Giới thiệu dự án

Trong ngành công nghiệp chế biến nông sản và thực phẩm, đậu phộng (Arachis hypogaea) là nguồn nguyên liệu giàu protein (25–30%) và chất béo không bão hòa (45–50%), đóng vai trò hạt nhân trong sản xuất bơ đậu phộng, bánh kẹo, sữa hạt dinh dưỡng và dầu thực vật tinh luyện. Theo thống kê của ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, khâu sơ chế tách vỏ quả (vỏ gỗ) và vỏ lụa (lớp vỏ mỏng testa) quyết định trực tiếp đến giá trị cảm quan, độ tinh khiết hóa lý và thời hạn bảo quản của sản phẩm. Việc giữ lại vỏ lụa làm cho sản phẩm bị đắng do chứa hàm lượng tannin cao, đồng thời cản trở quá trình trích ly protein và chất béo.

                  ┌─────────────────────────────────┐
                  │   ĐẬU PHỘNG ĐÃ TÁCH VỎ CỨNG     │
                  │   & RANG KHÔ (ĐỘ ẨM 3 - 5%)     │
                  └────────────────┬────────────────┘
                                   │
                                   ▼
                  ┌─────────────────────────────────┐
                  │    PHỄU CẤP LIỆU CÓ ĐIỀU CHỈNH   │
                  └────────────────┬────────────────┘
                                   │
                                   ▼
                  ┌─────────────────────────────────┐
                  │  CẶP TRỤC CAO SU TẦNG 1 (III,IV)│
                  │  V_nhanh: 2.5 m/s | V_chậm: 0.9 m/s│
                  │  Lnén = 33.8 mm   | Ltrượt = 21.8 mm│
                  └────────────────┬────────────────┘
                                   │
                                   ▼
                  ┌─────────────────────────────────┐
                  │  CẶP TRỤC CAO SU TẦNG 2 (I,VI)  │
                  │  V_nhanh: 2.9 m/s | V_chậm: 1.0 m/s│
                  │  Lnén = 33.8 mm   | Ltrượt = 22.1 mm│
                  └────────────────┬────────────────┘
                                   │
                                   ▼
                  ┌─────────────────────────────────┐
                  │      CỤM SÀN LẮC PHÂN LOẠI      │
                  │  n = 418 v/p | α = 16° | e = 6mm│
                  └────────┬───────────────┬────────┘
                           │               │
            [Vỏ lụa bay]   │               │   [Hạt vỡ / Hạt mầm]
    ┌──────────────────────▼──────┐        └──────────────────────┐
    │     QUẠT HÚT GIÓ LY TÂM     │                               ▼
    │         (n = 653 v/p)       │                      ┌─────────────────┐
    └─────────────────────────────┘                      │ THÀNH PHẨM NHÂN │
                                                         │ NGUYÊN / TÁCH ĐÔI│
                                                         └─────────────────┘

Tuy nhiên, các giải pháp sơ chế truyền thống tại các cơ sở chế biến vừa và nhỏ bộc lộ nhiều điểm nghẽn nghiêm trọng (pain points):

  • Bóc thủ công bằng tay: Năng suất thấp (chỉ đạt 1.5–2.5 kg/người/giờ), chi phí nhân công cao, không đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe về vệ sinh an toàn thực phẩm.
  • Phương pháp va đập cơ học hoặc ép ma sát đơn trục: Tỷ lệ vỡ nát hạt nhân cao (> 12%), làm thất thoát dầu, giảm giá trị thương phẩm.
  • Hệ thống 2 trục rulo thông thường: Tỷ lệ sót vỏ lụa sau một lần bóc còn cao (15–20%), buộc phải sàng lọc và bóc lại lần hai, gây tốn năng lượng và giảm chu kỳ sản xuất.

Nhằm giải quyết triệt để các tồn tại trên, dự án tập trung vào nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo máy bóc vỏ lụa đậu phộng 4 trục cao su kết hợp hệ thống sàng lắc phân loại và quạt thổi khí.

Các mục tiêu cụ thể của dự án:

  1. Thiết kế nguyên lý bóc tách vỏ lụa hai cấp liên hoàn: Ứng dụng hệ thống 4 trục rulo cao su quay ngược chiều với vận tốc vi sai để tạo lực nén và lực dịch trượt tối ưu.
  2. Tính toán tối ưu hóa động học và động lực học: Xác định chính xác chiều dài đoạn nén ($L_{\text{nén}} = 33.8\text{ mm}$), đại lượng trượt ($L_{\text{trượt}} = 22.1\text{ mm}$), góc kẹp hạt và công suất động cơ dẫn động ($N_{\text{đc}} = 1.5\text{ kW}$).
  3. Thiết kế tích hợp sàn lắc và quạt gió: Tạo ra hệ thống phân loại hạt nhân, loại bỏ hạt mầm vụn và hút sạch vỏ lụa với lưu lượng gió ổn định.
  4. Lập quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí chính xác: Thiết kế quy trình gia công 15 nguyên công cho trục chính trên thép C45 tôi cải thiện, chế tạo đồ gá chuyên dụng cho nguyên công phay rãnh then.
  5. Chế tạo và thử nghiệm mô hình thực tế: Đạt năng suất vận hành liên tục, giảm tỷ lệ sót vỏ lụa xuống $< 4%$ và tỷ lệ vỡ hạt $< 2.5%$.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguyên liệu đậu phộng thương phẩm đã bóc vỏ cứng và rang sấy đạt độ ẩm chuẩn ($3 - 5%$), kích thước hạt trung bình $d = 8 - 10\text{ mm}$.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát công nghệ tách vỏ lụa hạt nông sản cho thấy các phương pháp hiện hành có các ưu và nhược điểm rõ rệt:

Phương pháp Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Nhược điểm Tỷ lệ vỡ hạt Tỷ lệ sạch vỏ
Thủ công Chà xát bằng tay/vải nhám Đơn giản, không tốn điện Năng suất cực thấp, tốn công $1 - 2%$ $85 - 90%$
Va đập ly tâm Văng hạt đập vào thành vỏ Cấu tạo buồng đập gọn nhẹ Hạt vỡ vụn nghiêm trọng, nát phôi $15 - 25%$ $70 - 80%$
Ép nén ma sát 1 mặt di động Nén hạt giữa đĩa quay và đĩa cố định Năng suất trung bình Ma sát sinh nhiệt lớn, cháy dầu $8 - 14%$ $80 - 85%$
Rulo cao su 2 trục truyền thống 2 trục quay ngược chiều vi sai Ít vỡ hạt, kết cấu phổ biến Độ sót vỏ lụa cao sau 1 chu trình $4 - 6%$ $80 - 85%$
Rulo cao su 4 trục cải tiến (Đề tài) 2 tầng bóc vi sai liên tục + Sàn lắc + Quạt Năng suất cao, bóc sạch triệt để, tách sạch cám/vỏ Chi phí chế tạo cơ khí cao hơn $< 2.5%$ $> 96%$

Phân loại yêu cầu thiết kế hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Cặp trục bóc 2 tầng vi sai; cơ cấu điều chỉnh khe hở trục $\delta = 2 - 6\text{ mm}$; sàn lắc phân loại; quạt hút vỏ lụa; động cơ điện truyền động tập trung.
  • Should have: Cơ cấu căng đai tự động và tăng góc ôm; bộ truyền đai dẹt đảo chiều trực tiếp không qua hộp giảm tốc; bạc đạn đỡ chặn chịu lực dọc trục và hướng tâm.
  • Could have: Bộ biến tần điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ; hệ thống phễu rung cấp liệu đồng đều.
  • Won't have: Cảm biến quang học phân loại màu sắc hạt nhân; đóng gói thành phẩm tự động.

Thiết kế hệ thống

Toàn bộ hệ thống cơ khí được cấu thành từ 4 cụm chức năng chính: Cụm truyền động chính, Cụm 4 trục rulo bóc vỏ, Cụm sàn lắc phân loại và Cụm quạt gió tách vỏ.

       ┌─────────────────────────────┐
       │   ĐỘNG CƠ ĐIỆN 4A90L6Y3     │
       │     (1.5 kW - 950 v/p)      │
       └──────────────┬──────────────┘
                      │ Bộ truyền đai dẹt (b=30mm, D1=110mm)
         ┌────────────┴────────────┬────────────────────────┐
         │                         │                        │
         ▼ (i1 = 110/280)          ▼ (i2 = 110/160)         ▼ (i3 = 110/250)
┌─────────────────┐       ┌─────────────────┐      ┌─────────────────┐
│ TRỤC CAO SU I   │       │   TRỤC QUẠT     │      │   TRỤC SÀN LẮC  │
│  (n = 373 v/p)  │       │  (n = 653 v/p)  │      │  (n = 418 v/p)  │
└────────┬────────┘       └─────────────────┘      └────────┬────────┘
         │                                                  │
         │ Xích con lăn (i5 = 14/16)                        │ Đai thang bản Б
         ▼                                                  ▼ (i4 = 70/220)
┌─────────────────┐                                ┌─────────────────┐
│ TRỤC CAO SU III │                                │ TRỤC CAO SU II  │
│  (n = 326 v/p)  │                                │  (n = 133 v/p)  │
└─────────────────┘                                └────────┬────────┘
                                                            │
                                                            │ Xích con lăn (i6 = 14/16)
                                                            ▼
                                                   ┌─────────────────┐
                                                   │ TRỤC CAO SU IV  │
                                                   │  (n = 114 v/p)  │
                                                   └─────────────────┘

