê” trong tiếng Việt xuất phát từ chữ "CAFÉ" trong tiếng Pháp Tương tự như các ngôn ngữ Ấn-Âu khác, "café" có nguồn gốc từ "kahveh" trong tiếng Thổ Nhĩ Kỳ, và "kahveh" lại bắt nguồn từ "Qahwa" trong tiếng Ả Rập.
Trong tiếng Anh, từ Coffee xuất hiện lần đầu tiên từ sớm cho đến giữa những năm
1600, nhưng thể sớm nhất của từ này đến vào khoảng 10 năm cuối của những năm
Caffè, một từ có nguồn gốc từ tiếng Ý, đã được giới thiệu ở châu Âu thông qua người Thổ Nhĩ Kỳ Ottoman Từ này có liên quan đến Kahve, một từ xuất phát từ tiếng Ả Rập.
Qahweh có nguồn gốc từ tiếng Ả Rập với ý nghĩa không rõ ràng; nó có thể liên quan đến vùng Kaffa ở phía Tây Ethiopia, nơi cà phê được trồng, hoặc từ cụm từ Qahwat Al-Būnn', có nghĩa là "rượu của đậu" trong tiếng Ả Rập Tại Eritrea, cà phê cũng có vai trò quan trọng trong văn hóa và đời sống hàng ngày.
"Būnn" (cũng có nghĩa là "rượu của đậu" trong Tigrinya) cũng được dùng Tên
Amharic và Afan Oromo cho cà phê là Bunna
4.2 Lịch sử phát triển cà phê ở Việt Nam
Cà phê lần đầu tiên được giới thiệu tại Việt Nam vào năm 1875, khi giống Arabica được người Pháp mang từ đảo Bourton đến trồng ở miền Bắc, sau đó mở rộng ra các tỉnh miền khác.
Sau khi thu hoạch và chế biến dưới thương hiệu “Arabica du Tonkin”, cà phê từ Quảng Trị, Bố Trạch được xuất khẩu sang Pháp Thực dân Pháp đã thành lập các đồn điền cà phê như Chinê, Xuân Mai, Sơn Tây, nhưng do phương thức canh tác du canh du cư, năng suất cà phê thấp Để cải thiện năng suất, vào năm 1908, Pháp đã du nhập hai giống cà phê mới là cà phê vối (C robusta) và cà phê mít (C mitcharichia), dẫn đến sự ra đời của nhiều đồn điền mới ở phía Bắc.
Cà phê lần đầu tiên được trồng ở Tây Nguyên vào năm 1925, và sau giải phóng, diện tích trồng cà phê trên toàn quốc đã đạt khoảng 20.000 ha nhờ sự hỗ trợ vốn từ quốc tế Đến năm 1980, diện tích trồng cà phê đã tăng lên 23.000 ha với sản lượng xuất khẩu đạt trên 6.000 tấn Kế hoạch phát triển ngành cà phê Việt Nam được xây dựng vào năm 1980 đặt mục tiêu đạt khoảng 180.000 ha và sản lượng 200.000 tấn, tuy nhiên, kế hoạch này đã trải qua nhiều lần sửa đổi.
Năm 2000, diện tích trồng cà phê của Việt Nam đạt khoảng 520 nghìn ha, với tổng sản lượng lên tới 800 nghìn tấn So với năm 1980, diện tích cà phê đã tăng gấp 23 lần và sản lượng tăng gấp 83 lần, vượt xa mọi kế hoạch và dự đoán của các chuyên gia trong nước và quốc tế.
Tính đến nay, sản lượng cà phê của Việt Nam chiếm 8% tổng sản lượng nông nghiệp và 25% giá trị xuất khẩu, đồng thời là nước xuất khẩu cà phê Robusta lớn nhất thế giới Hai tỉnh Đăk Lăk và Gia Lai có diện tích canh tác cà phê lớn nhất, mang lại việc làm ổn định và thu nhập cao cho hàng triệu người Ngành cà phê cũng góp phần quan trọng trong việc ổn định kinh tế xã hội tại những vùng xa xôi, hẻo lánh và dân tộc ít người.
4.3 Cà phê hòa tan là gì?
Cà phê hòa tan, hay còn gọi là cà phê tan, cà phê uống liền hoặc cà phê chiết xuất, là một trong những dạng chính của cà phê Nó bao gồm nhiều loại như cà phê nhân xanh, cà phê hạt rang, cà phê bột, cà phê sữa, cà phê pha (dạng lỏng như cà phê đóng lon) và cà phê cô đặc.
Loại cà phê này ngày càng được ưa chuộng nhờ tính tiện dụng, nhanh chóng của nó, có thể bảo quản được lâu và dễ sử dụng
Cà phê hòa tan là loại cà phê có khả năng tan nhanh trong nước, mang lại sự tiện lợi cho người dùng Quá trình chế biến cà phê hòa tan bao gồm việc chiết xuất và giữ lại các chất tan trong hạt cà phê, trong khi loại bỏ các thành phần không tan và tạp chất.
Cà phê hòa tan, xuất hiện từ những năm 1950, đã nhanh chóng phát triển và trở thành một trong những loại cà phê phổ biến nhất trên toàn cầu Với doanh thu ổn định trên 20 tỷ USD, cà phê hòa tan tương đương với doanh thu của các chuỗi cà phê lớn.
4.4 Các loại cà phê hòa tan
Cà phê hòa tan thương mại hiện nay thường được phân loại theo 2 cách: theo thành phần cà phê và theo phương pháp sấy
- Theo thành phần cà phê , có cà phê hòa tan được làm từ:
phối trộn giữa arabica và robusta theo các tỷ lệ khác nhau
- Theo phương pháp sấy , có:
sấy phun (spray-dried) theo cách truyền thống, cà phê thành phẩm sẽ có dạng bột
sấy cốm (granulated), cà phê thành phẩm có dạng cốm
sấy thăng hoa (freeze-dried), cà phê sẽ được làm khô ở nhiệt độ thấp (freeze) và cà phê thành phẩm sẽ có hình dạng đá bào (broken ice-shaped)
4.5 Công dụng của cà phê hòa tan
Cà phê hòa tan, một loại cà phê uống liền được ưa chuộng, nổi bật với ưu điểm chuẩn bị nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và dễ pha chế Doanh số của loại cà phê này đang tăng trưởng mạnh mẽ, đặc biệt tại các quốc gia mới nổi.
Cà phê hòa tan 3in1 là sự kết hợp hoàn hảo giữa cà phê hòa tan, đường và kem sữa thực vật, mang đến trải nghiệm thưởng thức cà phê tiện lợi và thơm ngon Sản phẩm này không chỉ phổ biến mà còn rất dễ sử dụng, lý tưởng cho những ai yêu thích cà phê nhưng không có nhiều thời gian chuẩn bị.
Một số dòng cà phê Trung Nguyên
Hình 1.2: Một số dòng cà phê hòa tan.
Một số dòng sản phẩm khác
Hình 1.3: Sản phẩm của NESCAFE
Hình 1.4: Sản phẩm của VINACAFE.
Thị trường
Từ 5 năm trở lại đây, thị trường tiêu thụ cà phê hoà tan trong nước có sự tăng bứt phá và được nhiều doanh nghiệp đánh giá rất nhiều tiềm năng Bên cạnh những thương hiệu cà phê hòa tan nổi tiếng trong nước như Trung Nguyên G7, Vinacafe Biên Hoà, Nestlé… thì nay thêm nhiều thương hiệu mới như TNI (King coffee), Ajinomoto (Birdy), PhinDeli và các doanh nghiệp mới tham gia đầu tư vào dòng cà phê hòa tan như Nutifood, Coffee House (công ty này đã mua lại mảng cà phê của Công ty Cầu Đất Farm) Thị trường tiêu thụ cũng tràn ngập chuỗi quán cà phê với nhiều thương hiệu lớn nhỏ là Trung Nguyên, Phúc Long,
Nhu cầu sử dụng cà phê hòa tan tại Việt Nam đang gia tăng nhờ vào dân số trẻ và lối sống bận rộn, ưa chuộng sự tiện lợi Sự gia tăng nhanh chóng của người nước ngoài sinh sống tại các thành phố lớn cũng thúc đẩy xu hướng tiêu thụ cà phê phong cách phương Tây, làm cho thị trường cà phê nội địa, bao gồm cả cà phê rang xay và hòa tan, trở nên hấp dẫn đối với các doanh nghiệp sản xuất và kinh doanh cà phê.
Tại TP Hồ Chí Minh, thị trường cà phê hòa tan đang phát triển mạnh mẽ với đa dạng sản phẩm như cà phê sữa 3in1, cà phê đen hòa tan không đường và cà phê 6in1 Sự bùng nổ của các cửa hàng tiện lợi đã tạo cơ hội cho các sản phẩm cà phê hòa tan được tiêu thụ không chỉ dưới dạng bao gói mà còn pha sẵn, phục vụ cho đối tượng học sinh, sinh viên và giới trẻ văn phòng Điều này đã góp phần mở rộng thị trường cà phê hòa tan tại các thành phố lớn ở Việt Nam.
Việt Nam hiện đang nằm trong TOP 5 quốc gia hàng đầu thế giới về xuất khẩu cà phê hòa tan, chỉ sau Brazil, Indonesia, Malaysia và Ấn Độ Các doanh nghiệp sản xuất cà phê hòa tan chủ yếu tập trung vào thị trường xuất khẩu Chẳng hạn, thương hiệu The Coffee House đã đầu tư vào trồng cà phê với mục tiêu xuất khẩu các sản phẩm cà phê giá trị gia tăng, bao gồm cà phê hòa tan, trong những năm tới.
