Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Cây điều (Anacardium occidentale) là một trong những cây công nghiệp có giá trị kinh tế cao, đưa Việt Nam trở thành quốc gia đứng đầu thế giới về xuất khẩu nhân hạt điều. Tuy nhiên, phần lớn diện tích canh tác tập trung tại các tỉnh vùng cao phía Nam như Đắk Lắk, Đắk Nông, Bình Phước, Bình Dương, Đồng Nai với địa hình đồi dốc. Trong khi khâu chế biến nhân điều đã được cơ giới hóa ở quy mô công nghiệp, khâu thu hoạch và tách hạt điều khỏi quả giả tại các nông hộ vẫn phụ thuộc chủ yếu vào lao động thủ công hoặc các dòng máy thô sơ có năng suất và độ tin cậy chưa cao. Năm 2010, tổng diện tích trồng điều của Việt Nam đạt 319.400 ha (giảm 7.000 ha so với năm 2009), trong đó sự thiếu hụt lao động thời vụ trong giai đoạn thu hoạch (từ tháng 3 đến tháng 6) là nguyên nhân chính gây thất thoát và giảm chất lượng nông sản.
Nhằm giải quyết vấn đề cơ giới hóa khâu thu hoạch, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Chế tạo Máy tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh do nhóm sinh viên Tô Minh Cường, Trần Ngọc Minh, Nguyễn Văn Quang thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Chí Cương (nộp tháng 07/2016) đã thực hiện đề tài "Nghiên cứu, đề xuất và cải tiến công nghệ máy vặt hạt điều".
Mục tiêu cốt lõi của đồ án là tính toán, thiết kế và cải tiến hệ thống máy vặt hạt điều cơ khí đạt năng suất 400 kg/h, đáp ứng tiêu chuẩn hạt vặt sạch cùi, không dập vỡ nhân, kết cấu gọn nhẹ, dễ bảo dưỡng và phù hợp điều kiện canh tác tại các hộ gia đình vùng Nam Bộ và Tây Nguyên.
Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 6 nội dung cụ thể:
- Tìm hiểu về các loại trái điều thành phẩm được trồng ở các tỉnh vùng cao phía Nam như Đắk Lắk, Đắk Nông và Bình Phước.
- Đề xuất nguyên lý vặt hạt điều khả thi.
- Khảo sát thực nghiệm máy vặt hạt điều tại một số hộ gia đình trồng điều.
- Tính toán, thiết kế, cải tiến một số chi tiết của máy vặt hạt điều.
- Lập tập bản vẽ thiết kế các chi tiết và bản vẽ lắp hoàn chỉnh.
- Hoàn thiện tập thuyết minh đồ án tốt nghiệp.
Đối tượng nghiên cứu là quả điều tươi thành phẩm và cơ cấu máy vặt hạt điều cơ khí. Phạm vi không gian tập trung vào vùng nguyên liệu trọng điểm tại Đắk Lắk, Đắk Nông, Bình Phước; phạm vi thời gian sử dụng các dữ liệu khảo nghiệm và thống kê giai đoạn 2010–2016.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu kết hợp lý thuyết tính toán thiết kế máy, cơ sở công nghệ chế tạo máy và các phương pháp khảo nghiệm thực tế trên quả điều tươi:
| Đối tượng đo |
Số lượng mẫu ($n$) |
Chiều dài $l$ (mm) |
Đường kính lớn $d_1$ (mm) |
Đường kính nhỏ $d_2$ / $d$ (mm) |
Bề dày $m$ (mm) |
| Trái điều (quả giả) |
100 |
52,2 (trung bình) |
48,4 (trung bình) |
35,5 (trung bình) |
— |
| Hạt điều (quả thật) |
100 |
30,0 (trung bình) |
22,0 (trung bình) |
— |
17,5 (trung bình) |
Thiết kế và cải tiến hệ thống kỹ thuật
Từ kết quả khảo nghiệm thực tế và so sánh giữa phương án điều khiển tự động hóa (PLC/khí nén) với phương án cơ khí, nhóm tác giả lựa chọn phương án truyền động cơ khí toàn phần nhằm tối ưu hóa chi phí chế tạo, phù hợp với năng lực bảo trì tại nông hộ.
