Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hồ tiêu là một trong những loại nông sản xuất khẩu chủ lực của Việt Nam với các vùng canh tác trọng điểm tập trung tại Tây Nguyên (Đắk Lắk, Đắk Nông, Gia Lai) và Đông Nam Bộ (Bình Phước, Bà Rịa - Vũng Tàu). Với diện tích canh tác toàn quốc dao động từ 100.000 đến 130.000 ha và sản lượng hàng năm đạt khoảng 250.000 tấn, khâu xử lý sau thu hoạch đóng vai trò quyết định đến giá trị thương phẩm. Trong quy trình sơ chế, công đoạn tách rời hạt tiêu ra khỏi cuống chùm quả tươi là mắt xích tiêu tốn nhiều thời gian và nhân lực nhất nếu thực hiện thủ công bằng tay.

Khảo sát thực tế các dòng máy tách hạt tiêu hiện hành trên thị trường cho thấy nhiều hạn chế kỹ thuật: cơ cấu truyền động đai để trần không có nắp bảo vệ gây mất an toàn lao động; thiếu cụm cơ cấu cấp liệu tự động khiến phôi nạp không đều hoặc dễ gây kẹt; sản phẩm đầu ra sau khi tách vẫn còn lẫn nhiều lá, bụi bẩn và cuống vụn; kết cấu cồng kềnh và chi phí đầu tư cao, chưa phù hợp với năng lực tài chính của các hộ gia đình canh tác diện tích từ 1 đến 4 ha.

Đề tài tốt nghiệp mã số CKM-35 "Thiết kế và thi công mô hình máy tách hạt tiêu" của nhóm sinh viên Võ Thành Kiệt, Vũ Thanh Hải, Hoàng Văn Minh Quân dưới sự hướng dẫn của GVC. ThS. Dương Đăng Danh (Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) được triển khai nhằm giải quyết triệt để các tồn tại trên.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

  1. Tối ưu hóa quy trình công nghệ tách hạt tiêu tươi ra khỏi cuống chùm quả bằng nguyên lý cơ học.
  2. Nâng cao độ chính xác, tính đồng đều và giảm thiểu tỷ lệ vỡ, trầy xước vỏ hạt tiêu sau khi tách.
  3. Đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn lao động (che chắn bộ truyền động) và vệ sinh an toàn thực phẩm.
  4. Nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế động học, động lực học các cụm chi tiết máy.
  5. Thi công, lắp ráp và thực nghiệm đánh giá mô hình thực tế phục vụ quy mô nông hộ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Chùm quả hồ tiêu tươi; nguyên lý tách hạt bằng cơ cấu trục vít - ống tách; máy tách hạt tiêu dạng vít tải.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo mô hình máy tách hạt tiêu vận hành bằng nguồn điện dân dụng 1 pha (220V, 50Hz), năng suất danh định 300 kg/giờ, hướng đến đối tượng sử dụng là các hộ nông dân và cơ sở sơ chế nông sản quy mô vừa và nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý động học vít tải vận chuyển kết hợp ma sát - va đập để bóc tách hạt. Khi trục vít quay, cánh xoắn tạo lực đẩy dọc trục đưa chùm tiêu di chuyển dọc theo chiều dài máy. Sự cọ xát giữa hạt tiêu, cuống tiêu với bề mặt trong của ống sàng và cạnh cánh vít làm mối liên kết giữa hạt và cuống bị phá vỡ. Hạt tiêu tự do rơi qua các lỗ sàng xuống máng hứng, trong khi cuống và lá được đẩy tiếp về phía cuối trục và đưa ra ngoài qua cửa xả riêng nhờ cánh gạt và luồng khí thổi từ quạt gió.

Hệ thống tính toán kỹ thuật ứng dụng các công thức giải tích cơ học máy và chi tiết máy: tính toán áp suất biến thiên trên từng bước vít $P_{kz} = P_{đ1} \cdot K_i^z$, xác định năng suất thể tích $V = n/\rho$, tính chọn động cơ điện, phân phối tỷ số truyền, tính toán bộ truyền đai thang, kiểm nghiệm trục, then và gối đỡ. Các tiêu chuẩn kỹ thuật được tham chiếu gồm tiêu chuẩn an toàn điện TCVN, các yêu cầu kỹ thuật sơ chế hồ tiêu (độ ẩm sau làm khô dưới 12–13%, tỷ lệ tạp chất tối đa không quá 0,5%), cùng các nguyên tắc đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm theo định hướng ISO, HACCP và GAP.