Theo số liệu từ Euromonitor giai đoạn 2010 - 2015, thị trường cà phê tại Việt Nam chủ yếu được chi phối bởi hai thương hiệu lớn là Vinacafé và Nescafé, với thị phần lần lượt là 37,5% và 38,3% vào năm 2015.
Trung Nguyên mặc dù được tiếng nhưng lại chỉ nắm giữ 5% thị phần
Hình 1.5: Mức độ phổ biến thương hiệu năm 2018
9 Một số dây truyền đóng gói cà phê hòa tan
Hình 1.6: Một số dây truyền đóng gói cà phê.
SƠ ĐỒ CÁC HỆ THỐNG ĐỊNH LƯỢNG VÀ ĐÓNG GÓI
Hệ thống định lượng cà phê hòa tan
1.1 Định lượng bằng hệ thống trục vít
Hệ thống vít tải sử dụng động cơ servo để truyền động, cho phép tính toán chính xác khối lượng vật liệu định lượng trên bộ điều khiển, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu để điều khiển động cơ hiệu quả.
Hình 2.1: Hệ thống định lượng bằng trục vít
1: Giá đỡ ; 2: Ống dẫn hướng nguyên liệu ; 3: Trục vít nạp nguyên liệu ; 4: Phễu chứa bột cà phê ; 5: Bột cà phê ; 6: Khớp nối; 7: Động cơ
Nguyên lý hoạt động của máy đóng gói tự động bắt đầu bằng việc cho nguyên liệu vào phễu có trục vít tải Sau đó, người dùng cài đặt khối lượng nguyên liệu cần đóng gói và nhấn nút khởi động Máy sẽ tự động định lượng và đưa nguyên liệu vào bao bì một cách chính xác và hiệu quả.
Ưu nhược điểm của phương pháp định lượng bằng trục vít: Ưu điểm:
- Độ chính xác cao, đảm bảo bột cà phê không bị bẩn, hao hụt
- Giữ nguyên chất lượng của nguyên liệu
- Phù hợp với nhiều loại nguyên vật liệu
- Bề mặt sử dụng chất liệu inox không gỉ sét
- Diện tích không gian chiếm nhỏ
- Không cần công nhân có trình độ cao
- Bề mặt vít và máng bị mài mòn nhanh
- Năng lượng tiêu hao lớn
- Linh kiện điện tử đắt tiền
- Vệ sinh máy và thiết bị khó khăn
1.2 Định lượng bằng thể tích
Phương pháp này chỉ yêu cầu cho nguyên liệu vào phễu chứa, sau đó các cốc định lượng sẽ quay và đi qua miệng phễu Nguyên liệu sẽ được điền đầy vào các cốc và sau đó được đóng gói.
Hình 2.2: Hệ thống định lượng bằng thể tích
1: Trục quay; 2: Bột cà phê; 3: Phễu chứa liệu
SVTH: Phùng Anh Minh – 1512017 16 Ưu điểm:
- Năng suất đạt được cao
- Giá thành chi phí thấp
- Linh kiện dễ thay thế
- Người vận hành không cần có trình độ cao
- Dễ bị thất thoát nguyên liệu
- Nguyên liêu không được che kín nên dễ bị hút ẩm
- Phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết
1.3 Định lượng bằng hệ thống cân điện tử Đây là phương pháp có độ chính xác cao, hoạt đông theo nguyên lí cảm biến tải loadcell Nguyên liệu được cho vào thùng chứa, sau đó cài đặt thông số trên hệ thống điều khiển (PLC) để định lượng khối lượng theo yêu cầu
Hình 2.3: Hệ thống định lượng bằng loadcell
6: Thiết bị tạo rung Ưu điểm:
- Đạt được độ chính xác cao
- Năng suất cao, sử dụng dễ dàng
- Có thể cân được khối lượng từ nhỏ đến lớn
- Người công nhân đứng máy không cần có trình độ cao
- Giá thành ban đầu cao
- Phụ tùng khi thay thế khó khăn, khó mua
- Tạo tiếng ồn khi hoạt động
2 Hệ thống đóng gói cà phê Đóng gói là một công đoạn rất quang trọng trong dây chuyền sản xuất, nó đảm bảo cho sản phẩm thông hành ra ngoài thị trường, quyết định sự thu hút của người tiêu dùng đối với sản phẩm
Sản phẩm phải được đảm bảo đúng trọng lượng, nguyên liệu trong gói không bị hút ẩm, phù hợp vơi mẫu mã in trên bao bì
2.1 Máy đóng gói bằng ngàm tịnh tiến hàn dọc và hàn ngang
Hình 2.4: Hệ thống đóng gói bằng ngàm tịnh tiến hàn dọc và hàn ngang
2.2 Máy đóng gói đứng ngàm ép dọc quay và ngàm ép ngang tịnh tiến
Hình 2.5: Hệ thống đóng gói bằng ngàm ép dọc quay và éo ngang tịnh tiến.
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Yêu cầu kĩ thuật của máy
Máy cắt cần đảm bảo cắt đúng vị trí các đường vạch trên mép bao (vạch màu trắng nền nâu) bằng cách sử dụng cảm biến nhận diện vị trí cắt Đồng thời, máy cũng phải thực hiện bù trừ các sai số phát sinh từ quá trình chế tạo không chính xác, vị trí in sai vạch, và biến dạng nhiệt của bao bì cũng như máy.
Nhiệt độ cần thiết để hàn bao là khoảng 110 o C
Để đảm bảo chất lượng cà phê và vệ sinh thực phẩm, các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với bao gói và cà phê như con lăn căng bao, bộ phận tạo hình, phễu cấp liệu, trục con lăn ép và các cơ cấu định lượng đều được chế tạo từ inox.
Ngoài các yêu cầu về thẩm mỹ, cấu trúc máy cần hợp lý để đảm bảo người công nhân không bị vướng víu trong quá trình vận hành Việc vận hành máy phải đơn giản, đồng thời dễ dàng cho công tác bảo quản và bảo dưỡng.
2 Các phương án thiết kế
Máy đóng gói hoạt động theo nhịp, sử dụng cơ cấu ly hợp hoặc cơ cấu Man để tạo ra nhịp sản xuất Do làm việc theo nhịp, lực căng của cuộn bao gói liên tục thay đổi, nên cần có cơ cấu điều hòa lực căng để đảm bảo hoạt động chính xác Ưu điểm của thiết kế này là hệ thống điều khiển đơn giản; khi cảm biến quang phát hiện vạch định vị, bộ phận điều khiển sẽ phát lệnh cấp liệu và hàn mà không cần hệ thống bù trừ vi sai, giúp tăng độ chính xác Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là năng suất không cao do có những khoảng thời gian chờ giữa các thao tác do ảnh hưởng của quán tính.
Hình 3.1: Phương án đóng gói theo nhịp
Máy đóng gói hoạt động liên tục là phương án phổ biến nhờ năng suất cao Tuy nhiên, hệ thống này thường gặp sai số ở vị trí cắt gói, chủ yếu do sai số của máy và sai số ngẫu nhiên giữa các vạch trên bao gói, có thể do biến dạng nhiệt hoặc in sai vị trí Để khắc phục, hệ thống cần có cơ cấu bù trừ sai số hoạt động liên tục, giúp duy trì sai số trong phạm vi cho phép Thêm vào đó, việc sử dụng thuật toán điều khiển cũng có thể hỗ trợ trong việc bù sai số này.
Hình 3.2: Phương án đóng gói liên tục
3 Chọn phương án thiết kế Định lượng sản phẩm: ta chọn phương pháp định lượng bằng trục vít Do những đặc điểm phù hợp với yêu cầu đóng gói như năng suất cao, dễ dàng chế tạo và bảo trì, chí phí thấp, dễ điều khiển thay đổi khối lượng bột cần đóng gói Đây là một trong những phương pháp được sử dụng khá phổ biến trong máy đóng gói hiện nay Đóng gói sản phẩm: Để có được sản phẩm như ý muốn cả về mẫu mã lẫn giá thành, với một chi phí hợp lí ta chọn phương án đóng gói kiểu ngàm tịnh tiến hàn dọc và hàn ngang
Máy dùng để định lượng các vật liệu dạng hạt rời, dạng bột với màng bao gói là các loại cuộn màng nhựa như : OPP, PET, PE…
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lí
Nguyên lý hoạt động của máy khởi động bắt đầu khi động cơ ở bộ phận con lăn kéo bao quay, kích hoạt cơ cấu con lăn kéo bao tới và dừng lại một nhịp Đồng thời, động cơ ở trục truyền động quay bánh răng và trục truyền, kích hoạt cơ cấu CAM để thực hiện hàn dọc và hàn cắt ngang Hai cơ cấu hàn này hoạt động đồng thời, đảm bảo quy trình hàn diễn ra hiệu quả.
Phùng Anh Minh – 1512017 23, tại bộ phận định lượng, sẽ đổ bột cà phê từ phễu chứa qua ống dẫn vào bao, đồng thời cơ cấu con lăn kéo bao cũng sẽ hoạt động liên tục.
4 Các cụm thành phần chính của máy Để dễ dàng cho công việc thiết kế và chế tạo theo kiểu module, ta chia máy thành các cụm nhỏ:
4.1 Cụm chứa, dẫn hướng và căng bao
Cụm này bao gồm trục chứa bao, cơ cấu hàm các con lăn căng bao, con lăn dẫn hướng và cảm biến đếm số lượng bao Nó có nhiệm vụ dẫn hướng bao vào vị trí đóng gói, đảm bảo độ căng đúng chuẩn và thực hiện việc đếm số lượng bao chính xác.
Cụm này có tác dụng định lượng bột cà phê và cung cấp nguyên liệu trong quá trình đóng gói
4.3 Cụm con lăn kéo bao
Cụm bao gồm động cơ và hai trục con lăn, giúp kéo bao từ trục chứa qua các bộ phận dẫn hướng, căng bao đến vị trí hàn và đóng gói.