[Phễu cấp liệu & Lưỡi gà dao động]
[Máng thu nhận hạt sạch]
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 giới thiệu nguồn gốc sinh học của cây điều (Anacardium occidentale L.), xuất xứ từ Đông Bắc Brazil, du nhập vào Việt Nam từ thế kỷ 18. Trình bày chi tiết đặc điểm thực vật học: thân gỗ cao 8–12 m, lá đơn mọc so le, phân biệt rõ quả giả (cuống hoa phình to dài 10–12 cm, mọng nước, chứa nhiều vitamin C, đường, khoáng chất) và quả thật (hạt điều hình thận dài 2,5–3,5 cm, vỏ gồm 3 lớp chứa 18–23% dầu vỏ điều, nhân chiếm 25–30% trọng lượng hạt). Chương này cũng tổng hợp giá trị dinh dưỡng, công dụng thực phẩm, dược liệu theo Đông y và Tây y; đồng thời phân tích các điều kiện sinh thái: nhiệt độ thích hợp 24–28°C, ánh sáng 2000 giờ/năm, lượng mưa 1000–1800 mm/năm, độ ẩm không khí 65–70% và độ dốc đất dưới 20°. Bảng thống kê sản lượng chỉ rõ Việt Nam là quốc gia xuất khẩu nhân điều hàng đầu thế giới.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 2 trình bày toàn bộ số liệu thực nghiệm đo đạc kích thước và thông số lực trên quả điều tươi. Kết quả đo 100 trái điều cho kích thước trung bình $l = 52,2\text{ mm}$, $d_1 = 48,4\text{ mm}$, $d_2 = 35,5\text{ mm}$; kích thước 100 hạt điều cho chiều dài $l = 30\text{ mm}$, chiều rộng $d = 22\text{ mm}$, bề dày $m = 17,5\text{ mm}$. Khảo sát lực cơ học ghi nhận lực xoắn tách hạt $P = 2 \div 4\text{ N}$ (mô men xoắn $T = 3\text{ N.mm}$), lực kéo đứt liên kết $P = 3 \div 5\text{ kg}$. Phân tích đồ thị vận tốc trống đánh $v$ ảnh hưởng đến năng suất $q$, công tiêu hao $A_{ct}$ và lực tiếp tuyến $P_t$, qua đó xác định dải vận tốc tối ưu để quả không bị trượt và không tiêu hao năng lượng vô ích. Kết quả khảo sát thực tế chọn động cơ điện 3 pha K112S4 ($P = 5,2\text{ kW}$, $n = 1435\text{ vg/ph}$) và phương án động cơ Diezen ($4,5\text{ HP}$, $2200\text{ vg/ph}$) cho điều kiện làm việc di động.
Chương 3: Các phương pháp vặt hạt điều
Chương 3 phân tích hai phương pháp tách hạt điều: vặt bằng máy cơ khí và vặt bằng hệ thống điều khiển PLC/khí nén. Tác giả chỉ ra phương pháp PLC có độ phức tạp cao, chi phí chế tạo lớn, năng suất thấp và khó sửa chữa tại hiện trường. Ngược lại, phương pháp máy cơ 4 bước làm việc ổn định, kết cấu đơn giản, chi phí thấp, năng suất cao và phù hợp không gian nông hộ. Nhóm tác giả quyết định lựa chọn phương án máy cơ và thiết lập trình tự công việc gồm: phác thảo bản vẽ, mô phỏng động học, tính toán thiết kế chi tiết máy.
Chương 4: Nghiên cứu, tính toán máy trên thị trường
Chương 4 phân tích cấu tạo và nguyên lý làm việc của dòng máy vặt hạt điều đang lưu hành trên thị trường, gồm: vỏ trên, vỏ dưới, phễu cấp liệu, trống ép trục vít, máng thoát nước thải, cụm trục vặt truyền động xích và máng ra hạt. Chương này trình bày chi tiết các công thức xác định công suất bộ trống ép với hệ số không đồng đều $k = 1,4 \div 1,7$, khối lượng riêng hạt $\gamma = 580\text{ kg/m}^3$, áp suất tiếp tuyến $P = 17\text{ kg/cm}^2$, hiệu suất trống ép $\eta = 0,85$. Phân tích công suất cụm vặt gồm 4 thành phần (công suất vặt điều, ma sát ổ trục, ma sát lực đẩy, ma sát trống động) trên hệ thống 3 cụm trục vặt đường kính $D = 30\text{ mm}$, tốc độ $n = 450\text{ vg/ph}$.
Chương 5: Cải tiến một số chi tiết
Chương 5 xác định mục tiêu cải tiến nhằm nâng cao năng suất, hạ giá thành chế tạo và giảm nhẹ sức lao động. Các giải pháp cải tiến kết cấu gồm:
- Thay thế cơ cấu cấp liệu bằng tay bằng cơ cấu lưỡi gà dao động giúp nạp liệu tự động và liên tục.