Thông số kỹ thuật của Technology Stack / Hệ dẫn động cơ khí:

  • Động cơ điện: Model 4A90L6Y3, công suất $N_{\text{đc}} = 1.5\text{ kW}$, số vòng quay đồng bộ $n = 950\text{ vòng/phút}$.
  • Vật liệu trục bóc: Trục thép hợp kim C45 bọc cao su chịu mài mòn, độ cứng đạt $85 - 90\text{ Shore A}$, đường kính ngoài $D = 150\text{ mm}$, chiều dài làm việc $L = 200\text{ mm}$.
  • Hệ truyền động vi sai:
    • Tầng trên (cặp III - IV): $V_{\text{nhanh}} \approx 2.5\text{ m/s}$ ($n = 326\text{ v/p}$), $V_{\text{chậm}} \approx 0.9\text{ m/s}$ ($n = 114\text{ v/p}$).
    • Tầng dưới (cặp I - II): $V_{\text{nhanh}} \approx 2.9\text{ m/s}$ ($n = 373\text{ v/p}$), $V_{\text{chậm}} \approx 1.0\text{ m/s}$ ($n = 133\text{ v/p}$).
  • Bộ truyền đai dẹt: Dây đai vải cao su loại A, chiều rộng $b = 30\text{ mm}$, chiều dày $\delta = 4.5\text{ mm}$, đường kính bánh đai chủ động $D_1 = 110\text{ mm}$, bánh đai bị dẫn $D_2 = 280\text{ mm}$, vận tốc đai $v = 5.46\text{ m/s}$.
  • Bộ truyền đai thang: Đai hình thang tiết diện bản Б, $D_1 = 70\text{ mm}$, $D_2 = 220\text{ mm}$, chiều dài đai $L = 1500\text{ mm}$, khoảng cách trục $A = 520\text{ mm}$.
  • Bộ truyền xích: Xích ống con lăn 1 dãy tiêu chuẩn TCVN, bước xích $t = 12.7\text{ mm}$, số răng đĩa xích $Z_1 = 14$, $Z_2 = 16$.
  • Ổ lăn: Ổ bi đỡ chặn ký hiệu 46106 ($d = 30\text{ mm}, D = 55\text{ mm}$) và 46105 ($d = 25\text{ mm}, D = 47\text{ mm}$).

Cơ sở toán học và tính toán động lực học bóc vỏ:

Chiều dài đoạn tiếp xúc nén hạt ($L_{\text{nén}}$) trong khe hở giữa 2 rulo cao su được xác định theo mô hình hình học:

$$\cos\alpha = \frac{OC}{OA} = \frac{\frac{D}{2} + \frac{\delta}{2}}{\frac{D}{2} + \frac{d}{2}} = \frac{D + \delta}{D + d}$$

$$L_{\text{nén}} = \frac{\pi \cdot D}{360} \cdot 2 \arccos\left(\frac{D + \delta}{D + d}\right)$$

Với đường kính rulo $D = 150\text{ mm}$, khe hở điều chỉnh $\delta = 4\text{ mm}$, kích thước hạt $d = 8\text{ mm}$:

$$L_{\text{nén}} = \frac{3.14 \times 150}{360} \times 2 \arccos\left(\frac{150 + 4}{150 + 8}\right) = 33.8\text{ mm}$$

Đại lượng vượt sớm tạo lực trượt ($L_{\text{trượt}}$) giữa trục quay nhanh ($V_n$) và trục quay chậm ($V_c$):

$$L_{\text{trượt}} = L_{\text{nén}} \cdot \left(1 - \frac{V_c}{V_n}\right) = 33.8 \times \left(1 - \frac{1.0}{2.9}\right) = 22.1\text{ mm}$$

Hệ số bóc vỏ tổng thể ($K_{\text{bv}}$) phụ thuộc tỷ lệ thuận vào đại lượng $L_{\text{trượt}}$:

$$K_{\text{bv}} = \left(1 - \frac{K_{\text{c.bv2}}}{K_{\text{c.bv1}}}\right) \times 100%$$

Trong đó: $K_{\text{c.bv1}}$ và $K_{\text{c.bv2}}$ lần lượt là số lượng hạt chưa bóc vỏ trước khi vào và sau khi ra khỏi hệ thống rulo.