4.4 Cụm hàn mép dọc, hàn mép ngang và cắt
Khi con lăn kéo đến vị trí mép hàn dọc, cụm này bắt đầu chuyển động kép mép bao và hàn dọc theo mép bao Sau khi hoàn tất hàn mép dọc, con lăn kéo tiếp tục di chuyển đến vị trí hàn mép ngang để đóng miệng bao và cắt thành từng bao.
5 Dự kiến kết quả đạt được
- Năng suất máy: 50 sản phẩm/phút
Vấn đề an toàn vệ sinh được đảm bảo nhờ vào việc sử dụng các cơ cấu làm bằng inox, cùng với quy trình định lượng và đóng gói hoàn toàn tự động, không có sự can thiệp của con người.
Ngoài việc đóng gói bột cà phê hòa tan, máy còn có khả năng đóng gói nhiều loại nguyên liệu khác như các loại hạt mà không cần thay thế phụ kiện.
- Áp dụng cho các nhà máy sử dụng đóng gói hàng loạt
- Sản phẩm tạo ra có tính thẩm mĩ cao
- Giá thành sản phẩm được hạ thấp
- Tiết kiệm thời gian hoàn thành sản phẩm, năng suất cao hơn rất nhiều so với đóng gói bằng thủ công
6 Cấu tạo chung của máy đóng gói và định lượng cà phê
Máy được chế tạo từ các vật liệu như thép CT3, C45 và inox 304, những loại thép phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo máy Trong ngành đóng gói thực phẩm, inox 304 được ưu tiên sử dụng để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm Bên cạnh đó, máy còn được trang bị hệ thống điều khiển với nhiều linh kiện điện tử hiện đại.
Các thành phần chính để cho máy cần và đủ để hoạt động được theo phương án đã chọn ở trên:
4 Bộ con lăn ép dọc
Nó hoạt động đồng bộ thông qua hệ thống điều khiển điện tử và truyền động tương đối bằng các bộ truyền bánh răng và bộ truyền xích.
Các cụm thành phần chính của máy
Để dễ dàng cho công việc thiết kế và chế tạo theo kiểu module, ta chia máy thành các cụm nhỏ:
4.1 Cụm chứa, dẫn hướng và căng bao
Cụm này bao gồm trục chứa bao, cơ cấu hàm các con lăn căng bao, con lăn dẫn hướng và cảm biến đếm số lượng bao Nó có chức năng dẫn hướng bao vào vị trí đóng gói, đảm bảo độ căng đạt tiêu chuẩn và thực hiện việc đếm số lượng bao.
Cụm này có tác dụng định lượng bột cà phê và cung cấp nguyên liệu trong quá trình đóng gói
4.3 Cụm con lăn kéo bao
Cụm này bao gồm một động cơ và hai trục con lăn, có chức năng kéo bao từ trục chứa qua các bộ phận dẫn hướng, căng bao đến vị trí hàn và đóng gói.
4.4 Cụm hàn mép dọc, hàn mép ngang và cắt
Khi con lăn kéo đến vị trí mép hàn dọc, cụm này bắt đầu di chuyển để hàn mép bao dọc theo mép bao Sau khi hoàn tất hàn mép dọc, con lăn kéo tiếp tục di chuyển đến vị trí hàn mép ngang, đóng miệng bao và cắt thành từng bao.
Dự kiến kết quả đạt được
- Năng suất máy: 50 sản phẩm/phút
Vấn đề an toàn vệ sinh được đảm bảo nhờ vào các cơ cấu được chế tạo từ inox, giúp loại bỏ sự can thiệp của con người trong quá trình định lượng và đóng gói sản phẩm.
Máy không chỉ đóng gói bột cà phê hòa tan mà còn có khả năng đóng gói nhiều loại nguyên liệu khác như các loại hạt mà không cần thay thế phụ kiện.
- Áp dụng cho các nhà máy sử dụng đóng gói hàng loạt
- Sản phẩm tạo ra có tính thẩm mĩ cao
- Giá thành sản phẩm được hạ thấp
- Tiết kiệm thời gian hoàn thành sản phẩm, năng suất cao hơn rất nhiều so với đóng gói bằng thủ công
6 Cấu tạo chung của máy đóng gói và định lượng cà phê
Máy được cấu tạo từ các vật liệu như thép CT3, C45 và inox 304, là những loại mác thép phổ biến trong ngành cơ khí chế tạo máy Đặc biệt, inox 304 được sử dụng nhiều trong kết cấu của máy để đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, rất quan trọng trong ngành đóng gói thực phẩm Hệ thống điều khiển của máy cũng tích hợp nhiều linh kiện điện tử hiện đại.
Các thành phần chính để cho máy cần và đủ để hoạt động được theo phương án đã chọn ở trên:
4 Bộ con lăn ép dọc
Hệ thống hoạt động đồng bộ thông qua điều khiển điện tử, cho phép truyền động tương đối giữa các bộ phận nhờ vào các bộ truyền bánh răng và bộ truyền xích.
TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN
Thông số của sản phẩm
Bảng 4.1: Thông số yêu cầu của sản phẩm
Nhu cầu Giá trị đặc tính
Kích thước gói Dài x rộng (150x30)
Chất liệu gói PE dạng cuộn
Năng suất máy 50 gói/phút
Vận hành Ổn định, dễ dàng
Bảo trì Dễ dàng sửa chữa, chi tiết thay dễ tìm
Vệ sinh an toàn thực phẩm Phải đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm
Động lực học
Các lực tạo ra tải trọng trong quá trình vận hành máy bao gồm:
- Lực quán tính của bao
- Lực ma sát tại các ổ lăn của : trục đỡ cuộn bao, các trục căng bao,cặp con lăn cán mép dọc
- Trọng lượng của trục căng bao
- Lực ma sát sinh ra giữa phễu cấp liệu và bao
- Trọng lượng của gói cà phê chưa cắt
- Hao phí trên bộ truyền xích
Tính lực quán tính của cuộn bao
Khi máy khởi động, động cơ phải tạo ra lực kéo đủ lớn để vượt qua quán tính của cuộn bao, đây là thời điểm mà tải trọng lên động cơ đạt mức cao nhất.
Khối lượng của cuộn bao đường kính 450 mm là 𝑚 = 5𝐾𝑔
Suy ra trọng lượng của cuộn bao gói khoảng 50𝑁
Trọng lượng của các bộ phận chặn 2 đầu trục đỡ và ống lót là 50𝑁
Vậy tổng trọng lượng cần tải là:
Mô hình tính toán như sau:
Hình 4.1: Phân tích lực tác dụng lên cuộn bao
𝐹 1 : Lực kéo của động cơ tác động lên trục cuốn bao
𝑀 𝑞𝑡 : Moment quán tính của cuộn bao đối với tâm trục quay
𝑚: khối lượng của cuộn bao
Từ phương trình cần bằng moment quanh trục quay ta xác định được 𝐹 1
Trong công thức trên ta a là gia tốc dài của bao, vì thời gian mở máy đối với động cơ công suất nhỏ là rất nhanh nên ta lấy 𝑎 = 0,07𝑚/𝑠 2
Lực ma sát trên các cặp ổ lăn
Các lực này ta không cần tính mà chỉ dựa vào hiệu suất của các cặp ổ lăn để tăng thêm lực kéo của động cơ (𝜂 𝑜𝑙 = 0.99)
Trọng lượng của các trục căng bao
Trọng lượng của trục điều hòa lực căng ta chọn:
Trọng lượng của bao cà phê chưa cắt
Trọng lượng này tương đương với lực kéo của động cơ, giúp giảm tải trọng Tuy nhiên, do nó thay đổi theo chu kỳ (có lúc có, lúc không), nên không được tính vào khi xác định tải trọng.
Hao phí trên bộ truyền xích
Hiệu suất của bộ truyền xích 𝜂 𝑥 = 0.96
Tính toán cụm con lăn kéo bao
Con lăn quay nửa vòng hết 1 gói
Ta có: 0.5𝜋𝐷 𝑐𝑙 = 150 (với 𝐷 𝑐𝑙 là đường kính con lăn)
Ta chọn đường kính con lăn kéo bao: 𝐷 𝑐𝑙 = 96 𝑚𝑚
Năng suất 50 sản phẩm/gói thì chu kì cho 1 sản phẩm của con lăn là 𝑇 𝑐𝑙 = 1.2𝑠 Bao gồm thời gian di chuyển 0.6s và thời gian nghỉ 0.6s
Tỷ số truyền từ động cơ đến con lăn là 10
Tốc độ quay của động cơ là:
Tính toán công suất động cơ:
Lực tác dụng lên động cơ:
Hình 4.2: Lực tác dụng lên con lăn kéo bao
𝐹 𝑛 = 𝐾 × ∆𝑙 = 1.7740 × 21 = 36.5 𝑁 Với thông số lò xo nén cùa hãng Vanel, số hiệu lò xo C.210.200.1000.A
Hình 4.3: Thông số lò xo nén hãng Vanel
𝐹 𝑚𝑠𝑙 = 𝜇 𝑙 × 𝐹 𝑙 = 0.1 × 36.5 × 2 = 7.3 𝑁 Để kéo được con lăn thì: 𝐹 𝑘 = 𝐹 𝑚𝑠𝑙 + 𝐹 𝑐ă𝑛𝑔 = 7.3 + 18.78 = 26.08 𝑁
Công suất của trục chuyền động con lăn:
Công suất của động cơ: Theo tài liệu [1] trang 19:
0.93 2 = 75.74 𝑊 (với 𝜂 = 0.93 : hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ để hở)
Chọn động cơ: Dựa vào các thông số trên ta chọn động cơ cho cụm con lăn theo catalog của hãng ECMA series: E21305 với các thông số:
Hình 4.4: Catalog động cơ hangc ECMA
Hình 4.5: Thông số của động cơ AC Servo.