- Cải tiến cụm vặt: Chuyển đổi bộ truyền xích sang bộ truyền bánh răng ăn khớp trực tiếp nhằm khắc phục hiện tượng trượt, kẹt xích.
- Thiết kế hệ thống 6 trục vặt gồm 3 trục xoắn kim loại kết hợp 3 trục trơn bọc cao su để tối ưu hóa lực ma sát bóc tách xơ cùi điều.
Chương 6: Nghiên cứu, tính toán thiết kế máy cải tiến
Chương 6 là phần tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án:
- Thuyết minh nguyên lý máy cải tiến sử dụng trục đánh nhiều má xen kẽ.
- Tính toán công suất động học: $P_{\text{đánh}} = 2\text{ kW}$, công suất lưỡi gà cấp phôi $P_{lg} = 2,1\text{ kW}$, công suất mỗi cụm vặt đạt $2,5\text{ kW}$.
- Thiết kế bộ truyền đai thang nối động cơ với trục đánh, trục đánh với cụm vặt và trục công tác với lưỡi gà.
- Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng dẫn động các trục cụm vặt.
- Tính toán động lực học, độ bền uốn, độ bền xoắn của trục xoắn, trục trống đánh, các trục dẫn và bị dẫn của cụm vặt.
- Tính toán chọn then bằng, kiểm nghiệm độ bền dập, độ bền cắt của then trên trục trống đánh và trục dẫn cụm I.
- Tính toán chọn gối đỡ ổ lăn, thiết kế kết cấu khung máy chịu lực và hệ thống vỏ bọc, nắp che chắn an toàn.
Chương 7: Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết trục xoắn
Chương 7 lập tiến trình công nghệ chế tạo chi tiết điển hình là trục xoắn cụm vặt:
- Phân tích chức năng làm việc, điều kiện chịu tải mô men xoắn và ma sát với dịch quả điều.
- Lựa chọn vật liệu chế tạo, xác định dạng sản xuất và chọn phôi thép thanh định hình.
- Phân tích độ chính xác kích thước, dung sai độ trụ, độ đảo và độ nhám bề mặt gia công.
- Lập bảng tiến trình công nghệ và phân tích chi tiết các nguyên công: Khỏa mặt đầu - khoan lỗ tâm (Nguyên công II), tiện thô và tiện tinh các đoạn trục (Nguyên công III, IV), phay rãnh then (Nguyên công VI), nhiệt luyện đạt độ cứng yêu cầu (Nguyên công VII) và mài tinh các cổ trục lắp ổ lăn (Nguyên công VIII).
Chương 8: Đánh giá, kết luận và kiến nghị
Chương 8 tổng kết đánh giá sơ bộ các chỉ tiêu kỹ thuật đạt được của máy vặt hạt điều cải tiến so với yêu cầu ban đầu. Đưa ra tài liệu hướng dẫn quy trình vận hành an toàn, quy chuẩn kiểm tra bôi trơn định kỳ các bộ truyền bánh răng, gối đỡ ổ lăn và phương pháp vệ sinh máy sau mỗi ca làm việc để chống dịch axit quả điều ăn mòn kim loại.
Kết quả và đóng góp
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
-
Hạn chế:
- Toàn bộ các chỉ tiêu tính toán động lực học, độ bền trục và quy trình gia công chi tiết được xây dựng trên cơ sở lý thuyết và khảo sát các mẫu máy nông hộ; đồ án chưa cung cấp bảng số liệu thử nghiệm vận hành tải dài hạn của nguyên mẫu chế tạo hoàn chỉnh trong các điều kiện độ chín và độ ẩm quả khác nhau.
- Chưa có đánh giá thực nghiệm định lượng về tỷ lệ hao mòn bề mặt bọc cao su theo thời gian dưới tác động của dầu vỏ điều và dịch quả.
-
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Chế tạo nguyên mẫu thực tế theo quy trình công nghệ đã lập tại Chương 7 và tiến hành khảo nghiệm tải thực tế tại vùng nguyên liệu trong vụ thu hoạch.
- Thử nghiệm các loại vật liệu cao su chịu dầu hoặc vật liệu composite chống ăn mòn hóa học để gia tăng tuổi thọ cho các trục cụm vặt.