def calculate_peeling_kinematics(D_roller: float, delta_gap: float, d_peanut: float, Vn: float, Vc: float):
    """
    Tính toán thông số động học vùng bóc vỏ lụa đậu phộng
    :param D_roller: Đường kính rulo cao su (mm)
    :param delta_gap: Khe hở giữa 2 rulo (mm)
    :param d_peanut: Đường kính trung bình hạt đậu (mm)
    :param Vn: Vận tốc dài trục nhanh (m/s)
    :param Vc: Vận tốc dài trục chậm (m/s)
    :return: dict chứa L_nen (mm), L_truot (mm), He_so_vi_sai (K)
    """
    import math
    cos_alpha = (D_roller + delta_gap) / (D_roller + d_peanut)
    alpha_rad = math.acos(cos_alpha)
    alpha_deg = math.degrees(alpha_rad)
    
    # Chiều dài cung nén tiếp xúc
    L_nen = (math.pi * D_roller / 360.0) * (2.0 * alpha_deg)
    
    # Đại lượng trượt bề mặt
    L_truot = L_nen * (1.0 - (Vc / Vn))
    ratio_K = Vn / Vc
    
    return {
        "alpha_deg": round(alpha_deg, 2),
        "L_nen_mm": round(L_nen, 2),
        "L_truot_mm": round(L_truot, 2),
        "speed_ratio_K": round(ratio_K, 2)
    }

# Kết quả kiểm nghiệm thực tế
result = calculate_peeling_kinematics(150.0, 4.0, 8.0, 2.9, 1.0)
# Output: {'alpha_deg': 12.91, 'L_nen_mm': 33.8, 'L_truot_mm': 22.14, 'speed_ratio_K': 2.9}

Methodology

Quy trình nghiên cứu và phát triển máy bóc vỏ lụa được thực hiện theo mô hình kỹ thuật chế tạo cơ khí khép kín kết hợp kiểm nghiệm thực nghiệm:

┌─────────────────┐     ┌─────────────────┐     ┌─────────────────┐     ┌─────────────────┐
│ KHẢO SÁT & TÍNH │ ──> │ THIẾT KẾ 2D/3D  │ ──> │ LẬP QUY TRÌNH CN│ ──> │ CHẾ TẠO, LẮP RÁP│
│ TOÁN ĐỘNG HỌC   │     │ (BẢN VẼ A1, CT) │     │ & ĐỒ GÁ GIA CÔNG│     │ & THỰC NGHIỆM   │
└─────────────────┘     └─────────────────┘     └─────────────────┘     └─────────────────┘
  • Mốc thời gian triển khai: 29/02/2016 đến 15/07/2016 (20 tuần).
    • Tuần 1–4: Phân tích cơ lý hạt đậu phộng rang, xác định nguyên lý ma sát dịch trượt vi sai và tính toán công suất động học.
    • Tuần 5–9: Thiết kế tổng thể máy, tính toán các bộ truyền đai dẹt, đai thang, bộ truyền xích, kết cấu trục và sàn lắc.
    • Tuần 10–14: Thiết kế chi tiết bản vẽ lắp tổng thể A1, lập phiếu quy trình công nghệ gia công chi tiết trục chính C45 và đồ gá phay rãnh then.
    • Tuần 15–18: Gia công chế tạo chi tiết cơ khí tại xưởng CTM, gia công khung máy, bọc đúc rulo cao su, lắp ráp cụm dẫn động.
    • Tuần 19–20: Chạy thử nghiệm không tải, hiệu chỉnh lực căng đai, cân bằng động quạt gió, chạy thực nghiệm có tải với 50 kg nguyên liệu đậu phộng.

Đánh giá rủi ro kỹ thuật và biện pháp xử lý:

  1. Hiện tượng trượt trơn dây đai dẹt do góc ôm nhỏ: Bố trí thêm trục căng đai phụ (trục II) có thể điều chỉnh vị trí, nâng góc ôm trên bánh đai động cơ lên $\alpha_1 \ge 150^\circ$, đồng thời đảm bảo hệ số ma sát tối thiểu $f_{\text{min}} \ge 0.4$.
  2. Hạt đậu bị nảy khỏi mặt lưới sàng lắc: Tính toán giới hạn số vòng quay trục lệch tâm. Để hạt trượt tịnh tiến theo phương dốc $\alpha = 16^\circ$ mà không bị nảy ($P_{\text{un}} \le G\cos\alpha$), số vòng quay trục sàn phải thỏa mãn điều kiện nghiêm ngặt: $408\text{ v/p} \le n_{\text{sàn}} \le 489\text{ v/p}$ (chọn $n_{\text{sàn}} = 418\text{ v/p}$).

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình gia công cơ khí tập trung vào việc chế tạo trục cao su 1 – chi tiết chịu tải trọng uốn và xoắn phức tạp, mang puly đai dẹt và đĩa xích dẫn.

Quy trình công nghệ gia công trục cao su 1 (Vật liệu: Thép C45 tôi cải thiện, $\sigma_b = 850\text{ MPa}$):

  1. Nguyên công I: Chuẩn bị phôi cán nóng $\varnothing 42 \times 525\text{ mm}$, nắn thẳng và cắt phôi trên máy cưa cần.
  2. Nguyên công II: Khỏa 2 mặt đầu và khoan lỗ tâm $\varnothing 3\text{ mm}$ trên máy chuyên dùng MP76M.
  3. Nguyên công III & V: Tiện thô các bậc trục $\varnothing 36$, $\varnothing 32$ trên máy tiện T616 với dao tiện thân thẳng gắn mảnh hợp kim cứng BK8 ($t = 3 - 5\text{ mm}, s = 0.5\text{ mm/vòng}, v = 125\text{ m/phút}$).
  4. Nguyên công IV & VI: Tiện tinh các cổ trục $\varnothing 30.3$, $\varnothing 25.3$, $\varnothing 22.3$ với dao gắn hợp kim T15K6 ($t = 0.85\text{ mm}, s = 0.292\text{ mm/vòng}, v = 188.5\text{ m/phút}$).
  5. Nguyên công VII: Tiện rãnh vuông thoát đá mài $\varnothing 28\text{ mm}$ với dao tiện rãnh T15K10.
  6. Nguyên công VIII đến XI: Mài tròn ngoài các cổ trục lắp ổ bi và rulo $\varnothing 30^{+0.015}{+0.002}$, $\varnothing 25^{+0.015}{+0.002}$, $\varnothing 22^{+0.015}_{+0.002}$ trên máy mài 3A110 đạt cấp chính xác 6, độ nhám bề mặt $R_a = 1.25\ \mu\text{m}$.
  7. Nguyên công XII & XIII: Phay rãnh then $8_{-0.15}\text{ mm}$ và $6_{-0.03}\text{ mm}$ trên máy phay đứng 6H12 bằng dao phay ngón $\varnothing 8$ và $\varnothing 6$.
  8. Nguyên công XIV: Khoan và taro ren $M5 \times 0.75$ mặt đầu trên máy khoan cần 2A135.
  9. Nguyên công XV: Tổng kiểm tra dung sai độ đồng trục ($\le 0.025\text{ mm}$), độ tròn và độ trụ ($\le 0.006\text{ mm}$).
          ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
          │                    TRỤC CAO SU SỐ 1 (C45)                   │
          │                   Chiều dài tổng: 517 mm                    │
          └─────────────────────────────────────────────────────────────┘
          ├── Ø22 (+0.015/+0.002) - Lắp Puly Đai Dẹt (Ra = 1.25)
          ├── Ø25 (+0.015/+0.002) - Lắp Ổ Bi Đỡ Chặn 46106 (Ra = 1.25)
          ├── Ø30 (+0.015/+0.002) - Thân Trục Bọc Cao Su Ø150 (Ra = 1.25)
          ├── Rãnh then B=8mm (Lắp Bánh Xích Dẫn Tầng 1)
          └── Lỗ tâm Taro M5x0.75 định vị chặn trục

Thiết kế đồ gá chuyên dùng cho nguyên công phay rãnh then:

  • Định vị 5 bậc tự do: 2 khối V ngắn định vị mặt trụ ngoài khử 4 bậc tự do, 1 chốt tỳ đầu phẳng khử 1 bậc tự do dọc trục.
  • Lực cắt tính toán: $P_z = 4406\text{ N}$, lực hướng kính $P_{yz} = 4926\text{ N}$.
  • Cơ cấu kẹp chặt bằng ren vít kết hợp mỏ kẹp chữ V, lực kẹp yêu cầu $W = 34862\text{ N}$, sử dụng bu lông kẹp kích thước ren M14 thép 45 tôi.

Testing và validation

Hệ thống được đưa vào kiểm nghiệm vận hành liên tục qua 3 giai đoạn: Chạy rà trơn không tải (120 phút), Chạy có tải từng phần (20 kg), và Chạy toàn tải liên tục (50 kg).

TỶ LỆ TÁCH BÓC VỎ LỤA THEO THỜI GIAN VẬN HÀNH (50 KG NGUYÊN LIỆU)
100% ─────────────────────────────────────────────────── 96.8% (Tầng 2)
 90% ────────────────────────────────── 84.5% (Tầng 1)
 80% ─────────── 72.0% (Máy 2 trục cũ)
 70%
 60%
  0% ─────┬──────────────────────────────┬───────────────────────────────►
       Đầu vào                      Sau Tầng 1                      Sau Tầng 2
  • Độ ổn định động học: Trục chính quay êm, độ rung lắc khung sườn đo được $< 0.15\text{ mm/s}$, nhiệt độ các gối đỡ ổ bi sau 2 giờ vận hành ổn định ở mức $42 - 46^\circ\text{C}$ (dưới giới hạn cho phép $70^\circ\text{C}$).
  • Hiệu suất phân ly của sàng lắc và quạt gió:
    • Số vòng quay thực tế của sàn: $n_{\text{sàn}} = 418\text{ v/p}$ với biên độ lệch tâm $e = 6\text{ mm}$ giúp hạt đậu dàn đều thành lớp mỏng $10 - 15\text{ mm}$, di chuyển tịnh tiến êm dịu.
    • Vận tốc dòng khí quạt hút tại miệng sàn đạt $v_{\text{khí}} = 4.2 - 5.5\text{ m/s}$, thổi bay $99.1%$ vỏ lụa đã bóc mà không cuốn theo hạt mầm hay hạt vỡ.

Kết quả đạt được

Chỉ tiêu kỹ thuật / Kinh tế Mục tiêu thiết kế ban đầu Kết quả thực nghiệm đạt được Mức độ hoàn thành
Công suất động cơ $1.5\text{ kW}$ $1.5\text{ kW}$ (Dòng điện tải $3.2\text{ A}$) Đạt $100%$
Năng suất bóc vỏ $40 - 50\text{ kg/giờ}$ $55\text{ kg/giờ}$ Vượt $110%$
Tỷ lệ sạch vỏ lụa ($K_{\text{bv}}$) $\ge 90%$ $96.8%$ Vượt $107.5%$
Tỷ lệ hạt bị vỡ vụn $\le 5%$ $2.2%$ Tốt hơn $56%$ so với mục tiêu
Tỷ lệ tách đôi hạt nguyên vẹn $\ge 85%$ $92.4%$ Tối ưu cho sản xuất bánh kẹo
Độ sạch vỏ lụa của quạt hút $\ge 95%$ $98.5%$ Đạt yêu cầu thương phẩm

Đổi mới và đóng góp

  1. Cấu trúc bóc vỏ lụa vi sai 4 trục 2 cấp liên hoàn: Thay vì sử dụng 1 cặp rulo đơn lẻ dễ gây quá tải và sót vỏ, giải pháp bố trí cặp trục III-IV ở tầng trên có vận tốc nhỏ hơn ($V_n = 2.5\text{ m/s}$) để bóc sơ bộ $80 - 85%$ vỏ lụa, sau đó hạt rơi tự do vào cặp trục I-II ở tầng dưới có vận tốc cao hơn ($V_n = 2.9\text{ m/s}$) để làm sạch hoàn toàn lượng vỏ còn lại. Cơ chế phân tầng vận tốc giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nghẽn ứ hạt tại phễu trung gian.
  2. Hệ thống truyền động đảo chiều thông minh không dùng hộp số: Tận dụng triệt để cả hai mặt làm việc của dây đai dẹt ($b = 30\text{ mm}$), đảo chiều quay giữa trục cao su 1 và trục sàn lắc, kết hợp bộ truyền đai thang và xích vi sai. Giải pháp này giúp cắt giảm 1 hộp giảm tốc 2 trục ra đắt tiền, tiết kiệm $45%$ chi phí chế tạo hệ thống dẫn động và giảm $30%$ trọng lượng tổng thể khung máy.
  3. Cơ cấu vi chỉnh khe hở trục rulo linh hoạt: Cặp trục 2 và 4 được cố định vị trí gối đỡ, trong khi trục 1 và 3 được gắn trên gối trượt điều chỉnh bằng vít me – đai ốc với khoảng dịch chuyển $\delta = 2 - 8\text{ mm}$. Cải tiến này cho phép máy tương thích với nhiều kích cỡ hạt đậu phộng khác nhau (đậu phộng sẻ, đậu phộng lai giàn, đậu đỏ).
  4. Cơ cấu căng đai chủ động kết hợp tăng góc ôm: Khắc phục triệt để hiện tượng trượt trơn của đai dẹt trong điều kiện làm việc rung lắc, duy trì lực căng ban đầu $S_0 = 243\text{ N}$ và hiệu suất truyền động đai $\eta_1 \ge 0.94$.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng thực tế

  • Cơ sở chế biến hạt điều, đậu phộng rang muối: Tách vỏ lụa nhanh sau công đoạn rang cát, giữ nguyên màng dầu tự nhiên, nâng cao độ bóng đẹp của hạt.
  • Xưởng sản xuất bơ đậu phộng và bánh kẹo truyền thống: Cung cấp hạt đậu tách đôi sạch mầm và sạch vỏ lụa, loại bỏ hoàn toàn vị chát tannin, giúp bơ đậu phộng đạt độ mịn và màu vàng sáng đồng nhất.
  • Hợp tác xã nông nghiệp chế biến dầu ăn thực vật: Nâng cao hiệu suất trích ly dầu đậu phộng, giảm hàm lượng cặn bã trong dầu thô.
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        QUY TRÌNH VẬN HÀNH THỰC TẾ                       │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 1. Kiểm tra siết chặt bu lông bệ máy & đấu nối nguồn điện 3 pha 380V.  │
│ 2. Khởi động động cơ 1.5 kW - Chạy không tải 60 giây kiểm tra chiều quay│
│ 3. Điều chỉnh khe hở rulo (δ = 3.5 - 4.0 mm cho hạt đậu tiêu chuẩn).    │
│ 4. Nạp đậu phộng rang khô vào phễu cấp liệu (độ ẩm nguyên liệu ≤ 5%).   │
│ 5. Mở tấm chắn phễu để cấp liệu liên tục với lưu lượng ~ 50 kg/h.       │
│ 6. Vỏ lụa được quạt hút gom vào túi vải; hạt thành phẩm thu tại đáy sàn.│
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Phân tích chi phí và hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí đầu tư chế tạo thiết bị: ~ 18.500.000 VNĐ (Bao gồm động cơ điện $1.5\text{ kW}$, kết cấu thép hình, gia công trục C45, bọc cao su rulo, đai - xích, ổ bi đỡ chặn và quạt hút).
  • Chi phí nhân công vận hành: 1 công nhân điều khiển máy (thay thế cho 15 - 20 nhân công bóc thủ công).
  • Chi phí điện năng: $1.5\text{ kWh} \times 8\text{ giờ/ngày} = 12\text{ kWh/ngày}$ ($\approx 30.000\text{ VNĐ/ngày}$).
  • Thời gian hoàn vốn đầu tư (Payback Period): Dự kiến 3.5 - 4.5 tháng đối với cơ sở chế biến quy mô từ $300 - 500\text{ kg/ngày}$.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Độ ẩm nguyên liệu: Máy chỉ đạt hiệu suất bóc tách tối ưu ($> 95%$) khi hạt đậu phộng đã được rang chín hoặc sấy khô đạt độ ẩm $< 5%$. Nếu đậu bị ẩm, lớp vỏ lụa dẻo dai bám chặt vào nhân hạt, làm giảm hệ số trượt và gây bết dính bề mặt cao su.
  • Điều chỉnh khe hở thủ công: Việc hiệu chỉnh khoảng cách giữa 2 trục cao su vẫn dựa trên cơ cấu vít me điều chỉnh bằng tay, đòi hỏi công nhân vận hành phải có kinh nghiệm quan sát kích cỡ hạt.
  • Mài mòn bề mặt cao su: Sau khoảng $800 - 1000$ giờ làm việc liên tục, lớp cao su rulo sẽ bị mài mòn cục bộ ở giữa thân trục, cần phải tiện láng lại hoặc bọc lại cao su mới.

Hướng phát triển hoàn thiện

  • Tích hợp buồng rang sấy hồng ngoại liên tục trước phễu cấp liệu để tạo thành dây chuyền chế biến tự động khép kín từ đậu nhân sống đến thành phẩm bóc vỏ.
  • Ứng dụng cảm biến khoảng cách laser và động cơ bước để tự động nhận diện kích thước hạt đậu và điều chỉnh khe hở rulo tự động thông qua bộ vi điều khiển Arduino/PLC.
  • Nghiên cứu sử dụng vật liệu Polyurethane (PU) thực phẩm có độ bền mòn và hệ số ma sát cao hơn cao su tự nhiên, đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe FDA về tiếp xúc thực phẩm.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí / Chế tạo máy: Tài liệu tham khảo toàn diện về phương pháp tính toán động học vi sai, động lực học máy chế biến thực phẩm, thiết kế hệ dẫn động đai - xích hỗn hợp và lập quy trình công nghệ gia công chi tiết dạng trục đạt chuẩn CTM.
  • Kỹ sư thiết kế máy công nông nghiệp: Hệ thống công thức toán học thực chứng xác định chiều dài đoạn nén ($L_{\text{nén}}$), đại lượng trượt ($L_{\text{trượt}}$), chế độ làm việc của sàn lắc điều hòa và bản vẽ kết cấu đồ gá phay rãnh then chuẩn hóa.
  • Cơ sở sản xuất và Doanh nghiệp chế biến thực phẩm: Giải pháp công nghệ máy bóc vỏ lụa chi phí thấp, năng suất cao ($55\text{ kg/h}$), giúp tự động hóa khâu sơ chế, nâng cao chất lượng cảm quan và tối ưu hóa lợi nhuận.
  • Nhà nghiên cứu máy nông nghiệp: Dữ liệu thực nghiệm về tương tác cơ học giữa vật liệu đàn hồi (cao su) và nông sản hạt có dầu dạng cầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật về nguồn điện và mặt bằng lắp đặt máy như thế nào?

Máy sử dụng động cơ điện 4A90L6Y3 công suất $1.5\text{ kW}$, vận hành với nguồn điện 3 pha 380V (hoặc có thể thay thế bằng động cơ 1 pha 220V tụ ngâm tương đương). Mặt bằng lắp đặt yêu cầu diện tích tối thiểu $1.5\text{ m} \times 1.2\text{ m}$, nền xưởng bê tông phẳng và được bắt bu lông nở cố định chân đế để triệt tiêu rung động từ sàn lắc.

2. Khi hạt đậu có kích thước không đồng đều thì máy xử lý như thế nào để không bị vỡ hạt?

Nhờ tính chất đàn hồi của lớp bọc cao su (mô đun đàn hồi $E$, độ cứng $85 - 90\text{ Shore A}$) kết hợp với cơ cấu lò xo giảm chấn tại gối đỡ di động, các hạt lớn hơn khe hở $\delta$ sẽ làm bề mặt cao su biến dạng một lượng $\Delta h_0 \le 1.2\text{ mm}$ mà không làm vỡ nát hạt nhân.

3. Tại sao máy lại sử dụng kết hợp cả đai dẹt, đai thang và xích thay vì dùng toàn bộ bánh răng?

Việc sử dụng bộ truyền đai giúp hấp thụ xung lực và rung động từ quá trình bóc vỏ và sàn lắc, bảo vệ an toàn cho động cơ khi xảy ra kẹt dị vật. Mặt khác, dây đai dẹt cho phép truyền động đảo chiều linh hoạt giữa các trục ở xa nhau, giúp kết cấu máy gọn nhẹ và giảm đáng kể chi phí bảo trì so với hệ thống hộp số bánh răng bôi trơn ngâm dầu.

4. Quy trình bảo dưỡng định kỳ các bộ phận chuyển động của máy gồm những gì?

  • Hàng ngày: Vệ sinh sạch bụi cám và vỏ lụa bám trên rulo và lưới sàng sau mỗi ca làm việc; kiểm tra túi gom vỏ lụa của quạt hút.
  • Hàng tuần: Kiểm tra độ căng của đai dẹt và đai thang, tra mỡ bôi trơn bổ sung cho 8 ổ bi đỡ chặn 46106/46105 và khớp truyền động sàn lắc.
  • Hàng tháng: Kiểm tra độ mòn của đĩa xích và tra dầu bôi trơn xích con lăn $t = 12.7\text{ mm}$; kiểm tra độ đồng trục của các rulo cao su.

5. Chi phí chế tạo và thời gian thu hồi vốn thực tế cho cơ sở sản xuất là bao lâu?

Với tổng chi phí gia công chế tạo mô hình khoảng $18.5\text{ triệu VNĐ}$ và năng suất đạt $55\text{ kg/giờ}$, mỗi ngày vận hành 8 giờ máy có thể xử lý hơn $400\text{ kg}$ đậu phộng. So với việc thuê $15$ nhân công bóc tay thủ công, xưởng sản xuất tiết kiệm được hơn $4.5 - 6\text{ triệu VNĐ/tháng}$, giúp hoàn vốn đầu tư chỉ sau 3.5 đến 4.5 tháng vận hành.

Kết luận

Đề tài tốt nghiệp "Tính toán và Chế tạo Máy bóc vỏ lụa đậu phộng" của nhóm sinh viên Khoa Cơ khí Chế tạo máy – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ khí ứng dụng từ cơ sở lý thuyết đến sản phẩm thực nghiệm hoàn chỉnh. Dự án đã chứng minh tính đúng đắn của nguyên lý ma sát dịch trượt vi sai trên hệ thống 4 trục rulo cao su 2 cấp, tạo ra bước đột phá về tỷ lệ sạch vỏ ($96.8%$) và tỷ lệ giảm vỡ hạt ($< 2.2%$) so với các máy 2 trục truyền thống.

Không chỉ dừng lại ở các tính toán động học và động lực học chi tiết, công trình còn đóng góp bộ quy trình công nghệ gia công chi tiết trục chính C45 và thiết kế đồ gá phay rãnh then mang tính thực tiễn sản xuất cao. Thành công của mô hình máy thực nghiệm mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi tại các cơ sở chế biến nông sản thực phẩm vừa và nhỏ trên toàn quốc, góp phần thúc đẩy cơ giới hóa và hiện đại hóa ngành công nghiệp sau thu hoạch tại Việt Nam.