Tính toán thiết kế cụm định lượng trục vít
Các yếu tố ảnh hưởng:
- Tỷ lệ nước và nguyên liệu (độ ẩm): Nếu độ ẩm quá cao thì nguyên liệu sẽ dính vào thành thiết bị gây ra khó khăn khi định lượng
Năng suất máy ép trục vít: (tài liệu [5]- trang 251)
Q: Năng suất khối lượng vít tải (kg/h)
V: Năng suất thể tích vít tải (𝑚 3 /giờ)
𝛾: Khối lượng riêng của cà phê (𝑘𝑔/𝑚 3 )
D, d: Đường kính ngoài và trong của trục vít (m) n: Số vòng quay trục vít trong 1 phút (vòng/phút)
𝜓: Hệ số điền đầy diện tích tiết diện ngang, chọn 𝜓 = 0.32 (vật liệu nhẹ, ít mài mòn)
𝑐: Hệ số phụ thuộc vào góc nghiêng
Ta chọn góc nghiêng 𝛽 = 10 ° ứng với 𝑐 = 0.8
Khối lượng riêng của bột cà phê: 𝛾 = 800 𝑘𝑔/𝑚 3
Theo tài liệu về máy ép đùn bằng vít, để đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định, tỷ lệ bước vít (t) so với đường kính ngoài (D2) cần duy trì trong khoảng từ 0.4 đến 1.0.
Vì trục vít truyền tải thẳng đứng nên ta chọn 𝐾 = 0.6, khi đó 𝑆 = 0.6𝐷 𝑡𝑏
Chế độ định lượng trong 1 chu kì chuyển động:
Chế độ định lượng Khối lượng (g) Thời gian (s)
Chọn đường kính của vít tải: 𝑑 = 20 𝑚𝑚, 𝐷 = 40 𝑚𝑚
Khi đó đường kính trung bình:
Năng suất định lượng thô:
0.6 = 72000 𝑔/ℎ = 72 𝑘𝑔/ℎ Tốc độ động cơ trong quá trình định lượng thô:
Năng suất định lượng tinh:
0.6 = 24000 𝑔/ℎ = 24 𝑘𝑔/ℎ Tốc độ động cơ trong quá trình định lượng tinh :
Công suất cần thiết của động cơ dùng cho máy đùn bằng vít được xác định theo công thức:
Q: Năng suất vít tải, (kg/s)
L: Chiều dài làm việc của vít tải, (m) g: Gia tốc trọng trường Định lượng tinh:
367 = 5.4 × 10 −5 𝑘𝑊 = 0.54 𝑊 (với 𝜔 hệ số cản trở chuyển động, chọn 𝜔 = 5.5 với vật liệu dạng ngũ cốc)
Mô men xoắn trên trục vít:
Bước xoắn và góc nâng vít 𝛼
Bước xoắn của vít tải:
Với máy thực phẩm năng suất 72kg/h ta chọn 𝐿/𝐷 1 = 10
Bề rộng cánh vít phía trong:
Hình 4.6: Bề rộng cánh vít
Bề rộng phía ngoài cánh vít: 𝑏 1 = 3 𝑚𝑚
𝛽: Góc ma sát giữa nhiên liệu và máng
Bán kính trung bình đặt lực: 𝑟 = (0.3 ÷ 0.4)𝐷 𝑡𝑏 = 0.01 𝑚
- Chọn vật liệu: Bột cà phê có khối lượng riêng 𝛿 𝑐à 𝑝ℎê = 800 (𝑘𝑔/𝑚 3 )
⇒ Khối lượng bột cà phê có thể chứa trong phễu lớn nhất là:
- Mômen quán tính của khối bột (xem khối bột là hình trụ có bán kính là 0.15m)
- Momen cần để khuấy bột:
∆𝑡: thời gian tăng tốc từ 0 – 150 rpm ; ∆𝑡 = 1(𝑠)
- Công suất cần để khuấy bột:
Chọn động cơ
Chọn động cơ định lượng:
Dựa vào công suất của trục vít tinh theo định lượng tinh và định lượng thô:
Ta chọn động cơ với mã sau: SGMAV-04ADA61
Hình 4.7: Động cơ AC servo SGMAV-04ADA61
Hình 4.8: Thông số động cơ AC servo SGMAV-04ADA61
Bảng 4.2: Thông số động cơ AC Servo SGMAV-04ADA61
Mô men xoắn 0.159 Nm Điện áp hoạt động 1 pha 200V
Hiệu suất 98% Độ phân giải encoder 20 bit- incremental
Chọn bộ điều khiển SGD7S- với thông số: SGDV-2R8A01A
Công suất động cơ lớn nhất: 400W Điện áp: Single Phase 100VAC
Hình 4.9: Bộ điều khiển SGD7S
Chọn động cơ trục khuấy:
Chọn động cơ 5IK90A-CW2E của MISUMI
Hình 4.10: Thông số động cơ AC 5IK90A-CW2E Bảng 4.3: Thông số động cơAC 5IK90A-CW2E
Mô men xoắn 0.45 Nm Điện áp hoạt động 1 pha 200V-230V
Tỷ số hộp giảm tốc 9
Tốc độ ra 150 vòng/phút
4.6 Thiết kế biên dạng cam cho cơ cấu hàn và cắt
1 Cam II và cam III
Hình 4.11: Cơ cấu hàn và cắt ngang
Phần tính cam này sử dụng theo tài liệu tham khảo [3]:
Cam II và cam III cho hành trình giống nhau nên có kết cấu giống nhau Chỉ khác là cam III đặt lệch so với cam II 1 góc 180°
Bảng 4.4: Bảng phối hợp chuyển động của máy:
Các giai đoạn chuyển động của cam Đi Xa Về Gần
Tăng chiều cao từ 0 – 50 mm
Giảm chiều cao từ 50mm – 0
Cơ cấu hàn ngang bắt đầu kẹp
Cơ cấu hàn ngang giữ kẹp
Cơ cấu nhả kẹp ra
Cơ cấu giữ ở vị trí nhả ra
Góc tay quay: 0 2𝜋/5 6𝜋/5 8𝜋/5 2𝜋 Thời gian (s): 0 0.24 0.72 0.96 1.2 Độ cao: 0 50 50 0 0
SVTH: Phùng Anh Minh – 1512017 40 Để đảm bảo tính đồng bộ của máy nên quay hết 1 vòng là 1 chu kì vì vậy 𝑇 𝑐𝑎𝑚 = 1.2𝑠 Vận tốc quay của trục cam là:
Chọn đường di chuyển theo góc quay của cần tạo ra chuyển động theo chu kỳ, hay còn gọi là đường cong cycloid Đồ thị chuyển động của cần theo góc quay sẽ thể hiện rõ nét đặc điểm này.
Hình 4.12: Đồ thị chuyển động của cần theo góc quay
Phương trình chuyển động cần trong theo góc quay cam từ 0 − 72° (theo tài liệu [4]):
𝛽 ) Trong đó: 𝜃: là góc quay cam tính bằng rad/s (0 ≤ 𝜃 ≤ 72°)
ℎ = 50𝑚𝑚: khoảng dịch chuyển lên của cần
Phương trình vận tốc cần: (theo tài liệu [4]):
2𝜋/5 (1 − 𝑐𝑜𝑠5𝜃) Vận tốc lớn nhất khi: 𝜃 = 36°
2𝜋/5 = 0.4167 𝑚/𝑠 Vận tốc nhỏ nhất khi 𝜃 = 0° và 𝜃 = 72°
Phương trình gia tốc cần: (theo tài liệu [4]):
2𝜋/5) Gia tốc lớn nhất khi 𝜃 = 18°
Phương trình dịch chuyển của cần phải tuân theo góc quay từ 72° đến 216° và từ 288° đến 360° Trong giai đoạn này, biên độ của cần gần như không thay đổi, dẫn đến vận tốc và gia tốc đều bằng 0.
Phương trình dịch chuyển cần theo góc quay cam từ 180° − 270°
𝛽 ) Trong đó: 𝜃: là góc quay cam tính bằng rad/s (0 ≤ 𝜃 ≤ 90°)
ℎ = 50𝑚𝑚: khoảng dịch chuyển lên của cần
Phương trình vận tốc cần:
Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn biên độ cần thay đổi theo góc quay cam
Vận tốc nhỏ nhất khi 𝜃 = 252°
Vận tốc lớn nhất khi: 𝜃 = 216°, 𝜃 = 288° 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0
Phương trình gia tốc cần:
Gia tốc lớn nhất khi 𝜃 = 202.5°
9 = 3.491 (𝑚/𝑠 2 ) Gia tốc nhỏ nhất khi: 𝜃 = 247.5°
9 = −3.491 (𝑚/𝑠 2 ) Gia tốc 𝑎 = 0 𝑚/𝑠 2 tại 𝜃 = 180°, 𝜃 = 225°, 𝜃 = 270° Đồ thị 1 chu kì: Độ dịch chuyển cần h:
Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ dịch chuyển cần htheo góc quay cam II và cam III trong 1 chu kì
Hình 4.15: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốctheo góc quay cam II và cam III trong
Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn sự thay gia tốc theo góc quay cam II và cam III trong 1 chu kì
- Đường kính con lăn: 𝑑 𝑐𝑙 = 30 𝑚𝑚
Hình 4.17: Biên dạng cam II và cam III
Bảng 4.5: Cơ cấu cam I thiết kế cho cơ cấu hàn mép dọc
Các giai đoạn chuyển động của cam Đi Xa Về Gần
Tăng chiều cao từ 0 – 30 mm
Giảm chiều cao từ 30mm – 0
Cơ cấu hàn dọc bắt đầu kẹp
Cơ cấu hàn dọc giữ kẹp
Cơ cấu nhả kẹp ra
Cơ cấu giữ ở vị trí nhả ra Góc tay quay: 0 2𝜋/5 6𝜋/5 8𝜋/5 2𝜋 Thời gian (s): 0 0.24 0.72 0.96 1.2 Độ cao: 0 30 30 0 0
Tốc độ quay của trục cam là:
Vận tốc góc của cam được tính bằng công thức 𝜔 = 2𝜋/𝑇, với chu kỳ T = 1.2 giây, dẫn đến 𝜔 = 5𝜋/3 (rad/s) Đường di chuyển của cần theo góc quay cam được xác định là đường di chuyển theo chu kỳ, hay còn gọi là đường cong cycloid, từ đó tạo ra đồ thị chuyển động của cần theo góc quay.