- Tích hợp thêm bộ phận thu hồi và lắng lọc dịch ép quả điều dưới máng xả để phục vụ chế biến phụ phẩm nước giải khát hoặc lên men sinh học.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ khí Nông nghiệp và Máy chế biến sau thu hoạch.
Nội dung có giá trị ứng dụng cao gồm:
- Phương pháp khảo nghiệm cơ lý nông sản thực tế (đo đạc kích thước mẫu $n=100$, đo lực xoắn, lực kéo đứt cuống quả điều).
- Phương pháp tính toán động lực học máy công tác nông nghiệp (buồng đập má xen kẽ, cụm trục vặt ma sát nhiều trục).
- Mẫu quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng trục (trục xoắn) với đầy đủ định chuẩn công nghệ, chọn máy, chọn dao và biện luận nguyên công.
Câu hỏi thường gặp
1. Kích thước hình học trung bình của trái và hạt điều đo đạc trong đồ án là bao nhiêu?
Qua khảo sát thực nghiệm $n = 100$ mẫu quả và hạt điều bằng thước kẹp cơ khí, kích thước trung bình của quả giả là: chiều dài $l = 52,2\text{ mm}$, đường kính $d_1 = 48,4\text{ mm}$, đường kính $d_2 = 35,5\text{ mm}$. Kích thước trung bình của hạt điều (quả thật) là: chiều dài $l = 30\text{ mm}$, chiều rộng $d = 22\text{ mm}$ và bề dày $m = 17,5\text{ mm}$.
2. Lực cơ học cần thiết để tách hạt điều ra khỏi quả giả được xác định bằng bao nhiêu?
Theo kết quả khảo sát thực nghiệm ghi nhận tại Chương 2, lực xoắn tác dụng lên quả điều để bẻ tách hạt là $P = 2 \div 4\text{ N}$ (tương ứng mô men xoắn $T = 3\text{ N.mm}$) và lực kéo đứt liên kết dọc trục là $P = 3 \div 5\text{ kg}$.
3. Động cơ nào được lựa chọn để vận hành máy vặt hạt điều cải tiến?
Máy sử dụng động cơ điện không đồng bộ 3 pha K112S4 có công suất $4\text{ kW}$ (hoặc phiên bản $5,2\text{ kW}$), tốc độ $1435\text{ vòng/phút}$, điện áp 220/380V, hiệu suất $85%$. Khi máy phải di chuyển làm việc tại các vùng đồi rẫy chưa có điện lưới, hệ thống có thể chuyển sang sử dụng động cơ Diezen công suất $4,5\text{ HP}$, tốc độ $2200\text{ vòng/phút}$.
4. Cụm vặt hạt của máy cải tiến có cấu tạo khác biệt như thế nào so với máy trên thị trường?
Máy trên thị trường sử dụng bộ truyền xích để dẫn động các trục vặt (dễ chùng, kẹt xích). Máy cải tiến thay thế toàn bộ bằng bộ truyền bánh răng trụ ăn khớp trực tiếp và bố trí cụm 6 trục gồm 3 trục xoắn kim loại xen kẽ với 3 trục trơn bọc cao su nhằm tăng hệ số ma sát, giúp bóc sạch xơ cùi mà không làm dập vỡ vỏ hạt.
5. Chế độ làm việc và tuổi thọ thiết kế của máy được tính toán theo tiêu chuẩn nào?
Máy được tính toán thiết kế cho chu kỳ làm việc mùa vụ với tổng thời gian sử dụng 10 năm. Mỗi năm làm việc 3 tháng mùa thu hoạch (từ tháng 3 đến tháng 6), mỗi tháng 30 ngày, mỗi ngày hoạt động 2 ca và mỗi ca kéo dài 5 giờ.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, đề xuất và cải tiến công nghệ máy vặt hạt điều" đã giải quyết bài toán cơ giới hóa khâu thu hoạch điều tại các tỉnh phía Nam thông qua việc thiết kế máy vặt hạt năng suất 400 kg/h. Các cải tiến kết cấu trọng tâm gồm cơ cấu cấp liệu lưỡi gà, trục đánh má xen kẽ và cụm 6 trục vặt dẫn động bánh răng bọc cao su đã khắc phục triệt để các nhược điểm kẹt xích và nén vỡ hạt của các mẫu máy hiện hành. Đồ án cung cấp hệ thống tính toán động lực học, bản vẽ kỹ thuật và quy trình công nghệ gia công chi tiết trục xoắn hoàn chỉnh, mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho lĩnh vực cơ khí chế tạo máy nông nghiệp.