Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nhu cầu tiêu thụ dầu thực vật tại Việt Nam có xu hướng gia tăng nhằm thay thế mỡ động vật trong khẩu phần ăn hàng ngày, giúp cung cấp các vitamin thiết yếu và giảm thiểu nguy cơ mắc các bệnh tim mạch. Mặc dù mức tiêu thụ nội địa tương đối lớn, phần lớn nguồn dầu thô vẫn phải nhập khẩu để tinh luyện. Nhằm chủ động nguồn nguyên liệu, các loại cây có dầu có giá trị dinh dưỡng cao đã được nghiên cứu đưa vào trồng thử nghiệm, tiêu biểu là cây hướng dương (Helianthus annuus). Dầu hướng dương chiếm khoảng 9% tổng mức tiêu thụ dầu thực vật toàn cầu (số liệu năm 2003) nhờ hàm lượng axit béo không bão hòa cao, giàu vitamin E, không chứa cholesterol và có đặc tính tương đương dầu ôliu.

Từ năm 2000, Viện Nghiên cứu Dầu thực vật – Tinh dầu – Hương liệu và Mỹ phẩm đã triển khai trồng thí điểm các giống hướng dương lấy dầu tại nhiều vùng thuộc Tây Nguyên và Đông Nam Bộ với diện tích trên 35 ha, phối hợp cùng Công ty Dầu thực vật Cái Lân thực hiện mô hình trình diễn tại Lâm Đồng và Đắk Lắk. Tuy nhiên, khâu thu hoạch hạt hướng dương tại Việt Nam thời điểm đó hoàn toàn thực hiện bằng phương pháp thủ công (chà xát hai đĩa hạt vào nhau hoặc dùng thanh gỗ đập), dẫn đến năng suất lao động thấp và chi phí thu hoạch cao. Bên cạnh đó, tính thời vụ thu hoạch rất khắt khe; nếu không tách hạt và làm khô kịp thời trong điều kiện thời tiết ẩm, chất lượng nhân và hàm lượng dầu sẽ bị suy giảm nghiêm trọng.

Trước yêu cầu cấp thiết về cơ giới hóa sản xuất, đề tài khóa luận tốt nghiệp ngành Cơ khí Nông Lâm được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

  1. Tìm hiểu các đặc tính cơ lý của bông và hạt hướng dương khi thu hoạch làm cơ sở cho tính toán thiết kế.
  2. Khảo sát nguyên lý làm việc của các bộ phận đập tách hạt và làm sạch hiện có để lựa chọn phương án công nghệ thích hợp.
  3. Tính toán, thiết kế mẫu máy, chế tạo và tiến hành khảo nghiệm sơ bộ máy đập tách hạt kết hợp làm sạch hạt hướng dương phục vụ sản xuất.

Đối tượng nghiên cứu là các giống hướng dương lấy dầu (Hysun38, 72026301, 71026401, Hyoleic41). Mẫu nguyên liệu phục vụ khảo sát và thử nghiệm được thu thập tại Trại Thực nghiệm giống Định An (Công ty GINO, thôn K’Long, xã Hiệp Thạnh, huyện Đức Trọng, tỉnh Lâm Đồng) dưới sự hỗ trợ chuyên môn của Viện Nghiên cứu Dầu thực vật – Tinh dầu – Hương liệu và Mỹ phẩm. Quá trình tính toán, chế tạo và khảo nghiệm thực hiện tại Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh trong tháng 06 năm 2006.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống cơ sở lý thuyết chuyên ngành cơ khí nông nghiệp và cơ học nông phẩm phục vụ quá trình tính toán:

  • Lý thuyết quá trình đập tách hạt: Ứng dụng mô hình tính toán lực đập của V. P. Goriachkin ($P = P_1 + F$) với thành phần lực làm biến dạng phá vỡ liên kết hạt $P_1 = v \cdot m'$ và lực ma sát $F = f \cdot P$, trong đó $f$ là hệ số ma sát giữa vật liệu và bề mặt đập ($f = 0{,}65 \div 0{,}75$). Áp dụng công thức Putyatin để xác định công suất tiêu hao cho trống đập gồm công suất thắng ma sát ổ đỡ, lực cản không khí ($N_1 = A \cdot \omega + B \cdot \omega^3$) và công suất đập thuần túy ($N_2 = P \cdot v$).
  • Lý thuyết khí động học và phân ly hạt: Vận tốc tới hạn ($v_{th}$) của hạt và tạp chất được xác định dựa trên sự cân bằng giữa trọng lực và lực cản của dòng khí ($R = k \cdot \gamma \cdot F \cdot (u - c)^2$). Phương pháp phân ly dựa trên sự khác biệt về kích thước hình học (dùng sàng phẳng) và tính chất khí động học (dùng dòng khí thổi ngang từ quạt gió).
  • Lý thuyết động học sàng phẳng: Mô hình chuyển động tương đối của hạt trên mặt sàng phẳng dao động dọc. Trạng thái chuyển động của hạt (đứng yên, trượt lên, trượt xuống hoặc nhảy khỏi mặt sàng) được mô tả qua chỉ số chế độ động học $k = \frac{r \cdot \omega^2}{g}$, phụ thuộc vào góc nghiêng sàng $\alpha$, góc ma sát $\varphi$ và góc phương dao động $\varepsilon$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, thiết kế kỹ thuật giải tích và thực nghiệm chế tạo:

  • Phương pháp đo đạc và xác định đặc tính cơ lý: Độ ẩm hạt và đĩa hạt được xác định bằng phương pháp sấy đối lưu ở $105^\circ\text{C}$ đến khối lượng không đổi trên cân điện tử độ chính xác $0{,}01\text{ g}$. Kích thước ba chiều được đo ngẫu nhiên bằng thước kẹp cơ khí.
  • Phương pháp khảo nghiệm máy: Thiết lập thí nghiệm theo mô hình ngẫu nhiên hoàn toàn với 3 lần lặp lại. Các thông số đầu vào được khảo sát gồm tốc độ vòng quay trống đập, khe hở máng đập, tốc độ quạt gió, góc nghiêng và biên độ dao động của sàng. Dữ liệu thực nghiệm được xử lý bằng các công thức thống kê toán học chuyên ngành máy nông nghiệp.

Thiết kế và triển khai

Căn cứ vào đặc tính đĩa hạt hướng dương có cấu trúc xốp, dễ vỡ nát nếu chịu tác động va đập quá mạnh từ răng đập, nhóm tác giả lựa chọn sơ đồ công nghệ đập dọc trục kiểu trống thanh kết hợp hệ thống làm sạch dạng sàng phẳng lắc dọc và quạt dọc trục thổi ngang.

Thông số thiết kế và kết cấu bộ phận đập

  • Năng suất thiết kế: $Q = 800\text{ kg/h}$ hạt sạch (tương ứng khối lượng bông cấp vào $m = 2693\text{ kg/h}$, lượng cấp liệu riêng $q = 0{,}75\text{ kg/s}$).
  • Trống đập: Dạng hình trụ có đường kính $D = 400\text{ mm}$, chiều dài $L = 500\text{ mm}$, lắp 6 thanh đập kích thước $40 \times 40 \times 500\text{ mm}$. Các thanh đập có rãnh khía, bố trí hai thanh kế tiếp khía ngược chiều nhau để tăng hiệu quả tách hạt và đẩy vật liệu di chuyển dọc trục.
  • Vận tốc làm việc: Vận tốc vòng trống đập $v = 14\text{ m/s}$ (vận tốc góc $\omega = 70\text{ s}^{-1}$).
  • Lực đập tính toán: $P = 35\text{ N}$; công suất tính toán của trống đập dọc trục $N' = 736\text{ W}$.
  • Máng trống: Góc bao $215^\circ$, kết cấu gồm các thanh thép tròn đường kính $\phi 6\text{ mm}$ xỏ qua các vành móng ngựa định hình; kích thước lỗ máng phân ly $20 \times 161\text{ mm}$. Khe hở giữa trống và máng đập điều chỉnh được trong khoảng $35 \div 55\text{ mm}$ (ngõ vào cấp liệu rộng $100\text{ mm}$, ngõ ra thoát bồi $60\text{ mm}$, bán kính máng $R_m = 250\text{ mm}$).
  • Nắp trống: Bán kính $R = 360\text{ mm}$, chiều dài $520\text{ mm}$, bên trong bố trí các gân xoắn định hướng giúp dẫn dắt đĩa hạt chuyển động xoắn ốc dọc theo chiều dài trống.

Thông số thiết kế hệ thống làm sạch

  • Sàng làm sạch: Dạng sàng phẳng đột lỗ tròn làm bằng kim loại, phân bố lỗ theo lưới tam giác đều. Góc nghiêng sàng chọn $\alpha = 5^\circ$, bán kính tay quay lệch tâm $r = 6{,}5\text{ mm}$, góc ma sát $\varphi = 25^\circ$. Chế độ động học được thiết lập tại $k = 1$ với góc dao động $\varepsilon = 0^\circ$ đảm bảo vật liệu trượt tịnh tiến xuống dưới đồng thời có pha nhảy nhẹ để hạt dựng đứng lọt qua lỗ sàng.
  • Quạt gió làm sạch: Quạt dọc trục bố trí dòng khí thổi ngang qua dòng vật liệu rơi từ máng phân ly xuống sàng và từ mặt sàng xuống máng hứng, tách các tạp chất nhẹ và bụi bẩn ra khỏi khối hạt.
  • Nguồn động lực: Máy sử dụng động cơ diesel công suất 6 HP để dẫn động toàn bộ hệ thống qua các bộ truyền đai và trục trung gian.

Thiết bị và phương tiện chế tạo, thí nghiệm

  • Thiết bị chế tạo: Máy tiện Takisawa (băng dài $2260\text{ mm}$), máy hàn điện $16\text{ kVA}$, máy cắt thép $0{,}75\text{ kW}$, máy khoan bàn, máy khoan tay Bosch, máy mài, thiết bị cắt oxy-axetylen và các dụng cụ đo kiểm cơ khí (thước kẹp $0{,}05\text{ mm}$, thước đo góc $1^\circ$).
  • Dụng cụ thí nghiệm: Tủ sấy mẫu chuyên dụng, cân điện tử phân tích ($0{,}01\text{ g}$), cân đồng hồ ($10\text{ kg}$ và $2\text{ kg}$), máy đo tốc độ gió và đồng hồ đo tốc độ vòng quay (độ chính xác $0{,}1\text{ vòng/phút}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tra cứu tài liệu sách báo phục vụ đề tài

Chương 1 hệ thống hóa nguồn gốc, giá trị dinh dưỡng, công dụng công nghiệp của cây hướng dương và tình hình sản xuất, cơ giới hóa trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tác giả phân tích đặc điểm nông học và cơ lý của bông hướng dương thu hoạch ở độ tuổi 100–120 ngày, độ ẩm đĩa hạt và độ ẩm hạt thích hợp cho khâu đập ($12 \div 15%$).

Chương này đi sâu so sánh cấu tạo và nguyên lý làm việc giữa bộ phận đập tiếp tuyến và bộ phận đập dọc trục (trống thanh, trống răng trụ, trống răng bản). Bộ phận đập tiếp tuyến có thời gian lưu vật liệu ngắn, đòi hỏi tốc độ đập cao gây tổn thương hạt và cần thêm bộ phận giũ rơm cồng kềnh. Ngược lại, máy đập dọc trục tạo quỹ đạo chuyển động xoắn ốc ($3 \div 7\text{ vòng}$ quanh trống), giúp giảm tốc độ đập, giảm tỷ lệ vỡ và phân ly hạt triệt để mà không cần giũ rơm.

Chương 1 cũng trình bày toàn diện lý thuyết tính toán khí động học của quạt gió (vận tốc tới hạn, áp suất tĩnh, áp suất động, hình dáng cánh cong), lý thuyết động học sàng phẳng (chỉ số $k$, góc ma sát, điều kiện nhảy hạt, hệ số rơi) và xác lập hệ thống công thức tính toán bộ truyền đai, trục, then, ổ lăn.

Chương 2: Phương pháp và phương tiện

Chương 2 trình bày cơ sở lựa chọn mô hình máy thực nghiệm căn cứ trên điều kiện chế tạo tại xưởng trường và đặc thù đĩa hạt hướng dương. Tác giả thiết lập quy trình khảo nghiệm và phương pháp đánh giá chất lượng máy theo tiêu chuẩn ngành:

  • Xác định độ phân ly hạt ($P_h$), độ sạch hỗn hợp ($S_h$).
  • Xác định độ tổn thất: độ sót trên bông ($T_s$), độ hạt theo rơm/bồi ($T_r$), độ hạt ra ở đầu sàng.
  • Xác định độ tổn thương hạt ($T_t$) gồm tỷ lệ hạt vỡ, hạt bóc vỏ (đo bằng cảm quan/phân loại cơ học) và hạt nứt ngầm (đánh giá qua tỷ lệ nảy mầm hoặc soi ánh sáng).
  • Xác định chi phí năng lượng tổng cộng ($N$), chi phí năng lượng riêng ($N_r$) và năng suất thực tế ($N_t$).

Chương này cũng liệt kê toàn bộ danh mục máy công cụ, trang thiết bị gia công cơ khí và các dụng cụ đo lường phục vụ quá trình chế tạo, khảo nghiệm.

Chương 3: Thực hiện đề tài - Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các số liệu đo đạc thực nghiệm đặc tính cơ lý của 4 giống hướng dương thí nghiệm tại Lâm Đồng. Dựa trên dữ liệu thực tế, tác giả phân tích cơ sở chọn giải pháp kết cấu: loại bỏ phương án trống răng (do gây vỡ nát đĩa hạt) và thanh đập tiết diện lớn $80 \times 40\text{ mm}$ (do làm đọng vật liệu trong khoang trống), quyết định sử dụng thanh đập tiêu chuẩn $40 \times 40\text{ mm}$ bố trí khía đảo chiều.

Chương này thể hiện các bước tính toán chi tiết động học và động lực học:

  • Tính lực đập $P = 35\text{ N}$ với vận tốc đập $v = 14\text{ m/s}$.
  • Tính toán công suất trống đập dọc trục $N' = 736\text{ W}$, công suất quạt gió và công suất truyền động toàn máy.
  • Tính toán thiết kế các trục, then, bộ truyền đai chữ V và chọn ổ bi đỡ cho các cơ cấu quay.
  • Trình bày quy trình công nghệ chế tạo từng cụm chi tiết (trống đập, máng lưới đập, nắp gân xoắn, khung máy, cơ cấu treo sàng, cánh quạt gió), quy trình lắp ráp hoàn chỉnh và chạy rà không tải.
  • Trình bày kết quả đo đạc các chỉ tiêu làm việc khi tiến hành khảo nghiệm sơ bộ có tải.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành việc tính toán, chế tạo mẫu máy đập tách hạt và làm sạch hạt hướng dương dọc trục kiểu trống thanh và thu được các kết quả định lượng cụ thể:

Thông số / Chỉ tiêu khảo nghiệm Giá trị thực nghiệm
Năng suất thiết kế $800\text{ kg/h}$ (hạt sạch)
Kích thước đĩa hạt khảo sát (Đường kính $\times$ Bề dày) $195\text{ mm} \times 45\text{ mm}$
Kích thước hạt trung bình (Dài $\times$ Rộng $\times$ Dày) $13\text{ mm} \times 4{,}1\text{ mm} \times 3\text{ mm}$
Trọng lượng 1000 hạt $57\text{ g}$
Tỷ lệ khối lượng hạt trên bông $39{,}7%$
Độ ẩm hạt khảo nghiệm ban đầu $27{,}7%$
Độ ẩm đĩa hạt khảo nghiệm ban đầu $86{,}3%$
Độ sạch hạt sau làm sạch $95{,}9%$
Tỷ lệ hạt theo bồi (tổn thất theo rơm) $0{,}69%$
Tỷ lệ hạt ra ở đầu sàng $0{,}2%$
Tỷ lệ hạt sót trên bông Không đáng kể
Tỷ lệ hạt bị tổn thương (vỡ, tróc vỏ) Không đáng kể

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc làm rõ đặc tính cơ lý của bông và hạt hướng dương canh tác tại Việt Nam, chứng minh tính phù hợp của nguyên lý đập dọc trục loại trống thanh đối với loại cây trồng này thay vì sử dụng máy đập lúa tiếp tuyến hoặc trống răng thông thường. Mẫu máy được chế tạo đạt độ sạch cao ($95{,}9%$) và tổng tổn thất hạt ở mức rất thấp (dưới $1%$), đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật nông học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Quá trình khảo nghiệm máy mới dừng lại ở quy mô sơ bộ trong điều kiện phòng thí nghiệm/xưởng thực nghiệm với một số mẫu giống thí điểm; chưa đánh giá hết ảnh hưởng khi vật liệu có độ ẩm thay đổi lớn; luồng khí từ quạt dọc trục thổi ngang phân bố chưa thật sự đồng đều trên toàn bộ không gian buồng làm sạch.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục tối ưu hóa biên dạng cánh quạt và kết cấu buồng phân phối khí để nâng cao độ đồng đều của dòng khí làm sạch; khảo nghiệm mở rộng máy trên đồng ruộng với các điều kiện mùa vụ khác nhau; nghiên cứu hoàn thiện cơ cấu di động để tích hợp máy vào quy trình thu hoạch cơ giới tại ruộng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ kỹ thuật thuộc ngành Cơ khí Nông Lâm, Cơ khí Chế tạo máy và Công nghệ Sau thu hoạch. Cụ thể, tài liệu cung cấp các nội dung có giá trị sử dụng trực tiếp:

  • Bộ số liệu thực nghiệm về kích thước, khối lượng, tỷ lệ hạt và độ ẩm của các giống hướng dương trồng tại vùng Tây Nguyên - Lâm Đồng.
  • Phương pháp luận và chuỗi công thức giải tích tính toán động lực học bộ phận đập dọc trục kiểu trống thanh.
  • Trình tự thiết kế động học cơ cấu sàng phẳng lắc dọc ($k, r, \alpha, \varepsilon$) và quạt gió khí động học dùng trong làm sạch nông sản.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao đề tài chọn nguyên lý đập dọc trục loại trống thanh thay vì trống răng?
Đĩa hạt hướng dương có cấu trúc xốp và đường kính lớn. Trống răng (dạng răng trụ hoặc răng bản) có diện tích tiếp xúc nhỏ tạo áp suất cục bộ lớn làm đĩa hạt bị vỡ vụn, gây nghẽn sàng và khó khăn cho khâu làm sạch. Trống thanh kết hợp chuyển động xoắn ốc dọc trục giúp chà xát nhẹ nhàng, tách hạt triệt để mà không làm nát đĩa hạt.

Năng suất thiết kế của máy là bao nhiêu và tương ứng với lượng cấp liệu như thế nào?
Năng suất thiết kế của máy là $800\text{ kg/h}$ hạt sạch. Với tỷ lệ hạt trên bông đo được khoảng $29{,}7%$, khối lượng đĩa hạt toàn phần cần cung cấp cho máy là $2693\text{ kg/h}$ (tương đương lượng cung cấp riêng $0{,}75\text{ kg/s}$).

Chế độ động học của hệ thống sàng làm sạch được xác lập bằng các thông số nào?
Sàng phẳng lỗ tròn được thiết kế với góc nghiêng $\alpha = 5^\circ$, bán kính tay quay lệch tâm $r = 6{,}5\text{ mm}$, góc phương dao động $\varepsilon = 0^\circ$ và chỉ số chế độ động học $k = 1$, giúp hạt di chuyển tịnh tiến xuống phía dưới kết hợp pha nhảy nhẹ để hạt dựng đứng lọt qua lỗ sàng.

Kết quả độ sạch và các chỉ tiêu tổn thất hạt trong khảo nghiệm sơ bộ đạt mức nào?
Kết quả khảo nghiệm sơ bộ ghi nhận độ sạch hạt đạt $95{,}9%$, tỷ lệ hạt tổn thất theo bồi là $0{,}69%$, tỷ lệ hạt rơi ra ở đầu sàng là $0{,}2%$; độ tổn thương hạt và độ sót hạt trên bông đều ở mức không đáng kể.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán, thiết kế, chế tạo máy đập tách hạt và làm sạch hạt hướng dương" đã giải quyết thành công bài toán cơ giới hóa khâu thu hoạch hạt hướng dương lấy dầu tại Việt Nam ở quy mô thực nghiệm. Bằng việc kết hợp nguyên lý đập dọc trục trống thanh với hệ thống làm sạch sàng lắc dọc và quạt gió thổi ngang, máy đạt năng suất thiết kế $800\text{ kg/h}$, độ sạch $95{,}9%$ và giảm thiểu tối đa tổn thất vỡ hạt. Đây là công trình cơ khí nông nghiệp hoàn chỉnh từ khảo sát cơ lý, tính toán thiết kế giải tích đến chế tạo và khảo nghiệm thực tế, cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc phát triển máy thu hoạch nông sản có hạt.