Hình 4.18: Đồ thị chuyển động của cần theo góc quay
Phương trình chuyển động cần trong theo góc quay cam từ 0 − 72°:
𝛽 ) Trong đó: 𝜃: là góc quay cam tính bằng rad/s (0 ≤ 𝜃 ≤ 72°)
ℎ = 30𝑚𝑚: khoảng dịch chuyển lên của cần
Phương trình vận tốc cần:
2𝜋/5 (1 − 𝑐𝑜𝑠5𝜃) Vận tốc lớn nhất khi: 𝜃 = 36°
Vận tốc nhỏ nhất khi 𝜃 = 0° và 𝜃 = 72° 𝑣 𝑚𝑖𝑛 = 0 𝑚/𝑠
Phương trình gia tốc cần:
2𝜋/5) Gia tốc lớn nhất khi 𝜃 = 18°
Gia tốc nhỏ nhất khi: 𝜃 = 54°
Phương trình dịch chuyển cần phải tuân theo góc quay của cam trong khoảng từ 72° đến 216° và từ 288° đến 360° Trong giai đoạn này, biên độ của cần gần như không thay đổi, dẫn đến vận tốc và gia tốc đều bằng 0.
Phương trình dịch chuyển cần theo góc quay cam từ 216° − 288°
𝛽 ) Trong đó: 𝜃: là góc quay cam tính bằng rad/s (0 ≤ 𝜃 ≤ 90°)
ℎ = 30𝑚𝑚: khoảng dịch chuyển lên của cần
Phương trình vận tốc cần:
Hình 4.19: Đồ thị biểu diễn biên độ cần thay đổi theo góc quay cam
Vận tốc nhỏ nhất khi 𝜃 = 252°
Vận tốc lớn nhất khi: 𝜃 = 216°, 𝜃 = 288° 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0
Phương trình gia tốc cần:
Gia tốc lớn nhất khi 𝜃 = 270°
24 = 3.272 (𝑚/𝑠 2 ) Gia tốc nhỏ nhất khi: 𝜃 = 234°
24 = −3.272 (𝑚/𝑠 2 ) Gia tốc 𝑎 = 0 𝑚/𝑠 2 tại 𝜃 = 216°, 𝜃 = 252°, 𝜃 = 288° Đồ thị 1 chu kì: Độ dịch chuyển:
Hình 4.20: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ dịch chuyển cần h theo góc quay cam I trong 1 chu kì
Hình 4.21: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận theo góc quay cam I trong 1 chu kì
Hình 4.22: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi gia tốc theo góc quay cam I trong 1 chu kì
- Đường kính con lăn: 𝑑 𝑐𝑙 = 22 𝑚𝑚
4.7 Thiết kế trục truyền động chính
1 Chọn thông số cho lò xo kéo
Chọn lò xo với thông số: T.186.200.1000.A , với các thông số:
- Đường kính ngoài lò xo: 18.6 mm
- Đường kính sợi lò xo: 2 mm
- Chiều dài tự nhiên: 100 mm
- Chiều dài tối đa: 240.5 mm
- Hệ số đàn hồi của lò xo: 0.1036 DaN/mm = 1.036 N/mm
- Lực tác dụng lớn nhất: 16.214 DaN = 162.14 N
Hình 4.24: Thông số lò xo kéo
Trục chịu tác dụng lớn nhất khi lò xo dãn lớn nhất
- Chiều dài ngắn nhất của lò xo: 155 mm
- Chiều dài dài nhất của lò xo: 185 mm
- Lực tác dụng của 1 loxo tại vị trí thấp nhất là: 𝐹 = 𝑘∆𝑙 = 1.036 × 55 = 56.98 𝑁
- Lực tác dụng của loxo tại vị trí dãn cực đại: 𝐹 = 𝑘∆𝑙 𝑚𝑎𝑥 = 1.036 × 85 = 88.06𝑁 Tổng lực của 2 lò xo: 𝐹 𝑚𝑖𝑛 = 56.98 × 2 = 113.96 𝑁
Cụm con lăn kéo bao:
Ta chọn lò xo số hiệu: T.200.220.1600.A , với các thông số:
- Đường kính ngoài lò xo: 20 mm
- Đường kính sợi lò xo: 2.2 mm
- Chiều dài tự nhiên: 160 mm
- Chiều dài tối đa: 398.3 mm
- Hệ số đàn hồi của lò xo: 0.0735 DaN/mm = 0.735 N/mm
- Lực tác dụng lớn nhất: 19.565 DaN = 195.65 N
Hình 4.25: Thông số lò xo cụm con lăn kéo bao
Trục chịu tác dụng lớn nhất khi lò xo dãn lớn nhất
- Chiều dài ngắn nhất của lò xo: 207 mm
- Chiều dài dài nhất của lò xo: 307 mm
- Lực tác dụng của 1 loxo tại vị trí thấp nhất là: 𝐹 = 𝑘∆𝑙 = 0.735 × 47 = 34.55 𝑁
- Lực tác dụng loxo ở vị trí dãn cực đại: 𝐹 = 𝑘∆𝑙 𝑚𝑎𝑥 = 0.735 × 147 = 108.05𝑁
Tổng lực của 2 lò xo: 𝐹 𝑚𝑖𝑛 = 34.55 × 2 = 69.10 𝑁
2 Tính toán lực tác dụng lên trục
Tính lực uốn lớn nhất
Trục chịu moment uốn lớn nhất khi 𝐹 𝐶 = 𝐹 𝐵 = 216.10 𝑁 , 𝐹 𝐸 = 176.12 𝑁
Hình 4.26: Lực tác dụng lên trục
Moment xoắn lớn nhất trong bánh cam II và III:
Hình 4.27: Lực tác dụng lên bánh cam II và III Phương trình lực 𝐹⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ : 𝑙𝑜𝑥𝑜
Lực tác dụng lên con lăn lúc đi xa: (0 ≤ 𝜙 ≤ 2𝜋/5)
Phương biên dạng con lăn theo tọa độ cực:
Ta có hệ số góc của phương trình tiếp tuyến 𝑓(𝜙) là:
2𝜋[5𝜙 − sin(5𝜙)]} × sin(𝜙) Mặt khác ta có:
Moment xoắn tại vị trí đó là:
2𝜋[5𝜙 − sin(5𝜙)]} × sin(𝜙) Theo đồ thị 𝑇 𝑚𝑎𝑥 = 17212.2 𝑁𝑚𝑚
Góc quay 𝜙Biểu đồ thay đổi của moment theo góc 𝜙
Moment xoắn lớn nhất trong bánh cam I:
Lực tác dụng lên con lăn lúc đi xa: (0 ≤ 𝜙 ≤ 2𝜋/5)
Phương biên dạng con lăn theo tọa độ cực:
Ta có hệ số góc của phương trình tiếp tuyến 𝑓(𝜙) là:
2𝜋[5𝜙 − sin(5𝜙)]} × sin(𝜙) Mặt khác ta có:
Moment xoắn tại vị trí đó là:
2𝜋[5𝜙 − sin(5𝜙)]} × sin(𝜙) Theo đồ thị 𝑇 𝑚𝑎𝑥 = 12591.23 𝑁𝑚𝑚
Biểu đồ nội lực trên trục:
Góc quay 𝜙Biểu đồ thay đổi của moment theo góc 𝜙
Hình 4.28: Biểu đồ nội lực trên trục
Đường kính đoạn trục tại tiết diện nguy hiểm:
Theo bảng 10.5/195 tài liệu [1] với 𝑑 1 = 25 𝑚𝑚 ⟹ [𝜎] = 65 𝑀𝑃𝑎
Ta chọn đường kính chung của trục là 𝑑 = 30 𝑚𝑚
3 Tính toán kiểm nghiệm độ bền trục
[s] hệ số an toàn cho phép Thông thường [s] = 1,5 … 2,5 (khi tăng độ cứng: [s] 2,5 … 3, như vậy không cần kiểm nghiệm về độ cứng trục)
𝑠 𝜎 ,𝑠 𝜏 ∶ hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp, ứng suất tiếp
𝜎 −1 , 𝜏 −1 : giới hạn mỏi của vật liệu tính theo công thức
𝜎 −1 = (0.4 ÷ 0.5)𝜎 𝑏 = 300 𝑀𝑃𝑎 ; 𝜏 −1 = (0.22 ÷ 0.25)𝜎 𝑏 = 150 𝑀𝑃𝑎 Với 𝜎 𝑏 = 600 𝑀𝑃𝑎 ∶ giới hạn bền của vật liệu với thép 45 thường hóa
𝐾 𝜎 = 1.75, 𝐾 𝜏 = 1.5 ∶ hệ số xét đến sự ảnh hưởng của sự tập trung ứng suất đến độ bền mỏi (bảng 10.8 tài liêu [3])
𝜎 𝑎 , 𝜎 𝑚 , 𝜏 𝑎 , 𝜏 𝑚 : biên độ và giá trị trung bình của ứng suất
Trong hộp giảm tốc, tất cả các trục đều quay, dẫn đến ứng suất uốn thay đổi theo chu kỳ đối xứng Công thức tính ứng suất uốn là 𝜎 𝑚 = 0 và 𝜎 𝑎 = 𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 𝑀/𝑊, trong đó W đại diện cho moment cản uốn và M là moment uốn tổng.