Các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và thiết kế được áp dụng:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp thông tin: Khảo sát hiện trạng máy sơ chế tiêu hiện có trên thị trường và tài liệu chuyên ngành cơ khí nông nghiệp.
  • Phương pháp điều tra xã hội học kỹ thuật: Thực hiện khảo sát nhu cầu người dùng với dung lượng mẫu $n = 40$ người (chủ hộ trồng tiêu và cơ sở sản xuất).
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD): Xây dựng mô hình 3D tổng thể và xuất bản vẽ chi tiết trên phần mềm SolidWorks.
  • Phương pháp thực nghiệm - kiểm chứng: Bố trí thí nghiệm đơn yếu tố để khảo sát 3 mức khe hở giữa trục vít và ống tách tiêu ($5,5\text{ mm} \le c \le 7\text{ mm}$; $8\text{ mm} \le c \le 10\text{ mm}$; $c \ge 12\text{ mm}$) và các dải chiều dài vít tải ($950\text{ mm}$, $1000\text{ mm}$) nhằm tìm ra thông số tối ưu cho chất lượng hạt và độ sạch.

Thiết kế kỹ thuật và chế tạo mô hình

Hệ thống máy tách hạt tiêu bao gồm các cụm cơ cấu chính: khung thân máy, phễu nạp liệu tích hợp cánh gạt cưỡng bức, cụm trục vít tải hai đoạn (đoạn vít nạp và đoạn vít tách), ống tách tiêu dạng lưới đột lỗ, quạt gió làm sạch tạp chất, bộ truyền động đai có hộp che bảo vệ và hệ thống động cơ điện.

                  [Phễu cấp liệu & Cánh gạt]
                        [Đoạn vít tải tách hạt (L = 950 mm)] 
        [Ống tách tiêu (Lỗ Ø10)]               [Cửa xả cuống & lá]
           [Cửa ra hạt tiêu]                  [Quạt thổi tạp chất]

Các thông số kỹ thuật và hình học xác lập

Cụm chi tiết / Thông số Giá trị thiết kế Đơn vị Ghi chú kỹ thuật
Năng suất thiết kế định mức 300 kg/giờ Năng suất thực tế tính toán đạt 324 kg/giờ (hệ số điền đầy 60%)
Kích thước tổng thể máy $1550 \times 600 \times 1200$ mm Dài $\times$ Rộng $\times$ Cao, phù hợp không gian nông hộ
Trọng lượng toàn bộ máy $\le 50$ kg Kết cấu thép hộp định hình, dễ di chuyển
Đường kính ngoài trục vít ($D$) 80 mm Thép ống tiêu chuẩn gắn cánh xoắn
Đường kính trong trục vít ($d_t$) 42 mm Đường kính thân trục chính
Chiều sâu rãnh vít ($h$) 19 mm Xác định theo $h = (D - d_t)/2$
Chiều dày cánh vít ($e$) 20 mm Đảm bảo độ cứng vững khi ma sát va đập
Chiều dài đoạn vít nạp ($L_{\text{nạp}}$) 250 mm Tối ưu hóa khả năng điền đầy liệu liên tục
Chiều dài đoạn vít tải ($L_{\text{tải}}$) 950 mm Đảm bảo tách sạch hạt mà không bẻ gãy cuống
Khe hở trục vít - ống tách ($c$) 10 mm Xác định từ thực nghiệm tối ưu ($8 - 10\text{ mm}$)
Đường kính trong ống tách ($D_m$) 100 mm Xác định theo $D_m = D + 2c$
Kích thước lỗ sàng ống tách $\varnothing 10$ mm Cho phép 2 hạt lọt qua, không kẹt lá và cuống
Nguồn điện vận hành 220 / 50 V / Hz Điện lưới dân dụng 1 pha