Do trục quay 1 chiều nên ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì mạch động
𝜏 𝑚 = 𝜏 𝑎 = 𝜏 𝑚𝑎𝑥 /2 = 𝑇/2𝑊 0 với 𝑊 0 là moment cản xoắn, T là moment xoắn
𝜓 𝜎 = 0.05, 𝜓 𝜏 = 0 : hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến độ bền mỏi của vật liệu – cacbon mềm (trang 359 tài liệu [3])
𝜀 𝜎 , 𝜀 𝜏 : hệ số kích thước, (bảng 10.3 tài liệu [3])
𝛽 = 1 ∶ không tang bền bề mặt, (bảng 10.4 tài liệu [3])
Để đảm bảo trục không bị biến dạng hoặc gãy do quá tải đột ngột, cần kiểm nghiệm độ bền tĩnh của trục.
Công thức thực nghiệm có dạng: 𝜎 𝑡𝑑 = √𝜎 2 + 3𝜏 2 ≤ [𝜎]
Bảng kết quả tính toán:
Chọn hộp giảm tốc theo thông số sau: MAOKP50R20
Bảng 4.6: Thông số động cơ hộp giảm tốc MAOKP50R20
Dãy công suất 0.37 kW đến 156.8 kW
Moment đầu trục 8.9 đến 7487.5 Nm
Kiểu trục đầu ra Cốt âm
Chọn thông số động cơ: IEC80CB14
Bảng 4.7: Thông số động cơ IEC80CB14
Moment xoắn 6.5 Nm Điện áp hoạt động 3 pha 400V
Hình 4.30: Động cơ IEC80CB14
Chọn biến tần hoạt động:
Chọn biến tần Delta VFD-EL
Tính năng biến tần Delta VFD-EL
- Tần số ngõ ra 0,1~600 Hz
- Điều chỉnh đường cong V/F 3 điểm
- Tích hợp điều khiển vòng kín có phản hồi PID
- Tích hợp bộ lọc nhiễu EMI Filter ( cho cả model 1 pha và 3 pha 380 vac)
- Hỗ trợ truyền thông RS 485 ( RJ-45 ) với giao thức Modbus
- Có thể lựa chọn thêm các module truyền thông đáp ứng đa dạng các giao thức như Profibus, DeviceNet, LonWorks and CANopen
- Đầy đủ các chức năng bảo vệ quá tải, quá dòng, quá áp, thấp áp Ứng dụng biến tần Delta VFD-EL
Biến tần Delta VFD-EL là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng công suất nhỏ từ 0.2 kW đến 3.7 kW, bao gồm bơm quạt, máy thổi khí, băng truyền và máy móc trong ngành chế biến thực phẩm Đặc biệt, VFD-EL rất phù hợp cho các hệ thống bơm điều áp nhỏ, mang lại hiệu suất tối ưu và tiết kiệm năng lượng.
Hình 4.31: Biến tần Delta VFD-EL
Ta dùng phương pháp hàn điện trở
Phương pháp này dựa trên định luật Joule-Lence, cho rằng khi dòng điện chạy qua một dây dẫn có điện trở R, sẽ sinh ra nhiệt lượng Q Nhiệt lượng này được tính theo công thức cụ thể.
R : Điện trở qua dây dẫn, [Ω]
I : Cường độ dòng điện đi qua dây dẫn, [𝐴] t : Thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, [s]
Hình 4.32: Bộ phận gia nhiệt
1 Phần cán mỏ hàn; 2 Dây điện trở hàn; 3 Dây dẫn điện
Yêu cầu dây dẫn làm điện trở
Dây dẫn làm điện trở là 1 bộ phận phát nhiệt làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, do đó phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa ở nhiệt độ cao
- Có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao, có thể tự bền vững dưới tải trọng của dây
- Điện trở suất phải lớn: tạo cho dây điện trở có cấu trúc gọn khi cùng đáp ứng một công suất yêu cầu
Hệ số nhiệt điện trở của các vật liệu chế tạo dây điện trở thường nhỏ và dương, nghĩa là khi nhiệt độ tăng, điện trở cũng sẽ tăng theo.
Các kích thước cần phải được duy trì ổn định để đảm bảo tính chắc chắn trong cấu tạo và lắp ráp Một số vật liệu có xu hướng chảy ra, gây khó khăn trong quá trình lắp ráp Do đó, cần phải chừa chỗ dự phòng cho sự giãn dài của dây, nếu không sẽ không đạt yêu cầu về độ an toàn và ổn định.
- Các tính chất điện phải ổn định hoặc ít thay đổi
Các vật liệu thỏa mãn tốt nhất các yêu cầu trên bao gồm: Crôm – Niken; Crôm – Nhôm; Crôm – Nhôm– Sắt; Cacbuarun (SiC)
Nguồn điện cấp vào 2 đầu dây điện trở là: Nguồn DC-24V công suất P`0W
Dây dẫn tròn của hãng Heinz Stegmeier HS Heizelemente Gmbh
Số hiệu HS/N có thông số như sau: Truyền nhiệt qua thanh vật liệu đốt nóng gián tiếp (thép crom)
Dòng điện chạy qua thanh điện trở theo định luật Ohm:
1 = 24 𝐴 Nhiệt lượng tỏa ra của thanh điện trở nhiệt là:
𝑄 = 𝑅 × 𝐼 2 = 576 𝑊 Nhiệt độ trên bề mặt dây điện trở:
là hệ số tỏa nhiệt của dây điện trở
Nhiệt lượng cần truyền cho 0,15m chiều dài để nung nóng gián tiếp nóng lên 110 0 C là:
𝜆 1 = 16 𝑊/(𝑚 ℃): hệ số dẫn nhiệt của thép crom không rỉ chống axit
𝑑 2 = 9𝑚𝑚 : đường kính vật liệu nung gián tiếp
𝑡 𝑤2 = 110℃ : nhiệt độ trên bề mặt thanh kim loại đốt nóng gián tiếp (thép crom)
Bỏ qua nhiệt lượng tiêu hao do đối lưu và bức xạ nhiệt, có thể điều chỉnh nhiệt độ trên bề mặt thanh kim loại nung gián tiếp bằng cách sử dụng cảm biến nhiệt độ và bộ điều khiển nhiệt để tăng hoặc giảm nhiệt độ một cách hiệu quả.
Nhiệt lượng cần cung cấp cho bao PE để đạt nhiệt độ từ 30-110 0 C là:
Các thông số của bao PE:
- Chiều dài cần dán: 68mm
- Chiều dày 2 lớp bao: 0,6mm
- Bề rộng mối hàn: S = 5mm
- Nhiêt dung riêng: c=2KJ/kg.do
Nhiệt lượng cần truyền cho bao sau khoảng thời gian bằng biến thiên nội năng trong suốt thời gian gia nhiệt:
= 0.04 𝑘𝐽 = 40𝐽 = 40 𝑊 𝑠 Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt ta có:
𝑄 2 × 𝑡 = 𝑄 3 Thời gian nung nóng bao để mang bao lên nhiệt độ là 110 0 C là:
Cam II và cam III
Hình 4.11: Cơ cấu hàn và cắt ngang
Phần tính cam này sử dụng theo tài liệu tham khảo [3]:
Cam II và cam III cho hành trình giống nhau nên có kết cấu giống nhau Chỉ khác là cam III đặt lệch so với cam II 1 góc 180°
Bảng 4.4: Bảng phối hợp chuyển động của máy:
Các giai đoạn chuyển động của cam Đi Xa Về Gần
Tăng chiều cao từ 0 – 50 mm
Giảm chiều cao từ 50mm – 0
Cơ cấu hàn ngang bắt đầu kẹp
Cơ cấu hàn ngang giữ kẹp
Cơ cấu nhả kẹp ra
Cơ cấu giữ ở vị trí nhả ra
Góc tay quay: 0 2𝜋/5 6𝜋/5 8𝜋/5 2𝜋 Thời gian (s): 0 0.24 0.72 0.96 1.2 Độ cao: 0 50 50 0 0
SVTH: Phùng Anh Minh – 1512017 40 Để đảm bảo tính đồng bộ của máy nên quay hết 1 vòng là 1 chu kì vì vậy 𝑇 𝑐𝑎𝑚 = 1.2𝑠 Vận tốc quay của trục cam là:
Chọn đường di chuyển dựa trên góc quay của cần sẽ tạo ra chuyển động theo chu kỳ, được gọi là đường cong chuyển động cycloid Đồ thị chuyển động của cần theo góc quay thể hiện rõ sự biến đổi của chuyển động này.
Hình 4.12: Đồ thị chuyển động của cần theo góc quay
Phương trình chuyển động cần trong theo góc quay cam từ 0 − 72° (theo tài liệu [4]):
𝛽 ) Trong đó: 𝜃: là góc quay cam tính bằng rad/s (0 ≤ 𝜃 ≤ 72°)
ℎ = 50𝑚𝑚: khoảng dịch chuyển lên của cần
Phương trình vận tốc cần: (theo tài liệu [4]):
2𝜋/5 (1 − 𝑐𝑜𝑠5𝜃) Vận tốc lớn nhất khi: 𝜃 = 36°
2𝜋/5 = 0.4167 𝑚/𝑠 Vận tốc nhỏ nhất khi 𝜃 = 0° và 𝜃 = 72°
Phương trình gia tốc cần: (theo tài liệu [4]):
2𝜋/5) Gia tốc lớn nhất khi 𝜃 = 18°
Phương trình dịch chuyển của cần phải tuân theo góc quay cam từ 72° đến 216° và từ 288° đến 360° Trong giai đoạn này, biên độ của cần gần như không thay đổi, dẫn đến vận tốc và gia tốc đều bằng 0.
Phương trình dịch chuyển cần theo góc quay cam từ 180° − 270°
𝛽 ) Trong đó: 𝜃: là góc quay cam tính bằng rad/s (0 ≤ 𝜃 ≤ 90°)
ℎ = 50𝑚𝑚: khoảng dịch chuyển lên của cần
Phương trình vận tốc cần:
Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn biên độ cần thay đổi theo góc quay cam
Vận tốc nhỏ nhất khi 𝜃 = 252°
Vận tốc lớn nhất khi: 𝜃 = 216°, 𝜃 = 288° 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0
Phương trình gia tốc cần:
Gia tốc lớn nhất khi 𝜃 = 202.5°
9 = 3.491 (𝑚/𝑠 2 ) Gia tốc nhỏ nhất khi: 𝜃 = 247.5°
9 = −3.491 (𝑚/𝑠 2 ) Gia tốc 𝑎 = 0 𝑚/𝑠 2 tại 𝜃 = 180°, 𝜃 = 225°, 𝜃 = 270° Đồ thị 1 chu kì: Độ dịch chuyển cần h:
Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ dịch chuyển cần htheo góc quay cam II và cam III trong 1 chu kì
Hình 4.15: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận tốctheo góc quay cam II và cam III trong
Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn sự thay gia tốc theo góc quay cam II và cam III trong 1 chu kì
- Đường kính con lăn: 𝑑 𝑐𝑙 = 30 𝑚𝑚
Hình 4.17: Biên dạng cam II và cam III.
Cam I
Bảng 4.5: Cơ cấu cam I thiết kế cho cơ cấu hàn mép dọc
Các giai đoạn chuyển động của cam Đi Xa Về Gần
Tăng chiều cao từ 0 – 30 mm
Giảm chiều cao từ 30mm – 0
Cơ cấu hàn dọc bắt đầu kẹp
Cơ cấu hàn dọc giữ kẹp
Cơ cấu nhả kẹp ra
Cơ cấu giữ ở vị trí nhả ra Góc tay quay: 0 2𝜋/5 6𝜋/5 8𝜋/5 2𝜋 Thời gian (s): 0 0.24 0.72 0.96 1.2 Độ cao: 0 30 30 0 0
Tốc độ quay của trục cam là:
Vận tốc góc của cần được tính bằng công thức 𝜔 = 2𝜋/𝑇, với chu kỳ T = 1.2 giây, cho kết quả 𝜔 = 5𝜋/3 (rad/s) Đường di chuyển của cần theo góc quay cam được xác định là đường di chuyển theo chu kỳ, hay còn gọi là đường cong cycloid Điều này dẫn đến việc hình thành đồ thị chuyển động của cần theo góc quay.
Hình 4.18: Đồ thị chuyển động của cần theo góc quay
Phương trình chuyển động cần trong theo góc quay cam từ 0 − 72°:
𝛽 ) Trong đó: 𝜃: là góc quay cam tính bằng rad/s (0 ≤ 𝜃 ≤ 72°)
ℎ = 30𝑚𝑚: khoảng dịch chuyển lên của cần
Phương trình vận tốc cần:
2𝜋/5 (1 − 𝑐𝑜𝑠5𝜃) Vận tốc lớn nhất khi: 𝜃 = 36°
Vận tốc nhỏ nhất khi 𝜃 = 0° và 𝜃 = 72° 𝑣 𝑚𝑖𝑛 = 0 𝑚/𝑠
Phương trình gia tốc cần:
2𝜋/5) Gia tốc lớn nhất khi 𝜃 = 18°
Gia tốc nhỏ nhất khi: 𝜃 = 54°
Phương trình dịch chuyển của cần phải tuân theo góc quay cam từ 72° đến 216° và từ 288° đến 360° Trong giai đoạn này, biên độ của cần gần như không thay đổi, dẫn đến vận tốc và gia tốc đều bằng 0.
Phương trình dịch chuyển cần theo góc quay cam từ 216° − 288°
𝛽 ) Trong đó: 𝜃: là góc quay cam tính bằng rad/s (0 ≤ 𝜃 ≤ 90°)
ℎ = 30𝑚𝑚: khoảng dịch chuyển lên của cần
Phương trình vận tốc cần:
Hình 4.19: Đồ thị biểu diễn biên độ cần thay đổi theo góc quay cam
Vận tốc nhỏ nhất khi 𝜃 = 252°
Vận tốc lớn nhất khi: 𝜃 = 216°, 𝜃 = 288° 𝑣 𝑚𝑎𝑥 = 0
Phương trình gia tốc cần:
Gia tốc lớn nhất khi 𝜃 = 270°
24 = 3.272 (𝑚/𝑠 2 ) Gia tốc nhỏ nhất khi: 𝜃 = 234°
24 = −3.272 (𝑚/𝑠 2 ) Gia tốc 𝑎 = 0 𝑚/𝑠 2 tại 𝜃 = 216°, 𝜃 = 252°, 𝜃 = 288° Đồ thị 1 chu kì: Độ dịch chuyển:
Hình 4.20: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ dịch chuyển cần h theo góc quay cam I trong 1 chu kì
Hình 4.21: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vận theo góc quay cam I trong 1 chu kì
Hình 4.22: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi gia tốc theo góc quay cam I trong 1 chu kì
- Đường kính con lăn: 𝑑 𝑐𝑙 = 22 𝑚𝑚
4.7 Thiết kế trục truyền động chính
1 Chọn thông số cho lò xo kéo
Chọn lò xo với thông số: T.186.200.1000.A , với các thông số:
- Đường kính ngoài lò xo: 18.6 mm
- Đường kính sợi lò xo: 2 mm
- Chiều dài tự nhiên: 100 mm
- Chiều dài tối đa: 240.5 mm
- Hệ số đàn hồi của lò xo: 0.1036 DaN/mm = 1.036 N/mm
- Lực tác dụng lớn nhất: 16.214 DaN = 162.14 N
Hình 4.24: Thông số lò xo kéo
Trục chịu tác dụng lớn nhất khi lò xo dãn lớn nhất
- Chiều dài ngắn nhất của lò xo: 155 mm
- Chiều dài dài nhất của lò xo: 185 mm
- Lực tác dụng của 1 loxo tại vị trí thấp nhất là: 𝐹 = 𝑘∆𝑙 = 1.036 × 55 = 56.98 𝑁
- Lực tác dụng của loxo tại vị trí dãn cực đại: 𝐹 = 𝑘∆𝑙 𝑚𝑎𝑥 = 1.036 × 85 = 88.06𝑁 Tổng lực của 2 lò xo: 𝐹 𝑚𝑖𝑛 = 56.98 × 2 = 113.96 𝑁
Cụm con lăn kéo bao:
Ta chọn lò xo số hiệu: T.200.220.1600.A , với các thông số:
- Đường kính ngoài lò xo: 20 mm
- Đường kính sợi lò xo: 2.2 mm
- Chiều dài tự nhiên: 160 mm
- Chiều dài tối đa: 398.3 mm
- Hệ số đàn hồi của lò xo: 0.0735 DaN/mm = 0.735 N/mm
- Lực tác dụng lớn nhất: 19.565 DaN = 195.65 N
Hình 4.25: Thông số lò xo cụm con lăn kéo bao
Trục chịu tác dụng lớn nhất khi lò xo dãn lớn nhất
- Chiều dài ngắn nhất của lò xo: 207 mm
- Chiều dài dài nhất của lò xo: 307 mm
- Lực tác dụng của 1 loxo tại vị trí thấp nhất là: 𝐹 = 𝑘∆𝑙 = 0.735 × 47 = 34.55 𝑁
- Lực tác dụng loxo ở vị trí dãn cực đại: 𝐹 = 𝑘∆𝑙 𝑚𝑎𝑥 = 0.735 × 147 = 108.05𝑁
Tổng lực của 2 lò xo: 𝐹 𝑚𝑖𝑛 = 34.55 × 2 = 69.10 𝑁
2 Tính toán lực tác dụng lên trục
Tính lực uốn lớn nhất
Trục chịu moment uốn lớn nhất khi 𝐹 𝐶 = 𝐹 𝐵 = 216.10 𝑁 , 𝐹 𝐸 = 176.12 𝑁
Hình 4.26: Lực tác dụng lên trục
Moment xoắn lớn nhất trong bánh cam II và III:
Hình 4.27: Lực tác dụng lên bánh cam II và III Phương trình lực 𝐹⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ : 𝑙𝑜𝑥𝑜
Lực tác dụng lên con lăn lúc đi xa: (0 ≤ 𝜙 ≤ 2𝜋/5)
Phương biên dạng con lăn theo tọa độ cực:
Ta có hệ số góc của phương trình tiếp tuyến 𝑓(𝜙) là:
2𝜋[5𝜙 − sin(5𝜙)]} × sin(𝜙) Mặt khác ta có:
Moment xoắn tại vị trí đó là:
2𝜋[5𝜙 − sin(5𝜙)]} × sin(𝜙) Theo đồ thị 𝑇 𝑚𝑎𝑥 = 17212.2 𝑁𝑚𝑚
Góc quay 𝜙Biểu đồ thay đổi của moment theo góc 𝜙
Moment xoắn lớn nhất trong bánh cam I:
Lực tác dụng lên con lăn lúc đi xa: (0 ≤ 𝜙 ≤ 2𝜋/5)
Phương biên dạng con lăn theo tọa độ cực:
Ta có hệ số góc của phương trình tiếp tuyến 𝑓(𝜙) là:
2𝜋[5𝜙 − sin(5𝜙)]} × sin(𝜙) Mặt khác ta có:
Moment xoắn tại vị trí đó là:
2𝜋[5𝜙 − sin(5𝜙)]} × sin(𝜙) Theo đồ thị 𝑇 𝑚𝑎𝑥 = 12591.23 𝑁𝑚𝑚
Biểu đồ nội lực trên trục:
Góc quay 𝜙Biểu đồ thay đổi của moment theo góc 𝜙
Hình 4.28: Biểu đồ nội lực trên trục
Đường kính đoạn trục tại tiết diện nguy hiểm:
Theo bảng 10.5/195 tài liệu [1] với 𝑑 1 = 25 𝑚𝑚 ⟹ [𝜎] = 65 𝑀𝑃𝑎
Ta chọn đường kính chung của trục là 𝑑 = 30 𝑚𝑚
3 Tính toán kiểm nghiệm độ bền trục
[s] hệ số an toàn cho phép Thông thường [s] = 1,5 … 2,5 (khi tăng độ cứng: [s] 2,5 … 3, như vậy không cần kiểm nghiệm về độ cứng trục)
𝑠 𝜎 ,𝑠 𝜏 ∶ hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp, ứng suất tiếp
𝜎 −1 , 𝜏 −1 : giới hạn mỏi của vật liệu tính theo công thức
𝜎 −1 = (0.4 ÷ 0.5)𝜎 𝑏 = 300 𝑀𝑃𝑎 ; 𝜏 −1 = (0.22 ÷ 0.25)𝜎 𝑏 = 150 𝑀𝑃𝑎 Với 𝜎 𝑏 = 600 𝑀𝑃𝑎 ∶ giới hạn bền của vật liệu với thép 45 thường hóa
𝐾 𝜎 = 1.75, 𝐾 𝜏 = 1.5 ∶ hệ số xét đến sự ảnh hưởng của sự tập trung ứng suất đến độ bền mỏi (bảng 10.8 tài liêu [3])
𝜎 𝑎 , 𝜎 𝑚 , 𝜏 𝑎 , 𝜏 𝑚 : biên độ và giá trị trung bình của ứng suất
Trong hộp giảm tốc, tất cả các trục đều quay, dẫn đến ứng suất uốn thay đổi theo chu kỳ đối xứng Ứng suất trung bình được xác định là 𝜎 𝑚 = 0, trong khi ứng suất thay đổi 𝜎 𝑎 đạt giá trị tối đa 𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 𝑀/𝑊, với W là moment cản uốn và M là moment uốn tổng.