Quy trình chế tạo cơ khí được thực hiện thông qua các bước công nghệ: gia công cắt phôi thép hộp định hình bằng máy cắt bàn và máy cắt cầm tay; hàn liên kết khung thân máy; gia công tiện trục lõi thép $\varnothing 42\text{ mm}$; hàn cánh xoắn định hình để tạo trục vít nạp và vít tải; lốc tròn và đột lỗ tấm kim loại $\varnothing 10\text{ mm}$ để chế tạo ống tách tiêu; uốn tấm gá phễu nạp và chế tạo trục cánh gạt liệu; chế tạo tấm chắn bảo vệ bộ truyền đai; sau đó tiến hành lắp ráp cụm ổ bi đỡ, puly đai thang, đấu nối nguồn điện và công tắc điều khiển.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc cơ giới hóa khâu tách hạt tiêu sau thu hoạch nhằm tăng năng suất, giảm chi phí nhân công và kiểm soát chất lượng nông sản. Đồ án xác lập 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, chỉ rõ đối tượng nghiên cứu là chùm hồ tiêu và cơ cấu máy tách hạt dạng trục vít, giới hạn phạm vi nghiên cứu ở quy mô hộ gia đình với nguồn điện 220V và năng suất 300 kg/giờ. Các phương pháp nghiên cứu chính gồm phân tích lý thuyết, mô phỏng CAD, khảo sát thực tế và thực nghiệm chế tạo. Chương cũng đưa ra 6 yêu cầu kỹ thuật cơ bản cho máy chế biến thực phẩm: an toàn thực phẩm, an toàn lao động, độ tin cậy, tiết kiệm năng lượng, dễ bảo trì và tính linh hoạt.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Chương 2 trình bày tổng quan về lịch sử, vùng trồng và tình hình sản xuất hồ tiêu tại Việt Nam và trên thế giới. Tác giả phân loại tiêu theo vị trí địa lý, kích thước, màu sắc và phương pháp chế biến (tiêu sọ, tiêu đen); đồng thời phân tích các đặc tính vật lý của chùm tiêu (chiều dài chùm 5–15 cm, phân bố hạt xoắn ốc quanh trục lõi). Chương này hệ thống hóa quy trình công nghệ sơ chế tiêu chuẩn (thu hoạch khi chín 50–60%, tách hạt, làm sạch, phơi khô 7–10 ngày để đưa độ ẩm về dưới 12–13%, phân loại, xử lý nhiệt, đóng gói). Phân tích cấu tạo máy tách hạt hiện hành chỉ ra các nhược điểm: hạt sau tách còn lẫn nhiều lá và cuống gãy vụn do vít quá dài (1000 mm), bộ truyền đai hở thiếu an toàn và thiếu cụm cấp liệu tự động.

CHƯƠNG 3: CÁC GIẢI PHÁP VỀ VIỆC THIẾT KẾ MÁY TÁCH HẠT TIÊU

Chương 3 trình bày kết quả điều tra xã hội học từ 40 khách hàng là các nông hộ. Dữ liệu khảo sát ghi nhận:

  • 72,7% người dùng phản ánh máy hiện có quá cồng kềnh.
  • 68,2% gặp khó khăn do máy khó vận hành, bảo dưỡng và chi phí quá đắt.
  • 72,7% yêu cầu tiêu sau tách tuyệt đối không bị vỡ hạt; 68,2% yêu cầu không lẫn cuống, lá và giữ nguyên hương vị.
  • Mức giá mong muốn phổ biến nhất là từ 7 đến 10 triệu đồng.

Từ dữ liệu này, nhóm tác giả đề xuất sơ đồ động học máy mới với 3 cải tiến chính: bổ sung phễu cấp liệu có cánh gạt xoay cưỡng bức để kiểm soát lưu lượng nạp; bố trí nắp che kín bộ truyền đai; tích hợp quạt gió thổi sạch tạp chất nhẹ ở đầu xả cuống.

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY TÁCH HẠT TIÊU

Chương 4 là phần tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án với quy trình 6 bước:

  1. Tính toán trục vít: Lựa chọn đường kính ngoài $D = 80\text{ mm}$, đường kính trong $d_t = 42\text{ mm}$, chiều dày cánh $e = 20\text{ mm}$, chiều sâu rãnh $h = 19\text{ mm}$. Áp dụng lý thuyết tăng áp với hệ số thể tích $\eta$ từ 0,9 đến 0,5 để xác định bước xoắn vít biến thiên.
  2. Khảo nghiệm khe hở và chiều dài vít: Thực nghiệm chứng minh khe hở $c = 8 - 10\text{ mm}$ (chọn $c = 10\text{ mm}$) giúp tách hạt sạch nhất mà không làm vỡ vỏ. Chiều dài đoạn nạp được xác định $L_{\text{nạp}} = 250\text{ mm}$; chiều dài đoạn vít tải tách hạt tối ưu là $L_{\text{tải}} = 950\text{ mm}$ (giảm từ 1000 mm của máy cũ để ngăn hiện tượng gãy vụn cuống tiêu).
  3. Ống tách tiêu: Xác định đường kính ống $D_m = 100\text{ mm}$, đường kính lỗ đột $\varnothing 10\text{ mm}$ phù hợp với kích thước hạt tiêu lớn nhất (~5 mm), cho phép 2 hạt lọt qua dễ dàng mà không bị kẹt rác.
  4. Công suất và năng suất: Tính toán công suất cản trục vít $P = 1,17\text{ kW}$ với hệ số vượt tải $k = 2$. Năng suất thực tế ở mức điền đầy 60% đạt 324 kg/giờ.
  5. Cụm cấp liệu và quạt gió: Tính toán thể tích phễu chứa, công suất truyền động cho cánh gạt liệu và lưu lượng quạt gió thổi tạp chất.
  6. Chi tiết máy và khung đỡ: Phân phối tỷ số truyền, tính toán bộ truyền đai thang từ động cơ đến trục vít và từ trục vít đến quạt gió; tính kiểm nghiệm then, trục chính, chọn gối đỡ và thiết kế khung thép định hình.

CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM MÁY TÁCH HẠT TIÊU

Chương 5 mô tả chi tiết tiến trình gia công thực tế tại xưởng cơ khí, danh mục máy móc dụng cụ sử dụng (máy cắt sắt bàn, máy cắt tay, máy hàn que, máy tiện). Tác giả tiến hành chạy thử nghiệm mô hình theo hai giai đoạn:

  • Chạy thử không tải: Kiểm tra độ đồng tâm của trục vít trong ống tách, độ êm của bộ truyền đai thang, hoạt động của cánh gạt và quạt gió, đo độ rung và kiểm tra an toàn điện.
  • Chạy thử có tải: Nạp chùm tiêu tươi nguyên cuống vào phễu; máy bóc tách hạt liên tục, tiêu hạt lọt qua lỗ sàng $\varnothing 10\text{ mm}$ rơi xuống cửa xả sản phẩm sạch, cuống và lá được cánh đẩy đưa ra đầu trục và được quạt gió thổi sạch.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật định lượng

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy tách hạt tiêu đúng theo kích thước thiết kế ($1550 \times 600 \times 1200\text{ mm}$), trọng lượng dưới 50 kg, sử dụng nguồn điện gia đình 220V.
  • Năng suất làm việc thực nghiệm đạt tương đương năng suất tính toán thiết kế ($300 - 324\text{ kg/giờ}$), đáp ứng tốt yêu cầu xử lý của nông hộ.
  • Tỷ lệ tách sạch hạt ra khỏi cuống đạt mức cao, vỏ hạt tiêu không bị trầy xước hay nát vỡ nhờ lựa chọn chính xác khe hở $c = 10\text{ mm}$ và đường kính lỗ sàng $\varnothing 10\text{ mm}$.
  • Tạp chất (lá, cuống gãy vụn, bụi) được loại bỏ hiệu quả khỏi dòng hạt thành phẩm nhờ rút ngắn chiều dài vít tách xuống 950 mm kết hợp với hệ thống quạt gió đầu ra.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Khắc phục triệt để nguy cơ tai nạn lao động bằng việc thiết kế vỏ che chắn kín toàn bộ cụm truyền động puly - đai thang.
  • Thiết kế mới cụm phễu cấp liệu có cánh gạt tự động, khắc phục tình trạng nạp phôi gián đoạn hoặc quá tải gây kẹt trục vít thường gặp ở máy truyền thống.
  • Cung cấp bộ thông số hình học chuẩn hóa (đường kính trục $D=80\text{ mm}$, $d_t=42\text{ mm}$, $L_{\text{nạp}}=250\text{ mm}$, $L_{\text{tải}}=950\text{ mm}$, lỗ lưới $\varnothing 10\text{ mm}$) làm cơ sở tính toán thiết kế máy cơ khí nông nghiệp cùng loại.
  • Tạo ra sản phẩm máy có chi phí chế tạo thấp (ước tính trong khoảng 7–10 triệu đồng), phù hợp với điều kiện kinh tế hộ nông dân trồng tiêu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Độ đồng tâm của lưỡi xoắn trục vít khi chế tạo thủ công còn sai số nhất định, đòi hỏi phải duy trì khe hở tối thiểu 10 mm để tránh cọ quẹt kim loại vào thành ống.
  • Hệ thống truyền động sử dụng tỷ số truyền cố định qua puly đai thang, chưa có bộ biến tần để điều chỉnh dải tốc độ trục vít linh hoạt theo độ ẩm và độ chín khác nhau của từng mẻ tiêu.
  • Thử nghiệm bóc tách mới thực hiện trên các mẫu tiêu tươi phổ biến, chưa đánh giá định lượng trên toàn bộ các giống tiêu khác nhau tại các địa phương.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ dập hoặc đúc cánh xoắn định hình tự động để tăng độ chính xác hình học và cân bằng động của trục vít.
  • Bổ sung mạch điều khiển điện tử hoặc biến tần điều chỉnh vận tốc góc của trục vít và cánh gạt phễu nạp.
  • Thiết kế hệ thống cấp liệu liên tục tự động hóa hoàn toàn kết hợp cảm biến cảnh báo quá tải cho động cơ.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử nông nghiệp: Tham khảo quy trình thiết kế máy nông nghiệp hoàn chỉnh từ khảo sát nhu cầu, xây dựng sơ đồ động, giải bài toán động lực học trục vít, tính toán bộ truyền đai đến lập quy trình gia công xưởng.
  • Kỹ sư và nhà chế tạo thiết bị chế biến nông sản: Sử dụng trực tiếp hệ thống công thức tính toán bước xoắn biến thiên, số liệu thực nghiệm khe hở ($c = 8 - 10\text{ mm}$), kích thước lỗ sàng ($\varnothing 10\text{ mm}$) và giải pháp phễu cấp liệu cánh gạt cưỡng bức để ứng dụng vào sản xuất thương mại.
  • Các cơ sở sơ chế nông sản và nông hộ: Nắm bắt nguyên lý vận hành, bảo trì và tự chế tạo mô hình máy tách hạt tiêu giá thành hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lại chọn chiều dài đoạn vít tải tách hạt là 950 mm thay vì 1000 mm như các máy hiện hành?

Qua khảo sát thực nghiệm, chiều dài vít 1000 mm khiến cuống tiêu bị giữ lại quá lâu trong ống tách, dẫn đến cuống bị vò nát, gãy vụn và lọt qua lỗ sàng làm bẩn hạt tiêu thành phẩm. Khi giảm chiều dài xuống 950 mm, hạt tiêu vẫn được bóc tách hoàn toàn khỏi chùm quả mà cuống tiêu vẫn giữ nguyên cấu trúc, không bị gãy vụn, đảm bảo độ sạch cho sản phẩm.

2. Kích thước đường kính lỗ của ống tách tiêu được xác định là bao nhiêu và căn cứ vào đâu?

Đường kính lỗ ống tách tiêu được chọn là $\varnothing 10\text{ mm}$. Kích thước này dựa trên đường kính hạt tiêu lớn nhất qua khảo sát (~5 mm), đảm bảo khoảng không gian để hai hạt tiêu có thể lọt qua đồng thời mà không bị chèn ép gây trầy xước vỏ, trong khi vẫn giữ lại được cuống và lá bên trong ống.

3. Cụm phễu cấp liệu của máy có điểm gì cải tiến so với các dòng máy tự chế thông thường?

Phễu cấp liệu được tích hợp thêm hệ thống cánh gạt xoay dẫn động bằng động cơ riêng. Cơ cấu này giúp đảo đều và chủ động gạt chùm tiêu vào đoạn vít nạp một cách liên tục với lưu lượng ổn định, tránh hiện tượng nghẽn ứ vật liệu ở miệng nạp hoặc cấp liệu quá mức gây quá tải trục vít.

4. Khe hở tối ưu giữa đỉnh cánh xoắn trục vít và bề mặt trong ống tách tiêu là bao nhiêu?

Kết quả khảo nghiệm 3 dải khe hở cho thấy mức $c = 8 - 10\text{ mm}$ (thiết kế chọn $c = 10\text{ mm}$) là tối ưu nhất. Khe hở dưới 8 mm làm hạt tiêu bị kẹt trên cuống nhiều và lẫn lá; khe hở trên 12 mm làm cuống và lá bị cuốn theo hạt qua cửa xả.

5. Năng suất tách hạt của mô hình máy đạt bao nhiêu trong một giờ làm việc?

Năng suất thiết kế định mức của máy là 300 kg/giờ. Khi tính toán kỹ thuật ở điều kiện làm việc thực tế với hệ số điền đầy mặt cắt ngang ống tách là 60% (để chống kẹt liệu), năng suất tính toán của trục vít đạt 324 kg/giờ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình máy tách hạt tiêu" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu từ tính toán lý thuyết, thiết kế 3D đến chế tạo thực nghiệm mô hình máy cơ khí phục vụ nông nghiệp. Với năng suất thực tế đạt trên 300 kg/giờ, mô hình đã giải quyết tốt bài toán bóc tách hạt tiêu sạch, không vỡ hạt, loại bỏ tạp chất và đảm bảo an toàn lao động nhờ nắp che bộ truyền đai cùng phễu cấp liệu tự động. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích, có tính khả thi cao trong việc ứng dụng cơ giới hóa vào khâu sơ chế nông sản quy mô hộ gia đình tại Việt Nam.