Do trục quay 1 chiều nên ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì mạch động
𝜏 𝑚 = 𝜏 𝑎 = 𝜏 𝑚𝑎𝑥 /2 = 𝑇/2𝑊 0 với 𝑊 0 là moment cản xoắn, T là moment xoắn
𝜓 𝜎 = 0.05, 𝜓 𝜏 = 0 : hệ số xét đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến độ bền mỏi của vật liệu – cacbon mềm (trang 359 tài liệu [3])
𝜀 𝜎 , 𝜀 𝜏 : hệ số kích thước, (bảng 10.3 tài liệu [3])
𝛽 = 1 ∶ không tang bền bề mặt, (bảng 10.4 tài liệu [3])
Để đảm bảo trục không bị biến dạng hoặc gãy do quá tải đột ngột, việc kiểm nghiệm độ bền tĩnh của trục là rất cần thiết.
Công thức thực nghiệm có dạng: 𝜎 𝑡𝑑 = √𝜎 2 + 3𝜏 2 ≤ [𝜎]
Bảng kết quả tính toán:
Chọn hộp giảm tốc theo thông số sau: MAOKP50R20
Bảng 4.6: Thông số động cơ hộp giảm tốc MAOKP50R20
Dãy công suất 0.37 kW đến 156.8 kW
Moment đầu trục 8.9 đến 7487.5 Nm
Kiểu trục đầu ra Cốt âm
Chọn thông số động cơ: IEC80CB14
Bảng 4.7: Thông số động cơ IEC80CB14
Moment xoắn 6.5 Nm Điện áp hoạt động 3 pha 400V
Hình 4.30: Động cơ IEC80CB14
Chọn biến tần hoạt động:
Chọn biến tần Delta VFD-EL
Tính năng biến tần Delta VFD-EL
- Tần số ngõ ra 0,1~600 Hz
- Điều chỉnh đường cong V/F 3 điểm
- Tích hợp điều khiển vòng kín có phản hồi PID
- Tích hợp bộ lọc nhiễu EMI Filter ( cho cả model 1 pha và 3 pha 380 vac)
- Hỗ trợ truyền thông RS 485 ( RJ-45 ) với giao thức Modbus
- Có thể lựa chọn thêm các module truyền thông đáp ứng đa dạng các giao thức như Profibus, DeviceNet, LonWorks and CANopen
- Đầy đủ các chức năng bảo vệ quá tải, quá dòng, quá áp, thấp áp Ứng dụng biến tần Delta VFD-EL
Biến tần Delta VFD-EL là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng công suất nhỏ từ 0.2 kW đến 3.7 kW, bao gồm bơm quạt, máy thổi khí, băng truyền và máy móc trong ngành chế biến thực phẩm Đặc biệt, VFD-EL rất phù hợp cho các hệ thống bơm điều áp nhỏ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
Hình 4.31: Biến tần Delta VFD-EL
Ta dùng phương pháp hàn điện trở
Phương pháp này dựa trên định luật Joule-Lence, cho rằng khi dòng điện đi qua một dây dẫn có điện trở R, nó sẽ sinh ra nhiệt lượng Q Nhiệt lượng này có thể được tính toán bằng một công thức cụ thể.
R : Điện trở qua dây dẫn, [Ω]
I : Cường độ dòng điện đi qua dây dẫn, [𝐴] t : Thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn, [s]
Hình 4.32: Bộ phận gia nhiệt
1 Phần cán mỏ hàn; 2 Dây điện trở hàn; 3 Dây dẫn điện
Yêu cầu dây dẫn làm điện trở
Dây dẫn làm điện trở là 1 bộ phận phát nhiệt làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, do đó phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa ở nhiệt độ cao
- Có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao, có thể tự bền vững dưới tải trọng của dây
- Điện trở suất phải lớn: tạo cho dây điện trở có cấu trúc gọn khi cùng đáp ứng một công suất yêu cầu
Hệ số nhiệt điện trở của vật liệu chế tạo dây điện trở thường phải nhỏ và dương, nghĩa là khi nhiệt độ tăng, điện trở cũng sẽ tăng theo.
Các kích thước cần phải ổn định để đảm bảo tính chính xác trong cấu tạo và lắp ráp Một số vật liệu có thể bị chảy ra, gây khó khăn trong quá trình lắp ghép Do đó, khi lắp ráp, cần phải dự trù khoảng không cho sự giãn dài của dây, nếu không sẽ không đạt yêu cầu về độ chắc chắn.
- Các tính chất điện phải ổn định hoặc ít thay đổi
Các vật liệu thỏa mãn tốt nhất các yêu cầu trên bao gồm: Crôm – Niken; Crôm – Nhôm; Crôm – Nhôm– Sắt; Cacbuarun (SiC)
Nguồn điện cấp vào 2 đầu dây điện trở là: Nguồn DC-24V công suất P`0W
Dây dẫn tròn của hãng Heinz Stegmeier HS Heizelemente Gmbh
Số hiệu HS/N có thông số như sau: Truyền nhiệt qua thanh vật liệu đốt nóng gián tiếp (thép crom)
Dòng điện chạy qua thanh điện trở theo định luật Ohm:
1 = 24 𝐴 Nhiệt lượng tỏa ra của thanh điện trở nhiệt là:
𝑄 = 𝑅 × 𝐼 2 = 576 𝑊 Nhiệt độ trên bề mặt dây điện trở:
là hệ số tỏa nhiệt của dây điện trở
Nhiệt lượng cần truyền cho 0,15m chiều dài để nung nóng gián tiếp nóng lên 110 0 C là:
𝜆 1 = 16 𝑊/(𝑚 ℃): hệ số dẫn nhiệt của thép crom không rỉ chống axit
𝑑 2 = 9𝑚𝑚 : đường kính vật liệu nung gián tiếp
𝑡 𝑤2 = 110℃ : nhiệt độ trên bề mặt thanh kim loại đốt nóng gián tiếp (thép crom)
Bỏ qua nhiệt lượng tiêu hao do đối lưu và bức xạ nhiệt, có thể điều chỉnh nhiệt độ của thanh kim loại nung gián tiếp bằng cách sử dụng bộ điều khiển nhiệt sau khi cảm biến trả về giá trị thực trên bề mặt.
Nhiệt lượng cần cung cấp cho bao PE để đạt nhiệt độ từ 30-110 0 C là:
Các thông số của bao PE:
- Chiều dài cần dán: 68mm
- Chiều dày 2 lớp bao: 0,6mm
- Bề rộng mối hàn: S = 5mm
- Nhiêt dung riêng: c=2KJ/kg.do
Nhiệt lượng cần truyền cho bao sau khoảng thời gian bằng biến thiên nội năng trong suốt thời gian gia nhiệt:
= 0.04 𝑘𝐽 = 40𝐽 = 40 𝑊 𝑠 Dựa vào phương trình cân bằng nhiệt ta có:
𝑄 2 × 𝑡 = 𝑄 3 Thời gian nung nóng bao để mang bao lên nhiệt độ là 110 0 C là: